Du hành thời gian là có thể, nhưng chỉ khi có các dòng thời gian song song trong vũ trụ

Sự hiểu biết hiện đại về thời gian và quan hệ nhân quả bắt nguồn từ thuyết tương đối rộng. Einstein đã kết hợp không gian và thời gian thành một, tạo ra khái niệm "không-thời gian", giải thích cơ chế hoạt động của cả hai một cách cực kỳ phức tạp và tinh tế. Đã hơn một trăm năm kể từ khi thuyết tương đối rộng ra đời, và nó đã được thực nghiệm kiểm chứng với độ chính xác cực cao nên các nhà vật lý tin rằng thuyết tương đối rộng là chìa khóa mô tả chính xác cấu trúc nhân quả của vũ trụ.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã cố gắng sử dụng thuyết tương đối rộng để phân tích xem liệu du hành thời gian có khả thi hay không. Một số phương trình mà họ đưa ra cho thấy du hành thời gian hoàn toàn tương thích với thuyết tương đối. Nhưng vật lý vẫn phải dựa vào nền tảng là toán học, và những phương trình này sẽ vô nghĩa nếu chúng không tương ứng với những thứ thực tế.

Mâu thuẫn du hành thời gian

Có hai vấn đề lớn làm cho những phương trình này có vẻ bất khả thi. Đầu tiên là một vấn đề thực tế: Việc chế tạo một cỗ máy thời gian có thể cần đến vật chất năng lượng âm. Tất cả những chất chúng ta nhìn thấy trong cuộc sống hàng ngày đều là những chất có năng lượng tích cực (năng lượng dương), tuy nhiên năng lượng âm lại là thứ mà chúng ta chưa quan sát được trên thực tế.

Tuy nhiên, cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng trên lý thuyết, có thể tạo ra vật chất năng lượng âm, nhưng số lượng cực kỳ nhỏ và thời gian tồn tại cực kỳ ngắn. Đồng thời không có bằng chứng nào cho thấy chúng ta hoàn toàn không thể tạo ra năng lượng âm. Ngoài ra, chúng ta có thể tìm thấy các phương trình cho phép du hành thời gian mà không cần mượn các chất này. Vì vậy, vấn đề này chỉ nằm ở tình trạng kỹ thuật hiện tại của chúng ta, hoặc hiểu biết hạn chế của chúng ta về cơ học lượng tử.

Thứ hai là những nghịch lý. Một bối cảnh thường xuất hiện trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng: một sự kiện xảy ra khiến chúng ta muốn thay đổi quá khứ, nhưng sau khi quá khứ thay đổi, nó lại ngăn cản sự kiện đó xảy ra, do đó tạo ra nghịch lý.

Ví dụ: giả sử bạn đã chế tạo một cỗ máy thời gian, sử dụng nó để quay ngược lại năm phút và ngay lập tức phá hủy cỗ máy đó. Vì máy đã bị phá hủy, bạn sẽ không thể sử dụng nó sau năm phút. Nhưng vì bạn không thể sử dụng cỗ máy thời gian, bạn không thể quay ngược thời gian và phá hủy nó, vì vậy cỗ máy không bị phá hủy, vậy bạn có thể quay ngược thời gian và phá hủy nó? Nói cách khác, cỗ máy thời gian chỉ có thể bị phá hủy nếu nó chưa bị phá hủy. Nhưng rõ ràng không thể có chuyện một cỗ máy đồng thời ở hai trạng thái "bị tiêu diệt" và "không bị tiêu diệt", tình trạng này rõ ràng là mâu thuẫn với nhau.

Loại bỏ nghịch lý

Một quan niệm sai lầm phổ biến trong khoa học viễn tưởng là những nghịch lý có thể được "tạo ra". Những người du hành thời gian thường được cảnh báo không nên thay đổi quá nhiều so với quá khứ trước đó và không gặp lại quá khứ của họ. Ví dụ về điều này được tìm thấy trong nhiều bộ phim về chủ đề du hành thời gian (như bộ ba Back to the Future).

Nhưng trong vật lý, nghịch lý thực ra không phải là một sự kiện có thể thực sự xảy ra, mà là một khái niệm lý thuyết thuần túy dùng để chỉ sự mâu thuẫn của chính lý thuyết đó. Nói cách khác, nghịch lý tự nhất quán không chỉ có nghĩa rằng du hành thời gian là một hành động nguy hiểm, nó còn ngụ ý rằng nó có thể hoàn toàn không thể xảy ra.

Đây là một trong những động lực của "phỏng đoán bảo vệ theo trình tự thời gian" của nhà vật lý lý thuyết Hawking. Hawking tin rằng du hành thời gian là điều không thể. Nhưng phỏng đoán vẫn chưa được chứng minh. Và, thay vì loại trừ việc du hành thời gian vì nghịch lý, chúng ta có thể loại bỏ chính nghịch lý đó, và vũ trụ sẽ thú vị hơn rất nhiều.

Để giải quyết nghịch lý du hành thời gian, nhà vật lý lý thuyết Igor Dmitrievich Novikov đã đề xuất lý thuyết "phỏng đoán tự nhất quán". Ý tưởng cơ bản của lý thuyết này là bạn có thể du hành về quá khứ, nhưng bạn không thể thay đổi quá khứ. Novikov chỉ ra rằng nếu bạn quay ngược lại năm phút và cố gắng phá hủy cỗ máy thời gian, bạn sẽ thấy rằng bạn hoàn toàn không thể làm được điều đó, bởi vì các định luật vật lý sẽ cố gắng can thiệp và bảo vệ tính tự nhất quán khỏi bị phá hủy.

Lý thuyết mới

Nhưng quay lại quá khứ có ích gì nếu bạn không thể thay đổi quá khứ? Theo một nghiên cứu gần đây của Barack Shoshenny, trợ lý giáo sư vật lý tại Đại học Brock ở Canada, một số nghịch lý du hành thời gian theo như những phỏng đoán tự nhất quán của Novikov sẽ không thể giải quyết được. Điều này sẽ dẫn đến việc ngay cả khi chỉ một nghịch lý không thể bị loại bỏ, du hành thời gian về mặt logic là không thể.

Nghiên cứu của Shoshenny và cộng sự chỉ ra rằng miễn là cho phép sự tồn tại của nhiều lịch sử (hoặc các mốc thời gian song song), thì chúng ta có thể giải quyết được nghịch lý mà phỏng đoán của Novikov không thể giải quyết được. Trên thực tế, bất kỳ nghịch lý nào cũng có thể được giải quyết theo cách này.

Ý tưởng rất đơn giản. Khi bạn bước ra khỏi cỗ máy thời gian, bạn nhập một dòng thời gian khác; bạn có thể làm bất cứ điều gì bạn muốn trên dòng thời gian đó (bao gồm cả việc phá hủy cỗ máy thời gian) và dòng thời gian bạn đang ở sẽ không thay đổi. Vì bạn không thể phá hủy cỗ máy thời gian trong dòng thời gian ban đầu, nên không có nghịch lý nào cả.

Trong ba năm qua, Shoshenny đã nghiên cứu về nghịch lý du hành thời gian. Giờ đây, ông ngày càng tin chắc rằng du hành thời gian là hoàn toàn có thể, nhưng chỉ khi vũ trụ của chúng ta cho phép sự tồn tại của nhiều dòng thời gian. Vậy câu hỏi đặt ra là, có thể có nhiều dòng thời gian trong vũ trụ không?

Từ quan điểm cơ học lượng tử, câu trả lời dường như là "có".

Nhưng đây chỉ là những phỏng đoán. Shoshenny và các sinh viên của ông hiện đang tìm kiếm một lý thuyết du hành thời gian kết hợp nhiều lịch sử và hoàn toàn tương thích với thuyết tương đối rộng. Tất nhiên, ngay cả khi họ tìm ra một lý thuyết như vậy, nó sẽ không đủ để chứng minh rằng du hành thời gian là có thể. Nhưng điều này ít nhất có nghĩa là du hành thời gian không bị loại trừ hoàn toàn bởi nghịch lý tự nhất quán.

Du hành thời gian và các dòng thời gian song song luôn xuất hiện cùng nhau trong khoa học viễn tưởng, nhưng các nhà nghiên cứu hiện đã chứng minh rằng chúng không thể tách rời trong thế giới thực. Thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng du hành thời gian là có thể; nhưng nếu du hành thời gian là có thể, thì cũng phải có nhiều lịch sử.