Mọi thứ con người từng quan sát, chụp ảnh, nghiên cứu hay đo lường được — từ các ngôi sao, hành tinh, thiên hà, đám mây khí cho đến từng hạt vật chất — thực chất chỉ chiếm khoảng 5% tổng thành phần của toàn bộ vũ trụ.

95% còn lại là gì? Chúng ta gọi chúng là vật chất tối và năng lượng tối, nhưng sự thật là nhân loại vẫn gần như chưa thực sự hiểu rõ về cả hai.

Đây không phải là một cách nói phóng đại. Đó chính là giới hạn hiện tại của vật lý học. Vũ trụ đang giãn nở, và tốc độ giãn nở ấy còn ngày càng tăng nhanh. Có một điều gì đó đang thúc đẩy nó tách xa ra. Đồng thời, một thứ khác dường như đang giữ các thiên hà gắn kết chặt chẽ hơn nhiều so với mức mà khối lượng hữu hình có thể giải thích. Các nhà khoa học đã đặt tên cho những hiện tượng này là năng lượng tối và vật chất tối, nhưng việc đặt tên cho một bí ẩn hoàn toàn khác với việc thực sự hiểu được bản chất của nó.

Vật chất tối là bộ khung vô hình của vũ trụ

Điều đầu tiên khiến các nhà thiên văn nhận ra sự tồn tại của vật chất tối là cách các thiên hà quay không đúng như dự đoán.

Trong một thiên hà xoắn ốc điển hình, các ngôi sao ở rìa ngoài lẽ ra phải quay quanh tâm thiên hà chậm hơn các ngôi sao gần trung tâm, tương tự như việc các hành tinh xa Mặt Trời hơn cần nhiều thời gian hơn để hoàn thành quỹ đạo.

Tuy nhiên, quan sát thực tế cho thấy các ngôi sao ở vùng ngoài cùng lại chuyển động gần như với tốc độ tương đương những ngôi sao ở gần trung tâm. Cách giải thích hợp lý duy nhất là phải tồn tại một lượng khối lượng lớn hơn rất nhiều xung quanh thiên hà mà chúng ta không thể nhìn thấy, tạo ra lực hấp dẫn bổ sung.

Vật chất tối chiếm khoảng 27% vũ trụ. Nó không phát ra, hấp thụ hay phản xạ ánh sáng. Nó hoàn toàn không tương tác với bức xạ điện từ. Dấu vết duy nhất để nhận biết nó chính là lực hấp dẫn. Các nhà khoa học đã đề xuất nhiều ứng viên cho bản chất thực sự của vật chất tối, bao gồm các hạt khối lượng lớn tương tác yếu, axion, thậm chí cả các lỗ đen nguyên thủy. Tuy vậy, cho đến nay chưa có giả thuyết nào được phát hiện trực tiếp, khiến vật chất tối trở thành một trong những cuộc truy tìm vừa sôi động vừa gây nhiều thất vọng nhất của vật lý hiện đại.

Năng lượng tối còn bí ẩn hơn nữa

Năng lượng tối là một dạng bí ẩn hoàn toàn khác. Thuật ngữ này được nhà vật lý thiên văn Michael Turner thuộc Đại học Chicago đặt ra vào năm 1998, và ông cố tình chọn cái tên đó để nhấn mạnh rằng đây là một vấn đề sâu sắc, chưa có lời giải, chứ không phải điều có thể dễ dàng giải thích. Vào cuối những năm 1990, hai nhóm nghiên cứu thiên văn độc lập khi quan sát các siêu tân tinh đã phát hiện rằng các thiên hà xa xôi không chỉ đang rời xa chúng ta mà còn tăng tốc. Điều này có nghĩa là sự giãn nở của vũ trụ đang nhanh lên, thay vì chậm lại như lực hấp dẫn thông thường dự đoán. Đây là một phát hiện gây chấn động lớn. Turner từng ví hiện tượng này giống như việc bạn ném chùm chìa khóa lên không trung nhưng thay vì rơi xuống, chúng lại tiếp tục bay lên trần nhà. Năng lượng tối được cho là chiếm khoảng 68–70% toàn bộ năng lượng và vật chất trong vũ trụ. Không giống vật chất tối vốn tập trung quanh các thiên hà, năng lượng tối phân bố đồng đều khắp không gian. Dường như nó không bị loãng đi khi vũ trụ giãn nở. Đặc biệt hơn, nó chỉ mới trở thành lực chi phối hành vi của vũ trụ trong khoảng 5 tỷ năm gần đây.

Những giả thuyết hàng đầu (và vì sao chưa giả thuyết nào hoàn hảo)

Giải thích phổ biến nhất hiện nay là hằng số vũ trụ học — về cơ bản là năng lượng của chính không gian trống rỗng. Albert Einstein từng đưa ra khái niệm này như một biện pháp toán học để điều chỉnh phương trình của mình, rồi sau đó lại loại bỏ nó. Tuy nhiên, ý tưởng này sau đó đã được phục hồi. Vấn đề nằm ở chỗ: khi các nhà vật lý tính toán mức năng lượng chân không dựa trên lý thuyết lượng tử, kết quả lệch hơn 100 bậc độ lớn so với giá trị quan sát thực tế. Đây không phải là sai số nhỏ. Một giả thuyết khác, gọi là tinh chất động lực, xem năng lượng tối như một trường năng lượng biến đổi theo thời gian. Một số khảo sát quy mô lớn gần đây về thiên hà đã tìm thấy những dấu hiệu gợi ý theo hướng này, nhưng vẫn chưa đủ kết luận chắc chắn.

Khả năng thứ ba là thuyết tương đối rộng của Einstein có thể chưa hoàn chỉnh, và điều chúng ta gọi là năng lượng tối thực chất chỉ phản ánh lỗ hổng trong hiểu biết về lực hấp dẫn.

Giáo sư Joshua Frieman, đồng sáng lập Dự án Khảo sát Năng lượng Tối, từng thẳng thắn thừa nhận: “Có phần hơi xấu hổ khi chúng ta gần như không biết 70% vũ trụ thực sự là gì.” Nhận định đó phản ánh khá chính xác thực trạng hiện nay. Khoa học không mất đi giá trị khi thừa nhận sự thiếu hiểu biết. Ngược lại, vật chất tối và năng lượng tối nhắc nhở chúng ta rằng sự khiêm tốn là một phần thiết yếu của khám phá. Con người đã lập bản đồ cho 5% vũ trụ bằng trí tuệ đáng kinh ngạc, nhưng 95% còn lại vẫn là một dấu hỏi khổng lồ. Đó không phải thất bại mà là lời mời gọi. Mỗi điều chưa biết đều là một cánh cửa. Và vật lý học mới chỉ đang bắt đầu chạm tay vào tay nắm ấy.