35 bài toán nan giải

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!

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 ) ..

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 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.

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.

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.

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, 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.

Như vậy có thể nói rằng lý thuyết siêu dây trong hiện trạng chưa phải là lý thuyết tối hậu, có khả năng giải thích được Vũ trụ.

Người ta hy vọng vào máy LHC (Máy va chạm hadron lớn) sẽ hoạt động vào năm 2007 có thể đem lại những kết quả thực nghiệm làm sáng tỏ một số vấn đề, như sự tồn tại của các siêu hạt cần thiết cho việc tiệm cận đến  một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh với một phương trình tối hậu. Song hiện nay điều này vẫn còn là một bài toán bí ẩn thách thức vật lý học.

8/  Quỹ đạo kỳ lạ của những trạm thăm dò PIONEER
Jacques-Olivier Baruch
 

Những trạm thăm dò Mỹ Pioneer 10 & 11 được phóng vào năm 1970 đã đi một quãng đường nhỏ hơn tính toán. Điều gì đã xảy ra?

Các kỹ sư đã truy tìm các nguyên nhân: dò nhiên liệu? Phát xạ nhiệt do phân rã plutonium của máy phát nhiệt điện? áp lực từ phía gió vũ trụ giữa các sao? Sai số trong các tính toán quỹ đạo? Mọi công tác truy tìm đều không dẫn đến kết quả.
Vậy chỉ còn lại một nguyên nhân: có thể cần phải thay đổi định luật hấp dẫn!
Marc-Thierry Jaekel, Cao đẳng Sư phạm Pháp (Ecole Normale Superieure) cùng với cộng sự Serge Reynaud đã giải thích hiện tượng “dị thường Pioneer” bằng cách đưa thêm vào một thông số thứ hai liên quan đến vận tốc xuyên tâm bên cạnh hằng số hấp dẫn trong phương trình Einstein. Dường như mọi việc đều ổn. Song các cơ quan vũ trụ  dự định phải bỏ nhiều trăm triệu  euro để kiểm nghiệm tính đúng đắn của giả thuyết. Liệu “dị thường Pioneer” có mở ra một chương mới của hấp dẫn?

10 /  Hãy còn sớm để nói đến dự báo địa chấn
Michel Campillo – Đại học Joseph-Fourier / Grenoble

Viện Địa vật lý Mỹ USGS đang xây dựng một kế hoạch “dự báo địa chấn”. Song tính hữu hiệu của kế hoạch dường như cần phải được chứng minh. Vấn đề không phải là ở chỗ dự báo một động đất sẽ xảy ra mà sự được thua là ở chỗ phải dự báo được cường độ của động đất, tùy cường độ mà phải có những biện pháp tốn kém cho dân chúng và những biện pháp này liệu có đáng được thực hiện hay không?

Hiện nay có hai phương pháp để dự báo: một là quan sát sự dịch chuyển của các tầng kiến tạo (tectonic), song phương pháp này cũng còn khó để dự báo sự tiến triển phức tạp của hệ thống. Hai là sử dụng các địa chấn yếu để dự báo sự đến gần của một động đất nhưng nhiều địa chấn lại không dẫn đến một vụ động đất nào.

Michel Campillo hy vọng rằng trong vòng 5 năm tới người ta có thể có những tiến bộ đáng kể trong dự báo. Trước đây người ta vẫn cho rằng vỏ trái đất chịu tác động của hai hiện tượng: thứ nhất là sự dịch chuyển của các tầng kiến tạo, thứ hai là những biến động do địa chấn. Trong vòng những năm gần đây nhờ các phép đo GPS (định vị toàn cầu) người ta phát hiện những hiện tượng trung chuyển, những địa chấn thầm lặng kéo dài có ảnh hưởng quan trọng đến sự dịch chuyển các tầng địa chất. Sự quan sát những hiện tượng trung chuyển này cho phép xây dựng các mô hình chính xác hơn. Ngoài ra người ta còn quan tâm đến nước địa nhiệt. Những vết nứt gẫy sẽ thay đổi hệ chảy lan (percolation) của nước địa nhiệt, nghiên cứu vấn đề này sẽ giúp thêm cho dự báo địa chấn.

12 /  Máy tính trong giai đoạn hậu-silicium
Pierre Vandeginste
Máy tính mạnh nhất hiện nay (tính đến tháng sáu 2005) là máy “BlueGene/L của IBM” có khả năng thực hiện 137 ngàn tỷ phép tính trong một giây (137 teraflops). Cuộc chạy đua tin học dường như  không có giới hạn. Theo “định luật Moore” cứ hai năm thì số linh kiện tích hợp trên một con rệp silicium sẽ tăng lên gấp đôi. Quá trình này sẽ tiếp diễn đến bao giờ? Định luật Moore có gặp phải những giới hạn do vật lý áp đặt không?

Năm 2005 có 1,12 tỷ transistor trên 90 nanomét (nm), người ta cho rằng đến năm 2007 kích thước tương ứng sẽ là “45 nm” và đến năm 2010 sẽ là “30 nm”… những con rệp “3D” được nghiên cứu. Song đến một lúc có lẽ phải chia tay với silicium. Những ống nano cacbon sẽ thay thế các transistor.

Nhờ các máy tính ADN được nghiên cứu từ năm 1994 ở UCLA, người ta khai thác tiềm năng tích hợp của phân tử AND trong tin học.

Cuối cùng người ta nghĩ đến các “máy tính lượng tử” có khả năng giải quyết những bài toán quan trọng như bài toán thừa số hóa những con số chứa hàng trăm chữ số.

13 /  Sét hòn
Franck Daninos

Nhiều giả thuyết đã được đưa ra để giải thích hiện tượng sét hòn.

Từ xưa nhiều người đã chứng kiến sự xuất hiện của sét hòn. Bức tranh cổ sau đây mô tả một sét hòn và niềm kinh dị của những người trong cuộc.

Đó là một quả cầu vàng hoặc vàng da cam hoặc đỏ xuất hiện trong thời tiết giông bão có kích thước một quả bóng đá, bay lơ lửng trên mặt đất theo một quỹ đạo bất định với tốc độ khoảng 3m/giây. Nó có thể bay qua cửa sổ rồi quay tròn trước sự kinh ngạc của người chứng kiến. Hiện tượng thường kéo dài khoảng một phút, rồi nổ tan giải phóng nhiệt năng và một mùi lạ lùng.

Hiện nay chưa có một giả thuyết nào đúng đắn về sét hòn có khả năng giúp tái tạo sét hòn lại trong phòng thí nghiệm.

Năm 1888 Lord Kelvin tuyên bố trước một cuộc họp của Hiệp hội Anh quốc về Phát triển khoa học rằng sét hòn chỉ là một ảo tưởng quang  học. Song nhiều dữ liệu thực tế đã chứng minh rằng ý kiến của  Lord Kelvin là không đúng. Hàng trăm giả thuyết đã được đưa ra! Một giả thuyết đáng chú ý: sét hòn là một khối plasma, song một khó khăn của giả thuyết này là plasma có khuynh hướng giãn nở hơn là bị giam giữ lại trong dạng một hòn. Năm 2002 một nhà hóa học New Zealand đưa ra giả thuyết: khi sét đánh xuống đất, nhiều hạt silicium bị bốc hơi. Sau đó các hạt này kết thành những sợi và cuộn thành những quả cầu rỗng thành sét hòn. Song đến hiện nay sét hòn vẫn còn là một điều bí ẩn.

14/  Dự báo thời tiết cho thế kỷ tiếp theo?
Viviane Thivent
Nếu tin vào các báo cáo của GIEC (Nhóm liên chính phủ về dự báo khí hậu) thì nhiệt độ trái đất sẽ tăng từ 1,4 đến 5,80C đến năm 2100. Sự cách biệt trong dự báo đó có nguyên nhân là chưa biết chính xác kịch bản phát triển của hai nước Ấn Độ và Trung Quốc. Mà đó cũng không phải là những nguyên nhân duy nhất. Dự báo thời tiết phải dựa trên những mô hình. Nói cụ thể là làm thế nào để mô hình hóa sự tiến triển của những đám mây?
Có nên chăng tin vào dự báo tăng nhiệt độ của Trái đất? Trong quá khứ hành tinh của chúng ta đã trải qua những giai đoạn tăng nhiệt độ như vậy. Một điều có thể tin là quả thực tốc độ tăng nhiệt độ có lớn: trong ba mươi năm qua nhiệt độ trái đất đã tăng 0,60C.
15/  Vũ trụ đen 
Nabila Aghanim,  CNRS

Vũ trụ gồm vật chất đen (còn gọi là vật chất tối, 23%) và năng lượng đen (còn gọi là năng lượng tối, 73%). Hiện nay người ta vẫn chưa rõ bản chất của vật chất đen.

Vào những năm 30 của thế kỷ trước Fritz Zwicky, người Thụy Sĩ, khi nghiên cứu chuyển động 7 thiên hà trong chòm Coma, nhận thấy rằng 7 thiên hà này chuyển động quá nhanh so với tính toán thực hiện trên cơ sở các khối lượng quan sát được xung quanh. Muốn giải thích được chuyển động nhanh đó,  xung quanh 7 thiên hà nói trên cần phải có một khối lượng vật chất 400 lần lớn hơn khối lượng quan sát được, nhưng khối lượng thiếu này không tìm thấy ở đâu cả. Bài toán vật chất tối (dark matter) ra đời  (1933).

70 năm đã trôi qua mà bài toán vật chất tối – một trong những bài toán cơ bản của vật lý – vẫn chưa có lời giải!

Người ta đã nghĩ đến việc sửa đổi lý thuyết hấp dẫn, song điều này quá ư mạo hiểm, cho nên các nhà vật lý thiên về tìm kiếm những hạt lạ (exotic) là ứng viên cho vật chất đen.

Một vấn đề còn bí ẩn hơn nữa là năng lượng đen. Trong khi vật chất đen gây lực hút thì năng lượng đen gây lực đẩy. Từ năm 1988 các quan trắc về những sao siêu mới chứng tỏ rằng vũ trụ đang giãn nở có gia tốc. Như vậy phải tồn tại một năng lượng đen dẫn đến sự giãn nở có gia tốc đó. Năng lượng đen này có thể là năng lượng của chân không, có thể liên quan đến hằng số hấp dẫn trong phương trình Einstein.

Vật chất đen và năng lượng đen là hai vấn đề rất hấp dẫn đối với các nhà vật lý. Hai vấn đề này không phải tạo ra một bức tranh đen tối mà trái lại việc giải quyết hai vấn đề này sẽ mở ra một tương lai sáng lạn cho vật lý.
28/  Hiện tượng nóng chảy của các vật rắn là một vấn đề khó hiểu
Pablo Jensen, Phòng vật lý vật chất ngưng tụ, Lyon 

Từ ngàn năm nay hiện tượng nóng chảy của chất rắn, như băng hoặc chocolat vẫn là một hiện tượng thông thường. Tuy nhiên bản chất của sự nóng chảy này vẫn là một điều khó hiểu, các nhà vật lý vẫn chưa tìm ra một lý thuyết tổng quát cho hiện tượng này.

Khi nhiệt độ tăng cao các nguyên tử trong chất rắn dao động mạnh và phá vỡ cấu trúc tinh thể: chất rắn nóng chảy.

Năm 1910 nhà vật lý người Anh Frederik Lindemann thiết lập rằng khi biên độ dao động đạt 10% đến 15% khoảng cách giữa các nguyên tử thì vật rắn nóng chảy. Song không có một lý thuyết nào để giải thích điều đó.

Vật rắn không nóng chảy từng nguyên tử một. Đây là một hiện tượng mang tính tập thể (collective). Hiện tượng tập thể đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình vật lý, ví dụ quá trình chảy rối (turbulence).

Các nhà vật lý đã xây dựng những mô hình đơn giản hóa theo hai hướng. Trong cách tiếp cận thứ nhất, người ta cho rằng bề mặt chất rắn là xuất phát điểm của quá trình nóng chảy. Trong cách tiếp cận thứ hai, người ta xem xuất phát điểm quá trình nóng chảy nằm ở những điểm khuyết tật. Với cách tiếp cận thứ nhất người ta hy vọng có thể xây dựng được một lý thuyết tổng quát. Còn nếu quá trình nóng chảy xảy ra theo cách tiếp cận thứ hai thì e rằng còn lâu mới xây dựng được một lý thuyết tổng quát cho hiện tượng nóng chảy của vật rắn. Trong cả hai cách tiếp cận đều phải nghiên cứu các chuyển động tập thể. Những mô phỏng trên máy tính là quan trọng để xây dựng được mô hình.

33/  Các hằng số vật lý có thể thay đổi theo không gian và thời gian
Frank Daninos

Các phương trình vật lý đều chứa những hằng số như c-vận tốc ánh sáng, h-hằng số Planck, G-hằng số hấp dẫn. Người ta vẫn cho rằng  đó là những đại lượng không thay đổi theo không gian và thời gian.

Năm 1937 Dirac đưa ra ý tưởng là hằng hấp dẫn có thể biến đổi theo thời gian. Năm 2001 nhà vật lý người Úc John Webb đưa ra những phương pháp để kiểm nghiệm sự thay đổi của hằng số a =  e 2/2 e0 h c.

Đó là hằng số cấu trúc tinh tế,  lần đầu tiên do Arnold Sommerfeld đưa vào trong lý thuyết điện từ năm 1916. Trong công thức trên e là điện tích electron, e0- hằng số điện môi chân không, h– hằng số Planck,  c– vận tốc ánh sáng.
Hằng số a lượng hóa cường độ tương tác điện từ tương đối tính (c) của các hạt mang điện tích trong chân không (e0) của lý thuyết lượng tử (h).Trị số bằng số của a  là 1/137, 03599976 hay xấp xỉ bằng 1/137.
Người ta sử dụng ý tưởng đơn giản sau. Như ta biết các quasar được phát hiện năm 1965, đó là những quasi-star (thiên thể tựa sao) có độ sáng lớn hơn 100 tỷ sao, ở xa quả đất khoảng 3 tỷ năm ánh sáng. Ánh  sáng từ quasar trên đường đi đến quả đất gặp phải những đám mây vật chất, những đám mây này hấp thụ một số bước sóng ánh sáng. Các nhà vật lý  nghiên cứu phổ hấp thụ của ánh sáng từ các quasar đi qua các đám mây, và từ đó suy ra trị số của a tại những thời điểm sớm của vũ trụ. John Webb tìm thấy trị số a mười tỷ năm về trước nhỏ hơn trị số hiện tại một lượng bằng một phần mười ngàn.
Các hằng số làm thành cơ sở  cấu trúc vật lý. Nếu một số hằng số có những trị số khác thì những tổ hợp cấu trúc nguyên tử, cũng như các sinh thể có thể không cấu thành được, vậy không tồn tại.
Mong muốn giải thích các hằng số vật lý là một cố gắng xây dựng một bức tranh hoàn chỉnh của TOE (Theory of Everything – Lý thuyết của tất cả). Vấn đề các hằng số trở nên phức tạp vì trong những lý thuyết như siêu dây, lý thuyết M thì ngoài các chiều không- thời gian phải xét đến những chiều dư (extra dimensions), số chiều dư này có thể lên đến 7. Cho nên những hằng số mà chúng ta thường quan sát được chưa phải là những hằng số thực thụ, chúng chỉ là cái “bóng” ba chiều của những hằng số đích thực.

Trong lý thuyết dây có khả năng tồn tại đến 10500 lời giải ứng với ngần ấy thế giới khả dĩ. Thế giới của chúng ta chỉ là một thể hiện của tập thế giới đó, chỉ là một ốc đảo bao quanh bởi nhiều thế giới siêu thực không có sự sống, tại đấy những cấu trúc như nguyên tử cacbon, các phân tử DNA không cấu thành được. Nếu chúng ta phiêu lưu đến những thể giới đó thì cuộc sống của chúng ta sẽ bị chấm dứt.

Vấn đề các hằng số vật lý có thay đổi theo không gian và thời gian hay không vẫn còn là một vấn đề bỏ ngỏ.