Một phát hiện khoa học đột phá vừa trao cho nhân loại chìa khóa để du hành giữa các vì sao. Đây là lần đầu tiên, một động cơ "warp" thực sự tuân theo các quy luật của vật lý.
Nhớ lại những phút giây thú vị khi xem bộ phim Star Trek, nơi con tàu USSEnterprise vút bay trong không gian với tốc độ nhanh hơn ánh sáng, ý tưởng về du hành giữa các vì sao đã không còn là một giấc mơ viễn tưởng. Được khơi nguồn từ cảm hứng này, nhà vật lý học người Mexico, Miguel Alcubierre Moya, đã bắt tay vào nghiên cứu khả năng phát triển một phương pháp thực sự cho việc đẩy tốc độ ánh sáng. Sau nhiều thập kỷ làm việc, ông đã công bố nghiên cứu tiên phong của mình, khiến cộng đồng vật lý lý thuyết phải bất ngờ. Động cơ "warp" mang tên Alcubierre giả định sẽ co lại không-thời gian phía trước một con tàu vũ trụ trong khi mở rộng không-thời gian ở phía sau, cho phép tàu di chuyển từ điểm A đến điểm B với tốc độ "cực kỳ nhanh". Nhờ vào việc làm biến dạng không-thời gian, một người quan sát bên ngoài "bong bóng warp" sẽ thấy con tàu di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, trong khi những người bên trong tàu sẽ không cảm nhận được bất kỳ lực gia tốc nào.
Nếu như một động cơ "warp" siêu ánh sáng như của Alcubierre hoạt động, điều này sẽ cách mạng hóa những nỗ lực của nhân loại trong vũ trụ, cho phép chúng ta có thể đến Alpha Centauri, hệ sao gần nhất của chúng ta, trong vòng vài ngày hoặc vài tuần, mặc dù nó cách chúng ta bốn năm ánh sáng.
Tuy nhiên, động cơ Alcubierre gặp phải một vấn đề lớn: lực đằng sau hoạt động của nó, gọi là "năng lượng âm", liên quan đến các hạt kỳ lạ - những loại vật chất giả định mà cho đến nay, chúng ta chưa biết đến trong vũ trụ của mình. Những hạt này chỉ được mô tả trong các công thức toán học, hành xử theo những cách bất ngờ, như có khối lượng âm và hoạt động đối kháng với trọng lực (thực ra, nó có "chống trọng lực"). Trong suốt 30 năm qua, các nhà khoa học đã công bố nhiều nghiên cứu nhằm giải quyết các thách thức vốn có trong việc đạt tốc độ ánh sáng, được nêu bật trong bài viết nền tảng của Alcubierre năm 1994, được xuất bản trong tạp chí peer-reviewed Classical and Quantum Gravity.
Gần đây, nhóm nghiên cứu tại think tank Applied Physics có trụ sở ở New York City tin rằng họ đã tìm ra một cách tiếp cận sáng tạo mới để giải quyết vấn đề cốt lõi của động cơ warp. Cùng với các đồng nghiệp từ các tổ chức khác, nhóm đã hình dung ra một hệ thống "năng lượng dương" không vi phạm các quy luật vật lý đã biết. Đây là một bước tiến lớn, theo lời hai tác giả của nghiên cứu: Gianni Martire, Giám đốc điều hành của Applied Physics, và Jared Fuchs, tiến sĩ, nhà khoa học cấp cao tại đây. Công trình của họ, cũng được xuất bản trong Classical and Quantum Gravity vào cuối tháng Tư, có thể là chương đầu tiên trong cẩm nang cho du hành không gian liên sao.
Năng lượng dương tạo nên sự khác biệt lớn. Hãy tưởng tượng bạn là một phi hành gia trong không gian, đang đẩy một quả bóng tennis ra xa. Thay vì di chuyển đi, quả bóng lại đẩy ngược trở lại, đến mức có thể "làm gãy tay bạn" nếu bạn tiếp tục đẩy mạnh, Martire nói với Popular Mechanics. Đó là dấu hiệu của năng lượng âm, và mặc dù thiết kế động cơ Alcubierre yêu cầu điều này, nhưng không có cách nào để khai thác nó.
Thay vào đó, năng lượng dương thông thường có tính khả thi cao hơn để xây dựng "bong bóng warp". Như tên gọi của nó, đây là một cấu trúc hình cầu bao quanh và chứa không gian cho một con tàu chở khách bằng cách sử dụng một lớp vật chất dày đặc. Bong bóng này sẽ đẩy tàu vũ trụ sử dụng trọng lực mạnh mẽ của lớp vỏ, nhưng không gây ra cảm giác gia tốc cho hành khách. "Một chuyến đi thang máy sẽ thú vị hơn nhiều," Martire nói.
Điều này là do mật độ của lớp vỏ, cũng như áp lực mà nó tác động lên bên trong, được kiểm soát cẩn thận. Không gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, theo các nguyên lý liên quan đến trọng lực trong thuyết tương đối của Albert Einstein. Do đó, bong bóng được thiết kế sao cho những người quan sát trong môi trường không-thời gian của họ - bên trong bong bóng - sẽ trải nghiệm sự chuyển động bình thường trong thời gian. Đồng thời, bong bóng tự nó nén không-thời gian trước tàu và mở rộng phía sau tàu, di chuyển nhanh chóng cùng với tàu chứa bên trong. Các bức tường của bong bóng tạo ra đà cần thiết, tương tự như đà của các quả bóng lăn, Fuchs giải thích. "Chính sự chuyển động của vật chất trong các bức tường tạo ra hiệu ứng cho hành khách bên trong."
Dựa trên bài báo năm 2021 của họ được xuất bản trong Classical and Quantum Gravity - nêu rõ công trình trước đó của các nhà nghiên cứu về các động cơ warp vật lý, nhóm nghiên cứu đã có thể mô phỏng độ phức tạp của hệ thống bằng chương trình tính toán riêng của họ, Warp Factory. Bộ công cụ này cho phép các nhà nghiên cứu đánh giá các phương trình trường của Einstein và tính toán các điều kiện năng lượng cần thiết cho các hình dạng động cơ warp khác nhau. Bất kỳ ai cũng có thể tải xuống và sử dụng miễn phí. Những thí nghiệm này dẫn đến cái mà Fuchs gọi là mô hình mini, mô hình chung đầu tiên của một động cơ warp năng lượng dương. Các công trình trước đó cũng chứng minh rằng lượng năng lượng mà bong bóng warp yêu cầu phụ thuộc vào hình dạng của bong bóng; ví dụ, bong bóng càng phẳng trong phương di chuyển, lượng năng lượng cần thiết càng ít.
Cải tiến mới nhất này gợi ý những khả năng mới cho việc nghiên cứu thiết kế du hành warp, Erik Lentz, tiến sĩ, nói với Popular Mechanics. Trong vị trí hiện tại của mình là một nhà vật lý tại Pacific Northwest National Laboratory ở Richland, Washington, Lentz đóng góp vào nghiên cứu phát hiện vật chất tối và khoa học thông tin lượng tử. Nghiên cứu độc lập của ông về lý thuyết động cơ warp cũng nhằm được định hình từ vật lý truyền thống trong khi tái thiết kế hình dạng của không gian bị biến dạng. Tuy nhiên, chủ đề này cần vượt qua nhiều rào cản thực tiễn.
Việc kiểm soát các bong bóng warp đòi hỏi sự phối hợp lớn vì chúng liên quan đến khối lượng và năng lượng khổng lồ để giữ cho hành khách an toàn và trải qua thời gian tương tự như ở đích. "Chúng ta có thể thiết kế không gian nơi thời gian trôi qua rất khác nhau bên trong [khoang hành khách] so với bên ngoài. Chúng ta có thể lỡ hẹn với Proxima Centauri nếu không cẩn thận," Lentz nói. "Điều đó vẫn là một rủi ro nếu chúng ta di chuyển chậm hơn tốc độ ánh sáng." Giao tiếp giữa những người bên trong bong bóng và bên ngoài cũng có thể bị méo mó khi đi qua độ cong của không gian bị biến dạng.
Mặc dù giải pháp hiện tại của Applied Physics yêu cầu một động cơ warp di chuyển thấp hơn tốc độ ánh sáng, mô hình này vẫn cần có một khối lượng tương đương với khoảng hai Sao Mộc. Nếu không, nó sẽ không bao giờ đạt được lực hấp dẫn và đà đủ lớn để tạo ra hiệu ứng warp có ý nghĩa. Nhưng chưa ai biết nguồn gốc của khối lượng này là gì - ít nhất là chưa. Một số nghiên cứu cho rằng nếu chúng ta có thể nào đó khai thác vật chất tối, chúng ta có thể sử dụng nó cho du hành với tốc độ ánh sáng, nhưng Fuchs và Martire không mấy lạc quan, vì hiện tại đó vẫn là một bí ẩn (và là một loại hạt kỳ lạ).
Dù còn nhiều vấn đề mà các nhà khoa học cần giải quyết để xây dựng một động cơ warp hoạt động, nhóm nghiên cứu ở Applied Physics tự tin rằng mô hình của họ sẽ dần gần hơn với tốc độ ánh sáng. Và ngay cả khi một mô hình khả thi vẫn ở dưới tốc độ ánh sáng, đó cũng là một cải tiến lớn so với công nghệ hiện tại. Ví dụ, nếu di chuyển với một nửa tốc độ ánh sáng tới Alpha Centauri, sẽ mất chín năm. Trong khi đó, tàu vũ trụ nhanh nhất của chúng ta, Voyager 1 - hiện đang di chuyển với tốc độ 61.000 km/h - sẽ mất tới 75.000 năm để đến được hệ sao gần nhất của chúng ta.
Đương nhiên, khi bạn tiến gần tới tốc độ ánh sáng, mọi thứ trở nên khá kỳ lạ, theo các nguyên lý của thuyết tương đối đặc biệt của Einstein. Khối lượng của một vật thể di chuyển càng nhanh sẽ tăng lên vô hạn, cuối cùng yêu cầu một lượng năng lượng vô hạn để duy trì tốc độ của nó.
“Đó chính là giới hạn chính và thách thức lớn mà chúng ta phải vượt qua - làm thế nào để có tất cả khối lượng này trong bong bóng của chúng ta, nhưng không đến mức mà chúng ta không thể tập hợp nó lại?” Martire nói. Rất có thể câu trả lời nằm ở vật lý vật chất ngưng tụ, ông cho biết thêm. Ngành vật lý này nghiên cứu đặc biệt về các lực trong giữa các nguyên tử và electron trong vật chất. Nó đã chứng minh là rất quan trọng cho nhiều công nghệ của chúng ta hiện nay, như transistor, laser rắn và phương tiện lưu trữ từ.
Một vấn đề lớn khác là các mô hình hiện tại cho phép bong bóng warp hoạt động ổn định, nhưng chỉ ở tốc độ liên tục. Các nhà khoa học vẫn cần tìm hiểu cách thiết kế một gia tốc ban đầu. Ở đầu kia của hành trình, tàu sẽ dừng lại và hạ cánh như thế nào? “Đó giống như cố gắng nắm bắt chiếc xe hơi lần đầu tiên,” Martire nói. “Chúng tôi vẫn chưa có động cơ, nhưng chúng tôi thấy ánh sáng ở cuối đường hầm.” Công nghệ động cơ warp hiện đang ở giai đoạn của công nghệ xe hơi vào năm 1882, theo như ông nói: khi việc đi lại bằng ô tô có thể, nhưng vẫn là một bài toán khó khăn.
Đội ngũ Applied Physics tin rằng những đổi mới trong việc du hành warp là điều không thể tránh khỏi. Mô hình năng lượng dương chung là bước đầu tiên. Hơn nữa, bạn không cần phải bay với tốc độ ánh sáng để đạt được những khoảng cách mà hiện nay vẫn chỉ còn là ước mơ, Martire nói. “Nhân loại chính thức, về mặt toán học, đang trên con đường liên sao.”
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a60941082/light-speed-warp-drive-breakthrough/
Nhớ lại những phút giây thú vị khi xem bộ phim Star Trek, nơi con tàu USSEnterprise vút bay trong không gian với tốc độ nhanh hơn ánh sáng, ý tưởng về du hành giữa các vì sao đã không còn là một giấc mơ viễn tưởng. Được khơi nguồn từ cảm hứng này, nhà vật lý học người Mexico, Miguel Alcubierre Moya, đã bắt tay vào nghiên cứu khả năng phát triển một phương pháp thực sự cho việc đẩy tốc độ ánh sáng. Sau nhiều thập kỷ làm việc, ông đã công bố nghiên cứu tiên phong của mình, khiến cộng đồng vật lý lý thuyết phải bất ngờ. Động cơ "warp" mang tên Alcubierre giả định sẽ co lại không-thời gian phía trước một con tàu vũ trụ trong khi mở rộng không-thời gian ở phía sau, cho phép tàu di chuyển từ điểm A đến điểm B với tốc độ "cực kỳ nhanh". Nhờ vào việc làm biến dạng không-thời gian, một người quan sát bên ngoài "bong bóng warp" sẽ thấy con tàu di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, trong khi những người bên trong tàu sẽ không cảm nhận được bất kỳ lực gia tốc nào.
Nếu như một động cơ "warp" siêu ánh sáng như của Alcubierre hoạt động, điều này sẽ cách mạng hóa những nỗ lực của nhân loại trong vũ trụ, cho phép chúng ta có thể đến Alpha Centauri, hệ sao gần nhất của chúng ta, trong vòng vài ngày hoặc vài tuần, mặc dù nó cách chúng ta bốn năm ánh sáng.
Tuy nhiên, động cơ Alcubierre gặp phải một vấn đề lớn: lực đằng sau hoạt động của nó, gọi là "năng lượng âm", liên quan đến các hạt kỳ lạ - những loại vật chất giả định mà cho đến nay, chúng ta chưa biết đến trong vũ trụ của mình. Những hạt này chỉ được mô tả trong các công thức toán học, hành xử theo những cách bất ngờ, như có khối lượng âm và hoạt động đối kháng với trọng lực (thực ra, nó có "chống trọng lực"). Trong suốt 30 năm qua, các nhà khoa học đã công bố nhiều nghiên cứu nhằm giải quyết các thách thức vốn có trong việc đạt tốc độ ánh sáng, được nêu bật trong bài viết nền tảng của Alcubierre năm 1994, được xuất bản trong tạp chí peer-reviewed Classical and Quantum Gravity.
Gần đây, nhóm nghiên cứu tại think tank Applied Physics có trụ sở ở New York City tin rằng họ đã tìm ra một cách tiếp cận sáng tạo mới để giải quyết vấn đề cốt lõi của động cơ warp. Cùng với các đồng nghiệp từ các tổ chức khác, nhóm đã hình dung ra một hệ thống "năng lượng dương" không vi phạm các quy luật vật lý đã biết. Đây là một bước tiến lớn, theo lời hai tác giả của nghiên cứu: Gianni Martire, Giám đốc điều hành của Applied Physics, và Jared Fuchs, tiến sĩ, nhà khoa học cấp cao tại đây. Công trình của họ, cũng được xuất bản trong Classical and Quantum Gravity vào cuối tháng Tư, có thể là chương đầu tiên trong cẩm nang cho du hành không gian liên sao.
Năng lượng dương tạo nên sự khác biệt lớn. Hãy tưởng tượng bạn là một phi hành gia trong không gian, đang đẩy một quả bóng tennis ra xa. Thay vì di chuyển đi, quả bóng lại đẩy ngược trở lại, đến mức có thể "làm gãy tay bạn" nếu bạn tiếp tục đẩy mạnh, Martire nói với Popular Mechanics. Đó là dấu hiệu của năng lượng âm, và mặc dù thiết kế động cơ Alcubierre yêu cầu điều này, nhưng không có cách nào để khai thác nó.
Thay vào đó, năng lượng dương thông thường có tính khả thi cao hơn để xây dựng "bong bóng warp". Như tên gọi của nó, đây là một cấu trúc hình cầu bao quanh và chứa không gian cho một con tàu chở khách bằng cách sử dụng một lớp vật chất dày đặc. Bong bóng này sẽ đẩy tàu vũ trụ sử dụng trọng lực mạnh mẽ của lớp vỏ, nhưng không gây ra cảm giác gia tốc cho hành khách. "Một chuyến đi thang máy sẽ thú vị hơn nhiều," Martire nói.
Điều này là do mật độ của lớp vỏ, cũng như áp lực mà nó tác động lên bên trong, được kiểm soát cẩn thận. Không gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, theo các nguyên lý liên quan đến trọng lực trong thuyết tương đối của Albert Einstein. Do đó, bong bóng được thiết kế sao cho những người quan sát trong môi trường không-thời gian của họ - bên trong bong bóng - sẽ trải nghiệm sự chuyển động bình thường trong thời gian. Đồng thời, bong bóng tự nó nén không-thời gian trước tàu và mở rộng phía sau tàu, di chuyển nhanh chóng cùng với tàu chứa bên trong. Các bức tường của bong bóng tạo ra đà cần thiết, tương tự như đà của các quả bóng lăn, Fuchs giải thích. "Chính sự chuyển động của vật chất trong các bức tường tạo ra hiệu ứng cho hành khách bên trong."
Dựa trên bài báo năm 2021 của họ được xuất bản trong Classical and Quantum Gravity - nêu rõ công trình trước đó của các nhà nghiên cứu về các động cơ warp vật lý, nhóm nghiên cứu đã có thể mô phỏng độ phức tạp của hệ thống bằng chương trình tính toán riêng của họ, Warp Factory. Bộ công cụ này cho phép các nhà nghiên cứu đánh giá các phương trình trường của Einstein và tính toán các điều kiện năng lượng cần thiết cho các hình dạng động cơ warp khác nhau. Bất kỳ ai cũng có thể tải xuống và sử dụng miễn phí. Những thí nghiệm này dẫn đến cái mà Fuchs gọi là mô hình mini, mô hình chung đầu tiên của một động cơ warp năng lượng dương. Các công trình trước đó cũng chứng minh rằng lượng năng lượng mà bong bóng warp yêu cầu phụ thuộc vào hình dạng của bong bóng; ví dụ, bong bóng càng phẳng trong phương di chuyển, lượng năng lượng cần thiết càng ít.
Cải tiến mới nhất này gợi ý những khả năng mới cho việc nghiên cứu thiết kế du hành warp, Erik Lentz, tiến sĩ, nói với Popular Mechanics. Trong vị trí hiện tại của mình là một nhà vật lý tại Pacific Northwest National Laboratory ở Richland, Washington, Lentz đóng góp vào nghiên cứu phát hiện vật chất tối và khoa học thông tin lượng tử. Nghiên cứu độc lập của ông về lý thuyết động cơ warp cũng nhằm được định hình từ vật lý truyền thống trong khi tái thiết kế hình dạng của không gian bị biến dạng. Tuy nhiên, chủ đề này cần vượt qua nhiều rào cản thực tiễn.
Việc kiểm soát các bong bóng warp đòi hỏi sự phối hợp lớn vì chúng liên quan đến khối lượng và năng lượng khổng lồ để giữ cho hành khách an toàn và trải qua thời gian tương tự như ở đích. "Chúng ta có thể thiết kế không gian nơi thời gian trôi qua rất khác nhau bên trong [khoang hành khách] so với bên ngoài. Chúng ta có thể lỡ hẹn với Proxima Centauri nếu không cẩn thận," Lentz nói. "Điều đó vẫn là một rủi ro nếu chúng ta di chuyển chậm hơn tốc độ ánh sáng." Giao tiếp giữa những người bên trong bong bóng và bên ngoài cũng có thể bị méo mó khi đi qua độ cong của không gian bị biến dạng.
Mặc dù giải pháp hiện tại của Applied Physics yêu cầu một động cơ warp di chuyển thấp hơn tốc độ ánh sáng, mô hình này vẫn cần có một khối lượng tương đương với khoảng hai Sao Mộc. Nếu không, nó sẽ không bao giờ đạt được lực hấp dẫn và đà đủ lớn để tạo ra hiệu ứng warp có ý nghĩa. Nhưng chưa ai biết nguồn gốc của khối lượng này là gì - ít nhất là chưa. Một số nghiên cứu cho rằng nếu chúng ta có thể nào đó khai thác vật chất tối, chúng ta có thể sử dụng nó cho du hành với tốc độ ánh sáng, nhưng Fuchs và Martire không mấy lạc quan, vì hiện tại đó vẫn là một bí ẩn (và là một loại hạt kỳ lạ).
Dù còn nhiều vấn đề mà các nhà khoa học cần giải quyết để xây dựng một động cơ warp hoạt động, nhóm nghiên cứu ở Applied Physics tự tin rằng mô hình của họ sẽ dần gần hơn với tốc độ ánh sáng. Và ngay cả khi một mô hình khả thi vẫn ở dưới tốc độ ánh sáng, đó cũng là một cải tiến lớn so với công nghệ hiện tại. Ví dụ, nếu di chuyển với một nửa tốc độ ánh sáng tới Alpha Centauri, sẽ mất chín năm. Trong khi đó, tàu vũ trụ nhanh nhất của chúng ta, Voyager 1 - hiện đang di chuyển với tốc độ 61.000 km/h - sẽ mất tới 75.000 năm để đến được hệ sao gần nhất của chúng ta.
Đương nhiên, khi bạn tiến gần tới tốc độ ánh sáng, mọi thứ trở nên khá kỳ lạ, theo các nguyên lý của thuyết tương đối đặc biệt của Einstein. Khối lượng của một vật thể di chuyển càng nhanh sẽ tăng lên vô hạn, cuối cùng yêu cầu một lượng năng lượng vô hạn để duy trì tốc độ của nó.
“Đó chính là giới hạn chính và thách thức lớn mà chúng ta phải vượt qua - làm thế nào để có tất cả khối lượng này trong bong bóng của chúng ta, nhưng không đến mức mà chúng ta không thể tập hợp nó lại?” Martire nói. Rất có thể câu trả lời nằm ở vật lý vật chất ngưng tụ, ông cho biết thêm. Ngành vật lý này nghiên cứu đặc biệt về các lực trong giữa các nguyên tử và electron trong vật chất. Nó đã chứng minh là rất quan trọng cho nhiều công nghệ của chúng ta hiện nay, như transistor, laser rắn và phương tiện lưu trữ từ.
Một vấn đề lớn khác là các mô hình hiện tại cho phép bong bóng warp hoạt động ổn định, nhưng chỉ ở tốc độ liên tục. Các nhà khoa học vẫn cần tìm hiểu cách thiết kế một gia tốc ban đầu. Ở đầu kia của hành trình, tàu sẽ dừng lại và hạ cánh như thế nào? “Đó giống như cố gắng nắm bắt chiếc xe hơi lần đầu tiên,” Martire nói. “Chúng tôi vẫn chưa có động cơ, nhưng chúng tôi thấy ánh sáng ở cuối đường hầm.” Công nghệ động cơ warp hiện đang ở giai đoạn của công nghệ xe hơi vào năm 1882, theo như ông nói: khi việc đi lại bằng ô tô có thể, nhưng vẫn là một bài toán khó khăn.
Đội ngũ Applied Physics tin rằng những đổi mới trong việc du hành warp là điều không thể tránh khỏi. Mô hình năng lượng dương chung là bước đầu tiên. Hơn nữa, bạn không cần phải bay với tốc độ ánh sáng để đạt được những khoảng cách mà hiện nay vẫn chỉ còn là ước mơ, Martire nói. “Nhân loại chính thức, về mặt toán học, đang trên con đường liên sao.”
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a60941082/light-speed-warp-drive-breakthrough/
