Vũ trụ có hình dạng như thế nào? Bạn có tự tin rằng mình hiểu rõ hơn những người thuộc hội Trái Đất phẳng không?

Dù Trái Đất có hình cầu, nhưng điều trớ trêu là vũ trụ lại có thể phẳng.

Có lẽ bạn đã nghe về Hội Trái Đất phẳng, một nhóm người thực sự tồn tại, những người dù sống ở thế kỷ 21 vẫn tin rằng mình đang sống trên một mặt phẳng hai chiều giống như tấm bản đồ.

Những thành viên này tin rằng Trái Đất giống như một chiếc đĩa, với Bắc Cực nằm ở trung tâm và một bức tường băng cao 46 mét đóng vai trò là Nam Cực bao quanh rìa ngoài, ngăn nước biển và tàu thuyền không rơi khỏi chiếc đĩa.

Một cuộc khảo sát tại Mỹ cho thấy 10% dân số nước này, tương đương hơn 34 triệu người, tin rằng Trái Đất phẳng. Tỷ lệ này là 3% ở Anh và 7% ở Brazil.

Điều đáng buồn cười là những người tin vào Trái Đất phẳng luôn bác bỏ mọi bằng chứng khoa học chứng minh Trái Đất hình cầu, như ảnh vệ tinh hay video từ vũ trụ. Họ cho rằng tất cả đều là sản phẩm giả mạo do NASA tạo ra để che giấu sự thật.

Những quan điểm ngây thơ này đạt đến đỉnh điểm khi Hội Trái Đất phẳng thành lập một trung tâm nghiên cứu riêng để "sáng tạo" ra các lý thuyết nhằm củng cố niềm tin của họ.

Một lần, họ đã sử dụng tia laser chiếu qua khoảng cách vài km trên mặt biển nhằm chứng minh Trái Đất phẳng, nhưng kết quả lại cho thấy tia laser tạo với mặt nước một góc lệch vài độ, điều này chứng minh ngược lại với điều họ mong đợi.

Nếu bạn vẫn còn nghi ngờ, vào năm 2017 tại Tunisia, một luận án tiến sĩ với tiêu đề "Trái Đất phẳng, đứng yên, chỉ 100 tuổi và là trung tâm của vũ trụ" đã được thực hiện. Những người này không chỉ đơn thuần là "gây cười", họ còn không ngừng lan truyền các thuyết âm mưu và niềm tin sai lệch về khoa học đến công chúng.

Tuy nhiên, trong khi chúng ta thường chế giễu những người tin rằng Trái Đất phẳng, đã bao giờ bạn đi xa hơn một bước và tự hỏi nếu Trái Đất hình cầu thì vũ trụ sẽ có hình dạng gì chưa?

Với trực giác và kiến thức của mình, liệu bạn có thể đưa ra một câu trả lời chắc chắn về hình dạng của vũ trụ, hơn những người tin rằng Trái Đất phẳng?

Bạn có tin rằng vũ trụ có hình cầu? Hay hình hộp, hoặc hình đĩa?

Trực giác về không gian 2D và 3D

Khi quan sát môi trường xung quanh, bạn có cảm giác như mình đang sống trên một mặt phẳng. Đây cũng là lý do bạn có thể định hướng bản thân, di chuyển theo các hướng đông, tây, nam, bắc trên bản đồ và khám phá mọi địa điểm xung quanh.

Trực giác này của con người là nền tảng cho các lý thuyết cho rằng Trái Đất có hình dạng phẳng như một chiếc đĩa. Tuy nhiên, thực tế là chúng ta đang sống trên một hình cầu khổng lồ, và trực giác của chúng ta bị đánh lừa rằng đó là một không gian hai chiều với bốn hướng rõ ràng.

Tương tự, nếu chúng ta sống trên một Trái Đất hình bánh doughnut hoặc một dải Mobius, điều này cũng có thể xảy ra. Hãy lấy một dải giấy dài, xoắn nó nửa vòng và dán hai đầu lại, bạn sẽ tạo ra một mặt phẳng vô hạn mà một sinh vật hai chiều có thể tồn tại.

Tiến thêm một bước nữa, vì loài người là sinh vật ba chiều, chúng ta sống trên một hành tinh ba chiều, nhưng vũ trụ ba chiều sẽ trông như thế nào? Hình dạng của nó vẫn là một câu hỏi gây tranh cãi.

Khi các nhà khoa học nhìn lên bầu trời, phóng các vệ tinh vào không gian sâu thẳm và đo lường ánh sáng từ những ngôi sao xa xôi, họ nhận thấy vũ trụ dường như là một hình cầu mở rộng ra mọi hướng từ điểm quan sát.

Tầm nhìn này hiện trải dài trên khoảng cách 93 tỷ năm ánh sáng, được gọi là vũ trụ quan sát được. Nó cho thấy hình dạng cục bộ của vũ trụ.

Nếu bạn mua một tấm bản đồ vũ trụ như vậy, bạn sẽ thấy nó dường như cũng có hình cầu giống như Trái Đất.

Theo lý thuyết phổ biến, vũ trụ bắt đầu từ vụ nổ Big Bang và sau đó không ngừng mở rộng ra mọi hướng, điều này ủng hộ giả thuyết vũ trụ có hình cầu. Thuyết tương đối rộng cũng chỉ ra rằng không gian có thể bị uốn cong, khiến hình dạng cầu của vũ trụ trở nên khả thi.

Nếu mật độ vũ trụ đủ lớn để lực hấp dẫn vượt qua lực giãn nở, vũ trụ sẽ tự cuộn lại thành một hình cầu.

Các nhà khoa học gọi đây là mô hình vũ trụ đóng, với độ cong dương. Nếu đúng như vậy, chúng ta đang sống trên một hình cầu là Trái Đất, nằm trên bề mặt của một hình cầu khác chính là toàn bộ vũ trụ.

Nhưng vũ trụ cũng có thể phẳng, và dường như điều này là sự thật

Điều thú vị là cả toán học, Thuyết tương đối rộng của Einstein và các quan sát thực tế cho đến nay đều ủng hộ giả thuyết vũ trụ phẳng hơn là hình cầu.

Thuyết tương đối rộng giải thích rằng khối lượng và năng lượng làm cong không-thời gian. Độ cong của vũ trụ được xác định thông qua một giá trị gọi là tham số mật độ, hay Omega (Ω).

Tham số mật độ là tỷ lệ giữa mật độ trung bình của vũ trụ và mật độ năng lượng tới hạn, tức là năng lượng cần thiết để vũ trụ trở nên phẳng.

Nói cách khác, nếu Ω = 1, vũ trụ sẽ phẳng. Nếu Ω > 1, nó sẽ có độ cong dương giống như một mặt cầu lồi. Nếu Ω < 1, vũ trụ sẽ có độ cong âm và lõm như một mặt chảo.

Các nhà khoa học có thể tính toán Ω thông qua thực nghiệm bằng hai cách. Một là đếm toàn bộ khối lượng và năng lượng trong vũ trụ, tính mật độ trung bình, sau đó chia giá trị này cho mật độ năng lượng tới hạn.

Theo cách này, họ đã tính được Ω của vũ trụ bằng 1, điều này cho thấy vũ trụ phẳng về mặt không gian.

Một cách khác để đo Ω là sử dụng hình học, bằng cách đo một góc trong vũ trụ quan sát được. Các nhà khoa học đã sử dụng bức xạ nền vi sóng, một luồng photon ổn định từ vụ nổ Big Bang chiếu đến từ mọi hướng, để thực hiện điều này.

Cả ba nhóm nghiên cứu từ dự án Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) của NASA, đài quan sát Planck của ESA và Thí nghiệm BOOMERanG với trạm đo bức xạ nền vi sóng từ khinh khí cầu đều kết luận rằng vũ trụ không có độ cong, nghĩa là nó phẳng.

Điều thú vị về một vũ trụ phẳng là khi bạn phóng hai tia sáng, hai sóng điện từ hoặc hai tàu vũ trụ vào không gian, chúng sẽ bay song song mãi mãi mà không bao giờ gặp nhau.

Ngược lại với một vũ trụ hình cầu có độ cong dương, hai tên lửa sẽ bay phân kỳ, di chuyển dọc theo độ cong của không gian và cuối cùng quay trở lại điểm xuất phát.

Trong một vũ trụ có độ cong âm và lõm như lòng chảo, hai tên lửa khi được phóng lên sẽ tách ra và không bao giờ quay trở lại.

Các giả thuyết khác về hình dạng vũ trụ

Mặc dù hầu hết các bằng chứng quan sát hiện tại đều ủng hộ giả thuyết vũ trụ phẳng, một số nhà khoa học cho rằng điều này là do vũ trụ, với đường kính 94 tỷ năm ánh sáng mà chúng ta quan sát được, vẫn còn quá nhỏ để lộ ra độ cong thực sự của nó.

Điều này tương tự như việc một người chỉ nhìn thấy mảnh đất nhỏ của mình trong một ngày sương mù mà không thể nhận ra đường chân trời thực chất hơi cong trong một ngày nắng.

Do đó, các nhà khoa học đang cố gắng đưa ra các lý thuyết khác về hình dạng vũ trụ thông qua toán học, đặc biệt là lĩnh vực hình học topo.

Hình học topo, hay còn gọi là topo học, là một nhánh của toán học nghiên cứu sự bảo toàn các đặc tính của không gian hình học khi nó bị uốn cong, kéo dãn hoặc biến dạng, miễn là không tạo ra lỗ hổng hoặc để nó xuyên qua chính nó.

Hãy tưởng tượng bạn có một cục đất sét, bạn có thể nặn nó thành nhiều hình dạng khác nhau—như quả bóng, cái cốc, hay chiếc bánh doughnut—nhưng miễn là bạn không tạo thêm lỗ, thì về mặt topo học, chúng vẫn giữ nguyên các đặc điểm cơ bản.

Ví dụ, một quả bóng và một cái bát được coi là giống nhau trong topo học vì bạn có thể biến đổi chúng mà không cần tạo thêm lỗ. Một cái bát đất sét có thể được vo tròn thành quả bóng, nhưng nó không thể trở thành chiếc bánh doughnut nếu bạn không đục lỗ.

Tương tự, một chiếc bánh doughnut không thể biến thành quả bóng nếu bạn không lấp lỗ của nó. Tuy nhiên, bánh doughnut có thể được biến đổi thành một cái cốc có quai, với một lỗ duy nhất. Do đó, trong topo học, bánh doughnut và cái cốc được xem là cùng một hình dạng.

Các nhà khoa học sử dụng lý thuyết toán học topo để nghiên cứu hình dạng vũ trụ, vì nó giúp họ trả lời câu hỏi về việc vũ trụ có thể phẳng hay cong, khép kín hay vô hạn, xoắn ốc hay có nhiều lỗ.

Thậm chí, topo học còn gợi ý rằng một không gian có thể tồn tại bên trong một không gian khác, nghĩa là vũ trụ của chúng ta có thể nằm trong một vũ trụ lớn hơn.

Ví dụ, nếu bạn cầm một vòng dây thắt nút, chúng ta có một không gian một chiều (vòng dây) bên trong không gian ba chiều (căn phòng của bạn). Những vòng như vậy được gọi là nút toán học.

Sử dụng các nút toán học này, các nhà khoa học đã đề xuất nhiều giả thuyết về hình dạng vũ trụ, từ hình phẳng như tờ giấy, hình cầu như Trái Đất, đến hình hyperbolic như yên ngựa với độ cong âm, hình torus như bánh doughnut, hay thậm chí hình đa liên thông như một miếng phô mai với vô số lỗ hổng.

Một sự thật đáng kinh ngạc khác là ngay cả với giả thuyết vũ trụ phẳng, toán học topo có thể đề xuất tới 17 hình dạng khả thi, từ một mặt phẳng đơn giản đến dải băng Mobius và nhiều hình dạng kỳ lạ khác.

Do đó, câu trả lời cuối cùng về hình dạng của vũ trụ thực sự phức tạp hơn chúng ta nghĩ. Hiện tại, phần lớn các nhà khoa học đã quan sát và kết luận rằng vũ trụ của chúng ta là phẳng.

Nhưng liệu điều này có giống như cách con người, chỉ vài thế kỷ trước, vẫn tin rằng Trái Đất phẳng? Nếu vậy, các thế hệ tương lai có thể sẽ cười nhạo chúng ta như những thành viên của Hội Vũ trụ phẳng, khi họ khám phá ra các lý thuyết mới chứng minh vũ trụ có hình dạng khác.

Vì vậy, giống như núi cao còn có núi cao hơn, bên ngoài Trái Đất vẫn còn cả vũ trụ bao la, chúng ta nên khiêm tốn với kiến thức của mình, ngay cả khi đối diện với những người thuộc Hội Trái Đất phẳng.