Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 51)

Khi thời gian trôi ngược

Thuyết tương đối đặc biệt cho chúng ta biết rằng không có cái gì có thể tăng tốc đến một tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng, nhưng nó không bác bỏ những cái chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng miễn là chúng luôn luôn duy trì phía bên kia của hàng rào tốc độ ánh sáng. Bạn thấy tốc độ ánh sáng là một hàng rào hai chiều; không cái gì chuyển động chậm hơn ánh sáng có thể đi nhanh hơn ánh sáng và không có cái gì đã nhanh hơn ánh sáng có thể chậm lại đến một tốc độ dưới tốc độ ánh sáng. Thậm chí, các nhà vật lí còn có một cái tên đặt cho những hạt “siêu sáng” giả định chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Chúng được gọi là tachyon và, nếu như chúng tồn tại, sẽ có một số tính chất kì lạ. Chẳng hạn, vì thời gian trôi chậm đi khi một hạt tiến gần đến tốc độ ánh sáng, cho đến lúc bằng tốc độ ánh sáng thì thời gian dừng lại, nên chúng ta có thể tiến thêm một bước nữa và thấy rằng, đối với tachyon, thời gian sẽ chạy ngược. Đối với chúng ta, tachyon sẽ chuyển động ngược dòng thời gian! Tachyon sẽ không giống như những hạt bình thường vốn chuyển động chậm đi khi chúng mất năng lượng. Thay vậy, chúng lại tăng tốc, và khi một tachyon mất hết toàn bộ năng lượng của nó, nó sẽ chuyển động ở một tốc độ vô hạn!

Mặc dù thuyết tương đối đặc biệt tiên đoán sự tồn tại của những hạt kì lạ như thế, nhưng không có bằng chứng nào được tìm thấy cho chúng và đa số các nhà vật lí không tin rằng chúng tồn tại. Dẫu sao, chúng thật sự quá kì lạ để mà suy ngẫm, cho dù là theo chuẩn của vật lí hiện đại.

Tuy nhiên, có một ví dụ chắc chắn về những hạt chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Cái cho đến đây tôi chưa đề cập tới là giới hạn tốc độ tối đa mà tôi đang trình bày này là tốc độ của ánh sáng truyền trong không gian trống rỗng. Cái này được gọi là tốc độ ánh sáng trong chân không. Khi ánh sáng truyền qua một chất liệu trong suốt như thủy tinh hoặc nước, nó chuyển động chậm hơn. Đây là cái gây ra sự khúc xạ (nguyên nhân cái muỗng trông như bị bẻ cong khi đặt trong một cốc nước và vì sao hồ bơi trông cạn hơn độ sâu thật sự của nó). Vì lí do này nên một hạt có thể chuyển động qua một môi trường như vậy ở một tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường đó. Khi các electron chuyển động trong nước nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong nước, chúng phát ra một ánh sáng màu xanh đẹp mắt gọi là bức xạ Cerenkov. Đây là cái tương đương ánh sáng của tiếng nổ khi một máy bay phản lực phá vỡ hàng rào âm thanh.

Cuối cùng, có một số trường hợp trong đó có vẻ như hàng rào tốc độ ánh sáng bị phá vỡ nhưng khi khảo sát kĩ thì không phải như vậy. Nổi tiếng nhất trong số này là cái gọi là nghịch lí đèn pha. Trong Chương 2 chúng ta đã gặp những sao neutron đang quay nhanh gọi là pulsar. Một số sao trong số này có thể quay hơn một trăm vòng mỗi giây. Khi chúng quay tròn, chúng phát ra một chùm sóng vô tuyến cường độ mạnh quét qua Trái đất giống như một ngọn đèn pha có cùng tần số với pulsar đang quay. Nhưng vì các pulsar ở quá xa (thường là hàng nghìn năm ánh sáng), nên đốm sáng mà chùm tia này chiếu lên Trái đất phải quét qua một vòng tròn khổng lồ đến mức nó phải chuyển động nhanh gấp hàng nghìn tỉ lần tốc độ ánh sáng! Tuy nhiên, khi xét kĩ chúng ta thấy không phải như vậy. Sóng vô tuyến từ pulsar đến là ở dạng các photon (vì chúng là bức xạ điện từ) và những photon này là cái được phát ra từ pulsar và chúng luôn truyền đi ở tốc độ ánh sáng. Sự nhập nhằng phát sinh là do chúng ta nghĩ có cái gì đó chạy vòng theo một vòng tròn, nhưng tất cả các photon đang truyền xuyên tâm ra phía ngoài. Thật ra không có đối tượng vật chất nào chuyển động trong cái vòng tròn lớn này hết. Bạn hãy nghĩ các photon đó giống như nước phun ra từ một cái vòi tưới vườn.