Tốc độ ánh sáng, ký hiệu c là một đại lượng quen thuộc trong khoa học lượng tử của Albert Einstein và vật lý hiện đại. Trong vũ trụ bao la này, ngoại trừ hố đen có thể bẻ cong không thời gian để hút trọn ánh sáng thì không có vật gì có thể vượt qua và bắt kịp tốc độ của ánh sáng trong chân không.
Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn cố gắng chứng minh sự tồn tại của vật thể nhanh hơn ánh sáng, trong nhiều trường hợp, chính ánh sáng cũng không phải thứ nhanh nhất. Vậy có thứ gì thật sự bỏ xa được vận tốc khủng khiếp kia không?
Con người đo lường vận tốc ánh sáng
Trước cả khi khoa học hiện đại phát triển với những cuộc cách mạng phát minh và nghiên cứu lớn, người Ấn Độ xưa đã tìm ra được vận tốc ánh sáng và mô tả nó qua các văn tự cổ. Tuy nhiên, sau đó, nhân loại đã phải đợi tận đến năm 1676 mới có thể đưa ra một con số tương đối chính xác là 211.000 km/giây. Ole Romer – một nhà thiên văn học người Đan Mạch đã dựa trên nghiên cứu chuyển động của Mặt Trăng quanh sao Mộc để khám phá ra rằng ánh sáng cũng được truyền đi với một vận tốc hữu hạn.
Đến năm 1678, nhà toán học và khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens đã theo tiếp bước chân của Ole Romer và trở thành người đầu tiên cố gắng xác định vận tốc thực tế của ánh sáng. Tuy nhiên, do hạn chế của công cụ thiên văn và công nghệ khoa học, những con số đo lường không được chính xác và sai khác rất nhiều so với ngày nay. Sự kiện này đã được Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Mỹ, thành phố New York ghi chép lại một cách tỉ mỉ.
Chúng ta đều biết, vận tốc của ánh sáng trong môi trường chân không là khoảng 299.792 km/giây – một siêu tốc độ không thể đạt tới bằng công nghệ nhân tạo. Nó được mô tả trong thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein như một tay đua hạng nhất, bỏ xa mọi đối thủ trong vũ trụ. Không gì có thể nhanh hơn ánh sáng. Trên thực tế, cho đến thời điểm hiện tại, con người cũng chỉ biết đến một vật thể duy nhất có thể kìm hãm ánh sáng là hố đen dựa trên nguyên lý tạo ra từ trường lớn để làm cong lệch không thời gian.
Vận tốc của ánh sáng khi nghiên cứu tại môi trường ngoài chân không
Ông Jason Cassidy, phó giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ tại Trung tâm nghiên cứu Lực đẩy, thuộc ĐH Alabama, khẳng định: “Chúng ta không thể di chuyển trong chân không vũ trụ nhanh hơn tốc độ ánh sáng”. Vậy ngoài môi trường chân không thì sao? Chúng ta có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng khi ở trong bầu khí quyển Địa cầu hay trong một quả bóng thủy tinh khổng lồ không?
Theo nhà vật lý lý thuyế trường da de Rham tại ĐH Hoàng gia London, về mặt vật lý, nhận định rằng ‘không gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng’ là không hoàn toàn chính xác, nó cần phải có thêm một điều kiện là trong chân không. Ngoài ra, mọi thứ đều sẽ có sai số kỹ thuật tương ứng với từng loại môi trường khác nhau. Ánh sáng là một loại vật chất đặc biệt khi nó có tính chất lưỡng tính sóng – hạt. Nó là các hạt vật chất có tính lan truyền như các bước sóng nên khi thay đổi môi trường truyền, nó sẽ thay đổi vận tốc của mình.
Thực tế khá mâu thuẫn vì nếu ánh sáng chỉ là sóng, có một số loại bước sóng khác sẽ truyền nhanh hơn tốc độ của ánh sáng trắng. Trong thí nghiệm lăng kính khúc xạ thủy tinh chúng ta đều biết ngoại trừ các màu sắc ánh sáng thấy được bằng mắt thường, chúng ta còn có tia hồng ngoại và tia tử ngoại.
Mỗi loại màu sắc ánh sáng khác nhau khi truyền qua nước hoặc thủy tinh thì đều có tần số truyền đi với tốc độ khác nhau. Lý thuyết này được minh chứng rõ nhất thông qua hiện tượng cầu vồng sau mưa.
Một bài đăng của ĐH Wisconsin-Madison, đã giải thích rất kỹ về ví dụ điển hình này. Theo đó, sự sắp xếp các màu sắc trên dải cầu vồng không phải là ngẫu nhiên. Chúng tuân theo quy luật khúc xạ và xếp lần lượt theo tần số của ánh sáng: bước sóng màu đỏ dài và nhanh hơn thì ở phía trên cùng, trong khi bước sóng màu tím ngắn và chậm hơn thì ở phía dưới.
Tuy nhiên, ông Rhett Allain, giáo sư vật lý tại Đại học Đông Nam Louisiana, đã từng nói: “Tất cả ánh sáng đều là một loại sóng điện từ và chúng có cùng tốc độ trong chân không. Điều này có nghĩa là cả sóng vô tuyến và tia gamma đều có tốc độ như nhau”. Tức là khi ánh sáng thuộc về môi trường chân không của nó, tất cả những lý thuyết về bước sóng cầu vồng sẽ không còn được coi là đúng. Ánh sáng là một loại sóng điện từ và chỉ là sóng điện từ mà thôi.
Vật thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng
Vậy vật thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng chỉ có thể là ánh sáng. Ánh sáng tại chân không hay bất kì loại sóng điện từ nào cũng sẽ đạt vận tốc cực đại và bỏ qua sự ngăn cản từ vật chất của môi trường. Theo nhà vật lý Clauda de Rham, trong không gian vũ trụ, tia sáng là thứ chuyển động nhanh nhất, noa chỉ chậm hơn chính nó khi được truyền đi trong các môi trường giới hạn tính chất và không thuần khiết như chân không.
Tuy nhiên, ánh sáng cũng chậm hơn tốc độ giãn nở không – thời gian của vũ trụ. Những định nghĩa về tốc độ, không gian và thời gian của con người luôn có những hạn chế nhất định, bị nhận thức và khoa học công nghệ đương đại giới hạn.
Phải mất rất lâu người ta mới biết được rằng bản chất của không thời gian không phải là một khối vững chắc, chúng đan cài vào nhau giống như một tấm lưới dày đặc, có độ cong và có thể bẻ cong. Tuy nhiên, cho dù là như vậy thì ánh sáng cũng sẽ không bao giờ vượt quá tốc độ tối đa của nó là 299.792 km/giây, trong bất kỳ điều kiện khoảng không vũ trụ nào.
Giãn nở không thời gian và khả năng dịch chuyển trong vũ trụ
Các nhà khoa học đã đặt ra hàng trăm giả thuyết về sự hình thành của vũ trụ, trong đó lý thuyết về vụ nổ Big Bang. Bản chất của nó là sự bùng nổ một điểm siêu vật chất ra hàng tỷ các thiên hà, chúng giãn nở ra nhiều chiều không gian và ngày càng cách xa nhau.
Trong thuyết tương đối rộng, Einstein đã khẳng định mọi định luật vật lý đều mang tính chất tương đối, trong đó bao gồm cả không gian và thời gian vũ trụ. Chính vì thế mà Phó giáo sư Jason Cassibry, nêu ra ý kiến cần xem xét một số điểm khác khi thảo luận về những thứ chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Ông cho rằng: “Có những phần của vũ trụ đang giãn nở và rời xa khỏi chúng ta với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng, bởi vì không – thời gian đang giãn nở”. Vũ trụ vẫn đang giãn nở sau vụ nổ và dần dần tiến đến cái chết nhiệt. Các thiên hà đẩy xa nhau hơn với tốc độ vượt qua ánh sáng nhưng mọi chuyển động trong khoảng thiên văn đó lại chịu hạn chế của vận tốc ánh sáng.
Minh chứng rõ ràng nhất đã được kính viễn vọng không gian Hubble thu thập. Đó là sự dịch chuyển không gian của ngôi sao Earendel thuộc cụm thiên hà WHL0137-08. Các nhà khoa học đã bắt đầu quan sát ánh sáng kỳ lạ phát ra từ ngôi sao này bằng hệ thống quan sát thiên văn tiên tiến từ tháng 3 năm 2022. Nó được phát hiện nhờ thấu kính hấp dẫn gây ra bởi sự hiện diện của cụm thiên hà WHL0137-08 giữa nó và Trái đất. Con người đã biết đến Kình Ngư từ năm 2016 nhưng vì khoảng cách thiên văn quá xa nên không thể trực tiếp nghiên cứu.
Nhà thiên văn học Michelle Thaller của NASA đã xác nhận rằng việc tham chiếu đến Tolkien và ngôi sao này là có chủ đích từ trước. Các quan sát sâu hơn của Hubble và Kính viễn vọng Không gian James Webb cho thấy rằng ngôi sao sáng đỏ này đã hình thành cách Trái Đất khoảng 12,9 tỷ năm ánh sáng. Nhưng do sự giãn nở không thời gian liên tục, hiện nay nó cách Trái Đất tận 28 tỷ năm ánh sáng.
Như vậy, không có gì có thể chuyển động nhanh hơn vận tốc của ánh sáng, trừ trường hợp cong vênh hệ quy chiếu từ vũ trụ. Theo nhà vật lý Clauda de Rham: “Chúng ta hoàn toàn có thể suy nghĩ đến việc truyền tin với tốc độ ánh sáng thông qua các hệ thống ở bên ngoài hệ Mặt Trời”. Tuy nhiên, di chuyển với vận tốc đó là một điều quá sức với những hiểu biết hiện tại.
Dịch chuyển trong không gian
Việc liên tục gia tốc để đạt tốc độ ánh sáng là một điều không tưởng. Trên thực tế, các máy gia tốc lớn nhất trên Trái Đất chỉ có thể tạo ra các hạt di chuyển với tốc độ gần bằng ánh sáng. Bà Clauda de Rham nhận xét một cách nghiêm túc: “Chúng ta có thể đến gần, nhưng không bao giờ đạt được ngưỡng đó”. Vận tốc ánh sáng là một ngưỡng tuyệt đối, không thể đạt được hay phá vỡ.
Nhà vật lý nhấn mạnh thêm, cho dù chúng ta đã bỏ qua cả yếu tố phải làm thế nào để phát triển công nghệ đạt đến ngưỡng đó thì con người vẫn sẽ không dịch chuyển với tốc độ ánh sáng. Trong thuyết tương đối rộng, Einstein đã mô tả việc dịch chuyển đó làm người ta thoát ra khỏi quy luật về thời gian.
Bạn sẽ thấy mọi thứ ngắn hơn bình thường về hình dạng và trẻ hơn những người đang sống cùng thời đại 10 năm hoặc hơn. Điều đó có nghĩa là nếu bạn nên một con tàu vũ trụ, du lịch với vận tốc ánh sáng khoảng 20 năm thì có khả năng Trái Đất đã trải qua 70 năm tuổi trong suốt thời gian đó.
Phó giáo sư Jason Cassibry dường như cũng đồng tình với ý kiến của nhà vật lý học Clauda de Rham bà . Ông cho biết trên một báo cáo: ” Nếu chúng ta bỏ qua thuyết tương đối, bắt đầu từ việc tăng tốc ở mức 1G (trọng lực Trái Đất) thì con người sẽ mất 1 năm để đạt được tốc độ ánh sáng. Nhưng nhân loại sẽ không bao giờ đạt được vận tốc này thực sự, bởi vì khi bạn bắt đầu tiếp cận tốc độ ánh sáng, năng lượng khối lượng của bạn sẽ tăng lên và tiến gần đến vô hạn.
Một trong số ít những cách gian lận có thể được sử dụng là mở rộng và thu hẹp không – thời gian, từ đó sẽ kéo mục tiêu đến gần bạn hơn”. Đây chính là nguyên lý hoạt động mang tính ăn gian của động cơ Warp. Do con người không thể tồn tại trong quá trình dịch chuyển với tốc độ ánh sáng, động cơ Warp sẽ bẻ cong không gian để đem vật thể dịch chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Đây là việc cần thiết nếu con người muốn khám phá sự sống ngoài hành tinh và du hành đến các thiên hà xa xôi hơn.
Giáo sư Rhett Allain cũng từng đề ra giải pháp là sử dụng lỗ sâu – wormhole để giải quyết vấn đề này. Về lý thuyết, lỗ sâu hay cầu Einstein-Rosen là một không-thời gian được giả định là có cấu trúc tô pô đặc biệt tạo nên đường đi tắt trong không thời gian.
Nó có thể đem vật thể từ không gian này sang không gian khác, tạo nên dịch chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Bạn có thể dịch chuyển với khoảng cách rất xa hoặc đi từ vũ trụ này sang vũ trụ khác. Có hai loại lỗ sâu chính: lỗ sâu Lorentz và lỗ sâu Euclid. Chúng giúp con người du hành liên vũ trụ. Nhưng lỗ sâu là một vùng không gian không ổn định, từ trường của nó rất lớn và không thể kiểm chứng độ xác thực.
Trên thực tế, khoa học kỹ thuật có thể sẽ phát triển lớn mạnh hơn và hiện thực hóa giấc mơ du hành mọi vũ trụ của con người. Có những câu hỏi sẽ đợi chờ tương lai giải đáp, khi con người đã phát triển lớn mạnh hơn và hiện đại hơn.
