Có thể nào một vật chất di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, thậm chí là gấp đôi? Thuyết tương đối của Einstein dường như bác bỏ điều này. Nhưng hãy cùng nhau khám phá những giả thuyết thú vị, xem điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta vượt qua giới hạn tốc độ vũ trụ.
Giới Hạn Tốc Độ Vũ Trụ
Thuyết tương đối của Albert Einstein là một trong những lý thuyết vật lý quan trọng nhất hiện nay. Theo thuyết này, tốc độ ánh sáng là giới hạn tốc độ chung cho mọi vật thể có khối lượng. Không có vật thể nào có khối lượng có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Để tăng tốc một vật thể có khối lượng, chúng ta cần cung cấp thêm năng lượng. Tốc độ của vật thể tỷ lệ thuận với năng lượng cung cấp.
Phương trình nổi tiếng của Einstein về thuyết tương đối, E=mc², chỉ ra rằng cần một lượng năng lượng vô hạn để gia tốc bất kỳ vật thể nào có khối lượng đến tốc độ ánh sáng. Tốc độ ánh sáng trong chân không là 299.792.458 m/s, được ký hiệu là c. Đây là một hằng số vật lý cơ bản quan trọng trong nhiều lĩnh vực của vật lý.
Vậy, tốc độ ánh sáng được tìm ra như thế nào và liệu có thứ gì nhanh hơn nó không? Theo thuyết tương đối hẹp của Einstein, ánh sáng di chuyển quá nhanh trong chân không, đến nỗi không có gì trong vũ trụ có thể di chuyển nhanh hơn. Tuy nhiên, tất cả các dạng năng lượng mà chúng ta biết đều có giới hạn. Vũ trụ có thể có một lượng năng lượng hữu hạn ban đầu, có nghĩa là vũ trụ có thể không đủ năng lượng để gia tốc bất cứ thứ gì có khối lượng đến tốc độ ánh sáng. Vì vậy, với khối lượng thông thường, chúng ta không thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, chứ đừng nói đến việc gấp đôi nó.
Tachyon: Hạt Giả Thuyết Vượt Tốc Độ Ánh Sáng
Bây giờ, hãy thử đưa ra một giả thuyết về một loại hạt bí ẩn mang tên Tachyon. Như đã đề cập ở trên, mọi vật có “khối lượng thông thường” đều tuân theo giới hạn tốc độ chung. Tuy nhiên, Tachyon, một hạt hạ nguyên tử giả thuyết, có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Mặc dù chỉ là một hạt giả thuyết, chúng ta không thể chứng minh nó không tồn tại và thuyết tương đối không loại trừ khả năng về sự tồn tại của nó.
Nhà vật lý người Đức Arnold Sommerfeld được cho là người đầu tiên mô tả về hạt Tachyon. Tuy nhiên, George Sudarshan, Olexa-Myron Bilaniuk, Vijay Deshpande và Gerald Feinberg (người đầu tiên đặt tên cho hạt này vào những năm 1960), là những người đặt nền tảng lý thuyết cho việc nghiên cứu Tachyon. Trường Tachyon xuất hiện trong nhiều lĩnh vực lý thuyết, chẳng hạn như lý thuyết dây Boson.
Năm 1676, bằng cách nghiên cứu chuyển động của Mặt Trăng của Sao Mộc, nhà thiên văn học người Đan Mạch Ole Romer đã tính toán rằng ánh sáng di chuyển với tốc độ hữu hạn. Theo Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ, thành phố New York, đến năm 1678, dựa trên dữ liệu của Ole Romer, nhà toán học và khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens đã trở thành người đầu tiên cố gắng xác định tốc độ ánh sáng thực tế.
Nếu Tachyon tồn tại, chúng phải luôn di chuyển với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng. Tachyon không thể giảm tốc độ dưới tốc độ ánh sáng, giống như các vật thể có khối lượng thông thường không thể tăng tốc vượt quá tốc độ ánh sáng. Một số nhà vật lý đưa ra giả thuyết rằng nếu Tachyon tồn tại, chúng sẽ liên tục du hành ngược thời gian. Do đó, Tachyon thường được sử dụng để mô tả du hành thời gian trong khoa học viễn tưởng. Có những suy đoán rằng một ngày nào đó, chúng ta có thể tạo ra một cỗ máy thời gian bằng cách sử dụng Tachyon. Tuy nhiên, vì chúng ta chưa thể xác định được một Tachyon có thể tồn tại, đây vẫn là một giấc mơ xa vời.
Lối Tắt Trong Vũ Trụ?
Việc chúng ta không thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng có lẽ là một điều đáng thất vọng. Ngôi sao gần Mặt Trời nhất cách chúng ta 4,35 năm ánh sáng. Sẽ mất hơn bốn năm để đến đó nếu đi với tốc độ ánh sáng, và sẽ mất hơn 6.300 năm nếu đi với tốc độ gần 700.000 km/h của tàu vũ trụ nhanh nhất từng được con người tạo ra, Parker Solar Probe. Ngôi sao xa nhất mà chúng ta từng tìm thấy nằm cách Trái Đất 28 tỷ năm ánh sáng, đó là ngôi sao WHL0137-LS, lớn hơn Mặt Trời 500 lần và sáng hơn hàng triệu lần. Các nhà nghiên cứu cho rằng ngôi sao này có thể đã được sinh ra khoảng 900 triệu năm sau vụ nổ Big Bang và là một trong những thế hệ sao đầu tiên trong vũ trụ.
Như vậy, ngay cả khi bạn dành cả đời để du hành, bạn cũng sẽ không bao giờ đến được ngôi sao đó. Tuy nhiên, thuyết tương đối cho phép “lỗ sâu” hay wormhole tồn tại. Nó là một lối tắt giữa hai địa điểm bất kỳ trong không gian. Trong điều kiện bình thường, một ngôi sao có thể cách xa 4,5 năm ánh sáng, nhưng khi đi qua lỗ sâu, nó có thể chỉ cách chúng ta vài giờ.
Năm 1905, Thuyết tương đối hẹp của Einstein đã thay đổi vĩnh viễn cách các nhà vật lý nhìn nhận vũ trụ, bằng cách liên kết khối lượng và năng lượng vào một phương trình, mặc dù đơn giản nhưng vô cùng quan trọng, đó là phương trình E=mc². Về bản chất, phương trình này dự đoán rằng không có gì có khối lượng có thể đạt đến tốc độ ánh sáng, chứ đừng nói đến nhanh hơn.
Nỗ lực thành công nhất của nhân loại trong việc tiếp cận tốc độ ánh sáng nằm ở các máy gia tốc hạt siêu mạnh như Máy gia tốc hạt lớn (LHC) của CERN hoặc Tevatron của Mỹ. Những cỗ máy khổng lồ này (LHC thậm chí có chu vi trải dài trên dãy Alps, nằm ở cả Pháp và Thụy Sĩ), có khả năng gia tốc các hạt hạ nguyên tử lên đến 99,99% tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, như nhà vật lý đoạt giải Nobel David Gross đã giải thích, những hạt này sẽ không bao giờ đạt đến ngưỡng tốc độ vũ trụ.
Du Hành Ngược Thời Gian
Như vậy, nếu có lỗ sâu trong vũ trụ, chúng ta có thể đến được những nơi xa xôi nhất của vũ trụ trong một đời người. Tuy nhiên, lỗ sâu, giống như Tachyon, chỉ là lý thuyết ở thời điểm hiện tại.
Tóm lại, nếu một vật thể di chuyển với tốc độ gấp đôi tốc độ ánh sáng, nó sẽ liên tục du hành ngược thời gian. Mặc dù đây chỉ là một giả thuyết, nhưng tại sao chúng ta không thử tưởng tượng, sẽ như thế nào nếu di chuyển nhanh hơn ánh sáng, mặc dù thực tế chúng ta không thể làm được điều đó. Và hãy đừng giới hạn trí tưởng tượng của bạn!