Black holes will be all that remains before the universe enters heath death. But the story doesn’t end there… (XMM-Newton, ESA, NASA)
Các hố đen sẽ là tất cả những gì còn lại trước khi vũ trụ bước vào Cái chết nhiệt. Nhưng câu chuyện không kết thúc ở đó… (XMM-Newton, ESA, NASA)
Bằng cách chắp nối ngày càng nhiều các đầu mối lại với nhau, các nhà vũ trụ học đang tiến gần hơn đến hiểu biết về số phận tương lai và kết cục cuối cùng của vũ trụ. Và tôi e rằng tin tức này không mấy tốt lành. Sự hình thành của các ngôi sao sẽ chấm dứt và các hố đen sẽ ngự trị cho đến lúc cuối cùng khi chúng biến mất vào hư vô. Thậm chí có thể một Big Rip (Vụ rách lớn) sẽ xảy ra. Nhưng đối với những người không ngại chờ thêm 101050 năm nữa hoặc khoảng thế, thì có thể bắt đầu tham khảo những điều này như những sự kiện kỳ dị có thể xảy ra.
Trước khi xem xét các sự kiện ngẫu nhiên trong tương lai rất xa, hãy bắt đầu với những gì chúng ta biết về quá khứ và hiện tại.

Quá khứ

Lý do chúng ta có thể tìm hiểu về sự tiến triển của vũ trụ trong quá khứ, xét trên một số phương diện, là vì thiên văn học cũng tương tự như khảo cổ học. Rõ ràng là, khi chúng ta càng phóng tầm nhìn ra xa hơn khỏi hành tinh đang sống, thì chúng ta càng nhìn rõ bản chất của vũ trụ ở quá khứ xa hơn. Khi đó, có thể quan sát thấy rằng các thiên hà ở gần nhau hơn vị trí hiện nay của chúng. Mặc dù chỉ là một đầu mối trong số rất nhiều bằng chứng, sự quan sát này hoàn toàn tương hợp với thuyết tương đối tổng quát của Einstein, có nghĩa là vũ trụ được bắt đầu bằng một Vụ nổ lớn (Big Bang) và không ngừng mở rộng từ đó tới nay.

Hiện tại

Cuối thế kỷ trước, một trong những vấn đề cấp thiết nhất của vũ trụ học hiện đại là làm sao để đo được tỷ lệ giảm tốc của vũ trụ. Căn cứ vào tổng khối lượng quan sát được trong vũ trụ, người ta cho rằng điều này có thể đủ để khiến phạm vi mở rộng của vũ trụ bị thu hẹp lại.
Đáng chú ý, hai nhóm các nhà khoa học độc lập đã phát hiện ra một điểm mâu thuẫn song vô cùng chính xác. Sự mở rộng của vũ trụ không hề chậm lại, mà thậm chí có xu hướng tăng lên. Phát hiện mang tính đột phá này đã mang đến cho tác giả giải Nobel Vật lý vào năm 2011. Tuy nhiên, để hiểu được ý nghĩa của điều này vẫn còn là một thách thức.
Có một cách nghĩ về sự nở ra của vũ trụ, đó là chắc hẳn phải có một loại vật chất (hoặc một trường) nào đó tràn ngập trong vũ trụ và gây ra một áp suất âm (hoặc một lực hấp dẫn đẩy). Chúng tôi gọi đó là năng lượng tối.
Điều này nghe có vẻ hơi xa vời, nhưng người ta đã tiến hành các thí nghiệm độc lập để chứng thực cho tốc độ giãn nở của vũ trụ và sự tồn tại của năng lượng tối. Từ năm 2006, tôi đã tham gia vào Khảo sát Năng lượng Tối WiggleZ – một thí nghiệm khoa học để xác nhận một cách độc lập về sự giãn nở này. Chúng tôi không chỉ thấy rằng sự giãn nở đang xảy ra, mà còn có thể đưa ra bằng chứng thuyết phục rằng nguyên nhân của điều này chính là năng lượng tối. Chúng tôi đã quan sát thấy rằng năng lượng tối đang làm chậm lại sự tăng trưởng của các siêu đám thiên hà.
The growth rate of superclusters like Virgo is providing strong evidence for the existence of dark energy. (Andrew Z. Colvin/wikimedia, CC BY-SA 3.0)
Tốc độ tăng trưởng của các siêu đám thiên hà như Siêu đám Xử Nữ (Virgo) đang cho thấy bằng chứng thuyết phục về sự tồn tại của năng lượng tối. (Andrew Z. Colvin/wikimedia, CC BY-SA 3.0)
Do đó, chúng tôi cho rằng năng lượng tối là có thật. Nếu khái niệm về năng lượng tối và lực hấp dẫn đẩy của nó là quá dị thường, thì một vấn đề khác sẽ cần phải xét đến, đó là có lẽ lý thuyết về lực hấp dẫn của chúng ta cần phải được sửa đổi, cũng giống như khi học thuyết tương đối giúp phát triển định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Dù là cách nào đi nữa, chúng ta vẫn cần Vật lý mới để giải thích điều này.

Tương lai

Trước khi chuyển sang một tương lai rất xa, tôi muốn đề cập đến một khảo sát có liên quan khác: khảo sát GAMA. Qua cuộc khảo sát này, chúng tôi thấy rằng vũ trụ đang “chết dần”. Nói cách khác: thời kỳ đỉnh cao của sự hình thành các ngôi sao đã đi qua, và vũ trụ đang dần hoại diệt.
Ở một mức độ chắc chắn nào đó, chúng ta có thể dự đoán về tương lai “gần hơn”. Năm tỷ năm nữa kể từ bây giờ, mặt trời sẽ bước vào “giai đoạn khổng lồ đỏ” của nó. Đáng buồn hơn nữa, là không quá hai tỷ năm sau đó, nó sẽ thiêu rụi trái đất.
Sau đó, sức mạnh tương đối của năng lượng tối và việc nó thay đổi thế nào theo thời gian sẽ trở thành vấn đề quan trọng. Lực đẩy của năng lượng tối càng nhanh và mạnh hơn, thì khả năng vũ trụ sẽ trải qua Big Rip (Vụ rách lớn) càng lớn hơn. Nói thẳng ra: Big Rip là những gì sẽ xảy ra khi lực đẩy của năng lượng tối có khả năng vượt qua lực hấp dẫn (và tất cả mọi thứ khác). Những khối vật thể được liên kết nhờ lực hấp dẫn (như cụm thiên hà, dải Ngân Hà, hệ mặt trời của chúng ta, và cuối cùng là chính chúng ta) đều bị xé nát và tất cả những gì còn lại có thể chỉ là những mảnh vụn chân không đơn độc.
Dữ liệu từ cuộc khảo sát WiggleZ và các thí nghiệm khác không loại trừ khả năng xảy ra Big Rip, nhưng dự đoán thời điểm có thể xảy ra (nếu có) là ở tương lai hết sức xa xôi.
Một kịch bản còn bi đát hơn là Heat death (Cái chết nhiệt) của vũ trụ. Khi vũ trụ này tiếp tục mở rộng, chúng ta sẽ không còn có thể quan sát các thiên hà lân cận (100 triệu năm kể từ bây giờ). Sự hình thành của các ngôi sao sẽ chấm  dứt trong khoảng 1-100 tỉ tỉ năm khi nguồn cung cấp khí gas cần thiết bị cạn kiệt. Một số ngôi sao xung quanh có thể sẽ vẫn tồn tại, nhưng chúng sẽ cạn hết nhiên liệu trong khoảng 120 tỉ tỉ năm. Tất cả những gì còn lại tại thời điểm đó chỉ là tàn dư của các ngôi sao, ví dụ điển hình là các hố đen, các tinh cầu neutron, và sao lùn trắng. 1020 năm nữa kể từ bây giờ, hầu hết các đối tượng này sẽ bị nuốt chửng bởi các hố đen siêu lớn tại tâm của các thiên hà.
Và như thế, vũ trụ sẽ tối hơn và yên tĩnh hơn cho đến khi chẳng còn gì hoạt động nữa. Những gì xảy ra tiếp theo sẽ phụ thuộc vào tốc độ phân rã của vật chất trong vũ trụ. Người ta cho rằng các proton tạo nên các nguyên tử, cùng với neutron và electron, sẽ tự động phân rã thành các hạt hạ nguyên tử nếu thời gian đủ dài. Thời gian để tất cả các vật chất thông thường biến mất được tính toán là rơi vào khoảng 1040 năm kể từ bây giờ. Lâu hơn nữa, thì chỉ có các hố đen là vẫn còn tồn tại. Và chúng cũng sẽ biến mất sau khoảng 10100 năm nữa.
Tại thời điểm này, vũ trụ sẽ là gần như là chân không. Các hạt tử còn sót lại, như electron và các hạt ánh sáng (photon), sẽ ở rất xa nhau do sự giãn nở của vũ trụ và chúng hiếm khi tương tác với nhau (nếu có). Đây là cái chết thực sự của vũ trụ, được mệnh danh là “Cái chết nhiệt”.
Ý tưởng này xuất phát từ định luật thứ hai của nhiệt động lực học, được phát biểu như sau: mọi dẫn truyền hoặc biến đổi năng lượng đều làm tăng entropy của vũ trụ (trong đó entropy là một đại lượng trong phép đo “độ hỗn loạn” của hệ). Bất kỳ hệ thống nào, bao gồm cả vũ trụ, cuối cùng sẽ phát triển đến một trạng thái hỗn loạn tối đa, giống như một viên đường có thể dễ dàng hòa tan trong tách trà nhưng sẽ mất một thời gian dài đến phát điên để ngẫu nhiên trở lại cấu trúc hình khối có trật tự lúc đầu. Khi tất cả năng lượng trong vũ trụ đồng loạt tản đi, thì sẽ không còn nhiệt hay năng lượng tự do để cung cấp cho các quá  trình đòi hỏi phải tiêu hao nhiên liệu, chẳng hạn như sự sống.

Bộ não Boltzmann và những vụ nổ lớn mới

Có thể nói rằng tất cả những điều trên là thực sự ảm đạm. Vì vậy, tôi sẽ kết thúc bài viết này bằng một giả thuyết mang tính suy đoán cao, có thể sai hoặc không kiểm chứng được, nhưng  chắc chắn là tích cực hơn.
Fishy? The far future of the universe could rather bizarre. (AK Rockefeller/Flickr, CC BY 2.0)
Thiên hà hình cá ư? Vũ trụ trong tương lai xa có thể còn dị thường hơn thế. (AK Rockefeller/Flickr, CC BY 2.0)
Theo các quy luật mới của cơ học lượng tử, thì những điều ngẫu nhiên có thể xuất hiện bất ngờ từ chân không. Nó không chỉ xảy ra trong lý thuyết trùng hợp của toán học, mà còn xuất hiện trong các thí nghiệm vật lý về hạt, khi các hạt tử đột nhiên hình thành và sau đó lại biến mất. Tuy nhiên, không có lý do nào để giải thích cho việc tại sao “dao động lượng tử” lại không thể tác động đến một nguyên tử hoàn chỉnh.
Thậm chí còn có giả thuyết cho rằng một “bộ não” hay còn gọi là bộ não Boltzmann, có thể được tạo ra trong bối cảnh này. Phạm vi thời gian để một điều như vậy xuất hiện là bao lâu? Theo như tính toán là vào khoảng 101050 năm nữa.
Và một Big Bang mới sẽ xuất hiện? Điều đó có thể sẽ xảy ra trong vòng 10101056 năm nữa.
Kevin Pimbblet là Giảng viên cao cấp môn Vật lý tại Đại học Hull.
Bài viết này được đăng lần đầu trên The Conversation.