Trong năm phút: tàu thăm dò Von Neumann là gì?
Tàu thăm dò Von Neumann là một con tàu vũ trụ giả định. Nó bay đến một hệ sao khác, dùng đá và băng tại đó để chế tạo các bản sao của chính mình, rồi gửi những bản sao ấy đến thêm nhiều ngôi sao nữa. Mỗi thế hệ lặp lại cùng một chiêu. Chưa ai chế tạo được một chiếc như thế. Nhưng ý tưởng đủ đơn giản để người ta nghiêm túc xem xét: về nguyên tắc, chỉ cần một tàu thăm dò thành công là cuối cùng có thể ghé thăm mọi ngôi sao trong thiên hà.
Cái tên này tôn vinh nhà toán học John von Neumann, người đã tìm ra cách một cỗ máy về mặt lý thuyết có thể tự tạo ra bản sao của chính nó. Phiên bản dành cho không gian xuất hiện sau đó vài thập kỷ. Nó thuộc về truyền thống mà chúng tôi theo dõi trong lịch sử khoa học viễn tưởng, nơi một thí nghiệm tư duy khoa học trở thành động cơ của cốt truyện.
Ba điều cần nhớ:
- Nó tự sao chép. Tàu thăm dò vừa là người lữ hành vừa là nhà máy.
- Nó tăng trưởng theo cấp số nhân. Một tàu thành hai, rồi bốn, rồi tám, nên số lượng tàu tăng nhanh hơn nhiều so với quãng đường chúng đi được.
- Đó là một thí nghiệm tư duy. Công dụng chính của nó là đặt câu hỏi vì sao ta không thấy dấu hiệu nào của các nền văn minh ngoài hành tinh.
Ý tưởng bắt nguồn từ đâu
Câu chuyện bắt đầu từ máy tính chứ không phải tên lửa. Cuối thập niên 1940, John von Neumann (1903–1957), nhà toán học gốc Hungary, đặt câu hỏi liệu một cỗ máy có thể tự chế tạo bản sao của mình, kể cả bản hướng dẫn chế tạo hay không. Ông giảng về vấn đề này vào năm 1948 và 1949. Cùng nhà toán học Stanislaw Ulam, ông cũng mô tả một mẫu hình tự sinh sản trên lưới các ô, một dạng automata tế bào đời đầu. Ghi chép của ông được Arthur Burks biên tập và xuất bản năm 1966 với nhan đề Theory of Self-Reproducing Automata, chín năm sau khi ông qua đời.
Nhận định cốt lõi của ông là một cỗ máy như vậy cần ba phần: bản thiết kế, bộ phận xây dựng làm theo bản thiết kế, và bộ phận sao chép nhân đôi bản thiết kế để thế hệ con có thể tự xây ra thế hệ cháu. Sau này các nhà sinh học thấy cùng logic ấy trong tế bào sống, nơi DNA vừa được đọc vừa được sao chép.
Bước nhảy lên không gian đến muộn hơn. Năm 1960, nhà thiên văn vô tuyến Ronald Bracewell gợi ý rằng một nền văn minh có thể gửi tàu thăm dò tự động đến hệ của chúng ta để liên lạc, ý tưởng ngày nay gọi là tàu thăm dò Bracewell. Con tàu đó không tự sao chép. Năm 1980, kỹ sư Robert Freitas công bố một nghiên cứu thiết kế tàu thăm dò liên sao tự sinh sản trên Journal of the British Interplanetary Society, dựa trên Project Daedalus, nghiên cứu của hội này từ thập niên 1970 về một tàu sao không người lái chạy bằng nhiệt hạch. Cùng năm đó, nhà vật lý Frank Tipler lập luận rằng nếu người ngoài hành tinh thông minh tồn tại, các tàu thăm dò tự sao chép của họ hẳn đã có mặt trong hệ Mặt Trời. Vì ta không thấy chiếc nào, ông kết luận có lẽ chúng ta chỉ có một mình. Nhờ vậy, tàu thăm dò trở thành nhân vật trung tâm của nghịch lý Fermi.
Một tàu thăm dò sẽ hoạt động thế nào
Hầu hết các thiết kế đều theo cùng một vòng lặp.
- Hành trình. Tàu rời quê nhà và lướt tới ngôi sao kế tiếp với vận tốc vài phần trăm tốc độ ánh sáng, hoặc có thể lên tới khoảng một phần mười. Các nghiên cứu giả định dùng động cơ nhiệt hạch hoặc cánh buồm.
- Định cư trên một thiên thể nhỏ. Tiểu hành tinh hoặc mặt trăng nhỏ dễ làm việc hơn hành tinh, vì lực hấp dẫn yếu và kim loại, băng lộ thiên.
- Khai thác và chế tạo. Robot đào nguyên liệu thô, tinh luyện và dựng một nhà máy nhỏ. Nhà máy này chế tạo các bản sao của tàu thăm dò.
- Phóng đi. Một số bản sao hướng tới các ngôi sao lân cận. Chu trình lại bắt đầu.
Thiên hà có đường kính khoảng 100.000 năm ánh sáng. Vì mỗi tàu cần thời gian để chế tạo thế hệ con, các ước tính đã công bố cho việc phủ kín thiên hà thường ra con số hàng triệu năm hoặc hơn, tùy vào tốc độ và giả định. Nghe thì lâu, nhưng Ngân Hà đã hơn 13 tỉ năm tuổi. Khoảng cách giữa thời gian cần thiết và thời gian đã có chính là lý do ý tưởng này gây ám ảnh.
Khoa học thực sự: điều đã được xác lập, điều còn là suy đoán
Đã xác lập. Tự sao chép tồn tại trong tự nhiên, nên vật lý không cấm điều đó. Logic bản thiết kế – bộ phận xây dựng – bộ phận sao chép của Von Neumann đúng đắn về mặt toán học, và đã có các mô phỏng máy tính về mẫu hình tự sinh sản. Năm 1980, một nghiên cứu mùa hè do NASA tài trợ, Advanced Automation for Space Missions, đã xem xét một nhà máy tự nhân bản trên Mặt Trăng và đánh giá đây là ý tưởng dài hạn đáng theo đuổi. Các dự án của người đam mê như RepRap, khởi động năm 2005, là những máy in 3D in ra nhiều chi tiết nhựa của chính chúng, dù vẫn cần con người cung cấp động cơ và linh kiện điện tử.
Khó khăn. Khoảng cách giữa các vì sao là bức tường lớn nhất. Tàu Voyager 1 là vật thể do con người chế tạo ở xa nhất, vậy mà với tốc độ hiện tại, nó cần hàng chục nghìn năm để tới vùng lân cận của ngay cả ngôi sao gần nhất là Proxima Centauri, cách 4,2 năm ánh sáng. Dự án Breakthrough Starshot, công bố năm 2016, đề xuất những tàu thăm dò nặng cỡ vài gam được laser đẩy tới khoảng một phần năm tốc độ ánh sáng. Chúng sẽ đến hệ Alpha Centauri sau khoảng hai mươi năm, nhưng sẽ không tự sao chép.
Suy đoán. Liệu một cỗ máy có thể tự tìm, khai thác và tinh luyện mọi vật liệu nó cần mà không cần trợ giúp, liệu lỗi sao chép có tích tụ qua hàng triệu năm, và liệu có ai chọn phóng một thứ như vậy hay không đều là những câu hỏi còn bỏ ngỏ. Chưa từng có tàu thăm dò Von Neumann nào, của chúng ta hay của người ngoài hành tinh, được quan sát thấy.
Ý tưởng này xuất hiện trong tiểu thuyết thế nào
Máy tự sao chép là đề tài yêu thích của khoa học viễn tưởng, với cả loại thân thiện lẫn đáng sợ.
- Loạt truyện Berserker của Fred Saberhagen, bắt đầu từ thập niên 1960, hình dung những cỗ máy chiến tranh tự sao chép cổ xưa săn lùng mọi sự sống.
- Tiểu thuyết The Invincible (1964) của Stanislaw Lem đưa một phi hành đoàn đến hành tinh nơi những cỗ máy tí hon, hậu duệ của một hệ thống tự sao chép trước đó, đã tiến hóa thành một bầy đàn.
- Trong 2010: Odyssey Two (1982) của Arthur C. Clarke, các khối đá đen nhân lên về số lượng, điều nhiều độc giả coi là ý tưởng tàu thăm dò tự sao chép.
- Revelation Space (2000) của Alastair Reynolds có các Inhibitor, những cỗ máy chờ đợi các nền văn minh non trẻ để đàn áp chúng.
- We Are Legion (We Are Bob) (2016) của Dennis E. Taylor biến ý tưởng thành thân thiện: một tâm trí con người được sao chép vào các tàu thăm dò lan đi khắp các vì sao.
Những hiểu lầm thường gặp
- "Von Neumann đã thiết kế một con tàu vũ trụ." Không. Ông nghiên cứu logic của các cỗ máy tự sinh sản, còn người khác áp dụng nó vào không gian.
- "Nó giống hệt grey goo." Grey goo, thuật ngữ từ cuốn Engines of Creation (1986) của Eric Drexler, mô tả những cỗ máy phân tử mất kiểm soát nuốt chửng vật chất của cả một hành tinh. Tàu thăm dò Von Neumann là con tàu vũ trụ tự sao chép chậm rãi trong không gian. Cả hai cùng mang nỗi lo về việc sao chép vượt tầm kiểm soát. Xem grey goo để biết điểm khác nhau.
- "Nếu tàu thăm dò khả thi thì chúng đã ở đây từ lâu." Đó là một lập luận, không phải bằng chứng. Các nền văn minh có thể không bao giờ chọn chế tạo chúng, tàu có thể ẩn mình, hoặc chúng ta xuất hiện còn sớm.
- "Thiên hà sẽ đầy chỉ sau một đêm." Tăng trưởng theo cấp số nhân vẫn cần thời gian để di chuyển và chế tạo. Ngay cả các thiết kế nhanh cũng mất hàng triệu năm.
- "Nó nhất định nguy hiểm." Nguy hiểm đến từ cách lập trình tàu, không phải từ ý tưởng. Một tàu được chế tạo để khám phá và dừng lại ở một số bản sao nhất định cũng hợp lý không kém.
Đọc tiếp
- Nghịch lý Fermi: câu hỏi vì sao thiên hà trông vắng lặng, và tàu thăm dò nằm ở đâu trong đó.
- Grey goo: người anh em thuộc công nghệ nano của cỗ máy tự sao chép.
- Lịch sử khoa học viễn tưởng: những thí nghiệm tư duy như thế này trở thành truyện như thế nào.
