Du hành trong thời gian về quá khứ

Để kỷ niệm 100 năm Lý thuyết Tương đối rộng, tạp chí  Scientific American ra số tháng 9/2015 gồm loạt bài viết của một số nhà khoa học có uy tín với nhiều nội dung quan trọng.
Sau đây là bài viết của Tim Folger, cộng tác viên National Geographic, về một vấn đề rất hấp dẫn, luôn gây ấn tượng: Lược sử Du hành trong thời gian (A brief history of Time Travel).

Năm 1895 H.G.Wells viết cuốn truyện viễn tưởng Cỗ máy thời gian (The time machine) nêu ý tưởng du hành trong thời gian. Chỉ sau khi Lý thuyết Tương đối hẹp (Special relativity – SR) và Lý thuyết Tương đối rộng (General relativity – GR) của Einstein ra đời, người ta mới biết đến khả năng thực tế du hành trong thời gian.

A/ Du hành trong thời gian vào tương lai

Việc du hành trong thời gian vào tương lai không những là khả dĩ mà thực tế đã được thực hiện. Nhà du hành vũ trụ người Nga Sergei K.Krikalev đã ở trong không gian 803 ngày trên trạm vũ trụ MIR. Theo lý thuyết Einstein, thời gian chảy chậm hơn trong một con tàu chuyển động so với lúc đứng yên. Krikalev đã chuyển động với vận tốc 17.000 dặm/giờ. Krikalev trẻ hơn đồng nghiệp trên mặt đất 1/48 giây. Nếu Krikalev đã đi vòng quanh đến sao Betelgeuse – cách Trái đất 520 năm ánh sáng – với vận tốc 99,995 vận tốc ánh sáng – và trở về Trái đất vào năm 2015 [theo thời gian của nhà du hành vũ trụ], thì ông chỉ già thêm 10 tuổi, trong khi 1.000 năm đã trôi qua trên Trái đất, đó là năm 3015. Đây là nghịch lý anh em sinh đôi, song thực tế không phải là một nghịch lý mà một hiện tượng hoàn toàn logic trong SR và GR. Hiện tượng này hiện nay đã được dùng trong công nghệ cao GPS (Global Positioning System).

Vậy du hành vào tương lai là chuyện có thể làm được, chỉ cần kinh phí, công nghệ và thời gian!

B/ Du hành trong thời gian về quá khứ

Song du hành về quá khứ là vấn đề nan giải. SR không cho phép nhưng GR cho phép. GR cho nhiều lời giải trong đó có những lời giải tạo điều kiện du hành về quá khứ. Liệu vũ trụ thực tại có ngăn cấm một cuộc du hành về quá khứ chăng?

Một cuộc du hành về quá khứ không hề bị ngăn cấm bởi GR. Sau đây là nghịch lý du hành trong thời gian về quá khứ: Giả sử một nhà du hành đi về quá khứ và giết mẹ của mình (giả sử hơi cực đoan) khi bà ta còn là con gái. Điều này có nghĩa thế nào?


Nếu người con gái chết thì cô ta không thể là mẹ của nhà du hành. Song nếu nhà du hành không được sinh ra thì anh ta không thể đi ngược thời gian để về giết mẹ. Đây là một nghịch lý!


Tuy nhiên có thể xảy ra một kịch bản dễ chấp nhận hơn. Giả sử nhà du hành quay về quá khứ và cứu được một người con gái khỏi bị giết chết bởi một kẻ nào đó, người con gái này lớn lên và trở thành mẹ của nhà du hành. Bây giờ vòng nhân quả là hợp lý và không còn chứa nghịch lý nào.


Như vậy nguyên lý nhân quả đã áp đặt một số hạn chế vào các kịch bản phát biểu nghịch lý du hành về quá khứ nhưng không loại trừ khả năng du hành về quá khứ.

C/ Vũ trụ lạ lùng của GODEL

Người đầu tiên sử dụng GR để mô tả một vũ trụ cho phép du hành về quá khứ là Kurt Godel. Ông chính là tác giả của những định lý bất toàn nổi tiếng hạn chế toán học về những điều chứng minh được và không chứng minh được.

Godel đã trình bày mô hình này với Einstein. Vũ trụ của Godel có hai đặc trưng. Thứ nhất, vũ trụ này có chuyển động quay ngăn cản lực hấp dẫn làm co vũ trụ và tạo nên ổn định cho một vũ trụ Einstein. Thứ hai, trong vũ trụ Godel, nhà du hành có thể vượt ra xa và trở về lại một điểm trong quá khứ của mình sau khi thực hiện một quỹ đạo quanh một mặt của hình trụ khổng lồ. Các nhà vật lý gọi những quỹ đạo như thế trong không thời gian là “những đường cong kín đồng dạng thời gian (closed timelike curves – CTC)”.


Những đường cong kín đồng dạng thời gian là những quỹ đạo xuyên qua không thời gian rồi trở lại khép thành một vòng kín. Trong vũ trụ quay của Godel những đường cong này đi vòng quanh khắp vũ trụ tương tự như những đường vĩ tuyến trên mặt Trái đất.


Song người ta không có bằng chứng nào về sự tồn tại một vũ trụ quay. Godel chỉ có thể chứng minh rằng GR chấp nhận sự tồn tại của CTC và GR không loại trừ việc du hành về quá khứ còn mô hình Godel thì không phù hợp với thực tế.


Theo Julian Barbour một nhà vật lý lý thuyết thì Einstein đã biết sự tồn tại của CTC từ năm 1914.


Hình 1. Lỗ sâu đục trong không thời gian. Những đường cong CTC đi vào và thoát ra khỏi lỗ sâu đục.

D/ Một khả năng

Nhiều thập kỷ các nhà vũ trụ học tìm cách xây dựng những CTC. Hiện nay, các nhà vật lý tìm CTC trong những vùng của vũ trụ (trong khi Godel tìm CTC trong vũ trụ toàn bộ).

Trong GR các hành tinh, sao, thiên hà và mọi vật thể có khối lượng đều làm cong không thời gian. Và ngược lại không thời gian cong lại điều khiển chuyển động của những vật thể đó. Trong những điều kiện cực đoan (extreme), không thời gian có thể tạo nên những quỹ đạo đi từ hiện tại đến quá khứ. Năm 1983, Lip S.Thorne (Viện Công nghệ California – Caltech) tìm khả năng tạo CTC nhờ lỗ sâu đục (wormhole) – đây là một loại đường hầm nối liền hai vị trí khác nhau trong không thời gian – cho phép du hành trong thời gian về quá khứ. Lỗ sâu đục khác lỗ đen ở chỗ: lỗ sâu đục có miệng vào (tiếng Anh là mouth) và miệng ra (lối ra) trong khi lỗ đen chỉ có một miệng vào.


Sean M.Carroll (ở Caltech) phát biểu rằng trong GR nếu ta nối hai địa điểm khác nhau trong không gian thì ta cũng đã nối hai vùng thời gian khác nhau.


Miệng vào của một lỗ sâu đục có thể là một lối vào ba chiều dẫn vào một đường hầm bốn chiều trong không thời gian. Mặc dầu các nhà vật lý đã viết ra những phương trình mô tả CTC, mọi mô hình đưa ra vẫn còn chứa nhiều vấn đề.


Theo Carroll, muốn tạo nên một lỗ sâu đục, trước hết cần một năng lượng âm. Năng lượng âm là năng lượng tự phát thăng giáng xuống dưới số không. Nếu không có năng lượng âm, lỗ sâu đục sẽ tức thì nổ vào trong (implode). Song năng lượng âm là một điều gay cấn trong vật lý. Điều này dẫn đến phản hấp dẫn, phản hấp dẫn cần một năng lượng âm để được tạo nên. Năng lượng âm tồn tại trong một số hệ Cơ học Lượng tử (Quantum mechanics – QM).


Paul Davies đưa ra một viễn cảnh: có thể chế tạo một lỗ sâu đục nhờ máy gia tốc. Sau đó cần phóng đại lỗ sâu đục này. Dùng năng lượng âm (như trong hiệu ứng Casimir) để giữ ổn định lỗ sâu đục ngăn nó không biến nó thành một lỗ đen và đưa nó vào vũ trụ.


Một con tàu vũ trụ đi vào lỗ sâu đục. Miệng số 2 của lỗ sâu đục ở gần sao neutron, sao này tạo ra một trường hấp dẫn mạnh, làm cho thời gian chậm lại. Bởi vì thời gian ở miệng kia của lỗ sâu đục số 1 chảy nhanh hơn do đó hai miệng lỗ sâu đục sẽ cách nhau không những trong không gian mà còn trong thời gian.


Cho rằng lỗ sâu đục đã được tạo nên (nhờ năng lượng âm) chúng ta cần biến nó thành một cỗ máy thời gian: hạt phải đi vào lỗ sâu đục và thoát ra làm thành một vòng kín nhiều lần như vậy (xem hình 2).


Carroll nói rằng lỗ đen là hiện tượng không tránh khỏi trong GR còn CTC lại là một hiện tượng khó tạo nên.


Một nhà du hành khi đi vào và thoát ra khỏi một lỗ sâu đục thì đã du hành từ hiện tại về quá khứ (hay vào tương lai). Như trên đã nói một miệng của lỗ sâu đục phải nằm sát bề mặt một sao neutron. Trường hấp dẫn của sao neutron sẽ làm chậm thời gian ở đầu miệng đó. Và hiệu thời gian sẽ được tích lũy giữa hai miệng của lỗ sâu đục. Giả sử hiệu thời gian là 10 năm thì nhà du hành thứ nhất đi vào lỗ sâu đục theo chiều này sẽ làm một bước nhảy 10 năm vào tương lai. Còn nếu nhà du hành thứ hai đi theo chiều ngược lại thì sẽ làm một bước nhảy lùi 10 năm về quá khứ và nếu anh quay về điểm cũ trong quá khứ thì có thể xảy ra hiện tượng anh ta trở về nhà trước cả lúc anh rời nhà lên tàu vũ trụ!


Điều đáng chú ý là CTC không trái ngược với GR, ta muốn chứng minh rằng CTC là không thể có được song ta lại không thể chứng minh điều đó được. Lý thuyết GR của Einstein đã tạo nên những điều tưởng chừng như không khả dĩ, nhưng nghiên cứu những điều tưởng chừng như bất khả dĩ đó các nhà vật lý lại thêm một bước hiểu sâu vũ trụ.



Hình 2. Miệng số 2 của lỗ sâu đục nằm sát một sao neutron với trường hấp dẫn rất mạnh

E/ Có phải vũ trụ đã được hình thành từ chính vũ trụ không?

Theo một ý tưởng lý thú gần đây nếu vũ trụ không cho phép du hành về quá khứ thì bản thân vũ trụ cũng không thể hình thành được.

GR mô tả vũ trụ ở mức vĩ mô còn QM (Quantum mechanics) mô tả vũ trụ ở mức vi mô. Song QM lại tạo nên khả năng tiếp cận CTC – xét từ thời sơ sinh của vũ trụ.


“Ở kích thước nhỏ 10-30cm – thì topo của không thời gian thăng giáng và những thăng giáng ngẫu nhiên đó có thể tạo nên những CTC” John Friedman (Đại học Wisconsin – Milwaukee) đã phát biểu như vậy. Có thể chăng phóng đại những thăng giáng đó để tạo nên cỗ máy thời gian?


Chắc rằng việc tạo nên những vòng kín trong không thời gian ở qui mô lượng tử hay vũ trụ sẽ đòi hỏi một vật lý cực đoan (extreme). Và vật lý cực đoan đó thực tế đã tồn tại ở buổi sơ sinh của vũ trụ, Gott đã nói như vậy.


Năm 1998, Richard Gott (Đại học Princeton) và Li-Xin Li (Đại học Bắc Kinh) đã công bố một bài báo nêu ý tưởng rằng những CTC không những khả dĩ mà còn là nhất thiết đề giải thích nguồn gốc của vũ trụ. “Chúng tôi nghiên cứu vấn đề liệu vũ trụ có phải chính là mẹ đẻ của nó và liệu có phải các CTC ở thuở sơ sinh của vũ trụ đã cho phép vũ trụ tạo ra chính mình hay không?”, Gott phát biểu như vậy.


Gott và Li bắt đầu với một lạm phát (inflation) – như trong mô hình chuẩn của vũ trụ học – trong đó mọi năng lượng đã kích động sự dãn nở ban đầu. Hiện nay nhiều nhà vũ trụ học cho rằng lạm phát đã sinh ra nhiều vũ trụ ngoài vũ trụ của chúng ta. Gott nghĩ rằng, “Một khi đã bắt đầu thì lạm phát khó lòng dừng lại”. Và điều đó tạo nên vô cùng nhiều nhánh cây. Chúng ta là một nhánh trong các nhánh đó. Song ta phải tự hỏi thế thân cây ở đâu? Li-Xin Li và Gott cho rằng một nhánh đã cuộn vòng lại (loop around) và phát triển thành thân cây.


Một phác họa đơn giản hai chiều có biểu diễn tương tự như hình con số 6 trong đó vòng không thời gian ở phía dưới còn vũ trụ hiện tại là nhánh phía trên. Một bùng nổ của lạm phát theo Gott và Li cho phép vũ trụ thoát khỏi vòng thời gian và dãn nở thành vũ trụ hiện nay.


Thật khó lòng mà chiêm ngưỡng mô hình này song chính mô hình này lại loại trừ được khẳng định vũ trụ đột sinh từ cái không có gì cả.



Hình 3. Vũ trụ thoát thân từ chính vũ trụ

Alexander Vilenkin (Đại học Tufts), Stephen Hawking (Đại học Cambridge) và James Hartle (Đại học California) lại đưa ra mô hình vũ trụ đột sinh từ cái không có gì cả. Theo QM, chân không không phải là trống trơn mà chứa đầy những cặp hạt ảo hủy và sinh liên tục. Như vậy, các tác giả này cho rằng vũ trụ đột sinh từ môi trường đó. Còn Gott thì cho rằng vũ trụ đột sinh từ chính bản thân vũ trụ.

G/ Một trò chơi cờ vũ trụ

Richard Feynman lại so sánh vũ trụ với một trò chơi cờ của Thượng đế. Các nhà khoa học muốn tìm hiểu trò chơi này nhưng lại không biết các quy tắc của nó. Chúng ta thấy Thượng đế chuyển động con tốt từng bước một lên phía trước, và tưởng rằng con tốt luôn là con tốt mãi đến khi nó biến thành con hậu. Ta tưởng rằng sai luật song Thượng đế nói rằng đây là điều kiện cực đoan. Vấn đề du hành trong thời gian cũng tương tự như vậy. Ta phải xét vật lý dưới những điều kiện cực đoan. Du hành về quá khứ không phải là điều bất khả dĩ: biến con tốt thành con hậu là một phần của GR.

Những ý tưởng như vậy dường như gần với triết học hơn vật lý. Song QM và GR cho phép chúng ta nghĩ rằng những ý tưởng như vậy cũng rất gần vật lý.


Liệu trong tương lai, lý thuyết có thể loại trừ được khả năng du hành về quá khứ? Chắc là không; ngoài ra, vũ trụ lại có thể còn lạ lùng hơn chúng ta tưởng nhiều? Có thể nghĩ đến một đối xứng nào đó cho phép du hành về quá khứ.


Du hành trong thời gian về quá khứ là điều không cấm đoán bởi GR, song để thực hiện chuyến du hành đó, các nhà khoa học còn gặp nhiều gian nan, thách thức mà hiện nay các nhà khoa học muốn tìm cách vượt qua.

CC. biên dịch
————
Tài liệu tham khảo
Paul Davies, How to build a time machine, Scientific American số tháng 9/2002.

Tìm địa điểm Trường
Gọi trực tiếp
Chat Facebook
Chat Zalo

[flipbook id="1"]