Du hành thời gian là khả thi – nhưng chỉ khi bạn có một vật thể với khối lượng vô hạn

Khái niệm du hành thời gian luôn xâm chiếm trí tưởng tượng của các nhà vật lý và các tín đồ vật lý trên toàn thế giới. Nhưng câu hỏi quan trọng nhất là: Nó thực sự có khả thi không? Xét về khía cạnh nào đó, thực ra chính chúng ta đều đang du hành thời gian mỗi ngày. Vì tất cả chúng ta đều đang trên đường đi tới tương lai từng giây một.

Nhưng chắc đó không phải là những điều bạn đang nghĩ đến. Chúng ta mong muốn đi xa hơn trong tương lai. Nếu chúng ta có thể di chuyển với tốc độ gần với tốc độ ánh sáng, hoặc ở gần lỗ đen, thời gian sẽ chậm lại cho phép chúng ta tùy ý vào tương lai. Câu hỏi thú vị khác là liệu chúng ta có du hành được về quá khứ hay không.

Tôi là giáo sư vật lý Đại học Massachusetts, Dartmouth,  và lần đầu tiên nghe về khái niệm du hành thời gian là khi tôi 7 tuổi, từ một tập phim truyền hình kinh điển của Carl Sagan năm 1980. Tôi đã quyết định ngay một ngày nào đó, tôi sẽ theo đuổi một nghiên cứu sâu về những lý thuyết làm nền tảng cho những ý tưởng sáng tạo và đáng chú ý: như thuyết tương đối của Einstein. Hai mươi năm sau, tôi đạt được bằng tiến sĩ trong lĩnh vực này, và là một nhà nghiên cứu tích cực vật lý lý thuyết kể từ đó.

Gần đây, một trong những sinh viên đang học tiến sĩ của tôi vừa xuất bản một bài báo trên tạp chí Classical and Quantum Gravity mô tả cách chế tạo cỗ máy thời gian bằng cách sử dụng một cấu trúc rất đơn giản.

Đường cong thời gian khép kín

Lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein cho phép khả năng cong vênh thời gian đến mức độ nó thực sự tự gập lại, từ đó dẫn đến chúng ta có một vòng lặp thời gian. Hãy tưởng tượng bạn đang đi dọc theo vòng lặp này, điều đó có nghĩa là đến một lúc nào đó, bạn sẽ kết thúc tại một thời điểm trong quá khứ và bắt đầu trải nghiệm những khoảnh khắc tương tự kể từ đó – giống như deja vu – ngoại trừ việc bạn sẽ không nhận ra điều đó.

Cấu trúc như vậy được gọi là đường cong thời gian khép kín (CTC – Closed time-like curves), các tài liệu thông thường thì gọi nó với cái tên phổ biến là “cỗ máy thời gian”. Cỗ máy thời gian chỉ có được khi chúng ta tìm được phương cách nào đó di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, và hiểu về nó sẽ giúp chúng ta cải thiện những hiểu biết của mình về việc vũ trụ này vận hành như thế nào.

Trong vài thập kỷ qua, những nhà vật lý nổi tiếng như Kip Thorne và Stephen Hawking đã trình bày nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến cỗ máy thời gian.

Có một kết luận chung sau tất cả các nghiên cứu từ trước đến nay, bao gồm cả của Thorne và Hawking, là tự nhiên ngăn cấm các vòng lặp thời gian. Điều này được giải thích tốt nhất là trong Giả thuyết bảo vệ thời gian của Hawking, về cơ bản nói rằng: tự nhiên không cho phép thay đổi lịch sử trong quá khứ, do đó tránh cho chúng ta những nghịch lý có thể xuất hiện nếu một chuyến du hành thời gian được thực hiện.

Có lẽ nổi tiếng nhất trong những nghịch lý xuất hiện do du hành thời gian vào quá khứ, đó là Nghịch lý ông nội, trong đó mô tả một người du hành thời gian ngược về quá khứ và giết chết chính ông nội của mình. Điều này làm thay đổi tiến trình lịch sử vì gây nên một mâu thuẫn. Theo lẽ tự nhiên, người du hành thời gian không bao giờ được sinh ra do đó sẽ không thể nào tồn tại. Đã có nhiều cốt truyện, phim ảnh, tiểu thuyết dựa trên những nghịch lý xuất phát từ du hành thời gian – có lẽ nổi tiếng nhất sẽ phải kể đến là phim Back to the Future và phim Groundhog Day.

Vật chất kì lạ (exotic matter)

Tùy thuộc vào nhiều vấn đề chi tiết khác, mà các hiện tượng vật lý có thể can thiệp để ngăn chặn sự phát triển của đường cong thời gian khép kín trong các hệ thống vật lý. Thông thường nhất là sự đòi hỏi một dạng đặc thù vật chất kì lạ phải hiện diện để đảm bảo sự tồn tại của vòng lặp thời gian. Nói nôm na, vật chất kì lạ này là một vật có khối lượng âm (negative mass). Vấn đề là khối lượng âm lại không hề được biết là tồn tại trong tự nhiên.

Caroline Mallary, một sinh viên đang học tiến sĩ tại Đại học Massachusetts Dartmouth đã xuất bản một mô hình mới cho một cỗ máy thời gian trên tạp chí Classical & Quantum Gravity . Mô hình mới này không yêu cầu bất kỳ vật liệu kỳ lạ có khối lượng âm nào mà lại cung cấp một thiết kế rất đơn giản.

Mô hình của Mallary bao gồm hai chiếc xe siêu dài – được chế tạo bằng vật liệu không cần phải là vật liệu kì lạ và có khối lượng (
positive mass) – hai chiếc xe này đỗ song song với nhau. Một chiếc tiến về phía trước thật nhanh, còn khiến chiếc kia vẫn đỗ lại. Mallary đã có thể chỉ ra rằng trong một thiết kế như vậy, một vòng lặp thời gian có thể được tìm thấy trong không gian giữa hai chiếc xe này.

Nếu vậy, bạn có thể xây dựng mô hình này ngay trong sân nhà mình?

Nếu bạn nghi ngờ có gì đó không phải ở đây, bạn đã đúng. Mô hình của Mallary yêu cầu trung tâm của mỗi chiếc xe phải có mật độ vô hạn. Điều đó có nghĩa là chúng chứa các vật thể – được gọi là điểm kỳ dị – với mật độ, nhiệt độ và áp suất vô hạn. Hơn nữa, không giống như các điểm kỳ dị xuất hiện ở bên trong các lỗ đen, khiến chúng hoàn toàn không thể tiếp cận được từ bên ngoài, các điểm kỳ dị trong mô hình của Mallary hoàn toàn trống rỗng và có thể quan sát được, do đó có hiệu ứng vật lý thực sự.

Các nhà vật lý cũng không mong đợi những vật thể kỳ dị như vậy tồn tại trong tự nhiên. Vì vậy, thật không may, một cỗ máy thời gian sẽ không có sẵn bất cứ lúc nào sớm. Tuy nhiên, công trình này cho thấy các nhà vật lý có thể phải tinh chỉnh ý tưởng của họ về lý do tại sao các đường cong thời gian khép kín lại bị cấm.

Gaurav Khanna – Giáo sư Vật lý, Đại học Massachusetts Dartmouth đăng trên Theconversation