Vũ Trụ hình cầu và có hình dạng của quả bóng đá?

Nếu bằng cách nào đó con người có thể bước ra ngoài và quan sát Vũ Trụ, vậy thì Vũ Trụ sẽ có hình dạng như thế nào? Các nhà khoa học đã phải vật lộn với câu hỏi này, thực hiện nhiều phép đo khác nhau để xác định dạng hình dạng của Vũ Trụ và trả lời câu hỏi liệu Vũ Trụ có giới hạn hay không?

Theo thuyết Tương đối rộng của Einstein , bản thân không gian có thể bị cong bởi khối lượng. Kết quả là, mật độ của Vũ Trụ – tỷ số của khối lượng trên thể tích – quyết định hình dạng cũng như tương lai của Vũ Trụ.

Các nhà khoa học đã tính toán “mật độ tới hạn” của Vũ Trụ. Mật độ tới hạn tỷ lệ với bình phương của hằng số Hubble, được sử dụng để đo tốc độ giãn nở của Vũ Trụ. So sánh mật độ tới hạn với mật độ thực có thể giúp các nhà khoa học hiểu được Vũ Trụ.

Nếu mật độ thực tế của Vũ Trụ nhỏ hơn mật độ tới hạn, thì không có đủ vật chất để ngăn chặn sự giãn nở của Vũ Trụ, và nó sẽ giãn nở mãi mãi. Kết quả là hình dạng cong âm giống như bề mặt của yên ngựa. Đây được biết đến như một Vũ Trụ mở.

Nhưng nếu mật độ thực tế của Vũ Trụ bằng với mật độ tới hạn, thì nó sẽ kéo dài mãi mãi như một tờ giấy phẳng.

Nếu mật độ thực tế của Vũ Trụ lớn hơn mật độ tới hạn, thì nó chứa đủ khối lượng để cuối cùng ngừng giãn nở. Trong trường hợp này, Vũ Trụ đóng và hữu hạn, mặc dù nó không có điểm kết thúc, và có dạng hình cầu. Một khi Vũ Trụ ngừng giãn nở, nó sẽ bắt đầu co lại. Các thiên hà sẽ ngừng trôi ra xa và bắt đầu di chuyển ngày càng gần nhau hơn. Cuối cùng, Vũ Trụ sẽ trải qua quá trình ngược lại với Vụ nổ lớn. Điều này biết đến như một Vũ Trụ đóng.

Vũ Trụ là phẳng và vô hạn?

Trước năm 2001, các phép đo bằng một số thí nghiệm trên mặt đất và trên khinh khí cầu, cho biết Vũ Trụ là phẳng với độ chính xác trong khoảng 15%, nghĩa là mật độ thực tế của Vũ Trụ bằng với mật độ tới hạn.

Sau năm 2001, khi Tàu thăm dò Bất đẳng hướng Vi sóng Wilkinson (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – WMAP) được phóng lên, dữ liệu của nó về các bức xạ vi sóng nền Vũ Trụ hay còn gọi là bức xạ tàn dư Vũ Trụ, là bức xạ được sinh ra từ thời kỳ sơ khai của Vũ Trụ vào khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, đã khiến các nhà khoa học xác nhận rằng Vũ Trụ phẳng, mật độ thực tế của Vũ Trụ bằng với mật độ tới hạn với sai số 0,4%.  Điều này cho thấy rằng Vũ Trụ sẽ giãn nở vô hạn.

Tuy nhiên, vì Vũ Trụ có tuổi hữu hạn nên chúng ta chỉ có thể quan sát được một thể tích hữu hạn của Vũ Trụ. Tất cả những gì chúng ta thực sự có thể kết luận là Vũ Trụ lớn hơn nhiều so với thể tích mà chúng ta có thể quan sát trực tiếp.

Vũ Trụ là hữu hạn và có thể có hình dạng của quả bóng đá?

Năm 2003, trong một bài báo được xuất bản trên tạp chí Nature, Tiến sĩ Jeffrey Weeks, một nhà toán học độc lập ở Canton, New York và các đồng nghiệp của ông đã gợi ý rằng, dựa trên phân tích bản đồ của Vụ nổ lớn, không gian Vũ Trụ là một dạng quả cầu gồm 12 mặt ngũ giác cong, trong đó ảo giác về vô cực được tạo ra bằng cách nhìn ra ngoài và nhìn thấy nhiều bản sao của các ngôi sao giống nhau.

Ý tưởng này được thúc đẩy khi Tiến sĩ Jeffrey Weeks và các đồng sự áp dụng mô hình toán học của nhà toán học người Pháp Poincaré vào việc phân tích các bức xạ vi sóng nền Vũ Trụ.

Theo Jeffrey Weeks, một Vũ Trụ vô hạn sẽ chứa các sóng ở mọi kích cỡ biên độ. WMAP không nhìn thấy bất kỳ sóng có biên độ rất lớn nào. Điều này cho thấy không gian Vũ Trụ là hữu hạn – vì những lý do tương tự mà bạn không thấy các con sóng lớn trong bồn tắm của mình.

Lời giải thích tốt nhất cho những quan sát này là Vũ Trụ là một không gian tứ diện Poincaré. Các mô hình toán học của một Vũ Trụ hình cầu, rắn được bao quanh bởi 12 ngũ giác cong tạo ra các mẫu được nhìn thấy trong bức xạ nền mà không cần bất kỳ sự tinh chỉnh đặc biệt nào. Weeks nói: “Nó phù hợp với dữ liệu một cách đáng ngạc nhiên”.

Trên tạp chí Nature, Tiến sĩ Weeks và các đồng nghiệp của ông viết, “Từ thời cổ đại, con người đã tự hỏi liệu Vũ Trụ của chúng ta là hữu hạn hay vô hạn. Giờ đây, sau hơn hai thiên niên kỷ suy đoán, dữ liệu quan sát cuối cùng có thể giải quyết câu hỏi cổ xưa này.”

Các nhà khoa học vẫn còn tranh cãi

Nhà Vũ Trụ học Janna Levin thuộc Đại học Cambridge, Vương quốc Anh đồng ý rằng mô tả Vũ Trụ như một khối cầu 12 mặt là “một giải pháp tốt”. Nhưng các hình học khác có thể tạo ra các mẫu tương tự trong nền vi sóng, bà cảnh báo. “Sẽ là một bất ngờ nếu Vũ Trụ chọn một hình dạng platonic đẹp như vậy,” bà nói. “Và tôi sẽ ngạc nhiên nếu Vũ Trụ nhỏ như vậy.”

Levin giải thích rằng hầu hết các nhà vật lý đều cho rằng Vũ Trụ là vô hạn. Nhưng các lý thuyết của Einstein thực sự không nói gì về việc Vũ Trụ là hữu hạn hay vô hạn.

Trong khi đó, Tiến sĩ Mark Tegmark, nhà Vũ Trụ học tại Đại học Pennsylvania và Tiến sĩ Neil Cornish, nhà vật lý tại Đại học bang Montana lại cho rằng việc phân tích kỹ lưỡng các dữ liệu từ WMAP cho thấy giả thiết Vũ Trụ hữu hạn như một quả bóng đá là không tồn tại.

Hai nhóm các nhà khoa học đã có sự mâu thuẫn và phản bác ý kiến lẫn nhau về việc Vũ Trụ là hữu hạn hay vô hạn. Hiện, chưa thể đưa ra kết luận rằng mô hình “Vũ Trụ hình cầu và giống như quả bóng đá” là có thể bị loại bỏ hay không? Tuy nhiên, điều đáng kinh ngạc về cuộc tranh luận này, tất cả đều đồng ý là nó sẽ thực sự sớm được giải quyết, nhấn mạnh sức mạnh của dữ liệu hiện đại để giải quyết các vấn đề từng được coi là gần như siêu hình.

Thiện Tâm tổng hợp

Xem thêm: