Thật khó sống trong một vũ trụ tương đối tính, nơi mà khoảng cách đến những ngôi sao gần chúng ta nhất cũng vô cùng lớn và tốc độ ánh sáng lại là tốc độ tuyệt đối của mọi vật chất.
Nên chẳng ngạc nghiên khi các tác phẩm khoa học viễn tưởng ứng dụng công nghệ tự biên tự diễn FTL(Faster-than-Light - nhanh hơn cả ánh sáng) để du hành liên sao. Chỉ cần nhấn một nút, hệ thống động cơ đó sẽ đưa chúng ta đến một khoảng không Vũ trụ khác trong nháy mắt.
Tưởng chừng phi thực tế nhưng trong những năm gần đây, cộng đồng khoa học đã trở nên phấn khích (và cũng rất hoài nghi) về việc một công nghệ du hành liên sao viễn tưởng khác có khả thi hay không. Đó là Alcubierre Warp Drive, loại động cơ có thể "bóp méo" không gian để đưa tàu Vũ trụ tiến về phía trước.
Đây là chủ đề của một bài thuyết trình tại Diễn đàn Năng lượng và Sức mạnh Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ năm 2019, diễn ra từ ngày 19 đến 22 tháng 8 tại Indianapolis do Joseph Agnew - một kỹ sư đại học và trợ lý nghiên cứu từ Đại học Alabama tại Trung tâm nghiên cứu động lực học của Huntsville (PRC) nghiên cứu.
Joseph Agnew đang thực hiện bài thuyết trình.
Agnew đã chia sẻ kết quả của một nghiên cứu do anh thực hiện, mang tên "Kiểm tra lý thuyết Warp, công nghệ xác định trạng thái kỹ thuật và tính khả thi" trong buổi họp có chủ đề "Tương lai của hạt nhân và lực đẩy đột phá”. Agnew đã giải thích cho tất cả khán giả trong hội trường rằng, lý thuyết đằng sau hệ thống Warp Drive tương đối đơn giản.
Được đề xuất ban đầu vào năm 1994 bởi nhà vật lý người Mexico Miguel Alcubierre, khái niệm về hệ thống nhanh hơn ánh sáng FTL này được con người xem là một giải pháp mang tính lý thuyết cao nhưng có thể không vi phạm các phương trình trường Einstein - phương trình mô tả cấu trúc không thời gian và cách thức phân bố vật trên bên trong đó.
Mô phỏng cách thức Warp Drive hoạt động.
Warp Drive đạt được tốc độ nhanh hơn ánh sáng bằng cách kéo căng không-thời gian trong một làn sóng, khiến không gian phía trước nó co lại trong khi không gian phía sau mở rộng ra.
Về lý thuyết, một tàu vũ trụ bên trong làn sóng này sẽ có thể đạt được vận tốc vượt qua tốc độ ánh sáng, được minh họa bằng "Số liệu Alcubierre".
Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, phần bên trong của bong bóng không-thời gian này sẽ tạo thành khung tham chiếu quán tính riêng, tách biệt với phần bên ngoài. Vì con tàu không di chuyển trên nền không-thời gian mà chỉ làm thay đổi không-thời gian bao quanh nó, nên các hiệu ứng tương đối thông thường (như giãn nở thời gian) sẽ không có tác dụng.
Nói tóm lại, động cơ Alcubierre cho phép di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng mà không vi phạm các định luật tương đối. Agnew đã nói với Universe Today qua email, về sự đam mê và cảm hứng nghiên cứu Warp Drive của mình, ngay từ khi còn học trung học:
"Tôi đã đào sâu vào toán học và khoa học, bắt đầu quan tâm đến khoa học viễn tưởng và các lý thuyết tiên tiến và ứng dụng nó vào kỹ thuật thực tế. Tôi bắt đầu xem Star Trek, và nhận thấy phim đã dự đoán hoặc truyền cảm hứng cho việc phát minh ra điện thoại di động, máy tính bảng và các tiện nghi khác.
Tôi cũng nghĩ thêm về một số công nghệ, chẳng hạn như ngư lôi photon, phasers (vũ khí laser) và động cơ warp, sau đó cố gắng nghiên cứu tính khoa học trong Star Trek có khả thi hay không bằng cách đối chiếu với 'khoa học thế giới thực'. Một lần tình cờ tôi tìm thấy bài báo gốc của Miguel Alcubierre, sau khi đọc một lúc, tôi bắt đầu theo đuổi ý tưởng về động cơ nhanh hơn ánh sáng này và đi sâu hơn vào lý thuyết một cách rất nghiêm túc."
Một cú "nhảy" Faster Than Light.
Mặc dù khái niệm này thường bị loại bỏ vì chỉ mang tính lý thuyết và ý tưởng, nhưng nó đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu hơn trong những năm gần đây, điển hình là Harold "Sonny" White, Trưởng nhóm lực đẩy nâng cao tại Phòng thí nghiệm Vật lý Động lực Nâng cao - Trung tâm Vũ trụ NASA Johnson (hay còn gọi là "Phòng thí nghiệm Eagleworks").
Trong Hội nghị chuyên đề: “100 năm tàu không gian” vào năm 2011, ông White đã chia sẻ một số tính toán sau khi cập nhật của động cơ Alcubierre, chủ đề của bài thuyết trình có tiêu đề "Warp Field Mechanical 101"
Theo ông White, lý thuyết của Alcubierre nghe có vẻ hợp lý nhưng cần một số thử nghiệm để phát triển một cách nghiêm túc hơn. Kể từ đó, ông và các đồng nghiệp của mình đã thực hiện những nghiên cứu chuyên sâu tại Phòng thí nghiệm Eagleworks.
Động cơ Warp Drive khi di chuyển sẽ làm không - thời gian biến dạng.
Tương tự như ông White, anh Agnew cũng đã dành phần lớn sự nghiệp học tập của mình để nghiên cứu về lý thuyết và cơ học đằng sau ý tưởng này. Công trình của Agnew đã đạt đến đỉnh cao, giúp giải quyết những khó khăn và mở ra cơ hội lớn cho sự khả thi của động cơ Warp Drive. Người bảo trợ cho Agnew là giáo sư Jason Cassibry, chuyên ngành kỹ thuật cơ khí hàng không vũ trụ, kiêm giảng viên của Trung tâm nghiên cứu động lực của UAH.
Tuy vậy Agnew nhận định: Khái niệm động cơ nhanh hơn ánh sáng vẫn chưa được giới khoa học nhận định nghiêm túc.
"Theo kinh nghiệm của tôi, việc đề cập đến động cơ warp có xu hướng mang lại tiếng cười cho cuộc trò chuyện vì nó quá lý thuyết và mang đậm tính khoa học viễn tưởng. Trên thực tế, nó thường bị bác bỏ ngay khi thảo luận và sẽ được sử dụng để ví dụ về một điều gì đó rất kỳ quặc.
Thực ra ban đầu tôi cũng đã từng coi nó cùng loại với các khái niệm chuyển động siêu âm điển hình khác, vì rõ ràng tất cả chúng đều vi phạm 'giả định tốc độ ánh sáng là tốc độ tối đa'.
Mãi cho đến khi tôi đi sâu vào lý thuyết một cách cẩn thận hơn, tôi mới nhận ra nó không có những vấn đề này."
Tuy lĩnh vực Warp Drive vẫn còn trong giai đoạn trứng nước, nhưng đã có một số công trình khoa học dường như ủng hộ cho tính khả thi của nó.
Ví dụ, việc phát hiện ra sóng hấp dẫn hồi năm 2016 đã chứng minh cho dự đoán từ một thế kỷ trước của Einstein là chính xác, gián tiếp khẳng định những yếu tố cơ bản hình thành nên mô hình động cơ warp có tồn tại trong tự nhiên.
Hai sao neutron quay quanh nhau tạo ra sóng hấp dẫn.
Agnew đã nhận xét: đây có lẽ là sự phát triển quan trọng nhất, nhưng không phải là duy nhất.
"Trong 5-10 năm qua, đã có rất nhiều tiến bộ giúp dự đoán về sự tồn tại của động cơ warp, củng cố các giả định và khái niệm cơ bản, cá nhân tôi rất yêu thích điều này, và đang nghiên cứu cách thức để kiểm tra lý thuyết trong phòng thí nghiệm.
Phát hiện của LIGO vài năm trước, theo tôi, là một bước tiến lớn trong khoa học, vì nó đã chứng minh không thời gian có thể 'cong vênh' và uốn cong trước sự hiện diện của các trường hấp dẫn khổng lồ, điều này được lan truyền khắp vũ trụ theo cách mà chúng ta có thể đo lường."
Vì hệ thống Warp Drive dựa vào sự mở rộng và nén không thời gian, nên phát hiện về sóng hấp dẫn đã chứng minh một số hiệu ứng này có thể xảy ra một cách tự nhiên trong vũ trụ.
"Bây giờ chúng tôi biết mô hình động cơ warp trong tự nhiên là có thật, và câu hỏi tiếp theo, trong suy nghĩ của tôi là: chúng ta nghiên cứu nó như thế nào và chúng ta có thể tự tạo ra nó trong phòng thí nghiệm hay không?", anh nói thêm. "Rõ ràng, theo đuổi ý tưởng về động cơ nhanh hơn ánh sáng là một khoản đầu tư to lớn về thời gian và tài nguyên, nhưng sẽ mang lại lợi ích không thể ngờ tới."
Tất nhiên, khái niệm Warp Drive yêu cầu rất nhiều các nghiên cứu bổ sung và tiến bộ trước khi có thể được thử nghiệm, có lẽ chúng ta cần chờ đợi khoa học kỹ thuật phát triển hơn nữa.
"Về bản chất, những gì cần thiết cho Warp Drive là một hệ thống có thể mở rộng và điều chỉnh không thời gian theo ý muốn, xung quanh một vật thể nhỏ hoặc tàu vũ trụ. Chúng tôi biết rằng các trường điện từ hoặc khối lượng có thể uốn cong không thời gian. Tuy nhiên, với phân tích hiện tại, sẽ cần mật độ năng lượng rất lớn để làm được điều đó.
Tôi tin rằng nếu hiệu ứng này có thể được tái tạo trong quy mô phòng thí nghiệm, nó sẽ dẫn đến sự hiểu biết sâu sắc hơn nhiều về cách thức hoạt động của trọng lực và có thể mở ra một số lý thuyết mới hoặc những lỗ hổng chưa được khám phá.
Tuy nhiên trở ngại lớn nhất vẫn là năng lượng, đi kèm với đó là rào cản về công nghệ, vì vậy cần phát triển các thiết bị nhạy cảm hơn và chờ đợi tiến bộ về lĩnh vực liên quan đến trường điện từ v.v..."
Lượng năng lượng dương và âm cần thiết để tạo ra Warp Drive vẫn là thách thức lớn nhất liên quan đến giả thuyết của Alcubierre. Hiện tại, các nhà khoa học tin rằng cách duy nhất để duy trì mật độ năng lượng âm cần thiết để tạo ra “bong bóng” là thông qua vật chất kỳ lạ. - những thứ khác biệt với vật chất mà ta vẫn biết. Ước tính tổng nhu cầu năng lượng để hệ thống hoạt động sẽ tương đương với khối lượng của Sao Mộc.
Sao Mộc là hành tinh lớn nhất trong Hệ Mặt Trời.
Tuy nhiên, điều này cũng thể hiện sự sụt giảm đáng kể so với ước tính trước đó, khi các nhà khoa học tưởng rằng động cơ Alcubierre sẽ cần một khối năng lượng tương đương với toàn bộ Vũ trụ. Nhưng một lượng lớn vật chất kỳ lạ kích cỡ sao Mộc vẫn còn quá lớn, nên cần các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo để giảm mức năng lượng về một con số thực tế hơn.
Cách duy nhất để trông chờ điều này là thông qua những tiến bộ về vật lý lượng tử, cơ học lượng tử và siêu vật liệu, Agnew nói. Ngoài ra việc tạo ra chất siêu dẫn, giao thoa kế và máy phát từ tính cũng là điều cần thiết để hiện thực hóa dần ý tưởng về động cơ nhanh hơn ánh sáng này. Và tất nhiên, vấn đề về tài trợ luôn là một thách thức không hề nhỏ khi nói đến các khái niệm xa rời thực tế.
Nhưng Agnew nhận định đây không phải là một thách thức bất khả thi. Nếu xem xét những tiến bộ khoa học kỹ thuật đã đạt được cho đến ngày hôm nay, chúng ta hoàn toàn có lý do để vững tin vào tương lai:
"Những lý thuyết được đưa ra cho đến nay rất đáng để theo đuổi, cùng những bằng chứng được công nhận sẽ giúp việc nghiên cứu tiếp theo dễ dàng hơn. Không khó để nhận ra rằng công cuộc khám phá vũ trụ vượt ra ngoài Hệ mặt trời, thậm chí vượt ra ngoài thiên hà của chúng ta, sẽ là một bước nhảy vọt cho nhân loại. Và sự phát triển các công nghệ tiến xa hơn giới hạn của khoa học hiện tại chắc chắn sẽ giúp ích cho điều đó."
Giống như hệ thống điện tử hàng không, nghiên cứu hạt nhân, thám hiểm không gian, xe điện và tên lửa đẩy có thể tái sử dụng, Alcubierre Warp Drive dường như là một trong những khái niệm mà nhân loại sẽ phải hướng đến trong tương lai.
Con tàu Enterprise huyền thoại trong Star Trek sẽ "sớm" trở thành hiện thực.
Với mối bận tâm ngày càng sâu sắc của chúng ta với các ngoại hành tinh (một lĩnh vực thiên văn mới bùng nổ), đã khiến không ít người kỳ vọng vào việc tìm kiếm ngôi nhà thứ hai để thay thế Trái Đất khi trường hợp xấu xảy ra ...
Tham khảo Universe Today