Du hành giữa các vì sao với tốc độ nhanh hơn ánh sáng, một giấc mơ viễn tưởng được biết đến qua các bộ phim như "Star Trek", từ lâu đã được coi là bất khả thi về mặt vật lý. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đang thổi một luồng sinh khí mới vào khái niệm này, đề xuất một mô hình toán học tổng quát cho "động cơ bẻ cong không gian" (warp drive) có thể loại bỏ những rào cản lớn nhất từng khiến ý tưởng này chỉ tồn tại trong lý thuyết.
Vấn Đề "Năng Lượng Âm" Của Động Cơ Alcubierre
Năm 1994, nhà vật lý Miguel Alcubierre đã đề xuất một giải pháp toán học hấp dẫn dựa trên Thuyết Tương đối rộng của Einstein. Lý thuyết của ông, được gọi là Động cơ Alcubierre (Alcubierre Drive), cho rằng có thể tạo ra một "bong bóng" trong không-thời gian. Bong bóng này sẽ co lại không gian ở phía trước và giãn nở không gian ở phía sau, cho phép một con tàu vũ trụ bên trong di chuyển nhanh hơn ánh sáng một cách hiệu quả mà không vi phạm các định luật vật lý cục bộ.
Tuy nhiên, ý tưởng này có một rào cản chí mạng: để tạo ra hiệu ứng này, nó đòi hỏi một lượng vật chất khổng lồ có mật độ năng lượng âm. Con số được đưa ra tương đương với khối lượng của Sao Mộc, nhưng lại là vật chất "âm". Đây là một loại vật chất kỳ lạ, chỉ tồn tại trên lý thuyết và có thể không tồn tại trong thực tế. Vì lý do này, động cơ Alcubierre phần lớn bị coi là một bài tập toán học thú vị nhưng phi thực tế.
Một Mô Hình Mới - Hướng Đi Thực Tế Hơn
Trong một nghiên cứu đột phá, các nhà vật lý Alexey Bobrick và Gianni Martire đã phát triển một mô hình tổng quát cho các động cơ bẻ cong không gian, bao gồm cả giải pháp của Alcubierre nhưng đồng thời mở ra những khả năng mới, thực tế hơn.
Những phát hiện chính của họ bao gồm:
- Động cơ dùng năng lượng dương: Lần đầu tiên, họ trình bày một mô hình động cơ bẻ cong không gian đối xứng hình cầu có thể, về nguyên tắc, được chế tạo chỉ bằng vật chất thông thường có năng lượng dương. Thay vì dùng năng lượng âm để giãn nở không-thời gian, họ đề xuất sử dụng lực hấp dẫn cực lớn từ vật chất thông thường để bẻ cong nó. Mặc dù điều này vẫn đòi hỏi khối lượng ở cấp độ hành tinh – vượt xa khả năng công nghệ hiện tại – nó đã chuyển vấn đề từ "bất khả thi về mặt vật lý" sang "thách thức khổng lồ về mặt kỹ thuật".
- Giảm thiểu yêu cầu năng lượng âm: Ngay cả đối với các thiết kế kiểu Alcubierre, mô hình tối ưu hóa của họ cũng làm giảm yêu cầu về năng lượng âm xuống nhiều bậc độ lớn.
- Cần có động cơ đẩy thông thường: Họ chứng minh rằng bất kỳ "bong bóng" bẻ cong không gian nào thực chất là một lớp vỏ vật chất di chuyển theo quán tính. Điều này có nghĩa là bản thân "bong bóng" đó vẫn cần một hệ thống động cơ đẩy (như tên lửa) để tăng tốc và di chuyển. Động cơ bẻ cong không gian không tự tạo ra lực đẩy, mà chỉ thay đổi cấu trúc không-thời gian xung quanh một vật thể đang di chuyển.
Phân Loại Các "Động Cơ Bẻ Cong Không Gian" Tương Lai
Dựa trên mô hình mới, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một hệ thống phân loại các loại động cơ bẻ cong không gian tiềm năng:
Loại I: Động cơ dưới tốc độ ánh sáng (Subluminal)
- Di chuyển chậm hơn tốc độ ánh sáng. Đây được coi là loại thực tế nhất và khả thi về mặt vật lý nhất, có thể được chế tạo bằng vật chất thông thường. Hiệu ứng chính của nó không phải là du hành siêu tốc mà là làm thay đổi dòng thời gian. Các đồng hồ bên trong bong bóng sẽ chạy nhanh hoặc chậm hơn đáng kể so với bên ngoài. Điều này có thể giúp giảm thời gian cảm nhận được của phi hành đoàn trong các chuyến đi dài ngày.
Loại II: Động cơ siêu tốc (Superluminal)
- Di chuyển bằng hoặc nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, loại này đòi hỏi sự tồn tại của "vật chất siêu tối đa" (superluminal matter), một dạng vật chất vi phạm các điều kiện năng lượng đã biết và được cho là không thể tồn tại. Do đó, loại này có thể là bất khả thi.
Loại III: Động cơ siêu hạng (Superluminal "Unreachable")
- Di chuyển nhanh hơn ánh sáng so với người quan sát từ xa. Vấn đề của loại này là nó dường như không thể được khởi động từ trạng thái đứng yên. Về cơ bản, một người quan sát bên ngoài không thể "bắt kịp" để tương tác với nó. Nó cũng có thể dẫn đến các nghịch lý về du hành thời gian.
Loại IV: Động cơ dưới tốc độ ánh sáng 'Cực Đoan' (Extreme Subluminal)
- Di chuyển chậm hơn ánh sáng, nhưng có một cấu trúc bên trong kỳ lạ nơi không có người quan sát nào có thể ở trạng thái nghỉ. Đây là một dạng toán học kỳ lạ và không thực tế để chế tạo một con tàu chở người.
Kết luận: Mặc dù chúng ta vẫn còn rất xa mới có thể chế tạo được một động cơ bę cong không gian, nghiên cứu mới này là một bước tiến lý thuyết cực kỳ quan trọng. Nó đã chuyển cuộc thảo luận từ lĩnh vực khoa học viễn tưởng sang vật lý lý thuyết nghiêm túc, bằng cách đưa ra một con đường tiềm năng dựa trên các nguyên tắc vật lý mà nhân loại đã biết ngày nay, và vạch ra một lộ trình rõ ràng hơn cho những gì khả thi và bất khả thi trong tương lai.
