Bây giờ và 20 năm sau... pot

126 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Bây gi và 20 năm sau Sáu nhà vật lí hàng đầu nói về những thách thức lớn đang nằm phía trước. Trên Physics World và ng thi trên website physicsworld.com ca chúng tôi, chúng tôi ã tưng thut nhng t phá trong vt lí hc và mô t nhng xu hưng nghiên cu mi nht vi phn trình bày c th. S báo này (trang 21, 29 43, 49; bn in) ăng mt s hi tưng li nhng s kin ln ã xy ra trong vt lí hc trong sut 20 năm qua, nhưng cái gì ang làm bùng phát các câu hi trong vt lí hc ngày nay ? Sáu câu tr li này là nhng hi âm hp dn và d hiu nht cho mt cuc kho sát do chúng tôi gi ti mt s nhà vt lí trong nhng lĩnh vc khác nhau. Vì các nhà lí thuyt sn sàng liu lĩnh hơn các nhà thc nghim, nên các ch  lí thuyt ln át hn. Nhiu lĩnh vc quan trng – vt lí môi trưng, in toán lưng t, nghiên cu năng lưng tái sinh và hu như toàn b ngành vt lí vt cht hóa c – không có mt. Kt qu là mt tng quan kém toàn din v tương lai ca vt lí hc hơn mt lot phác ha nhanh. Nhưng vi vt lí hc ang tip tc phân chia thành nhng lĩnh vc con, mt s trong chúng ch có quan h hi ht vi nhau (xem trang 36-37; bn in), hu như không th nào bt ưc xu hưng tương lai ca ngành hc như mt tng th. Tht vy, mt trong nhng lĩnh vc mà chúng tôi mô t  ây – lí thuyt mng – hu như không tn ti hi hai thp niên trưc. Các lĩnh vc khác, bao gm lí thuyt dây và lí thuyt (có th cho là) trưng lưng t, vn còn trong giai on trng nưc ca chúng so vi nơi chúng hin din ngày nay. Vy thì tương lai s ưa chúng ta n âu ? Các tiên oán trong vt lí hc có th còn mơ h, nhưng ây là quan im ca sáu nhà nghiên cu, nhng ngưi sn sàng lao u vào cuc chơi. Sự ra đời của lí thuyết mạng Mt hin tưng quan trng gn ây trong lĩnh vc các h phc tp là s ra i ca lí thuyt mng. a s các h tht s phc tp – t t bào cho n Web và c các h thng xã hi – có mt mng lưi ng sau chúng cho chúng ta bit làm th nào các thành phn ca mng tương tác vi nhau. Cho bit s khác bit gia các h này – c bn cht ca các thành phn và chc năng ca toàn h thng – ngưi ta s không trông i có bt kì s tương ng ni ti nào gia chúng. Nhưng, k t u th k, các nhà khoa hc ã phát hin thy cu trúc nn tng ca nhng mng này hơi ging nhau: a s có mt bc t do tôpô hc (s liên kt trên mi nút tuân theo mt quy lut lũy tha), chúng biu hin mt mc  co cm cao, và khong cách gia các nút nh (tính cht th gii nh). Chúng ta ã nhn ra rng mng ó có ý nghĩa, và iu này không ch to ra 127 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay nhng câu hi kì l, mà còn dn chúng ta n ch ánh giá li cách thc chúng ta mô t mt h phc tp. Lí thuyt mng Mt câu hi ch yu na v ng lc hc con ngưi. Mô t và tiên oán hành vi con ngưi thot u có th không trông ging như nhng câu hi vt lí, nhưng gn ây các công c theo li kinh nghim ca vt lí hc ã bt u gi mt vai trò cơ s trong vic gii quyt nhng vn  này. Tương lai ca vũ tr hc s ưc xác nh bi kh năng ca chúng ta gii quyt nhng vn  có tm quan trng cơ bn i vi xã hi. i vi các nhà vt lí, nhng câu hi ó thưng liên quan n vic tìm kim các ngun năng lưng mi hoc khám phá ra nhng cht liu mi, nhưng ngày nay tiêu im ca các câu hi t t chuyn hưng sang các vn  hc thut ang phát sinh ti ranh gii ca vt lí hc, các khoa hc xã hi, sinh hc và kĩ thut. Nu như vt lí hc vn thích áng, và vn gi ưc vai trò hàng u ca nó trong s các khoa hc, thì nó s phi bao hàm nhng câu hi này. • Albert-Lâszlô Barabási, giám c Trung tâm Khoa hc Mng ti i hc Northeastern University, Mĩ 128 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Các phát triển trong kĩ thuật chụp ảnh y khoa Vt lí y khoa Hơn hai thp k qua, nhng tin b chính ã thu ưc trong tm tay là vic chp nh các cu trúc bình thưng và cu trúc bnh  cp  mô và cơ quan, nh ó ci thin v căn bn kh năng phát hin và iu tr bnh vĩ mô. Nhng tin b này phn ánh s phát trin  các phương pháp chp nh như chp nh cng hưng t ht nhân, x tr in toán phát x, chp nh tia X kĩ thut s, và chp nh vi siêu âm. ng thi, kh năng nghiên cu tính nguyên vn cu trúc và chc năng ca mô  cp  t bào và a t bào ã có nhng bưc tin ln, ch yu qua s phát trin mt s kĩ thut chp nh quang hc và ht nhân. Nhng tin b trong cái gi là “chp nh phân t” này ã mang li tim 129 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay năng phân bit các t bào bình thưng vi t bào ung thư, và xác nh s có mt hay vng mt ca t bào ung thư bên trong bt kì vùng vi mô nào ca mô. Vn  ln nht chưa gii quyt trong vt lí y khoa là làm th nào kt hp nhng tin b chp nh vĩ mô và vi mô mép rìa chính xác ca các t bào ung thư có th ưc vch ra trong k hoch và tn sut iu tr bc x. Mt h ngăn cách tn ti gia s hình dung ra các khía cnh vi mô và vĩ mô ca bnh ung thư, và h ngăn cách này phi ưc bt cu qua nu như các tin b trong kĩ thut chp nh phân t ưc s dng  ci thin vic iu tr bnh vi các ngun bc x ion hóa. • Bill Hendee, mt nhà vt lí ti Trưng Y khoa Wisconsin, Milwaukee, Mĩ Chân không lượng tử 130 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Lí thuyt trưng lưng t Vào u th k th 20, Einstein ã thay th thuyt aether bng thuyt tương i, nhưng mt aether th k 21 – chân không lưng t - vn ang thách thc các nhà vt lí hc ngày nay. Aether ban u ưc cho là mt cht thm m tt c mang ánh sáng qua không gian ging như không khí mang sóng âm. Ly ht ánh sáng ra thì aether vn còn ó. Bây gi, theo lí thuyt trưng lưng t, trng thái ca bóng ti tuyt i, chân không lưng t, vn là mt trng thái vt lí, lp y toàn b không gian, ging ht như aether. Du vy, có mt s khác bit quan trng: ngưi ta không chú ý ti chuyn ng  mt tc  u tương i so vi chân không lưng t, nhưng trong s gia tc chân không s lóe sáng, do ma sát. Chân không lưng t cũng làm cho các l en bc hơi, vì  chân tri s c, các ht ưc to ra t chân không, làm tiêu phí khi lưng ca l en. Cho n nay, không có hin tưng nào trong nhng hin tưng này tng ưc quan sát – chúng yu v mt thiên văn hc mc dù chúng có th ưc chng minh trong các mô hình tương t trong phòng thí nghim. Tuy nhiên, mt s mt ca chân không lưng t có mt trong cuc sng hàng ngày: chân không lưng t làm cho mi th dính li. Ví d, mt con tc kè có th treo mình trên mt b mt kính thy tinh s dng ch mt ngón chân, vì các si lông nh trên chân ca nó bám dính vào thy tinh bi s trao i không ngng các photon o liên kt hai bên li vi nhau. Lc chân không thì nh và ch tác dng  c li ngn, nên con tc kè cn nhiu si lông  treo trng lưng ca nó. Trong mt s ng dng ca công ngh nano, s bám dính này là mt vn  - nht là trong các h vi cơ in tích hp in t hc có các b phn chuyn ng. Vic tìm hiu chân không lưng t không nhng là mt thách thc i vi vt lí hc th k 21, mà còn i vi công ngh th k 21. • Ulf Leonhardt, mt nhà vt lí lí thuyt ti i hc St Andrews, Anh ước trên những hành tinh khác Ti sao Trái t cha úng lưng nưc mà nó có ? Và nhng hành tinh ang quay quanh nhng ngôi sao khác có cha mt lưng nưc bng như vy không ? Nhng vn  này tht chng d bàn lun. Nưc trên mt Trái t khô hơn s b hp th vào trong lp bao silicate,  li mt b mt khô cn. Trái li, nu Trái t có lưng nưc nhiu gp ôi, thì các lc a s b nhn chìm. S sng tin b, mang tính công ngh s không th tưng tưng ra ni trong th gii nưc thu ưc ó, như là s không có con cá nào ngoài hành tinh hay nhng chú cá heo không gian có 131 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay th phát minh ra thut luyn kim, máy vi tính hoc àn ghi ta. Có phi Trái t ca chúng ta cha mt lưng nưc “may mn” ? Thiên văn hc Trái t hình thành bi các ht tích t gm silicate, st và nưc t ĩa tin hành tinh sơ khai vi nhng lưng bng nhau. Trái t ban u tích góp lưng nưc bng nhiu i dương (nu không nhiu hơn na) trong s hình thành ca nó. Nhưng Trái t hin nay ca chúng ta ch có mt phn nghìn khi lưng ca nó là nưc, ít hơn nhiu so vi silicate và st. Vy lưng nưc ti hn này t âu mà có ? Trong 100 triu năm u tiên ca nó, Trái t b khô hn t ngt khi mt hành tinh kích c Ha tinh âm vào nó, làm bc hơi các i dương và gi mt lưng ln nưc vào trong không gian. (Mt trăng cũng hình thành t v va chm này) Trái t còn li là mt hành tinh khô n, không phi không ging như Ha tinh ngày nay. 132 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Trái t khô hn ó giành ưc phn nưc b sung hin nay ca nó t các tiu hành tinh và sao chi ngu nhiên âm sm vào nó. Lc hp dn ca Mc tinh tác dng như mt súng cao su và làm phân tán nhng vt th này theo mi hưng, vi mt vài vt tin v phía Trái t,  li nưc ca chúng trên chuyn h cánh xung. Như vy, Trái t ã mt nưc ca nó, và sau ó giành ưc mt s tr li, tt c bi nhng va chm tình c trong thi kì sơ khai ni uôi sp hàng ca h Mt tri. Nhng Trái t khác không th may mn như vy. Các mô phng cho thy chúng có th giành ưc bt kì âu ó t 0,01 n 100 i dương nưc. Ch mt phn nh trong nhng Trái t này cha úng lưng nưc thích hp  có c i dương và lc a. S bin i ln trong nưc trên nhng Trái t khác này phát sinh t qu o và khi lưng ca mt hành tinh kiu Mc tinh (nu chng phi cái gì khác) gây nhiu các tiu hành tinh. Mt cú st qua bi mt hành tinh kích c Ha tinh làm sy khô nhng Trái t khác ó là mt s kin him có, không có nó thì chúng vn gi nhiu i dương nưc. Bt kì sao ôi ng hành nào cũng s gây nhiu các tiu hành tinh và sao chi theo kiu khác nhau, mang li nhng lưng nưc khác nhau. S có mt ca các ng v như nhôm 26 có th làm thay i áng k nhit bên trong, và do ó làm bc hơi nưc n t các tiu hành tinh và sao chi. Trong trò chơi c bc ngu nhiên ca s hình thành hành tinh, Trái t ã ưc chia cho nhng quân bài may mn, phn thng chính là loài ngưi thông minh. Nhưng vn may thưng xoay vòng: nu Trái t không ưc tri phú cho úng lưng nưc ó, chúng ta s chng có mt  ây  nói v nó. • Geoff Marcy, mt nhà thiên văn hc ti i hc California-Berkeley, Mĩ Tương lai của vũ trụ học Vũ tr hc có l ang  trên b biên ca nhng nhng thp k hào hng nht ca nó – hay là bun chán nht ca nó. 20 năm qua ã chng kin s phát trin ca mt mô hình vũ tr hc chuNn, mô t bng thuyt tương i và các tương tác ca ch mt vài thành phn: vt cht bình thưng, vt cht ti và năng lưng ti, cùng vi du hiu ca mt k nguyên sơ khai ca s giãn n gia tc gi là lm phát. Tính ơn gin ca mô t này tht d gây nhm ln, vì chúng ta không bit loi ht nào cu thành nên các thành phn ti, chúng ta chng bit cơ ch nào gây ra nhng lưng tương i ca chúng. Mc tiêu ca nhng d án vũ tr hc ln nht sp ti – các kính thiên văn nn vi sóng như Planck Surveyor ca Cơ quan Không gian châu Âu; các kho sát trên mt t 133 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay như Large-Scale Synoptic Survey Telescope và Square Kilometre Array; hoc các kính thiên văn v tinh tương lai như Euclid hoc Joint Dark Energy Mission – tìm hiu nhng thành phn này bng cách quan sát tác ng ca chúng lên s giãn n chung ca vũ tr và s phát trin ca cu trúc bên trong nó. Vũ tr hc Theo lí tưng, th h tip theo ca các thí nghim vi sóng s quan sát gián tip mt nn bc x hp dn – mt du hiu quan trng ca thi kì lm phát sơ khai ó. Các quan sát c th v sao siêu mi  xa và các kính thiên văn kho sát vũ tr cc b có th cho phép chúng ta o ưc nhng tính cht ca vt cht ti, chúng dưng như ang gây ra s giãn n ca vũ tr gia tc ngày nay. Tuy nhiên, mt kh năng rt thc t là nhng quan sát này s mang n cho chúng ta mt vài 134 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay ch s ca  chính xác tăng thêm trên các thông s vũ tr mô t vũ tr nhưng không tht s tìm hiu cơ s vt lí nn tng ca vt cht ti hay năng lưng ti, và mt vài, nu không phi tt c, du hiu v cơ ch Nn ng sau s lm phát hay nhng thi kì khác trong vũ tr sơ khai. Ngay c trong kch bn ó, cái chúng ta s có trong thi gian vài ba thp k là mt tm bn  chi tit phi thưng ca vũ tr, trên nhng vùng ln hơn ca bu tri và t ti nhng nơi xa xôi hơn (và ó ngưc dòng thi gian xa hơn) vi tng chic kính thiên văn mi, cui cùng n nhng vt th u tiên nht hp nht nên ám khí nguyên thy. Nhưng nu nhng d liu này không nói gì v vũ tr sơ khai và nn vt lí ht, thì vũ tr hc s tip tc s chia rã ã bt u, gia nhng công c lí thuyt và nn vt lí ht ang áp dng ó cho vũ tr sơ khai và nhng công c s dng các kĩ thut thiên văn hc  tìm hiu s tin hóa ca các vt th bên trong nó. • Andrew Jaffe, mt nhà thiên văn vt lí ti Imperial College London, Anh guyên lí ảnh giao thoa nổi và diện mạo lí thuyết dây Lí thuyt dây Nhng ý tưng ln mi ã ló dng t s hp dn lưng t là “nguyên lí nh giao thoa ni” và “din mo lí thuyt dây”. Nguyên lí giao thoa ni là mt sn phNm t nhiên ca cái nhìn sâu sc ca Stephen Hawking vào s xung t gia nguyên lí tương ương và nguyên lí lưng t ca s bo toàn thông tin. Kt qu là mt trong nhng quan nim gây sng st nht trong vt lí hin i: các mc  t do ca mt vùng không gian, thay vì lp y vùng ó, cư trú trên mt ranh 135 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay gii. Mt hologram là mt tm phim 2D lưu tr thông tin trong mt khung cnh 3D. Nu bn nhìn vào tm phim ó qua mt chic kính hin vi, thì bn s thy mt chùm m sáng ngu nhiên; nhưng nu bn bit các quy tc, thì bn có th xây dng li quang cnh chc chn mà nó mô t. Nguyên lí nh giao thoa ni phát biu rng vũ tr 3D trông ging như mt nh dng li lưu tr trên mt ranh gii toán hc  xa. Nguyên lí nh giao thoa ni ã cu trúc li tn gc các quan nim ca chúng ta v s hp dn lưng t, các l en, và bn cht ca các mc  t do cơ bn. ng thi, nó còn óng li mt vòng ý tưng ã bt u vào cui thp niên 1960. Lí thuyt dây bt u vi tư cách là lí thuyt ca các hadron – các ht dưi ht nhân bình thưng như proton và neutron – nhưng cơ s toán hc tương t như vy còn mô t các i tưng như graviton và l en. áng chú ý là vòng tròn bây gi ã khép li và lí thuyt l en ngày nay ưc s dng  gii thích các tính cht ca ht nhân va chm. Trong khi ó, din mo lí thuyt dây phát sinh t vic tìm kim mt lí thuyt dây ca các ht sơ cp. iu quan trng v lí thuyt dây không phi  ch các ht sơ cp là các dây, mà nó mang li mt loi DNA ghi mã các tính cht ca vũ tr, theo kiu ging như chui cp base trong DNA ghi mã các kiu hình sinh hc. Ging như có mt din mo khng l các kiu hình sinh hc – tt c nhng s sp xp li có th có ca hàng chc triu cp base trong chui DNA – lí thuyt dây mang li vô s kiu hình cho s sp xp li các nguyên t bao hàm mt s thu nhỏ ca các chiu thêm vào. (Con s 10 500 thưng ưc trích dn) iu này có tác ng nghiêm túc lên tham vng tìm kim mt lí thuyt dây c nht vô nh ca ngành vt lí ht, nhưng nó phù hp rt tt vi các quan nim vũ tr hc. Din mo ó t nhiên t b sung nó cho các nghiên cu v mt a vũ tr lm phát vĩnh vin ca “các vũ tr b túi” tách ri khi nhng vũ tr khác bng các chân tri s c. Mt khác, nguyên lí nh giao thoa ni cho rng cơ hc lưng t bình thưng ch có ý nghĩa bên trong chân tri ca nhà quan sát. Cho nên, có mt căng thng gay gt gia hai phía: làm th nào mô t mt a vũ tr theo kiu nh giao thoa ni ? • Leonard Susskind, mt nhà lí thuyt dây ti i hc Stanford, Mĩ Ngun : …And now for the next 20 years (PhysicsWorld, tháng 10/2008) hiepkhachquay dch An Minh, ngày 17/10/2008 . http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Bây gi và 20 năm sau Sáu nhà vật lí hàng đầu nói về những thách thức lớn đang nằm phía trước. Trên Physics World và ng thi trên website physicsworld.com. nó. 20 năm qua ã chng kin s phát trin ca mt mô hình vũ tr hc chuNn, mô t bng thuyt tương i và các tương tác ca ch mt vài thành phn: vt cht bình thưng, vt cht ti và năng. các tiu hành tinh và sao chi ngu nhiên âm sm vào nó. Lc hp dn ca Mc tinh tác dng như mt súng cao su và làm phân tán nhng vt th này theo mi hưng, vi mt vài vt tin v phía