Nhà vật lý học Gaurav Khanna thuộc Đại học Massachusetts Dartmouth (Mỹ) khẳng định chúng ta chắc chắn có thể du hành thời gian nhưng chỉ khi chúng ta có một vật thể với khối lượng cực đại. Dưới đây là câu chuyện về cách chế tạo một cỗ máy thời gian với thiết kế đơn giản đến mức khó tin.
Khái niệm du hành thời gian luôn thu hút trí sự quan tâm của các nhà vật lý học và cả những người không phải chuyên gia trong lĩnh vực này. Liệu chúng ta có thể du hành thời gian không? Câu trả dĩ nhiên là có, chẳng phải ta vẫn đang làm điều đó sao, du hành tới tương lai từng giây một.
Nhưng cái đó chẳng phải là điều ta luôn nghĩ khi đề cập đến du hành thời gian. Con người muốn biết liệu có thể đi xa hơn vào tương lai không? Chắc chắn rồi, nếu chúng ta có thể di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng, hoặc ở gần hố đen – khi đó thời gian sẽ chậm lại cho phép chúng ta di chuyển xa tùy ý vào tương lai. Tuy nhiên, câu hỏi thú vị thực sự là liệu rằng chúng ta có thể du hành về quá khứ hay không?
Trong chương trình phim truyền hình dài tập “Doctor Who” của BBC, nhân vật Bác sĩ vô danh đã sử dụng cỗ máy thời gian TARDIS để du hành không-thời gian.
Tôi là giáo sư vật lý tại Đại học Massachusetts Dartmouth. Lần đầu tiên tôi nghe về khái niệm “du hành thời gian” là vào năm 7 tuổi, trong một tập phim của series truyền hình kinh điển Vũ trụ (Cosmos) của nhà thiên văn học Carl Sagan năm 1980.
Lúc đấy, tôi đã quyết định một ngày nào đó sẽ theo đuổi nghiên cứu chuyên sâu về thuyết tương đối của Einstein – nền tảng của những ý tưởng sáng tạo và phi thường về du hành thời gian. Hai mươi năm sau, tôi có được tấm bằng tiến sĩ trong ngành Vật lý học, và trở thành một nhà nghiên cứu tích cực về thuyết này.
Hiện tại, một trong những nghiên cứu sinh tiến sĩ của ông vừa xuất bản một bài báo trên tạp chí Classical and Quantum Gravity, mô tả cách chế tạo cỗ máy thời gian bằng cách sử dụng một cấu trúc rất đơn giản.
Đường cong kín đồng dạng thời gian (CTC)
Lý thuyết tương đối rộng của Einstein cho phép khả năng thời gian bị bẻ cong đến mức độ tự gập lại, tạo ra một vòng lặp thời gian (time loop).
Tưởng tượng chúng ta đang đi theo vòng lặp này; điều đó có nghĩa là tại một thời điểm nào đó, ta sẽ đến một thời điểm trong quá khứ và bắt đầu trải qua những khoảnh khắc tương tự tại thời điểm đó một lần nữa – hơi giống hiện tượng Déjà vu (Tiếng Pháp, có nghĩa là "đã từng nhìn thấy", mô tả cảm giác đã nhìn thấy trước một điều gì đó, đã từng trải qua một điều gì đó mà ta biết chắc chắn rằng chưa từng trải qua), chỉ có điều chúng ta sẽ không nhận ra nó đang xảy ra.
Các cấu trúc như vậy thường được gọi là "các đường cong kín đồng dạng thời gian" (Closed time-like curves - CTCs) trong các tài liệu nghiên cứu, hoặc thường được biết đến với tên gọi quen thuộc là “cỗ máy thời gian”.
Cỗ máy thời gian là sản phẩm từ các cách thức di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Việc hiểu được các cỗ máy này giúp chúng ta tăng thêm hiểu biết về cách thức hoạt động của vũ trụ.
Minh họa vòng lặp thời gian. Đường màu xanh là con đường ngắn qua một lỗ sâu đục. Đường màu đỏ là con đường dài xuyên qua không gian bình thường. Vì thời gian di chuyển trên con đường màu xanh có thể rất nhỏ so với con đường màu đỏ, nên một lỗ sâu đục có khả năng cho phép du hành thời gian.
Trong vài thập kỷ qua, các nhà vật lý học nổi tiếng như Kip Thorne và Stephen Hawking đã đưa ra những công trình quan trọng về các mô hình liên quan đến cỗ máy thời gian.
Kết luận chung được đưa ra từ những nghiên cứu trước đây, bao gồm cả nghiên cứu của Thorne và Hawking, là tự nhiên không cho phép các vòng lặp thời gian tồn tại.
Điều này có lẽ được giải thích rõ nhất trong cuốn sách “Chronology Protection Conjecture,” (Tạm dịch: Phỏng đoán về bảo toàn tiến trình thời gian) của Hawking. Về cơ bản, cuốn sách nói rằng tự nhiên không cho phép những thay đổi lịch sử trong quá khứ, giúp chúng ta tránh khỏi những nghịch lý có thể xảy ra nếu du hành thời gian.
Có lẽ, một trong những nghịch lý nổi tiếng nhất do du hành thời gian vào quá khứ là “Nghịch lý ông nội” (Grandfather paradox), trong đó một người du hành thời gian ngược về quá khứ và giết chết chính ông nội của mình trước khi bố của người này ra đời. Điều này làm thay đổi tiến trình lịch sử, gây ra mâu thuẫn: Người du hành đó không bao giờ được sinh ra nên không thể tồn tại trong thực tại [do đó không thể quay lại quá khứ để giết ông nội của mình].
Đã có rất nhiều bộ phim và tiểu thuyết dựa trên những nghịch lý xuất phát từ du hành thời gian - một trong số những bộ phim nổi tiếng nhất có lẽ là “Back to the Future (1985) và “Groundhog Day” (1993).
Vật chất kỳ lạ
Tùy thuộc vào từng chi tiết, các hiện tượng vật lý khác nhau có thể can thiệp để ngăn chặn đường cong thời gian khép kín phát triển trong các hệ vật lý.
Phổ biến nhất là yêu cầu phải tồn tại một loại vật chất “kỳ lạ” (exoic matter) để cho phép vòng lặp thời gian có thể xảy ra. Nói một cách sơ đẳng, vật chất kỳ lạ là loại vật chất có khối lượng âm. Vấn đề là khối lượng âm không tồn tại trong tự nhiên.
Caroline Mallary, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Massachusetts Dartmouth đã xuất bản một mô hình mới cho cỗ máy thời gian trên tạp chí Classical & Quantum Gravity. Mô hình mới này không yêu cầu phải có bất kỳ vật chất kỳ lạ khối lượng âm nào mà ngược lại, có một thiết kế rất đơn giản.
Mô hình của Mallary bao gồm hai chiếc xe ô tô siêu dài - không phải chế tạo từ vật liệu kỳ lạ, và có khối lượng dương - đỗ song song. Một chiếc xe di chuyển thật nhanh về phía trước, còn chiếc xe kia đỗ lại. Mallary chỉ ra rằng trong mô hình như vậy, một vòng lặp thời gian có thể tồn tại trong khoảng không giữa hai chiếc xe.
Video: Minh họa cho cách hoạt động trong vòng lặp thời gian của Mallary. Khi tàu vũ trụ đi vào vòng lặp thời gian, bản thân tương lai của nó cũng xuất hiện và người ta có thể truy ngược lại vị trí của cả hai tại mọi thời điểm sau đó. Hoạt ảnh được vẽ dưới góc nhìn của một người đứng ngoài quan sát. Khi tàu vũ trụ vào trong giai đoạn ngược thời gian của hành trình, nó được thể hiện bằng màu sắc tương phản. Các thanh màu xanh chạy dọc theo đường dây (các điểm kỳ dị trần trụi) dùng để biểu thị chuyển động tương đối của dây.
Vậy ta có thể xây mô hình này?
Nếu ta nghi ngờ rằng điều này tốt đến khó tin và hẳn phải có điều kiện gì đó, thì đúng rồi. Mô hình của Mallary đòi hỏi trung tâm của mỗi chiếc xe phải có chứa những điểm kỳ dị (singularities) có mật độ vật chất, nhiệt độ và áp suất vô hạn.
Hơn nữa, không giống như các điểm kỳ dị xuất hiện bên trong các hố đen hoàn toàn không thể tiếp cận được từ bên ngoài (do chúng nằm bên trong chân trời sự kiện), các điểm kỳ dị trong mô hình của Mallary được phơi bày và có thể quan sát được, do đó có các hiệu ứng vật lý thực sự.
Các điểm này thường được gọi là kỳ dị trần trụi (naked singularity) không được bao quanh bởi lỗ đen và không bền, chỉ một nhiễu động sóng rất nhỏ cũng có thể khiến nó sụp đổ thành lỗ đen và ẩn giấu sau chân trời sự kiện.
Các nhà vật lý cũng không kỳ vọng những điểm kỳ dị như vậy tồn tại trong tự nhiên. Do vậy, thật không may, cỗ máy thời gian sẽ không sớm xuất hiện.
Tuy nhiên, công trình nghiên cứu này cho thấy các nhà vật lý có thể phải tinh chỉnh các ý tưởng của họ về lý do tại sao các đường cong thời gian khép kín không tồn tại.