Ba lý thuyết đóng vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu hình dạng của vũ trụ là vụ nổ lớn , lý thuyết hấp dẫn và thuyết tương đối rộng của Einstein . Các nhà vũ trụ học xem xét tất cả các lý thuyết này khi hình thành giả thuyết về hình dạng của không gian. Nhưng chính xác thì những lý thuyết này cố gắng giải thích điều gì?
Lý thuyết vụ nổ lớn là một nỗ lực để mô tả sự khởi đầu của vũ trụ. Qua quan sát và phân tích, các nhà thiên văn xác định rằng vũ trụ đang giãn nở. Họ cũng đã phát hiện và nghiên cứu ánh sáng có nguồn gốc từ hàng tỷ năm trước khi vũ trụ còn rất trẻ. Họ đưa ra giả thuyết rằng tại một thời điểm, tất cả vật chất và năng lượng trong vũ trụ được chứa trong một điểm cực kỳ nhỏ bé. Sau đó, vũ trụ mở rộng đột ngột. Vật chất và năng lượng bùng nổ ra bên ngoài ở tốc độ hàng triệu năm ánh sáng mỗi phần giây. Những thứ này đã trở thành những khối xây dựng cho vũ trụ như chúng ta biết.
Lý thuyết về lực hấp dẫn phát biểu rằng mọi hạt vật chất đều có sức hút đối với mọi hạt vật chất khác. Cụ thể, các hạt sẽ hút nhau với một lực tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Phương trình trông như thế này:
F = GMm / r 2 .
F là lực hút trọng trường. M và m đại diện cho khối lượng của hai vật thể được đề cập. R 2 là bình phương khoảng cách giữa hai vật. Vậy điểm G là gì? Đó là hằng số hấp dẫn . Nó đại diện cho tỷ lệ không đổi giữa hai vật thể bất kỳ, bất kể khối lượng của chúng là bao nhiêu. Hằng số hấp dẫn là 6,672 x 10 -11 N m 2 kg -2 [nguồn: World of Physics ]. Đó là một con số rất nhỏ, và nó giải thích tại sao các vật thể không lúc nào dính vào nhau. Các vật thể có khối lượng lớn phải chịu tác dụng hấp dẫn không đáng kể lên các vật thể khác.
Nếu lý thuyết vụ nổ lớn là đúng, thì khi vũ trụ bắt đầu phải có một vụ nổ năng lượng khổng lồ để đẩy vật chất đi rất nhanh. Nó phải vượt qua lực hấp dẫn của tất cả các vật chất trong vũ trụ. Những gì các nhà vũ trụ học đang cố gắng xác định bây giờ là có bao nhiêu vật chất thực sự trong vũ trụ. Khi có đủ vật chất, lực hút hấp dẫn sẽ dần chậm lại và sau đó đảo ngược sự giãn nở của vũ trụ. Cuối cùng, vũ trụ có thể thu nhỏ lại thành một điểm kỳ dị khác. Đây được gọi là cuộc khủng hoảng lớn . Nhưng nếu không có đủ vật chất, lực hút hấp dẫn sẽ không đủ mạnh để ngăn sự giãn nở của vũ trụ, và nó sẽ phát triển vô thời hạn.
Còn lý thuyết tương đối thì sao? Bên cạnh việc giải thích mối quan hệ giữa năng lượng và vật chất, nó cũng dẫn đến kết luận rằng không gian là dạng cong . Các vật thể trong không gian chuyển động theo quỹ đạo hình elip không phải do lực hấp dẫn, mà vì bản thân không gian cong và do đó một đường thẳng thực sự là một đường vòng. Trong hình học, một đường thẳng trên một mặt cong là một đường trắc địa .
Ba lý thuyết được mô tả ở trên là nền tảng của các lý thuyết khác nhau về hình dạng của không gian thực sự là gì. Nhưng không có sự nhất trí thực sự về hình dạng nào là đúng.
Các hình dạng lý thuyết của không gian là gì, và tại sao chúng ta không biết hình dạng nào là đúng? Tìm hiểu trong phần tiếp theo.
Kỳ dị
Thuyết tương đối rộng cho rằng ngay trước vụ nổ lớn, một điểm có thể tích bằng không và mật độ vô hạn chứa tất cả vật chất của vũ trụ. Hiện tượng này được gọi là kỳ dị . Vật chất đi vào lỗ đen cũng đi vào điểm kỳ dị khi thể tích của nó giảm xuống 0 và mật độ của nó tăng đến vô cùng [nguồn: Hawking ].
