Du hành qua không gian mênh mông bao la và thời gian ra sao

Du hành qua không gian mênh mông 

bao la và thời gian ra sao

Tàu Daedalus

Khoảng cách trung bình từ các ngôi sao tới chúng ta là rất lớn, từ vài năm đến vài chục năm ánh sáng (một năm ánh sáng bằng khoảng 10 nghìn tỉ km). Ví dụ là sao Beta Andromedae, nằm cách chúng ta khoảng bảy mươi lăm năm ánh sáng. Giả sử rằng Beta Andromedae nổ tung thứ ba vừa rồi, chúng ta sẽ không biết điều này cho tới bảy mươi lăm năm sau, bởi vì thông tin thú vị này được truyền đi với tốc độ ánh sáng cần phải có bảy mươi lăm năm để băng qua khoảng cách liên sao khổng lồ.

Hai tàu du hành vũ trụ liên sao Voyager, cỗ máy di chuyển nhanh nhất trong lịch sử được phóng từ trái đất, đang bay với tốc độ chỉ bằng một phần mười nghìn tốc độ ánh sáng. Với hai tàu này, chúng mất tới 40.000 năm để đi đến được ngôi sao gần nhất.
Einstein tự hỏi thế giới sẽ ra sao nếu bạn có thể di chuyển trên một làn sóng ánh sáng. Ông chỉ ra trong lý thuyết tương đối hẹp rằng ánh sáng (phản xạ hay phát xạ) từ một vật thể là bằng nhau cho dù vật thể đó đang chuyển động hay đứng yên, và không có vật thể nào có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Không có gì trong vật lý ngăn không cho bạn di chuyển gần tốc độ ánh sáng nếu bạn muốn. Bạn có thể đi với 99,9 9999999 phần trăm của tốc độ ánh sáng nhưng không thể là 100 phần trăm.

Chúng ta nghe thấy tiếng rắc khi quất một sợi dây da dài vào không khí bởi vì đầu của nó di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh, thành một dạng sóng xung kích tạo nên một tiếng nổ nhỏ. Có thời người ta nghĩ rằng máy bay không thể đi nhanh hơn âm thanh. Ngày nay máy bay siêu âm quá là phổ biến. Nhưng rào cản ánh sáng rất khác so với rào cản âm thanh. Đây không chỉ đơn thuần là một vấn đề kỹ thuật như vấn đề của máy bay siêu âm. Đây là một quy luật cơ bản của tự nhiên mà ta đã chứng thực, ít nhất là cho đến lúc này. Máy gia tốc hạt nhân và đồng hồ nguyên tử đưa ra những đo đạc phù hợp một cách định lượng và chính xác với thuyết tương đối hẹp. Carl Sagan (1934-1996) một nhà thiên văn học nổi tiếng người Mỹ nổi tiếng với các nghiên cứu về sự sống bên ngoài trái đất. Ông đồng sáng lập hội hành tinh học của Mỹ và là người đề xuất nhiều ý tưởng tìm kiếm sự sống bên ngoài trái đất. Một trong những ý tưởng đó là gửi các thông điệp lên không ga trên hai vệ tinh Voyager 1 và 2 thông báo về sự tồn tại của con người ở trái đất, với hy vọng một ngày nào đó các thông điệp này sẽ đến được người ngoài hành tinh, nếu có. Ông còn một cây bút rất nổi tiếng chuyên viết sách khoa học và tiểu thuyết khoa học viễn tưởng, từng đoạt giải Pulitzer năm 1978. Bộ phim tài liệu Vũ trụ của ông là một trong những bộ phim ăn khách nhất trên thế giới, thậm chí cho đến nay.

Hãy tưởng tượng rằng bạn đang đi với tốc độ ánh sáng trên một chiếc xe tay ga. Khi tốc độ tăng lên, bạn bắt đầu nhìn thấy xung quanh góc cạnh của các vật thể mà bạn vừa vượt qua. Trong khi để mắt về phía trước, những vật thể phía sau bạn xuất hiện trong khu vực tiếp theo của tầm nhìn. Gần tốc độ ánh sáng, từ góc nhìn của mình, thế giới trông rất kì lạ - gần như tất cả mọi vật co lại trông một khung cửa tròn bé tí nằm trước mắt. Từ góc độ của một người quan sát đứng yên, ánh sáng phản xạ từ bạn chuyển sang đỏ khi bạn đi ra xa và chuyển sang xanh khi bạn hướng ngược trở lại. Nếu di chuyển hướng tới người quan sát gần với tốc độ ánh sáng, bạn dường như được bao bọc trong một vỏ bọc bức xạ sáng rực một cách kì lạ: bức xạ hồng ngoại thường không nhìn thấy được của bạn bị xê dịch qua các bước sóng ngắn hơn nhìn thấy được. Bạn bị nén trong hướng chuyển động, khối lượng gia tăng, và thời gian mà bạn cảm thấy chậm lại, một hệ quả quan trọng của việc di chuyển gần tốc độ ánh sáng được gọi là sự giãn nở thời gian. Nhưng từ góc độ của một người quan sát chuyển động cùng với bạn-có lẽ trong chiếc ghế khác của chiếc xe- không có tác động nào xảy ra.
Di chuyển gần tốc độ ánh sáng sẽ khó làm bạn già đi, nhưng bạn bè và người thân của bạn ở nhà của bạn sẽ lão hóa như bình thường. Khi bạn quay về nhà sau cuộc hành trình theo thuyết tương đối, bạn trở nên quá khác biệt so với bạn bè, họ đã già đi nhiều chục tuổi, trong khi bạn hầu như chẳng già đi tí nào cả! Bởi vì thời gian chậm lại khi đi gần với tốc độ ánh sáng, thuyết tương đối hẹp cung cấp chúng ta một phương tiện để đi đến các vì sao. Nhưng liệu nó có khả thi về mặt kỹ thuật thực tế để di chuyển gần tốc độ ánh sáng hay không? Liệu tàu liên sao có khả thi?

Các dự án tàu liên sao
Năm 1939 khi một nhóm kỹ sư người Anh tự nhận là hội liên hành tinh vương quốc Anh thiết kế một con tàu để đem người lên Mặt Trăng - sử dụng công nghệ năm 1939. Đương nhiên là nó chẳng giống thiết kế của con tàu vũ trụ Apollo được hoàn thành đúng ba thập lỷ sau đó tí nào, nhưng nó gợi ý rằng sứ mệnh lên mặt trăng có thể ngày nào đó sẽ khả thi về mặt kỹ thuật thực tế.
Hiện nay chúng ta đã thiết kế sơ bộ cho tàu đưa người đến các ngôi sao. Không có chiếc nào được thiết kế để phóng trực tiếp từ trái đất. Thay vào đó, chúng được xây dựng trên quỹ đạo trái đất mà từ đó chúng bắt đầu cuộc hành trình liên sao dài dằng dẳng. Một trong những dự án đó là kế hoạch Orion, được đặt tên theo tên của chòm sao, một lời nhắc nhở mục tiêu cuối cùng của con tàu là các ngôi sao. Orion được thiết kế để sử dụng một chuỗi các vụ nổ của bom hydrogen, vũ khí hạt nhân, đẩy vào một tấm chắn quán tính. Orion có vẻ như hoàn toàn khả thi về khía cạnh kỹ thuật. Nhưng vì lượng lớn các mảnh vỡ phóng xạ mà nó phóng ra trong môi trường trống rỗng liên hành tinh hoặc liên sao, Orion chỉ phát triển tại Hoa Kỳ cho đến khi việc ký kết hiệp ước quốc tế cấm các vụ nổ vũ khí hạt nhân trong không gian. Đối với tôi đây là một điều đáng tiếc lớn. Tàu liên sao Orion là trường hợp sử dụng tốt nhất vũ khí hạt nhân cho các mục đích tốt đẹp mà tôi có thể nghĩ đến.
Dự án Daedalus là một thiết kế gần đây của Hội liên hành tinh vương quốc Anh. Dự án giả sử sự tồn tại của một lò phản ứng nhiệt hạch hạt nhân - một cái gì đó an toàn hơn và hiệu quả hơn nhiều so với các nhà máy điện phân hạch hiện nay. Ta chưa có lò phản ứng nhiệt hạch, nhưng người ta đang chờ đợi nó xuất hiện trong vài thập niên tới. Orion và Daedalus có thể bay với tốc độ bằng 10 phần trăm tốc độ ánh sáng. Một chuyến đi đến Alpha Centauri, cách ta 4,3 năm ánh sáng, sẽ mất bốn mươi ba năm, ít hơn một đời người. Con tàu như vậy không thể di chuyển đủ gần với tốc độ ánh sáng để sự giãn nở thời gian tương đối đặc biệt trở nên quan trọng. Ngay cả với các dự án lạc quan về phát triển công nghệ của chúng ta, việc chế tạo Orion, Daedalus hay cái gì đó tương tự chưa trong nửa đầu thế kỷ XXI, mặc dù nếu muốn chúng ta vẫn có thể chế tạo Orion ngay từ bây giờ.

Tàu Orion

Đối với chuyến đi vượt ra ngoài các ngôi sao gần nhất, người ta phải làm cái gì khác. Có lẽ Orion và Daedalus có thể được sử dụng như tàu đa thế hệ, như vậy những người đi đến một hành tinh ở một ngôi sao khác sẽ là hậu duệ xa của những người đã đề ra dự án một vài thế kỷ trước. Hoặc có lẽ một phương pháp ngủ đông an toàn cho con người sẽ được tìm ra, để các nhà du hành vũ trụ có thể ngừng hoạt động và thức tỉnh lại vài thế kỷ sau đó. Những con tàu-liên-sao-phi-tương-đối vô cùng tốn kém, có vẻ tương đối dễ dàng thiết kế, chế tạo và sử dụng so với tàu liên sao bay gần tốc độ ánh sáng.
Tàu vũ trụ liên sao tốc độ cao - với vận tốc tàu gần bằng tốc độ ánh sáng không phải là mục tiêu trăm năm mà là mục tiêu một ngàn thậm chí mười ngàn năm. Nhưng về nguyên tắc điều đó có thể. Một loại máy bay phản lực liên sao được đề xuất bởi R.W. Bussard sẽ hút lấy các vật chất khuếch tán, chủ yếu là nguyên tử hydro, trôi nổi giữa các vì sao, gia tốc nó thành một động cơ nhiệt hạch rồi tống nó trở lại ra ngoài. Hydro vừa được sử dụng làm nhiên liệu vừa là và chất xúc tác. Nhưng trong không gian sâu thẳm chỉ có khoảng một nguyên tử hydro mỗi mười cm3, thể tích của một quả nho. Để các máy bay phản lực hoạt động được, nó cần phải nuốt hết vật chất trong hàng trăm cây số trước mặt. Khi tàu đạt đến vận tốc tương đối, các nguyên tử hydro sẽ di chuyển đối với tàu không gian ở gần tốc độ ánh sáng. Nếu không xem xét các biện pháp phòng ngừa thích hợp, các tàu không gian và hành khách trên đó sẽ bị chiên giòn bởi các các tia vũ trụ vừa mới tạo ra này. Một giải pháp được đề xuất là sử dụng tia laser để tách electron ra khỏi nguyên tử trong môi trường liên sao và làm cho chúng tính điện khi chúng vẫn còn nằm ở khoảng cách rất xa, dùng một từ trường cực mạnh làm chệch hướng các nguyên tử tích điện vào cái muỗng hứng nằm cách xa phần còn lại của con tàu.

Các mẫu thiết kế của tàu Orion, Daedalus và tàu phản lực Bussard có lẽ khác hơn rất nhiều các tàu liên sao mà ta sẽ chế tạo trong thực tế một ngày nào đó so với sự khác nhau giữa mô hình máy bay của Leonardo ngày xưa với máy bay siêu thanh bây giờ. Nhưng nếu chúng ta không tự hủy diệt chính mình, tôi tin rằng một ngày nào đó chúng ta sẽ có khả năng đến được các vì sao khác. Khi hệ mặt trời đã được khám phá, hành tinh của các ngôi sao khác sẽ phất cờ vẫy gọi.
Di chuyển trong không gian và thời gian luôn quan hệ với nhau. Chúng ta chỉ có thể đi nhanh vào không gian bằng cách đi nhanh vào tương lai. Nhưng liệu ta có thể quay trở về quá khứ và thay đổi quá khứ? Liệu chúng ta có thể làm các sự kiện diễn ra khác với những gì mà các cuốn sách lịch sử khẳng định? Chúng ta luôn đi vào tương lai theo tốc độ một ngày trên một ngày. Với tàu vũ trụ tương đối chúng ta có thể đi nhanh hơn vào tương lai. Tuy nhiên, nhiều nhà vật lí tin rằng di chuyển ngược về quá khứ là không thể. Thậm chí nếu bạn có một thiết bị có thể đi ngược thời gian, họ nói, bạn sẽ chẳng thể thay đổi bất cứ điều gì cả. Nếu bạn đi vào quá khứ và ngăn chặn bố mẹ bạn gặp nhau thì bạn sẽ chẳng bao giờ được sinh ra- đây là một mâu thuẫn bởi rõ ràng là bạn đang tồn tại.
Một số nhà vật lý khác đề nghị hai lịch sử thay thế, cả hai đều thực như nhau, có thể tồn tại bên cạnh nhau - một thế giới mà trong đó bạn biết và thế giới khác mà trong đó bạn chưa bao giờ được sinh ra. Có lẽ chính thời gian có quá nhiều chiều tiềm năng, nhưng trong thực tế ta chỉ cảm thấy một trong số đó. Giả sử bạn có thể quay trở lại vào quá khứ và thay đổi nó thì bạn có thể đã thiết lập một chuỗi các sự kiện lịch sử khác, mà những người ở trong thời của chúng ta sẽ không bao giờ biết đến. Nếu khả năng du hành qua thời gian đó là có thể, thì các lịch sử thay thế ảo theo một cách nào đó có lẽ đã thực sự tồn tại.
Trong tất cả những thế giới khác trong không gian đó, có những sự kiện diễn ra xác định tương lai của họ. Và trên hành tinh bé nhỏ của chúng ta, thời khắc lịch sử này là ngã rẽ cũng sâu sắc như những cuộc đối đầu của các nhà khoa học Ionia đối với sự thần bí 2500 năm trước. Những gì chúng ta làm đối với thế giới này sẽ lan truyền qua nhiều thế kỉ và định hình một cách mạnh mẽ vận mệnh và số phận của con cháu chúng ta, nếu có, giữa các vì sao.

Carl Sagan

Nguyễn Quang lược dịch

Theo http://www.hoclamgiau.vn/