Các nhà vũ trụ học là những người du hành thời gian trí tuệ. Nhìn lại hàng tỷ năm, các nhà khoa học này có thể theo dõi sự tiến hóa của Vũ trụ của chúng ta một cách chi tiết đáng kinh ngạc. Trong các thời kỳ sau đó, vũ trụ của chúng ta đã phát triển đến một kích thước to lớn đến mức chúng ta không còn có thể nhìn thấy mặt khác của nó.
Nhưng làm thế nào điều này có thể được? Nếu vận tốc ánh sáng đánh dấu một giới hạn tốc độ vũ trụ, làm sao có thể có những vùng không thời gian mà các photon của chúng mãi mãi nằm ngoài tầm với của chúng ta? Và thậm chí nếu có, làm sao chúng ta biết rằng chúng tồn tại?
Vũ trụ mở rộng
Giống như mọi thứ khác trong vật lý, Vũ trụ của chúng ta cố gắng tồn tại ở trạng thái năng lượng thấp nhất có thể. Nhưng khoảng 10-36 Vài giây sau Vụ nổ lớn, các nhà vũ trụ học lạm phát tin rằng vũ trụ thay vào đó nghỉ ngơi tại một năng lượng chân không giả tạo - một điểm thấp thực sự là một điểm thấp. Tìm kiếm nguồn năng lượng chân không thực sự, trong một phần nhỏ của một khoảnh khắc, Vũ trụ được cho là đã phình to bởi hệ số 1050.
Kể từ thời điểm đó, Vũ trụ của chúng ta đã tiếp tục mở rộng, nhưng với tốc độ chậm hơn nhiều. Chúng ta thấy bằng chứng về sự giãn nở này trong ánh sáng từ các vật thể ở xa. Khi các photon phát ra từ một ngôi sao hoặc thiên hà lan truyền khắp Vũ trụ, sự kéo dài của không gian khiến chúng mất năng lượng. Khi các photon tới chúng ta, các bước sóng của chúng đã bị dịch chuyển theo khoảng cách mà chúng đã đi.
Đây là lý do tại sao các nhà vũ trụ học nói về dịch chuyển đỏ như là một hàm của khoảng cách trong cả không gian và thời gian. Ánh sáng từ những vật thể ở xa này đã truyền đi rất lâu đến nỗi, khi cuối cùng chúng ta nhìn thấy nó, chúng ta đang nhìn thấy những vật thể như chúng cách đây hàng tỷ năm.
Khối lượng Hubble
Ánh sáng đỏ cho phép chúng ta nhìn thấy các vật thể như các thiên hà khi chúng tồn tại trong quá khứ xa xôi; nhưng chúng ta không thể thấy tất cả các sự kiện đã xảy ra trong vũ trụ của chúng ta trong lịch sử của nó. Bởi vì vũ trụ của chúng ta đang mở rộng, ánh sáng từ một số vật thể đơn giản là quá xa đối với chúng ta từng thấy.
Vật lý của ranh giới đó, một phần, dựa trên một khối không thời gian xung quanh được gọi là khối lượng Hubble. Ở đây trên Trái đất, chúng tôi xác định âm lượng Hubble bằng cách đo một thứ gọi là tham số Hubble (H0), một giá trị liên quan đến tốc độ suy thoái rõ ràng của các vật thể ở xa với dịch chuyển đỏ của chúng. Nó được tính toán lần đầu tiên vào năm 1929, khi Edwin Hubble phát hiện ra rằng các thiên hà ở xa dường như đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ tỷ lệ thuận với sự dịch chuyển ánh sáng của chúng.
Chia tốc độ ánh sáng bằng H0, chúng tôi nhận được khối lượng Hubble. Bong bóng hình cầu này bao quanh một khu vực nơi tất cả các vật thể di chuyển ra khỏi một người quan sát trung tâm ở tốc độ thấp hơn tốc độ ánh sáng. Tương ứng, tất cả các đối tượng bên ngoài âm lượng Hubble di chuyển ra khỏi trung tâmnhanh hơn hơn tốc độ ánh sáng.
Vâng, nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Sao có thể như thế được?
Phép thuật tương đối
Câu trả lời có liên quan đến sự khác biệt giữa thuyết tương đối đặc biệt và thuyết tương đối rộng. Thuyết tương đối đặc biệt đòi hỏi cái được gọi là khung tham chiếu quán tính của nhóm - - đơn giản hơn là phông nền. Theo lý thuyết này, tốc độ ánh sáng là như nhau khi so sánh trong tất cả các khung tham chiếu quán tính. Cho dù một người quan sát đang ngồi yên trên băng ghế công viên trên hành tinh Trái đất hay phóng to qua sao Hải Vương trong một tên lửa có tốc độ cao trong tương lai, tốc độ ánh sáng luôn như nhau. Một photon luôn di chuyển ra xa người quan sát ở tốc độ 300.000.000 mét mỗi giây và người đó sẽ không bao giờ đuổi kịp.
Tuy nhiên, thuyết tương đối rộng mô tả kết cấu của không thời gian. Trong lý thuyết này, không có khung tham chiếu quán tính. Không thời gian không mở rộng đối với bất cứ thứ gì bên ngoài bản thân, vì vậy tốc độ ánh sáng như một giới hạn về vận tốc của nó không áp dụng. Đúng vậy, các thiên hà bên ngoài quả cầu Hubble của chúng ta đang rút ra khỏi chúng ta nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Nhưng bản thân các thiên hà cũng không thể phá vỡ mọi giới hạn tốc độ vũ trụ. Đối với một người quan sát trong một trong những thiên hà đó, không có gì vi phạm tính tương đối đặc biệt cả. Đó là không gian ở giữa chúng ta và những thiên hà đang nhanh chóng sinh sôi và kéo dài theo cấp số nhân.
Vũ trụ quan sát được
Bây giờ cho phần bom tiếp theo: Âm lượng Hubble không giống với Vũ trụ quan sát được.
Để hiểu điều này, hãy xem xét rằng khi Vũ trụ già đi, ánh sáng xa có nhiều thời gian hơn để tiếp cận các máy dò của chúng ta ở đây trên Trái đất. Chúng ta có thể thấy các vật thể đã tăng tốc vượt quá âm lượng Hubble hiện tại của chúng ta vì ánh sáng chúng ta thấy ngày nay được phát ra khi chúng ở trong đó.
Nói đúng ra, Vũ trụ quan sát được của chúng ta trùng khớp với thứ gọi là chân trời hạt. Đường chân trời hạt đánh dấu khoảng cách đến ánh sáng xa nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy tại thời điểm này - các photon có đủ thời gian để ở bên trong, hoặc bắt kịp, quả cầu Hubble đang mở rộng nhẹ nhàng của chúng ta.
Và khoảng cách này là gì? Một chút hơn 46 tỷ năm ánh sáng theo mọi hướng - cho quan sát vũ trụ của chúng ta có đường kính xấp xỉ 93 tỷ năm ánh sáng, tương đương hơn 500 tỷ nghìn tỷ dặm.
(Một lưu ý nhanh: đường chân trời hạt không giống với chân trời vũ trụ. Chân trời hạt bao gồm tất cả các sự kiện trong quá khứ mà hiện tại chúng ta có thể thấy. Mặt khác, chân trời sự kiện vũ trụ xác định một khoảng cách trong đó một người quan sát trong tương lai sẽ có thể nhìn thấy ánh sáng thời cổ đại mà góc nhỏ không thời gian của chúng ta đang phát ra ngày nay.
Nói cách khác, chân trời hạt liên quan đến khoảng cách đến các vật thể trong quá khứ mà ánh sáng cổ xưa mà chúng ta có thể thấy ngày nay; chân trời sự kiện vũ trụ liên quan đến khoảng cách mà ánh sáng ngày nay của chúng ta sẽ có thể đi khi các vùng xa của Vũ trụ tăng tốc ra xa chúng ta.)
Năng lượng tối
Nhờ sự mở rộng của Vũ trụ, có những vùng vũ trụ mà chúng ta sẽ không bao giờ nhìn thấy, ngay cả khi chúng ta có thể chờ đợi một lượng thời gian vô hạn để ánh sáng của chúng đến với chúng ta. Nhưng những gì về những khu vực nằm ngoài phạm vi của khối lượng Hubble ngày nay của chúng ta thì sao? Nếu quả cầu đó cũng đang mở rộng, liệu chúng ta có thể nhìn thấy những vật thể biên đó không?
Điều này phụ thuộc vào khu vực nào đang mở rộng nhanh hơn - khối lượng Hubble hoặc các phần của Vũ trụ ngay bên ngoài khu vực đó. Và câu trả lời cho câu hỏi đó phụ thuộc vào hai điều: 1) liệu H0 đang tăng hoặc giảm và 2) liệu Vũ trụ đang tăng tốc hay giảm tốc. Hai tỷ lệ này có liên quan mật thiết với nhau, nhưng chúng không giống nhau.
Trên thực tế, các nhà vũ trụ học tin rằng chúng ta thực sự đang sống tại thời điểm H0 là giảm; nhưng vì năng lượng tối, tốc độ mở rộng của vũ trụ đang tăng lên.
Điều đó nghe có vẻ trái ngược, nhưng miễn là H0 giảm chậm tỷ lệ so với tốc độ mở rộng của vũ trụ vũ trụ đang tăng lên, sự di chuyển chung của các thiên hà ra khỏi chúng ta vẫn xảy ra với tốc độ nhanh. Và tại thời điểm này, các nhà vũ trụ học tin rằng sự mở rộng của vũ trụ sẽ vượt xa mức tăng trưởng khiêm tốn hơn của khối lượng Hubble.
Vì vậy, mặc dù khối lượng Hubble của chúng ta đang mở rộng, ảnh hưởng của năng lượng tối dường như cung cấp một giới hạn cứng cho Vũ trụ quan sát ngày càng tăng.
Giới hạn trần gian của chúng tôi
Các nhà vũ trụ học dường như đã xử lý tốt các câu hỏi sâu sắc như vũ trụ quan sát được của chúng ta một ngày nào đó sẽ như thế nào và sự mở rộng của vũ trụ sẽ thay đổi như thế nào. Nhưng cuối cùng, các nhà khoa học chỉ có thể lý thuyết hóa các câu trả lời cho các câu hỏi về tương lai dựa trên sự hiểu biết của họ về Vũ trụ ngày nay. Thời gian vũ trụ dài đến mức không thể tưởng tượng được đến mức không thể nói nhiều điều cụ thể về cách thức Vũ trụ sẽ hành xử trong tương lai. Ngày nay, các mô hình phù hợp với dữ liệu hiện tại rất tốt, nhưng sự thật là không ai trong chúng ta sẽ sống đủ lâu để xem liệu các dự đoán có thực sự phù hợp với tất cả các kết quả hay không.
Thất vọng? Chắc chắn rồi. Nhưng hoàn toàn xứng đáng với nỗ lực giúp bộ não trừng phạt của chúng ta xem xét khoa học gây chú ý như vậy - một thực tế, như thường lệ, chỉ đơn giản là xa lạ hơn là hư cấu.
