Trong năm phút: lỗ giun là gì?
Lỗ giun là một đường hầm lý thuyết xuyên qua không-thời gian, nối hai vùng xa nhau, và ở một số phiên bản còn nối hai thời điểm khác nhau. Hãy hình dung một con kiến trên tờ giấy. Muốn đến một điểm ở phía bên kia tờ giấy, nó phải bò qua cả trang. Giờ gấp tờ giấy lại để hai điểm gần như chạm nhau, rồi nối chúng bằng một ống ngắn. Chuyến đi bỗng chỉ còn một đoạn rất nhỏ. Lỗ giun chính là cái ống đó, chỉ khác là tờ giấy ở đây là chính không gian.
Có hai điều đúng cùng lúc. Thuyết tương đối rộng, lý thuyết hấp dẫn của Einstein, cho phép những nghiệm có dạng lỗ giun trên giấy. Và chưa ai quan sát được lỗ giun hay tìm ra cách tạo ra nó. Nhớ cả hai điều này thì phần còn lại của bài sẽ dễ hiểu. Nếu muốn xem ý tưởng này đã đi qua thể loại khoa học viễn tưởng ra sao, hãy đọc History of Science Fiction.
Ý tưởng: không gian cong và được nối với nhau
Thuyết tương đối rộng cho rằng khối lượng và năng lượng làm cong không-thời gian, và sự cong ấy chính là thứ ta cảm nhận như lực hấp dẫn. Về nguyên tắc, độ cong có thể mang những hình dạng kỳ lạ. Một lỗ giun sẽ có hai cửa, gọi là miệng, nối với nhau bằng một lối hẹp gọi là cổ. Bước vào một miệng, bạn sẽ ra ở miệng kia, có thể cách hàng năm ánh sáng, mà không phải băng qua khoảng không gian ở giữa.
Các miệng sẽ không giống cánh cửa trên bức tường. Mỗi miệng trông như một quả cầu. Vì ánh sáng bị bẻ cong quanh nó, quả cầu sẽ hiện ra bầu trời nhìn từ đầu bên kia, bị kéo giãn và méo như khi nhìn qua một quả cầu thủy tinh.
Các nhà vật lý thường vẽ lỗ giun như một mặt cong có hai cái phễu nối với nhau ở đầu hẹp. Đây là sơ đồ nhúng (embedding diagram). Nó là công cụ giảng dạy, ép không gian ba chiều vào một hình hai chiều. Nó không có nghĩa là có một hướng thừa ẩn nào đó để ta chỉ ra.
Ý tưởng bắt nguồn từ đâu
Những dấu hiệu đầu tiên có trước cả cái tên. Năm 1916, nhà vật lý người Áo Ludwig Flamm nghiên cứu hình học của nghiệm lỗ đen đơn giản nhất và nhận ra nó có thể được đọc như hai vùng không gian nối với nhau. Năm 1935, Albert Einstein và Nathan Rosen dùng một hình học tương tự trong bài báo cố mô hình hóa các hạt cơ bản như những chiếc cầu trơn nhẵn trong không gian. Những “cầu Einstein–Rosen” này chưa bao giờ được đề ra để làm đường đi.
Từ “wormhole” do nhà vật lý người Mỹ John Archibald Wheeler đặt ra vào cuối thập niên 1950, khi ông suy nghĩ về cấu trúc của không gian ở những thang đo nhỏ nhất. Hình ảnh ở đây là một con sâu đục đường xuyên qua quả táo. Với con sâu, đường hầm là lối tắt từ bên này sang bên kia quả.
Năm 1962, Wheeler và Robert Fuller chỉ ra một vấn đề. Chiếc cầu trong nghiệm lỗ đen đơn giản nhất thắt lại nhanh đến mức ngay cả một tia sáng cũng không kịp băng qua trước khi nó đóng. Vậy là cầu có trong phương trình, nhưng không gì dùng được nó.
Khoa học thực sự: điều đã biết và điều chỉ là phỏng đoán
Điều đã được xác lập: thuyết tương đối rộng vượt qua mọi phép thử ta từng đặt ra, và phương trình của nó cho phép các hình học lỗ giun. Điều còn là suy đoán: có lỗ giun nào tồn tại trong tự nhiên hay không, hoặc liệu có thể tạo ra chúng.
Phiên bản hiện đại của câu hỏi này bắt đầu từ tiểu thuyết. Giữa thập niên 1980, Carl Sagan đang viết cuốn Contact và muốn cho nhân vật băng qua thiên hà theo cách không phá vỡ vật lý quá nặng. Ông hỏi nhà vật lý Kip Thorne. Thorne cùng học trò Michael Morris tính toán và công bố kết quả năm 1988 trên American Journal of Physics. Lỗ giun của họ là thiết kế cho một lối đi mà người du hành có thể sống sót khi băng qua.
Điểm vướng là thứ gì giữ cho cổ lỗ giun mở. Vật chất thông thường khiến hấp dẫn kéo vào trong, và điều đó làm cổ sụp xuống. Để giữ nó mở, cần thứ mà các nhà vật lý gọi là vật chất ngoại lai (exotic matter), có mật độ năng lượng âm và đẩy ra ngoài. Chưa ai tìm thấy một mẩu vật chất như vậy.
Tuy nhiên, năng lượng âm không hoàn toàn là chuyện hoang tưởng. Hiệu ứng Casimir, đã được đo trong phòng thí nghiệm, cho thấy năng lượng giữa hai tấm kim loại không tích điện đặt rất gần nhau thấp hơn đôi chút so với năng lượng của chân không bên ngoài. Nhưng lượng này cực nhỏ và chỉ tồn tại trong những khe hẹp. Chưa có phương pháp nào được biết là gom đủ năng lượng âm để giữ một cái cổ đủ rộng cho một con tàu. Độ ổn định là vấn đề thứ hai: một nhiễu động nhỏ cũng có thể làm cổ sụp.
Các nghiên cứu mới hơn xét đến hiệu ứng lượng tử. Năm 2013, Juan Maldacena và Leonard Susskind đưa ra một ý tưởng táo bạo gọi là ER=EPR: hai hạt vướng víu lượng tử có thể được nối với nhau bằng một lỗ giun cực nhỏ. Đây là một đề xuất của vật lý lý thuyết và chưa được kiểm chứng. Năm 2017, Ping Gao, Daniel Jafferis và Aron Wall chỉ ra rằng trong một bối cảnh toán học nhất định, hiệu ứng lượng tử có thể khiến lỗ giun đi qua được. Năm 2022, một nhóm dùng bộ xử lý lượng tử của Google báo cáo mô phỏng hành vi giống lỗ giun trong một hệ mô hình nhỏ, đăng trên Nature. Đó là một phép tính trên máy tính lượng tử, không phải đường hầm trong không gian, và các nhà vật lý khác còn tranh luận về ý nghĩa của nó đi xa đến đâu.
Kết luận: chưa quan sát được lỗ giun nào, và chưa có công nghệ nào được biết là tạo ra được chúng.
Lỗ giun và du hành thời gian
Nếu có thể đi qua lỗ giun, có lẽ nó cũng cho phép du hành trong thời gian. Năm 1988, Michael Morris, Kip Thorne và Ulvi Yurtsever mô tả cách điều này có thể xảy ra. Cho một miệng chuyển động với tốc độ rất cao trong khi miệng kia đứng yên, hai đầu sẽ không còn khớp nhau về thời gian. Bước vào một đầu, bạn có thể ra ở quá khứ.
Điều đó gợi ra những nghịch lý quen thuộc về việc thay đổi lịch sử. Năm 1992, Stephen Hawking đề xuất giả thuyết bảo vệ trình tự thời gian (chronology protection conjecture), ý tưởng rằng các định luật vật lý bằng cách nào đó ngăn những cỗ máy thời gian như vậy hình thành. Giả thuyết này chưa được chứng minh, cũng chưa bị bác bỏ. Hiện tại, lỗ giun du hành thời gian là một thí nghiệm tưởng tượng dùng để thử thách lý thuyết.
Lỗ giun trong tiểu thuyết và phim ảnh
Các nhà văn yêu thích lỗ giun vì nó giải quyết một bài toán cốt truyện: làm sao băng qua thiên hà trong khoảng thời gian một câu chuyện cho phép. Trong tiểu thuyết Contact (1985) của Carl Sagan, một thông điệp từ không gian kèm theo bản thiết kế một cỗ máy, và những người du hành dùng một chuỗi đường hầm xuyên không gian để vượt qua khoảng cách khổng lồ. Cuốn sách là lý do Thorne thực hiện phép tính nói trên.
The Forever War (1974) của Joe Haldeman dùng một ý tưởng gần gũi: các con tàu nhảy giữa các ngôi sao qua những ngôi sao đã sụp đổ, và mỗi chuyến đi khiến những người lính mất nhiều năm ở quê nhà. Cả cửa của lối tắt lẫn cái giá phải trả khi dùng nó đều là một phần của kịch tính. Độc giả 2001: A Space Odyssey của Arthur C. Clarke thường so sánh Cổng Sao (Star Gate) trong sách với lỗ giun, dù chính câu chuyện giữ bí ẩn hơn nhiều về cách nó vận hành.
Trên màn ảnh, Interstellar (2014) là ví dụ nổi tiếng nhất. Kip Thorne cố vấn khoa học, và phim thể hiện lỗ giun như một quả cầu chứa hình ảnh méo của một vùng trời khác, đúng với những gì phương trình dự đoán.
Còn một cách khác để thắng khoảng cách, không đào đường hầm mà dịch chuyển con tàu cùng vùng không gian cong quanh nó, được trình bày ở bài warp drive.
Những hiểu lầm thường gặp
- “Lỗ đen chính là lỗ giun.” Không. Một lỗ đen thật hình thành từ ngôi sao sụp đổ không có lối thoát nào được biết. Chiếc cầu trong nghiệm toán học đơn giản nhất đóng lại quá nhanh để đi qua.
- “Cầu Einstein–Rosen là một tuyến đường du hành.” Nó là một mô hình của hạt, và các nghiên cứu sau đó cho thấy không gì đi qua được.
- “Các nhà thiên văn đã thấy một lỗ giun.” Chưa. Các hình ảnh lỗ đen, như bức ảnh năm 2019 về lỗ đen trong thiên hà M87, cho thấy lỗ đen chứ không phải lỗ giun.
- “Lỗ giun nhanh hơn ánh sáng.” Bên trong, ánh sáng vẫn chuyển động với tốc độ bình thường. Lỗ giun làm đường đi ngắn lại, đó là một chuyện khác.
- “Google đã tạo ra lỗ giun.” Thí nghiệm năm 2022 mô phỏng hành vi giống lỗ giun trên một chip lượng tử. Không có đường hầm nào được mở ra trong không gian.
Đọc tiếp
- Warp drive: một cách khác để vượt qua các vì sao nhanh chóng, bằng cách dịch chuyển không gian quanh con tàu thay vì đào đường hầm xuyên qua nó.
- Multiverse: ý tưởng về nhiều vũ trụ, thứ mà các nhà văn đôi khi gắn với đầu kia của lỗ giun.
- History of Science Fiction: những ý tưởng như thế này đã đi từ các bài báo vật lý vào truyện ra sao.
