Một cái nhìn cực xa về Vũ trụ cho thấy các thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ cực cao. Ở những khoảng cách đó, các thiên hà xuất hiện nhiều hơn, nhỏ hơn, ít phát triển hơn và rút đi ở những lần dịch chuyển lớn so với những thiên hà gần đó. Tín dụng hình ảnh: NASA, ESA, R. Windhorst và H. Yan.

5 câu hỏi mà bạn đã quá xấu hổ khi hỏi về vũ trụ đang mở rộng

Từ những gì nó đang mở rộng đến việc mọi thứ đang chuyển động nhanh hơn ánh sáng, điều này sẽ xóa đi một số quan niệm sai lầm lớn nhất của chúng ta.

Càng rõ ràng, chúng ta càng có thể tập trung sự chú ý vào những điều kỳ diệu và thực tế của vũ trụ về chúng ta, chúng ta sẽ càng ít có hương vị cho sự hủy diệt. -Rachel Carson

Khi chúng ta nhìn ra Vũ trụ xa xôi, chúng ta tiếp tục thấy các thiên hà ở khắp mọi nơi, ở mọi hướng, trong hàng triệu và thậm chí hàng tỷ năm ánh sáng. Với ước tính khoảng hai nghìn tỷ thiên hà có khả năng quan sát được đối với nhân loại, tổng cộng những gì ngoài kia là vĩ đại và ngoạn mục hơn hầu hết chúng ta có thể hy vọng tưởng tượng. Một trong những sự thật khó hiểu nhất là trong tất cả các thiên hà chúng ta từng quan sát, tất cả chúng đều tuân theo quy tắc (trung bình) như nhau: chúng càng ở xa chúng ta, chúng dường như càng rời xa chúng ta. Phát hiện này, được thực hiện bởi Edwin Hubble và các cộng tác viên của ông vào những năm 1920, đã đưa chúng ta đến bức tranh của Vũ trụ đang mở rộng. Nhưng điều đó có nghĩa là Vũ trụ đang mở rộng? Khoa học biết, và bây giờ bạn cũng sẽ như vậy!

Càng nhìn xa, chúng ta càng quay ngược thời gian về một Vũ trụ ít phát triển hơn mà chúng ta thấy. Nhưng chỉ khi Thuyết tương đối rộng áp dụng và chi phối một Vũ trụ đang mở rộng. Tín dụng hình ảnh: người dùng Wikipedia Pablo Carlos Budassi.

1.) Vũ trụ đang mở rộng thành gì? Đây là một trong những câu hỏi nghe có vẻ hợp lý, bởi vì mọi thứ khác mở rộng đều được tạo ra từ vật chất và tồn tại trong không gian và thời gian của Vũ trụ. Nhưng bản thân Vũ trụ chỉ đơn giản là không gian và thời gian, và chứa đựng tất cả vật chất và năng lượng hiện diện bên trong nó. Khi chúng ta nói, vũ trụ đang mở rộng, thì ý của chúng ta là không gian chính là sự giãn nở, khiến chúng ta thấy các thiên hà và cụm thiên hà riêng lẻ di chuyển ra xa nhau. Hình dung tốt nhất mà tôi từng thấy là hình dung một quả bóng bột với nho khô trong đó, nướng trong lò nướng.

Mô hình 'bánh mì nho khô' của Vũ trụ đang mở rộng, nơi khoảng cách tương đối tăng lên khi không gian (bột) mở rộng. Tín dụng hình ảnh: Nhóm khoa học NASA / WMAP.

Bột là kết cấu của không gian, nho khô là các cấu trúc ràng buộc (như các thiên hà hoặc các nhóm / cụm thiên hà), và từ quan điểm của bất kỳ nho khô nào, tất cả các nho khô khác đang di chuyển ra khỏi nó, với các nho khô xa hơn di chuyển đi nhanh hơn. Chỉ trong trường hợp của Vũ trụ, không có lò nướng và không có không khí bên ngoài bột; chỉ có bột (không gian) và nho khô (vật chất).

Không chỉ đơn giản là các thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta gây ra dịch chuyển đỏ, mà là không gian giữa chúng ta và thiên hà chuyển ánh sáng trên hành trình của nó từ điểm xa xôi đó đến mắt chúng ta. Tín dụng hình ảnh: Larry McNish thuộc Trung tâm RASC Calgary.

2.) Làm thế nào để chúng ta biết đó là kết cấu của không gian đang mở rộng và không chỉ các thiên hà di chuyển ở các tốc độ khác nhau? Nếu bạn thấy các vật thể di chuyển ra xa bạn theo mọi hướng, đó có thể là do không gian giữa bạn và các vật thể đó đang mở rộng; đó là một khả năng. Nhưng cũng có vẻ hợp lý khi bạn có thể ở gần trung tâm của vụ nổ, và nhiều vật thể ở xa hơn và di chuyển nhanh hơn ngày hôm nay vì chúng nhận được nhiều năng lượng hơn trong vụ nổ. Nếu điều sau đó là đúng, sẽ có hai bằng chứng nổi bật:

  1. Sẽ có ít thiên hà hơn ở khoảng cách lớn và tốc độ cao, vì chúng sẽ lan ra ngoài không gian dễ dàng hơn khi thời gian trôi qua.
  2. Mối quan hệ dịch chuyển đỏ / khoảng cách sẽ tuân theo một hình thức rất đặc biệt ở những khoảng cách lớn khác với trường hợp đó là kết cấu của không gian mở rộng.
Sự khác biệt giữa giải thích chỉ dựa trên chuyển động cho dịch chuyển đỏ / khoảng cách (đường chấm) và dự đoán của thuyết tương đối rộng (rắn) cho khoảng cách trong Vũ trụ mở rộng. Chắc chắn, chỉ có dự đoán của GR phù hợp với những gì chúng ta quan sát. Tín dụng hình ảnh: Người dùng Wikimedia Commons Redshiftimprove.

Khi chúng ta nhìn vào khoảng cách lớn, chúng ta thấy rằng thực sự có mật độ thiên hà lớn hơn trong Vũ trụ xa hơn so với ở gần đó. Điều này phù hợp với một bức tranh nơi không gian đang mở rộng, vì nhìn xa cũng giống như nhìn vào quá khứ, nơi ít sự mở rộng đã xảy ra. Chúng ta cũng thấy rằng các thiên hà xa xôi có sự dịch chuyển và khoảng cách phù hợp với kết cấu của không gian mở rộng, và rất nhiều không phải với các thiên hà chỉ đơn giản là di chuyển ra xa chúng ta. Đây là một câu hỏi mà khoa học có thể trả lời theo hai cách rất khác nhau và cả hai câu trả lời đều hỗ trợ cho một Vũ trụ đang mở rộng.

Biểu đồ tốc độ mở rộng rõ ràng (trục y) so với khoảng cách (trục x) phù hợp với Vũ trụ mở rộng nhanh hơn trong quá khứ, nhưng vẫn đang mở rộng cho đến ngày nay. Đây là phiên bản hiện đại, kéo dài hơn hàng nghìn lần so với tác phẩm gốc của Hubble. Lưu ý thực tế là các điểm không tạo thành một đường thẳng, biểu thị sự thay đổi của tốc độ mở rộng theo thời gian. Tín dụng hình ảnh: Ned Wright, dựa trên dữ liệu mới nhất từ ​​Betoule et al. (2014).

3.) Có phải Vũ trụ luôn mở rộng với cùng tốc độ không? Chúng tôi gọi nó là hằng số Hubble, nhưng nó chỉ là một hằng số ở mọi nơi trong không gian, không phải mọi thứ khi có thời gian. Vũ trụ, tại thời điểm này, đang mở rộng với tốc độ chậm hơn bao giờ hết trong quá khứ. Khi chúng ta nói về tốc độ mở rộng, đó là tốc độ trên mỗi đơn vị khoảng cách: khoảng 70 km / s / Mpc ngày hôm nay. (Một Mpc Cảnh là một megapixel, hoặc khoảng 3.260.000 năm ánh sáng.) Nhưng tốc độ mở rộng phụ thuộc vào mật độ của tất cả những thứ khác nhau trong Vũ trụ, bao gồm cả vật chất và bức xạ. Khi Vũ trụ giãn nở, vật chất và bức xạ bên trong nó trở nên ít đậm đặc hơn, và khi mật độ vật chất và bức xạ giảm xuống, tốc độ giãn nở cũng tăng theo. Vũ trụ đã mở rộng nhanh hơn trong quá khứ và đã chậm lại kể từ khi Big Bang nóng bỏng. Hằng số Hubble là một cách viết sai; nó nên được gọi là tham số Hubble.

Số phận xa xôi của Vũ trụ cung cấp một số khả năng, nhưng nếu năng lượng tối thực sự là một hằng số, như dữ liệu chỉ ra, nó sẽ tiếp tục đi theo đường cong màu đỏ. Tín dụng hình ảnh: NASA / GSFC.

4.) Vũ trụ sẽ mở rộng mãi mãi, hay một ngày nào đó nó sẽ dừng lại, hoặc thậm chí tái phát? Trong nhiều thế hệ, đây là một trong những câu hỏi thần thánh về vũ trụ học và vật lý thiên văn, và nó chỉ có thể được trả lời bằng cách xác định cả vũ trụ đang giãn nở nhanh như thế nào và tất cả các loại (và lượng) năng lượng khác nhau có trong đó. Bây giờ chúng ta đã đo thành công bao nhiêu vật chất bình thường, phóng xạ, neutrino, vật chất tối và năng lượng tối có mặt, cũng như tốc độ mở rộng của Vũ trụ. Dựa trên các định luật vật lý và những gì đã xảy ra trong quá khứ, rất có vẻ như Vũ trụ sẽ tiếp tục mở rộng mãi mãi. Mặc dù đây không phải là một sự chắc chắn 100%; nếu một cái gì đó như năng lượng tối hành xử khác đi trong tương lai so với cách nó hoạt động trong quá khứ và hiện tại, thì tất cả các kết luận của chúng tôi đều có thể được sửa đổi.

5.) Có thiên hà nào di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng và không bị cấm? Từ quan điểm của chúng tôi, không gian ở giữa chúng tôi và bất kỳ điểm xa xôi nào đang mở rộng. Càng ở xa một thứ gì đó, nó càng xuất hiện nhanh hơn từ chúng ta. Ngay cả khi tốc độ mở rộng rất nhỏ, một vật thể đủ xa cuối cùng sẽ vượt qua ngưỡng đó của bất kỳ tốc độ hữu hạn nào, vì tốc độ mở rộng (tốc độ trên mỗi khoảng cách) nhân với một khoảng cách đủ lớn sẽ cho bạn tốc độ nhanh như bạn muốn Nhưng điều này là ổn trong Thuyết tương đối rộng! Định luật không có gì có thể truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng chỉ áp dụng cho chuyển động của một vật thể trong không gian, chứ không phải cho sự giãn nở của không gian. Trên thực tế, các thiên hà chỉ di chuyển xung quanh với tốc độ hàng trăm hoặc hàng nghìn km / giây, thấp hơn nhiều so với giới hạn tốc độ 300.000 km / giây được thiết lập bởi tốc độ ánh sáng. Đó là sự mở rộng của Vũ trụ gây ra suy thoái kinh tế và dịch chuyển đỏ, không phải là một chuyển động thiên hà thực sự.

Trong vũ trụ quan sát được (vòng tròn màu vàng), có khoảng 2 nghìn tỷ thiên hà. Các thiên hà hơn khoảng một phần ba đường đến ranh giới của những gì chúng ta có thể quan sát không bao giờ có thể đạt được do sự giãn nở của Vũ trụ, chỉ để lại 3% khối lượng của Vũ trụ mở ra cho sự khám phá của con người. Tín dụng hình ảnh: Người dùng Wikimedia Commons Azcolvin 429 và Frédéric MICHEL / E. Siegel.

Sự mở rộng vũ trụ là một hệ quả cần thiết của việc có vật chất và năng lượng lấp đầy một không thời gian tuân theo quy luật của Thuyết tương đối rộng. Miễn là có vấn đề, có lực hấp dẫn, do đó, lực hấp dẫn sẽ thắng và mọi thứ hồi tưởng, hoặc mất trọng lực và sự bành trướng sẽ thắng. Không có trung tâm cho việc mở rộng, cũng không có thứ gì ngoài vũ trụ mà Vũ trụ đang mở rộng; kết cấu của vũ trụ là những gì đang mở rộng, ở mọi nơi và mọi thời đại. Đáng buồn nhất, ngay cả khi chúng ta rời khỏi Trái đất với tốc độ ánh sáng ngày nay, chỉ có 3% thiên hà trong Vũ trụ quan sát được sẽ có thể tiếp cận được; 97% trong số họ đã vượt quá tầm hiểu biết của chúng tôi. Vũ trụ có thể là một nơi phức tạp, nhưng ít nhất bây giờ bạn biết câu trả lời cho năm câu hỏi thường bị hiểu sai nhất của nó!

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.