Vũ trụ, một khái niệm bao la, chứa đựng vô vàn điều bí ẩn thách thức những bộ óc thiên tài nhất của nhân loại. Dù kiến thức và công nghệ hiện tại còn hạn chế, con người chưa bao giờ ngừng nỗ lực khám phá. Bài viết này sẽ cùng bạn tìm hiểu về vũ trụ, từ nguồn gốc, cấu trúc đến tương lai, dựa trên những kiến thức khoa học hiện đại nhất.
Vũ trụ là gì?
Theo định nghĩa, vũ trụ là tất cả mọi thứ, tổng thể của sự tồn tại, bao gồm vật chất (các ngôi sao, thiên hà), bức xạ, năng lượng và cả không gian, thời gian. Bất kỳ điều gì tồn tại đều thuộc về vũ trụ, không có gì nằm ngoài nó.
Sự hiểu biết tốt nhất của chúng ta về lịch sử vũ trụ đến từ Lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Các quan sát cho thấy các thiên hà đang di chuyển ra xa nhau, cho thấy vũ trụ đang giãn nở. Trong quá khứ, vũ trụ nhỏ hơn, nóng hơn và đặc hơn hiện tại. Thuyết tương đối rộng của Einstein giúp các nhà vũ trụ học kết nối nội dung vũ trụ với lịch sử giãn nở, ước tính vũ trụ khoảng 13,787 tỷ năm tuổi.
Trong những khoảnh khắc đầu tiên, vũ trụ bị nén vào một điểm nhỏ vô cùng gọi là điểm kỳ dị. Các nhà khoa học chưa biết điều gì đã xảy ra trước vụ nổ lớn, điểm kỳ dị chỉ là một tạo tác của thuyết tương đối rộng khi các phương trình bị phá vỡ. Một lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử, như lý thuyết dây hoặc lực hấp dẫn lượng tử vòng, có thể sẽ là lời giải đáp.
Vũ trụ quan sát được và giới hạn của nó
Dù vũ trụ rộng lớn đến đâu, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy một phần, gọi là vũ trụ quan sát được. Giới hạn này là do tuổi hữu hạn của vũ trụ và tốc độ ánh sáng có hạn. Vũ trụ quan sát được là một hình cầu có đường kính khoảng 93 tỷ năm ánh sáng. Các thiên hà ở rìa quả cầu này phát ra ánh sáng cách đây 13 tỷ năm.
Tuy nhiên, vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng, nhưng điều này không vi phạm thuyết tương đối hẹp, vì giới hạn tốc độ ánh sáng chỉ áp dụng cho các phép đo được thực hiện gần một người quan sát. Nếu vũ trụ tĩnh, chúng ta sẽ quan sát được các thiên hà xa hơn, nhưng sự giãn nở đang mang chúng đi xa hơn, khiến chúng ta không bao giờ thấy được.
Vũ trụ có vô hạn?
Nhiều nhà vũ trụ học tin rằng ngoài vũ trụ quan sát được còn có nhiều vũ trụ, ngôi sao, thiên hà và hành tinh. Có thể vũ trụ thực sự vô hạn, không có ranh giới trong không gian. Lý thuyết lạm phát cho rằng kích thước tối thiểu của vũ trụ lớn hơn 10^62 lần vũ trụ quan sát được.
Vũ trụ được cấu tạo từ gì?
Khoảng 68% năng lượng trong vũ trụ là năng lượng tối, một dạng năng lượng chưa được biết đến, xuất hiện trong chân không. 27% là vật chất tối, dạng vật chất vô hình không tương tác với ánh sáng. Chỉ 5% còn lại là vật chất bình thường (ngôi sao, hành tinh, khí).
Tương lai của vũ trụ
Tương lai của vũ trụ phụ thuộc vào năng lượng tối, hiện đang đẩy nhanh sự giãn nở. Hàng trăm tỷ năm nữa, hầu hết các thiên hà sẽ trở nên vô hình. Dải ngân hà sẽ hết khí để tạo ra sao mới, những ngôi sao cuối cùng sẽ tắt, để lại một lớp xốp mỏng các hạt cơ bản nguội đi.
Sự hình thành các ngôi sao và hành tinh
Các ngôi sao hình thành từ các đám mây phân tử sụp đổ. Các hành tinh, thiên hà đều không tách rời khỏi Vụ Nổ Lớn. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton giải thích tại sao các ngôi sao lơ lửng trong không gian. Lực hấp dẫn hút các vật thể vào nhau, nhưng các hành tinh không rơi vì chúng chịu tác động của nhiều lực và ở trạng thái cân bằng.
Trái Đất và Mặt Trăng: Mối liên hệ bất ngờ
Nghiên cứu thiên thạch từ mặt trăng hé lộ tỷ lệ đồng vị của neon giống với lớp phủ của Trái Đất. Giả thuyết về hành tinh Theia cho rằng hành tinh này đã va vào Trái Đất, tạo thành Mặt Trăng. Các mặt trăng khác thường được tạo thành từ các khối đá bị bắt giữ, nhưng Mặt Trăng của Trái Đất lại lớn một cách bất thường.
Giới hạn tốc độ ánh sáng và những bí ẩn
Theo thuyết tương đối của Einstein, không có vật chất nào di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Tốc độ ánh sáng trong chân không là 299.792.458 m/s. Tuy nhiên, hạt tachyon, một hạt hạ nguyên tử giả định, có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Các nhà khoa học cho rằng nếu hạt tachyon tồn tại, chúng có thể du hành ngược thời gian.
Lỗ sâu (wormhole) là lối đi tắt giữa hai điểm trong không gian. Nếu có lỗ sâu, việc đi tới các ngôi sao xa xôi chỉ mất vài giờ thay vì hàng năm.
Tốc độ quay của hố đen
Hố đen có lực hấp dẫn mạnh đến mức hút mọi thứ, kể cả ánh sáng. Các hố đen quay với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (84% đến 97%). Điều này là do sự bảo toàn mô men động lượng, khi một ngôi sao sụp đổ thành hố đen, tốc độ quay của nó tăng lên.
Vụ Nổ Lớn và những gì xảy ra trước đó
Các nhà khoa học tin rằng vũ trụ khởi đầu từ một điểm kỳ dị có mật độ và khối lượng vô hạn. Nền vi sóng vũ trụ (CMB) là dấu vết còn sót lại của vụ nổ lớn. Tuy nhiên, chúng ta không thể nhìn được thời điểm vụ nổ xảy ra vì vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Thuyết tương đối của Einstein cho rằng không có khái niệm thời gian trước Vụ Nổ Lớn. Vật lý lượng tử đưa ra giả thuyết rằng vũ trụ của chúng ta có thể chỉ là một vũ trụ con trong một vũ trụ lớn hơn. Lỗ đen có thể là máy ép, vật chất đi vào và được giải phóng ra ngoài qua lỗ trắng, tạo ra vũ trụ mới. Ngoài ra còn có giả thuyết về chu kỳ, vũ trụ co cụm lại, tạo thành điểm kỳ dị rồi nổ ra, quá trình này lặp đi lặp lại.
Vũ trụ giãn nở và lý thuyết đa vũ trụ
Mô hình giãn nở của vũ trụ tin rằng kích thước thực sự của vũ trụ lớn hơn 10^52 lần phần có thể quan sát. Lý thuyết giãn nở vĩnh cửu cho rằng quá trình giãn nở của vũ trụ có thể không bao giờ kết thúc. Vũ trụ có thể sinh ra từ hư vô và có vô số các vũ trụ song song khác tồn tại. Mỗi vũ trụ có thể có các định luật vật lý riêng.
Kết luận
Vũ trụ là một chủ đề vô tận, luôn chứa đựng những bí ẩn chờ đợi con người khám phá. Từ Vụ Nổ Lớn đến đa vũ trụ, từ sự hình thành của các ngôi sao đến tương lai của vũ trụ, những khám phá khoa học không ngừng thách thức và mở rộng tầm nhìn của chúng ta. Dù nhiều câu hỏi vẫn chưa có lời giải đáp, sự tò mò và khao khát tìm hiểu sẽ tiếp tục thúc đẩy chúng ta trên hành trình khám phá vũ trụ bao la này.