Cho đến đây, chúng ta đã nói về thành phần baryon của 4% và thành phần vật chất tối phi baryon chiếm 24% vũ trụ. Nhưng năng lượng toàn phần thì khớp với mật độ tới hạn. Điều này có nghĩa là chừng 72% của mật độ khối lượng-năng lượng toàn phần chưa được kể đến.
Thành phần át trội bổ sung này chỉ mới được khám phá ra từ năm 1998 và được gọi là năng lượng tối. Vậy đâu là sự khác biệt giữa năng lượng tối và vật chất tối?
Để hiểu được sự khác biệt đó, ta cần giới thiệu khái niệm áp suất và phương trình trạng thái. Vật chất baryon và vật chất tối tác dụng áp suất bằng không, các hạt tương ứng về cơ bản là đứng yên và phương trình trạng thái được xác định là áp suất chia cho mật độ bằng không. Các photon truyền đi ở tốc độ ánh sáng tác dụng một áp suất dương và phương trình trạng thái của chúng bằng cộng một phần ba. Hai giá trị zero và cộng một phần ba này là phương trình trạng thái quen thuộc nhất có thể áp dụng tương ứng cho bụi và bức xạ. Năng lượng tối thì khác hẳn, và đặc biệt, nó tác dụng một áp suất âm. Ở hiện thân đơn giản nhất của nó, năng lượng tối tương ứng với một hằng số vũ trụ học với phương trình trạng thái bằng trừ một, hoặc áp suất bằng trừ mật độ.
Áp suất âm không có ví dụ trong cuộc sống hằng ngày. Thông thường, với áp suất dương, việc tác dụng một lực lên piston đậy một bình chất khí sẽ làm nén chất khí và làm tăng áp suất dương. Tuy nhiên, với một bình trụ năng lượng tối, lực đó sẽ làm tăng thể tích, hoàn toàn trái với trực giác vật lí mà chúng ta có từ kinh nghiệm hằng ngày.
Chúng tôi sẽ nói nhiều hơn về phương trình trạng thái cho năng lượng tối ở những chương cuối của quyển sách. Ở đây, chúng tôi nhắc lại lịch sử buổi đầu của hằng số vũ trụ học, tiền thân của năng lượng tối hiện đại.
Sau khi thuyết tương đối rộng lần đầu tiên được Einstein công bố vào năm 1915, ông tiếp tục áp dụng nó cho vũ trụ học trong bài báo rất quan trọng của ông năm 1917 mà có thể xem là dấu mốc ra đời của vũ trụ học lí thuyết. Lúc ấy, đa số người ta tin rằng thiên hà Ngân hà là đồng nhất với toàn bộ vũ trụ khả kiến và vũ trụ này ở trong trạng thái tĩnh, không giãn nở hoặc co lại. Ngày nay chúng ta biết rằng vũ trụ thật ra to gấp bốn trăm nghìn lần và sự giãn nở chỉ có thể trông thấy được trong một vũ đài rộng lớn hơn trong đó Ngân hà và tất cả những thiên hà khác được xem là những cái chấm đơn thuần.
Trớ trêu thay, một nhà thiên văn học quan trắc tên là Slipher đã công bố vài năm trước đó, vào năm 1912, kết quả quan sát của ông thấy có nhiều lệch đỏ hơn lệch xanh. Có khả năng Slipher đang nhìn thấy sự giãn nở của vũ trụ nhưng ông lại nghĩ rằng ông đang nhìn vào các ngôi sao bên trong Ngân hà chứ không phải nhìn vào những thiên hà khác nằm bên ngoài Ngân hà.
--
Thật ra, vào năm 1917, Einstein đã bỏ lỡ một cơ hội vàng để tiên đoán vũ trụ giãn nở được suy luận trực tiếp từ thuyết tương đối rộng của ông kết hợp với nguyên lí vũ trụ học. Thay vậy, ông bổ sung thêm một số hạng vũ trụ học âm làm cho lí thuyết không còn đẹp như trước nhưng cho phép một vũ trụ tĩnh. Mãi sau này, vào năm 1929, Einstein mới nhận ra từ công bố của Hubble rằng vũ trụ thật ra đang giãn nở. Có lẽ ông đã vò đầu bứt tai vì tiếc đã không theo đuổi phiên bản đẹp nhất của thuyết tương đối rộng.
Bài học từ câu chuyện này là một nhà lí thuyết, kể cả Einstein, có lẽ đã không xem xét lí thuyết của mình đủ nghiêm túc. Một tình tiết là từ năm 1998 thì một hiệu ứng gọi là năng lượng tối tương tự như một hằng số vũ trụ học, nhưng bây giờ mang dấu dương, đã xuất hiện và trông có khả năng vẫn là một bộ phận nặng cân của lí thuyết vũ trụ học.
--
Có nên xem bước phát triển này là cái gì đó minh oan cho sai lầm của Einstein đã không giữ lại áp dụng vũ trụ học của thuyết tương đối rộng hay không? Không nên gán khám phá mới này của một hiệu ứng trông giống như một hằng số vũ trụ học là tầm nhìn xa trông rộng của Einstein. Nó không phát sinh từ sự giãn nở của vũ trụ, mà từ một thực tế còn bất ngờ hơn nữa là tốc độ giãn nở đó đang tăng lên. Trước đây hai mươi năm, chưa ai có khái niệm gì về hiện tượng này, chứ không riêng gì vào năm 1917, và nó không có liên quan gì với động cơ của Einstein bổ sung thêm một số hạng trong lí thuyết của ông.
Thay vậy, nó cho thấy chỉ có một số lượng nhỏ hữu hạn cách cải tiến thuyết tương đối rộng đồng thời giữ nguyên mọi nguyên lí đối xứng của nó. Thật bất ngờ là phiên bản mang tính ưu lợi nhất đó lại thất bại nhưng kiến thức trong tương lai về mảng bổ sung đi cùng với năng lượng tối có thể giúp người ta thấy rõ cách hiểu lực hấp dẫn cho đúng và liên hệ nó với những tương tác khác.
--
Một nỗ lực đầy tham vọng cho một lí thuyết phù hợp của sự hấp dẫn lượng tử là lí thuyết dây và nơi người ta hi vọng tìm thấy kho báu cho lí thuyết dây chắc chắn nằm ở vấn đề số hạng vũ trụ học. Kho báu này còn xa vời và lí thuyết dây thật ra hơi nghiêng về dấu âm chứ không phải dấu dương đã được quan sát thấy cho hằng số vũ trụ học. Đây có lẽ chưa phải là phần kết của cơ sở lí thuyết dây, chủ yếu bởi vì lí thuyết dây vẫn bị vướng mắc bởi tình trạng mất cân bằng hiện nay để chọn giữa một số ứng viên trạng thái năng lượng thấp nhất. Không rõ rào cản này sẽ được khắc phục trong tương lai gần hoặc tương lai xa hay không để mang lí thuyết dây ra với thế giới thực tế. Dẫu sao, cho dù lí thuyết dây hóa ra không phải là lí thuyết đúng của sự hấp dẫn lượng tử thì, theo một lập luận chuyên môn đáng chú ý gọi là “sự tương ứng” giữa lí thuyết dây và các lí thuyết chuẩn, nó cung cấp những khả năng rất hấp dẫn cho các lí thuyết chuẩn có thể xử lí một số hạn chế của mô hình chuẩn của lĩnh vực hiện tượng học hạt cơ bản.
Hằng số vũ trụ học nhỏ xíu và sự trùng khớp vũ trụ của mật độ năng lượng tối có thể sánh với mật độ vật chất có thể được giải thích bằng các mô hình lí thuyết trường hoặc các mô hình “phản diện” với một phương trình trạng thái ngoài trông đợi cùng những hệ quả kì lạ cho số phận tương lai xa xôi của vũ trụ, như chúng tôi sẽ trình bày chi tiết hơn, đặc biệt là ở các chương cuối.
