TÀNG HÌNH
Ta không thể lệ thuộc vào đôi mắt khi trí tưởng tượng đã vượt khỏi tầm nhìn.- MARK TWAIN
Trong tập phim Star Trek IV: The Voyage Home (Star Trek IV: Hành trình về nhà), phi hành đoàn của tàu Enterprise đã đánh cắp một chiến hạm của Klingon. Không giống như các phi thuyền thuộc Hạm đội Liên đoàn các Vì sao, tàu bay của Đế quốc Klingon có một “tấm choàng bí mật”, giúp chúng vô hình trước ánh sáng và sóng radar, nhờ đó có thể lặng lẽ tiếp cận và phục kích các tàu của Liên đoàn. Tấm choàng này là một lợi thế chiến lược của Đế quốc Klingon trước Liên đoàn các Hành tinh.
Liệu một thiết bị như vậy có khả dĩ? Tàng hình từ lâu đã là một trong những tuyệt phẩm của khoa học viễn tưởng và truyện hư ảo, từ những trang tiểu thuyết The Invisible Man (Người tàng hình) của H. G. Wells, đến áo choàng tàng hình trong loạt truyện Harry Potter, hay chiếc nhẫn trong The Lord of the Rings (Chúa tể của những chiếc nhẫn). Thế nhưng, trong ít nhất một thế kỷ, các nhà vật lý vẫn chối bỏ khả năng chế tạo được những thứ như vậy, thẳng thừng cho rằng chúng là bất khả thi: chúng vi phạm các định luật quang học và không phù hợp với những tính chất đã biết của vật chất.
Nhưng hiện nay, những thứ bất khả thi như vậy có thể trở thành hiện thực. Các tiến bộ mới về “siêu vật liệu” đang thúc đẩy việc chỉnh sửa gần như toàn bộ hệ thống sách giáo khoa về quang học. Các mẫu thử nghiệm của loại vật liệu này đang được chế tạo trong phòng thí nghiệm và nhận được sự quan tâm ngày càng lớn của truyền thông, các ngành công nghiệp và cả quân đội trong việc biến những thứ khả kiến thành vô hình.
SỰ TÀNG HÌNH TRONG TIẾN TRÌNH LỊCH SỬ
Tàng hình có lẽ là một trong những khái niệm cổ xưa nhất trong thần thoại. Lịch sử từ những thời xa xưa nhất cũng đã ghi nhận việc những người phải ở một mình trong đêm tối sợ hãi linh hồn vô hình của người quá cố hay những hồn ma lang thang lẩn khuất trong màn đêm. Người anh hùng Hy Lạp Perseus tiêu diệt nữ quỷ Medusa nhờ đội chiếc mũ tàng hình. Các vị tướng ước mơ có được chiếc áo tàng hình. Khi vô hình, ta có thể dễ dàng xuyên qua phòng tuyến để bất ngờ bắt giữ kẻ thù. Tội phạm có thể sử dụng khả năng tàng hình để thực hiện những phi vụ trộm cướp ngoạn mục.
Sự tàng hình đóng vai trò hạt nhân trong lý thuyết của Plato về đạo lý và đức hạnh. Trong kiệt tác triết học Cộng hòa, Plato đã nhắc đến thần thoại về chiếc nhẫn của Gyges. Chàng chăn cừu nghèo nhưng tốt bụng Gyges xứ Lydia lạc vào một hang động bí ẩn và tìm thấy một ngôi mộ chứa bộ xương đeo một chiếc nhẫn vàng. Gyges phát hiện ra chiếc nhẫn này mang sức mạnh ma thuật có thể giúp anh tàng hình. Chẳng mấy chốc, chàng chăn cừu nghèo bị đầu độc trở nên mê mẩn trước quyền năng của chiếc nhẫn. Sau khi lẻn vào lâu đài nhà vua, Gyges sử dụng ma lực của chiếc nhẫn để quyến rũ hoàng hậu, rồi với sự giúp đỡ của nàng, anh giết nhà vua và lên ngôi vua xứ Lydia.
Vấn đề đạo đức mà Plato muốn đề cập ở đây là không ai có thể cưỡng lại cám dỗ trở thành kẻ cắp và giết người. Mọi người đều có thể trở nên tội lỗi. Đạo đức là một khái niệm do xã hội áp đặt. Một người có thể tỏ ra đạo đức trong cộng đồng để được đánh giá chính trực và chân thật, nhưng một khi có được sức mạnh tàng hình, họ sẽ chẳng thể cưỡng lại việc sử dụng quyền năng của nó. (Một số người tin rằng câu chuyện đạo đức này đã truyền cảm ứng cho J. R. R. Tolkien viết nên bộ ba tiểu thuyết Chúa tể của những chiếc nhẫn, trong đó chiếc nhẫn chúa làm cho người đeo nó trở nên vô hình, và đây cũng chính là nguồn gốc của tội ác.)
Tàng hình cũng là một phương cách thường thấy trong khoa học viễn tưởng. Trong series truyền hình Flash Gordon của thập niên 1930, Flash đã tàng hình để trốn khỏi đội quân của Ming Tàn bạo. Trong loạt truyện và phim Harry Potter, Harry sở hữu một chiếc áo choàng đặc biệt, cho phép cậu lang thang trong trường Hogwarts mà không sợ bị phát hiện.
CÁC PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ BÍ MẬT CỦA ÁNH SÁNG
Phải đợi đến các công trình của nhà vật lý người Scotland James Clerk Maxwell, một tượng đài của vật lý thế kỷ 19, các nhà vật lý mới hiểu rõ các định luật quang học. Ở một vài phương diện, Maxwell trái ngược hoàn toàn với Michael Faraday. Trong khi Faraday có tài thực nghiệm thiên bẩm nhưng không được đào tạo bài bản thì Maxwell, người sống cùng thời với Faraday lại là một bậc thầy về toán cao cấp. Maxwell là sinh viên vật lý tính toán xuất sắc của trường Cambridge, chính là nơi mà hai thế kỷ trước, Newton đã thực hiện những công trình của mình.
Newton phát minh ra giải tích toán học, được biểu thị qua “các phương trình vi phân”, dùng để mô tả cách thức các vật dần trải qua những thay đổi cực nhỏ trong không gian và thời gian. Chuyển động của sóng biển, chất lỏng, chất khí hay đạn pháo đều có thể được biểu diễn qua các phương trình vi phân. Mục tiêu rõ ràng ban đầu của Maxwell là sử dụng các phương trình kiểu này để biểu diễn các khám phá mang tính cách mạng và những trường lực của Faraday.
Maxwell bắt đầu với phát hiện của Faraday về việc điện trường có thể biến thành từ trường và ngược lại. Từ các mô tả của Faraday về trường lực được ông viết lại theo ngôn ngữ chính xác của phương trình vi phân, tạo ra hệ phương trình quan trọng bậc nhất của khoa học hiện đại. Đây là một hệ gồm tám phương trình vi phân. Các nhà vật lý và kỹ sư trên thế giới đều phải “toát mồ hôi hột” mới nắm vững được lý thuyết trường điện từ ở trường đại học.
Tiếp đến, Maxwell tự đặt ra câu hỏi quan trọng: nếu từ trường có thể biến thành điện trường và ngược lại, thì điều gì sẽ xảy ra nếu quá trình này lặp lại vô hạn? Maxwell nhận thấy rằng các trường điện-từ tạo ra một loại sóng giống như sóng biển. Trong sự ngạc nhiên tột cùng, ông tính ra được tốc độ truyền của loại sóng này bằng với tốc độ ánh sáng! Năm 1864, dựa trên phát hiện này, ông đưa ra tiên đoán: “Tốc độ này gần bằng tốc độ ánh sáng nên chúng ta có lý do chắc chắn để kết luận rằng bản thân ánh sáng… là những dao động của điện từ trường.”
Đây có lẽ là một trong những phát hiện vĩ đại nhất của loài người. Lần đầu tiên bí mật của ánh sáng đã được hé lộ. Maxwell chợt nhận ra rằng mọi thứ, từ ánh bình minh rạng rỡ, ánh hoàng hôn sáng chói, sắc màu rực rỡ của cầu vồng cho đến ánh sáng của bầu trời sao, đều có thể mô tả qua các sóng mà ông đang viết nguệch ngoạc trên giấy. Ngày nay, chúng ta đã biết toàn bộ phổ của sóng điện từ – từ radar cho đến tivi, ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng khả kiến, ánh sáng tử ngoại, tia X, vi ba và tia gamma – đều là các sóng Maxwell, được tạo thành từ dao động của các trường lực Faraday.
Khi đề cập đến tầm quan trọng của hệ phương trình Maxwell, Einstein cho rằng chúng là những gì “tinh túy nhất và phổ quát nhất mà vật lý đạt được kể từ thời Newton.”
(Bi đát thay, Maxwell, một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất thế kỷ 19, đã mất ở tuổi 48 do ung thư dạ dày, căn bệnh đã giết chết mẹ Maxwell là sử dụng các phương trình kiểu này để biểu diễn các khám phá mang tính cách mạng và những trường lực của Faraday.
Maxwell bắt đầu với phát hiện của Faraday về việc điện trường có thể biến thành từ trường và ngược lại. Từ các mô tả của Faraday về trường lực được ông viết lại theo ngôn ngữ chính xác của phương trình vi phân, tạo ra hệ phương trình quan trọng bậc nhất của khoa học hiện đại. Đây là một hệ gồm tám phương trình vi phân. Các nhà vật lý và kỹ sư trên thế giới đều phải “toát mồ hôi hột” mới nắm vững được lý thuyết trường điện từ ở trường đại học.
Tiếp đến, Maxwell tự đặt ra câu hỏi quan trọng: nếu từ trường có thể biến thành điện trường và ngược lại, thì điều gì sẽ xảy ra nếu quá trình này lặp lại vô hạn? Maxwell nhận thấy rằng các trường điện-từ tạo ra một loại sóng giống như sóng biển. Trong sự ngạc nhiên tột cùng, ông tính ra được tốc độ truyền của loại sóng này bằng với tốc độ ánh sáng! Năm 1864, dựa trên phát hiện này, ông đưa ra tiên đoán: “Tốc độ này gần bằng tốc độ ánh sáng nên chúng ta có lý do chắc chắn để kết luận rằng bản thân ánh sáng… là những dao động của điện từ trường.”
Đây có lẽ là một trong những phát hiện vĩ đại nhất của loài người. Lần đầu tiên bí mật của ánh sáng đã được hé lộ. Maxwell chợt nhận ra rằng mọi thứ, từ ánh bình minh rạng rỡ, ánh hoàng hôn sáng chói, sắc màu rực rỡ của cầu vồng cho đến ánh sáng của bầu trời sao, đều có thể mô tả qua các sóng mà ông đang viết nguệch ngoạc trên giấy. Ngày nay, chúng ta đã biết toàn bộ phổ của sóng điện từ – từ radar cho đến tivi, ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng khả kiến, ánh sáng tử ngoại, tia X, vi ba và tia gamma – đều là các sóng Maxwell, được tạo thành từ dao động của các trường lực Faraday.
Khi đề cập đến tầm quan trọng của hệ phương trình Maxwell, Einstein cho rằng chúng là những gì “tinh túy nhất và phổ quát nhất mà vật lý đạt được kể từ thời Newton.”
(Bi đát thay, Maxwell, một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất thế kỷ 19, đã mất ở tuổi 48 do ung thư dạ dày, căn bệnh đã giết chết mẹ ông ở cùng độ tuổi. Nếu sống lâu hơn, hẳn ông đã khám phá ra rằng các phương trình của mình cho phép không-thời gian dao động, điều trực tiếp dẫn đến thuyết tương đối của Einstein. Thật khó hình dung rằng, thuyết tương đối đã có thể được phát hiện ngay từ giai đoạn Nội chiến Mỹ.)
Thuyết ánh sáng của Maxwell cùng thuyết nguyên tử mang lại cách lý giải đơn giản về quang học và khả năng tàng hình. Trong chất rắn, các nguyên tử gắn kết chặt chẽ với nhau, trong khi trong chất lỏng hay chất khí, các phân tử lại cách xa nhau. Hầu hết chất rắn đều chắn sáng vì tia sáng không thể xuyên qua ma trận nguyên tử dày đặc tạo nên chất rắn – chúng giống như một bức tường gạch. Ngược lại, nhiều chất lỏng và chất khí lại trong suốt vì ánh sáng có thể dễ dàng đi vào khoảng trống giữa các nguyên tử – khoảng không gian này lớn hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng khả kiến. Ví dụ, nước, cồn, amoniac, axetôn, nước sát trùng, khí đốt và nhiều thứ khác đều truyền sáng, cũng giống như các chất khí như ôxi, hiđrô, nitơ, cacbonic, mêtan…
Nguyên tắc này có một vài ngoại lệ quan trọng. Nhiều loại tinh thể có dạng rắn nhưng lại truyền sáng. Các nguyên tử của một tinh thể được sắp xếp theo cấu trúc lưới, chúng nằm trên các hàng xếp đều nhau với khoảng cách không đổi. Nhờ đó, có rất nhiều con đường để một tia sáng đi qua được mạng tinh thể. Do vậy, mặc dù một tinh thể gồm các nguyên tử xếp chặt giống như các chất rắn khác nhưng ánh sáng vẫn truyền được qua.
Ở một số điều kiện nhất định, một vật rắn có thể trở nên trong suốt nếu các nguyên tử của nó được sắp xếp ngẫu nhiên. Điều này có thể thực hiện bằng cách nung nóng vật đến nhiệt độ cao rồi làm lạnh nhanh. Ví dụ, thủy tinh là chất rắn nhưng lại mang nhiều tính chất của chất lỏng vì các nguyên tử của nó được sắp xếp ngẫu nhiên. Một số loại kẹo cũng trở nên trong suốt bằng phương pháp tương tự.
Rõ ràng, tàng hình là một tính chất xuất hiện ở thang nguyên tử theo hệ phương trình Maxwell, do đó sẽ gặp nhiều khó khăn, nếu không muốn nói là bất khả thi, khi áp dụng vào khoảng cách thông thường. Để khiến Harry Potter trở nên vô hình, ta phải hóa lỏng cậu, đun sôi để biến cậu thành hơi, đợi cậu hóa rắn rồi nung nóng và làm lạnh trở lại – quá khó, kể cả là đối với một phù thủy.
Mặc dù không thể tạo ra máy bay tàng hình nhưng quân đội đã thử một phương án thực tiễn hơn: dùng công nghệ ẩn mình khiến những chiếc máy bay trở nên vô hình trước radar. Công nghệ này sử dụng tính chất của hệ phương trình Maxwell để tạo ra một chuỗi thủ thuật. Một chiến đấu cơ phản lực có thể dễ dàng nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng ảnh radar của nó trên màn hình quan sát của địch chỉ có kích cỡ như một con chim lớn. (Công nghệ ẩn mình thực sự là sự kết hợp của rất nhiều thủ thuật. Bằng cách thay đổi chất liệu chế tạo máy bay, giảm các cấu kiện bằng sắt để thay bằng nhựa và chất dẻo, thay đổi các góc cạnh ở thân máy bay, bố trí lại các ống xả khói…, người ta có thể làm cho chùm tia radar của địch khi chạm vào máy bay bị phân tán theo mọi hướng, do đó chúng không thể quay lại màn hình radar của địch. Tuy nhiên, công nghệ này không giúp máy bay tàng hình mà chỉ làm lệch hướng và phân tán sóng radar nhiều nhất có thể.)
Đoạn trích bạn vừa đọc thuộc cuốn Vật lý của những điều tưởng chừng bất khả - Michio Kaku. Trong cuốn này, tác giả xếp tàng hình vào bất khả thi loại I: Là những công nghệ hiện chưa thực hiện được nhưng không vi phạm các định luật vật lý đã biết. Vì vậy, chúng có thể khả thi trong thế kỷ này hoặc xa hơn, trong hình thái đã được thay đổi. Các công nghệ này bao gồm viễn tải, động cơ phản vật chất, một số hình thức ngoại cảm, viễn di và tàng hình.
