Có thể tưởng tượng [sự sống] rồi sẽ trải khắp thiên hà và xa hơn nữa. Vì thế có lẽ sự sống sẽ không mãi là chất ô nhiễm không quan trọng của vũ trụ như bây giờ. Tôi thấy đó là một quan điểm khá hấp dẫn.

— NHÀ THIÊN VĂN HỌC HOÀNG GIA MARTIN REES

Không thể nào di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, và tất nhiên một người có lý trí sẽ không bao giờ mơ tưởng đến điều đó.

— ĐẠO DIỄN WOODY ALLEN

Trong một tập phim Chiến tranh giữa các vì sao, khi phi thuyền Millennium Falcon phóng lên từ hành tinh hoang phế Tatooine, mang theo hai người hùng Luke Skywalker và Han Solo, nó đã chạm trán với phi đội tàu chiến đầy uy lực của đế quốc đang tuần tra quanh đó. Phi đội Đế quốc bắn phá dữ đội phi thuyền của những người hùng bằng loạt đạn laser, khiến trường lực bảo vệ phi thuyền bị phá hủy. Millennium Falcon thua hoàn toàn về hỏa lực. Khi đang oằn lưng chống đỡ trong vô vọng trước sức tấn công khủng khiếp của laser đối phương, Han Solo hét lên rằng hy vọng duy nhất của họ lúc này là thực hiện bước nhảy vào “siêu không gian”. Đúng lúc đó, các siêu động cơ của phi thuyền đồng loạt hoạt động. Tất cả các ngôi sao xung quanh bỗng co cụm lại tại khu vực trung tâm của màn hình quan sát trên tàu, trở thành những tia sáng hội tụ chói lòa. Một lỗ hổng không gian mở ra, Millennium Falcon nhanh chóng vụt qua nó để tiến vào siêu không gian, nhờ đó thoát khỏi sự truy đuổi của Đế quốc.

Khoa học viễn tưởng ư? Điều này là không cần bàn cãi. Nhưng nó có dựa trên thực tế khoa học nào không? Có lẽ có. Chuyển động nhanh hơn ánh sáng luôn là yếu tố chính của khoa học viễn tưởng, nhưng gần đây các nhà vật lý đã bắt đầu suy ngẫm nghiêm túc về khả năng này.

Theo Einstein, tốc độ ánh sáng là tốc độ giới hạn lớn nhất trong vũ trụ. Thậm chí những máy gia tốc hạt mạnh nhất hiện nay, dù có khả năng tạo ra mức năng lượng vốn chỉ tìm được tại tâm của các vụ nổ sao hoặc vào thời điểm Vụ Nổ Lớn, cũng không thể đẩy các hạt hạ nguyên tử đến tốc độ vượt qua tốc độ ánh sáng. Rõ ràng tốc độ ánh sáng là cảnh sát giao thông ghê gớm nhất trong vũ trụ. Nếu vậy, bất cứ hy vọng đi đến thiên hà xa xôi nào cũng là hão huyền.

Hoặc có lẽ không…

Năm 1902, chẳng ai có thể nghĩ nhà vật lý trẻ tuổi Albert Einstein rồi sẽ trở thành nhà vật lý vĩ đại nhất kể từ thời Isaac Newton. Thực tế, năm này còn được xem là quãng thời gian tồi tệ nhất cuộc đời ông. Thời điểm đó, ông chỉ là một nghiên cứu sinh vừa tốt nghiệp, bị từ chối nguyện vọng giảng dạy tại mọi trường đại học mà ông nộp hồ sơ. (Sau này ông mới biết giáo sư của mình là nhà vật lý Heinrich Weber đã viết cho ông những bức thư giới thiệu tồi tệ, có lẽ để “trả đũa” việc Einstein cúp tiết quá nhiều.) Hơn nữa, mẹ ông lại cực lực phản đối cô bạn gái Mileva Maric của ông, bất chấp việc Mileva đang mang giọt máu của con mình. Con gái đầu lòng của họ, Lieserl, trở thành đứa con ngoài giá thú. Chàng Albert trẻ tuổi cũng không thành công ở những công việc khác. Thậm chí việc gia sư được trả công rẻ mạt cũng đột ngột kết thúc khi ông bị cho thôi việc. Trong những bức thư đầy chán nản, ông dự định trở thành con buôn để kiếm sống. Ông thậm chí còn viết cho gia đình rằng có lẽ sẽ tốt hơn nếu mình chưa bao giờ được sinh ra vì bản thân là gánh nặng cho gia đình và không có chút triển vọng nào. Khi cha mất, ông tủi hổ với ý nghĩ cha ra đi cùng nỗi niềm con trai mình là một kẻ hoàn toàn thất bại.

Cuối năm đó, vận may bỗng mỉm cười với ông. Một người bạn đã sắp xếp cho ông làm nhân viên Văn phòng cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ. Từ vị trí tầm thường này, Einstein đã tạo ra cuộc cách mạng lớn nhất trong lịch sử hiện đại. Ông thường nhanh chóng hoàn tất công việc đánh giá các bằng sáng chế mỗi ngày rồi dành hàng giờ cho những vấn đề vật lý đã thắc mắc ngay từ tấm bé.

Vậy bí mật đằng sau bộ óc thiên tài của ông là gì? Có lẽ, một phần nằm ở khả năng tư duy về hiện tượng hay sự vật như một bức tranh vật lý (như các con tàu đang chuyển động, đồng hồ đặt trên một vật đang chuyển động với vận tốc rất lớn, các cấu trúc biến dạng) thay vì như toán học thuần túy. Einstein từng nói một lý thuyết không thể hữu dụng nếu ta không thể giải thích nó cho một đứa trẻ; điều cốt lõi của một lý thuyết phải được một bức tranh vật lý nào đó mô tả lại. Nhiều nhà vật lý rơi vào bế tắc khi lạc trong các vấn đề toán học hỗn độn. Nhưng cũng như tiền bối Newton, Einstein bị các bức tranh vật lý ám ảnh; toán học chỉ là thứ đến sau. Đối với Newton, bức tranh vật lý là quả táo đang rơi và Mặt Trăng. Newton tự hỏi: Liệu lực kéo quả táo rơi xuống có là lực giữ Mặt Trăng trên quỹ đạo của nó? Khi Newton nhận ra câu trả lời là đúng, ông bắt đầu tạo ra phần kiến trúc toán học cho vũ trụ — thứ bỗng nhiên tiết lộ những bí mật sâu xa nhất của bầu trời: chuyển động của các thiên thể.

EINSTEIN VÀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI

Albert Einstein đề xuất lý thuyết tương đối hẹp nổi tiếng vào năm 1905. Điểm cốt lõi của lý thuyết này là một bức tranh mà thậm chí trẻ em cũng hiểu được. Đây cũng là đỉnh điểm của giấc mơ mà ông đã ấp ủ từ năm 16 tuổi khi tự hỏi: Điều gì xảy ra nếu ta đuổi theo một chùm sáng? Khi còn trẻ, ông biết cơ học Newton mô tả chuyển động của các vật trên Trái Đất và trên trời, còn lý thuyết của Maxwell mô tả ánh sáng. Đó là hai trụ cột của thế giới vật lý.

Điểm thiên tài của Einstein là ông nhận ra hai trụ cột này mâu thuẫn với nhau. Do đó, một bên phải sụp đổ.

Theo Newton, ta luôn có thể đuổi kịp một tia sáng, vì ánh sáng chẳng có gì đặc biệt. Điều này có nghĩa tia sáng sẽ đứng yên đối với ta nếu ta chạy song song với nó. Nhưng từ khi còn trẻ, Einstein đã biết rằng chưa ai từng nhìn thấy một chùm sóng ánh sáng đứng yên như đóng băng, nên lý thuyết của Newton không đúng trong trường hợp này.

Cuối cùng, trong thời gian học đại học ở Zurich, khi đang nghiên cứu lý thuyết của Maxwell, Einstein đã tìm thấy câu trả lời. Ông khám phá ra điều mà chính Maxwell cũng không biết: tốc độ ánh sáng không đổi dù ta có chuyển động nhanh tới đâu. Bất kể ta chuyển động cùng chiều hay ngược chiều truyền của một tia sáng thì nó vẫn chuyển động với vận tốc như nhau nhưng cảm quan thông thường của chúng ta không nhận ra. Vậy là Einstein đã tìm thấy câu trả lời cho thắc mắc thời trẻ của mình: ta không thể đuổi kịp một tia sáng vì nó luôn chuyển động ra xa ta với tốc độ không đổi, không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của ta.

Nhưng cơ học Newton là một hệ thống ràng buộc chặt chẽ: cũng giống việc tháo dây, toàn bộ lý thuyết sẽ đánh mất sự liền mạch nếu ta tiến hành một thay đổi dù nhỏ nhất trong các tiền đề của nó. Trong lý thuyết của Newton, sự trôi của thời gian là đồng đều trong toàn vũ trụ. Một giây trên Trái Đất cũng giống một giây trên Kim Tinh hay Hỏa Tinh. Tương tự, một thước mét trên Trái Đất sẽ có cùng độ dài với một thước mét trên Diêm Vương Tinh. Nhưng nếu tốc độ ánh sáng luôn không đổi, bất kể chúng ta chuyển động nhanh đến đâu, thì hiểu biết căn bản của chúng ta về không gian và thời gian cần thay đổi. Không gian và thời gian cần trải qua những biến dạng sâu sắc để đảm bảo sự bất biến của tốc độ ánh sáng.

Theo Einstein, nếu ta ngồi trong một tên lửa đang phóng đi, dòng chảy thời gian của ta sẽ chậm hơn so với thời gian của những người đang ở Trái Đất. Nhịp đếm thời gian sẽ có tốc độ khác nhau, phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của tên lửa. Hơn nữa, không gian bên trong tên lửa sẽ co lại, khiến các thước mét trong đó thay đổi độ dài tùy vào tốc độ chuyển động của người ngồi trong. Bên cạnh đó, khối lượng của tên lửa cũng tăng. Nếu có thể nhìn vào bên trong tên lửa bằng kính thiên văn, chúng ta sẽ thấy đồng hồ trong đó chạy chậm lại, con người trong đó cũng di chuyển chậm hơn và trông dẹt hơn.

Thực tế, nếu tên lửa chuyển động với tốc độ ánh sáng, thời gian bên trong tên lửa sẽ ngừng trôi, tên lửa sẽ bị co lại đến mức không thấy được nữa và khối lượng của nó cũng lớn đến vô cùng. Vì những điều này không xảy ra trong thực tế, Einstein kết luận không gì có thể vượt qua rào cản ánh sáng về tốc độ. (Vì một vật sẽ nặng hơn khi chuyển động nhanh hơn, nên điều đó ngụ ý rằng động năng của vật đang được biến thành khối lượng. Ta có thể dễ dàng tính chính xác lượng năng lượng đã biến thành khối lượng chỉ với vài phép tính và cuối cùng dừng lại ở phương trình nổi tiếng E = mc2.)

Kể từ khi Einstein rút ra phương trình nổi tiếng này, hàng triệu thí nghiệm đã xác nhận ý tưởng cách mạng của ông. Chẳng hạn, hệ thống GPS dùng để xác định vị trí trên Trái Đất với sai số chỉ vài mét sẽ hoạt động thiếu hiệu quả nếu không thêm vào các hiệu chỉnh tương đối. (Vì quân đội phụ thuộc vào hệ thống GPS nên thậm chí các tướng lĩnh ở Lầu Năm Góc cũng phải được các nhà vật lý dạy vắn tắt về Thuyết tương đối của Einstein.) Các đồng hồ đặt trong vệ tinh GPS thật sự thay đổi tốc độ khi các vệ tinh này chuyển động trên quỹ đạo quanh Trái Đất, đúng như Einstein tiên đoán.

Minh họa sinh động nhất cho khái niệm này là ở các máy gia tốc hạt — thiết bị dùng để gia tốc các hạt sơ cấp lên tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Tại máy gia tốc khổng lồ của CERN, máy LHC nằm gần Geneva, Thụy Sĩ, các proton được gia tốc lên năng lượng hàng tỷ tỷ electron volt, nhờ đó đạt đến tốc độ tiệm cận tốc độ ánh sáng.

Đối với một nhà khoa học tên lửa, rào cản ánh sáng chưa phải là vấn đề to tát, vì các tên lửa hiện nay chỉ mới đạt tới tốc độ vài chục nghìn kilômétgiờ. Nhưng trong một hoặc hai thế kỷ tới, khi các nhà khoa học tên lửa nghiêm túc xem xét việc gửi những thiết bị thăm dò đến ngôi sao gần chúng ta nhất (cách Trái đất hơn bốn năm ánh sáng), tốc độ ánh sáng sẽ dần trở thành rào cản thực sự.

NHỮNG LỖ HỔNG TRONG LÝ THUYẾT CỦA EINSTEIN

Suốt nhiều thập kỷ, các nhà vật lý cố gắng tìm kiếm những lỗ hổng trong tuyên bố nổi tiếng của Einstein. Một vài lỗ hổng đã được tìm thấy, nhưng hầu hết không mấy ý nghĩa. Ví dụ, nếu chúng ta quét đèn pin ngang bầu trời, về nguyên tắc, ảnh của chùm sáng có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Chỉ trong vài giây, ảnh chiếu của đèn pin chuyển động từ một điểm trên đường chân trời sang vị trí đối diện, vượt qua khoảng cách còn dài hơn cả hàng trăm năm ánh sáng. Nhưng điều này không quan trọng, vì chẳng có thông tin nào được truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng theo cách này. Ảnh của chùm sáng có thể vượt qua tốc độ ánh sáng nhưng chúng không mang năng lượng hay thông tin.

Tương tự đối với một cái kéo, điểm khép giữa hai lưỡi kéo ở càng xa điểm nối chúng thì chuyển động càng nhanh. Thử tưởng tượng, nếu chúng ta có cái kéo dài một năm ánh sáng thì khi khép hai lưỡi kéo, điểm cắt kéo sẽ có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng. (Điều này cũng không quan trọng vì điểm cắt kéo không mang theo năng lượng hay thông tin nào hữu ích.)

Cũng tương tự, như tôi đã đề cập trong chương 4, thí nghiệm EPR giúp chúng ta gửi đi các tín hiệu còn nhanh hơn tốc độ ánh sáng. (Chúng ta cùng nhớ lại thí nghiệm này: Hai electron đang dao động đồng bộ được đẩy ra xa theo hai hướng ngược nhau. Vì các electron có tính kết hợp nên thông tin có thể được truyền đi với tốc độ nhanh hơn ánh sáng, nhưng đây chỉ là các thông tin ngẫu nhiên nên chúng vô dụng. Do đó, không thể dùng các máy EPR để gửi thiết bị thăm dò đến các ngôi sao cách xa chúng ta.)

Với giới vật lý, lỗ hổng quan trọng nhất lại do chính Einstein chỉ ra, khi ông phát minh ra Thuyết tương đối rộng vào năm 1915 — một lý thuyết còn mạnh hơn thuyết tương đối hẹp. Thuyết tương đối rộng được ươm mầm khi Einstein xem xét vòng quay ngựa gỗ của trẻ em. Như ta đã biết, các vật co lại khi chuyển động với tốc độ gần bằng ánh sáng. Chuyển động càng nhanh, ta càng bị ép lại nhiều. Nhưng trên một cái đĩa đang quay, vành ngoài sẽ chuyển động nhanh hơn tâm đĩa. (Thực tế thì tâm đĩa hầu như đứng yên.) Điều này có nghĩa là một cái thước nếu được đặt ở vành đĩa sẽ co lại nhưng nếu đặt ở tâm đĩa thì hầu như giữ nguyên chiều dài. Vì vậy, mặt của vòng quay ngựa gỗ không còn phẳng nữa mà vênh lên. Như vậy, gia tốc đã gây ra hiệu ứng cong của không gian và thời gian trên vòng quay ngựa gỗ.

Trong Thuyết tương đối rộng, không-thời gian là một kết cấu có thể giãn hoặc nén. Dưới những điều kiện nhất định, kết cấu này có thể giãn nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Ví dụ như Vụ Nổ Lớn, khi vũ trụ được sinh ra trong một vụ nổ kinh hoàng khoảng 13,7 tỷ năm trước. Các tính toán cho thấy tốc độ giãn nở ban đầu của vũ trụ còn nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng. (Điều này không vi phạm Thuyết tương đối hẹp, vì chỉ có không gian trống rỗng — khoảng không giữa các ngôi sao — là giãn nở, chứ không phải bản thân ngôi sao. Không gian giãn nở không mang theo bất cứ thông tin nào.)

Điểm mấu chốt ở đây là Thuyết tương đối hẹp chỉ đúng ở cục bộ, tức là trong khu vực nhỏ xung quanh ta. Trong khu vực lân cận chúng ta (ở đây là Hệ Mặt Trời), Thuyết tương đối hẹp được xác nhận là đúng, như chúng ta đã kiểm chứng bằng các thiết bị thăm dò không gian. Nhưng trên tổng thể (như trên khoảng cách thiên văn chẳng hạn), chúng ta phải sử dụng Thuyết tương đối rộng. Trong Thuyết tương đối rộng, không-thời gian trở thành một kết cấu có thể giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Thuyết tương đối rộng cũng cho phép tồn tại các “lỗ hổng không gian” mà thông qua đó chúng ta có thể đi tắt qua không gian và thời gian.

Vì những thực tế này, để chuyển động nhanh hơn ánh sáng, có lẽ cần viện đến Thuyết tương đối rộng. Có hai cách để thực hiện điều này.

1. Kéo giãn không gian. Nếu ta kéo giãn không gian phía sau rồi chạm tới không gian phía trước, ta sẽ có ảo giác mình đã chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Thực tế, ta không hề di chuyển, nhưng vì không gian bị biến dạng nên ta có thể đến các ngôi sao xa xôi chỉ trong chớp mắt.

2. Xé toạc không gian. Năm 1935, Einstein giới thiệu khái niệm “lỗ sâu”. Hãy tưởng tượng đến gương phản chiếu không gian của Alice — một thiết bị ma thuật kết nối vùng thôn dã của Oxford với Xứ sở Thần tiên kỳ lạ. Lỗ sâu là một thiết bị có thể kết nối hai vũ trụ với nhau. Khi còn học phổ thông, chúng ta biết khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm là một đường thẳng. Nhưng điều này không nhất thiết phải đúng nữa, vì khi cuộn một tờ giấy cho đến khi hai điểm khác nhau trên tờ giấy tiếp xúc với nhau, chúng ta nhận ra rằng khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm này thực chất là một lỗ sâu.

Nhà vật lý Matt Visser thuộc Đại học Washington cho biết: “Cộng đồng thuyết tương đối đã bắt đầu suy nghĩ về việc cần làm để đưa một số thứ như động cơ làm cong không gian hay lỗ sâu ra khỏi địa hạt khoa học viễn tưởng.”

Thậm chí, Martin Rees thuộc Hội Thiên văn Hoàng gia Anh còn nhấn mạnh: “Lỗ sâu, các chiều không gian phụ và máy tính lượng tử mở ra những kịch bản mang tính tự biện, có thể biến đổi toàn bộ vũ trụ của chúng ta thành một ‘thế giới sống động’.”

ĐỘNG CƠ ALCUBIERRE VÀ NĂNG LƯỢNG ÂM

Ví dụ tốt nhất về việc làm co giãn không gian là động cơ Alcubierre, do nhà vật lý Miguel Alcubierre đề xuất năm 1994 dựa trên lý thuyết hấp dẫn của Einstein. Động cơ này gần giống với hệ thống đẩy phi thuyền đã được mô tả trong phim Star Trek. Phi công của một tàu liên sao như vậy sẽ ngồi trong “bong bóng làm cong không gian”, nơi mọi thứ dường như vẫn diễn ra bình thường, thậm chí cả khi con tàu phá vỡ rào cản ánh sáng. Thực tế, phi công sẽ nghĩ rằng mình không hề chuyển động. Còn bên ngoài bong bóng, không-thời gian bị méo mó khủng khiếp do khoảng không phía trước bong bóng bị nén lại. Do bên trong bong bóng không có sự giãn nở thời gian nên thời gian ở đây vẫn trôi bình thường.

Alcubierre thừa nhận rằng bộ phim Star Trek có vai trò nhất định đưa ông đến lời giải của mình. Ông nói: “Những nhân vật trong Star Trek luôn nói về động cơ làm cong không gian, thứ có thể giúp ta biến đổi cấu trúc không gian.” Thêm vào đó, “chúng ta đã có một lý thuyết mô tả cách không gian bị làm méo, đó là thuyết tương đối rộng. Tôi nghĩ có một cách để áp dụng những khái niệm này nhằm xem xét cách thức hoạt động của một động cơ làm cong không gian.” Đây có lẽ là lần đầu tiên một chương trình truyền hình lại giúp khơi gợi lời giải cho một phương trình của Einstein.

Theo Alcubierre, một chuyến du hành bằng tàu liên sao mà ông đề xuất sẽ giống với chuyến du hành trên tàu Millennium Falcon của loạt phim Chiến tranh giữa các vì sao. Ông mô tả: “Phía trước con tàu, các ngôi sao sẽ trở thành các vệt sáng dài ngoằng. Còn phía sau, họ sẽ nhìn thấy toàn màu đen, vì ánh sáng từ các ngôi sao không chuyển động đủ nhanh để bắt kịp con tàu.”

Chìa khóa của động cơ Alcubierre nằm ở năng lượng cần thiết để đẩy tàu vượt qua tốc độ ánh sáng. Thông thường, các nhà vật lý bắt đầu với một lượng năng lượng dương để đẩy các tàu không gian và các tàu này luôn chuyển động với tốc độ chậm hơn ánh sáng. Để vượt qua tốc độ ánh sáng, chúng ta phải thay đổi nhiên liệu. Phép tính trực tiếp chỉ ra loại nhiên liệu này phải có “khối lượng âm” hoặc “năng lượng âm” — đây có lẽ là loại chất liệu kỳ lạ nhất trong vũ trụ, nếu chúng thực sự tồn tại. Theo quan niệm cũ, các nhà vật lý gạt bỏ khái niệm năng lượng âm và khối lượng âm, cho rằng chúng chỉ tồn tại trong khoa học viễn tưởng. Nhưng giờ đây, họ nhận ra chúng là yếu tố tối quan trọng để du hành nhanh hơn ánh sáng và có thể chúng thực sự tồn tại.

Các nhà khoa học hiện vẫn chưa thu được kết quả khả quan nào trong công cuộc tìm kiếm vật chất âm trong vũ trụ. (Phản vật chất và vật chất âm hoàn toàn khác nhau. Phản vật chất tồn tại thực sự, chứa năng lượng dương nhưng có điện tích bị đảo dấu. Vật chất âm thì chưa được chứng thực là có tồn tại hay không.) Vật chất âm là thứ kỳ lạ vì chúng nhẹ hơn cả chân không trống rỗng. Trên thực tế, chúng sẽ trôi nổi. Nếu vật chất âm tồn tại trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ, chúng sẽ trôi tuột ra không gian bên ngoài. Không giống như các thiên thạch có thể va vào các hành tinh do sức kéo của lực hấp dẫn, vật chất âm lại tránh xa khỏi các hành tinh. Các vật thể lớn như các ngôi sao và các hành tinh không hút mà đẩy chúng. Do vậy, mặc dù vật chất âm có thể tồn tại nhưng chúng ta có lẽ chỉ tìm thấy chúng trong không gian sâu thẳm, chứ chắc chắn không phải trên Trái Đất.

Một đề xuất cho việc tìm kiếm vật chất âm trong không gian ngoài vũ trụ là sử dụng hiện tượng “thấu kính Einstein”. Theo thuyết tương đối rộng, khi ánh sáng truyền ngang qua một ngôi sao hay thiên hà, đường đi của nó sẽ bị bẻ cong do tác dụng của trường hấp dẫn. Năm 1912, trước cả khi hoàn thiện thuyết tương đối rộng, Einstein tiên đoán rằng một thiên hà có thể có tác động giống như thấu kính của một kính thiên văn. Khi ánh sáng từ một vật ở xa truyền ngang qua một thiên hà mà nó đang chuyển động quanh, ánh sáng đó sẽ bị hội tụ, giống như một thấu kính, tạo nên hình vòng tròn đặc trưng mà ta quan sát thấy khi ánh sáng này đến được Trái Đất. Hiện tượng này được gọi là “vành Einstein”. Năm 1979, lần đầu tiên người ta quan sát thấy các “thấu kính Einstein” ngoài không gian vũ trụ. Kể từ đó, chúng trở thành công cụ không thể thiếu đối với các nhà thiên văn học. (Ví dụ, chúng ta từng cho rằng không thể định vị “vật chất tối” trong không gian vũ trụ. [Vật chất tối là một loại vật chất bí ẩn bất khả kiến nhưng có khối lượng. Trong vũ trụ, chúng tập trung quanh các thiên hà và phổ biến gấp 10 lần so với vật chất khả kiến thông thường.] Tuy nhiên, các nhà khoa học NASA đã xây dựng được bản đồ vật chất tối do loại vật chất này bẻ cong đường đi của ánh sáng truyền qua chúng, tương tự như thủy tinh.)

Như vậy, ta có thể sử dụng các thấu kính Einstein để tìm kiếm vật chất âm và các lỗ sâu trong không gian xa xôi. Kính thiên văn Không gian Hubble sẽ có thể nhận thấy cách bẻ cong ánh sáng khác thường của thấu kính này. Cho đến nay, các thấu kính Einstein vẫn chưa dò thấy hình ảnh của vật chất âm hay lỗ đen trong không gian, nhưng công cuộc tìm kiếm vẫn đang tiếp tục. Nếu một ngày Kính thiên văn Không gian Hubble dò thấy sự hiện diện của vật chất âm hay lỗ sâu nhờ vào các thấu kính Einstein, nó sẽ tạo ra một cơn rúng động trong thế giới vật lý.

Năng lượng âm khác với vật chất âm ở chỗ nó thực sự tồn tại nhưng với trữ lượng ít ỏi. Năm 1933, dựa trên các định luật lượng tử, Hendrik Casimir đã đưa ra một tiên đoán kỳ lạ. Ông khẳng định hai tấm kim loại không tích điện và đặt song song với nhau sẽ hút nhau như có ma thuật. Thông thường, hai tấm kim loại đặt song song sẽ đứng yên nếu chúng không mang điện tích. Nhưng chân không giữa hai tấm kim loại không hoàn toàn trống rỗng mà đầy rẫy những “hạt ảo” liên tục được tạo ra rồi nhanh chóng biến mất.

Trong những khoảng thời gian ngắn ngủi, các cặp electron và phản electron phóng ra từ hư vô rồi lại hủy nhau và biến mất vào chân không. Vậy là, chân không từng được cho là không có gì, giờ đây hóa ra lại chen chúc các hoạt động lượng tử. Thoạt nhìn, những tràng vật chất và phản vật chất phóng ra dường như vi phạm định luật bảo toàn năng lượng. Nhưng do nguyên lý bất định, những vi phạm này chỉ diễn ra trong thời gian ngắn ngủi và năng lượng trung bình vẫn bảo toàn.

Casimir nhận thấy đám mây các hạt ảo sẽ tạo ra một áp suất toàn phần trong chân không. Phần không gian giữa hai tấm song song bị nén nên sẽ có áp suất thấp. Nhưng phần không gian bên ngoài các tấm không bị giam giữ và rộng lớn hơn, nên sẽ tạo ra một áp suất toàn phần đẩy các tấm kim loại này về phía nhau.

Thông thường, hệ ở trạng thái năng lượng bằng không khi hai tấm kim loại đứng yên cách xa nhau. Nhưng khi đặt chúng ở gần nhau thì ta có thể trích xuất năng lượng từ chúng. Như vậy, do có thể trích xuất động năng từ các tấm nên năng lượng của chúng sẽ nhỏ hơn không.

Các nhà khoa học đã thực sự đo đạc được năng lượng âm này trong phòng thí nghiệm vào năm 1948, nhờ đó xác nhận tiên đoán của Casimir. Như vậy, năng lượng âm và hiệu ứng Casimir không còn là khoa học viễn tưởng nữa mà một thực tế đã được xác nhận. Tuy nhiên, vấn đề là hiệu ứng Casimir rất yếu nên chỉ có thể xác định trong phòng thí nghiệm nhờ tiến hành thật cẩn trọng trên những thiết bị tinh vi. (Nhìn chung, năng lượng Casimir tỷ lệ nghịch với bậc bốn của khoảng cách giữa hai tấm kim loại. Điều này có nghĩa là khoảng cách giữa chúng càng nhỏ thì năng lượng thu được càng lớn.) Hiệu ứng Casimir đã được nhà vật lý Steven Lamoreaux đo đạc chính xác vào năm 1996 tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Los Alamos. Kết quả cho thấy lực hút này chỉ bằng 1/30.000 trọng lượng của một con kiến.

Kể từ khi Alcubierre đề xuất lý thuyết của mình, các nhà vật lý đã khám phá ra nhiều tính chất lạ lẫm. Những người bên trong tàu liên sao không còn liên hệ nhân quả với thế giới bên ngoài. Điều này ngụ ý rằng không phải ta chỉ cần bấm nút là có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Ta không thể liên lạc xuyên qua “bong bóng làm cong không gian”. Cần phải xây dựng sẵn một “xa lộ” trong không gian và thời gian dành cho con tàu, giống như một đoàn tàu với lịch trình định sẵn. Khi ấy, tàu liên sao sẽ không thể là một con tàu không gian bình thường, có thể đổi hướng và tốc độ tùy ý. Tàu liên sao thật sự giống như một chiếc xe chở khách cưỡi lên một “con sóng” không gian bị nén, men theo một hành lang không-thời gian cong đã được dựng sẵn. Alcubierre nhận định: “Chúng ta cần một dãy máy phát được chế tạo từ những vật liệu kỳ lạ đặt dọc theo hành lang này, giống như trên đường cao tốc. Các thiết bị này giúp làm biến dạng không gian một cách đồng bộ.”

Thực tế, phương trình Einstein cho ra nhiều lời giải còn kỳ lạ hơn thế. Theo phương trình này, nếu biết phân bố khối lượng hay năng lượng, ta có thể tính ra độ cong của không-thời gian do phân bố này gây ra (tương tự như cách ta tính được các gợn sóng xuất hiện khi ném một hòn đá xuống bể nước.) Nhưng ta cũng có thể tiếp cận phương trình này theo hướng ngược lại. Ta có thể bắt đầu với một kiểu không-thời gian kỳ lạ nào đó, như không-thời gian trong sêri phim The Twilight Zone (Miền ảo ảnh) chẳng hạn. (Ví dụ, trong một vũ trụ như vậy, ta có thể mở cửa và nhận ra mình đang ở trên Mặt Trăng. Ta có thể chạy quanh một gốc cây và thấy mình đang đi ngược thời gian, quả tim thì nằm ở bên phải cơ thể.) Khi đó, ta có thể xác định phân bố vật chất và năng lượng đã gây ra kiểu không-thời gian này. (Tương tự như khi được cho trước một tập hợp các sóng trên mặt nước, ta có thể truy ngược lại để tính ra phân bố của các viên đá cần để tạo ra các sóng này.) Thực tế, đây chính là cách mà Alcubierre đã tiến hành để rút ra các phương trình của mình. Ông bắt đầu với một không-thời gian phù hợp với các chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng, rồi truy ngược lại để tính năng lượng cần thiết cho việc tạo ra kiểu không-thời gian này.

LỖ SÂU VÀ HỐ ĐEN

Bên cạnh việc làm biến dạng không gian, cách khả dĩ thứ hai nhằm phá vỡ rào cản ánh sáng là xé toạc không gian để tạo ra một lỗ sâu, hình thành một cánh cổng kết nối hai vũ trụ. Trong lĩnh vực viễn tưởng, lỗ sâu được đề cập lần đầu tiên trong tiểu thuyết Through the Looking Glass (Thế giới trong gương) của nhà toán học đến từ Oxford là Charles Dodgson, bút danh Lewis Carroll. Chiếc gương của Alice là một lỗ sâu, kết nối vùng thôn dã của Oxford với Xứ sở Thân tiên nhiệm màu. Bằng cách đưa tay vào trong chiếc gương, Alice có thể dịch chuyển tức thời từ vũ trụ này sang vũ trụ khác. Các nhà toán học gọi đây là “các không gian kết nối đa chiều”.

Trong vật lý, khái niệm lỗ sâu xuất hiện đầu tiên vào năm 1916, một năm sau khi Einstein công bố thuyết tương đối rộng. Nhà vật lý Karl Schwarzschild, lúc đó đang phục vụ trong Lục quân Đế quốc Đức, đã giải chính xác phương trình Einstein cho trường hợp ngôi sao có dạng chất điểm. Trường hấp dẫn của ngôi sao này rất giống với trường hấp dẫn của một ngôi sao bình thường và trên thực tế, Einstein đã dùng chính nghiệm Schwarzschild để tính độ lệch của tia sáng khi nó truyền qua một ngôi sao. Nghiệm Schwarzschild ảnh hưởng sâu sắc và tức thì lên lĩnh vực thiên văn; thậm chí cho đến ngày nay nó vẫn là một trong những lời giải nổi tiếng nhất của phương trình Einstein. Suốt nhiều thế hệ, các nhà vật lý sử dụng trường hấp dẫn quanh ngôi sao dạng chất điểm này làm giá trị gần đúng cho trường hấp dẫn của một ngôi sao thực sự, có đường kính hữu hạn.

Nhưng nếu xem xét kỹ lưỡng lời giải của ngôi sao dạng chất điểm này, ta sẽ nhận ra một thực thể khủng khiếp có dạng chất điểm lẩn khuất ở trung tâm, thứ đã gây kinh ngạc các nhà vật lý suốt gần một thế kỷ nay. Đó là hố đen. Nghiệm Schwarzschild đối với trường hấp dẫn do một ngôi sao chất điểm tạo ra cũng giống như một con ngựa thành Troy vậy. Nhìn bên ngoài, nó giống như một món quà trời cho, nhưng bên trong nó lại ẩn chứa đầy rẫy những thứ “ma quái”. Nhưng nếu chấp nhận lời giải là đúng, ta cũng phải chấp nhận những hệ quả của nó. Nghiệm Schwarzschild cho biết khi ta tiến đến vị trí ngôi sao chất điểm này, những điều kỳ quặc sẽ xảy ra. Bao quanh ngôi sao là một mặt cầu không nhìn thấy được (được gọi là “chân trời sự kiện”) và đây là điểm không thể vãn hồi. Mọi thứ vượt qua mặt cầu này đều không thể quay trở ra, giống như một thiết bị bẫy gián. Một khi đã bước qua chân trời sự kiện, ta sẽ không bao giờ trở lại. (Khi đã ở phía trong chân trời sự kiện, ta phải chuyển động nhanh hơn ánh sáng thì mới có thể thoát ra bên ngoài, mà điều này là không thể.)

Khi ta tiến đến chân trời sự kiện, các nguyên tử tạo thành cơ thể sẽ bị lực thủy triều kéo giãn. Lực hấp dẫn tác dụng lên chân sẽ lớn hơn nhiều so với lực hấp dẫn tác dụng lên đầu nên ta sẽ bị kéo giãn như sợi mì ống rồi bị xé toạc. Tương tự, các nguyên tử trong cơ thể cũng sẽ bị lực hấp dẫn kéo mạnh và vỡ tan.

Khi một người bên ngoài nhìn ta rơi vào chân trời sự kiện, họ sẽ thấy ta như đang chuyển động chậm dần theo thời gian. Thực tế, khi ta đến chân trời sự kiện, thời gian dường như cũng ngừng trôi!

Xa hơn nữa, khi vượt qua chân trời sự kiện, ta sẽ thấy ánh sáng ở đây bị bẫy lại và chuyển động vòng quanh hố đen suốt hàng tỷ năm. Ta sẽ có cảm giác như đang xem một bộ phim chi tiết về lịch sử của hố đen, ngược về thời điểm tạo thành nó.

Cuối cùng, nếu rơi thẳng đến tâm hố đen, ta sẽ tiến vào một vũ trụ khác ở phía bên kia. Đây được gọi là Cầu Einstein-Rosen, do Einstein đề xuất vào năm 1935 và hiện có tên gọi là lỗ sâu.

Einstein và các nhà vật lý khác tin một ngôi sao không thể tự nhiên tiến hóa thành một thực thể khủng khiếp như vậy. Thực tế, vào năm 1939, Einstein công bố một nghiên cứu chứng minh một khối khí và bụi lớn đang quay tròn sẽ không thể tụ lại để tạo thành hố đen. Vì vậy, mặc dù có một lỗ sâu ẩn khuất ở tâm hố đen nhưng ông tin rằng một thực thể lạ lùng như vậy không thể tự nhiên hình thành. Nhà thiên văn học Arthur Eddington còn cho rằng phải tồn tại “một định luật tự nhiên ngăn cản một ngôi sao hoạt động theo cách vô lý như vậy”. Nói cách khác, mặc dù hố đen là một nghiệm chính thống của phương trình Einstein nhưng không có một cơ chế đã biết nào cho thấy nó có thể hình thành một cách tự nhiên.

Mọi thứ đã thay đổi nhờ nghiên cứu cùng năm của J. Robert Oppenheimer và học trò Hartland Snyder. Họ đã chứng minh quả thực các hố đen có thể hình thành tự nhiên. Họ giả định một ngôi sao đang tắt sẽ sử dụng hết năng lượng hạt nhân của nó rồi co sụp dưới tác dụng của lực hấp dẫn, tạo nên một vụ nổ vào bên trong do sức ép trọng lực của chính ngôi sao. Nếu lực hấp dẫn có thể nén ngôi sao vào trong chân trời sự kiện của nó thì khi đó, không có gì đã biết trong khoa học có thể cản trở lực này tiếp tục ép ngôi sao thành một chất điểm hay một hố đen. (Có lẽ phương pháp gây nổ vào bên trong này đã mang lại cho Oppenheimer ý tưởng chế tạo quả bom nguyên tử ném xuống Nagasaki chỉ vài năm sau đó. Hiệu quả của quả bom phụ thuộc vào việc nổ vào trong của một quả cầu plutoni.)

Đột phá tiếp theo đến vào năm 1963, khi nhà toán học người New Zealand là Roy Kerr nghiên cứu trường hợp có lẽ là thực tế nhất của một hố đen. Các vật quay nhanh hơn khi co lại, giống với việc vận động viên trượt băng sẽ quay nhanh hơn khi thu tay lại gần cơ thể hơn. Như vậy, một hố đen được hình thành sẽ quay với tốc độ khủng khiếp.

Kerr nhận thấy một hố đen đang quay sẽ không co lại thành một ngôi sao dạng chất điểm như kết luận của Schwarzschild, mà sụp thành một vành quay. Bất cứ ai xấu số va phải vành này đều sẽ bỏ mạng; nhưng những người rơi vào bên trong vành sẽ chỉ đi xuyên qua nó. Nhưng thay vì đến được phía bên kia vành, người này sẽ vượt qua Cầu Einstein-Rosen và tiến vào một vũ trụ khác. Nói cách khác, hố đen quay là cái vành đỡ chiếc gương ma thuật của Alice.

Nếu chuyển động quanh chiếc vành quay này lần thứ hai, người này sẽ tiến vào một vũ trụ khác nữa. Thực tế, khi thả mình lại nhiều lần vào chiếc vành quay này, một người sẽ đi vào các vũ trụ song song khác nhau, giống như việc bấm nút “lên” trong một chiếc thang máy. Về nguyên tắc, ở đó tồn tại vô số vũ trụ, cái này xếp trên cái kia. “Bước qua chiếc vành ma thuật này và vút! — Ta đã ở trong một vũ trụ hoàn toàn khác, có bán kính khác và khối lượng âm!” Kerr cho biết.

Tuy nhiên có một vấn đề quan trọng nảy sinh. Các hố đen chính là những “lỗ sâu không ngang bằng”, hay vượt qua chân trời sự kiện chỉ là chuyến đi một chiều. Khi đã sang bên kia chân trời sự kiện và vành Kerr, ta không thể quay trở lại và thoát ra khỏi chân trời sự kiện.

Nhưng năm 1988, Kip Thorne và các đồng sự tại Cal Tech đã tìm thấy ví dụ về lỗ sâu ngang bằng — lỗ sâu mà ta có thể qua lại tự do. Họ đưa ra lời giải cho thấy du hành qua lỗ sâu không đến nỗi tệ hơn đi máy bay.

Lực hấp dẫn thường sẽ nén mạnh lên vị trí thắt cổ chai của lỗ sâu, bóp nát bất cứ nhà du hành nào muốn đi qua. Đó là một lý do khiến việc du hành nhanh hơn ánh sáng thông qua một lỗ sâu trở nên không khả thi. Nhưng lực đẩy do năng lượng âm hoặc khối lượng âm có thể sẽ giữ cho đoạn hẹp cổ chai này mở đủ lâu để các nhà du hành vượt qua bình yên vô sự. Nói cách khác, khối lượng âm hay năng lượng âm là yếu tố cần thiết cho cả động cơ Alcubierre và giải pháp lỗ sâu.

Vài năm gần đây, các nhà khoa học đã tìm thấy số lượng đáng ngạc nhiên các nghiệm chính xác của phương trình Einstein cho phép lỗ sâu tồn tại. Nhưng các lỗ sâu có thật sự tồn tại hay chỉ là suy tưởng thuần túy về toán học? Dưới đây là một số vấn đề quan trọng trong việc tạo thành các lỗ sâu.

Đầu tiên, để tạo ra một vùng không gian và thời gian bị biến dạng dữ dội mà việc du hành thông qua lỗ sâu cần có, chúng ta phải dùng đến lượng vật chất dương và âm nhiều đến mức khó tin, cỡ một ngôi sao khổng lồ hoặc một hố đen. Theo ước lượng của Matthew Visser, nhà vật lý ở Đại học Washington, nguồn năng lượng âm mà ta cần có để mở ra được một lỗ sâu rộng một mét phải vào cỡ khối lượng Mộc Tinh, nhưng có giá trị âm. Ông nói: “Ta cần khoảng âm một lần khối lượng Mộc Tinh để làm được điều này. Ngay cả việc thao tác với năng lượng tương đương khối lượng dương của Mộc Tinh cũng đã là một công việc quái đản, vượt xa khả năng của chúng ta trong miền tương lai có thể dự đoán được.”

Nhà vật lý Kip Thorne ở Cal Tech dự đoán: “rồi chúng ta sẽ thấy rõ là các định luật vật lý bên trong các lỗ sâu cỡ con người cho phép tồn tại những loại vật chất kỳ lạ để giữ các lỗ sâu này vẫn mở. Nhưng rõ ràng, công nghệ để tạo thành các lỗ sâu và giữ chúng không đóng lại vẫn vượt xa khả năng tưởng tượng của nền văn minh hiện nay.”

Thứ hai, chúng ta không biết các lỗ sâu như vậy bền vững tới đâu. Bức xạ phát ra từ các lỗ sâu có thể tiêu diệt bất cứ ai đi qua chúng. Hoặc có thể lỗ sâu không hề bền vững mà đóng lại ngay khi có ai đó bước qua.

Thứ ba, chùm tia sáng đi vào hố đen sẽ bị dịch chuyển xanh, tức là sẽ tăng dần năng lượng khi tiến tới gần chân trời sự kiện. Thực tế, tại ngay chân trời sự kiện, ánh sáng sẽ bị dịch chuyển xanh đến vô cùng, vì vậy bức xạ từ phần năng lượng rơi vào hố đen này có thể tiêu diệt bất cứ phi hành gia nào bên trong tên lửa tiếp cận.

Chúng ta hãy thảo luận những vấn đề này chi tiết hơn nữa. Một trở ngại là việc tích trữ đủ năng lượng để xé toạc kết cấu không gian và thời gian. Cách đơn giản nhất để làm điều này là nén một vật cho đến khi nó nhỏ hơn “chân trời sự kiện” của chính nó. Như vậy, đối với Mặt Trời, ta phải nén nó xuống đường kính khoảng ba kilômét, rồi nó sẽ tự co sụp thành một hố đen. (Lực hấp dẫn của Mặt Trời quá yếu để có thể tự co sụp xuống kích thước 3 km, vì vậy Mặt Trời sẽ không bao giờ trở thành hố đen. Về nguyên tắc, mọi thứ, kể cả chúng ta, đều có thể trở thành hố đen nếu bị nén đủ mạnh. Để làm được điều này, ta phải nén tất cả các nguyên tử tạo thành cơ thể mình đến kích thước còn nhỏ hơn khoảng cách giữa các hạt hạ nguyên tử — một kỳ công vượt quá khả năng của khoa học hiện đại.)

Cách thực tiễn hơn là lắp ráp một nguồn laser có khả năng tạo ra chùm sáng cường độ cao chiếu vào một điểm xác định. Hoặc có thể xây dựng một máy gia tốc hạt khổng lồ để tạo ra hai chùm tia sao cho khi va chạm với nhau ở mức năng lượng khủng khiếp, chúng sẽ tạo ra một vết rách nhỏ trong kết cấu không-thời gian.

NĂNG LƯỢNG PLANCK VÀ CÁC MÁY GIA TỐC HẠT

Theo tính toán, năng lượng cần thiết để tạo ra một sự bất ổn định trong không gian và thời gian là cỡ năng lượng Planck hay 1019 tỷ eV. Đây thực sự là một con số lớn không tưởng, gấp một triệu tỷ lần so với mức năng lượng tạo ra từ cỗ máy mạnh nhất hiện nay là Máy gia tốc Lớn LHC ở gần Geneva, Thụy Sĩ. LHC có khả năng di chuyển các proton vòng vòng bên trong một “chiếc bánh vòng” lớn cho đến khi chúng đạt năng lượng hàng triệu tỷ electron volt — mức năng lượng chưa từng có kể từ Vụ Nổ Lớn. Nhưng ngay cả năng lượng mà cỗ máy khủng khiếp này tạo ra cũng vẫn còn xa mới tiệm cận tới mức năng lượng Planck.

Cỗ máy gia tốc hạt kế sau LHC là Máy gia tốc tuyến tính Quốc tế (ILC). Thay vì bẻ cong quỹ đạo của các hạt hạ nguyên tử thành đường tròn, ILC sẽ bắn chúng theo đường thẳng. Các hạt sẽ được gia tốc liên tục khi chuyển động theo quỹ đạo này cho đến khi đạt đến năng lượng khổng lồ. Khi đó, một chùm electron sẽ va chạm với chùm phản electron, tạo ra một vụ bùng phát năng lượng khủng khiếp. ILC sẽ có chiều dài từ 30 đến 40 km, tức là dài gấp 10 lần Máy gia tốc tuyến tính Stanford, hiện là máy gia tốc tuyến tính lớn nhất thế giới. Nếu mọi chuyện suôn sẻ, ILC sẽ được hoàn thành trong thập niên tới.

Năng lượng do ILC tạo ra vào khoảng từ 0,5-1 nghìn tỷ eV, nhỏ hơn so với mức năng lượng 14 nghìn tỷ eV do LHC tạo ra, nhưng không hẳn vậy. (Trong LHC, va chạm proton xảy ra giữa các quark cấu thành các proton. Do đó sự va chạm giữa các quark với nhau sẽ có mức năng lượng nhỏ hơn con số 14 nghìn tỷ eV. Đó là lý do ILC sẽ tạo ra năng lượng va chạm lớn hơn so với LHC.) Bên cạnh đó, vì electron là hạt sơ cấp nên động lực học của va chạm giữa chúng với phản electron sẽ đơn giản và rõ ràng hơn.

Nhưng trên thực tế, ILC cũng còn xa mới có khả năng tạo ra một lỗ hổng không-thời gian. Để làm được điều này, ta cần một máy gia tốc mạnh hơn cả triệu tỷ lần so với các máy tốt nhất hiện nay. Đối với nền văn minh bậc 0 của chúng ta, vốn chỉ có khả năng khai thác các nhiên liệu hóa thạch (như than đá và dầu thô), công nghệ này vượt xa những thứ mà chúng ta có thể tập hợp được. Nhưng nó có thể khả dĩ đối với một nền văn minh bậc III.

Cần nhớ rằng, một nền văn minh bậc III có nhu cầu năng lượng ở tầm thiên hà và tiêu thụ năng lượng gấp 10 tỷ lần so với nền văn minh bậc II có nhu cầu năng lượng một ngôi sao chủ. Một nền văn minh bậc II lại tiêu thụ năng lượng gấp 10 tỷ lần một nền văn minh bậc I chỉ dựa trên năng lượng của một hành tinh. Trong khoảng 100 đến 200 năm tới, nền văn minh bậc 0 lạc hậu của chúng ta sẽ tiến vào kỷ nguyên của nền văn minh bậc I.

Với những tham chiếu vừa nêu, chúng ta vẫn còn một chặng đường xa vời vợi để đạt đến mức năng lượng Planck. Nhiều nhà vật lý tin rằng ở khoảng cách cực kỳ nhỏ, cỡ thang chiều dài Planck 10-33 cm, không gian không trống rỗng và trơn tru mà “sủi bọt” với những bong bóng nhỏ li ti liên tục được tạo ra từ hư vô, va chạm với các bong bóng khác rồi biến mất. Những bong bóng nhỏ được tạo thành và biến mất trong chân không này là “những vũ trụ ảo,” rất giống với các hạt electron và phản electron ảo liên tục phóng ra rồi nhanh chóng biến mất.

Thông thường, những “bong bóng” lượng tử không-thời gian này hoàn toàn vô hình với chúng ta. Chúng hình thành ở khoảng cách nhỏ tới mức chúng ta không thể quan sát thấy. Nhưng vật lý lượng tử đề xuất rằng nếu chúng ta tập trung đủ năng lượng vào một điểm duy nhất, cho đến khi đạt tới mức năng lượng Planck thì các bong bóng này có thể sẽ lớn hơn. Khi đó, chúng ta có thể nhìn thấy không-thời gian sủi đầy bong bóng, với mỗi bong bóng là một lỗ sâu kết nối thế giới với một “vũ trụ sơ sinh”.

Trong quá khứ, những vũ trụ sơ sinh như vậy được xem là một điều lạ thường, một hệ quả lạ lẫm của toán học thuần túy. Nhưng các nhà vật lý hiện đang xem xét nghiêm túc khả năng vũ trụ của chúng ta đã bắt đầu từ một trong những vũ trụ sơ sinh như vậy.

Mặc dù khả năng này chỉ mang tính phỏng đoán nhưng các định luật vật lý cho phép khả năng tạo ra một lỗ hổng trong không gian bằng cách hội tụ đủ năng lượng vào một điểm duy nhất, cho đến khi chúng ta tiến được tới vùng sủi bọt của không-thời gian, từ đó các lỗ sâu mở ra, kết nối vũ trụ của chúng ta với một vũ trụ sơ sinh.

Dĩ nhiên, việc tạo ra một lỗ hổng không gian đòi hỏi những đột phá lớn trong công nghệ, nhưng nó là khả thi đối với một nền văn minh bậc III. Ví dụ, chúng ta đã có những tiến bộ hứa hẹn với “máy gia tốc để bàn Wakefield”. Điều đáng nói là chiếc máy gia tốc nguyên tử này nhỏ gọn, có thể đặt trên bàn làm việc, nhưng lại tạo ra được năng lượng hàng tỷ electron volt. Máy gia tốc để bàn Wakefield hoạt động bằng cách bắn các chùm laser vào các hạt mang điện, giúp các hạt này tăng tốc. Những thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Gia tốc tuyến tính Stanford, Phòng Thí nghiệm Rutherford Appleton ở Anh và trường Ecole Polytechnique ở Pháp cho thấy khả năng gia tốc các hạt lên tốc độ cao trên quãng đường ngắn nhờ được bơm năng lượng từ các chùm tia laser và plasma.

Một đột phá khác xuất hiện vào năm 2007, khi các nhà vật lý và kỹ sư thuộc Trung tâm Gia tốc tuyến tính Stanford, Đại học California tại Los Angeles và Đại học Bắc California chứng minh rằng ta có thể nhân đôi năng lượng của một máy gia tốc hạt lớn chỉ với quãng đường truyền dài một mét. Đầu tiên, một chùm tia electron được bắn vào một ống dài hơn ba kilômét ở Stanford để đạt đến năng lượng 42 tỷ eV. Sau đó, các electron năng lượng cao này được chuyển vào một “buồng đốt vét”, gồm một ống plasma chỉ dài 88 cm. Tại đây, các electron tăng gấp đôi năng lượng bằng cách nhận thêm 42 tỷ eV. (Ống plasma được bơm đầy liti ở dạng hơi. Khi các electron đi qua hơi này, chúng tạo ra một sóng plasma làm nhiệm vụ rẽ đường cho các electron. Đoàn sóng hộ tống dồn ra phía sau electron và đẩy các electron lên phía trước, tạo ra một cú hích bổ sung cho các electron.) Trong thành tựu tuyệt vời này, các nhà vật lý đã cải thiện được lượng năng lượng mà các electron có thể tăng thêm trên mỗi mét đường đi thêm 1/3.000 so với kỷ lục trước đó. Bằng cách đưa thêm những “buồng đốt vét” này vào các máy gia tốc hiện có, về nguyên tắc chúng ta có thể tăng gấp đôi năng lượng của chúng mà hầu như không cần tác động thêm.

Hiện nay, kỷ lục thế giới đối với một máy gia tốc để bàn Wakefield là 200 tỷ eVm. Chúng ta vẫn còn nhiều trở ngại trong việc ứng dụng phương pháp này cho khoảng cách lớn (như việc duy trì tính ổn định của chùm hạt khi laser bơm năng lượng cho chúng.) Nhưng giả sử chúng ta có thể duy trì mức tăng năng lượng 200 tỷ eV cho mỗi mét đường truyền thì một máy gia tốc có khả năng đạt đến mức năng lượng Planck phải có chiều dài 10 năm ánh sáng. Điều này hoàn toàn nằm trong khả năng của một nền văn minh bậc III.

Các lỗ sâu và không gian bị biến dạng có thể mang lại cho chúng ta cách thức thực tế nhất để phá vỡ rào cản tốc độ ánh sáng. Nhưng chúng ta không biết liệu công nghệ này có ổn định không; và nếu có thì nó cũng sẽ cần một lượng năng lượng nghe có vẻ hoang đường để hoạt động, dù đó là năng lượng dương hay âm.

Có lẽ một nền văn minh bậc III tiến bộ vượt bậc sẽ sở hữu công nghệ này. Thậm chí phải chờ tới hàng thiên niên kỷ nữa chúng ta mới có thể nghĩ đến việc khai thác năng lượng ở mức này. Vì vẫn còn nhiều tranh cãi về các định luật cơ bản chi phối kết cấu không-thời gian ở thang lượng tử, nên tôi sẽ xếp công nghệ này vào nhóm Bất khả thi loại II.