Giải quyết những hiểu lầm về thuyết Big Bang để tìm điểm trung tâm của vũ trụ

"Vụ nổ lớn" là tên mà chúng ta đã đặt cho thời điểm mà vũ trụ bắt đầu. Mặc dù ý tưởng này được nhiều người biết đến, nhưng nó thường bị hiểu sai một cách nghiêm trọng. Ngay cả những người nắm bắt tốt về khoa học cũng có những quan niệm sai lầm về nó. Ví dụ, một câu hỏi phổ biến là "Vụ nổ lớn xảy ra ở đâu?". Và câu trả lời là một điều đáng ngạc nhiên. Vì vậy, hãy đi sâu vào vấn đề và cố gắng tìm hiểu sự hiểu lầm phát sinh từ đâu.

Khi mọi người được kể về "Vụ nổ lớn", họ thường được cho biết rằng “tất cả khối lượng của vũ trụ được dồn vào một điểm có thể tích bằng 0, gọi là điểm kỳ dị”. Sau đó, điểm kỳ dị “bùng nổ”, mở rộng và nguội đi và cuối cùng tạo thành vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay. Mọi người rút ra từ kinh nghiệm của bản thân và so sánh "Vụ nổ lớn" với một thứ gì đó giống như pháo hoặc lựu đạn - một vật thể nằm ở một vị trí, sau đó phát nổ, phân tán các mảnh vụn vào không gian hiện có. Đây là một hình ảnh tinh thần hoàn toàn tự nhiên và hợp lý. Chỉ có điều, nó cũng hoàn toàn sai.

Hình dạng của vũ trụ

Lý thuyết mô tả Big Bang là thuyết tương đối rộng của Einstein. Trong đó, Einstein mô tả lực hấp dẫn giống như hình dạng của không gian khi nó uốn cong và kéo dài. Gần một ngôi sao hoặc hành tinh, không gian bị biến dạng; xa bất kỳ thiên thể nào, không gian phẳng. Nếu không gian là dễ uốn, như lý thuyết đã nói, thì nó cũng có thể bị nén hoặc kéo giãn.

Sự kéo giãn và nén đó đưa chúng ta đến Big Bang thực sự là gì. Nó không phải là một vụ nổ theo nghĩa quen thuộc của từ này, mà là một sự mở rộng nhanh chóng và ba chiều của không gian. Đó là rất nhiều điều khiến bạn phải suy nghĩ, vì vậy chúng ta hãy cố gắng hiểu bằng phép loại suy. Để đơn giản hóa vấn đề, chúng ta sẽ sử dụng phép loại suy một chiều - một sợi dây chun.

Hãy tưởng tượng bạn có một sợi dây cao su tuyệt vời - một sợi dây có thể mảnh như kích thước của một nguyên tử hay hơn thế nữa, miễn là bạn cần. Chất liệu của dây cao su tượng trưng cho không gian. Lấy sợi dây cao su đó và kéo căng nó sao cho nó đủ dài để kéo giãn vũ trụ khả kiến (tức vũ trụ quan sát được) hiện tại từ bên này sang bên kia. Lấy một điểm đánh dấu và đánh dấu lên đó. Những điểm đánh dấu này sẽ đại diện cho các thiên hà ở vị trí hiện tại của chúng.

Bây giờ hãy để dây cao su co lại một nửa chiều dài đó. Các chấm không di chuyển trên sợi dây chun mà chúng tiến lại gần nhau hơn. Điều này cho chúng ta thấy rằng khoảng cách lớn lên hoặc thu hẹp lại giữa các chấm (hoặc các thiên hà) không phải lúc nào cũng đòi hỏi các chấm phải di chuyển. Nếu không gian mà chúng tồn tại thay đổi kích thước, các thiên hà có thể đứng yên trong không gian đó, nhưng dường như đang chuyển động.

Chúng ta có thể đưa phép loại suy của mình đến mức cực đoan và để nó thu nhỏ xuống kích thước hạ nguyên tử. Một lần nữa, khoảng cách giữa các thiên hà trở nên nhỏ hơn và dây cao su trở nên có kích thước rất nhỏ, nhưng chính dây cao su đang co lại. So với sợi dây cao su, các dấu chấm ở cùng một vị trí.

Sự khởi đầu của vô hạn

"Vụ nổ lớn" về cơ bản là ngược lại. Dây cao su co lại là vũ trụ trước khi nó bắt đầu. Một thứ gì đó - và chúng ta vẫn chưa biết điều gì - đã khiến sợi dây cao su giãn ra và sự giãn ra đó chính là vũ trụ đang giãn nở. Nó đã bắt đầu từ 14 tỉ năm trước và nó vẫn đang tiếp diễn cho đến ngày nay.

Vì vậy, đó là cách đúng đắn để nghĩ về "Vụ nổ lớn": Nó không phải là một vụ nổ. Thay vào đó, nó là một sự mở rộng bùng nổ và kéo giãn không gian. Vậy làm thế nào điều này giúp chúng ta tìm ra nơi xảy ra vụ nổ Big Bang?

Để làm điều đó, chúng ta lại sử dụng dây cao su của mình. Lần này, dây cao su thậm chí còn co giãn hơn. Cái trước của chúng ta trải dài khắp vũ trụ khả kiến, nhưng toàn bộ vũ trụ thực tế lớn hơn thế rất nhiều. Thật vậy, bằng chứng cho thấy rằng vũ trụ là vô hạn. Có những địa điểm rất xa mà chúng ta không thể nhìn thấy chúng, ánh sáng từ những địa điểm đó vẫn chưa đến được với chúng ta.

Nói thêm về điểm này trong một chút. Nếu toàn bộ vũ trụ thực sự là vô hạn, thì dây cao su mới sẽ kéo dài đến vô tận, chẳng hạn như trên trục phải/trái. Sau đó, chọn một điểm ngẫu nhiên và dây cao su được kéo dài đến vô tận ở cả bên phải và bên trái. Nhưng bây giờ hãy chọn một điểm khác, và điều tương tự cũng đúng. Thật vậy, bất kỳ vị trí nào một người chọn sẽ có khoảng cách cân bằng và vô hạn về bên phải và bên trái.

Khi chúng ta trộn vô cực và co giãn, chúng ta sẽ nhận được thêm những hậu quả kỳ lạ. Nếu dây cao su là vô hạn, và bạn kéo dài nó ra để khoảng cách giữa các chấm thiên hà đó tăng gấp đôi, hoặc để nó co lại để khoảng cách giảm đi một nửa, thì dây cao su vẫn là vô hạn.

Chúng ta có thể là trung tâm vũ trụ

Khi chúng ta kết hợp những ý tưởng này, chúng ta có một kết luận đáng kinh ngạc rằng không có trung tâm duy nhất nào của vũ trụ hay tương đương, tất cả các vị trí đều có thể được gọi là trung tâm. Thật vậy, như bạn có thể đã luôn nghi ngờ, bạn hoàn toàn có quyền coi mình là trung tâm của vũ trụ.

Nhưng nếu không đúng là vũ trụ là vô hạn thì sao? Chà, các nhà khoa học chắc chắn rằng thể tích của toàn bộ vũ trụ ít nhất cũng phải to gấp 125 triệu lần so với vũ trụ khả kiến. Ngay cả khi vũ trụ là hữu hạn, thì nó cũng khiến người ta tưởng tượng rằng trung tâm của nó sẽ được tìm thấy trong vũ trụ khả kiến của chúng ta. Nhưng điều quan trọng cần nhớ là bằng chứng hiện giờ đang ủng hộ mạnh mẽ thuyết một vũ trụ vô hạn. Trong trường hợp không có một số dữ liệu mới, đó là một giả thuyết hoàn toàn hợp lý.

Vì vậy, mấu chốt là gì? Đó là chúng ta không nên nghĩ "Vụ nổ lớn" như một quả pháo vũ trụ nổ ra ở một điểm đặc biệt nào đó. Thay vào đó, Big Bang nên được coi là sự giãn nở nhanh chóng của không gian, trong đó tất cả các điểm có thể được coi là trung tâm với giá trị như nhau. Và bởi vì toàn bộ vũ trụ được cho là vô hạn, nên nó không mở rộng thành bất cứ thứ gì. Vũ trụ kéo giãn hoặc co lại, nhưng nó vẫn là vô hạn.

Đây có vẻ là một kết luận kỳ lạ, nhưng nó thể hiện một cách trung thực hơn sự hiểu biết của cộng đồng vũ trụ học về bản chất của không gian và cách nó hình thành, đồng thời là một ví dụ điển hình về cách vật lý hiện đại có thể làm bạn kinh ngạc.

Lý thuyết Vụ nổ lớn, thường gọi theo tiếng Anh là Big Bang, là mô hình vũ trụ học nổi bật miêu tả giai đoạn sơ khai của sự hình thành vũ trụ. Theo lý thuyết này, Vụ nổ lớn xảy ra cách đây khoảng 13,8 tỉ năm trước, do đó được xem là tuổi của vũ trụ (các đo lường hiện tại về độ tuổi của vũ trụ là 13,787 ± 0,020 tỉ năm trong mô hình kết hợp Lambda-CDM tính vào năm 2018).

Sau giai đoạn này, vũ trụ ở vào trạng thái cực nóng và đặc rồi bắt đầu giãn nở nhanh chóng. Sau giai đoạn lạm phát, vũ trụ đủ "lạnh" để hình thành nhiều hạt hạ nguyên tử, bao gồm proton, neutron, và electron. Tuy những hạt nhân nguyên tử đơn giản có thể hình thành nhanh chóng sau Big Bang, phải mất hàng nghìn năm sau các nguyên tử trung hòa điện mới xuất hiện. Nguyên tố đầu tiên sinh ra là hydro, cùng với lượng nhỏ heli và lithi.

Những đám mây khổng lồ chứa các nguyên tố nguyên thủy sau đó hội tụ lại bởi hấp dẫn để hình thành nên các ngôi sao và các thiên hà rồi siêu đám thiên hà, và nguyên tố nặng hơn hoặc được tổng hợp trong lòng ngôi sao hoặc sinh ra từ các vụ nổ siêu tân tinh. Thuyết Vụ nổ lớn là một lý thuyết khoa học đã được kiểm chứng và được cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi.