Năng lượng tối là gì?

Trong phần này, đầu óc của bạn bùng nổ bởi vũ trụ đang dãn nở của chúng ta

Có lẽ bạn đang choáng váng trước thực tế rằng những thứ bạn nghĩ là mình đã biết về vũ trụ hóa ra chỉ vừa vặn ghi được 5% số điểm cho một bài thi chuẩn được tổ chức bởi những giống loài thông minh du hành vũ trụ. Hãy đối mặt với nó, có lẽ cơ hội của bạn đậu vào một trường đại học ngoài hành tinh là hết sức thấp. Nhắc lại những điều chúng ta biết với tư cách loài người, dưới đây là biểu đồ cột chất chồng của vũ trụ (xin lỗi bạn, chúng tôi đang dùng cạn các loại đồ thị rồi):

Hãy tưởng tượng, cả cuộc đời mình bạn nghĩ rằng mình đã có một ngôi nhà vui vẻ và rộng rãi, và choán ngợp tâm hồn bạn là bạn cảm thấy mình đã có đầy đủ mọi thứ. Rồi một ngày kia bạn phát hiện thấy thật ra nó chỉ là năm tầng dưới cùng trong một tòa nhà xa hoa một trăm tầng. Đột ngột tình trạng sống của bạn vừa trở nên phức tạp hơn. Hai mươi bảy tầng kia thuộc về thứ gì đó nặng nề nhưng vô hình mà chúng ta gọi là vật chất tối. Chúng có thể là những láng giềng thân thiện hoặc chúng có thể là những láng giềng xa lạ. Vì một số lí do nào đó, chúng luôn tránh mặt bạn ở những lối đi chung.

Tròn sáu mươi tám tầng kia thì gần như bí ẩn hoàn toàn. 68% còn lại này của vũ trụ là cái các nhà vật lí đang gọi là “năng lượng tối”. Nó là mảng thực tại to lớn nhất, và ta hầu như chẳng biết nó là cái gì.

Trước tiên, bạn có thể tự hỏi vì sao nó được gọi là năng lượng tối. Quả thật ta có thể gọi nó bằng bất cứ thứ gì. Tại sao lại là bất cứ thứ gì? Bởi vì ta hầu như chẳng biết gì về nó ngoại trừ là nó đang làm cho vũ trụ dãn nở rất nhanh.

Câu hỏi thứ hai bạn có thể đặt ra là “Làm thế nào chúng ta biết là nó ở ngoài đấy?” Và câu trả lời là: khá tình cờ thôi. Nó xuất hiện hoàn toàn bất ngờ đối với các nhà khoa học, thật ra thì họ đang cố tìm câu trả lời cho một câu hỏi khác. Họ đang cố đo xem sự dãn nở của vũ trụ đang chậm đi bao nhiêu, và thay vào đó họ vướng phải thực tế là sự dãn nở đó không hề chậm đi mà còn diễn ra ngày càng nhanh hơn. Đã đến lúc tiến lên các cầu thang và tìm hiểu xem những tầng trên bí ẩn này rốt cuộc là cái gì.

Vũ trụ đang dãn nở của chúng ta

Để thấy được người ta đã bất ngờ và điên dại như thế nào khi mà hơn hai phần ba ngân quỹ năng lượng của vũ trụ lại được khám phá trong khi người ta đang tìm kiếm thứ gì đó khác, ta phải đi ngược lịch sử và bắt đầu với câu hỏi ban đầu đã đưa đến khám phá này:

Phải chăng vũ trụ của chúng ta có một sự khởi đầu, hay nó tồn tại ở dạng thức hiện nay của nó mãi mãi?

Câu hỏi này trông có vẻ như đơn giản, nhưng thật ra nó khá nổi cộm. Mới một trăm năm trước đây thôi, đa số các nhà khoa học thời thượng đều cho rằng hiển nhiên vũ trụ có mặt như thế vĩnh hằng và sẽ tiếp tục như thế mãi mãi. Cái chưa từng xảy ra với đa số mọi người là vũ trụ của chúng ta đang biến đổi. Đối với họ, tất cả các ngôi sao và hành tinh tồn tại ở trạng thái chuyển động lơ lửng vĩnh viễn, giống như một giàn đèn treo dưới trần nhà hay một căn phòng chứa đầy đồng hồ không bao giờ ngừng chạy.

Nhưng rồi một ngày kia các nhà thiên văn bắt đầu để ý thấy cái gì đó kì lạ. Họ đo ánh sáng đến các từ các ngôi sao và thiên hà xung quanh chúng ta, và kết luận rằng mọi thứ đang chuyển động ra xa nhau. Vũ trụ không chịu nằm yên ở đây... nó đang dãn nở.

Và nếu vũ trụ luôn luôn dãn nở, thì như thế có nghĩa là hiện nay nó to hơn trước đây. Và nếu bạn tiếp tục suy nghĩ theo hướng này và lùi ngược dòng thời gian, thì bạn có thể tưởng tượng rằng vũ trụ tại một lúc nào đó là rất nhỏ.

Nhiều nhà vật lí cho rằng ý tưởng này thật lố bịch và họ mỉa may gọi lí thuyết này là “Vụ Nổ Lớn” (Big Bang). Nếu những nhà khoa học ấy sống vào thời nay, thì có lẽ họ sẽ đưa tay lên trời, tròn xoe mắt, và chối bay rằng họ nói thế bao giờ chứ. Nó là một tên gọi gây khó dễ cho những ai đề xuất ý tưởng này, nhưng chẳng hiểu sao tên gọi cứ giữ luôn từ đó. Bạn biết có cái gì đó đang làm thay đổi căn bản nhận thức của chúng ta về vũ trụ khi mà các nhà vật lí bắt đầu lồng lộn.

Cho nên các nhà thiên văn khám phá vào năm 1931 rằng vũ trụ đang dãn nở, có nghĩa là nó có thể đã lớn lên từ một cái chấm ban đầu rất, rất đặc. (Lưu ý rằng cái chấm này không phải trôi nổi trong một không gian nào đó rộng lớn hơn, mà nó là toàn bộ không gian. Ta sẽ bàn nhiều hơn về lối nghĩ điên rồ như thế này về không gian ở chương 7.) Vẫn có một số lí thuyết về một vũ trụ phi-Big Bang phù hợp với sự dãn nở đã phát hiện, nhưng những lí thuyết này đòi hỏi vật chất mới liên tục được tạo ra để giữ cho vũ trụ dãn nở ở mật độ hiện nay.

Nếu vũ trụ có một khởi đầu, thì cái lập tức khiến bạn tự hỏi là liệu nó sẽ có một kết thúc hay không. Liệu cái gì có thể đưa không gian mênh mông, uy vệ, và hết sức lạ lùng này đi đến kết thúc? Và điều quan trọng nhất, liệu bạn có thời gian để hoàn thành cuốn tiểu thuyết dài bất tận như thế không?

Cái gì có thể làm cho vũ trụ đi đến kết thúc? Câu trả lời là lực hấp dẫn quen thuộc và xưa cũ của chúng ta.

Hãy nhớ rằng trong khi toàn bộ chất liệu trong vũ trụ đang bay vọt ra từ vụ nổ vũ trụ Big Bang, thì lực hấp dẫn đang vận hành theo một hướng khác. Từng chút vật chất trong vũ trụ đều chịu lực hấp dẫn, nó đang làm tốt nhất công việc của nó là hút vũ trụ về với nhau. Điều đó có ý nghĩa gì cho số phận tối hậu của vũ trụ? Người ta đã có một số ý tưởng.

Đây là phần làm đầu óc mở mang. Câu trả lời thực sự là: không ý tưởng nào trong số này! Chân lí, lạ lùng như có thể có thể, là một lựa chọn bí ẩn thứ tư chỉ được một vài nhà khoa học xem xét (bởi vì nó có vẻ hết sức điên rồ):

Một lực nào đó bí ẩn và hết sức mạnh đang làm bản thân không gian dãn nở, vì thế vũ trụ lớn lên càng lúc càng nhanh.

Lựa chọn thứ tư này là lựa chọn duy nhất phù hợp với những cái chúng ta quan sát thấy về vũ trụ của chúng ta.

Làm thế nào chúng ta biết vũ trụ đang dãn nở

Câu hỏi về số phận vũ trụ này có vẻ như một câu hỏi rất quan trọng, nhưng bạn có thể thư giãn đã. Tương lai mà chúng ta đang bàn luận là hàng tỉ và hàng tỉ năm nữa, bất chấp những gì xảy ra. Bạn có thời gian để hoàn tất cuốn tiểu thuyết bán chạy của mình và thậm chí viết cuốn tiếp theo nữa. Nhưng chủ đề này quan trọng đối với chúng ta bởi vì, khi chúng ta tìm thấy câu trả lời cho những câu hỏi to lớn như thế này, chúng ta cũng hiểu nhiều hơn về cách vũ trụ của chúng ta vận hành. Thỉnh thoảng, trong khi nêu những câu hỏi này, chúng ta học được thứ gì đó bất ngờ có thể ảnh hưởng đến sự tồn tại ngày qua ngày của chúng ta. Chẳng hạn, bạn có đánh giá cao tính năng GPS trên điện thoại của mình không? Một hệ thống GPS chính xác chỉ có thể xuất hiện bởi vì Einstein đã có những câu hỏi về cái xảy ra khi vạn vật chuyển động ở gần tốc độ ánh sáng, cái chẳng xảy ra thường xuyên trên Trái Đất này. Nhưng điều này đã dẫn tới sự phát triển thuyết tương đối, nếu không có nó thì GPS sẽ không thể chính xác được.

Để dự đoán số phận tối hậu của vũ trụ, các nhà khoa học cần biết chính xác vũ trụ đang dãn nở nhanh bao nhiêu. Họ làm việc này bằng cách đo tốc độ mà các thiên hà ở xung quanh chúng ta đang lùi ra xa chúng ta.

Trước tiên, bạn phải hiểu rằng trong một vũ trụ đang dãn nở, mọi thứ đều đang chuyển động ra xa thứ khác, chứ không chỉ ra xa tâm mà thôi. Hãy tưởng tượng chúng ta là một hạt nho khô trong một ổ bánh mì nhân nho khô kích cỡ vũ trụ. Khi ổ bánh vào lò nướng và nở ra, toàn bộ các hạt nho khô đều di chuyển ra những hạt nho khô khác, nhưng hạt nho khô vẫn giữ nguyên kích cỡ.

Nhưng để biết số phận của vũ trụ, chúng ta cần biết sự dãn nở này có đang biến đổi hay không: hiện nay các thiên hà khác đang chuyển động ra xa chúng ta có chậm hơn so với hồi vài tỉ năm về trước hay không? Hay chúng đang chuyển động ra xa chúng ta nhanh hơn so với hồi vài tỉ năm trước? Cái ta muốn biết là tốc độ dãn nở của vũ trụ biến đổi theo thời gian như thế nào. Để thấy được như vậy, ta cần biết vạn vật đang chuyển động ra xa chúng ta nhanh bao nhiêu trong quá khứ và so sánh với tốc độ vạn vật đang chuyển động ra xa chúng ta hiện nay.

Nhìn về tương lai thì rất khó, nhưng đối với các nhà thiên văn học, nhìn về quá khứ thì đơn giản. Bởi vì vũ trụ quá mênh mông và ánh sáng có một tốc độ hữu hạn, cho nên ánh sáng từ những vật thể ở xa cần một thời gian dài mới đi tới Trái Đất. Điều này có nghĩa là ánh sáng phát ra từ những ngôi sao ở rất xa là ánh sáng rất xưa cũ, và thông tin mà nó chứa đựng cũng xưa cũ. Nhìn vào ánh sáng này là nhìn ngược dòng thời gian.

Và nó cũng hoạt động theo chiều kia. Nếu những người ngoài hành tinh trên một hành tinh thật sự xa xôi nào đó đang nhìn về Trái Đất qua kính thiên văn của họ, họ thấy ánh sáng rời Trái Đất cách nay đã lâu. Ngay lúc này, họ có thể đang nhìn thấy sự việc cực kì đáng xấu hổ xảy ra với bạn hồi nhiều năm trước (bạn biết sự việc nào mà).

Như vậy, một vật thể càng ở xa bao nhiêu, thì ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy càng xưa cũ và chúng ta càng có thể nhìn ngược thời gian xa bấy nhiêu. Điều này có nghĩa là nếu ta thấy những vật thể ở ngoài xa đang chuyển động ở một tốc độ nào đó, và rồi ta thấy những vật thể ở gần hơn chuyển động ở một tốc độ khác, thì ta có thể suy luận rằng tốc độ của vạn vật đã biến đổi theo thời gian. Ta có thể đo tốc độ của một ngôi sao ở xa từ độ lệch trong phổ tần số ánh sáng của nó bằng cùng loại kĩ thuật (hiệu ứng Doppler) mà cảnh sát dùng để bắn tốc độ của bạn. Ngôi sao chuyển động ra xa chúng ta càng nhanh, thì ánh sáng của nó sẽ càng đỏ.

Biết vật thể ở xa bao nhiêu đòi hỏi một số luận giải khoa học khéo léo. Chẳng hạn, làm thế nào bạn nói được sự khác biệt giữa một ngôi sao mờ ở gần và một ngôi sao sáng ở tít ngoài xa? Qua kính thiên văn, chúng trông y hệt nhau: giống như những đốm sáng mờ mờ nhỏ nhoi trên bầu trời đêm mà thôi. Điều đó đúng cho đến khi các nhà khoa học nhận ra một loại sao đặc biệt, một loại sao biểu hiện y chang nhau ở mọi nơi trong vũ trụ. Do kích cỡ và thành phần của chúng, những ngôi sao đặc biệt này phát sáng ở tốc độ giống nhau, và khi chúng đạt tới một kích cỡ nhất định, chúng luôn luôn làm một chuyện giống nhau: chúng nổ tung. Hay nói chính xác hơn, chúng nổ tung vào trong, nhưng sự nổ vào trong quá dữ dội, thành ra nó tạo ra một vụ nổ ra bên ngoài lớn tương ứng. Kiểu nổ này được gọi là sao siêu mới loại Ia. Cái hữu ích ở những sao siêu mới này là, nói chung, chúng đều nổ theo một kiểu giống nhau. Điều này có nghĩa là, sau một số hiệu chuẩn, nếu bạn thấy nó mờ thì bạn biết là nó ở xa, còn nếu bạn thấy nó sáng thì là nó ở gần. Tựa như vũ trụ bố trí những ngọn hải đăng y hệt nhau này ở khắp mọi nơi chỉ để chúng ta biết rằng nó mênh mông dường nào và đáng sợ dường nào (vũ trụ bí ẩn chứ không khiếm tốn chút nào).

Các nhà thiên văn học gọi các sao siêu mới loại Ia này là “ngọn nến chuẩn” (họ lãng mạn như thế đó). Với chúng, các nhà thiên văn có thể cho biết những vật thể xa xôi ở xa bao nhiêu (và do đó già bao nhiêu), và sử dụng độ lệch Doppler, họ có thể cho biết chúng đang chuyển động nhanh bao nhiêu. Điều này có nghĩa là các nhà thiên văn học có thể đo được sự dãn nở của vũ trụ đang biến đổi như thế nào.

Ngay sau khi nhận thấy điều này, hai đội khoa học đã chạy đua nhau đo tốc độ dãn nở của vũ trụ. Nhưng việc tìm thấy sao siêu mới chẳng dễ dàng gì bởi vì chúng là những vụ nổ đoản thọ. Để bắt được một vụ, bạn phải liên tục quét bầu trời tìm kiếm các ngôi sao và phát hiện ngôi sao nào đột ngột sáng lên thật nhiều và rồi mờ đi không bao lâu sau đó.

Hai đội đã giả sử rằng sự dãn nở của vũ trụ hoặc là chậm đi hoặc là giữ nguyên. Đây là một giả định hợp lí. Nếu vũ trụ phát nổ, và lực hấp dẫn cố hút mọi thứ trở vào, thì chỉ có hai lựa chọn: hoặc là lực hấp dẫn chiến thắng và mọi thứ bị hút trở vào, hoặc lực hấp dẫn thua cuộc và mọi thứ tiếp tục dãn nở đều đều.

Khi các nhà khoa học đo đạc các sao siêu mới này và tính tốc độ mà vũ trụ đang dãn nở, họ kì vọng lực hấp dẫn chiến thắng. Nghĩa là, họ kì vọng tìm thấy những ngôi sao ở xa hơn (những ngôi sao ở trong quá khứ) đang chuyển động ra xa nhanh hơn những ngôi sao ở gần hơn (những ngôi sao ở gần hiện tại hơn). Thay vào đó, họ lúng túng tìm thấy điều ngược lại: hiện nay các ngôi sao dường như đang chuyển động ra xa chúng ta nhanh hơn so với trong quá khứ. Nói cách khác, hiện tại vũ trụ đang dãn nở nhanh hơn so với trước đây.

Hãy dừng lại một chút xem kết quả này đúng là bất ngờ như thế nào. Trong đầu của các nhà thiên văn học, có hai thứ: một vũ trụ đã phát nổ cách nay rất lâu và lực hấp dẫn, cái đang cố hút toàn bộ vũ trụ trở lại với nhau.

Thay vậy, có một cái thứ ba tối quan trọng: kích cỡ của bản thân không gian. Như ta sẽ bàn luận cụ thể chi li ở chương 7, không gian chẳng phải là một phông nền tĩnh trống không trên đó nhà hát kịch của vũ trụ diễn trò. Nó là một thứ vật chất có thể uốn cong (khi có mặt những vật thể khối lượng lớn), gợn sóng (gọi là sóng hấp dẫn), hoặc dãn nở. Và có vẻ như nó đang dãn nở - và nhanh nữa. Không gian đang hối hả to lớn hơn thêm. Thứ gì đó đang tạo ra thêm không gian, làm đẩy vạn vật trong vũ trụ về mọi hướng.

Ta nên lưu ý rằng các kết quả thực sự cho thấy là ban đầu vạn vật đã chậm đi, nhưng trong năm tỉ năm vừa qua, thứ gì đó đang đẩy từng chút một của vũ trụ bùng nổ ngày càng xa nhau hơn.

Lực chi phối này, cái làm cho vũ trụ to lên ở một tốc độ tăng dần, là cái các nhà vật lí gọi là năng lượng tối. Ta không thể nhìn thấy nó (đó là lí do nó “tối”), và nó đang đẩy mọi thứ ra xa nhau (vì thế họ gọi nó là “năng lượng”). Và chính một lực mạnh như thế ước tính chiếm 68% tổng khối lượng và năng lượng trong vũ trụ.

Biểu đồ bánh

Cho đến nay, chúng ta đã ở chỗ rất đặc biệt trong phần chia của mình trong biểu đồ bánh vũ trụ của chúng ta. Năm phần trăm nghe như một ước tính, nhưng khi bạn nghe tới những phần trăm như 27 cho vật chất tối và 68 cho năng lượng tối, bạn phải hình dung rằng các nhà vật lí đang sử dụng nhiều công cụ hơn là một dự đoán điên rồ để đi tới những con số này.

Vậy làm thế nào chúng ta biết có bao nhiêu vật chất tối và bao nhiêu năng lượng tối trong vũ trụ?

Đối với vật chất tối, ta không thể đo từng chút một của nó bằng những công cụ mà chúng ta đã học ở phần trước (thấu kính hấp dẫn và các thiên hà quay tròn) rồi cộng gộp hết thảy lại với nhau. Không phải lúc nào cũng có sự sắp xếp thích hợp của các sao và vật chất tối để sử dụng những phương pháp này, và luôn luôn có thể có nhiều vật chất tối hơn đang ẩn náu ở những nơi mà chúng ta không thể nào tìm thấy.

Và đối với năng lượng tối, ta còn chẳng biết thật sự nó là cái gì, vì thế ta cũng không thể đo nó trực tiếp.

Mặc dù chúng ta không biết những thứ này là thứ gì, nhữưng điều ấn tượng là chúng ta nắm được việc đo những phần trăm này theo một vài cách khác nhau. Và cho đến nay, tất cả chúng đều ăn khớp.

Cách chính xác nhất để chúng ta biết có bao nhiêu vật chất tối và năng lượng tối là từ việc khảo sát một hình ảnh sơ sinh của vũ trụ: một ảnh chụp của vũ trụ khi nó vẫn còn bé tí và đáng yêu.

Ta sẽ nói ở những chương sau về hình ảnh sơ sinh này của vũ trụ đã được chụp như thế nào và nó thể hiện điều gì, nhưng ở đây, bạn chỉ cần biết rằng có tồn tại một hình ảnh như thế là đủ. Hình ảnh này được gọi là phông nền vi sóng vũ trụ và nó trông như sau:

Vâng, nó có đáng yêu chút nào đâu. Thật vậy, nó là loại cức đái lục cục bọc trong tả lót nhăn nheo (giống như đa số trẻ sơ sinh). Hình ảnh này chụp lại những photon đầu tiên thoát ra từ sự hình thành xa xưa của vũ trụ. Cái quan trọng là số lượng nếp nhăn và kiểu hình mà chúng tạo ra trong ảnh chụp là rất nhạy với tỉ lệ của vật chất tối, năng lượng tối, và vật chất bình thường trong vũ trụ. Nói cách khác, nếu bạn thay đổi tỉ lệ, thì các kiểu hình xuất hiện trong ảnh chụp sẽ xuất hiện khác đi. Hóa ra để có những kiểu hình mà chúng ta thấy trong bức tranh trên, bạn cần khoảng 5% vật chất bình thường, 27% vật chất tối và 68% năng lượng tối. Bất kì tỉ lệ nào khác sẽ đem lại cho chúng ta một bức tranh khác với cái chúng ta quan sát thấy.

Một cách khác ta đo được năng lượng tối là bằng cách nhìn vào tốc độ dãn nở của vũ trụ, cái chúng ta biết từ những ngọn nến chuẩn sao siêu mới. Ta biết năng lượng tối đang đẩy mọi thứ ra nhau ở tốc độ mỗi lúc một nhanh hơn. Từ những ước tính của chúng ta về vật chất và vật chất tối, ta có thể tính ra sẽ cần bao nhiêu năng lượng tối để có sự dãn nở đó, và nó đem lại cho chúng ta một ước tính về lượng năng lượng tối có mặt.

Và cuối cùng, ta có thể nói về tỉ lệ vật chất tối, năng lượng tối, và vật chất bình thường bằng cách nhìn vào cấu trúc của vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay. Vũ trụ được sắp xếp theo một cấu hình rất đặc biệt của các sao và thiên hà. Sử dụng một mô phỏng trên máy tính, chúng ta có thể truy ngược từ trạng thái hiện tại này đến ngay sau Big Bang để xem bạn cần bao nhiêu vật chất tối và năng lượng tối để vạn vật trông như chúng biểu hiện ngày nay. Chẳng hạn, nếu bạn không có lượng vật chất tối thích hợp trong mô phỏng, thì bạn chẳng có được các thiên hà có hình dạng như chúng ta thấy chúng ngày nay, và chúng không hình thành từ thời xa xưa như chúng ta biết rằng chúng hình thành. Vật chất tối, do bởi khối lượng khổng lồ và lực hút hấp dẫn của nó, giúp cho vật chất bình thường co cụm lại theo kiểu cần thiết cho các thiên hà hình thành thời xa xưa. Đồng thời, nếu bạn cố giải thích toàn bộ năng lượng trong vũ trụ chỉ theo vật chất và vật chất tối, không có năng lượng tối (tức là vật chất tối = 95%), thì các thiên hà cũng không xuất hiện đúng chỗ.

Cái thú vị là toàn bộ những phương pháp này đều ăn khớp với nhau. Chúng đều cho thấy vũ trụ của chúng ta đại khái được làm bằng sự kết hợp của vật chất bình thường, vật chất tối và năng lượng tối theo tỉ lệ 5%, 27% và 68%. Mặc dù ta chưa biết từng loại này là cái gì, nhưng ta có thể nói khá chắc chắn rằng chúng ta biết chúng có với lượng bao nhiêu. Chúng ta chẳng có ý tưởng nào về chúng là cái gì, nhưng ta biết chúng có mặt ở đó. Chào mừng đến với kỉ nguyên ngu muội chính xác.

Năng lượng tối có thể là cái gì?

Chúng tôi vừa trình bày cho bạn thấy năng lượng tối được khám phá như thế nào và nó có bao nhiêu, nhưng nó là cái gì? Câu trả lời ngắn gọn là chúng ta chẳng biết gì. Chúng ta biết nó là một lực hiện đang làm vũ trụ bành trướng. Nó chi phối mọi thứ có mặt trong vũ trụ và đẩy vũ trụ ra xa về mọi hướng. Ngay lúc này, nó đang đẩy tôi, nó đang đẩy bạn, và nó đang đẩy mọi thứ mà chúng ta biết ra khỏi nhau. Và chúng ta không biết nó là cái gì.

Một ý tưởng phổ biến hiện nay cho rằng năng lượng tối có nguồn gốc từ năng lượng của không gian trống rỗng. Vâng, không gian trống rỗng.

Khi ta nói cái gì đó là trống không rỗng, ý ta muốn nói nó không có “chất liệu” nào ở bên trong cả. Nói cho chuyên môn hơn, ta nghĩ là không có chất liệu nào gán cho nó. Có những nơi trong không gian giữa các sao đúng là chẳng có hạt vật chất nào (kể cả vật chất tối). Bây giờ hãy xét như sau: sẽ ra sao nếu không gian trống rỗng này có năng lượng gán cho nó, tựa như một ánh le lói hay một tiếng vo ve nhỏ xíu, mặc dù nó chẳng có vật chất? Tức là có năng lượng nằm ở đó chẳng vì lí do gì cả. Nếu điều này đúng, thì năng lượng đó có thể đem lại một hiệu ứng hấp dẫn làm đẩy vũ trụ về mọi hướng.

Điều này nghe có vẻ như điên rồ, nhưng thật ra nó là một lời giải thích hợp lí đến bất ngờ. Thật vậy, trong cơ học lượng tử năng lượng chân không là cái khá tự nhiên thôi. Theo cơ học lượng tử, thế giới vận hành đối với những vật rất nhỏ (như các hạt) là rất khác so với đối với những vật lớn hơn (như con người và dưa chua). Cơ học lượng tử làm những thứ ít có ý nghĩa đối với dưa chua, ví dụ như không có một vị trí rõ ràng chính xác, xuất hiện ở phía bên kia của một hàng rào không thể xuyên thủng, và tác dụng khác nhau tùy thuộc vào chúng có đang được quan sát hay không. Đồng thời, theo cơ học lượng tử, các hạt có thể hiện thân và biến mất trở lại từ năng lượng của không gian trống rỗng.

Xét cho cùng, chính cơ học lượng tử đã cho chúng ta một cái nhìn khác về thực tại, và thuyết tương đối khiến chúng ta từ bỏ ý tưởng về không gian tuyệt đối hay thời gian tuyệt đối. Vậy thì tại sao không chấp nhận rằng cái dường như là không gian trống rỗng chứa đầy năng lượng chân không đang đẩy vũ trụ ra xa nhau?

Một vấn đề với lí thuyết này là khi các nhà khoa học cố gắng tính xem không gian trống rỗng cần phải có bao nhiêu năng lượng theo cơ học lượng tử thì họ thu được một đáp số quá lớn. Và đâu chỉ lớn hơn một chút, mà đến tận 10⁶⁰ đến 10¹⁰⁰ lần. Nó lớn kinh khủng. Để so sánh, người ta ước tính số lượng hạt trong toàn cõi vũ trụ là 10⁸⁵. Vì vậy, nói cho công bằng thì ý tưởng này đã đi quá xa.

Những ý tưởng khác thì kể đến những lực mới hay những trường đặc biệt tràn ngập vũ trụ giống như trường điện từ. Một số trường này đã được khái niệm hóa là biến thiên theo thời gian để giải thích tại sao sự dãn nở tăng tốc của vũ trụ chỉ bắt đầu hồi năm tỉ năm trước. Có rất nhiều phiên bản khác nhau của những lí thuyết này, nhưng cái chung của chúng là chúng đều khó kiểm tra. Xét cho cùng, một số trường này có thể không tương tác với các hạt của chúng ta, khiến người ta khó thiết kế một thí nghiệm nhằm phát hiện ra chúng. Một số trường còn có thể mô tả những hạt mới (như trường Higgs có boson Higgs), nhưng những hạt đó có thể rất, rất nặng, khiến chúng nằm ngoài tầm với của cái chúng ta có thể đo lường ngày nay. Nặng như thế nào ư? Nặng hơn bất cứ thứ gì ta từng thấy trước đây chứ không nặng ngang con mèo nhà bạn đâu.

Tất cả những ý tưởng này đều nằm trong giai đoạn trứng nước của chúng. Chúng chỉ là những ý tưởng-mầm mống ban đầu sẽ dẫn dắt các nhà khoa học đến những ý tưởng tốt hơn cho đến cuối cùng thì chúng ta hiểu được phần lớn năng lượng trong vũ trụ là cái gì. Để so sánh, năng lượng tối khiến cho vật chất tối trông rất đơn giản và dễ hiểu: chí ít chúng ta biết nó là vật chất. Năng lượng tối cũng hầu như có thể là bất cứ thứ gì theo nghĩa đen. Nếu một nhà khoa học ở 500 năm sau nhìn ngược về thời đại của chúng ta, thì những ý tưởng hiện nay của chúng ta về năng lượng tối trông có vẻ khá hài hước, giống như kiểu những con người ngày xưa giải thích các vì sao, Mặt Trời, hay thời tiết là kết quả của những vị thần mặc áo choàng trông mắc cười làm sao đối với chúng ta ngày nay. Chúng ta biết rằng có những lực mạnh nằm vượt ngoài tầm lĩnh hội của chúng ta và rằng chúng ta có nhiều thứ phải học hỏi về vũ trụ.

Điều này có ý nghĩa gì về tương lai

Nếu vũ trụ đang dãn nở càng lúc càng nhanh do năng lượng tối, thì nghĩa là mỗi ngày trôi qua mọi thứ xung quanh đang lùi ra xa chúng ta nhanh hơn một chút. Vì sự dãn nở tăng tốc, nên những thứ ở xa nhau cuối cùng sẽ dãn nở ra xa nhau nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Điều này có nghĩa là ánh sáng phát ra từ các ngôi sao sẽ không còn có thể đi tới chúng ta được nữa. Như vậy, trên bầu trời đêm ngày hôm nay của chúng ta, chúng ta sẽ thấy ít sao hơn ngày hôm qua. Nếu bạn lần theo sự dãn nở này đến kết luận tự nhiên của nó, thì trong hàng tỉ năm nữa, bầu trời đêm sẽ chỉ có vài ngôi sao thưa thớt. Và, tiếp tục tiến xa về tương lai, bầu trời có thể sẽ gần như tối đen hoàn toàn.

Giả sử bạn là một nhà khoa học trên Trái Đất tương lai đó. Làm thế nào bạn dự đoán sự tồn tại của các sao và thiên hà mà bạn không thể nhìn thấy? Nếu sự dãn nở cứ tiếp tục, thì cuối cùng nó có thể xé toạc hệ Mặt Trời của chúng ta, hành tinh của chúng ta, thậm chí xé toạc chiếc điện thoại thông minh trên tay đứa cháu đời thứ n của bạn. Mặt khác, vì chúng ta biết quá ít về cái chi phối sự dãn nở này, nên biết đâu trong tương lai nó sẽ chậm dần.

Nhưng nó khiến bạn suy nghĩ: nếu đã từng có nhiều ngôi sao khả kiến đối với chúng ta hơn so với ngày nay, thì chúng ta đang lỡ mất những thực tế đã từng-hiển nhiên nào bởi vì loài người xuất hiện muộn gần mười bốn tỉ năm sau khi bữa tiệc đã bắt đầu?

Trích “We have no idea – A guide to unknown universe” của Jorge Cham và Daniel Whiteson