Vũ trụ mở rộng có phá vỡ tốc độ ánh sáng không?

Chỉ 13,8 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang, chúng ta có thể quan sát các vật thể cách 46,1 tỷ năm ánh sáng theo mọi hướng. Điều này có vi phạm… điều gì đó không?

Khám phá kỳ lạ của vũ trụ

Chỉ 13,8 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang, chúng ta có thể quan sát các vật thể cách 46,1 tỷ năm ánh sáng theo mọi hướng. Điều này có vi phạm… điều gì đó không?

Nếu có một quy tắc mà hầu hết mọi người đều biết về vũ trụ, đó là có một giới hạn tốc độ tối thượng mà không gì có thể vượt qua: tốc độ ánh sáng trong chân không. Nếu bạn là một hạt có khối lượng, không những bạn không thể vượt qua giới hạn này, mà bạn cũng không bao giờ đạt tới nó; bạn chỉ có thể tiến gần tốc độ ánh sáng. Nếu bạn không có khối lượng, bạn không có lựa chọn; bạn chỉ có thể di chuyển ở một tốc độ duy nhất trong không – thời gian: tốc độ ánh sáng trong chân không, hoặc chậm hơn nếu bạn đang ở trong một môi trường khác. Tốc độ di chuyển của bạn qua không gian càng nhanh, tốc độ bạn di chuyển qua thời gian càng chậm, và ngược lại. Đây là những sự thật không thể tránh được, là nguyên lý cơ bản mà thuyết tương đối dựa vào.

Tuy nhiên, khi chúng ta quan sát các vật thể ở xa trong vũ trụ, chúng dường như thách thức logic thông thường. Thông qua một loạt các quan sát chính xác, chúng ta tự tin rằng vũ trụ đã chính xác 13,8 tỷ năm tuổi. Thiên hà xa nhất mà chúng ta từng quan sát được hiện nay cách 32 tỷ năm ánh sáng; ánh sáng xa nhất mà chúng ta thấy đến từ một điểm hiện cách 46,1 tỷ năm ánh sáng; và các thiên hà ở xa hơn 18 tỷ năm ánh sáng sẽ không bao giờ được chúng ta tiếp cận, ngay cả khi chúng ta gửi một tín hiệu với tốc độ ánh sáng ngay hôm nay.

Tuy nhiên, không điều gì trong số này phá vỡ tốc độ ánh sáng hoặc các định luật tương đối; nó chỉ phá vỡ những khái niệm trực giác của chúng ta về cách mọi thứ nên hoạt động. Đây là điều mà mọi người nên hiểu về vũ trụ mở rộng và tốc độ ánh sáng.

Thay vì một lưới ba chiều trống rỗng và phẳng, việc đặt một khối lượng vào sẽ làm các đường thẳng trở nên cong một lượng nhất định. Trong thuyết tương đối rộng, chúng ta xem không gian và thời gian như một thể liên tục, nhưng mọi dạng năng lượng, bao gồm cả khối lượng, đều góp phần làm cong không – thời gian. Ngoài ra, khoảng cách giữa các vật thể không bị ràng buộc thay đổi theo thời gian, do sự mở rộng của vũ trụ.

Không gì di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng có ý nghĩa gì?

Điều này đúng: Không gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Nhưng điều đó thực sự có ý nghĩa gì? Hầu hết mọi người, khi nghe điều này, đều nghĩ đến các ý tưởng sau:

– Khi tôi quan sát một vật thể, tôi có thể theo dõi chuyển động của nó, quan sát sự thay đổi vị trí theo thời gian.

– Khi tôi thấy nó, tôi có thể ghi lại vị trí quan sát được và thời gian tôi quan sát nó.

– Sau đó, bằng cách sử dụng định nghĩa của vận tốc – đó là sự thay đổi khoảng cách chia cho sự thay đổi thời gian – tôi có thể tính vận tốc của nó.

– Vì vậy, bất kể tôi quan sát một vật thể có khối lượng hay không có khối lượng, vận tốc tôi tính được không bao giờ vượt quá tốc độ ánh sáng, nếu không thì sẽ vi phạm các định luật tương đối.

Điều này đúng trong hầu hết trải nghiệm thông thường của chúng ta, nhưng không đúng trong mọi trường hợp. Đặc biệt, tất cả những điều này đều bao hàm một giả định mà chúng ta gần như không bao giờ nghĩ đến, ít hơn nữa là nêu rõ.

Giả định đó là: không gian là phẳng, không cong và không thay đổi. Điều này xảy ra trong không gian Euclid: loại không gian mà chúng ta thường hình dung khi nghĩ về vũ trụ ba chiều của mình. Hầu hết chúng ta tưởng tượng rằng sẽ đặt một lưới ba chiều trên tất cả những gì chúng ta thấy và cố gắng mô tả vị trí và thời gian bằng một tập hợp bốn tọa độ, một cho mỗi chiều x, y, z và thời gian.

Những vật thể không thể với tới

Dù sao đi nữa, ánh sáng phát ra từ một vật thể xa xôi sẽ đến mắt chúng ta theo thời gian, ngay cả trong một vũ trụ đang mở rộng. Tuy nhiên, nếu vận tốc lùi của một thiên hà xa đạt đến và duy trì trên tốc độ ánh sáng, chúng ta không bao giờ có thể tiếp cận nó, ngay cả khi chúng ta có thể nhận được ánh sáng từ quá khứ xa xôi của nó.

Nói cách khác, hầu hết chúng ta hiểu khái niệm cơ bản về tương đối đặc biệt – phần rằng không gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng – nhưng không nhận ra rằng vũ trụ thực không thể được mô tả chính xác chỉ bằng tương đối đặc biệt. Thay vào đó, chúng ta cần xem xét rằng vũ trụ có một cấu trúc không – thời gian động lực học làm nền tảng, và chỉ chuyển động của các vật thể trong cấu trúc này mới tuân theo các định luật của tương đối đặc biệt.

Những gì không được bao gồm trong quan niệm phổ biến của chúng ta là cách cấu trúc không gian khác biệt so với một lưới ba chiều lý tưởng hóa, phẳng, nơi mỗi khoảnh khắc liên tiếp được mô tả bởi một chiếc đồng hồ áp dụng cho toàn vũ trụ. Thay vào đó, chúng ta cần nhận ra rằng vũ trụ tuân theo các quy tắc của thuyết tương đối rộng của Einstein, và các quy tắc này quyết định cách không – thời gian tiến hóa. Cụ thể:

– Không gian tự nó có thể giãn nở hoặc co lại.

– Không gian tự nó có thể bị cong dương hoặc cong âm, không chỉ phẳng.

– Các định luật tương đối áp dụng cho các vật thể khi chúng di chuyển qua không gian, chứ không áp dụng cho không gian tự nó.

Nói cách khác, khi chúng ta nói không gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng, điều này có nghĩa là không gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng qua không gian, nhưng chuyển động của các vật thể qua không gian không cho chúng ta biết gì về cách không gian tự nó sẽ tiến hóa. Hoặc chúng ta chỉ có thể khẳng định rằng không gì di chuyển nhanh hơn ánh sáng so với một vật khác tại cùng một vị trí hoặc sự kiện trong không – thời gian.

Không gian không mở rộng với tốc độ

Vậy, không gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng qua không gian, nhưng còn cách mà không gian tự nó thay đổi thì sao? Bạn có thể đã nghe nói rằng chúng ta sống trong một vũ trụ đang giãn nở, và chúng ta đã đo được tốc độ mà cấu trúc của không gian tự nó giãn nở: hằng số Hubble. Chúng ta thậm chí đã đo tốc độ này với độ chính xác cao và có thể chắc chắn, từ tất cả các quan sát mà chúng ta đã thực hiện, rằng tốc độ giãn nở hiện nay nằm trong khoảng 66 đến 74 km/s/Mpc (kilômét trên giây trên một megaparsec).

Nhưng điều này có nghĩa gì khi không gian đang giãn nở?

– Với mỗi megaparsec (khoảng 3,26 triệu năm ánh sáng) mà một vật thể xa và không bị ràng buộc cách xa chúng ta, chúng ta sẽ thấy nó lùi xa khỏi chúng ta như thể nó đang di chuyển với vận tốc tương đương 66 – 74 km/s.

– Nếu một vật cách chúng ta 20 Mpc, chúng ta sẽ thấy nó lùi xa với vận tốc tương đương 1320 – 1480 km/s.

– Nếu nó cách chúng ta 5000 Mpc, chúng ta sẽ thấy nó lùi xa với vận tốc ~330.000 – 370.000 km/s.

Tuy nhiên, điều này gây nhầm lẫn vì hai lý do. Thứ nhất, vật đó thực sự không di chuyển với vận tốc đó qua không gian, mà đây là hiệu ứng do không gian giữa các vật thể giãn nở. Thứ hai, tốc độ ánh sáng là 299.792 km/s, vậy chẳng phải vật thể giả định cách ~5000 Mpc thực sự đang di chuyển xa khỏi chúng ta với tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng hay sao?

Cách tôi thường dùng để nghĩ về vũ trụ mở rộng là qua mô hình bánh mỳ nho khô (raisin bread) Hãy tưởng tượng bạn có một khối bột với những quả nho rải đều bên trong. Giờ hãy tưởng tượng bột này nở ra, giãn nở theo mọi hướng. (Nếu bạn muốn, bạn có thể tưởng tượng điều này diễn ra trong một môi trường không trọng lực, như trên Trạm Vũ trụ Quốc tế.) Bây giờ, nếu bạn đặt ngón tay lên một quả nho, bạn sẽ thấy các quả nho khác làm gì?

Những quả nho gần bạn nhất sẽ có vẻ di chuyển chậm ra xa bạn, vì bột giữa chúng đang giãn nở. Những quả nho xa hơn sẽ có vẻ di chuyển nhanh hơn ra xa, vì có nhiều bột giữa chúng và bạn hơn những quả nho gần hơn. Những quả nho xa hơn nữa sẽ có vẻ di chuyển ra xa càng nhanh hơn nữa.

Trong phép ẩn dụ này, các quả nho giống như các thiên hà hoặc các nhóm/ quần thể thiên hà liên kết, và bột giống như vũ trụ đang giãn nở. Nhưng trong trường hợp này, bột đại diện cho cấu trúc của không gian không thể nhìn thấy hoặc phát hiện trực tiếp, nó thực sự không trở nên ít dày đặc hơn khi vũ trụ giãn nở, và chỉ cung cấp một sân khấu để các quả nho, hoặc các thiên hà, cư trú.

Trong khi vật chất và bức xạ trở nên ít dày đặc hơn khi vũ trụ giãn nở do thể tích của nó tăng lên, năng lượng tối là một dạng năng lượng vốn có trong không gian tự nó. Khi không gian mới được tạo ra trong vũ trụ đang giãn nở, mật độ năng lượng tối vẫn không đổi.

Tốc độ giãn nở của vũ trụ

Tốc độ giãn nở phụ thuộc vào tổng lượng vật chất trong một thể tích không gian nhất định, vì vậy khi vũ trụ giãn nở, nó trở nên loãng ra và tốc độ giãn nở giảm. Vì vật chất và bức xạ được tạo thành từ một số lượng hạt cố định, khi vũ trụ giãn nở và thể tích tăng lên, mật độ của vật chất và bức xạ đều giảm. Mật độ của bức xạ giảm nhanh hơn một chút so với mật độ của vật chất, vì năng lượng của bức xạ được xác định bởi bước sóng của nó, và khi vũ trụ giãn nở, bước sóng đó cũng kéo dài, khiến bức xạ mất đi năng lượng.

Ngược lại, bột tự nó chứa một lượng năng lượng hữu hạn, dương và không bằng 0 ở mọi khu vực của không gian, và khi vũ trụ giãn nở, mật độ năng lượng đó vẫn không đổi. Trong khi mật độ vật chất và bức xạ giảm, năng lượng của bột (hoặc không gian) tự nó vẫn không thay đổi, và đó chính là điều chúng ta quan sát như năng lượng tối. Trong vũ trụ thực của chúng ta, bao gồm tất cả ba yếu tố này, chúng ta có thể kết luận một cách tự tin rằng ngân sách năng lượng của vũ trụ đã bị chi phối bởi bức xạ trong vài nghìn năm đầu tiên, sau đó là vật chất trong vài tỷ năm tiếp theo, và cuối cùng là năng lượng tối kể từ đó. Theo như những gì chúng ta có thể nhận thấy, năng lượng tối sẽ tiếp tục chi phối vũ trụ mãi mãi.

Các kết cục của vũ trụ

Các kết cục dự đoán của vũ trụ (ba hình minh họa trên cùng) đều tương ứng với một vũ trụ nơi vật chất và năng lượng kết hợp chống lại tốc độ giãn nở ban đầu. Trong vũ trụ quan sát của chúng ta, sự tăng tốc vũ trụ được gây ra bởi một dạng năng lượng tối nào đó, điều này hiện chưa được giải thích. Tất cả những vũ trụ này đều tuân theo các phương trình Friedmann, liên kết sự giãn nở của vũ trụ với các loại vật chất và năng lượng khác nhau có trong nó.

Giờ đây, đây là phần khó khăn. Mỗi khi chúng ta nhìn vào một thiên hà xa, chúng ta đang nhìn thấy ánh sáng từ nó như nó đang có ngay lúc này: khi ánh sáng đến nơi. Điều này có nghĩa là ánh sáng phát ra đã trải qua một loạt các hiệu ứng kết hợp:

– Sự khác biệt giữa thế năng hấp dẫn từ nơi nó được phát ra đến nơi nó đến.

– Sự khác biệt trong chuyển động của vật phát ra qua không gian của nó và chuyển động của vật hấp thụ qua không gian địa phương của nó.

– Các hiệu ứng tích lũy của sự giãn nở vũ trụ, kéo dài bước sóng của ánh sáng.

Đây là một minh hoạt đơn giản cho thấy ánh sáng chuyển đỏ như thế nào và cách khoảng cách giữa các vật thể không bị ràng buộc thay đổi theo thời gian trong vũ trụ mở rộng. Lưu ý rằng các vật thể bắt đầu gần nhau hơn so với thời gian mà ánh sáng mất để di chuyển giữa chúng, ánh sáng chuyển đỏ do sự giãn nở của không gian, và hai thiên hà cuối cùng sẽ cách xa nhau hơn rất nhiều so với quãng đường ánh sáng đã đi qua giữa chúng.

Nhưng phần thứ ba là hiệu ứng của sự giãn nở vũ trụ. Ở khoảng cách trên ~100 megaparsec, đây luôn là hiệu ứng chi phối. Ở những quy mô vũ trụ lớn nhất, sự giãn nở của vũ trụ là tất cả những gì quan trọng. Điều quan trọng cần nhận ra là sự giãn nở không có một tốc độ nội tại nào cả; không gian giãn nở với một tần suất: một tốc độ trên mỗi đơn vị khoảng cách. Việc diễn đạt nó dưới dạng một lượng kilômét trên giây trên megaparsec làm mờ đi sự thật rằng kilômét và megaparsec đều là khoảng cách, và chúng sẽ bị hủy khi bạn chuyển đổi từ cái này sang cái kia.

Ánh sáng từ các vật thể xa thực sự bị chuyển đỏ, nhưng không phải vì có vật thể nào đó đang di chuyển xa hơn tốc độ ánh sáng, hay vì có vật thể nào đó đang giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Không gian đơn giản chỉ giãn nở; chính chúng ta là những người ép buộc tốc độ vào nó vì đó là thứ chúng ta quen thuộc.

Dù tốc độ giãn nở là bao nhiêu hôm nay, kết hợp với các dạng vật chất và năng lượng nào có trong vũ trụ của bạn, sẽ quyết định cách ánh sáng chuyển đỏ và khoảng cách liên quan đến các vật thể ngoài thiên hà trong vũ trụ của chúng ta.

Vũ trụ đang tăng tốc như thế nào?

Một khó khăn mà chúng ta gặp phải là chúng ta không thể đo được tốc độ của một vật thể xa. Chúng ta có thể đo khoảng cách của nó thông qua một số phép đo thay thế, như độ sáng/yếu của nó hoặc kích thước của nó khi xuất hiện trên bầu trời, giả sử chúng ta biết hoặc có thể tính toán được độ sáng nội tại hoặc kích thước của nó. Chúng ta cũng có thể đo được sự chuyển đỏ của nó, hay cách mà ánh sáng bị chuyển đổi so với cách mà nó sẽ xảy ra nếu chúng ta ở đúng vị trí và trong điều kiện chính xác nơi ánh sáng được phát ra. Sự chuyển đỏ này, nhờ sự quen thuộc của chúng ta với cách sóng chuyển đổi do hiệu ứng Doppler (như đối với sóng âm), là điều mà chúng ta thường dịch thành tốc độ thụt lùi.

Tuy nhiên, chúng ta không đo được một tốc độ thực tế; chúng ta đo các hiệu ứng tích lũy của chuyển động cộng với hiệu ứng của sự giãn nở vũ trụ. Khi chúng ta nói vũ trụ đang tăng tốc, điều chúng ta thực sự muốn nói – và điều này không phải là điều bạn sẽ cảm nhận được ngay – là nếu bạn quan sát cùng một vật thể khi vũ trụ giãn nở, nó không chỉ tiếp tục gia tăng khoảng cách từ bạn, càng ngày càng xa, mà ánh sáng mà bạn nhận được từ vật thể này sẽ tiếp tục hiển thị một sự chuyển đỏ ngày càng tăng, khiến nó có vẻ như đang tăng tốc xa khỏi bạn.

Chuyển đỏ và sự giãn nở của không gian

Trên thực tế, sự chuyển đỏ này là do sự giãn nở của không gian, không phải vì thiên hà đang di chuyển nhanh dần ra xa bạn. Tốc độ giãn nở, nếu chúng ta thực sự đo nó qua thời gian, vẫn đang giảm dần, và cuối cùng sẽ tiến tới một giá trị hữu hạn, dương và không bằng 0; đó chính là những gì có nghĩa khi sống trong một vũ trụ bị chi phối bởi năng lượng tối.

Kích thước của vũ trụ nhìn thấy được của chúng ta (vàng), cùng với khoảng cách chúng ta có thể tiếp cận (tím). Giới hạn của vũ trụ nhìn thấy được là 46,1 tỷ năm ánh sáng, vì đó là giới hạn của khoảng cách mà một vật thể phát ra ánh sáng chỉ vừa tới được chúng ta hôm nay sau khi giãn nở xa khỏi chúng ta trong 13,8 tỷ năm. Tuy nhiên, vượt qua khoảng 18 tỷ năm ánh sáng, chúng ta sẽ không bao giờ có thể tiếp cận được một thiên hà dù có di chuyển về phía nó với tốc độ ánh sáng.

Vậy điều gì quyết định khoảng cách trong vũ trụ mở rộng?

Khi chúng ta nói về khoảng cách đến một vật thể trong vũ trụ đang giãn nở, chúng ta luôn luôn đang chụp một bức ảnh vũ trụ – một cái nhìn của Chúa – về cách mọi thứ là trong khoảnh khắc cụ thể này: khi ánh sáng từ các vật thể xa này đến. Chúng ta biết rằng chúng ta đang nhìn những vật thể này như chúng đã tồn tại trong quá khứ xa xôi, không phải như chúng đang có hôm nay – khoảng 13,8 tỷ năm sau Big Bang – mà là như chúng đã tồn tại khi chúng phát ra ánh sáng mà chúng ta thấy hôm nay.

Nhưng khi chúng ta nói vật thể này cách xa bao nhiêu, chúng ta không đang hỏi nó cách xa chúng ta bao nhiêu khi nó phát ra ánh sáng mà chúng ta đang thấy, và chúng ta cũng không đang hỏi ánh sáng đã di chuyển bao lâu. Thay vào đó, chúng ta đang hỏi vật thể đó cách xa chúng ta bao nhiêu, nếu chúng ta có thể đóng băng sự giãn nở của vũ trụ ngay bây giờ, ở chính khoảnh khắc này. Thiên hà xa nhất đã được quan sát, GN-z11, phát ra ánh sáng mà chúng ta nhận được ngày nay cách đây 13,4 tỷ năm, và nó nằm cách chúng ta khoảng 32 tỷ năm ánh sáng. Nếu chúng ta có thể nhìn về khoảnh khắc của Big Bang, chúng ta sẽ thấy ánh sáng từ khoảng cách 46,1 tỷ năm ánh sáng, và nếu chúng ta muốn biết vật thể xa nhất mà ánh sáng của nó chưa đến với chúng ta, nhưng sẽ đến một ngày, thì hiện tại nó nằm ở khoảng cách ~61 tỷ năm ánh sáng: giới hạn tầm nhìn trong tương lai.

Tuy nhiên, chỉ vì bạn có thể nhìn thấy nó, không có nghĩa là bạn có thể tiếp cận nó. Bất kỳ vật thể nào hiện tại nằm ngoài 18 tỷ năm ánh sáng sẽ vẫn phát ra ánh sáng, và ánh sáng đó sẽ di chuyển qua vũ trụ, nhưng cấu trúc của không gian sẽ giãn nở quá mạnh mẽ để nó có thể đến với chúng ta. Mỗi khoảnh khắc trôi qua, mọi vật thể không bị ràng buộc đều di chuyển xa dần, và các vật thể trước đây có thể tiếp cận sẽ chuyển qua giới hạn đó và trở thành không thể tiếp cận vĩnh viễn. Không có gì di chuyển nhanh hơn ánh sáng trong một vũ trụ đang giãn nở, và đó vừa là một phước lành, vừa là một lời nguyền. Trừ khi chúng ta tìm ra cách vượt qua điều này, tất cả các thiên hà ngoài gần sẽ mãi mãi ngoài tầm với của chúng ta.