Tóm tắt trong năm phút
Động cơ warp là một cách được đề xuất để du hành nhanh hơn ánh sáng mà bản thân con tàu không hề vượt qua ánh sáng. Thiết kế nổi tiếng nhất là ổ Alcubierre, do nhà vật lý người Mexico Miguel Alcubierre mô tả năm 1994. Đây là một nghiệm hợp lệ của các phương trình Einstein trong thuyết tương đối rộng. Nó không phải một cỗ máy, và chưa ai biết cách chế tạo nó.
Động cơ warp là một trong những công cụ lâu đời nhất trong lịch sử khoa học viễn tưởng, và là một trong số ít ý tưởng được các nhà vật lý coi trọng đến mức viết thành phương trình.
Vấn đề nó muốn giải quyết là khoảng cách. Hệ sao gần nhất, Alpha Centauri, cách chúng ta khoảng 4,2 năm ánh sáng, nên ngay cả ánh sáng cũng mất hơn bốn năm để tới đó. Tàu Voyager 1, bay với tốc độ khoảng 17 km/giây, sẽ mất chừng 75.000 năm. Thuyết tương đối hẹp cho biết vật có khối lượng không thể được đẩy tới tốc độ ánh sáng trong không gian, nên làm tên lửa to hơn cũng không giải quyết được gì. Giới hạn tốc độ nằm ngay trong cách không gian và thời gian vận hành.
Ý tưởng của Alcubierre là thôi không di chuyển con tàu mà di chuyển không gian. Hãy hình dung một bong bóng bao quanh con tàu. Phía trước bong bóng, không gian co lại, kéo điểm đến lại gần hơn. Phía sau, không gian giãn ra, đẩy điểm xuất phát ra xa. Con tàu nằm trong bong bóng, ở vùng không gian phẳng bình thường, còn cả bong bóng cưỡi trên làn sóng của không gian đang biến đổi. Người lướt sóng không chạy nhanh hơn đại dương; chính con sóng mang họ đi. Băng chuyền ở sân bay cũng hoạt động tương tự: bạn đứng yên trên đó mà vẫn đến sớm.
Cách làm này không phá giới hạn tốc độ của thuyết tương đối, vì giới hạn ấy áp dụng cho chuyển động trong không gian. Nó không nói gì về việc bản thân không gian được phép giãn nhanh đến đâu. Ở quy mô vũ trụ, không gian vốn đã làm vậy: sự giãn nở của vũ trụ cuốn các thiên hà rất xa ra khỏi chúng ta với tốc độ vượt ánh sáng. Bên trong bong bóng, phi hành đoàn đứng yên trong vùng không gian của riêng mình, và trong thiết kế của Alcubierre họ sẽ không cảm thấy bất kỳ gia tốc nào.
Ý tưởng qua bốn bước
- Bọc con tàu trong một bong bóng không gian phẳng.
- Làm không gian phía trước bong bóng co lại.
- Làm không gian phía sau giãn ra.
- Để bong bóng di chuyển trong khi con tàu đứng yên bên trong.
Khoa học thực sự
Hãy bắt đầu từ những điều đã chắc chắn. Các phương trình của Alcubierre là toán học đúng đắn, được công bố năm 1994 trên tạp chí Classical and Quantum Gravity. Thuyết tương đối rộng thực sự cho phép không gian bị uốn cong, và cho phép một bong bóng có hình dạng như vậy. Điều còn là suy đoán là liệu tự nhiên có thể cung cấp thứ mà bong bóng cần hay không.
Cái giá phải trả là một dạng năng lượng chưa từng được thấy với số lượng lớn: mật độ năng lượng âm, thường gọi là vật chất lạ. Những lượng năng lượng âm cực nhỏ xuất hiện trong các hiệu ứng ở phòng thí nghiệm như hiệu ứng Casimir, khi hai tấm kim loại đặt rất gần nhau chịu một lực hút nhỏ. Chưa ai tạo ra đủ năng lượng âm để có ý nghĩa, và cũng chưa ai biết làm cách nào.
Bao nhiêu thì là đủ? Năm 1997, các nhà vật lý Michael Pfenning và Larry Ford ước tính rằng một bong bóng rộng 100 mét sẽ cần năng lượng âm lớn hơn khối lượng của vũ trụ quan sát được khoảng mười bậc độ lớn. Năm 1999, Chris Van Den Broeck đề xuất một bong bóng có hình dạng khác, giảm yêu cầu đi rất nhiều, xuống còn vài lần khối lượng Mặt Trời. Trên giấy đó là bước cải thiện khổng lồ, nhưng vẫn vượt xa mọi thứ chúng ta có thể tạo ra.
Còn những vấn đề khác. Thành trước của bong bóng bị tách khỏi con tàu, nên phi hành đoàn không thể bật, lái hay dừng bong bóng từ bên trong; phải có thứ gì đó định hình không gian phía trước con tàu. Một nghiên cứu năm 2009 của Stefano Finazzi, Stefano Liberati và Carlos Barceló cho thấy một bong bóng nhanh hơn ánh sáng nhiều khả năng sẽ mất ổn định khi tính đến các hiệu ứng lượng tử. Một phân tích khác năm 2012 gợi ý rằng các hạt bị quét lên dọc đường có thể bị giải phóng trong một vụ nổ dữ dội khi bong bóng dừng lại.
Năm 2021, bức tranh thay đổi đôi chút. Alexey Bobrick và Gianni Martire công bố một khung lý thuyết chung cho các động cơ warp khả thi về mặt vật lý, bao gồm cả những bong bóng chậm hơn ánh sáng mà về nguyên tắc chỉ cần năng lượng dương thông thường. Erik Lentz đề xuất một phiên bản nhanh hơn ánh sáng không cần năng lượng âm, nhưng nó phụ thuộc vào những nguồn năng lượng vượt xa mọi thứ đã biết, và các nhà vật lý khác đã đặt câu hỏi về nó. Không điều nào trong số này là bản thiết kế thực sự.
Các thí nghiệm cho đến nay đều nhỏ. Khoảng năm 2011 và 2012, Harold White cùng đồng nghiệp tại Trung tâm Vũ trụ Johnson của NASA đã nghiên cứu các cách định hình lại bong bóng và chạy một thí nghiệm trên bàn để tìm những biến dạng rất nhỏ của không gian. Thí nghiệm không cho thấy hiệu ứng warp nào. Ngày nay, động cơ warp là câu hỏi của các nhà lý thuyết, chứ chưa phải của các kỹ sư.
Động cơ warp trong tiểu thuyết và phim ảnh
Các cuốn sách đến với ý tưởng này bằng nhiều con đường. Trong loạt truyện Foundation của Isaac Asimov (cuốn đầu tiên ra mắt năm 1951), các con tàu thực hiện những bước nhảy qua siêu không gian, một lối tắt mà truyện không bao giờ giải thích chi tiết. Dune (1965) của Frank Herbert có các ho领 hàng Guild gấp không gian để tàu vượt qua những khoảng cách khổng lồ trong chớp mắt. Trong Death's End của Lưu Từ Hân, cuốn thứ ba của bộ ba Tam Thể, ổ cong cho phép tàu di chuyển bằng cách hạ thấp tốc độ ánh sáng trong vệt mà chúng để lại phía sau. Mỗi tác giả giải bài toán ấy theo một cách khác, và ai cũng phải đối mặt với giới hạn tốc độ.
Chính từ warp trở nên nổi tiếng nhờ series truyền hình Star Trek, bắt đầu từ năm 1966 và đưa tốc độ warp vào ngôn ngữ đời thường. Alcubierre từng nói bộ phim đã truyền cảm hứng cho công trình của ông. Star Wars có hyperdrive, và anime Nhật Bản Uchū Senkan Yamato nổi tiếng với những cú nhảy warp. Ở đây chỉ nhắc tên: mỗi thứ đều là công cụ kể chuyện, và không thứ nào tuân theo toán học của Alcubierre.
Nếu động cơ warp không bao giờ hoạt động, tiểu thuyết có một câu trả lời cũ hơn để đến với các vì sao: đi chậm và mất nhiều thế hệ. Bạn có thể đọc về điều đó trong Generation ship.
Những hiểu lầm thường gặp
- "Động cơ warp phá giới hạn tốc độ của Einstein." Không đúng với thiết kế của Alcubierre. Con tàu không bao giờ chạy nhanh hơn ánh sáng trong vùng không gian của chính nó. Chính không gian thực hiện việc di chuyển, và thuyết tương đối không giới hạn điều đó.
- "Đã có người chế tạo được." Không. Hiện không có động cơ warp nào hoạt động và cũng không có nguyên mẫu. Các thí nghiệm trong phòng lab đến nay chỉ tìm những hiệu ứng rất nhỏ, và chưa thấy gì.
- "Động cơ warp và siêu không gian là một." Trong tiểu thuyết, siêu không gian thường nghĩa là đi vào một cõi khác rồi quay ra. Bong bóng của Alcubierre vẫn ở trong không gian của chúng ta và thay đổi hình dạng của nó quanh con tàu.
- "Động cơ warp là lỗ giun." Lỗ giun là một lối tắt, một đường hầm nối hai nơi. Bong bóng warp là một vùng không gian cong đang di chuyển. Hai ý tưởng này có họ hàng nhưng khác nhau. Xem Wormhole.
- "Phi hành đoàn sẽ bị nghiền nát." Trong mô hình, con tàu trôi theo trong trạng thái rơi tự do, nên phi hành đoàn không cảm thấy gia tốc. Những lực cực đoan nằm ở thành bong bóng, không phải trong con tàu.
Nên đọc tiếp
- Wormhole: một lối tắt khác xuyên không gian được đề xuất, và điểm khác với bong bóng di chuyển.
- Generation ship: câu trả lời chậm rãi cho cùng bài toán khoảng cách.
- History of Science Fiction: vị trí của động cơ warp và các ý tưởng họ hàng trong câu chuyện lớn hơn của thể loại này.
