Thứ gì có thể di chuyển nhanh hơn cả ánh sáng?

Tốc độ của ánh sáng truyền qua chân không là 299.792.458 mét/giây, được ký hiệu là c. Đây là một hằng số vật lý cơ bản quan trọng trong nhiều lĩnh vực vật lý. Vậy, tốc độ của ánh sáng được tìm ra như thế nào và trên thực tế có thứ gì có thể nhanh hơn hay không?

Vào năm 1676, bằng cách nghiên cứu Mặt Trăng của sao Mộc chuyển động, nhà thiên văn học người Đan Mạch Ole Romer đã tính toán ra rằng, ánh sáng truyền đi với tốc độ hữu hạn. Theo Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Mỹ, 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 thực tế của ánh sáng.

Ông Christiaan Huygens đưa ra con số là 211.000 km/giây. Đây là một con số không chính xác theo tiêu chuẩn ngày nay, nhất là sau khi các nhà khoa học đo được tốc độ ánh sáng trong chân không là khoảng 299.792 km/giây. Tuy nhiên, tính toán của Huygens cũng cho thấy rằng ánh sáng truyền đi với tốc độ đáng kinh ngạc.

Trên thực tế, theo thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein, ánh sáng truyền đi trong chân không nhanh đến mức không gì trong vũ trụ có thể chuyển động nhanh hơn.

Ông Jason Cassibry, phó giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ tại Trung tâm nghiên cứu Lực đẩy, thuộc ĐH Alabama, khẳng định: "Chúng ta không thể di chuyển trong chân không vũ trụ nhanh hơn tốc độ ánh sáng".

Câu hỏi đặt ra rằng khi ánh sáng không ở trong chân không, thì nhận định trên có còn đúng không?

Theo nhà vật lý lý thuyết Clauda de Rham tại ĐH Hoàng gia London, về mặt kỹ thuật, chính nhận định ‘không gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng’ là không hoàn toàn chính xác, ít nhất là trong môi trường phi chân không.

Bởi thực tế ánh sáng thể hiện cả đặc tính giống hạt và sóng, do đó có thể được coi là cả hạt và sóng. Điều này được gọi là lưỡng tính sóng – hạt.

Theo chuyên gia Clauda de Rham, nếu chúng ta coi ánh sáng như sóng thì có nhiều lý do khiến cho một số sóng lại có thể truyền nhanh hơn ánh sáng trắng hoặc không màu trong một môi trường nào đó.

Cụ thể, một lý do như vậy là khi ánh sáng truyền qua một môi trường, chẳng hạn như thủy tinh hoặc giọt nước, thì các tần số hoặc màu sắc ánh sáng khác nhau truyền đi với tốc độ khác nhau.

Theo một bài đăng của ĐH Wisconsin-Madison, ví dụ trực quan rõ ràng nhất về điều này xảy ra ở cầu vồng. Theo đó, cầu vồng thường có bước sóng màu đỏ dài và nhanh hơn ở phía trên, trong khi bước sóng màu tím ngắn và chậm hơn ở phía dưới.

Thế nhưng khi ánh sáng truyền qua chân không thì điều này không còn đúng.

Ông Rhett Allain, giáo sư vật lý tại Đại học Đông Nam Louisiana, giải thích rằng: "Tất cả ánh sáng đều là một loại sóng điện từ và chúng có cùng tốc độ trong chân không. Điều này có nghĩa là cả sóng vô tuyến và tia gamma đều có tốc độ như nhau".

Do đó, theo nhà vật lý Clauda de Rham, thứ duy nhất có khả năng di chuyển nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng lại chính là ánh sáng. Điều này nghe có vẻ hơi nghịch lý nhưng nó có thể xảy ra chỉ khi không ở trong chân không vũ trụ. Tuy nhiên, dù có ở trong môi trường nào, ánh sáng cũng sẽ không bao giờ vượt quá tốc độ tối đa của nó là 299.792 km/giây.

Tuy nhiên, theo Phó giáo sư Jason Cassibry, có một số điểm khác cần xem xét khi thảo luận về những thứ chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Phó giáo sư Jason Cassibry cho biết: "Có những phần của vũ trụ đang giãn nở và rời xa khỏi chúng ta với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng, bởi vì không – thời gian đang giãn nở".

Chẳng hạn, kính viễn vọng không gian Hubble gần đây đã phát hiện ra ánh sáng 12,9 tỷ năm tuổi từ một ngôi sao xa xôi được gọi là Earendel. Thế nhưng vì vũ trụ đang giãn nở tại mọi điểm nên Earendel đang di chuyển ra xa Trái Đất. Ngôi sao này di chuyển như thế kể từ khi hình thành và hiện cách xa Trái Đất tới 28 tỷ năm ánh sáng.

Như vậy, trong trường hợp này, không – thời gian đang giãn nỡ, nhưng vật chất trong không – thời gian vẫn di chuyển trong giới hạn của tốc độ ánh sáng.

Rõ ràng là không có gì truyền đi nhanh hơn ánh sáng mà chúng ta biết. Nhưng thực tế có tình huống nào có thể xảy ra không? Thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng của Einstein được xây dựng theo nguyên tắc rằng những khái niệm về không gian và thời gian là tương đối.

Theo nhà vật lý Clauda de Rham: "Chúng ta có thể tưởng tượng về việc truyền tin với tốc độ ánh sáng thông qua các hệ thống ở bên ngoài hệ Mặt Trời. Nhưng việc vận chuyển con người với tốc độ ánh sáng thì không thể, bởi vì chúng ta không thể tăng tốc bản thân đến tốc độ như vậy".

Bà Clauda de Rham nhấn mạnh thêm rằng, ngay cả trong điều kiện lý tưởng, nơi con người có khả năng liên tục tăng tốc bản thân với tốc độ không đổi, thậm chí bỏ qua việc làm thế nào để có công nghệ giúp tăng tốc liên tục, thì con người cũng sẽ không bao giờ thực sự đạt được tốc độ ánh sáng.

"Chúng ta có thể đến gần, nhưng không bao giờ đạt được ngưỡng đó", bà Clauda de Rham nhấn mạnh.

Phó giáo sư Jason Cassibry cũng đồng tình với ý kiến này. Ông Jason Cassibry cho biết: "Bỏ qua thuyết tương đối, nếu tăng tốc ở mức 1G (trọng lực Trái Đất) thì bạn sẽ mất 1 năm để đạt được tốc độ ánh sáng. Nhưng bạn sẽ không bao giờ thực sự đạt được vận tốc này, bởi vì khi bạn bắt đầu tiệm cận tốc độ ánh sáng, năng lượng khối lượng của bạn sẽ tăng lên và tiến gần đến vô hạn. Một trong số ít những cách gian lận có thể được sử dụng là mở rộng và thu hẹp không – thời gian, từ đó sẽ kéo mục tiêu đến gần bạn hơn".

Dường như không có giới hạn cơ bản nào về tốc độ giãn nở hoặc co lại của không – thời gian. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể đến gần giới hạn vận tốc này vào một ngày nào đó.

Giáo sư Rhett Allain cũng nhận định rằng, việc di chuyển nhanh hơn so với ánh sáng là điều khó xảy ra, nhưng nếu con người muốn khám phá các hành tinh xa xôi thì có thể không thực sự cần thiết phải đạt được tốc độ như vậy.

Theo vị giáo sư này, giải pháp nếu con người muốn di chuyển nhanh hơn ánh sáng là sử dụng lỗ sâu (wormhole).

Cách này không thực sự khiến con người di chuyển nhanh hơn ánh sáng, nhưng lại có thể cung cấp cho chúng ta một lối tắt để đến một số vị trí khác trong không gian. Tuy nhiên, vị chuyên gia này cũng chưa biết liệu có thể xây dựng được một lỗ sâu hay không và sẽ thực hiện nó như thế nào.