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!
Từ giấc mơ đến hiện thực
Thật dễ dàng tưởng tượng ra mọi thứ có thể làm với một cái áo tàng hình sự kiện – từ những cái to lớn và kì lạ cho đến những cái nhỏ bé và có khả năng hữu dụng hơn. Tất nhiên, việc triển khai trong thực tế sẽ là một thách thức nữa. Cái chúng ta cần là một tập hợp những lớp siêu chất liệu song song nhau, mỗi lớp chứa một ma trận gồm những nguyên tố kim loại nhỏ xíu, các electron dẫn trong đó sẽ tương tác với ánh sáng theo kiểu có thể dễ dàng điều khiển được. Những nguyên tố nhỏ xíu, hay “siêu nguyên tử” như vậy là cách thông thường để xây dựng các siêu chất liệu dùng trong những áo tàng hình không gian bình thường, nhưng cái chúng ta cần là một tương tác có tính thích ứng cao hơn. Đặc biệt, chúng ta muốn có thể độc lập điều chỉnh phản ứng của từng lớp trong siêu chất liệu khi thời gian trôi qua.
Giả sử một chất liệu như thế là có thể chế tạo ra, việc chiếu ánh sáng truyền vuông góc với các lớp sẽ không “nhìn thấy” cấu trúc hỗn tạp, mà là một môi trường phẳng thật sự - nghĩa là, nếu bước sóng của nó lớn hơn nhiều so với các siêu nguyên tử lẫn khoảng cách giữa các tấm siêu chất liệu. Tuy nhiên, do sự có mặt của các nguyên tố kim loại có thể xử lí, nên tốc độ trung bình của ánh sáng truyền qua chất liệu có thể bị điều chỉnh. Các tính chất siêu chất liệu, do đó, có thể điều khiển sao cho chúng tạo ra một cực tiểu cường độ đốm đen đặc trưng của áo tàng hình không-thời gian tại không gian và thời gian như mong muốn.
Hình 2. (a) Một áo tàng hình không-thời gian có thể tạo ra từ một siêu chất liệu gồm một chồng những lớp song song nhau chứa những ma trận nguyên tố kim loại cho phép tốc độ ánh sáng cục bộ bị điều chỉnh. Mặc dù bố trí này sẽ cho phép ánh sáng đi qua vùng màu lục ở giữa có cường độ bằng không trong một khoảng thời gian nhất định, nhưng một người quan sát nhìn từ phía bên phải sẽ chỉ nhìn thấy một cường độ sáng đồng đều, như thể không có áo tàng hình gì hết. Một chiếc áo tàng hình như vậy có thể dùng trong một số phương pháp khác nhau tùy thuộc cách thức vùng chính giữa được lấp đầy khi cực tiểu cường độ sáng đi qua. Trong (b), một người có thể chạy từ A đến B nhưng một người quan sát sẽ chỉ nhìn thấy họ dường như dịch chuyển tức thời từ A đến B, như thể sử dụng máy vận chuyển trong phim Star Trek. Trong (c), vùng chính giữa chứa một cái hộp nhỏ với các nguyên tử kích thích phân hủy và phát ra photon: trong khoảng thời gian áo tàng hình hoạt động (đường cong màu lục), đường đặc trưng phân hủy rộng của ánh sáng (đường cong màu xanh lam) bị nén thành một khoảng thời gian rất hẹp (đường cong màu đỏ). Sự biến đổi của một sự huỳnh quang từng bước thành một lóe sáng như thế này sẽ để lộ dấu vết của sự có mặt của áo tàng hình không-thời gian. (d) Độ phân giải của một xung đột xử lí tín hiệu qua “gián-đoạn-không-gián-đoạn”, nhờ đó một nút (màu đỏ) trong một hệ thống định tuyến quang học có thể nhận và xử lí tín hiệu tức thời từ những kênh khác nhau. Trong thí dụ này, một kênh là một tín hiệu đồng hồ phải chưa bao giờ bị gián đoạn khi nó đi từ A đến B, còn kênh kia chứa dữ liệu phải được xử lí ưu tiên khi nó đi từ C đến D.
Những sự kiện xảy ra trong không gian có thể tàng hình nằm giữa những lớp chính giữa (hình 2a) gần thời điểm được chọn sẽ xảy ra trong bóng tối, và vì thế bị che mất khỏi – và không bị nghi ngờ bởi - mọi nhà quan sát. Mặc dù đốm đen này có thể tồn tại một khoảng xa như chúng ta muốn, nhưng nó di chuyển, và chỉ tồn tại trong một thời gian tương đối ngắn tùy thuộc vào hiệu suất và bề dày của siêu chất liệu. Thí dụ, một dụng cụ tàng hình cỡ một mét sẽ chỉ có thể tàng hình trong khoảng thời gian một nano giây hay tương đương, còn những hạn chế công nghệ hiện nay có khả năng sẽ giảm kết quả này xuống 10 hoặc thậm chí 100 bậc.
Giả sử một thế hệ tương lai có khả năng tạo ra một áo tàng hình không-thời gian vĩ mô, hiệu suất cao, hoạt động trọn vẹn, thì một thủ thuật mà nó có thể thực hiện sẽ là tạo ra ảo giác kiểu máy vận chuyển Star Trek (hình 2b). Cái chúng ta cần làm là chọn áo tàng hình siêu chất liệu chế tạo từ siêu nguyên tử của chúng ta có kích cỡ nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng và khắc một hành lang trung tâm ngay chính giữa. Khi cực tiểu cường độ sáng đi qua vùng chính giữa, thì một người có thể chạy trong bóng tối từ một đầu (A) của hành lang đến đầu kia (B). Nhưng miễn là người quan sát đứng ở bên ngoài, thì cái họ thấy là người đó dịch chuyển tức thời từ A đến B theo đúng phong cách trong phim Star Trek.
Hợp lí hơn, ta nên xét một thí nghiệm làm tàng hình một cái hộp nhỏ chứa các nguyên tử bị kích thích (hình 2c). Các nguyên tử sẽ phân hủy tự phát, phát ra photon theo thống kê hàm mũ Poisson bình thường. Tuy nhiên, ánh sáng phát ra bởi các nguyên tử khi cực tiểu cường độ sáng đi qua hộp bị ảnh hưởng bởi sự khép kín của áo tàng hình. Điều này có nghĩa là mọi ánh sáng phát ra trong khoảng thời gian bị tàng hình bị nén vào một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều, thoát ra khỏi áo tàng hình dưới dạng một lóe sáng ngắn ngủi nhưng cường độ mạnh. Hiện tượng này không hẳn chỉ một hứng khởi trừu tượng vì nó có thể là dấu hiệu thực nghiệm đầu tiên được tạo ra bởi một áo tàng hình không-thời gian đang hoạt động.
Cuối cùng, một áo tàng hình không-thời gian là có thể dùng để điều khiển dòng tín hiệu trong một hệ thống định tuyến quang học (hình 2d), trong đó một nút cần phải nhận và xử lí tín hiệu đồng thời từ những kênh khác nhau. Thí dụ, một kênh có thể là một tín hiệu đồng hồ mà một mạch điện ngoài đòi hỏi không bao giờ bị gián đoạn, còn kênh kia có thể chứa dẽ liệu phải được xử lí ưu tiên. Xung đột này có thể được giải quyết bởi áo tàng hình không-thời gian trong chốc lát mở ra một khoảng trống trong tín hiệu đồng hồ. Nút mạng có thể xử lí các bit ưu tiên trong khoảng trống đó, và rồi nối lại tín hiệu đồng hồ bằng cách đóng áo tàng hình. Điều này sẽ cho phép một hoạt động “gián-đoạn-mà-không-gián-đoạn” có thể hữu ích trong sự điện toán lượng tử vốn xử lí những kênh dữ liệu có tương quan với nhau.
Những câu hỏi thực tế
Mặc dù toán học có thể cho chúng ta biết những tính chất điện từ chính xác cần thiết của một áo tàng hình không-thời gian, nhưng việc chế tạo một dụng cụ như thế thật sự nằm ngoài tầm với của công nghệ siêu chất liệu hiện nay. Thí dụ, chất liệu đó phải có khả năng kết hợp điện trường và từ trường theo một kiểu đặc biệt. Cái bất ngờ là sự kết hợp kì lạ này có một tác dụng phụ khiến nó xuất hiện trước ánh sáng như thể môi trường đang chuyển động, mặc dù là đang đứng yên. Tuy nhiên, nếu chúng ta hài lòng với việc tạo ra một áo tàng hình không-thời gian chưa hoàn chỉnh, thì một dụng cụ như thế thật sự nằm trong tầm với của công nghệ hiện nay và sẽ liên quan đến việc xây dựng áo tàng hình từ sợi quang. Chúng tôi ước tính một áo tàng hình sự kiện trong một sợi quang dài 3 km với một đoạn mở dài 1 km, một đoạn hoạt động dài 1 km và một kết thúc dài 1 km, có thể che giấu những sự kiện kéo dài đến vài nano giây.
Sợi quang là ứng cử viên triển vọng vì chiết suất của chúng có thể tăng dễ dàng bằng cách tăng cường độ của chùm tia mà chúng mang đi, nhờ đó làm chậm ánh sáng như cần thiết. Điều này có thể thực hiện bằng cách tăng đột ngột cường độ của một chùm “điều khiển”, với sự biến thiên cường độ sáng nhảy bậc thu được truyền theo sợi và gây ra một sự biến thiên truyền đi ở tốc độ ánh sáng. Nếu sợi quang còn chứa một chùm “theo dõi” thứ hai, không đổi, thì các photon trong chùm tia đó sẽ truyền đi nhanh hơn chùm điều khiển trước khi cường độ sáng tăng lên, nhưng sau đó thì truyền chậm đi – đó chính xác là cái cần thiết để mở khoảng tối trong áo tàng hình không-thời gian của chúng ta.
Sau đó, chúng ta có thể truyền chùm tia theo dõi này vào một sợi quang khác với một chùm điều khiển mới nhưng lần này là giảm đột ngột về cường độ sáng. Điều này làm đảo ngược tốc độ trước đó, khép lại khoảng thời gian tối, và tái tạo lại chùm tia sáng theo dõi bất biến lúc ban đầu. Trở lại với sự tương tự đường xa lộ của chúng ta, điều đó giống như là phần cường độ cao của chùm điều khiển nằm trong một cơn mưa đang di chuyển cùng với luồng xe, chỉ buộc những người tài xế đó chạy chậm lại. Khoảng trống trong làn xa mở ra khi những xe đằng sau gặp mưa và chạy chậm lại, và khép lại khi cơn mưa đổi sang đuổi theo những xe đằng trước, làm cho chúng chạy chậm lại, trong khi những xe đằng sau thì tăng tốc lên.
Áo tàng hình không-thời gian có thể tạo ra một khoảng trống trong lịch sử - na ná như khi dòng xe cộ trên xa lộ chỗ này chạy chậm lại trong khi chỗ kia chạy nhanh lên. (Ảnh: iStockphoto.com/timo_w2s)
Trên thực tế, một áo tàng hình như vậy là không hoàn chỉnh vì chúng ta chỉ có thể làm biến đổi các tính chất điện của sợi quang, vì chúng là phi từ tính. Sự không hoàn hảo này dẫn tới sự phản xạ tản lạc, cho phép áo tàng hình bị phát hiện. Để loại bỏ mọi sự phản xạ, chúng ta cần phải làm biến đổi cả tính chất điện lẫn tính chất từ. Tuy nhiên, may thay, các chi tiết của cái đang diễn ra bên trong áo tàng hình sẽ vẫn bị che giấu.
Con đường phía trước
Mặc dù rất nhiều nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã và đang cố gắng tạo ra áo tàng hình không gian – trong một số trường hợp đã có sự thành công nhất định – nhưng chưa ai từng thử chứng minh một áo tàng hình không-thời gian trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, dường như chẳng có lí do rõ ràng nào lí giải vì sao một áo tàng hình như thế - và một dấu hiệu thực nghiệm xác nhận nó, thí dụ như các thử nghiệm các-nguyên-tử-trong-hộp – không thể nào đạt được sớm, có lẽ trong vòng vài ba năm tới. Một khi nguyên lí đã được chứng minh, khi đó chúng ta có thể bắt đầu nhìn vào những ứng dụng, đặc biệt là ý tưởng có thể sử dụng áo tàng hình sự kiện để giải quyết những xung đột điện toán trong những hệ xử lí quang học.
Cuối cùng, cái có lẽ có thể cho sự hoạt động của áo tàng hình không-thời gian được kích hoạt bởi những sự kiện có trước những sự kiện mà dụng cụ che giấu. Tuy nhiên, một hạn chế có thể có là sự xử lí và tính toán trộm từ bọn xấu mà hệ thống không hề phát hiện ra vụ tấn công. Trở lại với sự tương tự của chúng ta về con gà băng qua đường qua khoảng trống trong làn xe, điều đó tựa như là có một con gà đặc biệt khéo léo và ma mãnh thật sự đã sáng tác ra toàn bộ lộ trình có trước bằng cách làm chủ các hạn chế tốc độ (để mở ra khoảng trống) và sau khi băng qua đường (để khép kín khoảng trống). Cho nên, trong khi chúng ta có lẽ không bao giờ biết được tại sao con gà băng qua đường, nhưng ít nhất chúng ta có thể tưởng tượng được nó đã băng qua đường như thế nào.
Martin McCall và Paul Kinsler,
Khoa Vật lí, Đại học College London,
Physics World, tháng 7/2011
Trần Nghiêm dịch
