Đến bao giờ thì nhân loại mới có thể mở ra kỷ nguyên du hành giữa các vì sao?

Con người từ xa xưa đã đầy tò mò và khao khát về vũ trụ, từ những quan sát thiên văn cổ xưa đến công nghệ hàng không vũ trụ hiện đại, chúng ta không ngừng khám phá không gian rộng lớn và bí ẩn này.

Tuy nhiên, quy mô của vũ trụ lớn đến mức chúng ta đo khoảng cách bằng năm ánh sáng, khoảng cách ánh sáng truyền đi trong chân không trong một năm tương đương với khoảng 9,46 nghìn tỷ km. Ngay cả ngôi sao gần nhất với chúng ta, Proxima Centauri, cũng cách chúng ta 4,3 năm ánh sáng, điều đó có nghĩa là ngay cả khi chúng ta sử dụng tàu vũ trụ nhanh nhất hiện nay thì cũng sẽ phải mất hàng chục nghìn năm mới đến được đó. Thời gian và khoảng cách như vậy khiến chúng ta cảm thấy bất lực và thất vọng về việc du hành giữa các vì sao. Vậy có cách nào để đến được các thiên hà xa xôi không? Có công nghệ nào cho phép chúng ta phá vỡ giới hạn tốc độ ánh sáng không?

Câu trả lời là có, và đó là động cơ ổ đĩa dọc. Ổ đĩa dọc là một thiết bị giả định cho phép tàu vũ trụ di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng mà không vi phạm các định luật vật lý. Nguyên lý hoạt động của nó là sử dụng năng lượng để thay đổi hình dạng của không gian xung quanh, từ đó giảm khoảng cách giữa tàu vũ trụ và đích đến. Động cơ ổ đĩa dọc trên thực tế vẫn chưa được hiện thực hóa, nhưng nó đã trở thành một trong những yếu tố phổ biến và hấp dẫn nhất của khoa học viễn tưởng. Vậy chính xác thì động cơ ổ đĩa dọc là gì? Liệu nó có thực sự đạt được việc du hành liên sao không? 

Nguyên mẫu của động cơ ổ địa dọc xuất hiện vào năm 1957, khi nhà vật lý người Đức Kerhard Heim đề xuất một khuôn khổ vật lý gọi là lý thuyết Heim. Lý thuyết này cố gắng giải quyết mâu thuẫn giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối trong khuôn khổ không-thời gian sáu chiều. 

Mặc dù lý thuyết này không được công nhận rộng rãi trong cộng đồng khoa học nhưng nó đã gây ra phản ứng mạnh mẽ trong giới đam mê khoa học viễn tưởng. Lý thuyết này cung cấp cơ sở lý thuyết cho sự xuất hiện của động cơ dọc trong các bộ phim khoa học viễn tưởng. 

Ứng dụng nổi tiếng nhất của truyền động dọc trong phim khoa học viễn tưởng là trong loạt phim "Star Trek", trong đó tàu vũ trụ Enterprise sử dụng truyền động dọc. Enterprise sử dụng năng lượng được tạo ra bởi nhiên liệu phản vật chất để thay đổi hình dạng của không gian xung quanh và đạt được chuyến bay nhanh hơn ánh sáng. 

Theo mô tả của phim, Enterprise có thể di chuyển với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng 9.000 lần, tức là ở nơi mà ánh sáng phải mất 9.000 năm mới tới được thì Enterprise chỉ mất một năm với bộ truyền động dọc. Loạt phim "Star Trek" đã thúc đẩy đáng kể sự phổ biến của động cơ dọc trong thế giới khoa học viễn tưởng, đồng thời cũng khiến nhiều người quan tâm và mong đợi động cơ dọc hơn.

Năm 1994, nhà vật lý người Mexico Miguel Alcubieri đã đề xuất một mô hình toán học về không-thời gian gọi là phép đo Alcubieri dựa trên lý thuyết tương đối tổng quát. Mô hình này mô tả tình huống trong đó tàu vũ trụ có thể nén không gian phía trước và kéo dài không gian phía sau bằng cách làm biến dạng không gian xung quanh nó trong quá trình điều hướng. 

Bản thân tàu vũ trụ được bao quanh bởi một bong bóng vận tốc cong không bị biến dạng, bởi vì nó luôn nằm trong bong bóng cong được hình thành do không-thời gian bị biến dạng nên ở trạng thái tĩnh so với không gian xung quanh. Điều này có nghĩa là tàu vũ trụ không thực sự chuyển động mà nó đang di chuyển qua sự biến dạng của không gian. 

Do đó, những hiệu ứng như sự chậm lại của đồng hồ và sự tăng khối lượng trong thuyết tương đối sẽ không xảy ra trong quá trình điều hướng. Cách di chuyển này giống như một người đi bộ trên thang cuốn, mặc dù người đó đi chậm trên thang cuốn nhưng thang cuốn lại di chuyển rất nhanh. Vì vậy, tàu vũ trụ không bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng và có thể tăng tốc tàu vũ trụ đến vô hạn. 

Bằng cách này, dường như có thể đạt được chuyển động vượt quá tốc độ ánh sáng. Trên thực tế tàu vũ trụ không bay nhanh hơn tốc độ ánh sáng, động cơ dọc chỉ liên tục co giãn không gian, khiến không-thời gian xung quanh tàu vũ trụ bị biến dạng mạnh, tạo thành một kênh tốc độ cao, rút ngắn khoảng cách di chuyển của tàu vũ trụ khi du hành giữa các vì sao.

Giả sử chúng ta có một động cơ dọc được áp dụng cho tàu vũ trụ, khiến tàu vũ trụ di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng mười lần, thì chúng ta chỉ mất 155 ngày để đến Proxima Centauri. Nếu tốc độ của chúng ta nhanh hơn, chẳng hạn như nhanh gấp một trăm lần tốc độ ánh sáng, thì chỉ mất 90 ngày để đến được thiên hà Gliese 581, cách Trái Đất 25 năm ánh sáng. Nếu tốc độ của chúng ta nhanh hơn nữa, chẳng hạn nhanh hơn một nghìn lần so với tốc độ ánh sáng, thì chúng ta chỉ mất 4 năm để đến được Tinh vân Đại bàng, cách Trái Đất 4.000 năm ánh sáng. Hiện nay, động cơ dọc vẫn phải đối mặt với nhiều vấn đề kỹ thuật và lý thuyết, trong đó lớn nhất là mật độ năng lượng âm.

Mật độ năng lượng âm đề cập đến trạng thái năng lượng thấp hơn năng lượng của chân không. Mật độ năng lượng âm là yếu tố cốt lõi của truyền động dọc, bởi vì nó có thể tạo ra hiệu ứng hấp dẫn ngược trong không gian, từ đó nhận ra sự biến dạng của không gian. Tuy nhiên, mật độ năng lượng âm cực kỳ hiếm và không ổn định về bản chất, đồng thời vẫn chưa tìm ra phương pháp đáng tin cậy và hiệu quả để tạo ra và duy trì mật độ năng lượng âm. 

Cho đến nay, các nhà khoa học mới chỉ quan sát thấy sự tồn tại của mật độ năng lượng âm trong một hiện tượng gọi là hiệu ứng Casimir. Hiệu ứng Casimir là lực hút xảy ra giữa hai tấm kim loại song song rất gần nhau, lực hút này là do năng lượng chân không giữa các tấm kim loại thấp hơn năng lượng chân không bên ngoài các tấm kim loại. 

Điều này có nghĩa là có mật độ năng lượng âm giữa các tấm kim loại. Tuy nhiên, mật độ năng lượng âm do hiệu ứng Casimir tạo ra là rất yếu và không đủ để tạo ra một động cơ dọc. Theo ước tính của Alcubierre, để một con tàu vũ trụ di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng mười lần, mật độ năng lượng âm cần thiết tương đương với việc chuyển khối lượng của Sao Mộc thành năng lượng.