Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 15)

Vũ trụ to bao nhiêu?

Tôi muốn nói là RẤT LỚN! và dừng lại ở đó. Thật vậy, theo bằng chứng thiên văn mới nhất, Vũ trụ có khả năng là vô hạn. Điều này có nghĩa là nó trải rộng ra mãi mãi. Tuy nhiên, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy một phần nhỏ của nó, thậm chí với những kính thiên văn mạnh nhất mà chúng ta hi vọng có thể chế tạo. Có tồn tại một đường chân trời trong không gian mà vượt ngoài đó chúng ta không bao giờ có thể nhìn thấy vạch mốc ranh giới của cái gọi là Vũ trụ Nhìn thấy. Đây không phải là một ranh giới thật sự, thật ra Vũ trụ không hẳn trải ra mãi mãi, mà ánh sáng cần một thời gian nhất định để đi tới chúng ta. Tôi sẽ nói kĩ hơn về vấn đề này khi tôi trình bày cái gọi là nghịch lí Olbers.

Trái đất quay xung quanh Mặt trời ở khoảng cách 150 triệu km, tương đương với gần 4000 vòng xích đạo. Mặt trời cùng các hành tinh của nó tạo thành hệ mặt trời. Trái đất quay một vòng quỹ đạo mất 365 ngày 6 giờ, đó là nguyên do chúng ta cần có năm nhuận 366 ngày, vì bốn lần bỏ qua sáu giờ sẽ tương đương với một ngày.

Tất nhiên, sẽ là vô nghĩa nếu đo những khoảng cách thiên văn khổng lồ theo đơn vị km. Thay vậy, chúng được đo theo quãng đường ánh sáng truyền đi trong một năm. Trong chương nói về thuyết tương đối đặc biệt, chúng ta sẽ thấy tốc độ ánh sáng là tốc độ nhanh nhất có thể thu được bởi bất cứ thực thể nào trong Vũ trụ¹. Tuy nhiên, cần có một thời gian nhất định để cho ánh sáng đi từ A đến B; nó chỉ phụ thuộc B ở xa bao nhiêu. Điều này có lẽ không dễ thấy đối với chúng ta khi chúng ta bật đèn trong phòng. Đối với chúng ta, toàn bộ căn phòng tức thời ngập trong ánh sáng, nhưng đây chỉ là vì quãng đường ánh sáng phải đi từ bóng đèn tới bốn góc phòng là quá nhỏ. Thật vậy, ánh sáng chỉ mất mười phần tỉ của một giây để đi từ bóng đèn đến bức tường của căn phòng.

¹Những hạt giả thuyết gọi là tachyon, hạt truyền đi nhanh hơn ánh sáng, đã được thuyết tương đối của Einstein dự đoán, nhưng có lẽ không tồn tại trong Vũ trụ thực.

Trên những khoảng cách thiên văn, thời gian để cho ánh sáng đi từ nơi này đến nơi khác trở nên đáng kể. Ví dụ, ánh sáng từ Mặt trời mất tám phút để đi tới Trái đất: chỉ mất tám phút để đi 150 triệu km. Nhưng ánh sáng mặt trời mất đến năm giờ để đi đến hành tinh lùn Pluto. Trong một năm, ánh sáng có thể truyền đi quãng đường từ Mặt trời đến Trái đất sáu mươi nghìn lần. Quãng đường mà ánh sáng truyền đi trong một năm, như tưởng tượng, được gọi là năm ánh sáng. (Vâng, bạn có thể gọi nó bằng tên gì nữa?) Tuy vậy, có một chút bất tiện khi sử dụng một thuật ngữ chứa một khoảng thời gian để xác định khoảng cách, nhưng bạn phải làm quen với nó thôi.

Những khoảng cách vũ trụ khổng lồ này có nghĩa là vũ trụ học có một bí quyết khéo léo trong ống tay áo của nó. Khi chúng ta nhìn qua kính thiên văn ngắm một ngôi sao ở xa một năm ánh sáng, ta phải nhớ rằng cái ta đang nhìn là ánh sáng đã rời ngôi sao trước đó một năm. Vì thế, chúng ta không phải đang nhìn ngôi sao ở thì hiện tại mà đang nhìn một phiên bản hơi trẻ hơn một chút của nó. Nói ngắn gọn là chúng ta đang nhìn về quá khứ. Trong địa chất học và khảo cổ học, các nhà khoa học nhìn vào bằng chứng xung quanh họ (đất đá và tàn dư hóa thạch) và cố gắng suy luận ra vạn vật trông như thế nào thời quá khứ. Tuy nhiên, các nhà thiên văn có thể nhìn trực tiếp về quá khứ. Họ càng nhìn xa vào trong không gian, thì kính thiên văn của họ đang nhận ánh sáng càng già tuổi hơn và họ đang khảo sát lùi ngược càng xa trong thời gian. Những vật thể xa xăm nhất có thể phát hiện từ Trái đất ở cách chúng ta hàng tỉ năm ánh sáng và cho biết Vũ trụ trông như thế nào khi nó còn son trẻ.

Ngoài Mặt trời ra, ngôi sao gần chúng ta nhất là một sao lùn nhỏ hơn, mờ nhạt hơn nhiều tên gọi là Proxima Centauri, nó chỉ ở xa hơn bốn năm ánh sáng. Nằm tương đối gần ngôi sao này là hệ sao đôi Alpha Centauri, gồm một cặp sao giống như Mặt trời quay xung quanh nhau mỗi vòng mất tám mươi năm. Một cách tình cờ, Beta Centauri nằm đâu đó gần Alpha Centauri nhưng ở xa hơn một trăm lần. Là một ngôi sao lớn rất sáng, nó tỏa sáng với độ sáng tương đương trong cùng một vùng của bầu trời đêm nên, đối với chúng ta, trông chúng ở gần nhau.

Các ngôi sao ở xa như vậy nên bạn sẽ đúng trong suy nghĩ rằng đa phần không gian chỉ là không gian mà thôi. Nhưng bạn sẽ sai trong suy nghĩ rằng các ngôi sao phân bố đều trong toàn Vũ trụ. Khoảng cách đến những láng giềng gần gũi nhất của chúng ta như tôi đã trích dẫn ở trên là khá tiêu biểu giữa các ngôi sao trong vùng lân cận của chúng ta, nhưng ở những nơi khác, các ngôi sao có thể co cụm sít nhau hơn nhiều, và có những khoảng trống mênh mông của Vũ trụ không chứa ngôi sao nào cả. Không có ngoại lệ, tất cả các ngôi sao đều tập trung thành những nhóm lớn gọi là thiên hà. Chúng ta đang sống trong Thiên hà Ngân hà (với chữ T viết hoa để phân biệt nó với những thiên hà khác), nó có hình dạng giống một cái đĩa phẳng với vùng chính giữa phình ra. Vùng nhìn thấy phía ngoài gồm những cánh tay xoắn ốc mang lại tên gọi của nó: một thiên hà xoắn ốc. Nó rộng tám mươi nghìn năm ánh sáng và, để cho bạn có một chút hình dung ra kích cỡ này, trong Thiên hà của chúng ta có nhiều ngôi sao (khoảng một trăm tỉ) hơn so với số người sống trên Trái đất (khoảng 6 tỉ - dân số thế giới đã vượt ngưỡng 7 tỉ - ND). Mặt trời nằm về phía rìa của Thiên hà, trên một trong những cánh tay xoắn ốc của nó và quay xung quanh tâm Thiên hà một vòng mất 255 triệu năm. Tâm thiên hà có mật độ sao dày đặc hơn nhiều và chứa những ngôi sao già hơn Mặt trời của chúng ta.

Bạn có thể nghĩ Thiên hà là một thành phố sao to lớn, với Mặt trời nằm ở vùng ngoại ô hiện đại, cách xa sự xô bồ, hối hả của vùng tâm thiên hà sầm uất. Toàn bộ những ngôi sao chúng ta nhìn thấy trên trời bằng mắt trần là nằm trong Thiên hà của chúng ta, nhưng có nhiều tỉ thiên hà khác nữa, mỗi thiên hà chứa dân cư sao đông đúc riêng của nó. Rất ít trong số những ngôi sao này, ngay cả trong những thiên hà láng giềng, có thể nhận ra với một chiếc kính thiên văn. Lần duy nhất người ta có thể nhìn thấy nó bằng mắt trần là nếu nó đang trải qua một vụ nổ sao siêu mới khi trong thời gian ngắn nó tỏa sáng lấn lướt so với những ngôi sao còn lại trong thiên hà của nó cộng gộp với nhau.

Những chỉ các ngôi sao cụm lại thành thiên hà, mà các thiên hà cũng nhóm lại thành đám. Thiên hà của chúng ta là một thành viên thuộc một bộ sưu tập hỗn tạp gọi là Nhóm địa phương. Gần chúng ta nhất là một số thiên hà lùn. Thiên hà lớn gần chúng ta nhất là Tinh vân Tiên nữ (Andromeda), ở xa chừng hai triệu năm ánh sáng và là thiên hà duy nhất, ngoài thiên hà của chúng ta, có thể nhìn thấy rõ từ Trái đất bằng mắt trần.

Những phép đo thiên văn đã đạt tới một mức độ chính xác và phức tạp với những chiếc kính thiên văn ngày một mạnh hơn đã và đang được chế tạo, cho phép chúng ta khảo sát ngày một sâu hơn vào không gian, nên ngày nay chúng ta biết bản thân các đám thiên hà còn nhóm lại thành cái gọi là siêu đám. Nhóm địa phương của chúng ta thật ra là một bộ phận của Siêu đám địa phương. Sau đó là gì nữa nhỉ? Một đám gồm những siêu đám chăng?

Toàn bộ điều này cho chúng ta biết gì về Vũ trụ? Trước hết, nó rất ư là lộn xộn. Trên mọi thang bậc: từ các ngôi sao đến thiên hà đến đám đến siêu đám, vật chất có xu hướng cụm lại với nhau không đồng đều. Tất nhiên, đây là do lực hấp dẫn tác động tạo nên cấu trúc của toàn Vũ trụ. Lực hút hấp dẫn tương hỗ của tất cả các ngôi sao trong Thiên hà giữ cho chúng liên kết với nhau. Chính lực hấp dẫn làm cho các thiên hà cụm lại thành đám và siêu đám, và lực hút hấp dẫn của toàn bộ vật chất trong Vũ trụ tạo nên hình dạng tổng thể của nó.