Bây giờ, con người đã tạo ra các thiết bị di chuyển với tốc độ âm thanh, nhưng đó không phải là mục tiêu cuối cùng. Các nhà khoa học muốn có thể bẻ cong không gian để con người có thể di chuyển với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Ngôi sao gần Trái đất nhất là Proxima Centauri. Nó cách chúng ta khoảng 4,25 năm ánh sáng, tương đương khoảng 40 nghìn tỷ km. Tàu vũ trụ nhanh nhất từ trước đến nay, Tàu thăm dò mặt trời Parker hiện đang trong không gian sẽ đạt tốc độ tối đa 450.000 dặm / giờ. Để hình dung, một người sẽ chỉ mất 20 giây để đi từ Los Angeles đến Thành phố New York với tốc độ đó. Vậy nhưng tàu thăm dò mặt trời sẽ mất khoảng 6.633 năm mới đến được hệ mặt trời lân cận gần nhất của Trái đất. Nếu nhân loại muốn đi lại dễ dàng giữa các vì sao, con người sẽ cần phải đi nhanh hơn ánh sáng. Nhưng cho đến nay, du hành nhanh hơn ánh sáng chỉ có trong khoa học viễn tưởng.
Biểu diễn 2 chiều này cho thấy cách khối lượng dương làm cong không thời gian (phía bên trái, trái đất màu xanh lam) và khối lượng âm làm cong không thời gian theo hướng ngược lại (phía bên phải, trái đất màu đỏ). Tokamac / Wikimedia Commons, CC BY-SA Trong loạt phim Issac Asimov’s Foundation, nhân loại có thể du hành từ hành tinh này sang hành tinh khác, ngôi sao này sang ngôi sao khác hoặc xuyên vũ trụ bằng cách sử dụng jump drive. Khi còn là một đứa trẻ, tôi đã đọc bao nhiêu câu chuyện trong số đó tôi có thể đọc được. Bây giờ tôi là một nhà vật lý lý thuyết và nghiên cứu công nghệ nano, nhưng tôi vẫn bị cuốn hút bởi những cách mà một ngày nào đó nhân loại có thể du hành trong không gian. Một số nhân vật - như phi hành gia trong phim “Interstellar” và “Thor” - sử dụng lỗ giun (hay lỗ sâu (wormhole) là một giả thuyết mà ở đó con người có thể du hành vũ trụ qua “đường hầm” không gian-thời gian) để di chuyển giữa các hệ mặt trời trong vài giây. Một cách tiếp cận khác - quen thuộc với những người hâm mộ “Star Trek” - là công nghệ truyền động sợi dọc (warp drive technology) - một hệ thống động cơ tàu vũ trụ siêu lý thuyết. Một tàu vũ trụ được trang bị warp dirve có thể di chuyển với tốc độ lớn hơn ánh sáng bằng nhiều mức độ lớn. Về mặt lý thuyết, warp drive là có thể thực hiện được nếu có công nghệ viễn tưởng. Hai bài báo khoa học đăng hồi tháng 3/2020 đã gây chú ý khi các nhà nghiên cứu tuyên bố đã vượt qua một trong nhiều thách thức giữa lý thuyết về warp drive và thực tế. Nhưng làm thế nào để các lý thuyết warp drive này thực sự hoạt động? Và liệu con người có sớm đạt được tốc độ ánh sáng không?
Hai bài báo gần đây - một của Alexey Bobrick và Gianni Martire và một của Erik Lentz - cung cấp các giải pháp dường như đưa warp drive gần với thực tế hơn. Bobrick và Martire nhận ra rằng bằng cách thay đổi không thời gian trong bong bóng theo một cách nhất định, họ có thể loại bỏ nhu cầu sử dụng năng lượng tiêu cực. Tuy nhiên, giải pháp này không tạo ra một ổ đĩa dọc có thể chạy nhanh hơn ánh sáng. Một cách độc lập, Lentz cũng đề xuất một giải pháp không cần đến năng lượng tiêu cực. Ông đã sử dụng một cách tiếp cận hình học khác để giải các phương trình của Thuyết tương đối rộng và bằng cách làm như vậy, ông nhận thấy rằng warp drive sẽ không cần sử dụng năng lượng âm. Giải pháp của Lentz sẽ cho phép bong bóng di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Điều cần thiết là phải chỉ ra rằng những phát triển thú vị này là các mô hình toán học. Là một nhà vật lý, tôi sẽ không hoàn toàn tin tưởng vào các mô hình cho đến khi chúng tôi có bằng chứng thực nghiệm. Tuy nhiên, khoa học về truyền động sợi dọc đang được xem xét. Là một người hâm mộ khoa học viễn tưởng, tôi hoan nghênh tất cả những tư duy đổi mới này. Theo lời của thuyền trưởng Picard, mọi thứ chỉ là không thể cho đến khi chúng không thực hiện được. Mario Borunda Phó Giáo sư Vật lý, Đại học Bang Oklahoma/ Conversation
Nén và mở rộng
Sự hiểu biết hiện tại của các nhà vật lý về không thời gian bắt nguồn từ lý thuyết Tương đối rộng của Albert Einstein. Thuyết tương đối rộng nói rằng không gian và thời gian được hợp nhất và không có gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Thuyết tương đối rộng cũng mô tả cách khối lượng và năng lượng làm cong không thời gian - các vật thể nặng như sao và lỗ đen làm cong không thời gian xung quanh chúng. Độ cong này là những gì bạn cảm thấy như trọng lực và lý do tại sao nhiều anh hùng du hành vũ trụ lo lắng về việc "bị mắc kẹt" hoặc "rơi vào" giếng trọng lực. Các nhà văn khoa học viễn tưởng thời kỳ đầu John Campbell và Asimov coi sự cong vênh này là một cách để vượt qua giới hạn tốc độ. Điều gì sẽ xảy ra nếu một phi thuyền có thể nén không gian phía trước nó trong khi mở rộng không thời gian phía sau nó? “Star Trek” đã lấy ý tưởng này và đặt tên cho nó là warp drive. Năm 1994, Miguel Alcubierre, một nhà vật lý lý thuyết người Mexico, đã chỉ ra rằng nén không thời gian ở phía trước tàu vũ trụ trong khi mở rộng nó về phía sau là khả thi về mặt toán học trong định luật Tương đối rộng. Vậy điều đó có ý nghĩa gì? Hãy tưởng tượng khoảng cách giữa hai điểm là 10 mét. Nếu bạn đang đứng ở điểm A và có thể đi được một mét mỗi giây, thì sẽ mất 10 giây để đến điểm B. Tuy nhiên, giả sử bằng cách nào đó bạn có thể nén không gian giữa bạn và điểm B để khoảng cách bây giờ chỉ là một mét. Sau đó, di chuyển trong không thời gian với tốc độ tối đa là 1m/s, bạn sẽ có thể đến điểm B trong khoảng một giây. Về lý thuyết, cách tiếp cận này không mâu thuẫn với định luật tương đối vì bạn không chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong không gian xung quanh bạn. Alcubierre đã chỉ ra rằng warp drive từ “Star Trek” trên thực tế là có thể xảy ra về mặt lý thuyết. Chúng ta muốn đến Proxima Centauri phải không? Thật không may, phương pháp nén không thời gian của Alcubierre có một vấn đề: nó yêu cầu năng lượng âm hoặc khối lượng âm.Vấn đề năng lượng âm
Warp drive của Alcubierre sẽ hoạt động bằng cách tạo ra một bong bóng không thời gian phẳng xung quanh tàu vũ trụ và làm cong không thời gian xung quanh bong bóng đó để giảm khoảng cách. Warp drive sẽ yêu cầu khối lượng âm - một dạng vật chất theo lý thuyết - hoặc một vòng có mật độ năng lượng âm để hoạt động. Các nhà vật lý chưa bao giờ quan sát thấy khối lượng âm, do đó, năng lượng âm là lựa chọn duy nhất. Để tạo ra năng lượng âm, warp drive sẽ sử dụng một khối lượng rất lớn để tạo ra sự mất cân bằng giữa các hạt và phản hạt. Ví dụ, nếu một điện tử và một phản điện tử xuất hiện gần warp drive, một trong các hạt sẽ bị giữ lại bởi khối lượng và điều này dẫn đến sự mất cân bằng. Sự mất cân bằng này dẫn đến mật độ năng lượng âm. Warp drive của Alcubierre sẽ sử dụng năng lượng tiêu cực này để tạo ra bong bóng không thời gian. Nhưng để một warp drive có thể tạo ra đủ năng lượng tiêu cực, bạn sẽ cần rất nhiều thứ. Alcubierre ước tính rằng một warp drive với bong bóng dài 100 mét sẽ yêu cầu khối lượng của toàn bộ vũ trụ nhìn thấy được. Năm 1999, nhà vật lý Chris Van Den Broeck đã chỉ ra rằng việc mở rộng thể tích bên trong bong bóng nhưng giữ cho diện tích bề mặt không đổi sẽ làm giảm đáng kể nhu cầu năng lượng xuống chỉ bằng khối lượng của mặt trời. Một cải tiến đáng kể, nhưng vẫn vượt xa mọi khả năng thực tế.Tương lai khoa học viễn tưởng?
