Trong suốt một thời gian dài, các nhà vật lý tin rằng vũ trụ là tĩnh và không thay đổi, giống như một cơ chế đồng hồ thiên thể sẽ hoạt động mãi mãi. Nhưng một nghịch lý khó hiểu đã xuất hiện khi Isaac Newton khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn vào những năm 1600.
Theo Newton, mỗi ngôi sao trong vũ trụ bị hút về phía mọi ngôi sao khác do tác động của lực hấp dẫn. Chúng không giữ nguyên vị trí và có khoảng cách không đổi với nhau mà tất cả sẽ cùng nhau rơi vào một điểm nào đó ở trung tâm.
Newton đã trình bày quan điểm của mình trong bức thư gửi Richard Bentley, một triết gia hàng đầu tại Đại học Cambridge (Anh) thời bấy giờ. Chưa có bất kỳ nhà khoa học nào từ thời của Newton đến đầu thế kỷ 20 nảy ra ý tưởng về một vũ trụ đang mở rộng theo thời gian.
Ngay sau khi công bố Thuyết tương đối tổng quát, Einstein đã hợp tác với Willem de Sitter – một nhà thiên văn học người Hà Lan – vào năm 1917 để chứng minh rằng phương trình của ông có thể dùng để miêu tả mô hình cấu trúc của toàn thể vũ trụ.
Cũng như nhiều nhà khoa học thời kỳ đó, Einstein tin rằng vũ trụ ổn định, không hề thay đổi theo thời gian. Do đó, ông đã đưa thêm một hệ số hiệu chỉnh toán học vào trong các phương trình của mình gọi là hằng số vũ trụ, hay lambda (λ).
Hằng số vũ trụ ngụ ý về sự tồn tại của một lực đẩy tràn ngập khắp không gian, chống lại lực hấp dẫn hút vật chất lại với nhau. Điều này đã cân bằng giữa “lực đẩy” và “lực kéo” giúp vũ trụ thực sự tĩnh tại.
Năm 1929, Edwin Hubble trong lúc đang nghiên cứu các thiên hà xa xôi, ông nhận thấy một hiệu ứng thú vị. Ánh sáng do chúng phát ra có sự dịch chuyển về phía đỏ của quang phổ điện từ.
Hubble lập luận rằng, điều này chỉ có thể xảy ra nếu ánh sáng truyền qua không gian đang giãn nở và các thiên hà đều đang di chuyển ra xa chúng ta theo mọi hướng.
Phát hiện này là tiền đề để dẫn đến lý thuyết về vụ nổ Big Bang. Do đó, các phương trình ban đầu của Einstein đã đúng và không cần đến hằng số vũ trụ. Vũ trụ thực sự đang mở rộng. Einstein quyết định loại hằng số vũ trụ khỏi phương trình của mình, đồng thời thừa nhận đây là “sai lầm lớn nhất của cuộc đời ông”.
Khám phá của Hubble đã làm thay đổi cách nhìn nhận về bức tranh vũ trụ sẽ kết thúc. Lực hấp dẫn có thể làm chậm tốc độ giãn nở của vũ trụ. Các nhà khoa học đã dành 70 năm tiếp theo để đo tốc độ này. Nếu họ biết tốc độ mở rộng thay đổi theo thời gian như thế nào, họ có thể suy ra hình dạng của vũ trụ, và hình dạng của vũ trụ được tin là quyết định số phận của nó.
Khả năng thứ nhất cho tương lai của vũ trụ được gọi là “vũ trụ đóng”. Hình học không – thời gian của vũ trụ giống như một mặt cầu khép kín. Vũ trụ càng có nhiều vật chất [mật độ trung bình của vũ trụ lớn], lực hấp dẫn sẽ càng mạnh khiến gia tốc giãn nở của vũ trụ giảm dần.
Đến một thời điểm, sẽ gia tốc không còn đủ lớn để chống lại lực hấp dẫn giữa các thiên thể trong vũ trụ. Vũ trụ từ trạng thái nở ra sẽ dần co lại và tự sụp đổ trong một Vụ Co lớn (Big Crunch).
Khả năng thứ hai được gọi là “vũ trụ mở”. Hình học không – thời gian của vũ trụ có dạng yên ngựa. Nếu vũ trụ không có đủ vật chất [mật độ trung bình của vũ trụ nhỏ], lực hấp dẫn sẽ dần suy yếu khi các thiên hà di chuyển xa nhau hơn và vũ trụ sẽ mở rộng mãi mãi, không có kết thúc.
Khả năng cuối cùng là vũ trụ có dạng phẳng, trải ra vô tận. Vũ trụ trong trường hợp này giãn nở vĩnh viễn nhưng với tốc độ giảm rất nhanh, tiệm cận tới 0 khi thời gian tiến đến vô hạn.
Bước ngoặt xảy ra vào năm 1998, khi hai nhóm nghiên cứu độc lập tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley (Mỹ) và đài quan sát ở Baltimore (Australia) đã đo lường sự thay đổi tốc độ giãn nở của vũ trụ thông qua việc phân tích ánh sáng phát ra từ siêu tân tinh.
Các nhà nghiên cứu phát hiện 50 siêu tân tinh có mức độ dịch chuyển sang quang phổ màu đỏ mờ hơn so với dự kiến trong mô hình vũ trụ giãn nở giảm tốc. Điều này cho thấy vũ trụ đang mở rộng nhanh dần, [giãn nở tăng tốc].
Do đó, ý tưởng về hằng số vũ trụ của Einstein không hoàn toàn vô nghĩa. Nó ám chỉ sự tồn tại của một lực đẩy là động lực thúc đẩy gia tốc vũ trụ. Lực đẩy này do năng lượng tối gây ra. Nếu vật chất tối làm tăng lực hấp dẫn, kéo các vật chất trong vũ trụ lại với nhau thì năng lượng tối đẩy chúng ra xa nhau.
Khi vũ trụ tiếp tục giãn nở, mật độ vật chất tối giảm dần kéo theo lực hấp dẫn giảm dần cho đến khi nó nhỏ hơn lực đẩy của năng lượng tối. Vì vậy, thay vì tốc độ giãn nở của vũ trụ chậm lại như dự kiến, năng lượng tối đang chiếm ưu thế bắt đầu đẩy các thiên thể ra xa nhau với tốc độ nhanh hơn bao giờ hết.
Ví dụ đơn giản nhất về lực đẩy hấp dẫn có thể được tìm thấy trong chân không lượng tử (quantum vacuum) – không gian chứa vô số các hạt ảo tồn tại và biến mất chỉ trong nháy mắt.
Tuy nhiên, điều khó hiểu là chân không lượng tử chứa mật độ năng lượng quá lớn, nhiều hơn gấp 10120 lần so với giá trị cần thiết để giải thích cho sự gia tốc vũ trụ.
Các nhà khoa học hiện đại cho rằng, năng lượng tối có thể là kết quả ảnh hưởng bởi các chiều dư (extra dimensions) vô hình được dự đoán bởi lý thuyết dây.
Năm 2004, các nhà khoa học tại Đại học Washington đề xuất năng lượng tối có bản chất là do neutrino tương tác với các hạt giả thuyết có tên gọi “acceleron”. Nhiều người thậm chí cho rằng, tự nhiên không tồn tại thứ gọi là năng lượng tối, và thuyết tương đối rộng có thể không mô tả chính xác về lực hấp dẫn.
Nhờ gia tốc vũ trụ, hình dạng vũ trụ sẽ không quyết định số phận cuối cùng của nó. Thay vào đó, số phận của vũ trụ chịu tác động bởi việc năng lượng tối là thay đổi hay bất biến.
Tất cả các quan sát cho đến nay chỉ ra rằng năng lượng tối là không đổi. Nếu vậy, gia tốc vũ trụ sẽ tiếp tục tăng lên, và vật chất sẽ ngày càng xa nhau. Trong vòng một trăm tỷ năm tới, chúng ta sẽ chỉ nhìn thấy vài trăm thiên hà, so với hàng trăm tỷ thiên hà có thể thấy ngày nay.
