Mục lục
1. Trung tâm của vũ trụ ở đâu?
Giống như hầu hết các câu hỏi về vũ trụ, thật khó để tưởng tượng rằng vũ trụ có thể giãn nở ra mọi hướng mà lại không có trung tâm. Một cách để mường tượng những gì đang diễn ra là hãy giả định rằng ba chiều của không gian bị nén lại thành bề mặt hai chiều của một quả bóng xẹp, với các đồng xu đính trên bề mặt tượng trưng cho các thiên hà.
Hãy tưởng tượng bạn đang ngồi trên một trong những đồng tiền đó khi quả bóng được bơm căng lên. Nhìn ra xung quanh, các đồng tiền khác trông như đang ban rời xa bạn; có vẻ giống như bạn đang ở trung tâm của sự giãn nở nhưng rõ ràng là không phải như vậy. Bất kể bạn đang ngồi lên đồng tiền nào, bạn đều thấy tất cả những đồng tiền khác đang rời xa bạn. Bất kể bạn di chuyển đến vị trí nào trên bề mặt quả bóng, bạn cũng sẽ không bao giờ tìm được “trung tâm” của sự giãn nở, bởi vì nó không tồn tại: Mỗi nơi đều đang rời xa những nơi khác.
Đây là điều tương tự đang xảy ra với vũ trụ thật, ngoại trừ là trong vũ trụ mọi việc xảy ra ở thêm một chiều nữa, model và điều này gần như là không thể nhìn thấy được.
2. Vũ trụ đang giãn nở ra thành cái gì?
Có lẽ khái niệm khó nắm bắt nhất trong ngành vũ trụ học chính là định nghĩa về vũ trụ như là một tổng thể của mọi thứ: Không chỉ vật chất mà còn cả không gian và thời gian. Con người rất khéo trong việc lý giải các hiện tượng hằng ngày, những gì xảy ra trong phạm vi không gian và thời gian, và tất cả các lời phát biểu về vũ trụ đều bao gồm cả phạm vi này. Do đó, trong khả năng nhận thức của con người, câu hỏi “Vũ trụ đang giãn nở thành cái gì?” khá vô nghĩa. Một phép loại suy sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn vấn đề.
Hãy tưởng tượng hai sinh vật hai chiều (2D) đang bò trên bề mặt của một quả bóng đang giãn nở. Mặc dù có thể rằng quả bóng đang tăng kích thước (vì chúng đang ngày càng xa nhau hơn), nhưng tính chất hai chiều của chúng hoàn toàn ngăn cản chúng nhận biết được quả bóng đang giãn thành cái gì.
Con người, mặt khác, nhờ hiệu quả của tính chất ba chiều của mình nên có thể thấy được quả bóng đó đang giãn ra trong chiều thứ ba. Tương tự cho trường hợp của vũ trụ, chỉ có một sinh vật nhiều chiều hơn mới hiểu được câu hỏi vũ trụ đang giãn nở thành cái gì. Chỉ là con người như chúng ta thì đành phải hài lòng với việc hiểu theo khái niệm toán học thôi.
3. Có bao nhiêu nguyên tử trong vũ trụ?
Các nhà vật lý rất tự hào rằng họ có thể ước lượng thô tất cả mọi thứ, ngay cả số lượng nguyên tử trong vũ trụ. Nói cho thật chính xác thì là ước lượng số nguyên tử trong phần vũ trụ nhìn thấy được; đại khái là chỉ ở mức mà tốc độ giãn nở của vũ trụ bằng với tốc độ ánh sáng, vì chúng ta sẽ không bao giờ biết được cái gì đang nằm bên ngoài đó. Khi đó thì việc ước lượng số nguyên tử trong vũ trụ sẽ trở thành việc ước lượng tổng khối lượng của các nguyên tử trong khối cầu vũ trụ này rồi chia cho khối lượng của một nguyên tử điển hình nhất.
Thật sự rất đơn giản: Các ước lượng tốt nhất cho những số lượng khác nhau được yêu cầu có được từ các kết quả của tàu thăm dò WMAP của NASA, được phóng vào tháng 2 năm 2003. Nó cho thấy rằng bán kính của phần vũ trụ thấy được là 13,7 tỉ năm ánh sáng và vũ trụ chỉ chứa trung bình 5 nguyên tử trên mỗi mét khối không gian. Do đó, có khoảng 21.078 nguyên tử trong phần vũ trụ thấy được.
4. Ta có biết được hình dạng thật sự của nguyên tử và phân tử trông như thế nào không?
Đáng ngạc nhiên là, ngay cả sự tồn tại rất hiển nhiên của nguyên tử vẫn còn là một vấn đề nóng hổi và gây tranh cãi rất nhiều cho đến đầu thế kỷ XX. Nhiều nhà khoa học hàng đầu đề cập đến nguyên tử như là một phép ẩn dụ để giúp ta vẽ nên bức tranh tinh thần khi đang cố tìm hiểu các tính chất của vật chất.
Bởi vì ta không có một cơ hội nào để thật sự nhìn thấy những thứ này (ngay cả ngày nay trong bất cứ trường hợp nào), những người theo chủ nghĩa logic thực chứng đã thay đổi suy nghĩ và cho rằng nguyên tử là không tồn tại.
Chúng ta biết rằng nhà khoa học tự nhiên Robert Brown đã vô tình nhìn thấy bằng chứng gián tiếp cho sự tồn tại của nguyên tử từ năm 1827, do sự dao động ngẫu nhiên của các hạt vật chất bên trong các hạt phấn hoa.
“Chuyển động Brown” là kết quả của việc các nguyên tử không nhìn thấy được va vào các hạt vật chất lớn hơn nhiều, làm cho chúng nhảy qua lại một cách ngẫu nhiên (đây là cách mà nó được mô tả lần đầu tiên cách đây một thế kỷ bởi một nhân viên cấp bằng sáng chế trẻ ở Thụy Sĩ, Albert Einstein).
Việc phát minh ra kính hiển vi điện tử vào những năm 1930 đã cho phép chụp hình nguyên tử nhưng những đốm mờ được nhìn thấy trong các tấm ảnh đó thì không trông giống như mọi người tưởng tượng. Một nguyên tử trông như một hình ảnh thu nhỏ của Hệ Mặt Trời, với một nhóm hạt ở trung tâm và các electron đang bay xung quanh giống như các hành tinh tí hon.
Thuyết lượng tử cho ta biết rằng nguyên tử không phải là một thực thể rắn chắc cụ thể và rằng tất cả các tưởng tượng trong trí óc mà chúng ta có đều khác với n h с é u thực tại. Thay vì thế, các nhà khoa học đã buộc phải mô tả nguyên tử theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào tình huống. Không có cách nào là đúng, tốt nhất thì chúng t cũng chỉ mô tả được một vài mặt nhỏ của nguyên tử thật. Nhưng sự tồn tại của các nguyên tử - bất chấp chúng trông như thế nào - là điều không ai có thể chối bỏ.
5. Tại sao vật chất có vẻ đặc rắn trong khi nguyên tử hầu như là không gian rỗng?
Đây là một trong những câu hỏi đơn giản nhưng lại có một câu trả lời sâu sắc đến kinh ngạc. Vẻ rắn chắc bên ngoài của mọi thứ xung quanh chúng ta thì khá phức tạp. Hãy xem xét: Nguyên tử bao gồm một đám mây electron khá mong manh xoay xung quanh một hạt nhân mà chỉ chiếm 1/50.000 chiều ngang của cả nguyên tử. Nói cách khác, vẻ rắn chắc của mặt đất dưới chân chúng ta chính là một vật chất chứa đựng hàng triệu triệu những nguyên tử vốn là những không gian rỗng.
Điều thú vị hơn nữa là lực hấp dẫn giữa các nguyên tử tạo nên mặt đất đã có thể khiến mọi vật sụp đổ trong nháy mắt. Việc chúng ta có ở đây và suy nghĩ câu hỏi này chứng tỏ tự nhiên đã có cách nào đó để ngăn điều này xảy ra.
Câu trả lời cho vấn đề hóc búa này không được tìm ra cho đến tận năm 1960, khi nhà học thuyết Freeman Dyson chứng minh rằng nếu các nguyên tử bị dồn quá chặt vào nhau, các đám mây electron của chúng sẽ bắt đầu tương tác với nhau tạo ra một lực đẩy. Có một điểm mà “áp lực đẩy lui” này cân bằng chính xác với lực hấp dẫn giữa các nguyên tử và vật chất trở nên đặc chắc.
Các ước lượng cường độ của hai hiệu ứng này cho rằng điểm cân bằng đó sẽ xuất hiện khi chất rắn dày đặc hơn vài lần so với nước - đúng như những gì ta đang thấy.