Nhà vật lý Stephen Hawking viết trong cuốn sách Những câu trả lời ngắn gọn cho những câu hỏi lớn: “Nếu một nhà khoa học nộp đơn xin tài trợ để nghiên cứu về du hành thời gian thì anh sẽ bị loại ngay lập tức”. Ông ấy đã đúng. Nhưng ông cũng đúng khi cho rằng câu hỏi liệu du hành thời gian có khả thi hay không là một “câu hỏi rất nghiêm túc” và vẫn có thể được tiếp cận một cách khoa học.
Khi cho rằng sự hiểu biết hiện tại của chúng ta không thể loại trừ điều đó, dường như Hawking đang tỏ ra lạc quan một cách thận trọng. Vậy hiểu biết chúng ta đến đâu? Chúng ta không thể xây dựng cỗ máy thời gian ngày hôm nay, nhưng liệu chúng ta có thể tạo ra nó trong tương lai không?
Nhà bác học nổi tiếng Stephen Hawking gợi ý du hành thời gian một ngày nào đó có thể thực hiện được. (Ảnh: Wikipedia)
Hãy bắt đầu với kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta. Chúng ta có khả năng gọi điện cho bạn bè và gia đình của mình cho dù họ ở đâu trên thế giới để tìm hiểu xem họ đang làm gì ngay bây giờ. Nhưng ngay bây giờ là điều mà chúng ta không bao giờ thực sự biết được. Tuy những tín hiệu mang giọng nói và hình ảnh của họ truyền đi rất nhanh, nhưng vẫn cần một khoảng thời gian hữu hạn để chúng đến được với chúng ta.
Việc chúng ta không thể biết được “ngay bây giờ” của một người ở xa là trọng tâm của lý thuyết không gian và thời gian của Albert Einstein.
Tốc độ ánh sáng
Einstein đã nói với chúng ta rằng không gian và thời gian là các phần của một thứ gọi là không thời gian và rằng chúng ta nên sẵn sàng suy nghĩ về khoảng cách trong thời gian giống như khoảng cách trong không gian. Điều này chúng ta có thể đã gặp trong thực tế, khi ai đó hỏi Birmingham cách London bao xa, có thể có người sẽ vui vẻ trả lời “khoảng hai tiếng rưỡi”, ý là hành trình kéo dài khoảng thời gian đó nếu đi với tốc độ trung bình 80 km/h.
Về mặt toán học, tuyên bố trên tương đương với nói rằng Birmingham cách London khoảng 200 km. Như các nhà vật lý Brian Cox và Jeff Forshaw viết trong cuốn sách Tại sao E = mc²? , thời gian và khoảng cách “có thể được hoán đổi cho nhau bằng cách sử dụng tốc độ”. Bước nhảy vọt về trí tuệ của Einstein là cho rằng có một tỷ lệ chuyển đổi phổ quát từ một thời điểm đến một khoảng cách trong không thời gian – tốc độ ánh sáng.
Tốc độ ánh sáng là tốc độ nhanh nhất mà bất kỳ tín hiệu nào có thể truyền đi, đặt ra một giới hạn cơ bản về việc chúng ta có thể biết trước những gì đang diễn ra ở những nơi khác trong vũ trụ. Điều này cho chúng ta “quan hệ nhân quả” – quy luật mà các tác động luôn phải đến sau nguyên nhân của chúng. Đó là một sự cản trở nghiêm trọng về mặt lý thuyết đối với du hành thời gian. Ví dụ, sẽ là vô lý nếu chúng ta có thể du hành ngược thời gian và ngăn cản sự ra đời của chính mình, tức là đặt hệ quả (chúng ta) trước nguyên nhân (sự ra đời của chúng ta).
Bây giờ, nếu tốc độ ánh sáng là phổ quát, nó phải bằng nhau cho dù chúng ta đang di chuyển nhanh đến mức nào. Einstein nhận ra rằng hệ quả của tốc độ ánh sáng là tuyệt đối đối với mọi hệ quy chiếu sẽ làm co giãn không thời gian. Lý thuyết của ông chỉ ra rằng đồng hồ chuyển động phải chạy chậm hơn đồng hồ đứng yên.
Nếu bạn di chuyển càng nhanh, đồng hồ của bạn chạy càng chậm so với đồng hồ của người mà bạn đang di chuyển qua. Ở đây, từ “tương đối” là chìa khóa: thời gian dường như sẽ trôi qua bình thường đối với bạn. Tuy nhiên, đối với mọi người đang đứng yên, thời gian của bạn sẽ chuyển động chậm lại. Nếu bạn di chuyển với tốc độ ánh sáng, thời gian sẽ ngừng trôi đối với bạn.
Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta du hành nhanh hơn tốc độ ánh sáng, liệu thời gian có chạy ngược lại như khoa học viễn tưởng không?
Thật không may, cần phải có năng lượng vô hạn để tăng tốc một con người tới tốc độ ánh sáng, chưa nói đến việc vượt qua nó. Nhưng ngay cả khi chúng ta có thể, thời gian sẽ không đơn giản chạy ngược lại. Thay vào đó, sẽ không còn hợp lý khi nói về tiến và lùi nữa. Luật nhân quả sẽ bị vi phạm và khái niệm nhân quả sẽ mất đi ý nghĩa của nó.
Lỗ sâu
Einstein cũng nói với chúng ta rằng lực hấp dẫn là hệ quả của việc khối lượng làm cong không gian và thời gian. Khối lượng chúng ta ép vào một vùng không gian càng nhiều, thì không thời gian càng bị biến dạng và đồng hồ gần đó hoạt động chậm hơn. Nếu chúng ta ép vào một khối lượng đủ lớn, không thời gian trở nên cong vênh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi lực hấp dẫn của nó và một lỗ đen được hình thành. Và nếu bạn đến gần rìa của lỗ đen – chân trời sự kiện của nó – thì đồng hồ của bạn sẽ chậm vô hạn so với những người ở xa nó.
Vậy liệu chúng ta có thể làm cong không thời gian và du hành ngược thời gian không?
Câu trả lời là có thể, và sự cong vênh mà chúng ta cần là một lỗ sâu. Nhưng chúng ta cũng cần tạo ra các vùng có mật độ năng lượng âm để ổn định nó. Vật lý cổ điển của thế kỷ 19 đã ngăn cản điều này. Tuy nhiên, lý thuyết hiện đại của cơ học lượng tử có thể không.
Theo cơ học lượng tử, chân không không trống rỗng. Thay vào đó, nó chứa đầy các cặp hạt sinh và hủy. Nếu chúng ta có thể tạo ra một vùng mà ở đó ít cặp được phép xuất hiện hơn những nơi khác, thì vùng này sẽ có mật độ năng lượng âm.
Tuy nhiên, việc tìm ra một lý thuyết nhất quán kết hợp cơ học lượng tử với lý thuyết hấp dẫn của Einstein vẫn là một trong những thách thức lớn nhất trong vật lý lý thuyết. Một ứng cử viên, lý thuyết dây (chính xác hơn là lý thuyết M) có thể đưa ra một khả năng khác.
Lý thuyết M yêu cầu không thời gian phải có 11 chiều: một chiều thời gian và ba chiều không gian mà chúng ta di chuyển vào và bảy chiều phụ khác, cuộn tròn và vô cùng nhỏ. Chúng ta có thể sử dụng các chiều không gian bổ sung này để rút ngắn không gian và thời gian không? Hawking đã hy vọng điều này.
Một lý thuyết khác
Vậy du hành thời gian có thực sự là một khả năng? Hiểu biết hiện tại của chúng tôi không thể loại trừ nó, nhưng câu trả lời có lẽ là không.
Lý thuyết của Einstein không mô tả được cấu trúc của không thời gian ở quy mô cực kỳ nhỏ. Và trong khi các quy luật tự nhiên có thể hoàn toàn trái ngược với trải nghiệm hàng ngày của chúng ta, thì chúng luôn tự nhất quán – để lại rất ít khả năng cho những nghịch lý nhân quả trong du hành thời gian.
Hawking nhận ra rằng các định luật vật lý chưa được khám phá mà một ngày nào đó sẽ thay thế Einstein có thể cho phép các vật thể lớn như bạn và tôi nhảy qua lại một cách ngẫu nhiên (không có nhân quả) qua thời gian.
Dù tương lai có những cỗ máy thời gian hay không, chúng ta có thể tự an ủi mình khi biết rằng khi leo núi hoặc tăng tốc trên ô tô, thời gian của chúng ta sẽ trôi chậm hơn.
Nguồn: NTDVN – Theo Phys.org