Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 68)

Chương 9

Làm thế nào chế tạo một cỗ máy thời gian

Công thức cho món rồng luộc xả: Trước tiên, hãy tìm một con rồng...

Matt Visser, Lỗ sâu đục Lorentz

Cho đến đây, cuối cùng bạn đã ở vào tình trạng cần đánh giá đúng cơ sở vật lí cần thiết để xây dựng một cỗ máy thời gian. Tôi đã trình bày hai lí thuyết tương đối của Einstein, cả thuyết tương đối đặc biệt trong đó không gian và thời gian hợp nhất thành không thời gian bốn chiều, và thuyết tương đối tổng quát trong đó không thời gian bị uốn cong và bị xoắn lại trong sự có mặt của vật chất và năng lượng. Cả hai lí thuyết đều cần thiết trong chương này. Tôi đã trình bày bản chất của thời gian và khảo sát những loại vấn đề chúng ta phải khắc phục nếu chúng ta khăng khăng vào khả năng du hành thời gian về quá khứ. Giờ là lúc thưởng phạt rồi.

Tôi sẽ tạm gác qua một bên mọi sự phản đối (khá hợp lí) trước sự du hành thời gian trong lúc này và chọn lấy quan điểm thực dụng, và lạc quan cao độ, rằng miễn là sự du hành thời gian không bị cấm bởi các định luật vật lí như chúng ta biết chúng ngày nay thì ta có một tia hi vọng. Tôi sẽ trình bày làm thế nào chúng ta có thể tiến tới xây dựng cỗ máy thời gian đơn giản nhất có thể có. Đây không phải là tôi đang leo qua hàng rào du hành thời gian, mà là tôi đang bò một cách nguy hiểm ở một phía hàng rào (hiện nay).

Những vòng lặp thời gian

Tôi có đọc một bài báo đăng trên một tờ báo ngày chủ nhật mới đây với tiêu đề “Rốt cuộc Albert Einstein có sai không?”. “Ồ không”, tôi nghĩ, “thêm một quan điểm khùng điên nữa muốn bác bỏ thuyết tương đối đặc biệt đây”. Đối với tôi, việc đọc thấy thuyết tương đối đặc biệt bị chứng minh là sai giống như là đọc thấy người ta phát hiện rốt cuộc Trái đất của chúng ta là phẳng vậy. Cả hai kết luận đó khá ngớ ngẩn trước những thứ mà chúng ta biết. Nhưng chính thuyết tương đối tổng quát đang được thảo luận trong bài báo đó vàvẫn đứng vững, còn lâu mới bị đe dọa. Chỉ có cái tiêu đề khiến người ta hiểu lầm mà thôi.

Nhiều nhà vật lí xem thuyết tương đối tổng quát là lí thuyết khoa học đẹp nhất từng được khám phá. Cái đẹp của nó nằm ở tính đơn giản, tính tao nhã và tính phong phú của những phương trình toán học của nó. Tôi thừa nhận rằng chỉ một phần nhỏ dân số có thể đánh giá đúng cái đẹp này vì họ đã trải qua nhiều năm đào tạo. Đối với đa số mọi người, đó chỉ là một chùm những kí tự Hi Lạp. Nhưng rồi tôi không bao giờ có thể thưởng thức hoặc hiểu nổi xu hướng lập thể là một dạng nghệ thuật. Dẫu sao, trước sự hài lòng của các nhà vật lí lí thuyết, thuyết tương đối tổng quát đã được xác nhận thực nghiệm hết lần này tới lần khác. Tuy nhiên, trong hầu như mọi trường hợp này, nó chỉ ở trong cái gọi là “giới hạn trường yếu” (tức là lực hấp dẫn yếu). Nó chưa thật sự chứng minh nhuệ khí trong những tình huống trong đó nó tách rời khỏi sự hấp dẫn theo kiểu Newton.

Bài báo tôi vừa nói mô tả một loại thí nghiệm mới, theo lường trước, sẽ xác nhận một tiên đoán khác nữa của thuyết tương đối tổng quát gọi là sóng hấp dẫn. Đoạn thứ nhất trong bài báo thật ra phát biểu rằng nếu những sóng hấp dẫn như thế không được tìm thấy thì thuyết tương đối tổng quát sẽ gặp phiền phức. Tuy nhiên, niềm tin của các nhà vật lí vào lí thuyết ấy mạnh đến mức những người đang nghiên cứu những thí nghiệm mới này hoàn toàn trông đợi sớm tìm thấy cái họ đang tìm. Thật không may, một dòng tít tuyên bố: “Bằng chứng thực nghiệm nữa chứng minh Einstein đúng vẫn chưa có” đáng lí không nên đưa lên mặt báo.

Sóng hấp dẫn là những nhiễu loạn, hay những gợn lăn lăn, trong cấu trúc của không gian gây ra bởi sự chuyển động của một vật thể khối lượng lớn. Hãy nghĩ tới mô hình tấm bạt lò xo của không gian. Khi bạn đứng ở chính giữa thì sức nặng của bạn tạo ra một vết lõm trên tấm bạt. Đây là cái nhìn đơn giản của cách thức khối lượng ảnh hưởng đến không gian xung quanh nó. Nếu sau đó bạn nhảy lên nhún xuống thì bạn sẽ làm cho tấm bạt dao động và, biết rằng nó có một diện tích rất lớn, những dao động này sẽ truyền tỏa ra bên ngoài giống như những gợn sóng tỏa ra trên bề mặt hồ nước khi ném một hòn đá xuống. Tương tự như vậy, sự chuyển động của những vật thể khối lượng lớn, ví dụ như sự co lại của một ngôi sao đồ sộ thành một lỗ đen, sẽ gửi đi những gợn sóng không phải qua không gian mà là của không gian sẽ ảnh hưởng đến bất kì vật thể nào khác trên đường đi của chúng.

Tất nhiên, sóng hấp dẫn chẳng có liên can gì tới cỗ máy thời gian hết. Tôi nhắc tới chúng làm một ví dụ của một tiên đoán đầy tham vọng của thuyết tương đối tổng quát chưa được xác nhận trên thực nghiệm. Tuy nhiên, thuyết tương đối tổng quát phong phú đến mức nó còn cho phép (tất nhiên trên lí thuyết) tồn tại những hình dạng không thời gian khác, kì lạ hơn nữa, mà chúng ta hầu như không chắc cho lắm. Một trong những hình dạng này, và thích hợp với chương này, được gọi là đường cong kiểu thời gian kín. Đây là một quỹ đạo, hay lộ trình, tròn qua không thời gian uốn cong trong đó bản thân thời gian bị bẻ cong thành một vòng tròn. Nếu bạn đi theo một đường đi như vậy thì đối với bạn có vẻ bạn đang đi qua một không gian bình thường. Nếu bạn kiểm tra đồng hồ của mình tại bất kì thời điểm nào trong hành trình vòng tròn này, bạn sẽ thấy nó chạy về phía trước như bình thường. Tuy nhiên, sau một thời gian nào đó đã trôi qua với bạn, cuối cùng bạn sẽ đi tới lại địa điểm cũ và thời điểm bạn bắt đầu đi theo một đồng hồ còn đặt ở đó. Một đường đi như thế sẽ đòi hỏi bạn đi về quá khứ trong phần hành trình của bạn. Tất nhiên, nếu bạn đi ngược thời gian thì bạn cũng có thể đi trở lại nơi bạn đã bắt đầu trước khi bạn rời đi, nếu không bạn sẽ chẳng thu được chút gì từ chuyến đi đó. Bất kì sự cong thêm nào nữa của không thời gian sẽ gây ra vòng lặp thời gian đưa bạn trở về quá khứ.

Như vậy, “đường cong kiểu thời gian kín” là tiếng lóng cho “cỗ máy thời gian”. Ở đây, tôi sẽ gọi chúng đơn giản là “vòng lặp thời gian”. Lâu nay người ta biết rằng thuyết tương đối tổng quát cho phép sự tồn tại của những vòng lặp thời gian, nhưng hễ khi một vòng lặp xuất hiện trong cơ sở tính toán thì thường người ta cho rằng giả thuyết ban đầu đưa vào các phương trình là không hợp lí. Các nhà vật lí thật là ngộ ghê. Thật không may, quan điểm này đã được lí giải và có nhiều ví dụ khác minh họa tại sao. Lấy ví dụ đơn giản sau đây. Nếu ai đó bảo với bạn rằng một hình vuông có diện tích 9 mét vuông thì bạn suy luận ra nó có chiều dài mỗi cạnh là 3 mét, vì diện tích của hình vuông có từ dạng 3 x 3. Tuy nhiên, - 3 x -3 cũng cho giá trị 9 (hãy nhớ rằng một số âm nhân một số âm cho kết quả dương). Nhưng chúng ta sẽ không bao giờ nói tới cạnh của một hình vuông có chiều dài – 3 mét và vì thế chúng ta bỏ qua lựa chọn này vì nó vô nghĩa. Các phương trình toán học mô tả thế giới thực thường mang lại, cùng với đáp số đúng, những đáp số vô nghĩa hoặc không có ý nghĩa vật lí, những đáp số đó sẽ bị bỏ qua. Đối với phần đông các nhà vật lí học nghiên cứu thuyết tương đối tổng quát, vòng lặp thời gian rơi vào loại này. Chúng bị xem là không có ý nghĩa vật lí do những vướng mắc đi cùng với sự du hành thời gian về quá khứ.

Tuy nhiên, trong những năm gần đây, một số nhà vật lí đã miễn cưỡng hơn khi gạt bỏ vòng lặp thời gian thật nhanh và chúng đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn. Như chúng ta sẽ thấy, đây một phần là nhờ tác phẩm của Kip Thorne về những lỗ sâu đục. Tuy nhiên, bất chấp sự thoải mái mà những vòng lặp thời gian có thể sinh ra là nghiệm của các phương trình Einstein, các nhà vật lí vẫn chưa chắc chắn chúng có thật sự tồn tại trong Vũ trụ của chúng ta hay không.

Nghiệm thứ nhất của các phương trình trường của thuyết tương đối tổng quát Einstein mô tả một không thời gian chứa hai vòng lặp thời gian do W J van Stockum nêu ra vào năm 1937. Tuy nhiên, mối liên hệ giữa nghiệm toán học kì lạ này và khả năng sử dụng nó mô tả sự du hành thời gian đã không được đánh giá đúng mãi cho đến muộn về sau này. Nghiệm von Stockhum đòi hỏi một hình trụ dài vô hạn của một chất liệu rất đậm đặc đang quay nhanh trong không gian trống rỗng; chứ không phải thuộc loại bạn có khả năng đi qua tình cờ trừ khi bạn ở trên con tàu Starship Enterprise. Thuyết tương đối tổng quát dự đoán rằng vùng không thời gian bao xung quanh hình trụ sẽ bị xoắn xung quanh nó và có thể chứa một vòng lặp thời gian. Nhưng hình trụ vô hạn ấy bị gạt bỏ là có thể hiểu được vì nó quá không hợp lí để xem xét nghiêm túc. Ngoài ra, toán học dự đoán rằng ngay cả không thời gian ở rất xa hình trụ đó cũng có những tính chất kì lạ, chứng tỏ rằng một hình trụ vật chất như thế không thể tồn tại trong Vũ trụ của chúng ta hoặc chúng ta sẽ có thể nhìn thấy những hiệu ứng cục bộ của nó cho dù nó nằm ở phía bên kia của Vũ trụ.

Những vòng lặp thời gian thật sự gây chú ý khoa học với tác phẩm của Kurt Godel vào năm 1949. Trong một bài báo kinh điển, ông mô tả toán học một vũ trụ trừu tượng sẽ chứa những vòng lặp thời gian. Tuy nhiên, vũ trụ của Godel khác với vũ trụ mà chúng ta sinh sống ở cách nó duy trì sự ổn định của nó trước lực hút hấp dẫn hướng vào trong của vật chất của nó. Thay vì giãn nở, như vũ trụ của chúng ta, vũ trụ của ông đang quay tròn. Nếu một nhà du hành không gian trong một vũ trụ như thế đi theo một quỹ đạo tròn đủ lớn thì cô ta sẽ trở lại điểm xuất phát của mình trước khi rời đi. Du hành thời gian đấy!

Mặc dù Einstein, làm việc chung một cơ sở tại Viện nghiên cứu Cao cấp Princeton như Godel, ban đầu bị kết quả này làm cho bối rối, nhưng ông (và đa số những nhà vật lí khác) sớm gạt bỏ kết quả trên vì một chút liên hệ với Vũ trụ thực tế mà chúng ta biết là không đang quay tròn. Ngay cả bản thân Godel cũng bỏ qua khả năng du hành thời gian vì không thể thu được nó trong thực tế, không phải vì mô hình vũ trụ của ông không giống với vũ trụ thực, mà vì những tốc độ không thực tế cần thiết phải có và khoảng cách mà một tên lửa phải đi để hoàn tất một vòng lặp thời gian trong một vũ trụ như thế. Tuy nhiên, thực tế còn lại là Godel đã đi tới một kịch bản (dẫu là một kịch bản không thực tế) trong đó không có định luật vật lí nào bị vi phạm và nó hoàn toàn phù hợp với thuyết tương đối tổng quát, nhưng nó chứa những vòng lặp thời gian với tất cả những nghịch lí du hành thời gian mà chúng gợi lên. Đa số các nhà vật lí tin rằng, và vẫn thật sự tin rằng, những kẽ hở trong vật lí học cho phép loại nghiệm này tồn tại cuối cùng sẽ được lấp kín qua sự hiểu biết tốt hơn. Cho đến khi đó, vũ trụ của Godel bị xếp xó thành một sự hiếu kì toán học mà thôi.