Vũ trụ rộng lớn đến mức trí tưởng tượng của con người khó lòng hình dung nổi. Các thiên hà, ngôi sao và hành tinh trải dài trên những khoảng cách hàng tỷ năm ánh sáng. Nhưng câu hỏi tưởng chừng đơn giản vẫn khiến các nhà khoa học trăn trở: vũ trụ có một biên giới thực sự hay không? Theo hiểu biết hiện nay, chưa có bằng chứng cho thấy vũ trụ có một rìa vật lý, nơi không gian đột ngột kết thúc.

Trước hết, cần phân biệt toàn bộ vũ trụ với vũ trụ quan sát được – phần không gian mà ánh sáng hoặc các tín hiệu khác có thể truyền đến chúng ta. Vì vũ trụ có tuổi hữu hạn, khoảng 13,8 tỷ năm, ánh sáng từ những vùng quá xa chưa có đủ thời gian đến Trái Đất. Do không gian tiếp tục giãn nở trong lúc ánh sáng di chuyển, đường kính vũ trụ quan sát được hiện ước tính khoảng 93 tỷ năm ánh sáng, lớn hơn nhiều so với phép tính đơn giản lấy tuổi vũ trụ nhân với tốc độ ánh sáng.

Mô phỏng vũ trụ quan sát được, với Trái Đất nằm gần trung tâm của vùng mà chúng ta có thể quan sát. Ảnh: greydanus.substack.com

Điều quan trọng là đường chân trời vũ trụ không phải một bức tường hay mép vực trong không gian. Nó chỉ đánh dấu giới hạn quan sát của chúng ta tại một thời điểm nhất định. Nếu một thiên hà nằm ngoài giới hạn ấy, điều đó không có nghĩa thiên hà đó không tồn tại, mà có thể ánh sáng từ nó chưa thể đến được chúng ta. Giống như người đứng giữa đại dương chỉ nhìn thấy đến đường chân trời, con người có thể đang sống trong một vũ trụ rộng lớn hơn rất nhiều so với phần mình quan sát được.

Vậy toàn bộ vũ trụ có hữu hạn hay vô hạn? Các nhà khoa học vẫn chưa có câu trả lời chắc chắn. Nếu không gian có độ cong và cấu trúc tô pô thích hợp, vũ trụ có thể hữu hạn về thể tích nhưng không có biên giới, tương tự bề mặt quả cầu không có mép. Ngược lại, không gian có thể mở rộng vô hạn theo mọi hướng. Những phép đo hiện nay cho thấy hình học vũ trụ trên quy mô lớn rất gần với không gian phẳng, nhưng điều đó chưa đủ để chứng minh toàn bộ vũ trụ là vô hạn.

Hàng nghìn thiên hà hiện ra trong ảnh trường sâu, cho thấy vũ trụ chứa vô số cấu trúc ở những khoảng cách khổng lồ. Ảnh: NASA – James Webb Space Telescope.

Một câu hỏi khác cũng hấp dẫn không kém là: nếu vũ trụ đang giãn nở, nó giãn nở vào đâu? Theo thuyết tương đối rộng, sự giãn nở không nhất thiết có nghĩa các thiên hà đang lao vào một khoảng không trống rỗng nằm bên ngoài. Chính khoảng cách giữa những vùng không gian không liên kết hấp dẫn chặt chẽ đang tăng lên. Nếu toàn bộ không gian là vô hạn, nó vẫn có thể giãn nở mà không cần một ranh giới bên ngoài.

Có lẽ điều kỳ lạ nhất không phải vũ trụ lớn đến đâu, mà là giới hạn hiểu biết của chúng ta vẫn chưa cho phép xác định nó kết thúc hay kéo dài mãi mãi. Chúng ta có thể đo đạc ánh sáng từ những thiên hà xa xôi, tái dựng lịch sử vũ trụ và kiểm tra các mô hình vật lý, nhưng câu hỏi về biên giới cuối cùng vẫn còn bỏ ngỏ. Và biết đâu, điều mà con người gọi là “tận cùng vũ trụ” chỉ đơn giản là giới hạn của những gì chúng ta có thể biết.