TÌM HIỂU VŨ TRỤ BAO LA

VŨ TRỤ
Vũ trụ là toàn bộ hệ thống không-thời gian trong đó chúng ta đang sống, chứa toàn bộ vật chất vànăng
lượng. Ở thang vĩ mô Vũ trụ bao gồm tất cả các thiên hà, tức là những tập hợp của các thiên thể
như sao và hành tinh v.v..., trong đó có Trái Đất. Ở thang vi mô Vũ trụ bao gồm tất cả cácnguyên tử và
các hạt cơ bản cấu thành nên mọi dạng tồn tại của thế giới vật chất.
Khoa học nghiên cứu vũ trụ trong tổng thể của nó gọi là vũ trụ học, một lĩnh vực kết hợp giữa vật
lývà thiên văn. Vũ trụ học, về cuối thế kỷ 20, được phân làm hai nhánh chính là thực nghiệm và lý thuyết.
Các nhà vũ trụ học thực nghiệm đã gần như từ bỏ hy vọng có thể quan sát được toàn bộ vũ trụ; trong khi
đó, các nhà vũ trụ học lý thuyết vẫn phát triển các mô hình cho toàn bộ vũ trụ, bất chấp khả năng các lý
thuyết này sẽ không có đủ bằng chứng thực nghiệm để kiểm chứng.
Các lý giải về những quan sát thiên văn đương thời cho thấy tuổi của Vũ trụ là 13,798 ± 0,037 tỷ năm.
[1]
và đường kính thực sự của phần Vũ trụ quan sát được hiện nay ít nhất là 93 tỷ năm ánh sáng
hay 8,80×1026 mét.[2] Việc hai thiên hà có thể rời xa nhau một khoảng bằng 93 tỷ năm ánh sáng chỉ sau 14
tỷ năm dường như là một điều nghịch lý không thể xảy ra, vì theo Thuyết tương đối hẹp không một đối
tượng vật chất nào có thể được gia tốc để chuyển động với vận tốc vượt quá vận tốc ánh sáng. Tuy nhiên,
theo Thuyết tương đối rộng, không gian có thể giãn nở mà không gặp phải một giới hạn nội tại nào về tốc
độ, và như vậy hai thiên hà có thể rời xa nhau nhanh hơn tốc độ ánh sáng khi không gian giữa chúng bị
giãn ra.
Do giới hạn của vận tốc truyền ánh sáng mà chúng ta chỉ có thể quan sát một phần nhỏ của vũ trụ, được
gọi là "Vũ trụ khả kiến" hay "Vũ trụ quan sát được". Đa số các nhà thiên văn dùng từ "Vũ trụ" khi nói đến
"Vũ trụ quan sát được". Lý do là các hiện tượng vật lý nằm ngoài khoảng vũ trụ quan sát được cũng vượt
quá sự hiểu biết của con người ở thời điểm hiện nay.
Vì không thể quan sát được không gian bên ngoài giới hạn của vận tốc ánh sáng (hay bất kỳ dạng lan
truyền tương tác nào), chúng ta cũng không thể kết luận được là Vũ trụ trong tổng thể của nó là vô hạn
hay hữu hạn, vì cả hai khả năng này đều có thể xảy ra (Vũ trụ có thể là hữu hạn nhưng không có một biên
giới cụ thể nào).
Các mốc chính trong lịch sử khám phá vũ trụ của loài người:
•

•

•

Thế kỷ 4 TCN, Aristarchus có vẻ như là người đầu tiên hiểu được về hệ thống hành tinh và hệ
nhật tâm. Khám phá này đối lập với quan niệm về thế giới của Aristotle. Ông cũng đã tính được khá
chính xác khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng.
Thế kỷ 3 TCN, Eratosthenes cũng đã tính được chu vi Trái Đất tại xích đạo chỉ sai khác khoảng
650 km(sai số 1,5%).
Thế kỷ 2 TCN, Hipparchus tính lại khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng, thống kê 1500 ngôi
sao, tính gần đúng chu kỳ tuế sai của trục Trái Đất.

Những kiến thức này được người Ả Rập học lại. Khi người Ả Rập mở rộng ảnh hưởng, quyển
sách Almagest của Claudius Ptolemaeus với mô hình vũ trụ địa tâm được truyền bá.
Cuộc cách mạng Copernic đã đảo lộn lại quan niệm địa tâm:
•
•

Nicolaus Copernicus khám phá lại hệ nhật tâm.
Isaac Newton và Johannes Kepler xác định chuyển động của các hành tinh, dựa vào các định luật
Newton và khám phá về lực hấp dẫn, được kiểm chứng bởi quan sát thiên văn.
1


•

Giordano Bruno áp dụng mô hình hệ Mặt Trời cho tất cả các ngôi sao khác, mở rộng vũ trụ ra vô
cùng.

Các tiến bộ về kỹ thuật quan sát thiên văn trong thế kỷ 20 đã mở ra một loạt khám phá về các vật thể kỳ
lạ trong vũ trụ (như các sao trong giai đoạn phát triển khác nhau), về cấu trúc vĩ mô của vũ trụ (gồm các
sao tụ tập trong các thiên hà và các nhóm thiên hà), và đặc biệt là xu thế giãn nở của vũ trụ, quan sát

bởi Edwin Hubble.
Quan sát về sự giãn nở của vũ trụ là một trong các tiền đề để xây dựng nên mô hình về sự tiến hóa của vũ
trụ được công nhận rộng rãi nhất hiện nay, mô hình Vụ Nổ Lớn.
Lý thuyết Vụ Nổ Lớn
Từ quan sát dịch chuyển đỏ của các thiên hà chúng ta có bằng chứng rằng vũ trụ đang nở ra, theo định
luật Hubble. Quay ngược về quá khứ, ta sẽ gặp đến một điểm kỳ dị hấp dẫn, một khái niệm mang tính
chất toán học, có thể không thực sự trùng với sự thật. Đây là cơ sở để hình thành lý thuyết Vụ Nổ Lớn, lý
thuyết được công nhận nhiều nhất trong vũ trụ học ngày nay. Lý thuyết này cộng với các tiến bộ trong
quan sát (Tàu thăm dò vi sóng phi đẳng hướng Wilkinson, WMAP, của NASA) đã ước lượng tuổi vũ
trụ vào khoảng 13,8 tỷ (13,8 × 109) năm, với sai số cỡ 1% (± 170 triệu năm). Độ chính xác này dựa trên
giả thuyết là các lý thuyết dùng trong xử lý kết quả đo đạc là đúng. Nhiều phép đo khác cho những kết
quả dao động từ 10 đến 15 tỷ năm.
Các quan sát nền tảng của thuyết Vụ Nổ Lớn gồm có:
•
•

•
•

Các thiên hà ở càng xa càng chuyển động ra xa nhanh hơn.
Phông vi sóng vũ trụ, có nhiều khả năng là các bức xạ tàn dư từ thời kỳ đầu của Vụ Nổ Lớn, nay
đã bị dịch chuyển đỏ đến mức có tần số của chúng nằm trong vùng vi sóng. Nền bức xạ này rất đẳng
hướng có thể giải thích bởi lạm phát vũ trụ ngay sau Vụ Nổ Lớn.
Tỷ lệ các nguyên tố nặng tăng dần qua các thế hệ sao nhờ tổng hợp trong các phản ứng năng lượng
cao.
Phân bố và tiến hóa về hình dáng và thành phần hóa học của các thế hệ thiên hà.

Kích thước của vũ trụ và vũ trụ quan sát được
Vũ trụ là vô cùng lớn. Vấn đề vũ trụ thực tế là vô hạn hay hữu hạn hiện vẫn còn nhiều tranh luận.
Vũ trụ quan sát được, gồm tất cả mọi nơi có thể có tác động đến con người kể từ Vụ Nổ Lớn, chắc

chắn là hữu hạn, do tốc độ truyền tương tác không vượt quá tốc độ ánh sáng. Rìa của chân trời vũ
trụ cách chúng ta 13,7 tỷ năm ánh sáng. Do vũ trụ đã không ngừng nở, tại thời điểm hiện nay, rìa đó
đã đi được đến khoảng cách khoảng 46,6 tỷ năm ánh sáng (4.4 × 1023 km), là bán kính của Vũ trụ
quan sát được (tức là một khối cầu có tâm tại điểm quan sát của chúng ta trên Trái Đất). [3] Như
vậy, thể tích đồng hành của vũ trụ quan sát được là 4,2 × 1032 năm ánh sáng khối. Chúng ta nằm ngay
2


tại tâm của vũ trụ quan sát được, nhưng không phải tại tâm của toàn thể vũ trụ. Và do đó diều này
hoàn toàn phù hợp với nguyên lý Copernic, nói rằng vũ trụ là đồng nhất và không có tâm. Khi chúng
ta nhìn càng xa, thì tức là chúng ta càng nhìn về quá khứ, và giới hạn là tại thời điểm khi Vụ Nổ Lớn
mới xảy ra. Vì ánh sáng chuyển động với cùng vận tốc theo mọi hướng đến chúng ta, do đó chúng ta
nằm ở tâm của vũ trụ quan sát được.
Để tiện so sánh, ta biết rằng đường kính của một thiên hà điển hình chỉ là 30 nghìn năm ánh sáng, và
khoảng cách điển hình giữa hai thiên hà lân cận chỉ là 3 triệu năm ánh sáng. [4] Thí dụ, Thiên hà của
chúng ta có đường kính khoảng 100 nghìn năm ánh sáng [5] và thiên hà gần nhất,thiên hà Andromeda,
cách chúng ta khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng.[6]
Vũ trụ quan sát được chứa nhiều hơn 80 tỷ thiên hà, được nhóm lại trong quần thiên hà và siêu quần
thiên hà. [7]. Những thiên hà điển hình bao gồm từ những thiên hà lùn với chỉ khoảng 10 triệu
(107) sao[8] tới những thiên hà kềnh với một nghìn tỷ (1012) sao,[9] tất cả quay xung quanh khối tâm của
thiên hà. Như vậy từ những con số này có thể đưa ra một ước tính cho thấy rằng có khoảng một nghìn
tỷ tỷ (1021) sao. Số lượng thiên hà, theo quan sát bởi Hubble Deep Field của kính viễn vọng không
gian Hubble, có thể lớn hơn ước lượng trên. Theo một nghiên cứu năm 2010 bởi các nhà thiên văn
học số các ngôi sao trong Vũ trụ quan sát được lên tới 300 nghìn tỷ tỷ (3×10 23).[10]
Ngày 21 tháng 3, 2013, nhóm nghiên cứu ở châu Âu dựa trên tàu thăm dò Planck đã công bố bản đồ
không gian về bức xạ phông vi sóng vũ trụ.[11][12][13][14][15] Bản đồ thể hiện rằng vũ trụ hơi già hơn người
ta từng nghĩ, theo đó, những dao động rất nhỏ về nhiệt độ được ghi lạ trong bầu trời sâu thẩm của vũ
trụ có tuổi khoảng 370.000 năm. Dấu ấn này phản ánh sự gợn sóng đã tăng lên từ sớm, trong sự tồn
tại của vũ trụ, vào khoảng (10−30) giây đầu tiên. Rõ ràng, những gợn sóng này đã dẫn đến một mạng
lưới vũ trụ rộng lớn của các cụm thiên hà và vật chất tối. Theo nhóm nghiên cứu, vũ trụ có tuổi

khoảng 13,798 ± 0,037 tỉ năm,[16][17] và chứa 4,9% vật chất, 26,8% vật chất tối và 68,3% năng lượng
tối. Cũng như Hằng số Hubble được đo đạc là 67,80 ± 0,77 (km/s)/Mpc. [11][12][13][15][17]
Phân tích trước đó về quan sát vũ thiên văn chỉ ra rằng vũ trụ có tuổi 13,772 ± 0,059 tỉ năm, [18] và có
đường kính ít nhất 93 tỉ năm ánh sáng hay8,80×1026 met.[2]
Mật độ vật chất trong vũ trụ[
Trên cơ sở quan sát được: 3 × 10−31g/cm3.
Giả định (kể cả vật chất tối): 10−30 - 10−29g/cm3.
Các quần thiên hà: 5 × 10−28g/cm3.
Khí giữa các sao: 3 × 10−25 - 10−24g/cm3.
Thiên Hà: 2 × 10−24g/cm3.
Lỗ đen (mật độ Planck, giả định): 5 × 1093g/cm3.

Thành phần
Các quan sát về vũ trụ hiện nay cho thấy nó là một không-thời gian phẳng (trên thang vĩ mô) chứa mật
độ năng lượng-khối lượng 9,9 × 10−30gam trên xentimét khối. Trong đó có 68,3% năng lượng tối (suy từ
3


hình dạng không thời gian), 26,8% vật chất tối (suy từ quỹ đạo cả các thiên hà và đo đạc về lỗ đen) và
4,9% các nguyên tố hóa học (suy từ quan sát các thiên thể phát ra ánh sáng hay bức xạ điện từ).[1] Bản
chất của vật chất tối và năng lượng tối vẫn chưa được hiểu kỹ.
Trong thời kỳ đầu của Vụ Nổ Lớn, vật chất thông thường và phản vật chất cùng được sinh ra với khối
lượng bằng nhau. Tuy nhiên, do vi phạm đối xứng CP, lượng vật chất thông thường dần chiếm tỷ lệ cao
hơn. Phần vật chất và phản vật chất còn lại tự hủy cặp với nhau để sinh raphoton, và vũ trụ còn lại lượng
vật chất thông thường dư thừa như ngày nay.[19]
Trước khi những sao đầu tiên hình thành, thành phần hóa học của vũ trụ chứa chủ yếu hydro (75% khối
lượng tổng cộng), và một phần helium-4 (4He) (24% khối lượng tổng cộng) cùng với một chút
các nguyên tố hóa học còn lại.[20] Một lượng nhỏ là đồng vị đơtơri, 3He và liti (7Li).[21]Sau đó, qua các thế
hệ sao sinh ra và chết đi, không gian giữa các sao được bổ sung thêm các sản phẩm của các phản ứng
nhiệt hạch, thường được phóng ra bởi các vụ nổ của siêu tân tinh, gió sao...[22]

Vụ Nổ Lớn còn để lại là một lượng lớn các photon (ở dạng bức xạ nền đã quan sát được) và neutrino.
Nhiệt độ của bức xạ nền giảm đều đặn khi vũ trụ nở ra, và nay xuống còn 2,725 K, ứng với cực đại bức
xạ ở sóng vi ba.[23] Mật độ của nền neutrino ngày nay vào khoảng 150 hạt trên xentimét khối. [24]

Hình dáng vũ trụ

Hình dáng vũ trụ là một câu hỏi quan trọng trong vũ trụ học.
Câu hỏi đầu tiên là vũ trụ của chúng ta "phẳng" và tuân thủ hình học Euclid trên khoảng cách vĩ mô,
hay không? Hiện nay, đa số các nhà vũ trụ học tin là vũ trụ quan sát được khá phẳng, chỉ có những
chỗ không-thời gian méo địa phương do sự tập trung mật độ vật chất cao bất thường (như ở hố đen).
Nhận xét này được củng cố bởi bằng chứng thực nghiệm của WMAP, một thí nghiệm nhìn vào "dao
động" của phông vi sóng vũ trụ.
Câu hỏi thứ hai là vũ trụ của chúng ta có đa liên thông hay không? Theo mô hình của Vụ Nổ Lớn, vũ
trụ của chúng ta không có biên giới, nhưng vẫn có thể chỉ chứa lượng không gian hữu hạn. Điều này
tương tự như bề mặt của hình cầu: bề mặt này không có biên giới, nhưng diện tích bề mặt hữu hạn (
); chúng ta đi trên bề mặt này theo một "đường thẳng" thì rồi sẽ lại vòng về chỗ cũ. Ví dụ ba
chiều tương đương gọi là "không gian cầu" khám phá bởi Bernhard Riemann, với thể tích (
).
Nếu vũ trụ của ta cũng tương tự vậy, khi ta đi theo "đường thẳng", ta sẽ trở lại điểm xuất phát sau khi
đã đi hết "chu vi" của vũ trụ. Điều này cũng dẫn đến một kết quả thú vị là ta có thể nhìn thấy nhiều
ảnh của cùng một ngôi sao, do ánh sáng từ nó có thể đi nhiều vòng quanh vũ trụ trước khi đến mắt ta
(tương tự như nhiều ảnh của một ngọn nến nằm giữa hai gương song song). Câu hỏi này còn chưa
được trả lời một cách dứt khoát, nhưng với kết quả về vũ trụ phẳng, khả năng về một vũ trụ đa liên
thông là thấp.
4


Tương lai của vũ trụ
Bài chi tiết: Tương lai của vũ trụ và Giả thiết về sự kết thúc của vũ trụ
Phụ thuộc vào mật độ vật chất và năng lượng trong vũ trụ của chúng ta mà nó sẽ tiếp tục nở ra

mãi mãi hoặc nở ra chậm dần do lực hấp dẫnrồi sụp đổ trở lại, tạo thành Vụ Sập Lớn. Các bằng
chứng quan sát hiện nay cho thấy mật độ vật chất trong vũ trụ không đủ lớn để giảm sự giãn nở,
mà thậm chí sự giãn nở này sẽ tăng tốc mãi mãi.
Năm 1924, Hubble (1889-1935) nhờ kính thiên văn dài 2,5m trên núi Wilson, lần đầu tiên phát
hiện được các sao xepheit trong tinh vân Andromede đã tính toán được khoảng cách của chúng và
xác lập được rằng thiên hà này ở ngoài dải Ngân hà. Điều này chứng minh rằng ngoài thiên hà của
chúng ta còn tồn tại các thiên hà khác nằm ngoài thiên hà của chúng ta. Năm 1928, ông phát hiện
ra rằng các thiên hà có phổ dịch về phía đỏ và khi chấp nhận đó là do hiệu ứng Doppler và từ
những quan sát của mình, ông đưa ra một quy luật các thiên hà chuyển động ra xa nhau, thiên hà
ở càng xa thì chuyển động càng nhanh: V=H.d (V là vận tốc chạy ra xa của một thiên hà ở khoảng
cách d; H, hằng số Hubble, nó có giá trị khoảng 25 km/s đối với mỗi triệu năm ánh sáng).
Nếu thuyết tương đối là đúng thì điều đó có nghĩa là Vũ trụ đang giãn nở. Đa số các nhà vật lý
thiên văn ngày nay đều thừa nhận điều này. Theo những quan sát được thực hiện năm 1998 tại
Đại học Seattle, thì vũ trụ giãn nở mãi mãi và được gia tốc.
Đa vũ trụ
Có giả thuyết là có nhiều vũ trụ cùng tồn tại, trong một cấu trúc ở mức độ cao hơn gọi là đa vũ
trụ (en:multiverse). Vũ Trụ của chúng ta chỉ là một trong số các vũ trụ trong đa vũ trụ. Ví dụ, vật
chất rơi vào hố đen trong Vũ Trụ của chúng ta sẽ có thể hiện ra thành "Vụ Nổ Lớn" bắt đầu một
vũ trụ khác. Tuy vậy các giả thuyết kiểu này hiện không thể có gì kiểm chứng được. Ngoài ra vì
vũ trụ rộng lớn hơn mấy tỷ năm ánh sáng nên chúng ta không có đủ nguyên liệu để tìm hiểu xem
sức lớn của vũ trụ.
Tuy nhiên, theo tính toán thì có giả thiết cho rằng có tất cả 4 mức đa vũ trụ [25]. Tự nhiên luôn tuân
theo một quy luật nhất định từ vi mô đến vĩ mô vũ trụ cũng không nằm ngoài quy luật này. Ta
tưởng vũ trụ của chúng ta là một nguyên tử thì các hành tinh của vũ trụ chúng ta là
cácelectron chuyển động theo các quỹ đạo xác định và trung tâm của vũ trụ chúng ta cũng như
nhân của phân tử theo thuyết này thì vũ trụ mà ta đang sống là một không gian vô hạn không xác
định được trong đó luôn tồn tại các hệ vũ trụ khác nhau.
Phản vũ trụ
Phản vũ trụ (phản thế giới) là giả thiết về một vũ trụ cấu thành bởi các thành phần phản vật chất,
có thể tuân theo những nguyên tắc vật lý khác với các nguyên tắc vật lý chúng ta hiện có. Phản vũ

trụ là một không gian được cấu thành từ các thành phần phản vật chất. Nó không có nhữngtính
chất vật lý như chúng ta đã biết. Tính chất của phản vũ trụ hoàn toàn trái ngược với vũ trụ của
chúng ta. Nó tồn tại song song với vũ trụ của chúng ta nhưng cách xa. Nó được hình thành cùng
với vụ nổ lớn. Trường hợp khi phản vũ trụ trên gần với vũ trụ chúng ta thì sẽ tạo nên một không
gian mới đó là không gian phi vật chất, khi đó vũ trụ chúng ta sẽ biến mất.
5