Trái Đất của chúng ta rồi sẽ đến hồi kết. Nhưng khi nào? Rất có thể là khoảng 5 tỷ năm nữa, khi Mặt Trời tàn lụi phình to, trở thành một khối cầu đỏ khổng lồ, và nuốt chửng Trái Đất. Tuy nhiên, Trái Đất chỉ là một hành tinh trong hệ Mặt Trời, và Mặt Trời chỉ là một trong hàng trăm tỷ ngôi sao trong một thiên hà. Rồi còn hàng trăm tỷ thiên hà trong vũ trụ, và đó mới chỉ là phần vũ trụ quan sát được. Vậy sự hủy diệt của vũ trụ sẽ diễn ra như thế nào? Đây là câu hỏi mà khoa học chưa có câu trả lời rõ ràng. Dựa trên những kiến thức vật lý mà con người có được cho đến nay, có một số kịch bản có thể dẫn đến sự kết thúc của vũ trụ, bao gồm Big Freeze (Đóng Băng Lớn), Big Crunch (Sụp Đổ Lớn), Big Change (Thay Đổi Lớn), và Big Rip (Xé Toạc Lớn).
Vụ Nổ Cuối Cùng: Siêu Tân Tinh Của Sao Lùn Đen
Nghiên cứu của phó giáo sư vật lý Matt Caplan tại Đại học Illinois dự đoán rằng vụ nổ cuối cùng diễn ra trong vũ trụ sẽ là siêu tân tinh của một sao lùn đen. Hàng nghìn tỷ năm sau khi mọi thứ trong vũ trụ đã chết, ánh sáng từ vụ nổ cũng tắt lịm. Khi vũ trụ tiếp tục giãn nở, nguồn cung cấp khí cần thiết để hình thành các ngôi sao mới sẽ cạn kiệt. Cuối cùng, không còn ngôi sao nào được sinh ra. Các ngôi sao hiện tại sẽ chết, để lại tàn dư bao gồm lỗ đen, sao neutron và sao lùn trắng.
Không giống như hầu hết các ngôi sao lớn nhất trong vũ trụ, sao lùn trắng không nổ tung trong các vụ nổ siêu tân tinh. Thay vào đó, chúng co lại trong hàng triệu năm, cuối cùng trở thành sao lùn đen, không phát ra ánh sáng hay nhiệt. Chúng sẽ co lại đến kích thước của Trái Đất, với khối lượng lớn bằng Mặt Trời. Lúc này, các phản ứng hạt nhân sẽ diễn ra bên trong sao lùn đen, nhưng với tốc độ chậm hơn nhiều so với các ngôi sao hiện tại như Mặt Trời. Các phản ứng có thể dẫn đến các vụ nổ thông qua hiệu ứng đường hầm lượng tử.
Hiệu ứng đường hầm lượng tử là hiệu ứng lượng tử mô tả sự chuyển đổi của một hệ vật chất từ trạng thái này sang trạng thái khác. Các phản ứng hạt nhân thông qua đường hầm lượng tử sẽ biến ngôi sao thành kim loại trong một thời gian rất dài. Khi ngôi sao chứa đủ kim loại, nó sẽ nổ rất nhanh, giống như vụ nổ siêu tân tinh ngày nay. Trong các ngôi sao như Mặt Trời, phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra vì các hạt nhân dễ dàng di chuyển và va chạm với nhau. Nhưng sao lùn đen không có đủ năng lượng để thúc đẩy phản ứng nhiệt hạch. Tuy nhiên, hạt nhân vẫn có thể kết hợp, vượt qua rào cản từ lực đẩy tĩnh điện.
Ước tính vụ nổ siêu tân tinh của sao lùn đen đầu tiên sẽ xảy ra sau 10^1100 năm, trong khi vụ nổ cuối cùng sẽ xảy ra sau khoảng 10^32000 năm. Để bạn dễ hình dung, 10^32000 năm tương đương với việc cần một triệu năm để một phản ứng tổng hợp xảy ra bên trong một sao lùn đen. Các sao lùn đen lớn nhất sẽ nổ trước, trong khi các ngôi sao nhỏ hơn mất nhiều thời gian hơn để tiến đến vụ nổ. Sau khi vụ nổ cuối cùng xảy ra, không còn gì tồn tại, vũ trụ sẽ trở thành một nơi lạnh lẽo và tối tăm.
Các Kịch Bản Diệt Vong Khác Của Vũ Trụ
1. Sự Diệt Vong Do Nhiệt (Big Freeze)
Theo nhiệt động lực học, môn khoa học nghiên cứu về nhiệt, “cái chết nhiệt đang đến gần”. Không phải từ ngọn lửa hung tàn, mà do sự khác biệt về nhiệt. Hầu như mọi thứ xảy ra trong cuộc sống hàng ngày đều có sự khác biệt về nhiệt, trực tiếp hoặc gián tiếp. Ví dụ, một chiếc xe chạy vì động cơ bên trong nóng hơn bên ngoài, máy tính chạy bằng điện do nhà máy điện tạo ra, các nhà máy điện hoạt động bằng cách đun nóng nước để lấy nhiệt chạy tua-bin,… Con người sống nhờ thức ăn, thức ăn có được là nhờ sự khác biệt nhiệt độ lớn giữa Mặt Trời và phần còn lại của vũ trụ.
Tuy nhiên, khi vũ trụ tiến gần đến sự hủy diệt nhiệt, thì mọi thứ ở khắp mọi nơi sẽ có cùng nhiệt độ. Điều này có nghĩa là, sẽ không có gì xảy ra nữa. Sau khi nhiệt động lực học ra đời vào đầu những năm 1800, sự tuyệt chủng nhiệt dường như là cách duy nhất có thể khiến vũ trụ diệt vong. Tuy nhiên, 100 năm trước, thuyết tương đối rộng của Albert Einstein cho thấy, số phận vũ trụ sẽ có một kết thúc kịch tính hơn nhiều.
Vật chất trong vũ trụ, theo Einstein, quyết định số phận cuối cùng của chính vũ trụ. Thuyết này dự đoán rằng toàn bộ vũ trụ sẽ giãn nở hoặc co lại, nhưng không thể duy trì kích thước như hiện tại. Einstein nhận ra điều này vào năm 1917, nhưng vẫn ngần ngại tin vào học thuyết của chính mình. Vũ trụ diệt vong do “băng giá” (Big Freeze). Vũ trụ sẽ tiếp tục giãn nở cho đến khi khối lượng vật chất bị đẩy đến một ngưỡng tới hạn, không thể tạo ra đủ lực hấp dẫn nữa, mọi thứ tan rã, và cuối cùng là một cảnh tượng hủy diệt trong băng giá.
Cho đến năm 1929, nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble đã tìm thấy bằng chứng cụ thể cho thấy vũ trụ đang giãn nở. Einstein đã thay đổi suy nghĩ, và cho rằng những gì ông đã khẳng định trước đó về một vũ trụ tĩnh là ‘sai lầm lớn nhất’ trong sự nghiệp của mình. Nếu vũ trụ đang lớn lên, thì nó phải nhỏ hơn nhiều so với ngày nay. Nhận ra điều này, đã dẫn đến sự ra đời của thuyết Big Bang, hay Vụ Nổ Lớn. Thuyết này cho rằng vũ trụ bắt đầu với kích thước rất nhỏ, nhưng sau đó lớn hơn rất nhanh.
2. Sự Diệt Vong Do Sụp Đổ (Big Crunch)
Số phận của vũ trụ, do đó, phụ thuộc vào một câu hỏi rất đơn giản: Liệu vũ trụ sẽ tiếp tục mở rộng, và với tốc độ nào? Câu trả lời là, điều này phụ thuộc vào khối lượng của những thứ “bình thường”, như vật chất và ánh sáng, trong vũ trụ. Khối lượng vật chất càng lớn, sẽ tạo ra lực hấp dẫn càng lớn, giúp kéo mọi thứ lại với nhau và làm chậm sự giãn nở của vũ trụ.
Nhưng nếu khối lượng vật chất quá lớn, thì sự giãn nở của vũ trụ sẽ chậm lại và dừng hẳn. Sau đó vũ trụ sẽ bắt đầu co lại. Vũ trụ co lại sẽ trở nên nóng hơn và dày đặc hơn, và cuối cùng sẽ kết thúc với kịch bản đảo ngược của Big Bang, được gọi là Big Crunch, hay Sự Sụp Đổ Lớn. Trong phần lớn thế kỷ 20, các nhà vật lý thiên văn không biết chắc chắn cái kết của vũ trụ sẽ là gì. Liệu đó sẽ là Sự Đóng Băng Lớn hay Sự Sụp Đổ Lớn? Liệu đó sẽ là sự lạnh lẽo hay ngọn lửa thiêu đốt? Họ đã cố gắng tìm ra khối lượng vật chất trong vũ trụ. Kết quả là, hóa ra, chúng ta đang ở một điểm rất gần với ngưỡng sống còn, vì vậy số phận của chúng ta đang trở nên rất bấp bênh.
3. Sự Diệt Vong Do Thay Đổi (Big Change)
Tuy nhiên, mọi thứ đã thay đổi vào cuối thế kỷ 20. Vào năm 1998, hai nhóm các nhà vật lý thiên văn đối thủ đã nhất trí về một vấn đề đáng kinh ngạc: vũ trụ đang giãn nở nhanh chóng. Vật chất thông thường, và năng lượng thông thường, không thể khiến vũ trụ phản ứng như vậy. Đó là bằng chứng đầu tiên về một loại năng lượng mới, được gọi là ‘năng lượng tối’, hoạt động không giống bất cứ thứ gì khác trong vũ trụ.
Chúng ta vẫn chưa hiểu nó là gì, nhưng khoảng 70% năng lượng trong vũ trụ là năng lượng tối và khối lượng này vẫn đang tăng lên mỗi ngày. Sự tồn tại của năng lượng tối, có nghĩa là khối lượng vật chất trong vũ trụ không đủ để có thể quyết định số phận của vũ trụ. Thay vào đó, năng lượng tối kiểm soát vũ trụ và đẩy nhanh vũ trụ đang ngày càng giãn nở. Điều này làm cho kịch bản của Sự Sụp Đổ Lớn trở nên khó xảy ra. Nhưng điều đó không có nghĩa là, khả năng chết do băng giá chắc chắn sẽ xảy ra, vì có những khả năng khác.
Vật lý lượng tử nói rằng, năng lượng luôn ở đó, ngay cả trong một chân không hoàn toàn, tất nhiên trong trường hợp đó, năng lượng sẽ chỉ tồn tại ở mức rất thấp. Nhưng vẫn có một số dạng chân không khác với chân không chúng ta biết, và thậm chí còn có ít năng lượng hơn ở đó. Nếu vậy, thì toàn bộ vũ trụ giống như một cốc nước siêu lạnh và chỉ kéo dài cho đến khi một “bong bóng” chân không có ít năng lượng hơn xuất hiện. Rất may, theo như chúng ta biết, không có bong bóng nào như thế này. Thật không may, vật lý lượng tử cũng gợi ý rằng, nếu môi trường là chân không, có ít năng lượng có khả năng tồn tại, thì bong bóng chứa chân không đó sẽ xuất hiện ở đâu đó trong vũ trụ. Nếu điều đó xảy ra, thì chân không mới này sẽ biến đổi chân không cũ xung quanh nó. Bong bóng này sẽ giãn nở với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, vì vậy chúng ta sẽ không bao giờ nhìn thấy sự xuất hiện của nó kịp thời.
Các thuộc tính của các hạt cơ bản, chẳng hạn như điện từ và các hạt cơ bản (vốn là quark), có thể hoàn toàn khác nhau, và điều này dẫn đến các nguyên tắc hóa học sẽ thay đổi một cách căn bản. Những thay đổi đó rất có thể sẽ khiến các nguyên tử không thể hình thành. Con người, hành tinh và thậm chí cả các ngôi sao sẽ bị phá hủy trong Sự Thay Đổi Lớn này. Trong công trình năm 1980 của mình, các nhà vật lý Sidney Coleman và Frank de Luccia đã gọi đây là “thảm họa sinh thái cuối cùng”. Năng lượng tối có thể hoạt động khác đi sau Sự Thay Đổi Lớn. Thay vì thúc đẩy vũ trụ mở rộng nhanh hơn, thì năng lượng tối lại hút vũ trụ vào nó, khiến vũ trụ co lại thành một Sự Sụp Đổ Lớn.
4. Sự Diệt Vong Do Xé Toạc (Big Rip)
Cuối cùng, vũ trụ diệt vong do sự tan rã, (Big Rip). Có một kịch bản đau thương thứ tư, nơi năng lượng tối một lần nữa chiếm vị trí trung tâm. Đó là năng lượng tối có thể mạnh hơn chúng ta nghĩ, mạnh đến mức nó tự mình xóa sổ vũ trụ mà không cần phải trải qua những thứ như Sự Thay Đổi Lớn, Sự Đóng Băng Lớn, hoặc Sự Sụp Đổ Lớn. Năng lượng tối có một thuộc tính đặc biệt. Khi vũ trụ mở rộng, thì mật độ năng lượng tối, tức là mối tương quan giữa khối lượng và trọng lượng, vẫn không đổi. Điều này có nghĩa là, sẽ có nhiều năng lượng tối xuất hiện theo thời gian để theo kịp kích thước ngày càng tăng của vũ trụ.
Tuy nhiên, điều gì sẽ xảy ra nếu mật độ năng lượng tối tăng lên, trong khi vũ trụ mở rộng? Nói cách khác, điều gì sẽ xảy ra nếu khối lượng năng lượng tối trong vũ trụ tăng lên nhanh hơn nhiều so với tốc độ giãn nở của chính vũ trụ? Ý tưởng này được đề xuất bởi Robert Caldwell từ Đại học Dartmouth ở Hanover, New Hampshire, Hoa Kỳ. Ông gọi nó là “năng lượng tối ma”. Điều này dẫn đến một số phận kỳ lạ bất thường của vũ trụ.
Ngay bây giờ, mật độ năng lượng tối rất thấp, thấp hơn nhiều so với mật độ vật chất trên Trái Đất, hoặc thậm chí mật độ của Dải Ngân hà. Nhưng theo thời gian, mật độ năng lượng tối ma sẽ tăng lên, và nó sẽ làm tan rã vũ trụ. Trong một nghiên cứu năm 2003, Caldwell và các đồng nghiệp của ông đã phác thảo một kịch bản, mà họ gọi là ‘sự kết thúc của vũ trụ’. Khi năng lượng tối ma trở nên dày đặc hơn một vật thể, thì vật thể đó sẽ bị xé nát. Đầu tiên, năng lượng tối ma sẽ làm tan rã Dải Ngân hà. Sau đó, hệ Mặt Trời cũng phân rã, bởi vì lực hút của năng lượng tối sẽ mạnh hơn lực hút của Mặt Trời đối với Trái Đất. Cuối cùng, chỉ trong vòng vài phút lảo đảo, Trái Đất sẽ phát nổ. Sau đó, các phân tử sẽ vỡ ra chỉ trong một phần giây trước khi vũ trụ bị xé toạc.
Kết Luận
Sự Xé Toạc Lớn, như chính Caldwell thừa nhận, là “rất kỳ lạ”. Tuy nhiên, năng lượng tối ma dựa trên một số ý tưởng khá cơ bản về vũ trụ, chẳng hạn như giả định rằng, vật chất và năng lượng không thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Dựa trên các quan sát của chúng ta, về sự giãn nở của vũ trụ và các thí nghiệm vật lý hạt, thì có lẽ lý do có thể gây ra sự diệt vong của vũ trụ, sẽ là Sự Đóng Băng Lớn, lần lượt, sau đó là Sự Thay Đổi Lớn, và cuối cùng là Sự Sụp Đổ Lớn.
Và tất nhiên, không có lý do gì để chúng ta phải lo lắng về sự hủy diệt của vũ trụ. Tất cả những điều này chỉ xảy ra trong hàng nghìn tỷ năm tới, ngoại trừ Sự Thay Đổi Lớn. Tương tự như vậy, không có lý do gì để lo lắng về nhân loại. Bởi vì sự biến đổi gen sẽ khiến con cái chúng ta thay đổi đến mức không thể nhận ra.