Thuyết tương đối không cho chúng ta một chiếc đồng hồ chung cho toàn vũ trụ, vậy mà các nhà vũ trụ học lại nói rằng vũ trụ đã khoảng 13,8 tỷ năm tuổi. Câu trả lời nằm ở thời gian vũ trụ: một cách đo thời gian tự nhiên do chính sự giãn nở của vũ trụ tạo nên.
Thuyết tương đối đã loại bỏ chiếc đồng hồ chủ.
Trước Einstein, người ta dễ hình dung thời gian như một dòng chảy vô hình, trôi đều khắp vũ trụ. Đồng hồ có thể chạy sai, con người có thể quên mất giờ giấc, tàu hỏa có thể không tuân thủ lịch trình, nhưng bên dưới những trục trặc cục bộ ấy, người ta vẫn cho rằng tồn tại một thời gian duy nhất và đúng tuyệt đối. Nếu hai sự kiện xảy ra đồng thời, chúng sẽ đồng thời đối với tất cả mọi người.
Thuyết tương đối cho chúng ta biết điều ngược lại. Những người quan sát chuyển động tương đối với nhau có thể không đồng ý về việc các sự kiện ở xa nào đã xảy ra cùng lúc. Các đồng hồ đi theo những quỹ đạo khác nhau trong không-thời gian có thể ghi nhận những khoảng thời gian khác nhau. Trọng lực làm thay đổi tốc độ trôi của đồng hồ. Không có chiếc đồng hồ nào được treo đâu đó bên ngoài vũ trụ, an toàn đứng ngoài mọi diễn biến, để hiển thị giờ vũ trụ chính xác.
Thế rồi các nhà vũ trụ học lại nói rằng vũ trụ đã khoảng 13,8 tỷ năm tuổi.
Nghe như thể chiếc đồng hồ chủ đã được lén đưa trở lại tòa nhà.
13,8 tỷ năm ấy là thời gian của ai? Của một chiếc đồng hồ trên Trái Đất? Một chiếc đồng hồ trôi giữa các thiên hà? Hay một chiếc đồng hồ chuyển động gần bằng tốc độ ánh sáng? Không tồn tại một hệ quy chiếu quán tính cho toàn bộ vũ trụ đang giãn nở, vậy tuổi của vũ trụ đúng theo nghĩa nào?
Câu trả lời ngắn gọn là tuổi của vũ trụ không phải là số chỉ trên đồng hồ của một người quan sát bất kỳ. Đó là một khoảng thời gian vũ trụ: thời gian riêng mà một họ người quan sát lý tưởng đo được khi chuyển động cùng với sự giãn nở trung bình của vũ trụ.
Câu trả lời ấy cần được giải thích thêm, bởi “một họ người quan sát lý tưởng” chính là kiểu cụm từ có thể khiến một câu hỏi đơn giản bỗng có cảm giác như vừa bị áp giải vào một cơ quan hành chính.
Đôi khi người ta nói rằng thuyết tương đối đã chứng minh thời gian không có thật hoặc không phải là thứ nền tảng. Bản thân thuyết tương đối không đi xa đến vậy. Điều nó loại bỏ là một thời gian phổ quát duy nhất mà mọi người quan sát đều phải dùng chung.
Giả sử hai người du hành xuất phát từ cùng một sự kiện, đi theo hai lộ trình khác nhau trong không-thời gian rồi gặp lại nhau. Đồng hồ của họ không nhất thiết phải cho thấy cùng một khoảng thời gian đã trôi qua. Một người có thể đã di chuyển rất nhanh; người kia có thể đã ở lâu hơn trong một trường hấp dẫn mạnh. Không chiếc đồng hồ nào bị hỏng. Mỗi chiếc đã đo thời gian dọc theo quỹ đạo riêng của mình.
Khoảng thời gian phụ thuộc vào quỹ đạo này được gọi là thời gian riêng. Đây không chỉ là vấn đề góc nhìn theo nghĩa thông thường, như thể hai người du hành có thể giải quyết bất đồng bằng cách ngồi lại nói chuyện. Thời gian riêng là thời gian mà một chiếc đồng hồ thật sự ghi nhận dọc theo một đường thế giới cụ thể. Bất kỳ ai thực hiện phép tính đúng cũng sẽ đồng ý về con số mà chiếc đồng hồ ấy đã ghi.
Vì vậy, thuyết tương đối cho chúng ta một điều thú vị hơn câu “thời gian mang tính chủ quan”:
Không tồn tại một khoảng thời gian duy nhất đã trôi qua giữa các sự kiện cách xa nhau, cho đến khi ta xác định quỹ đạo hoặc quy tắc dùng để so sánh những chiếc đồng hồ ở xa.
Đối với một phi hành gia đơn độc, quỹ đạo ấy là đường thế giới của người đó. Đối với toàn bộ vũ trụ, các nhà vũ trụ học cần một quy tắc hợp lý để so sánh những chiếc đồng hồ nằm cách nhau hàng tỷ năm ánh sáng.
May mắn thay, chính vũ trụ chứa một manh mối về cách thực hiện điều đó.
Các định luật của thuyết tương đối không chọn ra một trạng thái chuyển động ưu tiên. Nhưng những gì tồn tại trong một vũ trụ cụ thể thì có thể làm điều đó.
Chẳng hạn, không có hướng ưu tiên nào được quy định trong các định luật cơ học. Tuy vậy, nếu bạn nhảy xuống một dòng sông, nước vẫn chảy theo một hướng xác định. Bạn có thể đo chuyển động của mình so với dòng nước. Dòng sông không hủy bỏ thuyết tương đối; nó chỉ cung cấp một môi trường vật chất để ta mô tả chuyển động trong tương quan với nó.
Trên quy mô cực kỳ lớn, vũ trụ của chúng ta có sẵn vật chất làm mốc tham chiếu. Trung bình mà nói, các thiên hà tham gia vào sự giãn nở của vũ trụ. Quan trọng hơn nữa, không gian tràn ngập bức xạ nền vi sóng vũ trụ, hay CMB: bức xạ cổ xưa được giải phóng khi vũ trụ trở nên trong suốt, khoảng 380.000 năm sau giai đoạn nóng sơ khai. Ngày nay, nó truyền đến chúng ta từ mọi hướng với nhiệt độ khoảng 2,7 kelvin. Bài tổng quan của ESA về CMB giải thích cách bức xạ này lưu giữ thông tin về trạng thái của vũ trụ thuở ban đầu.
Nếu bạn chuyển động tương đối với phông bức xạ này, nó sẽ có vẻ nóng hơn một chút theo hướng bạn đang đi và lạnh hơn một chút ở phía sau. Khi loại bỏ mẫu lưỡng cực ấy, bạn xác định được hệ quy chiếu cục bộ mà trong đó CMB có nhiệt độ trung bình như nhau theo mọi hướng.
Hệ Mặt Trời của chúng ta không đứng yên trong hệ quy chiếu đó. Các phép đo lưỡng cực CMB cho thấy nó đang chuyển động với tốc độ khoảng 369 kilômét mỗi giây so với phông nền vũ trụ. Con số ấy nghe có vẻ ghê gớm, cho đến khi nhớ rằng ánh sáng di chuyển gần 300.000 kilômét mỗi giây. Xét trên quy mô vũ trụ, chúng ta chỉ đang ngọ nguậy trên ghế mà thôi.
Hệ quy chiếu CMB không được các định luật vật lý ưu tiên. Một thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm chuyển động đều vẫn tuân theo những định luật cục bộ như trước. Tuy nhiên, hệ quy chiếu CMB nổi bật nhờ sự phân bố thực tế của vật chất và bức xạ trong vũ trụ của chúng ta. Đây là hệ quy chiếu mà trong đó vật chất vũ trụ trên quy mô lớn gần như đứng yên nhất.
Bây giờ, hãy hình dung những người quan sát phân bố khắp vũ trụ. Mỗi người đứng yên so với vật chất vũ trụ trung bình ở khu vực lân cận. Họ không tự dùng động lực để bay xuyên qua vật chất đang giãn nở; họ được dòng chảy quy mô lớn mang theo.
Các nhà vũ trụ học gọi họ là những người quan sát đồng chuyển động.
Khi không gian giãn nở, khoảng cách vật lý giữa những người quan sát đồng chuyển động nằm xa nhau tăng lên, nhưng tọa độ của họ trên bản đồ vũ trụ vẫn cố định. Họ giống như những hạt nho khô trong khối bột đang nở — miễn là ta tha thứ cho khối bột vì nó có mặt ngoài, có lò nướng và nhìn chung hơi quá tự tin vào tư cách mô hình vũ trụ của mình.
Mỗi người quan sát đồng chuyển động mang theo một chiếc đồng hồ. Trong một vũ trụ lý tưởng, hoàn toàn đồng nhất và đẳng hướng, tất cả họ đều đồng ý về trạng thái quy mô lớn của vũ trụ xung quanh:
Những điều kiện vật lý chung này cho phép đồng bộ hóa đồng hồ của họ. Một thời điểm vũ trụ cụ thể không có nghĩa là “bất cứ giờ nào mà một chiếc đồng hồ trên Trái Đất tình cờ chỉ”. Nó có nghĩa là “kỷ nguyên mà vũ trụ có mật độ, nhiệt độ và mức độ giãn nở trên quy mô lớn như thế này”.
Thời gian riêng được ghi nhận bởi họ đồng hồ đồng chuyển động ấy được gọi là thời gian vũ trụ.
Vẫn không tồn tại một hệ quy chiếu quán tính toàn cục. Một không-thời gian cong và đang giãn nở không thể được mô tả toàn cục như thể nó là một phòng thí nghiệm khổng lồ tuân theo thuyết tương đối hẹp. Mỗi người quan sát đồng chuyển động chỉ có một hệ quy chiếu cục bộ. Nhưng cấu trúc quy mô lớn có tính quy luật của vũ trụ cho phép các nhà vũ trụ học kết nối những hệ quy chiếu cục bộ ấy thành một mô tả toàn cục tự nhiên.
Vũ trụ không cho chúng ta một chiếc đồng hồ chủ. Nó cho chúng ta một cách tổ chức nhiều chiếc đồng hồ.
Hình học được sử dụng trong vũ trụ học tiêu chuẩn được mô tả bằng mêtric Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker, hay mêtric FLRW. Ở dạng thu gọn, một phần của nó có thể được viết như sau:
$$ ds^2 = -c^2 dt^2 + a^2(t)d\Sigma^2. $$
Các ký hiệu trông đáng ngại hơn ý tưởng đằng sau chúng.
Theo quy ước, các nhà vũ trụ học thường đặt $a=1$ ở thời điểm hiện tại. Trong lịch sử vũ trụ trước đó, $a$ nhỏ hơn. Nếu hệ số tỉ lệ bằng $1/2$ ở một kỷ nguyên trước đây, thì hai vị trí đồng chuyển động đủ xa nhau khi ấy chỉ cách nhau bằng một nửa khoảng cách hiện nay, không tính đến những cấu trúc cục bộ được liên kết bởi trọng lực hoặc các lực khác.
Đối với một người quan sát đồng chuyển động, các tọa độ không gian không thay đổi. Điều đó có nghĩa là:
$$ d\Sigma = 0. $$
Do đó, mêtric dọc theo quỹ đạo của người quan sát ấy trở thành:
$$ ds^2 = -c^2dt^2. $$
Dọc theo đường thế giới của một chiếc đồng hồ, khoảng này cũng liên hệ với thời gian riêng $d\tau$ mà đồng hồ ghi nhận theo công thức:
$$ ds^2 = -c^2d\tau^2. $$
So sánh hai biểu thức, ta có:
$$ d\tau = dt. $$
Đây là cốt lõi toán học của ý tưởng: đối với một người quan sát đồng chuyển động lý tưởng, thời gian vũ trụ chính là thời gian riêng. Tọa độ $t$ không được chọn chỉ vì nó khiến các phương trình trông đẹp mắt. Nó tương ứng với đại lượng mà họ đồng hồ ấy thực sự sẽ đo được.
Biết thời gian vũ trụ có nghĩa là gì vẫn chưa cho chúng ta biết giá trị hiện tại của nó. Ta còn phải dựng lại xem sự giãn nở đã diễn ra trong bao lâu.
Đại lượng then chốt là tham số Hubble, ký hiệu $H(t)$. Nó đo tốc độ biến thiên tương đối của hệ số tỉ lệ:
$$ H(t)=\frac{\dot a(t)}{a(t)}. $$
Dấu chấm phía trên $a$ có nghĩa là “$a$ đang thay đổi nhanh đến mức nào theo thời gian”. Chia cho $a$ sẽ biến mức thay đổi đó thành một tốc độ tương đối. Điều này giống như sự khác biệt giữa “khoản đầu tư của tôi tăng 50 đô la” và “khoản đầu tư của tôi tăng năm phần trăm”. Câu thứ hai cho biết mức tăng so với giá trị vốn có.
Vì:
$$ \dot a = \frac{da}{dt}, $$
ta có thể viết lại định nghĩa của $H$ thành:
$$ H(a)=\frac{1}{a}\frac{da}{dt}. $$
Bây giờ, giải phương trình theo khoảng thời gian vũ trụ nhỏ $dt$:
$$ dt=\frac{da}{aH(a)}. $$
Phương trình này cho biết rằng nếu biết hệ số tỉ lệ và tốc độ giãn nở tại một giai đoạn cụ thể trong lịch sử vũ trụ, ta có thể xác định vũ trụ đã mất bao nhiêu thời gian để đi qua một khoảng nhỏ $da$.
Để tìm tổng tuổi, ta cộng tất cả những khoảng nhỏ ấy — từ giới hạn của vũ trụ sơ khai nóng bỏng, nơi hệ số tỉ lệ tiến gần đến không, cho đến hiện tại, nơi ta quy ước nó bằng một:
$$ t_0=\int_0^1 \frac{da}{aH(a)}. $$
Dấu tích phân có nghĩa là “cộng một cách liên tục”. Về mặt ý tưởng, nó thực hiện cùng một công việc như cộng thời gian của từng chặng trong một hành trình, chỉ khác là các chặng đã được chia nhỏ đến mức vô cùng bé.
Vì vậy, tuổi của vũ trụ không được tính bằng cách lấy tốc độ giãn nở ngày nay rồi đơn giản cho nó chạy ngược với tốc độ không đổi. Tốc độ giãn nở đã thay đổi theo thời gian. Bức xạ chi phối vũ trụ sơ khai, sau đó vật chất trở nên quan trọng hơn, còn năng lượng tối chi phối sự giãn nở trong thời kỳ gần đây. Mỗi thành phần ảnh hưởng đến $H(a)$ theo một cách khác nhau. Phép tích phân tính đến toàn bộ lịch sử biến đổi ấy.
Không có chiếc đồng hồ nào sống sót từ khoảnh khắc đầu tiên với thẻ bảo hành và viên pin còn nguyên vẹn. Các nhà vũ trụ học suy ra tuổi của vũ trụ bằng cách kết hợp quan sát với một mô hình mô tả quá trình tiến hóa của nó.
Nhiều loại bằng chứng khác nhau giúp ràng buộc các thành phần khác nhau của mô hình:
Những lựa chọn khác nhau về thành phần của vũ trụ tạo ra các hàm $H(a)$ khác nhau và vì thế cũng cho những độ tuổi khác nhau. Các nhà thiên văn điều chỉnh tham số của mô hình cho đến khi mẫu CMB, sự phân bố thiên hà, khoảng cách đến các siêu tân tinh và những quan sát khác mà mô hình dự đoán phù hợp với những gì kính thiên văn thực sự nhìn thấy.
Theo mô hình $\Lambda$CDM phẳng tiêu chuẩn — mô hình bao gồm vật chất thông thường, vật chất tối lạnh, bức xạ và năng lượng tối được biểu diễn bằng hằng số vũ trụ — kết quả là khoảng 13,8 tỷ năm. Phân tích vũ trụ học cuối cùng của nhóm hợp tác Planck cho thấy mô hình này khớp với dữ liệu ở mức chính xác đáng kinh ngạc. Bản tổng hợp các phép đo tuổi vũ trụ của NASA LAMBDA cũng nhấn mạnh rằng kết quả này là một giá trị suy luận chứ không phải phép đo trực tiếp, và con số chính xác còn phụ thuộc phần nào vào mô hình vũ trụ học.
Lưu ý cuối cùng ấy rất quan trọng. Câu “vũ trụ đã 13,8 tỷ năm tuổi” không có nghĩa là một nhà khoa học đã tìm thấy ngày sản xuất được đóng dấu bên dưới một thiên hà. Nó có nghĩa là mô hình tiêu chuẩn phù hợp nhất với dữ liệu cần khoảng 13,8 tỷ năm giãn nở vũ trụ để tạo nên vũ trụ mà chúng ta quan sát thấy.
Trong vũ trụ FLRW lý tưởng, câu trả lời là: tại mọi vị trí đồng chuyển động nằm trên cùng một lát cắt thời gian vũ trụ.
Hãy hình dung một nhà thiên văn ở xa, trong một thiên hà đang chuyển động theo dòng Hubble. Sau khi hiệu chỉnh chuyển động cục bộ và môi trường hấp dẫn của thiên hà, nhà thiên văn ấy sẽ suy ra cùng một mật độ quy mô lớn, nhiệt độ CMB, lịch sử giãn nở và tuổi hiện tại của vũ trụ như chúng ta.
Nhưng có một điểm cần lưu ý. Khi nhìn vào thiên hà ấy, chúng ta đang nhìn thấy ánh sáng cũ. Nếu ánh sáng của nó đã di chuyển trong mười tỷ năm, ta quan sát thiên hà ở một thời điểm vũ trụ sớm hơn rất nhiều. Ta có thể dùng mô hình vũ trụ học để nói về những gì đang xảy ra “ngay lúc này” tại vị trí của nó, nhưng chưa thể nhìn thấy trạng thái hiện tại đó.
Cái “bây giờ” xa xôi trong vũ trụ này không phải là cách phân chia duy nhất mà mọi hệ tọa độ khả dĩ đều bắt buộc phải tuân theo. Thuyết tương đối rộng cho phép nhiều cách khác nhau để chia không-thời gian thành không gian và thời gian. Cách chia theo FLRW đặc biệt ở chỗ nó bám theo các tính đối xứng quan sát được trên quy mô lớn và dòng chảy vật chất của vũ trụ. Nó biến “bây giờ” từ một lựa chọn tọa độ tùy ý thành một quy ước vũ trụ học tự nhiên về mặt vật lý.
Không-thời gian thực tế cũng không hoàn toàn trơn tru. Thiên hà, cụm thiên hà, vùng trống, hố đen và hành tinh tạo ra chuyển động cục bộ cùng hiện tượng giãn thời gian do hấp dẫn. Một chiếc đồng hồ gần hố đen sẽ không chạy theo thời gian vũ trụ. Một tàu vũ trụ chuyển động gần bằng tốc độ ánh sáng so với dòng Hubble cũng vậy.
Giả sử một tàu vũ trụ như thế rời khỏi một người quan sát đồng chuyển động, di chuyển với tốc độ cao rồi cuối cùng gặp một người quan sát đồng chuyển động khác. Tàu có thể ghi nhận một khoảng thời gian riêng ngắn hơn khoảng thời gian vũ trụ từ lúc khởi hành đến lúc đến nơi. Phi hành đoàn không phát hiện ra rằng vũ trụ trẻ hơn. Họ chỉ phát hiện rằng đường thế giới của mình trong không-thời gian khác với đường thế giới của những người quan sát kia.
Sự khác biệt trở nên đơn giản khi được phát biểu rõ ràng:
Đối với một người quan sát đồng chuyển động trong mô hình lý tưởng, hai đại lượng này trùng nhau. Đối với một người quan sát bất kỳ, chúng không nhất thiết phải trùng.
Bên dưới con số quen thuộc ấy vẫn còn một cánh cửa sập nữa.
Khi tính tuổi vũ trụ, các nhà vũ trụ học ngoại suy mô hình giãn nở tiêu chuẩn ngược về phía $a=0$. Trong thuyết tương đối rộng cổ điển, quá trình này dẫn đến kỳ dị Vụ Nổ Lớn. Nhưng một kỳ dị thường là dấu hiệu cảnh báo rằng lý thuyết đã bị đẩy vượt khỏi những điều kiện mà trong đó nó có thể đưa ra một mô tả vật lý hoàn chỉnh.
Chúng ta vẫn chưa có một lý thuyết hấp dẫn lượng tử được thực nghiệm xác nhận để mô tả giai đoạn sớm nhất có thể hình dung. Vì vậy, không nên tùy tiện biến con số 13,8 tỷ năm thành một khẳng định về sự khởi đầu tuyệt đối của thực tại, sự ra đời của thời gian từ hư vô, hay chuyện gì đã xảy ra trước khi từ “trước” kịp hoàn tất thủ tục hành chính.
Cách phát biểu thận trọng về mặt khoa học có phạm vi hẹp hơn:
Khoảng 13,8 tỷ năm thời gian vũ trụ đã trôi qua từ giới hạn vũ trụ sơ khai nóng và đậm đặc mà mô hình vũ trụ học được kiểm chứng tốt nhất của chúng ta mô tả, cho đến kỷ nguyên vũ trụ hiện tại.
Chỉ riêng điều đó đã là một khẳng định phi thường. Nó không cần phải làm thêm giờ cho siêu hình học.
Mâu thuẫn tưởng chừng xuất hiện vì ta hình dung chỉ có hai khả năng.
Hoặc vũ trụ sở hữu một chiếc đồng hồ chung duy nhất, và khi đó thuyết tương đối phải sai; hoặc mỗi người quan sát có một thời gian khác nhau, và khi đó tuổi của vũ trụ phải là một khái niệm vô nghĩa.
Tự nhiên đã chọn một cách sắp xếp thú vị hơn.
Không có chiếc đồng hồ nào bên ngoài vũ trụ, cũng không có người quan sát quán tính đặc quyền nào ngồi ở tổng hành dinh. Thay vào đó, những thành phần trên quy mô lớn của vũ trụ xác định một họ người quan sát đồng chuyển động. Thời gian riêng cục bộ của họ có thể được kết nối để tạo thành thời gian vũ trụ vì tất cả cùng chia sẻ một lịch sử giãn nở trung bình.
Tuổi của vũ trụ không chỉ có giá trị tại một vị trí đặc biệt, mà trên toàn bộ một kỷ nguyên vũ trụ học. Nó được ghi lại một cách gián tiếp trong quá trình nguội đi của phông nền vũ trụ, khoảng cách giữa các thiên hà, tàn dư của những sóng âm cổ xưa và những ngôi sao già nhất.
Thuyết tương đối quả thực đã loại bỏ chiếc đồng hồ chủ.
Nhưng hóa ra vũ trụ vẫn biết cách giữ thời gian mà không cần đến nó.
Facebook
Reddit
WhatsApp
Twitter
Commentaires
0 commentaires
Connectez-vous pour rejoindre la conversation.
Personne n'a encore répondu. Les commentaires apparaîtront ici lorsque la conversation commencera.