Một trong những câu hỏi lớn nhất và gây hoang mang nhất về vũ trụ là: "Liệu nó có vô tận không?". Hình ảnh phổ biến về Vụ nổ Big Bang thường là một điểm nhỏ duy nhất phát nổ trong một khoảng không trống rỗng, sau đó giãn nở ra. Điều này dẫn đến một nghịch lý: Nếu Vũ trụ là Vô Tận, vậy làm thế nào nó có thể mở rộng từ một "Điểm 0" thành Vô Tận ngay lập tức?
Câu trả lời, theo mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn, còn kỳ lạ và phản trực giác hơn nhiều: Vũ trụ có thể đã luôn luôn vô tận về mặt không gian, nhưng lại có một độ tuổi hữu hạn.
Sai Lầm Kinh Điển: Big Bang Không Phải Là Một Vụ Nổ "Trong" Không Gian
Để hiểu được nghịch lý trên, trước hết chúng ta cần phải xóa bỏ một hình ảnh sai lầm kinh điển. Big Bang không phải là một vụ nổ xảy ra tại một điểm trong một không gian trống rỗng có sẵn.
Big Bang là sự giãn nở của chính không gian. Hãy tưởng tượng bề mặt của một quả bóng bay. Nếu bạn vẽ các chấm lên đó và thổi phồng quả bóng, mọi chấm sẽ thấy các chấm khác di chuyển ra xa mình, nhưng không có một "tâm điểm" nào trên bề mặt quả bóng cả. Bây giờ, hãy tưởng tượng bề mặt quả bóng đó ngay từ đầu đã vô tận, và nó vẫn đang tiếp tục được kéo căng ra. Đó là một hình dung gần đúng về vũ trụ của chúng ta.
Vô Tận Ngay Từ Đầu
Theo mô hình vũ trụ tiêu chuẩn (phẳng và mở rộng), vũ trụ của chúng ta luôn luôn vô hạn.
Tại thời điểm khoảng 13.8 tỷ năm trước, vũ trụ vô tận này bị nén trong một trạng thái cực kỳ nóng và đặc.
Sự "giãn nở" của vũ trụ không có nghĩa là nó đang chiếm thêm không gian mới, mà là khoảng cách giữa mọi điểm trong không gian vô tận này đang ngày một tăng lên. Mật độ vật chất và năng lượng giảm xuống khi vũ trụ nguội đi.
Vậy còn "Điểm 0" của Big Bang thì sao? Đây là lúc một phép so sánh toán học trở nên hữu ích. Hãy xem xét đồ thị của hàm số Y = 1/X. Đồ thị này tồn tại ở mọi điểm, ngoại trừ điểm X = 0. Bạn có thể tiến đến gần X = 0 bao nhiêu tùy thích, nhưng không bao giờ thực sự đạt được nó.
Khoảnh khắc của Vụ nổ Big Bang chính là điểm X = 0 đó. Nó không phải là một phần của dòng thời gian vũ trụ của chúng ta. Nó là một điểm kỳ dị (singularity), một giới hạn nơi các định luật vật lý mà chúng ta biết không còn áp dụng được nữa. Vũ trụ của chúng ta bắt đầu từ một khoảnh khắc cực nhỏ sau điểm kỳ dị đó, nhưng chính điểm kỳ dị thì không thuộc về nó.
Dòng Thời Gian Của Vũ Trụ Vô Tận
Quá trình từ một vũ trụ vô tận, siêu đặc, siêu nóng trở thành vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay có thể được tóm tắt qua các giai đoạn chính:
Lạm Phát (Inflation) và Vụ Nổ Lớn: Ngay sau khoảnh khắc khởi đầu, vũ trụ trải qua một giai đoạn giãn nở theo cấp số nhân gọi là lạm phát. Không gian được kéo căng ra với một tốc độ không thể tưởng tượng, làm phẳng và đồng nhất vũ trụ, đồng thời gieo mầm cho các cấu trúc sau này.
Bức Xạ Nền Vi Sóng Vũ Trụ (CMB) - 380,000 năm sau: Vũ trụ nguội đi đủ để các proton và electron kết hợp thành các nguyên tử hydro trung hòa. Lần đầu tiên, ánh sáng (photon) có thể di chuyển tự do mà không bị tán xạ. Ánh sáng cổ xưa này chính là thứ chúng ta quan sát được ngày nay dưới dạng CMB. Những biến động mật độ cực nhỏ trong CMB chính là hạt giống đã phát triển thành các thiên hà và quần tụ thiên hà sau này.
Kỷ Nguyên Tăm Tối và Những Ngôi Sao Đầu Tiên - khoảng 200 triệu năm sau: Sau khi CMB hình thành, vũ trụ chìm vào một "kỷ nguyên tăm tối" không có nguồn sáng. Dần dần, dưới tác động của lực hấp dẫn, các đám mây khí hydro khổng lồ sụp đổ, đốt cháy và tạo thành những ngôi sao cổ đại đầu tiên.
Sự Hình Thành Thiên Hà - Hiện tại (13.8 tỷ năm): Trải qua hàng tỷ năm, lực hấp dẫn tiếp tục kéo vật chất lại với nhau. Các ngôi sao tụ hợp thành các thiên hà, và các thiên hà tụ hợp thành các quần tụ và siêu quần tụ, tạo nên cấu trúc vũ trụ rộng lớn mà chúng ta thấy ngày nay.
