Trong nhiều thập kỷ qua, giới khoa học thường đưa ra một con số rất cụ thể khi nói về lịch sử của vũ trụ: khoảng 13,77 tỷ năm. Đây là ước tính về thời gian đã trôi qua kể từ sự kiện khởi đầu mà các nhà vũ trụ học gọi là Big Bang.
Con số này nghe có vẻ chắc chắn đến mức nhiều người hiếm khi đặt câu hỏi. Tuy nhiên, việc xác định tuổi của toàn bộ vũ trụ thực chất là một vấn đề khoa học phức tạp, liên quan đến những nguyên lý cơ bản nhất của vật lý hiện đại.
Câu hỏi đầu tiên xuất hiện gần như ngay lập tức: liệu toàn bộ vũ trụ có thể có một “tuổi” hay không. Và nếu có, làm sao con người có thể đo lường nó.
Tuổi của vũ trụ hiện được ước tính khoảng 13,77 tỷ năm. Một câu hỏi quan trọng là làm thế nào khoa học có thể xác định tuổi của toàn bộ vũ trụ.
Trong vật lý cổ điển thời Isaac Newton, các nhà khoa học thường giả định sự tồn tại của một hệ chuẩn tuyệt đối cho không gian và thời gian. Trong bức tranh đó, vũ trụ giống như một sân khấu khổng lồ nơi mọi vật thể chuyển động theo các quy luật vật lý, trong khi thời gian trôi qua với cùng một tốc độ ở khắp mọi nơi.
Ý tưởng này gần giống với việc tưởng tượng có một chiếc đồng hồ vũ trụ chung, nơi mọi sự kiện đều được đo bằng cùng một thang thời gian.
Tuy nhiên, đầu thế kỷ 20, Albert Einstein đã làm thay đổi hoàn toàn cách con người hiểu về thời gian và không gian.
Thuyết tương đối hẹp của ông chỉ ra rằng không tồn tại một đồng hồ chung cho toàn vũ trụ. Mỗi vật thể đều có hệ quy chiếu riêng, và thời gian có thể trôi qua khác nhau tùy vào tốc độ chuyển động của vật thể đó.
Nói cách khác, hai người quan sát ở những điều kiện khác nhau có thể không đồng ý với nhau về khoảng thời gian giữa hai sự kiện.
Phát hiện này khiến nhiều người đặt câu hỏi: nếu không có thời gian tuyệt đối, làm sao chúng ta có thể nói rằng vũ trụ có một độ tuổi cụ thể.
Câu trả lời nằm ở thuyết tương đối rộng, lý thuyết mở rộng của Einstein nhằm mô tả lực hấp dẫn và cấu trúc của không-thời gian trong các hệ thống lớn.
Trong vũ trụ học, các nhà khoa học quan sát thấy một hiện tượng quan trọng: hầu hết các thiên hà xa xôi đều đang rời xa chúng ta. Phát hiện này cho thấy vũ trụ không tĩnh mà đang giãn nở.
Để mô tả quá trình giãn nở này, các nhà vật lý đã xây dựng một mô hình toán học được gọi là metric FLRW, đặt theo tên bốn nhà khoa học Friedmann, Lemaitre, Robertson và Walker.
Mô hình FLRW cho rằng vũ trụ có cấu trúc đồng nhất và đẳng hướng ở quy mô lớn. Trong mô hình này, vật chất và năng lượng phân bố tương đối đều, và toàn bộ không gian đang giãn nở theo thời gian.
Chính sự giãn nở này đóng vai trò như một chiếc đồng hồ vũ trụ.
Thuyết tương đối hẹp của Einstein cho rằng không tồn tại đồng hồ thời gian chung cho toàn vũ trụ. Mỗi vật thể có hệ quy chiếu riêng và cách đo thời gian riêng. Tuy nhiên thuyết tương đối rộng cho phép xây dựng mô hình mô tả sự tiến hóa của toàn vũ trụ.
Khi vũ trụ giãn nở, khoảng cách giữa các thiên hà tăng lên. Đồng thời, mật độ vật chất giảm xuống và nhiệt độ trung bình của vũ trụ cũng giảm theo.
Điều đó có nghĩa là vũ trụ trong quá khứ từng nhỏ hơn, đặc hơn và nóng hơn so với hiện tại. Ngược lại, trong tương lai, vũ trụ sẽ tiếp tục mở rộng, trở nên loãng hơn và lạnh hơn.
Những thay đổi này tạo ra một chuỗi lịch sử chung mà mọi nền văn minh trong vũ trụ, nếu có khả năng quan sát đủ tốt, đều có thể nhận ra.
Bất kể ở thiên hà nào, các nhà thiên văn học đều có thể đo tốc độ giãn nở của vũ trụ, tính toán mức độ thay đổi của mật độ vật chất và nhiệt độ theo thời gian, từ đó suy ra khoảng thời gian đã trôi qua kể từ khi vũ trụ bắt đầu giãn nở.
Chính từ quá trình này, các nhà khoa học có thể xây dựng một thang thời gian chung cho lịch sử vũ trụ.
Nói cách khác, dù thuyết tương đối cho phép mỗi người quan sát có cách đo thời gian riêng, sự giãn nở của vũ trụ lại cung cấp một mốc lịch sử chung cho tất cả.
Nhờ đó, các nhà vũ trụ học có thể ước tính tuổi của vũ trụ với độ chính xác ngày càng cao.
Mô hình vũ trụ học quan trọng nhất là FLRW metric do Friedmann, Lemaitre, Robertson và Walker phát triển. Theo mô hình này, vũ trụ đang giãn nở, khiến quá khứ, hiện tại và tương lai có sự khác biệt rõ rệt.
Con số 13,77 tỷ năm không phải là một con số tùy ý. Nó là kết quả của nhiều thập kỷ quan sát thiên văn, mô hình toán học và kiểm chứng bằng các dữ liệu vũ trụ học hiện đại.
Tuy nhiên, câu chuyện về tuổi của vũ trụ vẫn chưa hoàn toàn khép lại. Trong những năm gần đây, một số quan sát mới đã đặt ra những câu hỏi thú vị về việc liệu vũ trụ có thể già hơn so với ước tính hiện tại hay không.
Những thách thức đó đang khiến các nhà khoa học tiếp tục xem xét lại các phương pháp đo lường và mô hình vũ trụ học của mình.
Và chính những tranh luận khoa học này sẽ tiếp tục giúp con người hiểu rõ hơn về lịch sử sâu thẳm của vũ trụ mà chúng ta đang sống.
