Không gian là gì? (Phần 2)

Quan niệm nào là đúng?

Quan niệm nào về không gian trong số này là đúng? Phải chăng không gian tựa như một khoảng trống vô hạn chờ được lấp đầy? Hay nó chỉ tồn tại trong ngữ cảnh vật chất mà thôi?

Hoá ra cái chúng ta biết khá chắc chắn là không gian chẳng phải hai thứ này. Không gian dứt khoát không phải là một khoảng trống rỗng và nó dứt khoát không phải chỉ là một mối liên hệ giữa vật chất. Ta biết được như vậy bởi vì ta đã nhìn thấy không gian hành xử chẳng khớp chút nào với những quan niệm như thế. Chúng ta đã quan sát thấy không gian uốn cong, lượn sóng và giãn nở.

Đây là chỗ bộ óc của bạn lên tiếng, “Gì vậy trờiiii…?”

Nếu bạn để ý, hẳn bạn sẽ hơi chút bối rối khi đọc tới những cụm từ “sự bẻ cong không gian” hay “sự giãn nở không gian”. Liệu điều đó có nghĩa là gì? Làm sao nó lại có nghĩa chứ? Nếu không gian là một khái niệm, thì làm sao nó có thể bị uốn cong hay giãn nở như thể nó bị chặt khúc và xào qua xào lại trên chão dầu cùng với rau mùi? Nếu không gian là cái thước của chúng ta để đo vị trí của vật chất, thì làm sao bạn đo được sự bẻ cong hay sự giãn nở của không gian?

Những câu hỏi hay đấy! Lí do ý tưởng về sự uốn cong không gian như vậy gây khó hiểu là bởi vì phần lớn chúng ta đã lớn lên cùng với một bức tranh tinh thần về không gian là một thứ phông nền vô hình trong đó mọi thứ xảy ra. Có lẽ bạn mường tượng không gian tựa như một sân khấu mà ta đã nhắc ở phần trước, với những tấm ván gỗ cứng làm sàn và ba bên có tường bao bọc. Và có lẽ bạn hình dung chẳng có gì trong vũ trụ có thể bẻ cong sân khấu ấy bởi vì giàn khung trừu tượng này không phải là bộ phận của vũ trụ mà là thứ gì đó chứa đựng vũ trụ.

>> Xem Phần 1

Thật không may, đây là chỗ bức tranh tinh thần của bạn bị nhầm lẫn. Để hiểu thuyết tương đối rộng và nghĩ tới những ý tưởng hiện đại về không gian, bạn phải từ bỏ quan niệm xem không gian là một sân khấu trừu tượng và chấp nhận nó là một dạng vật chất. Bạn phải hình dung không gian có các đặc tính và hành vi, và nó phản ứng với vật chất trong vũ trụ. Bạn có thể vặn vẹo không gian, co nén nó, và, vâng, thậm chí lấp đầy nó bằng rau mùi.

Ở đây, có lẽ trong đầu bạn đang nghe văng vẳng những lời càm ràm “gì nữa vậy trời #@#$?!?!” Có lẽ bạn còn ném quyển sách này vào tường và chế giễu. Điều đó hoàn toàn có thể hiểu được. Một khi bạn nhặt quyển sách lên, thì hãy chuẩn bị đối mặt với chúng tôi, vì sự khùng điên thật sự vẫn chưa xuất hiện đâu. Những phản ứng phi lí của bạn sẽ không còn vào lúc chúng tôi trình bày xong. Nhưng chúng ta cần tháo gỡ những khái niệm này thật thận trọng để hiểu được những ý tưởng ở đây và đánh giá những bí ẩn thật sự kì lạ và cơ bản về không gian vẫn chưa có lời đáp.

Cục nhớt không gian, bạn đang ngụp lặn trong nó

Làm thế nào không gian có thể là một dạng vật chất gợn sóng và uốn cong, và điều đó có nghĩa là gì?

Nó có nghĩa là thay vì giống như một căn phòng trống (một căn phòng thật sự đồ sộ), không gian giống với một cục nhớt to và dày hơn. Thông thường, vạn vật có thể chuyển động trong cục nhớt đó mà không gặp trở ngại gì, giống hệt như chúng ta có thể đi tới đi lui trong căn phòng đầy không khí mà chẳng để ý đến các hạt không khí. Nhưng dưới những tình huống nhất định, cục nhớt này có thể uốn cong, làm thay đổi cách vạn vật chuyển động trong nó. Nó cũng có thể co nén và tạo sóng, làm thay đổi hình dạng của vạn vật bên trong nó.

PHÒNG TRIỂN LÃM C: KHÔNG GIAN

Cục nhớt này (ta sẽ gọi nó là “cục nhớt không gian”) không phải vật tương tự hoàn hảo cho bản chất của không gian, mà nó là một vật tương tự giúp bạn hình dung rằng không gian bạn đang ở ngay đây vào lúc này không nhất thiết là cố định và trừu tượng. Thay vậy, bạn đang ngồi trên một thứ gì đó chắc chắn, và thứ đó có thể co giãn hoặc nhún nhẩy hoặc uốn éo theo những kiểu mà có lẽ bạn không cảm nhận được.

Có lẽ một gợn sóng của không gian vừa mới đi qua bạn. Hoặc có lẽ ngay lúc này chúng ta đang bị kéo giãn vào một chiều kì lạ nào đó mà chẳng hề hay biết. Thật vậy, mãi cho đến gần đây chúng ta đã chẳng thèm để ý cục nhớt đó làm gì ngoài việc ngự ở đây, chẳng nhớp nhúa nơi nào khác nữa, và đó là lí do khiến chúng ta nhầm lẫn nó với hư vô.

Vậy cục nhớt không gian này có thể làm những gì? Hoá ra nó có thể làm rất nhiều thứ kì lạ.

Trước tiên, không gian có thể giãn nở. Hãy suy nghĩ thật kĩ một chút xem không gian giãn nở có nghĩa là gì. Điều đó có nghĩa là vạn vật ngày càng cách xa nhau hơn mà thật sự không cần chuyển động trong cục nhớt ấy. Trong ví dụ tương tự của chúng ta, hãy tưởng tượng rằng bạn đang ngồi trong cục nhớt ấy, và bất ngờ cục nhớt bắt đầu lớn lên và nở ra. Nếu bạn đang ngồi đối diện với một người khác, thì người đó lúc này ở xa bạn hơn mà không cần ai trong hai người phải chuyển động tương đối so với cực nhớt cả.

Làm thế nào ta biết được cục nhớt ấy đã giãn nở? Lẽ nào cái thước ta dùng để đo cục nhớt ấy không giãn nở theo à? Quả thật không gian giữa các nguyên tử trong cái thước sẽ giãn ra, đẩy chúng ra xa nhau. Và nếu cái thước của bạn được làm bằng sáp cực mềm, thì nó cũng sẽ giãn nở. Nhưng nếu bạn sử dụng một cái thước cứng chắc, thì toàn bộ các nguyên tử của nó sẽ bám chặt lấy nhau (bằng lực điện từ), và cái thước vẫn giữ độ dài cũ, cho phép bạn để ý thấy có nhiều không gian hơn đã được tạo ra.

Và sở dĩ chúng ta biết không gian có thể giãn nở bởi vì chúng ta đã nhìn thấy nó giãn nở - đây là cách người ta khám phá năng lượng tối. Ta biết rằng trong vũ trụ xa xưa, không gian đã giãn nở và bành trướng ở tốc độ đáng kinh ngạc, và một sự giãn nở kiểu như vậy vẫn xảy ra hiện nay. Hãy tham khảo chương 14 bàn luận về Vụ Nổ Lớn (sự kiện làm nổ tung vũ trụ xa xưa) và chương 3 trình bày về năng lượng tối, cái hiện đang vận sức đẩy chúng ta ra xa những thứ khác trong vũ trụ.

Chúng ta cũng biết rằng không gian có thể uốn cong. Cục nhớt của chúng ta có thể bị méo mó và biến dạng y hệt như cục kẹo dẻo. Ta biết như vậy bởi vì thuyết tương đối rộng Einstein đã định nghĩa lực hấp dẫn là gì: sự uốn cong không gian. Khi cái gì đó có khối lượng, nó làm cho không gian xung quanh nó móp méo và thay đổi hình dạng.

Khi không gian thay đổi hình dạng, vạn vật không còn chuyển động trong nó theo kiểu mà bạn có thể hình dung lúc ban đầu nữa. Thay vì chuyển động theo đường thẳng, quả bóng chày đi qua vùng phụ cận của cục nhớt bị uốn cong sẽ lượn cong cùng với nó. Nếu cục nhớt bị làm biến dạng nghiêm trọng bởi thứ gì đó to nặng, ví dụ một quả bowling, thì quả bóng chày thậm chí có thể chuyển động quay vòng xung quanh nó – hệt như Mặt Trăng quay xung quanh Trái Đất hay Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời.

Và đây là thứ chúng ta thật sự có thể chứng kiến tận mắt! Ví dụ, ánh sáng bẻ cong đường đi của nó khi nó đi qua gần một vật thể khối lượng lớn như Mặt Trời hay những đốm vật chất tối khổng lồ. Nếu lực hấp dẫn chỉ là một lực giữa những vật có khối lượng – chứ không phải sự uốn cong không gian – thì nó không thể hút lấy các photon, những hạt không có khối lượng. Cách duy nhất giải thích được làm thế nào đường đi của ánh sáng bị bẻ cong là do chính không gian đang uốn cong.

Cuối cùng, ta biết rằng không gian có thể gợn sóng. Đây chẳng phải thứ quá xa vời khi mà chúng ta biết rằng không gian có thể giãn nở và uốn cong. Nhưng cái lí thú là sự giãn nở và uốn cong có thể lan truyền trong cục nhớt không gian của chúng ta; đây là cái được gọi là sóng hấp dẫn. Nếu bạn gây ra một biến dạng đột ngột của không gian, thì biến dạng đó sẽ lan toả về mọi phía giống như sóng âm hay một gợn sóng bên trong một chất lỏng. Loại hành trạng này chỉ có thể xảy ra nếu không gian có một bản chất vật chất nhất định gắn liền với nó, chứ không phải một khái niệm trừu tượng hay một khoảng không thuần tuý.

Ta biết hành trạng gợn sóng này là có thật bởi vì (a) thuyết tương đối rộng dự báo những gợn sóng này, và (b) chúng ta thật sự đã dò được những gợn sóng này. Ở đâu đó trong vũ trụ, hai lỗ đen đồ sộ bị mắc dính trong một quỹ đạo xoáy tít vào nhau, và khi chúng khiêu vũ bên nhau như vậy, chúng gây ra những biến dạng khủng khiếp trong không gian lan toả về mọi hướng vũ trụ. Sử dụng trang thiết bị rất nhạy, chúng ta đã dò được những gợn sóng không gian ấy ở ngay trên Trái Đất này.

Bạn có thể hình dung những gợn sóng này là những con sóng làm giãn và nén không gian. Thật vậy, khi một gợn sóng không gian đi qua, không gian co lại theo chiều này và giãn ra theo một chiều khác.

>> Xem Phần 1

>> Xem tiếp Phần 3

Trích từ We Have No Idea (Jorge Cham & Daniel Whiteson)