Theo kết luận của vũ trụ học tiêu chuẩn, vũ trụ của chúng ta đã tồn tại khoảng 13,7 tỷ năm, trong những năm dài này, vũ trụ đã dần dần mở rộng từ một điểm kỳ dị vô cùng nhỏ lúc đầu thành một quy mô rộng lớn không thể so sánh được ngày nay. Vũ trụ ngày nay tiếp tục giãn nở, thậm chí còn tăng tốc, buộc các nhà vật lý phải đưa năng lượng tối vào để giải thích gia tốc bất thường này.
Trên thực tế, cho tới tận ngày nay chúng ta biết rất ít về bản chất của năng lượng tối. Và một nghiên cứu gần đây được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS) cho thấy rằng một trạng thái năng lượng tối có thể xảy ra có thể khiến vũ trụ ngừng giãn nở và từ từ co lại ngay sau đó. Theo đó mốc thời gian có thể xảy ra điều này thực sự không xa so với những gì chúng ta tưởng tượng - sau 65 triệu năm, sự giãn nở của vũ trụ sẽ không còn tăng tốc nữa, và sau 100 triệu năm, sự giãn nở của vũ trụ sẽ hoàn toàn dừng lại và bắt đầu co lại.
Mở rộng gia tăng của vũ trụ
Einstein đã tạo ra thuyết tương đối rộng vào năm 1915, biến vũ trụ học thực sự trở thành một môn khoa học. Các phương trình trường của Einstein chứa câu trả lời cho các câu hỏi về nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ. Nhưng có một vấn đề trong phương trình khiến các nhà vật lý bối rối vào thời điểm ban đầu. Nó không đề cập đến trạng thái tĩnh theo mô hình vũ trụ, thay vào đó nó chỉ mô tả một vũ trụ luôn giãn nở hoặc co lại.
Bị giới hạn bởi vũ trụ học vào thời điểm đó, Einstein đã sửa đổi phương trình và thêm vào đó "hằng số vũ trụ" để có được một nghiệm vũ trụ tĩnh.
Tuy nhiên, những quan sát thiên văn sau đó đã khiến mọi người bất ngờ. Năm 1929, nhà thiên văn học Edwin Hubble đã quan sát sự dịch chuyển đỏ của các thiên hà ngoài thiên hà, có nghĩa là các thiên hà này đang di chuyển ra xa chúng ta.
Sự giãn nở của vũ trụ được tiên đoán bởi các phương trình trường của Einstein có thể giải thích hiện tượng này. Theo cách này, phương trình không có nghiệm tĩnh và việc thêm hằng số vũ trụ là thừa. Einstein sau đó đã rút lại các sửa đổi của mình đối với các phương trình trường, thừa nhận rằng việc đưa ra hằng số vũ trụ là sai lầm lớn nhất mà ông từng mắc phải.
Nhưng vấn đề không kết thúc ở đó. Bây giờ vũ trụ của chúng ta đang giãn nở, khi vũ trụ lớn hơn, mật độ vật chất trong vũ trụ nhỏ hơn, và mật độ năng lượng tương ứng sẽ nhỏ hơn. Tại thời điểm này, theo tiên đoán của phương trình trường của Einstein, sự giãn nở của vũ trụ sẽ dần dần chậm lại. Tuy nhiên, những quan sát thiên văn lại một lần nữa vượt quá mong đợi của mọi người, vào năm 1998, các nhà thiên văn tính toán tốc độ giãn nở của vũ trụ dựa trên dữ liệu quan sát của siêu tân tinh và nhận thấy rằng sự giãn nở của vũ trụ không chậm lại mà đang tăng tốc.
Các nhà vật lý cảm thấy bối rối khi phát hiện ra rằng tốc độ giãn nở của vũ trụ không giảm mà còn tăng lên. Để đưa ra lời giải thích, các nhà vật lý tin rằng có một lớp vật chưa biết trong vũ trụ có mật độ năng lượng không giảm khi vũ trụ lớn hơn, nhưng không đổi. Vì vậy, khi vũ trụ mở rộng lên gấp đôi kích thước ban đầu, tổng lượng năng lượng này cũng tăng gấp đôi. Việc kết hợp năng lượng chưa biết này vào một mô hình vũ trụ về bản chất tương đương với việc đang thêm vào hằng số vũ trụ đã bị Einstein loại bỏ, cho phép các phương trình trường của Einstein đưa ra giải pháp cho sự giãn nở có gia tốc.
Một giản đồ về tỷ lệ của tất cả các thành phần trong vũ trụ ngày nay, trong đó 68,3% là năng lượng tối, 26,8% là vật chất tối và chỉ 4,9% là vật chất thông thường.
Năng lượng chưa được biết đến này hiện được gọi là "năng lượng tối". Các nhà vật lý ước tính rằng năng lượng tối nên chiếm khoảng 70% toàn bộ vũ trụ ngày nay để phù hợp với các quan sát về sự giãn nở đang tăng tốc của vũ trụ. Tuy nhiên, chính xác thì năng lượng bí ẩn này là gì và cách mô tả nó trong vật lý học, thì cho tới nay giới học thuật vẫn đang tranh cãi rất nhiều.
Nhận thức về năng lượng tối có liên quan đến dự đoán của chúng ta về số phận tương lai của vũ trụ. Nếu mật độ năng lượng của năng lượng tối không phải là hằng số mà thay đổi theo thời gian, thì vũ trụ có khả năng ngừng giãn nở và bắt đầu co lại trong tương lai - điều đó sẽ mất ít nhất là 100 triệu năm.
Định mệnh của vũ trụ sau 100 triệu năm
Năm 1998, ba nhà vật lý trong đó có Paul Steinhardt đã xuất bản một bài báo đề xuất giả thuyết rằng năng lượng tối là "quintessence". Theo đó, năng lượng tối không còn là một mật độ năng lượng cố định như được mô tả bởi hằng số vũ trụ, mà là một trường vô hướng có thể thay đổi theo thời gian. Trường vô hướng này thể hiện lực hút hoặc lực đẩy, tùy thuộc vào tỷ số giữa động năng và thế năng của nó. Các nhà nghiên cứu cho rằng trường vô hướng này sẽ là lực đẩy vào khoảng 3,5 tỷ năm sau khi vũ trụ ra đời, nhưng lúc đó mật độ năng lượng của vật chất chi phối sự giãn nở của vũ trụ nên tốc độ giãn nở giảm dần. Mãi cho đến khoảng 9,8 tỷ năm sau khi vũ trụ ra đời, mật độ năng lượng của vật chất giảm dần khi vũ trụ trở nên lớn hơn, và năng lượng tối đóng vai trò chi phối, khiến vũ trụ giãn nở với tốc độ gia tốc.
Một biểu đồ về sự tiến hóa của vũ trụ trong 13,7 tỷ năm kể từ Vụ nổ lớn. Vũ trụ đã mở rộng trong 13,7 tỷ năm này và sự giãn nở của vũ trụ đã tăng tốc trong vài tỷ năm qua.
Nhưng nếu năng lượng tối thực sự là một trường vô hướng thay đổi theo thời gian, thì những thay đổi trong thành phần của nó có thể khiến lực đẩy biến mất. Trong một bài báo đăng trên PNAS gần đây, Steinhardt và hai đồng nghiệp là Anna Ijjas và Cosmin Andrei đã phát triển một mô hình vũ trụ bao gồm năng lượng tối "thiết yếu", họ đã điều chỉnh các thông số của mô hình để phù hợp với lịch sử giãn nở đã biết của vũ trụ.
Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng mô hình này để mô phỏng điều gì sẽ xảy ra với năng lượng tối như vậy trong tương lai. Họ phát hiện ra rằng mật độ năng lượng của năng lượng tối giảm dần theo thời gian, cuối cùng hoạt động giống như vật chất bình thường. Quá trình chuyển đổi này có thể đạt được trong 65 triệu năm, khiến sự giãn nở của vũ trụ ngừng tăng tốc tại thời điểm đó. Và 100 triệu năm nữa, năng lượng tối sẽ trở nên hấp dẫn, khiến vũ trụ bắt đầu co lại.
Mặc dù mô hình dự đoán rằng thời điểm vũ trụ bắt đầu co lại không còn xa, nhưng các nhà nghiên cứu cho biết ban đầu nó rất chậm và có thể mất hàng tỷ năm để vũ trụ đạt được một nửa kích thước ngày nay. Nhưng mặt khác, tất cả những quan sát của chúng ta về sự giãn nở của vũ trụ đến từ những vật thể cách xa hàng triệu đến hàng tỷ năm ánh sáng cho chúng ta biết về quá khứ của vũ trụ, không phải hiện tại hay tương lai của nó. Vì vậy, cũng có thể vũ trụ đã bắt đầu thu nhỏ lại và chúng ta sẽ không nhận ra điều đó cho đến một thời gian dài sau đó.
Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa có cách nào để biết chắc liệu năng lượng tối có thực sự là một "chất" hay liệu sự giãn nở của vũ trụ đã bắt đầu chậm lại. Công trình của Steinhardt và cộng sự chỉ dựa trên một mô hình năng lượng tối đặc biệt. Hiểu biết về năng lượng tối này có đúng không? Có lẽ phải đợi những quan sát sau này mới cho chúng ta biết câu trả lời.
