Tốc độ ánh sáng, theo hiểu biết hiện tại, là giới hạn tối đa mà năng lượng, vật chất và thông tin có thể đạt được trong vũ trụ. So với tốc độ này, những gì con người đã đạt được vẫn còn một khoảng cách rất xa. Kỷ lục tốc độ di chuyển của con người đã được thiết lập cách đây hơn 50 năm. Vậy, câu hỏi đặt ra là khi nào kỷ lục này sẽ bị phá vỡ?
Con người luôn bị ám ảnh bởi tốc độ. Chúng ta chứng kiến những nỗ lực không ngừng nghỉ như các sinh viên Đức phá kỷ lục xe điện tăng tốc nhanh nhất, hay Không quân Mỹ phát triển máy bay siêu thanh Mach 5 có vận tốc hơn 6.100 km/h. Những chiếc máy bay đó có thể không chở người, nhưng không có nghĩa là con người không thể di chuyển với tốc độ cao như vậy.
Trên thực tế, con người đã nhiều lần di chuyển nhanh hơn Mach 5. Vậy liệu có giới hạn nào khiến cho con người không thể chịu đựng được tốc độ cao hơn? Kỷ lục tốc độ di chuyển của con người hiện tại thuộc về ba phi hành gia trên tàu Apollo 10 của NASA. Trên đường trở về Trái Đất sau khi bay quanh Mặt Trăng vào năm 1969, tàu vũ trụ của họ đã đạt tốc độ tối đa 39.897 km/h. Một thế kỷ trước, thật khó tưởng tượng con người có thể du hành trong không gian với tốc độ gần 40.000 km/h như vậy.
Tuy nhiên, kỷ lục này có thể sớm bị phá vỡ. Tên lửa Space Launch System (SLS) mới được thiết kế để đưa tàu Orion vào vũ trụ, dự kiến thực hiện sứ mệnh có người lái vào năm 2024, bay lên quỹ đạo Mặt Trăng và sau đó là chuyến đi kéo dài nhiều tháng tới Sao Hỏa. Tốc độ tối đa dự kiến của Orion là khoảng 32.000 km/h. Tuy nhiên, ngay cả với thiết kế cơ bản này, tốc độ của Apollo 10 có thể sẽ bị vượt qua. Orion được thiết kế để đến nhiều địa điểm khác nhau và có khả năng đạt tốc độ cao hơn nhiều so với kế hoạch hiện tại.
Vậy, đâu là giới hạn tốc độ thực tế mà con người có thể đạt được? Theo lý thuyết, không có giới hạn nào ngoài tốc độ ánh sáng, khoảng một tỷ km/h. Liệu chúng ta có thể thu hẹp khoảng cách từ 40.000 km/h đến tốc độ ánh sáng một cách an toàn?
Điều đáng ngạc nhiên là tốc độ không phải là vấn đề lớn đối với sức khỏe con người, miễn là nó được duy trì ở mức tương đối ổn định và di chuyển theo một hướng. Về mặt lý thuyết, con người có thể di chuyển gần với tốc độ giới hạn của vũ trụ. Nhưng, giả sử chúng ta có thể vượt qua những rào cản kỹ thuật khổng lồ trong việc chế tạo tàu vũ trụ nhanh hơn, cơ thể mong manh của chúng ta, chủ yếu cấu tạo từ nước, sẽ đối mặt với những nguy hiểm mới do tốc độ siêu cao gây ra.
Một trong những nguy hiểm tiềm ẩn đó là quán tính. Bất kỳ vật thể nào cũng có xu hướng chống lại sự thay đổi về tốc độ. Điều này được thể hiện trong định luật 1 Newton về chuyển động: một vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên và một vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động với cùng tốc độ và theo cùng hướng, trừ khi có một lực bên ngoài tác động vào nó. Đối với cơ thể con người, sự ổn định là tốt. Điều đáng quan tâm là gia tốc.
Khoảng một thế kỷ trước, sự ra đời của máy bay có khả năng thực hiện các thao tác tốc độ cao đã khiến các phi công trải qua những triệu chứng lạ liên quan đến sự thay đổi vận tốc và hướng. Trong số các triệu chứng này có mất thị lực tạm thời và cảm giác nặng nề hoặc không trọng lượng. Nguyên nhân của tình trạng này là do lực G, đơn vị đo gia tốc tác động lên một vật thể có kích thước tương đương với cơ thể con người.
Lực G tác động theo chiều dọc, từ đầu xuống chân hoặc ngược lại. Điều này gây nguy hiểm cho phi công và hành khách. Khi lực G ngược tác động từ chân lên đầu, máu sẽ dồn lên não, gây ra cảm giác tụ máu. Ngược lại, khi gia tốc hướng từ đầu xuống chân, mắt và não sẽ bị thiếu oxy do máu dồn xuống phía dưới cơ thể. Thị lực sẽ bị mờ trước, sau đó là mất thị lực hoàn toàn.
Người bình thường có thể chịu được năm đơn vị lực G từ đầu xuống chân trước khi bất tỉnh. Phi công được trang bị thiết bị đặc biệt và được huấn luyện để giữ máu không dồn lên não, có thể điều khiển máy bay ở khoảng chín lực G. Trong thời gian ngắn, cơ thể con người có thể chịu được mức lực G cao hơn nhiều mà không bị tổn thương nghiêm trọng.
Kỷ lục lực G cao nhất thuộc về Eli Beeding, một đại úy Không quân Mỹ. Ông đã lái một chiếc tàu vũ trụ chạy bằng tên lửa, đi lùi vào năm 1958 và đồng hồ đo ghi nhận 82,6 lực G tác động lên ngực khi tàu tăng tốc lên khoảng 55 km/h trong khoảng 1/10 giây. Ông chỉ bị bầm tím ở lưng sau thử nghiệm về sức chịu đựng phi thường của con người.
Các phi hành gia cũng trải qua lực G rất cao, từ ba đến tám đơn vị, trong quá trình cất cánh và trở lại khí quyển. Tuy nhiên, những lực G này chủ yếu không gây nguy hiểm do tác động từ trước ra sau thông qua thiết kế ghế ngồi giúp giữ phi hành gia cố định, mặt hướng trực tiếp theo hướng di chuyển. Khi đạt được tốc độ ổn định khoảng 26.000 km/h trên quỹ đạo, các phi hành gia sẽ không còn cảm thấy tốc độ cực nhanh mà chỉ cảm nhận được chuyển động, giống như người đi máy bay.
Tuy nhiên, ngoài lực G, các thiên thạch vũ trụ cũng là một mối nguy hiểm. Các hạt đá nhỏ như hạt gạo có thể đạt tốc độ khủng khiếp gần 300.000 km/h. Để bảo vệ tàu vũ trụ và phi hành đoàn, tàu Orion có một lớp bảo vệ bên ngoài dày từ 18 đến 30 cm tùy thuộc vào vị trí, cùng với các lớp phủ và các thiết bị thông minh khác.
Ngoài các thiên thạch vũ trụ, còn có nhiều vấn đề khác cần giải quyết trong các chuyến du hành không gian tốc độ cao trong tương lai, bao gồm nguồn cung cấp thực phẩm cho phi hành gia và nguy cơ mắc ung thư do tiếp xúc với bức xạ vũ trụ. Tuy nhiên, việc rút ngắn thời gian di chuyển có thể làm giảm đáng kể những rủi ro này.
Tốc độ đòi hỏi những công nghệ mới. Các tàu vũ trụ mới của NASA, mặc dù có thể phá kỷ lục của Apollo 10, vẫn phải dựa vào tên lửa đẩy, vốn đã được sử dụng từ những chuyến du hành không gian đầu tiên. Tuy nhiên, các hệ thống này có những hạn chế về tốc độ do nguồn cung cấp năng lượng thấp. Do đó, để đạt được tốc độ di chuyển nhanh hơn nhiều cho các chuyến đi của con người đến Sao Hỏa và xa hơn nữa, các nhà khoa học cần một cách tiếp cận mới.
Hiện tại, chúng ta đã có đủ công nghệ để đưa chúng ta đến đó, nhưng chúng ta cần một cuộc cách mạng về động cơ đẩy. Ba phương pháp đầy hứa hẹn nhất để đưa con người đến tốc độ giữa các hành tinh là phân hạch nguyên tử, hợp hạch nguyên tử và phản vật chất. Phương pháp đầu tiên, phân hạch nguyên tử, tương tự như các lò phản ứng hạt nhân thương mại. Phương pháp thứ hai, hợp hạch, kết hợp các nguyên tử thành các nguyên tử nặng hơn, là phản ứng tạo ra năng lượng của Mặt Trời. Phương pháp thứ ba, phản vật chất, sử dụng phản vật chất để điều chỉnh vật chất. Khi hai dạng vật chất này tiếp xúc với nhau, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau.
Các hệ thống đẩy dựa trên phân hạch và hợp hạch có thể đẩy tàu vũ trụ đạt tốc độ 10% tốc độ ánh sáng, tương đương 100.000.000 km/h. Động cơ đẩy bằng phản vật chất có thể tăng tốc tàu vũ trụ trong nhiều tháng hoặc nhiều năm cho đến khi nó đạt tốc độ rất cao, giữ lực G ở mức chấp nhận được cho các phi hành gia. Tuy nhiên, tốc độ mới này sẽ gây ra những nguy hiểm mới cho cơ thể con người.
Ở tốc độ hàng trăm triệu km/h, mọi hạt bụi trong không gian, từ các phân tử hydro đến các thiên thạch vũ trụ, đều trở thành những viên đạn mạnh bắn vào thân tàu. Mặc dù chỉ có mật độ khoảng một phân tử trên một centimet khối, lượng hydro này sẽ tạo ra một lượng bức xạ cực lớn. Các phân tử hydro sẽ phân tách thành các hạt nhỏ hơn phân tử, có khả năng xuyên qua thân tàu và gây hại cho phi hành đoàn và thiết bị. Ở tốc độ khoảng 95% tốc độ ánh sáng, những tác hại này có thể gây tử vong ngay lập tức. Nhiệt độ của tàu vũ trụ cũng sẽ tăng lên đến mức có thể làm tan chảy mọi thứ, nước trong cơ thể của các phi hành gia sẽ sôi ngay lập tức.
Mặc dù việc hạn chế tốc độ di chuyển của con người vẫn là một vấn đề còn xa vời, nhưng dựa trên những gì chúng ta biết về vật lý, rất khó để đạt được tốc độ vượt quá 10% tốc độ ánh sáng.