Vũ trụ sẽ diệt vong như thế nào?

Trái Đất của chúng ta rồi sẽ đến hồi tiêu vong. Nhưng là khi nào?

Rất có thể sẽ là vào khoảng sáu tỷ năm nữa, Mặt Trời trong cơn hấp hối sẽ phình to ra thành một khối Đỏ khổng lồ và nuốt trọn Trái Đất.

Thế nhưng Trái Đất chỉ là một hành tinh trong hệ Mặt Trời, Mặt Trời chỉ là một trong số hàng trăm tỷ ngôi sao trong một dải ngân hà, và có đến hàng trăm tỷ dải ngân hà trong vũ trụ, mà đó là chỉ mới tính đến những phần vũ trụ ta có thể quan sát được.

Vậy sự diệt vong của vũ trụ sẽ diễn ra như thế nào? Đây là câu hỏi mà khoa học đến nay vẫn chưa tìm được câu trả lời rõ ràng.

Tuy nhiên, dựa trên những kiến thức vật lý mà con người đã có được cho tới nay thì có một số kịch bản có thể dẫn đến sự diệt vong của vũ trụ, gồm Vụ Băng Giá Lớn (Big Freeze), Vụ Co Lớn (Big Crunch), Vụ Thay Đổi Lớn (Big Change), và Vụ Xé Lớn (Big Rip).

Phỏng đoán ban đầu: Diệt vong do nhiệt

Vũ trụ được cho là sẽ kết thúc theo một trong bốn cách: do băng giá, do bị co lại, do bị thay đổi, hoặc do bị xé nát.

Theo nhiệt động lực học, tức khoa học nghiên cứu về nhiệt, thì "cái chết do nhiệt đang tới gần". Không phải do ngọn lửa cuồng nộ, mà là do sự khác biệt về nhiệt.

Nghe tưởng chừng không sao, nhưng cái chết kiểu này rùng rợn hơn nhiều so với việc bị nướng chín.

Hầu như mọi thứ diễn ra trong cuộc sống hàng ngày đều có sự khác biệt về nhiệt, trực tiếp hoặc gián tiếp.

Chẳng hạn, xe hơi chạy do nhiệt độ bên trong động cơ nóng hơn bên ngoài, máy tính hoạt động nhờ vào nguồn điện do nhà máy phát điện tạo ra, nhà máy phát điện hoạt động bằng cách đun nóng nước để lấy nhiệt làm chạy turbine v.v...

Con người tồn tại được nhờ thực phẩm mà thực phẩm có được là do có sự khác biệt lớn về nhiệt độ giữa Mặt Trời và phần còn lại của vũ trụ.

Tuy nhiên, khi vũ trụ tiến đến mức diệt vong do nhiệt thì tất cả mọi thứ ở khắp nơi sẽ có cùng nhiệt độ. Điều này có nghĩa là sẽ không còn hiện tượng gì xảy ra nữa.

Sau khi môn nhiệt động lực học ra đời vào đầu những năm 1800, sự diệt vong do nhiệt dường như là cách khả dĩ duy nhất khiến cho vũ trụ tiêu tan.

Các dải ngân hà, như dải M74 này, đang ngày càng cách xa chúng ta hơn

Tuy nhiên, 100 năm trước đây, thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein cho thấy số phận vũ trụ sẽ có một kết cục kịch tính hơn nhiều.

Vật chất trong vũ trụ, theo Einstein, quyết định số phận chung cuộc của chính vũ trụ.

Thuyết này dự đoán toàn thể vũ trụ sẽ mở rộng ra hoặc sẽ thu hẹp lại chứ không thể duy trì kích thước như cũ.

Einstein đã nhận ra điều này vào năm 1917, nhưng ngần ngại không dám tin vào học thuyết của chính mình.

Diệt vong do băng giá (Vụ Băng Giá Lớn - Big Freeze)

Vũ trụ đã mở rộng ra nhiều so với lúc mới hình thành

Cho đến 1929, nhà thiên văn học Mỹ Edwin Hubble đã tìm thấy những bằng chứng cụ thể cho thấy vũ trụ đang mở rộng.

Einstein đã thay đổi suy nghĩ và cho rằng điều mà ông khăng khăng trước đó về một vũ trụ tĩnh là ‘sai lầm lớn nhất’ trong sự nghiệp của mình.

Nếu vũ trụ đang lớn dần lên thì chắc hẳn kích thước của nó đã từng nhỏ hơn nhiều so với hiện nay.

Việc nhận ra điều này đã dẫn đến sự ra đời của thuyết Big Bang, tức Vụ Nổ Lớn. Thuyết này cho rằng vũ trụ khởi thủy có kích thước vô cùng nhỏ nhưng sau đó đã lớn dần lên hết sức nhanh chóng.

Số phận của vũ trụ, do đó, tùy thuộc vào một câu hỏi rất đơn giản: liệu vũ trụ có tiếp tục mở rộng hay không và với tốc độ nhanh tới mức nào?

Câu trả lời là điều này tùy thuộc vào khối lượng những "thứ" bình thường như vật chất và ánh sáng có trong vũ trụ.

Khối lượng vật chất càng lớn sẽ càng tạo trọng lực lớn hơn, qua đó sẽ giúp kéo mọi thứ lại với nhau và làm chậm lại quá trình mở rộng của vũ trụ.

Vũ trụ sẽ tiếp tục mở rộng cho tới khi khối lượng vật chất bị đẩy tới ngưỡng sống còn, không tạo đủ trọng lực được nữa, mọi thứ trở nên tan rã và cuối cùng là cảnh hủy diệt trong băng giá.

Diệt vong do sức nóng (Vụ Co Lớn - Big Crunch)

Vũ trụ sẽ tiêu vong khi bị co lại trong Vụ Co Lớn

Nhưng nếu khối lượng vật chất là quá lớn thì sự mở rộng của vũ trụ sẽ chậm lại và dừng hẳn. Khi đó vũ trụ sẽ bắt đầu thu nhỏ lại.

Vũ trụ thu nhỏ lại sẽ trở nên nóng hơn và cô đặc hơn và cuối cùng sẽ kết thúc với kịch bản đảo ngược của Big Bang được gọi là Big Crunch, hay Vụ Co Lớn.

Trong phần lớn thế kỷ 20, các nhà vật lý học vũ trụ không biết chắc kết cục của vũ trụ sẽ là kịch bản nào. Sẽ là Vụ Băng Giá Lớn hay Vụ Co Lớn? Sẽ là giá rét hay rừng rực lửa cháy?

Họ đã cố tìm hiểu xem khối lượng vật chất trong vũ trụ là chừng nào. Kết quả là hóa ra chúng ta đang ở thời điểm rất gần với ngưỡng sống còn, cho nên số phận của chúng ta đang trở nên rất bấp bênh.

Thế nhưng, tất cả mọi thứ đã thay đổi vào cuối thế kỷ 20. Vào năm 1998, hai nhóm nhà vật lý học vũ trụ cạnh tranh nhau đã cùng nhất trí về một nội dung đáng kinh ngạc: vũ trụ đang mở rộng một cách nhanh chóng.

Vật chất bình thường và năng lượng bình thường không thể khiến cho vũ trụ phản ứng như thế. Đó là bằng chứng đầu tiên của một loại năng lượng mới được gọi là ‘năng lượng tối’ vốn hoạt động không giống bất kỳ thứ gì khác trong vũ trụ.

Vụ Co Lớn rất có thể sẽ đẩy vũ trụ vào một kết cục tan tành khốc liệt

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 nhiều để có thể quyết định số phận của vũ trụ.

Thay vào đó, năng lượng tối kiểm soát vũ trụ và tăng tốc quá trình mở rộng không ngừng của vũ trụ. Điều này làm cho kịch bản của Vụ Co Lớn khó xảy ra.

Thế nhưng điều đó không có nghĩa là khả năng diệt vong do băng giá chắc chắn sẽ xảy ra, bởi còn có những khả năng khác.

Thuyết vật lý lượng tử cho rằng năng lượng luôn tồn tại, thậm chí trong một môi trường chân không hoàn toàn, tất nhiên trong trường hợp đó thì năng lượng sẽ chỉ tồn tại ở mức rất ít.

Thế nhưng vẫn có một số dạng môi trường chân không khác với những môi trường chân không mà ta đã biết, và ở đó có chứa năng lượng còn ít hơn nữa.

Nếu đúng vậy thì toàn thể vũ trụ giống như một ly nước siêu lạnh và chỉ tồn tại cho đến khi một ‘bong bóng’ chân không có ít năng lượng hơn xuất hiện.

Điều may mắn là theo những gì chúng ta biết được thì không hề có những bong bóng kiểu này.

Điều không may là vật lý lượng tử cũng cho rằng nếu môi trường chân không có ít năng lượng có khả năng tồn tại thì bong bóng có chứa môi trường chân không đó sẽ xuất hiện đâu đó trong vũ trụ.

Nếu điều đó xảy ra thì môi trường chân không mới này sẽ chuyển hóa môi trường chân không cũ xung quanh nó. Bong bóng này sẽ mở rộng ở tốc độ gần như tốc độ ánh sáng, cho nên chúng ta sẽ không bao giờ kịp nhìn thấy sự xuất hiện của nó.

Diệt vong do thay đổi (Vụ Thay Đổi Lớn - Big Change)

Những thuộc tính của những hạt cơ bản như hạt điện tử và hạt sơ cấp (quarks) có thể sẽ hoàn toàn khác đi, và điều này dẫn tới việc các nguyên lý hóa học sẽ thay đổi một cách căn bản. Những thay đổi đó rất có thể sẽ khiến cho các nguyên tử không thể hình thành.

Con người, các hành tinh và thậm chí các vì sao sẽ bị hủy diệt trong Vụ Thay Đổi Lớn này.

Trong công trình nghiên cứu vào năm 1980, các nhà vật lý Sidney Coleman và Frank de Luccia gọi đây là ‘thảm họa sinh thái cuối cùng’.

Năng lượng tối có thể hành xử khác đi sau Vụ Thay Đổi Lớn. Thay vì thúc đẩy cho vũ trụ mở rộng ra nhanh chóng hơn thì năng lượng tối lại hút vũ trụ vào nó, khiến vũ trụ co lại thành một Vụ Co Lớn.

Diệt vong do bị tan rã (Vụ Xé Lớn - Big Rip)

Trong Vụ Xé Lớn, các hành tinh, các ngôi sao và mọi thứ sẽ bị xé nát, tơi tả

Có thêm một kịch bản đau thương thứ tư, mà lần này năng lượng tối một lần nữa lại giữ vị trí trung tâm. Đó là năng lượng tối có thể mạnh hơn chúng ta tưởng, mạnh tới mức tự nó xóa sổ vũ trụ mà không cần phải trải qua những thứ như Vụ Thay Đổi Lớn, Vụ Băng Giá Lớn, hay Vụ Co Lớn.

Năng lượng tối có một tính chất đặc thù. Khi vũ trụ mở rộng ra thì tỷ trọng của năng lượng tối, tức tương quan giữa khối lượng và trọng lượng, vẫn không đổi. Điều này có nghĩa là sẽ có thêm 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 tỷ trọng của 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 nhanh hơn nhiều so với tốc độ mở rộng của của chính vũ trụ?

Ý tưởng này được Robert Caldwell từ Đại học Dartmouthở Hanover, New Hampshire, Hoa Kỳ, đưa ra. Ông gọi nó là ‘năng lượng tối bóng ma’. Điều này dẫn đến một số phận kỳ lạ khác thường của vũ trụ.

Ngay lúc này, tỷ trọng năng lượng tối đang rất thấp, thấp hơn nhiều so với tỷ trọng của vật chất trên Trái Đất hay thậm chí là tỷ trọng của Dải Ngân Hà.

Nhưng theo thời gian, tỷ trọng của năng lượng tối bóng ma sẽ tăng lên và nó sẽ làm tan rã vũ trụ.

Trong một nghiên cứu hồi năm 2003, Caldwellvà các cộng sự phác thảo ra một kịch bản mà họ gọi là ‘ngày tận thế của vũ trụ’.

Một khi năng lượng tối bóng ma trở nên dày đặc hơn một vật thể nào đó thì vật thể đó sẽ bị xé ra tơi tả.

Trước hết, năng lượng tối bóng ma sẽ làm tan rã Dải Ngân Hà. Sau đó hệ Mặt Trời cũng bị phân rã do lực kéo của năng lượng tối sẽ mạnh hơn sức hút của Mặt Trời đối với Trái Đất.

Cuối cùng, chỉ trong vòng một vài phút quay cuồng Trái Đất sẽ nổ tung. Khi đó, các phân tử sẽ vỡ tan chỉ trong một phần giây trước khi vũ trụ bị xé nát. Caldwell gọi đây là Vụ Xé Lớn.

Vụ Xé Lớn, theo thừa nhận của chính Caldwell, là "rất kỳ lạ".

Năng lượng tối bóng ma được nêu ra dựa trên một số ý tưởng khá căn bản về vũ trụ, chẳng hạn như giả định cho rằng vật chất và năng lượng không thể đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Dựa trên những quan sát của chúng ta đối với sự mở rộng của vũ trụ và các thí nghiệm vật lý hạt thì có lẽ lý do khả dĩ dẫn tới sự tiêu vong của vũ trụ lần lượt sẽ Vụ Băng Giá Lớn, sau đó đến Vụ Thay Đổi Lớn và cuối cùng là Vụ Co Lớn.

Thế nhưng đương nhiên là không có lý do để chúng ta phải lo lắng về sự hủy diệt của vũ trụ. Tất cả những điều này chỉ xảy ra trong hàng ngàn tỷ năm tới ngoại trừ Vụ Thay Đổi Lớn.

Tương tự, không có lý do gì để lo lắng cho nhân loại. Sự biến đổi di truyền sẽ khiến cho con cháu chúng ta biến đổi đến mức không thể nhận ra.

Adam Becker