Như thông lệ, tháng 12 hằng năm, tạp chí Physics World đều bình chọn 10 thành tựu vật lí nổi bật nhất trong năm. Danh sách này được các biên tập viên Physics World bình chọn theo các tiêu chí sau:
- Tiến bộ đáng kể về kiến thức hoặc nhận thức.
- Tầm quan trọng của công trình đối với sự tiến bộ khoa học và/hoặc phát triển các ứng dụng thực tiễn.
- Thu hút sự quan tâm đông đảo của độc giả Physics World.
Sau đây là 10 thành tựu trong năm lọt vào danh sách bình chọn để tặng giải thưởng Đột phá của Năm.
Dụng cụ giả lập thần kinh phiên dịch hoạt động não thành giọng nói
Công trình thuộc về Nima Mesgarani tại Viện Zuckerman thuộc Đại học Columbia cùng các cộng sự, và Edward Chang, Gopala Anumanchipalli và Josh Chartier thuộc Đại học California ở San Francisco. Họ đã độc lập nhau phát triển các dụng cụ giả lập thần kinh có thể tái dựng giọng nói từ hoạt động thần kinh. Dụng cụ mới của họ có thể giúp những người không nói được giành lại năng lực giao tiếp với thế giới bên ngoài. Hưởng lợi từ dụng cụ này còn có thể gồm các bệnh nhân tê liệt hoặc người đang hồi phục sau đột quỵ. Ngoài các ứng dụng y khoa, khả năng phiên dịch suy nghĩ của một người trực tiếp thành giọng nói còn có thể cho phép những phương thức mới để máy tính giao tiếp trực tiếp với não bộ.
Ảnh chụp đầu tiên của một lỗ đen
Các nhà thiên văn làm việc với Kính thiên văn Chân trời Sự kiện đã chụp được bằng chứng thị giác trực tiếp đầu tiên về một lỗ đen và “cái bóng” của nó. Bức ảnh nay đã trở thành biểu tượng ấy cho thấy một vòng phát xạ vô tuyến hình xuyến vây xung quanh một siêu lỗ đen nằm tại tâm của một thiên hà ở cách Trái Đất 55 triệu năm ánh sáng. Mặc dù các lỗ đen vốn dĩ vô hình, song các nhà nghiên cứu đã kiểm soát để thu về các hình ảnh ở gần chỗ vật chất và năng lượng không còn thoát ra được nữa – tức là chân trời sự kiện. Thành tựu này được thực hiện bằng cách kết hợp kết quả của tám đĩa vô tuyến ở sáu địa điểm khác nhau trên toàn cầu.
Hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen. Ảnh: EHT Collaboration
Lần đầu tiên phát hiện động đất trên sao Hỏa
Các nhà khoa học làm việc với sứ mệnh InSight của NASA đã dò được một tín hiệu địa chấn trên sao Hỏa. “Marsquake” [động đất trên sao Hỏa] đầu tiên được phát hiện vào ngày 6 tháng Tư 2019 và các nhà nghiên cứu tin rằng chấn động hết sức nhỏ này có nguồn gốc từ bên trong hành tinh chứ không phải do gió hay các hiện tượng bề mặt khác. Hành tinh Đỏ nay ghi tên thêm vào danh sách cùng với Mặt Trăng là nơi có hoạt động địa chấn ngoài hành tinh đã được phát hiện – và giống như Mặt Trăng, Hỏa tinh không có các mảng kiến tạo và do đó hiện tượng địa chấn được cho là yên ả hơn nhiều so với Trái Đất. Nghiên cứu địa chấn sao Hỏa có thể đem lại thông tin quan trọng về cấu tạo bên trong của hành tinh và cách nó ra đời.
CERN phát hiện vi phạm đối xứng ở các meson duyên
Các nhà vật lí làm việc với thí nghiệm LHCb ở Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN lần đầu tiên đã đo được sự vi phạm đối xứng điện tích-chẵn lẻ (CP) ở một meson duyên (charm). Đội nghiên cứu phát hiện sự vi phạm CP bằng cách đo sự khác biệt giữa tốc độ phân hủy của meson D0 (chứa một quark duyên) và phản meson D0 phân hủy thành một cặp kaon/phản kaon hoặc một cặp pion/phản pion. Vì D0 và phản D0 tạo ra sản phẩm giống nhau, nên thách thức lớn cho đội LHCb là chỉ rõ một sự kiện là gắn liền với D0 hay với phản D0. Mặc dù phép đo mới này phù hợp với hiểu biết hiện nay của chúng ta về sự vi phạm CP, song nó mở ra khả năng tìm kiếm nền vật lí vượt ngoài Mô hình Chuẩn.
Cuộn Tiểu Lão Đại: nam châm phá kỉ lục có kích cỡ bằng một cuộn giấy vệ sinh. Ảnh: Stephen Bilenky/National MagLab
“Cuộn Tiểu Lão Đại” tạo ra từ trường liên tục phá kỉ lục
Seungyong Hahn và các đồng sự tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Từ trường Cao (MagLab) ở Tallahassee, Florida, đã tạo ra từ trường liên tục cao nhất trong phòng thí nghiệm. Kỉ lục 45,5 T được lập bởi một nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao, nhỏ gọn, tên gọi là “Cuộn Tiểu Lão Đại” (Little Big Coil). Trong khi kỉ lục 45 T trước đây được lập bởi một nam châm cân nặng 35 tấn, thì dụng cụ MagLab chỉ có 390 g. Nam châm này được thiết kế để đạt tới những từ trường cao hơn nữa nhưng nó đã bị hỏng khi các nhà nghiên cứu cho chạy phá kỉ lục. Đột phá này có thể đưa đến những cải tiến về nam châm từ trường cao trong nhiều ứng dụng đa dạng, trong đó có kĩ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ dùng cho y khoa, máy gia tốc hạt và các dụng cụ hợp hạch.
Hiệu ứng Casimir tạo ra “bẫy lượng tử” cho các vật tí hon
Xiang Zhang tại Đại học California, Berkeley và đồng sự là những người đầu tiên bắt giữ được các vật tí hon nhờ sử dụng hiệu ứng Casimir – một hiện tượng kì lạ trong đó các thăng giáng lượng tử có thể tạo ra lực hút lẫn lực đẩy giữa các vật thể. Zhang và các đồng sự đã sử dụng những kết hợp điều chỉnh được của lực Casimir hút và đẩy để giữ một bông hoa tí hon bằng vàng giữa bề mặt vàng và Teflon mà không cần cấp năng lượng từ bên ngoài. Đo được các lực nhỏ xíu trong quá trình bẫy là một thành tựu của trắc quang học và đưa đến sự hiểu biết cặn kẽ hơn về cách lực Casimir ảnh hưởng đến hoạt động của các dụng cụ vi cơ điện. Nếu các lực ấy được kiểm soát tốt hơn thì có thể có những ứng dụng thực tiễn liên quan đến các hạt bị bẫy.
Kĩ thuật giao thoa lượng tử phản vật chất ra đời
Nhóm hợp tác Giao thoa kế Lượng tử và Lực hấp dẫn với Positron và Laser (QUPLAS) đã tiến hành thí nghiệm kiểu-hai khe đầu tiên sử dụng phản vật chất. Thí nghiệm của họ cho gửi một chùm positron (phản electron) qua một giao thoa kế Talbot-Lau hai cách tử khuếch đại chu kì và chứng minh rằng các phản hạt hành xử giống sóng và chịu sự giao thoa lượng tử. Họ quan sát thấy một hệ vân nhiễu xạ biến đổi khi họ thay đổi năng lượng của chùm positron – thứ được dự đoán bởi thuyết lượng tử và không thể giải thích được bằng vật lí cổ điển. Đột phá này có thể dẫn tới những thí nghiệm khác tìm kiếm các khác biệt giữa bản chất lượng tử của vật chất và phản vật chất.
Máy tính lượng tử vượt trội hơn hẳn siêu máy tính thông thường
Hartmut Neven, John Martinis và các đồng sự tại Google AI Quantum và một số trường viện nghiên cứu khác ở Mĩ, là những người đầu tiên thực hiện một phép tính trên một máy tính lượng tử trong một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều so với khi thực hiện trên một siêu máy tính thông thường. Thành tựu này đạt được bởi một máy tính lượng tử gồm 53 bit lượng tử siêu dẫn lập trình được. Nó thực hiện một phép tính kiểm chuẩn trong khoảng 200 s, trong khi đội nghiên cứu ước tính một siêu máy tính sẽ cần khoảng 10.000 năm để làm xong phép tính tương tự. Trong khi các nhà phê bình quả quyết rằng thời gian tính toán của một siêu máy tính thật sự là chừng hơn 2,5 ngày, song đội nghiên cứu vẫn chứng minh được một lợi thế thấy rõ đối với điện toán lượng tử.
Dùng nguyên tử bị bẫy đo gia tốc trọng trường
Victoria Xu và các đồng sự tại Đại học California, Berkeley đã sáng tạo một phương tiện mới và nhỏ gọn hơn sử dụng các nguyên tử bị bẫy để đo gia tốc trọng trường địa phương. “Trọng trường kế lượng tử” của họ hoạt động dựa trên hệ vân giao thoa sinh ra khi các đám mây nguyên tử ban đầu ngăn cách nhau theo phương thẳng đứng trong không gian, sau đó được phép kết hợp lại. Trong khi đa số trọng trường kế đo lấy tác dụng của trọng lực lên các nguyên tử khi chúng rơi trong không gian, thì dụng cụ Berkeley treo lơ lửng các nguyên tử trong một bẫy quang học, tại đó chúng tương tác với trọng trường lên tới 20 s. Điều này làm tăng độ nhạy của phép đo, lát đường cho các ứng dụng đa dạng từ thám hiểm địa vật lí cho đến các phép kiểm tra nhạy về các lực cơ bản.
Một đứa bé hai tuổi đang được quét não bằng máy quét MEG kiểu mũ bảo hiểm. Ảnh: Rebeccah Slater
Lần đầu tiên dùng máy quét MEG di động trên trẻ em
Ryan Hill, Matthew Brookes và các đồng sự tại Đại học Nottingham, Đại học Oxford và Đại học College London đã phát triển một máy quét từ điện não đồ nhẹ kiểu “nón bảo hiểm” đo hoạt động não ở trẻ em khi chúng đang vui đùa cùng các hoạt động thường ngày. Các hệ thống MEG truyền thống đo lấy những từ trường nhỏ xíu do bộ não gây ra, chúng sử dụng các cảm biến được làm lạnh gắn trên một cái mũ một-size-cho-tất-cả vừa nặng nề vừa rất nhạy với mọi chuyển động của đầu người đội. Thay vậy, đội nghiên cứu sử dụng các từ kế bơm quang học nhẹ cân trên một cái mũ 500 g có thể thích hợp cho mọi hình dạng và kích cỡ đầu người. Máy quét này đã được dùng trên một đứa bé hai tuổi (tuổi khó tiến hành quét nhất nếu không dùng biện pháp xoa dịu), một đứa bé năm tuổi đang xem ti vi, một thiếu niên đang chơi game vi tính và một người trưởng thành đang chơi ukulele [đàn ghi ta bốn dây kiểu Hawaii].
Nguồn: physicsworld.com
