Tại sao chúng ta không cảm nhận được sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc?

Vũ trụ không chỉ giãn nở mà sự giãn nở đó còn đang tăng tốc. Vậy tại sao chúng ta không cảm nhận được nó theo bất kỳ cách đo lường nào?

Một trong những sự thật gây bối rối và khó hiểu nhất về vũ trụ là không gian mà chúng ta trải nghiệm – hay khoảng cách/sự tách biệt giữa các vật thể – không phải là thứ bất biến theo thời gian. Thay vào đó, các khoảng cách thay đổi, nhưng không giống như cách chúng thay đổi ở quy mô vũ trụ so với quy mô Trái Đất, Hệ Mặt Trời hay trong thiên hà của chúng ta. Trong những hệ thống quen thuộc này, khoảng cách có xu hướng thay đổi dựa trên các lực tác động lên các vật thể liên quan, cụ thể là lực hấp dẫn, lực này hút mọi vật thể có khối lượng lại với nhau, cũng như các lực điện từ và hạt nhân vốn chiếm ưu thế ở các quy mô nhỏ hơn, khối lượng thấp hơn.

Sự giãn nở ở quy mô vũ trụ

Tuy nhiên, ở quy mô vũ trụ lớn hơn, vũ trụ thực sự đang giãn nở, và hơn thế nữa, sự giãn nở của Vũ trụ đang tăng tốc. Tại sao sự giãn nở này lại không phải là thứ mà chúng ta trải nghiệm trên Trái Đất, và thậm chí không thể cảm nhận hoặc phát hiện trong các thí nghiệm trên mặt đất dù có sử dụng các thiết bị nhạy cảm nhất? Đó chính là câu hỏi mà Jim đặt ra khi ông viết:

Nhiều nhà vũ trụ học tin rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Nếu vậy, tại sao chúng ta không cảm nhận được nó? Tôi không bị thuyết phục [rằng điều này nhất thiết phải đúng]. Chúng ta có thể đo được các trường hấp dẫn rất yếu. Lực tăng tốc này mạnh đến mức nào? Nó có thể đẩy các thiên hà nguyên vẹn, chẳng hạn. Lực đó mạnh đến đâu so với một trường hấp dẫn yếu nhưng có thể đo lường được?

Đây là một câu hỏi tuyệt vời, vì nó đi sâu vào một trong những hiểu lầm lớn nhất về vũ trụ đang giãn nở: quan niệm rằng tăng tốc đồng nghĩa với lực. Hãy cùng tìm hiểu vật lý ở trung tâm vũ trụ của chúng ta.

Isaac Newton đã thực hiện những bước tiến lớn lao, hầu như chỉ một mình, trong nhiều lĩnh vực vật lý và toán học. Ông cách mạng hóa hấp dẫn, chuyển động, quang học và đồng phát minh ra giải tích. Không có sự nhắc đến, cũng không cần nhắc đến, bất kỳ điều gì ngoài các quy luật tự nhiên của vật lý cho tất cả các hiện tượng được quan sát.

Phương trình vật lý đầu tiên mà hầu hết mọi người học được không phải là E = mc² của Einstein, dù đây có lẽ là phương trình nổi tiếng nhất mọi thời đại. Thay vào đó, phương trình đầu tiên và có lẽ quan trọng nhất đi vào cốt lõi của vật lý là từ Isaac Newton, và đó là F = ma, trong đó:

– F là lực, cụ thể là lực tổng hợp, hay lực toàn phần, tác động lên một vật thể,

– m là khối lượng, cụ thể là khối lượng của vật thể mà lực đang tác động lên,

– và a là gia tốc của vật thể chịu lực đó.

Phương trình này cung cấp nhiều thông tin quan trọng. Đầu tiên, nếu một vật thể không chịu tác động của lực tổng hợp, tức là lực tổng hợp bằng 0, thì vật thể đó sẽ không gia tốc mà sẽ duy trì trạng thái chuyển động đều: ý tưởng cốt lõi của thuyết tương đối Galileo. Nó cũng cho biết rằng nếu có một lực tổng hợp tác động lên bạn, lực này sẽ thay đổi chuyển động của bạn, gây ra một gia tốc không chỉ theo hướng của lực tổng hợp mà còn có độ lớn bằng độ lớn của lực chia cho khối lượng của vật thể.

Khi một quả bóng hoặc một hình trụ bắt đầu ở trạng thái đứng yên và sau đó lăn xuống một ngọn đồi, khoảng cách mà nó di chuyển được tỷ lệ với bình phương của khoảng thời gian mà nó đã chuyển động. Mối quan hệ này lần đầu tiên được Galileo khám phá hơn 400 năm trước, và ngày nay được tận dụng trong các hoạt động hiện đại như môn thể thao mạo hiểm Zorbing.

Sức mạnh của bức tranh Newton trong việc giải thích thế giới

Bức tranh về thực tại theo quan điểm Newton vô cùng thành công trong nhiều lĩnh vực: trên Trái Đất, trên các hành tinh khác, trong Hệ Mặt Trời của chúng ta, trong các hệ sao ngoài Hệ Mặt Trời, và thậm chí trong toàn bộ thiên hà và xa hơn nữa. Khi các vật thể gia tốc – nghĩa là khi vận tốc của chúng thay đổi theo thời gian – đó là vì có một lực tổng hợp tác động lên chúng, và lực đó là nguyên nhân dẫn đến gia tốc của chúng. Hơn nữa, độ lớn của gia tốc của vật thể đó được xác định bằng độ lớn của lực tổng hợp chia cho khối lượng của vật thể đang gia tốc.

Điều này đúng với tất cả các lực trong tự nhiên:

– Lực hấp dẫn,

– lực điện từ,

– lực hạt nhân mạnh,

– và lực hạt nhân yếu.

Con người, bất cứ khi nào chúng ta nhảy lên khỏi mặt đất, cơ thể chúng ta sẽ gia tốc xuống dưới – về phía trung tâm Trái Đất – do lực hấp dẫn từ Trái Đất. Mặt Trăng, mặc dù cách xa bề mặt Trái Đất hàng trăm nghìn kilômét, cũng gia tốc xuống dưới, hoặc về phía trung tâm Trái Đất, vì lực tổng hợp tác động lên nó chính là lực hấp dẫn từ Trái Đất.

Vậy tại sao chúng ta không cảm nhận được sự giãn nở của Vũ trụ?

Dù lực hấp dẫn của Trái Đất làm mọi vật trên bề mặt Trái Đất gia tốc về phía trung tâm, và lực hấp dẫn của Trái Đất cũng khiến Mặt Trăng gia tốc quanh quỹ đạo của nó, nhưng sự giãn nở của Vũ trụ lại là một câu chuyện khác.

Trong mô hình hiện đại của Vũ trụ, sự giãn nở không phải là một lực tác động theo cách mà lực hấp dẫn hay lực điện từ tác động. Thay vào đó, sự giãn nở của Vũ trụ là kết quả của bản chất của không – thời gian: khoảng cách giữa các vật thể tăng lên mà không cần bất kỳ lực nào đẩy chúng ra xa nhau.

Đây là lý do tại sao chúng ta không cảm nhận được sự giãn nở của Vũ trụ trên quy mô nhỏ, chẳng hạn như trên Trái Đất, trong Hệ Mặt Trời hoặc thậm chí trong Ngân Hà của chúng ta. Lực hấp dẫn tại các quy mô này vượt xa ảnh hưởng của sự giãn nở Vũ trụ, giữ cho các vật thể gắn kết với nhau.

Jim đã hỏi rằng nếu sự giãn nở của Vũ trụ đang gia tốc, thì tại sao chúng ta không cảm nhận được một lực? Câu trả lời nằm ở sự khác biệt giữa gia tốc và lực.

Trong cơ học Newton, gia tốc luôn được liên kết với một lực, vì F = ma. Nhưng trong thuyết tương đối rộng của Einstein, gia tốc không nhất thiết phải được tạo ra bởi một lực. không – thời gian có thể bị cong, và khi điều đó xảy ra, các vật thể di chuyển dọc theo những đường cong đó mà không cần đến bất kỳ lực nào tác động.

Trong trường hợp của sự giãn nở Vũ trụ, gia tốc này không đến từ một lực như chúng ta thường hiểu. Thay vào đó, nó đến từ bản chất của năng lượng tối – thứ chiếm phần lớn năng lượng trong Vũ trụ và đang khiến sự giãn nở tăng tốc.

Ở các quy mô rất lớn, nơi lực hấp dẫn không còn đủ mạnh để chống lại sự giãn nở, hiệu ứng của sự giãn nở Vũ trụ bắt đầu trở nên quan trọng. Các thiên hà ở cách xa nhau hàng triệu hoặc hàng tỷ năm ánh sáng không còn bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn, và khoảng cách giữa chúng tăng lên theo thời gian.

Điều quan trọng cần lưu ý là sự giãn nở không phải là một lực đang đẩy các thiên hà ra xa nhau. Thay vào đó, không – thời gian giữa các thiên hà này đang giãn ra. Tưởng tượng bạn vẽ các chấm trên một quả bóng bay và sau đó thổi phồng quả bóng. Các chấm không tự di chuyển, nhưng khoảng cách giữa chúng tăng lên khi bề mặt quả bóng phồng lên.

Tại sao sự giãn nở không ảnh hưởng đến chúng ta?

Một câu hỏi hợp lý là: nếu Vũ trụ đang giãn nở, tại sao các vật thể như con người, Trái Đất hay Hệ Mặt Trời không bị kéo giãn ra?

Câu trả lời nằm ở sự khác biệt giữa các lực tại các quy mô khác nhau. Trên các quy mô nhỏ như cơ thể người, lực điện từ giữa các phân tử và nguyên tử là cực kỳ mạnh, giữ các vật thể ở trạng thái ổn định.

Trên quy mô lớn hơn như Trái Đất hoặc Hệ Mặt Trời, lực hấp dẫn chi phối, giúp các hành tinh, ngôi sao và thiên thể gắn kết với nhau.

Chỉ khi vượt qua quy mô của một thiên hà – nơi lực hấp dẫn giữa các thiên hà trở nên yếu hơn rất nhiều – sự giãn nở của Vũ trụ mới có tác động đáng kể.

Sự gia tốc giãn nở của Vũ trụ được cho là do năng lượng tối – một dạng năng lượng bí ẩn và phân bố đều khắp không gian. Năng lượng tối không tác động như một lực cụ thể mà thay vào đó, nó là một thuộc tính của không – thời gian, làm tăng tốc độ giãn nở theo thời gian.

Dù năng lượng tối chiếm khoảng 68% năng lượng trong Vũ trụ, nhưng tại các quy mô nhỏ, nó gần như không có ảnh hưởng gì so với các lực khác như lực hấp dẫn hoặc lực điện từ.

Sự giãn nở của Vũ trụ – và thậm chí là sự gia tốc của nó – là một hiện tượng quan sát được và có thể đo lường, nhưng nó không phải là thứ chúng ta có thể cảm nhận trực tiếp.

Tại các quy mô mà con người trải nghiệm, lực hấp dẫn, lực điện từ và các tương tác cơ bản khác chi phối và làm lu mờ hoàn toàn hiệu ứng của sự giãn nở.

Hiểu được sự khác biệt giữa lực và gia tốc trong bối cảnh Vũ trụ giúp giải thích tại sao chúng ta không cảm nhận được hiện tượng này, ngay cả khi nó định hình và định hướng sự tiến hóa của Vũ trụ trên quy mô lớn.

Tuy nhiên, đây là một điểm quan trọng, gia tốc của một con người gần bề mặt Trái Đất và gia tốc của Mặt Trăng – cách bề mặt Trái Đất khoảng 380.000 km – không giống nhau. Mặt Trăng gia tốc về phía trung tâm Trái Đất chậm hơn nhiều so với một người nhảy – dù từ mặt đất, từ một vách đá hay từ một máy bay – bởi vì lực hấp dẫn yếu đi khi khoảng cách càng lớn.

Khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng, được vẽ theo tỷ lệ. Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng, có nghĩa là nếu Mặt Trăng chỉ cách một nửa khoảng cách hiện tại, lực hấp dẫn và gia tốc của Mặt Trăng sẽ tăng gấp bốn lần. Ngược lại, nếu Mặt Trăng cách xa gấp đôi, lực hấp dẫn (và do đó, gia tốc của Mặt Trăng) sẽ giảm còn một phần tư. Hiện tại, Mặt Trăng cách trung tâm Trái Đất khoảng 60 lần so với bề mặt Trái Đất.

Càng tăng khoảng cách giữa hai vật thể có sự tương tác (hoặc lực) với nhau, cường độ lực (hoặc tương tác) càng yếu đi. Ví dụ, nếu Mặt Trăng:

– Chỉ cách Trái Đất một nửa khoảng cách hiện tại, lực hấp dẫn tác động lên nó sẽ tăng gấp bốn lần.

– Cách xa gấp đôi, lực hấp dẫn tác động lên nó sẽ giảm còn một phần tư.

– Cách xa gấp mười lần, lực hấp dẫn tác động lên nó sẽ chỉ còn 1% (một phần trăm) so với hiện tại.

Khi lực thay đổi, vì khối lượng của Mặt Trăng không đổi, gia tốc của nó về phía trung tâm Trái Đất cũng thay đổi tương tự.

Mặc dù lực hấp dẫn của Trái Đất rất lớn và khoảng cách giữa Mặt Trăng và Trái Đất thay đổi đáng kể, một phi hành gia trên Mặt Trăng không cảm nhận được lực hấp dẫn từ Trái Đất.

Không có thí nghiệm hay phép đo nào – từ việc thả lông chim và búa, đến việc di chuyển cơ thể hay sử dụng các thiết bị đo gia tốc hiện đại – có thể phát hiện được lực hấp dẫn của Trái Đất tác động lên phi hành gia đó.

Chiếc xe Lunar Roving Vehicle, được sử dụng trong ba nhiệm vụ Apollo cuối cùng, đã cho phép các phi hành gia di chuyển xa hơn và khám phá nhiều khu vực đa dạng hơn trên Mặt Trăng so với việc chỉ đi bộ. Các dấu vết của chiếc xe này vẫn tồn tại cho đến ngày nay và có thể được nhìn thấy trong dữ liệu từ tàu quỹ đạo Lunar Reconnaissance.

Hiệu ứng hấp dẫn của Trái Đất không thể cảm nhận được bởi các phi hành gia trên Mặt Trăng.

Từ quan điểm của một phi hành gia trên Mặt Trăng, phòng thí nghiệm của họ chính là khung tham chiếu quán tính. Dù Trái Đất tác động lực lên Mặt Trăng, và Mặt Trời cùng các hành tinh khác cũng tác động lực hấp dẫn lên Mặt Trăng, nhưng điều cần nhớ từ phương trình của Newton, F = ma, là gì?

Phương trình này cho biết rằng, mặc dù lực trên một vật tỉ lệ thuận với khối lượng của nó, gia tốc của vật không tỉ lệ thuận: gia tốc thực chất là lực trên vật chia cho khối lượng của nó: a = F/m.

Khi Trái Đất kéo một phi hành gia trên Mặt Trăng, nó tác động một lực nhỏ hơn lên phi hành gia so với Mặt Trăng, nhưng lực này nhỏ hơn theo đúng tỷ lệ khối lượng của phi hành gia.

Nói cách khác, Trái Đất khiến phi hành gia gia tốc cùng một mức độ với Mặt Trăng. Tương tự, Mặt Trời (và tất cả các hành tinh khác ngoài Trái Đất) cũng khiến cả Mặt Trăng và phi hành gia trên Mặt Trăng gia tốc ở cùng một mức độ, mặc dù các lực tác động lên chúng rất khác biệt.

Bởi vì cả phi hành gia và Mặt Trăng đều được gia tốc đồng đều – tức là ở cùng một tỷ lệ – bởi các lực bên ngoài tác động lên chúng, một phi hành gia trên Mặt Trăng chỉ trải nghiệm lực hấp dẫn của chính Mặt Trăng như một lực ròng tác động lên họ.

Tương tự, một khi bất kỳ vật thể nào bị thả rơi, bao gồm cả thí nghiệm nổi tiếng thả búa và lông chim được thực hiện trong sứ mệnh Apollo 15, lực hấp dẫn của Mặt Trăng – không bị ảnh hưởng bởi Trái Đất, Mặt Trời hay bất cứ thứ gì khác – sẽ quyết định tốc độ mà các vật thể đó gia tốc và rơi xuống.

F = ma và các quy mô lớn hơn

Lý do mà khái niệm F = ma thành công ở các quy mô mà con người trải nghiệm, bao gồm cả các hệ thống trên Trái Đất, Hệ Mặt Trời, sao, và thậm chí là thiên hà, là vì chúng ta đang giới hạn mình trong việc xem xét các hệ thống được liên kết với nhau bởi một trong các lực cơ bản.

(Thực tế, trong tất cả các trường hợp đã được xem xét ở đây, lực đó là lực hấp dẫn.)

Nhưng điều này không còn đúng ở các quy mô vũ trụ.

Có những giả định quan trọng thường không được nhắc đến khi chúng ta nói về Isaac Newton và quan điểm Newton về Vũ trụ. Cụ thể, Newton giả định rằng:

– Lực chi phối toàn bộ Vũ trụ.

– Lực hấp dẫn là tức thời.

– Nó tác động tại một khoảng cách giữa các vật thể, và khoảng cách đó có thể được biết một cách tuyệt đối và khách quan.

– Nó xảy ra giữa tất cả các vật thể có khối lượng.

Tất cả những giả định này, dù có vẻ đúng, đã bị lật đổ khi Einstein xuất hiện.

Hấp dẫn có thể được xem là một lực trong nhiều trường hợp, nhưng nó cũng hơn cả một lực: nó là hệ quả của thực tế rằng khối lượng và năng lượng (không chỉ khối lượng) làm cong cấu trúc không – thời gian và khiến cấu trúc đó thay đổi theo thời gian.

Khi không – thời gian cong và thay đổi, nó quyết định cách mà vật chất và năng lượng di chuyển.

– Lực hấp dẫn không tức thời, mà chỉ lan truyền với tốc độ hữu hạn: tốc độ ánh sáng.

– Khoảng cách không phải là tuyệt đối, mà là tương đối, vì các vật thể chuyển động đo lường và trải nghiệm khoảng cách co lại theo hướng chuyển động so với các vật thể đứng yên.

Hành vi hấp dẫn của Trái Đất xung quanh Mặt Trời không phải là do một lực hấp dẫn vô hình, mà được mô tả tốt hơn là Trái Đất rơi tự do qua không gian cong, nơi bị chi phối bởi Mặt Trời. Khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm không phải là một đường thẳng, mà là một đường địa lý: một đường cong được xác định bởi sự biến dạng hấp dẫn của không – thời gian. Khái niệm về khoảng cách và thời gian là duy nhất đối với mỗi quan sát viên, nhưng theo mô tả của Einstein, tất cả các hệ quy chiếu đều hợp lệ như nhau, và khoảng cách không – thời gian vẫn là một đại lượng bất biến.

Khám phá mới dẫn đến việc từ bỏ quan niệm newton cổ điển

Những phát hiện này đã dẫn đến việc nhân loại từ bỏ khái niệm hoàn toàn theo kiểu Newton về các lực và gia tốc liên kết với nhau qua F = ma, ít nhất là trong mọi hoàn cảnh. Thay vào đó, một khái niệm dễ chấp nhận hơn được đưa ra qua lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein, liên kết khái niệm về không – thời gian, có thể uốn cong và phát triển theo nhiều cách – bao gồm cả việc mở rộng hoặc co lại – với sự phân phối và chuyển động của các khối lượng và các lượng tử cùng các dạng năng lượng khác có mặt trong không – thời gian đó.

Khi các vật thể gần như theo lý thuyết Newton, chẳng hạn như khi bạn có một hệ thống liên kết hấp dẫn và các khối lượng chuyển động với tốc độ chậm so với tốc độ ánh sáng và không có sự tập trung cực kỳ dày đặc của vật chất (bao gồm lỗ đen và sao neutron), thì việc sử dụng F = ma có lý, vì quan niệm về thực tại của Newton rất gần với những dự đoán chính xác mà lý thuyết Einstein đòi hỏi, mặc dù phải mất nhiều công sức hơn.

Phương trình xấp xỉ này hoạt động rất tốt trong các thang đo của các hành tinh, hệ sao, sao, thiên hà đơn lẻ, và thậm chí các nhóm và cụm thiên hà đơn độc. Hệ thống lớn nhất mà chúng ta là một phần của nó là Nhóm Địa Phương của chúng ta, bao gồm Dải Ngân Hà, Andromeda, và hơn 100 thiên hà nhỏ hơn khác được liên kết với nhau. Nhóm Địa Phương mở rộng khoảng 5 triệu năm ánh sáng, và khi các vật thể trong nhóm các thiên hà này tăng tốc đối với nhau, đó là do lực hấp dẫn. Điều này là điều chúng ta có thể đo lường và định lượng một cách rõ ràng.

Tuy nhiên, sự mở rộng của vũ trụ – khi bạn đi đến các thang đo lớn hơn cấu trúc liên kết hấp dẫn – không phải là một cấu trúc Newton, và không còn tuân theo khái niệm F = ma. Đây là một hiện tượng đặc trưng của lý thuyết tương đối tổng quát, và xuất hiện bất cứ khi nào bạn có một hệ thống tuân theo các phương trình trường của Einstein trong các điều kiện mà năng lượng trong hệ thống của bạn được phân phối (xấp xỉ) đồng đều trong không gian. Không còn là gia tốc, nơi bạn có thể đo sự thay đổi về tốc độ của một vật thể xa xôi theo thời gian, được xác định bởi các lực, mà thay vào đó, liệu một vật thể có gia tốc hay không, cũng như nó gia tốc hay giảm tốc như thế nào, được quyết định bởi tất cả các loại năng lượng khác nhau có mặt trong Vũ Trụ của bạn.

Trong Vũ Trụ của chúng ta, chúng ta có thể đo tốc độ các vật thể xa xôi có vẻ như đang rời xa chúng ta như thế nào, vì chúng ta có thể suy ra vận tốc rút lui từ độ dịch chuyển đỏ quan sát được của các vật thể đó. Chúng ta có thể thấy mối quan hệ giữa độ dịch chuyển đỏ và khoảng cách như thế nào khi nhìn về các vật thể ngày càng xa hơn, điều này cho chúng ta một gợi ý về cách mà tốc độ mở rộng của Vũ Trụ đã phát triển theo thời gian. Và chúng ta có thể sử dụng nhiều công cụ vũ trụ học khác nhau để xác định các dạng năng lượng (và mật độ) khác nhau trong Vũ Trụ là gì. Khi chúng ta kết hợp tất cả lại, chúng ta có một bức tranh thống nhất về lịch sử vũ trụ của chính mình, đầy đủ với sự hiểu biết về những gì Vũ Trụ được cấu tạo từ: cả bây giờ và trong tất cả các thời điểm trong quá khứ vũ trụ của chúng ta.

Ngày nay, Vũ Trụ của chúng ta bị chi phối bởi năng lượng tối: một dạng năng lượng mới mà bản chất của nó cuối cùng vẫn chưa được biết đến, nhưng có vẻ như nó phù hợp nhất với một hằng số vũ trụ, hay một dạng năng lượng vốn có và nội tại trong chính không gian. Điều này rất quan trọng, vì tổng hợp tất cả các dạng năng lượng khác nhau cho chúng ta biết cách Vũ Trụ mở rộng, và cách mà các dạng năng lượng khác nhau phát triển theo thời gian cho chúng ta biết cách các khoảng cách giữa hai vật thể không liên kết, cũng như tốc độ rút lui suy ra giữa những vật thể đó sẽ phát triển theo thời gian.

Trong Vũ Trụ của chúng ta, có ba lớp năng lượng quan trọng đối với mục đích này:

1. Có bức xạ, hoặc các hạt chuyển động với tốc độ gần bằng hoặc bằng tốc độ ánh sáng, bao gồm photon và neutrino. Khi Vũ Trụ mở rộng, mật độ số của những hạt này giảm tỷ lệ với thể tích của Vũ Trụ (tức là theo kích thước/cự ly lũy thừa ba) nhân với một yếu tố khác của kích thước/ cự ly khi bước sóng của bức xạ bị kéo dài trong Vũ Trụ đang mở rộng.

2. Có vật chất, bao gồm vật chất thường và vật chất tối, mật độ của nó giảm tỷ lệ chỉ với thể tích của Vũ Trụ: theo kích thước lũy thừa ba.

3. Và cuối cùng, có năng lượng tối, mà chúng ta giả định là một hằng số vũ trụ (mặc dù điều này có thể chỉ gần đúng), mật độ của nó vẫn không thay đổi theo thời gian.

Kết luận

Trong một Vũ Trụ chứa tất cả ba yếu tố trên, sẽ có ba giai đoạn trong bất kỳ Vũ Trụ nào đang mở rộng: một giai đoạn đầu tiên, bị chi phối bởi bức xạ, trong đó tốc độ mở rộng giảm nhanh chóng theo thời gian, một giai đoạn giữa bị chi phối bởi vật chất, trong đó tốc độ mở rộng vẫn giảm theo thời gian nhưng không nhanh như trong giai đoạn bức xạ chi phối, và sau cùng là một giai đoạn chi phối bởi năng lượng tối, trong đó tốc độ mở rộng ngừng giảm, và thay vào đó giữ một giá trị dương không thay đổi.

Với việc vật chất và bức xạ trở nên ít dày đặc hơn khi Vũ Trụ mở rộng do thể tích của nó tăng lên, năng lượng tối là một dạng năng lượng vốn có trong không gian chính nó. Khi không gian mới được tạo ra trong Vũ Trụ mở rộng, mật độ năng lượng tối vẫn không thay đổi.

Những hệ quả của việc Vũ Trụ thể hiện hành vi này – với bức xạ, vật chất và năng lượng tối trong đó – là rất sâu sắc. Điều này có nghĩa là tốc độ mở rộng, mà chúng ta đo lường dưới dạng tốc độ (kilômét trên giây) theo đơn vị khoảng cách (theo megaparsec), hoặc tính bằng km/s/Mpc, sẽ giảm khi bức xạ và vật chất chiếm ưu thế, nhưng sẽ chỉ tiến đến một giá trị dương không thay đổi khi năng lượng tối chiếm ưu thế. Và điều này có nghĩa là tốc độ rút lui suy ra của một thiên hà xa xôi, không bị ràng buộc (tính bằng km/s), phụ thuộc vào cả tốc độ mở rộng vào bất kỳ thời điểm nào (theo km/s/Mpc) và khoảng cách đến thiên hà đó (đo bằng Mpc).

Khi bức xạ và vật chất chiếm ưu thế, tốc độ rút lui quan sát được giảm dần theo thời gian, và vì vậy chúng ta nói rằng tốc độ mở rộng giảm dần, vì tốc độ mà thiên hà có vẻ đang di chuyển ra xa chúng ta, tính bằng km/s, có vẻ như đang giảm theo thời gian, hay là giảm xuống. Nhưng khi năng lượng tối trở thành yếu tố chủ yếu gây ra sự mở rộng của Vũ Trụ – điều này lần đầu tiên xảy ra cách đây khoảng 6 tỷ năm – tốc độ rút lui quan sát được lại tăng lên theo thời gian, vì tốc độ mà một thiên hà xa xôi, không bị ràng buộc, rút lui khỏi chúng ta có vẻ như đang tăng theo thời gian. Mặc dù tốc độ mở rộng không tăng lên, nhưng tốc độ rút lui có vẻ như tăng lên khi khoảng cách đến thiên hà đó tăng lên, và do đó chúng ta nói rằng sự mở rộng đang tăng tốc.

Nhưng đừng rơi vào một sự hiểu lầm phổ biến: sự tăng tốc vũ trụ này không phải là hệ quả của một lực! Nó là kết quả của sự hiện diện của năng lượng tối – một dạng năng lượng vốn có trong không gian chính nó – trong Vũ Trụ đang mở rộng. Lý do nó không được phát hiện cho đến những năm 1990 là bởi vì chúng ta không thể đo lường nó trong một phòng thí nghiệm ở Trái Đất, mà chỉ có thể quan sát nó qua những thiên hà cực kỳ xa xôi có mặt trong Vũ Trụ có thể quan sát được. Trên các thang đo vũ trụ, chúng ta vẫn có thể có sự gia tốc, nhưng chúng ta không thể quy bất kỳ phần nào của nó về công thức F = ma mà Isaac Newton đưa ra từ thế kỷ 17.