Theo các nhà thiên văn học, vũ trụ bắt đầu cách đây khoảng 13,8 tỷ năm trong một trạng thái cực nóng, cực đặc và giãn nở với tốc độ khủng khiếp, được gọi là Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Vật chất và bức xạ tràn ngập khắp không gian, trong khi chính kết cấu của không - thời gian cũng mở rộng, đưa vũ trụ tiến hóa.

Kể từ khoảnh khắc khai sinh đó, một “cuộc đua vĩ đại nhất” đã không ngừng diễn ra giữa hai thế lực đối nghịch: một bên là lực hấp dẫn, do vật chất và năng lượng tạo ra, kéo mọi thứ lại gần nhau; bên còn lại là sự giãn nở của vũ trụ, ban đầu được thúc đẩy bởi Big Bang và hiện tiếp tục đẩy mọi thiên thể ra xa nhau. Vậy lực nào sẽ chiến thắng?

Kịch bản 1: “Đóng băng lớn” - Cái chết nhiệt của vũ trụ

Dựa trên các dữ liệu quan sát hiện nay, kịch bản được xem là có khả năng nhất cho số phận cuối cùng của vũ trụ là “Big Freeze” (Đóng băng lớn), còn gọi là “Heat Death” (Cái chết nhiệt).

Giả thuyết này dựa trên tiền đề rằng các định luật vật lý hiện tại là chính xác và vũ trụ sẽ tiếp tục vận hành theo cách giống như trong vài tỷ năm qua.

Bước ngoặt quan trọng xảy ra vào năm 1998, khi hai nhóm nhà thiên văn học độc lập, do các nhà khoa học Saul Perlmutter, Brian Schmidt và Adam Riess dẫn đầu, nghiên cứu ánh sáng phát ra từ các vụ nổ siêu tân tinh ở rất xa.

Họ phát hiện ánh sáng từ những thiên thể này mờ hơn dự đoán, từ đó chứng minh rằng vũ trụ không chỉ đang giãn nở mà còn đang giãn nở ngày càng nhanh hơn.

Lực bí ẩn thúc đẩy sự tăng tốc này được gọi là năng lượng tối - một dạng năng lượng có mật độ gần như không đổi, được cho là tràn ngập trong chính cấu trúc của không gian.

Tuy nhiên, cho đến nay, giới khoa học vẫn chưa thực sự hiểu năng lượng tối là gì, hoạt động ra sao và tương lai của nó sẽ như thế nào.

Nếu quá trình giãn nở tiếp tục, mật độ vật chất trong vũ trụ sẽ ngày càng loãng đi khi thể tích không gian tăng lên. Trong khi đó, mật độ của năng lượng tối vẫn giữ nguyên, khiến tốc độ giãn nở tiếp tục tăng.

Khi lượng vật chất và năng lượng không còn đủ để lực hấp dẫn chống lại quá trình này, vũ trụ sẽ bước vào giai đoạn giãn nở theo cấp số nhân, đẩy mọi thiên hà và vật thể ngày càng xa nhau - ngoại trừ những thiên thể nằm trong Nhóm Địa phương (Local Group), cụm thiên hà chứa Dải Ngân hà, Thiên hà Tiên nữ và một số thiên hà lân cận.

Hiện nay, khoảng 97% vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát nằm ngoài khả năng tiếp cận của con người. Ánh sáng từ các thiên thể vượt ngoài ranh giới quan sát khoảng 13 tỷ năm ánh sáng sẽ dần mờ đi, bị dịch chuyển về phía đỏ, rồi biến mất hoàn toàn theo thời gian.

Trong tương lai xa hơn nữa, ngay cả những cấu trúc quy mô lớn cũng có thể “bốc hơi” thông qua hiện tượng đường hầm lượng tử - khi các hạt có thể vượt qua rào cản năng lượng dù về lý thuyết không đủ năng lượng để làm điều đó.

Những hố đen siêu nặng cũng không phải ngoại lệ khi chúng được cho là sẽ dần mất khối lượng nhờ bức xạ Hawking.

Theo lý thuyết này, trong chân không của không gian liên tục xuất hiện các cặp hạt - phản hạt ảo. Khi một hạt rơi vào hố đen còn hạt kia thoát ra ngoài, hố đen sẽ mất dần năng lượng và khối lượng, cuối cùng co nhỏ lại và biến mất.

Những gì còn sót lại của vũ trụ chỉ là một “bát súp” gồm các hạt hạ nguyên tử phân tán trong không gian đang tiếp tục giãn nở, nguội dần trên hành trình tiến tới độ không tuyệt đối - trạng thái được gọi là “cái chết nhiệt”.

Trong sự đình trệ nhiệt động lực học đó, sẽ không còn chênh lệch nhiệt độ, không còn quá trình vật lý nào có thể diễn ra và cũng không còn điều kiện cho sự sống tồn tại. Khi ấy, nhiệt độ cuối cùng của vũ trụ sẽ chỉ còn lơ lửng ngay trên ngưỡng 0 độ K - dấu chấm lặng lẽ cho mọi thứ từng tồn tại.

Kịch bản 2: “Xé toạc lớn” - Khi chính không gian tự hủy diệt

Trong hơn hai thập kỷ qua, các phép đo về cường độ của năng lượng tối đã làm dấy lên khả năng rằng dạng năng lượng bí ẩn này có thể không hề ổn định như giới khoa học từng dự đoán.

Theo giả thuyết “Big Rip” (Xé toạc lớn), năng lượng tối sẽ ngày càng mạnh hơn theo thời gian, biến thành thứ được gọi là “năng lượng tối ma quái”. Khi đó, tốc độ giãn nở của vũ trụ sẽ không còn diễn ra một cách từ tốn mà chuyển sang trạng thái tăng tốc không thể kiểm soát. Các thiên thể ở xa sẽ lao khỏi nhau với tốc độ ngày càng điên cuồng.

Khi năng lượng tối ma quái tiếp tục gia tăng, những cụm thiên hà vốn được liên kết bằng lực hấp dẫn sẽ tan rã, các thiên hà riêng lẻ bị xé tung thành các ngôi sao. Các hành tinh cũng bị hất văng hỗn loạn như những quả bóng trên bàn bi-a vũ trụ.

Không chỉ dừng ở quy mô thiên văn, ngay cả các nguyên tử cũng sẽ mất liên kết. Trong những khoảnh khắc hấp hối cuối cùng của vũ trụ, các hạt hạ nguyên tử như quark, thậm chí cả chính kết cấu của không - thời gian, cũng sẽ bị xé toạc.

Trong giả thuyết này, không gian gần như tự hủy diệt, trở thành một dạng “kỳ dị đảo ngược”, nơi mọi khái niệm về khoảng cách và cấu trúc không gian đều sụp đổ hoàn toàn. Dù vậy, các nhà khoa học cho rằng nếu kịch bản này là đúng, nhân loại vẫn còn khoảng vài trăm tỷ năm trước khi thảm họa đó xảy ra.

Kịch bản 3: “Co sụp lớn” - Vũ trụ quay về điểm khởi đầu

Vào thập niên 1920, nhà thiên văn học Edwin Hubble đã chứng minh rằng vũ trụ đang giãn nở. Sau đó, khi xây dựng thuyết Tương đối rộng, nhà vật lý Albert Einstein nhận thấy vũ trụ luôn trong trạng thái vận động. Tuy nhiên, để phù hợp với quan niệm phổ biến lúc bấy giờ rằng vũ trụ là tĩnh tại, ông đã đưa thêm một hằng số vũ trụ học vào các phương trình của mình nhằm cân bằng sự giãn nở đó.

Nhà vật lý người Nga Alexander Friedmann sau này cho rằng sau giai đoạn giãn nở ban đầu, số phận của vũ trụ sẽ phụ thuộc vào lực hấp dẫn tổng hợp của toàn bộ vật chất và năng lượng chứa bên trong nó.

Các quan sát hiện nay cho thấy lượng vật chất trong vũ trụ không đủ để làm chậm, chứ chưa nói tới đảo ngược, quá trình giãn nở.

Tuy nhiên, năng lượng tối có thể là một đại lượng động, nghĩa là nó có thể thay đổi theo thời gian, biến đổi thành dạng năng lượng khác hoặc thậm chí thành các hạt vật chất. Thay vì mạnh dần lên như trong kịch bản Big Rip, nó có thể suy yếu đi. Hiện tại, tốc độ giãn nở của vũ trụ phù hợp với giả thuyết rằng tồn tại một dạng năng lượng không đổi nằm trong chính cấu trúc của không gian. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu mật độ năng lượng đó giảm xuống?

Theo như kịch bản trước, nếu năng lượng tối giảm về 0, vũ trụ có thể tiến tới trạng thái “Đóng băng lớn”. Nhưng nếu nó tiếp tục suy giảm tới mức mang giá trị âm, điều đó có thể kích hoạt “Big Crunch” (Co sụp lớn).

Khi ấy, không gian sẽ bị lấp đầy bởi một dạng năng lượng nội tại đảo ngược, khiến toàn bộ vũ trụ bắt đầu co sụp trở lại. Mạng lưới vũ trụ sẽ co lại, các thiên hà va chạm dữ dội, vật chất chuyển thành plasma, các nguyên tử bị nghiền nát và những hạt hạ nguyên tử bước vào trạng thái năng lượng cực cao. Toàn bộ quá trình này sẽ diễn ra trong khoảng thời gian còn dài hơn cả quãng thời gian từ Big Bang cho tới hiện tại.

Cuối cùng, vũ trụ sẽ biến thành một “quả cầu lửa” khổng lồ với nhiệt độ gần như vô hạn, nơi cả không gian lẫn thời gian đều không còn tồn tại.

Kịch bản 4: “Phân rã chân không” - Khi vũ trụ sụp đổ chỉ trong khoảnh khắc

Giả thuyết thứ tư về ngày tận cùng của vũ trụ dựa trên chính trạng thái nền tảng của không - thời gian. Trong giai đoạn hỗn loạn đầu tiên sau Big Bang, vũ trụ đã trải qua sự “chuyển pha” (phase transition) - hiện tượng một trạng thái vật chất biến đổi đột ngột sang trạng thái khác.

Chính các đợt chuyển pha này đã khiến những lực cơ bản của tự nhiên tách rời nhau, đặc biệt là lực hạt nhân yếu và lực điện từ, từ đó hình thành nên vũ trụ ổn định với vật chất và bức xạ mà con người đang quan sát ngày nay.

Tuy nhiên, theo một số mô hình lượng tử, trạng thái “chân không lượng tử” hiện tại của vũ trụ có thể chưa phải mức năng lượng thấp nhất và ổn định tuyệt đối. Nó có thể chỉ là trạng thái “giả ổn định” - tức đang tạm thời ổn định nhưng vẫn chờ đợi một sự chuyển đổi dữ dội khác.

Các dao động lượng tử ngẫu nhiên hoàn toàn có khả năng tạo ra một “trạng thái nền” mới, đi kèm với những hạt cơ bản, trường lực và quy luật vật lý hoàn toàn khác hiện nay.

Điều đáng sợ là quá trình này có thể diễn ra nhanh hơn cả một cái chớp mắt.

Một “bong bóng lượng tử” mới có thể bất ngờ xuất hiện ở bất kỳ đâu trong vũ trụ, rồi lan rộng với tốc độ ánh sáng, cuốn phăng mọi thứ trên đường đi và thay thế bằng một vũ trụ hoàn toàn xa lạ với mọi thứ con người từng biết. May mắn là cho tới hiện tại, các quan sát cho thấy vũ trụ vẫn đang ở trạng thái ổn định. Và ngay cả khi sự kiện đó thực sự xảy ra, các nhà khoa học cho rằng nó sẽ diễn ra nhanh đến mức con người thậm chí không kịp nhận ra.

Kịch bản 5: “Bật nảy lớn” - Vũ trụ tái sinh trong chu kỳ vô tận

Tuy nhiên, không phải mọi giả thuyết về số phận vũ trụ đều dẫn tới một kết thúc tuyệt đối. Một trong những ý tưởng đáng chú ý là mô hình “Vũ trụ học tuần hoàn đồng dạng” (Conformal Cyclic Cosmology - CCC), còn được gọi là “Big Bounce” (Bật nảy lớn).

Giả thuyết này được xây dựng dựa trên kịch bản “Đóng băng lớn”, khi vũ trụ trở nên cực kỳ lạnh, rộng lớn và gần như trống rỗng. Khi đó, các hạt hạ nguyên tử đơn lẻ như neutrino, electron hay vật chất tối sẽ nằm cách xa nhau tới mức gần như không thể tưởng tượng nổi.

Theo lý thuyết này, dù hiện vẫn đi ngược nhiều định luật vật lý được chấp nhận, các hạt còn sót lại cuối cùng có thể phân rã thành photon, tạo nên một trạng thái không - thời gian hoàn toàn rỗng, không còn đặc tính vật lý, không điểm tham chiếu, không mốc định hướng, gần như là “hư vô”.

Tuy nhiên, mặt tích cực của giả thuyết nằm ở chỗ: trạng thái “kết thúc” này của vũ trụ có thể trở thành nền móng cho một chu kỳ mới. Nói cách khác, vũ trụ có thể “bật nảy” trở lại thành một Big Bang mới sau hàng nghìn tỷ năm, mở ra một chu trình sáng tạo vũ trụ lặp đi lặp lại vô tận.

Dẫu vậy, số phận thực sự của vũ trụ vẫn là điều hoàn toàn chưa thể biết chắc. Con người có thể mở rộng trí tưởng tượng bằng các giả thuyết và suy đoán khoa học, nhưng các nhà nghiên cứu đều đồng thuận ở một điểm: bất kỳ kịch bản nào xảy ra với vũ trụ cũng sẽ diễn ra trên thang thời gian khổng lồ, kéo dài hàng chục tỷ năm.