126 o | © 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 thi trên website physicsworld.com ca chúng tôi, chúng tôi
ã tưng thut nhng t phá trong vt lí hc và mô t nhng xu hưng nghiên cu mi nht vi
phn trình bày c th. S báo này (trang 21, 29 43, 49; bn in) ăng mt s hi tưng li nhng s
kin ln ã xy ra trong vt lí hc trong sut 20 năm qua, nhưng cái gì ang làm bùng phát các
câu hi trong vt lí hc ngày nay ?
Sáu câu tr li này là nhng hi âm hp dn và d hiu nht cho mt cuc kho sát do
chúng tôi gi ti mt s nhà vt lí trong nhng lĩnh vc khác nhau. Vì các nhà lí thuyt sn sàng
liu lĩnh hơn các nhà thc nghim, nên các ch lí thuyt ln át hn. Nhiu lĩnh vc quan trng
– vt lí môi trưng, in toán lưng t, nghiên cu năng lưng tái sinh và hu như toàn b ngành
vt lí vt cht hóa c – không có mt. Kt qu là mt tng quan kém toàn din v tương lai ca
vt lí hc hơn mt lot phác ha nhanh. Nhưng vi vt lí hc ang tip tc phân chia thành nhng
lĩnh vc con, mt s trong chúng ch có quan h hi ht vi nhau (xem trang 36-37; bn in), hu
như không th nào bt ưc xu hưng tương lai ca ngành hc như mt tng th. Tht vy, mt
trong nhng lĩnh vc mà chúng tôi mô t ây – lí thuyt mng – hu như không tn ti hi hai
thp niên trưc. Các lĩnh vc khác, bao gm lí thuyt dây và lí thuyt (có th cho là) trưng lưng
t, vn còn trong giai on trng nưc ca chúng so vi nơi chúng hin din ngày nay.
Vy thì tương lai s ưa chúng ta n âu ? Các tiên oán trong vt lí hc có th còn mơ
h, nhưng ây là quan im ca sáu nhà nghiên cu, nhng ngưi sn sàng lao u vào cuc chơi.
Sự ra đời của lí thuyết mạng
Mt hin tưng quan trng gn ây trong lĩnh vc các h phc tp là s ra i ca lí
thuyt mng. a s các h tht s phc tp – t t bào cho n Web và c các h thng xã hi –
có mt mng lưi ng sau chúng cho chúng ta bit làm th nào các thành phn ca mng tương
tác vi nhau. Cho bit s khác bit gia các h này – c bn cht ca các thành phn và chc năng
ca toàn h thng – ngưi ta s không trông i có bt kì s tương ng ni ti nào gia chúng.
Nhưng, k t u th k, các nhà khoa hc ã phát hin thy cu trúc nn tng ca nhng mng
này hơi ging nhau: a s có mt bc t do tôpô hc (s liên kt trên mi nút tuân theo mt quy
lut lũy tha), chúng biu hin mt mc co cm cao, và khong cách gia các nút nh (tính
cht th gii nh). Chúng ta ã nhn ra rng mng ó có ý nghĩa, và iu này không ch to ra
127 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay
nhng câu hi kì l, mà còn dn chúng ta n ch ánh giá li cách thc chúng ta mô t mt h
phc tp.
Lí thuyt mng
Mt câu hi ch yu na v ng lc hc con ngưi. Mô t và tiên oán hành vi con
ngưi thot u có th không trông ging như nhng câu hi vt lí, nhưng gn ây các công c
theo li kinh nghim ca vt lí hc ã bt u gi mt vai trò cơ s trong vic gii quyt nhng
vn này. Tương lai ca vũ tr hc s ưc xác nh bi kh năng ca chúng ta gii quyt
nhng vn có tm quan trng cơ bn i vi xã hi. i vi các nhà vt lí, nhng câu hi ó
thưng liên quan n vic tìm kim các ngun năng lưng mi hoc khám phá ra nhng cht liu
mi, nhưng ngày nay tiêu im ca các câu hi t t chuyn hưng sang các vn hc thut
ang phát sinh ti ranh gii ca vt lí hc, các khoa hc xã hi, sinh hc và kĩ thut. Nu như vt
lí hc vn thích áng, và vn gi ưc vai trò hàng u ca nó trong s các khoa hc, thì nó s
phi bao hàm nhng câu hi này.
• Albert-Lâszlô Barabási, giám c Trung tâm Khoa hc Mng
ti i hc Northeastern University, Mĩ
128 o | © hiepkhachquay
Các phát triển trong kĩ thuật chụp ảnh y khoa
Vt lí y khoa
Hơn hai thp k qua, nhng tin b chính ã thu ưc trong tm tay là vic chp nh các
cu trúc bình thưng và cu trúc bnh cp mô và cơ quan, nh ó ci thin v căn bn kh
năng phát hin và iu tr bnh vĩ mô. Nhng tin b này phn ánh s phát trin các phương
pháp chp nh như chp nh cng hưng t ht nhân, x tr in toán phát x, chp nh tia X kĩ
thut s, và chp nh vi siêu âm.
ng thi, kh năng nghiên cu tính nguyên vn cu trúc và chc năng ca mô cp
t bào và a t bào ã có nhng bưc tin ln, ch yu qua s phát trin mt s kĩ thut chp nh
quang hc và ht nhân. Nhng tin b trong cái gi là “chp nh phân t” này ã mang li tim
129 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay
năng phân bit các t bào bình thưng vi t bào ung thư, và xác nh s có mt hay vng mt ca
t bào ung thư bên trong bt kì vùng vi mô nào ca mô.
Vn ln nht chưa gii quyt trong vt lí y khoa là làm th nào kt hp nhng tin b
chp nh vĩ mô và vi mô mép rìa chính xác ca các t bào ung thư có th ưc vch ra trong k
hoch và tn sut iu tr bc x. Mt h ngăn cách tn ti gia s hình dung ra các khía cnh vi
mô và vĩ mô ca bnh ung thư, và h ngăn cách này phi ưc bt cu qua nu như các tin b
trong kĩ thut chp nh phân t ưc s dng ci thin vic iu tr bnh vi các ngun bc x
ion hóa.
• Bill Hendee, mt nhà vt lí ti Trưng Y khoa Wisconsin, Milwaukee, Mĩ
Chân không lượng tử
130 o | © hiepkhachquay
Lí thuyt trưng lưng t
Vào u th k th 20, Einstein ã thay th thuyt aether bng thuyt tương i, nhưng
mt aether th k 21 – chân không lưng t - vn ang thách thc các nhà vt lí hc ngày nay.
Aether ban u ưc cho là mt cht thm m tt c mang ánh sáng qua không gian ging như
không khí mang sóng âm. Ly ht ánh sáng ra thì aether vn còn ó. Bây gi, theo lí thuyt
trưng lưng t, trng thái ca bóng ti tuyt i, chân không lưng t, vn là mt trng thái vt
lí, lp y toàn b không gian, ging ht như aether. Du vy, có mt s khác bit quan trng:
ngưi ta không chú ý ti chuyn ng mt tc u tương i so vi chân không lưng t,
nhưng trong s gia tc chân không s lóe sáng, do ma sát. Chân không lưng t cũng làm cho các
l en bc hơi, vì chân tri s c, các ht ưc to ra t chân không, làm tiêu phí khi lưng
ca l en.
Cho n nay, không có hin tưng nào trong nhng hin tưng này tng ưc quan sát –
chúng yu v mt thiên văn hc mc dù chúng có th ưc chng minh trong các mô hình tương
t trong phòng thí nghim. Tuy nhiên, mt s mt ca chân không lưng t có mt trong cuc
sng hàng ngày: chân không lưng t làm cho mi th dính li. Ví d, mt con tc kè có th treo
mình trên mt b mt kính thy tinh s dng ch mt ngón chân, vì các si lông nh trên chân ca
nó bám dính vào thy tinh bi s trao i không ngng các photon o liên kt hai bên li vi
nhau. Lc chân không thì nh và ch tác dng c li ngn, nên con tc kè cn nhiu si lông
treo trng lưng ca nó. Trong mt s ng dng ca công ngh nano, s bám dính này là mt vn
- nht là trong các h vi cơ in tích hp in t hc có các b phn chuyn ng. Vic tìm
hiu chân không lưng t không nhng là mt thách thc i vi vt lí hc th k 21, mà còn i
vi công ngh th k 21.
• Ulf Leonhardt, mt nhà vt lí lí thuyt ti i hc St Andrews, Anh
ước trên những hành tinh khác
Ti sao Trái t cha úng lưng nưc mà nó có ? Và nhng hành tinh ang quay quanh
nhng ngôi sao khác có cha mt lưng nưc bng như vy không ? Nhng vn này tht
chng d bàn lun. Nưc trên mt Trái t khô hơn s b hp th vào trong lp bao silicate, li
mt b mt khô cn. Trái li, nu Trái t có lưng nưc nhiu gp ôi, thì các lc a s b nhn
chìm. S sng tin b, mang tính công ngh s không th tưng tưng ra ni trong th gii nưc
thu ưc ó, như là s không có con cá nào ngoài hành tinh hay nhng chú cá heo không gian có
131 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay
th phát minh ra thut luyn kim, máy vi tính hoc àn ghi ta. Có phi Trái t ca chúng ta cha
mt lưng nưc “may mn” ?
Thiên văn hc
Trái t hình thành bi các ht tích t gm silicate, st và nưc t ĩa tin hành tinh sơ
khai vi nhng lưng bng nhau. Trái t ban u tích góp lưng nưc bng nhiu i dương
(nu không nhiu hơn na) trong s hình thành ca nó. Nhưng Trái t hin nay ca chúng ta ch
có mt phn nghìn khi lưng ca nó là nưc, ít hơn nhiu so vi silicate và st. Vy lưng nưc
ti hn này t âu mà có ?
Trong 100 triu năm u tiên ca nó, Trái t b khô hn t ngt khi mt hành tinh kích
c Ha tinh âm vào nó, làm bc hơi các i dương và gi mt lưng ln nưc vào trong không
gian. (Mt trăng cũng hình thành t v va chm này) Trái t còn li là mt hành tinh khô n,
không phi không ging như Ha tinh ngày nay.
132 o | © hiepkhachquay
Trái t khô hn ó giành ưc phn nưc b sung hin nay ca nó t các tiu hành tinh
và sao chi ngu nhiên âm sm vào nó. Lc hp dn ca Mc tinh tác dng như mt súng cao su
và làm phân tán nhng vt th này theo mi hưng, vi mt vài vt tin v phía Trái t, li
nưc ca chúng trên chuyn h cánh xung. Như vy, Trái t ã mt nưc ca nó, và sau ó
giành ưc mt s tr li, tt c bi nhng va chm tình c trong thi kì sơ khai ni uôi sp
hàng ca h Mt tri.
Nhng Trái t khác không th may mn như vy. Các mô phng cho thy chúng có th
giành ưc bt kì âu ó t 0,01 n 100 i dương nưc. Ch mt phn nh trong nhng Trái t
này cha úng lưng nưc thích hp có c i dương và lc a. S bin i ln trong nưc
trên nhng Trái t khác này phát sinh t qu o và khi lưng ca mt hành tinh kiu Mc tinh
(nu chng phi cái gì khác) gây nhiu các tiu hành tinh. Mt cú st qua bi mt hành tinh kích
c Ha tinh làm sy khô nhng Trái t khác ó là mt s kin him có, không có nó thì chúng
vn gi nhiu i dương nưc. Bt kì sao ôi ng hành nào cũng s gây nhiu các tiu hành tinh
và sao chi theo kiu khác nhau, mang li nhng lưng nưc khác nhau. S có mt ca các ng
v như nhôm 26 có th làm thay i áng k nhit bên trong, và do ó làm bc hơi nưc n t
các tiu hành tinh và sao chi.
Trong trò chơi c bc ngu nhiên ca s hình thành hành tinh, Trái t ã ưc chia cho
nhng quân bài may mn, phn thng chính là loài ngưi thông minh. Nhưng vn may thưng
xoay vòng: nu Trái t không ưc tri phú cho úng lưng nưc ó, chúng ta s chng có mt
ây nói v nó.
• Geoff Marcy, mt nhà thiên văn hc ti i hc California-Berkeley, Mĩ
Tương lai của vũ trụ học
Vũ tr hc có l ang trên b biên ca nhng nhng thp k hào hng nht ca nó – hay
là bun chán nht ca nó. 20 năm qua ã chng kin s phát trin ca mt mô hình vũ tr hc
chuNn, mô t bng thuyt tương i và các tương tác ca ch mt vài thành phn: vt cht bình
thưng, vt cht ti và năng lưng ti, cùng vi du hiu ca mt k nguyên sơ khai ca s giãn
n gia tc gi là lm phát. Tính ơn gin ca mô t này tht d gây nhm ln, vì chúng ta không
bit loi ht nào cu thành nên các thành phn ti, chúng ta chng bit cơ ch nào gây ra nhng
lưng tương i ca chúng. Mc tiêu ca nhng d án vũ tr hc ln nht sp ti – các kính thiên
văn nn vi sóng như Planck Surveyor ca Cơ quan Không gian châu Âu; các kho sát trên mt t
133 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay
như Large-Scale Synoptic Survey Telescope và Square Kilometre Array; hoc các kính thiên văn
v tinh tương lai như Euclid hoc Joint Dark Energy Mission – tìm hiu nhng thành phn này
bng cách quan sát tác ng ca chúng lên s giãn n chung ca vũ tr và s phát trin ca cu
trúc bên trong nó.
Vũ tr hc
Theo lí tưng, th h tip theo ca các thí nghim vi sóng s quan sát gián tip mt nn
bc x hp dn – mt du hiu quan trng ca thi kì lm phát sơ khai ó. Các quan sát c th v
sao siêu mi xa và các kính thiên văn kho sát vũ tr cc b có th cho phép chúng ta o ưc
nhng tính cht ca vt cht ti, chúng dưng như ang gây ra s giãn n ca vũ tr gia tc ngày
nay. Tuy nhiên, mt kh năng rt thc t là nhng quan sát này s mang n cho chúng ta mt vài
134 o | © hiepkhachquay
ch s ca chính xác tăng thêm trên các thông s vũ tr mô t vũ tr nhưng không tht s tìm
hiu cơ s vt lí nn tng ca vt cht ti hay năng lưng ti, và mt vài, nu không phi tt c,
du hiu v cơ ch Nn ng sau s lm phát hay nhng thi kì khác trong vũ tr sơ khai.
Ngay c trong kch bn ó, cái chúng ta s có trong thi gian vài ba thp k là mt tm bn
chi tit phi thưng ca vũ tr, trên nhng vùng ln hơn ca bu tri và t ti nhng nơi xa
xôi hơn (và ó ngưc dòng thi gian xa hơn) vi tng chic kính thiên văn mi, cui cùng n
nhng vt th u tiên nht hp nht nên ám khí nguyên thy. Nhưng nu nhng d liu này
không nói gì v vũ tr sơ khai và nn vt lí ht, thì vũ tr hc s tip tc s chia rã ã bt u,
gia nhng công c lí thuyt và nn vt lí ht ang áp dng ó cho vũ tr sơ khai và nhng công
c s dng các kĩ thut thiên văn hc tìm hiu s tin hóa ca các vt th bên trong nó.
• Andrew Jaffe, mt nhà thiên văn vt lí ti Imperial College London, Anh
guyên lí ảnh giao thoa nổi và diện mạo lí thuyết dây
Lí thuyt dây
Nhng ý tưng ln mi ã ló dng t s hp dn lưng t là “nguyên lí nh giao thoa ni”
và “din mo lí thuyt dây”. Nguyên lí giao thoa ni là mt sn phNm t nhiên ca cái nhìn sâu
sc ca Stephen Hawking vào s xung t gia nguyên lí tương ương và nguyên lí lưng t ca
s bo toàn thông tin. Kt qu là mt trong nhng quan nim gây sng st nht trong vt lí hin
i: các mc t do ca mt vùng không gian, thay vì lp y vùng ó, cư trú trên mt ranh
135 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay
gii. Mt hologram là mt tm phim 2D lưu tr thông tin trong mt khung cnh 3D. Nu bn nhìn
vào tm phim ó qua mt chic kính hin vi, thì bn s thy mt chùm m sáng ngu nhiên;
nhưng nu bn bit các quy tc, thì bn có th xây dng li quang cnh chc chn mà nó mô t.
Nguyên lí nh giao thoa ni phát biu rng vũ tr 3D trông ging như mt nh dng li lưu tr
trên mt ranh gii toán hc xa.
Nguyên lí nh giao thoa ni ã cu trúc li tn gc các quan nim ca chúng ta v s hp
dn lưng t, các l en, và bn cht ca các mc t do cơ bn. ng thi, nó còn óng li
mt vòng ý tưng ã bt u vào cui thp niên 1960. Lí thuyt dây bt u vi tư cách là lí
thuyt ca các hadron – các ht dưi ht nhân bình thưng như proton và neutron – nhưng cơ s
toán hc tương t như vy còn mô t các i tưng như graviton và l en. áng chú ý là vòng
tròn bây gi ã khép li và lí thuyt l en ngày nay ưc s dng gii thích các tính cht ca
ht nhân va chm.
Trong khi ó, din mo lí thuyt dây phát sinh t vic tìm kim mt lí thuyt dây ca các
ht sơ cp. iu quan trng v lí thuyt dây không phi ch các ht sơ cp là các dây, mà nó
mang li mt loi DNA ghi mã các tính cht ca vũ tr, theo kiu ging như chui cp base trong
DNA ghi mã các kiu hình sinh hc. Ging như có mt din mo khng l các kiu hình sinh hc
– tt c nhng s sp xp li có th có ca hàng chc triu cp base trong chui DNA – lí thuyt
dây mang li vô s kiu hình cho s sp xp li các nguyên t bao hàm mt s thu nhỏ ca các
chiu thêm vào. (Con s 10
500
thưng ưc trích dn) iu này có tác ng nghiêm túc lên tham
vng tìm kim mt lí thuyt dây c nht vô nh ca ngành vt lí ht, nhưng nó phù hp rt tt
vi các quan nim vũ tr hc.
Din mo ó t nhiên t b sung nó cho các nghiên cu v mt a vũ tr lm phát vĩnh
vin ca “các vũ tr b túi” tách ri khi nhng vũ tr khác bng các chân tri s c. Mt khác,
nguyên lí nh giao thoa ni cho rng cơ hc lưng t bình thưng ch có ý nghĩa bên trong chân
tri ca nhà quan sát. Cho nên, có mt căng thng gay gt gia hai phía: làm th nào mô t mt a
vũ tr theo kiu nh giao thoa ni ?
• Leonard Susskind, mt nhà lí thuyt dây ti i hc Stanford, Mĩ
Ngun : …And now for the next 20 years (PhysicsWorld, tháng 10/2008)
hiepkhachquay dch
An Minh, ngày 17/10/2008