Vũ trụ giãn nở nhanh hơn vận tốc ánh sáng, thuyết tương đối hẹp vẫn chính xác

Chi tiết: Đặng Vũ Tuấn Sơn; Vũ trụ học; 06 Tháng 5 2019; 06 Tháng 5 2019

Sự giãn nở của vũ trụ có vượt qua vận tốc ánh sáng hay không và nếu có thì điều đó có phá vỡ thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein hay không? Tôi đã nhận được câu hỏi này khá thường xuyên, và để cho chính xác và dễ hiểu nhất, dưới đây xin giải thích cụ thể để độc giả yêu khoa học tìm được lời giải cho việc này.

Sự giãn nở của vũ trụ

Năm 1929, Edwin Hubble (1889 - 1953) công bố một phát hiện có thể coi là một trong những bước tiến quan trọng nhất của thiên văn học từ đầu thế kỷ 20 tới nay. Ông thấy rằng các thiên hà ở xa đều đang dịch chuyển ra xa khỏi chúng ta, và thiên hà ở càng xa thì càng dịch chuyển nhanh hơn. Điều đó có nghĩa là vũ trụ đang giãn nở rất nhanh.

Có thể bạn đã được nghe nói rằng thiên hà láng giềng Andromeda (hay M31) đang tiến dần tới và sẽ va chạm với thiên hà Milky Way của chúng ta trong vài tỷ năm nữa. Điều đó có vẻ mâu thuẫn với phát biểu nêu trên. Để tránh hiểu nhầm ở đây, hãy lưu ý rằng phát hiện của Hubble có nêu rõ rằng các thiên hà đang dịch chuyển nhanh khỏi chúng ta là những thiên hà "ở rất xa". Rất xa ở đây có nghĩa là hàng trăm triệu năm ánh sáng trở lên. Điều đó không có nghĩa là ở khoảng cách gần như Andromeda (khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng) thì vũ trụ không giãn nở, mà sự giãn nở ở khoảng cách đó nhỏ hơn nhiều so với các chuyển động dưới tác dụng của trường hấp dẫn.

Quay lại với khám phá của Hubble. Với phát hiện này, một định luật mang tên ông được đưa ra, trong đó có sự liên hệ giữa vận tốc dịch chuyển của một thiên hà và khoảng cách của nó. Công thức cụ thể như sau:

v = H₀D

Trong đó v là vận tốc dịch chuyển ra xa của thiên hà, D là khoảng cách của nó tới người quan sát (ở đây là Trái Đất) và H₀ là hằng số Hubble đối với một thời điểm cụ thể (hằng số được qui ước ban đầu là H, tuy nhiên trên thực tế tốc độ giãn nở của vũ trụ không phải cố định mà có thay đổi theo thời gian nên H có thể thay đổi, vì vậy các nhà vật lý qui ước H₀ là H đối với một thời điểm cụ thể - dễ hiểu hơn là H ở thời điểm thực hiện phép đo, tức là hiện tại).

Theo kết quả đo tính đến cuối năm 2020, H₀ có giá trị xấp xỉ 67,6 km/s/Mpc.

Trong đơn vị mà bạn vừa thấy, Mpc là viết tắt của Megaparsec, có giá trị bằng 1 triệu parsec, và mỗi parsec thì có giá trị xấp xỉ 3,26 năm ánh sáng. Con số rất lẻ này không phải ngẫu nhiên mà nó là khoảng cách để một đoạn thẳng có độ dài 1 đơn vị thiên văn sẽ được nhìn với góc có độ rộng 1 giây. Nếu vấn đề qui ước và hình học này làm bạn đau đầu và mất tập trung vào nội dung chính, hãy cứ bỏ qua nó và chỉ cần nhớ rằng một Mpc là khoảng cách tương đương với 3,26 triệu năm ánh sáng. Và như vậy, giá trị của hằng số Hubble nêu trên có nghĩa là một thiên hà cách chúng ta 3,26 triệu năm ánh sáng thì đang dịch chuyển ra xa với vận tốc 74 km/s, cứ thế nhân lên.

Chúng ta thấy rằng thiên hà ở càng xa thì vận tốc dịch chuyển sẽ càng lớn. Vậy nếu nó đủ xa để vận tốc đó vượt qua cả vận tốc ánh sáng thì sao?

Giới hạn vận tốc

Hơn 20 năm trước khám phá của Hubble, chính xác là vào năm 1905, Albert Einstein (1879 - 1955) đã công bố thuyết tương đối hẹp, trong đó có nêu rõ rằng vận tốc ánh sáng là vận tốc lớn nhất trong vũ trụ, không gì có thể vượt qua. Đây hoàn toàn không phải vấn đề của giới hạn về công nghệ hay việc khám phá khoa học đã đi xa tới đâu, mà là một nguyên lý tự nhiên. Bạn có thể đọc thêm bài "Vận tốc ánh sáng và vai trò của nó" để nắm rõ về tính chất này và việc nó được chứng minh rõ ràng như thế nào.

Vậy, nếu ở những nơi đủ xa của vũ trụ, một thiên hà nào đó dịch chuyển ra khỏi chúng ta lớn hơn vận tốc ánh sáng thì sao, có phải nó đã phá vỡ thuyết tương đối hẹp của Einstein?

Câu trả lời là: không hề. Việc đó không mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp mà chỉ làm rõ hơn ranh giới của nó.

Để dễ hình dung, chúng ta hãy lấy một ví dụ nhỏ như sau - một thí nghiệm mà bạn thậm chí có thể tự làm ở nhà:
Đặt một con kiến lên giữa một dải băng cao su có một đầu được cố định. Con kiến này sẽ chạy trên đó theo bất cứ hướng nào mà nó muốn, với vận tốc 6 cm/s chẳng hạn. Bây giờ, bạn có thể cầm đầu không cố định của dải băng và kéo mạnh cho nó giãn ra thật nhanh. Con kiến đứng trên dải băng sẽ lập tức đi ra xa khỏi cả hai đầu (gồm cả đầu cố định và đầu mà bạn cầm) nhanh hơn rất nhiều so với vận tốc 6 cm/s của nó, bất kể nó đang dịch chuyển theo hướng nào. Vấn đề là, nó không biết tới điều đó nếu không quan sát hai điểm đầu dải băng, vì đối với chính dải băng mà nó đang đi trên đó thì vận tốc của nó vẫn là 6 cm/s.

Chuyển động của các thiên hà cũng như mọi vật thể khác trong vũ trụ cũng vậy. Vận tốc của mọi thứ đi liền với khung tham chiếu của chúng, hay dễ hiểu hơn là cái nền mà chúng di chuyển trên đó - giống như con đường mà bạn bước trên hay dải băng cao su của con kiến trong thí nghiệm vừa nêu. Thuyết tương đối hẹp của Einstein qui định giới hạn vận tốc cho chuyển động của mọi dạng vật chất và bức xạ trong cái nền không-thời gian của vũ trụ, nó chưa hề qui định giới hạn vận tốc cho sự giãn nở của chính bản thân không gian.

Một cái nhìn khác?

Có thể bạn đang tự hỏi: Vậy hóa ra thuyết tương đối hẹp chỉ để mô tả một phần cục bộ nào đấy chứ sao còn phổ quát nữa?

Có thể nói, việc coi thuyết tương đối hẹp là một lý thuyết cục bộ không sai. Tuy vậy nó vẫn giữ được tính phổ quát với không-thời gian mà chúng ta biết, vì nên nhớ rằng cho dù những thiên hà ở rất xa đang dịch chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng ra xa khỏi chúng ta, nhưng vấn đề mấu chốt nằm ở khoảng cách. Chỉ có khoảng cách mới quyết định được điều đó, không phải bất cứ thứ gì khác. Vì vậy bạn vẫn sẽ không bao giờ thấy được một con tàu hay một loại vật chất hoặc năng lượng bất kỳ di chuyển nhanh hơn ánh sáng, bất kể công nghệ có phát triển bao nhiêu năm nữa. Vì thế, lý thuyết của Einstein vẫn thể hiện tính chính xác của nó.

Vũ trụ quan sát được

Ý cuối trong bài viết này, tôi xin nhắc qua về khái niệm "vũ trụ quan sát được". Nói một cách đơn giản, đây là vùng vũ trụ mà ánh sáng từ rìa của nó có thể tới được với chúng ta. Hiện nay, vùng vũ trụ quan sát được (hay một số nguồn tiếng Việt dịch là "vũ trụ khả kiến" - tôi thì thích hạn chế dùng từ Hán-Việt nếu không thật cần thiết) có bán kính được xác định là khoảng 46,5 tỷ năm ánh sáng. Điều đó có nghĩa là những nơi cách chúng ta quá 46,5 tỷ năm ánh sáng thì mọi thứ đang dịch chuyển ra xa khỏi chúng ta với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng, và điều đó khiến cho bất cứ thông tin gì từ đó sẽ không bao giờ tới được với chúng ta.

Con số 46,5 tỷ năm ánh sáng có vẻ rất lớn khi mà tuổi của vũ trụ được xác định là chưa tới 14 tỷ năm. Tuy nhiên, hãy lưu ý rằng vũ trụ đã giãn nở lạm phát ngay từ khi mới hình thành (đọc bài "Big Bang và bức tranh của chúng ta về vũ trụ") và ngay cả khi lạm phạt đã chậm lại, vũ trụ vẫn giãn nở rất nhanh. Ánh sáng của một vật thể nào đó phát ra cách đây hơn 13 tỷ năm tương ứng với khoảng cách hiện tại của nó lớn hơn nhiều.

Theo những khảo sát mới nhất cho tới nay, các nhà nghiên cứu xác định rằng vũ trụ quan sát được của chúng ta có chứa ít nhất 2 nghìn tỷ thiên hà. Nhưng trên thực tế, vũ trụ còn rộng lớn hơn thế rất nhiều, và luôn có những thứ nằm ngoài bán kính giới hạn kia mà chúng ta sẽ không bao giờ biết tới, và họ (nếu có một "họ" nào đó ngoài đó) cũng sẽ không bao giờ biết tới chúng ta.