Tàng hình không-thời gian (Phần 1) Martin McCall và Paul Kinsler (Physics World, tháng 7/2011) Đa số áo tàng hình hiện có được thiết kế để che giấu các vật trước tầm nhìn. Nhưng như Martin McCall và Paul Kinsler giải thích, người ta cũng có thể chế tạo áo tàng hình “không-thời gian” cho phép chọn lọc những sự kiện không cho ai phát hiện ra. Áo tàng hình kiểu này thật sự quá lí tưởng cho bọn cướp nhà băng! Ảnh: Photolibrary Tầm nhìnthế giới của chúngta được xác định bởi cái mà mắtchúng ta nhìn, tai chúngta nghevà mũi chúngta ngửi, haycái mà nhà triết học BertrandRussell gọi là “dữ liệu cảm nhận”. Nhưngchúng ta đã biết từ những ảo giác quang họcđơn giản rằng mắt củachúng ta có thể bị đánh lừa– vạn vật không nhất thiết luônlà cái chúng trông như vậy. Tuy nhiên, nhữngkĩ thuật mà cácnhà vật lí đã phát triển trong thời gian gần đây để làm chủ đường đi củaánh sáng và những bức xạ điện từ khác không đơnthuần chỉ là những thủ thuật lừa đảo của mắt: chúng là những tiến bộ thật sự có thể mang lại một số hiệu ứnghấp dẫn vàhữu ích. Bằng cách tạo ranhững “siêu chất liệu” đặc biệt,ngày nay chúng tacó thể chế tạo ranhững phiên bảngốc của áo tàng hình kiểu Harry Potter. Saukhi làm trệch ánh sáng đi vòng qua một vật – giống như nước chảy vòngquanhmột gốc cây ở trong nước,hoặc xe hơichạy theo đường vòng giao lộ của một chốt giao thông –chúng ta cóthể khôi phụcnó lại liền lạc ngay sauđó. Giácquan của chúng ta bị qua mặt, không phải bị lừa, màvì ánhsáng đi tới mắtchúng ta như thể vật khôngcó mặt ở đó. Bằng cách làm thayđổi đườngđi của các tiasáng trong không gian để che giấu một vật tại một địa điểm được chọn trước,chúng ta có thể tạo ra cái gọi là “áo tàng hình khônggian”. Nhưng hãy tưởngtượng chúng ta có thể tạo ramột cái áo tànghình không chỉ hoạt động trong không gian mà trongthời gian nữa. Để tìm hiểu mộtáo tàng hình “không-thời gian” như thế cóthể hoạt động như thế nào,hãy xét một nhà băngnọ chứamột cái két đầy tiền. Thoạt đầu,mọi ánhsáng tới liên tục tán xạ khỏi két và xungquanhnó, làm hiện khungcảnh nhợtnhạt của cái két bấtđộng trước cameragiám sát.Nhưng hãy tưởng tượng,gần một thời điểmđặc biệt nào đó, hãy tách mọi ánh sáng đi tớikét làm haiphần: “trước”và “sau”, với phần “trước” tăng tốc và phần “sau”giảm tốc. Như vậy sẽ tạo ra một khoảng thời gian ngắn tốiđen trong dòngphoton chiếu sáng.Nếu cácphoton làdòng xe hơi trên xa lộ, thì điềuđó giống như là những chiếc xe dẫn đầuthì tăng tốc, còn những chiếcphía sau thì giảm tốc, tạo ramột khoảng trống trongluồng xechạy (mộtkhoảng thời gian tối với hai bên rìasáng –xem t 3 trong hình1). Giờ hãy tưởng tượng trong thời khắctối đen đó, mộttên trộmbước vào khung cảnh vàlấy cắp tiền, thậntrọngtiếp cận cửa bảoan trước khianhtabước ra. Với têntrộm bướcra, quá trình tăng tốcvà giảmtốc ánh sáng bị đảo ngược,dẫn tới mộtsự chiếu sáng vẻ như đồngđều,nguyên vẹn được khôiphục lại. Khi ánh sáng đi tới camera giám sát, thì mọi thứ trông nguyên như trước kia, vớicửa bảo an đóng imỉm.Khoảng thời gian tối đenkhi két bị mở đúnglà đã bị lược bỏ khỏi lịch sử nhìn thấy. Để hoàn thiện bứctranh tươngtự xa lộ của chúng ta, hãy tưởng tượng như các xe phía sau chạy nhanh lên và sauđó lấp đi chỗ trống trong luồngxe, không để lại tìnhtrạng lộnxộn nào trong luồng xelưu thông.Giờ thì không có bằng chứng nào của khoảngthời gian cókhoảng trốngkhông-xe nữa, mặc dù trong khoảng thời gian đó gà con thậm chí cóthể băng qua đườngmà không bị “banh xác”. Như vậy, bằngcách làm chủ cách thức ánh sáng truyền đitrong thờigian xungquanh một vùng khônggian, chúng ta có thể, ít nhấtlàtrên nguyên tắc, tạo ra một cái áo tàng hình không-thời giancó thể che giấu các sự kiện– “áo tànghình sự kiện”, nếu bạn thích gọi thế. Biến đổi và truyền (a) Đây là nguyên lí chế tạo áo tàng hình “không gian”kiểu thông thường, làm cho những vật nằm trongcái đĩa màu đỏ là không nhìn thấy đốivới người quan sát nhìntừ phíabên phải. Áo tàng hìnhnày hoạt động vìcác tia sáng (màu xanh lam)không đi theo đườngthẳng từ trái sang phải, như người ta trôngđợi, mà đi vòngqua vật như thể hiện trên hình. Làm cho ánhsáng uốn cong theo kiểu như vậy trênthực tế người ta sử dụngmột “siêu chất liệu”được thiết kế đặc biệt. Đường đi cần thiết cho ánh sáng có thể tính bằng cáchsử dụng “quanghọc biến đổi tọa độ” – một phương phápdịch mọiđiểm không gian (x, y)thành nhữngtọa độ mới(x’, y’). (b) Mộtáo tàng hình không-thời gian,sử dụngsự biến đổi tọađộ như trong (a)nhưng với tọa độ đứng là ct, trong đó t là thời gianvà c là tốc độ ánhsáng trong chân không,thay cho khoảng cách y. Áo tàng hình này đảm bảo rằng mọi sự kiện xảy ra bêntrong cái đĩa màu đỏ xuất hiện trong bóng tối mù mịt– trong thí dụ này là một sự giảm đột ngộtcường độ sángở giữa trên thời gian t 3 . Mặc dù sự phân bố ánh sáng thay đổi kịch tính giữa t 1 và t 5 , nhưngngười quansát phía bên phải tại x = a chỉ nhìn thấy một cường độ sáng đồng đều như thể áo tàng hình không-thời gian không có mặt: họ vẫn không biết gì về sự xuất hiện của mọi sự kiệnkhôngbứcxạ bên trong cái đĩa màu đỏ. Cái đáng chú ýlàáo tàng hình sự kiện để cho ánh sáng không bị lệch khỏi đường đi của chúng từ nguồnđến máy thu – chúng không cong trong không gian, mà cong trong không-thời gian. Trongcả (a) lẫn (b),hệ phương trình Maxwellcho chúngta biết cáctính chất của môi trường cần thiết để tạo ra cả hailoại ảo giác. Một chitiết cốt lõicủa áo tànghình sự kiện là các tia sáng tàng hình khôngnên chĩa về phía quá khứ. Áo tàng hìnhminh họaở đây không may là thật sự có những tianhư vậy (tại điểmA), mặc dù thiết kế trên có thể cải tiến để loại bỏ những chi tiết như thế. Cả áo tàng hìnhkhônggian lẫnáo tàng hình không-thời gian đều sử dụng một phương phápchung gọi là “quanghọc biến đổi tọa độ”,nhờ đó những người thiết kế áo quyết định lộ trình mà họ muốn ánh sáng tuân theotrước khitính đến loại chất liệu nàomà ánhsáng phải đi qua để đạt tới mục tiêu đó. Điểm mấu chốt là các tia sáng truyền đo theo những lộ trình có thể biến đổitrên phương diệntoán học –thí dụ từ nhữngđường thẳng thàng đường cong.Tuy nhiên, để tạora sự biến dạng như mong muốncủa đường đi tia sáng, chúng ta cần chất liệu của mìnhđược thiết kế thận trọng, mộtquá trình thườngđược trình bày theo cácphép biến đổi tọa độ. Khi đó, chúngta có thể sử dụng “nguyên lí tích hai độ lệch” của Einstein, nguyênlí phát biểu rằng mọi lí thuyếtvật lí là độc lập với hệ tọa độ được sử dụng, để tính ranhững tính chất vậtliệu sẽ manglại những đường đi ánhsáng như mong muốn. Trong khicác áo tàng hình kiểubình thường (tức làtànghình không gian) chỉ áp dụngnguyên lí này trongkhônggian (hình 1a),thì áo tàng hình sự kiện áp dụngnó trong không-thờigian (hình 1b)– xét cho cùng thì thời gian là một tọa độ giống như không gian vậy, cả haiđều xuất hiện trong hệ pháttriển Maxwellcho trường điện từ. Cái đáng chú ý là áo tànghình sự kiện để cho cáctia sáng không bị lệchkhỏi đườngđi của chúng từ nguồnđến máy thu– chúng không cong trong khônggian, thayvào đó chúngcong trongkhông-thời gian. Chínhtốc độ của nó, chứ không phải hướng, biếnthiên theo mộthàm của cả vị trí và thời gian. Nhưng vì đề xuất của chúngta dựatrên sự tăng tốc ánh sáng ở nơi này và giảm tốcánhsáng ở nơi khác,nên chúngta phải đảm bảo rằng tốc độ trungbình củaánh sángtrongchất liệu củamình là nhỏ hơn tốc độ ánhsáng trong chân không.Xét cho cùng, vì không có gì cóthể chuyển độngnhanh hơn ánh sáng trong chân không, nên phươngpháp của chúngta, liên quan đếnsự tăng tốc mộtphần ánh sáng, tuy thế sẽ không hoạt độngđược. Một chi tiết quantrọng nữa là việc đảm bảo rằngcác tia sáng tàng hình khôngchĩa về hướng quá khứ. Áo tànghình không-thời gian tròn đơn giản ở hình 1b, mặc dù lí tưởng cho những mục đích giải thích, thanh minh,nhưng điều không may là nó thật sự có những tia như vậy. Dẫu sao,cũng nhờ trời, thiết kế trên có thể cải tiến để loại bỏ nhữngchi tiết như vậy. . Trong khicác áo tàng hình kiểubình thường (tức làtànghình không gian) chỉ áp dụngnguyên lí này trongkhônggian (hình 1a),thì áo tàng hình sự kiện áp dụngnó trong không-thờigian (hình 1b)– xét cho. Tàng hình không-thời gian (Phần 1) Martin McCall và Paul Kinsler (Physics World, tháng 7/20 11) Đa số áo tàng hình hiện có được thiết kế để che giấu các. dù thiết kế trên có thể cải tiến để loại bỏ những chi tiết như thế. Cả áo tàng hìnhkhônggian lẫnáo tàng hình không-thời gian đều sử dụng một phương phápchung gọi là “quanghọc biến đổi tọa độ”,nhờ