Du hành vũ trụ với tốc độ ánh sáng: Khi nào điều này sẽ trở thành hiện thực?

Ý tưởng du hành với tốc độ ánh sáng đã làm say mê không chỉ các nhà văn khoa học viễn tưởng mà còn cả các nhà khoa học trong nhiều năm. Ánh sáng di chuyển với tốc độ đáng kinh ngạc là 299,792,458 mét mỗi giây. Với tốc độ này, bạn có thể đi vòng quanh Trái đất hơn bảy lần chỉ trong một giây và con người cuối cùng cũng có thể khám phá vũ trụ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Vào năm 1947, con người lần đầu tiên vượt qua tốc độ âm thanh (mà thực ra thì chậm hơn nhiều), mở đường cho các máy bay thương mại như Concorde và các máy bay siêu thanh khác. Nhưng liệu chúng ta có bao giờ có thể du hành với tốc độ ánh sáng không?

Dựa trên sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về vật lý và giới hạn của thế giới tự nhiên, câu trả lời thật không may là không. Theo Albert Einstein thuyết tương đối đặc biệt, được mô tả bằng phương trình nổi tiếng E=mc², tốc độ ánh sáng (c) hoạt động như một loại giới hạn tốc độ vũ trụ không thể vượt qua. Do đó, việc di chuyển bằng hoặc nhanh hơn tốc độ ánh sáng là điều không thể về mặt vật lý, đặc biệt là đối với bất kỳ thứ gì có khối lượng, chẳng hạn như tàu vũ trụ và con người.

Ngay cả đối với những thứ rất nhỏ, chẳng hạn như các hạt hạ nguyên tử, lượng năng lượng (E) cần thiết để đạt tới tốc độ ánh sáng cũng đặt ra một thách thức đáng kể. Máy gia tốc hạt lớn (LHC), máy gia tốc hạt lớn nhất và mạnh nhất trên Trái đất, đã tăng tốc các proton gần với tốc độ ánh sáng nhất có thể. Tuy nhiên, ngay cả một proton nhỏ cũng cần năng lượng gần như vô hạn để đạt tới tốc độ ánh sáng, và con người vẫn chưa tìm ra được “năng lượng gần như vô hạn” thực sự có nghĩa là gì.

Tuy nhiên, các nhà vật lý và những người đam mê tin rằng không có định luật vật lý cơ bản nào cấm con người du hành qua không gian – chỉ là rất, rất khó thôi. Vì vậy, hôm nay, chúng ta hãy thảo luận về một số phương pháp tiềm năng cho du hành giữa các vì sao, từ ít khả thi nhất đến khả thi nhất, theo quan điểm của các chuyên gia trong lĩnh vực này.

Đọc cũng: Tai nghe chống ồn có gây hại không? Thông tin chi tiết từ các nhà thính học

Di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng

Bạn sẽ không bao giờ có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Ít nhất, đó là những gì chúng ta hiểu được nhờ thuyết tương đối hẹp của Einstein – một lý thuyết mang tính cách mạng đã hợp nhất không gian và thời gian, khiến chúng kết nối với nhau. Mặc dù có thể dễ dàng nói rằng những tiến bộ trong tương lai của vật lý có thể vượt qua hạn chế này, nhưng việc triển khai một khái niệm như vậy trong thực tế có thể phức tạp hơn nhiều.

Thuyết tương đối hẹp là một trong những lý thuyết được kiểm tra kỹ lưỡng nhất trong toàn bộ vật lý. Bởi vì nó không chỉ là một lý thuyết; nó là một meta- lý thuyết. Đó là một tập hợp các hướng dẫn giúp chúng ta xây dựng các lý thuyết vật lý khác. Thuyết tương đối hẹp dạy chúng ta cách không gian và thời gian về cơ bản được kết nối với nhau. Bản chất của kết nối này đặt tốc độ ánh sáng làm giới hạn tốc độ cơ bản. Nó không chỉ là về ánh sáng hay thậm chí là chuyển động; mà là về bản thân tính nhân quả.

Lý thuyết này đặt nền tảng cho mối liên hệ giữa quá khứ, hiện tại và tương lai. Nói cách khác, việc di chuyển nhanh hơn ánh sáng có thể cho phép du hành thời gian, điều này dường như không thể trong vũ trụ của chúng ta. Vì tất cả các lý thuyết vật lý hiện đại khác đều được xây dựng dựa trên thuyết tương đối, nên mỗi lần chúng ta kiểm tra một trong số chúng, chúng ta cũng đang kiểm tra thuyết tương đối. Mặc dù chúng ta có thể sai về cấu trúc cơ bản của không-thời gian, nhưng giới hạn tốc độ ánh sáng không có khả năng bị lật đổ.

Đọc cũng: Sử dụng hoặc mất nó: AI đang thay đổi suy nghĩ của con người như thế nào

Hố giun

Giới hạn tốc độ ánh sáng cũng liên quan đến sự bất khả thi rõ ràng của lỗ sâu. Lỗ sâu là những lối tắt trong không gian kết nối bất kỳ hai điểm nào trong vũ trụ. Những vật thể kỳ lạ này là một dự đoán tự nhiên của thuyết tương đối rộng của Einstein, giải thích cách lực hấp dẫn phát sinh từ độ cong và độ méo của không-thời gian.

Thuyết tương đối rộng cho phép các lỗ sâu bằng cách bóp méo không-thời gian theo một cách rất kỳ lạ. Tuy nhiên, có một cảnh báo nhỏ: những vật thể này cực kỳ không ổn định. Ngay khi bất kỳ thứ gì, thậm chí là một photon đơn lẻ, cố gắng đi qua họng của một lỗ sâu, nó sẽ ngay lập tức bị xé toạc ra. Cách duy nhất được biết đến để ổn định một lỗ sâu là đưa một sợi vật chất kỳ lạ vào đó. Vật chất này có khối lượng âm, giống như du hành thời gian, dường như bị cấm trong vũ trụ của chúng ta.

Hoàn toàn có thể là con cháu tương lai của chúng ta sẽ khám phá ra một cách thay thế để ổn định các lỗ sâu và biến du hành giữa các vì sao thành hiện thực. Tuy nhiên, thời gian cần thiết để khám phá ra những đột phá cần thiết trong vật lý có thể dài hơn cả hành trình đến các vì sao.

Đọc cũng: 6 Sự thật hấp dẫn về Sóng hấp dẫn và LIGO

Những con tàu của nhiều thế hệ

Trong khi việc gửi một tàu vũ trụ đến một ngôi sao khác có thể không đặt ra một vấn đề vật lý cơ bản, thì nó lại đặt ra nhiều thách thức về kỹ thuật. Một trong những ý tưởng hấp dẫn cho du hành giữa các vì sao liên quan đến việc tạo ra các tàu thế hệ—các tàu lớn, di chuyển chậm mà hầu hết hành khách sẽ không sống được đến đích. Thay vào đó, họ sẽ sống nhiều thế hệ trên một con tàu thành phố tự duy trì, cuối cùng sẽ đến được một ngôi sao khác.

Về mặt kỹ thuật, loài người đã là một loài sinh vật giữa các vì sao. Nhiều năm trước, tàu vũ trụ Voyager 1 đã vượt qua ranh giới nhật quyển, ranh giới của Hệ Mặt trời của chúng ta và tiến vào không gian giữa các vì sao. Tin tốt là chỉ mất vài thập kỷ để hoàn thành kỳ tích này. Tuy nhiên, tin xấu là đây chỉ là sự khởi đầu. Ngay cả ở tốc độ đáng kinh ngạc là hơn 57,940 km/h, nếu Voyager 1 hướng đến Proxima Centauri (mặc dù không phải vậy), ngôi sao gần nhất của chúng ta ở khoảng cách khoảng 4.2 năm ánh sáng, thì tàu vũ trụ sẽ mất khoảng 40,000 năm để đến đích. Khoảng thời gian này có trước sự phát triển của các thành phố đầu tiên và sự ra đời của nông nghiệp. Tuy nhiên, tin tốt là Parker Solar Probe, nhờ các thao tác hỗ trợ trọng lực, hiện đang giữ tốc độ cao nhất là 700,000 km/h. Nếu hướng đến Proxima Centauri, thì sẽ mất khoảng 6,500 năm để đến nơi. Sự tiến bộ là rõ ràng.

Vì vậy, một "con tàu thế hệ" không chỉ là một số ít thế hệ, mà là hàng trăm thế hệ, tất cả đều cần phải sống tự cung tự cấp trong khoảng không giữa các vì sao, không có nguồn nước, nhiên liệu, thực phẩm hoặc phụ tùng thay thế. Bởi vì ngay cả 6,500 năm cũng là một khoảng thời gian vô cùng dài.

Đọc cũng: Tất cả về Microsoft'S Majorana 1 Bộ xử lý lượng tử: Đột phá hay tiến hóa?

Một con tàu rất, rất nhanh

Những người đam mê khác cho rằng để đến được những ngôi sao khác nhanh hơn, bạn không cần một con tàu khổng lồ, cồng kềnh. Thay vào đó, nó phải càng nhỏ càng tốt. Theo cách này, tên lửa hoặc các loại nhiên liệu khác có thể đạt được tốc độ cao hơn, rút ​​ngắn hành trình. Ngoài ra, thuyết tương đối giúp ích ở tốc độ cao. Do tốc độ ánh sáng không đổi, chuyển động trong không gian khác với chuyển động trong thời gian. Một vật thể di chuyển trong không gian càng nhanh thì chuyển động trong thời gian càng chậm. Khi tốc độ tiến gần đến tốc độ ánh sáng, một năm đối với người du hành có thể rút ngắn lại thành nhiều tháng, nhiều ngày hoặc thậm chí là nhiều phút.

Thật không may, những hiệu ứng tương đối tính này chỉ xuất hiện khi một vật thể đạt tới hơn 90% tốc độ ánh sáng, một cột mốc mà nhân loại vẫn chưa đạt được. Tuy nhiên, các máy gia tốc hạt thường xuyên tăng tốc các hạt đến tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, vì vậy điều này chắc chắn không phải là không thể.

Thách thức nằm ở chỗ chúng ta đang xử lý các hạt nhỏ, chứ không phải tàu vũ trụ khổng lồ. Để tăng tốc một thứ có kích thước bằng con người lên 90% tốc độ ánh sáng, có thể cần nhiều năng lượng hơn năng lượng Mặt trời tạo ra trong một nghìn năm. Nhưng đây là vấn đề kỹ thuật hơn là giới hạn vật lý cơ bản.

Đọc cũng: Sự thay đổi kiến ​​tạo trong AI: Là Microsoft Cược vào DeepSeek?

Khái niệm truyền động cong vênh truyền thống

Khái niệm khoa học viễn tưởng truyền thống về động cơ cong vênh liên quan đến việc bẻ cong không thời gian theo một cách rất cụ thể: nén nó ở phía trước tàu và mở rộng nó ở phía sau. Về mặt lý thuyết, điều này sẽ cho phép tàu vũ trụ di chuyển nhanh hơn ánh sáng mà không thực sự vượt quá giới hạn tốc độ cục bộ. Tuy nhiên, nghiên cứu trước đó về ý tưởng này đã gợi ý rằng cần có các dạng vật chất kỳ lạ với "mật độ năng lượng âm" để biến điều này thành hiện thực. Những vật liệu kỳ lạ này hoàn toàn là lý thuyết và chưa được quan sát, và chúng đặt ra những thách thức đáng kể về mặt tạo ra và ổn định của chúng.

Trong kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta, năng lượng luôn được coi là tích cực. Ngay cả trong chân không, vẫn có một lượng nhỏ năng lượng tích cực được gọi là "năng lượng chân không" hoặc "năng lượng điểm không". Điều này xuất phát từ Nguyên tắc bất định của Heisenberg trong cơ học lượng tử, nói rằng luôn có sự dao động năng lượng trong một hệ thống, ngay cả ở trạng thái năng lượng thấp nhất có thể.

Sự tồn tại của mật độ năng lượng âm là rất mang tính suy đoán và có vấn đề trong khuôn khổ của vật lý đã biết. Các định luật nhiệt động lực học và các điều kiện năng lượng trong thuyết tương đối rộng dường như cấm sự tồn tại của một lượng lớn mật độ năng lượng âm. Một số lý thuyết, chẳng hạn như Hiệu ứng Casimir và một số lý thuyết trường lượng tử, cho thấy sự hiện diện của một lượng nhỏ mật độ năng lượng âm trong những điều kiện cụ thể. Tuy nhiên, những hiệu ứng này thường rất nhỏ và chỉ giới hạn ở quy mô vi mô.

Đây là nơi nghiên cứu mới phát huy tác dụng. Các nhà nghiên cứu vật lý ứng dụng đã xác định được một phương pháp tiếp cận mới có thể biến công nghệ truyền động cong vênh thành hiện thực. Nhóm nghiên cứu đã giới thiệu khái niệm "động cơ truyền động cong vênh tốc độ không đổi", phù hợp với các nguyên lý của thuyết tương đối.

Mô hình mới loại bỏ nhu cầu về năng lượng kỳ lạ, thay vào đó sử dụng sự kết hợp phức tạp giữa các phương pháp hấp dẫn truyền thống và mới lạ để tạo ra bong bóng cong vênh có khả năng vận chuyển các vật thể ở tốc độ cao trong phạm vi vật lý đã biết. "Nghiên cứu này thay đổi hiểu biết của chúng ta về động cơ cong vênh", tác giả chính Tiến sĩ Fuchs cho biết. "Bằng cách chứng minh mô hình đầu tiên thuộc loại này, chúng tôi đã chứng minh rằng động cơ cong vênh không chỉ giới hạn trong khoa học viễn tưởng".

Mô hình lý thuyết về loại bong bóng cong vênh mới sử dụng cả phương pháp hấp dẫn truyền thống và sáng tạo, được thực hiện thông qua công cụ Warp Factory công khai của họ. Giải pháp này cho phép vận chuyển các vật thể ở tốc độ cao nhưng dưới tốc độ ánh sáng, mà không cần đến các nguồn năng lượng kỳ lạ. Điều này đạt được bằng cách thiết kế ổ đĩa cong vênh không thời gian để hoạt động theo lực hấp dẫn giống như vật chất thông thường, đánh dấu giải pháp đầu tiên thuộc loại này.

Tiến sĩ Christopher Helmerich, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết thêm: "Mặc dù thiết kế như vậy vẫn đòi hỏi một lượng năng lượng đáng kể, nhưng nó chứng minh rằng hiệu ứng cong vênh có thể đạt được mà không cần các dạng vật chất kỳ lạ". "Những phát hiện này mở đường cho việc giảm nhu cầu năng lượng trong tương lai cho các ổ đĩa cong vênh".

Không giống như máy bay hay tên lửa, hành khách trên tàu warp sẽ không phải chịu bất kỳ lực hấp dẫn nào. Điều này hoàn toàn trái ngược với một số mô tả khoa học viễn tưởng. Nghiên cứu của nhóm chứng minh cách một con tàu như vậy có thể được chế tạo bằng vật chất thông thường. "Mặc dù chúng ta chưa chuẩn bị hành lý cho chuyến du hành giữa các vì sao ngay lúc này, nhưng thành tựu này báo hiệu một kỷ nguyên mới của những khả năng", Gianni Martire, Tổng giám đốc điều hành của Khoa Vật lý Ứng dụng, giải thích. "Chúng ta tiếp tục đạt được những tiến bộ ổn định khi nhân loại bước vào kỷ nguyên du hành warp".

Nhóm Vật lý ứng dụng hiện đang tập trung vào việc giải quyết những thách thức này, tiếp tục cải tiến các mô hình và hợp tác với nhiều chuyên ngành và tổ chức khác nhau để biến giấc mơ từng viển vông thành hiện thực.

Đọc cũng: Những cải tiến về robot hấp dẫn nhất năm 2024

Kết luận

Khi chúng ta đứng trên ngưỡng cửa của một kỷ nguyên mới trong khám phá không gian, viễn cảnh tạo ra động cơ cong vênh hấp dẫn hơn bao giờ hết. Với mỗi khám phá và đột phá mới, chúng ta tiến thêm một bước đến gần hơn với các vì sao và những cơ hội vô hạn đang chờ đợi chúng ta trong không gian rộng lớn. Khi nhân loại bắt tay vào hành trình du hành nhanh hơn ánh sáng, có khả năng sử dụng động cơ cong vênh, chúng ta chỉ có thể tưởng tượng những cuộc phiêu lưu và khám phá đáng kinh ngạc mà Vũ trụ dành cho chúng ta.

Trong tương lai xa, giả sử hiểu biết hiện tại của chúng ta về vật lý vẫn đúng (ít nhất là về mặt du hành nhanh hơn ánh sáng và lỗ sâu), nhân loại có thể chỉ gửi một số ít sứ mệnh khiêm tốn đến các ngôi sao khác và các hành tinh có thể sinh sống. Tuy nhiên, trong Hệ Mặt trời của chúng ta, có vô số nơi—hàng trăm mặt trăng và hàng nghìn tiểu hành tinh—một ngày nào đó có thể được gọi là nhà. Đó là một không gian rộng lớn, đầy những bí ẩn vẫn chưa được khám phá.

Không có nơi nào giống như nhà.

Đọc cũng:

• Phỏng sinh học: Cách thiên nhiên truyền cảm hứng cho các kỹ sư đổi mới
• Chất thải hạt nhân: Nó là gì và nó được xử lý như thế nào