Du hành ngược thời gian có được cho phép theo vật lý của Einstein không?

Du hành ngược thời gian là một yếu tố quen thuộc trong các bộ phim khoa học viễn tưởng. Nhưng theo Einstein, đó là một khả năng vật lý thực sự được cho phép.

Khi nghĩ về ý tưởng du hành thời gian, bạn có thể sẽ hình dung đến khả năng kỳ diệu của việc quay ngược về quá khứ thay vì sự tiến về phía trước không thể tránh khỏi của dòng thời gian. Rốt cuộc, du hành ngược thời gian là một trong những motif vĩ đại nhất trong phim ảnh, văn học và truyền hình – ý tưởng rằng chúng ta có thể quay về quá khứ để thay đổi những gì đã xảy ra, sửa chữa những sai lầm mà chúng ta hoặc người khác đã gây ra. Từ chiếc vòng quay thời gian trong Harry Potter, chiếc xe Delorean đạt tốc độ 88 dặm/giờ trong Back to the future, đến vòng lặp thời gian vô tận mà nhân vật chính trong Groundhog day phải trải qua, du hành ngược thời gian mở ra viễn cảnh về việc sửa chữa những sai lầm đã xảy ra trong quá khứ.

Đối với hầu hết mọi người, đây là một ý tưởng chỉ tồn tại trong lĩnh vực hư cấu, vì mọi định luật vật lý đều chỉ ra rằng cách duy nhất chúng ta có thể di chuyển qua thời gian là tiến về phía trước. Về mặt triết học, cũng có một nghịch lý nổi tiếng dường như cho thấy sự vô lý của việc có thể du hành ngược thời gian một cách tùy ý: Nghịch lý ông nội. Đơn giản mà nói, nếu có thể quay ngược thời gian, bạn có thể quay về quá khứ và giết ông nội mình trước khi cha mẹ bạn được sinh ra, từ đó khiến chính sự tồn tại của bạn trở nên bất khả thi. Trong một thời gian dài, du hành ngược thời gian dường như bị cấm đoán. Nhưng nhờ vào một số tính chất rất thú vị của không gian và thời gian trong thuyết tương đối rộng của Einstein, chúng ta hiện nay đã biết rằng du hành ngược thời gian thực sự là một khả năng có thể xảy ra về mặt vật lý.

Sự giãn nở thời gian và vận tốc ánh sáng

Một đồng hồ ánh sáng sẽ chạy với tốc độ khác nhau đối với những người quan sát có vận tốc tương đối khác nhau, nhưng điều này xảy ra do vận tốc ánh sáng là một hằng số. Thuyết tương đối hẹp của Einstein chi phối cách thức mà thời gian và khoảng cách biến đổi giữa các quan sát viên khác nhau. Tuy nhiên, đối với mỗi quan sát viên, thời gian vẫn trôi qua với tốc độ như nhau nếu họ duy trì hệ quy chiếu của riêng mình: một giây trên mỗi giây. Nhưng khi họ so sánh đồng hồ của mình sau một thí nghiệm, họ sẽ nhận thấy rằng chúng không còn đồng bộ với nhau nữa.

Theo Einstein, không gian và thời gian không phải là những thực thể tách biệt, tuyệt đối, mà thay vào đó được đan xen vào nhau trong một kết cấu không thể tách rời: không – thời. Có một đại lượng được biết là bất biến – khoảng không – thời (đôi khi được gọi là khoảng Einstein) – đại diện cho chuyển động tổng hợp của bạn trong không gian và thời gian. Nói một cách đơn giản: nếu bạn đứng yên và vị trí không gian của bạn không thay đổi, thì bạn đang di chuyển qua thời gian với tốc độ tối đa cho phép: tiến về phía trước với tốc độ một giây trên mỗi giây. Tuy nhiên, nếu bạn chuyển động và vị trí của bạn thay đổi theo thời gian, thì bạn sẽ di chuyển qua thời gian với tốc độ chậm hơn, vì các vật thể chuyển động tương đối sẽ trải qua hiện tượng giãn nở thời gian.

Bạn càng di chuyển nhanh trong không gian, bạn càng di chuyển chậm trong thời gian, cho đến khi đạt đến giới hạn tuyệt đối về tốc độ di chuyển: vận tốc ánh sáng. Khi bạn tiến gần đến giới hạn đó, chuyển động của bạn trong không gian ngày càng nhanh hơn, trong khi chuyển động của bạn trong thời gian ngày càng chậm lại. Nếu bạn thực sự có thể đạt đến vận tốc ánh sáng – điều không thể về mặt vật lý trừ khi bạn là một thực thể không có khối lượng – bạn sẽ nhận thấy rằng thời gian dường như dừng lại đối với bạn và hoàn toàn không trôi qua trong suốt hành trình của mình.

Về mặt lý thuyết, nếu bạn có thể di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng, bạn sẽ trở thành một tachyon và sẽ thực sự trải nghiệm thời gian chạy ngược. Tuy nhiên, khả năng này không mang tính vật lý, vì tachyon không tương ứng với bất cứ thứ gì tồn tại trong thực tế.

Trong khi các hạt vật chất và phản vật chất thông thường chỉ có thể di chuyển với vận tốc ánh sáng (nếu không có khối lượng) hoặc thấp hơn vận tốc ánh sáng (nếu có khối lượng), thì một khả năng khác là tồn tại một trạng thái năng lượng âm hoặc một trạng thái khối lượng tưởng tượng: một trạng thái tachyonic. Nếu khả năng toán học này thực sự tồn tại trong Vũ trụ của chúng ta, thì du hành nhanh hơn ánh sáng là điều tất yếu.

Tuy nhiên, di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng – điều mà có lẽ là cách mà Superman quay ngược thời gian trong bộ phim gốc Superman – không phải là cách duy nhất để du hành ngược thời gian theo lý thuyết của Einstein. Trong khi chuyển động của bất kỳ thực thể thực nào trong kết cấu không – thời đều bị giới hạn bởi vận tốc ánh sáng trong chân không, thì không – thời không bắt buộc phải phẳng và bất biến. Thay vào đó, theo thuyết tương đối rộng của Einstein, không gian có thể tiến hóa, có thể bị uốn cong, có thể giãn nở hoặc co lại, và thậm chí có thể tạo ra và duy trì một kết nối giữa hai điểm cách biệt trong nó.

Khả năng cuối cùng này đã được Einstein cùng học trò của ông, Nathan Rosen, đề xuất từ những năm 1930, và ban đầu được gọi là cầu Einstein-Rosen. Điều này thường được hình dung bằng cách giảm số chiều từ ba xuống hai và xem xét không – thời như một tấm phẳng hai chiều. Bạn có thể tưởng tượng, giống như cách bạn gấp một tờ giấy phẳng lại, rằng hai điểm cách xa nhau trên tờ giấy có thể được kết nối trong một chiều cao hơn (trong trường hợp này là chiều thứ ba) mà một người bị giới hạn trong mặt phẳng hai chiều không thể tiếp cận. Tính chất này của không – thời – một khả năng lý thuyết đầy hấp dẫn – có lẽ là khái niệm quan trọng nhất trong khoa học du hành thời gian.

Lỗ giun và khả năng du hành ngược thời gian

Một lỗ giun là cách duy nhất, trong bối cảnh của thuyết tương đối rộng, để có thể di chuyển ngay lập tức giữa hai sự kiện không – thời tách biệt. Những cây cầu này hiện chỉ là những điều kỳ lạ trong toán học; chưa có lỗ giun nào từng được phát hiện hay tạo ra, và chúng sẽ đòi hỏi một dạng năng lượng âm, hoặc một nguồn phản trọng lực, để có thể tồn tại trong thực tế.

Cái tên phổ biến hơn cho khái niệm vật lý này đơn giản là lỗ giun. Nhiều người đã tự hỏi điều gì xảy ra khi bạn rơi vào một lỗ đen – một vùng trong không gian chứa quá nhiều vật chất và năng lượng đến mức:

– Bất kỳ ánh sáng nào phát ra từ khu vực đó,

– cũng như bất kỳ vật chất hay bức xạ nào rơi vào khu vực đó,

– đều không thể thoát ra ngoài, bất kể có bao nhiêu năng lượng hay tốc độ di chuyển nhanh đến đâu.

Ngay cả khi đạt đến vận tốc ánh sáng, không gì có thể thoát ra khỏi chân trời sự kiện của một lỗ đen. Thông thường, chúng ta giả định rằng những lỗ đen này chỉ dẫn đến một điểm kỳ dị ở trung tâm, và khi bạn đến gần nó, sự hủy diệt của bạn là không thể tránh khỏi.

Có một khả năng khác: lỗ đen, nếu bạn đi vào bên trong, thực sự có thể kết nối với một vùng không – thời khác.

Nếu thay vì có mật độ năng lượng dương (như lỗ đen thông thường), vùng kết nối này có mật độ năng lượng âm, nó sẽ trở thành một lỗ trắng. Điều này có nghĩa là bạn có thể đi vào đầu lỗ đen và xuất hiện ở đầu kia qua lỗ trắng, thực hiện hành trình xuyên qua một lỗ trong không – thời từ đầu này đến đầu kia.

Mặc dù chúng ta chưa biết liệu lỗ trắng có thực sự tồn tại trong vũ trụ của mình hay không, nhưng chúng chắc chắn là những nghiệm hợp lệ trong thuyết tương đối rộng. Lỗ trắng về cơ bản là nghiệm ngược thời gian của lỗ đen.

Một minh họa về vũ trụ sơ khai như một lớp bọt lượng tử, nơi các dao động lượng tử lớn, đa dạng và quan trọng ở quy mô nhỏ nhất. Các dao động năng lượng dương và âm có thể kết nối với nhau ở những quy mô này, tạo ra các lỗ giun lượng tử cực nhỏ.

Nhưng điều chúng ta biết chắc chắn là: trong vũ trụ của chúng ta tồn tại những dao động lượng tử cực nhỏ, không thể tránh khỏi, xảy ra xuyên suốt cấu trúc của không – thời, đặc biệt rõ rệt ở quy mô nhỏ nhất.

Theo nguyên lý bất định Heisenberg, các dao động năng lượng này có thể xảy ra theo cả hướng dương và âm, thường xuất hiện rất gần nhau. Những dao động này được cho là có bản chất ngẫu nhiên và thường bao gồm các quá trình ngắt kết nối rồi kết nối lại giữa các trạng thái năng lượng dương và âm ban đầu.

Về mặt lý thuyết, một dao động năng lượng dương rất mạnh và đậm đặc sẽ làm cong không gian theo một chiều hướng nhất định, trong khi một dao động năng lượng âm rất mạnh và đậm đặc sẽ làm cong không gian theo hướng ngược lại.

Nếu hai vùng có độ cong không gian trái dấu này được kết nối với nhau, chúng ta có thể — dù chỉ trong một khoảnh khắc ngắn ngủi — tạo ra một lỗ giun lượng tử. Nếu lỗ giun này tồn tại đủ lâu, có thể thậm chí một hạt có thể đi xuyên qua nó, cho phép nó biến mất ngay lập tức khỏi một vị trí trong không – thời và xuất hiện ở một vị trí khác.

Lỗ giun khả dĩ và ý nghĩa đối với du hành thời gian

Nếu một lỗ giun có thể đi qua được kết nối giữa Đại học Tübingen với những đụn cát ở miền Bắc nước Pháp, ai đó nhìn vào lỗ giun có thể thấy vị trí xa xôi đó ngay qua lỗ giun. Một cấu trúc như vậy chưa được tìm thấy trong vũ trụ của chúng ta, nhưng điều đó không có nghĩa là lỗ giun không đóng vai trò nào ở một mức độ nào đó.

Điều này có thể tuyệt vời đối với khả năng gửi một hạt từ một sự kiện trong không – thời đến một sự kiện khác. Hạt đó có thể rời khỏi không – thời tại một vị trí và thời điểm nào đó rồi tái xuất hiện tại một vị trí và thời điểm khác, bao gồm cả những thời điểm có thể là trước thời điểm ban đầu.

Tuy nhiên, nếu muốn mở rộng quy mô để cho phép con người đi qua, điều đó sẽ đòi hỏi một nỗ lực đáng kể.

Trong vũ trụ của chúng ta, mọi hạt đã biết đều có năng lượng dương và khối lượng dương hoặc bằng 0. Các nghiệm liên quan đến năng lượng âm hoặc khối lượng âm (hoặc khối lượng tưởng) vẫn chưa được phát hiện.

Mặc dù vậy, trong khuôn khổ của thuyết tương đối rộng, không có điều gì cấm đoán sự tồn tại của các hạt có năng lượng/khối lượng âm.

Nếu muốn tạo ra một lỗ giun vật lý mà con người có thể đi qua, việc đầu tiên chúng ta cần làm là giả định rằng loại vật chất có khối lượng/năng lượng âm này tồn tại.

Chúng ta biết rằng trong vũ trụ tồn tại các lỗ đen – những thực thể được hình thành từ khối lượng/năng lượng dương. Nhưng nếu muốn tạo ra lỗ giun, chúng ta cần giả định sự tồn tại của lỗ trắng – những thực thể được hình thành từ khối lượng/năng lượng âm.

Nếu có thể tạo ra cả một lỗ đen siêu khối và một lỗ trắng siêu khối (đối tác năng lượng âm của nó), thì ta có thể tưởng tượng việc kết nối hai thực thể này.

Điều này có thể dẫn đến một kết quả quan trọng: một lỗ giun có thể đi qua được, thứ mà chúng ta đã tìm kiếm bấy lâu nay.

Mức độ mà không – thời bị bẻ cong và biến dạng phụ thuộc vào mật độ của vật thể mà bạn đang đến gần. Tuy nhiên, ở khoảng cách xa, kích thước và thể tích của vật thể không quan trọng; độ cong không gian chỉ phụ thuộc vào tổng khối lượng của nó.

Đối với một lỗ đen, sao neutron, sao lùn trắng hoặc một ngôi sao như Mặt Trời, độ cong không gian ở những bán kính đủ lớn là như nhau.

Tuy nhiên, khi tiến gần chân trời sự kiện của lỗ đen, độ cong trở nên mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Xa khỏi các nguồn khối lượng này, không – thời gần như phẳng tuyệt đối, nhưng không bao giờ hoàn toàn phẳng hoặc hoàn toàn trống rỗng.

Lỗ giun và du hành thời gian

Tại sao lỗ giun có thể đi qua lại quan trọng đối với du hành thời gian?

Bởi vì một khi bạn đã tạo ra hai đầu của lỗ giun, rồi hình thành và duy trì kết nối giữa chúng, thì dù bạn có đưa hai đầu này ra xa nhau bao nhiêu, kết nối tức thời này vẫn tồn tại mãi mãi – miễn là có đủ khối lượng/năng lượng (cả dương và âm).

Tất cả điều này rất hữu ích cho việc di chuyển tức thời trong không gian. Và bằng cách kết hợp các định luật của thuyết tương đối hẹp với hiện tượng trong thuyết tương đối rộng, ta có thể mở rộng điều đó thành du hành qua thời gian.

Bất cứ khi nào bạn di chuyển gần tốc độ ánh sáng, bạn sẽ trải nghiệm một hiện tượng gọi là giãn thời gian.

Chuyển động của bạn trong không gian và thời gian liên quan với nhau theo tốc độ ánh sáng: khi bạn di chuyển càng nhanh trong không gian, tốc độ di chuyển trong thời gian của bạn càng chậm lại.

Giả sử hệ sao TRAPPIST-1 là điểm đến của bạn. Nó cách Trái Đất 40 năm ánh sáng, nhưng nếu bạn có thể du hành với tốc độ cực cao – vượt quá 99,9% tốc độ ánh sáng – bạn có thể thực hiện hành trình một chiều chỉ trong sáu tháng theo thời gian của người du hành.

Theo thuyết tương đối hẹp, nếu bạn:

– Lên một con tàu vũ trụ,

– du hành rất gần tốc độ ánh sáng đến ngôi sao đó,

– sau đó dừng lại, quay đầu và quay trở lại Trái Đất với cùng tốc độ.

Bạn sẽ nhận thấy điều kỳ lạ.

Do hiện tượng giãn thời gian và co chiều dài, bạn có thể đến đích sau sáu tháng và sau đó mất thêm sáu tháng để quay trở lại. Nhưng trên Trái Đất, thời gian đã trôi qua đến 81 năm.

Tất cả những người bạn từng biết sẽ già đi đáng kể, và rất có thể tất cả những người bạn biết trước khi rời đi sẽ không còn nữa.

Đây là cách du hành thời gian theo nghĩa vật lý hoạt động: nó đưa bạn tiến về tương lai, với lượng thời gian đã trôi qua phụ thuộc vào chuyển động của bạn trong không gian.

Kết nối lỗ đen và hố trắng để tạo ra hố sâu

Nhưng nếu bạn tạo ra một hố sâu theo cách vừa mô tả – với một lỗ đen siêu lớn và một hố trắng siêu lớn được kết nối bằng một loại cầu nối nào đó – thì câu chuyện sẽ thay đổi theo một cách sâu sắc.

Hãy tưởng tượng cùng một kịch bản như trước: chúng ta rời Trái Đất với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng và du hành đến một điểm đến cách xa 40 năm ánh sáng. Đối với những người trên tàu, chỉ khoảng 6 tháng sẽ trôi qua. Nhưng lần này, vì chúng ta đã tạo ra một hố sâu trước đó, ta có thể hình dung rằng một đầu của hố sâu được giữ gần như đứng yên – chẳng hạn như ở gần Trái Đất – trong khi đầu kia được đưa theo hành trình đó với vận tốc gần tốc độ ánh sáng.

Bởi vì hai đầu của hố sâu này vẫn được liên kết qua không gian và thời gian, bạn có hai lựa chọn để quay về nhà từ khoảng cách 40 năm ánh sáng. Bạn có thể đi con đường dài: quay lại qua không gian như trước, với vận tốc hơn 99,9% tốc độ ánh sáng. Khi bạn trở về, một năm sẽ trôi qua đối với bạn, nhưng 81 năm sẽ trôi qua trên Trái Đất. Hoặc bạn có thể sử dụng con đường tắt mà bạn đã tốn công sức tạo ra: bước vào đầu hố sâu đang di chuyển nhanh sau khi nó đã di chuyển ở tốc độ tương đối tính trong 6 tháng, tức là đến một khoảng cách 40 năm ánh sáng. Điều gì sẽ xảy ra khi bạn bước vào hố sâu đó?

Bạn sẽ xuất hiện trở lại trên Trái Đất ngay lập tức. Điều đáng chú ý nhất là bạn sẽ không quay về Trái Đất sau 81 năm, tức là vào tháng 6 năm 2105, cũng không phải sau 40,5 năm, tức là vào tháng 12 năm 2064. Thay vào đó, chỉ 6 tháng sẽ trôi qua, và mặc dù bạn đã đi xa 40 năm ánh sáng, nhưng khi xuất hiện ở đầu bên kia của hố sâu, bạn sẽ quay lại Trái Đất vào tháng 12 năm 2024.

Ảnh minh họa này cho thấy hai loại đường cong thời gian khác nhau. Ở trên, (a) mô tả một hình ảnh trực quan về một đường cong thời gian kín, trong đó một người quan sát bước vào một đầu của hố sâu giả định có thể nhảy đến một thời điểm trước đó và tương tác với chính bản thân trong quá khứ, trong khi (b) mô tả trường hợp không có sự tương tác nào như vậy: một đường cong thời gian mở. Nếu các đường cong thời gian kín là có thể tồn tại, thì việc di chuyển nhanh hơn ánh sáng cũng phải đúng như một hệ quả.

Làm sao điều này có thể xảy ra? Bạn phải nhớ rằng trong thuyết tương đối, thời gian bản thân nó là tương đối. Điều này dạy chúng ta một điều sâu sắc: khái niệm một năm không giống nhau đối với tất cả mọi người, đặc biệt nếu họ di chuyển trong không gian và thời gian với các tốc độ khác nhau.

Nếu chúng ta xem xét một hành trình giả định từ Trái Đất đến hệ sao TRAPPIST-1, trong khi mang theo một đầu của hố sâu, ta sẽ thấy rằng đầu đang di chuyển của hố sâu chỉ già đi đúng bằng khoảng thời gian mà ta đã trải qua trong hành trình: 6 tháng. Mặc dù trên Trái Đất đã trôi qua 40,5 năm, nhưng kết nối giữa hai đầu của hố sâu vẫn là tức thời. Nếu bạn quay trở lại bằng con đường ngắn qua hố sâu thay vì con đường dài qua không gian, bạn sẽ thấy rằng chỉ 6 tháng đã trôi qua khi bạn xuất hiện ở đầu ban đầu.

Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng đây không phải là một kịch bản mà chúng ta sẽ thiết lập hôm nay để ứng dụng trong tương lai. Không. Thay vào đó, giả sử rằng 40 năm trước, vào tháng 6 năm 1984, ai đó đã tạo ra một cặp hố sâu đan xen và gửi một đầu của hố sâu đi theo hành trình này từ trước. Nếu bạn bước vào một đầu của hố sâu đó ngay hôm nay, vào năm 2024, bạn sẽ quay ngược thời gian về đầu bên kia của hố sâu… trở lại tháng 12 năm 1984.

Hạn chế duy nhất là chính bạn không thể đã ở lại Trái Đất một cách bất động trong suốt 40 năm qua. Để kịch bản này hoạt động, bạn cần phải ở cùng với đầu kia của hố sâu hoặc du hành qua không gian để đuổi kịp nó trong suốt thời gian đó.

Du hành qua hố sâu là một viễn cảnh hấp dẫn, nhưng có rất nhiều rào cản để tạo ra một hố sâu trong vũ trụ thực tế. Nếu không có vật chất kỳ lạ, năng lượng âm, các chiều không gian bổ sung hoặc một số thực thể tưởng tượng tương tự, ngay cả các hố sâu không thể đi qua cũng bị cấm. Nếu hố sâu có thể đi qua tồn tại, thì các hiệu ứng như giãn thời gian và lực thủy triều cực đoan vẫn phải được xem xét để tránh phá hủy vật chất bên trong.

Một trong những khía cạnh đáng chú ý của dạng du hành thời gian này là: nó ngăn chặn nghịch lý ông nội! Ngay cả khi bạn tưởng tượng rằng hố sâu này đã được tạo ra trước khi bố mẹ bạn được sinh ra, và rằng cả bốn ông bà của bạn đều có mặt trên con tàu du hành gần tốc độ ánh sáng trong thời gian bố mẹ bạn được thụ thai, sau đó bạn được sinh ra và lớn lên, thì vẫn không có cách nào để bạn quay lại đầu hố sâu đứng yên vào một thời điểm trước khi ông nội của bạn lên tàu.

Không có cách nào để quay về một thời điểm đủ sớm để ngăn ông nội bạn lên tàu hoặc ngăn bố mẹ bạn thụ thai bạn.

Điều gần nhất mà bạn có thể làm là đưa bố mẹ bạn lên tàu khi họ còn rất nhỏ, để họ có thể đi đến đầu kia của hố sâu, sống, trưởng thành, sinh ra bạn, rồi bạn lại đi qua hố sâu. Khi đó, bạn có thể gặp ông nội mình trên Trái Đất khi ông ấy vẫn còn rất trẻ – có thể thậm chí còn trẻ hơn bạn hiện tại – nhưng nó vẫn sẽ xảy ra sau khi bố mẹ bạn đã được sinh ra, do đó sẽ không có cách nào để ngăn sự tồn tại của bạn.

Kết luận: Khả năng du hành ngược thời gian trong vũ trụ

Sự thật là, nếu năng lượng hoặc khối lượng âm tồn tại, dồi dào và có thể kiểm soát được, thì rất nhiều điều kỳ lạ sẽ trở nên khả thi trong vũ trụ, và du hành ngược thời gian có thể là hệ quả kỳ lạ nhất mà chúng ta từng tưởng tượng.

Trong khuôn khổ của cả thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng, du hành ngược thời gian có thể rất khó thực hiện theo một cách thực tế, nhưng không có gì trong lý thuyết ngăn cản nó xảy ra!