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.