Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 17)

Chương 6

CÓ THỂ DU HÀNH THỜI GIAN KHÔNG?

Trong khoa học viễn tưởng, không gian và thời gian bẻ cong là chuyện thường tình. Chúng được sử dụng cho các chuyến đi tốc hành vòng quanh thiên hà hay đi xuyên thời gian. Song chuyện hư cấu khoa học của ngày hôm nay thường là sự thật khoa học của ngày mai. Vậy thì xác suất để du hành thời gian là bao nhiêu?

Ý tưởng rằng không gian và thời gian có thể bẻ cong hoặc cuộn lại mới xuất hiện trong thời gian gần đây. Trong hơn 2.000 năm, các tiên đề của hình học Euclid được xem là hiển nhiên. Như những ai trong số các bạn từng phải học hình học ở nhà trường có lẽ còn nhớ, một trong những hệ quả của các tiên đề này là các góc của một tam giác cộng lại bằng 180 độ.

Tuy nhiên, trong thế kỉ vừa qua, người ta bắt đầu nhận ra rằng có thể có những dạng hình học khác trong đó các góc của một tam giác cộng lại không nhất thiết bằng 180 độ. Chẳng hạn, xét bề mặt của Trái Đất. Thứ gần nhất với một đường thẳng trên bề mặt Trái Đất là cái chúng ta gọi là một vòng tròn lớn. Đây là các đường đi ngắn nhất giữa hai điểm nên chúng là lộ trình mà các máy bay sử dụng. Bây giờ xét tam giác trên mặt đất làm bởi đường xích đạo, đường kinh độ 0 đi qua London và đường kinh độ 90 độ đông đi qua Bangladesh. Hai đường kinh độ gặp đường xích đạo với một góc vuông, hay 90 độ. Hai đường kinh độ cũng gặp nhau tại Cực Bắc ở một góc vuông, hay 90 độ. Như vậy người ta có một tam giác với ba góc vuông. Các góc của tam giác này cộng lại bằng 270 độ, rõ ràng lớn hơn 180 độ đối với một tam giác trên mặt phẳng. Nếu người ta vẽ một tam giác trên một mặt hình yên ngựa, thì người ta sẽ thấy các góc cộng lại nhỏ hơn 180 độ.

Bề mặt Trái Đất là cái gọi là một mặt phẳng hai chiều. Nghĩa là, bạn có thể di chuyển trên bề mặt Trái Đất theo hai chiều vuông góc với nhau: bạn có thể di chuyển bắc-nam hoặc đông-tây. Nhưng tất nhiên có một chiều thứ ba vuông góc với hai chiều này và đó là chiều lên-xuống. Nói cách khác, bề mặt Trái Đất tồn tại trong không gian ba chiều. Không gian ba chiều ấy là phẳng. Tức là nói nó tuân theo hình học Euclid. Các góc của một tam giác cộng lại bằng 180 độ. Tuy nhiên, người ta có thể hình dung một chủng sinh vật hai chiều có thể di chuyển trên bề mặt Trái Đất nhưng không thể trải nghiệm chiều thứ ba hướng lên hoặc xuống. Chúng sẽ không biết về không gian ba chiều phẳng trong đó bề mặt Trái Đất cư trú. Đối với chúng không gian sẽ uốn cong và hình học sẽ là phi Euclid.

Thế nhưng y hệt như người ta có thể nghĩ về những sinh vật hai chiều sinh sống trên bề mặt Trái Đất, người ta có thể tưởng tượng rằng không gian ba chiều trong đó chúng ta cư trú là bề mặt của một quả cầu trong một chiều khác mà chúng ta không nhìn thấy. Nếu quả cầu ấy rất lớn thì không gian sẽ gần như phẳng và hình học Euclid sẽ là một gần đúng rất tốt trên những khoảng cách nhỏ. Nhưng chúng ta sẽ để ý thấy rằng hình học Euclid sụp đổ trên những khoảng cách lớn. Một minh họa cho hình ảnh tưởng tượng này là một đội thợ sơn đang sơn bề mặt của một quả cầu lớn.

Khi bề dày của lớp sơn tăng lên, diện tích bề mặt sẽ tăng lên. Nếu quả cầu đó ở trong một không gian ba chiều phẳng thì người ta có thể tiếp tục sơn hoài hoài và quả cầu sẽ to càng thêm to. Tuy nhiên, nếu không gian ba chiều ấy thật ra là bề mặt của một quả cầu trong một chiều khác, thì thể tích của nó sẽ lớn nhưng hữu hạn. Khi người ta thêm nhiều lớp sơn nữa thì cuối cùng quả cầu sẽ choán đầy một nửa không gian. Sau đó, các thợ sơn sẽ nhận thấy họ bị kẹt lại trong một vùng có kích cỡ nhỏ dần, và hầu như toàn bộ không gian sẽ bị chiếm giữ bởi quả cầu và các lớp sơn của nó. Vì thế họ sẽ biết được rằng họ đang cư trú trong một không gian cong chứ không phải không gian phẳng.

Ví dụ này cho thấy người ta không thể suy luận ra hình học về thế giới từ những nguyên lí đầu tiên như những người Hi Lạp cổ đại từng nghĩ. Thay vậy, người ta phải đo đạc không gian mà chúng ta cư trú trong đó và tìm kiếm hình học của nó bằng thí nghiệm. Tuy nhiên, mặc dù một cách mô tả không gian cong đã được phát triển bởi người Đức Bernhard Riemann vào năm 1854, nhưng trong sáu mươi năm trời nó vẫn chỉ là một thủ thuật toán học. Người ta có thể mô tả các không gian cong trong trừu tượng, song dường như chẳng có lí do gì để không gian vật lí mà chúng ta cư trú trong đó phải là cong. Lí do này chỉ xuất hiện vào năm 1915 khi Einstein thiết lập thuyết tương đối rộng của ông.

Thuyết tương đối rộng là một cuộc cách mạng nhận thức chính yếu đã làm biến chuyển cách chúng ta nghĩ về vũ trụ. Nó là một lí thuyết không chỉ về không gian cong mà còn về thời gian cong hay thời gian cuộn lại nữa. Einstein đã nhận ra vào năm 1905 rằng không gian và thời gian vốn kết nối với nhau, đó là khi thuyết tương đối hẹp của ông ra đời, liên hệ không gian và thời gian với nhau. Người ta có thể mô tả tọa độ của một sự kiện bằng bốn con số. Ba con số mô tả vị trí của sự kiện. Chúng có thể là bao nhiêu dặm về phía đông bắc của Rạp xiếc Oxford và cao bao nhiêu trên mực nước biển. Ở quy mô lớn hơn, chúng có thể là vĩ độ và kinh độ thiên hà và khoảng cách đến tâm thiên hà.

Con số thứ tư là thời điểm của sự kiện. Như vậy người ta có thể nghĩ về không gian và thời gian chung với nhau như một thực thể bốn chiều gọi là không-thời gian. Mỗi điểm của không-thời gian được gắn nhãn bởi bốn con số chỉ rõ vị trí của nó trong không gian và trong thời gian. Kết hợp không gian và thời gian thành không-thời gian bằng cách này sẽ khá tầm thường nếu người ta có thể gỡ chúng ra theo một cách duy nhất. Thế tức là nói có một cách duy nhất xác định thời điểm và vị trí của mỗi sự kiện. Tuy nhiên, trong một bài báo nổi bật vào năm 1905 khi ông còn là một viên thư kí tại sở cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ, Einstein đã chỉ ra rằng thời điểm và vị trí tại đó người ta nghĩ một sự kiện xảy ra phụ thuộc vào cách người đó đang chuyển động. Điều này có nghĩa là không gian và thời gian gắn kết với nhau không thể tách rời.

Các thời điểm mà các nhà quan sát khác nhau gán cho các sự kiện sẽ ăn khớp với nhau nếu các nhà quan sát đó không chuyển động tương đối so với nhau. Nhưng họ sẽ càng bất đồng với nhau nếu tốc độ tương đối của họ càng lớn. Vì thế người ta có thể đặt câu hỏi rằng liệu một người phải chuyển động bao nhanh để thời điểm do nhà quan sát này nhìn thấy nằm lùi ra sau thời điểm do nhà quan sát kia nhìn thấy. Lời đáp có trong bài thơ hài sau đây:

Có cô gái trẻ tên Wight
Đi nhanh hơn cả ánh sáng ban ngày
Cô khởi hành vào một ngày nọ
Trên con đường tương đối nhọ
Và đến nơi vào đêm hôm trước.

Vì thế, toàn bộ những gì chúng ta cần để du hành thời gian là một phi thuyền vũ trụ sẽ chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Thật không may, trong chính bài báo đó Einstein chỉ ra rằng công suất tên lửa để gia tốc phi thuyền vũ trụ sẽ trở nên lớn hơn và lớn hơn nữa khi nó tiến gần đến tốc độ ánh sáng hơn. Vì thế sẽ cần một lượng công suất vô hạn để gia tốc vượt quá tốc độ ánh sáng.

Bài báo năm 1905 của Einstein có vẻ loại trừ khả năng du hành thời gian về quá khứ. Nó cũng chỉ ra rằng việc du hành không gian đến các vì sao khác sẽ là một công việc rất chậm chạp và nhàm chán. Nếu người ta không thể đi nhanh hơn ánh sáng, thì chuyến đi khứ hồi từ chúng ta đến ngôi sao gần nhất sẽ tốn ít nhất tám năm và đến tâm thiên hà là khoảng 50.000 năm. Nếu phi thuyền vũ trụ chuyển động rất gần tốc độ ánh sáng, thì dường như đối với những người trên phi thuyền chuyến đi đến tâm thiên hà chỉ tốn khoảng vài năm. Nhưng điều đó chẳng an ủi bao nhiêu nếu mọi người bạn quen biết đều đã chết hết và đã bị lãng quên từ hàng nghìn năm trước khi bạn quay về. Kịch bản đó cũng chẳng hay cho các nhà văn viết tiểu thuyết khoa học giả tưởng, thành ra các nhà văn phải tìm cách giải quyết khó khăn này.

Vào năm 1915, Einstein chỉ ra rằng các hiệu ứng của lực hấp dẫn có thể được mô tả bằng cách giả sử rằng không-thời gian bị bẻ cong hay bị biến dạng bởi vật chất và năng lượng ở trong nó, và lí thuyết này được gọi là thuyết tương đối rộng. Chúng ta thật sự có thể quan sát sự bẻ cong này của không-thời gian do khối lượng của Mặt Trời gây ra trong sự uốn cong chút ít của ánh sáng hoặc sóng vô tuyến đi qua gần Mặt Trời.

Điều này làm cho vị trí biểu kiến của ngôi sao hay nguồn vô tuyến xê dịch chút ít khi Mặt Trời nằm giữa Trái Đất và nguồn đó. Sự xê dịch này rất nhỏ, khoảng một phần nghìn của một độ, tương đương với chuyển động của một inch ở cự li một dặm. Tuy nhiên, nó có thể được đo với độ chuẩn xác tốt và nó phù hợp với các dự đoán của thuyết tương đối rộng. Chúng ta có bằng chứng thực nghiệm rằng không gian và thời gian bị bẻ cong.

Lượng bẻ cong trong vùng láng giềng của chúng ta là rất nhỏ bởi vì tất cả các trường hấp dẫn trong hệ mặt trời là yếu. Tuy nhiên, chúng ta biết rằng các trường rất mạnh có thể xuất hiện, ví dụ trong Big Bang hay trong các lỗ đen. Thế liệu không gian và thời gian có bị bẻ cong đủ mức để đáp ứng yêu cầu từ khoa học giả tưởng cho các thứ như động cơ siêu không gian, lỗ sâu đục hay du hành thời gian? Thoạt nhìn thì dường như tất cả những điều này đều có thể. Ví dụ, vào năm 1948, Kurt Gödel đã tìm ra một nghiệm cho các phương trình trường Einstein của thuyết tương đối rộng biểu diễn một vũ trụ trong đó toàn bộ vật chất đang quay tròn. Trong vũ trụ này, bạn có thể bay đi trong một phi thuyền vũ trụ rồi trở về trước khi bạn khởi hành. Gödel khi ấy làm việc tại Viện Nghiên cứu Cao Cấp ở Princeton, nơi Einstein cũng ở trong những năm cuối đời. Ông còn nổi tiếng hơn với việc chứng minh rằng bạn không thể chứng minh mọi thứ là đúng, dù là trong một lĩnh vực rõ là đơn giản như số học. Thế nhưng cái ông chứng minh về thuyết tương đối rộng cho phép du hành thời gian thật sự khiến Einstein không vui, bởi Einstein nghĩ rằng đó là không thể.

Ngày nay chúng ta biết rằng nghiệm của Gödel không thể biểu diễn vũ trụ trong đó chúng ta cư trú bởi vì nó không giãn nở. Nó cũng có giá trị khá lớn đối với một đại lượng gọi là hằng số vũ trụ học thường được cho là rất nhỏ. Tuy nhiên, các nghiệm khác rõ ràng hợp lí hơn cho phép du hành thời gian đã được tìm ra sau đó. Một nghiệm đặc biệt thú vị đến từ một cách tiếp cận gọi là lí thuyết dây chứa hai dây vũ trụ chuyển động qua nhau ở một tốc độ rất gần nhưng hơi nhỏ hơn tốc độ ánh sáng. Dây vũ trụ là một ý tưởng sáng giá của vật lí lí thuyết mà các nhà văn khoa học giả tưởng thật sự chưa bắt kịp. Như tên gọi của chúng cho thấy, chúng giống dây ở chỗ chúng có độ dài song có một tiết diện tí hon. Thật ra thì chúng giống các dải băng cao su hơn, vì chúng chịu được sức căng vô cùng lớn, đại loại chừng một trăm tỉ tỉ tỉ tấn. Một dây vũ trụ gắn với Mặt Trời sẽ gia tốc từ con số không lên sáu mươi trong một phần ba mươi của một giây.

Các dây vũ trụ nghe có vẻ xa vời và thuần túy khoa học giả tưởng, song có những lí do khoa học hợp lí để tin rằng chúng có thể đã hình thành trong vũ trụ rất xa xưa không bao lâu sau Big Bang. Vì chúng chịu được sức căng lớn như thế nên người ta kì vọng chúng gia tốc đến gần bằng tốc độ ánh sáng.

Vũ trụ Gödel và không-thời gian dây vũ trụ chuyển động nhanh có điểm chung là chúng xuất hiện làm biến dạng và bẻ cong không-thời gian đến mức cuộn lại trên chính nó và du hành vào quá khứ luôn luôn là có thể. Có lẽ Chúa đã tạo ra một vũ trụ bẻ cong như thế, nhưng chúng ta chẳng có lí do gì để nghĩ rằng ngài đã làm. Toàn bộ bằng chứng là vũ trụ đã hiện ra trong Vụ Nổ Lớn mà không có kiểu bẻ cong cần thiết để cho phép du hành về quá khứ. Vì thế chúng ta không thể làm thay đổi cách vũ trụ ra đời, câu hỏi du hành thời gian là có thể hay không là câu hỏi liệu chúng ta có thể làm cho không-thời gian bẻ cong đến mức người ta có thể đi về quá khứ hay không. Tôi nghĩ đây là một đề tài quan trọng để nghiên cứu, song người ta phải thận trọng kẻo không sẽ bị cho là lập dị. Nếu một ai đó đệ đơn xin làm nghiên cứu về du hành thời gian, nó sẽ bị bác bỏ ngay tức thì. Không cơ quan chính phủ nào chịu trợ cấp công quỹ cho thứ gì đó lãng phí như du hành thời gian cả. Thay vậy, người ta phải sử dụng các thuật ngữ chuyên môn như các đường cong kín giống-thời gian, đó là mã khóa cho du hành thời gian. Thế nhưng nó là một câu hỏi rất nghiêm túc. Vì thuyết tương đối rộng có thể cho phép du hành thời gian, vậy nó có cho phép du hành thời gian trong vũ trụ của chúng ta hay không? Và nếu không, thì tại sao không?