Nếu có một cỗ máy thời gian, bạn muốn đi đâu? Trở về quá khứ để gặp lại một người thân, chứng kiến một sự kiện lịch sử hay đến năm 3000 để xem nhân loại sẽ ra sao?
Theo nhà vật lý Hongsheng Zhang thuộc Đại học Tế Nam (Trung Quốc), cấu trúc hình học của không-thời gian có thể đặt ra giới hạn đối với những hành trình như vậy.
Trong nghiên cứu đăng trên kho lưu trữ khoa học arXiv ngày 24.10 và đang chờ đánh giá phản biện, Zhang đưa ra một chứng minh toán học cho thấy những không-thời gian có thể được phân lớp toàn cục bằng các mặt ánh sáng sẽ không chứa đường cong thời gian khép kín.
Có thể hình dung không-thời gian được chia thành những lớp mà ánh sáng di chuyển dọc theo. Nếu các lớp này được xác định nhất quán trên toàn bộ không-thời gian đang xét, mọi vật thể chuyển động chậm hơn ánh sáng đều phải lần lượt đi qua chúng theo cùng một chiều. Điều này giống như leo lên cầu thang mà không thể quay xuống bậc đã bước qua. Vì vậy, người du hành không thể trở lại đúng vị trí và thời điểm xuất phát.
Hai kẽ hở trong cấu trúc không-thời gian
Trong vật lý, hành trình quay về quá khứ thường được mô tả bằng khái niệm “đường cong thời gian khép kín”. Đây là quỹ đạo xuyên không-thời gian mà một vật thể có thể đi theo, trong khi thời gian riêng của nó vẫn trôi về phía trước, nhưng cuối cùng lại trở về sự kiện ban đầu.
Các phương trình của thuyết tương đối rộng cho phép những đường cong như vậy xuất hiện trong một số mô hình lý thuyết, chẳng hạn những nghiệm toán học mô tả lỗ đen quay Kerr. Tuy nhiên, sự tồn tại của chúng trong mô hình không đồng nghĩa con người có thể sử dụng lỗ đen làm cỗ máy thời gian.
Nghiên cứu của ông Zhang chỉ ra hai trường hợp khiến lập luận về các lớp ánh sáng không còn áp dụng được.
Trường hợp thứ nhất liên quan đến hiện tượng xoắn của các đường đi ánh sáng. Thay vì tạo thành những lớp bề mặt gọn gàng, các tia sáng có thể xoắn quanh nhau, khiến cấu trúc phân lớp cần thiết cho chứng minh không thể hình thành.
Hiện tượng này xuất hiện trong một số mô hình không-thời gian có trường hấp dẫn mạnh. Theo thuyết tương đối rộng, vật thể quay có thể kéo theo không-thời gian xung quanh. Trong những vùng đặc biệt của mô hình lỗ đen Kerr, hiệu ứng này gắn với sự tồn tại của các đường cong thời gian khép kín.
Tuy nhiên, ông Zhang nhấn mạnh bản thân hiện tượng xoắn không tạo ra đường cong thời gian khép kín. Nó chỉ khiến điều kiện hình học trong chứng minh không còn được đáp ứng. Do đó, khi xuất hiện hiện tượng này, nghiên cứu không thể kết luận việc quay về quá khứ là bất khả thi, nhưng cũng không chứng minh điều đó có thể xảy ra.
Trường hợp thứ hai liên quan đến tôpô, tức cách không-thời gian được kết nối về tổng thể. Ngay cả khi các lớp ánh sáng vẫn hình thành, cấu trúc toàn cục của không-thời gian có thể khiến chúng khép lại theo một cách đặc biệt, đưa người du hành trở về điểm xuất phát.
Có thể hình dung như một cầu thang tưởng chừng chỉ dẫn lên cao nhưng lại vòng quanh tòa nhà, khiến bậc cuối cùng nối với bậc đầu tiên. Một số mô hình cỗ máy thời gian trên lý thuyết, trong đó có những mô hình sử dụng lỗ sâu, dựa vào cấu trúc không-thời gian đặc biệt như vậy.
Nhà vật lý học cho rằng đây là kẽ hở đáng chú ý, dù khả năng những cấu trúc tôpô như vậy tự nhiên hình thành mà không có sự can thiệp đặc biệt vẫn còn là vấn đề bỏ ngỏ.
Du hành đến tương lai đã được xác nhận
Trong khi khả năng quay về quá khứ vẫn gây tranh luận, việc du hành đến tương lai theo một nghĩa vật lý nhất định đã được xác nhận.
Thuyết tương đối của Albert Einstein cho thấy thời gian không trôi với tốc độ giống nhau đối với mọi người. Người di chuyển với vận tốc rất lớn hoặc ở trong môi trường có trường hấp dẫn mạnh có thể trải qua thời gian chậm hơn so với người ở điều kiện khác. Hiện tượng này được gọi là giãn nở thời gian.
Chẳng hạn, các phi hành gia trở về sau khoảng 6 tháng trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) có thể trẻ hơn khoảng 5 phần nghìn giây so với trường hợp họ ở lại Trái đất trong cùng khoảng thời gian, theo Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA).
Đây không phải hành trình xuyên thời gian như trong phim ảnh, nhưng cho thấy hai người có thể trải qua khoảng thời gian khác nhau và gặp lại nhau ở những thời điểm khác nhau trong tương lai.
Ông Zhang lưu ý nghiên cứu không khẳng định mọi hình thức du hành thời gian đều bất khả thi. Công trình chỉ chứng minh rằng đường cong thời gian khép kín không thể tồn tại trong những không-thời gian đáp ứng các điều kiện hình học cụ thể mà ông đặt ra.
Vì vậy, câu hỏi liệu vũ trụ thực của chúng ta có cho phép những cấu trúc dẫn đến hành trình quay về quá khứ hay không vẫn chưa có lời giải. Trước mắt, du hành đến tương lai có cơ sở khoa học rõ ràng hơn nhiều so với giấc mơ trở lại ngày hôm qua.
