Nghiên cứu thiên văn học hiện đại cho thấy vũ trụ bắt nguồn từ một vụ nổ kỳ dị cách đây 13,8 tỷ năm, kể từ đó đến nay vũ trụ ngày càng giãn nở và phạm vi vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát được đã đạt tới khoảng 93 tỷ năm ánh sáng. Nhưng điều này không có nghĩa là vũ trụ chỉ lớn như vậy, kích thước thực sự của vũ trụ có thể vượt xa sức tưởng tượng của chúng ta.
Khi người ta hỏi bên ngoài vũ trụ có gì, câu trả lời được các nhà khoa học đưa ra là bên ngoài không có thời gian và không gian, dường như đó là một khái niệm về hư vô. Nhưng vấn đề là sự giãn nở của vũ trụ vẫn đang tăng tốc, nghĩa là bên ngoài nhất định phải có không gian, vậy bên ngoài vũ trụ là gì?
Kích thước thực sự của vũ trụ có thể vượt xa sức tưởng tượng của chúng ta. (Ảnh minh họa).
Trong thuật ngữ thiên văn học mà chúng ta tiếp cận được, “vũ trụ quan sát được” là một thuật ngữ rất phổ biến. Vậy vũ trụ quan sát được là gì? Để giải thích vấn đề này, chúng ta cần bắt đầu với Vụ nổ lớn.
Sau khi Einstein đề xuất thuyết tương đối rộng, người ta bắt đầu phát triển các ứng dụng vũ trụ của thuyết tương đối rộng. Nhiều nhà khoa học, dựa trên nguồn gốc của thuyết tương đối rộng, kết luận rằng vũ trụ là một quá trình năng động. Lemaître, nhà thiên văn học và giáo sư vật lý học người Bỉ tại Viện Đại học Công giáo Louvain, còn đề xuất thêm giả thuyết nguyên tử nguyên thủy, giả thuyết này thực ra là tiền thân của lý thuyết Vụ nổ lớn - thuyết Big Bang.
Trong khoảng thời gian này, Hubble quan sát thấy các vật thể ở xa chúng ta hơn đang chuyển động ra xa chúng ta với tốc độ nhanh hơn, củng cố ý tưởng rằng vũ trụ đang giãn nở. Sau này, lý thuyết tổng hợp nguyên thủy của nhà vật lý người Mỹ George Gamow đã được xác nhận trong sự phân bố của vật chất được quan sát bởi các kính thiên văn vô tuyến. Sự tồn tại của bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã được dự đoán bởi Ralph Alfie và Robert Hermann và được xác nhận bởi các quan sát vào năm 1964 bởi Arno Penzias và Robert Wilson.
Những quan sát này càng ủng hộ lý thuyết Big Bang, khiến nó chiếm ưu thế trong cộng đồng khoa học. Dựa trên dữ liệu quan sát và suy đoán, các nhà khoa học tin rằng Vụ nổ lớn xảy ra khoảng 13,8 tỷ năm trước.
Sự ra đời của vũ trụ và vũ trụ quan sát được có liên quan đến nhau. (Ảnh minh họa).
Sự ra đời của vũ trụ và vũ trụ quan sát được có liên quan chặt chẽ với nhau. Mỗi khoảnh khắc thể hiện giới hạn khả năng quan sát của con người. Ví dụ, vật thể xa nhất mà chúng ta hiện có thể quan sát được là thiên hà GN-Z11, cách chúng ta khoảng 13,4 tỷ năm ánh sáng. Dựa trên sự giãn nở của vũ trụ, nó thực sự nằm cách chúng ta khoảng 30 tỷ năm ánh sáng. Ngoài những hạn chế của việc quan sát ánh sáng khả kiến, chúng ta còn có thể quan sát bức xạ điện từ ở đầy đủ các bước sóng.
Khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn, chùm photon đầu tiên được giải phóng tạo thành bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Quan sát này được Arnold Penzias và Robert Wilson phát hiện vào năm 1964 và nằm ở khoảng cách khoảng 46,1 tỷ năm ánh sáng (lưu ý đây là bán kính).
Ngoài bức xạ nền vi sóng vũ trụ, chúng ta còn có thể sử dụng neutrino làm phương pháp quan sát. Neutrino tách ra khỏi các hạt khác khoảng một giây sau Vụ nổ lớn, nếu chúng ta có thể bắt được neutrino vào thời điểm đó, chúng sẽ mang thông tin khoảng một giây sau khi vũ trụ ra đời.
Cuối cùng, sóng hấp dẫn cũng là một phương pháp quan sát quan trọng. Sóng hấp dẫn được sinh ra trong thời gian Planck đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Về mặt lý thuyết, chỉ cần chúng ta có thể nhận được sóng hấp dẫn vào thời điểm đó thì chúng ta sẽ có thể hiểu được mọi thứ về vũ trụ kể từ khi nó ra đời.
Toàn bộ vũ trụ là sản phẩm của Vụ nổ lớn, không-thời gian và vật chất tồn tại bên trong vũ trụ. (Ảnh minh họa).
Theo thuyết Big Bang, không có thế giới bên ngoài vũ trụ. Toàn bộ vũ trụ là sản phẩm của Vụ nổ lớn, không-thời gian và vật chất tồn tại bên trong vũ trụ, còn bên ngoài thì hỗn loạn. Nhưng các nhà khoa học không hài lòng với quan điểm này, họ hy vọng có thể xác minh được cấu trúc của vũ trụ bằng cách đo kích thước của nó.
Theo các quan sát từ Đài khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan và vệ tinh Planck, vũ trụ dường như phẳng và vô hạn, không giống như quả cầu siêu phồng mà chúng ta nghĩ ban đầu. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là vũ trụ phẳng và mở, các nhà khoa học nghi ngờ rằng vũ trụ có thể cong và đóng ngoài phạm vi chúng ta có thể quan sát được, bởi quy mô của vũ trụ quá lớn nên hiện tại chúng ta chỉ có thể quan sát được khoảng 93 tỷ ánh sáng nên không thể xác định được vũ trụ đóng hay mở.
Ngoài việc đo kích thước của vũ trụ, các nhà khoa học còn sử dụng các phương pháp như dao động âm thanh baryon để thu được thêm thông tin về vũ trụ. Theo những quan sát về dao động âm thanh baryon, vũ trụ có thể lớn hơn 15 triệu lần so với cái mà chúng ta hiện nay nghĩ là vũ trụ quan sát được, đạt tới quy mô 23 nghìn tỷ năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là có thể có một bong bóng không-thời gian theo cấp số nhân trong vũ trụ, chứa nhiều vũ trụ tương tự như vũ trụ của chúng ta, với cùng các định luật vật lý, cấu trúc vật lý và điều kiện có thể hình thành nên sự sống phức tạp.
Vũ trụ bắt đầu trải qua quá trình giãn nở tăng tốc cách đây khoảng 6 tỷ năm. (Ảnh minh họa).
Trong quá trình tiến hóa của vũ trụ, các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra sự tồn tại của năng lượng tối. Theo quan sát siêu tân tinh loại Ia (một trong các loại siêu tân tinh xảy ra từ vụ bùng nổ của sao lùn trắng) vào năm 1998, vũ trụ bắt đầu trải qua quá trình giãn nở tăng tốc cách đây khoảng 6 tỷ năm, các nhà khoa học đã đề xuất khái niệm năng lượng tối để giải thích hiện tượng này.
Phát hiện này gây bất ngờ cho các nhà khoa học tin rằng vũ trụ có thể tiếp tục giãn nở dưới tác động của năng lượng tối cho đến khi nguyên tử cuối cùng bị xé nát. Trong bối cảnh này, tương lai của vũ trụ trở nên đáng lo ngại. Ngay cả khi loại trừ khả năng xảy ra Vụ co lớn, vũ trụ cuối cùng cũng sẽ đạt tới cái chết nhiệt. Thời gian trôi qua, entropy của vũ trụ sẽ tiếp tục tăng, tiến triển từ trật tự đến hỗn loạn, cho đến khi toàn bộ năng lượng hữu hiệu trong vũ trụ được chuyển hóa thành nhiệt năng và vật chất đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt.
Ở trạng thái này, vũ trụ sẽ bước vào giai đoạn chết nhiệt. Vũ trụ sẽ bước vào trạng thái năng lượng thấp nhất.