Phản trọng lực có khả thi không?

Con người, khi nghĩ đến du hành không gian, nhận ra sự cần thiết của trọng lực. Khi rời khỏi hành tinh của chúng ta, liệu trọng lực nhân tạo hoặc phản trọng lực có khả thi không?

Từ khi chúng ta bắt đầu nghĩ đến việc du hành tới các hệ sao khác và các hành tinh, thế giới mà chúng quay quanh, chúng ta luôn phải suy xét về cách giữ cơ thể con người nguyên vẹn trong bất kỳ hành trình nào vượt qua khoảng cách giữa các vì sao. Trong khi những chuyến đi ngắn qua môi trường không trọng lực trong không gian có thể khả thi đối với con người, về lâu dài, cơ thể con người gặp phải hàng loạt vấn đề: mất thị lực trong không gian, giảm mật độ xương, teo cơ và nhiều vấn đề khác. Trong khi dịch chuyển tức thời hoặc du hành nhanh hơn ánh sáng qua hố sâu hoặc ổ cong không gian có thể là giải pháp thỏa mãn cho khoa học viễn tưởng, thực tế chúng ta cần một kế hoạch vượt trội hơn.

Những lựa chọn này có thể không vi phạm các định luật của thuyết tương đối rộng không? Đây là điều Steven Fredman muốn biết khi hỏi:

Antigravity và trọng lực nhân tạo phi quay đã là một phần trong khoa học viễn tưởng suốt nhiều năm. Nhưng nếu thuyết tương đối rộng đúng (như có vẻ chắc chắn là vậy), thì phản trọng lực hoặc nhân tạo thậm chí có thể khả thi về mặt lý thuyết không? Theo tôi hiểu, trọng lực là một biểu hiện của độ cong của không – thời gian. Liệu việc thay đổi cục bộ hình dạng của không – thời gian có thể tạo ra phản trọng lực không?

Đây là hai câu hỏi khác nhau về trọng lực nhân tạo và phản trọng lực, nhưng câu trả lời của chúng có liên hệ mật thiết. Dưới đây là những gì các định luật vật lý cơ bản nói về vấn đề này.

Thay vì một lưới ba chiều trống rỗng, việc đặt một khối lượng xuống sẽ khiến các đường thẳng trở nên cong theo một mức độ cụ thể. Trong thuyết tương đối rộng, chúng ta coi không gian và thời gian là liên tục, nhưng tất cả các dạng năng lượng, bao gồm nhưng không giới hạn ở khối lượng, đều góp phần vào độ cong của không – thời gian. Ngoài ra, khoảng cách giữa các vật thể không liên kết sẽ thay đổi theo thời gian, do sự giãn nở của vũ trụ.

Khi nói đến trọng lực, cách nó hoạt động rất rõ ràng, dù không nhất thiết là đơn giản: sự hiện diện của vật chất và năng lượng làm cong kết cấu của không – thời gian, và độ cong đó, đến lượt nó, xác định các đường đi mà vật chất và năng lượng bị ép phải theo khi thời gian trôi qua. Ở Trái Đất, lượng khối lượng khổng lồ (6 × 10²⁴ kg) được nén trong một thể tích tương đối nhỏ (một hình cầu với bán kính 6371 km) khiến cho bất kỳ vật thể có khối lượng nào gần bề mặt Trái Đất đều trải qua gia tốc nhất định hướng xuống trung tâm Trái Đất: 9,8 m/s², còn gọi là 1g.

Đây là mức gia tốc do trọng lực mà con người và nhiều thế hệ tổ tiên của chúng ta đã thích nghi qua vô số thế hệ. Và đây cũng là mức cần thiết để duy trì cơ thể chúng ta trong hành trình qua không gian nhằm tránh cơ thể bị suy thoái trong bất kỳ chuyến đi liên sao đáng kể nào.

Những công nghệ mà chúng ta mong muốn nhất, bao gồm:

– Dịch chuyển tức thời ngay lập tức.

– Di chuyển an toàn qua hố sâu.

– Hoặc ổ cong không gian.

Đều sẽ mang tính cách mạng, nhưng có vẻ đòi hỏi một thứ mà không tồn tại trong vũ trụ này, ít nhất theo hiểu biết hiện tại của chúng ta: một dạng năng lượng âm. Với một công nghệ như vậy, nhiều vấn đề cấp bách nhất về du hành không gian của chúng ta sẽ được giải quyết ngay lập tức.

Ổ cong không gian

Cách để tạo ra ổ cong không gian thực tế là thao tác trường năng lượng và độ cong không – thời gian xung quanh một tàu vũ trụ. Bằng cách nén không gian phía trước bạn và làm giãn không gian phía sau, bạn có thể rút ngắn khoảng cách giữa điểm xuất phát và điểm đến. Tuy nhiên, điều này yêu cầu một dạng khối lượng/năng lượng âm để hoạt động.

Từ lâu, người ta đã biết rằng một dạng năng lượng âm nào đó sẽ cần thiết để ổ cong không gian hoạt động, vì năng lượng âm – ít nhất là từ góc độ trọng lực – sẽ là yếu tố cần thiết để đảo ngược độ cong không gian theo cách ngược lại với cách mà khối lượng/năng lượng dương gây ra độ cong. Đáng tiếc, mọi thực thể mà chúng ta biết trong vũ trụ, từ tất cả các hạt cơ bản trong Mô hình chuẩn đến năng lượng điểm không của không gian trống rỗng, đều chỉ chứa một lượng năng lượng dương ròng, với các giải pháp năng lượng âm không được chấp nhận về mặt vật lý hoặc không được thể hiện trong thực tế.

Một số hy vọng rằng, bất chấp việc cần năng lượng dương để tạo ra (qua E = mc²), phản vật chất có thể chống lại trọng lực thay vì chịu trọng lực giống như vật chất thông thường.

Điều này sẽ yêu cầu rằng thay vì có khối lượng quán tính (m trong F = ma của Newton) bằng khối lượng hấp dẫn – điều đúng ít nhất tới 15 chữ số đối với vật chất thông thường – phản vật chất sẽ phải có khối lượng quán tính bằng âm của khối lượng hấp dẫn. Đây không phải là điều mà các lý thuyết thông thường dự đoán, nhưng trong một thí nghiệm được thực hiện vào năm ngoái tại CERN, thí nghiệm ALPHA-g đã thành công trong việc tạo ra các nguyên tử phản vật chất trung hòa và quan sát hướng (và tốc độ) mà chúng rơi trong trường hấp dẫn của Trái Đất. Lần đầu tiên, chúng ta có xác nhận thực nghiệm: phản vật chất chịu tác động trọng lực như bình thường, thay vì không chịu hoặc chống lại trọng lực.

Dữ liệu thí nghiệm từ ALPHA cho thấy cách phản vật chất rơi trong một trường hấp dẫn, so sánh với các dự đoán của trọng lực thông thường, phản trọng lực và không trọng lực. Kết quả cho thấy, phản vật chất thực sự rơi xuống.

Khái niệm phản trọng lực rất phổ biến vì những khả năng mà nó có thể mang lại. Ví dụ, một trong những thiết bị điện từ đơn giản nhưng mạnh mẽ nhất mà chúng ta biết đến là tụ điện. Cách một tụ điện hoạt động rất đơn giản: nó có hai bề mặt dẫn điện diện tích lớn, đặt gần nhau. Để tận dụng tính chất điện từ, ta cần nạp điện cho hai bề mặt này, trong đó một mặt sẽ có điện tích dương và mặt kia có lượng điện tích âm bằng nhau nhưng đối lập.

Dạng của tụ điện không quan trọng, dù đó là:

– Hai lớp vỏ cầu cách nhau bởi một khoảng trống nhỏ.

– Hai hình trụ lồng vào nhau, cũng cách nhau bởi một khoảng trống nhỏ.

– Hoặc hai tấm song song với một khoảng trống giữa chúng.

Trong mọi trường hợp, yếu tố quan trọng là sự hiện diện của một lượng lớn điện tích dương ở một mặt của tụ điện, và một lượng tương đương điện tích âm ở mặt đối diện. Sự khác biệt này tạo ra một trường điện giữa hai tấm tụ điện. Bất kỳ hạt mang điện nào nằm trong vùng không gian đó – giữa các tấm hoặc các bề mặt tích điện này – sẽ bị gia tốc: hoặc bị đẩy ra khỏi mặt có điện tích dương và hướng về phía mặt có điện tích âm nếu hạt đó có điện tích dương, hoặc ngược lại nếu hạt đó mang điện tích âm.

Nếu trọng lực hoạt động giống như điện từ, việc tạo ra một loại tụ trọng lực sẽ rất dễ dàng. Ta chỉ cần đặt một vật liệu hấp dẫn xuống sàn tàu vũ trụ và đặt một lượng vật liệu phản hấp dẫn tương ứng lên trần tàu. Khi đó, bất kỳ vật chất nào – bao gồm cả con người – sẽ bị hút về phía sàn tích điện dương và bị đẩy ra khỏi trần tích điện âm.

Tuy nhiên, điều này không phản ánh thực tế của vũ trụ mà chúng ta đang sống. Trọng lực, không giống như điện từ, chỉ có một loại điện tích: khối lượng dương và/hoặc năng lượng dương. Không có sự tồn tại của khối lượng âm và/ hoặc năng lượng âm, chúng ta không thể tạo ra một trường trọng lực có hướng như cách chúng ta điều khiển trường điện. Lựa chọn duy nhất để tạo ra trọng lực dương là làm theo cách truyền thống: tập hợp đủ khối lượng tại một vị trí để lực hấp dẫn của nó tạo ra gia tốc mong muốn.

Đáng tiếc, điều này đồng nghĩa với việc cần một tàu vũ trụ có kích thước và khối lượng tương đương Trái Đất để biến du hành liên sao thành hiện thực. Điều này rõ ràng không thực tế.

Ảnh hưởng của hạn chế năng lượng

Có một lý do quan trọng khiến phản trọng lực không thể là một khả năng thực tế trong vũ trụ này: lý do lý thuyết còn thuyết phục hơn bất kỳ dữ liệu thực nghiệm nào chúng ta có thể thu thập. Các nhà vật lý thường gọi lý do này là điều kiện năng lượng, và dù định nghĩa toán học của nó rất trừu tượng, ý nghĩa vật lý lại rất rõ ràng.

Hãy tưởng tượng một vũ trụ giống như của chúng ta: nơi có các hạt lượng tử, tất cả đều có khối lượng dương hoặc không có khối lượng nhưng mang năng lượng dương, và các trường lượng tử tràn ngập khắp vũ trụ. Giờ hãy tưởng tượng một sự khác biệt nhỏ: tổng năng lượng vốn có của không gian, ở mọi nơi và mọi lúc, không bị giới hạn để luôn phải là dương.

Nếu điều này xảy ra, phản trọng lực – hoặc trọng lực âm – thực sự có thể tồn tại. Trong một vùng không gian nhất định, bạn có thể trích xuất các hạt (và phản hạt) thông qua các hiệu ứng như hiệu ứng Schwinger, mà không bị giới hạn bởi lượng năng lượng vốn có trong không gian. Thực tế, bạn có thể tiếp tục trích xuất các hạt và phản hạt tuỳ ý, tạo ra một mật độ năng lượng âm lớn bằng cách tiếp tục lấy năng lượng từ không gian để tạo ra khối lượng thông qua phương trình E = mc².

Kịch bản này, dù hấp dẫn, sẽ là một thảm họa cho vật lý. Trong vũ trụ của chúng ta, mọi thứ luôn hướng về trạng thái cơ bản, hoặc trạng thái năng lượng thấp nhất mà chúng có thể chiếm giữ. Nếu trạng thái năng lượng âm được phép tồn tại, mọi trạng thái trong vũ trụ nơi không gian trống rỗng hiện diện sẽ trở nên bất ổn. Không gian trống sẽ tiếp tục phát ra các hạt (và phản hạt), tạo ra một lượng năng lượng vô hạn, trong khi trạng thái chân không tiếp tục giảm xuống mà không có giới hạn.

Điều này có ảnh hưởng sâu rộng đến vũ trụ học, bao gồm cả việc ngăn chặn nhiều mô hình năng lượng tối trong đó năng lượng tăng dần theo thời gian. Tóm lại, bạn không thể có một không – thời gian nơi tổng năng lượng trở thành âm, và điều đó có nghĩa là phản trọng lực không thể tồn tại trong vũ trụ của chúng ta theo cách vật lý thực tế.

Có một năng lượng tích cực, khác không, vốn có trong bản thân các trường lượng tử: bao gồm trường bức xạ từ điện động lực học, trường sắc động lực từ lực hạt nhân mạnh và trường yếu từ lực hạt nhân yếu. Mặc dù các trường này xuất hiện trong các tính toán của chúng ta như các hạt ảo trong sơ đồ Feynman, nhưng chúng lại có những ảnh hưởng thực tế, chẳng hạn như dịch chuyển Lamb và hiệu ứng Schwinger. Tổng năng lượng vốn có của không gian không bao giờ có thể bằng không, nếu không thì sẽ xuất hiện những hậu quả bất thường.

Dĩ nhiên, bạn có thể thực hiện một số loại trò ảo thuật để làm năng lượng của không gian trở thành tiêu cực trong một vùng nhỏ, nhưng bạn phải điều chỉnh hệ thống của mình theo một cách rất đặc biệt. Ví dụ:

– Lấp đầy toàn bộ không gian bằng một chất lỏng lớn chứa năng lượng.

– Sau đó đặt một khối lượng bên trong chất lỏng đó với mật độ khối lượng/ năng lượng lớn hơn chất lỏng đó.

– Sau đó tạo ra bong bóng chân không bên trong chất lỏng đó.

– Những bong bóng này sau đó sẽ hành xử như thể chúng là những vùng không gian có khối lượng/ năng lượng âm.

Tuy nhiên, đây chỉ là một trò ảo thuật, vì những vùng này chỉ có khối lượng/ năng lượng âm so với mật độ năng lượng trung bình được tăng cường nhân tạo mà bạn đã tạo ra bằng cách đặt chất lỏng lớn đó vào không gian ngay từ đầu.

Vì bản thân không gian – ngay cả trong những khu vực thấp nhất và ít dày đặc nhất của vũ trụ giữa các thiên hà – chỉ có mật độ năng lượng tương đương với khoảng một proton trên mỗi mét khối, hoặc khoảng 1 phần trong 10³⁰ so với mật độ của nước lỏng, bạn sẽ cần làm trống hàng ngàn năm ánh sáng khối không gian khỏi tất cả các hạt lượng tử chỉ để tạo ra một khối lượng âm hiệu dụng tương đương Trái Đất. Điều này không chỉ bất khả thi về mặt thực tế mà còn hoàn toàn không đủ để tạo ra các lực phản trọng lực đủ mạnh để bảo vệ con người. Do đó, chúng ta phải tìm kiếm các phương pháp khác nếu muốn con người di chuyển trong không gian với trải nghiệm tương đương trọng lực: trọng lực nhân tạo.

Nguyên lý tương đương của Einstein

Hành vi giống hệt nhau của một quả bóng rơi xuống sàn trong một tên lửa tăng tốc (trái) và trên Trái Đất (phải) là minh chứng cho nguyên lý tương đương của Einstein. Nếu khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn là giống hệt nhau, sẽ không có sự khác biệt giữa hai kịch bản này. Nguyên lý này đã được kiểm chứng với độ chính xác ~1 phần trong một nghìn tỷ đối với vật chất thông qua các thí nghiệm cân bằng xoắn, và đây là ý tưởng mà Einstein gọi là ý nghĩ hạnh phúc nhất của ông, dẫn đến việc phát triển thuyết tương đối tổng quát. Gần đây, thí nghiệm ALPHA-g cũng đã xác nhận điều này đúng với phản vật chất.

Einstein đã có rất nhiều ý tưởng trong suốt cuộc đời mình, nhưng ý nghĩ hạnh phúc nhất của ông đến khi ông đang suy nghĩ về vấn đề trọng lực vào năm 1907. Ông muốn biết sự khác biệt giữa:

– Một người đang tăng tốc do tác động của một lực bên ngoài, chẳng hạn như lực đẩy từ động cơ.

– Một người đang tăng tốc do tác động của lực hấp dẫn, chẳng hạn như trên bề mặt Trái Đất.

Khám phá lớn của Einstein là sẽ không có sự khác biệt: hai tình huống này sẽ tương đương về mặt vật lý với nhau. Điều này trở thành nguyên lý tương đương của Einstein, và việc xây dựng nền tảng toán học cho nó đã dẫn trực tiếp đến thuyết tương đối tổng quát.

Điều này có nghĩa là, nếu bạn duy trì gia tốc không đổi cho tàu vũ trụ của mình – thông qua gia tốc tuyến tính từ lực đẩy không đổi hoặc gia tốc quay dưới dạng quay với tốc độ không đổi – một con người bên trong sẽ thực sự có thể trải nghiệm gia tốc 1g đáng mơ ước trong suốt chuyến hành trình. Thật không may, lượng nhiên liệu (và khối lượng) cần thiết cho gia tốc tuyến tính không đổi là hoàn toàn cấm kỵ ngay cả đối với một chuyến đi liên sao đến hệ sao gần nhất ngoài hệ Mặt Trời của chúng ta, ngay cả khi chúng ta sử dụng nhiên liệu phản vật chất hiệu suất 100%. (Và người đặt câu hỏi đã cấm chúng ta xem xét các tùy chọn quay, chẳng hạn như trạm quay trong 2001: A Space Odyssey hoặc cấu trúc như một hình trụ ONeill).

Nếu bạn bước vào một con tàu vũ trụ và tăng tốc ở mức 1g (gia tốc của Trái Đất) trong toàn bộ chuyến đi, bạn có thể di chuyển gần tốc độ ánh sáng chỉ sau vài năm tăng tốc. Khi bạn tăng tốc độ của mình ngày càng gần với tốc độ ánh sáng, hiệu ứng giãn thời gian sẽ trở nên ngày càng nghiêm trọng. Về lý thuyết, các khoảng cách nhiều năm ánh sáng có thể được vượt qua trong khoảng thời gian trải nghiệm ít hơn nhiều so với một năm, nhưng bạn phải đối mặt với vấn đề về các nguồn nhiên liệu thực tế.

Điều quan trọng là phải công nhận một sự ràng buộc cực kỳ quan trọng áp dụng cho hầu hết mọi thứ chúng ta từng nói: tất cả những điều này đều giả định rằng các quy luật vật lý, như chúng ta hiểu chúng ngày nay, thực sự đại diện cho những quy luật điều chỉnh vũ trụ vật lý của chúng ta. Có thể có những thay đổi như:

– Một loại khối lượng/ năng lượng âm nào đó là có thể.

– Các điều kiện năng lượng bất khả xâm phạm hiện tại có thể bị vi phạm.

– Thuyết tương đối tổng quát và/ hoặc lý thuyết trường lượng tử có thể được thay thế bởi một lý thuyết cho phép phản trọng lực.

– Hoặc chúng ta có thể có các trạng thái năng lượng âm trong không gian theo một cách hiện tại chúng ta nghĩ là bị cấm.

Nếu bạn thay đổi các quy tắc, bạn có thể thay đổi tập hợp các kết quả có thể được cho phép, và chúng ta không có cách nào biết được các quy luật vật lý hiện tại của chúng ta sẽ bị phá vỡ ở đâu và như thế nào khi chúng đạt đến giới hạn.

Nhưng nếu chúng ta giả định rằng các quy luật vật lý như chúng ta biết chúng thực sự đúng trong chế độ mà chúng ta đang hỏi, thì không, phản trọng lực là không thể. Tuy nhiên, trọng lực nhân tạo, đơn thuần thông qua sức mạnh của gia tốc thông thường, vẫn được cho phép, và đó sẽ là kịch bản được ưu tiên để duy trì một gia tốc 1g cho tất cả mọi người – cả con người lẫn phi con người – trên một con tàu vũ trụ thực hiện hành trình liên sao. Tuy nhiên, cho đến khi chúng ta triển khai được giải pháp như vậy, chúng ta không chỉ bị giới hạn việc du hành không gian của con người trong hệ sao của chính mình mà các phi hành gia sẽ tiếp tục phải chịu các vấn đề do trọng lực giảm, vi trọng lực hoặc môi trường không trọng lực gây ra. Những vấn đề đó, thay vì vi phạm các điều kiện năng lượng khác nhau, có lẽ nên là ưu tiên hàng đầu của chúng ta đối với sức khỏe lâu dài của những người du hành không gian.