Những câu chuyện khoa học hiện đại_Chương I: VẬT LÝ HỌC

NCCKHHD IChương I của cuốn “Những câu chuyện khoa học hiện đại” dành cho VẬT LÝ HỌC luôn tâm niệm lời nói của Niels Bohr: “It is wrong to think that the task of physics is to find out how Nature is. Physics concerns what we say about Nature” (Thật là nhầm lẫn khi cho rằng nhiệm vụ của vật lý là khám phá xem Tự nhiên là như thế nào. Vật lý bận tâm tới những gì chúng ta nói về Tự nhiên). Hơn thế nữa, khi nói về Tự nhiên, chúng ta phải nói làm sao để một người hầu bàn cũng có thể hiểu, đó là ý muốn của Albert Einstein (It should be possible to explain the laws of physics to a barmaid)…

Những câu chuyện khoa học hiện đại

Chương I – VẬT LÝ

Mục lục

01. Cái chết của Nguyên Lý Bất Định (đã đăng trên Tiền Phong Chủ Nhật 11-04-1999, Lao Động 28-04-1999)

02. Từ bản giao hưởng bỏ dở đến Lý thuyết M (Lao Động 28-04-2000)

03. Ánh sáng có thể phá vỡ tốc độ giới hạn của chính nó (Lao Động 24-07-2000)

04. Phản vật chất biến đi đâu? (Lao Động 15-08-2000)

05. Vật chất không khối lượng có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng (Tuổi Trẻ CN số 30 năm 2000, Kiến thức ngày nay 01-09-2000)

06. Máy gia tốc LHC và Những bài toán lớn nhất của thế kỷ 21 (Lao Động, FPT 30-08-2000)

07. Giữ ánh sáng đứng nguyên tại chỗ (Lao Động 31-01-2001)

08. Sóng hấp dẫn-hòn đá thử vàng của vũ trụ học (Lao Động 22-02-2001)

09. Thí nghiệm Muon G – 2 đòi hỏi một lý thuyết vật lý mới (Tuổi Trẻ CN…)

10. Thực nghiệm xác nhận Lý thuyết vũ trụ dãn nở lạm phát (Lao Động 22-05-2001)

11. Bí mật 30 năm của loại hạt ma quái đã được làm sáng tỏ (Lao Động 26-06-2001)

12. Tại sao vũ trụ phi đối xứng – Lời giải cho bài toán vũ trụ phi đối xứng (Lao Động 17-07-2001, Tia Sáng 10-2002)

13. Sự hồi sinh của Hằng số vũ trụ (Tuổi Trẻ Chủ Nhật 12-08-2001, Lao Động Xuân Nhâm Ngọ 2002)

14. Tạo ra vật chất “lạ” với số lượng lớn (Lao Động 28-08-2001)

15. Các luật tự nhiên có thể thay đổi khi vũ trụ già đi (Lao Động 19-09-2001)

16. Tương tác lượng tử từ xa (Lao Động 26-10-2001)

17. Thí nghiệm dự báo tồn tại một loại lực mới (Lao Động 05-12-2001)

18. Tạo ra phản-vật-chất lạnh và chậm (Lao Động 13-03-2002)

19. Vật liệu hữu cơ bức xạ laser (Lao Động 02-04-2002)

20. Hạt của Chúa thách thức MHTC (Tia Sáng tháng 04-2002)

21. Dùng “Tương tác ma quỷ” để chuyển thông tin tức thời (VnExpress 01-07-2002)

22. Một lần nữa Einstein lại đúng! (Tia Sáng 04-2003)

23. Một kiểu giáo khoa vật lý hoàn toàn mới (Tia Sáng 04-2003)

24. Chiếc Ly của Chúa (chưa đăng)

01. “Cái chết của Nguyên Lý Bất Định”

Đó là đầu đề bài báo của Mark Buchanan đăng trên tạp chí New Scientist, tuần san khoa học uy tín nhất của Anh-úc, số mới ra ngày 6 tháng 3 năm 1999, đang gây xôn xao dư luận khoa học trên toàn thế giới. Bài báo công bố thí nghiệm của một nhóm nhà khoa học Đức cho thấy Nguyên Lý Bất Định của Heisenberg, một trong hai nền tảng của vật lý hiện đại có nguy cơ sụp đổ. Sau khi nhắc lại cuộc tranh luận lịch sử giữa Einstein và Bohr về nguyên lý này (Einstein chống đối quyết liệt, Bohr bảo vệ quyết liệt), bài báo cho biết :

Bohr và Einstein đã phải đưa ra những thí nghiệm tưởng tượng để chứng minh lý thuyết của họ, vì công nghệ hồi đó chưa cho phép làm một thí nghiệm thật. Nhưng tình hình ngày nay đã thay đổi. Với kỹ thuật laser, Gerhard Rempe và các cộng sự của ông tại Đại học Konstanz ở Đức đã thực hiện một trong các thí nghiệm nổi tiếng mà những “người khổng lồ” của lý thuyết lượng tử đã tranh cãi. Đó là thí nghiệm quen thuộc, thường được gọi là “thí nghiệm hai khe” (two-slit experiment). Phương pháp thí nghiệm mới được đề xuất vào năm 1991 bởi MarLan Scully, Berthold-Georg Englert và Herbert Walther tại Học viện quang lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, với việc chọn hạt lượng tử là nguyên tử, vì nó dễ để lại dấu vết hơn. Nhiều năm trước đây người ta cũng đã từng làm thí nghiệm này, nhưng với những điều kiện thô sơ hơn, và do đó không phát hiện thấy giao thoa, điều này làm cho người ta tin rằng Nguyên Lý Bất Định hoàn toàn đúng. Nhưng khi Rempe và các cộng sự báo cáo kết quả thí nghiệm của họ vào tháng 9 năm ngoái, các nhà vật lý đã thực sự lo lắng. Bài báo viết: “Kết quả của họ chứng tỏ rằng lập luận của Bohr dựa trên một sự nhầm lẫn”. Bài báo cho biết là trong bao nhiêu năm qua các nhà vật lý đã không hề hay biết rằng có một lý thuyết quan trọng nhất, đó là thuyết rối lượng tử (quantum entanglement). Hiện tượng không thấy dấu vết giao thoa thực ra là quy luật rối lượng tử – một đặc trưng của thế giới lượng tử – chứ không phải là yếu tố bất định.

Về mặt lý thuyết, bài báo nhắc tới quan điểm của nhà vật lý Yu Shi tại Đại học Cambridge phê phán rằng Bohr chỉ dưạ trên những quan hệ đơn giản Planck và De Broglie. “Shi đã phân tích lại các thí nghiệm tưởng tượng, sử dụng các phương trình chinh xác của lý thuyết lượng tử mô tả đầy đủ nhất khả năng của một hạt lượng tử. Và ông ta nhận thấy rằng bất chấp mọi điều Bohr đã nói, Nguyên Lý Bất Định chẳng liên quan gì tới sự huỷ giao thoa sóng. Shi nói: Mọi người nghĩ rằng Bohr đúng, Einstein sai, nhưng điều này còn xa sự thật lắm… Hãy quên mọi quan niệm mập mờ về bất định đi mà hãy nghĩ tới khái niệm chính xác hơn, đó là quy luật rối lượng tử”. Và Mark Buchanan kêu lên: “Hãy chào good bye Nguyên Lý Bất Định, bạn không còn cần đến nó nữa. Và hãy chào hello Thuyết hỗn độn lượng tử”. Cuối cùng Buchanan dùng đúng ý tưởng của Bohr “trái ngược không phải là mâu thuẫn” để kết, hàm ý rằng đã đến lúc một tư tưởng trái ngược với Bohr mới là chân lý !

Nếu thí nghiệm của Rempe là đúng thì đây là cuộc “cách mạng lại” khoa học vật lý nói riêng và vũ trụ quan nói chung. Rõ ràng đây là điều không thể tưởng tượng được vì hơn 70 năm qua, Nguyên Lý Bất Định của Heisenberg đã đi vào lịch sử như một chân lý tổng quát của tự nhiên, ngang tầm cỡ với Thuyết Tương Đối của Einsetin. Nhiều nhà khoa học đang tìm cách khắc phục yếu tố bất định bằng con đường kết hợp nó với Thuyết Tương Đối, mặc dù Stephen Hawking đã cảnh cáo rằng đó là hai cực đối lập không tương thích với nhau. Tất cả những phương hương nghiên cứu này kể cả những công trình vừa mới công bố vào cuối năm 1998 đầu năm 1999, đều coi Nguyên Lý Bất Định như là một cực của chân lý. Chí có trường phái Thuyết rối lượng tử mới phủ định Nguyên Lý Bất Định. Phải chăng trường phái này được thúc đẩy bởi niềm tin mạnh mẽ của chính Einstein, và vô tình họ đã chứng minh rằng Einstein mới thực sự là thiên tài ? Mọi kết luận vội vã lúc này đều thiếu nghiêm túc. Hãy chờ xem, và có lẽ tốt hơn, hãy cùng nghiên cứu xem. Tuy nhiên dù sự thật có thế nào đi chăng nữa thì dường như những thách thức thú vị đang lấp ló ở cánh cửa của thế kỷ 21.

02. Từ “bản giao hưởng bỏ dở” đến Lý thuyết  M

Thuyết tương đối tổng quát của Einstein và Cơ học lượng tử của Heisenberg được coi là hai lý thuyết trụ cột của vật lý. Tuy nhiên hai lý thuyết này lại trái ngược với nhau trên nền tảng: Thuyết tương đối mô tả không-thời gian bằng những quy luật xác định trong khi Cơ học lượng tử lại coi yếu tố bất định là đặc trưng của thế giới vi mô. Liệu có thể thống nhất hai lý thuyết đó với nhau không ? Đó là câu hỏi lớn mà Scientific American đã nêu lên trong số đặc biệt ra tháng 12 năm1999 với chủ đề “Khoa học sẽ biết gì vào năm 2050”.

Tư tưởng phi thường muốn tìm ra bản chất thống nhất trong mọi hiện tượng vật lý đã nằm trong đầu Einstein từ những năm 20 của thế kỷ 20 dưới tên gọi Lý Thuyết Trường Thống Nhất. Ông đã công hiến cho lý thuyết đó đến hơi thở cuối cùng, nhưng không thành công. Trên tờ Times ngày 31/12/1999, Madeleine Nash gọi đó là Bản Giao Hưởng Bỏ Dở. Theo Nash, nhiều công trình đã ra đời mong hoàn tất bản giao hưởng, nhưng hiện nay Lý Thuyết Dây (String Theory) được coi là có triển vọng hơn cả.

Ta đã biết vật chất được cấu tạo bởi nguyên tử, nguyên tử lại bao gồm protons, neutrons và electrons (điện tử). Trong khi proton và neutron có thể chia nhỏ hơn nữa thành các hạt gọi là quarks thì electron lại không thể. Tuy nhiên John Schwarz tại Viện công nghệ California và Joel Scherk tại Ecole Normale Superieure nhận thấy quarks và electrons không phải là các hạt mà là những thực thể đa chiều (multi-dimensions) gọi là “branes”, có tính chất giống như những cuộn dây mảnh. Cuối thế kỷ 20, Lý thuyết Dây được Edward Witten tại Đại học Princeton nâng lên thành Lý Thuyết M, vì nó có đủ các yếu tố “matrix” (ma trận)+ “mistery” (bí mật)+ “magic” (huyền ảo)+ “murky” (khó hiểu). Quả thật nó khó đến nỗi chính Witten phải thốt lên rằng đó là “một mảnh vật lý của thế kỷ 21 ngẫu nhiên rơi vào thế kỷ 20 !”.  Lý thuyết M cho rằng không-thời gian không phải chỉ có 4 chiều như ta biết, mà có tới 11 chiều, trong đó 7 chiều mới bổ xung thêm chỉ có thể phát hiện được ở không gian cấp độ dưới nguyên tử. Đó chính là tư tưởng quan trọng nhất cho phép đồng thời giải thích Thuyết tương đối và Cơ học lượng tử và cũng là mục tiêu mà các nhà vật lý thực nghiệm đang tìm mọi cách kiểm chứng. Không nói rõ thời điểm cụ thể nhưng Nash cho biết: “Người ta đang có rất nhiều hy vọng là những thí nghiệm sắp tới tại Mỹ và Châu Âu sẽ cung cấp những bằng chứng đầu tiên về những chiều bổ xung này”. Nếu thí nghiệm thành công thì đó sẽ là một thắng lợi vĩ đại chưa từng có !  Đối với Nash, Lý thuyết M sẽ là chương kết của bản giao hưởng: “Cuối cùng thì lý thuyết ấy sẽ hoàn tất Bản Giao Hưởng Trí Tuệ Bỏ Dở của Einstein”. Nhiều nhà khoa học khác cũng chia sẻ niềm tin này. Brian Green tại Đại học Columbia viết trong cuốn “Vũ trụ tao nhã” (The Elegant Universe) : “Một thế giới được tạo nên bởi dây có thể giải thích toàn bộ vật lý. Cơ học lượng tử và Thuyết tương đối không thể làm việc chung, nhưng cuối cùng Lý thuyết M kết hợp với tư tưởng về dây có thể kết hợp cả hai lại với nhau”.

Theo một cách trình bày khác, tư tưởng thống nhất vật lý phát triển theo hướng thống nhất 4 loại lực cơ bản: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh. Khoa học đã thành công trong việc chứng minh rằng lực điện từ và lực hạt nhân yếu có cùng bản chất gọi là lực điện từ yếu. Bài toán còn lại 3 lực. Một lý thuyết mới đang hình thành nhằm thống nhất lực điện từ yếu với lực hạt nhân mạnh, gọi là Mô hình tiêu chuẩn (Standard Model). Để kiểm chứng lý thuyết này, người ta đang ráo riết săn lùng một loại hạt mới gọi là Higgs bosons. Trong bài viết trả lời câu hỏi lớn của Scientìfic American, Steven Weinberg, người đoạt giải Nobel vật lý năm 1979, cho biết “Với những máy siêu gia tốc Large Hadron tại CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu) và tại những nơi khác nữa, chúng ta có đủ lý do để tin rằng nhiệm vụ này sẽ hoàn tất trước năm 2020”. Bài toán thống nhất có triển vọng vô cùng sáng lạn !

Tuy nhiên Weinberg tỏ ra thận trọng trong việc tiên đoán chương kết thúc của lý thuyết thống nhất. Theo Weinberg, một lý thuyết thống nhất tất cả các lực đòi hỏi những tư tưởng hoàn toàn mới. Điều này vấp phải hai chướng ngại lớn : Một, chúng ta không biết nguyên lý vật lý nào chi phối lý thuyết nền tảng. Chúng ta chưa có nguyên lý nền tảng cho Lý thuyết M. Weinberg băn khoăn về khả năng xây dựng nguyên lý này: “Làm thế nào để chúng ta có được những ý tưởng cần thiết để xây dựng một lý thuyết nền tảng đúng đắn trong khi lý thuyết này mô tả một hiện thực mà mọi trực giác rút ra từ cuộc sống trong không-thời gian (4 chiều) lại không thể áp dụng được ?”. Hai , Thậm chí sau khi chúng ta xây dựng được lý thuyết nền tảng, chúng ta vẫn không biết sử dụng lý thuyết đó như thế nào để tạo ra những dự đoán có thể xác nhận giá trị của lý thuyết đó. Cuối cùng, khó có thể khẳng định rằng những vấn đề này sẽ được giải quyết vào năm 2050 hay thậm chí 2150, nhưng có một điều không thể nghi ngờ, đó là con đường đi tới một lý thuyết vật lý thống nhất-đề tài vật lý lớn nhất ngày nay- nhằm khám phá ra bản chất chung nhất của toàn bộ thế giới vật chất.

03. Ánh sáng có thể phá vỡ tốc độ giới hạn của chính nó

Đó là tin mới nhất của Reuters, Space.com và AP phát đi ngày 19-7-2000. Trong một thí nghiệm truyền một xung ánh sáng laser qua một buồng khí-một ống nghiệm hình trụ dài 6cm chứa kim loại cesium ở thể khí được xử lý đặc biệt (unnaturally) ở nhiệt độ gần 0 độ tuyệt đối (0 độ K), Lijun Wang, Alexander Kuzmich và Arthur Dogariu tại Viện nghiên cứu NEC tại Princeton, New Jersey, Mỹ, đã nhận thấy điều hết sức kỳ lạ tưởng như một “nghịch lý”: Xung ánh sáng này chuyển động quá nhanh đến nỗi điểm dẫn đầu (leading edge) của xung đã thực sự ra hẳn khỏi buồng khí (tới 18m) trước khi xung đi vào buồng khí xong hoàn toàn. Theo tính toán, xung ánh sáng đã đi được một quãng đường dài gấp 310 lần so với khoảng cách nó phải đi trong trường hợp bên trong ống nghiệm là chân không, nghĩa là tốc độ xung ánh sáng trong thí nghiệm lớn gấp 310 lần so với tốc độ ánh sáng trong chân không.

“Nghịch lý” này lập tức làm bùng nổ một cuộc tranh luận gay gắt trong giới vật lý trong tuần qua. Không thể có cái gì trong vũ trụ chuyển động vượt quá tốc độ ánh sáng trong chân không (299792 km/1giây), đó là một trong các nguyên lý của Thuyết tương đối (hẹp) của Einstein mà gần một thế kỷ nay các nhà vật lý đã công nhận như một tiên đề nền móng của vật lý hiện đại. Nếu Wang đúng thì tòa nhà vật lý sẽ lung lay. Đây là điều không dễ gì chấp nhận. Aephraim Steinberg tại Đại học Toronto, Canada, nghi ngờ: “Hạt ánh sáng đi ra khỏi buồng khí có thể không phải là những hạt ánh sáng đã đi vào buồng khí”. Maia Weinstock viết trên bản tin: “Việc xung ánh sáng rời khỏi buồng khí trước khi nó đi vào buồng khí dường như không thể xảy ra vì trái với luật nhân quả, trong đó nguyên nhân phải có trước, kết quả có sau”. William Harper tại Đại học Princeton cho rằng cần phải xem xét lại các dữ liệu thí nghiệm. Trong khi đó Raymond Chiao tại Đại học California ở Berkeley lại nhiệt liệt ủng hộ nhóm NEC. Chiao nói: “Đây là một bước đột phá trong nhận thức. Điều này có vẻ điên rồ nhưng thực tế có thể xảy ra”. Bản thân Chiao, một cách độc lập, cũng làm những thí nghiệm tương tự sử dụng trường điện từ. Đầu năm nay Chiao đã đưa ra kết luận các xung năng lượng có thể tăng vọt (zooming) với tốc độ nhanh hơn ánh sáng. Với tốc độ như vậy, những hạt dưới nguyên tử có thể tồn tại cùng một lúc ở hai nơi, vượt qua giới hạn không thời gian thông thường có thể nhận thức được. Chiao chứng minh rằng hạt ánh sáng (photons) có thể nhảy qua nhảy lại giữa hai điểm ngăn cách bởi một màng ngăn gần như cùng một lúc. Hiện tượng này được gọi là quang thông (tunnelling), được ứng dụng trong chế tạo kính hiển vi điện tử cực nhạy. Tại Italia, một nhóm thuộc Hội đồng nghiên cứu quốc gia cũng công bố một thí nghiệm truyền một loại sóng cực ngắn (vi-ba) nhanh hơn tốc độ ánh sáng tới 25%. Nhóm này khẳng định vật chất chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong chân không là hiện thực. Guenter Nimtz tại Đại học Cologne, Đức, cũng đã thông báo nhận định tương tự tại hội thảo quốc tế tại Edinburg. Công trình của nhóm NEC không phải là duy nhất đưa ra kết luận “nghịch lý” về tốc độ, nhưng là công trình mới nhất và có kết quả rõ ràng nhất. Bản thân nhóm NEC không coi khám phá của mình mâu thuẫn với Thuyết tương đối, mà như một sự phát triển mở rộng lý thuyết đó: Không có một vật có khối lượng nào có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong chân không, nhưng vật chất không có khối lượng thì có thể. Xung ánh sáng trong thí nghiệm của Wang, xung năng lượng trong thí nghiệm của Chiao, sóng vi-ba trong thí nghiệm tại Italia là những dạng vật chất không có khối lượng. Nhóm NEC giải thích “nghịch lý” của thí nghiệm của họ như sau: “Các nguyên tử cesium đã tác động đến xung ánh sáng, biến đổi tính chất của ánh sáng, cho phép chúng đi ra khỏi buồng khí nhanh hơn ánh sáng trong chân không. Điểm dẫn đầu của xung ánh sáng chứa đựng đầy đủ mọi thông tin cần thiết để tạo ra một xung ở đầu ra của buồng khí, do đó không cần phải đợi toàn bộ xung đi vào buông khí thì mới có xung đi ra. Kết quả này sẽ giúp khoa học hiểu rõ hơn bản chất của ánh sáng”.

Về mặt ứng dụng, công trình của nhóm NEC đã đưa ra một gợi ý về một công nghệ thông tin hoàn toàn mới có tốc độ nhanh gấp bội so với hiện nay. Dogariu nói: “Thông tin về căn bản là những xung. Nếu tạo ra được những môi trường trung gian thích hợp để các xung lan truyền thì chúng có thể đạt tới tốc độ nhanh hơn một chùm sóng ánh sáng”. Theo Guenter Nimtz, việc này về nguyên tắc có thể trở thành hiện thực, vấn đề là phải có những computer có tốc độ xử lý tín hiệu nhanh tương xứng, nếu không thì thông tin sẽ bị tắc nghẽn tại những trung tâm xử lý. Nhóm NEC đề nghị: Để có những computer tương xứng, có thể chế tạo “những mạch thông tin của computer” (computer circuits) mang thông tin không phải trong các hạt điện tử mà trong các hạt photons. “Đó là ý tưởng ứng dụng hết sức quan trọng”, Chiao đã nhận xét như vậy.

Mặc dù “Nghịch lý về tốc độ ánh sáng” còn đang chịu sự phán xét của khoa học, nhưng một điều đã rõ ràng: Công trình của nhóm NEC hứa hẹn nhiều khám phá lớn mang tính cách mạng sẽ ra đời, tạo một bộ mặt mới của vật lý thế kỷ 21. Ngay cả những người nghi ngờ cũng vẫn thừa nhận tầm quan trọng của công trình này. Một trong số đó, Aephraim Steinberg, nói: “Điều hấp dẫn là ở chỗ làm thế nào mà lại tạo ra được cái ánh sáng ra khỏi buồng khí giống hệt như ánh sáng đi vào buồng khí (vì Steinberg không tin rằng hai ánh sáng đó là một)”

04. Phản vật chất biến đi đâu ?

Ngày thứ năm 10-8-2000, Trung Tâm Nghiên Cứu Hạt Nhân Âu Châu (CERN) thông báo có thể trong năm nay họ sẽ trả lời được một câu hỏi thách đố trong vật lý các hạt cơ bản và vũ trụ học: “Toàn bộ phản vật chất đã biến đi đâu ?”.

Phản vật chất là gì ? Đó là vật chất bao gồm các phản hạt. Năm 1930, bằng tính toán lý thuyết, Paul Dirac tiên đoán bất kỳ một hạt cơ bản nào cũng có một phản hạt tương ứng tạo thành một cặp đôi cùng khối lượng, cùng lượng điện tích nhưng trái dấu. Hạt và phản hạt tiếp xúc với nhau sẽ huỷ lẫn nhau và giải phóng năng lượng. Hai năm sau, bằng thực nghiệm, Carl Anderson đã khám phá ra hạt positron-phản hạt của electron, xác nhận tiên đoán của Dirac hoàn toàn đúng đắn. Điều này phù hợp với nguyên lý đối xứng của tự nhiên. Tuy nhiên vũ trụ ngày nay có vẻ như bất đối xứng: Trong khi vật chất tràn ngập khắp nơi thì phản vật chất rất hiếm thấy. Đến nay người ta cũng chỉ mới thấy phản vật chất xuất hiện trong các va chạm của tia vũ trụ và trong các máy gia tốc hạt cơ bản. Các nhà khoa học gặp khó khăn lớn trong việc chứng minh sự tồn tại rõ ràng của thế giới phản vật chất như thế giới vật chất thông thường ta thấy hàng ngày. Có nhiều nhà khoa học nghĩ rằng phản vật chất không có trên trái đất mà chỉ tồn tại ở những nơi xa xôi trong vũ trụ. Để giải thích tính bất đối xứng của vũ trụ hiện tại, các nhà vũ trụ học lý luận rằng vũ trụ nguyên khai là đối xứng, vụ nổ Big Bang cách đây 15 tỷ năm đã tạo ra một số lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Nhưng ngay sau đó, phản vật chất đã bị biến mất trong cái biển năng lượng khủng khiếp do vụ nổ lớn tạo ra trước khi “thùng cháo” gồm các hạt quark và gluon nguội dần đi và đông cứng lại thành proton và neutron như ta thấy ngày nay. Lý thuyết này đã giải thích được rất nhiều hiện tượng vũ trụ, phù hợp với các lý thuyết cơ bản của vật lý, nên được đa số các nhà khoa học công nhận. Tuy nhiên nó vấp phải một chướng ngại lớn: Phản vật chất ấy biến đi đâu ? Trong nhiều năm qua người ta đã cố gắng tìm câu trả lời, nhưng chưa bao giờ đạt được kết quả, bởi vì các nhà khoa học chưa có cách nào kiểm soát được các phản hạt trong một trạng thái tương đối ổn định để nghiên cứu chúng.  Lần này CERN hy vọng sẽ làm được điều đó nhờ sự hỗ trợ của một chiếc máy mệnh danh là “nhà máy sản xuất phản vật chất” đầu tiên trên thế giới. Đó là một cái hộp khổng lồ bằng bêtông hình tròn, chu vi 188 m, bên trong được đặt một vòng nam châm cực lớn, được chế tạo đặc biệt để bẫy các hạt phản proton bằng cách làm chậm tốc độ của chúng xuống tới mức bằng 1/10 tốc độ ánh sáng, thậm chí đến chừng nào chúng không chuyển động nữa. Một khi đã bẫy được phản proton rồi, người ta sẽ tung positron (phản electron) vào đó, nhằm tạo ra phản hydrogen. Việc tìm kiếm phản hydrogen rất cần thiết đối với việc nghiên cứu sự hình thành của vũ trụ, vì hydrogen và phản hydrogen là những nguyên tố có cấu trúc nguyên tử đơn giản nhất (1 nguyên tử hydrogen=1 proton + 1 electron, 1 nguyên tử phản hydrogen= 1 phản proton + 1 phản electron) do đó chúng phải là những nguyên tố xuất hiện sớm nhất. Năm 1966, lần đầu tiên trên thế giới CERN đã tạo ra được 9 nguyên tử phản hydrogen, nhưng chỉ kịp nhìn thấy chúng biến mất ngay tức khắc khi chúng tiếp xúc với vật chất. Mục tiêu của CERN lần này là giữ được chúng lại để nghiên cứu. Chiếc máy làm chậm phản hạt được thiết kế nhằm mục tiêu ấy. Đó là chiếc máy duy nhất trên thế giới hiện nay, trị giá 11,5 triệu dollards, sẽ được đưa vào sử dụng trong tuần tới. Đây là một bằng chứng tuyệt vời để chứng minh rằng tiến bộ của công nghệ là điều kiện thiết yếu đối với sự phát triển của khoa học cơ bản. Phát ngôn viên của CERN, Neil Calder nói: “Đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể nghiên cứu và quan sát hành vi của phản hydrogen với một mức độ chính xác cự kỳ lớn bởi vì chúng tôi đã có công nghệ giữ phản hydrogen lại tại chỗ. Đây là một bước đột phá”.

05. Vật chất không khối lượng có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng

Đó là kết luận của Lijun Wang, Alexander Kuzmich và Arthur Dogariu tại Viện nghiên cứu NEC ở Princeton, New Jersey, Mỹ, trong một công trình vừa được công bố tuần trước trên Nature, tạp chí khoa học nổi tiếng, và được các hãng truyền thông lớn như Reuters, AP, Space.com nhất loạt đưa tin ngày 19-7-2000. Trong một thí nghiệm truyền một xung ánh sáng laser qua một buồng khí-một ống nghiệm hình trụ dài 6 cm chứa kim loại cesium ở thể khí được xử lý một cách đặc biệt không có trong tự nhiên dưới nhiệt độ gần 0 độ tuyệt đối (0 độ K), nhóm nghiên cứu NEC đã nhận thấy một hiện tượng kỳ lạ, tưởng như một “nghịch lý”: Xung ánh sáng này chuyển động quá nhanh đến nỗi điểm dẫn đầu (leading edge) của nó đã thực sự đi ra hẳn khỏi buồng khí tới 18m trước khi xung đi vào buồng khí xong hoàn toàn.  Theo tính toán, xung ánh sáng đã đi được một quãng đường dài gấp 310 lần so với khoảng cách nó sẽ phải đi nếu bên trong ống nghiệm là chân không, nghĩa là tốc độ ánh sáng trong thí nghiệm lớn gấp 310 lần so với tốc độ ánh sáng trong chân không !

Sự kiện này lập tức làm bùng nổ  một cuộc tranh luận dữ dội trong giới vật lý trong tuần qua. Theo Thuyết Tương Đối (hẹp) của Einstein, tốc độ của ánh sáng trong chân không (299792km/1giây) được coi là tốc độ giới hạn của vũ trụ. Nói cách khác, trong vũ trụ không có cái gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong chân không. Trong suốt gần một thế kỷ qua, nguyên lý này đã được thừa nhận như một tiên đề nền tảng của vật lý hiện đại. Nếu kết luận của nhóm NEC đúng thì toà nhà vật lý sẽ lung lay ! Đó là điều không dễ dàng chấp nhận tí nào. Không có gì ngạc nhiên khi nhiều nhà khoa học lên tiếng chỉ trích. Aephraim Steinberg tại Đại học Toronto, Canada, tỏ ra nghi ngờ: “Hạt ánh sáng đi ra khỏi buồng khí có thể không phải là những hạt ánh sáng đã đi vào buồng khí”. Maia Weinstock, một ký giả khoa học nổi tiếng, viết: “Hiện tượng xung ánh sáng đi ra khỏi buồng khí trước khi đi vào buồng khí dường như không thể xảy ra vì nó trái với quy luật nhân quả, theo đó nguyên nhân phải có trước, kết quả có sau”. William Harper tại Đại học Princeton cho rằng cần phải xem xét lại các dữ liệu của thí nghiệm, bởi vì những vấn đề trình bày trong thí nghiệm của của nhóm NEC mang tính chất cục bộ nhiều hơn là một bài toán tổng quát. Tuy nhiên những người ủng hộ nhóm NEC cũng không ít. Một trong số đó, có thể là nhiệt thành nhất, là Raymond Chiao tại Đại học California ở Berkeley. Chiao nói: “Đây là bước đột phá đối với việc nhận thức cái mà bấy lâu nay mọi người nghĩ là không thể. Điều này có vẻ điên rồ nhưng thực tế hoàn toàn có thể xảy ra”. Bản thân Chiao, hoàn toàn độc lập với nhóm NEC, cũng tiến hành những thí nghiệm tương tự sử dụng trường điện từ. Đầu năm nay Chiao đã công bố những thí nghiệm của mình với kết luận các xung năng lượng có thể tăng vọt (zooming) với tốc độ nhanh hơn ánh sáng trong chân không. Với tốc độ vượt ánh sáng, các hạt dưới nguyên tử có thể tồn tại dường như cùng một lúc ở hai nơi, vượt qua giới hạn không-thời gian thông thường có thể nhận thức được. Chiao chứng minh rằng hạt ánh sáng (photons) có thể có mặt gần như đồng thời cùng một lúc giữa hai điểm bị ngăn cách bởi một màng ngăn. Hiện tượng này gọi là quang thông (tunnelling), được ứng dụng trong việc chế tạo kính hiển vi điện tử cực nhạy. Tại châu Âu, việc nghiên cứu tìm tòi khả năng vật chất chuyển động vượt tốc độ ánh sáng cũng diễn ra sôi nổi. Tại Italia, một nhóm nghiên cứu thuộc Hội đồng nghiên cứu quốc gia cũng công bố một thí nghiệm truyền một loại sóng cực ngắn (vi-ba) nhanh hơn ánh sáng tới 25%. Tại Đức, Guenter Nimtz ở Đại học Cologne cũng đã trình bày tại một hội thảo quốc tế tại Edinburg về nhận định vật chất có thể chuyển động vượt tốc độ ánh sáng. Thí nghiệm của nhóm NEC không phải là công trình đầu tiên về đề tài này. Tuy nhiên đó là công trình mới nhất và cho những kết qủa rõ ràng nhất. Bản thân nhóm NEC không coi khám phá của mình là điều mâu thuẫn với Thuyết tương đối của Einstein, mà như một sự phát triển mở rộng lý thuyết này. Theo nhóm này, nguyên lý tốc độ ánh sáng từ nay cần được hiểu một cách chính xác hơn như sau: Trong vũ trụ, không có một vật có khối lượng nào có thể chuyển động vượt quá tốc độ ánh sáng trong chân không, nhưng vật chất không có khối lượng thì có thể. Xung ánh sáng trong thí nghiệm của nhóm NEC, xung năng lượng trong thí nghiệm của Chiao, sóng vi-ba trong thí nghiệm của các nhà khoa học Italia là những dạng vật chất không có khối lượng. Nhóm NEC giải thích nguyên nhân gây ra “nghịch lý” trong thí nghiệm của họ như sau: “Các nguyên tử cesium đã tác động đến xung ánh sáng, biến đổi tính chất của ánh sáng, cho phép xung đi ra khỏi buồng khí nhanh hơn ánh sáng trong chân không. Điểm dẫn đầu của xung ánh sáng chứa đựng đầy đủ mọi thông tin cần thiết để tạo ra một xung ở đầu ra cuả buồng khí, do đó không cần phải đợi toàn bộ xung đi vào buông khí thì mới có xung đi ra”. Nhóm NEC cho rằng hiểu biết của khoa học hiện nay về bản chất của ánh sáng vẫn chưa đầy đủ và thí nghiệm của họ sẽ giúp hiểu rõ hơn về bản chất đó.

Thực ra “Nghịch lý chuyển động vượt tốc độ ánh sáng” không phải là “chuyện từ trên trời rơi xuống” mà là kết quả của những tư tưởng vật lý đã thai nghén trong đầu óc một số nhà vật lý lý thuyết lâu nay. Sau Einstein, nhiều nhà vật lý đã đi đến phát minh từ chỗ dám “nghi ngờ Einstein”. Từ chỗ nghi ngờ mô hình vũ trụ tĩnh của Einstein, nhà vật lý Nga Alexsandr Friedmann đã tìm ra mô hình vũ trụ động, một trong những lý thuyết khởi đầu dẫn tới Lý thuyết vũ trụ dãn nở và Lý thuyết Big Bang sau này. Ngày nay, khoa học vật lý gặp phải nhiều bài toán lớn cực kỳ khó khăn, đòi hỏi phải có những lý thuyết hoàn toàn mới để đáp ứng. Một số nhà khoa học đã nghĩ tới cách “sửa chữa mô hình của Einstein” để vượt qua những chướng ngại đó. Một trong những cách “sửa chữa” đó là xét lại nguyên lý giới hạn tốc độ vũ trụ. John Barrow, giáo sư thiên văn Đại học Sussex, London, viết trong cuốn “Bất Khả” (Imposibility) xuất bản năm 1998: “Vấn đề giới hạn tốc độ vũ trụ dẫn tới nhiều hậu quả không bình thường. Nó làm cho chúng ta trở nên cô đơn trong vũ trụ. Bởi vì cần phải có một thời gian khổng lồ để gửi thông tin đi hoặc nhận thông tin từ các hệ thống sao khác trong vũ trụ thông qua ánh sáng, vì ánh sáng có tốc độ giới hạn…Nếu tốc độ ánh sáng không bị giới hạn thì thông tin sẽ nhận được tức khắc ngay sau khi nó khởi hành…”. Rõ ràng vấn đề tốc độ vượt ánh sáng đã là mơ ước của các nhà khoa học bấy lâu nay. Thí nghiệm của nhóm NEC là sự tiếp tục cuộc hành trình của một bộ phận khoa học từ nhiều năm nay với mục tiêu biến giấc mơ thành hiện thực. Nếu nhóm NEC đúng thì ý kiến của Barrow sẽ trở thành tiên tri !

Quả thật nếu kết luận của nhóm NEC được kiểm chứng bởi toàn bộ giới khoa học thì ngoài ý nghĩa rất to lớn về lý thuyết, công trình này còn hứa hẹn cho ra đời một công nghệ thông tin hoàn toàn mới, có tốc độ nhanh gấp bội bội so với hiện nay. Dogariu nói: “Thông tin về căn bản là những xung. Nếu tạo ra được những môi trường trung gian thích hợp để các xung lan truyền thì chúng có thể đạt tới tốc độ nhanh hơn một chùm ánh sáng”. Theo Nimtz, việc này về nguyên tắc hoàn toàn có thể trở thành hiện thực, vấn đề là phải có những computer có tốc độ xử lý tín hiệu nhanh tương xứng, nếu không thông tin sẽ bị tắc nghẽn tại những trung tâm xử lý. Công trình của nhóm NEC cho một gợi ý để tạo ra những computer siêu tốc như thế bằng cách chế tạo những mạch thông tin của computer mang thông tin không phải bằng các hạt điện tử mà bằng các hạt photons. Chiao thốt lên: “Đó là ý tưởng ứng dụng vô cùng quan trọng”. Tất nhiên chưa thể vội lạc quan. Chính Dogariu cũng cho rằng những ứng dụng nói trên mới chỉ là những ý tưởng, chưa thể xảy ra trong tương lai gần.

Mặc dù “Nghịch lý về tốc độ ánh sáng” còn đang chờ đợi sự phán xét của khoa học, nhưng có một điều đã rõ ràng: Công trình của nhóm NEC hứa hẹn nhiều khám phá lớn mang tính cách mạng sẽ ra đời. Kinh nghiệm cho thấy mỗi cuộc cách mạng khoa học thường bắt đầu từ những nghịch lý. Phát minh “Bản đồ gien con người” là một biến cố vĩ đại mở màn cho thế kỷ 21, kết quả sau hai thế kỷ kể từ lý thuyết di truyền của Gregor Mendel, lý thuyết này là sự chiến thắng các nghịch lý di truyền cổ điển. Vật lý thế kỷ 21 chắc chắn cũng sẽ có những biến cố lớn. Phải chăng sự kiện xung ánh sáng phá vỡ giới hạn tốc độ của chính nó trong thí nghiệm của nhóm NEC là một báo hiệu mở màn ? Có thể nghi ngờ, nhưng ngay cả những người nghi ngờ cũng phải thừa nhận rằng đây là một công trình hết sức quan trọng. Steinberg, một trong số đó, nói: “Điều hấp dẫn là ở chỗ làm thế nào mà lại tạo ra được cái ánh sáng ra khỏi buồng khí giống hệt như ánh sáng đi vào buồng khí” (vì Steinberg không tin rằng hai ánh sáng đó là một). Rõ ràng công trình của NEC là một điểm xuất phát.

06. Máy gia tốc LHC và những bài toán lớn nhất của thế kỷ 21

Những cuộc va chạm dữ dội với số lượng lớn của các hạt quarks đã xảy ra lần cuối cùng từ hàng tỷ năm trước đây, kéo dài trong một phần nghìn tỷ giây đầu tiên của Big Bang. Những vụ nổ như thế sẽ lại tái diễn vào năm 2005 trong một đường ống chạy vòng tròn dưới lòng đất vùng biên giới Pháp-Thụy Sĩ, gần Geneve.

Đó là giới thiệu của Scientific American số tháng 7/2000 về chiếc máy gia tốc vĩ đại nhất thế giới hiện nay, mang tên LARGE HADRON COLLIDER (LHC) thuộc Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Âu châu (CERN), vừa được khởi công xây dựng và dự định hoàn tất sau 5 năm, nhằm giải những bài toán vật lý lớn nhất của thời đại ngày nay :

1.       Những câu hỏi thách đố Mô Hình Tiêu Chuẩn :

Bức tranh vật lý mô tả thế giới vật chất tổng quát nhất hiện nay là Mô Hình Tiêu Chuẩn (Standard Model), trong đó các thành phần cơ bản của vật chất gồm 6 leptons và 6 quarks, với 3 trong 4 lực kiểm soát mối quan hệ tương tác giữa chúng. Một trong các lực đó là lực hạt nhân mạnh tác động lên các quarks, gắn chúng lại với nhau thành hàng trăm hadrons. Protons và neutrons là những hadrons. Phần còn lại của lực mạnh gắn protons và neutrons lại với nhau thành hạt nhân nguyên tử. Hai lực kia là lực hạt nhân yếu và lực điện từ. Mô Hình Tiêu Chuẩn đã chứng minh hai lực này có cùng bản chất gọi là lực điện-từ-yếu. CERN đã xác nhận điều này bằng thực nghiệm năm 1984. Những thành công rực rỡ trong 30 năm qua đã đem lại cho Mô Hình Tiêu Chuẩn 20 giải Nobel vật lý, nhưng một loạt câu hỏi hóc búa vẫn chưa được trả lời :

•        Lực hấp dẫn đóng vai trò gì trong quan hệ giữa các thành phần cơ bản ?   Sự  thiếu vắng vai trò của lực

hấp dẫn làm cho Mô Hình Tiêu Chuẩn chưa ăn khớp với Thuyết tương đối tổng quát của Einstein, trong đó lực hấp dẫn đóng vai trò chủ yếu trong các tương tác vũ trụ.

•        Tại sao lại có 6 leptons, 6 quarks, thay vì 2, hoặc 4 ?  Tại  sao  số  leptons và số quarks lại bằng nhau ?

Đây chỉ là sự ngẫu nhiên chăng ? Những điều này làm cho Mô Hình Tiêu Chuẩn có tính khiên cưỡng.

•        Cơ chế nào tạo ra khối lượng của nhiều loại vật chất ?   Đây  là  đề  tài thách đố nhất, nhưng cũng hấp

dẫn nhất, bởi vì vấn đề khối lượng đóng vai trò nền tảng trong khoa học. Chẳng hạn sự biến đổi khối lượng của electron sẽ làm thay đổi mọi chất hoá học, hoặc khối lượng của neutrino mới phát hiện gần đây, mặc dù chỉ bằng một vài phần triệu của electron, lại ảnh hưởng đến sự dãn nở vũ trụ.

2.       Tồn tại một trường vật chất và một dạng tương tác hoàn toàn mới ?

Các nhà vật lý hiện nay tin rằng khối lượng các hạt được tạo ra bởi các tương tác với một trường vật chất nào đó tràn ngập toàn bộ vũ trụ, tương tác càng mạnh thì khối lượng càng lớn. Bản chất trường này là gì hiện nay chưa biết. Người ta cho rằng nó bao gồm một loại hạt hoàn toàn mới lạ gọi là Higgs bosons, với một lực tương tác cũng hoàn toàn mối lạ. Higgs bosons, nếu có, đồng thời sẽ làm bằng chứng cho không-thời gian siêu đối xứng cục bộ (local supersymmetry) 11 chiều của lý thuyết dây (string theory), một lý thuyết có nhiều triển vọng hợp nhất Thuyết tương đối tổng quát của Einstein với Cơ học lượng tử.

3.       Chạy đua với Big Bang:

Lý thuyết Big Bang là lịch sử các tương tác vật chất bùng nổ vào thời điểm khai sinh vũ trụ cách đây 15 tỷ năm. Lịch sử đó có chính xác hay không ? Các nhà vũ trụ học không thoả mãn với các tính toán lý thuyết, mà đòi hỏi phải diễn lại lịch sử y như thật ! “Sàn diễn” chỉ có thể là các máy gia tốc.

Để giải những bài toán thế kỷ nói trên, phải có một máy gia tốc đủ mạnh. Để bẻ cong chùm proton đi vòng quanh đường ống dài 27 km, LHC phải duy trì được một từ trường mạnh 8,3 tesla (bằng 100000 lần từ trường trái đất), tạo ra bởi một dòng điện 12000 amps được làm lạnh bởi chất helium siêu lỏng (superfluid) ở nhiệt độ –271 độ C, tức 2 độ trên 0 độ tuyệt đối. Với một ‘kỳ quan” công nghệ như thế, các nhà khoa học sẽ khám phá được nơi “tận cùng của thế giới”–nơi kích thước rút lại chỉ còn 1/10 tỷ tỷ của 1m !

07. Giữ ánh sáng đứng nguyên tại chỗ

Các nhà khoa học vừa mới thành công trong nỗ lực làm cho một chùm sáng bị dừng lại hoàn toàn, lưu trữ chúng, rồi cho chúng chuyển động trở lại theo lộ trình ban đầu. Đó là tin của tờ The New York Times ngày 18-1-2001. “Thành tựu này là một bước ngoặt kỳ diệu bởi đây là lần đầu tiên người ta đã chế ngự được một dạng năng lượng nhanh nhất và nhẹ nhất của tự nhiên, cho phép hiểu rõ những khái niệm hiện còn mang tính lý thuyết trong việc làm tăng gấp bội tốc độ của computers và mức độ an toàn của thông tin”. Hai nhóm vật lý làm việc độc lập cùng đạt được kết quả này. Một là nhóm của tiến sĩ Lene Vestergaard Hau thuộc Đại học Harvard. Hai là nhóm của các tiến sĩ Ronald Walsworth và Mikhail Lukin tại Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian.

ánh sáng chuyển động thông thường với tốc độ 299792 km/giây trong không gian. Trong các môi trường trung gian quen thuộc như nước, thuỷ tinh, tinh thể, ánh sáng bị chậm lại một chút và bị lệch hướng–hội tụ hoặc phân kỳ tuỳ theo thấu kính lồi hay lõm, tạo thành quang phổ khi đi qua lăng kính. Bằng việc sử dụng một hiệu ứng liên hệ ít nhiều đến những tính chất đó nhưng với một công suất mạnh hơn nhiều, các nhà khoa học lần đầu tiên đã làm cho một chùm sáng yếu đi dần dần trong một môi trường bao gồm những buồng đặc biệt chứa khí gaz. Trong môi trường đó ánh sáng chuyển động chậm dần rồi tiến tới ngừng hẳn. Sau đó người ta lại phóng ra một chùm sáng mới qua buồng gaz, kích thích chùm sáng ban đầu chuyển động trở lại, ra khỏi buồng gaz với hình dạng, cường độ, và các tính chất khác gần giống hệt như trước khi đi vào buồng gaz. Tiến sĩ Seth Lloyd tại Viện công nghệ Massachusetts nhận xét: “Điều chủ yếu là ánh sáng đã bị tắc nghẽn trong môi trường này, chúng không thể nào ra khỏi đó đến chừng nào các nhà khoa học chưa tác động. Chưa ai từng nghĩ là ánh sáng có thể bị kiềm chế như thế”. Điều này vô cùng quan trọng đối với công nghệ computer lượng tử và thông tin lượng tử trong tương lai. Cả hai công nghệ này đều phụ thuộc chủ yếu vào khả năng ánh sáng chuyển tải thông tin lượng tử, liên quan đến những hạt có thể tồn tại ở nhiều nơi hoặc nhiều trạng thái cùng một lúc. Về mặt lý thuyết, computer lượng tử có thể thực hiện những phép tính nhanh gấp bội so với computer hiện nay, thông tin lượng tử có thể bảo đảm bí mật gần như tuyệt đối. Trong cả hai hệ thống này, thay cho dòng điện như hiện nay, ánh sáng trở thành vật chất thiết yếu để tạo ra những mạng nối kết rộng lớn giữa các computers. Nhưng từ bấy lâu nay các nhà khoa học vấp phải bài toán cực kỳ hóc búa là làm sao lưu trữ được ánh sáng, dù chỉ tạm thời trong một thời gian.

Thành tựu kiềm chế ánh sáng của các nhà khoa học nói trên đã cung cấp lời giải căn bản. Lloyd nhận định đây là bước ngoặt trên con đường biến công nghệ computer lượng tử và thông tin lượng tử thành hiện thực. Một báo cáo đầy đủ về phát minh này sẽ được công bố trên tạp chí Physical Review Letters số ra ngày 29 tháng 1 sắp tới.

08. Sóng hấp dẫn-Hòn đá thử vàng của vũ trụ học

Trải qua một thời gian dài nghiên cứu nguồn gốc vũ trụ nhưng đến nay các nhà vũ trụ học vẫn chưa có cách nào kiểm chứng được vũ trụ lúc mới ra đời để thẩm định giá trị lý thuyết của họ. Tuy nhiên trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu đã đưa ra một phương pháp cho phép quan sát vũ trụ đúng vào thời điểm ngay sau Big Bang. Phương pháp này đòi hỏi phải tìm được dấu vết của sóng hấp dẫn trong nền vi sóng vũ trụ–nền bức xạ lạnh đã thấm vào vũ trụ trong suốt gần 15 tỷ năm qua.

Đó là lời mở đầu của Robert Candwell và Marc Kamionkowski trong bài “Echoes from the Big Bang” (Tiếng Vọng từ Big Bang) trên Scientific American số mới ra tháng 1 năm 2001.

Sóng hấp dẫn là gì ? Tính chất của nó ra sao ? Tại sao lại dùng nó để kiểm chứng Big Bang ?

Ngay từ năm 1918, Albert Einstein đã tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn (gravitational waves) như là hệ quả tất yếu của Thuyết Tương Đối Tổng Quát của ông. “Theo lý thuyết này, bất kỳ một hệ thống vật lý nào chứa đựng những chuyển động nội tại phi đối xứng cầu sẽ tạo ra sóng hấp dẫn”. Mặc dù sóng hấp dẫn chưa bao giờ được phát hiện trực tiếp, nhưng những quan sát thiên văn đã xác nhận rằng hai vật thể có mật độ tập trung vật chất cực lớn trong vũ trụ như một cặp sao neutron hoặc hai hốc đen nếu “chuyển động cuốn vào nhau” (spiral toward each other) thì sẽ sản ra sóng hấp dẫn. Nếu sóng điện từ (tia X, sóng radio, ánh sáng) chuyển dời những xáo động (disturbances) trong trường điện từ thì tương tự như vậy sóng hấp dẫn chuyển dời những xáo động trong trường hấp dẫn. Và cũng giống như sóng điện từ, sóng hấp dẫn có thể chuyển tải thông tin và năng lượng từ các nguồn phát ra chúng. Tuy nhiên sóng hấp dẫn có thể đi xuyên qua những loại vật chất có khả năng thẩm thấu mọi loại bức xạ điện từ. Nếu tia X cho phép các bác sĩ nhìn được xuyên qua những vật liệu mà ánh sáng không thể đi qua thì sóng hấp dẫn cho phép các nhà nghiên cứu nhìn thấy những hiện tượng vật lý thiên thể mà không thể có cách nào khác nhìn thấy.

Theo lý thuyết Big Bang, ngay sau vụ nổ lớn vũ trụ bị dãn nở đột ngột. Thời kỳ dãn nở đột ngột  diễn ra trong khoảnh khắc cực ngắn từ lúc 10-38 của 1 giây đến lúc 10-36 của 1 giây kể từ lúc bắt đầu của Big Bang. Trong khoảnh khắc này, các quá trình lượng tử sẽ sản sinh ra sóng hấp dẫn. Các sóng này sẽ lan truyền xuyên qua một thể vật chất đặc biệt lấp đầy vũ trụ ngay từ buổi ban đầu gọi là plasma–một “thùng cháo” vũ trụ đặc quánh, nóng bỏng tràn ngập các hạt cơ bản. Vũ trụ plasma này tồn tại suốt trong 500000 năm đầu tiên và cản trở không để cho các bức xạ điện từ lọt qua, bởi lẽ bất kỳ hạt photon nào được phát đi đều bị chuyển động tán loạn ngay lập tức trong cái “thùng cháo” đó. Vì thế ngày nay không thể nhận được bất kỳ tín hiệu điện từ nào xẩy ra từ Big Bang. Nói cách khác, không thể trông cậy vào bức xạ điện từ để kiểm chứng Big Bang. Trong khi đó, sóng hấp dẫn sinh ra từ quá trình dãn nở đột ngột vẫn có thể lan truyền xuyên qua plasma để “vang vọng” mãi đến tận 15 tỷ năm sau, tức là cho đến tận ngày nay để làm chứng nhân cho lịch sử của vũ trụ. Candwell và Kamionkowski viết: “Bởi vì bức xạ hấp dẫn cung cấp một bức ảnh chớp nhoáng của vũ trụ vào thời điểm ban đầu nên nó đã trở thành hòn đá thử vàng (Rosetta stone) của vũ trụ học”.

Nhắm mục tiêu tìm kiếm “hòn đá thử vàng ấy”, trong năm nay NASA sẽ phóng lên không gian một con tầu mang tên MAP (Microwave Anisotropy Probe) để lập một bản đồ vi sóng vũ trụ cho toàn bộ bầu trời. Đến năm 2007, Cơ quan không gian Âu châu sẽ phóng lên không gian con tầu mang tên nhà bác học lượng tử Max Planck, cũng với mục tiêu tương tự. Các nhà vũ trụ học hy vọng với những cố gắng phi thường này, mối băn khoăn từ ngàn đời nay “Vũ trụ từ đâu mà ra ?” sẽ được trả lời dứt khoát trong thế kỷ của chúng ta.

09. Thí nghiệm  “Muon  G – 2” đòi hỏi một lý thuyết vật lý mới

Mô Hình Tiêu Chuẩn (Standard Model) của vật lý các hạt cơ bản, một lý thuyết đã chống cự được thách thức của thực nghiệm trong suốt 30 năm qua, cuối cùng có thể đang lộ ra các vết nứt”. Alex Walker, biên tập viên khoa học của hãng tin CNN bình luận như vậy sau khi tạp chí Physical Review Letters tháng 2-2001 công bố thí nghiệm “Muon G-2” của Viện nghiên cứu quốc gia Brookhaven của Mỹ, trong đó kết quả đo đạc tỏ ra không phù hợp với Mô Hình Tiêu Chuẩn, một lý thuyết vật lý các hạt cơ bản đang thịnh hành hiện nay.

Mặc dù nhóm thí nghiệm cho biết họ cần phải mất thêm ít nhất một năm nữa để hoàn thành việc phân tích hàng núi dữ liệu và để bảo đảm chắc chắn những kết quả tìm thấy không sai lầm, nhưng Gerry Bunce, người quản lý dự án thí nghiệm, khẳng định: “Hiện chúng tôi tin chắc đến 99% rằng những tính toán hiện tại của Mô Hình Tiêu Chuẩn không mô tả được dữ kiện của chúng tôi”.

Mô Hình Tiêu Chuẩn là một lý thuyết vật lý về các trường của các hạt cơ bản, xuất hiện vào những năm 1960 do nhu cầu tìm kiếm một bức tranh thống nhất cho toàn bộ vật lý. Khát vọng khám phá ra bản chất chung của các hiện tượng vật lý vốn là một trong những mục tiêu nguyên thủy của vật lý, nhưng nó đã bùng cháy thành một tư tưởng trung tâm của vật lý hiện đại bắt nguồn từ những suy nghĩ thiên tài của Albert Einstein. Ngay sau Thuyết Tương Đối Tổng Quát, với tham vọng thống nhất trường hấp dẫn với trường điện từ, Einstein đã cống hiến toàn bộ phần còn lại của cuộc đời cho Lý Thuyết Trường Thống Nhất (UFT-Unified Field Theory), nhưng không thành công. Hậu thế đã tiếp tục sự nghiệp đó với tham vọng thống nhất tất cả 4 loại tương tác đã biết – lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu (lực đáp ứng  sự biến đổi qua lại giữa neutrons và protons trong các quá trình phóng xạ), và lực hạt nhân mạnh (lực giữ neutrons và protons lại với nhau trong hạt nhân nguyên tử và giữ các hạt quarks lại với nhau trong neutrons và protons). Trong bối cảnh đó, Mô Hình Tiêu Chuẩn ra đời với thành công rực rỡ đầu tiên phải kể đến là công trình của Steven Weinberg, Abdus Salam, Sheldon Glashow, trong đó chỉ ra rằng tương tác điện từ và tương tác yếu chỉ là 2 biểu hiện khác nhau của cùng một tương tác chung gọi là tương tác điện-từ-yếu. Công trình này đoạt được giải Nobel vật lý năm 1979 và được xác nhận bằng thực nghiệm năm 1983-84 bởi CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Âu châu). Ngay lập tức các nhà khoa học tìm cách thống nhất lực điện-từ-yếu với lực hạt nhân mạnh, nhưng chẳng bao lâu đã nhận ra rằng mục tiêu này chỉ có thể thực hiện được nếu bao gồm cả lực hấp dẫn vào trong đó. Đây là bài toán cực kỳ vĩ đại và khó khăn. Trong những năm qua, nhiều mô hình toán học vô cùng phức tạp đã xuất hiện nhằm đáp ứng mục tiêu đó-vừa mô tả được những đặc trưng lượng tử của thế giới dưới nguyên tử, vừa mô tả được các đặc trưng hấp dẫn của không gian vũ trụ-trong đó có 2 mô hình được chú ý nhiều nhất là lý thuyết Siêu Đối Xứng (Supersymmetry) và lý thuyết Siêu Dây (Super Strings). Tuy nhiên m•i cho đến gần đây vẫn chưa có thực nghiệm nào đi chệch khỏi Mô Hình Tiêu Chuẩn để chứng tỏ sự cần thiết của những lý thuyết mới này.

Nhưng mọi nhận định đã thay đổi kể từ lúc “Muon G – 2” được công bố.

David Hertzog, giáo sư Đại học Illinois tham gia chương trình “Muon G – 2” cho biết: “Muon là một hạt tương tự như electron nhưng nhẹ hơn. Giống như electron, muon cũng có một tính chất gọi là spin. Spin này từ từ thay đổi góc quay trong từ trường giống y như một con quay. Việc đo mức độ bất thường về spin của muon-tức là tốc độ thay đổi hướng của spin so với tốc độ quay của muon-rồi sau đó so sánh với những dự đoán của lý thuyết sẽ cung cấp một phương thức kiểm tra nhậy bén đối với Mô Hình Tiêu Chuẩn. Với độ chính xác cao, kết quả đo lường đã thể hiện một mức độ sai lệch như trêu ngươi đối với Mô Hình Tiêu Chuẩn đến nỗi đòi hỏi phải có một lý thuyết mới để giải thích”. Lý thuyết ấy, theo các nhà khoa học, là lý thuyết “Siêu đối xứng”, trong đó tiên đoán với mỗi hạt cơ bản đã biết luôn luôn tồn tại một hạt siêu đối xứng đi kèm theo. Hạt siêu đối xứng này chưa hề được phát hiện trực tiếp, nhưng có thể chính nó đã là nguyên nhân gây ra những sai lệch về spin của muon so với dự đoán của Mô Hình Tiêu Chuẩn. Tờ The Washington Post đưa tin chi tiết: “Những phép đo đạt được độ chính xác chưa từng có đã cho thấy cường độ từ tính của muon cao hơn so với dự đoán của Mô Hình Tiêu Chuẩn. Điều này có thể phản ánh ảnh hưởng của những hạt siêu đối xứng đi kèm. Nếu công nhận sự tồn tại của những hạt này thì có thể giải quyết được những vướng mắc về mặt toán học cuả Mô Hình Tiêu Chuẩn”.

Lee Roberts, nhà vật lý thuộc Đại học Boston kiêm phát ngôn viên của thí nghiệm, tuyên bố: “Công trình này có thể mở ra một thế giới chinh phục hoàn toàn mới đối với những nhà vật lý quan tâm đến những lý thuyết mới, chẳng hạn như lý thuyết siêu đối xứng, mà trước đây không thể kiểm chứng được. Chúng tôi có thể đã tóm bắt được một cái gì đó thực sự mới mẻ vừa thoáng hiện”.

Kết luận: Có thể còn quá sớm để đưa ra một kết luận khẳng định vào lúc này, bởi vì chúng ta còn phải chờ ít nhất một năm nữa để các nhà khoa học hoàn tất các số liệu của “Muon G – 2”. Nhưng dường như đằng sau 30 năm ngự trị của Mô Hình Tiêu Chuẩn, một lý thuyết mới đã lấp ló để chuẩn bị cung cấp cho khoa học những hiểu biết về những hạt vật chất mới với những tính chất hoàn toàn mới, có thể là siêu đối xứng, từ đó tiến thêm một bước gần tới cái đích của mơ ước vĩ đại-mơ ước nhìn thấy bức tranh thống nhất của thế giới tự nhiên mà vật lý hằng theo đuổi.

10. Thực nghiệm xác nhận Lý thuyết dãn nở lạm phát

Lý thuyết dãn nở lạm phát trong Lý thuyết BIG BANG, một trong những thành tựu vĩ đại nhất của loài người trong thế kỷ 20, đã được xác nhận bằng thực nghiệm !

Ngày 30-4-2001 và 2-5-2001, tờ The Chicago Tribune loan tải một thông tin khoa học quan trọng vào bậc nhất của vật lý và vũ trụ học: Trong hội nghị của Hội Vật Lý Mỹ vừa được tổ chức tại Washington, các nhà thiên văn thuộc Đại học Chicago đã công bố những bằng chứng thiên văn xác nhận sự tồn tại của những bức xạ phát ra từ sự dãn nở lạm phát (inflation) của vũ trụ ngay sau vụ nổ lớn, đúng như Lý Thuyết Big Bang dự đoán.

Lý Thuyết Big Bang với biến thể của nó là Lý thuyết dãn nở lạm phát do Alan Guth thuộc Viện công nghệ Massachusetts MIT sáng tạo năm 1980 cho rằng 15 tỷ năm trước đây vũ trụ của chúng ta là một điểm vật chất vô cùng nhỏ với mật độ tập trung vật chất vô cùng lớn. Ngay sau vụ nổ lớn (big bang), điểm vật chất ấy dãn nở với tốc độ nhanh khủng khiếp. Sự dãn nở lạm phát diễn ra trong một khoảnh khắc cực kỳ ngắn ngủi và sản ra một loại sóng đặc biệt. Các sóng này lan truyền thông qua plasma-một thể vật chất đặc biệt lấp đầy vũ trụ ngay từ buổi ban đầu-để “vang vọng” mãi cho đến tận  ngày nay. Lý thuyết dãn nở lạm phát được đánh giá là nội dung quan trọng nhất của Lý thuyết Big Bang vì nhờ nó người ta có thể giải thích được hàng loạt hiện tượng căn bản của vũ trụ, chẳng hạn hiện tượng vật chất co cụm lại thành từng tập hợp sao như các thiên hà, siêu thiên hà, v.v…. Vì thế, việc kiểm chứng sự tồn tại của các sóng phát ra từ sự dãn nở lạm phát trở thành bài toán thực nghiệm quan trọng nhất của vật lý và vũ trụ học cuối thế kỷ 20 đầu thế kỷ 21 nhằm kiểm chứng Lý thuyết Big Bang.

Năm ngoái, một nhóm nhà thiên văn của Đại học Chicago do John Carlstrom dẫn đầu đi về Châu Nam Cực (Antartica) để thực hiện một chương trình quan sát thiên văn tốn kém tới 3 triệu dollars. Khí hậu khô và loãng tại Nam Cực cho phép các nhà nghiên cứu có thể chụp được những bức ảnh chi tiết của bức xạ nền (background radiation) mờ nhạt đến từ mọi phía trên bầu trời mà các nhà khoa học tin rằng trong đó sẽ chứa đựng những di ảnh yếu ớt của Big Bang. Nhờ kính viễn vọng DASI (Degree Angular Scale Interferometer) cho phép phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ  trên bức xạ nền, nhóm của Carlstrom cuối cùng đã chụp được những bức ảnh chớp nhoáng cho thấy trên bức xạ nền có những dấu vết gợn lăn tăn–những sóng đặc biệt có dạng một chóp nhọn lớn được kèm theo bởi hai chóp nhọn nhỏ, đúng như dạng sóng đặc biệt mà Lý thuyết Big Bang đã dự đoán. Trong cuộc chạy đua vơi Đại học Chicago, tuy về đích muộn hơn nhưng các nhà thiên văn thuộc Viện công nghệ California và Đại học Caltech cũng đi đến kết quả tương tự một cách hoàn toàn độc lập.

Thí nghiệm của Đại học Chicago hôm nay đối với Lý thuyết Big Bang có thể so sánh với thí nghiệm nổi tiếng của Arthur Eddington năm 1919 nhằm kiểm chứng Thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Thuyết tương đối tổng quát là một sáng tạo vĩ đại đầu thế kỷ 20. Lý thuyết Big Bang là một sáng tạo vĩ đại của nửa sau thế kỷ 20. Nếu không có thí nghiệm của Eddington, có thể còn lâu nữa Thuyết tương đối mới được hoàn toàn thừa nhận. Nếu không có thí nghiệm của Đại học Chicago thì không biết đến bao giờ Lý thuyết Big Bang mới hoàn toàn thuyết phục được toàn thể mọi người. Khi bà Elsa, vợ của Einstein, đưa cho Einstein xem tấm ảnh chụp bản đồ sao do thí nghiệm của Eddington thực hiện cho thấy ánh sáng bị lệch khi đi qua gần mặt trời đúng như Thuyết tương đối dự đoán, Einstein đã kêu lên thán phục: “Kỹ thuật chụp ảnh ngày nay mới tuyệt vời làm sao !”. Và bây giờ, sau lần đầu tiên được kiểm tra dữ kiện của Đại học Chicago, giáo sư thiên văn Martin White tại Trung tâm vật-lý-thiên-văn Harvard-Smithsonian cũng phải thốt lên: “Ôi, thật là tuyệt, thật là kinh ngạc. Suốt 20 năm nay các nhà lý thuyết vẫn nói rằng điều này sẽ xẩy ra. Nhưng được chứng kiến nó thực sự xẩy ra thật là điều không thể tưởng tượng được”. Trong khi đó Marc Kamionkowski, giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Caltech, nhấn mạnh đến ý nghĩa lịch sử của sự kiện: “100 năm nữa mọi người sẽ còn phải nói về thí nghiệm này. Tất cả chúng ta đều nghĩ rằng trước sau thể nào điều này cũng xẩy ra, nhưng tôi chưa bao giờ nghĩ rằng chúng ta sẽ có mặt ở đây vào năm 2001 để bàn về nó”. Bản thân các thành viên của nhóm thiên văn Đại học Chicago cũng bị choáng váng. Một thành viên xuất sắc trong nhóm, Micheal Tumer, người đã từng nổi tiếng với lý thuyết hình thành các thiên hà dựa trên lý thuyết dãn nở nhanh, kêu lên “Kết quả thật tuyệt vời!”, và nhấn mạnh ý nghĩa của lý thuyết dãn nở lạm phát mà thí nghiệm đã xác nhận: “Không có dãn nở lạm phát thì không có chúng ta, bởi vì nó giải thích tại sao từ những hạt cơ bản có thể hình thành nên mọi cấu trúc trong vũ trụ. Không có nó (dãn nở lạm phát) thì vũ trụ sẽ bị vặn vẹo, có lẽ sẽ bị lấp đầy bởi hốc đen và dãn nở theo mọi hướng”. Hơn thế nữa, thí nghiệm này còn mở ra một “Thế Kỷ Vàng của Vũ Trụ Học” (Golden Age of Cosmology) như Tumer mô tả, bởi lẽ nó đồng thời xác nhận và hỗ trợ một loạt nhận định khoa học quan trọng khác:

1-Vật chất thông thường chiếm tỷ lệ 5% trong vũ trụ. Phần còn lại bao gồm vật chất tối hoặc “năng lượng tối” – những dạng vật chất mà khoa học chưa hề biết.

2-Vũ trụ không những dãn nở mà còn dãn nở với tốc độ ngày càng nhanh hơn (gia tốc).

3-Có thể tồn tại một loại lực mới mà khoa học chưa biết, ẩn dấu trong khu vực vật chất tối và là nguyên nhân của hiện tượng vũ trụ dãn nở với gia tốc.

11. Bí mật 30 năm của loại hạt ma quái đã được làm sáng tỏ

Hạt ma quái đó là neutrinos – một loại hạt cơ bản thoắt biến thoắt hiện vô cùng khó nắm bắt vì chúng tương tác rất yếu với các dạng hạt vật chất khác. Suốt 30 năm nay, một dấu hỏi lớn về neutrino không ngừng làm đau đầu các nhà vật lý, đó là “bài toán neutrino của mặt trời” (solar neutrino problem). Những thí nghiệm đầu tiên vào cuối thập niên 1960 đầu 1970 đã phát hiện được neutrinos từ mặt trời đi đến trái đất, những neutrinos này được sản sinh ra trong các phản ứng hạt nhân giữa lòng mặt trời, nhưng số lượng neutrinos thu được trong thí nghiệm chỉ bằng 1/3 số lượng theo tính toán lý thuyết. Vậy neutrinos biến đi đâu ? Điều này trái ngược với nguyên lý bảo toàn vật chất. Sự bế tắc trong việc tìm câu trả lời đã từng bị coi là một thiếu sót nghiêm trọng của khoa học. Nhưng ngày 18-6-2001 vừa qua đã đi vào lịch sử neutrino như một cốt mốc tìm ra lời giải của bài toán hóc búa đó khi công trình nghiên cứu của 100 nhà khoa học quốc tế thuộc SNO-Trung tâm dò tìm neutrino tại Sudbury, Ontario, Canada, được công bố tại hội nghị của Hội vật lý Canada và đồng thời trên tạp chí Physical Review Letters.

Máy dò tìm khổng lồ của SNO được đặt trong một cái hầm dài 2 km đào sâu dưới lòng đất trong núi đá gần một khu mỏ nickel tại Sudbury. Sở dĩ phải đặt sâu như vậy vì nhằm mục đích tránh những trận mưa rào của các tia vũ trụ và các hạt cơ bản năng lượng cao khác sẽ làm tan loãng dòng neutrinos cần tìm kiếm, trong khi neutrino bản thân nó có sức “xuyên thủng” hầu như mọi loại vật chất do bởi kích thước vô cùng bé của nó . Phần cơ bản của máy dò tìm là một chiếc thùng vĩ đại chứa nước nặng. Hầu hết neutrinos đi qua thùng nước nặng một cách dễ dàng. Chỉ thỉnh thoảng, trung bình từ 1 đến 2 tiếng đồng hồ mới có 1 neutrino va đập với phân tử nước nặng. Nhưng khi một neutrino va đụng vào một phân tử nước nặng thì sẽ làm phát sinh một tia sáng. Các phép đo tia sáng này sẽ thông báo những bí mật liên quan đến hạt neutrino vừa va đụng. Có 3 loại neutrinos: electron-neutrino, muon-neutrino, và tau-neutrino. Mặt trời chỉ sản xuất ra một loại neutrino, đó là electron-neutrinos. Sự thiếu hụt số lượng neutrinos trong các thí nghiệm 30 năm trước dẫn tới hai nghi vấn căn bản: hoặc những lý thuyết về các phản ứng hạt nhân trên mặt trời có thiếu sót, hoặc có điều gì “trục trặc” trong bản thân các neutrinos khi chúng du hành từ mặt trời đến trái đất. Thí nghiệm của SNO đã chứng minh một cách hùng hồn rằng giả thuyết thứ hai là đúng: khoảng 60% electron-neutrino của mặt trời trên đường tới trái đất đã biến đổi thành các dạng neutrinos khác-muon và tau-neutrinos. Các thí nghiệm không đủ tinh vi của 30 năm trước không làm được điều này. Thậm chí một thí nghiệm của máy dò tìm Super-Kamiokande tại Nhật Bản năm 1999 cũng đã phát hiện được những bằng chứng gián tiếp của việc biến đổi dạng neutrinos của mặt trời, nhưng đã không thành công trong việc phân định các dạng neutrinos đó. Trong thí nghiệm của SNO, việc đo đạc các vệt sáng do va đập của neutrinos với nước nặng đã đạt được độ tinh vi đến mức xác định được trực tiếp eclectron-neutrino đã biến thành neutrino ở dạng nào, do đó cuối cùng đã có được một thống kê chính xác số lượng neutrinos phát ra từ mặt trời khớp với số lượng tính toán lý thuyết, giải quyết trọn vẹn “Bài toán neutrino mặt trời”.

Thắng lợi này có ý nghĩa hết sức trọng đại đối với vật lý lý thuyết và vũ trụ học :

-Một, theo Mô Hình Tiêu Chuẩn (Standard Model) của vật lý các hạt cơ bản, chỉ có các hạt có khối lượng mới có thể biến hoá dạng thức tồn tại của nó. Sự biến hoá neutrinos của mặt trời từ dạng này sang dạng khác chứng tỏ neutrinos có khối lượng. Điều này buộc phải xem xét lại, điều chỉnh và bổ xung Mô Hình Tiêu Chuẩn-cuốn “Kinh Thánh” của vật lý các hạt cơ bản gần 30 năm nay.

-Hai, vì neutrinos là hạt cơ bản tạo ra vũ trụ nên khối lượng của neutrinos có ý nghĩa quan trọng để giải thích nhiều bí mật về sự hình thành vũ trụ và tiên đoán tương lai của vũ trụ. Mặc dù khối lượng của nó vô cùng nhỏ, nhưng tổng khối lượng của chúng trong vũ trụ sẽ đóng góp một lượng đáng kể trong vũ trụ. Các nhà khoa học ước lượng nó có thể chiếm tới 18% tổng khối lượng “vật chất tối”-một loại vật chất đến nay vẫn không thể quan sát được bằng các kính viễn vọng và bằng các phương tiện thông thường khác, nhưng các nhà khoa học tin rằng chúng đang tồn tại và chi phối nhiều quy luật vũ trụ. Chẳng hạn chúng có thể liên quan đến hiện tượng d•n nở ngày càng nhanh của vũ trụ, một hiện tượng mới khám phá ra gần đây, được coi là “kỳ quặc” vì nó trái với các lý thuyết vũ trụ từ trước đến nay. (Tổng hợp từ tin của AP và BBC  News ngày 18-6-2001).

12. Tại sao vũ trụ phi đối xứng ?

Trong một công trình vừa được công bố trên tạp chí Physical Review Letters ngày 6-7-2001, các nhà vật lý quốc tế làm việc tại Trung tâm máy gia tốc của Đại học Stanford, California, Mỹ, tuyên bố họ đã phát hiện thấy sự khác biệt về tốc độ phân hủy của loại hạt cơ bản mang tên “B meson” so với tốc độ phân huỷ của phản hạt của nó (phản-B meson). Thắng lợi này có ý nghĩa quyết định trong việc tìm lời giải cho một trong những bài toán lớn nhất của khoa học trong suốt 37 năm qua: “Tại sao vũ trụ phi đối xứng, trong khi vật chất có mặt ở khắp mọi nơi nhưng phản vật chất lại cực kỳ hiếm thấy ?”.

Vật chất trong vũ trụ được cấu tạo bởi hạt cơ bản, phản vật chất cấu tạo bởi phản hạt. Do đó về lý thuyết, vũ trụ phải đối xứng, bởi vì ứng với một hạt cơ bản bất kỳ luôn tồn tại một phản hạn tương ứng có cùng những đặc tính động lực học như khối lượng, spin, tốc độ phân huỷ, và có cùng lượng điện tích nhưng trái dấu (nếu hạt không tích điện thì có moment từ trái dấu). Nhưng vũ trụ lại thách thức khoa học bằng cách để cho vật chất tồn tại gần như đơn độc, trong khi phản vật chất chỉ xuất hiện vô cùng hiếm hoi trong các máy gia tốc, trong các va chạm của tia vũ trụ, hoặc một khối lượng phản vật chất lớn nhất mới được phát hiện gần đây cũng chỉ là một đám mây trong giải ngân hà gần trái đất nhất. Một lý thuyết vũ trụ học đồ sộ như Lý thuyết Big Bang cũng không giải thích được tại sao phản vật chất biến mất và biến đi đâu, mặc dù cho rằng vũ trụ sau vụ nổ lớn chứa cùng một lượng vật chất và phản vật chất như nhau.

Tuy nhiên một sự kiện bất ngờ đã xẩy ra vào năm 1964 khi James Cronin và Val Fitch thuộc Viện nghiên cứu quốc gia Brookhaven tại New York khám phá ra sự bất đối xứng của cặp K meson và phản K meson (nhờ đó Cronin và Fitch đã được trao giải Nobel vật lý năm 1980). Năm 1967, nhà khoa học nổi tiếng người Nga Andrey Sakharov lần đầu tiên nêu lên giả thuyết cho rằng chính hiện tuợng vi phạm tính đối xứng của cặp hạt–phản hạt, gọi tắt là hiện tượng CPV (charge-parity violation), có thể chính là nguyên nhân dẫn đến tình trạng bất đối xứng của vũ trụ. Lý thuyết của Sakharov sẽ trở nên hoàn toàn đáng tin cậy nếu hiện tượng CPV là hiện tượng phổ biến đối với các cặp hạt–phản hạt. Nhưng suốt từ đó đến nay người ta không tìm thấy thêm một cặp phi đối xứng nào khác, ngoài trường hợp K meson, đến nỗi một số nhà vật lý lập luận rằng K meson là trường hợp đặc biệt mang tính ngoại lệ. Trong khi đó 600 nhà khoa học bao gồm Mỹ, Nga, Nhật, Canada, Anh, Pháp, Ý, Trung Quốc tại Trung tâm máy gia tốc Stanford trong vài chục năm trời vẫn nỗ lực theo đuổi một mục tiêu: Chứng minh hiện tượng vi phạm tính đối xứng có thể xẩy ra với một cặp hạt–phản hạt khác. Đối tượng của họ là hạt B meson, một loại hạt nặng gấp 10 lần K meson và chỉ tồn tại trong 1 phần nghìn tỷ giây. Một chiến lược tinh vi bậc nhất về công nghệ toán lý đã được triển khai và áp dụng: Một máy dò tìm nặng 1200 tấn mang tên BABAR được sử dụng để ghi lại sự khác biệt vô cùng tinh vi giữa tốc độ phân huỷ của B meson so với tốc độ phân hủy của phản B meson. Từ các kết qủa đo lường này, các nhà khoa học đã tính ra một thông số gọi là sin2 biểu thị mức độ bất đối xứng. Thông số này biến thiên từ -1 đến +1. Nếu thông số đó bằng 0 thì có nghĩa là không có sự khác biệt. Nếu thông số khác 0 thì đó là bằng chứng rõ ràng của sự khác biệt. Thông số càng lớn (về tuyệt đối) thì có nghĩa là khác biệt càng lớn. Kết quả giá trị thông số do BABAR cung cấp là 0,59 (với sai số là 0.14), phù hợp với tiên đoán của Mô Hình Tiêu Chuẩn của vật lý hạt cơ bản, làm cơ sở cho một kết kuận mang tính cách mạng trong lý thuyết các hạt cơ bản: Hạt và phản hạt tương ứng không hoàn toàn đối xứng như từ trước đến nay vẫn tưởng.

Sau B meson, ngay từ bây giờ các nhà vật lý đã nghĩ đến neutrino, một loại hạt cơ bản vô cùng quan trọng trong sự hình thành vũ trụ. Bài toán kiểm chứng tính phi đối xứng của cặp neutrino–phản neutrino sẽ được triển khai trong tương lai sắp tới và sẽ tiếp tục góp phần trả lời bài toán tại sao vũ trụ phi đối xứng. Tuy nhiên không cần phải đợi đến lúc ấy, mà ngay sau thành công của thí nghiệm B meson, các nhà khoa học đã có dữ liệu chủ yếu để tin rằng Sakharov đúng, bởi vì từ dữ liệu này họ bắt đầu có thể tìm hiểu vì sao, cơ chế nào gây ra sự khác biệt giữa hạt và phản hạt, có nghĩa là có thể tìm thấy một cơ chế chung dẫn đến tính bất đối xứng của vũ trụ. “Sau 37 năm tìm kiếm thêm những mẫu mực của hiện tượng vi phạm tính đối xứng của cặp hạt – phản hạt, nay các nhà vật lý đã biết rõ rằng  có ít nhất 2 loại hạt cơ bản biểu lộ hiện tượng kỳ quặc đó, và chúng được coi là chịu trách nhiệm trong sự hiện diện lấn át của vật chất (so với phản vật chất) trong vũ trụ. Chúng tôi đã sẵn sàng cho những khám phá tiếp theo mở ra những phương hướng mới cho vật lý hạt cơ bản”, Stewart Smith, giáo sư Đại học Princeton kiêm phát ngôn viên của chương trình nghiên cứu B meson, tuyên bố.

13. Sự Hồi Sinh Của Hằng Số Vũ Trụ

Theo tạp chí TIMES số ra ngày 25-6-2001, một nhà khoa học trẻ tên là Adam Riess mới đây đã thành công trong việc “tái phát minh” ra hằng số vũ trụ, và dùng nó để tiên đoán sự tồn tại của một loại lực mới mà khoa học thực nghiệm đang ráo riết săn đuổi–lực phản hấp dẫn–loại lực khoa học chưa hề biết nhưng bị nghi ngờ là nguyên nhân của hiện tượng vũ trụ dãn nở ngày càng nhanh, một hiện tượng mới khám phá được trong ba năm gần đây làm đảo lộn bức tranh vũ trụ tồn tại từ nhiều năm qua. Nhờ công trình này, Adam Riess được liệt vào danh sách một trong 6 nhà vũ trụ học có đóng góp lớn nhất, kể từ Albert Einstein trở đi. Vậy hằng số vũ trụ là gì ? Tại sao lại “tái phát minh” thay vì phát minh ?

Hằng Số Vũ Trụ (HSVT-Cosmological Constant), ký hiệu bởi chữ “λ” (lamđa) trong tiếng Hy Lạp, là một đại lượng toán-lý đóng vai trò như một lực phản-hấp-dẫn mà Albert Einstein đã bổ sung vào Phương Trình Trường Hấp Dẫn trong Thuyết Tương Đối Tổng Quát của ông từ hơn 80 năm trước đây, nhằm giữ cho vũ trụ ổn định không bị co dãn. Nhưng sau khi Edwin Hubble phát hiện ra hiện tượng các thiên hà ngày càng rời xa nhau vào năm 1927, làm bằng chứng cho một vũ trụ dãn nở thực sự, thì Einstein tuyến bố HSVT không còn cần thiết nữa, và rằng việc bổ xung HSVT vào Phương Trình Trường là một sai lầm lớn nhất của đời ông.

Nhưng dưới ánh sáng các khám phá thiên văn hiện đại, HSVT lại hồi sinh.

Trong bài viết nhan đề “Vũ trụ sẽ kết thúc ra sao ?”, ký giả khoa học Michael Lemonick thông báo vũ trụ của chúng ta bắt đầu đi vào “kỷ thoái hoá” (degenerate era) với tốc độ dãn nở ngày càng nhanh – dãn nở với gia tốc – mà nguyên nhân là một lực phản-hấp-dẫn đầy bí ẩn. Adam Riess, một nhà thiên văn xuất sắc thuộc Viện Khoa Học Kính Viễn Vọng Không Gian, Mỹ, đã chứng minh bằng toán học rằng Einstein hoàn toàn đúng khi ông sáng tạo ra HSVT, và HSVT là nhu cầu thiết yếu để giải thích hiện tượng dãn nở gia tốc. Gần như đồng thời, một cuốn sách mới xuất bản nhan đề “God’s Equation, Einstein, Relativity, and the Expanding Universe” (Phương trình của Chúa, Einstein, Thuyết tương đối, và Vũ trụ dãn nở) của tiến sĩ Amir Aczel cũng thông báo sự hồi sinh của HSVT như là một khám phá quan trọng nhất của vũ trụ học hiện đại.  Aczel viết: “Vũ trụ của chúng ta không chứa đủ khối lượng vật chất hấp dẫn để kìm hãm sự dãn nở lại. Một lực bí ẩn nào đó đang thực sự đẩy vũ trụ dãn nở với gia tốc. Tồn tại một áp lực âm (negative pressure) trong chân không-một cái gì đó hoàn toàn mới lạ đối với toàn bộ khoa học”.

Từ lâu các nhà khoa học đã nêu lên 3 kịch bản về số phận của vũ trụ.

Một, nếu vật chất trong vũ trụ đủ lớn, lực hấp dẫn sẽ chiếm ưu thế (thắng lực phản-hấp-dẫn) thì sự dãn nở sẽ bị chậm lại, rồi ngừng và co dần lại, đến khi kích thước trở nên vô cùng nhỏ thì sẽ xẩy ra Vụ Co Lớn (Big Crunch) để biến thành một điểm không có kích thước, và một Big Bang mới có thể lại bắt đầu khai sinh ra một vũ trụ mới. Kịch bản này dẫn tới một vòng vũ trụ tiến hoá tuần hoàn y như một sinh thể: sinh ra, lớn lên, già cỗi, chết, tái sinh, v.v…, và là kịch bản từng được nhiều nhà khoa học ưa chuộng nhất.

Hai: nếu vật chất trong vũ trụ vừa đủ để tạo ra một lực hấp dẫn cân bằng với lực làm nó dãn nở thì vũ trụ sẽ ổn định, không co, không dãn, và đây chính là vũ trụ của Einstein. Trực giác thiên tài của Einstein hướng đến một vũ trụ tĩnh xét trên tổng thể, thay vì động.

Ba: nếu vật chất thông thường trong vũ trụ có khối lượng không đủ lớn để kìm hãm sự dãn nở thì vũ trụ sẽ bị dãn nở mãi mãi. Kịch bản này đã trở thành hiện thực sau những khám phá thiên văn mới nhất trong vài ba năm qua.

Thật vậy, Saul Perlmutter tại Viện nghiên cứu quốc gia Lawrence Berkeley tại San Francisco đã làm rung động thế giới bởi việc công bố kết qủa thí nghiệm quan sát các vụ nổ Supernova cho thấy vũ trụ không hề dãn nở chậm lại như ngươì ta tưởng, mà ngày càng nhanh lên. Khám phá đảo ngược này được coi là cột mốc đánh dấu buổi bình minh của một nền vũ trụ học mới với những hiểu biết mang tính chất cách mạng. Đến hôm nay không còn ai nghi ngờ hiện tượng vũ trụ dãn nở gia tốc, mà tất cả đều tập trung vào việc tìm một lý thuyết mới trọn vẹn để giải thích nó. Adam Riess là một trong những nhà tiên phong đi tìm những lý thuyết đó, và thay vì tìm một lý thuyết hoàn toàn mới, anh đã phục hồi tư tưởng của Einstein và chứng minh một cách toán học rằng Einstein hoàn toàn đúng trong việc bổ xung hằng số vũ trụ vào phương trình trường. Anh nói: “Lực phản-hấp-dẫn tác động như HSVT của Einstein là một hiện thực hiển nhiên”. Nhưng lực ấy từ đâu mà ra ? Một cách logic, các nhà khoa học tin rằng phải tồn tại một loại vật chất không nhìn thấy lấp đầy vũ trụ, gọi là “vật chất tối” (dark matter), tạo ra lực phản-hấp-dẫn bí ẩn đó. Theo TIMES, “vật chất tối” chiếm tỷ lệ 10 trên 1 so với vật chất thông thường. Tạp chí Science Popular số ra gần đây cho biết các thí nghiệm săn lùng “vật chất tối” đang được ráo riết chuẩn bị tại các trung tâm quan sát thiên văn trên thế giới. Một niềm hy vọng đang dâng tràn rằng chẳng bao lâu nữa đại lượng “lamđa” bí ẩn của Einstein sẽ được “nhìn thấy” trong vũ trụ để minh chứng cho điều người ta vẫn nói về những phát minh vượt thời gian của ông: “Các phương trình của Einstein thông minh hơn người phát minh ra nó”.

Mặt khác về mặt lý thuyết, các nhà vật lý phải đối mặt với một bài toán vĩ đại về HSVT: Ngay sau Big Bang, vũ trụ cũng đã từng dãn nở cực kỳ nhanh (inflationary). Lực gây ra sự dãn nở nhanh của thời kỳ này ký hiệu là HSVT1. Sự dãn nở gia tốc hiện nay cũng có một HSVT tương ứng, ký hiệu là HSVT2. Liệu HSVT1 và HSVT2 có bằng nhau không ? Tính toán lý thuyết cho câu trả lời: Không! Điều đó có nghĩa là HSVT không phải là một “hằng số”, mà là một “Hàm số của thời gian”. Công thức của hàm số đó như thế nào ? Ai sẽ là người viết được hàm số đó ? Đó là những câu hỏi vĩ đại đang chờ những lý thuyết tổng quát mới ra đời để trả lời. Có lẽ một nhà khoa học trẻ sẽ tìm ra câu trả lời.

14. Tạo ra vật chất “lạ” với số lượng lớn

C ác nhà vật lý quốc tế tại Viện nghiên cứu quốc gia Brookhaven, Mỹ, lần đầu tiên đã tạo ra được một số lượng lớn các hạt quarks  “lạ”, đủ để cho phép nghiên cứu vật chất “lạ”–loại vật chất không tồn tại trong đời sống xung quanh ta hàng ngày mà chỉ có ở những nơi rất xa xôi trong vũ trụ, –do đó thành công này hứa hẹn mở ra nhiều bí mật về vật chất trong vũ trụ, đặc biệt là những bí mật về vũ trụ “thời thơ ấu”. Đó là tin của BBC News ngày 22-8-2001.

Theo Mô Hình Tiêu Chuẩn (Standard Model) – Lý thuyết các hạt cơ bản hiện nay – vật chất tồn tại dưới dạng vật thể đã biết trong vũ trụ được cấu tạo bởi 12 dạng hạt nhỏ nhất không thể phân chia được gọi là “những khối kiến trúc cơ bản” (fundamental building blocks), trong đó có những hạt gọi là quarks. Trong các thành phần cấu tạo nên nguyên tử thì electron là hạt không thể phân chia được nên cũng nằm trong số 12 “viên gạch cơ bản” đó, trong khi proton và neutron thì được cấu tạo bởi các hạt nhỏ hơn-các quarks. Có 6 loại quarks: up (lên), down (xuống), strange (lạ), charm (hấp dẫn), bottom (dưới đáy), top (trên nóc). Proton và neutron được cấu tạo bởi hai loại quarks “up” và “down”. Vật chất thông thường xung quanh ta chỉ gồm “up quarks”, “down quarks” và electrons. Vật chất “lạ” là vật chất được cấu tạo bởi “up quarks”, “down quarks” và “quarks lạ” (strange quarks). Hầu như không tồn tại “quarks lạ” tự nhiên trên trái đất, trong khi các nhà khoa học tin rằng chúng tồn tại với số lượng lớn trên các sao neutrons-những ngôi sao đã tắt đóng vai trò rất quan trọng trong việc tìm hiểu lịch sử hình thành vũ trụ. Một số nhà lý thuyết về Big Bang còn cho rằng vật chất “lạ” có thể đã được hình thành vào thủa vũ trụ mới ra đời, và còn sót lại cho đến tận ngày nay. Với tất cả những lý do đó, muốn hiểu được vũ trụ thì buộc phải hiểu rõ tính chất của các “quarks lạ”. Mặc dù “quarks lạ” được tạo ra từ những năm 1960 nhưng với số lượng quá ít, không đủ để xác định tính chất của chúng, bởi lẽ cũng như mọi hạt cơ bản khác, quarks tuân theo Nguyên lý bất định: Không thể xác định chính xác tính chất của từng hạt mà chỉ có thể đưa ra những tiên đoán mang tính xác suất. Về mặt toán học, mọi kết luận của xác suất thống kê đều đòi hỏi biến cố phải xẩy ra với số lượng lớn, càng lớn thì kết quả càng chính xác. Thành công của thí nghiệm tại Viện Brookhaven lần này chính là ở chỗ đã thoả mãn được đòi hỏi này: “quarks lạ” đã được tạo ra với số lượng lớn. Nhà vật lý Adam Rusek tại Viện Brookhaven nói: “Đây là thí nghiệm đầu tiên tạo ra được một số lượng lớn các hạt “lạ” đủ để bắt đầu nghiên cứu chúng bằng việc áp dụng các kỹ thuật thống kê”. Trong thí nghiệm, các nguyên tử bên trong máy gia tốc bị đập tan ra thành các thành phần cấu tạo nên chúng-những khối kiến trúc cơ bản của vật chất. Trung bình cứ 100 triệu va đập thì nhóm nghiên cứu nhận được từ 30 đến 40 hạt “lạ”. Số lượng lớn “quarks lạ” lần này sẽ cho phép nghiên cứu lực tác động giữa các hạt “lạ” bên trong hạt nhân, điều mà các nhà vật lý từ lâu đã theo đuổi nhằm tìm hiểu vật chất lạ. Christine Sutton, nữ tiến sĩ thuộc Đại học Oxford kiêm phát ngôn viên của Hội đồng nghiên cứu vật lý hạt cơ bản và thiên văn Anh, nói với BBC News: “Vật chất trong vũ trụ đa dạng hơn nhiều so với vật chất thông thường trong thế giới xung quanh ta hàng ngày. Thành công của Viện Brookhaven đã mở cánh cửa sổ cho chúng ta nhìn thấy loại vật chất “lạ” hoạt động ra sao tại những khu vực đặc biệt trong vũ trụ như trên các sao neutrons”.

15. Các luật tự nhiên có thể thay đổi khi vũ trụ già đi

Bằng cách đo phổ của ánh sáng phát ra từ các thiên thể cách trái đất 12 tỷ năm ánh sáng, các nhà khoa học tại trung tâm kính viễn vọng Keck lớn nhất thế giới đặt trên ngọn núi Mauna Key ở Hawaii, Mỹ, đã khám phá thấy sự biến đổi của một hằng số vật lý cơ bản liên hệ trực tiếp đến điện tích điện tử, tốc độ ánh sáng và hằng số Planck, trái với quan điểm truyền thống cho rằng hắng số này bất biến.

Đ ó là nội dung của một báo cáo vừa được công bố trên tạp chí vật lý uy tín nhất “Physical Review Letters” số ra ngày 27-8-2001, gây chấn động thế giới khoa học. Hãng tin Reuters bình luận:  “Khám phá này cho thấy các luật của tự nhiên có thể thay đổi khi vũ trụ già đi. Nếu điều này đúng thì tiên đề của Einstein coi tốc độ ánh sáng là hằng số cùng với những hòn đá nền móng khác của khoa học vật lý trong thế kỷ qua có thể phải xem xét lại”. Tờ The New York Times viết: “Khám phá gây sửng sốt này có thể dẫn tới việc phải viết lại sách giáo khoa vật lý và thách thức những tiên đề nền móng về hoạt động của vũ trụ”. Giáo sư tiến sĩ Sheldon Glashow thuộc Đại học Boston, Mỹ, người rất nổi tiếng với giải Nobel vật lý năm 1979, đánh giá: “Khám phá này có tầm quan trọng ở mức 10 trong thang điểm từ 1 đến 10”. Tờ The Washington Post viết: “Kết quả này chứa đựng tiềm tàng một cuộc cách mạng trong vật lý”.

Công trình nghiên cứu này dựa trên việc quan sát ánh sáng của các quasars cách trái đất 12 tỷ năm ánh sáng (quasars là những thiên thể phát sáng cực  mạnh, gấp hàng chục nghìn tỷ lần mặt trời). Trên đường đi tới trái đất, ánh sáng của những quasars này đi qua những đám mây gas (tập hợp các vật thể vật chất trong các giải thiên hà trông như những đám mây). Các nguyên tử kim loại như magnesium, kẽm, nhôm trong đám mây làm cho một phần ánh sáng quasars bị hấp thụ trong các đám mây đó. Sự hấp thụ này tạo ra những hình nhọn tối (dark spikes) trong phổ của quasar tại các bước sóng khác nhau, làm hiện lên những mẫu hình rõ nét đến mức có thể coi là “dấu lăn tay” thông báo mọi tính chất đặc trưng của ánh sáng của quasars được quan sát. Từ những bước sóng trên “dấu lăn tay” đó các nhà nghiên cứu xác định được một đại lượng gọi là hằng số cấu trúc tinh (fine structure constant) tương ứng, bằng tỷ số giữa bình phương điện tích electron với tích của tốc độ ánh sáng nhận được và hằng số Planck. Theo lý thuyết kinh điển, hằng số cấu trúc tinh là một số cố định α = 1/137 = 0,007297351 với sai số không quá 6 phần tỷ. Nhưng quan sát phổ của các quasars nói trên đã cho một kết quả sai khác 1/100000 (một phần mười vạn) so với giá trị 1/137, vượt quá xa sai số cho phép. Điều này cho thấy ít nhất có một trong ba yếu tố gồm điện tích điện tử, tốc độ ánh sáng, hằng số Planck đã thay đổi, trái với tiên đề của vật lý coi chúng là những hằng số bất di bất dịch. Tiến sĩ Sheldon Glashow nhận định: “Sự sai khác này tuy nhỏ nhưng đủ để làm rung chuyển toà nhà vật lý và vũ trụ học”.

Tuy nhiên, Hãng tin AP bính luận:”Các nhà vật lý bị sốc bởi khám phá này nhưng lại hài lòng vì nhờ nó mà một số lý thuyết mới mô tả hoạt động của vũ trụ ở tầng cấp dưới nguyên tử có thể sẽ được kiểm chứng”. Lý thuyết mới đó chính là Lý Thuyết Siêu Dây (Super String Theory), một lý thuyết ra đời trong những năm gần đây nhằm kết hợp Thuyết Tương Đối Tổng Quát của Einstein với Cơ Học Lượng Tử-hai lý thuyết trụ cột của vật lý hiện đại nhưng lại không tương thích với nhau. Lý Thuyết Siêu Dây hấp dẫn các nhà vật lý bởi mô hình toán học sắc bén của nó nhưng lại chưa đủ thuyết phục vì chưa từng được thử thách bởi thực nghiệm. Kết quả đo đạc hằng số cấu trúc tinh nói trên lần đầu tiên đã xác nhận tư tưởng của Lý Thuyết Siêu Dây. Theo lý thuyết này, vũ trụ của chúng ta không chỉ có 4 chiều (gồm 3 chiều không gian và 1 chiều thời gian) như đã biết, mà có thể có tới 11 chiều hoặc thậm chí hơn thế nữa, trong đó những chiều bổ xung không thẳng, mà quăn và gấp giống như những sợi chỉ rối, đồng thời chỉ thể hiện ở cấp độ vật chất dưới nguyên tử với kích thước nhỏ đến nỗi ngay cả những thí nghiệm tinh vi cũng khó có thể nhận thấy. Tiến sĩ Paul Steinhardt, giáo sư Đại học Princeton, Mỹ, giải thích: “Các nhà lý thuyết siêu dây cho rằng không gian chứa những chiều vô cùng nhỏ không nhìn thấy. Bất kỳ một biến đổi nào về kích thước của những chiều này, chẳng hạn như sự dãn nở vũ trụ mà chúng ta đã biết, đều có thể gây nên những thay đổi về lượng của các đại lượng như hằng số cấu trúc tinh”.

Một số nhà khoa học khác đã quyết định sẽ làm lại thí nghiệm tương tự tại một trung tâm kính viễn vọng rất lớn mang tên European Southern Observatory đặt ở Chile, Nam Mỹ, với hy vọng sẽ đưa ra tuyên bố chung cuộc sau khoảng 2 năm nữa. Nếu sự biến đổi của hằng số cấu trúc tinh được tái xác nhận thì nó sẽ là tiếng chuông mở màn của một thế kỷ khoa học mới với những lý thuyết vĩ đại sẽ ra đời, giống như Thuyết Tương Đối của Einstein trong thế kỷ 20.

16. Tương tác lượng tử từ xa

Với hai nhóm nguyên tử biệt lập cách xa nhau, mỗi nhóm gồm một số lượng vô cùng lớn nguyên tử, các nhà vật lý tại Đại học Aarhus ở Đan Mạch dưới sự lãnh đạo của Eugene Polzik đã làm cho chúng tương tác được với nhau, gọi là tương tác lượng tử từ xa. Thí nghiệm xuất sắc này vừa được công bố trên tạp chí Nature số 26-9-2001 đã gióng lên tiếng chuông báo hiệu ý tưởng công nghệ computer lượng tử (quantum computing) và thông tin lượng tử (quantum communication) đang tiến gần đến hiện thực.

Trước hết nhóm thí nghiệm đã đưa một số lượng lớn các nguyên tử cesium vào hai bình chứa bằng thuỷ tinh ở cách nhau vài milimét. Mỗi bình chứa hàng tỷ nguyên tử. Sau đó chiếu một tia laser vào mỗi bình để khuấy động đám mây nguyên tử trong mỗi bình sao cho mỗi đám mây có một spin riêng, tức là mỗi đám mây sẽ quay quanh trục của nó với góc nghiêng xác định. Quan hệ giữa các góc nghiêng này được xác định theo những tỷ lệ  toán học đặc trưng cho quan hệ trạng thái ban đầu của hai đám mây nguyên tử. Tiếp theo các nhà nghiên cứu rọi một tia laser thứ hai vào hai đám mây để làm thay đổi spin của chúng. Sau đó lại bắn một tia laser thứ ba kéo dài chỉ trong một nửa của một phần ngàn giây. Kết quả cho thấy trong khi góc nghiêng của trục quay thay đổi, nhẩy từ trị số này sang trị số khác, nhưng quan hệ toán học giữa các góc nghiêng đó không thay đổi-giữ nguyên quan hệ trạng thái ban đầu. Về mặt vật lý, điều này nói lên rằng tồn tại một tương tác tức thời giữa hai nhóm nguyên tử xuyên qua khoảng không gian ngăn cách. Về mặt thông tin, điều này chứng tỏ trạng thái của nhóm nguyên tử thứ nhất xác định trạng thái của nhóm nguyên tử thứ hai (hoặc ngược lại), tức là nếu biết trạng thái của nhóm này thì suy ra trạng thái của nhóm kia. Nếu coi trạng thái của mỗi nhóm là thông tin về nhóm đó thì có thể nói thông tin tại điểm A (nhóm này) đã được truyền tới điểm B (nhóm kia) một cách tức thời. Quan hệ tương tác từ xa vốn không phải là điều mới lạ trong vật lý, nhưng tương tác lượng tử giữa các đám mây nguyên tử cách biệt trong thí nghiệm này lại là điều bí ẩn hiện nay chưa giải thích thích được. Thật vậy, các thiên thể trong vũ trụ tác động lẫn nhau thông qua môi trường trung gian là trường hấp dẫn. Sóng truyền hình truyền từ đài phát đến máy thu (Tivi) thông qua môi trường trung gian là trường điện từ. Nhưng trường hấp dẫn và trường điện từ không thể dùng để giải thích tương tác lượng tử trong thí nghiệm nói trên. Thực ra nhóm của Polzik không phải là người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng kỳ lạ này. Cách đây vài chục năm, nhà vật lý nổi tiếng người áo Erwin Schrodinger lần đầu tiên đã mô tả hiện tượng này trong “nghịch lý con mèo và hạt nguyên tử” và coi đó là một đặc trưng của thế giới lượng tử với tên gọi là hiện tượng  “vướng lượng tử”, hoặc “rối lượng tử” (quantum entanglement), trong khi Albert Einstein thì gọi đó là “tác động ma quỷ từ xa” (spooky action at distance).  Trong những năm gần đây, nhiều nhóm khoa học khác cũng đã thực hiện thành công các thí nghiệm tương tác lượng tử từ xa, nhưng chỉ với một vài hạt cơ bản hoặc một vài nguyên tử mà thôi. Thành công của nhóm Polzik là ở chỗ lần đầu tiên thực hiện thành công loại thí nghiệm này với một số lượng vô cùng lớn nguyên tử. Điều này có ý nghĩa cực kỳ to lớn trong công nghệ truyền thông tin, bởi vì thông tin không thể vật lý hoá chỉ bởi một vài nguyên tử, mà phải bằng hàng tỷ. Vì thế Polzik tuyên bố: “Đây là một cột mốc biến ý tưởng computer lượng tử tiến gần đến hiện thực”. Mặc dù bản chất vật lý của hiện tượng tương tác lượng tử từ xa vẫn còn là một ẩn số nhưng nhà vật lý thuộc Đại học công nghệ California từng đoạt giải Nobel là Richard Feyman đã là người đầu tiên đề xướng việc lợi dụng hiện tượng này để chế tạo computer lượng tử. Computer xét cho cùng là một hệ thống xử lý và chuyển thông tin từ điểm A tới điểm B bên trong một chiếc máy. Computer thông thường hiện nay chuyển thông tin bằng dòng điện. Computer lượng tử chuyển thông tin dựa trên nguyên lý tương tác lượng tử từ xa, hiển nhiên là tốc độ của nó sẽ nhanh ở mức không thể tưởng tượng nổi bởi lẽ thông tin được truyền từ A đến B một cách tức thời. Mở rộng ra bên ngoài computers và giữa các computers, Charles Bennet thuộc đại công ty IBM là người đầu tiên đề xướng công nghệ thông tin lượng tử, trong đó thông tin được truyền giữa hai địa điểm cách xa nhau hàng vạn dặm một cách tức thời. Christopher Monroe thuộc Đại học Michigan còn táo bạo hơn khi cho rằng nguyên lý tương tác lượng tử từ xa không những chỉ chuyển thông tin mà còn có thể di chuyển ngay cả các vật thể, như con người chẳng hạn, từ A đến B một cách tức thời, gọi là công nghệ “vận chuyển tức thời” (dịch ý chữ teleportation)  y như “phép lạ” hiện hình biến hình đột ngột trong truyện phong thần cổ tích. Tuy nhiên để biến những “phép lạ” đó thành hiện thực, nhóm Polzik chủ trương tiến hành hàng loạt thí nghiệm tiếp tục với khoảng cách giữa hai nhóm nguyên tử sẽ được nâng lên dần dần. Họ đang vò đầu suy nghĩ liệu khoảng cách này có giới hạn không, và nếu có thì giới hạn là bao nhiêu ?

17. Thí nghiệm dự báo tồn tại một loại lực mới

M ột thí nghiệm mới về neutrino vừa được công bố trên tạp chí vật lý uy tín nhất Physical Review Letters ngày 16-11-2001 cho biết tần suất biến đổi hạt neutrino thành hạt muon trong thực tế sai lệch 1% so với dự đoán trên lý thuyết. Kết quả gây sửng sốt này đã làm bộc lộ thiếu sót của các lý thuyết hạt cơ bản hiện hành, đồng thời cho phép tiên đoán tồn tại một loại vật chất mới hoặc một loại lực mới chưa hề biết. Việc tìm kiếm loại lực mới có thể sẽ cung cấp những dữ kiện căn bản cho một lý thuyết vật lý thống nhất giải thích mọi tương tác giữa tất cả các loại hạt và các loại lực.

Neutrino là loại hạt cơ bản có khối lượng xấp xỉ bằng 0, không tích điện, lang thang tự do trong vũ trụ với tốc độ ánh sáng và rất hiếm khi tương tác với các hạt khác. Vì neutrino không tích điện nên nếu có tương tác xẩy ra thì yếu tố ảnh hưởng đến “cách ứng xử” của neutrino chỉ có thể là lực điện-từ-yếu, một loại lực chỉ thể hiện trong phạm vi hạt nhân nguyên tử. Nhằm mục đích tìm hiểu ảnh hưởng đó, các nhà khoa học thuộc 7 trường đại học ở Mỹ đã hợp tác tiến hành một thí nghiệm tại trung tâm máy gia tốc  Fermilab: Sử dụng chiếc máy Tevatron có năng lượng cao nhất thế giới để bắn một chùm photon cỡ 100 triệu watts vào một mục tiêu, tạo ra hàng chục tỷ neutrino chuyển động qua một hệ thống thăm dò khổng lồ nặng 700 tấn gồm nhiều lát thép nằm xen kẽ luân phiên nhau. Vì kích thước quá nhỏ bé nên hầu hết neutrino đều đi xuyên qua tất cả các lát thép, chỉ có khoảng 1 trong một tỷ hạt bị va đập vào một hạt nhân nguyên tử của thép và làm vỡ hạt nhân này. Sau khi va đập, neutrino có thể giữ nguyên hoặc biến đổi thành hạt muon-một loại hạt họ hàng của electron nhưng nặng hơn. Khi thấy một hạt nhân nguyên tử bị vỡ, máy thăm dò thông báo một tương tác đã xẩy ra. Nếu thấy một hạt đi ra từ tương tác, máy thông báo đó là một muon. Nếu không thấy hạt nào đi ra, máy thông báo một neutrino đã tới và đã ra đi. Tần suất biến đổi neutrino thành muon, tức tỷ số giữa số lượng muon so với số lượng neutrino, sẽ  thể hiện ảnh hưởng của lực điện-từ-yếu đối với hoạt động của neutrino. Đó chính là mục tiêu cần xác định. Nhưng kết quả thí nghiệm đã làm các nhà khoa học hết sức ngạc nhiên: Tần suất biến đổi trong thực tế sai lệch 1% so với giá trị tiên đoán dựa trên Mô Hình Tiêu Chuẩn (Standard Model) – lý thuyết các hạt cơ bản đã thống trị suốt hơn 30 năm qua và đã được nhiều thí nghiệm trước đây kiểm chứng. Kevin McFarland, người lãnh đạo thí nghiệm, phân tích rằng mức sai lệch đó tuy nhỏ nhưng đã vượt quá xa sai số cho phép, cho thấy Mô Hình Tiêu Chuẩn có điều gì đó thiếu sót, đồng thời cho thấy ắt phải tồn tại một loại vật chất mới hoặc một loại lực mới chưa biết đã ảnh hưởng đến tần suất biến đổi neutrino thành muon. McFarland nói: “Nếu một loại vật chất hoặc năng lượng còn ẩn náu nào đó thực sự gây ra sự sai lệch này thì nó sẽ giúp các nhà khoa học tìm ra con đường đi tới vấn đề căn bản nhất của vật lý-một lý thuyết thống nhất giải thích tất cả các hạt và các lực trong vũ trụ tương tác với nhau như thế nào. Vấn đề tìm kiếm một loại lực mới sẽ là một đề tài rất lớn và vô cùng hấp dẫn”.

Những khám phá làm bộc lộ thiếu sót của một lý thuyết không làm cho lý thuyết đó phá sản, mà ngược lại thường là tiền đề của một cuộc cách mạng khoa học, đẩy khoa học tiến lên. Vì thế sự sai lệch 1% không làm các nhà khoa học lo lắng, mà chính là điều họ mong đợi. Peter Mayers, giáo sư vật lý của Đại học Princeton danh tiếng, nhận định: “Khám phá này là một vết nứt (của lý thuyết) đã được tìm kiếm từ rất nhiều năm nay”. Sắp tới, Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Âu châu CERN và Trung tâm máy gia tốc của Nhật Bản sẽ làm lại thí nghiệm của Fermilab để kiểm chứng kết quả một lần nữa.

18. Tạo ra phản-vật-chất lạnh và chuyển động chậm

L ần đầu tiên trên thế giới, các nhà khoa học tại CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Âu châu) đã tạo ra được các nguyên tử phản-hydrogen lạnh và chuyển động tương đối chậm,  báo hiệu trong tương lai sắp tới khoa học có thể sẽ khống chế được phản-vật-chất để khảo sát nghiên cứu. Đó là tin của tờ The Sydney Morning Herald ngày 21-9-02 và tạp chí University Science trên Internet ngày 25-2-2002.

Kể từ khi Paul Dirac tiên đoán sự tồn tại của positron (phản-electron) năm 1928, được thực nghiệm xác nhận năm 1932 giúp Dirac đoạt giải Nobel năm 1933, cho đến nay khoa học luôn luôn khẳng định: ứng với một hạt cơ bản bất kỳ luôn tồn tại một phản-hạt tương ứng có cùng những đặc tính động lực học như khối lượng, spin, tốc độ phân huỷ, cùng lượng điện tích nhưng trái dấu (nếu hạt không tích điện thì có moment từ trái dấu), hơn nữa hạt và phản-hạt tương tác với nhau sẽ huỷ nhau và giải phóng năng lượng. Do đó về lý thuyết , lượng vật chất (cấu tạo bởi hạt cơ bản) và lượng phản-vật-chất (cấu tạo bởi phản-hạt) trong vũ trụ phải bằng nhau, tức là vũ trụ phải đối xứng. Lý thuyết Big Bang cho rằng vũ trụ nguyên thuỷ là đối xứng. Nhưng thực tế ngày nay vũ trụ phi đối xứng: Phản-vật-chất xuất hiện vô cùng hiếm hoi trong khi vật chất có mặt khắp nơi. Tại sao ? Đó là một trong những bài toán lớn nhất của vũ trụ học và vật lý hạt cơ bản. Hiện có một số lý thuyết khác nhau giải thích bí mật này. Một trong số đó là tư tưỏng cho rằng có thể có sự khác biệt vô cùng nhỏ giữa hạt cơ bản và phản-hạt tương ứng trong việc tuân thủ các định luật của vật lý, như luật hấp dẫn, các định luật của cơ học lượng tử, định luật của Thuyết tương đối, v.v… Nói gọn lại, hạt và phản-hạt có thể không đối xứng trong việc tuân thủ các định luật của tự nhiên. Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học tại CERN đã xây dựng một dự án nghiên cứu kiểm chứng xem liệu các định luật vật lý áp dụng cho phản-vật-chất, với đối tượng cụ thể là phản-hydrogen, có giống như áp dụng cho vật chất, cụ thể là hydrogen, hay không. Trước hết phải tạo ra phản-hydrogen trong phòng thí nghiệm thay vì tóm bắt nó trong tự nhiên (xác suất xuất hiện trong tự nhiên quá thấp), đồng thời phản-hydrogen tạo ra phải làm sao khống chế được trong những điều kiện nhất định để có thể theo dõi, quan sát. Cách đây vài năm, tại CERN và tại Fermilab, một trung tâm máy gia tốc ở Mỹ, người ta đã tạo ra được khoảng hơn một chục nguyên tử phản-hydrogen nhưng không thể sử dụng để nghiên cứu được, vì các nguyên tử này quá nóng và chuyển động quá nhanh (gần bằng vận tốc ánh sáng). Mục tiêu lần này tại CERN là tạo ra phản-hydrogen lạnh và chậm. Để làm điều đó, nhóm thí nghiệm dưới sự lãnh đạo của Gerald Gabrielse, đã thực hiện những bắn phá để tạo ra tương tác giữa vài chục vạn hạt positron với vài chục vạn hạt phản-proton trong một trường điện từ được làm lạnh xuống tới – 269 độ C. Kết quả đã tạo ra một lượng đáng kể nguyên tử phản-hydrogen lạnh và chuyển động tương đối chậm, tồn tại trong một khoảng thời gian có thể theo dõi được trước khi những nguyên tử này va đập vào các thành vách và tự huỷ. Mặc dù chưa hoàn toàn khống chế được nguyên tử để nghiên cứu tiếp, Gabrielse kêu lên “đây là một bước tiến tuyệt vời hết sức có ý nghĩa”, và lạc quan tin rằng trong vòng hai năm tới sẽ có thể làm lại thí nghiệm này với một từ trường đủ mạnh để giữ các nguyên tử phản-hydrogen đứng lại, rồi đưa chúng vào một một buồng chân không để nghiên cứu.

Nhận định sự kiện trên, giáo sư Victor Flambaum thuộc Đại học NSW, Australia, nói: “Các nhà khoa học đang ra sức nghiên cứu xem liệu phản-vật-chất có khác với vật chất thông thường về kích thước hay khối lượng hay không. Mọi bằng chứng ta có hiện nay đều cho thấy chúng như nhau. Vì thế bất kỳ một sự phát hiện nào về sự khác biệt sẽ là một khám phá vĩ đại”. Trong khi đó giáo sư Kevin Varvell thuộc Đại học Sydney tin rằng “có thể có những khác biệt rất, rất nhỏ giữa vật chất và phản-vật-chất trong cung cách tuân thủ các định luật vật lý”.

19. Vật liệu hữu cơ bức xạ laser

T ạp chí Nature ngày 14-2-2002 đã công bố một phát minh kỳ lạ: Các nhà khoa học tại Viện Laser thuộc Đại học Buffalo, Mỹ, lần đầu tiên đã tổng hợp được một loại thuốc nhuộm hữu cơ gọi tắt là APSS có thể hấp thụ 3 photons (hạt ánh sáng) đồng thời cùng một lúc để sau đó bức xạ ra tia laser có năng lượng cao. Tiến sĩ Paras Prasad, viện phó Viện Laser, nói: “Đây là một đột phá chứng minh rằng người ta có thể sản xuất được những loại vật liệu có khả năng hấp thụ 3 photons cùng một lúc với hiệu quả cao để làm những vật trung gian biến ánh sáng thông thường thành laser”. Guang He, người lãnh đạo nghiên cứu, giải thích nội dung cơ bản của phát minh này là kỹ thuật nâng mức năng lượng của photon từ mức năng lượng thông thường lên mức năng lượng laser dựa trên hiện tượng thẩm thấu đồng thời của nhiều photon qua một vật liệu tương ứng.

Ngay lập tức phát minh này đã cuốn hút sự chú ý vì nó hứa hẹn hàng loạt ứng dụng quan trọng trong công nghệ thông tin, điện tử, y học, và quân sự:

1-Bức xạ phát ra từ vật liệu hấp thụ 3 photons sẽ có bước sóng 1,3 micrometres, tương ứng với một trong hai loại tần số duy nhất thích hợp với các ứng dụng hiện nay về thông tin từ xa bằng sợi quang học. Do đó bức xạ này sẽ giúp cải thiện chất lượng truyền thông tin trong điện thoại đường dài thông qua mạng thông tin sợi quang.

2-Vật liệu hấp thụ 3 photons ứng dụng vào việc chế tạo màn hình computer sẽ cho ảnh có độ nét cao hơn, hoặc ứng dụng để chế tạo các bộ nhớ sẽ cho dung tích nhớ cao hơn. Nếu bức xạ của vật liệu này được dùng để truyền thông tin qua mạng internet thì sẽ giúp mọi thông tin qua internet nhanh hơn, điện thoại qua internet rõ hơn.

3-Trong quá trình biến đổi mức năng lượng ánh sáng nói trên, ánh sáng tử ngoại đã dịch chuyển về phổ nhìn thấy được và xuất hiện như ánh sáng xanh-lá-cây-vàng. Loại ánh sáng này rất hữu ích trong công nghệ tạo ảnh bằng phương pháp quang học, tạo ảnh bằng sinh học, trong kỹ thuật chẩn bệnh và liệu pháp điều trị bằng laser đối với các U nằm sâu bên trong cơ thể.

4-Với đà phát triển của kỹ thuật thẩm thấu photon đồng thời, từ 2 photons năm 1996 tới 3 photons trong năm nay, những vật liệu thích hợp trong tương lai với khả năng thẩm thấu “đa photon” (multiphoton absorption) sẽ có thể tạo ra những loại laser sóng cực ngắn (ultrashort wavelength UV lasers) sử dụng đặc biệt ích lợi trong công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn, nhưng cũng đặc biệt nguy hiểm nếu được áp dụng cho các hệ thống vũ khí, chẳng hạn hệ thống SDI của Mỹ trước đây hoặc hệ thống tên lửa chống tên lửa hiện nay.

Vì thế, tiến sĩ Paras Prasad, viện phó Viện Laser, nhận định: “Đây là một đột phá chứng minh rằng người ta có thể sản xuất được những loại vật liệu có khả năng hấp thụ nhiều photons cùng một lúc với hiệu quả cao để làm những vật trung gian biến ánh sáng thông thường thành laser”.

20. “Hạt của Chúa” thách thức Mô Hình Tiêu Chuẩn

Nếu thực nghiệm là “thước đo chân lý” của một lý thuyết vật lý thì những thí nghiệm gần đây nhất tại CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Âu châu) đã thách thức sự sống còn của Mô Hình Tiêu Chuẩn – lý thuyết hiện đại về các hạt cơ bản : Kết quả đo lường hướng phân huỷ của hạt Z, một trong các hạt truyền lực hạt nhân yếu, nhằm tiên đoán khối lượng của Higgs boson – hạt truyền khối lượng cho các hạt cơ bản khác thông qua tương tác – cho thấy Mô Hình Tiêu Chuẩn không còn đúng nữa, và điều này ngụ ý với một xác suất lớn rằng một lý thuyết vật lý mới tiếp sau Mô Hình Tiêu Chuẩn đang chờ đợi được khám phá. Đó là tin của tạp chí University Science News ngày 29-01-2002, dựa trên công trình nghiên cứu của Micheal Chanowitz, nhà vật lý lý thuyết thuộc Phân Ban Vật Lý Viện Nghiên Cứu Quốc Gia Lawrence Berkley, Mỹ, vừa công bố trên Physical Review Letters, tạp chí vật lý uy tín nhất hiện nay.

Mô Hình Tiêu Chuẩn (MHTC-Standard Model), là một hệ thống lý thuyết bắt đầu được  xây dựng từ năm 1978 và kéo dài cho đến tận ngày nay nhằm tổng kết và hệ thống hoá toàn bộ hiểu biết của loài người về các hạt và các lực cơ bản trong tự nhiên, chưa kể lực hấp dẫn. Theo lý thuyết này, các hạt nhỏ nhất trong tự nhiên gồm hai loại chủ yếu: fermions-hạt cấu tạo nên vật chất, và bosons-hạt truyền lực hoặc năng lượng cho các hạt khác thông qua tương tác.

Fermions được chia thành 3 họ tuỳ theo khối lượng của chúng. Họ I gồm các fermions nhẹ nhất: up-quarks, down-quarks, electrons, electron-neutrinos và các phản hạt tương ứng. Các fermions này tạo nên vật chất thông thường xung quanh ta: up-quarks và down-quarks kết hợp với nhau theo từng bộ ba để tạo thành protons và neutrons, rồi protons và neutrons lại kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nguyên tử, electrons kết hợp với hạt nhân để tạo thành nguyên tử và phân tử. Họ II gồm charm-quarks, strange-quarks, muons và muon-neutrinos và các phản hạt tương ứng. Họ III gồm top-quarks, bottom-quarks, taus, tau-neutrinos và các phản hạt tương ứng. Các fermions thuộc họ II và họ III không có trong vật chất thông thường mà chỉ xuất hiện cực kỳ hiếm hoi trong vũ trụ hoặc trong các máy gia tốc.

Trong MHTC hiện nay liệt lê 4 loại bosons: photons (hạt ánh sáng) là hạt truyền lực điện từ, W và Z là các hạt truyền lực hạt nhân yếu (lực chịu trách nhiệm khi một hạt nhân nguyên tử phân huỷ và giải phóng một electron và một neutrino), gluons là hạt truyền lực hạt nhân mạnh (lực giữ các quarks lại với nhau trong protons và neutrons, và giữ protons và neutrons lại với nhau trong hạt nhân), và Higgs là hạt truyền khối lượng, do Peter Higgs thuộc đại học Edinburgh, Anh, nêu lên lần đầu tiên trong Lý thuyết về các trường Higgs

Trong suốt một thời gian dài thử thách, MHTC luôn luôn tỏ ra là một lý thuyết đầy sức thuyết phục, vì nó không chỉ mô tả đầy đủ các hiện tượng đã biết trong trường lượng tử mà còn cho phép tiên đoán chính xác hàng loạt hiện tượng chưa biết trong thế giới các hạt cơ bản. Thắng lợi vang dội nhất gần đây là việc tiên đoán khối lượng của top-quarks đã được thực nghiệm xác nhận năm 1994. Từ đó đến nay các công trình nghiên cứu nhằm hoàn thiện MHTC đều tập trung vào Higgs bosons. Tại sao các nhà vật lý lại chạy đua để nghiên cứu hạt Higgs ? Đó là câu hỏi trên trang Web của CERN, phản ánh tình hình thực tế diễn ra trên thế giới hiện nay.

Quả thật, Higgs bosons trở thành quan trọng đến nỗi Leon Lederman, nhà vật lý đoạt giải Nobel năm 1988, đã gọi đó là “Hạt của Chúa”. Trong cuốn “Hạt của Chúa” xuất bản năm 1993, Lederman thuyết phục chính Phủ Mỹ cấp 10 tỷ USD để chế tạo một chiếc máy gia tốc đủ mạnh để tìm kiếm “Hạt của Chúa”: “Hãy giao cho chúng tôi 10 tỷ dollars và các nhà vật lý sẽ giao nộp Chúa cho các ông!”. Điều này nói lên rằng Higgs bosons là nguyên nhân của cái ban đầu: chúng đóng vai trò quyết định làm “tan vỡ siêu lực” vào lúc khởi thuỷ của vũ trụ[1]. Thật vậy, nhiều lý thuyết vật lý ngày nay kể cả Lý thuyết Big Bang đều cho rằng lúc ban đầu vũ trụ chỉ có một lực duy nhất là “siêu lực” (superforce), để rồi sau đó “siêu lực” tách ra thành các lực khác như ta thấy ngày nay.

“Siêu lực” là một khái niệm hiện đại nhưng thực chất bắt nguồn từ tư tưởng thống nhất vật lý do Albert Einstein khởi xướng vào những năm 1920 trong một lý thuyết mang tên Lý thuyết trường thống nhất (Theory of Unified Field-TUF), trong đó lực hấp dẫn và lực điện từ được coi thực chất chỉ là “hai mặt của một đồng xu”. Trong suốt 30 năm cuối đời, Einstein đã cống hiến toàn bộ sức lực cho lý thuyết này nhưng không thành công, để lại cho nhân loại “Bản giao hưởng bỏ dở” (Unfinished Symphony), như cách nói của Madeleine Nash trên tờ TIMES ngày 31-12-1999. Nhưng nếu “Bản giao hưởng bỏ dở” của Franz Schubert không thể viết tiếp được thì “Bản giao hưởng bỏ dở” của Einstein đã được hậu thế tiếp tục phát triển với mục tiêu cuối cùng là tìm ra bản chất thống nhất của 4 loại lực tồn tại trong tự nhiên: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu. Tư tưởng này lần đầu tiên đạt được thắng lợi vang dội vào năm 1967 khi Steven Weinberg, Sheldon Glashow và Abdus Salam[2] đồng thời chứng minh được bằng toán học rằng lực điện từ và lực hạt nhân yếu có cùng bản chất của một lực duy nhất gọi là lực điện-từ-yếu (electroweak force). Năm 1983-84, các nhà vật lý tại CERN đã khám phá ra các hạt W và Z đúng như lý thuyết điện-từ-yếu dự đoán, do đó ba tác giả của lý thuyết này đã đoạt giải Nobel vật lý năm 1979. Đó là những năm tháng rực rỡ và vĩ đại của tư tưởng thống nhất vật lý, trong đó các nhà khoa học cảm thấy được khích lệ mạnh mẽ để đi những  bước tiếp theo: tìm cách hợp nhất lực điện-từ-yếu với lực hạt nhân mạnh trong một khuôn khổ được gọi là Lý thuyết thống nhất lớn (Grand Unified Theory-GUT). Tuy nhiên, theo Steven Weinberg, nhiều khó khăn đã nẩy sinh cho thấy GUT khó có thể thành công nếu không gộp luôn cả lực hấp dẫn vào trong đó[3]. Vì thế, tham vọng của nhiều nhà khoa học ngày nay đã được đẩy xa tới mức đi tìm một lý thuyết không những hợp nhất tất cả các lực, mà hợp nhất luôn cả tất cả các hạt: “tất cả là một, một là tất cả”[4]!. Một lý thuyết như thế nếu tồn tại sẽ xứng đáng để được gọi là “Lý thuyết về mọi thứ” (Theory Of Everything-TOE), còn Steven Weinberg thì gọi đó là “lý thuyết cuối cùng” (the final theory), vì quả thật với lý thuyết đó những câu hỏi thắc mắc của loài người từ ngàn xưa về nguồn gốc của vũ trụ và của chính loài người sẽ bắt đầu được sáng tỏ.

Liệu có thể có một lý thuyết thống nhất như thế được không? Stephen Hawking trả lời trong cuốn “Lược sử thời gian” rằng “Hiện nay triển vọng tìm ra một lý thuyết như thế rất sáng sủa vì chúng ta đã biết khá nhiều về vũ trụ”, và “hiện nay chúng ta đang ở gần giai đoạn cuối trong quá trình tìm ra những định luật cơ bản của thiên nhiên”[5]. Tuy nhiên, triển vọng đó trước mắt phụ thuộc vào việc hoàn thiện MHTC sao cho lý thuyết này có thể bao gồm cả tương tác hấp dẫn, nghĩa là kết hợp được MHTC với Thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Nhưng trước hết, tất cả những bài toán vĩ đại đó phụ thuộc vào việc kiểm chứng Higgs bosons. Steven Weinberg viết: “Để hoàn thiện MHTC, chúng ta cần phải xác nhận sự tồn tại của những trường vô hướng này, và tìm ra có bao nhiêu dạng trường đó. Đây là vấn đề khám phá những hạt cơ bản mới, thường được gọi là những hạt Higgs, mà có thể được xem như là những lượng tử của những trường này. Chúng ta có mọi lý do để cho rằng nhiệm vụ này sẽ được hoàn tất trước năm 2020, sau khi chiếc máy gia tốc mang tên Large Hadron Collider tại CERN, Viện nghiên cứu vật lý hạt cơ bản Âu châu đặt tại Geneve, đã đi vào hoạt động được hơn một thập kỷ”[6].

Tóm lại, Higgs bosons đã và đang trở thành “nhân vật” chính yếu trong câu chuyện của vật lý hạt cơ bản, tức của MHTC, và của lý thuyết vật lý thống nhất, có nghĩa là của toàn bộ vật lý. Nhưng chính vào lúc mọi nỗ lực tập trung vào việc phát hiện hạt Higgs thì những thí nghiệm tại CERN đã làm bộc lộ điều gì đó bất ổn trong MHTC.

Một trong những phép đo được các nhà khoa học tại CERN sử dụng để tiên đoán khối lượng của hạt Higgs là xác định hướng phân huỷ của các hạt Z thành bottom quarks và phản-bottom-quarks. Mặc dù những phép đo này chưa trực tiếp kiểm chứng sự tồn tại của hạt Higgs, mà chỉ gián tiếp suy đoán khối lượng của hạt Higgs thông qua sự phân huỷ của hạt Z, nhưng “kết quả đo lường này không phù hợp một cách rõ rệt so với giá trị tiên đoán của MHTC”, Chanowitz nhận định trong báo cáo trên Physical Review Letters, “nếu điều này đúng, sự khác biệt này ngụ ý sự thất bại của MHTC”. Chanowitz phân tích tiếp: Vì việc đo lường sự phân huỷ hạt Z thành bottom-quarks và phản-bottom-quarks là cực kỳ khó khăn nên khả năng những “sai sót tinh vi lắt léo trong thí nghiệm” gây ra sự khác biệt trong kết quả là điều không thể tránh khỏi. Tuy nhiên sai số đo đạc không thể cứu vãn được lý thuyết, vì giá trị tiên đoán khối lượng hạt Higgs của MHTC quá thấp so với kết quả tính toán rút ra từ thực nghiệm, bằng 114,1 GeV (hơn 114 tỷ electronvolts), mặc dù kết quả này được chọn lựa từ giá trị nhỏ nhất (minimum) trong số những kết quả thu được qua nhiều lần thí nghiệm khác nhau. Nói cách khác, sự sai biệt giữa thực nghiệm và lý thuyết quá lớn, vượt quá sai số cho phép. Chỉ có thể giải thích sự sai biệt này bằng cách chỉ ra điều gì đó còn thiếu sót trong MHTC, và  khắc phục nó bằng cách tìm ra những lý thuyết mới, ý tưởng mới phù hợp hơn.

Một trong các ý tưởng đó, theo Chanowitz, là cần phải tiên đoán những hạt cơ bản mới và thậm chí của những lực mới chưa hề biết tham gia vào trong các tương tác. Liệu có thể tìm thấy những hạt mới và những lực mới hay không ? Cũng như nhiều nhà khoa học khác, Chanowitz hy vọng chiếc máy gia tốc mới mang tên LHC-Large Hadron Collider với công suất bắn phá protons lên tới cỡ nhiều nghìn tỷ electronvolts (multi-TeV) bắt đầu đi vào hoạt động vào năm 2005 tại CERN sẽ cung cấp lời giải cho sự thách thức bởi “Hạt của Chúa”.

21. Dùng “tương tác ma quỷ” để chuyển thông tin tức thời

Nhà vật lý úc gốc Hoa Ping Koy Lam cùng các cộng sự tại Đại học quốc gia Australia ở Canberra vừa thực hiện thành công một thí nghiệm chuyển thông tin theo một nguyên lý hoàn toàn mới dựa trên “tương tác ma quỷ” của các hạt ánh sáng : Đúng vào lúc một chùm sáng laser chứa đựng những dữ liệu thông tin nhất định bị huỷ tại một vị trí trong phòng thí nghiệm thì nhóm của Lam đã tạo ra được một chùm sáng laser khác giống hệt như thế tại một vị trí khác cách vị trí ban đầu 1 mét. Trong thí nghiệm, mặc dù chùm sáng không hề chuyển động từ điểm này đến điểm kia nhưng vì hai chùm sáng giống hệt nhau nên người quan sát có cảm tưởng rằng chùm sáng đã được di chuyển tức thời từ điểm này đến điểm kia, giống như trong truyện Tây Du Ký Tề Thiên Đại Thánh dùng phép biến hình và hiện hình để ngay lúc biến mất khỏi trần gian đã đồng thời xuất hiện trên thiên đình.

Các nhà khoa học gọi hiện tượng này là sự “chuyên chở tức thời qua không gian xa cách” (teleportation), một khái niệm xưa nay chỉ có trong truyện cổ tích, thần thoại hoặc khoa học viễn tưởng. Nhưng thí nghiệm của ANU lần đầu tiên đã biến chuyện thần thoại “vận chuyển tức thời” thành hiện thực: Vì hai chùm sáng giống hệt nhau, tức là thông tin chứa đựng trong hai chùm sáng đó là như nhau, nên kết quả thí nghiệm có ý nghĩa là thông tin đã được chuyển tức thời qua không gian mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản. Đây là một nguyên lý truyền thông tin hoàn toàn mới. Thật vậy, trong công nghệ thông tin dựa trên liên mạng computer điện tử và trong sợi cáp quang hiện nay, thông tin được chuyển qua các mạch điện tử, tức là nhờ dòng chuyển động của electron, hoặc được truyền trong sợi cáp quang, tức là dòng chuyển động của các hạt photon. Cả hai dạng truyền thông tin hiện tại này, mặc dù đã rất nhanh,  đều không thể so sánh với nguyên lý truyền thông tin tức thời như trong thí nghiệm của ANU được. Nguyên lý truyền tức thời có hai ưu điểm vượt trội : tốc độ siêu-nhanh (được coi là tức thời) và siêu-an-toàn (rất khó giải mã ngay cả trong trường hợp thông tin bị đánh cắp). Vì thế, thí nghiệm của ANU đang gây nên một chấn động trong giới khoa học như một tiếng chuông báo hiệu một thời đại thông tin mới đang ở phía trước mặt.

Thực ra không phải các nhà khoa học Australia đã khám phá ra một hiện tượng mới. Họ chỉ khai thác một hiện tượng vật lý đã được biết đến từ lâu, đó là hiện tượng “vướng lượng tử”, hoặc “rối lượng tử” (quantum entanglement), trong đó hai hạt ánh sáng (photon) được tạo ra đồng thời cùng một lúc sẽ có những liên hệ rất kỳ lạ với nhau. Thật vậy, nếu hai hạt photon được tạo ra đồng thời và được đặt ở hai vị trí cách xa nhau, chúng sẽ không tồn tại một cách biệt lập riêng rẽ mà ngược lại luôn có một mối ràng buộc chặt chẽ với nhau, trạng thái của photon này sẽ quyết định trạng thái của photon kia. Nếu ta buộc photon này phải tuân theo một trạng thái lượng tử nào đó thì photon kia cũng lập tức có ngay một trạng thái lượng tử tương ứng. Nói cách khác, nếu ta biết trạng thái của photon này thì lập tức ta sẽ biết trạng thái của photon kia. Điều đó có nghĩa là giữa hai photon tồn tại một quan hệ tương tác nào đó. Tương tác này  không phải là một trong 4 tương tác đã biết (hấp dẫn, điện từ, hạt nhân yếu, hạt nhân mạnh). Vậy nó là tương tác gì ? Đến nay vẫn chưa ai biết. Albert Einstein từng gọi đó là “tương tác ma quái” (spooky interaction). Tờ Guardian của Anh ngày 18-6-2002 bình luận: “Hiện tượng này còn bí hiểm hơn cả chính sự tồn tại của vũ trụ”. Đa số các nhà vật lý hiện nay “đành” giải thích điều bí hiểm này như một biểu hiện bất định của thế giới lượng tử mà Nguyên Lý Bất Định của Heisenberg đã chỉ rõ. Vì thế muốn hiểu nó buộc phải hiểu Nguyên Lý Bất Định.

Giả sử, nếu biết lực tác dụng vào quả bóng trong cú sút phạt của Ronaldinho trong trận Brazil-Anh trong World Cup 2002 vừa qua thì Cơ học Newton có thể giúp thủ môn Seaman tính toán chính xác quả bóng đó sẽ bay ra sao và sẽ rơi vào đâu. Đó là vì trong thế giới thông thường, quan hệ nhân-quả là chìa khoá giúp giải thích rõ ràng mọi hiện tượng. Nhưng trong thế giới của các “quả bóng vi mô” (các hạt dưới nguyên tử) thì quan hệ nhân-quả hoàn toàn sụp đổ. Các hạt cơ bản tồn tại hoàn toàn bất định. Tính bất định biểu hiện theo nhiều cách khác nhau, một trong những biểu hiện đó chính là hiện tượng “vướng lượng tử” : một hạt cơ bản có thể cùng một lúc tồn tại ở hai vị trí khác nhau mà giác quan thông thường của chúng ta coi là hai hạt khác nhau.

Trong những năm gần đây đã dấy lên một làn sóng vật lý đi tìm những biểu hiện bất định của các hạt cơ bản và người ta đã khám phá ra hàng loạt chuyện kỳ lạ bất thường. Năm 1995, một nhóm vật lý ở Colorado đã làm lạnh vật chất xuống tới -273 độ C (gần 0 độ tuyệt đối), trong điều kiện đó các nguyên tử “ứng xử” giống hệt nhau và tạo thành một “đại nguyên tử”. Năm 2001, một nhà vật lý Đan Mạch đã làm chậm ánh sáng đến mức như đứng lại, giữ được nó trong một khoảnh khắc, rồi lại “thả” nó ra để cho nó trở lại chuyển động với tốc độ ánh sáng. Nhưng kỳ quái nhất vẫn là hiện tượng “bất định vị” (nonlocality) của các hạt dưới nguyên tử, tức hiện tượng một hạt có thể xuất hiện cùng một lúc ở hai vị trí khác nhau nói trên. Một bộ óc kỳ lạ như Einstein cũng đành phải mô tả nó như là “tác động ma quỷ từ xa” (ghostly action at a distance), thay vì đưa ra một giải thích theo một công thức toán học nhân-quả.

Nhưng nhờ thái độ chấp nhận “tương tác ma quỷ” như là một biểu hiện của Nguyên Lý Bất Định nên các nhà vật lý đã hướng mục tiêu nghiên cứu vào ứng dụng tương tác đó. Người đi tiên phong theo hướng này là giáo sư Zeilinger, năm 1997 lần đầu tiên đã nêu lên ý kiến cho rằng do tính chất đồng thời tồn tại tại nhiều vị trí khác nhau nên các hạt ánh sáng có thể được “vận chuyển tức thời” qua những khoảng cách lớn trong không gian. Ngay lập tức 40 phòng thí nghiệm trên thế giới đã bắt tay vào nghiên cứu nhằm biến ý tưởng của Zeilinger thành hiện thực. Thí nghiệm của ANU là một trong số đó, và đây là lần đầu tiên thực hiện được việc chuyển thông tin tức thời qua khoảng cách không gian 1 m, trong đó hai chùm sáng laser thực chất chỉ là một, nhưng đồng thời tồn tại ở hai vị trí khác nhau !

Tiến sĩ Lam nói: “”Về lý thuyết, không có gì ngăn trở con người di chuyển tức thời trong không gian, nhưng vào thời điểm hiện nay, đó vẫn là chuyện viễn tưởng. Tuy nhiên trong tương lai không xa, việc vận chuyển tức thời một vật rắn có thể trở thành hiện thực. Tôi dự đoán trong vòng từ 3 đến 5 năm nữa khoa học sẽ có thể vận chuyển tức thời một nguyên tử”.

22. Một lần nữa Einstein lại đúng! (Lần đầu tiên đo được tốc độ của lực hấp dẫn)

Khoa học lại vừa đạt được một chiến công vang dội khi hai nhà khoa học Mỹ, Ed Fomalont tại Đài quan sát sóng thiên văn radio quốc gia ở Charlottesville, Virginia, và Sergei Kopeikin tại Đại học Missouri ở Columbia, lần đầu tiên đã đo được tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn, khớp với dự doán thiên tài của Albert Einstein trong Thuyết Tương Đối Tổng Quát. Thành tựu này ủng hộ cho “Lý thuyết về mọi thứ” (TOE – Theory Of Everything), một lý thuyết trung tâm của vật lý hiện đại nhằm thống nhất toàn bộ các lực trong tự nhiên, tức là thống nhất toàn bộ thế giới vật chất về cùng một bản chất.

Lực hấp dẫn đã được khám phá từ thế kỷ 17 bởi Isaac Newton, một trong những nhà toán học và vật lý vĩ đại nhất của mọi thời đại. Newton thiên tài không những dự đoán được sự tồn tại của lực hấp dẫn mà còn tính được chính xác lực tác động giữa hai vật thể có khối lượng, phát minh ra Định luật vạn vật hấp dẫn và dùng định luật này để giải thích chuyển động của các thiên thể. Tuy nhiên Newton phạm hai sai lầm:

-Một, ông coi không gian giữa các thiên thể là trống rỗng, lực hấp dẫn có khả năng đi xuyên qua không gian trống rỗng đó để tác động lên nhau.

-Hai, lực hấp dẫn tác dụng tức thời từ vật này lên vật kia, không cần thời gian để đi xuyên qua không gian. Nói cách khác, tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn là vô hạn.

Sai lầm thứ nhất đã bị Michael Faraday ở thế kỷ 19 bác bỏ. Theo Faraday không thể có không gian trống rỗng và nhất thiết lực phải truyền qua một môi trường trung gian. Môi trường này không nhất thiết được cấu tạo bởi vật chất nhìn thấy, mà có thể bằng một loại vật chất không nhìn thấy được gọi là trường (field). Lý thuyết về các trường ra đời từ đó.

Nhưng sai lầm thứ hai thì phải đợi mãi đến đầu thế kỷ 20, năm 1916, khi Einstein công bố Thuyết Tương Đối Tổng Quát (TTĐTQ) thì mới bị bác bỏ. Trong TTĐTQ, Einstein nêu lên giả thiết lực hấp dẫn có tốc độ giới hạn, thậm chí ông cho rằng tương đương với tốc độ ánh sáng. Giả thiết này là một trong những cơ sở nền móng của TTĐTQ. Nếu giả thiết này sụp đổ thì lý thuyết của Einstein cũng sụp đổ theo.

Năm 1919, thí nghiệm của Arthur Eddington đo độ lệch của tia sáng một ngôi sao khi nó đi ngang qua gần mặt trời, xác nhận hoàn toàn tiên đoán của Einstein về tính cong của không gian, một trong những hệ quả nổi tiếng của TTĐTQ. Từ đó lý thuyết của Einstein hoàn toàn có sức thuyết phục. Trong gần 100 năm qua, khoa học đã làm lại thí nghiệm của Eddington nhiều lần với những công cụ ngày càng tinh vi hơn, thu được những kết quả ngày càng gần với tính toán lý thuyết của Einstein hơn. Mặt khác, với TTĐTQ các nhà vũ trụ học đã giải thích và tính toán được hàng loạt hiện tượng thiên văn và vũ trụ một cách chính xác. Do đó đến nay TTĐTQ đã trở thành một trong các trụ cột của khoa học, thậm chí của cả triết học và nhận thức của loài người nói chung. Không còn ai nghi ngờ nó nữa, người ta chỉ sử dụng nó như một công cụ sắc bén để khám phá những hiện tượng mới, nguyên lý mới của tự nhiên.

Tuy nhiên, có một dấu hỏi lớn đặt ra: Liệu giả thiết về tính giới hạn của tốc độ của lực hấp dẫn có đúng không ? Làm thế nào để kiểm tra giả thiết đó ?

Câu hỏi này từ lâu đã thách thức các nhà khoa học, và là một trong những thách thức vĩ đại nhất. Và phải đợi gần một thế kỷ sau Einstein, đầu năm 2003 mới có câu trả lời: “Một lần nữa Einstein lại đúng !”, Kathy Sawyer, ký giả khoa học của nhật báo The Washington Post, phải thốt lên như vậy khi đưa tin và bình luận về sự kiện vang dội này: Kết quả đo đạc của Fomalont và Kopeikin cho thấy tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn bằng 1,06 lần tốc độ ánh sáng, tức là bằng 299337 km trong 1 giây trong chân không, với sai số 20%.

Nhưng làm thế nào mà hai nhà khoa học đó đã làm được điều kỳ diệu ấy ? Câu trả lời là: Họ đã học kỹ thí nghiệm của Arthur Eddington. Vậy đến đây xin đọc giả quay lại với Eddington.

Năm 1916, Einstein tiên đoán lực hấp dẫn sẽ bẻ cong không gian xung quanh nó, và do đó ánh sáng đi qua một vùng ở gần một thiên thể có khối lượng lớn cũng sẽ bị cong dưới tác dụng của lực hấp dẫn do thiên thể ấy gây ra. Eddington là người vô cùng sắc sảo khi ông đề nghị kiểm tra tiên đoán của Einstein nhân dịp một hiện tượng nhật thực hi hữu xẩy ra vào năm 1919, trong đó trái đất, mặt trời và một ngôi sao biết rõ danh tính nằm gần như thẳng hàng. ánh sáng từ ngôi sao đến trái đất sẽ phải đi ngang qua gần mặt trời. Nếu Einstein đúng thì vị trí ngôi sao trên bản đồ sao lúc xẩy ra nhật thực sẽ phải lệch đi một chút so với vị trí vốn có, do ánh sáng của nó bị lệch khi đi gần mặt trời. Kết quả như trên đã nói, thí nghiệm đã xác nhận tiên đoán của Einstein.

Đến lượt Fomalont và Kopeikin, với chương trình nghiên cứu đã được chuẩn bị từ nhiều năm trước, hai ông đã “chộp” được một hiện tượng cũng vô cùng hi hữu chỉ xẩy ra một lần trong một thập kỷ: Trái đất, Mộc tinh (Jupiter, một hành tinh trong hệ mặt trời) và một Quasar (một thiên hà hoạt động rất mạnh, rực sáng, chứa nhiều hốc đen ở lõi, cách xa trái đất vài tỷ năm ánh sáng), sắp xếp gần như thẳng hàng vào ngày 8 tháng 9 năm 2002. Sóng radio thiên văn phát đi từ Quasar đi tới trái đất sẽ đi ngang qua gần Mộc tinh và chúng sẽ bị lệch dưới tác dụng của lực hấp dẫn của Mộc tinh. Lực hấp dẫn càng lớn thì độ lệch càng lớn. Từ độ lệch thu nhận được từ rất nhiều đài quan sát khác nhau, các nhà khoa học có thể tính được tốc độ của lực hấp dẫn.

Đó là nội dung căn bản của thí nghiệm. Tuy nhiên để thiết lập được một bài toán có nội dung dẫn tới đáp số là tốc độ của lực hấp dẫn cần phải có một trình độ toán học siêu đẳng để thiết kế một hệ thống quan sát sao cho có thể thu nhận được những thông số cần thiết. Hơn nữa cần phải có một hệ thống máy quan sát cực kỳ tinh vi để có thể ghi nhận được những dấu hiệu thay đổi nhỏ nhất của các dữ kiện. Để đáp ứng cả hai khó khăn rất lớn đó, thí nghiệm đã phải phối hợp hoạt động của một hệ thống kính viễn vọng trải rộng trên một phạm vi chưa từng có trên trái đất: từ các kính viễn vọng tìm sóng radio thiên văn trong nội địa nước Mỹ đến các kính viễn vọng radio trên vùng quần đảo Virgin Island và Hawaii, cùng với các kính viễn vọng radio tại Eeffelsberg ở Đức. Độ chính xác của các kính viễn vọng này đạt tới mức nhận diện được một sợi tóc ở cách xa 400 km. Fomalont nói. “Chúng tôi phải thực hiện một phép đo với khoảng 3 lần chính xác hơn bất kỳ ai đã từng làm”. Thực ra Fomalont và Kopeikin vô cùng lo lắng về thời tiết trên trái đất và các cơn bão điện từ có thể xẩy ra trên Mộc tinh sẽ làm hỏng kế hoạch của họ. Nhưng họ đã gặp may.

Kết quả, như ở trên đã thông báo, chứa đựng hai nội dung cơ bản:

-Lực hấp dẫn có tốc độ lan truyền giới hạn. Năm 2003 mới thật sự là thời điểm cáo chung của tư tưởng Newton về tính tức thời của lực hấp dẫn, đồng thời xác nhận tiên đoán thiên tài của Einstein.

-Tốc độ của lực hấp dẫn tương đương với tốc độ ánh sáng. Fomalont nói: “Mục tiêu chủ yếu của chúng tôi lúc đầu là chứng minh rằng tốc độ vô hạn của sóng hấp dẫn là sai, nhưng cuối cùng chúng tôi đã đạt được kết quả vượt mức dự kiến. Bây giờ chúng tôi rất tự tin để nói rằng chúng tôi sẽ loại trừ bất kỳ một tốc độ nào của lực hấp dẫn nhanh tới mức gấp 2 lần tốc độ ánh sáng”.

Kết quả thí nghiệm đã được công bố trong cuộc họp của Hội thiên văn Mỹ đầu năm nay. Đại đa số các nhà khoa học có mặt đều tin vào kết quả của Fomalont và Kopeikin, mặc dù thí nghiệm sẽ còn được lặp lại trong tương lai. Chỉ có một nhà khoa học Nhật bản tỏ ý nghi ngờ khi cho rằng trình độ kỹ thuật ngày nay chỉ mới có thể đo được tốc độ ánh sáng chứ chưa thể đo được tốc độ lực hấp dẫn, nhưng ý kiến này không được hội nghị ủng hộ .

Tại sao Fomalont và Kopeikin lại chọn “phương án Eddington” ?

Hãy nghe Kopeikin giải thích: “Chưa có ai cố gắng đo tốc độ của lực hấp dẫn, vì hầu hết các nhà vật lý nghĩ rằng chỉ có mỗi một cách thực hiện điều này là phải phát hiện ra sóng hấp dẫn trước đã”. Thật vậy, từ nhiều năm nay những trung tâm nghiên cứu khổng lồ đã được xây dựng nhằm thăm dò các sóng hấp dẫn lăn tăn lan truyền trong không gian, phát đi từ các sự kiện như sự va đập của các sao neutrons hoặc của vụ nổ Big Bang 14 tỷ năm trước đây. Fomalont và Kopeikin đã đi đường tắt và tới đích nhanh hơn.

Kết quả này đặc biệt làm cho các nhà vật lý lý thuyết thích thú, bởi vì họ đang theo đuổi “Lý thuyết về mọi thứ”, hậu thân của Lý thuyết thống nhất do Einstein chủ xướng từ như năm 1920. Lý thuyết này đã tìm ra sự thống nhất của lực điện từ và lực hạt nhân yếu, gọi tắt là lực điện từ yếu. Nhiều cố gắng đang tìm cách hợp nhất lực điện từ yếu với lực hạt nhân mạnh. Nhưng Steven Weinberg, một trong 3 người đoạt giải Nobel vật lý năm 1979, từng cảnh báo rằng nỗ lực này chỉ có thể thành công nếu hợp nhất luôn cả lực hấp dẫn vào trong đó. Vì thế cuộc “săn đuổi tóm bắt” lực hấp dẫn trở thành đề tài chính của câu chuyện “Lý thuyết về mọi thứ”. Trong bối cảnh đó, Fomalont và Kopeikin đã tạo nên một đột phá đầu tiên. Không nghi ngờ gì nữa, đây là một thắng lợi vĩ đại của khoa học !

23. Một kiểu giáo khoa vật lý hoàn toàn mới

Joy Hakim đang phá vỡ tất cả các luật lệ (Valerie Strauss)

Thật là khó hiểu khi một nền kinh tế, khoa học và công nghệ đứng hàng đầu thế giới như của Mỹ lại tiến bước song hành bên cạnh một nền giáo dục phổ thông tụt hậu, chất lượng thua kém nhiều quốc gia khác, kể cả một số quốc gia đang phát triển. Đó là một nghịch lý giáo dục từng làm đau đầu các nhà lãnh đạo Mỹ, tạo nên một sức ép nặng nề đối với các nhà sư phạm, buộc họ phải tìm ra chìa khoá để đảo ngược tình hình.

Trong bối cảnh đó, nữ giáo sư kiêm nhà báo Joy Hakim đã công bố một kiểu sách giáo khoa hoàn toàn mới, không viết theo con đường kinh viện như mọi sách giáo khoa khác, mà theo phong cách lịch sử khoa học. Dưới đầu đề “Một phương pháp cơ bản để giảng dạy khoa học” (A Radical Formula For Teaching Science), nhật báo The Washington Post ngày 18-03-2003 nhận định: Joy Hakim đang phá vỡ tất cả các luật lệ… Sách giáo khoa lâu nay thường chỉ là những bản thống kê kiến thức buồn tẻ và nhàm chán, nhưng sách của Hakim lại như một loại truyện kể. Thông qua những câu chuyện lịch sử khoa học hấp dẫn, Hakim dạy cho học sinh hiểu khoa học, hiểu quá trình hình thành các tư tưởng khoa học và ảnh hưởng của các tư tưởng đó đối với thế giới.

Để thấy rõ ý nghĩa cách mạng trong công trình của Hakim, xin đọc giả cùng chúng tôi điểm lại một số nét đặc biệt trong nền giáo dục của Mỹ những năm gần đây.

1-Nghịch lý giáo dục

Ngày 20-11-2002, hãng tin Reuters đưa tin: “Học sinh trung học đạt kết quả kém trong môn khoa học” (High School Students Do Badly in Science). Thật vậy, trong kỳ thi kiểm tra toàn quốc môn khoa học (vật lý, hoá học, sinh học) vừa qua chỉ có khoảng 19% học sinh trung học đạt loại khá, 34% đạt trung bình (nắm được kiến thức tối thiểu), 47% đạt loại kém (kiến thức dưới mức tối thiểu). Theo Reuters, nguyên nhân chủ yếu là do trình độ non yếu của giáo viên: “Từ lâu dư luận đã phàn nàn rằng nhiều giáo viên không được kiểm tra kiến thức một cách phù hợp để dạy môn khoa học”. Trong khi đó Hội Giáo Viên Khoa Học Quốc Gia lại đổ lỗi cho nhà nước, phê phán nhà nước thiếu chú ý đến việc cải cách chương trình môn học này, không nhận thức đủ tầm quan trọng của môn này. Harold Pratt, chủ tịch Hội, nói: “Bạn không thể mong chờ nhìn thấy những thay đổi lớn trong kết quả học tập của học sinh chừng nào không có những thay đổi lớn trong phương pháp học môn khoa học”.

Tình hình môn toán cũng chẳng có gì khả quan hơn. Sau những cải cách trong hai thập kỷ 1960-1970 dưới danh hiệu “Toán Học Mới” (New Mathematics) với kết cục thất bại thảm hại, thay vì quay trở lại phương pháp truyền thống, ngành giáo dục Mỹ lại tiếp tục cải cách và cải cách. Cuộc cải cách mới nhất từ 1998 đến nay được báo chí gọi là “Toán Học Mới-Mới” (New-New Mathematics) với sự áp đặt cả những môn hiện đại như Lý Thuyết Tập Mờ (Fuzzy Theory), v.v. nhưng rốt cuộc vẫn chỉ làm cho nền giáo dục toán học lâm vào khủng hoảng tệ hại hơn. Giới phụ huynh học sinh, và ngay cả nhiều nhà trường, thầy cô giáo cũng kịch liệt phản đối việc áp dụng chương trình mới vì sự quá tải và vô hiệu quả của nó. Nhiều trường tuyên bố không giảng dạy theo chương trình mới. Tranh luận và cãi vã bùng nổ trên báo chí và trên mạng[7]. Tình trạng lộn xộn đến nỗi báo chí gọi đây là “cuộc chiến tranh toán học” (Maths War). Tình trạng này dẫn tới hậu quả học sinh chán ngấy môn toán, lảng tránh toán, đổ xô vào học những ngành không cần hoặc rất ít cần toán. Trong cuốn “Thực ra toán học là gì ?” (What is Mathematics, Really?), Reuben Hersh, giáo sư Đại học New Mexico, nhận định: “Nước Mỹ đang phải chịu nạn “mù tính toán” (innumeracy) trong quảng đại quần chúng, nạn “trốn tránh môn toán” (math avoidance) trong sinh viên trung học, và 50% học sinh lớp 11, 12 thi trượt môn vi tích phân. Nguyên nhân bao gồm việc thiếu kinh phí, sự mòn mỏi tinh thần vì xem tivi, phụ huynh không yêu thích môn toán. Nhưng còn có một nguyên nhân khác ít người biết đến: sự thiếu hiểu biết đối với bản chất của toán học”. Bách khoa toàn thư Americana 1999 của Mỹ tổng kết hậu quả của trào lưu “Toán Học Mới” như sau: “Tình trạng mù toán học (mathematical illiteracy) là phổ biến, và rõ ràng là các quốc gia khác, như Nhật Bản hay Liên xô (cũ), có học sinh được đào tạo tốt hơn. Mặc dù lý do thất bại của chương trình này khá phức tạp, nhưng đã có thể nêu lên một số đánh giá khái quát. Việc đào tạo giáo viên cho một chương trình có tầm cỡ như vậy được thực hiện rất hạn chế, rồi bỏ mặc nền giáo dục cho những giáo viên mà chính họ cũng không hiểu thấu những kiến thức này… Việc nhấn mạnh đến các môn học khó hiểu như Lý thuyết tập hợp tỏ ra phản tác dụng khi mà việc ứng dụng các kiến thức đó cũng còn rất hạn chế ngay cả đối với những nhà toán học và khoa học thực hành. Chương trình quá chú trọng tới toán học ở trình độ cao này dẫn tới sự trả giá là mất kiến thức cơ bản”.

Năm ngoái, TIMSS (Third International Maths and Science Study), một viện nghiên cứu giáo dục khá nổi tiếng, đã công bố kết quả xếp hạng chất lượng học sinh trong hai môn toán và khoa học trên toàn thế giới, trong đó Mỹ chỉ đứng thứ 17 về khoa học và 28 về toán học, sau nhiều nước ở châu Á như Nhật Bản, Hàn Quốc, Singapore, … hoặc nhiều nước xã hội chủ nghĩa cũ như Tiệp, Hung, Bulgarie,… Từ đó TIMSS đi đến kết luận: Tiền bạc và truyền thống văn hoá tuy rất quan trọng nhưng không phải là yếu tố quyết định chất lượng. Yếu tố quyết định chính là người thầy – sách giáo khoa và giáo viên trực tiếp giảng dạy.

Trước tình hình đó, (cựu) tổng thống Mỹ George W.Bush đã phải lên tiếng kêu gọi cần phải có chính sách đối xử với giáo viên tốt hơn, phải coi giáo viên là những người làm chuyên môn xứng đáng được hưởng đồng lương cao hơn, nhưng ngược lại cũng đòi hỏi giáo viên phải lo trau dồi kiến thức để đảm bảo chất lượng giảng dạy tốt hơn. Và không chỉ kêu gọi suông, ông Bush đã phê chuẩn một đạo luật trong đó yêu cầu mọi giáo viên từ nay đến năm 2005 đều phải được thẩm định lại kiến thức, giáo viên nào không đạt yêu cầu sẽ bị chuyển sang làm việc khác. Trong một cuộc họp tại Nhà Trắng về giáo dục do tổng thống phu nhân Laura Bush chủ trì, chủ tịch Liên Đoàn Giáo Viên Mỹ Sandra Felman tuyên bố: “Chúng ta không thể đạt được những tiêu chuẩn hạng nhất về chất lượng nếu chúng ta không có những giáo viên hạng nhất”.

Và để có những giáo viên hạng nhất, ai cũng hiểu rằng cần phải có những cuốn giáo khoa hạng nhất ! Nhưng thế nào là giáo khoa hạng nhất ?

2-Vấn đề giáo khoa

Theo tờ Washington Post, sách giáo khoa đóng vai trò nòng cốt trong việc giảng dạy khoa học. Những cuộc thăm dò cho thấy hơn 90% thầy cô giáo dạy khoa học đều sử dụng sách giáo khoa, và một bản thống kê nhà nước kết luận 59% thầy cô giáo nói rằng sách giáo khoa có một ảnh hưởng lớn trong việc giảng dạy của họ.

Nhưng chất lượng sách giáo khoa thì sao ?

Hội Vì Tiến Bộ Khoa Học của Mỹ, gọi tắt là AAAS (American Association for the Advancement of Science), đã tiến hành một cuộc thẩm định 45 cuốn sách giáo khoa toán và khoa học nổi tiếng của trường phổ thông và đi đến kết luận không có cuốn nào thực sự làm người đọc thoả mãn.

Hans Christian von Bayer, giáo sư vật lý tại Trường Cao Đẳng William & Mary, nhận xét cụ thể hơn: “Sách giáo khoa hiện nay được viết bởi các uỷ ban (commitees). Họ chẳng có tài văn chương, cũng chẳng có giọng điệu gì hấp dẫn, chẳng có văn phong, chẳng có chút sức mê hoặc (charm) nào cả. Họ chỉ đặc biệt chú trọng đến các chi tiết chuyên môn … Kết quả là trẻ em cố gắng học thuộc, cố nôn mửa (spew out) thông tin vào bài kiểm tra tuần sau, nhưng để rồi quên đi, quên hẳn, quên một cách tuyệt đối”.

Emily Kurkjan, 17 tuổi, học sinh lớp 12 trường trung học Westfield ở Fairfax County, nói: “Em sẽ học tốt hơn nếu sách giáo khoa có nhiều truyện hơn. Sách giáo khoa khoa học mà em học ở các lớp dưới giống như một mớ sự kiện thẳng băng (a bunch of straight facts) nhạt phèo vì chẳng có lấy một dòng truyện hấp dẫn nào cả”. Một số em khác nói đọc sách giáo khoa các em thấy buồn ngủ vì không có gì kích thích trí tò mò của các em.

Nhưng sách của Hakim không giống như thế. Nó được trình bầy theo một phương pháp phi-truyền-thống, một phương pháp mới hoàn toàn, trong đó việc làm thế nào để thoả mãn tâm sinh lý của người học được coi là điều kiện cần và đủ để tiến tới thực sự hiểu biết.

Nguyên là một cựu giáo viên sống tại Denver và vùng bãi biển Virginia, Hakim còn từng là một nhà báo. Có thể nghề nghiệp đa dạng đã giúp bà có cái nhìn sắc xảo và “mềm mại” hơn các nhà sư phạm thuần tuý. Bà có ý định bước chân vào nghề viết sách giáo khoa sau khi được tham dự một khoá nghiên cứu tại Đại học Minnesota vào khoảng giữa những năm 1980. Tại đó các giáo sư thách thức lẫn nhau làm sao có thể viết lại những sách giáo khoa cần thiết, nhất là nếu cần phải thay đổi một cuốn giáo khoa vốn đã nổi tiếng. Thách thức đó đã kích thích bà thử sức lần đầu tiên với bộ môn lịch sử. Đó là nguyên nhân ra đời cuốn giáo khoa “Lịch Sử Nước Mỹ”, gồm 11 tập, lập tức được giới giảng dạy lịch sử và học sinh đặc biệt thích thú, và Hakim được trao tặng giải thưởng James Michener năm 1997. Đối với Hakim, không có sự khác nhau giữa bộ môn lịch sử và bộ môn khoa học. Khoa học cũng là một quá trình sống động như lịch sử, và một nhà sư phạm khoa học tinh tế cần phải truyền hơi thở sống động đó đến học sinh. Hakim nói : “Khoa học là một quá trình chứ không phải một bản thống kê, nhưng rất nhiều sách giáo khoa khoa học không trình bầy khoa học theo cách đó”. Và Hakim quyết định sẽ dạy môn khoa học cho học sinh theo cách riêng của bà. “Bằng những câu chuyện phản ánh quá trình thay đổi của tư tưởng và tri thức qua các thế kỷ, tôi sẽ cố gắng giúp học sinh hiểu khoa học. Tôi muốn các em nhỏ sẽ trở thành các thám tử, vì thế tôi sẽ cố gắng viết thế nào để thu hút các em tới mức các em còn muốn học tiếp thêm nữa”.

Thực ra lẻ tẻ cũng có những sách giáo khoa viết xen kẽ những câu chuyện lịch sử khoa học bên cạnh các công thức để làm tăng thêm niềm vui học tập cho các em. Tuy nhiên những câu chuyện đó vẫn chỉ được coi là một phần phụ lục bổ xung, in chữ nhỏ, không quan trọng. Trong khi đó đại đa số sách giáo khoa vẫn được viết theo một lối mòn kinh viện: khái niệm + định nghĩa +định luật+ công thức. Những sách giáo khoa như thế nếu không được một giáo viên giỏi biến chế thì sẽ thành một cuốn sách chết, không có khả năng kích thích trí tò mò và thu hút người đọc như truyện trinh thám hay truyện lịch sử, truyện thần thoại.

Đó là lý do để Hakim không thể dẫm chân theo lối mòn của sách giáo khoa đương thời. Nếu cái khung của sách giáo khoa hiện nay là một bản thống kê các chi tiết kỹ thuật thì cái khung sách của Hakim là lịch sử. Lịch sử như một dòng chẩy cuốn theo mọi sự kiện trong đó, khoa học không thể là một ngoại lệ. Hakim muốn đưa các em lên một con thuyền trôi theo dòng chẩy để các em được chứng kiến các sự kiện xẩy ra hai bên bờ. Khi đó người lái thuyền – thầy cô giáo – có thể giảng giải, mô tả kỹ cho các em nghe bản chất và ý nghĩa của các sự kiện hiện ra trước mắt các em. Với phương pháp này, học sinh không chỉ biết một vài chi tiết khoa học riêng biệt, mà cảm nhận được toàn bộ thế giới, có một cái nhìn khoa học tổng quan, thay vì cục bộ. Chẳng hạn, thay vì bắt học sinh học thuộc công thức tính lực hấp dẫn giữa hai vật thể có khối lượng để áp dụng ngay vào một đống bài tập, Hakim kể cho các em nghe truyện lịch sử từ Thuyết Địa Tâm của Aristotle và Ptolémé, về cuộc cách mạng của Copernic với Thuyết Nhật Tâm, về việc Toà án Giáo Hội xử tội Galileo Galilei, về Johan Kepler với quỹ đạo elliptic của các hành tinh trong hệ mặt trời, rồi đến Issac Newton với câu chuyện “quả táo rơi”, từ đó đẻ ra Định Luật Vạn Vật Hấp Dẫn và dùng định luật này giải thích quỹ đạo của các hành tinh… Để dẫn học sinh tới Thuyết Tương Đối của Einstein, Hakim viết:

“Rõ ràng là chàng thanh niên Albert Einstein rất thông minh, nhưng thái độ học tập của anh ta thì có vấn đề bất ổn. Anh thiếu sự kiên trì đối với bài làm ở nhà trường và thường hay vắng mặt trên lớp; có vẻ như anh chỉ chăm chú học những gì mà anh thích. Một thầy giáo gọi anh là “con chó lười biếng” bởi vì anh luôn luôn không làm tròn phần việc được giao. Nhưng ông thầy đã nhầm. Anh chẳng lười tí nào. Bộ óc của anh suy nghĩ không ngừng. Suy nghĩ về một chùm ánh sáng. Suốt hơn mười năm, câu hỏi điều gì sẽ xẩy ra với tốc độ ánh sáng dường như không lúc nào rời khỏi đầu anh … Và cuối cùng, năm 1905, Einstein đã có thể trả lời được câu hỏi của chính mình về chùm sáng đó. Ông đã phát minh ra một trong những lý thuyết quan trọng nhất trong toàn bộ lịch sử nhân loại – Lý thuyết Tương Đối Đặc Biệt…”

3-Thay lời kết

Vấn đề cải tiến sách giáo khoa đang là một đề tài được toàn thể xã hội Mỹ quan tâm. Hội Vì Tiến Bộ Khoa Học của Mỹ vừa quyết định đầu tư 10 triệu USD để thành lập Trung Tâm Tài Liệu Giáo Dục Khoa Học (Centre for Curriculum Materials in Science), nhằm tìm ra những sách giáo khoa khoa học có hiệu quả nhất, đồng thời giúp nâng cao trình độ của đội ngũ các nhà viết sách giáo khoa.

Đáp ứng với mong mỏi của xã hội, 3 tập đầu tiên trong bộ sách của Hakim mang tên “Câu chuyện khoa học” (Science Story) đã ra mắt đọc giả. Đó là một cuốn sách dạy khoa học trên cái nền lịch sử từ thời Cổ Hy Lạp đến thời đại ngày nay, được các thầy cô giáo và học sinh nhiệt liệt đón nhận. Nhiều nhà giáo dục coi đây là niềm hy vọng của một thế hệ sách giáo khoa mới, của phương pháp giáo dục mới chú trọng đến tâm sinh lý tự nhiên của con người, thoả mãn nỗi khao khát hiểu biết của con người, cái mà bà Hakim gọi là tính cách “thám tử”.

24. Chiếc ly của Chúa và tương lai của khoa học

Câu trả lời làm dấy lên những câu hỏi mới (Immanuel Kant)

Ngày xưa, thời Đông Chu bên Trung Hoa, Quỷ Cốc tiên sinh có hai học trò tài ba xuất chúng: Tôn Tẫn, Bàng Quyên. Sau này hai người trở thành tướng cầm quân hai nước chư hầu đối địch. Sau một chiến thắng, Bàng Quyên chặt chân Tôn Tẫn, để thoả nỗi ghen ghét người bạn vốn giỏi hơn mình. Nhưng trong một trận trả thù, Tôn Tẫn giết chết Bàng Quyên.

Ngày nay cũng có hai nhân vật xuất chúng: Steven Weinberg và Sheldon Glashow, cùng chia nhau giải Nobel vật lý năm 1979 (với người thứ ba là Abdus Salam), nhưng lại có hai cách nhìn hoàn toàn trái ngược nhau đối với tương lai của khoa học.

Trong khi Steven Weinberg tin rằng trước sau chắc chắn khoa học sẽ tìm ra một lý thuyết vật lý thống nhất toàn bộ mọi hiện tượng trong Vũ Trụ, gọi là “Lý Thuyết Về mọi Thứ” (TOE – Theory Of Everything), hoặc “Lý Thuyết Cuối Cùng” (The Final Theory), thì Sheldon Glashow lại gọi lý thuyết đó là “Chiếc Ly Của Chúa” (The Holy Grail)[8], ngụ ý rằng đó chỉ là chuyện không tưởng, mặc dù chính ông là người đề xuất Lý Thuyết Thống Nhất Lớn (Grand Unified Theory) vào năm 1974, một lý thuyết tiền thân của Lý Thuyết Cuối Cùng .

Vậy chân lý ở đâu? Liệu có thể có một Lý Thuyết Cuối Cùng không?

Trả lời những câu hỏi này không chỉ là nhu cầu của riêng khoa học, mà của triết học nhận thức nói chung.

1-Lý Thuyết Cuối Cùng

Năm 1905, Albert Einstein cống hiến cho nhân loại một công thức được đánh giá là bất hủ nhất của nhân loại :  , trong đó E là năng lượng, m là khối lượng, c là tốc độ ánh sáng. Công thức này cho thấy vật chất (m) có thể biến thành năng lượng và ngược lại năng lượng cũng có thể biến thành vật chất. Nói cách khác, vật chất và năng lượng có cùng một bản chất, chúng chỉ là hai dạng biểu lộ khác nhau của không-thời-gian mà thôi. Điều này lập tức gợi ý: Phải chăng toàn bộ vật chất trong Vũ Trụ có cùng một bản chất ?

Đó là một câu hỏi siêu thông minh chỉ có thể đẻ ra từ một bộ óc siêu thông minh. Một lần nữa, vào những năm 1920, lại chính Einstein lần đầu tiên nêu lên một lý thuyết mang tên Lý Thuyết Trường Thống Nhất (TUF – Theory of Unified Field), trong đó tiên đoán lực hấp dẫn và lực điện từ thực chất chỉ là “hai mặt của một đồng xu”.

Mặc dù không thành công trong việc chứng minh, nhưng Einstein đã vạch ra con đường thống nhất vật lý cho hậu thế. Giải Nobel vật lý năm 1979 được đánh giá là một trong những giải Nobel vĩ đại nhất vì nó xác nhận thắng lợi đầu tiên của tư tưởng thống nhất: chứng minh thành công lực điện từ và lực hạt nhân yếu có cùng bản chất. Thắng lợi vang dội này cổ vũ mạnh mẽ các nhà khoa học tiếp bước. Dường như thiên đường của vật lý đã hé lộ ra trước mắt. Trong bối cảnh đó, “Lý Thuyết về Mọi Thứ” ra đời, với tham vọng chứng minh “tất cả là một, một là tất cả”. Nếu quả thật có một lý thuyết như thế thì đó phải là Lý Thuyết Cuối Cùng, Weinberg tuyên bố, và khi đó vật lý đã hoàn thành sứ mệnh cao cả của nó. .

Theo Weinberg, bài toán đi tìm bản chất thống nhất của các hiện tượng tự nhiên vốn là khát vọng, mục đích, bản chất của vật lý học từ xưa đến nay. Newton tìm ra bản chất của mọi hiện tượng cơ học dưới dạng hấp dẫn. Maxwell tìm ra bản chất của mọi hiện tượng điện và từ dưới dạng điện từ. Do đó vật lý hiện đại sẽ tất yếu đi đến một lý thuyết tìm ra bản chất của mọi sự vật. Ông nói: “Hiển nhiên là, các lý thuyết từng bước từng bước sẽ hội tụ về những nguyên lý ngày càng đơn giản và đơn giản hơn, cho phép một ngày nào sẽ đạt tới cực điểm trong một lý thuyết cuối cùng”. Ông tiên đoán Lý Thuyết Siêu Dây (Superstring Theory) có nhiều triển vọng để trở thành một lý thuyết như thế.

Lý Thuyết Siêu Dây còn được gọi là Lý Thuyết M, vì nó có đủ các yếu tố “matrix” (ma trận) + “mistery” (bí mật) + “magic” (huyền ảo) + “murky” (khó hiểu), do Edward Witten tại Đại học Princeton phát triển từ Lý thuyết dây trong thập kỷ 1970. Quả thật nó phức tạp đến nỗi cách đây mấy năm chính Witten phải thốt lên rằng đó là “một mảnh vật lý của thế kỷ 21 ngẫu nhiên rơi vào thế kỷ 20 !”. Lý thuyết này cho rằng không-thời-gian không phải chỉ có 4 chiều như ta đã biết, mà có rất nhiều chiều, trong đó những chiều bổ xung thêm chỉ có thể phát hiện được trong không gian ở cấp độ hạ nguyên tử (subatomic). ở cấp độ đó, vật chất không tồn tại dưới dạng các hạt, mà giống như những sợi dây xoắn rối vô cùng mỏng manh. Với cấu trúc đặc biệt đa chiều đó, nó cho phép giải thích được những mâu thuẫn lớn nhất của vật lý hiện đại: mâu thuẫn giữa tính tất định của thế giới vĩ mô với tính bất định của thế giới vi mô. Nếu lý thuyết này đúng thì quả thật, thiên đường vật lý đã hiện ra trước mắt. Vì thế Witten đang được giới vật lý tôn sùng như người có thể sẽ “kế thừa Einstein” !

Các nhà khoa học đang mong chờ những thí nghiệm tại CERN (Trung Tâm Nghiên Cứu Hạt Nhân Âu Châu) vào năm 2005, với những máy gia tốc siêu công suất, sẽ cung cấp những bằng chứng đầu tiên cho lý thuyết này.

Trên một hướng khác, Lý Thuyết Cuối Cùng tìm cách kiểm chứng bằng Lý Thuyết Big Bang. Nếu Lý Thuyết Big Bang đúng thì đó sẽ là bằng chứng kỳ diệu nhất của cái “Một”, bởi lẽ vào lúc khởi thuỷ của vũ trụ, tất cả các lực, tất cả các hạt, tức toàn bộ không-thời-gian đều tập trung trong một điểm vật chất có kích thước zero – điểm kỳ dị (singularity point).

Hiện nay các đài thiên văn trên thế giới đang ngày đêm rình bắt những sóng radio thiên văn, sóng hấp dẫn, v.v. phát đi từ Big Bang. Những sóng này vẫn còn đang lan truyền trong vũ trụ, và được coi là bằng chứng của Big Bang. Thậm chí người ta còn tìm cách tái hiện Big Bang trong các máy gia tốc: Cần phải trông thấy Big Bang tận mắt, thay vì suy đoán. Có lẽ không có một chương trình nghiên cứu nào đồ sộ như Lý Thuyết Big Bang, nói lên ý chí quyết tâm vĩ đại của con người trong cuộc đấu tranh với thiên nhiên để tồn tại. Murray Gelmann, nhà vật lý lý thuyết thuộc hàng tầm cỡ nhất hiện nay, bình luận: ” Trong lịch sử nhân loại, đó là một cuộc phiêu lưu vĩ đại nhất và dai dẳng nhất”.

Nhưng cuộc phiêu lưu này vĩ đại bao nhiêu thì nó cũng mạo hiểm bấy nhiều. Liệu những nghiên cứu này có bao giờ đi đến mục tiêu kết thúc như nó mong muốn hay không ? Vào thời điểm bản lề bước sang thiên niên kỷ mới, một làn sóng nghi ngờ sự tồn tại của một Lý Thuyết Cuối Cùng đã xuất hiện. Nhiều ý kiến cho rằng giấc mơ đó sẽ chẳng bao giờ thành hiện thực.

2-Chiếc Ly của chúa

Nếu Weinberg tin tưởng bao nhiêu đối với Lý Thuyết Cuối Cùng thì người bạn cùng chia sẻ vinh quang khoa học với ông, Glashow, lại cảnh báo: “Hiện nay chúng ta quá tự phụ khi tin rằng chúng ta có tất cả thông tin thực nghiệm cần thiết ngay bây giờ để xây dựng nên Chiếc Ly Của Chúa của vật lý lý thuyết, một lý thuyết thống nhất ? Tôi nghĩ rằng không… Vật lý là một ngôi nhà to lớn chất đầy những câu đố hấp dẫn. Tất nhiên sẽ có nhiều cái được làm. Nhưng vấn đề là liệu chúng ta có thể đi đến bất cứ nơi nào nhờ Chiếc Ly Của Chúa này hay không ?”. ý kiến của Glashow được nhiều nhà khoa học lớn khác chia sẻ.

Roger Penrose, một trong những khuôn mặt sáng giá nhất của vật lý lý thuyết hiện đại, đồng tác giả của Lý Thuyết Hốc Đen, nhận định về Lý Thuyết Cuối Cùng một cách khá gay gắt: “Không, tôi nói rằng điều đó là sai. Các định luật chi phối các ứng xử của thế giới tinh tế hơn thế nhiều. Thậm chí nếu bạn có thể tìm ra một cấu trúc toán học cuối cùng để mô tả thế giới vật lý đúng như nó có thì vẫn sẽ không có cái kết thúc cho đề tài này, nếu bạn nhất định muốn kết thúc, bởi vì không có cái kết thúc của toán học”. Cơ sở lý luận của Penrose là Định Lý Bất Toàn (Theorem of Incompleteness) của Kurt Godel. Định lý này khẳng định toán học là một hệ logic bất toàn (không đầy đủ). Vì thế lý thuyết vật lý xây dựng trên toán học cũng sẽ bất toàn, không bao giờ đầy đủ. Khác với Weinberg, Penrose không tin rằng hiện nay đã có một lý thuyết vật lý cụ thể nào xứng đáng để hy vọng rằng nó sẽ mang lại những hiểu biết cuối cùng, kể cả Lý Thuyết Siêu Dây. Ông nói: “Nếu có một lý thuyết nào giống như kiểu một lý thuyết toàn bộ về vật lý, thì chắc chắn nó không thể là bất kỳ một lý thuyết nào mà tôi đã thấy”. Penrose đưa ra một số mô hình lý thuyết như “Tam Giác Penrose”, “Luỹ Thang Penrose”, v.v. (xem minh hoạ) để nói rằng khoa học nói riêng và nhận thức nói chung không bao giờ biết được cái toàn thể, cái toàn bộ, mà chỉ biết được từng phần của Vũ Trụ, giống như truyện “Thầy Bói Xem Voi” mà ai cũng biết.

Godfrey Hardy, lãnh tụ của trường phái toán học Anh đầu thế kỷ 20, nói: “Chẳng hạn, giả sử chúng ta có thể tìm ra một hệ thống hữu hạn các quy tắc cho phép chúng ta quyết định xem một công thức cho trước có thể chứng minh được hay không. Hệ thống này sẽ đại diện cho một định lý toán học. Tất nhiên không thẻ có một định lý như thế, và đây là điều rẩt may mắn, vì nếu có thì chúng ta sẽ có một tập hợp các quy tắc máy móc để giải tất cả các bài toán toán học, và hoạt động toán học của chúng ta sẽ đi đến chỗ kết thúc”. Đó là trường hợp Hardy phê phán chương trình “siêu-toán-học” (metamathematics) của David Hilbert, một chương trình thu hút giới toán học đầu thế kỷ 20 hòng xây dựng một hệ thống toán học đầy đủ, tuyệt đối phi mâu thuẫn, một hệ logic hoàn hảo, một hệ thống chân lý vĩnh cửu. Thực chất, “siêu-toán-học” của Hilbert chính là một kiểu “Lý thuyết cuối cùng” của toán học. Nhưng Định lý Godel năm 1931 đã chứng minh không thể có một lý thuyết như thế.

Immanuel Kant, một trong những gương mặt tiêu biểu nhất của triết học tây phương cận đại, viết trong cuốn “Prolegomena to Any Future Metaphysics” (Lược thảo về bất kỳ một siêu hình học nào trong tương lai) : “Mọi câu trả lời cho các nguyên lý dựa trên kinh nghiệm lại làm nẩy sinh ra một câu hỏi mới tươi tắn (fresh question), đến lượt nó câu hỏi này lại đòi hỏi một câu trả lời của nó và do đó nó chứng tỏ sự không đầy đủ một cách rõ ràng của tất cả các cách giải thích bằng vật lý nhằm thoả mãn các lý lẽ”. Ông nhấn mạnh: “Cấu trúc bẩm sinh của tư duy của chúng ta sẽ hạn chế cả các câu hỏi chúng ta đặt ra lẫn các câu trả lời mà chúng ta lượm lặt từ đó”.

3-Einstein, một định mệnh mâu thuẫn

Định mệnh của Einstein đầy ắp mâu thuẫn. Với công thức  ông được coi là cha đẻ của khoa học nguyên tử, nhưng lương tâm ông bị ám ảnh suốt đời vì hai trái bom nguyên tử rơi xuống Hiroshima và Nagasaki, bởi chính ông đã khuyên tổng thống Mỹ Roosevelt cho chế tạo những quả bom như thế.

Nhưng mâu thuẫn lớn nhất phải kể đến là những chuyện liên quan đến vấn đề nhận thức: Là tác giả của hai Thuyết Tương Đối, nhưng tâm hồn lãng mạn lại luôn luôn hướng ông tới những lý thuyết mang tính tuyệt đối – những mô hình toán học xác định cho phép tiên đoán chính xác cấu trúc của tự nhiên. Tuyên ngôn bất hủ “Chúa không chơi trò may rủi” (God doesn’t play dice) của ông nhằm chống lại Nguyên Lý Bất Định của Cơ Học Lượng tử cho thấy ông tin chắc vào sự tồn tại của những quy luật xác định, chính xác và chặt chẽ của Tự Nhiên, dù ở bất kỳ cấp độ nào. Trong đời đã có lúc ông phạm sai lầm trong khoa học, và ông đã khảng khái nhận sai lầm đó. Nhưng chưa bao giờ ông thừa nhận sai lầm trong việc chống lại Nguyên Lý Bất Định, ngay cả trước khi vĩnh biệt ra đi. Vì thế mặc dù ngày nay Cơ Học Lượng tử đã chiếm ngôi vị chắc chắn, nhưng những “đệ tử” của Einstein vẫn ngấm ngầm mai phục chờ cơ hội “lật ngược thế cờ”.

Một số tài liệu nói Einstein rất tin vào tôn giáo, một số tài liệu khác lại nói Einstein là người vô thần. Đó là những nhận xét không đầy đủ.

Einstein là người phi tôn giáo, nếu hiểu tôn giáo là sự thờ phụng, sự tuân thủ những hình thức nghi lễ giáo phái nhất định. Ông là người gốc Do Thái nhưng ông không tin cả Do Thái Giáo lẫn Thiên Chúa Giáo. Tuy nhiên ông không phải là người vô thần. Ông là người có tôn giáo, nếu hiểu tôn giáo là đức tin tiềm ẩn trong con người. Đức tin của ông là “đức tin của các nhà khoa học”, hoặc “tôn giáo của các nhà khoa học”, như cách nói của Blaise Pascal. Đó là niềm tin về sự tồn tại một lực lượng siêu nhiên cai quản vũ trụ. Đối với Einstein, đó không phải là Chúa Giê-xu, cũng không phải Đức Phật (mặc dù ông rất ngưỡng mộ Phật Giáo), mà là “Ông Cụ” (The Old One), theo cách nói trên cửa miệng của ông. Đối với Einstein, Ông Cụ sẽ chẳng giúp ích gì cho chúng ta nếu chúng ta cầu nguyện xin ơn giúp đỡ. Ông Cụ không làm phép lạ, Ông Cụ chỉ quy định sẵn một bộ luật cho Tự Nhiên, như một cỗ máy phải tuân thủ các quy trình. Quy trình của Ông Cụ rất nghiêm khắc, không thể chống lại. Vì thế, Einstein luôn luôn khao khát muốn biết “ý nghĩ của Ông Cụ”.

Tư tưởng thống nhất vật lý chính là một con đường tiệm cận đến “ý nghĩ của Ông Cụ”. Và quả thật Einstein và hậu thế càng ngày càng “hiểu Ông Cụ hơn”. Nhưng vấn đề là liệu chúng ta có thể một ngày đó biết rõ “mọi ý định của Ông Cụ” hay không ?

Về logic, có thể trả lời: Không! Theo Định Lý Bất Toàn của Kurt Godel, muốn chứng minh một hệ logic A phải đi ra ngoài A. Nếu A = Vũ Trụ, muốn hiểu Vũ Trụ ta phải đi ra bên ngoài của Vũ Trụ. Điều đó là bất khả  (impossible) !

Và, nếu “Chúa không chơi trò xúc xắc” thì có thể Chúa vẫn chơi trò ú tim. Đúng vào lúc bạn tưởng rằng bạn sẽ biết hết thì Chúa làm xuất hiện một thực thể mới mà lý thuyết của bạn chưa hề biết. Đúng như Kant nói: “Mỗi câu trả lời lại làm xuất hiện một câu hỏi mới”.

Năm 1998, Saul Perlmutter tại Viện nghiên cứu quốc gia Lawrence Berkeley tại San Francisco đã làm rung động thế giới bởi việc công bố kết qủa thí nghiệm quan sát các vụ nổ Supernova cho thấy vũ trụ không hề dãn nở chậm lại như ngươì ta tưởng, mà ngày càng nhanh lên. Một câu hỏi lớn đặt ra: Cái gì thúc đẩy vũ trụ dãn nở gia tốc ? Phải chăng do một loại lực chưa hề biết, do một loại vật chất chưa hề biết gây ra ? Đó chính là câu hỏi mới mà Kant đã gợi ý từ xa xưa. Vì thế sẽ không thể có Lý Thuyết Cuối Cùng. Bạn sẽ không bao giờ có “Chiếc Ly Của Chúa” trong tay !

4-Kết Luận

Tư tưởng tây phương xét cho cùng bắt nguồn từ hai nền văn hoá chủ yếu: Thần học Do Thái và Khoa học Hy lạp. Thần học Do Thái cung cấp cách nhìn thế giới do Chúa tạo ra, tất cả bắt nguồn từ một khởi đầu, Big Bang là như vậy. Khoa học Hy Lạp cung cấp phương pháp tư duy logic sắc bén, xuất phát từ một hệ tiên đề được thừa nhận, thông qua các quy tắc suy diễn khách quan để đạt tới chân lý. Bản thân Einstein dù không tin vào tôn giáo nhưng ông không thoát nổi ảnh hưởng của nó. Vì thế lý thuyết của ông vẫn hướng tới một ý chí tối cao. Toàn bộ nền văn minh tây phương mang đậm dấu ấn này. Vì thế, khi gặp khủng hoảng nhận thức, các lý thuyết tây phương thường bị luẩn quẩn giữa vùng ranh giới khoa học và tôn giáo, hoặc khiên cưỡng hoà trộn hai dạng nhận thức đó làm một.

Tư tưởng Lý Thuyết Cuối Cùng thực chất chịu ảnh hưởng của tôn giáo: Lý Thuyết Cuối Cùng, nếu có, chính là ý chí tối cao được thể hiện bằng ngôn ngữ toán học và vật lý. Mặt tích cực của lý thuyết này là ở chỗ kích thích nghiên cứu tìm tòi, dẫn tới phát minh. Nhưng mặt trái của nó là ở chỗ có thể dẫn tới một cuộc phiêu lưu mạo hiểm vô ích, ảnh hưởng tiêu cực đến uy tín của chính khoa học.

Vậy định hướng khoa học như thế nào là đúng ?

Bài viết này xin mượn một trích đoạn trong bài “Tương lai của khoa học, và Vũ Trụ” (The Future of Science, and Universe), trên tờ The New York Times ngày 15-11-2001, của chính Steven Weinberg, 22 năm sau khi đoạt giải Nobel, để thay cho câu trả lời:

“Một trở ngại của các Lý Thuyết Dây hiện nay là chúng chẳng đưa ra được những tiên đoán về năng lượng tối (dark energy / vacuum energy), mà cũng chẳng tiên đoán được một giá trị đủ lớn để phù hợp với quan sát thiên văn. Do đó sẽ không có một Lý Thuyết Cuối Cùng nào cho phép dự đoán cả tương lai lẫn quá khứ của Vũ Trụ… Nếu tách bạch những tiên đoán về tương lai xa xôi của Vũ Trụ ra khỏi đời sống, thì chúng ta có thể sẽ khám phá ra những định luật cơ bản nào đó trong cái tự nhiên xa xôi đó, nhưng sẽ chẳng bao giờ biết chắc những định luật đó đúng đến mức nào. Và chừng nào có thể nói, thì phải nói rằng những định luật này sẽ chẳng liên quan gì đến cá tính của con người, chẳng tỏ dấu hiệu gì quan tâm đến loài người cả. Trong khi cố gắng để hiểu cách ứng xử của con người, chúng ta biết cái gì là quý giá nhất của cuộc đời: tình yêu của cha mẹ dành cho con cái, tình yêu vợ chồng đối với nhau,… Mặc dù biết rằng chúng ta đã làm thế nào để có được những giá trị như chúng ta có hôm nay, và chẳng có gì để ngờ vực rằng kiến thức khoa học sẽ giúp cải thiện khả năng gặt hái những thứ mà chúng ta quý trọng, nhưng chẳng có cái gì trong khoa học có thể nói cho chúng ta biết cái chúng ta nên quý trọng. Chúng ta có thể tự quyết định cho bản thân chúng ta cái gì cần gìn giữ, như tình thương yêu lẫn nhau chẳng hạn, và cái để từ bỏ, như sự hạ thấp vai trò phụ nữ chẳng hạn. Sẽ còn có những giá trị mới có thể phát hiện. Nhưng cần biết rằng chẳng có cái gì trong Vũ Trụ này sẽ gợi ý cho chúng ta biết mục đích cuộc sống của nhân loại là cái gì”.


[1] Xem “Pythagoras’ Trousers”, Margaret Wertheim, Fourth Estate, 1997, trang 220.

[2] S.Weinberg và S.Glashow là người Mỹ, A.Salam là người Pakistan, hiện là chủ tịch Viện Hàn Lâm Khoa Học của thế giới thứ ba.

[3] Xem “A Unified Physics by 2050 ?” của Steven Weinberg trong Scientific American 12-1999, trang 38

[4] Xem “Pythagoras’ Trousers”, sách đã dẫn, trang 213. Câu này gợi nhớ “Ba chàng ngự lâm pháo thủ” của Alexandre Dumas với lời tuyên thệ nổi tiếng:”Tất cả vì một, một vì tất cả!”

[5] Xem “Lược sử thời gian” của Stephen Hawking, NXB Văn Hoá Thông Tin, 2000, trang 194, 195

[6] Xem “A Unified Physics by 2050 ?”, bài báo đã dẫn, trang 39

[8] Chiếc ly Chúa Giê-xu đã dùng trong “bữa tiệc ly” (bữa tiệc cuối cùng với 12 môn đệ trước khi bị hành hình).

Advertisements

6 thoughts on “Những câu chuyện khoa học hiện đại_Chương I: VẬT LÝ HỌC

  1. Vũ trụ không thể dãn nở mãi mãi được, vì nếu thế nó sẽ tiến đến phẳng, không thời gian không còn bị bẻ cong, hình học ơclit sẽ đúng và không cần tiên đề 5 nữa. Điều đó mâu thuẫn, vì nếu tồn tai một mặt phẳng thì sẽ có vô số mặt song song với nó, suy ra có vô số vũ trụ

    Số lượt thích

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s