Ngôi sao gần Trái đất nhất là Proxima Centauri. Nó cách chúng ta khoảng 4,25 năm ánh sáng, hay khoảng 25 nghìn tỷ dặm (40 nghìn tỷ km). Tàu vũ trụ nhanh nhất từ trước đến nay, Parker Solar Probe hiện đang trong không gian sẽ đạt tốc độ tối đa 450.000 dặm/giờ. Sẽ chỉ mất 20 giây để đi từ Los Angeles đến Thành phố New York với tốc độ đó, nhưng tàu thăm dò mặt trời sẽ mất khoảng 6.633 năm để đến được hệ mặt trời lân cận gần nhất của Trái đất.
Nếu nhân loại muốn đi lại dễ dàng giữa các vì sao, con người sẽ cần phải đi nhanh hơn ánh sáng. Nhưng cho đến nay, du hành nhanh hơn ánh sáng chỉ có thể có trong khoa học viễn tưởng. Trong loạt phim Issac Asimov’s Foundation, nhân loại có thể du hành từ hành tinh này sang hành tinh khác, ngôi sao này sang ngôi sao khác hoặc xuyên vũ trụ bằng cách sử dụng jump drive.
Một số nhân vật – như phi hành gia trong phim “Interstellar” và “Thor” – sử dụng lỗ sâu để di chuyển giữa các hệ mặt trời trong vài giây. Một cách tiếp cận khác – quen thuộc với những người hâm mộ “Star Trek” – là công nghệ truyền động warp drive. Về mặt lý thuyết, warp drive là có thể thực hiện được nếu vẫn còn là công nghệ xa vời. Hai bài báo gần đây đã gây chú ý vào tháng 3 khi các nhà nghiên cứu tuyên bố đã vượt qua một trong nhiều thách thức giữa lý thuyết về warp drive và thực tế.
Nhưng làm thế nào để truyền động warp drive theo lý thuyết này thực sự hoạt động? Và liệu con người có sớm đạt được tốc độ chóng mặt đó không?
Nén và mở rộng
Sự hiểu biết hiện tại của các nhà vật lý về không thời gian bắt nguồn từ lý thuyết Tương đối rộng của Albert Einstein. Thuyết tương đối rộng nói rằng không gian và thời gian được hợp nhất và không có gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Thuyết tương đối rộng cũng mô tả cách khối lượng và năng lượng làm cong không thời gian – các vật thể nặng như sao và lỗ đen làm cong không thời gian xung quanh chúng. Độ cong này là những gì bạn cảm thấy như trọng lực và tại sao nhiều anh hùng du hành vũ trụ lo lắng về việc “bị mắc kẹt” hoặc “rơi vào” giếng trọng lực. Các nhà văn khoa học viễn tưởng thời kỳ đầu John Campbell và Asimov coi sự cong này là một cách để vượt qua giới hạn tốc độ.
Điều gì sẽ xảy ra nếu một phi thuyền có thể nén không gian phía trước nó trong khi mở rộng không thời gian phía sau nó? “Star Trek” đã lấy ý tưởng này và đặt tên cho nó là warp drive.
Năm 1994, Miguel Alcubierre, một nhà vật lý lý thuyết người Mexico, đã chỉ ra rằng nén không thời gian ở phía trước tàu vũ trụ trong khi mở rộng nó về phía sau là khả thi về mặt toán học trong định luật Tương đối rộng. Vậy điều đó có ý nghĩa gì? Hãy tưởng tượng khoảng cách giữa hai điểm là 10 mét (33 feet). Nếu bạn đang đứng ở điểm A và có thể đi được một mét mỗi giây, thì sẽ mất 10 giây để đến điểm B. Tuy nhiên, giả sử bằng cách nào đó bạn có thể nén không gian giữa bạn và điểm B để khoảng cách bây giờ chỉ là một mét. . Sau đó, di chuyển trong không thời gian với tốc độ tối đa của bạn là một mét trên giây, bạn sẽ có thể đến điểm B trong khoảng một giây. Về lý thuyết, cách tiếp cận này không mâu thuẫn với định luật tương đối vì bạn không chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong không gian xung quanh bạn. Alcubierre đã chỉ ra rằng warp drive từ “Star Trek” trên thực tế là có thể xảy ra về mặt lý thuyết.
Thật không may, phương pháp nén không thời gian của Alcubierre có một vấn đề: nó đòi hỏi năng lượng âm hoặc khối lượng âm.
Vấn đề năng lượng âm
Warp drive của Alcubierre sẽ hoạt động bằng cách tạo ra một bong bóng không thời gian phẳng xung quanh tàu vũ trụ và làm cong không thời gian xung quanh bong bóng đó để giảm khoảng cách. Warp drive sẽ yêu cầu khối lượng âm – một dạng vật chất theo lý thuyết – hoặc một vòng có mật độ năng lượng âm để hoạt động. Các nhà vật lý chưa bao giờ quan sát thấy khối lượng âm, do đó, năng lượng âm là lựa chọn duy nhất.
Để tạo ra năng lượng âm, warp drive sẽ sử dụng một khối lượng rất lớn để tạo ra sự mất cân bằng giữa các hạt và phản hạt. Ví dụ, nếu một điện tử và một phản điện tử xuất hiện gần warp drive, một trong các hạt sẽ bị giữ lại bởi khối lượng và điều này dẫn đến sự mất cân bằng. Sự mất cân bằng này dẫn đến mật độ năng lượng âm. Warp drive của Alcubierre sẽ sử dụng năng lượng âm này để tạo ra bong bóng không thời gian.
Nhưng để warp drive có thể tạo ra đủ năng lượng âm, bạn sẽ cần rất nhiều thứ. Alcubierre ước tính rằng một warp drive với bong bóng dài 100 mét sẽ yêu cầu khối lượng của toàn bộ vũ trụ nhìn thấy được.
Vào năm 1999, nhà vật lý Chris Van Den Broeck đã chỉ ra rằng việc mở rộng thể tích bên trong bong bóng nhưng giữ cho diện tích bề mặt không đổi sẽ làm giảm nhu cầu năng lượng đáng kể, chỉ bằng khối lượng của mặt trời. Một cải tiến đáng kể, nhưng vẫn vượt xa mọi khả năng thực tế.
Một tương lai khoa học viễn tưởng?
Hai bài báo gần đây – một của Alexey Bobrick và Gianni Martire và một của Erik Lentz – cung cấp các giải pháp dường như đưa warp drive gần hơn với thực tế.
Bobrick và Martire nhận ra rằng bằng cách thay đổi không thời gian bên trong bong bóng theo một cách nhất định, họ có thể loại bỏ nhu cầu sử dụng năng lượng âm. Tuy nhiên, giải pháp này không tạo ra một warp drive có thể chạy nhanh hơn ánh sáng.
Một cách độc lập, Lentz cũng đề xuất một giải pháp không cần đến năng lượng âm. Ông đã sử dụng một cách tiếp cận hình học khác để giải các phương trình của Thuyết tương đối rộng, và bằng cách làm như vậy, ông nhận thấy rằng warp drive sẽ không cần sử dụng năng lượng âm. Giải pháp của Lentz sẽ cho phép bong bóng di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Tuy nhiên, phải chỉ ra rằng những phát triển thú vị này chỉ là các mô hình toán học. Tuy nhiên, khoa học về warp drive đang được xem xét. Là một người hâm mộ khoa học viễn tưởng, tôi hoan nghênh tất cả những tư duy đổi mới này. Theo lời của thuyền trưởng Picard, mọi thứ chỉ là không thể cho đến khi chúng không thực hiện được.
