Vào một đêm trời quang, chúng ta nhìn lên bầu trời và có thể thấy bầu trời đầy sao. Nhưng giữa những vì sao này là bóng tối, và những vì sao này lấp lánh như những viên ngọc quý trên nhung đen.
Đây không còn là hiện tượng lạ nữa, nhưng điều khiến con người khác biệt với các loài động vật khác là chúng có bộ não thông minh. Rất nhiều người vẫn đang thắc mắc về hiện tượng đã xuất hiện từ hàng ngàn năm nay: tại sao vũ trụ lại có màu đen?
Nghịch lý Olbers
Các quan sát và nghiên cứu khoa học hiện đại đã cung cấp cho chúng ta đủ hiểu biết về vũ trụ, và việc tin rằng vũ trụ rất rộng lớn, với hàng nghìn tỷ hoặc thậm chí hàng chục nghìn tỷ thiên hà trong vũ trụ quan sát được đã trở thành lẽ thường. Ngân Hà của chúng ta chỉ là một thiên hà xoắn ốc trong số rất nhiều thiên hà khác, và mặt trời chỉ là một ngôi sao bình thường trong Ngân Hà. Ngân Hà có đường kính 200.000 năm ánh sáng và chứa từ 200 đến 400 tỷ ngôi sao.
Trái đất của chúng ta là một hành tinh có kích thước trung bình trong hệ mặt trời. Mặt trời chiếu sáng xuống Trái Đất mỗi ngày, mang lại ánh sáng cho chúng ta, vì vậy bầu trời sáng vào ban ngày. Nhưng trong không gian, vì mỗi ngôi sao đều là một mặt trời, nên ngay cả trong Ngân Hà, vẫn có hàng trăm tỷ mặt trời đang chiếu sáng, vậy tại sao nền không gian vẫn tối như vậy?
Người xưa không có hiểu biết sâu sắc về vũ trụ và coi các vì sao là thần thánh nên tất nhiên họ không nghĩ đến vấn đề này. Nhưng trong thời đại khoa học, những người thông minh bắt đầu thắc mắc. Năm 1610, nhà thiên văn học Kepler đã nêu ra câu hỏi này và ông được coi là người đầu tiên nêu ra câu hỏi như vậy theo cách khoa học; Vào năm 1823, nhà thiên văn học người Đức Olbers đã nêu ra câu hỏi này một cách có hệ thống, vì vậy mọi người gọi câu hỏi này là "nghịch lý Olber".
Ý tưởng cốt lõi của nghịch lý Olbers (còn được gọi là nghịch lý bóng tối ban đêm hoặc nghịch lý độ sáng) là nếu vũ trụ ở trạng thái ổn định và vô hạn, thì ban đêm phải sáng chứ không phải tối. Ý tưởng này dựa trên vũ trụ quan tuyệt đối luôn chi phối tư tưởng của con người. Ý tưởng này cho rằng vũ trụ được sinh ra như vậy, không có khởi đầu, không có kết thúc, không có ranh giới và tốc độ ánh sáng cũng là vô hạn.
Kể từ khi khoa học xuất hiện ở Hy Lạp cổ đại, thế giới quan tuyệt đối đã trở thành hệ tư tưởng thống trị. Khái niệm này chưa bao giờ thay đổi cho đến khi Copernicus phát hiện ra thuyết nhật tâm, Galileo quan sát thấy sự bao la của vũ trụ và Newton phát hiện ra lực hấp dẫn. Theo quan điểm này, vũ trụ là vô hạn, không có điểm bắt đầu hay kết thúc, nên số lượng các ngôi sao cũng vô hạn, tốc độ ánh sáng cũng vô hạn, nên các ngôi sao lấp đầy vũ trụ ngay khi chúng vừa mới sinh ra. Theo cách này, ánh sáng do các ngôi sao phát ra vẫn lưu lại trong vũ trụ, do đó vũ trụ sẽ sáng sủa.
Nhưng thực tế vũ trụ là tối, đây là một nghịch lý và do đó cũng là một nghịch lý.
Hiện nay, khoa học đã giải thích rất rõ vấn đề này. Có ba lý do chính giải thích tại sao vũ trụ tối: thứ nhất, vũ trụ không tĩnh mà động; Thứ hai, tốc độ ánh sáng là hữu hạn và không đổi, nên sự lan truyền của ánh sáng cũng cần có thời gian; Thứ ba, vũ trụ quá rộng lớn và trống rỗng, không có vật chất nào có thể lấp đầy nó, nên ánh sáng của các ngôi sao không đủ để chiếu sáng những không gian này.
Vũ trụ đang mở rộng và nó có sự khởi đầu và kết thúc
Vào đầu thế kỷ trước, cộng đồng khoa học đã có những biến động và có những bước đột phá trong việc quan sát và khám phá vũ trụ. Đại diện tiêu biểu nhất trong số đó là một nhân vật huyền thoại đã khám phá và tạo ra một loạt các lý thuyết hoàn toàn đảo lộn các quan niệm của con người. Người này chính là nhà khoa học vĩ đại Einstein.
Thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng của Einstein, dựa trên một loạt các khám phá trong khoa học đương đại, chẳng hạn như khám phá về sự giãn nở của vũ trụ của Edwin Hubble và khám phá về tính không đổi của tốc độ ánh sáng của thí nghiệm Michelson-Morley, đã chứng minh tính tương đối của không gian và thời gian và phủ nhận quan điểm tuyệt đối về không gian và thời gian trong cơ học Newton.
Từ đó, quan điểm cho rằng vũ trụ là hữu hạn, không ngừng mở rộng, có khởi đầu và kết thúc dần trở thành nhận thức chủ đạo trong cộng đồng khoa học và thế giới. Thông qua quan sát và mô hình hóa bằng nhiều phương pháp khoa học khác nhau, con người tin rằng vũ trụ có nguồn gốc từ khoảng 13,8 tỷ năm trước và đã trải qua ba giai đoạn: giãn nở chậm, giãn nở tăng tốc và giãn nở tăng tốc, và hiện đang ở giai đoạn giãn nở tăng tốc. Theo hằng số Hubble, tốc độ giãn nở lớn hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng.
Dựa trên tốc độ giãn nở của vũ trụ và hằng số Hubble, mô hình khoa học và tính toán cho thấy bán kính của vũ trụ quan sát được là khoảng 46,5 tỷ năm ánh sáng. Vũ trụ quan sát được chỉ là vũ trụ mà con người có thể hiểu và quan sát được trong tương lai. Vẫn còn vũ trụ bên ngoài vũ trụ quan sát được này và hiện tại vẫn chưa thể dự đoán được phạm vi của nó lớn đến mức nào.
Từ khi vũ trụ bắt đầu hình thành, tức là sau Vụ nổ lớn, phải mất hàng trăm triệu năm để các ngôi sao và thiên hà hình thành, và những thiên hà này đang nhanh chóng di chuyển ra xa chúng ta khi vũ trụ mở rộng. Theo cách này, khoảng cách giữa các thiên hà và các ngôi sao sẽ ngày càng lớn hơn, mật độ trong không gian sẽ ngày càng thưa thớt hơn, ánh sáng cũng ngày càng yếu hơn.
Đây là lý do đầu tiên tại sao ánh sáng từ các ngôi sao không thể chiếu sáng toàn bộ vũ trụ. Nghịch lý của Olbers thực sự đặt câu hỏi về quan điểm tuyệt đối về vũ trụ và ủng hộ quan điểm động tương đối về vũ trụ.
Tốc độ ánh sáng bị giới hạn và sự lan truyền mất thời gian
Nếu chúng ta cho rằng tốc độ ánh sáng là vô hạn thì ánh sáng của các ngôi sao sẽ đột nhiên tràn ngập toàn bộ vũ trụ, do đó vũ trụ sẽ sáng. Nhưng bắt đầu từ Galileo, mọi người đã đặt câu hỏi về lý thuyết cho rằng tốc độ ánh sáng là vô hạn. Sau hàng trăm năm nỗ lực không ngừng và vô số thí nghiệm, cuối cùng các nhà khoa học đã kết luận rằng tốc độ ánh sáng trong chân không là 299792458 m/s (mét trên giây).
Hơn nữa, thí nghiệm Michelson-Morley đã khẳng định rằng tốc độ ánh sáng là như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau và theo các hướng khác nhau, chẳng hạn như ánh sáng truyền theo hướng Trái Đất và ánh sáng truyền ngược hướng Trái Đất. Do đó, tốc độ ánh sáng là không đổi.
Vì tốc độ ánh sáng là hữu hạn và không đổi nên phải mất một thời gian để ánh sáng từ các ngôi sao truyền đến một nơi nào đó sau khi phát ra.
Bản chất của ánh sáng là sóng điện từ. Mắt người chỉ có thể nhìn thấy ánh sáng khả kiến, đây chỉ là một dải rất hẹp trong toàn bộ quang phổ điện từ, có bước sóng từ khoảng 780 đến 380nm. Và sóng ánh sáng có hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng Doppler là gì? Nghĩa là, khi nguồn sóng di chuyển ra xa người quan sát với tốc độ cao, bước sóng sẽ bị kéo dài, và khi nó tiến lại gần người quan sát với tốc độ cao, bước sóng sẽ bị nén và ngắn lại. Hiệu ứng Doppler của sóng ánh sáng tạo ra hiệu ứng dịch chuyển đỏ và dịch chuyển xanh quang phổ.
Sự giãn nở của vũ trụ lớn hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng, vì vậy khi con người quan sát ánh sáng từ các thiên hà xa xôi, hiệu ứng dịch chuyển đỏ sẽ xảy ra. Ánh sáng của các ngôi sao di chuyển càng xa và càng nhanh thì nó càng di chuyển ra khỏi phạm vi bước sóng của ánh sáng khả kiến và trở nên vô hình đối với mắt người. Do đó, sóng ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy bằng mắt thường trong vũ trụ chỉ là một dải tần số nhỏ của sóng điện từ, và chúng ta không thể nhìn thấy hầu hết các dải tần số, nên ánh sáng của các ngôi sao không thể lấp đầy toàn bộ vũ trụ.
Khi các ngôi sao ở xa hơn, độ sáng của chúng giảm dần
Chúng ta biết rằng ánh sáng mà mắt người nhìn thấy bao gồm ánh sáng phát ra từ chính nguồn sáng, chẳng hạn như sao, lửa, đèn, v.v.; cũng có ánh sáng phản chiếu từ các vật thể. Ví dụ, mọi vật thể khác ngoài nguồn sáng như mặt trăng, con người, nhà cửa, cây cối, v.v. đều được nhìn thấy nhờ vào ánh sáng phản chiếu.
Trong không gian, mỗi ngôi sao cách nhau quá xa, và trong không gian rộng lớn, có chân không, hầu như không có hạt nào mang và phản xạ ánh sáng, nên ánh sáng của các ngôi sao không thể chiếu sáng toàn bộ không gian.
Trái đất của chúng ta chỉ cách Mặt trời 150 triệu km và được bao bọc trong bầu khí quyển. Khi ánh sáng mặt trời chiếu tới Trái Đất, nó được phản chiếu bởi các hạt khí quyển, vì vậy chúng ta có thể nhìn thấy bầu trời xanh và những đám mây trắng, cũng như ánh sáng rực rỡ trong bóng râm. Nếu chúng ta ở trên Mặt Trăng, vì không có sự phản chiếu từ các hạt khí quyển nên những nơi có ánh sáng Mặt Trời chiếu vào sẽ sáng và có màu trắng, trong khi những nơi không có ánh sáng Mặt Trời sẽ tối đen như mực (tất nhiên, đá Mặt Trăng và các vật thể khác cũng sẽ phản chiếu ánh sáng vào bóng tối, nhưng nếu không có các hạt và bụi khí quyển, mọi thứ sẽ tối hơn nhiều).
Trên thực tế, ánh sáng từ mặt trời không chiếu đi xa. Nếu bạn đến sao Diêm Vương, khoảng cách trung bình từ mặt trời là dưới 6 tỷ km, hoặc chỉ 0,00063 năm ánh sáng. Mặt trời nhìn thấy ở đó chỉ có kích thước bằng một ngôi sao. Mặc dù vẫn khá sáng nhưng nó chỉ sáng hơn trăng tròn 291 lần. Trên Trái Đất, mặt trời sáng hơn trăng tròn khoảng 700.000 lần.
Khi nhìn vào độ sáng của Mặt Trời từ khoảng cách 1 năm ánh sáng, cấp sao biểu kiến chỉ là -2,71 (giá trị càng nhỏ thì càng sáng). Khi quan sát từ Trái Đất, sao Kim có thể đạt tới cấp sao là -4,6, và khi quan sát từ Trái Đất, sao Mộc có thể đạt tới cấp sao là -2,9. Nói cách khác, khi nhìn Mặt trời từ khoảng cách một năm ánh sáng, nó vẫn không sáng bằng sao Kim và sao Mộc khi nhìn từ Trái đất. Nếu chúng ta nhìn vào Mặt Trời từ một điểm xa, tại Alpha Centauri, ngôi sao gần nhất cách xa 4,3 năm ánh sáng, thì cấp sao biểu kiến của Mặt Trời chỉ là 0,43, không sáng bằng cấp sao 0,01 của Alpha Centauri A.
Các ngôi sao rất thưa thớt và nếu không có các hạt trong không gian phản chiếu chúng, chúng không thể phát sáng.
Các ngôi sao trong không gian thưa thớt đến mức nào? Hãy lấy Ngân Hà làm ví dụ: Ngân Hà có đường kính khoảng 200.000 năm ánh sáng. Nếu chúng ta sử dụng độ dày trung bình là 5.000 năm ánh sáng để tính thể tích thì khoảng cách trung bình giữa 400 tỷ ngôi sao là khoảng 7,32 năm ánh sáng. Bầu trời sao thưa thớt như vậy không thể tràn ngập ánh sáng nếu chỉ dựa vào nguồn năng lượng nhỏ bé từ các ngôi sao.
Quan trọng hơn, toàn bộ không gian đều ở trạng thái chân không cao. Ngoại trừ một số nơi tập trung bụi và tinh vân, hầu hết không gian chỉ có một lượng cực nhỏ các hạt lơ lửng, không có khả năng hấp thụ và phản xạ ánh sáng. Khoảng cách giữa các thiên hà thậm chí còn lớn hơn, được đo bằng hàng trăm nghìn đến hàng triệu năm ánh sáng, nên không gian rộng lớn này thậm chí còn trống rỗng hơn.
Người ta thường tin rằng mật độ trung bình của vũ trụ chỉ là một hạt trên một mét khối. Mật độ này được tính bằng tỷ lệ của tất cả các hạt trong vũ trụ cộng lại (bao gồm tất cả các thiên hà và ngôi sao chuyển thành hạt) so với không gian. Vì vậy, sự bao la của vũ trụ nằm ngoài khả năng hiểu biết của con người.
Tại những nơi bụi vũ trụ tập trung, chúng ta có thể thấy sự phản chiếu của tinh vân và kính thiên văn có thể chụp được những tinh vân đầy màu sắc và có hình dạng kỳ lạ, chẳng hạn như Trụ cột sáng tạo (xem hình bên dưới). Trên thực tế, mật độ của các tinh vân này rất nhỏ, chỉ có hàng chục đến hàng trăm hạt trên một centimet khối. Tuy nhiên, trên bề mặt chân không cao của Mặt Trăng, số lượng hạt có thể lên tới hàng chục nghìn hạt trên một centimet khối.
Tuy nhiên, các tinh vân này rất dày đặc trong không gian chân không cực độ và có phạm vi rất lớn, thường là vài năm ánh sáng hoặc thậm chí hàng trăm năm ánh sáng. Tổng lượng các hạt này rất lớn, do đó tinh vân chính là nguồn gốc của sự ra đời và hình thành các ngôi sao mới.
Đây là lý do tại sao khi chúng ta nhìn lên bầu trời vào ban đêm, chúng ta chỉ thấy các ngôi sao nhưng nền trời lại tối đen như mực. Ngành vũ trụ học hiện đại tin rằng khi vũ trụ tiếp tục giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh, bầu trời đầy sao sẽ ngày càng thưa thớt, nền trời sẽ ngày càng tối hơn và cuối cùng vũ trụ sẽ chết trong cái chết nhiệt. Tất nhiên, khoảng thời gian này sẽ rất dài, dài đến mức con người không thể chịu đựng nổi, và nó đã biến mất từ lâu rồi.
Tôi tự hỏi liệu tất cả các bạn có hiểu không? Chào mừng bạn đến thảo luận, cảm ơn bạn đã đọc.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
