Vì sao vũ trụ lại là chân không?

Vũ trụ là môi trường chân không gần như tuyệt đối, và nói ngắn gọn thì trọng lực chính là nguyên nhân.

Nhưng để thực sự hiểu được môi trường chân không của vũ trụ, chúng ta hãy dành chút thời gian tìm hiểu xem thực ra chân không là gì và không phải là gì.

Vậy chân không là gì, và vì sao vũ trụ không thực sự là môi trường chân không?

Trước hết, hãy quên đi chiếc máy hút bụi như một phép loại suy về môi trường chân không của vũ trụ. Chiếc máy hút bụi chân không dùng trong gia đình làm việc thật hiệu quả khi túi lọc của nó chứa đầy bụi và rác hút từ đồ dùng vật dụng trong nhà bạn. Tức là chiếc máy hút bụi gia đình sử dụng áp suất hơi khác so với chân không để tạo ra lực hút. Loại máy này có lẽ nên được gọi là máy làm sạch bằng lực hút (suction cleaner) thay vì máy làm sạch bằng chân không (vacuum cleaner). Chân không của vũ trụ hoàn toàn ngược lại. Theo định nghĩa, chân không tức là không có vật chất. Vũ trụ là một môi trường chân không gần như tuyệt đối, không phải vì sức hút mà vì nó gần như trống rỗng.

Đặc tính trống rỗng đó tạo nên một áp suất cực kỳ thấp. Và mặc dù chúng ta không thể mô phỏng cái trống rỗng này của vũ trụ trên Trái Đất, nhưng các nhà khoa học có thể tạo ra những môi trường áp suất cực thấp được gọi là chân không không hoàn toàn.

Ngay cả khi ngoại suy từ chiếc máy hút bụi chân không thì “hiểu được khái niệm về chân không là điều gần như không thể vì nó quá đối nghịch với cách chúng ta đang tồn tại” – bà Jackie Faherty, nhà khoa học cấp cao của Khoa Vật lý vũ trụ thuộc Bảo tàng Lịch sử tự nhiên Mỹ nói.

Con người hoàn toàn bị giam hãm trong mẫu không gian rất đậm đặc, đông đúng và sôi động của vũ trụ. Vì thế, thật khó để chúng ta thực sự hiểu được thế nào là không có gì hay thế nào là trống rỗng. Nhưng trên thực tế, điều bình thường với chúng ta trên Trái Đất lại thực sự hiếm có trong vũ trụ bao la, nơi mà hầu hết không gian đều gần như trống rỗng.

Trong lực chính là vị vua

Vũ trụ vẫn luôn khá là trống rỗng ngay cả nếu chúng ta không có trọng lực. “Chỉ là không có nhiều sự vật so với quy mô của cả vũ trụ nơi mà chúng ta đặt những sự vật đó vào”, nói theo cách của nhà vật lý vũ trụ người Mỹ Cameron Hummels.

Theo Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ, mật độ trung bình của vũ trụ là 5,9 proton (một hạt hạ nguyên tử mang điện tích dương)/ m3. Nhưng rồi trọng lực làm tăng mức độ trống rỗng ở một số vùng nhất định của vũ trụ bằng cách làm cho vật chất trong vũ trụ tập hợp lại với nhau.

Về cơ bản, bất cứ hai vật thể nào có khối lượng đều hấp dẫn nhau. Đó là lực hấp dẫn, hay trọng lực. Nói cách khác là “vật chất thích ở gần một vật chất khác” – bà Faherty nói. Trong không gian, trọng lực kéo các vật thể ở gần đến gần nhau hơn. Khi kết hợp với nhau, khối tổng của chúng càng tăng lên và khối càng tăng có nghĩa là chúng có thể sinh ra lực kéo càng mạnh và kéo càng nhiều vật chất hơn vào đám hỗn tạp vũ trụ của chúng.

Khi các điểm nóng trọng lực này kéo các vật chất ở gần, không gian giữa chúng biến mất, tạo ra cái gọi là khoảng trống vũ trụ. Nhưng vũ trụ không bắt đầu bằng cách đó. Sau vụ Big Bang, vật chất trong vũ trụ phân tán một cách đồng đều hơn, “gần giống như một đám sương mù” – nhà vật lý vũ trụ Hummel nói. Nhưng qua hàng tỷ năm, trọng lực đã tập hợp vật chất đó thành các thiên thạch, các hành tinh, ngôi sao, các hệ mặt trời và các thiên hà; và để lại giữa các vật thể đó những khoảng trống liên hành tinh, liên sao và không gian liên thiên hà.

Nhưng ngay cả chân không của vũ trụ cũng không thực sự tinh khiết. Giữa các thiên hà, trong mỗi mét khối vẫn có ít hơn một nguyên tử, tức là không gian liên thiên hà không hoàn toàn trống rỗng. Tuy nhiên, nó có ít vật chất hơn, ít hơn rất nhiều so với bất cứ chân không nào con người có thể mô phỏng trong một phòng thí nghiệm trên Trái Đất.

Trong khi đó, vũ trụ vẫn liên tục nở ra, đảm bảo chắc chắn rằng các vũ trụ vẫn luôn là những nơi trống rỗng nhất. “Điều này nghe thật cô đơn” – bà Faherty nói.