Tôi xin lỗi câu hỏi này có lẽ là ngớ ngẩn đối với các nhà thiên văn học chuyên nghiệp, trong đó tôi không phải là một.
Câu hỏi này không có nghĩa là ngớ ngẩn. Câu hỏi của bạn là một câu hỏi phổ biến về vũ trụ học (nghiên cứu về vũ trụ đến từ đâu, nó đang phát triển như thế nào và số phận của nó sẽ ra sao). Các phương tiện truyền thông thường tàn sát những khái niệm này một cách khủng khiếp, dẫn đến nhiều nhầm lẫn (trong số tất cả các thông tin khoa học, họ dường như có thời gian khó khăn nhất để báo cáo vũ trụ học một cách chính xác). Điều tra của bạn chắc chắn là một điều tốt.
Khi các nhà thiên văn học nói vũ trụ sơ khai là nhỏ, họ có đơn giản chỉ là "phần của vũ trụ tương ứng với vũ trụ quan sát được của chúng ta, là nhỏ" không?
Chà, họ thường nói đến toàn bộ Vũ trụ. Trong đoạn cuối cùng của tôi, tôi giải thích điều này ngụ ý gì cho vũ trụ quan sát được.
Nếu nó là vô hạn, thì có vẻ như nó cũng phải là vô hạn trong giai đoạn trứng nước, chỉ là rất dày đặc. Trên thực tế, có vẻ như "trong giới hạn", nó phải là vô hạn ngay cả tại Big Bang.
Bạn gần với sự thật hơn. Khi chúng ta nói về sự mở rộng của Vũ trụ, chúng ta thực sự nói rằng không gian đang được tạo ra giữa mọi vật chất.
Như bạn đã đề cập, Vũ trụ có thể là vô hạn. Nó không giống như một quả bóng, mà giống như một lưới phẳng, và "sự mở rộng" của nó chỉ có nghĩa là khoảng cách giữa các vật thể trên lưới ngày càng lớn hơn. Về bản chất, nhiều không gian hơn đang được tạo ra giữa các đối tượng. Đó là những gì chúng tôi muốn nói đến khi mở rộng - rằng các vật thể đang di chuyển ra xa nhau, vì có nhiều không gian hơn được tạo ra giữa chúng. Dưới đây là một gif tôi đã thực hiện để chứng minh điều này:
Một cách hữu ích hơn để mô tả điều này là nói lưới đang mở rộng - chính không gian đó, như một hệ tọa độ, đang phát triển. Như một sự tương tự, hãy tưởng tượng đang dắt chó đi dạo. Đột nhiên, mặt đất bắt đầu mở rộng giữa bạn. Bạn và con chó của bạn sẽ tách ra và tiếp tục lùi xa nhau.
Vì vậy, điều tương tự đang xảy ra với vũ trụ của chúng ta. Lưới điện trên thực tế đang phát triển và các vật thể đang bị cuốn theo nó.
OK, bây giờ chúng ta đã có được các khái niệm cốt lõi, tôi sẽ giới thiệu thêm một chút thuật ngữ. "Yếu tố quy mô của Vũ trụ" đề cập đến việc Vũ trụ đã mở rộng bao nhiêu, so với bây giờ. Ví dụ, nếu trong một tỷ năm, hệ số tỷ lệ là 3, điều đó có nghĩa là mọi vật thể trong Vũ trụ cách xa nhau gấp 3 lần so với bây giờ. Nếu hệ số tỷ lệ 700 triệu năm trước là 0,8 thì mọi thứ đã gần hơn với hệ số 0,8 vào thời điểm đó. Theo định nghĩa, hệ số tỷ lệ là 1 ngay bây giờ.
Vì vậy, nếu bây giờ Vũ trụ đang mở rộng, chúng ta hy vọng nó sẽ nhỏ hơn khi chúng ta nhìn xa hơn về thời gian - tức là hệ số tỷ lệ sẽ ít hơn. Thuyết tương đối rộng dự đoán hệ số tỷ lệ bằng 0 tại 13,8 tỷ năm trước. Điều này có nghĩa là mọi đối tượng sẽ bằng 0 lần khoảng cách hiện tại của nó với chúng ta - nói cách khác, sẽ không có không gian.
Nếu bạn nghĩ rằng một vũ trụ không có không gian là không thể, bạn đã đúng. Chúng tôi rõ ràng có một mâu thuẫn. Trong GR, bạn không thể có một không thời gian với không gian bằng không.
Các lý thuyết vật lý hiện đại của chúng ta hoạt động tốt với một vài phân số của một giây sau khoảnh khắc mâu thuẫn, và các quan sát của chúng ta đồng ý với ý tưởng về một vũ trụ sơ khai cực kỳ dày đặc. Tuy nhiên, lý thuyết của chúng tôi bị phá vỡ khi chúng tôi cố gắng mô hình hóa Vũ trụ ở thời điểm sớm hơn và sớm hơn, cho đến khi chúng không còn chứng minh chính xác, ngăn chúng tôi giải thích khoảnh khắc thú vị nhất.
Đây là lý do tại sao khoảnh khắc của Vụ nổ lớn là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vũ trụ học. Các lý thuyết như lực hấp dẫn lượng tử đã xuất hiện để cố gắng giải thích các điều kiện gần Vụ nổ lớn, nhưng hiện tại vẫn chưa đủ.
Tôi thường nghe trong các bài giảng rằng ngay sau Vụ nổ lớn, vũ trụ nhỏ bé, chẳng hạn, kích thước của quả bưởi hay đại loại như thế.
Thật vậy, vấn đề bắt nguồn từ sự mơ hồ khi người ta nói "vũ trụ". Trong trường hợp này, họ đang đề cập đến vũ trụ quan sát được, thực sự là hình cầu. Vũ trụ quan sát được thực sự nhỏ hơn nhiều vào thời điểm xảy ra Vụ nổ lớn, so với bán kính của nó bây giờ.
Điều này là do bán kính của nó thực sự phụ thuộc vào hệ số tỷ lệ vũ trụ của chúng ta *, có nghĩa là tại thời điểm GR dự đoán hệ số tỷ lệ bằng 0, nó cũng dự đoán kích thước của vũ trụ quan sát bằng không.
Rõ ràng đó không phải là trường hợp, vì như chúng tôi đã giải thích ở trên, yếu tố tỷ lệ là không thể. Tuy nhiên, chúng ta có thể nói với sự tự tin hợp lý rằng vũ trụ quan sát được có khả năng là kích thước của quả bưởi tại một thời điểm, nếu không nhỏ hơn (mặc dù "bưởi" dường như là một lựa chọn tùy ý để so sánh. Tôi thực sự không thể tìm thấy bài báo sử dụng lần đầu tiên tương tự, vì vậy những gì họ có nghĩa ban đầu là một chút không rõ ràng).
* Đo khoảng cách thực sự là một chút khó khăn trong vũ trụ học; trong một số trường hợp, chúng tôi muốn nói về khoảng cách hoặc chuyển động của các vật thể trong khi bỏ qua sự giãn nở của Vũ trụ. Để tiết kiệm cho bạn nhu cầu học nhiều thuật ngữ, tôi hiện đang tính đến việc mở rộng Vũ trụ khi nói về kích thước của vũ trụ quan sát được. Vũ trụ quan sát được cũng phát triển do các yếu tố bên cạnh sự giãn nở của Vũ trụ, tức là ánh sáng từ các thiên hà xa hơn và xa hơn tới chúng ta.