Xin chào tất cả các bạn, có một sự thật là sự hiểu biết về vũ trụ luôn đi đôi với sự phát triển của công nghệ quan sát. Trước kia, người ta từng nghĩ vũ trụ là một hệ thống tĩnh, trong đó các ngôi sao luôn giữ được khoảng cách của mình nhờ vào một lực bí ẩn có vai trò triệt tiêu đi lực hấp dẫn. Tuy nhiên, mọi thứ bắt đầu trở nên vô lý khi mà thuyết tương đối ra đời, vì thuyết tương đối đưa ra dự đoán về sự tồn tại của hố đen — một thiên thể có sức hút vô cùng khủng khiếp. Nếu như hố đen hút các ngôi sao khác, nó sẽ ngày một nặng hơn và lực hấp dẫn của nó cũng tăng lên không có giới hạn. Cứ như vậy, chẳng mấy chốc hố đen sẽ hút toàn bộ các ngôi sao trong vũ trụ. Rõ ràng điều này là vô lý.
Mọi việc chỉ trở nên sáng tỏ khi Edwin Hubble quan sát được vũ trụ đang mở rộng, chứ không phải là đứng yên. Mặc dù đã có một bước tiến quan trọng về sự hiểu biết của vũ trụ, nhưng hầu hết các nhà khoa học thời đó đều cho rằng sự mở rộng của vũ trụ chỉ là nhất thời, sẽ đến một ngày nào đó nó phải co lại, rồi vũ trụ sẽ tái sinh trong một vụ nổ Big Bang mới. Thế nhưng, cuộc đời vốn dĩ không đơn giản như người ta vẫn nghĩ. Khi mà kính viễn vọng không gian Hubble được ra mắt, các nhà khoa học sững sờ nhận ra vũ trụ vẫn không ngừng mở rộng, các thiên hà xa xôi giống như các mảnh vụn của vụ nổ vẫn đang văng ra ngày một xa hơn. Giờ đây, với sự hỗ trợ của kính viễn vọng James Webb, khả năng quan sát vũ trụ của chúng ta đã được nâng lên một tầm cao mới, nhưng sự thật này vẫn không hề thay đổi. Có vẻ như vũ trụ không chỉ giãn nở mà còn đang tăng tốc, nó đang mở rộng nhanh hơn so với khi chúng ta phát hiện ra lần đầu. Nhưng tại sao lại như vậy, liệu đến một lúc nào đấy vũ trụ có đảo chiều hay không?
Theo mô hình vũ trụ học Big Bang, thì Vụ Nổ Lớn chính là sự kiện tạo ra vũ trụ và cũng chính là sự kiện cung cấp năng lượng cho sự mở rộng của không gian. Để giải mã vấn đề này, các nhà thiên văn học phải bám sát vào một tham số rất quan trọng, đó là tỉ trọng giới hạn của vũ trụ. Rất đơn giản, tỉ trọng giới hạn (hay còn được gọi là mật độ tới hạn) chính là tỉ trọng khối lượng trên thể tích không gian. Tỉ trọng này sẽ tới hạn khi mà khối lượng và cả năng lượng đạt đến mức vừa đủ để tốc độ giãn nở của vũ trụ luôn ổn định. Về nguyên lý, khối lượng sẽ tạo ra lực hấp dẫn, và lực hấp dẫn chính là thứ duy nhất có thể chống lại sự giãn nở của không gian bằng cách kéo các thiên hà lại gần với nhau. Nói đơn giản hơn, với thể tích của không gian hiện tại, vũ trụ cần có một khối lượng đủ lớn để kiềm chế lại tốc độ giãn nở, không để nó lớn quá mức có thể xé toạc mọi thứ, và cũng không nên để nó yếu quá làm mọi thứ đâm vào nhau. Mức độ vừa đủ đó được gọi là khối lượng giới hạn.
Tuy nhiên, làm sao để biết vũ trụ cần bao nhiêu khối lượng? Câu trả lời là tính toán và đo đạc. Đầu tiên, người ta đo đạc tốc độ giãn nở của vũ trụ, sau đó tính toán giá trị bình quân của nó. Giá trị bình quân này được gọi là “hằng số giãn nở”, tức là hằng số này có thể được áp dụng ở mọi nơi trong vũ trụ. Theo những quan sát và đo đạc chính xác nhất bằng nhiều cỗ máy khác nhau, tốc độ giãn nở của vũ trụ, tương ứng với vận tốc các thiên hà rời xa chúng ta, dao động trong khoảng trên dưới 70 km/giây trên 3,26 triệu năm ánh sáng. Nghĩa là trong phạm vi 3,26 triệu năm ánh sáng, mỗi giây vũ trụ sẽ mở rộng thêm 70 km. Nghe thì có vẻ không nhiều lắm, nhưng tính trên tổng thể toàn vũ trụ, vận tốc này có thể gấp hơn sáu lần vận tốc ánh sáng.
Khi đã đo đạc được hằng số giãn nở, ta có thể tính mật độ giới hạn của vũ trụ bằng công thức 3H028πGfrac{3H_0^2}{8pi G}8πG3H02. Đây là công thức được phát triển bởi nhà vật lý người Liên Xô Alexander Friedmann. Trong đó, H0H_0H0 là hằng số giãn nở mà mình vừa nói ở trên, còn GGG (chữ “lớn”) chính là hằng số hấp dẫn, có giá trị bằng 6,674×10−116,674 times 10^{-11}6,674×10−11 (đơn vị m3 kg−1 s−2m^3,kg^{-1},s^{-2}m3kg−1s−2). Sau cùng, chỉ cần khớp các giá trị vào công thức, ta sẽ có mật độ tới hạn của vũ trụ là 9,23×10−279,23 times 10^{-27}9,23×10−27 kg/m³. Để có một so sánh trực quan, chúng ta biết khối lượng của một nguyên tử hydro bằng 1,67×10−271,67 times 10^{-27}1,67×10−27 kg. Như vậy, có thể thấy mật độ tới hạn của vũ trụ sẽ tương đương với khoảng 5,53 nguyên tử hydro trên 1 mét khối không gian.
Lưu ý, đây là điều kiện cần để cho tốc độ giãn nở của vũ trụ luôn giữ ở mức ổn định, không nhanh quá cũng không chậm quá. Nói chung là nó cứ đều đều, từ từ và ổn định. Nhiều tài liệu sẽ ghi đây là mật độ cần thiết để không gian vũ trụ đạt “trạng thái phẳng”, và điều này cũng rất chính xác, vì tính trên tổng thể thì sự phân bố của vật chất và năng lượng trong không gian là rất đồng đều. Điều này khiến cho lực hấp dẫn được phân phối trên phạm vi lớn là như nhau. Giả sử nếu vũ trụ thực sự đạt giới hạn này, thì chắc chắn sự mở rộng của nó sẽ là vô hạn, không bao giờ dừng lại, nhưng sẽ chậm dần theo thời gian. Tốc độ mở rộng sẽ chậm dần, chậm dần. Nhưng để dừng lại hẳn thì nó cần đến vô hạn thời gian. Nếu trong trường hợp mật độ thực của vũ trụ vượt quá mức độ tới hạn, tức là vũ trụ có mật độ khối lượng nhiều hơn khối lượng của 5,53 nguyên tử hydro trên 1 mét khối không gian, thì chắc chắn đến một ngày nào đó nó sẽ co lại.
Vậy là chúng ta đã có một thước đo cố định, một dấu mốc để so sánh. Bây giờ, chỉ cần tính toán khối lượng thực của vũ trụ đang ở mức nào: nó nhiều hơn, ít hơn hay bằng mật độ tới hạn. Theo như các đo đạc của tổ hợp vũ trụ Planck và WMAP, thì mật độ khối lượng thực tế của vũ trụ là 8,5×10−278,5 times 10^{-27}8,5×10−27 kg/m³. Giá trị này tương đương với khoảng 5,09 nguyên tử hydro trên 1 mét khối không gian. Con số này nhỏ hơn một chút so với mật độ lý tưởng giới hạn. Cụ thể, giá trị này đã bao gồm sự đóng góp của 5% vật chất thông thường (bằng 4,25×10−284,25 times 10^{-28}4,25×10−28 kg/m³), 27% vật chất tối (bằng 2,29×10−272,29 times 10^{-27}2,29×10−27 kg/m³), cuối cùng là 68% năng lượng tối (bằng 5,78×10−275,78 times 10^{-27}5,78×10−27 kg/m³). Như vậy, về mặt thực tế, tổng mật độ khối lượng của vũ trụ chỉ bằng 92% so với mật độ tới hạn lý tưởng. Điều này dẫn đến một hệ quả: vũ trụ sẽ giãn nở không ngừng và ngày một tăng tốc nhanh hơn. Thậm chí, sự giãn nở này có thể xé toạc không gian và khiến vũ trụ của chúng ta thực sự kết thúc trong lạnh lẽo và tối tăm.
Dĩ nhiên, nếu các bạn hỏi tôi rằng những kết quả này có chính xác không, thì thú thực tôi cũng không biết. Nếu dữ liệu đầu vào của bạn có sự thay đổi, với hằng số H0H_0H0 là một con số khác, thì kết quả sẽ khác. Thế nhưng, kể cả nếu H0H_0H0 của bạn bằng 68 km/giây trên 3,26 triệu năm ánh sáng, thì kết quả cuối cùng vẫn là nhỏ hơn mật độ tới hạn lý tưởng, và trên hết nó cũng không ảnh hưởng nhiều đến kết quả như mình đã nói ở trên. Do đó, khả năng cao là vũ trụ này sẽ không bao giờ co lại, nó cũng không giãn nở một cách mượt mà và êm dịu. Thay vào đó, nó sẽ ngày một nhanh hơn, ngày một điên cuồng hơn. Rõ ràng, đây là một kết quả không thú vị cho lắm, nhưng nó đang phản ánh đúng thực tế mà chúng ta đã quan sát được: rằng các thiên hà đang rời xa chúng ta ngày một nhanh hơn, vũ trụ quan sát được ngày một mờ hơn do quá trình dịch chuyển đỏ diễn ra nhanh hơn.
Câu hỏi cuối cùng đặt ra là: điều này có quan trọng không? Câu trả lời là vừa có lại vừa không. Với khoa học, điều này cực kỳ quan trọng, nó cho chúng ta biết vũ trụ đang phát triển như thế nào, ảnh hưởng đến các quan sát ra làm sao. Từ đó, các nhà khoa học có thể đưa ra suy đoán về cả quá khứ và tương lai của vũ trụ. Còn riêng với sự tồn tại của nhân loại, thì có thể nói sự giãn nở này chẳng ảnh hưởng gì đến sự tồn tại của chúng ta cả. Vũ trụ giãn nở nhanh hay chậm, thậm chí có chuẩn bị co lại đi nữa, thì con người cũng khó có thể chứng kiến kết quả cuối cùng của nó. Trên thực tế, bất kỳ thay đổi nào của vũ trụ hay cả sự giãn nở, chủ yếu ảnh hưởng đến các hiện tượng vĩ mô trong phạm vi thời gian cực kỳ dài, mà sự sống của con người chỉ là một khoảnh khắc rất ngắn trong đó.
