Vì sao vũ trụ có hàng tỷ ngôi sao lớn nhỏ sáng lấp lánh nhưng bầu trời đêm vẫn tối om?

by X Công Nghệ

Bầu trời đêm là một khung cảnh tuyệt vời với sự góp mặt của hàng triệu đốm nhỏ li ti phát sáng. Đa số chúng ta đều không mấy chú ý đến những khoảng trống xung quanh ánh hào quang của những vì sao, khoảng trống đen, tạo nên màn đêm huyền ảo.

Những nhà thơ cho rằng đó là sự lãng mạn của vũ trụ và chúng tồn tại từ khi loài người có nhận thức cho tới tận bây giờ. Không ai chú ý đến “điều bình thường” này, ngoài những nhà thiên văn học luôn tìm cách giải mã về các thiên hà trong khoảng không rộng lớn ngay phía trên chúng ta. Rõ ràng vũ trụ giống như một cái bình được đổ đầy đom đóm nhưng tại sao nó không sáng rực lên mà vẫn tối tăm?

Obers đưa ra giả thuyết nghịch lý

Vấn đề này có lẽ đã từng tồn tại trong nhiều năm trước đó nhưng tới tận thời kỳ của Obers thì nó mới được đưa ra bàn luận một cách có hệ thống vào năm 1823. Trước đó, câu hỏi về những khoảng không màu đen giữa các ngôi sao cũng đã từng được nhà thiên văn học Kepler đã nêu ra vào năm 1610. Kepler được coi như người đầu tiên đặt ra vấn đề một cách khoa học để giới nghiên cứu cùng tìm tòi và khám phá.

Đặt trong bối cảnh công nghệ hiện đại ngày nay, loài người chúng ta có thể dễ dàng trang bị kiến thức và định nghĩa đầy đủ về sự tồn tại của vũ trụ. Nó là một thực thể phức tạp, bao quát hàng tỷ thiên hà, các đám bụi tinh vân và hàng loạt sự kiện thiên văn kỳ thú,…. So với Trái Đất và nhân loại, vũ trụ quả thực giống như một con quái vật khổng lồ với những ngôi sao trở thành vị thần của các nền văn minh cổ đại. Con người giống như một giọt nước trong biển cả mênh mông và nếu coi sự hình thành của vũ trụ là một phút thì nhân loại mới tồn tại chỉ trong hai giây.

Xuyên suốt từ thế kỷ này sang thế kỷ khác, các nhà bác học vẫn miệt mài ngẩng đầu lên nhìn các vì sao để tìm ra câu trả lời cho chính mình. Chúng ta lần lượt khám phá ra Trái Đất thuộc Thái Dương hệ và cả cụm ngôi sao sáng với tám hành tinh ấy lại thuộc về một thứ rộng lớn hơn gọi là dải Ngân hà. Qua nhiều quan sát, loài người biết được sự thật rằng, Milky Way chỉ là một thiên hà có dạng xoắn ốc, trải dài trên phạm vi 200.000 năm ánh sáng và mang trong mình gần 400 tỷ ngôi sao. Chúng ta quá nhỏ bé so với các anh em thiên hà bên cạnh.

Trên thực tế, vũ trụ còn rộng hơn một dải Ngân Hà gấp nhiều lần. Nó có thể đang chứa hàng trăm, hàng triệu thiên hà với hàng tỷ ngôi sao to lớn và sáng chói hơn mặt trời của chúng ta rất nhiều. Còn Trái Đất, chúng ta chỉ là một hành tinh có kích thước trung bình trong hệ mặt trời, thậm chí còn nhỏ hơn người anh cả sao Mộc đến 40 lần. Hành tinh xanh duy trì sự sống nhờ nguồn năng lượng khổng lồ từ ngôi sao chủ cung cấp. Trong không gian rộng lớn bao la trên bầu trời, có hàng tỷ mô hình cung cấp năng lượng như thế với rất nhiều ngôi sao còn sáng hơn cả Mặt trời. Nhưng tại sao vũ trụ vẫn rất tăm tối?

Những thực thể trong thiên hà không phải là những vị thần cao cả không thể khuất phục. Vũ trụ khổng lồ và rẻ nhạt dường như chỉ là một cái xác rỗng nếu không có sự nhìn ngắm say mê từ đôi mắt loài người. Chúng ta đi tìm và khám phá con quái vật bí ẩn và xa lạ, đặt tên và mang ý nghĩa tới cho những khối đất đá phát sáng hay những đám bụi khí xa xôi. Vào khoảng thời gian của những nhà thiên văn còn chịu sự quản chế của nhà thờ, vũ trụ lớn được coi là vô hạn, không có bắt đầu và cũng sẽ trường tồn mãi mãi. Người ta cũng không thể nắm bắt được sự chuyển động của ánh sáng nên coi nó có vận tốc vô hạn.

Nếu như thế thì tại sao vũ trụ vẫn chỉ là một màu đen sau khi Trái Đất rơi vào khoảng tối không được ánh mặt trời chiếu rọi? Đây chính là ý tưởng cốt lõi của nghịch lý Oberth, hay còn được đề cập dưới cái tên nghịch lý độ sáng hoặc nghịch lý đêm tối. Nó nêu ra giả thuyết chống lại quan niệm vũ trụ tuyệt đối đương đại, phủ nhận giáo lý của nhà thờ và mở đường cho khoa học hiện đại tiến lên. Oberth đặt ra khẳng định: Nếu thực sự vũ trụ là vô hạn và ổn định, nó sẽ sáng rực bởi sự tồn tại của các vì sao chứ không tăm tối như chúng ta thường thấy.

Con người đã trải qua nhiều thời kỳ phát triển, trong đó có cả những văn tự khoa học đến từ thời Hy Lạp cổ đại. Lý thuyết về vũ trụ tuyệt đối đã bén rễ từ thời kỳ đó và lan rộng thành tư tưởng thống trị. Nó vẫn không bị phá bỏ ngay cả khi Copernicus khám phá ra thuyết nhật tâm, hay Newton tìm thấy định luật vạn vật hấp dẫn. Tất cả những thành tựu đó không thể lay chuyển nổi học thuyết vũ trụ tuyệt đối đã tồn tại nhiều thế kỷ. Họ vẫn coi khoảng không trên đầu là vô hạn và bất biến cùng hàng ngàn vì sao chỉ quan sát được bằng mắt thường và kính thiên văn cổ điển. Dù thực tế, vũ trụ rất tăm tối.

Tuy nhiên, với trình độ phát triển khoa học công nghệ hiện đại như ngày nay, mọi thứ đã được thay đổi mạnh mẽ. Con người đã quan sát đủ lâu để hình thành những hiểu biết nhất định về vũ trụ. Vấn đề vũ trụ luôn tối đã được giải quyết bằng ba lý do chính: vũ trụ luôn luôn vận động và ngày càng “phình ra” to hơn, tốc độ ánh sáng không phải là vô hạn mà nó bị hạn chế bởi không thời gian nhất định và cuối cùng là vũ trụ quá rộng lớn, nó tồn tại không chỉ bởi vật chất sáng từ các ngôi sao mà còn từ 70% vật chất tối lấp đầy khoảng không của nó.

Vũ trụ có thời điểm bắt đầu và cũng sẽ kết thúc vào một ngày nào đó

Giới khoa học không coi Thiên Chúa hay bất kỳ yếu tố tâm linh nào khác tạo nên sự tồn tại của vũ trụ và chúng ta. Nó không phải đã luôn duy trì hình dạng và kích thước như vậy kể từ lúc nó được sinh ra, vũ trụ luôn biến đổi mỗi ngày. Vào đầu thế kỷ trước, sự xuất hiện của Einstein đã làm đảo lộn toàn bộ lý thuyết của giới khoa học. Đó là lúc nhiều phát hiện quan trọng đã được công bố và vô vàn câu hỏi được giải đáp một cách có hệ thống. Sự ra đời của hai học thuyết tương đối đã trao lại nhiều cơ hội cho nhân loại tiếp tục khám phá không gian và thời gian.

Einstein có một câu nói rất nổi tiếng: Mọi quy luật vật lý chỉ mang tính chất tương đối. Khi đặt các vật thể vào quan sát nhiều chiều, con người đã khám phá ra tính cong của khoảng không vũ trụ. Vào thời điểm phát ngôn đó ra đời, Edwin Hubble đã chứng minh thành công sự giãn nở của vũ trụ và Michelson-Morley cũng tính ra được chính xác vận tốc của ánh sáng.

Tất cả được đề cập trong Thuyết tương đối rộng rằng: Vũ trụ không đứng yên mà luôn luôn mở rộng ra nhiều chiều cả về không gian và thời gian. Trong đó, vận tốc giãn nở lớn gấp nhiều lần vận tốc ánh sáng. Chính vì thế mà cho dù đã lấp đầy bằng hàng tỷ tỷ ngôi sao, nó vẫn không thể vụt sáng trong đêm tối.

Tất cả những căn cứ ấy đã mạnh mẽ bác bỏ lý thuyết không-thời gian đối của cơ học Newton. Kể từ lúc đó, học thuyết vũ trụ tuyệt đối chính thức sụp đổ, nhường đường cho quan niệm mới rằng vũ trụ là thực thể có hạn, đang không ngừng giãn nở và cũng sẽ kết thúc vào một ngày nào đó. Theo tính toán hiện tại của các nhà khoa học, vũ trụ của chúng ta vẫn còn khá trẻ khi mới phát triển được 13,8 tỷ năm. Nhưng một ngày nào đó nó sẽ phải đối mặt với cái chết nhiệt, sự cạn kiệt nhiên liệu cháy sáng và sự lụi tàn từ các vì sao. Có thể sẽ lại có một vụ nổ lớn rồi kết thúc mọi thứ như cách nó bắt đầu.

Theo giám sát thường xuyên của Hubble, người ta chứng minh được rằng, gã khổng lồ kỳ dị đã trải qua được ba giai đoạn sống: lạm phát, giãn nở giảm tốc và giãn nở gia tốc. Hiện tại, nó đang trong thời kỳ thứ ba với tốc độ bành trướng khủng khiếp lôi các thiên hà tách xa nhau và các vì sao dịch chuyển rời rạc hơn mỗi năm. Nếu cứ tiếp tục tăng tốc, khoảng không gian sẽ được kéo dài vô hạn mà mật độ các sao sẽ ngày càng thưa thớt hơn dẫn đến việc vũ trụ ngày càng tăm tối.

Sự giãn nở vô hạn cũng là nguyên nhân chính khiến vũ trụ kết thúc. Chúng ta không biết bản thân có thể tồn tại đến ngày đó hay không nhưng chúng ta có thể dự đoán đây chắc chắn sẽ là một sự kiện hủy diệt liên sao tàn khốc nhất. Vũ trụ giãn nở nhanh nhưng tốc độ ánh sáng lại chịu giới hạn bởi không thời gian, chính vì thế mà chúng không thể nào thắp sáng cả bầu trời đêm được. Nghịch lý Oberth thực sự là thách thức phá tan nhiều quan điểm của thuyết vũ trụ học tuyệt đối và hỗ trợ vũ trụ học động tương đối phát triển.

Vận tốc giới hạn của ánh sáng trong chân không của vũ trụ

Nếu theo quan niệm cũ cứ coi vận tốc ánh sáng là vô hạn và không gì có thể cản trở thì vào khoảnh khắc những ngôi sao sinh ra từ vụ nổ BigBang, ánh sáng mạnh của chúng sẽ đột ngột lấp đầy vũ trụ và làm mọi thứ rực sáng. Tuy nhiên, thực tế quan sát và nghịch lý Oberth đã phủ nhận hoàn toàn điều đó. Ngay từ những năm 1700, Galileo đã bắt đầu đặt câu hỏi về lý thuyết tốc độ vô hạn của ánh sáng cho bản thân mình. Thông qua quá trình không ngừng nỗ lực thì cuối cùng, Michelson-Morley đã đo được vận tốc chính xác của ánh sáng chân không là 299792458 m/s.

Những nỗ lực không ngừng sau đó của giới khoa học giúp nhân loại ngày càng hiểu sâu và rõ hơn về bản chất lan truyền của ánh sáng. Chúng ta chứng minh được tốc độ ánh sáng trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau thì khác nhau do tính cong lệch của không thời gian. Ánh sáng di chuyển nhanh và điều chỉnh để đi theo các hướng khác nhau. Trong môi trường chân không và liên hành tinh, ánh sáng có thể đi bất cứ đâu mà chúng muốn với vận tốc không đổi. Chính vì giới hạn gia tốc không gian nên ánh sáng mất thời gian lan truyền giữa các vì sao để đến được Trái Đất. Đó là lý do các kính thiên văn chỉ chụp được ánh sáng từ quá khứ của các hành tinh.

Ánh sáng có tính chất lưỡng tính sóng hạt mang bản chất là sóng điện từ truyền nhiệt. Do giới hạn quang học của mắt, con chỉ có thể nhìn thấy các ánh sáng cơ bản và ánh sáng trắng, phổ biến từ bước sóng 780nm đến 380 nm. Ngoài khoảng này, con người sẽ không có khả năng nhìn thấy được, ví dụ như sự tồn tại của tia hồng ngoại, tia tử ngoại,…Đặc biệt, ánh sáng có hiệu ứng Doppler.

Hiệu ứng này đặc biệt ở chỗ ánh sáng sẽ bị kéo dài hình ảnh ra vô hạn khi người quan sát nó di chuyển với tốc độ cực nhanh. Còn nếu đổi vai trò ngược lại thì người quan sát sẽ thấy ánh sáng bị nén lại thành một đoạn rất ngắn. Doppler chính là hiệu ứng được sinh ra nhờ tính bước sóng của ánh sáng. Nó mang tính tương đối và tạo ra các dịch chuyển đỏ và dịch chuyển quang phổ.

Do sự giãn nở không ngừng nghỉ giữa các thiên hà, ánh sáng truyền đến được Trái Đất chúng ta sẽ là các bước sóng dịch chuyển đỏ. Tuy nhiên, nếu nó bị ảnh hưởng bởi một nhân tố nào đó mà vượt qua giới hạn chân trời sự kiện, nó sẽ biến thành các tần số sóng không thể nhận biết bằng mắt thường. Lúc đó, các nhà khoa học sẽ phải dùng các thiết bị hiện đại để nhận biết sự hiện diện của các vật thể không gian xa xôi.

Xem Thêm