35 bài toán nan giải

35 bài toán nan giải [05/06/2006] Vừa qua, tờ báo thông tin khoa học hàng đầu của Pháp và thế giới, La Recherche đã cho công bố 35 bài toán nan giải trong các ngành khoa học, từ toán học, tin học đến vật lý, sinh học . Sau đây là một số trong các bài toán nan giải đó 1/ Truy tìm điểm gốc của thời gian Jean Pierre Luminet, Giám đốc nghiên cứu tại CNRS, đài thiên văn Paris-Meudon Theo thuyết Big Bang thì càng đi ngược lại trong quá khứ Vũ trụ càng nóng và mật độ vật chất càng lớn, cho đến một thời điểm rất gần với thời điểm ban đầu, mà vật lý hiện nay không mô tả được điều gì. Song thời điểm ban đầu đó có phải là một thực tế hay không? Vũ trụ hiện nay đang giãn nở dựa trên những quan sát các thiên hà và các cụm thiên hà. Quá trình giãn nở này dường như không có kết cuộc. Nếu chúng ta quay ngược cuộn phim của vũ trụ lại? Thời gian vũ trụ liệu sẽ kéo lùi vô tận hay tiến đến một trị số hữu hạn. Đây là một trong những bài toán bí ẩn lớn nhất của Vật lý thiên văn! Theo lý thuyết tương đối, nếu các tính chất của vật chất và bức xạ là những tính chất mà chúng ta đã biết thì các khoảng cách vũ trụ sẽ giảm dần trong quá khứ và nhất thiết tại “không điểm" (điểm gốc) của thời gian các khoảng cách vũ trụ đó sẽ bằng số không. Không điểm có ngay trước sự xuất hiện của không thời gian. Thời gian không- hay không điểm - này cách xa hiện tại khoảng 13,7 tỷ năm. Và điều này cũng có nghĩa là không tồn tại những thực thể, những sao có tuổi già hơn 13,7 tỷ năm. Và thời gian có một điểm bắt đầu hay không? Điều này đang là một bài toán bí ẩn đối với các nhà vật lý. Theo lý thuyết tương đối thời gian không (tức không điểm của thời gian) được mô tả như là một điểm “kỳ dị", một điểm mà sự vật tiệm cận đến nhưng không bao giờ đến: tại điểm Không gian đầy bọt sôi động vì những thăng giáng lượng tử. Từ không gian đầy bọt đó bắn ra những giọt, những giọt này là biểu hiện của những hạt cơ bản (phỏng theo tranh Bọt thời gian của họa sĩ Jean-Michel Joly, L’Ecume du temps, Saint-Etienne, 1990 ) đó Vũ trụ đã có một thể tích vô cùng bé với một mật độ và độ cong vô cùng lớn. Điểm kỳ dị là điểm đứt đoạn của các quỹ đạo không- thời gian và dường như không phải là một hiện thực, điểm kỳ dị nằm ngoài vòng nắm bắt của các lý thuyết vật lý hiện nay. Lý thuyết vật lý hiện đại chỉ cho phép đi ngược thời gian đến giai đoạn Planck mà thôi, mọi ý đồ nghiên cứu các quá trình trong giai đoạn Planck đều dẫn đến một bức tranh lượng tử mờ. Từ năm 1960, John Wheeler (nhà vật lý lý thuyết Mỹ) đã đưa ra ý tưởng: ở mức vi mô của vũ trụ, hình học của vũ trụ là mờ, so sánh được với một không gian đầy bọt sôi động vì những thăng giáng lượng tử. Từ không gian đầy bọt đó bắn ra những giọt, những giọt này là biểu hiện của những hạt cơ bản. Tránh điểm kỳ dị: trong những lý thuyết như lý thuyết siêu dây người ta giả định tồn tại một độ dài cơ bản, nhờ đó mà điểm kỳ dị suy từ lý thuyết tương đối cổ điển được loại trừ. Mọi lý thuyết, mô hình nói trên đều chứa những giả thuyết không dễ dàng được chấp nhận. Một điều kiện cần cho mọi lý thuyết, mô hình là loại bỏ điểm kỳ dị. Nói tóm lại việc tìm điểm gốc của thời gian vẫn đang còn bị bỏ ngỏ, tiếp tục là một trong những bài toán bí ẩn lớn nhất của các nhà vật lý.3/ Phương trình tối hậu của vật lý Lisa Randall, Giáo sư vật lý lý thuyết, Đại học Harvard Liệu có tồn tại một Lý thuyết của tất cả (TOE – theory of everything)? Đã một thế kỷ các nhà vật lý đi tìm một lý thuyết có khả năng thống nhất cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối, nhằm nắm bắt được bản chất thống nhất của 4 loại tương tác. Lý thuyết siêu dây dường như được xem là lý thuyết “tối hậu”, là ứng cử viên triển vọng cho TOE. Song những phát triển gần đây cho thấy rằng lý thuyết siêu dây trong hiện trạng cũng có lẽ chưa là tối hậu. Nếu tìm được lý thuyết thống nhất tối hậu thì chúng ta tiến được một bước dài trong việc thấu hiểu thế giới khách quan. Trong những năm gần đây lý thuyết siêu dây đã có những phát triển đáng chú ý trong việc xây dựng một lý thuyết như vậy. Liệu có tồn tại một TOE, một lý thuyết của tất cả, một lý thuyết chỉ dựa trên một số ít tham số nối liền nhau bởi một phương trình duy nhất có khả năng mô tả được mọi hiện tượng vật lý chung quanh ta? Đây là một tham vọng lớn, nhưng chính tham vọng đó đã thúc đẩy các nhà vật lý lao động gần một thế kỷ. Nếu xét đến độ phức tạp của vấn đề thì dường như các nhà vật lý quá ư lạc quan. Cho rằng có thể tìm được một phương trình tối hậu như vậy, Cấu trúc hình học này có tên là “đa tạp Calabi-Yao”, cấu trúc này chứa những chiều dư nằm ẩn theo lý thuyết siêu dây. thì vẫn còn một vấn đề không kém phần khó khăn là xác định điều kiện ban đầu: Vũ trụ đã bắt đầu như thế nào? Mục tiêu quan trọng của việc xây dựng TOE là thống nhất bốn tương tác: hấp dẫn, điện từ, và hai tương tác hạt nhân yếu và mạnh. Hai tương tác đầu đã được biết từ lâu, hai tương tác sau được biết trong thế kỷ XX, tương tác hạt nhân yếu xảy ra trong các tương tác hạt nhân cho phép mặt trời chiếu sáng được, tương tác hạt nhân mạnh xảy ra khi các hạt cơ bản được kết dính với nhau trong hạt nhân nguyên tử. Sheldon Glashow, Steven Weinberg và Abdus Salam đã thành công trong việc thống nhất hai lực hạt nhân yếu và điện từ. Người ta cần xây dựng một lý thuyết vượt qua ranh giới mẫu chuẩn. Một trong những lý thuyết như thế là lý thuyết có “siêu đối xứng", siêu đối xứng làm ứng mỗi hạt của mẫu chuẩn, một siêu hạt. Trong lý thuyết siêu đối xứng, xây dựng từ những năm 70, quả thực cường độ của ba loại tương tác (yếu, mạnh, điện từ ) quy về một điểm ở năng lượng cao. Hiện nay chúng ta chưa phát hiện ra các siêu hạt, nhưng sự tồn tại của chúng không gây một nghi ngờ nào cho các nhà vật lý. Liệu lý thuyết siêu dây có phải là TOE chưa? Lý thuyết siêu dây chưa giải thích được vì sao hình học của Vũ trụ lại có dạng như chúng ta quan sát được. Các nhà lý thuyết siêu dây cho rằng 6 hoặc 7 chiều dư (extra dimensions) bị compắc hóa và cuộn lại trong những kích thước quá bé để có thể quan sát được. Những chiều dư compắc hóa này làm thành một cấu trúc gọi là “không gian Calabi- Yao”. Tồn tại một số rất lớn các không gian Calabi-Yao, với một số không gian Calabi-Yao người ta có được 3 họ các hạt cơ bản như trong mẫu chuẩn, song với những không gian Calabi-Yao khác người ta có thể có đến hàng trăm họ các hạt cơ bản. Không tồn tại một lý thuyết nào để chọn một không gian Calabi-Yao để xác định được hình học của Vũ trụ. Năm 1999 Raman Sundrumvà Lisa Randall chứng minh rằng các chiều dư có thể nằm ẩn trong Vũ trụ, và các chiều dư này thậm chí có thể có kích thước vô cùng. Hấp dẫn có thể cư trú trong những chiều dư đó. Như vậy có thể nói rằng lý thuyết siêu dây trong hiện trạng chưa phải là lý thuyết tối hậu, có khả năng giải thích được Vũ trụ. Người ta hy vọng vào máy LHC (Máy va chạm hadron lớn) sẽ hoạt động vào năm 2007 có thể đem lại những kết quả thực nghiệm làm sáng tỏ một số vấn đề, như sự tồn tại của các siêu hạt cần thiết cho việc tiệm cận đến một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh với một phương trình tối hậu. Song hiện nay điều này vẫn còn là một bài toán bí ẩn thách thức vật lý học. 8/ Quỹ đạo kỳ lạ của những trạm thăm dò PIONEER Jacques-Olivier Baruch Những trạm thăm dò Mỹ Pioneer 10 & 11 được phóng vào năm 1970 đã đi một quãng đường nhỏ hơn tính toán. Điều gì đã xảy ra? Các kỹ sư đã truy tìm các nguyên nhân: dò nhiên liệu? Phát xạ nhiệt do phân rã plutonium của máy phát nhiệt điện? áp lực từ phía gió vũ trụ giữa các sao? Sai số trong các tính toán quỹ đạo? Mọi công tác truy tìm đều không dẫn đến kết quả. Vậy chỉ còn lại một nguyên nhân: có thể cần phải thay đổi định luật hấp dẫn! Marc-Thierry Jaekel, Cao đẳng Sư phạm Pháp (Ecole Normale Superieure) cùng với cộng sự Serge Reynaud đã giải thích hiện tượng “dị thường Pioneer” bằng cách đưa thêm vào một thông số thứ hai liên quan đến vận tốc xuyên tâm bên cạnh hằng số hấp dẫn trong phương trình Einstein. Dường như mọi việc đều ổn. Đây là trạm thăm dò Pioneer 10, phóng ngày 02/03/1972 hiện nay cách xa trái đất hơn 12 tỷ km. Từ năm 1980, các kỹ sư đã đo được một độ lệch khó hiểu so với quỹ đạo tính toán [...]... với tính toán thực hiện trên cơ sở các khối lượng quan sát được xung quanh Muốn giải thích được chuyển động nhanh đó, xung quanh 7 thiên hà nói trên cần phải có một khối lượng vật chất 400 lần lớn hơn khối lượng quan sát được, nhưng khối lượng thiếu này không tìm thấy ở đâu cả Bài toán vật chất tối (dark matter) ra đời (1933) 70 năm đã trôi qua mà bài toán vật chất tối – một trong những bài toán cơ... khai thác tiềm năng tích hợp của phân tử AND trong tin học Cuối cùng người ta nghĩ đến các "máy tính lượng tử" có khả năng giải quyết những bài toán quan trọng như bài toán thừa số hóa những con số chứa hàng trăm chữ số 13 / Franck Daninos Sét hòn Nhiều giả thuyết đã được đưa ra để giải thích hiện tượng sét hòn Một bức tranh cổ mô tả sự xuất hiện của sét hòn và niềm kinh dị của những ngươì chứng kiến... luật Moore có gặp phải những giới hạn do vật lý áp đặt không? Năm 2005 có 1,12 tỷ transistor trên 90 nanomét (nm), người ta cho rằng đến năm 2007 kích thước tương ứng sẽ là “45 nm” và đến năm 2010 sẽ là “30 nm” những con rệp "3D" được nghiên cứu Song đến một lúc có lẽ phải chia tay với silicium Những ống nano cacbon sẽ thay thế các transistor Nhờ các máy tính ADN được nghiên cứu từ năm 1994 ở UCLA, người... lửng trên mặt đất theo một quỹ đạo bất định với tốc độ khoảng 3m/giây Nó có thể bay qua cửa sổ rồi quay tròn trước sự kinh ngạc của người chứng kiến Hiện tượng thường kéo dài khoảng một phút, rồi nổ tan giải phóng nhiệt năng và một mùi lạ lùng Hiện nay chưa có một giả thuyết nào đúng đắn về sét hòn có khả năng giúp tái tạo sét hòn lại trong phòng thí nghiệm Năm 1888 Lord Kelvin tuyên bố trước một cuộc... khối lượng thiếu này không tìm thấy ở đâu cả Bài toán vật chất tối (dark matter) ra đời (1933) 70 năm đã trôi qua mà bài toán vật chất tối – một trong những bài toán cơ bản của vật lý vẫn chưa có lời giải! Người ta đã nghĩ đến việc sửa đổi lý thuyết hấp dẫn, song điều này quá ư mạo hiểm, cho nên các nhà vật lý thiên về tìm kiếm những hạt lạ (exotic) là ứng viên cho vật chất đen Một vấn đề còn bí ẩn... đến hằng số hấp dẫn trong phương trình Einstein Vật chất đen và năng lượng đen là hai vấn đề rất hấp dẫn đối với các nhà vật lý Hai vấn đề này không phải tạo ra một bức tranh đen tối mà trái lại việc giải quyết hai vấn đề này sẽ mở ra một tương lai sáng lạn cho vật lý 28/ Hiện tượng nóng chảy của các vật rắn là một vấn đề khó hiểu Pablo Jensen, Phòng vật lý vật chất ngưng tụ, Lyon Từ ngàn năm nay... rắn nóng chảy Năm 1910 nhà vật lý người Anh Frederik Lindemann thiết lập rằng khi biên độ dao động đạt 10% đến 15% khoảng cách giữa các nguyên tử thì vật rắn nóng chảy Song không có một lý thuyết nào để giải thích điều đó Vật rắn không nóng chảy từng nguyên tử một Đây là một hiện tượng mang tính tập thể (collective) Hiện tượng tập thể đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình vật lý, ví dụ quá trình... Planck, c– vận tốc ánh sáng Hằng số a lượng hóa cường độ tương tác điện từ tương đối tính (c) của các hạt mang điện tích trong chân không (e0) của lý thuyết lượng tử (h).Trị số bằng số của a là 1/137, 0359 9976 hay xấp xỉ bằng 1/137 Người ta sử dụng ý tưởng đơn giản sau Như ta biết các quasar được phát hiện năm 1965, đó là những quasi-star (thiên thể tựa sao) có độ sáng lớn hơn 100 tỷ sao, ở xa quả đất... Các hằng số làm thành cơ sở cấu trúc vật lý Nếu một số hằng số có những trị số khác thì những tổ hợp cấu trúc nguyên tử, cũng như các sinh thể có thể không cấu thành được, vậy không tồn tại Mong muốn giải thích các hằng số vật lý là một cố gắng xây dựng một bức tranh hoàn chỉnh của TOE (Theory of Everything – Lý thuyết của tất cả) Vấn đề các hằng số trở nên phức tạp vì trong những lý thuyết như siêu... những hằng số mà chúng ta thường quan sát được chưa phải là những hằng số thực thụ, chúng chỉ là cái "bóng" ba chiều của những hằng số đích thực Trong lý thuyết dây có khả năng tồn tại đến 10 500 lời giải ứng với ngần ấy thế giới khả dĩ Thế giới của chúng ta chỉ là một thể hiện của tập thế giới đó, chỉ là một ốc đảo bao quanh bởi nhiều thế giới siêu thực không có sự sống, tại đấy những cấu trúc như . 35 bài toán nan giải [05/06/2006] Vừa qua, tờ báo thông tin khoa học hàng đầu của Pháp và thế giới, La Recherche đã cho công bố 35 bài toán nan giải. tìm thấy ở đâu cả. Bài toán vật chất tối (dark matter) ra đời (1933). 70 năm đã trôi qua mà bài toán vật chất tối – một trong những bài toán cơ bản của vật