Du hành thời gian: Lí thuyết, nghịch lí và triển vọng

Du hành thời gian – di chuyển giữa những điểm khác nhau trong thời gian – là một đề tài phổ biến cho truyện khoa học viễn tưởng trong hàng thập niên qua. Từ "Doctor Who" đến "Star Trek" đến "Back to the Future", con người chế tạo ra một loại phương tiện nào đó và đi tới quá khứ hoặc tương lai, sẵn sàng cho những chuyến phiêu lưu mới.

Tuy nhiên, trên thực tế thì câu chuyện phức tạp hơn. Không phải nhà khoa học nào cũng tin rằng du hành thời gian là có thể. Một số người thậm chí còn nói du hành thời gian sẽ gây tai ương cho bất kì ai chọn cho mình con đường ấy.

Du hành thời gian trên lí thuyết là có thể, nhưng nó nằm ngoài trình độ công nghệ của chúng ta hiện nay.

Tìm hiểu thời gian

Thời gian là gì? Trong khi đa số mọi người nghĩ thời gian là một thứ đều đều, thì nhà vật lí Albert Einstein chứng minh rằng thời gian là một ảo giác; nó là tương đối – nó có thể khác nhau đối với những người quan sát khác nhau tùy thuộc vào tốc độ của bạn trong không gian. Đối với Einstein, thời gian là “chiều thứ tư”. Không gian được mô tả là miền ba chiều, nó cung cấp cho nhà du hành các tọa độ - như chiều dài, chiều rộng và chiều cao – thể hiện vị trí. Thời gian cung cấp một tọa độ nữa – hay một chiều nữa – mặc dù thường thì nó chỉ trôi về phía trước. (Ngược lại, một lí thuyết mới cho rằng thời gian là “có thật”.)

Thuyết tương đối hẹp Einstein phát biểu rằng thời gian trôi nhanh hay chậm tùy thuộc vào bạn chuyển động tương đối bao nhanh so với vật khác. Tiến gần đến tốc độ ánh sáng, thì một người bên trong một phi thuyền vũ trụ sẽ già đi chậm hơn nhiều so với người anh em song sinh còn ở nhà. Và, theo thuyết tương đối rộng Einstein, lực hấp dẫn có thể là bẻ cong thời gian.

Hãy hình dung một cấu trúc bốn chiều gọi là không-thời gian. Khi một cái gì đó có khối lượng nằm trong cấu trúc đó, nó gây ra một chỗ lõm hay một sự bẻ cong của không-thời gian. Sự bẻ cong của không-thời gian làm cho các vật chuyển động theo quỹ đạo cong và sự cong của không gian là cái chúng ta gọi là lực hấp dẫn.

Cả lí thuyết tương đối rộng và hẹp đều đã được chứng minh với công nghệ vệ tinh GPS với những cái đồng hồ rất chính xác gắn trên vệ tinh. Các hiệu ứng của lực hấp dẫn, cũng như tốc độ tăng lên của vệ tinh phía trên Trái đất so với nhà quan sát trên mặt đất, làm cho các đồng hồ chưa điều chỉnh thu thêm 38 giây mỗi ngày.

Hiệu ứng này được gọi là thời gian giãn nở, nghĩa là nhà du hành vũ trụ là nhà du hành thời gian, khi họ trở lại Trái đất họ trẻ hơn chút ít, chút ít thôi, so với người anh em song sinh của họ vẫn ở lại trên hành tinh.

Xuyên qua lỗ sâu đục

Thuyết tương đối rộng còn cung cấp những kịch bản có thể cho phép nhà du hành đi ngược thời gian, theo NASA. Tuy nhiên, các phương trình có thể khó thu được trên phương diện vật chất.

Một khả năng có thể là đi nhanh hơn ánh sáng, biết tốc độ ánh sáng trong chân không là 299.792 km/s. Tuy nhiên, các phương trình Einstein cho thấy một vật chuyển động với tốc độ ánh sáng sẽ có khối lượng vô hạn và chiều dài zero. Điều này có vẻ phi lí, mặc dù một số nhà khoa học đã mở rộng các phương trình của ông và nói rằng nhanh hơn ánh sáng là có thể.

Một khả năng nữa, theo NASA, sẽ là tạo ra những “lỗ sâu đục” nối giữa các điểm trong không-thời gian. Trong khi các phương trình Einstein hậu thuẫn cho chúng, nhưng chúng sẽ co lại rất nhanh và sẽ chỉ thích hợp cho những hạt rất nhỏ. Ngoài ra, cho đến nay các nhà khoa học chưa thật sự quan sát thấy những lỗ sâu đục này. Và công nghệ cần thiết để tạo ra lỗ sâu đục là nằm ngoài mọi tầm với của chúng ta ngày nay.

Những lí thuyết khác

Trong khi các lí thuyết của Einstein cho thấy sự du hành thời gian là khó khăn, thì một số nhóm nghiên cứu đã đề xuất những giải pháp khác để nhảy tới nhảy lui trong thời gian.

Ống trụ vô hạn

Nhà thiên văn học Frank Tipler đã đề xuất một cơ chế (thỉnh thoảng được gọi là Ống trụ Tipler) trong đó người ta sẽ lấy vật chất gấp 10 lần khối lượng mặt trời, sau đó cuộn nó lại thành một ống trụ rất dài nhưng rất đặc.

Sau khi quay ống trụ này vài tỉ vòng mỗi phút, một phi thuyền vũ trụ ở gần đó – chuyển động theo một xoắn ốc rất chính xác xung quanh ống trụ này – có thể tự đưa nó vào “một đường cong kín, kiểu thời gian”, theo Viện Anderson. Tuy nhiên, có những hạn chế với phương pháp này, ví dụ như ống trụ đó cần dài vô hạn thì cơ chế này mới hoạt động.

Lỗ đen

Một khả năng nữa sẽ là lái một phi thuyền bay nhanh xung quanh một lỗ đen, hoặc người ta tự tạo ra điều kiện đó với một cấu trúc khổng lồ, đang quay tròn.

“Khi bay vòng vòng lỗ đen, các nhà du hành sẽ chỉ trải nghiệm một nửa thời gian mà những người ở xa lỗ đen đó trải nghiệm. Phi thuyền và phi hành đoàn này sẽ du hành xuyên thời gian,” nhà vật lí Stephen Hawking viết trên báo Daily Mail hồi năm 2010.

“Hãy tưởng tượng họ bay vòng quanh lỗ đen trong 5 năm của họ. Mười năm sẽ trôi qua ở nơi khác. Khi họ trở về nhà, mọi người trên Trái đất đều sẽ già hơn họ 5 tuổi.”

Tuy nhiên, theo Hawking, phi hành đoàn cần chuyển động khoảng bằng tốc độ ánh sáng mới được. Nhà vật lí Amos Iron tại Viện Công nghệ Technion-Israel ở Haifa, Israel, nêu ra một hạn chế nữa nếu người ta sử dụng một cỗ máy: nó có thể vỡ ra tan tành trước khi quay tròn nhanh như thế.

Dây vũ trụ

Một lí thuyết nữa cho phép du hành thời gian liên quan đến cái gọi là dây vũ trụ - những ống năng lượng hẹp vắt qua toàn bộ chiều dài của vũ trụ đang giãn nở. Những vùng mỏng manh này, còn sót lại từ thời vũ trụ sơ khai, được dự đoán là có chứa những lượng khối lượng khổng lồ và do đó có thể uốn cong không-thời gian xung quanh chúng.

Dây vũ trụ hoặc là vô hạn hoặc chúng khép thành vòng kín, không có đầu cuối, các nhà khoa học cho biết. Hai dây như thế song song và ở gần nhau sẽ làm bẻ cong không-thời gian dữ dội và trong một cấu trúc đặc biệt như thế thì sự du hành thời gian sẽ là có thể, trên lí thuyết.

Cỗ máy thời gian

Thông thường người ta hiểu rằng để đi xuôi ngược trong thời gian sẽ cần một dụng cụ - một cỗ máy thời gian – để đưa bạn tới nơi. Nghiên cứu cỗ máy thời gian thường là nghiên cứu sự bẻ cong không-thời gian sao cho các đường thời gian quay lại trên chính nó tạo thành một cái vòng, trên lí thuyết được gọi là “đường cong kín kiểu-thời gian”.

Để làm được như vậy, người ta thường nghĩ cỗ máy thời gian phải cần đến một dạng vật chất lạ có “mật độ năng lượng âm”. Vật chất lạ như thế có những tính chất kì lạ, ví dụ như chuyển động theo chiều ngược với vật chất bình thường khi bị đẩy. Vật chất như thế có thể tồn tại trên lí thuyết, nhưng nếu nó tồn tại, thì nó chỉ có thể xuất hiện với lượng quá nhỏ không đủ cho việc xây dựng cỗ máy thời gian.

Tuy nhiên, nghiên cứu du hành thời gian đề xuất rằng cỗ máy thời gian có thể hoạt động mà không cần vật chất lạ. Nghiên cứu bắt đầu với một cái lỗ hình xuyến bọc bên trong một quả cầu vật chất bình thường. Bên trong chân không hình xuyến này, không-thời gian có thể tự bẻ cong nó do trường hấp dẫn hội tụ tạo ra một đường cong kín kiểu-thời gian. Để đi ngược thời gian, nhà du hành sẽ chạy vòng bên trong hình xuyến đó, cứ mỗi vòng chạy sẽ đi lùi xa hơn vào quá khứ. Tuy nhiên, lí thuyết này có một số trở ngại. Trường hấp dẫn cần thiết để tạo ra một đường cong kín kiểu-thời gian như thế sẽ phải rất mạnh, và đòi hỏi phải thao tác thật chính xác.

Một cỗ máy thời gian trong phim ảnh

Nghịch lí ông cháu

Ngoài những vấn đề vật lí, du hành thời gian còn có thể làm xuất hiện một số tình huống khó hiểu. Một ví dụ kinh điển là nghịch lí ông cháu, theo đó một nhà du hành thời gian đi ngược thời gian và giết chết bố mẹ hoặc ông bà của anh ta – hướng tưởng tượng trong bộ phim "Terminator" – hoặc không thì làm cản trở mối quan hệ của họ - hãy nghĩ tới bộ phim "Back to the Future" – để anh ta không bao giờ ra đời hoặc cuộc sống của anh ta thay đổi mãi mãi.

Nếu như điều đó xảy ra, theo một số nhà vật lí cho biết, bạn sẽ không chào đời trong một vũ trụ song song nhưng vẫn chào đời trong một vũ trụ khác. Những người khác thì nói các photon tạo nên ánh sáng có thiên hướng tự-nhất quán trong dòng thời gian, chúng sẽ cản trở kế hoạch xấu xa của bạn.

Một số nhà khoa học không tán thành những lựa chọn trên và cho biết du hành thời gian là không thể cho dù bạn sử dụng phương pháp nào đi nữa. Phương pháp đi nhanh hơn ánh sáng đã bị nhà thiên văn vật lí Charles Lu ở Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên nước Mĩ chế giễu.

“Đơn giản về mặt toán học đấy, nhưng nó không hoạt động được,” Lu nói.

Ngoài ra, loài người có lẽ không trụ nổi với sự du hành thời gian. Chuyển động gần tốc độ ánh sáng sẽ cần đến máy li tâm, nhưng như thế sẽ gây chết người, theo lời giáo sư vật lí Jeff Tollaksen tại trường Đại học Chapman.

Sử dụng lực hấp dẫn cũng sẽ gây chết chóc. Để trải nghiệm thời gian giãn nở, người ta có thể đứng trên một sao neutron, nhưng lực tác dụng lên cơ thể sẽ xé toạc bạn ra trước đó rồi.

Vậy du hành thời gian là có thể hay không?

Trong khi du hành thời gian không vẻ gì là khả thi – ít nhất hiểu theo nghĩa con người có thể sống sót – thì với vật lí học mà chúng ta sử dụng ngày nay, lĩnh vực nghiên cứu ấy đang liên tục chuyển biến. Các tiến bộ trong lí thuyết lượng tử có lẽ có thể cung cấp một số kiến thức làm thế nào khắc phục các nghịch lí du hành thời gian.

Một khả năng, mặc dù nó không nhất thiết dẫn tới sự du hành thời gian, là đi tìm lời giải cho bí ẩn làm thế nào những hạt nhất định có thể trao đổi thông tin với nhau nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Trong khi chờ đợi, những người yêu thích du hành thời gian có thể trải nghiệm nó trên phim ảnh, sách vở và truyền hình.

Nguồn: Elizabeth Howell (Space.com)