Lỗ sâu có thể cho phép du hành ngược thời gian?

Các nhà vật lý lý thuyết vừa đưa ra một kịch bản đặc biệt trong đó một loại lỗ sâu hình vòng có thể, về mặt toán học, tạo ra những đường cong thời gian khép kín. Nếu cấu trúc như vậy thực sự tồn tại và đáp ứng được những điều kiện rất khắt khe của mô hình, nó có thể tạo ra một con đường quay trở lại một thời điểm trước đó.

Lỗ sâu là gì?

Lỗ sâu là những cấu trúc giả thuyết xuất hiện trong một số nghiệm của thuyết tương đối rộng. Có thể hình dung chúng như những “đường tắt” nối hai vùng khác nhau của không-thời gian, thay vì buộc vật thể phải đi theo khoảng cách thông thường trong không gian.

Tuy nhiên, việc một nghiệm toán học tồn tại không đồng nghĩa với việc lỗ sâu thực sự tồn tại trong vũ trụ. Cho đến nay, chưa có bằng chứng quan sát xác nhận một lỗ sâu tự nhiên nào.

Điểm đáng chú ý của nghiên cứu mới không phải là việc các nhà khoa học đã tạo ra một cỗ máy thời gian, mà là họ chỉ ra rằng một hình học không-thời gian đặc biệt có thể cho phép xuất hiện đường cong thời gian khép kín.

Một loại lỗ sâu có hình dạng như chiếc vòng

Nghiên cứu tập trung vào một mô hình gọi là ring wormhole — lỗ sâu dạng vòng. Khác với hình dung quen thuộc về một “đường hầm” hình cầu, mô hình này liên kết các vùng không-thời gian thông qua một cấu trúc dạng đĩa được giới hạn bởi một vòng.

Mô hình lỗ sâu dạng vòng được Gary Gibbons và Mikhail Volkov đề xuất trước đó. Valeri P. Frolov, Andrei Zelnikov và Pavel Krtouš tiếp tục nghiên cứu điều gì có thể xảy ra khi một miệng của lỗ sâu nằm trong một môi trường hấp dẫn khác với miệng còn lại.

Điều gì xảy ra khi đặt một khối lượng lớn gần một miệng lỗ sâu?

Các nhà nghiên cứu xét một hệ trong đó một miệng của lỗ sâu nằm bên trong một lớp vật chất mỏng, dẹt và có khối lượng. Trường hấp dẫn do lớp vật chất này tạo ra khiến tốc độ trôi của thời gian tại các vị trí khác nhau không còn đồng nhất đối với một quan sát viên ở rất xa.

Điều này dẫn tới một hiệu ứng quan trọng: hai miệng của lỗ sâu có thể bị lệch nhịp về thời gian đối với hệ quy chiếu bên ngoài, dù chúng vẫn được liên kết với nhau thông qua cấu trúc lỗ sâu.

Nói đơn giản, nếu một chiếc đồng hồ ở một miệng trải qua thời gian khác với chiếc đồng hồ ở miệng kia, sự chênh lệch này có thể tích lũy thành một “khoảng cách thời gian”.

Từ chênh lệch thời gian đến đường cong thời gian khép kín

Đây là phần kỳ lạ nhất của mô hình. Hãy tưởng tượng một tia sáng tiến tới một miệng lỗ sâu, đi qua cấu trúc này và xuất hiện ở miệng còn lại. Sau đó tia sáng tiếp tục di chuyển qua không gian thông thường để quay trở lại khu vực ban đầu.

Nếu độ lệch thời gian giữa hai miệng đủ lớn, về mặt toán học, tia sáng có thể quay trở lại điểm xuất phát trước thời điểm nó được phát ra theo thời gian tọa độ của một quan sát viên ở xa.

Đường đi như vậy được gọi là đường cong thời gian khép kín (closed timelike curve). Nó là một quỹ đạo trong không-thời gian quay trở lại chính điểm ban đầu cả về vị trí lẫn thời gian.

Đây có phải là cỗ máy thời gian?

Ở cấp độ toán học, cấu hình nói trên có những đặc điểm mà chúng ta thường gắn với một cỗ máy thời gian. Nhưng gọi đây là một “cỗ máy thời gian” thực tế sẽ gây hiểu nhầm.

Trước hết, chính sự tồn tại của lỗ sâu dạng vòng vẫn chỉ là giả thuyết. Chúng ta chưa biết liệu tự nhiên có tạo ra những cấu trúc như vậy hay không, càng chưa biết liệu con người có thể tạo hoặc duy trì chúng.

Ngoài ra, mô hình cần những điều kiện vật chất rất đặc biệt. Cấu trúc vòng có liên quan đến sự vi phạm điều kiện năng lượng null, một vấn đề thường xuất hiện trong các mô hình lỗ sâu có thể đi qua.

Vấn đề lớn: bảo vệ trật tự thời gian

Du hành ngược thời gian đặt ra một câu hỏi sâu hơn: liệu các định luật vật lý có cho phép những nghịch lý nhân quả hay không?

Nhà vật lý Stephen Hawking từng đề xuất ý tưởng gọi là giả thuyết bảo vệ niên đại (chronology protection conjecture). Theo hướng suy luận này, các hiệu ứng lượng tử có thể ngăn không-thời gian hình thành những đường cong thời gian khép kín có thể dẫn tới nghịch lý.

Nghiên cứu về lỗ sâu dạng vòng không giải quyết được vấn đề đó. Thay vào đó, nó cung cấp một mô hình tương đối rõ ràng để các nhà vật lý tiếp tục nghiên cứu điều gì xảy ra khi một hệ tiến gần đến điều kiện hình thành cỗ máy thời gian.

Vì sao nghiên cứu này vẫn quan trọng?

• Nó cho thấy cấu trúc toàn cục của không-thời gian có thể tạo ra những hiệu ứng không thể suy ra chỉ từ trực giác Newton.
• Nó cung cấp một mô hình để nghiên cứu sự lệch nhịp thời gian giữa hai miệng của lỗ sâu.
• Nó giúp các nhà vật lý kiểm tra sâu hơn mối quan hệ giữa thuyết tương đối rộng, cấu trúc tôpô và hiệu ứng lượng tử.
• Nó tạo ra một bối cảnh toán học để nghiên cứu giả thuyết bảo vệ niên đại của Hawking.

Du hành thời gian vẫn còn rất xa thực tế

Kết quả này không có nghĩa rằng con người sắp có thể quay về quá khứ. Không có lỗ sâu nào đã được quan sát, chưa có công nghệ nào tạo ra một lỗ sâu có thể đi qua, và các điều kiện vật lý cần thiết vẫn nằm ngoài khả năng hiện nay.

Giá trị thực sự của nghiên cứu nằm ở chỗ nó cho thấy thuyết tương đối rộng cho phép những cấu hình không-thời gian kỳ lạ đến mức nào. Khi hình học, hấp dẫn và cấu trúc tôpô kết hợp với nhau, khái niệm “trước” và “sau” có thể trở nên phức tạp hơn rất nhiều so với kinh nghiệm hằng ngày.

Vì vậy, lỗ sâu hiện vẫn là những đối tượng lý thuyết. Nhưng việc nghiên cứu chúng có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn giới hạn của thuyết tương đối rộng và nơi mà một lý thuyết hấp dẫn lượng tử trong tương lai có thể cần xuất hiện.

Nguồn: Nghiên cứu của Valeri P. Frolov, Andrei Zelnikov và Pavel Krtouš; nội dung được báo chí khoa học diễn giải từ công trình được đăng/đệ trình cho Physical Review D. Bài viết được biên soạn bằng tiếng Việt theo nội dung khoa học của nguồn, không phải bản dịch từng câu.