❓ Tại sao vũ trụ giãn nở nhanh hơn vận tốc ánh sáng mà Thuyết tương đối hẹp vẫn đúng?

❌ Nếu như bạn đã từng đọc những trang báo mạng đề cập đến thông tin vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn vận tốc ánh sáng, thuyết tương đối hẹp của Einstein sẽ sụp đổ, thì thông tin này sai hoàn toàn, và chắc chắn một điều rằng tác giả bài viết không hề hiểu gì về thuyết tương đối hẹp.
🙆 Về phần vũ trụ giãn nở nhanh hơn vận tốc ánh sáng, điều này là sự thật, vâng, bạn không đọc nhầm đâu. Giãn nở vũ trụ có lẽ không còn quá xa lạ với nhiều người trong chúng ta nữa, truyền thông đã đề cập quá nhiều đến vấn đề này.

💫 Giãn nở vũ trụ được công bố vào năm 1929 bởi Edwin Hubble, đây là một trong những bước tiến có sức ảnh hưởng nhất trong khoa học vũ trụ. Ông nhận thấy các thiên hà ở xa đang ngày càng dịch chuyển ra xa chúng ta hơn.
☄️ Các vật thể ở càng xa, thì tốc độ trôi dạt ra xa càng nhanh. Để hình dung một cách tương đối, thì tốc độ này tỷ lệ khá tuyến tính với khoảng cách. Ví dụ, một vật thể ở cách ta 1 Megaparsec ( 3.26 triệu năm ánh sáng – Mpc) sẽ có tốc độ dịch chuyển khoảng 74 km/s, 2Mpc sẽ khoảng 148 km/s, 3 Mpc là 222 km/s, cứ tiếp tục như vậy.
☄️ Với những thông tin trên, không cần phải là nhà khoa học cao siêu bạn cũng dễ dàng suy luận ra được khi khoảng cách đủ xa, tốc độ giãn nở vũ trụ sẽ nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong chân không. Như vậy, sẽ tồn tại các vùng không gian mà tại đó ánh sáng không bao giờ có thể truyền đến chúng ta, nó nằm ngoài khả năng quan sát kể cả đối với các công cụ thiên văn hiện đại nhất. Vùng không gian bên trong, nơi mà ánh sáng vẫn còn khả năng truyền đến ta, gọi là vũ trụ quan sát được.
☄️ Không chỉ sự giãn nở vũ trụ là nhanh hơn ánh sáng, mà ngay cả Phình to vũ trụ cũng vậy. Trong vật lý vũ trụ học, sự phình to vũ trụ (cosmic inflation, cosmological inflation, hay inflation) là sự mở rộng của vũ trụ trong vũ trụ ban đầu với tốc độ nhanh hơn ánh sáng. Giai đoạn phình to kéo dài từ 10^−36 giây sau Vụ Nổ Lớn cho đến 10^−33 tới 10^−32 giây sau Vụ Nổ Lớn.

🤔 Vậy Thuyết tương đối hẹp sụp đổ rồi sao?
🌟 Không đâu! Điều này không chỉ không mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp, mà còn góp phần củng cố và làm rõ hơn giới hạn của nó.
🌟 Bây giờ bạn hãy thử tưởng tượng. Có một con kiến đang bò trên một quả bóng cao su xẹp để đi từ nơi nó đứng đến điểm A trên quả bóng bay. Ngay khi con kiến vừa chuyển động, bạn bắt đầu thổi bóng. Ngay lập tức, điểm A đi ra xa con kiến, mặc dù con kiến vẫn đang bò trên cùng 1 quả bóng. Hãy hình dung, vận tốc con kiến đại diện cho vận tốc ánh sáng trong chân không, quả bóng được thôi căng dần đại diện cho sự giãn nở vũ trụ. So với hệ quy chiếu từ ngoài nhìn vào, rõ ràng tốc độ giãn nở của quả bóng nhanh hơn con kiến và nó đang bò trên 1 cái nền giãn nở, nhưng trong hệ quy chiếu của không gian nơi kiến chạy, nó vẫn chỉ đang bò với vận tốc của chính nó.
🌟 Như vậy, cho dù đối với quy mô vũ trụ, vận tốc của một vật phải luôn đi liền với khung tham chiếu của nó, chính là cái ‘’không gian’’ mà vật chuyển động trong đó. Ánh sáng vẫn di chuyển với vận tốc vốn dĩ của nó trong khung tham chiếu của nó. Chứ không phải vận tốc ánh sáng là bằng 0 tại điểm tốc độ giãn nở bằng với ánh sáng, cách nói này không đúng.
Nói một cách rõ ràng hơn, thuyết tương đối hẹp của Einstein quy ước vận tốc ánh sáng trong chân không là không thể bị vượt qua bởi các vật chất và bức xạ trong vũ trụ đã biết, trên khung tham chiếu của không – thời gian. Chứ thuyết tương đối hẹp không hề nói vận tốc ánh sáng trong chân không cũng chính là giới hạn của cái nền không-thời gian.
⚠️ Ở đây, các bạn cũng không nên lầm tưởng rằng vận tốc của ánh sáng là một hằng số và không thể bị vượt qua. Vận tốc của ánh sáng sẽ bị giảm đi khi đi qua các môi trường có chiết suất, lúc này, ánh sáng có thể chậm hơn vài thứ. Nên người ta mới gọi một cách rất rõ ràng là ‘’vận tốc của ánh sáng trong chân không’’. Sở dĩ chúng ta hay nhắc đến vận tốc ánh sáng trong chân không trong thuyết tương đối bởi vì vận tốc này bằng một giá trị đặc biệt, một hằng số, là 299792.485 km/s, nên ánh sáng thường được lấy ra để làm ví dụ và phổ cập cho khoa học đại chúng. Cho dù vận tốc ánh sáng có khác đi trong các môi trường chiết suất, thì thuyết tương đối hẹp cũng chẳng mảy may bị lay chuyển hay gì cả. Nếu nói một cách tổng quát hơn, thì chính xác phải là tốc độ lan truyền của bức xạ điện từ trong chân không.
⚠️ Các bạn cũng không nên hiểu nhầm, nếu tìm ra được cái gì nhanh hơn ánh sáng, thì thuyết tương đối hẹp sụp đổ. Bởi vì hằng số c, không phải là một cái gì đó mà con người có thể thích là quy ước, mà đây là một quy luật tự nhiên. Một vật chất có khối lượng khi chuyển động đến với vận tốc c thì thời gian của nó bị kéo giãn ra vô tận, không gian bị co lại vô tận và năng lượng phải cấp cho nó cũng là vô tận. Đây chính là rào cản của vũ trụ chúng ta, một rào cản mà đến bây giờ những sinh vật giới hạn như chúng ta vẫn không tài nào bứt ra được hay thậm chí nghĩ ra cách để bứt ra được. Đây chính là hàng rào của vũ trụ. Tất nhiên, có thể, bên ngoài hàng rào này, tồn tại vô số thứ chúng ta chưa biết hoặc không bao giờ biết, nhưng thuyết tương đối hẹp được sinh ra để phục vụ cho việc tính toán và hiểu hơn về những thứ ở bên trong hàng rào này. Các dạng ‘’vật chất’’ hay ‘’gì gì đó’’ vượt qua c, thì đơn thuần vượt qua giới hạn của não bộ cũng như không thể đo lường hay quan sát bằng tất cả các loại máy móc dù hiện đại đến đâu của thế giới này. Tất nhiên, không chỉ có cái hàng rào vĩ mô đó, còn có các chướng ngại vật khác khi đi vào cấp độ lượng tử. Chúng ta không nên lầm tưởng rằng tương lai sẽ có thuyết khác làm cho thuyết tương đối sụp đổ, thật ra thuyết tương đối đã được thực chứng rất nhiều và gần như trong các trường hợp nó đều thể hiện sự hữu dụng của mình. Tất nhiên, nó có thể sai, hoặc có thể sai rất nhiều là đằng khác, như các ví dụ trong thế giới lượng tử. Tuy nhiên, nó thể hiện tốt khả năng của mình bên trong hàng rào của nó. Để vượt rào, chúng ta cần những học thuyết và nghiên cứu khác, nhưng trong phạm trù của mình, thuyết tương đối không sụp đổ. Như trong nền vật lý cổ điển, các tính toán được chứng minh là không chính xác khi sự co giãn của không thời gian là đáng kể, tuy nhiên, vật lý cổ điển không sụp đổ, mà càng ngày càng được ứng dụng nhiều hơn, kết hợp với nền vật lý hiện đại, bởi lẽ, chính vật lý cổ điển cũng có hàng rào của nó và trong giới hạn của mình, nó làm tốt công việc.

🎯 Tóm lại: Nói một cách rõ ràng hơn, thuyết tương đối hẹp của Einstein quy ước vận tốc ánh sáng trong chân không là không thể bị vượt qua bởi các vật chất và bức xạ trong vũ trụ đã biết, trên khung tham chiếu của không – thời gian. Chứ thuyết tương đối hẹp không hề nói vận tốc ánh sáng trong chân không cũng chính là giới hạn của cái nền không-thời gian. Việc vũ trụ giãn nở nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong chân không chỉ góp phần củng cố và làm rõ hơn ranh giới của Thuyết tương đối hẹp.

Nguồn: Science Realm.
Tham khảo thêm: Wikipedia, scienceblogs.com.

#ScienceRealm #Physics #Vatly #Astronomy #Thienvanhoc