Trong hàng thế kỷ, có một bí ẩn đã làm đau đầu rất nhiều nhà khoa học mà không thể giải đáp. Đó là câu hỏi: Vì sao ban đêm trời lại tối?
Bạn nghĩ câu hỏi này có ngớ ngẩn không? Theo thường thức, ai cũng biết rằng Trái đất xoay quanh Mặt trời và tự quay quanh chính nó. Thế nên, mặt nào quay vào Mặt trời sẽ là ban ngày, và khi quay đi sẽ là ban đêm.
Ngày và đêm là do chuyển động của Trái đất quanh Mặt trời - điều này ai cũng biết
Tuy nhiên vấn đề nằm ở chỗ, con người đã sớm biết rằng vũ trụ là vô hạn và cũng ngần ấy ngôi sao hiện diện trong đó. Mỗi ngôi sao đều phát ra ánh sáng của riêng mình, vậy thì không thể có chuyện có thời điểm Trái đất tối đi được. Nhưng sự thật là chúng ta vẫn có ngày và đêm. Tại sao?
Câu hỏi này được Heinrich Olbers - một nhà thiên văn học người Đức đặt ra vào năm 1823, mang tên "Nghịch lý Olbers".
Tuy nhiên, sau đó các chuyên gia ước tính rằng vũ trụ chỉ có khoảng 100 - 200 tỉ thiên hà trong khoảng quan sát được, và chừng đó là không đủ để phủ kín bầu trời cũng như chiếu sáng màn đêm của Trái đất. Vậy là nghịch lý Olbers chẳng còn là vấn đề nữa.
Nhưng nếu vũ trụ là vô hạn, số lượng các ngôi sao sẽ đủ để phủ kín bầu trời. Tại sao trời vẫn tối?
Có điều bằng công nghệ hiện đại ngày nay, các nhà khoa học xác định được rằng vũ trụ có ít nhất 2 nghìn tỉ thiên hà trong khoảng quan sát được.
Con số này là quá đủ để chiếu sáng mọi tinh cầu trong khoảng cho phép. Và một lần nữa, nghịch lý Olbers lại hiển hiện, làm đau đầu các chuyên gia.
Câu trả lời là gì?
Thực ra ngay từ thời điểm đưa ra nghịch lý, Olbers đã đặt ra một giả thuyết để trả lời cho vấn đề này. Theo ông, có một lớp mây hydro chen giữa Trái đất và các vì sao khác, chặn ánh sáng lại. Tuy nhiên, phải đến 200 năm sau đó, giả thuyết này mới được chứng minh là sự thật.
Người đứng đầu nghiên cứu chứng minh giả thuyết của Olbers là giáo sư Christopher Conselice - nhà thiên văn học thuộc ĐH Nottingham.
Bằng các thử nghiệm quan sát quang phổ ánh sáng trên bầu trời đêm, giáo sư xác nhận được sự tồn tại của một lớp mây hydro trong vũ trụ.
Một đám mây hydro đã chặn đứng
Theo Conselice, các thiên hà chứa số lượng sao đủ để phủ kín cả bầu trời của chúng ta. Tuy nhiên "hầu hết ánh sáng từ các thiên hà xa xôi đó đã bị đám mây hydro chặn lại. Đó là giả thuyết do Olbers đặt ra nhưng bị người đời bác bỏ, và đến nay chúng ta chứng minh được nó là thật" - Conselice cho biết.
Nguồn: Independent
Có thể bạn sẽ nghĩ hiển nhiên là do Mặt Trời lặn đi rồi nên ban đem sẽ tối. Nhưng sự thật không phải như vậy!
Khi một ai đó hỏi bạn rằng "Vì sao ban đêm trời lại tối?", có thể bạn sẽ trả lời hiển nhiên rằng: "Ban đêm Mặt Trời lặn rồi thì trời tối thôi". Tuy nhiên, vào ban ngày, lí do duy nhất để bầu trời sáng là do ánh sáng của Mặt Trời được tản ra và khuếch tán trên bầu khí quyển.
Trời tối vào ban đêm không phải vì không được Mặt Trời chiếu sáng.
Nếu Trái Đất không có bầu khí quyển tương tự như Mặt Trăng chẳng hạn, cho dù Mặt Trời có chiếu sáng xuyên suốt đi chăng nữa thì bầu trời cũng sẽ tối đen mà thôi. Còn nếu bạn đang ở một hành tinh khác có tầng khí quyển, kể cả khi bạn có thể nhìn về phía Mặt Trời thì bạn cũng chỉ thấy một hành tinh sáng lên đơn lẻ chứ không sáng đều như ở Trái Đất.
Bầu trời sáng vì được tầng khí quyển khuếch tán ánh sáng của Mặt Trời.
Trong vũ trụ rất nhiều ngôi sao sáng, sáng hơn cả Mặt Trời của chúng ta hàng ngàn lần, chúng tỏa sáng ra nhiều hướng khác nhau, nhưng tại sao Vũ trụ vẫn tối ? Vì chúng đều có một giới hạn nào đó, khi chúng ta đạt đến giới hạn thì sẽ không còn thấy những ngôi sao sáng đó nữa. Giới hạn đó là thời gian. Ngày nay, chúng ta có nhiều bằng chứng cho rằng vũ trụ vô hạn nhưng thời gian thì lại có giới hạn.
Vũ trụ là vô hạn, bất kể bạn nhìn về hướng nào thì cũng có những thiên thể xuất hiện.
Chúng ta biết rằng vũ trụ bắt đầu từ một điểm thời gian cách đây khoảng 13,7 tỷ năm và là một khoảng không vô hạn với rất nhiều thiên thể. Dù bạn nhìn theo hướng nào, bạn cũng sẽ hướng tầm nhìn tới một thiên thể, và các thiên thể này đều sáng [dù là do nó tự phát sáng hay được thiên thể khác chiếu sáng]. Vậy thì đúng ra nhìn về phía nào bạn cũng phải thấy trời sáng chứ, tại sao bầu trời lại tối?
Tại sao bầu trời đêm lại không sáng như ban ngày?
Có 2 lí giải cho điều này:
Thứ nhất: Giống như bạn nhìn thấy tia chớp và bạn đợi xem tiếng sấm nổ sau đó, tuy vận tốc ánh sáng là rất lớn, nhưng chúng vẫn cần thời gian để nó đi qua suốt một chặng đường rất dài. Khi chúng ta nhìn vào những thiên thể rất xa qua kính thiên văn, tức là ta đang nhìn vào quá khứ của thiên thể đó.
Hướng bạn nhìn thì ánh sáng trong vũ trụ chưa kịp truyền đến.
Bạn nhìn thấy một ngôi sao tức là bạn đang nhìn thấy quá khứ của ngôi sao đó.
Thứ hai: Vũ trụ vẫn liên tục giãn nở, và khoảng cách giữa các thiên hà ngày càng xa nhau ra. Do các thiên thể vẫn đang liên tục di chuyển xa ra, ánh sáng và tất cả các sóng phát ra từ thiên thể này hướng về phía Trái đất sẽ gặp một hiện tượng gọi là hiệu ứng Doppler: tần số của sóng thay đổi khi có sự di chuyển.
Vũ trụ ngày càng giãn nở và các ngôi sao càng di chuyển ra xa Trái Đất hơn.
Tần số sóng ánh sáng ngày càng giảm và rơi vào vùng hồng ngoại mà mắt người không thể nhìn được.
Nói tóm lại, nếu chúng ta sống trong vũ trụ nhỏ hơn, tất cả những ngôi sao trên bầu trời đêm đều truyền ánh sáng đến Trái Đất, thì ban đêm hay ban ngày bầu trời cũng sáng như nhau. Nhưng vì vũ trụ quá rộng lớn đến mức vô hạn và ngày càng giãn nở ra, hầu hết ánh sáng từ các ngôi sao đều lọt vào vòng hồng ngoại nên chúng ta không thể nhìn thấy được. Và đó là lí do vì sao ban đêm bầu trời lại tối.
Vì sao ban đêm trời lại tối? Có thể bạn nghĩ câu trả lời rất hiển nhiên là do mặt trời lặn đi. Tuy nhiên, đáp án không phải vậy.
Nguyên nhân duy nhất là để trời sáng vào ban ngày là do ánh sáng tản ra trong bầu khí quyển. Nếu chúng ta không có bầu khí quyển, ví dụ như trên Mặt trăng, trời vẫn tối dù Mặt trời đang chiếu sáng. Vậy hãy đổi câu hỏi thành: Vì sao vũ trụ lại tối?
Rõ ràng là vũ trụ có rất nhiều ngôi sao, vô số ngôi sao sáng không kém gì Mặt trời. Trong một vũ trụ vô biên, nếu bạn nhìn đủ xa theo bất kỳ hướng nào, bạn sẽ thấy một ngôi sao hoặc một dải ngân hà. Vì thế, theo lý thuyết, bầu trời sẽ sáng như Mặt trời cả ngày lẫn đêm. Tuy nhiên, thực tế không phải vậy.
Liệu có tồn tại một giới hạn nào đó, mà vượt qua nó các ngôi sao và dải ngân hà sẽ biến mất? Một giới hạn giữa "cái gì đó" và "không có gì", một "ranh giới" của vũ trụ? Không hẳn như vậy. Chúng ta có tất cả bằng chứng cho thấy vũ trụ dường như vô hạn. Dẫu vậy, bản thân vũ trụ có một giới hạn, không phải trong không gian mà trong thời gian.
Như chúng ta biết, vũ trụ có một điểm bắt đầu, ít nhất là thời điểm cách đây khoảng 13,7 tỉ năm, khi vũ trụ cực nhỏ và xoắn lại với nhau đến nỗi quy ước về không gian và thời gian không còn đúng. Nó giống như vũ trụ là một cơn sấm chớp khổng lồ và chúng ta trên Trái đất vẫn đang đợi nghe tiếng sấm bắt đầu từ xa.
Vì một khoảng thời gian hữu hạn đã trôi qua kể từ "điểm bắt đầu" này, một số ngôi sao ở quá xa chúng ta, xa đến mức ánh sáng của chúng chưa chiếu tới Trái đất. Cũng vì ánh sáng cần thời gian để di chuyển trong vũ trụ, khi chúng ta soi kính thiên văn vào một phần ở rất xa của vũ trụ, thực ra chúng ta đang nhìn thấy phần đó khi ánh sáng được phát tỏa. Vậy nên khi chúng ta nhìn vào ánh sáng 13,5 tỉ năm trước, chúng ta không thấy ngôi sao nào, không phải chỉ vì ánh sáng chưa kịp chuyển tới, mà còn vì chúng ta đang nhìn vào vũ trụ trước khi bắt đầu, trước khi ngôi sao đầu tiên hình thành. Điều này có vẻ là một lí do tương đối hợp lý cho việc tại sao sao chúng ta nhìn thấy trời tối, nhưng sự thực không phải vậy.
Tất nhiên, chúng ta có thể tìm ra những điểm trên bầu trời không xuất hiện ngôi sao nào, bằng cách nhìn vượt qua những ngôi sao mới và nhìn ngược về quá khứ. Tuy vậy, khi chúng ta soi kính thiên văn qua những ngôi sao mới, chúng ta vẫn nhìn thấy ánh sáng, không phải từ các ngôi sao, mà là ánh sáng phát ra từ vụ nổ Big bang. Chúng ta nhận được các bức xạ vũ trụ này từ gần như tất cả các hướng, tạo nên một lớp nền ánh sáng trùm lên các ngôi sao.
Như vậy, có lẽ vũ trụ thực tế không hề tối. Nhưng tại sao nó trông tối? Đây là một manh mối cho câu trả lời: khi kính thiên văn Hubble của Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ chụp bức ảnh của những ngôi sao ở xa, để có những bức ảnh tuyệt đẹp như thế này, người ta sử dụng máy ảnh hồng ngoại.
Vì sao lại như vậy? Các ngôi sao và thiên hà ở xa đang di chuyển ngày càng xa chúng ta, vũ trụ đang giãn nở. Giống như giọng của chúng ta trở nên trầm hơn khi băng ghi âm chạy chậm lại, hiệu ứng doppler làm cho những ngôi sao di chuyển xa khỏi chúng ta trở nên đỏ hơn. Ngôi sao ở càng xa thì càng di chuyển nhanh và càng trở nên đỏ, cho tới khi chúng trở thành ... hồng ngoại. Và chúng ta không thể nhìn thấy chúng, ít nhất là bằng mắt thường. Và đó là lí do tại sao bầu trời dường như tối vào ban đêm.
Tóm lại, nếu u chúng ta sống trong một vũ trụ vô hạn, không thay đổi, bầu trời sẽ sáng như Mặt trời. Tuy nhiên, thực tế trời trông tối vào ban đêm vì vũ trụ có một điểm bắt đầu, nên không phải hướng nào cũng có một ngôi sao chiếu sáng; và quan trọng hơn vì ánh sáng từ những ngôi sao ở xa [và cả những bức xạ ở xa hơn nữa] bị chuyển màu đỏ cho tới khi chúng trở thành tia hồng ngoại và chúng ta không thể nhìn thấy chúng bằng mắt thường.
Tuấn Anh [Theo Minute Physics]