NHỮNG CÂU CHUYỆN KHOA HỌC HIỆN ĐẠI
Tác giả: Phạm Việt Hưng
Nhà Xuất Bản Trẻ xuất bản tại Saigon năm 2003
LỜI NÓI ĐÂU
Nếu bạn là người quan tâm đến số phận của vũ trụ, trong đó có số
phận của chính bạn và tôi, hẳn là bạn sẽ phải thích thú với bài báo
của Micheal Lemonick trên tạp chí TIMES ngày 25 tháng 06 năm
2001, nhan đề “How The Universe Will End” (Vũ trụ sẽ kết thúc ra
sao). Nội dung bài báo này nói về “ngày tận thế của vũ trụ”, về cái
ngày vũ trụ sẽ không còn tồn tại nữa, mọi thứ sẽ hoá ra hư không.
Xin nói ngay rằng đây không phải là “ngày phán xử cuối cùng” trong
Kinh Thánh. Không ai có tội lỗi gì ở đây cả. Đây là một lý thuyết
khách quan về những quy luật tất yếu của vũ trụ, một lý thuyết
hoàn toàn mới của vũ trụ học, ra đời đúng vào phút bản lề chuyển
sang thế kỷ mới và thiên niên kỷ mới.
Để thấy rõ cái mới trong lý thuyết này, bạn phải biết rằng trước
đây vài ba năm, các nhà vũ trụ học không tiên đoán số phận vũ trụ
như thế. Mặc dù từ lâu các nhà khoa học đã biết rằng vũ trụ dãn
nở, nhưng không mấy ai nghĩ rằng vũ trụ sẽ dãn nở mãi mãi. Bởi lẽ
như thế thì bức tranh tương lai của vũ trụ quá bi đát: Nếu dãn nở
mãi mãi thì điều tất yếu là vũ trụ sẽ loãng dần, mật độ vật chất
trong vũ trụ sẽ tiến tới 0, và vũ trụ sẽ tiêu vong.
Để tránh sự tiêu vong đó, các nhà vũ trụ học nghĩ ra nhiều mô hình
về tương lai của vũ trụ. Các mô hình này đều tuỳ thuộc vào yếu tố
mật độ vật chất trong vũ trụ.
Nếu mật độ vật chất quá nhỏ, lực hấp dẫn sẽ không đủ để giữ vật
chất ở lại với nhau, khi đó cơn ác mộng vũ trụ dãn nở mãi mãi sẽ
là hiện thực. Vật chất hiện nay mà chúng ta nhìn thấy, như các

ngôi sao, các thiên hà, các cụm thiên hà, v.v. quả thật là quá ít so
với số lượng cần thiết theo tính toán để giữ cho vũ trụ tồn tại
được ít nhất ở mức như thiện nay. Vì thế các nhà khoa học quả
quyết rằng ắt phải có những dạng vật chất bí ẩn – gọi là vật chất tối
(dark matter) – mà khoa học chưa hề biết đã đóng vai trò chủ yếu
vào việc giữ cho vũ trụ tồn tại. Việc thăm dò tìm kiếm những dạng
vật chất tối này là một trong những đề tài quan trọng nhất của vũ
trụ học và vật lý học hiện đại. Nhiều nhà khoa học tin rằng, những
dạng vật chất tối đó có thể chiếm một tỷ lệ cực lớn so với vật chất
nhìn thấy, và do đó tổng khối lượng vật chất trong vũ trụ sẽ tạo ra
một lực hãm đủ mạnh để hãm dần tốc độ dãn nở của vũ trụ chậm
lại, v.v.
Nhưng đùng một cái, năm 1998, tin tức phát đi từ California, Mỹ,
đã làm toàn thế giới khoa học sửng sốt: những số liệu đo đạc và
tính toán mới nhất của nhóm các nhà thiên văn dưới sự lãnh đạo
của Perl Mutter tại Lawrence Berkeley Laboratory về các vụ nổ của
các siêu-tân-tinh (supernova) dạng Ia cho thấy vũ trụ không hề dãn
nở chậm lại như người ta hy vọng, mà ngược lại ngày càng nhanh
lên. Nói cách khác, vũ trụ dãn nở với gia tốc. Điều này có nghĩa là
chẳng có gì có thể kìm hãm đà dãn nở của vũ trụ được, và rằng
cơn ác mộng vũ trụ dãn nở mãi mãi có thể sẽ là một hiện thực !
Bản thân tôi bị choáng váng bởi thông tin này, bởi tôi là kẻ yêu đời,
ước mong sao cho thế gian tồn tại mãi mãi. Chắc bạn còn nhớ bản
nhạc “The End of the World” của The Carpenters? Lới bài hát thật
tuyệt vời:
“Do they know it's the end of the world,
It ended when you said good-bye …“
(Chúng có biết chăng thế gian này đã đến
phút tận cùng kể từ ngày em nói lời chia tay …).
Thế đấy, chỉ có những người thất vọng vì tình ái mới có thể chấp
nhận thế giới kết thúc. Còn tôi, tôi lo lắng cho số phận của vũ trụ,
mặc dù theo lý thuyết vũ trụ mới mẻ nói trên, “Kỷ Đen Tối” (Dark
Era) – tức là lúc vũ trụ chỉ còn một màn đêm tuyệt đối vì chẳng còn

ngôi sao nào nóng bỏng chiếu sáng nữa – cũng còn phải mất một
thời gian rất lâu nữa mới xẩy ra. Chắc chắn là lúc đó chúng ta
không còn trên thế gian này nữa, và không chắc toàn bộ loài người
lúc đó còn tồn tại nữa, vậy mà tôi vẫn thấy hồi hộp !
Vì thế tôi quyết định đem câu chuyện này tâm sự với một người
bạn, một chuyên gia vật lý lý thuyết mà tôi rất kính nể. Nhưng anh
dội cho tôi một gáo nước lạnh: “Làm gì có chuyện đó, làm gì có
chuyện vũ trụ dãn nở gia tốc, chuyện ở đâu ra vậy?”. Tôi ngẩn
người, thuật lại đầu đuôi mọi chuyện, dẫn chứng sách vở khá chi
tiết. Vậy mà anh vẫn nhất định không chịu, khăng khăng nói rằng đó
là chuyện vô lý, và bản thân anh chưa từng đọc thông tin ấy ở bất
kỳ đâu, kể cả trên sách vở, báo chí, lẫn Internet.
Tôi buồn quá, không tranh luận nữa, vì thực tế tôi chỉ định hỏi ý
kiến anh, mong anh có những luận cứ khoa học giúp tôi hiểu rõ vấn
đề hơn mà thôi. Và lúc đó tôi chợt nhận ra rằng vấn đề thông tin
khoa học quan trọng thật. Tôi chẳng qua là may mắn đã có thông
tin khá đầy đủ về sự kiện nói trên, cả trên báo, trên sách, lẫn trên
Internet, nên mới biết rõ hơn anh một chút mà thôi. Có thể bạn tôi
mải mê dạy học suốt ngày nên không có điều kiện nắm bắt thông
tin mới chăng ?
Nhiều người hiện nay tuyên bố khá tự tin rằng trong thời buổi
thông tin Internet, bất kể điều gì cũng có thể nắm bắt được hết,
miễn là có một chiếc computer nối mạng. Điều này đúng, nhưng chỉ
đúng 50% thôi. Internet quả thật là một biển thông tin vô hạn,
nhưng chắc chắn không phải có sẵn và đầy đủ mọi thông tin mà bạn
cần biết, ít nhất đó cũng là kinh nghiệm của bản thân tôi và của rất
nhiều người sử dụng internet khác. Sách báo vẫn là những thứ
không thể có gì thay thế được, đặc biệt những sách báo kinh điển.
Thí dụ: Một phát minh được loan báo trên Internet đồng thời được
in trên một ấn bản hàn lâm định kỳ truyền thống, thì xin thưa rằng
văn bản in trên ấn bản đó mới được coi là văn bản gốc, chính thức.
Vả lại chắc gì bạn đã dễ dàng khai thác được một thông tin quý báu
trên Internet nếu bạn không “đánh hơi” được nguồn của nó. Cách

thu thập thông tin tốt nhất vẫn là cách tổng hợp mọi nguồn thông
tin, trong đó sách báo vẫn đóng một vai trò rất quan trọng. Những
người vội tin rằng thời đại Internet sẽ chôn vùi sách báo có lẽ đã
nhầm. Sách báo chắc chắn còn sống mãi cùng với loài người, thậm
chí ngày càng phát triển hơn. Xét cho cùng, các hình thức thông tin
khác nhau không loại trừ lẫn nhau, mà chúng bổ xung cho nhau.
Vì thế tôi quyết định gửi những bài báo của tôi đã được đăng trong
nước đến nhà xuất bản, chủ yếu bao gồm những câu chuyện khoa
học hiện đại. Hy vọng những thông tin trong cuốn sách này sẽ thật
sự bổ ích với độc giả, vì hầu hết đó là những thông tin về những
khám phá, phát minh khoa học và công nghệ mới nhất trong vài
năm gần đây, tất nhiên trong đó có những phần liên quan đến câu
chuyện vũ trụ nói trên.
Sau đây là thứ tự các chương của cuốn sách, mỗi chương có một
mục lục riêng:
Chương I  :   Vật lý học
https://viethungpham.wordpress.com/2012/11/22/nhung-cau-chuyen-khoahoc-hien-dai_chuong-i-vat-ly-hoc/
Chương II :   Toán học, Khoa học Computer, Khoa học Robot.
https://viethungpham.wordpress.com/2012/11/27/nhung-cau-chuyen-khoahoc-hien-dai-chuong-ii-sinh-hoc-y-hoc/
Chương III:  Sinh học, Y học.
https://viethungpham.wordpress.com/2012/11/28/nhung-cau-chuyen-khoahoc-hien-dai-chuong-iii-sinh-hoc-y-hoc/
Chương IV:  Khoa học Thần kinh, Ngôn ngữ học.
https://viethungpham.wordpress.com/2012/11/28/nhung-cau-chuyen-khoahoc-hien-dai-chuong-iv-khoa-hoc-than-kinh-ngon-ngu/
Chương V :  Công nghệ.

https://viethungpham.wordpress.com/2012/11/29/982/
Chương VI:  Tổng quan Khoa học.
https://viethungpham.wordpress.com/2012/11/29/nhung-cau-chuyen-khoahoc-hien-dai-chuong-vi-tong-quan-khoa-hoc/
Với khả năng có hạn, cuốn sách này sẽ khó tránh khỏi thiếu sót. Tôi
xin tỏ lòng biết ơn toà soạn tạp chí Tia Sáng đã giúp đỡ để ra cuốn
sách này, và xin chân thành cảm ơn tất cả những ai đã dành thì giờ
đọc cuốn sách, nhất là có ý kiến giúp đỡ cho cuốn sách được tốt
hơn.
PVHg, Sydney ngày 04 tháng 05 năm 2003

CHƯƠNG 1 – VẬT LÝ HỌC

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

Chương 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 24-072000)

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 2205-2001)
11. Bí mật 30 năm của loại hạt ma quái đã được làm sáng tỏ (Lao Động 2606-2001)
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 19-092001)
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 0107-2002)
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 khímột 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 l...