Khi ngước nhìn bầu trời đêm, chúng ta dễ hình dung vũ trụ như một khoảng không vô tận chứa đầy sao và thiên hà. Nhưng nếu có thể nhìn toàn bộ vũ trụ từ bên ngoài, liệu nó sẽ mang hình dạng gì? Đây không chỉ là câu hỏi triết học mà còn là một vấn đề quan trọng của ngành vũ trụ học. Điều thú vị là các nhà khoa học không cần tìm một “bức tường ngoài cùng” của vũ trụ để nghiên cứu hình dạng của nó; họ có thể suy luận từ cách không gian vận hành trên những khoảng cách khổng lồ.

Trước hết, cần phân biệt hình dạng của vũ trụ với hình dạng của phần vũ trụ mà chúng ta quan sát được. Vũ trụ quan sát được có giới hạn bởi khoảng cách ánh sáng đã kịp truyền tới chúng ta kể từ buổi đầu vũ trụ. Đường kính của vùng này ước tính khoảng 92 tỷ năm ánh sáng, dù tuổi vũ trụ chỉ khoảng 13,8 tỷ năm, bởi không gian đã giãn nở trong lúc ánh sáng di chuyển. Ranh giới ấy không phải bức tường bao quanh mọi thứ, mà là giới hạn quan sát từ vị trí của chúng ta.

Bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Ảnh: Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA)

Để tìm hiểu hình dạng không gian, các nhà khoa học nghiên cứu độ cong của nó. Hãy tưởng tượng một tam giác khổng lồ được vẽ trên không gian vũ trụ. Trong hình học phẳng thông thường, tổng ba góc của tam giác bằng 180 độ. Nhưng nếu không gian có độ cong dương, tổng góc có thể lớn hơn 180 độ; nếu có độ cong âm, tổng góc có thể nhỏ hơn con số ấy. Những khác biệt tinh tế này giúp các nhà khoa học kiểm tra liệu không gian có thực sự phẳng hay đang cong theo một cách nào đó.

Từ đó, ba khả năng hình học cơ bản được đặt ra. Vũ trụ có thể có độ cong dương, gần giống bề mặt một quả cầu trong phép minh họa hai chiều; có độ cong âm, giống bề mặt yên ngựa; hoặc gần như phẳng, tuân theo hình học Euclid. Cần lưu ý rằng đây là cách minh họa độ cong của không gian ba chiều bằng những bề mặt hai chiều, chứ không có nghĩa vũ trụ thực sự là một quả cầu hay chiếc yên ngựa nằm trong một khoảng không lớn hơn.

Vậy vũ trụ của chúng ta thuộc trường hợp nào? Các phép đo bức xạ nền vi sóng vũ trụ – ánh sáng cổ xưa còn sót lại từ thời vũ trụ mới khoảng 380.000 năm tuổi – cho thấy hình học không gian ở quy mô lớn rất gần với trạng thái phẳng. Những dữ liệu từ vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu đã giúp củng cố kết luận này. Tuy nhiên, “phẳng” không có nghĩa vũ trụ giống một chiếc đĩa mỏng, mà là không gian tuân theo hình học gần với những gì chúng ta học trong toán học phổ thông.

Ảnh: medium.com

Điều đáng ngạc nhiên là một vũ trụ phẳng vẫn có thể hữu hạn, tùy thuộc vào cấu trúc liên kết tô pô của không gian. Một mô hình giả định thường được nhắc đến là không gian có cấu trúc tương tự bề mặt bánh donut, khiến một người di chuyển đủ xa theo một hướng có thể quay trở lại điểm xuất phát. Đây chỉ là một khả năng lý thuyết, chưa phải hình dạng đã được xác nhận của vũ trụ. Vì thế, hình học gần phẳng chưa đủ để kết luận toàn bộ vũ trụ là vô hạn.

Cuối cùng, chúng ta vẫn chưa biết chắc vũ trụ có kích thước hữu hạn hay vô hạn, cũng chưa thể xác định đầy đủ cấu trúc tổng thể của nó. Những gì quan sát được mới chỉ là một phần của thực tại rộng lớn hơn, còn các phép đo hiện nay chủ yếu cho biết không gian trong vùng có thể khảo sát gần như phẳng. Có lẽ điều kỳ diệu nhất không nằm ở việc vũ trụ có hình cầu hay hình bánh donut, mà ở chỗ con người có thể dùng ánh sáng cổ xưa, toán học và những vệ tinh cách Trái Đất hàng triệu kilômét để lần tìm câu trả lời cho câu hỏi lớn nhất về nơi chúng ta đang sống.