Theo như chúng ta biết, một người không thể di chuyển với tốc độ gấp hai lần vận tốc ánh sáng. Trong thực tế, không có vật thể nào có khối lượng mà bạn hoặc tôi sở hữu có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng theo bất kỳ hướng nào. Thuyết tương đối của Einstein dường như nói rằng điều đó không thể xảy ra, nhưng nếu nó có thể xảy ra thì sao? Một số hạt bất thường có thể di chuyển với tốc độ gấp đôi tốc độ ánh sáng - và điều này có thể cho phép chúng du hành ngược thời gian?
Giới hạn tốc độ chung
Thuyết tương đối của Albert Einstein là một trong những lý thuyết vật lý hữu ích nhất mà chúng ta có ở thời điểm hiện tại. Theo lý thuyết này, tốc độ ánh sáng đóng vai trò là giới hạn tốc độ chung cho bất kỳ vật gì có khối lượng. Thuyết tương đối nói rằng, không có vật gì có khối lượng có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Một vật khối lượng phải được cung cấp thêm năng lượng để tăng tốc. Do đó, tốc độ của vật tỷ lệ thuận với năng lượng cung cấp cho nó. Phương trình thuyết tương đối của Einstein nói rằng cần một lượng năng lượng vô hạn để tăng tốc bất cứ vật gì có khối lượng bằng tốc độ ánh sáng, bất kể nó có khối lượng bao nhiêu.
Tốc độ của ánh sáng truyền qua chân không là 299.792.458 mét/giây, được ký hiệu là c. Đây là một hằng số vật lý cơ bản quan trọng trong nhiều lĩnh vực vật lý. Vậy, tốc độ của ánh sáng được tìm ra như thế nào và trên thực tế có thứ gì có thể nhanh hơn hay không? Trên thực tế, theo thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein, ánh sáng truyền đi trong chân không nhanh đến mức không gì trong vũ trụ có thể chuyển động nhanh hơn.
Tuy nhiên, tất cả các nguồn năng lượng mà chúng ta nhận thức được đều bị hạn chế theo một cách nào đó. Thật vậy, có thể tưởng tượng rằng vũ trụ có một lượng năng lượng hữu hạn để bắt đầu. Điều đó có nghĩa là vũ trụ thiếu năng lượng cần thiết để gia tốc bất cứ thứ gì có khối lượng bằng tốc độ ánh sáng. Miễn là chúng ta có khối lượng, chúng ta sẽ không thể di chuyển với tốc độ gấp đôi tốc độ ánh sáng.
Tachyon
Bất cứ thứ gì có “khối lượng bình thường” đều phải tuân theo giới hạn tốc độ chung này. Tuy nhiên, tachyon một hạt hạ nguyên tử giả định lại có thể di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Dù chỉ là một loại hạt giả định, nhưng chúng ta không thể chứng minh được rằng nó không tồn tại và thuyết tương đối cũng không thể loại trừ khả năng xảy ra những điều như vậy.
Nhà vật lý học người Đức Arnold Sommerfeld được cho là người đầu tiên mô tả hạt tachyon. Tuy nhiên, George Sudarshan, Olexa-Myron Bilaniuk, Vijay Deshpande và Gerald Feinberg (người đầu tiên đặt tên cho hạt này vào những năm 1960) mới là những người sáng lập ra nền tảng lý thuyết cho nghiên cứu hạt tachyon. Trường tachyon xuất hiện trong nhiều phạm vi lý thuyết, chẳng hạn như lý thuyết chuỗi Boson.
Vào năm 1676, bằng cách nghiên cứu Mặt Trăng của sao Mộc chuyển động, nhà thiên văn học người Đan Mạch Ole Romer đã tính toán ra rằng, ánh sáng truyền đi với tốc độ hữu hạn. Theo Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Mỹ, thành phố New York, đến năm 1678, dựa trên dữ liệu của Ole Romer, nhà toán học và khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens đã trở thành người đầu tiên cố gắng xác định tốc độ thực tế của ánh sáng.
Nếu tachyon tồn tại, chúng phải luôn di chuyển với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng. Tachyons không thể giảm tốc độ xuống dưới tốc độ ánh sáng, giống như vật thể có khối lượng thông thường không thể tăng tốc vượt tốc độ ánh sáng. Một số nhà vật lý đưa ra giả thuyết rằng nếu tachyon tồn tại, chúng sẽ liên tục du hành ngược thời gian. Do đó, tachyon thường được sử dụng để mô tả du hành thời gian trong khoa học viễn tưởng.
Có suy đoán rằng một ngày nào đó chúng ta có thể tạo ra cỗ máy thời gian bằng cách sử dụng tachyon. Tuy nhiên, vì chúng ta chưa có khả năng xác định tachyon có thể xảy ra, nên đây vẫn là một giấc mơ xa vời trong thời điểm hiện tại.
Đường tắt?
Việc chúng ta không thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng là một điều đáng thất vọng. 4,35 năm ánh sáng là khoảng cách giữa chúng ta và ngôi sao gần Mặt trời nhất. Sẽ mất hơn bốn năm để đạt được điều đó nếu bạn đi với tốc độ ánh sáng. Ngôi sao xa nhất mà chúng ta từng tìm thấy nằm cách xa Trái đất 28 tỷ năm ánh sáng. Vì vậy, dù có dùng cả đời để di chuyển thì bạn cũng không bao giờ tới được ngôi sao đó.
Tuy nhiên, thuyết tương đối cho phép tồn tại “lỗ sâu” (lỗ giun). Hố sâu là một lối đi tắt giữa hai địa điểm bất kỳ trong không gian. Theo điều kiện thông thường, một ngôi sao có thể cách chúng ta 4,5 năm ánh sáng, nhưng khi đi qua một lỗ sâu thì nó có thể chỉ cách chúng ta vài giờ.
Nhưng vào năm 1905, Lý thuyết Tương Đối Hẹp của Einstein đã thay đổi mãi mãi cách mà các nhà vật lý nhìn vũ trụ, bằng việc ràng buộc khối lượng và năng lượng vào một phương trình tuy đơn giản nhưng cực kì quan trọng E=mc^2. Về bản chất, phương trình này tiên đoán không có bất cứ thứ gì có khối lượng có thể đạt vận tốc bằng ánh sáng, chứ đừng nói là nhanh hơn. Nỗ lực thành công nhất của loài người trong việc tiệm cận tốc độ ánh sáng nằm trong các máy gia tốc hạt siêu mạnh như Máy Gia tốc Hạt Lớn (LHC) của CERN hay Tevatron của Mỹ. Các cỗ máy khổng lồ này (LHC thậm chí còn có chu vi vắt ngang qua dãy Alps, nằm trên cả lãnh thổ Pháp và Thụy Sĩ) có khả năng tăng tốc độ các hạ nguyên tử lên đến 99.99% tốc độ ánh sáng, tuy nhiên theo giải thích của nhà vật lý đạt giải Nobel David Gross, những hạt này sẽ không bao giờ chạm đến ngưỡng tốc độ vũ trụ.
Đối với tất cả những gì chúng ta biết, có thể đạt tới những điểm xa nhất của vũ trụ trong một đời người nếu có những lỗ sâu thực sự ở đâu đó trong vũ trụ của chúng ta. Tuy nhiên lỗ giun, giống như tachyons, ở thời điểm này chỉ là lý thuyết.
Chúng ta có thể thử hình dung cảm giác di chuyển nhanh hơn ánh sáng sẽ như thế nào, mặc dù thực tế là chúng ta không thể thực sự làm như vậy.