10 vấn đề khoa học lớn theo tạp chí PHYSICS WORLD

Năm phát hiện lớn trong vật lý 25 năm qua
(Tushna Commissariat, Matin Durrani ) 

Theo Physics World [1] thì việc chọn năm phát hiện lớn trong 25 năm qua là một điều khó khăn. Tuy nhiên năm phát hiện sau đây là ấn tượng nhất:

1/ Viễn tải lượng tử (quantum teleportation-viễn tải thông tin từ A đến B trong nháy mắt). Hiện tượng này được sử dụng như chủ đề trong phim Star Trek.

Tạp chí Physics World đã chọn những vấn đề làm thay đổi mạnh mẽ nhận thức của chúng ta về thế giới khách quan.

Vấn đề thứ nhất theo trình tự thời gian là vấn đề viễn tải lượng tử. Có thể chăng làm biến mất một con người tại một điểm, để rồi tái tạo con người đó tại một điểm khác? Đây là khoa học hay viễn tưởng?

Hãy biến tôi thành tia vật chất để chuyển tôi đến một nơi xa xôi! Viễn tải lượng tử hiện nay đã trở thành hiện thực đối với một trạng thái lượng tử.

Phim khoa học viễn tưởng nhiều tập Star Trek đã dựng nên một viễn cảnh khoa học giàu tưởng tượng. Thuyền trưởng Kirk nhờ thuyền phó bấm một số nút và Kirk đã phi vật chất hóa (dematerialise) thành một tia chớp ánh sáng để xuất hiện trên một hành tinh bí ẩn.

Viễn tải  (teleportation) từ lâu là một câu chuyện khoa học viễn tưởng. Đến năm 1992 một nhóm các nhà vật lý và tin học đã tìm ra ý tưởng để sao chép một trạng thái của một hạt đến một nơi khác. Họ đã sử dụng một hiện tượng do Einstein phát hiện trong những năm 30 của thế kỷ trước: trong một số điều kiện, hai thực thể lượng tử lại được nối liền với nhau bởi một sợi dây vô hình, bí ẩn do một tác động ma quái (spooky action – từ của Einstein). Đó là hiện tượng liên đới lượng tử (quantum entanglement).

Trong những năm gần đây người ta đã tiến hành những thí nghiệm chứng tỏ viễn tải lượng tử là vấn đề khoa học nghiêm chỉnh, mở ra những khả năng rộng lớn cho tính toán lượng tử, mật mã lượng tử.

Năm 1997 nhóm các nhà khoa học lãnh đạo bởi Anton Zeilinger (Đại học Innsbruck) thực hiện ý tưởng viễn tải lượng tử trạng thái phân cực của photon. Sau đó nhiều nhà khoa học đã thực hiện viễn tải lượng tử trạng thái spin nguyên tử, spin hạt nhân và các trạng thái khác. Hiện nay kỷ lục khoảng cách viễn tải lượng tử là 21m đối với các nguyên tử riêng lẻ và 143km đối với photon.Viễn tải lượng tử sẽ mở ra nhiều khả năng không tiên đoán được cho khoa học và công nghệ.     

2/ Một trạng thái mới của vật chất

Sự tạo ra đầu tiên trên thế giới trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein (BEC- Bose-Einstein condensate) từ những nguyên tử lạnh năm 1995 đã làm biến đổi vật lý nguyên tử .Ý nghĩa lớn lao của điều này là tạo nên một dạng vật chất mới trong đó các hạt bị giam  chung trong trạng thái ở năng lượng thấp nhất, đã mở ra nhiều triển vọng nghiên cứu trong vật lý.

Ý tưởng về BEC bắt đầu từ năm 1924 khi nhà lý thuyết Ấn độ Satyendra Nath Bose suy ra định luật Planck cho bức xạ vật đen lúc xem photon như một chất khí của nhiều hạt đồng nhất. Ông chia sẻ ý tưởng của mình với  Einstein và hai nhà khoa học đã tổng quát hóa lý thuyết của Bose cho một khí lý tưởng các nguyên tử và tiên đoán rằng nếu các nguyên tử bị làm đủ lạnh – bước sóng của chúng trở thành lớn đến mức chồng lên nhau (overlap). Các nguyên tử mất nhận dạng cá nhân (individual identities) và tạo nên một trạng thái lượng tử vĩ mô hay nói cách khác một siêu nguyên tử – tức là một BEC. Mãi đến năm 1980 khi kỹ thuật laser đã đủ phát triển để làm siêu lạnh các nguyên tử đến nhiệt độ rất thấp thì BEC mới thực hiện được.

Mật độ của mây các nguyên tử rubidium siêu lạnh làm thành một BEC.Đỉnh màu trắng và xanh là BEC, một đám mây gồm nhiều ngàn nguyên tử .

Ngày 5/6/1995 một nhóm các nhà vật lý tại phòng thí nghiệm JILA (Đại học Colorado + Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia NIST) đứng đầu là Carl Wieman và Eric Cornell lần đầu tiên thành công trong việc tạo nên BEC gồm 2000 nguyên tử rubidium 87 được làm siêu lạnh trong một bẫy từ  sử dụng  laser. Sau đó Wolfgang Kettle (Viện công nghệ Massachusetts) cũng tạo được BEC từ 500.000 nguyên tử sodium 23. Ba nhà vật lý trên được giải Nobel Vật lý năm 2001.

Trong BEC sự tương tác giữa các nguyên tử có thể kiểm tra được cho nên BEC được dùng trong việc mô phỏng các tính chất của hệ môi trường đông đặc mà chúng ta rất khó nghiên cứu được trong các vật liệu thực tế.

Năm 2010 các nhà vật lý đã tạo được BEC từ các photon (là các hạt mà Bose nghiên cứu từ đầu).

Các nhà vật lý đang nghĩ đến việc tạo nên một trạng thái tựa-condensate từ các fermion. Song đây là điều khó hơn vì fermion khác với boson không chịu nằm chung ở điều kiện bình thường trong cùng một trạng thái.  

3/ Vai trò của các siêu tân tinh (supernovae)

Việc phát hiện hiện tượng dãn nở có gia tốc của vũ trụ dẫn đến việc giả định sự tồn tại của một năng lượng tối bí ẩn bao trùm vũ trụ. Có rất nhiều phát hiện trong lĩnh vực thiên văn học và vũ trụ học nhưng sự phát hiện quá trình vũ trụ dãn nở có gia tốc (chứ không phải chậm lại) là phát hiện nổi trội hơn cả. Điều phát hiện này buộc rằng ¾ khối lượng-năng lượng của vũ trụ phải gồm bằng một chất bí ẩn gây lực đẩy và được gọi là năng lượng tối. Trước đây người ta đã tiên đoán rằng vũ trụ sẽ co lại trong một vụ co lớn (Big Crunch) hoặc dãn nở mãi mãi không gia tốc với một tốc độ vừa phải tùy theo mật độ vật chất.

Sự phát hiện vũ trụ dãn nở có gia tốc trong giữa những năm 1990 là một điều gây ngạc nhiên lớn, được thực hiện nhờ hai nhóm nghiên cứu đang truy lùng những sao bùng nổ có tên là siêu tân tinh 1a. Những sao này luôn bùng nổ khi đạt đến một khối lượng nhất định. Sự bùng nổ này có thể làm thành những ngọn nến quy chiếu cho phép đo được chính xác các khoảng cách trong vũ trụ.

Hai nhóm nghiên cứu:

1/ Saul Perlmutter, đề án SCP (Supernova Cosmology Project), Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học California, Mỹ,

2/ Brian P. Schmidt Đại học quốc gia Australia, Weston Creek, cùng Adam G. Riess, Đại học Johns Hopkins và Viện khoa học viễn vọng vũ trụ, Baltimore, Mỹ, đề án  HZT (High-z Supernova Search Team), đoạt giải Nobel Vật lý năm 2011 vì đã phát hiện quá trình dãn nở có gia tốc của Vũ trụ dựa trên  những quan sát các siêu tân tinh ở những khoảng cách xa.

Hiện tượng dãn nở có gia tốc của vũ trụ trở nên rõ ràng khi nghiên cứu siêu tân tinh 1a càng ngày càng đi xa để lại một ảnh tồn dư như trên hình vẽ.

Viện Hàn lâm Hoàng gia Thụy điển đánh giá rằng sự phát hiện của 3 nhà vật lý trên không kém quan trọng so với sự phát hiện CMB (Cosmic Microwave Background-Phông vi ba vũ trụ, bức xạ tồn dư của vũ trụ) năm 1992.

4/ Neutrino  có khối lượng, neutrino được xem là một bóng ma vật chất

Năm 1998 người ta đã tìm rằng các hạt neutrino có khối lượng, điều này là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý học. Theo lý thuyết hạt neutrino không có khối lượng, trong khi thực nghiệm chứng tỏ rằng neutrino lại có khối lượng. Năm 1998 thí nghiệm Super – Kamiokande tại Nhật Bản đã thu được nhiều kết quả chứng tỏ neutrino có khối lượng. Khi neutron phân rã beta thì xuất hiện neutrino là những hạt không điện tích tương tác với vật chất qua tương tác yếu. Wolfgang Pauli đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của hạt neutrino để giải quyết vấn đề cân bằng năng lượng trong phân rã beta (tên neutrino là tên do Enrico Fermi đặt). Hạt neutrino là một hạt khó ghi đo được.

Năm 1956 Reines cùng với Clyde Cowan đã ghi đo được anti neutrino bức xạ từ một lò phản ứng hạt nhân, hai tác giả trên đoạt giải Nobel Vật lý năm 1995.

Sau đó nhà vật lý người Ý Bruno Pontecorvo đưa ra ý tưởng về “hương vị“ của neutrino (có nhiều loại neutrino khác nhau về “hương vị”, đó là neutrino electron và neutrino muon)  và về khả năng dao động của neutrino từ một hương vị này sang hương vị kia. Một loại neutrino thứ ba – tau neutrino- tiên đoán từ năm 1975 được tìm ra năm 2000.

Một vấn đề lớn được đặt ra khi năm 1964 Raymond Davis và John Bahcall (BNL) tìm thấy rằng các neutrino mặt trời chỉ được ghi đo khoảng 30 % so với số lượng tính toán bởi lý thuyết. Sự sai khác này chỉ có thể giải thích nếu các neutrino “dao động” giữa các hương vị khi chúng du hành từ mặt trời đến trái đất: thí nghiệm của David chỉ ghi đo được 1/3 vì chỉ nhạy với neutrino electron. Song các nhà vật lý chứng minh rằng nếu có dao động thì bắt buộc neutrino phải có khối lượng, điều này trái với Mô hình chuẩn (SM-Standard Model) của các hạt cơ bản. Năm 1998 detector khổng lồ Super-Kamiokande  chứng minh rằng neutrino electron và neutrino muon dao động lẫn nhau khi chúng đi qua trái đất và tìm thấy neutrino có khối lượng dầu chỉ vào khoảng 0,1eV.

5/ Hạt Higgs-hạt của Chúa

Ngày 4/7/2012 hai nhóm (mỗi nhóm 3000 người) gồm các nhà vật lý làm việc tại các thí nghiệm ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) và CMS  (Compact Muon Solenoid) ở CERN công bố đã tìm ra một “hạt tựa Higgs” với khối lượng nằm trong vùng lân cận 125 GeV/c².

Cuối cùng hạt Higgs  đã được tìm ra tại Máy gia tốc hạt lớn (LHC)

Gần nửa thế kỷ khi Peter Higgs – và độc lập với nhau Robert Brout, Francois Englert và nhiều người khác đã công bố các công trình mô tả cơ chế các hạt thu được khối lượng khi tương tác với hạt Higgs. Hạt Higgs  có thể giải thích được sự phá vỡ đối xứng điện yếu và dẫn đến cơ chế các hạt thu được khối lượng. Song SM (Standard Model-Mô hình chuẩn) không tiên đoán được khối lượng của hạt Higgs. Trong những tháng cuối LHC đã cung cấp dữ liệu 10 lần nhiều hơn số tiên liệu, nhờ đó đã giúp ATLAS và CMS có thể khẳng định cuối cùng là hạt tìm ra quả là hạt Higgs.

Quá trình tìm hạt Higgs quả là một quá trình xảy ra tựa như một cơn sốt về hạt Higgs (Higgsteria) đã lan truyền và cuốn hút sự chú ý trên toàn thế giới. Việc tìm ra hạt Higgs không chỉ là một sự kiện quan trong nhất của thế kỷ 21 mà rất có thể của lịch sử vật lý về một kỳ tích khoa học của con người.
                                                                  
Năm câu hỏi lớn chưa có câu trả lời
(Catherine Heymans, Adam Frank, Ray Jayawardhana, Sabine Hossenfelder, John Preskill )

1/ Bản chất của Vũ trụ tối là gì?

Hơn 95% của vũ trụ gồm một dạng năng lượng tối và vật chất tối mà chúng ta không ghi đo được và cũng không giải thích được.

Vũ trụ của chúng ta gồm khoảng 26,8% vật chất tối, 68,3% năng lượng tối và ít hơn 5% là vật chất thông thường như trái đất. Các nhà khoa học đang  đặt ra câu hỏi bản chất của vũ trụ tối là gì?

Vật chất tối không bức xạ và cũng không hấp thụ ánh sáng, vật chất tối chỉ được ghi nhận nhờ tương tác hấp dẫn với vật chất thông thường là vật chất mà chúng ta thấy được.

Năng lượng tối khó mô tả hơn là nguồn gốc của quá trình dãn nở bí ẩn của vũ trụ sau Big Bang. Hai phạm trù đó là hai phạm trù tương khắc giữ vũ trụ trong một tỷ lệ hiện nay: vật chất tối làm co vũ trụ còn năng lượng tối làm dãn nở vũ trụ.

Nhiều ý kiến cho rằng để giải thích vũ trụ tối cần đến những lý thuyết có khả năng làm thay đổi nhận thức của chúng ta về vũ trụ.

Đa số cho rằng vật chất tối gồm các hạt WIMPs (Weakly Interacting Matter Particles). Vài tỷ tỷ hạt WIMP đi ngang trái đất từng giây một. Sự tìm ra các hạt tối sẽ là một thành tựu quan trọng của vật lý trong thế kỷ này theo Fritz Zwicky.

Những quan trắc về dãn nở có gia tốc của vũ trụ dẫn đến giả thuyết về sự tồn tại một năng lượng bao trùm chân không của toàn vũ trụ. Theo lý thuyết lượng tử thì chân không chứa đầy những hạt ảo luôn sinh và hủy với một giải rộng khối lượng.Vì khối lượng và năng lượng tương đương với nhau nên chân không được xem như một nhà băng khổng lồ với năng lượng  vô tận thúc đẩy toàn vũ trụ vào một quá trình dãn nở với gia tốc.

Song khi các nhà vật lý hạt ước tính năng lượng chân không thì kết quả thu được cao hơn thực tại đến 120 bậc. Điều này dẫn đến nhiều giả thuyết về năng lượng tối.

2/ Thời gian là gì?

Câu hỏi này đã được đặt ra nhiều thế kỷ song có lẽ sẽ tiếp tục được đặt ra trong một thời gian dài nữa. Câu hỏi về thời gian là một câu hỏi xưa nhất về bản chất và ý nghĩa về sự tồn tại thực tế của nó. Đây là một vấn đề mang nhiều ý nghĩa triết học.Và vấn đề thời gian không phải là một vấn đề nằm đơn độc mà nằm chồng chéo giữa nhiều bài toán quan trọng khác như vậy đòi hỏi một câu trả lời tổng thể. Trong lịch sử đã xảy ra cuộc tranh luận giữa Parmenides và Heraclitus (thế kỷ 5 TCN). Theo Parmenides thời gian , vốn là một số đo tương đối của các biến đổi thật sự chỉ là một ảo tưởng, nói cách khác thực tại ở mức cơ bản nhất là phi thời gian và vĩnh cửu.

Thời gian chỉ là một công cụ đo đạc, thời gian chỉ là một ảo tưởng?

Ngược lại Heraclitus thì không có điều gì có thể tồn tại ngoài thời gian. Hiện nay các nhà khoa học cũng chia làm 2 phái Parmenidean & Heraclitan và một phái trung dung thứ ba. Phái trung dung chủ trương động học  cơ học Newton. Những phương trình vi phân của động học Newton xử lý thời gian như một thông số chảy với một vận tốc không thay đổi ở mọi nơi và mọi thời điểm của vũ trụ. Những phương trình này mô tả các định luật tồn tại vĩnh cửu và ngoài thời gian.

Song các định luật Newton chỉ đúng trong những giới hạn nhất định khi vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng nhiều lần và kích thước hệ nhiều lần lớn hơn kích thước lượng tử.

Sự phát sinh lý thuyết tương đối và lượng tử đã làm thay đổi bức tranh mô tả bởi Newton song cũng không ảnh hưởng đến ý tưởng khẳng định rằng các định luật vật lý tồn tại ngoài thời gian.

Một vấn đề lý thú của thời gian là vấn đề mũi tên thời gian (chảy theo một chiều) và mọi hệ vật lý đều chịu tính bất khả hồi, không đảo ngược được. Song các phương trình Newton cũng như các phương trình Schrodinger đều không nói được thời gian đang chảy theo hướng nào (có nghĩa là bất biến với t thay bằng –t). Vậy mà các hệ vĩ mô lại loại trừ sự bất định đó. Một quả trứng vỡ không trở thành nguyên lại được và như thế mũi tên thời gian từ quá khứ đến tương lai là một tính chất cốt yếu của thực tại.

Chỉ với sự phát triển của cơ học thống kê và nhiệt động học mũi tên thời gian mới được giải quyết khi nghiên cứu đến các trạng thái vi mô ứng với một trạng thái vĩ mô. Và đại lượng tương ứng một hệ lớn là entropy, một đại lượng luôn tăng. Song lại phát sinh vấn đề: tại sao vũ trụ bắt đầu lại có entropy thấp để cho phép vũ trụ tiến triển (evolution) làm cho entropy tăng lên.Theo Roger Penrose và Sean Carroll và nhiều nhà lý thuyết khác thì xác suất entropy ban đầu  nhỏ là  rất bé. Các vấn đề về điều kiện ban đầu của vũ trụ dẫn đến nhu cầu phải có lý thuyết hấp dẫn lượng tử!

Nếu người ta  chuyển phương trình Schrodinger trong một dạng tương thích với không-thời gian của lý thuyết tương đối tổng quát thì người ta lại thu được một phương trình trong đó không có thời gian: đó là phương trình Wheeler-DeWitt.

Như vậy phải chăng phương trình Wheeler-DeWitt chứng minh rằng Parmenides là đúng? Và thời gian chỉ là một ảo tưởng? Các nhà vật lý hấp dẫn lượng tử cho rằng những điều mà chúng ta nói về không gian và thời gian đều không là cơ bản, phải tìm một điều gì đó cơ bản hơn khác xa với những điều chúng ta lâu nay quan niệm.

Như thế câu hỏi “Thời gian có thực hay không?” sẽ là câu hỏi có phải thời gian đột sinh từ một tập nguyên lý sâu xa hơn.

Một phương hướng khác là phương hướng do Lee Smolin đề ra. Theo Lee Smolin nói định luật vật lý phi thời gian là một điều sai, khi ta nghiên cứu đến những vũ trụ song song (ở đấy các định luật vật lý khác nhau chứ không tồn tại vĩnh cửu ngoài thời gian). Smolin nghiêng về phái Heraclitan và quan niệm rằng thời gian là cái nền tảng của mọi thực tại và không phải là một phạm trù đột sinh. Các định luật vật lý gắn liền với thời gian. Các nghiên cứu về thời gian dẫn đến nhiều bản chất của thời gian mà chúng ta đã phát hiện được và còn phải đi tiếp nữa để tìm hiểu. Triết học về thời gian còn là một vấn đề bỏ ngỏ và là một bí ẩn còn đó của vật lý.

3/ Sự sống chỉ tồn tại trên trái đất?

Nhóm các nhà khoa học của Onstrott đang nghiên cứu tìm tòi những cơ thể của sự sống ở những hang động nơi không có mặt trời chiếu sáng đến. Sự phát hiện nhiều loại vi khuẩn đã dấy nên một thách thức đối với những gì ta biết được từ sinh học. Thay vì quang hợp trực tiếp hay gián tiếp chúng được nuôi sống nhờ khí hydrogen tồn tại trong những hệ sinh thái dưới đất vốn đã đứt đoạn với các chu kỳ sinh học trên mặt đất nhiều vạn năm. Năm 2011 Gaetan Borgonie (Đại học Ghent, Bỉ) cùng đồng nghiệp nghiên cứu loài nematodes sống dưới mặt đất nhiều km trong nhiều hầm mỏ vùng Nam Phi, và đó là những cơ thể đa bào đầu tiên tìm thấy ở độ sâu như vậy. Những phát hiện này đã mở rộng sinh quyển hành tinh chúng ta một cách đáng kể. Và điều lý thú là những phát hiện này góp phần làm sáng tỏ quan hệ sinh học giữa trái đất nguyên thủy trước khi xuất hiện quang hợp với bản chất sự sống của những thế giới khác có những khí quyển khác khí quyển của chúng ta.

Loài extremophiles có thể sống trong những điều kiện sát thủ đối với nhiều dạng sống trên trái đất . Ví dụ ngành tardigrade (thuộc loài này) có thể sống ở nhiệt độ gần nhiệt độ không tuyệt đối và dưới áp suất nhiều hơn áp suất ở các đáy đại dương sâu nhất và thậm chí trong chân không dưới bức xạ vũ trụ.

Những cơ thể tìm thấy sâu trong lòng đất thuộc về loài gọi là extremophiles mà các nhà sinh vật tìm thấy trong những thập kỷ gần đây. Những loài khác bao gồm vi trùng có khả năng sống gần núi lửa dưới đáy đại dương cũng được phát hiện.Nhiều loài có khả năng sống ở biên của tầng bình lưu (stratosphere). Sự tồn tại tất cả các loài đó chứng tỏ rằng sự sống là một hiện tượng có khả năng thích ứng với một giải rộng các điều kiện của môi trường.

Mặc dầu có sự đa dạng các loài trên lại  liên quan với nhau: chúng chia sẻ một chế độ hóa –sinh, cùng tham gia một cây tiến hóa (evolutionary tree) và có nguồn gốc từ một tổ tiên mà có lẽ đã tồn tại hơn 3 tỷ tỷ năm về trước.

Các nhà sinh học đã khẳng định rằng những yếu tố của sự sống cũng như những cơ thể khả dĩ rất có thể tồn tại ngoài trái đất và hơn nữa có thể có mặt khắp nơi trong vũ trụ. Các ghi đo thực hiện trong phòng thí nghiệm chứng tỏ rằng amino acid- những viên gạch của protein- tồn tại trên các thiên thạch và sao chổi. Nhiều thiên thạch giàu carbon thậm chí còn chứa một số thành phần DNA ( nucleobase). Nhiều đo đạc thiên văn sử dụng quang học, hồng ngoại và radio còn phát hiện một số phân tử hữu cơ phức tạp trên những đám mây giữa các sao- đây là vùng sinh nở của các sao và các hành tinh.

Gần chúng ta hơn sao Hỏa là mục tiêu đầu tiên để tìm kiếm sự sống ngoài trái đất. Tương tự như thế các mặt trăng của sao Mộc và sao Thổ cũng là mục tiêu cho việc tìm kiếm sự sống.

Một câu hỏi lớn là vị trí của chúng ta trong vũ trụ phải được đặt ra khi chúng ta đã phát hiện hàng nghìn hành tinh quay chung quanh những “mặt trời” (như mặt trời trong Thái dương hệ). Những hành tinh này gọi là những hành tinh  thuộc các thái dương hệ lạ. Chúng được phát hiện nhờ sử dụng các kính viễn vọng trên mặt đất và những phi thuyền như Kepler của NASA.

Nhờ công nghệ tiên tiến người ta có thể đo nhiệt độ trên những hành tinh xa, phát hiện dấu vết của nước trong khí quyển của chúng và thậm chí những dấu hiệu đầu tiên của sự sống ngoài trái đất. Những hành tinh có kích thước của trái đất cũng được phát hiện với số lượng hàng chục và dường như chúng có thể dung nạp sự sống, ở đấy nhiệt độ thích hợp cho sự hình thành nước cần thiết cho sự sống. Những điều này càng đưa câu hỏi về sự sống ngoài trái đất lên một bình diện mới. Song phát hiện sự sống đó không phải là một việc dễ dàng. Cần một thế hệ mới những kính viễn vọng có khả năng ghi đo được những phân tử cần cho sự sống – như oxygen, ozone, methane, nước, carbon dioxide- trong khí quyển của những hành tinh xa xôi. Thậm chí khi ghi đo được các phân tử đó chúng ta cũng khó lòng hình dung được dạng sống ở đấy là như thế nào.

Trái đất trong Thái dương hệ là hành tinh duy nhất với các đại dương và các điều kiện khác cho sự sống. Tuy nhiên là quá tự tôn nếu cho rằng sự sống trên trái đất là duy nhất trong vũ trụ khi tồn tại hàng tỷ mặt trời khác với nhiều chất liệu cần cho sự sống trong vũ trụ. Có thể tồn tại sự sống nói chung song sự sống có trí tuệ lại là một vấn đề khác. Cần phát hiện ít nhất một ví dụ của sự sống nơi khác ngoài trái đất để hiểu dạng sống đó là gì và thấy được rằng sự sống trên trái đất không phải là duy nhất trong vũ trụ.                                                                            

4/ Liệu có thể thống nhất lượng tử với hấp dẫn?

Một vấn đề lớn của vật lý học là thống nhất lý thuyết lượng tử với lý thuyết hấp dẫn thành hấp dẫn lượng tử QG (Quantum Gravity).

QG phải cho chúng ta biết vật chất lượng tử chịu hấp dẫn như thế nào khi trường hấp dẫn là mạnh. Nếu trường hấp dẫn yếu thì chúng ta có thể thực hiện lượng tử hóa như đối với các tương tác khác. QG sẽ cho chúng ta biết điều gì đã xảy ra khi vũ trụ sơ sinh. Theo lý thuyết tương đối tổng quát thì vũ trụ xuất phát từ một điểm kỳ dị. Điều này không phù hợp với ý nghĩa vật lý do đó chúng ta phải tìm một mô tả khác đối với không thời gian ở những thời điểm này. Bởi vì hấp dẫn là mạnh lúc vũ trụ sơ sinh cho nên những hiệu ứng lượng tử không thể bỏ qua được đối với pha này.

GR cũng tiên đoán những điểm kỳ dị. Khi vật chất co lại thành lỗ đen dẫn đến nghịch lý mất thông tin. Lỗ đen có bức xạ nhiệt vì những hiệu ứng lượng tử không bao gồm hiệu ứng hấp dẫn lượng tử. Nhưng khi lỗ đen bốc hơi hoàn toàn điều gì còn lại là bức xạ nhiệt. Thông tin dường như bị mất trong quá trình không thuận nghịch này. Hiện nay nghịch lý này đã được làm sáng tỏ phần nào nhờ đối ngẫu AdS/CFT, xem chú thích [2] song nhiều vấn đề vẫn còn tồn tại.

Các nhà vật lý đã xây dựng nhiều lý thuyết QG: lý thuyết dây, LQG (Loop quantum Gravity-lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng), CDT (Causal Dynamical Triangulation-phủ không thời gian bằng một lưới tam giác nhân quả) và ASG (Asymptotically Safe Gravity-khử phân kỳ trong hấp dẫn)… Hiện nay lý thuyết dây là được đánh giá cao tiếp theo là lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng. Xây dựng các lý thuyết này tương tự như xây dựng một đường hầm chưa nhìn thấy ánh sáng cuối đường hầm, chỉ thỉnh thoảng lóe lên một vài kết quả đơn lẻ.

Có thể nói chưa có một đột phá nào thành công trong việc thống nhất lượng tử và hấp dẫn, đây là điều mà chúng ta học được qua bao nhiêu năm. Chỉ vài khía cạnh của QG xuất hiện. Một trong các khía cạnh đó là ý tưởng về phương pháp toàn ảnh (holography): mã hóa thông tin trong một thể tích trên biên của thể tích đó (đối ngẫu AdS/CFT). Một khía cạnh khác là ý tưởng về đưa một độ dài cơ bản vào lý thuyết.

Nói chung còn nhiều cách trở trước mắt. Chúng ta không phải xây dựng một QG với những khía cạnh nào đó mà phải xây dựng một QG duy nhất mô tả đúng thực tại.

Bởi vì hấp dẫn về bản chất là hệ quả của sự làm cong không thời gian vì vật chất cho nên vấn đề cơ bản là phải đi sâu vào bản chất lượng tử của chính không thời gian. Đây là câu hỏi cơ bản nhất trong những câu hỏi chưa có câu trả lời với ý nghĩa là câu hỏi này động chạm đến những thành phần cơ bản nhất của mọi lý thuyết.

Cần phải có cuộc cách mạng trong nhận thức không thời gian. Bản chất của thời gian mũi tên thời gian là vấn đề gắn liền với QG trong thời sơ sinh của vũ trụ. Nhiều người nghĩ rằng ta đang có đủ điều kiện để tiến đến xây dựng QG trong một tương lai tuy nhiên không gần.

5/ Có thể chăng khai thác hiện tượng liên đới lượng tử (quantum entanglement-một trong những điểm kỳ lạ của cơ học lượng tử)?

Cơ học lượng tử đã có tuổi hơn một thế kỷ, song các nhà khoa học vẫn còn ngỡ ngàng và mê hoặc bởi những điều kỳ lạ của thế giới lượng tử. Nếu cơ học cổ điển phù hợp dễ dàng với trực giác thì lý thuyết lượng tử lại thách thức trực giác của chúng ta.Trong thế kỷ 21 người ta hy vọng rằng chế ngự những điểm kỳ lạ của CHLT sẽ giúp chúng ta chế tạo những máy tính lượng tử với khả năng vô biên.

Cơ học lượng tử nói rằng các hạt có thể tồn tại trong trạng thái chồng chất (như ở nơi này đồng thời ở nơi khác) còn Thuyết tương đối rộng nói rằng hạt có trường hấp dẫn. Song trường hấp dẫn của một chồng chất lượng tử là gì? Câu hỏi này trông đơn giản nhưng hiện nay chúng ta chưa trả lời được. Cần phải xây dựng Hấp dẫn lượng tử.

Để thấy sự khác nhau giữa cổ điển và lượng tử hãy xét đến quá trình mã hóa các thông tin bởi những hệ vật lý.Trong lượng tử người ta sử dụng “qubit-tức là bit lượng tử) để mã hóa. Một qubit chính là một hệ lượng tử với hai trạng thái phân biệt lẫn nhau ví dụ  dùng spin của một electron. Song để thấy sự khác nhau giữa bit và qubit cần phải nói đến vấn đề liên đới lượng tử (quantum entanglement).

Bước cơ bản trong tính toán lượng tử là phép toán unita U trên trạng thái chồng chất L-qubit. Phép toán U được thực hiện song song đối với tất cả 2L biên độ phức .Trong máy tính cổ điển một phép toán như vậy đòi hỏi 2L bước tính cơ bản cho mỗi  biên độ.

Chính tính chất song song lượng tử này trong các máy tính lượng tử dẫn đến một gia tốc hàm mũ cho quá trình tính toán. Đây là ưu thế tuyệt đối của máy tính lượng tử so với máy tính cổ điển thông dụng hiện nay.

Một đặc tính của các trạng thái lượng tử, khác biệt với các trạng thái cổ điển là hiện tượng liên đới lượng tử, theo đó sự tương tác giữa các qubit làm phát sinh một sự chồng chất liên kết (giao thoa) các trạng thái lượng tử. Sự chồng chất này không thể đưa về tích của các qubit riêng lẻ. Ví dụ đối với 2 qubit, ta không có biểu thức:
Ψ ≠  Ψ₁ ⊗ Ψ₂ 

mà có những biểu thức như sau:
 | β₀₀> =( 1/ √2 ) [| 00 > +| 11 >]                                                                      
 | β₀₂> =( 1/ √2 ) [| 01 > +| 10 >]                                                                       
 | β₁₀> =( 1/ √2 ) [| 00 > – | 11 >]  | β₁₁> =( 1/ √2 ) [| 01 > – | 10 >]
Các trạng thái | b_mn> gọi là các trạng thái Bell, hoặc trạng thái EPR hoặc cặp EPR, đặt theo chữ cái đầu tiên của tên các tác giả Einstein, Podolsky & Rosen là những người đầu tiên phát hiện ra các tính chất kỳ lạ của những trạng thái đó.

Hiện tượng liên đới lượng tử đặc biệt lý thú khi xét hệ nhiều thành phần. Ví dụ lấy một cuốn sách 100 trang. Nếu cuốn sách là một hệ cổ điển thì khi đọc một trang ta có thể tiếp nhận 1% nội dung cuốn sách nhưng nếu cuốn sách là một hệ lượng tử có liên đới thì khi đọc một trang chúng ta nhận được một điều gì đó hỗn độn chưa phản ánh được nội dung cuốn sách. Nguyên nhân là vì thông tin không nằm trong từng trang riêng lẻ mà nằm trong mối liên đới giữa các trang.

Nếu chế tạo một máy tính lượng tử ta có thể thực hiện một quá trình mã hóa nhiều lần nhanh hơn với một máy tính cổ điển.

Song một trở ngại chúng ta gặp phải là vấn đề mất liên kết (decoherence-xem chú thích [3]). Trong một máy tính cổ điển một lỗi xảy ra khi sự tương tác với môi trường chung quanh làm đảo một bit. Trong máy tính lượng tử điều này gây rắc rối nhiều hơn, thông tin trong máy phải được loại bỏ khỏi hệ quả tương tác với môi trường đến khi máy tính hoàn thành công việc.

Làm sao để chống lại hiện tượng decoherence. Người ta lại sử dụng chính ngay hiện tượng liên đới lượng tử. Phương pháp hữu hiệu nhất là mã hóa thông tin trong những trạng thái liên đới lượng tử. Trạng thái lưu trữ trong máy giống như một cuốn sách lượng tử nói ở trên. Môi trường tác động lên một trang không nhiễu loạn nội dung thông tin của cuốn sách bởi vì thông tin tiềm ẩn không phải trong một trang cuốn sách mà trong mối liên đới giữa các trang. Nguyên tắc này gọi là nguyên tắc sửa chữa lỗi lượng tử (quantum error correction) sẽ là nguyên tắc hướng dẫn chế tạo phần mềm và phần cứng các máy tính lượng tử.

Ngày nay các nhà khoa học và các nhà công nghệ đang may mắn ở vào thời đoạn đột sinh của công nghệ lượng tử. Chế ngự những tính chất kỳ lạ của lượng tử, chế ngự hiện tượng liên đới lượng tử sẽ dẫn họ đi xa.