Hạt, Hấp dẫn và Vũ trụ

Về vật lý hạt cơ bản

Gần như thiếu vắng trong chương trình đào tạo tại Việt Nam, các lĩnh vực vật lý hạt cơ bản, vật lý thiên văn và vũ trụ học cùng chia sẻ vị trí tiên phong trong [phát triển của] vật lý hiện đại. Vào nửa cuối thế kỷ trước, trong thời gian chưa tới ba thập niên, vật lý hạt cơ bản đã vẽ được một bức tranh cực kỳ thành công về thế giới vi mô (thế giới vật chất nhìn ở khoảng cách ngắn), đó là mô hình chuẩn (standard model) của các hạt cơ bản. Vẻ đẹp của nó nằm ở sự đơn giản của nền tảng nó được xây dựng: một dạng hạt vật chất, gọi là fermion, thông qua nguyên tắc đối xứng đơn giản được liên kết với nhau và quy về hai loại hạt khác nhau, đó là loại hạt “lepton” với hiện thực nổi bật nhất là electron, và loại hạt “quark” mà từ đó proton và neutron được cấu tạo nên. Mỗi loại hạt này tồn tại ở những dạng khác nhau nhưng liên kết dựa trên tính đối xứng giống như hai mặt của một đồng xu. Có những đối xứng đã được hiểu rất rõ như đối xứng giữa hạt và phản hạt hay các đối xứng gắn với tương tác mạnh, tương tác yếu và tương tác điện từ, nhưng có một đối xứng gọi là “đối xứng vị” (flavour symmetry) còn là bí ẩn: mỗi loại fermion (lepton hoặc quark) tồn tại ba phiên bản (vị – flavour) gần như nhau, trừ khối lượng rất khác nhau. Chứng kiến lần đầu sự lặp lại đó khi muon, một phiên bản “electron”, được phát hiện, Isidor Rabbi đã thốt lên một câu nổi tiếng “ai đã sắp đặt như vậy.

Thành phần thứ hai của mô hình chuẩn (MHC) là các boson gauge truyền tương tác giữa các hạt với nhau: tương tác mạnh (mà một trong những hệ quả của nó là) giữ proton và neutron với nhau trong hạt nhân được thực hiện bởi hạt truyền tương tác “gluon”; tương tác yếu với nguyên mẫu điển hình là phân rã beta được thực hiện với hạt truyền tương tác boson “yếu” (W± và Z); và tương tác điện-từ được thực hiện bởi trao đổi photon quen thuộc. Đặc biệt ấn tượng là các boson gauge không cần phải đưa vào trong lý thuyết “bằng tay” mà chúng xuất hiện một cách tự nhiên như là hệ quả trực tiếp từ đối xứng của fermion và một nguyên lý bất biến đơn giản vốn có của vật lý lượng tử gọi là bất biến gauge. Tất cả các fermion và boson gauge (của MHC) đều đã được phát hiện, nhưng trái với gluon và photon không có khối lượng, các boson “yếu” lại rất nặng, điều này làm phức tạp lý thuyết và cần phải có một boson khác gọi là boson Higgs được phát hiện tại CERN hơn 6 năm trước. Trong bốn thập niên qua các thí nghiệm khẳng định với mức độ chính xác càng ngày càng cao bức tranh MHC nhưng không hề có một mách nước nào về sự bí ẩn mà vật lý hạt cơ bản vẫn dành cho chúng ta: bên cạnh đối xứng vị huyền bí đã có những chỉ dấu cho thấy MHC chỉ là biểu hiện năng lượng thấp của một lý thuyết thống nhất tổng quát hơn có hiệu lực ở thang năng lượng cao hơn khoảng 15 bậc so với thang năng lượng của các thí nghiệm hiện nay đạt được. Sự chênh lệch thang năng lượng này (làm phát sinh một số vấn đề như thống nhất lớn và sự phân bậc) cũng có thể xảy ra tại vùng năng lượng thấp, ví dụ như khối lượng neutrino, một fermion trung hòa điện, có thể nhỏ hơn khối lượng của fermion tích điện nhẹ nhất từng biết, electron, cả triệu lần. Lo lắng rằng trả lời các thách đố của MHC có thể nằm ngoài tầm với của các thí nghiệm hiện nay đã có ý kiến nói về sự khủng hoảng của vật lý hạt, nhưng ý kiến chung tất nhiên vẫn lạc quan hơn với hy vọng sẽ sớm có những phát hiện sai lệch từ các dự đoán của MHC để mở ra cánh cửa tới cái gọi là “vật lý sau MHC” (“physics beyond the SM”).     

Về vũ trụ học

Khi nhìn ở khoảng cách lớn, diện mạo (vật lý) bị chi phối bởi (tương tác) hấp dẫn bị bỏ qua trong bức tranh MHC. Ngược lại, vật lý lượng tử gắn liền với MHC có thể bị bỏ qua khi nghiên cứu hấp dẫn ở khoảng cách lớn. Một đặc điểm của (tương tác) hấp dẫn là nó được áp dụng theo cùng một cách với tất cả các hạt, cho thấy rằng tương tác này nên được mô tả như là biến dạng của không-thời gian hơn là tương tác theo nghĩa được sử dụng cho MHC và cùng với lý thuyết tương đối hẹp là cơ sở cho lý thuyết tương đối rộng. Cho tới nay chưa có sự sai lệch nào so với dự đoán của lý thuyết tương đối rộng được ghi nhận tường minh và sự phát hiện gần đây về sóng hấp dẫn, mà sự tồn tại của nó cần phải có trong mọi lý thuyết hấp dẫn hợp lý, đã mở đường cho các thử nghiệm chính xác hơn hiện có. Chưa hết, có hai lỗ hổng lớn chỉ ra rằng sự hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn là không chính xác: một là sự thất bại hoàn toàn của mô hình Vũ trụ của chúng ta khi nó không phù hợp với các quan sát, hai là sự không tương thích giữa thuyết tương đối rộng và vật lý lượng tử ở cái gọi là “thang Planck” (Plank scale) tại đó cả hai được mong đợi sẽ đóng một vai trò quan trọng.       

KAGRA là một máy dò sóng hấp dẫn dưới lòng đất sẽ bắt đầu hoạt động vào năm tới tại Nhật Bản. Nó bao gồm hai nhánh giao thoa kế laser vuông góc với nhau, mỗi nhánh dài 3 km, hoạt động ở nhiệt độ thấp và trong chân không. Sóng hấp dẫn có thể làm thay đổi chiều dài của mỗi nhánh bằng một phần nanomet. Hình ảnh cho thấy khối thử nghiệm treo trong buồng chân không ở cuối một nhánh.

Bức tranh chúng ta có về Vũ trụ hàm ý rằng nó được sinh ra cách đây khoảng 14 tỷ năm ở thời điểm gọi là “Vụ nổ lớn” (“Big Bang”) và đã không ngừng mở rộng và nguội dần kể từ đó. Sự hình thành hạt nhân, chủ yếu là heli, 3 phút sau Vụ nổ lớn và các nguyên tử, 400.000 năm sau Vụ nổ lớn, là các nguồn thông tin chính mà chúng ta dựa vào để xây dựng bức tranh hiện tại về sự tiến hóa của Vũ trụ. Rất đáng tiếc là các quan sát về các ngôi sao, các thiên hà, khí và bụi trong không gian ở giữa chỉ chiếm 5% những gì bức tranh này dự đoán; trong số 95% còn lại  người ta có lý do chính đáng để tin rằng có một phần tư được tạo thành từ một dạng vật chất mà về cơ bản không chịu tương tác nào khác ngoài tương tác hấp dẫn nên được gọi là “vật chất tối” (“dark matter”) và tất cả các nỗ lực phát hiện sự tồn tại của nó cho đến nay vẫn thất bại; ba phần tư còn lại, chúng ta không biết chúng bao gồm những gì, tất cả điều chúng ta có thể làm là đặt cho nó một cái tên: “năng lượng tối” (“dark energy”). Ngoài hai bí ẩn lớn nói trên, bức tranh Vũ trụ hiện tại của chúng ta đang phải đối mặt với một vấn đề thứ ba: đó là hiểu được những khoảnh khắc đầu tiên của cuộc đời nó, khi nó được cho là đã mở rộng theo cấp luỹ thừa trong một thời gian rất ngắn, gọi là thời kỳ “lạm phát” (“inflation”).

Về thang Planck

Nhưng một vấn đề khác mà cả thuyết tương đối rộng và lý thuyết lượng tử đang phải đối mặt có lẽ là quan trọng nhất; nhiều người tin rằng việc giải quyết nó sẽ trả lời hầu hết các câu hỏi khác mà tôi đã mô tả ở trên; thuyết tương đối rộng và lý thuyết lượng tử không tương thích ở thang năng lượng Planck, tương ứng với khoảng 10¹⁹ khối lượng proton, hoặc 10 microgam hoặc 10^-33 cm. Ở thang năng lượng như vậy, mật độ năng lượng của hấp dẫn lớn đến mức nó phải vi phạm các định luật cơ bản của vật lý lượng tử như là (các) hệ thức bất định Heisenberg. Thang (năng lượng) Planck nằm giữa thang của Vũ trụ ngay sau Vụ nổ lớn, tại thời điểm lạm phát, và thang, chỉ hai bậc thấp hơn, ở đó các tương tác giữa các hạt được cho là thống nhất vào một. Vật lý mới (New Physics) là cần thiết để mô tả (thế giới) ở thang Planck. Trong hơn ba thập kỷ, nghiên cứu đã lái theo con đường của “siêu dây” (“superstring”), trong đó “siêu” (“super”) chỉ “siêu đối xứng” (“supersymmetry”), loại đối xứng liên kết fermion với boson và “dây” (“string”) bao gồm “dây” và “màng” (“brane”) là các đối tượng 1-chiều (string) và 2-chiều (brane) ở thang Planck và “sống” trong không-thời gian 9 + 1 chiều, trong đó 6 chiều được cuộn nén (compactification) tới kích thước cực bé. Khoảng hai thập kỷ trước, người ta nhận ra có một lý thuyết tổng quát hơn trong không-thời gian 10 + 1 chiều, được gọi là lý thuyết M, hợp nhất “siêu đối xứng” (“supergravity”) 11 chiều với năm phiên bản nhất quán của lý thuyết dây, như là các trường hợp riêng (ở giới hạn nào đó) của lý thuyết dây, liên hệ với nhau thông qua các phép biến đổi đối ngẫu rất phức tạp. Sự phức tạp về mặt toán học của lý thuyết siêu dây thông thường và tính không thể tiếp cận trong thực tế của thang Planck, cùng với việc thiếu các tín hiệu lạc quan, làm gia tăng sử dụng các phương pháp khác nhau dựa trên nghiên cứu trực tiếp các lỗ đen kích thước lượng tử mà không bị ảnh hưởng bởi các định kiến của lý thuyết dây.

Về hội nghị

Nội dung hội nghị bao phủ tất cả các chủ đề nghiên cứu nói trên (của vật lý thế giới) và cho thấy một bức tranh đẹp về sự tham gia vào tiến trình nghiên cứu đó của các nhà vật lý châu Á, và đặc biệt là các nhà vật lý Việt Nam. Hội nghị có sự góp mặt của khoảng một trăm đại biểu, trong đó một nửa đến từ Việt Nam và một phần ba từ các nước châu Á khác, với sự tham gia đặc biệt tích cực của Nhật Bản. Những diễn giả mời có uy tín (19 người) đã đưa ra một bức tranh tổng quan cập nhật nhất về các lĩnh vực. Năm người trong số họ đã báo cáo về những thành tựu, tiến độ và triển vọng triển khai các thí nghiệm lớn, bao gồm các thí nghiệm LHC (máy gia tốc đối chùm) đo khối lượng của hạt Higgs với độ chính xác lớn hai phần triệu và phát hiện một số phân rã rất hiếm của nó; và ba thí nghiệm tại Nhật Bản: 1) thí nghiệm neutrino đường cơ sở dài T2K cho thấy dấu hiệu vi phạm đối xứng CP và hiện đang nâng cấp máy dò Superkamiokande; 2) Belle II, “nhà máy sản xuất” b-quark, hiện đang bắt đầu hoạt động với một máy dò nâng cấp; và 3) máy dò sóng hấp dẫn dưới lòng đất mới KAGRA sẽ sớm bắt đầu thu thập dữ liệu. Về tương lai dài hạn, chương trình LHC có độ trưng (luminosity) cao và dự án siêu-K của Nhật Bản đặt cơ sở cho một tương lai hứa hẹn, trong khi vệ tinh Litebird, với sự tham gia mạnh mẽ của Nhật Bản, đang được coi là ứng viên tiềm năng cho việc tìm kiếm sóng hấp dẫn ban sơ phát ra vào thời kỳ lạm phát. Chín báo cáo mời lý thuyết đã trình bày về sự tiến bộ trong các lĩnh vực của thuyết tương đối rộng và vật lý tại thang Planck, đặc biệt nhấn mạnh đến vai trò của sóng hấp dẫn và lỗ đen, việc phát hiện sóng hấp dẫn đã mở ra một cửa sổ mới về vũ trụ học và nghiên cứu về phân bố trong Vũ Trụ của các sao neutron và hố đen. Tình hình nghiên cứu vật lý thiên văn ở Việt Nam đã được tổng quan với sự nhấn mạnh vào công việc của nhóm nghiên cứu tại Phòng Vật lý thiên văn và Vũ trụ của Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, về vật lý sao (ở giai đoạn hình thành và giai đoạn cuối đời của chúng) và nghiên cứu các thiên hà sinh ra ở thời kỳ đầu của Vũ trụ với độ dịch chuyển đỏ lớn. Sáu trong số 21 báo cáo khác được các nhà vật lý Việt Nam trình bày đã minh họa cho sự đa dạng của công việc nghiên cứu đang được thực hiện trong nước. Trước khi ra về, các đại biểu đã bày tỏ sự cám ơn nồng nhiệt đến Nguyễn Anh Kỳ và nhóm của anh tại Viện Vật lý về sự cống hiến của họ vào sự thành công của hội nghị.

Vài lời dành cho Việt Nam

Trong báo cáo tổng kết hội thảo, Tom Browder đã nhận xét về những cơ hội để Việt Nam có thể có những đóng góp ý nghĩa; về việc tận dụng sự đầu tư của cộng đồng khoa học quốc tế để tham gia thành công trong giải quyết những thách thức của lĩnh vực. Ông lưu ý đến việc chảy máu chất xám mà đất nước đang chịu đựng và thất bại của những nỗ lực nhằm ngăn chặn tình trạng này. Để đảo ngược tình thế, ông cho rằng tất cả những gì cần có là một tầm nhìn dài hạn và sự hỗ trợ từ cấp cao cho việc thiết lập những nhóm nghiên cứu mạnh. Thật vậy, nỗ lực nghiên cứu của Việt Nam bị phân tán và rải lên quá nhiều cá thể cô lập. Nhiều người được đào tạo ở nước ngoài khi trở về nước chỉ tiếp tục hợp tác với các đồng nghiệp nước ngoài mà không có cơ hội xây dựng một nhóm nghiên cứu của họ. Họ đào tạo sinh viên nhưng không thể giữ người để làm việc một cách lâu dài. Rất thường xuyên, danh sách tác giả của các công bố khoa học mà họ tham gia không có tên người Việt nào khác ngoài tên của họ. Khi nghỉ hưu, họ không để lại di sản nào và đóng góp của họ cho sự tiến bộ của khoa học Việt Nam chỉ giới hạn trong thời gian hoạt động (trước nghỉ hưu) của họ. Cách tiếp cận cá nhân như vậy đối với khoa học, bắt nguồn sâu sắc trong văn hóa Việt Nam, đang ngăn cản sự tiến bộ. Chúng ta cần thừa nhận rằng tài năng của một tập thể lớn hơn nhiều so với tổng tài năng của những cá nhân đơn lẻ. Bằng cách trao đổi và thử thách các ý tưởng, bằng cách chia sẻ kiến thức và kỹ năng, một nhóm có thể tạo ra bầu không khí xuất sắc mà nghiên cứu cần phải có để thành công.

Dường như quá thường xuyên chúng ta có ý nghĩ rằng trở thành một nhà khoa học giỏi đã được in dấu trong gene. Tất nhiên là không phải như vậy, bởi Việt Nam cũng có nhiều người trẻ có kỹ năng và năng khiếu để trở thành một nhà khoa học giỏi như ở bất kỳ quốc gia nào khác. Làm việc chăm chỉ, nghiêm túc về trí tuệ và đạo đức, quyết tâm và can đảm, hay nói ngắn gọn, tất cả các phẩm chất làm nên sự xuất sắc trong khoa học không phân biệt quốc tịch. Thật kỳ lạ, chúng ta lại cảm thấy tự hào khi một nhà khoa học Việt Nam rời khỏi đất nước từ lâu được vinh danh bởi sự công nhận quốc tế nào đó. Thay vào đó, chúng ta nên cảm thấy tiếc vì không thể nhận ra tài năng của người ấy ở giai đoạn đầu, xin lỗi vì không thể cho người ấy sự đào tạo, động viên và khuyến khích thích hợp ở nhà, xin lỗi vì không thể cho người ấy sự hỗ trợ như các nhà khoa học nước ngoài đã cho. Chúng ta có thể cảm thấy hạnh phúc khi thấy tài năng của người ấy nhận được sự công nhận quốc tế đến mức người ấy cảm thấy cần cam kết giúp đỡ quê hương của mình phát triển và tiến bộ, như một số người đã làm; nhưng tự hào thì chúng ta không nên.

Ngược lại, sự thiếu tin tưởng hoàn toàn vào kỹ năng và tài năng của thế hệ trẻ và những gì họ có thể đạt được đang gây hại lớn cho chúng ta và ngăn cản nghiêm trọng đến sự phát triển. Sự giàu có của đất nước nằm trong bộ não của thế hệ trẻ, chúng ta không nên xem nhẹ và lãng phí nó. Đã đến lúc cần khuyến khích văn hoá làm việc nhóm trong nước và thực hiện hỗ trợ đúng đắn cho các nhà khoa học có kỹ năng và tài năng để xây dựng nhóm của họ. Điều này đúng cho cả các nhà lý thuyết cũng như các nhà thực nghiệm và cho tất cả các lĩnh vực khoa học. Nó đã được khẳng định phần nào trong vật lý chất rắn và khoa học vật liệu, nơi tồn tại một số nhóm nghiên cứu thành công của Việt Nam, nhưng chưa được thực hiện một cách hợp lý trong các lĩnh vực được đề cập trong hội nghị PGU2018. Tôi biết những nỗ lực khuyến khích thúc đẩy vật lý thiên văn trong chương trình giảng dạy của các trường đại học Việt Nam của một số người đã bị cản trở và từ chối. Tôi biết những nỗ lực để đơn giản hóa các quy tắc quản lý việc trao bằng tiến sĩ trong trường hợp hợp tác với các trường đại học nước ngoài có uy tín đã bị cản trở và từ chối. Tôi biết những nỗ lực tránh lãng phí tiền trong việc mua các thiết bị đắt tiền mà về cơ bản không được sử dụng và, thay vào đó, nỗ lực cung cấp tài trợ tốt hơn cho các nhà nghiên cứu Việt Nam tham gia các hội nghị, hội thảo và lớp học quốc tế đã bị cản trở và từ chối. Tôi biết về những nỗ lực xây dựng các nhóm nhỏ xuất sắc trong lĩnh vực vi điện tử và mạch tích hợp, ở đó Việt Nam gần như vắng bóng, đã bị cản trở và từ chối. Tôi biết những nỗ lực để làm cho hội nghề nghiệp của chúng ta tích cực hơn, để chúng trở thành diễn đàn cho các nhà khoa học trẻ có thể tranh luận công khai và trao đổi quan điểm của họ về cách tốt nhất để thúc đẩy tiến bộ khoa học đã bị cản trở và từ chối; thật vậy, những hội này, chẳng hạn như Hội Vật lý Việt Nam thậm chí không chấp nhận các thành viên nước ngoài, một tàn dư có lẽ của thời chiến tranh.

Chúng ta dường như thiếu tầm nhìn dài hạn mà Tom Browder đã ngụ ý trong bài tổng kết của mình. Chúng ta nên yêu cầu sự hỗ trợ từ cộng đồng quốc tế dưới hình thức các hội đồng tư vấn khoa học quốc tế là hình thức có thể giúp chúng ta tìm ra cách tốt nhất để phát triển. Nhưng tôi biết những nỗ lực để làm việc này ở cấp viện cũng như cấp quốc gia đã bị cản trở và từ chối. Đã đến lúc cần thay đổi phong cách.

Trong số những người nhận giải thưởng Tạ Quang Bửu năm nay có hai nhà khoa học trẻ và tài năng của Việt Nam là những người vừa mới trở về nước gần đây. Một trong số họ đã tham dự hội nghị. Họ là tượng trưng cho những gì đất nước cần để thúc đẩy nghiên cứu. Họ và với tất cả những người như họ là tương lai của khoa học Việt Nam, chúng ta hãy hỗ trợ tất cả những gì họ cần để xây dựng hoặc duy trì một nhóm nghiên cứu hiệu quả xung quanh họ, chúng ta hãy đặt niềm tin vào tài năng và sự xuất sắc của họ, chúng ta hãy ngăn chặn chảy máu chất xám, yếu tố đang cản trở đất nước chiếm vị trí mà ta xứng đáng có được trên trường quốc tế. Chúng ta hãy chứng minh Tom Browder đúng khi ông dự đoán rằng với sự hỗ trợ đúng đắn và tầm nhìn dài hạn “thế hệ các nhà khoa học Việt Nam tiếp theo có thể dẫn đầu trong nhiều lĩnh vực được bàn thảo tại hội nghị PGU2018”. ¨

TS Nguyễn Anh Kỳ (Trung tâm Vật lý lý thuyết, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) dịch

Chú thích:
^* The Second International Workshop “Particles, gravitation and the Universe”, Hanoi, 10-14 December 2018.