CÂU CHUYỆN KHOA HỌC 46

(ĐC sưu tầm trên NET)

Hành trình đi tìm máy thời gian (phần 1)

Trong nhiều thập kỷ kể từ khi cuốn tiểu thuyết lừng danh Máy thời gian ra đời năm 1895, vấn đề này vẫn chỉ mang nhiều tính văn học giả tưởng. Song những năm gần đây, du hành thời gian đã trở thành cái gì đó giống như một "nghề thủ công" trong giới các nhà vật lý lý thuyết.

Đối với các nhà lý thuyết, chủ đề này vốn vẫn mang nhiều ý nghĩa tiêu khiển. Nhưng lần này họ đã "tiêu khiển" một cách nghiêm túc. Thông suốt được mối quan hệ nhân quả là một vấn đề cơ bản để xây dựng một lý thuyết thống nhất của vật lý. Nếu du hành không giới hạn trong thời gian là khả dĩ, thậm chí chỉ là trên nguyên tắc, thì một lý thuyết thống nhất như vậy có thể bị ảnh hưởng trầm trọng.

Có hai cách để bơi

Cho đến nay, những hiểu biết tốt nhất của chúng ta về thời gian đều dựa trên các lý thuyết tương đối của Einstein. Lý thuyết đặc biệt tiên đoán một hiệu ứng được gọi là sự giãn nở thời gian, xảy ra khi hai người quan sát chuyển động tương đối với nhau. Hiệu ứng này chỉ thể hiện rõ rệt đối với chúng ta khi các chuyển động là gần với tốc độ ánh sáng. Thậm chí ở tốc độ của máy bay phản lực, sự giãn nở thời gian cũng chỉ vài phần tỷ giây. Tuy nhiên, các đồng hồ nguyên tử là đủ chính xác để phát hiện sự giãn nở đó và xác nhận rằng thời gian thực sự bị giãn ra do chuyển động. Như vậy, du hành vào tương lai là một thực tế đã được chứng minh, cho dù hiệu ứng xảy ra trong cuộc sống hằng ngày là không lớn.

Để thấy rõ hơn về hiệu ứng này, chúng ta phải nhìn vượt ra bên ngoài những trải nghiệm thường ngày. Có những hạt sơ cấp trong tia vũ trụ chuyển động rất nhanh nhưng thời gian sống rất nhỏ. Trong "thế giới" (hệ quy chiếu) riêng của những hạt này, chúng chỉ có nhiều lắm là vài phút trước khi "chết" để băng qua khoảng cách thiên hà và đến với trái đất. Chúng ta đứng trên hệ quy chiếu trái đất và thấy rằng, chúng dường như phải mất đến hàng nghìn năm để làm việc đó. Nếu không có sự giãn nở của thời gian, những tia vũ trụ này sẽ không thể có mặt trên trái đất.

Tăng tốc độ là một cách giúp chúng ta "bơi" nhanh hơn dòng chảy thời gian. Trường hấp dẫn cũng là một cách khác. Trong lý thuyết tương đối tổng quát, Einstein đã tiên đoán rằng trường hấp dẫn làm chậm thời gian, nghĩa là đồng hồ ở tầng thượng sẽ chạy nhanh hơn ở tầng trệt chút xíu, vì càng lên cao trường hấp dẫn của trái đất càng nhỏ đi. Tương tự như vậy, đồng hồ trong không gian chạy nhanh hơn đồng hồ dưới đất. Lần này, hiệu ứng cũng rất nhỏ nhưng vẫn có thể đo được bằng những đồng hồ nguyên tử. Thực ra, sự cong vênh thời gian do hấp dẫn đã được ứng dụng rất tốt cho hệ thống định vị toàn cầu. Nếu không có ứng dụng này, một số thủy thủ, tài xế taxi và các tên lửa hành trình có lẽ sẽ gặp rắc rối.

Ở bề mặt sao neutron, trường hấp dẫn mạnh đến mức, thời gian bị chậm khoảng 30% so với thời gian ở trái đất. Nếu chúng ta đứng trên một ngôi sao như vậy mà quan sát thì những sự kiện trên trái đất sẽ giống như một bộ phim tua nhanh. Ta sẽ thấy trẻ con chỉ được nghỉ 7 ngày Tết thay vì 10 ngày, và sẽ có khoảng 2 ngày Tết thay vì 3. Thậm chí, có người ở sao Neutron sẽ ngạc nhiên mà hỏi rằng tại sao trên trái đất, bánh chưng chóng hỏng và hoa đào chóng tàn đến thế?

Một lỗ đen có thể bóp méo thời gian đến hết cỡ, ở "bề mặt" của nó, thời gian sẽ đứng lại so với trái đất. Nếu liên tưởng đến thời gian ở mỗi nơi là một dòng sông, thì ở đây không phải "tất cả các dòng sông đều chảy". Nếu một nhà du hành có thể mon men đến bờ của cái "dòng sông không chảy" ấy, giả tưởng rằng anh ta không bị làm sao (lực hấp dẫn của lỗ đen có thể xé tan mọi thứ) thì khi quay lại trái đất, anh ta sẽ đi rất xa vào tương lai.

Bơi ngược dòng?

Einstein và Kurt Godel. Ảnh: edge.org.

Năm 1948, Kurt Godel ở Viện nghiên cứu cấp cao Princeton đã đưa ra một nghiệm của phương trình hấp dẫn Einstein mô tả một vũ trụ quay. Trong vũ trụ này, một nhà du hành có thể đi xuyên qua không gian để trở về quá khứ. Điều này có được là do cơ chế tác động của trường hấp dẫn đối với ánh sáng. Sự quay của vũ trụ sẽ kéo theo ánh sáng (và do đó là cả mối quan hệ nhân quả của các sự vật) tham gia vào sự vận động của nó. Điều này cho phép một thực thể vật chất đi theo một vòng kín trong không gian, và đó cũng là một vòng kín trong thời gian, ở đây không cần bất cứ quá trình nào vượt quá tốc độ ánh sáng trong môi trường giữa các hạt. Người ta coi nghiệm của Godel chỉ là một sự kỳ lạ toán học, vì các quan sát không hề cho thấy bất cứ dấu hiệu nào của một vũ trụ quay. Tuy nhiên, cái nghiệm đó dù sao cũng đã minh họa rằng, đi ngược lại thời gian là không bị cấm trong lý thuyết tương đối. Thực ra Einstein cũng từng thú nhận rằng ông rất trăn trở về việc lý thuyết của mình cho phép sự du hành vào quá khứ trong một số tình huống nhất định.

Có những nghiên cứu khác cũng cho thấy khả năng trở lại quá khứ. Chẳng hạn, vào năm 1974, Frank J. Tipler ở Đại học Tulane đã tính toán rằng, một hình trụ có mật độ khối lượng lớn và dài vô hạn, khi quay quanh trục của nó với tốc độ gần ánh sáng cũng sẽ có thể kéo theo ánh sáng vào một vòng kín và đưa các nhà du hành trở về quá khứ của họ. Năm 1991, J.Richard Gott ở Đại học Princeton đã phỏng đoán rằng, những dây vũ trụ - những cấu trúc mà các nhà vũ trụ học tin là được tạo ra trong những giai đoạn ban đầu của Big Bang - có thể đem lại những kết quả tương tự. Nhưng vào giữa thập kỷ 1980, bối cảnh hiện thực nhất cho một cỗ máy thời gian chính là dựa trên khái niệm về wormhole (lỗ sâu).

(Còn nữa)

Hành trình đi tìm máy thời gian (phần cuối)

Một đường hầm đi xuyên qua một quả đồi đương nhiên là ngắn hơn đường đi trên bề mặt. Tương tự như thế, một wormhole có thể là con đường ngắn hơn con đường thông thường trong không gian.

Mô hình wormhole. Ảnh: casa.colorado.edu

Trong giả tưởng khoa học, các wormhole đôi khi được gọi là các cổng sao (stargates), chúng mang lại một con đường tắt giữa hai điểm cách xa nhau trong không gian. Chui qua một wormhole giả thuyết này, bạn có lẽ sẽ đến được những thời điểm muộn hơn ở phía bên kia của thiên hà. Các wormhole phù hợp một cách tự nhiên với lý thuyết tương đối tổng quát, trong đó, trường hấp dẫn làm cong cả thời gian lẫn không gian. Các nhà lý thuyết đã đưa ra một không gian với những cấu trúc nối kết nhau bởi những "đường hầm" wormhole. Một đường hầm đi xuyên qua một quả đồi đương nhiên là ngắn hơn đường đi trên bề mặt. Tương tự như thế, một wormhole có thể là con đường ngắn hơn con đường thông thường trong không gian.

Khái niệm wormhole từng được sử dụng cho một thiết bị tưởng tượng trong tiểu thuyết Contact của Carl Sagan, viết năm 1985. Ngay sau Sagan, Kip S. Thorne và cộng sự ở Viện công nghệ California đã tìm cách chứng minh xem, liệu các wormhole có phù hợp với vật lý chính thống hay không. Xuất phát điểm của họ là một wormhole tương tự với một lỗ đen mang trường hấp dẫn khủng khiếp. Nhưng ở đây có một sự khác nhau, đường vào lỗ đen sẽ chẳng dẫn tới đâu cả, còn một wormhole thì có cả đường vào lẫn ra.

Máy thời gian wormhole

Để con đường wormhole có thể đi được, nó phải chứa cái mà Thorne gọi là vật chất kỳ cục. Cái thứ vật chất này sẽ sinh ra sự phản hấp dẫn để chống lại lực hấp dẫn khổng lồ của một hệ có khối lượng lớn. Phản hấp dẫn, hay lực đẩy hấp dẫn, có thể được sinh ra bởi năng lượng âm hoặc áp suất âm. Các trạng thái năng lượng âm được biết là tồn tại trong những hệ lượng tử nhất định. Điều đó cho thấy rằng, vật chất kỳ cục của Thorne không bị bác bỏ bởi các định luật vật lý mặc dù Thorne vẫn chưa nói rõ ràng về việc liệu có đủ vật liệu phản hấp dẫn để ổn định wormhole hay không.

Ngay khi Thorne và cộng sự nhận ra rằng, nếu một wormhole ổn định được tạo ra, khi đó nó có thể sẵn sàng để trở thành một cỗ máy thời gian. Khi một nhà du hành đi qua nó, anh ta không những sẽ đi đến một nơi khác trong vũ trụ mà còn đi đến một điểm khác trong thời gian, tương lai hoặc quá khứ.

Để một wormhole hoạt động như máy thời gian, một trong những cái miệng của nó có thể được đặt gần bề mặt một sao neutron. Trường hấp dẫn của sao sẽ làm chậm thời gian ở một miệng wormhole sao cho sự sai khác thời gian giữa hai cái miệng của wormhole sẽ được tích tụ dần. Nếu cả hai cái miệng được đặt tại những nơi thích hợp trong không gian, sự sai khác thời gian này sẽ được giữ ổn định.

Giả sử rằng sai khác là 10 năm. Một nhà du hành chui qua wormhole theo một chiều và nhảy đến 10 năm sau trong tương lai. Một nhà du hành khác đi theo chiều ngược lại và trở về 10 năm trước trong quá khứ. Bằng việc bay thật nhanh để trở về xuất phát điểm trong không gian thông thường, nhà du hành thứ hai có thể trở về nhà trước thời điểm anh ta chui vào wormhole. Nói cách khác, một vòng kín trong không gian có thể trở thành một vòng kín trong thời gian. Có một hạn định là, nhà du hành không thể trở về thời điểm trước khi wormhole lần đầu tiên được tạo ra.

Vấn đề cực khó trong việc tạo ra một máy thời gian wormhole là đầu tiên phải làm thế nào để có được một wormhole. Có lẽ không gian vốn được xâu chuỗi một cách tự nhiên bởi những cấu trúc như vậy, chúng là những tàn dư của Big Bang. Nếu như vậy, một nền siêu văn minh có thể sử dụng chúng. Mặt khác, các wormhole có thể còn tồn tại tự nhiên ở những kích thước vô cùng nhỏ, vào cỡ cái gọi là độ dài Planck. Về nguyên tắc, một wormhole tí hon như vậy có thể được ổn định hóa bởi một xung năng lượng và ở một mức độ nào đó, nó sẽ được phình to ra đến các kích thước có thể sử dụng được.

Những nghịch lý

Giả sử rằng, chúng ta có thể vượt qua được những khó khăn kỹ thuật, việc chế tạo cỗ máy thời gian sẽ gặp phải hàng loạt nghịch lý nhân quả không thể chấp nhận được. Các nghịch lý này nảy sinh khi những kẻ du hành thời gian cố gắng làm thay đổi quá khứ, điều này rõ ràng là không thể. Thử xét trường hợp một nhà du hành thời gian đi tới tương lai 1 năm sau và đọc được một công thức toán học mới trên tờ Tia sáng chẳng hạn. Khi quay trở lại thời điểm ban đầu của mình, anh ta sẽ dạy công thức đó cho một sinh viên, và người sinh viên này lại viết nó trong một bài báo đăng trên tờ Tia sáng. Tất nhiên, bài báo đó chính là bài nhà du hành đọc được. Khi ấy, câu hỏi được đặt ra là: thông tin về công thức đến từ đâu? Không phải từ nhà du hành, vì ông ta đã đọc được nó, cũng không phải từ cậu sinh viên, vì cậu đã học nó từ nhà du hành. Thông tin dường như không đến từ đâu cả, không từ nguyên cớ nào cả.

Những hệ quả quái gở của du hành thời gian đã dẫn một số nhà khoa học đi đến dứt khoát từ bỏ ý niệm về nó. Stephen Hawking ở Đại học Cambridge đã đề xuất một "phỏng đoán bảo vệ trình tự thời gian", coi các vòng nhân quả là "ngoài vòng pháp luật". Vì lý thuyết hấp dẫn được biết là cho phép các vòng nhân quả, sự bảo vệ trình tự thời gian sẽ đòi hỏi thêm một thừa số khác nào đó can thiệp vào, nhằm ngăn cản sự du hành về quá khứ. Thừa số đó có thể là gì? Có một đề xuất rằng, các quá trình lượng tử sẽ tham gia vào việc cứu nguy này. Sự tồn tại của một máy thời gian sẽ cho phép các hạt trở về quá khứ của chúng. Các tính toán ngụ ý rằng, sự nhiễu loạn lượng tử sẽ có thể làm hỏng wormhole.

Sự bảo vệ trình tự thời gian vẫn chỉ là phỏng đoán, do đó việc du hành thời gian vẫn là một điều khả dĩ. Lời giải cuối cùng cho vấn đề này có lẽ phải chờ đến sự thống nhất thành công của cơ học lượng tử với hấp dẫn. Thậm chí, chúng ta vẫn có thể tưởng tượng được rằng, các thế hệ máy gia tốc sau này sẽ có thể tạo ra những wormhole ở cấp độ dưới nguyên tử. Chúng có thể tồn tại đủ lâu để làm các hạt gần đó bay vào các vòng nhân quả. Điều này vẫn còn xa so với tưởng tượng của Wells về máy thời gian, nhưng nó sẽ làm thay đổi vĩnh viễn bức tranh của chúng ta về hiện thực vật lý.

(Theo Tia Sáng)