[SCIENTIFACT #4]

ENGLISH

GIẢN ĐỒ PHA

Con người từ xa xưa đã luôn tìm hiểu và khám phá những điều xảy ra một cách tự nhiên. Một trong số những khám phá thú vị là sự chuyển hóa trạng thái của vật chất, điển hình là nước với sự chuyển hóa giữa thể đặc trưng rắn, lỏng và khí. Chắc hẳn ai cũng đã từng được quan sát sự bay hơi khi nước đang sôi, sự nóng chảy của viên nước đá ở nhiệt độ phòng hay nước đông đặc khi được đặt trong ngăn đá tủ lạnh. Đặc biệt hơn, có thể kể đến quá trình thăng hoa – chuyển đổi trạng thái trực tiếp từ thể rắn sang khí xảy ra ở đá khô (CO2) với nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Trạng thái của nước hay vật chất nói chung được thể hiện trên giản đồ pha, thường đặc trưng bởi giá trị áp suất và nhiệt độ.

I. Pha là gì?

Pha là một vùng không gian mà các tính chất vật lý của vật chất đồng nhất. Các tính chất có thể kể đến là mật độ, chỉ số khúc xạ, thành phần hóa học. Theo cách khác, pha đặc trưng cho trạng thái của vật chất trong một điều kiện xác định. Một số pha cơ bản thường gặp là rắn, lỏng và khí.

Trước tiên, pha rắn là trạng thái vật chất có hình dạng cố định. Lúc này các phân tử ở vật rắn nằm sát nhau, chỉ dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng, đồng thời vị trí tương đối giữa các phân tử ổn định trong không gian. Khi nhiệt độ tăng lên, dao động của các phân tử mạnh hơn khiến những tính chất trên mất đi, tạo điều kiện cho vật chất chuyển sang pha lỏng.

Ở pha lỏng, liên kết giữa các phân tử thiếu sự chặt chẽ dẫn đến hình dạng phụ thuộc vật chứa của chất lỏng, tuy vậy mật độ các phân tử vẫn tương đối ổn định. Tại trạng thái này gần như vật chất không bị nén bởi ngoại lực.

Trong khi đó, pha khí là trạng thái vật chất tồn tại dưới dạng tập hợp các nguyên tử hay phân tử hay các hạt nói chung trong đó các hạt có thể tự do chuyển động trong không gian. Lực tương tác giữa các phân tử rất yếu.

II. Có bao nhiêu pha có thể cùng tồn tại?

Ngoài những sự tồn tại riêng biệt của các pha rắn, lỏng, khí, vẫn có những điều kiện đặc trưng mà vật chất tồn tại ở nhiều hơn một pha. Cụ thể hơn, trong giản đồ pha P-T (áp suất-nhiệt độ), mỗi pha của vật chất được giữ ổn định trong một miền tách biệt. Sự chuyển giao giữa các pha được thể hiện bởi đường cong giao tuyến giữa hai trong ba miền, là tập hợp các điểm mà hai pha đôi một cân bằng nhiệt động lực học. Thật vậy, ở các điểm trên những đường cong này, hai trong ba pha của vật chất cùng xảy ra. Đặc biệt hơn, có những khái niệm thú vị mà ít ai biết đến như Điểm tới hạn và Điểm ba trạng thái.

Điểm ba trạng thái (Triple point) là điều kiện nhiệt độ, áp suât hoàn hảo cho sự cân bằng nhiệt động lực học của ba pha rắn, lỏng, khí của một chất. Trên giản đồ pha, điểm ba trạng thái là giao điểm của ba đường cong cân bằng, và điểm này là riêng biệt với mỗi loại chất khác nhau. Ở điều kiện đặc biệt này, ba pha rắn, lỏng, khí cùng xuất hiện. Trong các phòng thí nghiệm, nhiều phương pháp đã được đưa ra nhằm mục đích kiểm chứng khái niệm này. Sự chuyển đổi liên tục giữa các pha có thể quan sát được khi thí nghiệm với chất lỏng Cyclohexane (C6H12) như trong video tham khảo. Chất này được chứa trong bình có áp suất rất thấp sau khi hút chân không, ở điều kiện xấp xỉ 6.33°C và 5.388 kPa. Khi đó phần chất lỏng trên bề mặt đóng băng, ngược lại dưới đáy bình xảy ra hiện tượng sôi. Sự chuyển đổi giữa pha rắn, lỏng và khí xảy ra liên tục không ở trạng thái cân bằng. Thí nghiệm đã chứng tỏ có sự tồn tại cả ba trạng thái của chất.

Điểm tới hạn (Critical point) là điểm cuối cùng trên đường cong cân bằng, là điểm giới hạn mà có sự tồn tại của 2 pha tách biệt. Cụ thể hơn, khi vượt qua điểm tới hạn, ví dụ trên đường cong cân bằng pha lỏng-khí, nếu giá trị áp suất/ nhiệt độ vượt quá thì vật chất đạt đến trạng thái không thể phân biệt giữa pha lỏng và khí (Supercritical fluid), mang các tính chất hỗn hợp của hai pha này. Video tham khảo thứ hai đề cập đến thực nghiệm xung quanh điểm tới hạn lỏng-khí của CO2, cho ta thấy những hình ảnh về khái niệm thú vị này.

III. Các trạng thái đặc biệt mang lại những ứng dụng thực tế nào?

Với sự đặc biệt của tính chất điểm ba trạng thái khi xác định trên giản đồ pha, khái niệm này có một số ứng dụng thực tế trong đời sống. Tính chính xác rất cao của điểm ba trạng thái có nhiều lợi ích khi nghiên cứu nhiệt kế. Một số chất như neon, argon, nước, thủy ngân với độ tinh khiết gần như hoàn toàn ở điểm ba trạng thái có thể áp dụng để làm chuẩn nhiệt kế. Điểm ba của nước từng được dùng làm định nghĩa cho thang nhiệt độ Kelvin. Trước khi Lidar (phương pháp đo khoảng cách bằng tia Laser) được tin dùng, điểm ba trạng thái từng đóng vai trò hệ tham chiếu trong việc đo lường của tàu vũ trụ NASA Mariner 9 với nhiệm vụ nghiên cứu Sao Hỏa.

Điểm tới hạn cũng được áp dụng nhiều trong việc nghiên cứu khoa học. Thật vậy, việc tìm hiểu trạng thái lỏng của các chất khí như Hydro, Helium,… đã từng là một bài toán nan giải với các nhà khoa học lớn trong lịch sử. Dù có cố gắng bao nhiêu, họ cũng không thể nén lỏng những chất khí đó ở nhiệt độ phòng. Cuối cùng, họ tìm ra rằng cần phải hạ nhiệt độ xuống dưới điểm tới hạn để có thể nén hóa lỏng các khí trên. Ngoài ra nước ở trên điểm tới hạn tồn tại trong vỏ Trái Đất và đóng góp vào các quá trình địa chất xảy ra ở đó.

Tham khảo:

https://www.engineeringtoolbox.com/triple-point-d_1926.html

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Physical_Properties_of_Matter/States_of_Matter/Phase_Transitions/Phase_Diagrams

Video thí nghiệm:

Phase diagram

People have long been searching for and discovering things that happened spontaneously. One of the intriguing discoveries is the change of state of matter: for example, water with its transition between typical phases, namely solid, liquid, and gaseous. Every one must have observed the evaporation when the water is boiling, the melting of ice cubes at room temperature, or water freezing when placed in the freezer compartment. Furthermore, there is the process of sublimation – a direct phase transition from solid to gas occurring in dry ice (CO2), which has many applications in life. The states of water or matter, in general, are expressed in phase diagrams, which are often characterized by pressure and temperature values.

I. What is a phase?

A phase is a region of space where the physical properties of matter are homogeneous. Some notable ones are density, refractive index, and chemical composition. In other words, a phase characterizes the state of matter under a given condition. Some common, basic phases are solid, liquid, and gas.

First, the solid phase is a state where the matter has a fixed shape. Usually, molecules of the solid object are close together, only fluctuating slightly around the equilibrium position. Simultaneously, the relative positions between molecules are stable in space. As the temperature increases, the vibrations of molecules become more vigorous, causing these properties to disappear, which enables the material to turn to its liquid phase.

In the liquid phase, the connection between the molecules lacks the tightness, which leads to the liquid’s shape depending on its container. However, the density of molecules is still quite stable. In this state, the matter is almost uncompressed by external forces.

Meanwhile, the gas phase is a state in which matter exists as a collection of atoms or molecules or particles, in general, in which they can freely move through space. The interaction force between molecules is very weak.

II. How many phases can coexist?

In addition to the separate existence of solid, liquid, and gaseous phases, there are also specific conditions where matter exists in more than one phase. More specifically, in the P-T (pressure-temperature) phase diagram, each phase of matter is kept stable in a separate domain. The transition between phases is represented by the intersection curve between two of the three regions, which is the set of points where the two particular phases exist in thermodynamic equilibrium. Indeed, at any point on these curves, two out of the three phases of matter exist together. Moreover, there are interesting concepts that are less known, such as Critical Point and Triple point.

The triple point is a condition with the “perfect” pressure and temperature for the thermodynamic balance of three phases of a substance: solid, liquid, and gas. On the phase diagram, the triple point is the intersection of three equilibrium curves, and this point is different for each substance. Under these special conditions, three phases of solid, liquid, and gas exist together. In laboratories, many methods have been developed to validate this concept. Continuous transitions between phases can be observed when experimenting with liquid Cyclohexane (C6H12) as shown in the reference video. The substance is stored in a very low-pressure vessel after vacuuming, at approximately 6.33°C and 5,388 kPa. In that state, the liquid on the surface freezes, whereas on the bottom of the flask, boiling occurs. The transition between solid, liquid, and gas phases occurs continuously without equilibrium. The experiment has shown that there exist all three states of substance.

The critical point is the last point on the equilibrium curve, which is the limit where two separate phases still exist. More specifically, when passing the critical point, for example, if the pressure/temperature value exceeds that on the liquid-gas phase equilibrium curve, the material reaches an indistinguishable state between the liquid and gas phase (Supercritical fluid), which has the mixed properties of these two phases. The second reference video deals with the experiment about CO2’s liquid-gas critical point, showing images of this fascinating concept.

III. What practical applications do special states provide?

With how special the triple point is when determined on the phase diagram, this concept has some practical applications in life. The high accuracy of the triple point has many benefits when it comes to thermometer research. Certain substances such as neon, argon, water, and mercury, which are almost absolutely pure at their triple points, can be applied as standard thermometers. The triple point of water used to be the definition of the Kelvin temperature scale. Before Lidar (a method for measuring distances by illuminating the target with laser light) became popular, the triple point used to serve as a reference system for the measurement of the NASA Mariner 9 spacecraft for its Mars research mission.

The critical point is also massively applied in scientific research. Indeed, understanding the liquid state of gases such as hydrogen or helium has been a dilemma for the great scientists throughout history. No matter how hard they tried, they could not compress those gases at room temperature. Eventually, they found that it was necessary to bring the temperature below the critical point to liquefy the gases. Also, water above the critical point exists in the Earth’s crust and contributes to the geological processes that occur there.

Reference sources:

https://www.engineeringtoolbox.com/triple-point-d_1926.html

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Physical_Properties_of_Matter/States_of_Matter/Phase_Transitions/Phase_Diagrams

Experiment videos:

[SCIENTIFACT #3]

ENGLISH

MÀU XANH LAM TRONG TỰ NHIÊN

Gần 3/4 diện tích của Trái Đất được bao phủ bởi màu xanh của đại dương. Thậm chí khi ngước lên bầu trời đa phần ta sẽ thấy màu xanh da trời bao phủ khắp muôn nơi. Có thể nói các màu xanh lam, xanh nước biển là màu phổ biến nhất trên hành tinh, nhưng liệu có phải vậy? Bạn đã bao giờ tận mắt thấy một cái cây có lá xanh nước biển, hay những con vật có bộ lông hay bộ cánh màu xanh lam tuyệt đẹp chưa? Thực tế thì xanh lam là một trong những màu hiếm nhất trong tự nhiên, trong khi đó màu xanh lá cây lại là màu xanh phổ biến nhất trong tự nhiên. Bạn thậm chí có thể thắc mắc: quả việt quất cũng phổ biến mà có màu xanh còn gì? Quả đúng là màu xanh lam vẫn tồn tại trong tự nhiên: Một số loài cây có hoa hoặc thậm chí là lá màu xanh lam. Loài ếch và chim công có màu xanh lam sặc sỡ. Thậm chí một phần không nhỏ dân số có mắt màu xanh. Tuy vậy, so với các màu sắc khác, màu xanh vẫn là một màu vô cùng hiếm gặp (mà quả việt quất thực tế có màu tím chứ không phải xanh lam đâu).

  1. Trước tiên, tại sao lại có màu sắc?

Ánh sáng vừa có tính chất của sóng, vừa có tính chất của hạt. Bởi vậy, nó có thể có nhiều bước sóng khác nhau, tương ứng với các màu sắc khác nhau; chúng ta có thể quan sát ánh sáng mặt trời tách thành các màu sắc riêng biệt khi cầu vồng xuất hiện. Khi một vật hấp thụ một số bước sóng và tán xạ các bước sóng còn lại vào mắt, những màu sắc ta nhìn thấy chính là những sóng bị tán xạ lại. Mặc dù các bước sóng năng lượng thấp vẫn thiết yếu cho cây, nhưng cây hấp thụ năng lượng chủ yếu từ bước sóng xanh lam với năng lượng lớn so với các màu sắc khác mà ta nhìn thấy, để lại màu xanh lá tán xạ từ lá cây tới mắt chúng ta. Một phần do vậy, động vật có màu xanh lam lại trở nên nổi bật so với môi trường của nó, làm nó dễ trở thành mục tiêu tấn công của các loài ăn thịt.

Hơn nữa, khác với những màu như xanh lá, đỏ, vàng được tạo bởi các sắc tố tạo màu trong cơ thể sinh vật, màu xanh lam vô cùng khó để tổng hợp hóa học trong tự nhiên. 

2. Vậy thì màu xanh lam từ đâu đến? 

Tự nhiên đã có giải pháp khác: tạo ra màu xanh từ cấu trúc của lông hoặc cơ thể các sinh vật đó. Một số bộ phận trên cơ thể các sinh vật đó có các lớp vỏ hoặc bên trong lông có cấu trúc chồng lên nhau có thể phản xạ ánh sáng. Khi ánh sáng đi qua các bộ phận có cấu tạo đặc biệt này, ánh sáng bị khúc xạ và phản xạ theo cách đặc biệt, khiến cho các bước sóng khác xanh giao thoa lẫn nhau, chỉ có màu xanh lam là không bị tác động. Do vậy, một số loài thực vật và động vật có màu xanh. Gần như tất cả sinh vật có màu xanh lam đều có cơ chế này. Tất nhiên vẫn có trường hợp động vật có thể tự nhuộm xanh bản thân bằng sắc tố, như loài bướm Nessaea obrinus, đây có lẽ là sinh vật duy nhất trên Trái Đất làm được điều này.

Mặc dù ngày nay nhân loại đã khám phá được cách tạo màu xanh nhân tạo nhờ phẩm màu, điều mà chỉ có một số ít loài động vật mới làm được, nhưng tạo hóa vẫn thật kì diệu khi đã tạo ra những phương pháp sáng tạo để tạo nên màu xanh lam khi phương pháp hóa học thất bại. Sinh học và vật lý tưởng như không liên quan đến nhau nhưng thực chất hòa hợp với nhau một cách hoàn hảo, tô điểm cho cuộc sống muôn màu chúng ta.

*Nguồn tham khảo:

Luiggi, C. (2013, January 31). Color from Structure. Retrieved from https://www.the-scientist.com/cover-story/color-from-structure-39860

Arnold, K. (2019, March 02). What Are the Colors in a Peacock’s Feathers? Retrieved from https://sciencing.com/colors-peacocks-feathers-8259752.html

Lowe, A. (2019, August 20). Natural Wonder: Why is the colour blue so rare in nature? Retrieved from https://biodiversityrevolution.wordpress.com/2019/08/20/natural-wonder-why-is-the-colour-blue-so-rare-in-nature/

Runkle, E. (2016, August). Red Light and Plant Growth. Retrieved from https://gpnmag.com/article/red-light-and-plant

BLUE IN NATURE

Nearly three-fourths of the earth is covered in the blue shade of ocean. Even when looking up to the sky, we will usually see the color blue everywhere. We can say blue is the most popular color on the planet but is that so? Have you ever seen a tree with blue leaves or animals with beautiful blue feathers or blue wings? In fact, blue is one of the rarest colors in nature, way less common than green. You might even wonder: What about blueberries, which are common and blue? Well, it’s true that blue still exists in nature: some plants have blue flowers or even blue leaves. Frogs and peacocks can have vivid blue color. Additionally, a small portion of the population has blue eyes. However, despite all that, compared to other colors, blue is still extremely rare (and blueberries are actually purple rather than blue).

  1. First, why is there color?

Light has both properties of a wave and a particle, which means that it can have different wavelengths corresponding to different colors. We can observe sunlight splitting into distinct colors when a rainbow appears. When an object absorbs certain wavelengths and scatters the remaining wavelengths into our eyes, the colors we see are the scattering waves. Although low-energy wavelengths are still essential for plants, they absorb energy primarily from blue light with the highest-energy wavelengths and leave green light scattering from the leaves to our eyes. Due to that, the blue animal stands out from its environment, making it an easy target for predators.

Moreover, unlike colors such as green, red, and yellow, which are created by pigments in the body, blue is extremely difficult to be synthesized in nature.

2. So where does blue come from?

Nature has found a different solution: to create blue from the structure of those creatures’ feathers or bodies. Some parts of the organism have shells or overlapping structures inside their hair that reflect light. When light travels through these specially constructed parts, it is refracted and reflected in a special way, causing wavelengths other than blue to interfere with each other. Therefore, some plants and animals are blue. Nearly all blue creatures have this mechanism. Of course, there are still cases where animals can dye themselves with pigments, like Obrina Olivewing butterflies (Nessaea obrinus), which is probably the only creature on Earth that can do this.

Although humankind has discovered how to create artificial green today by dyes, which is something only a few animals can do, nature is still so miraculous to have created innovative methods to make blue when the chemical method fails. Biology and physics seem to be unrelated yet, in fact, perfectly harmonize, adorning our colorful lives.

*Citation:

Luiggi, C. (2013, January 31). Color from Structure. Retrieved from https://www.the-scientist.com/cover-story/color-from-structure-39860

Arnold, K. (2019, March 02). What Are the Colors in a Peacock’s Feathers? Retrieved from https://sciencing.com/colors-peacocks-feathers-8259752.html

Lowe, A. (2019, August 20). Natural Wonder: Why is the colour blue so rare in nature? Retrieved from https://biodiversityrevolution.wordpress.com/2019/08/20/natural-wonder-why-is-the-colour-blue-so-rare-in-nature/

Runkle, E. (2016, August). Red Light and Plant Growth. Retrieved from https://gpnmag.com/article/red-light-and-plant

[ScientiFact #1]

English

Du hành thời gian

I.       Giới thiệu 

Du hành thời gian từ lâu đã là một chủ đề quen thuộc trong vô số những cuốn truyện viễn tưởng mỗi người ưu ái đặt trong tủ sách của riêng mình. Trong số những thành công trong thể loại này, có lẽ cuốn “già” nhất về tuổi đời là tiểu thuyết Cỗ máy thời gian của H. G. Wells, kể về chuyến hành trình của nhân vật chính trong cỗ máy thời gian của mình để đi tới tương lai xa và trở về hiện tại. Đã rất nhiều năm trôi qua kể từ khi Cỗ máy thời gian được phát hành, những cốt truyện liên quan đến du hành thời gian cũng cho thấy sự “tiến hóa” rõ rệt về cả chất lượng và số lượng, điều này có thể thấy rất rõ trong bộ phim truyền hình Doctor Who và Star Trek của thập niên 60’ – nơi du hành thời gian gần như đã trở thành “nhân vật chính” chiếm lấy sự chú ý của khán giả. Ngày nay, có cảm giác như bất cứ nơi đâu cũng có sự hiện hữu những cuốn tiểu thuyết du hành thời gian. Tuy nhiên, câu hỏi lớn nhất vẫn còn đó đối với nhiều độc giả: du hành thời gian chỉ là khoa học viễn tưởng, hay nó có thật? Hôm nay, P.R.I.S.M. sẽ giúp các bạn làm rõ một số nhầm lẫn liên quan đến vấn đề này.

II.      Về mặt khoa học, du hành thời gian có khả thi không ?

Du hành thời gian là khả thi. Chỉ đơn giản vậy thôi.

Tất nhiên, trước hết ta cần định nghĩa được du hành thời gian là gì. Tiến về phía trước thì cực dễ. Trên thực tế, chúng ta đang làm điều đó hàng ngày trong từng giây từng phút của cuộc đời mình và mọi thứ quanh ta cũng vậy. Đến đây, bạn có thể phản bác lại rằng: “Nhưng chúng ta chỉ có thể “đi” với một tốc độ duy nhất, theo một hướng duy nhất. Vô nghĩa.”

Đó là cách nhận thức về thời gian trước thế kỷ 20: một dòng chảy ổn định, liên tục và độc lập với tất thảy những thứ khác trong vũ trụ. Tuy nhiên, tất cả đã thay đổi với sự xuất hiện của Albert Einstein. Với Thuyết tương đối hẹp của mình, ông đã chỉ ra rằng thời gian là – như đã nói ngay từ cái tên của lý thuyết – tương đối. Hóa ra “anh bạn này” có một sự gắn bó vô cùng chặt chẽ với không gian và đóng vai trò là chiều thứ tư của không-thời gian. Sự chảy trôi của thời gian là khác nhau đối với những người quan sát khác nhau di chuyển trong không gian với tốc độ khác nhau. Ví dụ: nếu bạn di chuyển với tốc độ bằng 99,99% tốc độ ánh sáng so với Trái đất trong một năm, khi bạn quay lại, 71 năm sẽ trôi qua. Vậy là bạn đã du hành thời gian đến tương lai xa. Dễ như ăn kẹo vậy đó!

III. Nếu điều duy nhất đã lôi kéo bạn đọc đến dòng này là để tìm được đáp án cho câu hỏi: Đi ngược thời gian có phải chỉ là viễn tưởng? 

Không. Không hẳn. Hãy tạm thời dẹp thường thức sang một bên và nhìn vấn đề này dưới một con mắt thuần lý thuyết. Không phải là tiểu thuyết viễn tưởng rẻ tiền như nhiều người lầm tưởng, đây thực tế là một vấn đề đã tốn bao nhiêu công sức của các nhà khoa học.

Theo Thuyết tương đối hẹp, khi được quan sát bởi một người chuyển động nhanh khác, một tín hiệu di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng đối với một người (được coi là đứng yên) đi ngược thời gian với một người khác đang di chuyển rất nhanh (Giải thích rõ trong [1] với giản đồ không-thời gian – một công cụ phổ biến để nghiên cứu về thuyết tương đối).  Đó cũng được coi là một hình thức du hành thời gian. Tuy nhiên, vì dường như không có cách nào để đẩy tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng (vì điều đó đòi hỏi năng lượng vô hạn), có lẽ chúng ta đã đi vào ngõ cụt. 

Quả thực đã là như vậy, cho đến khi Einstein (đúng vậy, lại là ông ấy) vứt bỏ  thêm một quan niệm nữa cho rằng không gian và thời gian là phẳng vào năm 1915 với Thuyết tương đối rộng của mình (Một lý thuyết “khép tội” kẻ gây ra lực hấp dẫn là độ cong của không-thời gian – thứ bị ảnh hưởng bởi năng lượng và vật chất. Nghe ly kỳ quá nhỉ ?). Lý thuyết này ngụ ý rằng thời gian trôi với tốc độ khác nhau trong các trường hấp dẫn khác nhau. Đây là một hiệu ứng có thể nhận thấy: nếu không xét đến các hiệu ứng tương đối, vị trí mà GPS định vị cho chúng ta sẽ bị lệch đi vào cỡ 10km mỗi ngày. Và nhà vật lý đã sớm phát hiện ra rằng, nếu không-thời gian bị uốn cong đủ mạnh, các vòng lặp thời gian có thể hình thành và việc du hành ngược thời gian sẽ là khả thi, ít nhất là trong phạm vi của Thuyết tương đối rộng.  

Tuy nhiên, tất cả các viễn cảnh có thể xảy ra đều rất kỳ quái. Đầu tiên, có những lỗ sâu, nối hai điểm tách biệt trong không gian. Nhưng một lỗ sâu chỉ có thể được làm ổn định bằng vật chất có mật độ năng lượng âm. Mặc dù nghe có vẻ rất lạ, thực tế, năng lượng âm đã được tạo ra bởi các thí nghiệm (tham khảo hiệu ứng Casimir) nhưng lượng thu được là cực kỳ, cực kỳ, cực kỳ nhỏ (*sidenote* Chào mừng đến với Lượng tử giới). Một khả năng khác là các dây vũ trụ (cosmic strings) – các vật thể giả định khổng lồ còn sót lại từ Vụ nổ lớn.

Xét đến tính không ổn định của một số phương pháp du hành thời gian mà chúng ta đã biết, một số nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng điều này chỉ có thể được thực hiện ở cấp độ vi mô, còn ở cấp độ vĩ mô thì gần như là không thể [2]. Một số người nghĩ rằng việc du hành ngược về quá khứ là hoàn toàn bất khả thi, bởi sẽ có một số định luật chống lại nó. Điều duy nhất chúng ta có thể chắc chắn là vấn đề này sẽ không được giải quyết triệt để cho đến khi chúng ta hiểu đầy đủ về vũ trụ – cho đến khi chúng ta tìm ra Thuyết vạn vật, lý thuyết thường được cho là một lý thuyết hấp dẫn lượng tử.

 IV. Các viễn cảnh hệ quả có thể xảy ra nếu du hành thời gian về quá khứ

Ở các mục trên, chúng ta đã xem xét các cơ sở khoa học có thể có cho việc du hành thời gian. Để kết lại, hãy cùng xem xét các câu hỏi về vấn đề này dưới góc độ triết học và logic nhé.

  1. Một cỗ máy thời gian đưa người sử dụng trở về quá khứ, hết chuyện. Đúng chứ?

Mọi thứ đâu đơn giản như vậy. Có một vấn đề về du hành thời gian thường không được đề cập trong phim ảnh. Nếu môi trường có không khí, các phân tử khí sẽ va chạm với người du hành thời gian, ngay lập tức “chia năm xẻ bảy” (theo nghĩa đen) anh chàng tội nghiệp. Trong khi đó, ở đầu kia của cuộc hành trình, không khí sẽ bị hút vào một môi trường chân không được tạo ra.

Bạn có thể tự hỏi tại sao du hành trong không gian lại không gây ra vấn đề tương tự. Hãy tưởng tượng một thế giới một chiều, nơi một hạt dù di chuyển theo bất kỳ hướng nào cũng chắc chắn sẽ va chạm với các hạt khác. Có vẻ là phải cần tới hai chiều không khí mới dịch chuyển liên tục được như chúng ta quen thuộc. Tuy nhiên, với những gì ta biết, chỉ có một chiều thời gian. Thế nên là… chúc may mắn với hướng suy nghĩ này nhé *how to insert a wink*

Một giải pháp được đề ra là cỗ máy thời gian phải có thể vận chuyển đồng thời hai thứ theo hai hướng ngược nhau: người du hành thời gian về quá khứ và không khí đến hiện tại. Nếu tồn tại một “sợi dây” kết nối cụ thể hai đầu mút (đích đến và điểm bắt đầu) – ví dụ như lỗ sâu – có thể đây là điều sẽ xảy ra.

  1. Nghịch lý ông nội: Giải quyết thế nào?

Đây có lẽ là nghịch lý phổ biến nhất liên quan đến du hành thời gian. Một phiên bản của nghịch lý này được trình bày trong bộ phim nổi tiếng nhất về du hành thời gian: Back to the Future (1985) (*spoiler alert*), trong đó Martin đe dọa đến sự tồn tại của chính mình khi anh can thiệp vào lúc bố mẹ anh ta mới yêu nhau. Hãy nghĩ về điều này một chút nào. Nếu bố mẹ Martin không bao giờ trở thành một cặp vợ chồng và Martin “biến mất vào hư không” chỉ ngay vào giây phút quyết định ấy, vậy anh ta chui ra từ đâu thế? Hay liệu Martin sẽ bị xóa sổ khỏi dòng thời gian? Nếu vậy, sẽ không có ai ngăn cản cha mẹ anh ta cả, và Martin vẫn được sinh ra như bình thường.

Có hai lý thuyết phổ biến để giải quyết nghịch lý này.

Lý thuyết thứ nhất là thuyết đa vũ trụ: mỗi lần bạn du hành ngược thời gian, một dòng thời gian mới lại tách ra để tạo ra một vũ trụ thứ hai. Điều gì xảy ra với bạn trong dòng thời gian đó không ảnh hưởng đến dòng thời gian ban đầu. Đây nhiều khả năng là những gì đã xảy ra trong Avengers: Endgame (*spoiler alert 2*), khi sự ra đi của Thanos trong tương lai đã tạo ra một dòng thời gian trong đó gã siêu phản diện kia chỉ biến mất và không bao giờ quay lại để búng tay.

Cái thứ hai có một cái tên “sang chảnh” hơn: nguyên lý tự thống nhất của Novikov. Tuy vậy, ý tưởng của nó cũng khá đơn giản. Nó phát biểu rằng: quá khứ không thể thay đổi. Đây là cách mà du hành thời gian được “áp dụng” trong Harry Potter và Tù nhân Azkaban (*spoiler alert 3*). Hành động của Harry và Hermione trong tương lai tác động trực tiếp tới họ khi lần đầu sống qua 1 thời điểm cụ thể của “hiện tại”, mặc dù trước đó bộ đôi không thể giải thích những tác động đó (ví dụ như Bùa hộ mệnh – Patronus Charm).

Mặc dù lý thuyết này có vẻ phù hợp về mặt logic, nhưng nó có một hệ quả đáng ngại. Người du hành thời gian không hề có quyền tự do quyết định, bởi hành động của họ đã xảy ra trong quá khứ. Họ không thể thay đổi các sự kiện mặc dù có muốn đi chăng nữa. Cuộc thảo luận này lại đưa ta trở về câu hỏi liệu rằng chúng ta đã bao giờ có quyền tự do quyết định chưa: có thể có điều gì đó quyết định “hộ” ta những thứ bộ não vật lý của ta xem là xác suất (do bản chất bất định của lý thuyết lượng tử), nhưng khi du hành về quá khứ, những đặc tính bất định đó bị giới hạn chỉ trong một hành động duy nhất. Đó là một chút suy nghĩ của tác giả. Còn bạn, bạn thấy thế nào?

  1. Vòng lặp nhân quả

Du hành thời gian sẽ dẫn đến câu hỏi về các vòng lặp nhân quả – trong đó nguyên nhân của một sự kiện là hậu quả của nó. “Sự kiện” ở đây cũng có thể là một đối tượng hoặc thông tin. Hãy lấy ví dụ về một người du hành thời gian đánh cắp cỗ máy thời gian từ bảo tàng địa phương để thực hiện chuyến du hành thời gian của mình và sau đó tặng cỗ máy thời gian cho cùng một bảo tàng vào cuối chuyến đi (tức là trong quá khứ). Trong trường hợp này, thực tế, cỗ máy thời gian kia vốn chưa bao giờ được chế tạo bởi bất kỳ ai. Cũng có một vòng lặp nhân quả trong Interstellar (*spoiler alert 4*): những sinh vật năm chiều biết phải chọn Murphy vì họ biết rằng điều gì sẽ xảy ra.

Nếu cứ cố ngồi nghĩ về điều này, bạn sẽ khá khó chịu và bức bối vì chúng dường như không vi phạm bất kỳ một nguyên tắc logic hay vật lý nào. Một số tác giả cho rằng những vòng lặp này đúng là không thể giải thích được, nhưng đó không phải là vấn đề lớn. Có lẽ việc này có liên quan đến các cuộc tranh luận về Nguyên lý đủ lý do (Principle of sufficient reason) [2]. Một số lại nghĩ các vòng lặp ấy là không thể.

  1. Liệu tương lai và quá khứ có tồn tại?

Cuối cùng, hãy nghĩ một chút chỉ về bản chất thời gian mà thôi. Ta sẽ xem xét hai quan điểm trái ngược: thuyết hiện tại và thuyết vĩnh cửu. 

Thuyết hiện tại cho rằng chỉ có các sự vật, sự việc… trong hiện tại là tồn tại: bạn tồn tại, nhưng cả tổ tiên lẫn cháu chắt của bạn đều không tồn tại, ít nhất là trong lúc này. Nếu quan điểm này là đúng thì làm sao ta có thể du hành về quá khứ hay tương lai – những thứ thậm chí còn chẳng tồn tại? 

Trong khi đó, chủ nghĩa vĩnh cửu cho rằng mọi thứ trong quá khứ và tương lai đều có thật như mọi thứ hiện tại. Hiện thực chứa đựng toàn bộ thời gian chứ không chỉ là một lát cắt của nó. Trong viễn cảnh này, du hành thời gian là điều có thể hiểu được, vì những người du hành thời gian chỉ đơn thuần vượt qua một chiều của thực tại (nhưng tất nhiên điều này không phải là chắc chắn khả thi).

Tài liệu tham khảo cho bài viết:

[1] http://www.physicsmatt.com/blog/2016/8/25/why-ftl-implies-time-travel

[2] https://www.scientificamerican.com/article/according-to-current-phys/ Gary T. Horowitz, John L. Friedman

Time Travel: Theories, Paradoxes & Possibilities – Space.com

https://www.space.com/21675-time-travel.html

Is time travel possible? – MIT OCW Lecture notes

Time travel – Bryan J. Méndez, University of California, Berkeley

http://cse.ssl.berkeley.edu/bmendez/html/time.html

Smith, Nicholas J.J., “Time Travel”, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Summer 2019 Edition), Edward N. Zalta (ed.), URL = <https://plato.stanford.edu/archives/sum2019/entries/time-travel/>.

Markosian, Ned, “Time”, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2016 Edition), Edward N. Zalta (ed.), URL = <https://plato.stanford.edu/archives/fall2016/entries/time/&gt;.

Meyer, U. (2012). Explaining causal loops. Analysis, 72(2), 259–264. doi:10.1093/analys/ans045 

Smeenk, Chris & Wuthrich, Christian. (2009). Time Travel and Time Machines. The Oxford Handbook of Philosophy of Time. 10.1093/oxfordhb/9780199298204.003.0021. 

Phần đọc thêm cho bạn đọc quan tâm: 

(Mẹo nhỏ: Bạn có thể bỏ qua các phép toán và hoàn toàn vẫn tìm hiểu được về những kiến thức và lý thuyết không dễ tìm ở các bài báo hay bài đăng trên blog)

https://www.space.com/20881-wormholes.html

https://www.space.com/40716-time-travel-science-fiction-reality.html

Michael S. Morris, Kip S. Thorne, and Ulvi Yurtsever, “Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition,” Physical Review Letters, 61, 1446-1449 (1988).

Morris, M. S., & Thorne, K. S. (1988). Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity. American Journal of Physics, 56(5), 395–412.

Can You Really Go Back in Time by Breaking the Speed of Light? NOVA – PBS

https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/can-you-really-go-back-in-time-by-breaking-the-speed-of-light/

Johnson, D. (2016). Does Free Will Exist? Retrieved May 31, 2020, from https://www.academia.edu/9334916/Does_Free_Will_Exist

Ananthaswamy, A. (2017, May 31). Your Brain Is a Time Machine: Why we need to talk about time. Retrieved May 31, 2020, from https://www.newscientist.com/article/2132847-your-brain-is-a-time-machine-why-we-need-to-talk-about-time/

ScientiFact #1: Time travel

  1. Introduction 

Time travel has long been the subject of endless fiction stories which delight people around the world. Perhaps the oldest successful one was H.G.Wells’ The Time Machine, in which the main character use his time machine to travel to the distant future and back to the present. Over the years, the plots involving time travel have evolved a lot, as evident in the major roles time travel played in TV series Doctor Who and Star Trek of the 1960s. Today, time travel novels are all over the place. However, the biggest question remains for many readers: is time travel just science fiction, or is it real? Today, P.R.I.S.M. will attempt to clarify some of the confusion regarding this.

  1. Scientifically, is time travel possible?

Time travel is possible. As simple as that.

Of course, we need to define time travel first. Forward is easy. In fact, we are travelling through time every second of our life, and so is everything else. You may say, “But in just one possible speed, in one possible direction. Meaningless.” 

That was how time was perceived before the 20th century. A steady, constant current flowing independently of everything else in the universe. However, everything changed with the arrival of Albert Einstein. With his theory of special relativity, he showed that time is, well, relative. Time turned out to be inextricably linked to space as the fourth dimension of spacetime. Time flows differently for different observers travelling at different speeds. For example, if you travel at 99.99 percent the speed of light relative to Earth for one year, when you return, 71 years will have passed. Easy peasy.

  1. Hey, you know I’m only interested in travelling backwards. That’s just science fiction, right? 

No. Not really. Setting aside common sense, let’s view this from a purely theoretical framework. It’s not cheap fiction as you may think. Scientists have poured efforts into it.

According to special relativity, a faster than light signal for one person (regarded as stationary), when viewed by another fast-moving person, travels backward in time (Explained clearly in [1] with spacetime diagrams – a common tool for relativity). That’s a form of time travel. However, since there are seemingly no ways to push the speed past that of light, as it will require infinite energy, perhaps we are stuck.

That is, until Einstein (yes, it’s him again) threw away another notion about space and time being flat with his general theory of relativity in 1915 (A theory attributing gravity to the curvature of spacetime, which is shaped by energy and matter. Beautiful, isn’t it?). It implies that time flows at different rates in different gravitational fields. This is a tangible effect: if the relativistic effects aren’t accounted for, the position the GPS gives us will be off each day by orders of 10km. And physicists soon found out that, if spacetime is curved strongly enough, time loops can form, and travelling backward through time is possible, at least within the realm of general relativity.

However, all of these possible scenarios are exotic. One theory is that time travel may be made possible by (hypothetical) wormholes, which connect two distant points in space. But a wormhole can only be stabilized by matter with negative energy density. As strange as it may sound, negative energy has been created by experiments – see Casimir effect – but the amount was way too small (we’re entering the quantum realm). Another possibility is cosmic strings – hypothetical gigantic objects left over from the Big Bang.

Considering the instability of some time travel methods known to us, some scientists hypothesized that it may be possible only in microscopic scale, not in macroscopic scale [2]. Some think it is not possible at all, and there will be some laws to prevent it. The only thing we can be sure of is that the issue will not be resolved until we get a full understanding of the universe – until we have a Theory of Everything, commonly thought to be a quantum gravity theory. 

IV. Possible implications of time travel to the past

Now, let’s talk about the philosophical aspects.

  1. A time machine transports the user back to the past. End of story.

Not that simple. This is a problem about time travel not usually addressed in movies. If the air is still there, it will collide with the time traveler, instantly killing the poor lad by rupturing the body. Meanwhile, at the other end of the journey, air will be sucked into the vacuum created by the departure.

You may wonder why travelling in space does not cause the same issue. Imagine an one-dimensional world, where a particle travelling in any direction would surely collide with and compress other particles. It seems that two dimensions are required for a continuous displacement of air that we are familiar with. However, as far as we know, there is only one dimension of time. So, good luck with that thought.

A solution would be requiring the time machine to transport things in two directions simultaneously: the time traveler to the past and the air to the present. If there exists a concrete connection between the two ends, such as a wormhole, maybe this is what would happen.

  1. Grandfather paradox: How to resolve?

This is probably the most popular paradox associated with time travel. A version of this paradox is presented in perhaps the most famous movie about time travel: Back to the Future (1985), in which Martin threatens his existence by interfering with his parents’ early relationship. Consider this. If his parents do not become a couple, and Martin dies from that instant only, where does he come from? Alternatively, would Martin be wiped out of time? If so, there is no one to prevent his parents in the first place, and he would be born as normal. 

There are two popular theories to resolve the paradox. 

The first one is the multiverse theory: each time you travel back in time, a new timeline branches off to create a second universe. What happens with you in that timeline does not affect the original timeline. This is likely what happened in Avengers: Endgame, when the departure of Thanos into the future created a timeline in which the supervillain just disappeared and never comes back to snap his fingers.

The second one has a fancier name: the Novikov self-consistency principle. The idea is simple, though. It states that the past cannot be changed. This is how Harry Potter and the Prisoner of Azkaban treats time travel. The actions of future Harry and Hermione show their impacts when they first experience the moment, though their earlier selves cannot explain those impacts (the Patronus Charm, for instance).

Although this theory seems to be logically consistent, it has an ominous implication. The time-travelling self has no free will at all, because their actions have already happened in their past. They cannot change the events even though they might want to. This discussion may lead us back to the question if we have free will at all: maybe there is something to decide for us what our physical brains see as possibilities (due to quantum theory’s non-deterministic nature), but when travelling to the past, those non-deterministic properties are restricted down to just one course of action. That’s just a line of thought. What do you think?

  1. Causal loops

Time traveling would introduce the problem of causal loops – where the cause of an event is its effect. The “event” here can also be an object or information. An example is that a time traveller who steals a time machine from the local museum in order to make his time trip then donates the time machine to the same museum at the end of the trip (i.e. in the past). In this case the machine itself is never built by anyone—it simply exists. There is a causal loop in Interstellar: the five-dimensional beings know to choose Murphy because they know that’s what would happen.

When you give it some thoughts, you would be frustrated that they do not seem to violate any logical or physical principle. Some authors maintain that these loops are inexplicable, but that’s no big deal. Maybe this is related to the debates surrounding the Principle of Sufficient Reason [2]. Some think that they are impossible.

  1. Do the future and the past exist?

Finally, let’s think a bit about time itself. We will consider two opposite views: presentism and eternalism. Presentism holds that only present objects exist: you exist, but neither your ancestor nor your great-great-grandchildren exists, at least for the time being. If this view is true, then how can anyone travel to the past or future, as they don’t even exist? Meanwhile, eternalism holds that everything in the past and future is as real as anything at present. Reality contains the entire time, not just a slice of it. In this scenario, time travel is understandable, as time travelers merely transverse a dimension of reality (but of course, not decidedly possible).

References:

[1] http://www.physicsmatt.com/blog/2016/8/25/why-ftl-implies-time-travel

[2] https://www.scientificamerican.com/article/according-to-current-phys/ Gary T. Horowitz, John L. Friedman

Time Travel: Theories, Paradoxes & Possibilities – Space.com

https://www.space.com/21675-time-travel.html

Is time travel possible? – MIT OCW Lecture notes

Time travel – Bryan J. Méndez, University of California, Berkeley

http://cse.ssl.berkeley.edu/bmendez/html/time.html

Smith, Nicholas J.J., “Time Travel”, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Summer 2019 Edition), Edward N. Zalta (ed.), URL = <https://plato.stanford.edu/archives/sum2019/entries/time-travel/>.

Markosian, Ned, “Time”, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2016 Edition), Edward N. Zalta (ed.), URL = <https://plato.stanford.edu/archives/fall2016/entries/time/&gt;.

Meyer, U. (2012). Explaining causal loops. Analysis, 72(2), 259–264. doi:10.1093/analys/ans045 

Smeenk, Chris & Wuthrich, Christian. (2009). Time Travel and Time Machines. The Oxford Handbook of Philosophy of Time. 10.1093/oxfordhb/9780199298204.003.0021. 

Further readings: 

(Note: You can skip the math and still learn useful insights and qualifications that are not presented in news articles or blog posts.)

https://www.space.com/20881-wormholes.html

https://www.space.com/40716-time-travel-science-fiction-reality.html

Michael S. Morris, Kip S. Thorne, and Ulvi Yurtsever, “Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition,” Physical Review Letters, 61, 1446-1449 (1988).

Morris, M. S., & Thorne, K. S. (1988). Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity. American Journal of Physics, 56(5), 395–412.

Can You Really Go Back in Time by Breaking the Speed of Light? NOVA – PBS

https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/can-you-really-go-back-in-time-by-breaking-the-speed-of-light/

Johnson, D. (2016). Does Free Will Exist? Retrieved May 31, 2020, from https://www.academia.edu/9334916/Does_Free_Will_Exist

Ananthaswamy, A. (2017, May 31). Your Brain Is a Time Machine: Why we need to talk about time. Retrieved May 31, 2020, from https://www.newscientist.com/article/2132847-your-brain-is-a-time-machine-why-we-need-to-talk-about-time/