Thập niên này đánh dấu không chỉ một mà là cả một loạt những bước ngoặt trong lịch sử vật lí.
2010 là một thập niên phi thường vì kiến thức mới, song quan trọng hơn, những khám phá của thập niên này – và cả những khám phá không thành của nó – đã làm thay đổi cách các nhà vật lí nghĩ về lĩnh vực tương ứng của họ. Vật lí hạt và thiên văn vật lí đã bước sang kỉ nguyên mới sẽ định hình lại cách các nhà nghiên cứu làm khoa học. Công nghệ mới dựa trên nền tảng cơ học lượng tử có thể đánh dấu một bước tiến chuyển to lớn về điện toán, khoa học vật liệu, và cách chúng ta kiểm soát năng lượng.
“Tôi cảm thấy chúng ta như đang ở giữa một biến chuyển thời đại,” theo lời Natalia Toro, một phó giáo sư vật lí hạt và thiên văn vật lí tại Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC. “Vẫn chưa rõ chúng ta đang đi về đâu, song tôi nghĩ trong 50 năm tới, thập niên vừa qua sẽ được nhớ tới như sự khởi đầu của một biến chuyển lớn trong nhận thức của chúng ta về vật lí học.”
Tìm kiếm mảnh vật chất nhỏ nhất
Thập niên này đã mang lại những biến chuyển tận gốc rễ về cách các nhà khoa học tìm hiểu cái rất lớn và cái rất nhỏ. Có lẽ đáng chú ý nhất, các nhà khoa học tại Máy Va chạm Hadron Lớn, một máy gia tốc và máy va chạm hình tròn chu vi 17 dặm ở Geneva, Thụy Sĩ, đã tìm thấy bằng chứng của boson Higgs, hạt cuối cùng được mô tả bởi lí thuyết trung tâm của vật lí hạt, gọi là Mô hình Chuẩn.
Trước năm 1964, một số lí thuyết đã vận hành suôn sẻ khi mô tả vũ trụ, nhưng chúng có một vấn đề: Chúng dự đoán rằng những hạt nhất định phải không có khối lượng trong khi các nhà vật lí đã biết là chúng có khối lượng. Sau đó, sáu nhà khoa học (nổi tiếng nhất là Peter Higgs), công bố ba bài báo khắc phục vấn đề này, trong đó mô tả một cơ chế nhờ đó khối lượng có thể xuất hiện ở dạng các hạt mang lực, gọi là các boson chuẩn, vì thế các lí thuyết giải thích vũ trụ kia vẫn hoạt động được. Cơ chế đó đòi hỏi sự tồn tại của một hạt nữa, gọi là boson Higgs. Bất chấp nhiều cuộc tìm kiếm, boson Higgs vẫn bật vô ăm tín – mãi cho đến thập niên này.
Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN, thí nghiệm khoa học lớn nhất từng được xây dựng, đi vào hoạt động từ năm 2008. Vào ngày 4 tháng Bảy 2012, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã đổ xô chật ních các khán đài và giảng đường để chăm chú nghe các nhà nghiên cứu LHC công bố rằng cuối cùng họ đã tìm thấy bằng chứng của hạt Higgs trong hai detector cỡ bằng tòa nhà của thí nghiệm, gọi là ATLAS và CMS. Nhiều người nói rằng tất cả hạt mà Mô hình Chuẩn dự đoán đã được tìm thấy hết rồi, như vậy mô hình này hoàn chỉnh rồi…hay phải vậy không?
Máy gia tốc Linac4. Ảnh: Robert Hradil, Minika Majer
“Nói rằng chúng ta đã hoàn thiện Mô hình Chuẩn là ngụ ý rằng chúng ta đã làm xong việc,” theo lời Patty McBride, nhà khoa học danh giá tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi và phát ngôn viên cho Nhóm hợp tác CMS tại CERN. “Và chúng ta vẫn chưa làm xong việc.” Nhiều bí ẩn và, quả vậy, khoảng 96% chất liệu trong vũ trụ, vẫn không được giải thích bởi Mô hình Chuẩn.
Máy va chạm Hadron Lớn đã khá im ắng kể từ năm 2012. Nhiều kết quả thú vị kiểm tra Mô hình Chuẩn đã được làm sáng tỏ, nhưng chẳng có hạt mới nào được tìm thấy sau boson Higgs. Các nhà vật lí hi vọng CERN sẽ tìm thấy bằng chứng của những hạt khác, ví như các siêu đối hạt. Theo dự đoán, các hạt này vừa đem lại một lí giải vì sao lực hấp dẫn yếu hơn nhiều so với các lực kia (hãy nghĩ nhé – toàn bộ lực hấp dẫn của Trái Đất không thể ngăn nổi cái nam châm tủ lạnh hút lấy một miếng kẹp giấy) vừa có vai trò là dạng thức đúng của vật chất tối, chất liệu bí ẩn tạo nên bộ mặt vũ trụ nhưng vẫn chưa được quan sát trực tiếp. Và mặc dù vẫn còn nhiều dữ liệu LHC chờ sàng lọc – và LHC phải được nâng cấp để chạy với tốc độ va chạm cao hơn – song các nhà khoa học đang bắt đầu tự hỏi liệu họ sẽ tìm được bằng chứng của những hạt này hay không.
Thế nhưng biết đâu một ngày nào đó việc thiếu khám phá như vậy được xem là một bước ngoặt trong lịch sử vật lí. Các nhà vật lí hạt bắt đầu tìm kiếm các hạt bằng những cách mới, ví dụ như dùng các thí nghiệm chính xác cao để kiểm tra các dự đoán Mô hình Chuẩn thông qua tìm kiếm những sai lệch nhỏ nhưng có ý nghĩa so với lí thuyết dự đoán, thay cho những cỗ máy va chạm cưỡng bức, năng lượng cao. Các nhà lí thuyết còn được khuyến khích suy nghĩ vượt ngoài khuôn khổ, tìm kiếm những lí giải mới cho những thứ như vật chất tối.
“Người ta phải giải quyết nhiều thách thức công nghệ ngày càng lớn để thúc đẩy [các máy gia tốc hạt] lên năng lượng cao” để tìm kiếm các hạt mới, lời của giáo sư Josh Frieman ở khoa thiên văn và thiên văn vật lí tại Đại học Chicago và là trưởng phân viện hạt tại Fermilab. “Cộng đồng vật lí hạt nhận ra rằng chúng ta cần đa dạng hóa cách tiếp cận… Đó sẽ là một vấn đề thách thức. Khi bạn có một vấn đề thách thức, bạn muốn mang ra xài cho hết toàn bộ công cụ trong hộp đồ nghề của mình, bởi lẽ nền vật lí mới ấy thuộc loại kín tiếng.”
Không thời gian gợn sóng
Thập niên này cũng đã cách mạng hóa vật lí học về cái rất lớn. Hơn một thế kỉ trước, lí thuyết tương đối rộng của Albert Einstein đã dự đoán rằng các sự kiện năng lượng cao có thể phát ra các nhiễu loạn lan truyền trong không gian ở tốc độ ánh sáng, gọi là sóng hấp dẫn. Các nhà khoa học lâu nay đã tìm kiếm sóng hấp dẫn được sinh ra bởi siêu tân tinh hay các cặp lỗ đen quay xung quanh nhau rồi va chạm. Bằng chứng gián tiếp cho sóng hấp dẫn lần đầu tiên xuất hiện với việc khám phá cặp đôi pulsar (một kiểu sao neutron quay nhanh) tên gọi là PSR-1913+16. Sau vài năm, các nhà khoa học nhận ra rằng chu kì quỹ đạo của nó đang giảm đi theo đúng như thuyết tương đối rộng dự đoán cho một hệ như thế sẽ mất năng lượng do sản sinh sóng hấp dẫn. Nhưng bất chấp những tìm kiếm khác, bằng chứng trực tiếp vẫn chưa xuất hiện.
Nghĩa là, mãi cho đến thập niên này. Vào ngày 24 tháng Chín 2010, hai tổ hợp thiết bị hình chữ L, mỗi thiết bị gồm một cặp đường hầm mỗi hầm dài hơn một dặm và vuông góc với nhau, một ở bang Washington và một kia ở Louisiana, đã ghi được các laser đi vào và đi ra lệch pha nhau trên một detector. Các chao đảo này là do hai lỗ đen, bằng 29 và 36 lần khối lượng Mặt Trời, chuyển động xoắn ốc vào nhau và sau đó thì hợp làm một, chúng ở xa 1,3 tỉ năm ánh sáng và phát sóng hấp dẫn của chúng về phía Trái Đất.
Có nhiều quan trắc diễn ra tiếp sau đó, nhưng có lẽ một khám phá còn nức lòng nức dạ hơn nữa xuất hiện vào năm 2017, khi các detector, lúc này thí nghiệm Virgo ở Italy cũng nhập bọn, đo được sóng hấp dẫn cùng thời điểm với các kính thiên văn trên khắp thế giới phát hiện các đốm bức xạ vô tuyến, tử ngoại, hồng ngoại, và quang học đến từ một điểm trên bầu trời. Vụ nổ năng lượng này là do sự va chạm của hai sao neutron, các xác sao kích cỡ bằng một thành phố. Sự kiện này cho phép các nhà khoa học tìm hiểu về nguồn gốc của một số nguyên tố nặng nhất trên bảng tuần hoàn và có thể một ngày nào đó sẽ hữu ích cho việc khép lại “cuộc khủng hoảng” hiện nay trong vật lí học trước vấn đề vũ trụ đang tăng tốc nhanh.
Khám phá làm chuyển biến thời đại này là một điềm báo của thiên văn học đa kênh – nghĩa là, thiên văn học trong đó các nhà khoa học sử dụng cả sóng ánh sáng và việc dò tìm một số hạt hay sóng khác để quan sát một nguồn. Kính thiên văn ban đầu chỉ sử dụng ánh sáng nhìn thấy, rồi đến các bước sóng khác của bức xạ điện từ, như tia X hay sóng vô tuyến, và nay các đài quan trắc bổ sung có thể bao gộp cả dữ liệu không gian đến từ các hạt như neutrino hay sóng hấp dẫn.
“Đây là thời kì vàng son của thiên văn học đa kênh,” phát biểu của Peter Galison, giáo sư vật lí và lịch sử khoa học tại Đại học Harvard.
Lĩnh vực nghiên cứu lỗ đen đã trải qua một thời khắc bừng bừng khí thế khi các nhà khoa học điều hành Kính thiên văn Chân trời Sự kiện, một chương trình hợp tác gồm các kính thiên văn vô tuyến trên khắp thế giới, nhóm họp và hướng các đĩa anten của họ vào lỗ đen 6,5 tỉ khối lượng mặt trời tại tâm của thiên hà M87. Sự kiện này đưa đến hình ảnh đầu tiên trên thế giới về một lỗ đen, hay chính xác hơn, cái bóng mà lỗ đen đó hắt lên vật chất phía sau nó. Mặc dù các nhà nghiên cứu từ lâu đã nhìn thấy bằng chứng của những vật thể làm bẻ cong ánh sáng này – những con quái vật kếch xù này làm bẻ cong không thời gian đến mức ánh sáng cũng không thể thoát khỏi sức hút của chúng – song quan trắc mới đã tạo ra được hình ảnh trực tiếp đầu tiên về một trong số chúng. Các nhà khoa học hi vọng rằng khám phá này đã kích hoạt một thời kì mới trong khoa học lỗ đen và họ có thể hiểu rõ hơn các luồng vật chất khổng lồ mà các siêu lỗ đen tuồn ra từ tâm của chúng.
Kính thiên văn Chân trời Sự kiện đã chụp được lỗ đen tại tâm thiên hà M87, nó nổi bật bởi sự phát xạ từ chất khí nóng xoáy tít xung quanh nó dưới tác động của lực hấp dẫn mạnh ở gần chân trời sự kiện của nó. Hình ảnh công bố vào ngày 10 tháng Tư 2019. Ảnh: Quỹ Khoa học Quốc gia/Getty Images.
“[Các lỗ đen] có thể định hình các hiện tượng cấp vũ trụ,” Galison nói. “Chúng ta thấy các vật thể này phát ra ánh sáng của chúng trong một phần hết sức nhỏ của một giây sau Vụ Nổ Lớn. Chúng tựa như những ngọn hải đăng tại ranh giới của vật chất khả kiến chiếu các chùm sáng của chúng về phía chúng ta. Việc tìm hiểu nguồn gốc của những luồng vật chất này có ý nghĩa to lớn trong việc nắm bắt tốt hơn… các vật thể có thể đang định hình sự phân bố của vật chất trong các thiên hà.”
Vật lí học trong thế giới thực
Có vẽ vị anh hùng thầm lặng của thiên văn vật lí lẫn vật lí hạt trong thập niên này chính là việc tăng cường sử dụng các thuật toán học máy để sàng lọc các bộ cơ sở dữ liệu khổng lồ. Sẽ không có được hình ảnh lỗ đen nếu không có học máy – và thập niên này, việc sử dụng học máy trong vật lí hạt đang trải qua một “điểm bước ngoặt”, theo lời Toro.
Thập niên này còn khai sinh ra một thời kì mới về công nghệ dựa trên các đặc tính lạ lùng của vật lí hạt – ví dụ như máy tính lượng tử. “Tôi nghĩ thập niên này chắc chắn là một thập niên trong đó máy tính lượng tử đã biến điều hư cấu khoa học thành thứ gì đó trông như sắp trở thành hiện thực,” phát biểu của Peter Shor, nhà toán học MIT, người đưa ra thuật toán Shor phân tích thừa số.
Dario Gil, Giám đốc Nghiên cứu IMB, đang đứng trước IBM Q System One vào ngày 18 tháng Mười 2019 tại phòng thí nghiệm của hãng ở Yorktown Heights, New York. Ảnh: Mishi Friedman (Getty)
Các dụng cụ lượng tử này đã được Richard Feynman đề xuất đình đám hồi năm 1981. Chúng được hướng tới giải những bài toán nhất định mà máy vi tính thông thường không thể, chúng khai thác nền tảng toán học xác suất kì lạ về các nguyên tử thay cho lô-gic thông thường. Đặc biệt, các nhà khoa học hi vọng một ngày nào đó họ sẽ có thể mô phỏng hành trạng của các phân tử hay chạy những thuật toán phức tạp nhất định bằng những phương tiện toán học mới này. Về cơ bản, cứ như thể những chiếc máy này chỉ việc tạo ra các phân bố xác suất từ việc tung đồng xu giữa lưng chừng không khí bằng các xung năng lượng, và không giống như các quy tắc xác suất thông thường, các xác suất lượng tử này có thể nhận dấu âm khi bạn cộng “các đồng xu” với nhau, dẫn tới những phân bố xác suất phức tạp hơn so với trường hợp tung hứng những đồng xu bình thường.
Mới năm 2007 đây thôi, các nhà vật lí tại Yale đã phát minh ra “qubit transmon”, một vòng dây siêu dẫn tác dụng như một nguyên tử nhân tạo và là đơn vị nhỏ nhất của điện toán lượng tử. Ngày nay, IBM và Google đều đã phát triển các máy hơn 50 qubit và chúng đang bắt đầu thể hiện sự vượt trội so với khả năng của máy tính cổ điển trong những bài toán nhất định. Trong khi đó, các hãng khác đã cho trình làng những dụng cụ kích cỡ tương tự xây dựng trên các nguyên tử được giam giữ tại chỗ bằng laser. Và toàn cõi startup chuyên giới thiệu các công cụ phần mềm hay linh kiện phần cứng dành cho máy tính lượng tử cũng đã lớn mạnh.
Có lẽ hàng thập niên nữa thì những chiếc máy này mới được khai thác đúng và cho các máy tính cổ điển ra rìa, chứ không còn là chiếc máy tạo ra những con số ngẫu nhiên vô vị nữa. Rất khó kiểm soát được chúng trước khi đánh mất hết tính lượng tử của chúng do bởi các dao động hay bức xạ từ thế giới bên ngoài. Chúng vẫn có thể đưa ra đáp số sai – một con số không trong một chuỗi nhị phân khi mà lẽ ra nó phải là một chẳng hạn. Hiện nay các nhà nghiên cứu đang tìm cách sửa lỗi, kết hợp nhiều qubit để tạo ra một qubit lớn, “hợp lí”, không còn sai sót. Một máy tính lượng tử phổ thông “dung sai” đúng nghĩa mà các nhà vật lí mơ tới có thể cần đến hàng triệu qubit để hiện thực hóa tiềm năng trọn vẹn của nó.
Thế nhưng các nhà vật lí hi vọng rằng họ có thể tìm được công dụng cho những dụng cụ nhỏ, còn bị nhiễu này để chúng vẫn làm được thứ gì đó thú vị, dù rằng chúng không hoạt động tốt lắm. Hồi năm 2017, nhà vật lí Caltech John Preskill nói như đinh đóng cột rằng chúng ta đã bước vào một thời kì mới của điện toán lượng tử gọi là thời kì Công nghệ Lượng tử Cấp trung gian Còn ảnh hưởng nhiễu (NISQ).
Trong thập niên này, các nhà khoa học cũng đã tích hợp tính lạ của cơ học lượng tử vào công nghệ cảm biến mới, và các nhà khoa học ở Trung Quốc đã phóng một vệ tinh sử dụng toán học cơ lượng tử để mã hóa một cuộc gọi video giữa Trung Quốc và Áo. Rời lượng tử chuyển sang khoa học vật liệu, các nhà nghiên cứu có thể đã tạo ra được vật liệu đầu tiên dẫn điện không điện trở ở gần nhiệt độ phòng – một khám phá nữa cần hàng thập niên để thực hiện. Và chỉ mới năm ngoái, các nhà khoa học phát hiện thấy họ có thể bật chế độ on/off siêu dẫn ở hai tấm graphene, một khám phá đã gây ra một trận đại hồng thủy công trình nghiên cứu về các hệ thống hai chiều kể từ đó.
Thập niên 2010 có lẽ không phải quãng thời gian đẹp nhất trong lịch sử vật lí – đầu thế kỉ 20 đã đem lại hàng tá khám phá mới, nhiều trong số đó hoàn toàn làm đảo lộn cách các nhà khoa học nghĩ về vũ trụ ở cấp độ lớn nhất và nhỏ nhất. Thập niên này cũng chẳng có gì bất ngờ, và nhiều khám phá của nó cần nhiều năm để hoàn thiện. Nhưng không thể phủ nhận rằng các nhà sử học nhìn ngược về thập niên này sẽ thấy những biến chuyển thời đại trong mọi lĩnh vực vật lí, bao gồm cả công nghệ mới, các phương pháp thực nghiệm, các cách suy nghĩ đã làm thay đổi tiến trình lịch sử.
Theo lời McBride: “Tôi nghĩ đây là một thập niên vĩ đại đối với vật lí học.”
Ryan F. Mandelbaum (Gizmodo)
