"Vũ trụ có điểm kết thúc không? Thời gian có độ dài không...?" Những câu hỏi trong phim ảnh và truyền hình này chính là điều mà các nhà khoa học hiện đang đau đầu. Vũ trụ có vô hạn không? Hiện tại chúng tôi vẫn chưa thể đưa ra câu trả lời chắc chắn. Một số nhà vật lý đã đề xuất rằng hình học của vũ trụ là một hình bánh rán khép kín, điều này cho thấy vũ trụ là hữu hạn. Các học giả khác tin vào khái niệm lạm phát nhanh và rằng chúng ta chỉ có thể hiểu được khái niệm về vật chất và sự tồn tại trong vũ trụ quan sát được. Trong bài viết này, năm học giả, bao gồm các nhà thiên văn học, triết gia khoa học và sử gia khoa học, đã đưa ra quan điểm riêng của họ về việc liệu vũ trụ có vô hạn hay không.
Bởi Noor Gillani
Biên soạn bởi Tian Fang
Chúng ta đã biết rằng vũ trụ đang mở rộng, nhưng các nghiên cứu trong những năm gần đây phát hiện ra rằng tốc độ mở rộng nhanh hơn nhiều so với chúng ta mong đợi.
Bất chấp những đột phá lớn trong công nghệ kính thiên văn và vệ tinh, người ta tin rằng vẫn còn nhiều thứ trong vũ trụ nằm ngoài tầm nhìn của chúng ta, ngoài cái gọi là vũ trụ quan sát được.
Điều này cũng có nghĩa là chúng ta vẫn chưa chắc chắn về hình dạng của toàn bộ vũ trụ - liệu đó có phải là một "chiếc bánh rán" vũ trụ khép kín, một mặt phẳng trải dài như một tờ giấy vô cùng lớn hay một quả cầu khổng lồ đang không ngừng mở rộng?
Các nhà vũ trụ học thường gọi những cấu trúc hình bánh rán không có cạnh và đỉnh là những cấu trúc giống như chiếc nhẫn. Chu kỳ là cấu trúc toán học rất quan trọng.
Các nhà khoa học muốn tìm hiểu không gian kết thúc ở đâu và cuộc sống ở đó như thế nào. Họ nhìn nhận thế nào về số phận của vũ trụ, liệu nó có mở rộng mãi mãi không? Chúng tôi đã phỏng vấn năm nhà khoa học và có vẻ như vẫn chưa có kết luận chắc chắn nào.
Sau đây là câu trả lời của họ.
Anna Moore (Giáo sư tại Viện Không gian của Đại học Quốc gia Úc và nhà thiên văn học): Có thể
Nói tóm lại, "chúng ta không biết liệu vũ trụ có hữu hạn hay không". Chúng ta biết rằng Vũ trụ quan sát được — phần mà chúng ta có thể nhìn thấy và đo lường rõ ràng — bắt nguồn từ Vụ nổ lớn cách đây 13,8 tỷ năm. Vì vậy, chúng ta biết rằng tuổi của vũ trụ là hữu hạn, ít nhất là có thể tính từ Vụ nổ lớn. Nhưng vũ trụ hiện nay đang ngày càng lớn hơn. Nó đã mở rộng theo mọi hướng kể từ Vụ nổ lớn và vẫn đang mở rộng (và gần đây với tốc độ ngày càng nhanh hơn).
Bức xạ còn sót lại từ Vụ nổ lớn, được gọi là bức xạ nền vũ trụ, thể hiện hình ảnh sớm nhất về một vũ trụ nhỏ hơn, nóng hơn và đặc hơn. Chúng ta có thể hiểu được hình dạng (hoặc hình học) của Vũ trụ ở quy mô lớn nhất từ những hình ảnh ban đầu. Biết được điều này rất quan trọng để chúng ta hiểu được vũ trụ là vô hạn hay hữu hạn.
Kết quả phát hiện của vệ tinh cho thấy vũ trụ có dạng hình học phẳng. Trong một vũ trụ phẳng, hai chùm ánh sáng chiếu song song vào không gian sẽ luôn song song, không bao giờ giao nhau hoặc tách ra. Theo góc nhìn này, chúng ta vẫn có thể coi vũ trụ hình trụ hoặc hình xuyến là "phẳng".
Công nghệ phát hiện dòng điện không đủ chính xác để cho chúng ta biết liệu hình học phẳng của Vũ trụ có thể được biểu diễn bằng một tờ giấy, một hình trụ, một hình xuyến hay bất kỳ cấu trúc nào khác cho phép hai chùm ánh sáng truyền qua song song hay không. Một vũ trụ vô hạn có thể là một hình dạng hình học phẳng giống như một tờ giấy trải dài mãi mãi và chứa đựng mọi khả năng, chẳng hạn như vô số phiên bản của chính chúng ta. Mặt khác, một vũ trụ hình bánh rán sẽ phải hữu hạn vì nó là vũ trụ khép kín. Nhưng cho đến nay, chúng ta vẫn chưa biết hình dạng hoặc kích thước của vũ trụ.
Sara Webb (Nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành vật lý thiên văn tại Đại học Công nghệ Swinburne): Có.
Tôi tin rằng vũ trụ là vô hạn. Chúng ta biết rằng vũ trụ bắt nguồn từ Vụ nổ lớn. Qua quan sát, chúng ta vẫn chưa biết nó bắt nguồn từ đâu, nhưng Vụ nổ lớn đã xảy ra. Bất kể bạn ở đâu trong vũ trụ (trong Ngân Hà hay ở nơi xa xôi nào đó), vũ trụ đều mở rộng theo mọi hướng với bạn là trung tâm. Hiện nay chúng ta tính toán rằng Vũ trụ có tuổi đời khoảng 13,8 tỷ năm, điều đó có nghĩa là nó đã mở rộng rất nhiều. Vì vậy, về mặt logic, chúng ta có thể ước tính bán kính của vũ trụ là 13,8 tỷ năm ánh sáng, đúng không?
Nhưng bán kính của vũ trụ quan sát được thực sự là 46 tỷ năm ánh sáng, điều đó có nghĩa là ánh sáng đầu tiên mà chúng ta có thể nhìn thấy (380.000 năm sau Vụ nổ lớn) đến từ khoảng cách 46 tỷ năm ánh sáng. Nguyên nhân là do cái gọi là "lạm phát nhanh". Tuy nhiên, chúng ta không có lý do gì để nghĩ rằng rìa của vũ trụ quan sát được là rìa của vũ trụ thực tế.
Chúng ta có xu hướng nghĩ rằng mọi thứ đều có hình dạng ba chiều, chẳng hạn như hình cầu, hình khối hoặc hình nón. Chúng ta có thể tưởng tượng vũ trụ như một quả cầu đang mở rộng vô hạn. Hoặc nó có thể uốn cong theo cách biến nó thành một hệ thống khép kín (hình chiếc bánh donut), nơi bạn có thể đi đủ xa theo đường thẳng và cuối cùng quay trở lại nơi bạn bắt đầu - Vũ trụ là hữu hạn.
Nhưng tôi có xu hướng thiên về một khả năng khác, đó là lạm phát sau Vụ nổ lớn. Một giả thuyết cho rằng lạm phát thực chất là lạm phát vĩnh cửu, nghĩa là nó luôn xảy ra ở đây hoặc ở đó, khiến Vũ trụ trở nên vô hạn. Điều này đòi hỏi phải nghiên cứu sâu về các lý thuyết không thể tưởng tượng được như biến động lượng tử và thậm chí là đa vũ trụ. Là một người hâm mộ khoa học viễn tưởng, làm sao tôi có thể không mong muốn điều đó là sự thật?
Tanya Hill (Nghiên cứu viên danh dự, Đại học Melbourne, Quản lý cấp cao, Bảo tàng Victoria, Nhà thiên văn học): Có.
Vũ trụ mà chúng ta có thể nhìn thấy là hữu hạn. Vũ trụ quan sát được là hữu hạn và sẽ không tồn tại mãi mãi. Nó trải dài 46 tỷ năm ánh sáng xung quanh chúng ta (mặc dù vũ trụ của chúng ta đã 13,8 tỷ năm tuổi và khi vũ trụ này mở rộng, vũ trụ quan sát được sẽ lớn hơn nhiều).
Vũ trụ quan sát được tập trung vào chúng ta. Người ngoài hành tinh ở các thiên hà xa xôi cũng có thể có một vũ trụ quan sát được lấy họ làm trung tâm. Mặc dù có thể có một số điểm chồng lấn giữa vũ trụ quan sát được tại các trung tâm khác nhau này, nhưng chắc chắn sẽ có những vùng mà chúng ta không thể nhìn thấy. Do đó, chúng ta không thể nói rằng Vũ trụ có hữu hạn hay không, vì chúng ta không thể nhìn thấy toàn bộ nó. Thay vào đó, chúng tôi tiếp cận vấn đề bằng cách khám phá hình dạng của vũ trụ. Mặc dù chúng ta không biết hình dạng của toàn bộ vũ trụ, nhưng chúng ta biết rằng phần vũ trụ tập trung vào chúng ta là phẳng. Điều này có nghĩa là hai tên lửa bay song song trong điều khiển hành trình sẽ luôn luôn song song. Vì không gian không cong nên các tên lửa không bao giờ có thể bay ngang qua hoặc di chuyển ra xa nhau.
Một vũ trụ phẳng có thể vô hạn, giống như một tờ giấy hai chiều trải dài mãi mãi. Nhưng nó cũng có thể hữu hạn, giống như việc tạo một hình trụ từ một tờ giấy và nối hai đầu lại để tạo thành một chiếc bánh rán. Đó chính là vấn đề.
Hơn nữa, có nhiều cách khiến Vũ trụ cong, nhưng chúng ta lại sống ở một vùng phẳng. Đây là một tình huống rất đặc biệt, chúng tôi giải thích bằng lý thuyết "lạm phát". Lạm phát là sự giãn nở nhanh chóng của vũ trụ trong một thời gian ngắn ở thời điểm rất sớm, điều này giải thích mọi sự gấp khúc và cong vênh trong không gian của chúng ta. Sau giai đoạn lạm phát, vũ trụ trở thành thứ mà chúng ta thấy ngày nay. Nhưng lạm phát có thể có tác động vượt ra ngoài vũ trụ của chúng ta; có lẽ điều này cũng đang xảy ra ở nơi khác và đang xảy ra ngay lúc này. Vậy thì toàn bộ vũ trụ, hay thậm chí là đa vũ trụ, sẽ lớn đến mức nào? Với tôi, nó mở ra khả năng hình dung ra một vũ trụ vô hạn dễ hơn một vũ trụ hữu hạn.
Sam Baron (Phó giáo sư, Đại học Công giáo Úc, nhà triết học khoa học): Không.
Có một quan điểm thông thường cho rằng không gian là vô hạn, nhưng tôi nghĩ điều này là sai. Nó có thể diễn ra như thế này: Nếu vũ trụ là hữu hạn, thì nó phải có ranh giới. Nhưng hãy tưởng tượng rằng bạn đang lái một con tàu vũ trụ vào sâu thẳm của vũ trụ xa xôi và bạn phát hiện ra ranh giới của vũ trụ. Thật không thể tin được - ranh giới sẽ trông như thế nào? Do đó, vũ trụ phải kéo dài mãi mãi.
Nhưng vẫn còn nhiều cách khác để hạn chế không gian. Nó có thể là một hình xuyến, hữu hạn trong không gian nhưng không có ranh giới, giống như một chiếc bánh rán vũ trụ. Nếu vũ trụ có hình dạng như chiếc bánh rán, thì có một bài kiểm tra khoa học rất hữu hạn để kiểm tra xem vũ trụ có hữu hạn hay không.
Giả sử bạn chiếu một chùm sáng vào một bề mặt phản xạ ở rất xa. Nếu bề mặt phản chiếu không nhẵn, ánh sáng sẽ bị phản xạ theo nhiều hướng. Nếu vũ trụ có hình dạng như chiếc bánh rán, ánh sáng phản xạ sẽ dần dần uốn cong theo hình dạng của vũ trụ, cuối cùng quay trở lại và giao nhau (như thể hiện trong hình bên dưới). Điều này chỉ xảy ra trong điều kiện của một vũ trụ hữu hạn. Trong vũ trụ vô tận, ánh sáng sẽ lan truyền vô tận.
Bây giờ hãy tưởng tượng rằng bạn đang đứng tại nơi các tia sáng giao nhau. Bạn quay lại và nhìn thấy vật thể phản chiếu ánh sáng; nếu bạn quay theo hướng khác, bạn vẫn nhìn thấy vật thể đó, nhưng ánh sáng đến từ một góc khác. Nếu hình ảnh phản chiếu là một hành tinh ở xa, bạn có thể nhìn thấy cùng một hành tinh hai lần. Các nhà khoa học đã bắt đầu tìm kiếm hiệu ứng của sảnh gương trong ánh sáng mờ còn sót lại từ Vụ nổ lớn. Nó có thể cung cấp bằng chứng về kích thước và hình dạng của vũ trụ. Mặc dù vẫn chưa đưa ra được kết luận chắc chắn nào, nhưng khi con người tiếp tục khám phá, ai biết được chúng ta có thể khám phá ra điều gì?
Một bài kiểm tra để xem không gian có hữu hạn không: nếu chúng ta phản chiếu ánh sáng từ một vật thể, chúng ta sẽ thấy sự phản chiếu đó hai lần; thì không gian chúng ta đang sống có lẽ là hữu hạn và cong!
Kevin Orrman-Rossiter (Ứng viên Tiến sĩ Lịch sử và Triết học Khoa học, Đại học Melbourne): Không
Khi chúng ta nghĩ đến “vô cực”, chúng ta thường muốn nói đến thứ gì đó không có ranh giới hoặc vô tận. Quan điểm của tôi là vũ trụ là hữu hạn. Để chứng minh quan điểm này, chúng ta hãy tạm thời giả sử rằng vũ trụ là vô hạn. Một ví dụ rất đơn giản là tôi lấy một con tàu vũ trụ và phóng đi theo một hướng tùy ý nhưng không bao giờ tới được ranh giới. Nhưng có một vấn đề với thí nghiệm này: Tôi có thể cần phải bay trong một khoảng thời gian vô hạn để đảm bảo rằng không có ranh giới nào cho việc "xa hơn một chút", và tốc độ di chuyển không quan trọng. Để chứng minh giả thuyết rằng vũ trụ trống rỗng là vô hạn, chuyến hành trình của tôi cần phải vô hạn. Rõ ràng là hiện nay không có nhiều tổ chức tài trợ cho những thí nghiệm như vậy.
Điều này cho thấy rằng để chứng minh vũ trụ là vô hạn, chúng ta phải sử dụng quan sát thay vì thử nghiệm trực tiếp. Trong thế kỷ qua, chúng ta đã học được rất nhiều điều về Vũ trụ thông qua quan sát. Chúng ta biết rằng vũ trụ bắt đầu hình thành cách đây khoảng 13,8 tỷ năm. Chúng ta cũng biết từ các quan sát rằng Vũ trụ đang mở rộng. Chúng tôi đã phát hiện ra bức xạ nền vi sóng - được cho là bức xạ còn sót lại từ Vụ nổ lớn. Vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay là một mạng lưới thiên hà đang mở rộng chậm rãi.
Một câu hỏi quan trọng trong vũ trụ học là liệu sự giãn nở này có tiếp tục hay không, liệu nó có thay đổi tốc độ hay có thể đảo ngược được không. Để trả lời câu hỏi này đòi hỏi phải hiểu được tính chất của vật chất tối và năng lượng tối.
Một điểm thú vị là, bất kể mô hình vũ trụ nào (và vẫn còn nhiều phần quan trọng còn thiếu ở đây), quan điểm vũ trụ học hiện tại cho rằng vũ trụ sẽ có hồi kết và không tồn tại mãi mãi. Sự tồn tại của vũ trụ trong thời gian là hữu hạn, và quay lại quan điểm của tôi, tôi cho rằng đến một lúc nào đó, hành trình không gian của chúng ta nên kết thúc.
Tài liệu tham khảo
1. https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html
2. https://www.quantamagazine.org/what-shape-is-the-universe-closed-or-flat-20191104
3. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/10/14/ask-ethan-is-the-universe-finite-or-infinite/?sh=7429ea2d4967
4. https://www.space.com/31465-is-our-universe-just-one-of-many-in-a-multiverse.html
5. https://www.nature.com/articles/news.2008.854
6. https://www.newscientist.com/article/dn4250-tantalising-evidence-hints-universe-is-finite/
7. https://press.princeton.edu/books/hardcover/9780691196022/cosmology-century
Hơn 70% vũ trụ được tạo thành từ năng lượng tối, thứ bí ẩn, thậm chí còn kỳ lạ hơn cả vật chất tối
