Vũ trụ đã trải qua 13.8 tỷ năm mở rộng không ngừng kể từ khi nó được sinh ra từ một điểm kỳ dị cực nhỏ. Từ một điểm khởi đầu khiêm tốn, nó đã phát triển đến kích thước khổng lồ như chúng ta thấy ngày nay. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đây đã đưa ra một dự đoán gây sốc: sự giãn nở này có thể sẽ kết thúc trong 100 triệu năm tới, và vũ trụ sẽ bắt đầu co lại. Hãy cùng khám phá những bí ẩn đằng sau dự đoán này.
Sự Giãn Nở của Vũ Trụ: Từ Điểm Kỳ Dị Đến Quy Mô Khổng Lồ
Theo các kết luận của vũ trụ học tiêu chuẩn, vũ trụ của chúng ta đã tồn tại khoảng 13.8 tỷ năm. Trong suốt khoảng thời gian đó, vũ trụ đã dần mở rộng từ một điểm kỳ dị rất nhỏ ban đầu đến quy mô rộng lớn không thể so sánh được như ngày nay. Hiện tại, vũ trụ không chỉ tiếp tục mở rộng mà còn đang tăng tốc, khiến các nhà vật lý phải đưa ra khái niệm về năng lượng tối để giải thích sự gia tăng tốc độ bất thường này. Tuy nhiên, chúng ta vẫn biết rất ít về bản chất của năng lượng tối.
Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) cho thấy một trạng thái năng lượng tối có thể khiến vũ trụ ngừng giãn nở và bắt đầu co lại trong tương lai gần. Theo đó, sau 65 triệu năm nữa, sự giãn nở của vũ trụ sẽ không còn tăng tốc và sau 100 triệu năm, sự giãn nở này sẽ hoàn toàn dừng lại và bắt đầu co lại.
Thuyết Tương Đối của Einstein và Sự Phát Hiện Về Sự Giãn Nở
Năm 1915, Einstein tạo ra thuyết tương đối rộng, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng khi đưa vũ trụ học trở thành một môn khoa học thực sự. Các phương trình trường của Einstein chứa đựng những câu trả lời cho các câu hỏi về nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ. Tuy nhiên, phương trình này ban đầu gây khó khăn cho các nhà vật lý vì nó không mô tả một vũ trụ tĩnh mà chỉ cho thấy một vũ trụ luôn giãn nở hoặc co lại.
Để phù hợp với mô hình vũ trụ học thời đó, Einstein đã sửa đổi phương trình và thêm vào một “hằng số vũ trụ” để có được một giải pháp vũ trụ học tĩnh. Tuy nhiên, những quan sát thiên văn sau đó đã khiến mọi người ngạc nhiên. Năm 1929, nhà thiên văn học Edwin Hubble quan sát thấy sự dịch chuyển đỏ của các thiên hà bên ngoài, điều này có nghĩa là các thiên hà này đang di chuyển ra xa chúng ta. Sự giãn nở của vũ trụ, được dự đoán bởi các phương trình trường của Einstein, có thể giải thích hiện tượng này. Do đó, phương trình không có giải pháp tĩnh và việc thêm hằng số vũ trụ là không cần thiết. Sau này, Einstein đã rút lại những sửa đổi của mình và thừa nhận rằng việc đưa ra hằng số vũ trụ là sai lầm lớn nhất của ông.
Năng Lượng Tối: Bí Ẩn Đằng Sau Sự Tăng Tốc Giãn Nở
Vấn đề không dừng lại ở đó. Hiện tại, vũ trụ của chúng ta đang giãn nở. Khi vũ trụ lớn hơn, mật độ vật chất trong vũ trụ trở nên nhỏ hơn và mật độ năng lượng tương ứng cũng sẽ nhỏ hơn. Theo dự đoán của phương trình trường Einstein, sự giãn nở của vũ trụ sẽ dần chậm lại. Tuy nhiên, các quan sát thiên văn một lần nữa vượt quá mong đợi của mọi người. Năm 1998, các nhà thiên văn học tính toán tốc độ giãn nở của vũ trụ dựa trên dữ liệu quan sát siêu tân tinh và phát hiện ra rằng sự giãn nở của vũ trụ không chậm lại mà đang tăng tốc.
Các nhà vật lý đã rất bối rối khi phát hiện ra rằng tốc độ giãn nở của vũ trụ không giảm đi mà lại tăng lên. Để giải thích điều này, các nhà vật lý cho rằng có một lớp vật chất không xác định trong vũ trụ, mà mật độ năng lượng của nó không giảm đi khi vũ trụ lớn hơn, mà vẫn giữ nguyên. Vì vậy, khi vũ trụ mở rộng gấp đôi kích thước ban đầu, tổng lượng năng lượng này cũng tăng gấp đôi. Việc kết hợp năng lượng không xác định này vào một mô hình vũ trụ học tương đương với việc thêm vào hằng số vũ trụ đã bị Einstein bác bỏ, cho phép các phương trình trường của Einstein đưa ra các giải pháp cho sự giãn nở tăng tốc. Năng lượng không xác định này hiện được gọi là “năng lượng tối”. Các nhà vật lý ước tính rằng năng lượng tối chiếm khoảng 70% toàn bộ vũ trụ ngày nay để phù hợp với các quan sát về sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ.
Tuy nhiên, bản chất chính xác của năng lượng bí ẩn này là gì và nó được mô tả như thế nào trong vật lý, cho đến nay, giới khoa học vẫn còn rất nhiều tranh cãi. 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 tối không phải là hằng số, mà thay đổi theo thời gian, thì vũ trụ có khả năng sẽ ngừng giãn nở và bắt đầu co lại trong tương lai, và điều này sẽ mất ít nhất 100 triệu năm.
“Tinh Túy” và Sự Thay Đổi Vận Mệnh của Vũ Trụ
Năm 1998, ba nhà vật lý, bao gồm Paul Steinhardt, đã công bố một bài báo đề xuất giả thuyết rằng năng lượng tối là “tinh túy”. 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 đại diện cho sự hấp dẫn hoặc lực đẩy, tùy thuộc vào tỷ lệ năng lượng động của nó với năng lượng thế của nó. Các nhà nghiên cứu cho biết trường vô hướng này sẽ là lực đẩy khoảng 3,5 tỷ năm sau khi vũ trụ ra đời, nhưng vào thời điểm đó, mật độ năng lượng của vật chất chi phối sự giãn nở của vũ trụ, vì vậy tốc độ giãn nở giảm. Mãi cho đến khoảng 9,8 tỷ năm sau khi vũ trụ ra đời, mật độ năng lượng của vật chất giảm khi vũ trụ lớn hơn, và năng lượng tối đóng vai trò chi phối, khiến vũ trụ giãn nở với tốc độ tăng tốc.
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 làm cho lực đẩy biến mất. Trong một bài báo được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences gần đây, Steinhardt và hai đồng nghiệp, Anna Ijjas và Cosmin Andrei, đã phát triển một mô hình vũ trụ bao gồm năng lượng tối “tinh túy”. Họ đã điều chỉnh các tham số của mô hình để phù hợp với lịch sử giãn nở đã biết của vũ trụ. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô hình này để mô phỏng điều gì sẽ xảy ra với năng lượng tối đó trong tương lai.
Họ phát hiện ra rằng mật độ năng lượng của năng lượng tối giảm theo thời gian, cuối cùng hoạt động như vật chất bình thường. Sự 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 kể từ bây giờ, năng lượng tối sẽ trở thành lực 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, các nhà nghiên cứu nói rằng nó sẽ rất chậm vào lúc đầu và có thể mất hàng tỷ năm để vũ trụ đạt đến một nửa kích thước hiện tại của nó.
Tương Lai Bất Định
Mặt khác, tất cả các quan sát của chúng ta về sự giãn nở của vũ trụ, đến từ các vật thể cách chúng ta 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 co lại và chúng ta sẽ không nhận ra điều đó cho đến một thời gian dài sau đó.
Tuy nhiên, chúng ta vẫn không có cách nào để biết chắc chắn liệu năng lượng tối có thực sự là một “chất” hay không, hay liệu sự giãn nở của vũ trụ đã bắt đầu chậm lại hay chưa. Công trình của Steinhardt và cộng sự chỉ dựa trên một mô hình năng lượng tối cụ thể. Liệu sự hiểu biết này về năng lượng tối có chính xác không? Có lẽ chúng ta phải chờ các quan sát sau này để trả lời câu hỏi này.
Kết Luận
Nghiên cứu mới nhất về năng lượng tối đã mang đến một góc nhìn mới mẻ về tương lai của vũ trụ. Mặc dù vẫn còn nhiều bí ẩn chưa được giải đáp, những khám phá này cho thấy rằng sự giãn nở của vũ trụ có thể không kéo dài mãi mãi. Liệu chúng ta có thực sự đang tiến gần đến giai đoạn vũ trụ bắt đầu co lại? Câu trả lời vẫn còn nằm trong tương lai, nhưng những nghiên cứu này chắc chắn sẽ tiếp tục thúc đẩy các nhà khoa học khám phá những bí mật sâu thẳm nhất của vũ trụ.