4 hiện tượng vũ trụ có tốc độ di chuyển vượt qua được vận tốc ánh sáng

Tốc độ ánh sáng trong chân không bằng 299.792.458m/s. Các nhà vật lý đã tìm ra 4 hiện tượng vũ trụ có thể đạt tới trạng thái nhanh hơn ánh sáng mà vẫn tuân theo các quy luật của vũ trụ đó là bức xạ Cherenkov, sự lạm phát của vũ trụ ngay sau vụ nổ Big Bang, vướng víu lượng tử và lỗ sâu.

• Chùm năng lượng kỳ lạ di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng, chuyển động dưới dạng xoắn ốc
• Tìm hiểu về lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu

Các quy luật vũ trụ được đặt ra bởi Thuyết tương đối hẹp cung cấp cho chúng ta cái nhìn sâu sắc hơn về những hành vi kỳ lạ của ánh sáng trong lĩnh vực lượng tử và không bác bỏ lý thuyết của Einstein.

Năm 1905, Einstein đưa ra phương trình nổi tiếng E=mc2, chỉ ra mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng. Theo đó phương trình này thì không một vật nào có khối lượng có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng.

Cho dù sử dụng máy gia tốc hạt LHC để tăng tốc cho các hạt hạ nguyên tử như electron, proton, neutron... nhưng chúng chỉ có thể di chuyển với tốc độ bằng 99% vận tốc của ánh sáng mà thôi. Hạt duy nhất chuyển động bằng tốc độ ánh sáng là photon nhưng nó lại không có khối lượng.

Tuy nhiên, các nhà vật lý đã tìm ra những hiện tượng có thể đạt tới trạng thái nhanh hơn ánh sáng mà không đi ngược với các quy luật của vũ trụ.

Bức xạ Cherenkov

Một vật thể chuyển động nhanh hơn âm thanh sẽ tạo ra những vụ nổ siêu âm. Theo lý thuyết đó thì nếu có thứ gì đó chuyển động nhanh hơn ánh sáng, một quả "bom ánh sáng" sẽ được tạo ra.

Bức xạ Cherenkov trong lò phản ứng Reed.

Những vụ nổ bom ánh sáng này được gọi là bức xạ Cherenkov, là ánh sáng màu xanh dương trong các lò phản ứng hạt nhân vẫn xảy ra hàng ngày và có thể quan sát bằng mắt thường. Bức xạ này được đặt theo tên nhà khoa học Liên Xô Pavel Alekseyevich Cherenkov, người đầu tiên đo đạc nó vào năm 1934. Năm 1958, ông đoạt giải Nobel vật lý với phát hiện này.

Bức xạ Cherenkov trong lò phản ứng hạt nhân. (Ảnh: Argonne National Laboratory).

Khi lõi của lò phản ứng được nhúng ngập trong nước để làm mát sẽ phát ra bức xạ Cherenkov. Tốc độ ánh sáng trong nước chỉ bằng 75% tốc độ vùng chân không bên ngoài. Do vậy, trong môi trường nước các electron tạo ra từ phản ứng trong lò sẽ di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Quá trình này làm phát sinh các sóng chấn động của ánh sáng có màu xanh dương, hoặc đôi khi là các tia cực tím mà mắt thường không nhìn thấy, giống như trường hợp máy bay siêu âm.

Nhưng ở trường hợp này, tốc độ của các electron chỉ nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong nước chứ không thực sự đạt đến vận tốc 299.792.458 m/s.

Lạm phát sau vụ nổ Big Bang

Theo các nhà vật lý, chân không tuyệt đối không chứa vật chất nên cũng có thể coi là một "vật thể" không có khối lượng.

Michio Kaku, nhà vật lý thiên văn lý thuyết cho biết "Do không có vật chất chứa bên trong, chân không có thể giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng".

Ảnh 3D về vũ trụ ở khoảng cách 10,8 tỷ năm ánh sáng từ Trái Đất. (Ảnh: Casey Stark (UC Berkeley)/Khee-Gan Lee (MPIA)).

Năm 1980, hai nhà vật lý Alan Guth và Andrei Linde đã đặt giả thuyết cho rằng hiện tượng này xảy ra ngay sau vụ nổ Big Bang, trong quá trình được gọi là lạm phát. Trong một phần tỷ tỷ của một giây đầu tiên, vũ trụ liên tục tăng gấp đôi kích thước khiến phần biên ngoài giãn nở cực nhanh, thậm chí vượt qua cả tốc độ ánh sáng.

Hiện tượng vướng víu lượng tử

Ở mức độ thô sơ ban đầu, hiện tượng này chính là cách các hạt hạ nguyên tử tương tác với nhau.

Theo nhà vật lý Kaku thì: "Theo thuyết lượng tử, nếu có hai electron đặt gần nhau, chúng có thể dao động cùng một trạng thái. Nếu tách chúng ra xa nhau, hàng trăm thậm chí hàng ngàn năm ánh sáng, chúng vẫn tiếp tục giữ được mối liên kết này. Nếu một electron dao động thì electron còn lại sẽ "cảm ứng" được dao động này ngay lập tức, nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Bản thân Einstein cũng khó chấp nhận nó vì theo ông tốc độ ánh sáng phải là lớn nhất".

Ảnh minh họa về hiện tượng vướng víu lượng tử. (Ảnh: YouTube/Stargazer).

Vào năm 1935, Einstein và hai đồng nghiệp của mình là Boris Podolsky và Nathan Rosen đã cố gắng bác bỏ thuyết lượng tử. Họ cùng viết một báo cáo nổi tiếng với tựa đề "miêu tả của cơ học lượng tử vào thế giới thực tại vật lý là chưa hoàn chỉnh", đưa ra những lập luận chỉ ra vướng víu lượng tử là một nghịch lý (ngày nay được gọi là nghịch lý EPR, theo tên ba người) và không thể xảy ra.

Ngày nay, vướng víu lượng tử là một hiệu ứng được ứng dụng trong một số công nghệ tiên tiến nhất thế giới như mật mã lượng tử, viễn tải lượng tử, tính toán lượng tử.

Lỗ sâu

Thuyết tương đối hẹp ràng buộc năng lượng với khối lượng nhưng Einstein lại đưa ra Thuyết tương đối tổng quát chỉ ra rằng không gian và thời gian có thể "sát lại" với nhau, đưa đến hy vọng về du hành giữa các vì sao.

Theo Kaku, uốn cong không thời gian là cách duy nhất khả thi để phá bỏ rào cản ánh sáng. Sự uốn cong đó chính là "lỗ sâu". Theo lý thuyết lỗ sâu sẽ cho phép một cái gì đó đi qua một khoảng cách khổng lồ ngay lập tức, điều này có nghĩa là tốc độ giới hạn của vũ trụ sẽ bị phá vỡ.

Hình ảnh minh họa về lỗ sâu. (Ảnh: Warner Bros).

Vào năm 1988, Kip Thorne, nhà vật lý lý thuyết đã sử dụng các phương trình của thuyết tương đối của Einstein để dự đoán xác suất các lỗ sâu có thể mở vĩnh viễn cho du hành vũ trụ. Nhưng những lỗ sâu này cần có một loại vật chất kỳ lạ, vật chất này sẽ không bị hút vào như vật chất thông thường mà bị đẩy bởi lực hấp dẫn, để giữ cho chúng không bị đóng lại.

Theo Thorne, nhờ vào sự kỳ quái của các định luật vật lý lượng tử loại vật chất kỳ lạ này thực sự tồn tại.

Đã có rất nhiều nghiên cứu của các nhà vật lý để xác định xem trong vũ trụ có tồn tại đủ lượng vật chất này cho lỗ sâu không nhưng vẫn chưa có câu trả lời.