Martin McCall và Paul Kinsler (Physics World, tháng 7/2011)
Đa số áo tàng hình hiện có được thiết kế để che giấu các vật trước tầm nhìn. Nhưng như Martin McCall và Paul Kinsler giải thích, người ta cũng có thể chế tạo áo tàng hình “không-thời gian” cho phép chọn lọc những sự kiện không cho ai phát hiện ra. Áo tàng hình kiểu này thật sự quá lí tưởng cho... bọn cướp nhà băng!
Ảnh: Photolibrary
Tầm nhìn thế giới của chúng ta được xác định bởi cái mà mắt chúng ta nhìn, tai chúng ta nghe và mũi chúng ta ngửi, hay cái mà nhà triết học Bertrand Russell gọi là “dữ liệu cảm nhận”. Nhưng chúng ta đã biết từ những ảo giác quang học đơn giản rằng mắt của chúng ta có thể bị đánh lừa – vạn vật không nhất thiết luôn là cái chúng trông như vậy. Tuy nhiên, những kĩ thuật mà các nhà vật lí đã phát triển trong thời gian gần đây để làm chủ đường đi của ánh sáng và những bức xạ điện từ khác không đơn thuần chỉ là những thủ thuật lừa đảo của mắt: chúng là những tiến bộ thật sự có thể mang lại một số hiệu ứng hấp dẫn và hữu ích.
Bằng cách tạo ra những “siêu chất liệu” đặc biệt, ngày nay chúng ta có thể chế tạo ra những phiên bản gốc của áo tàng hình kiểu Harry Potter. Sau khi làm trệch ánh sáng đi vòng qua một vật – giống như nước chảy vòng quanh một gốc cây ở trong nước, hoặc xe hơi chạy theo đường vòng giao lộ của một chốt giao thông – chúng ta có thể khôi phục nó lại liền lạc ngay sau đó. Giác quan của chúng ta bị qua mặt, không phải bị lừa, mà vì ánh sáng đi tới mắt chúng ta như thể vật không có mặt ở đó. Bằng cách làm thay đổi đường đi của các tia sáng trong không gian để che giấu một vật tại một địa điểm được chọn trước, chúng ta có thể tạo ra cái gọi là “áo tàng hình không gian”.
Nhưng hãy tưởng tượng chúng ta có thể tạo ra một cái áo tàng hình không chỉ hoạt động trong không gian mà trong thời gian nữa. Để tìm hiểu một áo tàng hình “không-thời gian” như thế có thể hoạt động như thế nào, hãy xét một nhà băng nọ chứa một cái két đầy tiền. Thoạt đầu, mọi ánh sáng tới liên tục tán xạ khỏi két và xung quanh nó, làm hiện khung cảnh nhợt nhạt của cái két bất động trước camera giám sát. Nhưng hãy tưởng tượng, gần một thời điểm đặc biệt nào đó, hãy tách mọi ánh sáng đi tới két làm hai phần: “trước” và “sau”, với phần “trước” tăng tốc và phần “sau” giảm tốc. Như vậy sẽ tạo ra một khoảng thời gian ngắn tối đen trong dòng photon chiếu sáng. Nếu các photon là dòng xe hơi trên xa lộ, thì điều đó giống như là những chiếc xe dẫn đầu thì tăng tốc, còn những chiếc phía sau thì giảm tốc, tạo ra một khoảng trống trong luồng xe chạy (một khoảng thời gian tối với hai bên rìa sáng – xem t3 trong hình 1).
Giờ hãy tưởng tượng trong thời khắc tối đen đó, một tên trộm bước vào khung cảnh và lấy cắp tiền, thận trọng tiếp cận cửa bảo an trước khi anh ta bước ra. Với tên trộm bước ra, quá trình tăng tốc và giảm tốc ánh sáng bị đảo ngược, dẫn tới một sự chiếu sáng vẻ như đồng đều, nguyên vẹn được khôi phục lại. Khi ánh sáng đi tới camera giám sát, thì mọi thứ trông nguyên như trước kia, với cửa bảo an đóng im ỉm. Khoảng thời gian tối đen khi két bị mở đúng là đã bị lược bỏ khỏi lịch sử nhìn thấy.
Để hoàn thiện bức tranh tương tự xa lộ của chúng ta, hãy tưởng tượng như các xe phía sau chạy nhanh lên và sau đó lấp đi chỗ trống trong luồng xe, không để lại tình trạng lộn xộn nào trong luồng xe lưu thông. Giờ thì không có bằng chứng nào của khoảng thời gian có khoảng trống không-xe nữa, mặc dù trong khoảng thời gian đó gà con thậm chí có thể băng qua đường mà không bị “banh xác”. Như vậy, bằng cách làm chủ cách thức ánh sáng truyền đi trong thời gian xung quanh một vùng không gian, chúng ta có thể, ít nhất là trên nguyên tắc, tạo ra một cái áo tàng hình không-thời gian có thể che giấu các sự kiện – “áo tàng hình sự kiện”, nếu bạn thích gọi thế.
Biến đổi và truyền
(a) Đây là nguyên lí chế tạo áo tàng hình “không gian” kiểu thông thường, làm cho những vật nằm trong cái đĩa màu đỏ là không nhìn thấy đối với người quan sát nhìn từ phía bên phải. Áo tàng hình này hoạt động vì các tia sáng (màu xanh lam) không đi theo đường thẳng từ trái sang phải, như người ta trông đợi, mà đi vòng qua vật như thể hiện trên hình. Làm cho ánh sáng uốn cong theo kiểu như vậy trên thực tế người ta sử dụng một “siêu chất liệu” được thiết kế đặc biệt. Đường đi cần thiết cho ánh sáng có thể tính bằng cách sử dụng “quang học biến đổi tọa độ” – một phương pháp dịch mọi điểm không gian (x, y) thành những tọa độ mới (x’, y’). (b) Một áo tàng hình không-thời gian, sử dụng sự biến đổi tọa độ như trong (a) nhưng với tọa độ đứng là ct, trong đó t là thời gian và c là tốc độ ánh sáng trong chân không, thay cho khoảng cách y. Áo tàng hình này đảm bảo rằng mọi sự kiện xảy ra bên trong cái đĩa màu đỏ xuất hiện trong bóng tối mù mịt – trong thí dụ này là một sự giảm đột ngột cường độ sáng ở giữa trên thời gian t3. Mặc dù sự phân bố ánh sáng thay đổi kịch tính giữa t1 và t5, nhưng người quan sát phía bên phải tại x = a chỉ nhìn thấy một cường độ sáng đồng đều như thể áo tàng hình không-thời gian không có mặt: họ vẫn không biết gì về sự xuất hiện của mọi sự kiện không bức xạ bên trong cái đĩa màu đỏ. Cái đáng chú ý là áo tàng hình sự kiện để cho ánh sáng không bị lệch khỏi đường đi của chúng từ nguồn đến máy thu – chúng không cong trong không gian, mà cong trong không-thời gian. Trong cả (a) lẫn (b), hệ phương trình Maxwell cho chúng ta biết các tính chất của môi trường cần thiết để tạo ra cả hai loại ảo giác. Một chi tiết cốt lõi của áo tàng hình sự kiện là các tia sáng tàng hình không nên chĩa về phía quá khứ. Áo tàng hình minh họa ở đây không may là thật sự có những tia như vậy (tại điểm A), mặc dù thiết kế trên có thể cải tiến để loại bỏ những chi tiết như thế.
Cả áo tàng hình không gian lẫn áo tàng hình không-thời gian đều sử dụng một phương pháp chung gọi là “quang học biến đổi tọa độ”, nhờ đó những người thiết kế áo quyết định lộ trình mà họ muốn ánh sáng tuân theo trước khi tính đến loại chất liệu nào mà ánh sáng phải đi qua để đạt tới mục tiêu đó. Điểm mấu chốt là các tia sáng truyền đo theo những lộ trình có thể biến đổi trên phương diện toán học – thí dụ từ những đường thẳng thàng đường cong. Tuy nhiên, để tạo ra sự biến dạng như mong muốn của đường đi tia sáng, chúng ta cần chất liệu của mình được thiết kế thận trọng, một quá trình thường được trình bày theo các phép biến đổi tọa độ. Khi đó, chúng ta có thể sử dụng “nguyên lí tích hai độ lệch” của Einstein, nguyên lí phát biểu rằng mọi lí thuyết vật lí là độc lập với hệ tọa độ được sử dụng, để tính ra những tính chất vật liệu sẽ mang lại những đường đi ánh sáng như mong muốn. Trong khi các áo tàng hình kiểu bình thường (tức là tàng hình không gian) chỉ áp dụng nguyên lí này trong không gian (hình 1a), thì áo tàng hình sự kiện áp dụng nó trong không-thời gian (hình 1b) – xét cho cùng thì thời gian là một tọa độ giống như không gian vậy, cả hai đều xuất hiện trong hệ phát triển Maxwell cho trường điện từ.
Cái đáng chú ý là áo tàng hình sự kiện để cho các tia sáng không bị lệch khỏi đường đi của chúng từ nguồn đến máy thu – chúng không cong trong không gian, thay vào đó chúng cong trong không-thời gian. Chính tốc độ của nó, chứ không phải hướng, biến thiên theo một hàm của cả vị trí và thời gian. Nhưng vì đề xuất của chúng ta dựa trên sự tăng tốc ánh sáng ở nơi này và giảm tốc ánh sáng ở nơi khác, nên chúng ta phải đảm bảo rằng tốc độ trung bình của ánh sáng trong chất liệu của mình là nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không. Xét cho cùng, vì không có gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong chân không, nên phương pháp của chúng ta, liên quan đến sự tăng tốc một phần ánh sáng, tuy thế sẽ không hoạt động được. Một chi tiết quan trọng nữa là việc đảm bảo rằng các tia sáng tàng hình không chĩa về hướng quá khứ. Áo tàng hình không-thời gian tròn đơn giản ở hình 1b, mặc dù lí tưởng cho những mục đích giải thích, thanh minh, nhưng điều không may là nó thật sự có những tia như vậy. Dẫu sao, cũng nhờ trời, thiết kế trên có thể cải tiến để loại bỏ những chi tiết như vậy.
