Điều kỳ diệu của vận tốc ánh sáng

Tuy nhiên, thời gian chảy với vận tốc khác nhau ở những nơi khác nhau chính là chìa khóa cho việc du hành tới tương lai.

TTCT giới thiệu tiếp ý kiến của GS Hawking.

Kỳ 1: Du hành theo thời gian là viễn tưởng?

Phóng to

Nhà vật lý Stephen Hawking

Nghịch lý luôn tồn tại. Tôi không thích cách mà các nhà khoa học thường bị mô tả trong các bộ phim là những người điên rồ, nhưng trong trường hợp này lại đúng.

Lỗ sâu đục không tồn tại

Gã này quyết tâm tạo ra một nghịch lý, kể cả khi điều này làm gã mất mạng. Hãy tưởng tượng bằng một cách nào đó hắn tạo ra được một lỗ sâu đục, một đường hầm thời gian nối tới chỉ một phút về quá khứ. Qua lỗ sâu đục, nhà khoa học có thể thấy chính mình trước đấy một phút. Nhưng điều gì sẽ xảy ra khi nhà khoa học tự bắn vào bản thân ở một phút trước đó? Hắn ở hiện tại là chết. Vậy ai đã bắn phát súng? Đó chính là một nghịch lý.

“Cỗ máy thời gian như thế sẽ vi phạm một nguyên tắc cơ bản chi phối toàn bộ vũ trụ - nguyên nhân xảy ra trước hậu quả, và không bao giờ có chuyện ngược lại. Tôi tin rằng mọi thứ không làm cho chúng trở nên bất khả. Nhưng nếu chúng có thể thì không gì có thể ngăn toàn bộ vũ trụ rơi vào hỗn độn. Vì vậy tôi tin rằng sẽ có điều gì đó xảy ra để ngăn chặn nghịch lý ấy. Bằng một cách nào đó, sẽ có một lý do để nhà khoa học điên rồ không tìm thấy chính mình để bắn.

“Tôi tin rằng một lỗ sâu đục như thế sẽ không thể tồn tại. Lý do chính là sự hồi tiếp. Nếu từng có mặt ở một buổi biểu diễn nhạc rock, hẳn bạn sẽ nhớ đến tiếng hú chói tai phát ra từ loa. Đó chính là sự hồi tiếp. Âm thanh đi vào micro, được truyền qua dây, khuếch đại qua ampli rồi phát ra loa. Nhưng nếu quá nhiều âm thanh từ loa quay ngược trở lại micro, tạo thành các vòng lặp và mỗi vòng như vậy lại trở nên to hơn. Nếu không ai dừng quá trình hồi tiếp này, nó có thể phá hỏng hệ thống âm thanh.

Điều tương tự cũng sẽ xảy ra với lỗ sâu đục nhưng là với bức xạ thay vì âm thanh. Ngay khi lỗ sâu đục mở rộng, bức xạ tự nhiên sẽ xâm nhập và tạo thành một vòng lặp. Sự hồi tiếp sẽ trở nên mạnh tới mức phá hủy lỗ sâu đục.

“Nhưng câu chuyện không dừng lại ở đây. Điều này không hề làm cho việc du hành theo thời gian trở nên bất khả thi. Tôi vẫn tin vào chuyện du hành theo thời gian. Thời gian chảy như một dòng sông và mỗi chúng ta trôi không ngừng theo dòng của nó. Nhưng thời gian cũng giống dòng sông ở một khía cạnh khác nữa. Nó chảy với vận tốc khác nhau ở những nơi khác nhau, và đó chính là chìa khóa cho việc du hành tới tương lai.

Ý tưởng này đã được Einstein đưa ra từ cách đây hơn 100 năm. Ông đã nhận thấy có những nơi thời gian phải chảy chậm lại và có những nơi chảy nhanh hơn. Bằng chứng ở ngay trên đầu chúng ta.

“Đó chính là hệ thống định vị toàn cầu (GPS) - một mạng các vệ tinh trên quỹ đạo xung quanh Trái đất. Vệ tinh làm cho việc dẫn đường bằng vệ tinh trở thành hiện thực. Nhưng chúng cũng phát lộ rằng thời gian trong không gian chạy nhanh hơn dưới mặt đất. Ở trên mỗi vệ tinh đều có một đồng hồ rất chính xác. Nhưng dù rất chính xác, chúng đều chạy nhanh hơn ba phần tỉ giây mỗi ngày. Hệ thống cần phải hiệu chỉnh độ lệch này, nếu không thì một sự khác biệt nhỏ sẽ gây ra lỗi cho toàn bộ hệ thống, làm thiết bị GPS trên mặt đất chệch khoảng 6 dặm mỗi ngày.

“Nguyên nhân của hiệu ứng kỳ lạ này chính là khối lượng của Trái đất. Einstein đã phát hiện vật chất kéo thời gian lại và làm chậm nó như đoạn chảy chậm của dòng sông vậy. Vật thể càng nặng càng kéo chậm thời gian. Và thực tế đáng sửng sốt này đã mở ra cánh cửa cho việc du hành tới tương lai.

Phóng to

Một tuần du hành được 100 năm

“Ngay tại trung tâm của dải Ngân hà, cách chúng ta 26.000 năm ánh sáng, có một thiên thể nặng nhất trong thiên hà. Đó chính là một lỗ đen siêu nặng, có khối lượng lớn gấp 4 triệu Mặt trời, bị co sập lại thành một điểm bởi chính lực hấp dẫn của nó. Càng tiến tới gần lỗ đen, lực hấp dẫn càng mạnh. Nếu tiến đủ gần thậm chí ánh sáng cũng không thể thoát ra khỏi. Một lỗ đen như thế tác động rất mạnh tới thời gian, làm chậm thời gian lại hơn bất kỳ vật thể nào khác trong vũ trụ. Nó tạo thành một máy thời gian của tự nhiên.

“Tôi thích tưởng tượng việc một phi thuyền có thể lợi dụng hiện tượng này bằng cách bay xung quanh lỗ đen. Nếu một trạm vũ trụ kiểm soát nhiệm vụ này từ Trái đất, họ sẽ thấy mỗi vòng bay mất 16 phút. Nhưng với những con người dũng cảm trên phi thuyền, ở gần một vật thể to lớn như thế, thời gian sẽ bị chậm lại. Và ở đó hiệu ứng sẽ ác liệt hơn nhiều so với lực hấp dẫn trên Trái đất. Thời gian của phi hành đoàn sẽ chậm đi một nửa. Với mỗi 16 phút bay vòng quanh, họ chỉ trải qua trong 8 phút.

“Cứ vòng quanh như thế họ trải qua chỉ một nửa thời gian so với những người ở cách xa lỗ đen, nghĩa là phi thuyền và phi hành đoàn sẽ du hành theo thời gian. Hãy tưởng tượng họ bay vòng quanh lỗ đen trong năm năm của họ. Mười năm sẽ trôi qua ở nơi khác. Khi họ trở về nhà, mọi người trên Trái đất đều già hơn họ năm tuổi.

“Như vậy một lỗ đen siêu nặng chính là một cỗ máy thời gian. Nhưng tất nhiên nó không được thuận tiện cho lắm. Nó có một ưu thế hơn so với lỗ sâu đục là không gây ra nghịch lý. Hơn nữa, nó cũng không tự hủy trong một chớp hồi tiếp, nhưng lại ở khá xa và thậm chí không đưa chúng ta tới một tương lai xa được. May mắn thay, có một cách khác để du hành theo thời gian.

“Bạn chỉ cần di chuyển thật nhanh. Thậm chí nhanh hơn rất nhiều vận tốc cần thiết để tránh khỏi bị hút vào một lỗ đen. Đó là kết quả của một hiện tượng lạ kỳ của vũ trụ. Có một giới hạn vận tốc vũ trụ là 300.000km/giây, hay còn được biết là vận tốc của ánh sáng. Không gì có thể vượt qua được ngưỡng vận tốc này. Dù bạn tin hay không, nhưng di chuyển với vận tốc gần vận tốc ánh sáng sẽ đưa bạn tới tương lai.

“Để giải thích tại sao, hãy mơ tới một phương tiện vận chuyển viễn tưởng. Hãy tưởng tượng có một đường ray chạy xung quanh Trái đất cho một con tàu siêu tốc. Chúng ta sẽ sử dụng con tàu tưởng tượng này để di chuyển với vận tốc gần nhất có thể với vận tốc ánh sáng, xem nó sẽ biến thành một cỗ máy thời gian như thế nào. Con tàu bắt đầu tăng tốc ngày càng nhanh vòng quanh Trái đất. Bảy vòng trong một giây.

Nhưng bất kể con tàu có công suất bao nhiêu đi chăng nữa cũng không thể đạt tới vận tốc của ánh sáng, chỉ đạt được rất gần với vận tốc của ánh sáng. Khi đó một điều tuyệt vời sẽ xảy ra. Thời gian trên con tàu bắt đầu trôi chậm đi so với những nơi khác, giống như khi ở gần một lỗ đen vậy nhưng chậm hơn rất nhiều. Mọi thứ trên tàu đều như chuyển động chậm lại.

“Điều này xảy ra để bảo vệ giới hạn của vận tốc và không quá khó để hiểu tại sao. Thời gian sẽ luôn chạy chậm lại đủ để bảo vệ ngưỡng vận tốc này. Và điều này đã mở ra khả năng du hành tới nhiều năm ở tương lai.

“Hãy tưởng tượng đoàn tàu rời ga vào ngày 1-1-2050. Nó chạy vòng quanh Trái Đất liên tục trong vòng 100 năm trước khi dừng lại vào ngày Tết dương lịch năm 2150. Nhưng hành khách sẽ chỉ trải qua một tuần bởi thời gian đã trôi chậm lại đến mức như thế ở trên tàu. Khi xuống tàu, họ sẽ thấy một thế giới hoàn toàn khác biệt với thế giới của họ. Trong một tuần, họ đã du hành tới 100 năm sau ở tương lai.

Chỉ cần nhanh

Tất nhiên việc tạo ra một con tàu có thể đạt tới vận tốc như thế là không thể. Nhưng chúng ta đã làm được một điều tương tự như thế với máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới ở CERN Geneva, Thụy Sĩ.

“Sâu trong lòng đất, trong một đường ống dài 16 dặm là một dòng hàng nghìn tỉ các hạt cực nhỏ. Khi bật máy, chúng được gia tốc từ 0-60.000 dặm/giờ chỉ trong một phần của giây. Tăng công suất và các hạt di chuyển ngày một nhanh tới khi chúng bay vòng quanh đường ống 11.000 lần trong một giây, nghĩa là gần bằng với vận tốc của ánh sáng. Chúng chỉ có thể đạt tới ngưỡng 99,99% vận tốc giới hạn. Khi điều này xảy ra, chúng cũng bắt đầu du hành theo thời gian.

Chúng ta biết điều này vì một số hạt chỉ tồn tại trong thời gian cực ngắn, gọi là pi-meson. Bình thường chúng sẽ phân rã chỉ sau 25 phần nghìn tỉ của một giây. Nhưng khi được gia tốc tới vận tốc gần bằng vận tốc của ánh sáng, chúng sẽ tồn tại lâu hơn tới 30 lần.

“Đơn giản chỉ như vậy thôi. Nếu muốn du hành tới tương lai, ta chỉ cần di chuyển với vận tốc nhanh. Cực nhanh. Và tôi nghĩ cách duy nhất ta có thể làm được điều đó là đi vào không gian. Phi thuyền có chở người nhanh nhất trong lịch sử là tàu Apollo 10 đạt được vận tốc 25.000 dặm/giờ. Nhưng để du hành theo thời gian, ta cần phải di chuyển nhanh hơn thế 2.000 lần.