Phải chăng Neutrino là Chìa khóa để Liên lạc với Người ngoài hành tinh?

Mặc dù cơ hội rất nhỏ, công nghệ neutrino có thể là cách tốt nhất – và có lẽ là cách duy nhất – để liên lạc với các nền văn minh ngoài Trái đất.

Neutrino. Chúng rất nhỏ, chỉ là những điểm trong không gian. Mỗi hạt hầu như không ảnh hưởng đến bất cứ thứ gì khác. Chúng đi xuyên qua bạn, Trái đất và mặt trời mà hầu như không để lại dấu vết. Chúng gần như không bao giờ tự bộc lộ, nhưng nếu không có chúng, chúng ta không thể biết tại sao các ngôi sao tỏa sáng. Mỗi hạt có một khối lượng rất nhỏ. Và trong khi tương tác riêng lẻ của chúng rất ít ỏi, số lượng chúng nhiều đến nỗi, khi kết hợp lại, chúng có thể thay đổi quỹ đạo của các thiên hà. Chúng là những hạt bí ẩn nhất được biết đến trong vũ trụ.

Nội dung được trích từ cuốn Ghost Particle: In search of the elusive and mysterious neutrino.

Nỗ lực ứng dụng đầu tiên

Chúng thậm chí còn bí ẩn hơn trong những năm ngay sau khi được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 1930. Điều đó có thể phần nào giải thích một trong những nỗ lực đầu tiên để áp dụng chúng vào ít nhất một ứng dụng công nghệ đáng ngờ: giao tiếp thần giao cách cảm. Vào giữa những năm 1960, theo một báo cáo do Cơ quan Tình báo Quốc phòng Hoa Kỳ ủy quyền, nhà nghiên cứu hiện tượng siêu nhiên Xô Viết Ye. Parnov đã đề xuất một lý thuyết dựa vào neutrino như những vật mang trong cái mà ông gọi là trường thần giao cách cảm. Parnov cho rằng trường này liên kết tất cả mọi người lại với nhau, cho phép chúng ta giao tiếp trực tiếp từ tâm trí này sang tâm trí khác và nhìn thấy tương lai.

Lý thuyết thần giao cách cảm neutrino của Parnov chỉ là một trong số nhiều dự án là chủ đề nghiên cứu hiện tượng siêu nhiên của Liên Xô và Tiệp Khắc vào thời điểm đó. Để đặt nó trong bối cảnh, những nỗ lực đáng chú ý khác trong cộng đồng khoa học siêu nhiên phía sau Bức màn Sắt bao gồm một hình thức giao tiếp tức thì dựa trên việc giết thỏ trong tàu ngầm ở biển, các phương pháp tấn công thần giao cách cảm nhân viên trong các hầm tên lửa hạt nhân của Hoa Kỳ và đồng minh, và các thiết bị được gọi là máy phát tâm linh được cho là có khả năng thực hiện những kỳ tích ấn tượng như đưa ốc sên vào giấc ngủ và giết ruồi ở cự ly rất ngắn. Cả lý thuyết thần giao cách cảm neutrino và bất kỳ dự án nào khác trong số này đều không đạt được bất kỳ tiến triển nào trong nửa thế kỷ qua.

Tìm kiếm người ngoài hành tinh trong không gian

Sự sống thông minh nên phổ biến trong vũ trụ, ít nhất là theo những người tin tưởng vào một số phiên bản của phương trình mà nhà thiên văn học và nhà vật lý thiên văn Frank Drake đề xuất vào năm 1961. Phương trình Drake kết hợp những thứ chúng ta biết rõ về vũ trụ (tốc độ hình thành sao) với những thứ chúng ta đang tìm hiểu thêm (tỷ lệ các ngôi sao có hành tinh có thể ở được gần chúng) và những thứ chúng ta biết rất ít (khả năng sự sống sẽ phát triển trên một hành tinh có thể ở được, và thời gian thường mất để sự sống thông minh tiến hóa, tạo ra các dấu hiệu có thể phát hiện được về sự tồn tại của chúng, và gửi tín hiệu vào không gian). Hầu hết những ước đoán tốt nhất đưa vào phương trình ngụ ý rằng gần như chắc chắn có sự sống thông minh ở đâu đó ngoài kia.

Nếu phương trình Drake là chính xác, vũ trụ nên tràn ngập sự sống thông minh. Và nếu điều đó đúng, chúng ta đáng lẽ đã thấy bằng chứng rồi.

Phương trình Drake đã là chủ đề của các cuộc thảo luận, tranh luận, cải tiến và đề xuất sửa đổi qua nhiều thập kỷ. Có lẽ thách thức lớn nhất mà phương trình này phải đối mặt là một câu hỏi đơn giản mà Enrico Fermi đặt ra: Mọi người đâu cả rồi? Nếu phương trình Drake là chính xác, vũ trụ nên tràn ngập sự sống thông minh. Và nếu điều đó đúng, chúng ta đáng lẽ đã thấy bằng chứng rồi.

Đó là một câu hỏi lớn, và bao gồm một loạt các yếu tố phức tạp, bao gồm cả những yếu tố trong phương trình Drake và nhiều hơn nữa. Một vấn đề còn bỏ ngỏ là làm thế nào một người ngoài hành tinh xa xôi có thể chọn cách gửi tin nhắn cho chúng ta, nếu họ muốn. Thoạt nhìn, một tín hiệu điện từ đơn giản, dưới dạng sóng vô tuyến, ánh sáng nhìn thấy, tia X hoặc photon tia gamma có thể xuất hiện trong tâm trí. Thật không may, mặc dù không gian giữa các ngôi sao và thiên hà có ít vật chất hơn nhiều so với những gì chúng ta quen thuộc trong khí quyển trên Trái đất, không gian tối tăm hơn nhiều so với những gì bạn có thể tưởng tượng. Trong quá trình di chuyển từ một hành tinh xa xôi, chùm photon sẽ gặp phải bụi và plasma có thể làm biến dạng và che khuất tín hiệu.

Một khả năng khác mà một số nhà nghiên cứu đã đề xuất là giao tiếp thông qua sóng hấp dẫn. Kể từ năm 2016, chúng ta đã có khả năng đo sóng hấp dẫn, nhờ những tiến bộ đột phá của Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa laser (LIGO), một cặp thiết bị khổng lồ đặt tại Hanford, Washington và Livingston, Louisiana. Mỗi phòng thí nghiệm LIGO bao gồm một hệ thống tia laser hình chữ L được phản xạ qua lại qua các đường hầm dài bốn kilômét để đo các gợn sóng trong không gian. Những gợn sóng này cho thấy sự đi qua của sóng hấp dẫn. Cho đến nay, LIGO đã có thể phát hiện sóng do va chạm của các lỗ đen và sao neutron cách xa hàng tỷ năm ánh sáng.

Về mặt lý thuyết, một người ngoài hành tinh tiên tiến có thể gửi một thông điệp được mã hóa trong sóng hấp dẫn. Các sóng sẽ dễ dàng đi qua không gian đầy bụi ở giữa và chúng ta có thể quan sát chúng bằng LIGO hoặc, có khả năng hơn, là đài quan sát sóng hấp dẫn thế hệ tiếp theo nhạy cảm hơn nhiều. Để tạo ra các tín hiệu mà chúng ta có thể đo được, người ngoài hành tinh sẽ cần tạo ra chúng bằng các máy phát được xây dựng từ lỗ đen hoặc các thành phần siêu khối lượng khác – một nhiệm vụ khó khăn nhưng có lẽ không phải là không thể đối với một người ngoài hành tinh đủ tiên tiến.

Neutrino – một giải pháp thay thế

Neutrino cung cấp một giải pháp thay thế để giao tiếp qua khoảng cách thiên hà và vũ trụ, kết hợp một số lợi ích và thách thức của cả photon và sóng hấp dẫn. Giống như sóng hấp dẫn, chúng có thể lan truyền qua khoảng cách rất lớn mà không bị tán xạ hoặc hấp thụ đáng kể bởi bụi liên sao hoặc thậm chí là tiểu hành tinh, hành tinh hay ngôi sao. Giống như photon của ánh sáng và bức xạ điện từ khác, người ngoài hành tinh có thể tạo ra neutrino thành chùm mà họ có thể nhắm vào các vùng không gian đầy hứa hẹn nơi một thông điệp có khả năng được nhận nhất. Loại nhắm mục tiêu này hiệu quả hơn nhiều so với phát sóng rộng rãi, nếu bạn có ý tưởng về nơi cần hướng tới.

Tôi nghĩ không phải là điều điên rồ khi một nền văn minh rất tiên tiến sẽ sử dụng chùm neutrino để giao tiếp, Anthony Zee của Viện Vật lý Lý thuyết Kavli ở Santa Barbara, California nói. Nó có những ưu điểm rõ ràng. Nó di chuyển gần như với tốc độ ánh sáng, không bị suy giảm, nó đi xuyên qua mọi thứ. Cá nhân tôi nghĩ rằng thay vì chi hàng tỷ tỷ cho những ăng-ten khổng lồ này – công cụ chính trong việc tìm kiếm dấu hiệu của trí thông minh ngoài trái đất – những người này nên tài trợ cho một số máy dò neutrino. Thậm chí không cần phải là một máy dò lớn; nó chỉ cần thu thập dữ liệu và xem liệu bạn có nghe thấy gì không.

Cũng như với ánh sáng và sóng hấp dẫn, neutrino di chuyển với tốc độ hữu hạn, điều đó có nghĩa là bất kỳ ai sử dụng chúng để gửi tín hiệu định hướng sẽ phải suy nghĩ trước một chút. Nếu hệ sao mà bạn đang liên lạc với vũ trụ cách xa một triệu năm ánh sáng, thì bạn sẽ phải hướng chùm neutrino của mình đến vị trí mà mục tiêu của bạn sẽ ở trong một triệu năm nữa, bởi vì neutrino di chuyển với tốc độ tương đương với tốc độ ánh sáng. Dựa trên sự phân bố của các hành tinh có khả năng có thể ở được, ngay cả bên trong một thiên hà, giao tiếp hai chiều sẽ gặp phải một số độ trễ nghiêm trọng.

Những thách thức với việc sử dụng neutrino

Một trong những lập luận chính chống lại việc người ngoài hành tinh sử dụng neutrino để giao tiếp – ngay cả khi bạn giả định rằng họ có công nghệ để làm điều đó – là, nhìn chung, đơn giản là dễ dàng và rẻ hơn nhiều (về mặt năng lượng liên quan) để gửi tín hiệu bằng photon hơn là bằng neutrino hoặc sóng hấp dẫn. Một tỷ lệ lớn photon sẽ bị tán xạ hoặc hấp thụ, nhưng người ngoài hành tinh luôn có thể bù đắp bằng cách tăng công suất trong máy phát của họ, với ít nỗ lực hơn nhiều so với việc tạo ra chùm neutrino.

Một cách để tăng công suất tín hiệu photon lên rất nhiều, theo Zee và nhà thực nghiệm neutrino John Learned, vẫn có thể dựa vào neutrino. Trong một bài báo có tiêu đề The Cepheid Galactic Internet, họ mô tả một hệ thống có thể thay đổi về mặt lý thuyết sự nhấp nháy của các ngôi sao biến thiên Cepheid có đầu ra ánh sáng tự nhiên dao động.

Hóa ra lý do chúng nhấp nháy là vì chúng đang ở bên bờ vực của sự mất ổn định, Zee nói, điều đó có nghĩa là một cú hích nhỏ có thể làm thay đổi sự biến thiên trong dao động của ngôi sao Cepheid. Ý tưởng là bắn một chùm neutrino lệch tâm vào ngôi sao và kích hoạt một số loại mất ổn định. Nó giống như vật lý hạt tương đương với việc sử dụng tiếng ồn từ một phát súng để bắt đầu một trận tuyết lở trên một cánh đồng tuyết không ổn định. Chúng tôi gọi nó là trêu chọc ngôi sao, trêu chọc biến thiên Cepheid, Zee nói. Ý tưởng đơn giản là một nền văn minh tiên tiến sẽ có khả năng thu giữ đầu ra của ngôi sao và bằng cách nào đó lưu trữ nó và đổ nó vào một chùm neutrino dưới dạng xung… bạn có thể thực hiện một số ước tính, và nó không hoàn toàn điên rồ. Nếu một hành tinh quay quanh một ngôi sao có thể thu thập được thậm chí một phần trăm năng lượng đầu ra trên một đơn vị thời gian, bạn tất nhiên có thể nhân nó lên bằng cách lưu trữ nó… và sau đó đưa nó trở lại vào ngôi sao. Theo Zee, Nó sẽ hoạt động như một ngọn hải đăng vũ trụ.

Chúng tôi đề xuất rằng những ngôi sao này (và các loại sao biến thiên thường xuyên khác) nên được tìm kiếm các dấu hiệu điều biến pha (trong chế độ thời gian xung ngắn) và các mẫu, có thể là dấu hiệu của việc phát tín hiệu có chủ ý, các nhà vật lý viết trong tóm tắt bài báo của họ, với khả năng một số trí thông minh xa xôi đã và đang tải thông tin lên Mạng Internet Thiên hà Cepheid. Họ kết thúc bài báo bằng cách viết, Nó có thể là một cơ hội xa vời, nhưng nếu nó đúng, phần thưởng sẽ là vô giá đối với nhân loại. Vẻ đẹp của đề xuất này dường như đơn giản là dữ liệu đã tồn tại, và chúng ta chỉ cần nhìn dữ liệu theo một cách mới.

Ngay cả khi người ngoài hành tinh không chọn giao tiếp thông qua neutrino hoặc các ngôi sao được điều biến bằng neutrino, các hạt vẫn có thể tiết lộ sự hiện diện của họ trong vũ trụ như một tác dụng phụ của các hoạt động ngoài hành tinh. Có vẻ hợp lý khi đoán rằng sự sống thông minh, dù ở đâu, cũng sẽ có khát khao kiến thức tương tự như con người. Có thể tưởng tượng rằng người ngoài hành tinh tiên tiến có thể dựa vào máy gia tốc hạt để tiến hành nghiên cứu, như các nhà vật lý trên thế giới của chúng ta hiện đang làm.

Chúng ta đã biết rằng các máy gia tốc đủ mạnh để khám phá các giới hạn cuối cùng của tự nhiên, ở một tỷ lệ rất nhỏ được gọi là giới hạn Planck, sẽ cần các máy gia tốc quá lớn để có thể vừa với một hành tinh. Tỷ lệ càng nhỏ mà bạn muốn nghiên cứu với máy gia tốc, năng lượng bạn cần để gia tốc các hạt càng cao, và máy gia tốc phải càng lớn.

Trong một bài báo được công bố trên ArXiv vào năm 2015, Brian Lacki, khi đó đang làm việc tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey, ước tính rằng một máy gia tốc có thể khám phá tự nhiên ở giới hạn Planck sẽ lớn bằng một hệ mặt trời điển hình. Nếu chúng ta có thể tìm thấy dấu hiệu của một máy đang chạy, đó sẽ là một dấu hiệu rõ ràng của những sinh vật siêu thông minh, mà Lacki gọi là kỹ sư vũ trụ, ở đâu đó trong vũ trụ. Neutrino năng lượng cao có thể cung cấp dấu hiệu đó.

Việc va chạm vật chất, dù là trong máy gia tốc trên Trái đất hay trong máy được xây dựng bởi các kỹ sư vũ trụ, tạo ra những cơn mưa hạt khổng lồ. Bằng cách nghiên cứu các cơn mưa, các nhà khoa học có thể có được hiểu biết sâu sắc về cấu trúc của các hạt hạ nguyên tử, tái tạo các điều kiện trong vũ trụ sơ khai, và tìm kiếm các hạt mới có thể cung cấp manh mối cho khoa học vượt ra ngoài các mô hình mà chúng ta hiện biết.

Trong một máy gia tốc Planck, các cơn mưa sẽ bao gồm neutrino với năng lượng cao hơn nhiều so với những gì có thể được tạo ra trong ngay cả những sự kiện thiên văn bạo lực nhất, có khả năng cung cấp một ngọn hải đăng của trí tuệ chịu trách nhiệm tạo ra máy gia tốc. Neutrino có năng lượng cao nhất được phát hiện trên Trái đất đạt tới hàng nghìn nghìn tỷ electron volt, trong khi những neutrino từ một máy gia tốc Planck sẽ có năng lượng cao hơn một tỷ lần.

Bất kỳ sinh vật nào có khả năng xây dựng một máy gia tốc Planck có thể có khả năng tìm ra cách bắt giữ cả neutrino nếu họ muốn, thay vì phát tín hiệu cho vũ trụ biết rằng các thí nghiệm của họ đang diễn ra. Giữ các neutrino năng lượng cao trong tầm kiểm soát sẽ là điều khó khăn. Một cách để làm điều đó là chất đống thứ gì đó đặc, như chì, ở cuối máy gia tốc để bắt chùm tia trước khi neutrino bay vào không gian. Nó sẽ phải là một miếng chì lớn để làm được điều đó, có lẽ lớn bằng chính máy gia tốc. Nhược điểm của việc bắt chùm tia là nó sẽ tước đi của các nhà nghiên cứu ngoài hành tinh những khoa học tiềm năng thú vị có thể đến từ việc neutrino siêu năng lượng cao va chạm với vật chất khác trong vũ trụ. Họ sẽ phải rất cam kết trong việc duy trì tính vô hình để cố gắng giữ neutrino ngoài tầm nhìn.

Cũng không có khả năng người ngoài hành tinh sẽ giữ một máy gia tốc như vậy hoạt động vượt quá thời gian cần thiết để thu thập dữ liệu từ một thí nghiệm. Trên Trái đất, chúng ta ngừng hoạt động và ngừng sử dụng các thí nghiệm một khi chúng đã cung cấp tất cả các kết quả mà chúng ta có thể hy vọng. Thật khó để tưởng tượng điều gì diễn ra trong tâm trí của một người ngoài hành tinh, nhưng có vẻ như họ cũng sẽ làm như vậy. Một khi các thí nghiệm của họ hoàn thành, họ có thể sẽ tắt chúng và tiếp tục tìm kiếm những thứ khác để nghiên cứu. Nếu đúng như vậy, neutrino đến từ các máy gia tốc có kích thước hệ mặt trời sẽ là thoáng qua, khi các sinh vật ngoài hành tinh khắp vũ trụ xây dựng chúng, chạy các thí nghiệm và tắt chúng.

Tuy nhiên, nếu chúng ta phát hiện ra những neutrino năng lượng cao như vậy, chúng sẽ cho thấy hoặc là có các nhà khoa học máy gia tốc tiên tiến đang làm việc ở đâu đó trong vũ trụ hoặc là có một số điều thú vị tự nhiên đang diễn ra trong vũ trụ vượt ra ngoài vật lý mà chúng ta hiện đang hiểu. Dù bằng cách nào, có một lý do để thiết kế các máy dò trên hành tinh của chúng ta để tìm kiếm các hạt siêu năng lượng cao.

Phát hiện neutrino năng lượng cao có thể có nghĩa là công nghệ ngoài hành tinh tiên tiến đang hoạt động hoặc tiết lộ các hiện tượng vũ trụ vượt quá hiểu biết hiện tại của chúng ta về vật lý.

Quả cầu Dyson và neutrino

Neutrino cũng có thể tiết lộ các cấu trúc do người ngoài hành tinh tạo ra được gọi là quả cầu Dyson. Nhà vật lý có tầm nhìn xa Freeman Dyson đề xuất rằng khi các nền văn minh tiến bộ, nhu cầu năng lượng của họ sẽ tăng vượt quá tỷ lệ năng lượng tương đối ít ỏi đến từ một ngôi sao rơi trên một hành tinh tương đương với Trái đất. Hầu hết năng lượng từ mặt trời của chúng ta tỏa ra ngoài không gian. Một giải pháp, Dyson gợi ý, có thể là bao quanh một ngôi sao trong một quả cầu thu thập tất cả năng lượng có sẵn mà ngôi sao tạo ra.

Mặc dù một quả cầu Dyson sẽ ngăn chúng ta nhìn thấy ánh sáng và phần lớn bức xạ còn lại đến trực tiếp từ ngôi sao bên trong, điều đó không làm cho bản thân quả cầu trở nên vô hình, ít nhất là trong cách thực hiện đơn giản nhất của một cấu trúc như vậy. Nhiệt thải còn lại sau khi cư dân của quả cầu đã trích xuất năng lượng hữu ích từ ngôi sao bị giam giữ của họ phải đi đâu đó. Nó sẽ làm ấm quả cầu bên ngoài, từ đó sẽ phát sáng do bức xạ được phát ra từ bất kỳ vật thể ấm nào (đây là lý do tại sao con người xuất hiện rõ ràng trong hình ảnh hồng ngoại). Nếu cư dân của một hệ thống bên trong quả cầu Dyson thích giữ thấp hồ sơ, họ có thể dẫn nhiệt ra khỏi phần lớn quả cầu và gửi nó theo hướng mà họ khá chắc chắn không có ai quan sát.

Tuy nhiên, neutrino sẽ tiết lộ họ. Ngay cả một quả cầu Dyson có độ dày tường tương đương với bán kính hệ mặt trời của chúng ta cũng chỉ bẫy được một phần nhỏ neutrino đến từ một ngôi sao như mặt trời của chúng ta. Nếu một người ngoài hành tinh cố gắng xây dựng một thứ như vậy từ vật liệu có mật độ tương đương với trái đất, tổng khối lượng sẽ là một nghìn tỷ lần khối lượng mặt trời, trong trường hợp đó nó sẽ sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó và trở thành một lỗ đen, nghiền nát mọi thứ bên trong nó. Quả cầu Dyson nói chung là những ý tưởng viễn tưởng và sẽ khó xây dựng, trong khi làm cho một quả cầu đủ lớn để đảm bảo rằng neutrino không tiết lộ ngôi sao bên trong là điều đơn giản là không thể.

Chúng ta không có kính thiên văn neutrino có khả năng nhìn thấy một quả cầu Dyson riêng lẻ ở bất kỳ khoảng cách lớn nào, nhưng nếu một quả cầu cố gắng lén lút trượt qua hệ mặt trời của chúng ta, thông lượng neutrino có khả năng xuất hiện ngay cả trong các máy dò hiện có như Super-Kamiokande. Tất nhiên, tương tác hấp dẫn cũng sẽ ném hệ mặt trời của chúng ta vào tình trạng hỗn loạn, nhưng đó là một chủ đề cho lần khác.

Hãy thực tế: Cơ hội để chúng ta giao tiếp với người ngoài hành tinh thông qua chùm neutrino là rất nhỏ. Tuy nhiên, công nghệ dựa trên neutrino cuối cùng có thể là cách tốt nhất – và trong một số trường hợp, là cách duy nhất – để quản lý những kỳ tích như vậy. Hiện tại, nó có lẽ là chất liệu của khoa học viễn tưởng. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng, điều tương tự đã từng được nói về máy bay, laser, du hành đến mặt trăng, và giả thuyết tuyệt vọng năm 1930 của Wolfgang Pauli về neutrino – một hạt mà ông đề xuất, không biết rằng sau này nó sẽ cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.

Về nhóm tác giả

Alan Chodos là Giáo sư Nghiên cứu Vật lý tại Đại học Texas ở Arlington, nguyên Giám đốc Trung tâm Vật lý Lý thuyết Yale, và nguyên Phó Giám đốc Điều hành của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ, nơi ông là Thành viên.

James Riordon là nhà báo khoa học đã viết cho Science News, Scientific American, New Scientist, Popular Science, Washington Post, Science, Ad Astra, Physics Today, và Analytical Chemistry. Ông là cựu Chủ tịch Hiệp hội Nhà văn Khoa học DC và Đồng sáng lập Hiệp hội Nhà văn Khoa học Tây Nam.

Chodos và Riordon là đồng tác giả của cuốn Ghost Particle: In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino, từ đó bài viết này được trích ra.