Vũ trụ liệu có già hơn chúng ta nghĩ? Phần 1: Chiếc đồng hồ vũ trụ huyền bí

Con số 13,77 tỷ năm thường được coi là độ tuổi của vũ trụ. Tuy nhiên, làm sao các nhà khoa học có thể đo đếm thời gian của vũ trụ khi thuyết tương đối khẳng định rằng không tồn tại một chiếc đồng hồ chung? Câu trả lời nằm trong một “chiếc đồng hồ vũ trụ” vô cùng đặc biệt.

Trong suốt nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học luôn đưa ra một con số rất cụ thể khi bàn về lịch sử vũ trụ: khoảng 13,77 tỷ năm. Đây là ước tính về khoảng thời gian kể từ sự kiện khởi đầu mà các nhà vũ trụ học gọi là Big Bang.

Con số này nghe có vẻ chính xác đến mức nhiều người hiếm khi đặt câu hỏi. Tuy nhiên, việc xác định tuổi của vũ trụ là một vấn đề khoa học vô cùng phức tạp, liên quan đến những nguyên lý cơ bản của vật lý hiện đại.

Câu hỏi đầu tiên gần như ngay lập tức được đặt ra: liệu vũ trụ có thể có một “tuổi” hay không? Và nếu có, làm sao con người có thể đo lường nó?

Trong vật lý cổ điển thời Isaac Newton, các nhà khoa học thường giả định sự tồn tại của một hệ chuẩn tuyệt đối cho không gian và thời gian. Theo cách nhìn này, vũ trụ giống như một sân khấu khổng lồ nơi các vật thể chuyển động theo các quy luật vật lý, trong khi thời gian trôi qua với cùng một tốc độ ở mọi nơi.

Ý tưởng này tương tự như việc hình dung có một chiếc đồng hồ vũ trụ chung, nơi mọi sự kiện đều được đo bằng một thang thời gian thống nhất.

Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ 20, Albert Einstein đã thay đổi hoàn toàn cách con người nhìn nhận về thời gian và không gian.

Thuyết tương đối hẹp của ông chứng minh rằng không có một đồng hồ chung cho toàn vũ trụ. Mỗi vật thể có hệ quy chiếu riêng, và thời gian có thể trôi qua với tốc độ khác nhau tùy theo vận tốc chuyển động của vật thể đó.

Nói cách khác, hai người quan sát trong những điều kiện khác nhau có thể có sự khác biệt trong nhận định về khoảng thời gian giữa hai sự kiện.

Phát hiện này khiến nhiều người đặt câu hỏi: nếu không có thời gian tuyệt đối, làm sao chúng ta có thể khẳng định vũ trụ có một độ tuổi cụ thể?

Câu trả lời nằm trong thuyết tương đối rộng, lý thuyết mở rộng của Einstein để mô tả lực hấp dẫn và cấu trúc không-thời gian trong các hệ thống vũ trụ lớn.

Trong vũ trụ học, các nhà khoa học đã quan sát thấy một hiện tượng quan trọng: hầu hết các thiên hà xa xôi đều đang di chuyển ra xa chúng ta. Phát hiện này cho thấy vũ trụ không tĩnh mà đang trong quá trình giãn nở.

Để mô tả quá trình giãn nở này, các nhà vật lý đã phát triển một mô hình toán học gọi là metric FLRW, được đặt theo tên của bốn nhà khoa học: Friedmann, Lemaitre, Robertson và Walker.

Mô hình FLRW giả định rằng vũ trụ có cấu trúc đồng nhất và đẳng hướng ở quy mô lớn. Trong mô hình này, vật chất và năng lượng phân bố một cách đều đặn, và toàn bộ không gian đang giãn nở theo thời gian.

Chính quá trình giãn nở này chính là yếu tố đóng vai trò như một chiếc đồng hồ vũ trụ.

Khi vũ trụ giãn nở, khoảng cách giữa các thiên hà ngày càng xa nhau. Đồng thời, mật độ vật chất giảm dần và nhiệt độ trung bình của vũ trụ cũng giảm theo.

Điều này có nghĩa là vũ trụ trong quá khứ đã từng nhỏ hơn, dày đặc hơn và nóng hơn so với hiện tại. Ngược lại, trong tương lai, vũ trụ sẽ tiếp tục giãn nở, trở nên loãng hơn và lạnh hơn.

Những thay đổi này tạo ra một chuỗi lịch sử chung mà mọi nền văn minh trong vũ trụ, nếu có khả năng quan sát đủ tốt, đều có thể nhận diện.

Dù ở bất kỳ thiên hà nào, các nhà thiên văn học đều có thể đo tốc độ giãn nở của vũ trụ, tính toán sự thay đổi mật độ vật chất và nhiệt độ theo thời gian, từ đó suy luận được khoảng thời gian đã trôi qua kể từ khi vũ trụ bắt đầu giãn nở.

Chính nhờ vào quá trình này, các nhà khoa học có thể xây dựng một thang thời gian chung cho toàn bộ lịch sử vũ trụ.

Nói cách khác, mặc dù thuyết tương đối cho phép mỗi người quan sát có phương pháp đo thời gian riêng, nhưng sự giãn nở của vũ trụ lại tạo ra một mốc thời gian chung cho tất cả chúng ta.

Nhờ vào điều này, các nhà vũ trụ học có thể ước tính tuổi của vũ trụ với độ chính xác ngày càng cao.

Con số 13,77 tỷ năm không phải là một con số ngẫu nhiên. Đây là kết quả của nhiều thập kỷ quan sát thiên văn, mô hình toán học và sự kiểm chứng từ các dữ liệu vũ trụ học hiện đại.

Tuy nhiên, câu chuyện về tuổi của vũ trụ vẫn chưa hoàn toàn kết thúc. Trong những năm gần đây, một số quan sát mới đã đặt ra những câu hỏi thú vị về việc liệu vũ trụ có thể già hơn so với ước tính hiện tại hay không.

Những thách thức này đang khiến các nhà khoa học phải liên tục xem xét lại các phương pháp đo lường và các mô hình vũ trụ học mà họ đang sử dụng.

Chính những cuộc tranh luận khoa học này sẽ giúp loài người ngày càng hiểu sâu hơn về lịch sử vũ trụ mà chúng ta đang sinh sống.