5. Vũ trụ đang giãn nở vào cái gì?

Câu trả lời ngắn gọn là: Vũ trụ không nhất thiết đang giãn nở “vào” một cái gì cả. Chính không gian đang giãn nở.

Điều này rất trái với trực giác của chúng ta, bởi trong cuộc sống hằng ngày, mọi vật đều nở ra trong một không gian có sẵn.

Ví dụ quả bóng bay: quả bóng nở ra trong căn phòng. Ta dễ nghĩ rằng vũ trụ cũng phải giống như vậy – có một “cái bên ngoài” và vũ trụ đang phình vào đó.

Nhưng theo thuyết tương đối rộng, không cần phải có một không gian bên ngoài như vậy.

5.1. Hãy tưởng tượng một tấm cao su

Bạn hãy tưởng tượng có một tấm cao su rất lớn, trên đó vẽ rất nhiều chấm: • • • • •

Các chấm tượng trưng cho các thiên hà.

Bây giờ kéo căng tấm cao su.

Khoảng cách giữa các chấm tăng lên: • • • •

Điều thú vị là:

+ Chấm A thấy chấm B chạy xa khỏi mình.

+ Chấm B cũng thấy chấm A chạy xa khỏi mình.

+ Chấm C cũng thấy những chấm khác chạy xa.

Không nhất thiết phải có một chấm nào là “trung tâm của sự giãn nở”.

Nhưng ví dụ này vẫn chưa hoàn toàn chính xác, vì tấm cao su có một không gian bên ngoài mà nó đang nằm trong đó.

Vũ trụ thì không nhất thiết có một “không gian bên ngoài” như vậy.

5.2. Ví dụ tốt hơn: cư dân sống trên mặt quả bóng

Hãy tưởng tượng có những sinh vật chỉ sống được trên bề mặt một quả bóng.

Chúng không biết đến chiều thứ ba.

Đối với chúng, toàn bộ “vũ trụ” chỉ là bề mặt quả bóng.

Nếu quả bóng phồng lên:

+ khoảng cách giữa các thành phố trên bề mặt tăng lên;

+ mọi thành phố đều thấy các thành phố khác đang rời xa;

+ không có thành phố nào trên bề mặt là trung tâm của sự giãn nở.

Điều quan trọng:

Tâm của quả bóng không nằm trên bề mặt.

Vì vậy những cư dân trên bề mặt không thể nói: “Trung tâm vũ trụ của chúng ta nằm ở thành phố X.”

Không có thành phố nào như vậy.

5.3. Vũ trụ của chúng ta cũng tương tự – nhưng không phải là mặt quả bóng

Đây chỉ là một phép tương tự, chứ không phải nói vũ trụ thực sự là một quả bóng.

Trong vũ trụ thật, không gian có thể có ba chiều không gian, chứ không phải hai chiều như bề mặt quả bóng.

Khi vũ trụ giãn nở, điều chúng ta quan tâm là: Khoảng cách giữa những thiên hà rất xa nhau tăng lên theo thời gian.

Không cần phải tưởng tượng rằng các thiên hà đang bay vào một khoảng không trống nào đó ở bên ngoài vũ trụ.

5.4. Vậy Big Bang xảy ra ở đâu?

Đây là chỗ rất dễ hiểu nhầm.

Nhiều người tưởng tượng: Một quả cầu vật chất cực kỳ nhỏ => BOOM => vật chất bay ra mọi hướng.

Nếu như vậy, ta có thể hỏi: “Quả cầu đó nằm ở đâu?”

và: “Vụ nổ xảy ra tại điểm nào?”

Nhưng đó không phải hình ảnh đúng của Big Bang.

Theo mô hình Big Bang, không gian của vũ trụ sơ khai ở trạng thái cực nóng và cực kỳ đặc rồi giãn nở.

Vì vậy không có một điểm đặc biệt nào trong không gian mà ta có thể chỉ vào và nói:

“Đây chính là nơi Big Bang xảy ra.”

Theo cách hiểu hiện đại, Big Bang xảy ra ở khắp nơi trong vũ trụ sơ khai, chứ không phải tại một địa điểm duy nhất.

5.5. Một điều rất kỳ lạ: chúng ta không nằm ở trung tâm

Giả sử có một thiên hà cách chúng ta 5 tỷ năm ánh sáng.

Chúng ta thấy nó đang rời xa.

Một người ở thiên hà đó cũng có thể quan sát các thiên hà xung quanh và thấy chúng đang rời xa mình.

Điều đó không có nghĩa: “Tất cả đang chạy khỏi Trái Đất.”

Mà là: Khoảng cách quy mô lớn giữa các thiên hà đang tăng lên do sự giãn nở của không gian.

Đây là một trong những lý do vũ trụ học hiện đại không cần một trung tâm đặc biệt.

5.6. Nhưng các thiên hà có thực sự “đứng yên” trong không gian không?

Không.

Đây là điểm còn thú vị hơn.

Có hai thứ cần phân biệt:

+ Một là chuyển động riêng của thiên hà

Ví dụ Ngân Hà chuyển động dưới tác dụng hấp dẫn của các thiên hà và cấu trúc vật chất xung quanh.

+ Hai là sự giãn nở của không gian

Ở khoảng cách rất lớn, sự giãn nở của không gian làm khoảng cách giữa các thiên hà tăng lên.

Vì vậy có thể hình dung đơn giản: chuyển động riêng + sự giãn nở của không gian

cùng tạo nên chuyển động mà chúng ta quan sát được.

5.7. Vậy “bên ngoài vũ trụ” có tồn tại không?

Đây là câu hỏi mà vật lý hiện nay chưa có câu trả lời thực nghiệm chắc chắn.

Nhưng có một điều rất quan trọng: Mô hình vũ trụ học hiện nay không cần một “bên ngoài vũ trụ” để giải thích sự giãn nở.

Nói cách khác, hỏi: “Vũ trụ đang giãn nở vào đâu?”

có thể giống như hỏi: “Đi về phía Bắc mãi thì cuối cùng ở phía Bắc của Bắc Cực là đâu?”

Câu hỏi nghe có vẻ hợp lý, nhưng khi đến giới hạn của khái niệm “phía Bắc”, chính câu hỏi trở nên không còn phù hợp.

Tương tự, nếu không-thời gian là toàn bộ không gian vật lý mà chúng ta đang nói đến, thì “bên ngoài không gian” không nhất thiết là một địa điểm tồn tại để vũ trụ có thể giãn nở vào đó.

5.8. Và đây là điều tôi nghĩ bạn sẽ thấy đặc biệt thú vị

Bạn hãy tưởng tượng lại hành trình mà chúng ta vừa nói ở bài trước:

Con người => Trái Đất – Hệ Mặt Trời – Ngân Hà – Mạng vũ trụ – Vũ trụ quan sát được

Đến đây, trực giác của chúng ta muốn hỏi: “Được rồi, nhưng tất cả những thứ đó nằm trong cái gì?”

Đó chính là cái bẫy của trực giác. Bởi vì chúng ta quen với việc mọi vật đều nằm trong một cái gì đó:

Người nằm trong căn nhà.

Căn nhà nằm trong thành phố.

Thành phố nằm trên Trái Đất.

Trái Đất nằm trong không gian.

Nên chúng ta tự nhiên hỏi: “Vũ trụ nằm trong cái gì?”

Nhưng trong vũ trụ học, vũ trụ không nhất thiết là một vật nằm bên trong một vật lớn hơn. “Không gian” chính là một phần của thứ mà chúng ta gọi là vũ trụ.

5.9. Một hình ảnh cuối cùng

Có thể nói thế này: Big Bang không giống một quả bom nổ trong một căn phòng.

Nó giống như chính “căn phòng” bắt đầu giãn ra, trong khi các thiên hà nằm trong đó ngày càng cách xa nhau.

Và vì căn phòng chính là không gian, ta không cần hỏi nó đang nổ vào căn phòng nào khác.

Đây cũng là lý do câu hỏi: “Trung tâm vũ trụ ở đâu?” và “Vũ trụ đang giãn nở vào đâu?” đều có thể dẫn chúng ta đến một trực giác sai nếu cứ hình dung vũ trụ như một quả cầu vật chất đang bay trong một khoảng không lớn hơn.