Nếu Vũ trụ đang giãn nở, chúng ta có thể hiểu tại sao các thiên hà xa xôi lại rút ra khỏi chúng ta như chúng làm. Nhưng tại sao các ngôi sao, hành tinh và thậm chí các nguyên tử cũng mở rộng? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, VÀ L. HERNQUIST, KHOA HỌC 319, 5859 (47))

Đây là lý do tại sao chúng ta không mở rộng, ngay cả khi vũ trụ là

Vũ trụ đang mở rộng, nhưng tất cả chúng ta, hành tinh, hệ mặt trời và thiên hà của chúng ta đều không. Đây là lý do tại sao.

Hãy nhìn vào hầu hết mọi thiên hà trong Vũ trụ và bạn sẽ thấy nó di chuyển ra xa chúng ta. Càng ở xa, nó dường như rút đi nhanh hơn. Khi ánh sáng truyền qua Vũ trụ, nó bị dịch chuyển sang bước sóng dài hơn và đỏ hơn, như thể chính cấu trúc của không gian đang bị kéo căng. Ở khoảng cách lớn nhất, các thiên hà đang bị Vũ trụ mở rộng này đẩy đi rất nhanh đến nỗi không có tín hiệu nào chúng ta có thể gửi sẽ đến được chúng, ngay cả với tốc độ ánh sáng.

Nhưng mặc dù kết cấu của không gian đang mở rộng khắp Vũ trụ - ở mọi nơi và mọi hướng - chúng ta không. Các nguyên tử của chúng ta vẫn giữ nguyên kích thước. Các hành tinh, mặt trăng và các ngôi sao cũng như các khoảng cách ngăn cách chúng cũng vậy. Ngay cả các thiên hà trong Nhóm Địa phương của chúng ta cũng không mở rộng ra khỏi nhau; thay vào đó họ đang hướng về nhau. Đây là chìa khóa để hiểu thế nào là (và không) mở rộng trong Vũ trụ đang mở rộng của chúng ta.

Quan niệm ban đầu về không gian, nhờ Newton, như cố định, tuyệt đối và không thay đổi. Đó là một giai đoạn mà quần chúng có thể tồn tại và thu hút. (AMBER STUVER, TỪ BLOG CỦA TÔI, LIGING LIGO)

Điều đầu tiên chúng ta phải hiểu là lý thuyết về lực hấp dẫn của chúng ta là gì, và nó khác với cách bạn có thể nghĩ về nó bằng trực giác. Hầu hết chúng ta nghĩ về không gian theo cách Newton đã làm: như một tập hợp tọa độ cố định, không thay đổi mà bạn có thể đặt khối lượng của mình xuống. Khi Newton lần đầu tiên quan niệm về Vũ trụ, ông đã hình dung không gian như một tấm lưới. Đó là một thực thể tuyệt đối, cố định chứa đầy quần chúng thu hút lẫn nhau.

Nhưng khi Einstein xuất hiện, ông nhận ra rằng lưới tưởng tượng này không cố định, không tuyệt đối và hoàn toàn không giống như Newton đã tưởng tượng. Thay vào đó, lưới này giống như một tấm vải, và bản thân vải bị cong, biến dạng và buộc phải tiến hóa theo thời gian bởi sự hiện diện của vật chất và năng lượng. Hơn nữa, vật chất và năng lượng bên trong nó quyết định cách thức vải không thời gian này được uốn cong.

Sự cong vênh của không thời gian, trong bức tranh tương đối tổng quát, bởi các khối lượng hấp dẫn. Thay vì một lưới không đổi, không thay đổi, Thuyết tương đối rộng thừa nhận một loại vải không thời gian có thể thay đổi theo thời gian và tính chất của chúng sẽ xuất hiện khác nhau đối với người quan sát với các chuyển động khác nhau và tại các vị trí khác nhau. (LIGO / T. PYLE)

Nhưng nếu tất cả những gì bạn có trong không thời gian của bạn là một đám đông, chắc chắn chúng sẽ sụp đổ để tạo thành một lỗ đen, làm nổ tung toàn bộ Vũ trụ. Einstein không thích ý tưởng đó, vì vậy ông đã bổ sung một bản sửa lỗi của người Viking dưới dạng hằng số vũ trụ. Nếu tồn tại một thuật ngữ phụ - đại diện cho một dạng năng lượng bổ sung thấm vào không gian trống - nó có thể đẩy lùi tất cả các khối lượng này và giữ cho Vũ trụ tĩnh. Nó sẽ ngăn chặn sự sụp đổ lực hấp dẫn. Bằng cách thêm tính năng bổ sung này, Einstein có thể khiến Vũ trụ tồn tại ở trạng thái gần như không đổi cho đến muôn đời.

Nhưng không phải ai cũng thích thú với ý tưởng rằng Vũ trụ cần phải tĩnh. Một trong những giải pháp đầu tiên là của một nhà vật lý tên là Alexander Friedmann. Ông đã chỉ ra rằng nếu bạn không thêm hằng số vũ trụ bổ sung này và bạn có một Vũ trụ chứa đầy bất cứ thứ gì tràn đầy năng lượng - vật chất, phóng xạ, bụi, chất lỏng, v.v. - có hai loại giải pháp: một cho một vũ trụ hợp đồng và một cho một vũ trụ mở rộng.

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. Càng xa hai cây nho khô càng xa nhau, độ dịch chuyển đỏ quan sát được sẽ càng lớn vào thời điểm ánh sáng này được nhận. (NHÓM KHOA HỌC NASA / WMAP)

Toán học cho bạn biết về các giải pháp có thể, nhưng bạn cần nhìn vào Vũ trụ vật lý để tìm ra cái nào trong số chúng mô tả chúng ta. Điều đó đến vào những năm 1920, nhờ vào công việc của Edwin Hubble. Hubble là người đầu tiên phát hiện ra rằng các ngôi sao riêng lẻ có thể được đo trong các thiên hà khác, xác định khoảng cách của chúng.

Gần như đồng thời với điều này là công việc của Vesto Slodes. Các nguyên tử hoạt động giống nhau ở mọi nơi trong Vũ trụ: chúng hấp thụ và phát ra ánh sáng ở một số tần số cụ thể, phụ thuộc vào cách thức các electron của chúng bị kích thích hoặc khử kích thích. Khi ông xem những vật thể ở xa này - mà ngày nay chúng ta biết là các thiên hà khác - chữ ký nguyên tử của chúng đã bị dịch chuyển sang bước sóng dài hơn mức có thể giải thích.

Khi các nhà khoa học kết hợp hai quan sát này, một kết quả đáng kinh ngạc đã xuất hiện.

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. Các đường cong khác nhau đại diện cho các Đại học được tạo thành từ các thành phần cấu thành khác nhau (NED WRIGHT, DỰA TRÊN DỮ LIỆU MỚI NHẤT TỪ BETOULE ET AL. (2014))

Chỉ có hai cách để hiểu điều này. Hoặc:

  1. tất cả các thuyết tương đối đều sai, chúng tôi ở trung tâm của Vũ trụ và mọi thứ đều di chuyển đối xứng với chúng tôi, hoặc
  2. Thuyết tương đối đã đúng, Friedmann đã đúng, và càng xa một thiên hà thì càng xa chúng ta, trung bình, nó càng xuất hiện nhanh hơn từ quan điểm của chúng ta.

Với một cú trượt ngã, Vũ trụ mở rộng đã chuyển từ ý tưởng thành ý tưởng hàng đầu mô tả Vũ trụ của chúng ta. Cách thức mở rộng hoạt động là một chút phản trực giác. Dường như kết cấu của không gian đang bị kéo dài theo thời gian và tất cả các vật thể trong không gian đó đang bị kéo ra khỏi nhau.

Càng ở xa một vật thể khác, càng xảy ra nhiều tình trạng căng thẳng, và do đó chúng càng xuất hiện nhanh hơn với nhau. Nếu tất cả những gì bạn có là một Vũ trụ được lấp đầy đồng đều và đồng đều với vật chất, thì vấn đề đó đơn giản sẽ bớt dày đặc hơn và sẽ thấy mọi thứ mở rộng ra khỏi mọi thứ khác khi thời gian trôi qua.

Các dao động lạnh (thể hiện bằng màu xanh lam) trong CMB vốn không lạnh hơn, mà đại diện cho các vùng có lực hấp dẫn lớn hơn do mật độ vật chất lớn hơn, trong khi các điểm nóng (màu đỏ) chỉ nóng hơn vì bức xạ ở khu vực đó sống trong một giếng hấp dẫn nông hơn. Theo thời gian, các khu vực quá mức sẽ có nhiều khả năng phát triển thành các ngôi sao, thiên hà và cụm sao, trong khi các khu vực thiếu thốn sẽ ít có khả năng làm điều đó. (EM HUFF, NHÓM SDSS-III VÀ NHÓM ĐIỆN THOẠI POLE NAM; GRAPHIC BỞI ZOSIA ROSTOMIAN)

Nhưng vũ trụ không hoàn toàn đồng đều và thống nhất. Nó có các vùng quá mức, như các hành tinh, ngôi sao, thiên hà và cụm thiên hà. Nó có các vùng quá dày, giống như các khoảng trống vũ trụ vĩ đại, nơi hầu như không có vật thể to lớn nào hiện diện cả.

Lý do cho điều này là có những hiện tượng vật lý khác đang diễn ra bên cạnh sự mở rộng của Vũ trụ. Trên quy mô nhỏ, giống như quy mô của các sinh vật sống và bên dưới, lực điện từ và hạt nhân chiếm ưu thế. Ở quy mô lớn hơn, giống như các hành tinh, hệ mặt trời và các thiên hà, lực hấp dẫn chiếm ưu thế. Cuộc cạnh tranh lớn xảy ra ở quy mô lớn nhất - trên quy mô của toàn bộ Vũ trụ - giữa sự giãn nở của Vũ trụ và lực hấp dẫn của tất cả các vật chất và năng lượng có trong nó.

Ở quy mô lớn nhất, Vũ trụ giãn nở và các thiên hà thoái trào lẫn nhau. Nhưng ở quy mô nhỏ hơn, trọng lực khắc phục sự giãn nở, dẫn đến sự hình thành của các ngôi sao, thiên hà và cụm thiên hà. (NASA, ESA, VÀ A. FEILD (STSCI))

Trên quy mô lớn nhất của tất cả, mở rộng chiến thắng. Các thiên hà xa xôi nhất đang mở rộng ra rất nhanh đến nỗi không có tín hiệu nào chúng ta phát ra, ngay cả với tốc độ ánh sáng, sẽ không bao giờ đến được chúng.

Các siêu sao của Vũ trụ - những cấu trúc sợi dài này có các thiên hà và trải dài trong hơn một tỷ năm ánh sáng - đang bị kéo dài và bị kéo ra bởi sự giãn nở của Vũ trụ. Trong tương lai ngắn hạn, trong vài tỷ năm tới, chúng sẽ ngừng tồn tại. Ngay cả cụm thiên hà lớn gần nhất của Dải Ngân hà, cụm Xử Nữ, chỉ cách 50 triệu năm ánh sáng, sẽ không bao giờ kéo chúng ta vào đó. Mặc dù có lực hấp dẫn mạnh hơn gấp ngàn lần so với sức mạnh của chúng ta, sự mở rộng của Vũ trụ sẽ đẩy tất cả những điều này ra ngoài.

Một bộ sưu tập lớn gồm hàng ngàn thiên hà tạo nên khu phố lân cận của chúng ta trong vòng 100.000.000 năm ánh sáng. Bản thân cụm Xử Nữ sẽ vẫn bị ràng buộc với nhau, nhưng Dải Ngân hà sẽ tiếp tục mở rộng ra khỏi nó khi thời gian trôi qua. (NGƯỜI DÙNG THÔNG TIN CỦA WIKIMEDIA ANDREW Z. COLVIN)

Nhưng cũng có những quy mô nhỏ hơn mà việc mở rộng đã được khắc phục, ít nhất là tại địa phương. Việc đánh bại sự giãn nở của Vũ trụ trên các quy mô khoảng cách nhỏ hơn rất nhiều, vì lực hấp dẫn có nhiều thời gian hơn để phát triển các vùng quá mức trên quy mô nhỏ hơn so với quy mô lớn hơn.

Gần đó, cụm Xử Nữ sẽ vẫn bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn. Dải Ngân hà và tất cả các thiên hà nhóm địa phương sẽ gắn kết với nhau, cuối cùng hợp nhất với nhau dưới lực hấp dẫn của riêng chúng. Trái đất sẽ xoay quanh Mặt trời ở cùng khoảng cách quỹ đạo, Trái đất sẽ giữ nguyên kích thước và các nguyên tử tạo nên mọi thứ trên đó sẽ không mở rộng.

Tại sao? Bởi vì sự giãn nở của Vũ trụ chỉ có bất kỳ ảnh hưởng nào trong đó một lực khác - dù là lực hấp dẫn, điện từ hay hạt nhân - vẫn chưa vượt qua được. Nếu một số lực có thể giữ thành công một vật thể với nhau, ngay cả Vũ trụ mở rộng sẽ không ảnh hưởng đến sự thay đổi.

Hệ thống TRAPPIST-1 so với các hành tinh của hệ mặt trời và các mặt trăng của Sao Mộc. Quỹ đạo của mọi thứ hiển thị ở đây là không thay đổi với sự giãn nở của Vũ trụ, do lực liên kết của trọng lực vượt qua mọi tác động của sự giãn nở đó. (NASA / JPL-CALTECH)

Lý do cho điều này là tinh tế, và có liên quan đến thực tế rằng bản thân việc mở rộng không phải là một lực lượng, mà là một tỷ lệ. Không gian thực sự vẫn đang mở rộng trên tất cả các quy mô, nhưng việc mở rộng chỉ ảnh hưởng đến mọi thứ tích lũy. Có một tốc độ nhất định mà không gian sẽ mở rộng ở giữa hai điểm bất kỳ, nhưng bạn phải so sánh tốc độ đó với tốc độ thoát giữa hai vật thể đó, đó là thước đo mức độ gắn kết chặt chẽ hoặc lỏng lẻo của chúng.

Nếu có một lực liên kết các vật thể đó với nhau lớn hơn tốc độ mở rộng nền, sẽ không có sự gia tăng khoảng cách giữa chúng. Nếu không tăng khoảng cách, sẽ không có sự mở rộng hiệu quả. Tại mọi thời điểm, nó không chỉ bị phản tác dụng, và do đó, nó không bao giờ có được hiệu ứng cộng gộp xuất hiện giữa các đối tượng không liên kết. Kết quả là, các vật thể ổn định, bị ràng buộc có thể tồn tại không thay đổi trong một vũ trụ vĩnh cửu.

Cho dù bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn, lực điện từ hoặc bất kỳ lực nào khác, kích thước của các vật thể ổn định, được giữ chặt sẽ không thay đổi ngay cả khi Vũ trụ giãn nở. Nếu bạn có thể vượt qua sự mở rộng vũ trụ, bạn sẽ bị ràng buộc mãi mãi. (NASA, TRÁI ĐẤT VÀ MARS ĐẾN QUY MÔ)

Miễn là Vũ trụ có các thuộc tính mà chúng ta đo lường nó có, điều này sẽ tồn tại mãi mãi. Năng lượng tối có thể tồn tại và khiến các thiên hà xa xôi tăng tốc ra khỏi chúng ta, nhưng hiệu ứng của sự giãn nở trên một khoảng cách cố định sẽ không bao giờ tăng lên. Chỉ trong trường hợp của một vũ trụ lớn Rip Rip - mà bằng chứng chỉ ra, không hướng tới - thì kết luận này sẽ thay đổi.

Cấu trúc của không gian có thể vẫn đang mở rộng ở mọi nơi, nhưng nó không có tác động có thể đo lường được trên mọi đối tượng. Nếu một lực nào đó liên kết bạn với nhau đủ mạnh, Vũ trụ mở rộng sẽ không có tác dụng với bạn. Nó chỉ ở quy mô lớn nhất trong tất cả, trong đó tất cả các lực liên kết giữa các vật thể quá yếu để đánh bại tốc độ Hubble nhanh chóng, sự mở rộng đó xảy ra ở tất cả. Như nhà vật lý Richard Price đã từng nói, Vòng eo của bạn có thể lan rộng, nhưng bạn không thể đổ lỗi cho sự mở rộng của vũ trụ.

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.