Tại sao chúng ta có thể quan sát được 93 tỷ năm ánh sáng?

Trước khi bắt đầu hành trình khám phá những bí ẩn của vũ trụ, chúng ta cần hiểu về tuổi và kích thước của vũ trụ. Đây là cơ sở để tìm hiểu sự giãn nở của vũ trụ và hiện tượng nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Tuổi của vũ trụ được ước tính bằng cách quan sát bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

Bức xạ nền vi sóng còn sót lại từ Vụ nổ lớn và thấm vào mọi ngóc ngách của vũ trụ. Bằng cách phân tích những dao động nhiệt độ tinh vi trong bức xạ nền vi sóng, các nhà khoa học có thể theo dõi lịch sử của vũ trụ và ước tính rằng vũ trụ này đã 13,8 tỷ năm tuổi. Tuy nhiên, kích thước của vũ trụ vượt quá trực giác của chúng ta. Khi vũ trụ tiếp tục giãn nở, bản thân không gian cũng không ngừng giãn nở, cho phép ánh sáng truyền đi những khoảng cách xa hơn trong lịch sử của vũ trụ so với tuổi thực tế của nó.

Do đó, mặc dù vũ trụ đã 13,8 tỷ năm tuổi nhưng đường kính của vũ trụ mà chúng ta quan sát được vẫn đạt tới con số đáng kinh ngạc là 93 tỷ năm ánh sáng. Một trong những bằng chứng trực tiếp về sự giãn nở của vũ trụ là định luật Hubble, nó tiết lộ một sự thật đơn giản nhưng sâu sắc: các thiên hà càng ở xa chúng ta thì chúng sẽ càng di chuyển ra xa nhanh hơn. Tốc độ hồi quy này có thể được đo bằng cách quan sát hiện tượng dịch chuyển đỏ.

Sự dịch chuyển đỏ đề cập đến hiện tượng bước sóng bức xạ điện từ của một vật thể tăng lên vì một lý do nào đó. Nó là kết quả trực tiếp của sự giãn nở của vũ trụ. Ngoài dịch chuyển đỏ, các nhà khoa học còn quan sát sự giãn nở của vũ trụ thông qua các phương pháp khác, chẳng hạn như quan sát chi tiết các thiên hà xa xôi đã tiết lộ tốc độ giãn nở của vũ trụ thay đổi như thế nào theo thời gian. Những quan sát này không chỉ giúp các nhà khoa học xây dựng các mô hình vũ trụ chính xác hơn mà còn đưa ra các khái niệm về vật chất tối và năng lượng tối, những thành phần vô hình nhưng quan trọng của vũ trụ.

Thuyết tương đối của Einstein là một trong những nền tảng của vật lý hiện đại. Nó bao gồm hai phần: thuyết tương đối đặc biệt và thuyết tương đối rộng. Thuyết tương đối đặc biệt đề xuất khái niệm tốc độ ánh sáng là tốc độ không đổi, trong khi thuyết tương đối rộng coi trọng lực là độ cong của không-thời gian do vật chất gây ra.

Một trong những kết luận nổi tiếng nhất của thuyết tương đối là không có vật thể nào có khối lượng nghỉ có thể đạt tới hoặc vượt quá tốc độ ánh sáng. Điều này là do khi tốc độ đạt tới tốc độ ánh sáng, khối lượng của vật thể sẽ cần trở nên vô hạn, và năng lượng nó cần cũng là vô hạn để tăng tốc.

Tuy nhiên, sự giãn nở của vũ trụ không liên quan đến sự chuyển động của vật chất trong không gian mà là sự giãn nở của chính không gian. Điều này có nghĩa là các thiên hà không di chuyển trong không gian với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng mà đang bị cuốn theo sự giãn nở của không gian. Vì vậy, sự giãn nở của vũ trụ không vi phạm giới hạn tốc độ ánh sáng trong thuyết tương đối.

Để dễ hiểu, chúng ta hãy dùng phép so sánh để vẽ một số điểm ở một khoảng cách nhất định bằng bút đánh dấu trên một quả bóng bay chưa được bơm căng, những điểm này tượng trưng cho các thiên hà trong vũ trụ. Khi quả bóng chưa được bơm căng, tất cả các điểm đều tương đối gần nhau. Nhưng khi bạn bắt đầu thổi phồng quả bóng, bạn sẽ nhận thấy khoảng cách giữa các điểm bắt đầu tăng lên.

Lưu ý rằng bản thân các điểm không di chuyển; vị trí tương đối của chúng vẫn giữ nguyên. Trong mô hình này, bề mặt của quả bóng thể hiện không gian hai chiều tương tự như không gian ba chiều. Khi quả bóng giãn nở, các điểm trên bề mặt sẽ tăng khoảng cách với nhau. Điều này không phải do các điểm di chuyển trên bề mặt mà là toàn bộ bề mặt giãn nở. Tất nhiên, mô hình này là một phép ẩn dụ đơn giản. Vũ trụ không phải hai chiều mà là ba chiều, và sự giãn nở của nó có thể phức tạp hơn bề mặt của một quả bóng bay. Nhưng mô hình này cung cấp một cách trực quan để hiểu khái niệm cơ bản về sự giãn nở của vũ trụ. Trong mô hình quả bóng bay, nếu quả bóng giãn nở vô hạn thì khoảng cách giữa các điểm sẽ tăng với tốc độ vô hạn. Trong vũ trụ thực, do sự giãn nở của không gian nên khoảng cách giữa các thiên hà có thể tăng nhanh hơn tốc độ ánh sáng và điều này không vi phạm nguyên lý tương đối, vì thuyết tương đối "không cho phép" vật chất vượt quá tốc độ ánh sáng, còn không gian thì không.

Sự giãn nở của vũ trụ không chỉ là một hiện tượng quan sát được, nó còn thách thức các định luật vật lý của chúng ta và đòi hỏi chúng ta phải suy nghĩ lại về bản chất của khối lượng, năng lượng, thời gian và không gian. Khi không gian có thể giãn nở vô tận, câu hỏi quan trọng là liệu các định luật vật lý của chúng ta có cần thích ứng với khuôn khổ vô hạn này hay không.

Nghiên cứu về sự giãn nở của vũ trụ cũng dẫn tới các khái niệm về vật chất tối và năng lượng tối. Đây là những dạng vật chất và năng lượng mà chúng ta không thể quan sát trực tiếp được, nhưng qua ảnh hưởng của chúng đến sự giãn nở của vũ trụ, chúng ta biết rằng chúng chiếm phần lớn trong tổng năng lượng trong vũ trụ.

Vật chất tối ảnh hưởng đến tốc độ quay của các thiên hà và sự chuyển động của các cụm thiên hà thông qua hiệu ứng hấp dẫn, trong khi năng lượng tối là lực bí ẩn thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ. Cách chúng tương tác với sự giãn nở của vũ trụ và bản chất của chúng là gì là một trong những lĩnh vực nghiên cứu thú vị nhất trong vật lý hiện đại. Sự giãn nở của vũ trụ cũng đặt ra những thách thức đối với những quan sát và lý thuyết trong tương lai của chúng ta.

Khi vũ trụ tiếp tục giãn nở, các thiên hà xa xôi sẽ ngày càng cách xa chúng ta và cuối cùng có thể vượt ra ngoài phạm vi quan sát của chúng ta. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể mất đi cánh cửa nhìn vào lịch sử ban đầu của vũ trụ, đồng thời hạn chế sự hiểu biết của chúng ta về số phận cuối cùng của vũ trụ. Mặc dù sự giãn nở của vũ trụ được chấp nhận rộng rãi như một thực tế cơ bản của vũ trụ học, nhưng cơ chế chính xác đằng sau nó phần lớn vẫn chưa được biết đến.

Tham khảo: Zhihu