Một khám phá khoa học đột phá vừa trao cho nhân loại chìa khóa để du lịch giữa các vì sao. Lần đầu tiên, một hệ thống warp drive thực sự tuân theo các quy luật vật lý.
Nhìn lại các tập phim của "Star Trek", chuyến phiêu lưu của phi hành đoàn tàu USS Enterprise rất dễ dàng, như khởi động một chiếc xe hơi, khi họ di chuyển xuyên không gian với tốc độ vượt quá ánh sáng. Mô hình du hành giữa các vì sao trong phim khoa học viễn tưởng này đã truyền cảm hứng cho nhà vật lý người Mexico, Miguel Alcubierre Moya, nghiên cứu khả năng của một phương pháp thực tế để di chuyển với tốc độ ánh sáng. Nhiều thập kỷ sau, ông đã công bố nghiên cứu tiên tiến của mình, khiến cộng đồng các nhà vật lý lý thuyết vô cùng bất ngờ. Hệ thống warp drive mang tên ông, Alcubierre, giả thuyết rằng nó có thể co rút không-thời gian phía trước một tàu vũ trụ trong khi mở rộng không-thời gian ở phía sau nó, giúp tàu di chuyển từ điểm A đến điểm B với tốc độ "phóng đại". Một người quan sát bên ngoài "bong bóng warp" của tàu sẽ thấy tàu di chuyển nhanh hơn ánh sáng, trong khi những người bên trong tàu sẽ không cảm nhận được lực gia tốc.
Nếu warp drive siêu ánh sáng như của Alcubierre hoạt động, nó sẽ cách mạng hóa những nỗ lực của nhân loại trong việc khám phá vũ trụ, cho phép chúng ta có thể đến Alpha Centauri, hệ sao gần nhất, chỉ trong vài ngày hoặc vài tuần, mặc dù khoảng cách là bốn năm ánh sáng.
Tuy nhiên, hệ thống Alcubierre vẫn gặp một vấn đề lớn: lực đằng sau nó, được gọi là "năng lượng âm", liên quan đến các hạt kỳ lạ - những dạng vật chất giả định mà theo kiến thức của chúng ta, không tồn tại trong vũ trụ. Các hạt này được mô tả chỉ bằng các thuật ngữ toán học và có những hành vi bất ngờ, như có khối lượng âm và làm việc đối nghịch với lực hấp dẫn, thực tế, nó có "chống hấp dẫn". Trong suốt 30 năm qua, các nhà khoa học đã công bố nghiên cứu nhằm giải quyết các trở ngại vốn có cho việc di chuyển với tốc độ ánh sáng mà bài báo cơ sở của Alcubierre đã chỉ ra vào năm 1994.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại think tank Applied Physics có trụ sở tại New York tin rằng họ đã tìm ra cách tiếp cận sáng tạo mới để giải quyết rào cản cơ bản của warp drive. Cùng với các đồng nghiệp từ các tổ chức khác, nhóm này đã hình dung ra một hệ thống "năng lượng dương" không vi phạm các quy luật vật lý đã biết. Đây là một bước ngoặt lớn, như lời khẳng định của hai tác giả 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 công bố trong tạp chí Classical and Quantum Gravity vào cuối tháng Tư, có thể là chương đầu tiên trong cẩm nang cho chuyến bay giữa các vì sao.
Năng lượng dương tạo nên sự khác biệt. Hãy hình dung 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 lại, đến mức có thể "lấy tay bạn ra" nếu bạn đẩy với đủ lực, Martire cho biết. Đó là dấu hiệu của năng lượng âm, và mặc dù thiết kế của hệ thống Alcubierre yêu cầu nó, nhưng không có cách nào để khai thác nó.
Thay vào đó, năng lượng dương thông thường có vẻ khả thi hơn để xây dựng "bong bóng warp". Như tên gọi của nó, đây là một cấu trúc hình cầu bao quanh không gian cho một tàu chở hành khách bằng một lớp vật chất thông thường nhưng vô cùng đặc. Bong bóng này đẩy tàu vũ trụ bằng cách sử dụng lực hấp dẫn mạnh mẽ của lớp vỏ, nhưng không làm cho hành khách cảm nhận được bất kỳ gia tốc nào. "Một chuyến đi thang máy còn thú vị hơn", Martire nói.
Điều này là vì độ đặc của lớp vỏ, cũng như áp suất mà nó tác động lên bên trong, được điều khiển một cách cẩn thận. Không có gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, theo các nguyên tắc về lực hấp dẫn trong lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Do đó, bong bóng được thiết kế sao cho những người bên trong môi trường không-thời gian của họ - bên trong bong bóng - sẽ trải nghiệm chuyển động bình thường trong thời gian. Đồng thời, bong bóng tự nén không-thời gian trước tàu và mở rộng nó phía sau tàu, giúp tàu và những gì bên trong di chuyển với tốc độ cực nhanh. Các bức tường của bong bóng tạo ra động lượng cần thiết, giống như động lượng của những quả bóng lăn. "Chính sự di chuyển của vật chất trong các bức tường tạo ra hiệu ứng cho hành khách bên trong", Fuchs giải thích.
Dựa trên bài báo năm 2021 được công bố trên Classical and Quantum Gravity - chi tiết công việc trước đây của cùng nhóm nghiên cứu về các hệ thống warp drives vật lý - nhóm đã có thể mô hình hóa sự phức tạp của hệ thống bằng chương trình máy tính của riêng mình, 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 học warp drive khác nhau. Ai cũng có thể tải xuống và sử dụng miễn phí. Những thí nghiệm này đã dẫn đến cái mà Fuchs gọi là mô hình mini, mô hình chung đầu tiên của một warp drive năng lượng dương. Công việc trước đây của họ cũng đã chứng minh rằng lượng năng lượng mà một bong bóng warp yêu cầu phụ thuộc vào hình dạng của bong bóng; ví dụ, bong bóng càng phẳng theo hướng di chuyển, nó càng cần ít năng lượng hơn.
Sự phát triển mới nhất này gợi ý những khả năng mới cho việc nghiên cứu thiết kế du hành warp, Erik Lentz, Tiến sĩ, cho biết. Tại vị trí hiện tại của mình là nhà vật lý viên tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Thái Bình Dương ở Richland, Washington, Lentz góp phần vào các nghiên cứu về phát hiện vật chất tối và nghiên cứu khoa học thông tin lượng tử. Nghiên cứu độc lập của ông trong lý thuyết warp drive cũng nhằm mục tiêu được căn cứ trên vật lý thông thường trong khi hình dung lại hình dạng của không-thời gian cong. Chủ đề này cần vượt qua nhiều trở ngại thực tiễn, ông nói.
Việc điều khiển bong bóng warp cần rất nhiều phối hợp vì chúng liên quan đến khối lượng và năng lượng khổng lồ để giữ cho hành khách an toàn và thời gian trôi qua tương tự như ở đích đến. "Chúng ta cũng có thể thiết kế không-thời gian nơi mà thời gian trôi qua rất khác nhau bên trong [khoang hành khách] và bên ngoài. Chúng ta có thể trễ hẹn ở Proxima Centauri nếu không cẩn thận", Lentz nói. "Đó vẫn là một rủi ro nếu chúng ta di chuyển với tốc độ dưới ánh sáng." Việc giao tiếp giữa những người bên trong bong bóng và bên ngoài cũng có thể bị méo mó khi nó đi qua độ cong của không-thời gian cong, ông thêm vào.
Mặc dù giải pháp hiện tại của Applied Physics yêu cầu một warp drive di chuyển dưới tốc độ ánh sáng, mô hình vẫn cần có một khối lượng tương đương với khoảng hai hành tinh Jupite. Nếu không, nó sẽ không bao giờ đạt được lực hấp dẫn và động lượng đủ cao để tạo ra hiệu ứng warp có ý nghĩa. Nhưng không ai biết nguồn khối lượng này có thể đến từ đâu - ít nhất là chưa. Một số nghiên cứu gợi ý rằng nếu chúng ta có thể khai thác vật chất tối theo cách nào đó, chúng ta có thể sử dụng nó cho di chuyển với tốc độ ánh sáng, nhưng Fuchs và Martire hoài nghi, vì điều này hiện vẫn là một bí ẩn lớn (và là một hạt kỳ lạ).
Dù còn nhiều vấn đề mà các nhà khoa học cần giải quyết để xây dựng một warp drive hoạt động, nhóm Applied Physics khẳng định mô hình của họ cuối cùng nên gần hơn với tốc độ ánh sáng. Và ngay cả khi một mô hình khả thi vẫn dưới tốc độ ánh sáng, đó cũng là một cải tiến lớn so với công nghệ hiện tại. Ví dụ, việc di chuyển với tốc độ chỉ một nửa tốc độ ánh sáng đến Alpha Centauri sẽ mất chín năm. Trái ngược hoàn toàn với tàu vũ trụ nhanh nhất của chúng ta, Voyager 1 - hiện đang di chuyển với tốc độ 61.200 km/h - sẽ mất 75.000 năm để đến được hệ sao gần nhất của chúng ta.
Chắc chắn, khi bạn gần đến tốc độ ánh sáng, mọi thứ sẽ trở nên thực sự kỳ lạ, theo nguyên lý của lý 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 là giới hạn chính và thách thức lớn mà chúng ta phải vượt qua - làm thế nào để chúng ta có tất cả vật chất này trong [bong bóng] của mình mà không ở quy mô mà chúng ta không thể ghép nó lại được?" Martire nói. Có thể câu trả lời nằm trong vật lý chất đặc, ông thêm vào. Nhánh vật lý này đặc biệt liên quan đến các lực giữa các nguyên tử và electron trong vật chất. Nó đã được chứng minh là cơ bản cho một số công nghệ hiện tại của chúng ta, như transistor, laser rắn và phương tiện lưu trữ từ tính.
Một vấn đề lớn khác là các mô hình hiện tại cho phép một bong bóng warp ổn định, nhưng chỉ cho một tốc độ không đổi. Các nhà khoa học vẫn cần phải tìm ra cách thiết kế một sự gia tốc ban đầu. Ở đầu kia của chuyến đi, tàu sẽ làm thế nào để giảm tốc và dừng lại? "Điều đó giống như cố gắng nắm bắt ô tô lần đầu tiên", Martire nói. "Chúng ta vẫn chưa có động cơ, nhưng chúng ta nhìn thấy ánh sáng ở cuối đường hầm." Công nghệ warp drive đang ở giai đoạn công nghệ ô tô năm 1882, theo ông: khi di chuyển bằng ô tô là điều khả thi, nhưng vẫn trông như một vấn đề khó khăn.
Nhóm Applied Physics tin rằng những đổi mới trong 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 di chuyển với tốc độ ánh sáng để đạt được những khoảng cách mà ngày nay chỉ là một giấc mơ, Martire nói. "Nhân loại chính thức, về mặt toán học, đã trên một con đường liên sao."
Nhìn lại các tập phim của "Star Trek", chuyến phiêu lưu của phi hành đoàn tàu USS Enterprise rất dễ dàng, như khởi động một chiếc xe hơi, khi họ di chuyển xuyên không gian với tốc độ vượt quá ánh sáng. Mô hình du hành giữa các vì sao trong phim khoa học viễn tưởng này đã truyền cảm hứng cho nhà vật lý người Mexico, Miguel Alcubierre Moya, nghiên cứu khả năng của một phương pháp thực tế để di chuyển với tốc độ ánh sáng. Nhiều thập kỷ sau, ông đã công bố nghiên cứu tiên tiến của mình, khiến cộng đồng các nhà vật lý lý thuyết vô cùng bất ngờ. Hệ thống warp drive mang tên ông, Alcubierre, giả thuyết rằng nó có thể co rút không-thời gian phía trước một tàu vũ trụ trong khi mở rộng không-thời gian ở phía sau nó, giúp tàu di chuyển từ điểm A đến điểm B với tốc độ "phóng đại". Một người quan sát bên ngoài "bong bóng warp" của tàu sẽ thấy tàu di chuyển nhanh hơn ánh sáng, trong khi những người bên trong tàu sẽ không cảm nhận được lực gia tốc.
Nếu warp drive siêu ánh sáng như của Alcubierre hoạt động, nó sẽ cách mạng hóa những nỗ lực của nhân loại trong việc khám phá vũ trụ, cho phép chúng ta có thể đến Alpha Centauri, hệ sao gần nhất, chỉ trong vài ngày hoặc vài tuần, mặc dù khoảng cách là bốn năm ánh sáng.
Tuy nhiên, hệ thống Alcubierre vẫn gặp một vấn đề lớn: lực đằng sau nó, được gọi là "năng lượng âm", liên quan đến các hạt kỳ lạ - những dạng vật chất giả định mà theo kiến thức của chúng ta, không tồn tại trong vũ trụ. Các hạt này được mô tả chỉ bằng các thuật ngữ toán học và có những hành vi bất ngờ, như có khối lượng âm và làm việc đối nghịch với lực hấp dẫn, thực tế, nó có "chống hấp dẫn". Trong suốt 30 năm qua, các nhà khoa học đã công bố nghiên cứu nhằm giải quyết các trở ngại vốn có cho việc di chuyển với tốc độ ánh sáng mà bài báo cơ sở của Alcubierre đã chỉ ra vào năm 1994.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại think tank Applied Physics có trụ sở tại New York tin rằng họ đã tìm ra cách tiếp cận sáng tạo mới để giải quyết rào cản cơ bản của warp drive. Cùng với các đồng nghiệp từ các tổ chức khác, nhóm này đã hình dung ra một hệ thống "năng lượng dương" không vi phạm các quy luật vật lý đã biết. Đây là một bước ngoặt lớn, như lời khẳng định của hai tác giả 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 công bố trong tạp chí Classical and Quantum Gravity vào cuối tháng Tư, có thể là chương đầu tiên trong cẩm nang cho chuyến bay giữa các vì sao.
Năng lượng dương tạo nên sự khác biệt. Hãy hình dung 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 lại, đến mức có thể "lấy tay bạn ra" nếu bạn đẩy với đủ lực, Martire cho biết. Đó là dấu hiệu của năng lượng âm, và mặc dù thiết kế của hệ thống Alcubierre yêu cầu nó, nhưng không có cách nào để khai thác nó.
Thay vào đó, năng lượng dương thông thường có vẻ khả thi hơn để xây dựng "bong bóng warp". Như tên gọi của nó, đây là một cấu trúc hình cầu bao quanh không gian cho một tàu chở hành khách bằng một lớp vật chất thông thường nhưng vô cùng đặc. Bong bóng này đẩy tàu vũ trụ bằng cách sử dụng lực hấp dẫn mạnh mẽ của lớp vỏ, nhưng không làm cho hành khách cảm nhận được bất kỳ gia tốc nào. "Một chuyến đi thang máy còn thú vị hơn", Martire nói.
Điều này là vì độ đặc của lớp vỏ, cũng như áp suất mà nó tác động lên bên trong, được điều khiển một cách cẩn thận. Không có gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, theo các nguyên tắc về lực hấp dẫn trong lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Do đó, bong bóng được thiết kế sao cho những người bên trong môi trường không-thời gian của họ - bên trong bong bóng - sẽ trải nghiệm chuyển động bình thường trong thời gian. Đồng thời, bong bóng tự nén không-thời gian trước tàu và mở rộng nó phía sau tàu, giúp tàu và những gì bên trong di chuyển với tốc độ cực nhanh. Các bức tường của bong bóng tạo ra động lượng cần thiết, giống như động lượng của những quả bóng lăn. "Chính sự di chuyển của vật chất trong các bức tường tạo ra hiệu ứng cho hành khách bên trong", Fuchs giải thích.
Dựa trên bài báo năm 2021 được công bố trên Classical and Quantum Gravity - chi tiết công việc trước đây của cùng nhóm nghiên cứu về các hệ thống warp drives vật lý - nhóm đã có thể mô hình hóa sự phức tạp của hệ thống bằng chương trình máy tính của riêng mình, 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 học warp drive khác nhau. Ai cũng có thể tải xuống và sử dụng miễn phí. Những thí nghiệm này đã dẫn đến cái mà Fuchs gọi là mô hình mini, mô hình chung đầu tiên của một warp drive năng lượng dương. Công việc trước đây của họ cũng đã chứng minh rằng lượng năng lượng mà một bong bóng warp yêu cầu phụ thuộc vào hình dạng của bong bóng; ví dụ, bong bóng càng phẳng theo hướng di chuyển, nó càng cần ít năng lượng hơn.
Sự phát triển mới nhất này gợi ý những khả năng mới cho việc nghiên cứu thiết kế du hành warp, Erik Lentz, Tiến sĩ, cho biết. Tại vị trí hiện tại của mình là nhà vật lý viên tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Thái Bình Dương ở Richland, Washington, Lentz góp phần vào các nghiên cứu về phát hiện vật chất tối và nghiên cứu khoa học thông tin lượng tử. Nghiên cứu độc lập của ông trong lý thuyết warp drive cũng nhằm mục tiêu được căn cứ trên vật lý thông thường trong khi hình dung lại hình dạng của không-thời gian cong. Chủ đề này cần vượt qua nhiều trở ngại thực tiễn, ông nói.
Việc điều khiển bong bóng warp cần rất nhiều phối hợp vì chúng liên quan đến khối lượng và năng lượng khổng lồ để giữ cho hành khách an toàn và thời gian trôi qua tương tự như ở đích đến. "Chúng ta cũng có thể thiết kế không-thời gian nơi mà thời gian trôi qua rất khác nhau bên trong [khoang hành khách] và bên ngoài. Chúng ta có thể trễ hẹn ở Proxima Centauri nếu không cẩn thận", Lentz nói. "Đó vẫn là một rủi ro nếu chúng ta di chuyển với tốc độ dưới ánh sáng." Việc giao tiếp giữa những người bên trong bong bóng và bên ngoài cũng có thể bị méo mó khi nó đi qua độ cong của không-thời gian cong, ông thêm vào.
Mặc dù giải pháp hiện tại của Applied Physics yêu cầu một warp drive di chuyển dưới tốc độ ánh sáng, mô hình vẫn cần có một khối lượng tương đương với khoảng hai hành tinh Jupite. Nếu không, nó sẽ không bao giờ đạt được lực hấp dẫn và động lượng đủ cao để tạo ra hiệu ứng warp có ý nghĩa. Nhưng không ai biết nguồn khối lượng này có thể đến từ đâu - ít nhất là chưa. Một số nghiên cứu gợi ý rằng nếu chúng ta có thể khai thác vật chất tối theo cách nào đó, chúng ta có thể sử dụng nó cho di chuyển với tốc độ ánh sáng, nhưng Fuchs và Martire hoài nghi, vì điều này hiện vẫn là một bí ẩn lớn (và là một hạt kỳ lạ).
Dù còn nhiều vấn đề mà các nhà khoa học cần giải quyết để xây dựng một warp drive hoạt động, nhóm Applied Physics khẳng định mô hình của họ cuối cùng nên gần hơn với tốc độ ánh sáng. Và ngay cả khi một mô hình khả thi vẫn dưới tốc độ ánh sáng, đó cũng là một cải tiến lớn so với công nghệ hiện tại. Ví dụ, việc di chuyển với tốc độ chỉ một nửa tốc độ ánh sáng đến Alpha Centauri sẽ mất chín năm. Trái ngược hoàn toàn với tàu vũ trụ nhanh nhất của chúng ta, Voyager 1 - hiện đang di chuyển với tốc độ 61.200 km/h - sẽ mất 75.000 năm để đến được hệ sao gần nhất của chúng ta.
Chắc chắn, khi bạn gần đến tốc độ ánh sáng, mọi thứ sẽ trở nên thực sự kỳ lạ, theo nguyên lý của lý 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 là giới hạn chính và thách thức lớn mà chúng ta phải vượt qua - làm thế nào để chúng ta có tất cả vật chất này trong [bong bóng] của mình mà không ở quy mô mà chúng ta không thể ghép nó lại được?" Martire nói. Có thể câu trả lời nằm trong vật lý chất đặc, ông thêm vào. Nhánh vật lý này đặc biệt liên quan đến các lực giữa các nguyên tử và electron trong vật chất. Nó đã được chứng minh là cơ bản cho một số công nghệ hiện tại của chúng ta, như transistor, laser rắn và phương tiện lưu trữ từ tính.
Một vấn đề lớn khác là các mô hình hiện tại cho phép một bong bóng warp ổn định, nhưng chỉ cho một tốc độ không đổi. Các nhà khoa học vẫn cần phải tìm ra cách thiết kế một sự gia tốc ban đầu. Ở đầu kia của chuyến đi, tàu sẽ làm thế nào để giảm tốc và dừng lại? "Điều đó giống như cố gắng nắm bắt ô tô lần đầu tiên", Martire nói. "Chúng ta vẫn chưa có động cơ, nhưng chúng ta nhìn thấy ánh sáng ở cuối đường hầm." Công nghệ warp drive đang ở giai đoạn công nghệ ô tô năm 1882, theo ông: khi di chuyển bằng ô tô là điều khả thi, nhưng vẫn trông như một vấn đề khó khăn.
Nhóm Applied Physics tin rằng những đổi mới trong 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 di chuyển với tốc độ ánh sáng để đạt được những khoảng cách mà ngày nay chỉ là một giấc mơ, Martire nói. "Nhân loại chính thức, về mặt toán học, đã trên một con đường liên sao."
