Các nhà thiên văn học từng có nhiều băn khoăn về việc vũ trụ của chúng ta sẽ kết thúc như thế nào, bằng một vụ dồn nén vật chất tạo ra những âm thanh lớn gọi là Big Crunch hay giãn nở vĩnh viễn dẫn đến một trận đóng băng trên diện rộng gọi là Big Freeze. Sau nhiều năm, cuối cùng các nhà khoa học cũng nghiêng về một giả thiết.
Nhân loại đã thắc mắc vũ trụ sẽ kết thúc như thế nào từ hàng ngàn năm nay, và bây giờ khoa học thực sự đã có đủ thông tin và công cụ để tìm ra câu trả lời.
Gần đây, các nhà thiên văn học cho rằng vũ trụ sẽ giãn nở liên tục và sụp đổ trong một chu kỳ vô hạn của sự ra đời và kết thúc vũ trụ. Hàng nghìn tỷ năm nữa, rất lâu sau khi Trái Đất bị hoại diệt, vũ trụ cũng sẽ dần tan rã, các ngôi sao sẽ vụt tắt, biến bầu trời thành một màu đen tối. Hố đen sẽ nuốt chửng tất cả những vật chất tồn tại cho đến khi không còn bất cứ một thứ gì. Cuối cùng, những dấu vết còn sót lại về nhiệt độ cũng sẽ biến mất.
Dường như vũ trụ không hẳn sẽ kết thúc theo cách này. Vào khoảng 1 thế kỷ trước, các nhà thiên văn học từng cho rằng Dải Ngân hà của chúng ta là toàn bộ vũ trụ và luôn duy trì ở trạng thái tĩnh. Tuy nhiên khi Albert Einstein xây dựng Thuyết Tương đối nổi tiếng, ông phát hiện ra những dấu hiệu kỳ lạ. Các phương trình của ông cho thấy rằng vũ trụ không hề ở trạng thái tĩnh, mà đang chuyển động theo hướng giãn nở hoặc co lại. Vì vậy ông đã đưa ra hằng số vũ trụ để giữ vũ trụ ở một trạng thái ổn định hơn.
Tuy nhiên, cũng trong khoảng thời gian đó, các nhà thiên văn học cũng bắt đầu phát hiện ra một số tinh vân hình xoắn ốc mờ mà họ quan sát được bằng kính thiên văn không thuộc về thiên hà của chúng ta, mà nằm hoàn toàn ở những thiên hà khác. Và khi Edwin Hubble đo lường tỉ mỉ chuyển động của chúng, ông thấy rằng những thiên hà này đang thực sự di chuyển ra xa khỏi thiên hà của chúng ta. Và rồi con người đã nhận ra rằng: Vũ trụ đang ngày càng mở rộng.
Đảo ngược lại quá trình giãn nở đó đã cho một kết quả rằng vũ trụ đã được sinh ra trong một vụ nổ Big Bang cách đây khoảng 13.8 tỷ năm. Với nhiều thông tin ngày càng được củng cố vững chắc, giới khoa học bắt đầu tìm hiểu câu hỏi lớn tiếp theo: Vũ trụ rồi sẽ kết thúc như thế nào?
Có hai cách để một vũ trụ đang giãn nở sẽ đi đến sự kết thúc đó là cuối cùng nó sẽ tự sụp đổ hoặc nó sẽ tiếp tục giãn nở mãi mãi. Để tìm hiểu xem đâu là câu trả lời chính xác thì các nhà thiên văn học đã phải tua nhanh quá quá trình tiến hóa của vũ trụ.
Giả thuyết vũ trụ sẽ kết thúc bằng một vụ Big Crunch
Năm 1922, nhà vật lý và toán học người Nga Alexander Friedmann đã đưa ra một bộ phương trình nổi tiếng cho thấy rằng vận mệnh của vũ trụ được xác định bởi mật độ của nó, và nó có thể giãn nở hoặc co lại thay vì duy trì ở một trạng thái tĩnh. Khi có đủ lượng vật chất, lực hấp dẫn sẽ ngăn cản sự giãn nở của vũ trụ khiến nó hút tất cả vào trong.
Vào những năm 1960 và 1970, khi các nhà thiên văn học cộng dồn tất cả những vật chất trong vũ trụ mà con người từng biết tới, họ thấy rằng có đủ khối lượng để vũ trụ cuối cùng sẽ sụp đổ trong trạng thái dày đặc vô hạn hoặc thậm chí có thể trở thành một hố đen khổng lồ.
Một số người suy đoán rằng, khi bị nén vào một điểm nhỏ vô hạn thông qua Big Crunch thì vũ trụ lại bắt đầu một đợt giãn nở khác gọi là Big Bounce.
Trong những năm 1970 và 1980, nhà vật lý học John Wheeler, người đã đưa ra thuật ngữ hố đen đã trở thành người ủng hộ giả thuyết vũ trụ sẽ kết thúc bằng một vụ Big Crunch. Ông cho rằng đó là điều hiển nhiên sẽ xảy ra và dễ hình dung.
Giả thuyết vũ trụ sẽ kết thúc bằng một vụ Big Freeze
Vào cuối những năm 1990, hai nhóm nhà khoa học riêng biệt đang nghiên cứu về những ngôi sao sắp chết được gọi là siêu tân tinh. Họ nhận thấy những vụ nổ ở xa có vẻ mờ hơn, và do đó ở khoảng cách xa hơn so với dự kiến. Sự giãn nở của vũ trụ không hề chậm lại thậm chí nó đang tăng tốc. Các nhóm nghiên cứu đã tình cờ tìm thấy năng lượng tối, phá vỡ các mô hình vũ trụ hiện có.
Việc khám phá ra năng lượng tối bất chấp kỳ vọng cho thấy vũ trụ rất khó có khả năng sụp đổ trong một Big Crunch. Ngay cả khi tất cả các vật chất trong vũ trụ đều kéo vào bên trong, lực hấp dẫn sẽ không bao giờ đủ mạnh để vượt qua hiệu ứng thổi phồng của năng lượng tối. Nói cách khác, vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi và được định sẵn kết thúc bằng một vụ Big Freeze.
Ngày nay, các nhà thiên văn học cho rằng vật chất bình thường chỉ chiếm 5% trong vũ trụ. Trong khi đó, vật chất tối chiếm khoảng 26% và năng lượng tối chiếm 69. Năng lượng tối dường như là lực trong thế giới thực đằng sau hằng số vũ trụ của Albert Einstein, đóng vai trò chính trong việc ngăn chặn sự sụp đổ kiểu Big Crunch.
Nhờ sự giãn nở do năng lượng tối gây ra, trong vòng vài nghìn tỷ năm nữa, mọi thứ sẽ khó có thể quan sát được, trừ những thiên hà gần nhất. Sau đó, khoảng 100 nghìn tỷ năm sau, sự hình thành các ngôi sao sẽ chấm dứt, tàn tích của các ngôi sao sẽ dày đặc như sao lùn trắng và hố đen sẽ hút hết mọi vật chất còn lại.
Khoảng 10 mũ 100 năm nữa kể từ bây giờ các vật thể cuối cùng trong vũ trụ như các hố đen siêu khổng lồ sẽ hoàn toàn bốc hơi thông qua bức xạ Hawking. Sau đó, vũ trụ sẽ bước vào Kỷ nguyên đen tối, nơi mà vật chất chỉ là một ký ức xa xăm.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học cho rằng entropy sẽ tiếp tục tăng trong một hệ thống (chẳng hạn như vũ trụ) cho đến khi nó đạt đến mức cực đại. Trong điều kiện thực tế, điều đó có nghĩa là tại một thời điểm nào đó, vũ trụ cuối cùng sẽ đạt đến trạng thái mà ở đó tất cả năng lượng, nhiệt độ được phân bố đồng đều. Nhiệt độ cuối cùng của toàn bộ vũ trụ sẽ vượt quá độ không tuyệt đối.
Vì vậy sự kết thúc của vũ trụ có thể giống với sự khởi đầu của Khởi nguyên thuyết: Mọi thứ đều trống rỗng và tăm tối.
