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.

Einstein và Kurt Godel. (Ảnh: plus.maths.org)

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?

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)