4.4 Vũ trụ vô hạn và vũ trụ quan sát được

Ý nghĩa thực sự đối với việc vũ trụ trở nên vô hạn, khi nó ở trường hợp vũ trụ phẳng và vũ trụ mở, là gì? Tính chất này là vô nghĩa đối với vũ trụ tồn tại mãi mãi; điều này có nghĩa là vũ trụ đã vô tận về mặt kích thước, thậm chí ngay tại một thời gian hữu hạn. Nó mở ra mãi mãi ở mọi hướng. Thậm chí bất chấp cả điều này, nó vẫn có khả năng giãn nở - khoảng cách giữa các vật thể có thể vẫn tăng lên bất kể vũ trụ là vô hạn hay không. (Bạn có thể hình dung các số nguyên; chúng hình thành một tập hợp vô hạn, nhưng bạn vẫn có thể làm phép nhân mỗi số với 2 để có một tập hợp vô hạn mới nơi mà khoảng cách giữa các số là gấp đôi.)

Tuy vậy, sự giải thích này chỉ là một mô hình, và chúng ta không có cách nào để khám phá khi mà vũ trụ thực sự mở rộng mãi mãi. Các nhà vũ trụ học thường nói về một ý tưởng khác hướng đến toàn bộ vũ trụ, dẫu nó có khả năng là vô hạn, và gọi nó là vũ trụ quan sát được. Vũ trụ này liên quan đến số phận của vũ trụ mà chúng ta thực sự có thể nhìn thấy, và bị giới hạn bởi vận tốc hữu hạn của ánh sáng. Khi vũ trụ trở nên già hơn, vũ trụ quan sát được trở nên ngày càng lớn hơn, bởi sự kết hợp của hai hiệu ứng. Thứ nhất, là vũ trụ đan giãn nở, và thứ hai, ánh sáng cần nhiều thời gian hơn để di chuyển xuyên qua vũ trụ. Trong thực nghiệm, kiến thức của chúng ta về vũ trụ bị hạn chế với số phận này và chúng ta không có cách nào để nói về nó khi nó thực sự tiếp tục đi vào khoảng cách vô hạn như yêu cầu của nguyên tắc vũ trụ học. Ví dụ, vũ trụ có thể trở nên rất bất thường trong quy mô cực kỳ lớn, và có một số mô hình lý thuyết tiên đoán rằng điều này có thể xảy ra. Một khả năng khác sẽ được thảo luận trong Chủ đề mở rộng 1.3.

4.5 Vụ Nổ Lớn đã xảy ra ở đâu?

Một câu hỏi phổ biến là "Vụ Nổ Lớn đã xảy ra ở đâu?", gợi ý rằng có lẽ có thể chỉ về một hướng cụ thể nào đấy và nói "Hướng này!". Trong một vụ nổ thông thường thì đó là một câu hỏi hoàn hảo, khi toàn bộ vật chất bay ra ngoài từ điểm kích nổ. Thật không may, đối với Vụ Nổ Lớn mọi thứ lại không hề đơn giản, và trong hoàn cảnh này câu trả lời sẽ là "bất cứ nơi nào" và "không nơi nào cả".

Đầu tiên, hãy nhớ rằng toàn bộ nền tảng của chúng ta là nguyên tắc vũ trụ học, nói với chúng ta rằng không có bất cứ một điểm nào trong vũ trụ là đặc biệt. Nếu có một điểm cụ thể nào đó nơi mà "vụ nổ" đã xảy ra, nó rõ ràng là một điểm đặc biệt và vi phạm nguyên tắc vũ trụ học. Hơn thế nữa, không gian và thời gian bản thân chúng được tạo thành ngay tại thời điểm Vụ Nổ Lớn (không giống như một vụ nổ thông thương khi vật chất bắn ra từ một không gian sẵn có). Nếu chúng ta lấy bất kỳ điểm nào trong vũ trụ hiện tại và lần ngược về lịch sử của nó, nó sẽ có khởi nguồn là vị trí của vụ nổ, và trong hoàn cảnh này Vụ Nổ Lớn xảy ra ở mọi nơi trong không gian.

Trong một hoàn cảnh khác, vị trí của Vụ Nổ Lớn là "không nơi nào cả", bởi vì không gian chính bản thân nó đã tiến hóa và giãn nở, và nó đã thay đổi kể từ khi Vụ Nổ Lớn xảy ra. Hãy tưởng tượng vũ trụ như một hình cầu đang giãn nở; tại bất kỳ "không gian" tức thì nào là bề mặt của hình cầu, nó sẽ trở nên lớn hơn theo thời gian (một lần nữa tôi nghĩ đến một sự tương tự hai chiều đối với không gian ba chiều thực của chúng ta). Vị trí nơi "vụ nổ" xảy ra là tại tâm của hình cầu, nhưng đó không còn là một phần của không gian - bề mặt của hình cầu - là nơi chúng ta sống. Cụ thể hơn, bị giới hạn bởi bề mặt của hình cầu có nghĩa là chúng ta không thể chỉ ra được địa điểm nơi vụ nổ được cho là đã xảy ra. Tuy vậy, tất cả các điểm trong không gian hiện tại của chúng ta đã từng là tâm của hình cầu, khi Vụ Nổ Lớn xảy ra.

4.6 Ba giá trị của k

Bởi vì chỉ có ba khả năng riêng biệt về mặt hình học, nhiều người chỉ ra điều này một cách rõ ràng bằng cách mở rộng các biến của chúng để k nhận một trong chỉ ba khả năng này, được đặt là k = -1, 0, hay +1, liên quan đến các trường hợp theo thứ tự là vũ trụ mở, vũ trụ phẳng, hay vũ trụ đóng. Điều này có thể đạt được thông qua việc tái mở rộng yếu tố quy mô bằng cách nhân nó với một hằng số cố định, gọi là   trong các trường hợp khi k khác không. Điều này giữ cho H = ȧ/a không thay đổi, và gỡ bỏ k từ quy luật cuối cùng trong phương trình (4.1), trở thành:

với "-" là k dương, và "+" là k âm và quy luật còn lại vắng mặt nếu k = 0.

Nếu việc tái mở rộng này được sử dụng, như khi nó sẽ được dùng trong Phần 5.3. Về mặt hiệu ứng, cái nó đang làm là đang lựa chọn để đo đạc khoảng cách đồng chuyển động trong các đơn vị của quy mô cong, là quy mô mà trong đó các hiệu ứng của không gian cong phải được thêm vào, chứ không phải là các đơn vị thiên văn học như megaparsec.

Trong cuốn sách này, tôi sẽ không tái quy mô k đến một trong số ba giá trị rời rạc này, hầu hết thời gian tôi sẽ tập trung vào k = 0.

(Còn nữa...)