Vật lý có đang lâm vào khủng hoảng

Hai thập kỷ 1955–1975 chứng kiến hàng loạt khám phá bất ngờ, mở đường cho các lý thuyết cách mạng. Ngược lại, 50 năm gần đây hầu như không mang đến khám phá bất ngờ nào. Chính sự chênh lệch này tạo nhiều suy ngẫm.

Thế kỷ XX đã làm rung chuyển toàn bộ hình dung của chúng ta về không gian, thời gian và bản chất thế giới. Trong nửa đầu thế kỷ, nền tảng của vật lý hiện đại được thiết lập: thuyết tương đối hẹp (1905) hợp nhất không gian-thời gian; thuyết tương đối rộng (1915) mô tả hấp dẫn như độ cong của không-thời gian; cơ học lượng tử (1925) làm đảo lộn trực giác về hạt và sóng. Ba bức tranh hoàn toàn mới – trái ngược với cảm nhận thông thường của con người – nhưng lại mô tả cực kỳ chính xác những hiện tượng ở cả thang siêu nhỏ lẫn siêu lớn. Nguyên tử, gồm electron quay quanh hạt nhân nhỏ bé, được xác lập là cấu trúc cơ bản và phổ quát của vật chất. Vũ trụ cũng dần bộc lộ quy mô thật của nó; năm 1929, Hubble chứng minh rằng Vũ trụ đang giãn nở.

Kể từ cuộc cách mạng tư tưởng đó, nửa sau thế kỷ XX chứng kiến sự biến chuyển sâu sắc của khoa học. Sinh học hiện đại -phân tử, tế bào, di truyền- ra đời với khám phá ADN và cấu trúc xoắn kép (1953), mã di truyền (1961). Những quan sát tích lũy qua hàng thiên niên kỷ trong động thực vật học được lý giải lại dưới ánh sáng mới. Các ý tưởng của Darwin trở nên rõ ràng hơn; sự tiến hóa được khảo sát từ mức protein đầu tiên đến các dạng sống phức tạp nhất như bộ não người. Địa chất học cũng đổi thay khi thuyết kiến tạo mảng được công nhận vào năm 1966. Trong vật lý chất rắn, Bardeen–Cooper–Schrieffer giải bài toán siêu dẫn (1957). Nhưng những tiến bộ ngoạn mục nhất lại đến từ thiên văn học và vật lý hạt. Hình 1 minh họa tốc độ bùng nổ của các khám phá mới và việc chúng nhanh chóng được hấp thụ vào các “Mô hình Chuẩn” tương ứng.

Trong thiên văn học, những cột mốc quan trọng gồm: khám phá bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB, 1965), pulsar đầu tiên (1967), vật chất tối (1970), và lỗ đen đầu tiên – Cygnus X1 (1971). Phát hiện CMB củng cố tính đúng đắn của mô hình Big Bang, vốn được Lemaître đề xuất từ năm 1931 nhưng còn gây tranh cãi suốt nhiều thập kỷ. Đến cuối thế kỷ, Mô hình Chuẩn của vũ trụ học – ΛCDM – được thiết lập.  Mô hình này mô tả thành công sự tiến hóa của vũ trụ, đặc biệt là giai đoạn tổng hợp hạt nhân sơ khai chỉ 100 giây sau Big Bang. Bài báo “αβγ” nổi tiếng (Alphe r– Bethe – Gamow, 1966) chỉ ra rằng thế hệ sao đầu tiên không chứa các nguyên tố nặng hơn heli, và giải thích rằng sự sống – trong đó có con người – được hình thành từ bụi sao do các sao già chết đi tạo ra. Vũ trụ sơ khai quá nóng đến mức bị ion hóa hoàn toàn; khoảng 380.000 năm sau Big Bang, khi nhiệt độ đủ thấp, electron kết hợp với proton và hạt alpha để tạo thành các nguyên tử trung hòa – mở đầu “thời kỳ tối” kéo dài hàng trăm triệu năm, trước khi những ngôi sao và thiên hà đầu tiên hình thành. Vũ trụ ngày nay đã gần 14 tỷ năm tuổi.

Sự kiện năm 2012, khi LHC phát hiện một hạt trùng khớp với mô tả “sách giáo khoa” của boson Higgs, đã được cộng đồng khoa học toàn cầu chào đón như một cột mốc lịch sử.  Phát hiện này củng cố một chuỗi lập luận lý thuyết xuất sắc – kết hợp nguyên lý đối xứng chuẩn điện yếu với cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát tuy đơn giản nhưng đầy hiệu lực. Đó là thành quả của nhiều thế hệ phát triển công nghệ gia tốc, kỹ thuật thực nghiệm, và sự hợp tác quốc tế bền bỉ giữa các nhà khoa học, cùng sự ủng hộ sáng suốt của nhiều chính phủ và tổ chức. Tuy vậy, có người cho rằng khi “viên gạch cuối cùng” của Mô hình Chuẩn đã được đặt vào chỗ của nó, vật lý hạt đã đi đến hồi kết. Người khác lại lo ngại rằng chúng ta đang mắc kẹt: không còn những khám phá kỳ vĩ để gợi mở con đường mới, khiến ta thiếu những manh mối xác định cho một lý thuyết bao quát hơn. Chris Quigg, tháng 10 năm 2025

Nhưng cùng với thành công, ΛCDM cũng đặt ra những câu hỏi lớn chưa có lời giải: điều chúng ta biết – sao, khí liên sao, bụi vũ trụ – chỉ chiếm 5% tổng lượng vật chất – năng lượng của vũ trụ. Khoảng 1/4 phần còn lại là vật chất tối – dạng vật chất tương tác rất yếu nhưng đủ nặng để ảnh hưởng tới vận tốc quay của thiên hà (bằng chứng từ 1970). Phần 68% còn lại là “năng lượng tối” – bí ẩn hoàn toàn, được đưa vào mô hình như hằng số vũ trụ học. Năm 1998, sự phát hiện Vũ trụ giãn nở gia tốc càng củng cố sự tồn tại của nó. Tệ hơn, chúng ta vẫn chưa mô tả được một cách đáng tin cậy về vũ trụ ở giai đoạn cực sớm. Năm 1979, nhiều lập luận ủng hộ giai đoạn “lạm phát” – Vũ trụ giãn nở theo cấp số mũ trong ~10^–30 giây sau Big Bang – được đưa ra, nhưng cơ chế của nó vẫn rất chưa được hiểu rõ. Đặc biệt, ở thang thời gian Planck (~10^–43 giây), thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử trở nên không tương thích – dấu hiệu của một sự thiếu hụt căn bản trong nhận thức của chúng ta.

Trong vật lý hạt, tiến bộ bắt đầu từ năm 1956 với khám phá vi phạm đối xứng chẵn lẻ trong phân rã beta, và đạt đỉnh trong giai đoạn 1964–1971 với sự thống nhất của tương tác điện từ và tương tác yếu, được truyền bởi photon và bộ ba boson yếu W⁺, W⁻, Z⁰ (khi đó vẫn chưa được phát hiện). Đến năm 1973, việc phát hiện dòng trung hòa (neutral currents) trong tương tác neutrino đã củng cố mạnh mẽ mô hình này, dẫn tới nỗ lực chưa từng có nhằm tìm kiếm những mảnh ghép còn thiếu: các boson yếu và boson Higgs, hạt liên quan trực tiếp đến cơ chế phá vỡ đối xứng điện yếu. Các boson yếu được phát hiện năm 1983, boson Higgs năm 2012 – đều tại CERN. Song song, bí ẩn của tương tác hạt nhân mạnh dần được hé lộ: quark được phát hiện vào thập niên 1960 và được mô tả như “parton” năm 1969. Đến 1973, sắc động lực học lượng tử (QCD) ra đời, tạo nên mô tả thanh nhã và chặt chẽ về tương tác mạnh dưới dạng lý thuyết chuẩn, với gluon là hạt mang lực, có những tính chất nổi bật như giam cầm màu và tự do tiệm cận. Khác với ΛCDM, Mô hình Chuẩn của vật lý hạt không để lại những câu hỏi rõ ràng và chưa giải quyết -việc phát hiện boson Higgs năm 2012 đánh dấu sự “hoàn thành” của nó.

Tóm lại, đến cuối thập niên 1970, bốn mảnh ghép còn thiếu đã dần được bổ sung: quark top (phát hiện tại Tevatron năm 1995), các boson yếu (CERN, 1983), boson Higgs (CERN, 2012), sóng hấp dẫn – tìm kiếm gần một thế kỷ và cuối cùng quan sát được năm 2016, mở ra cánh cửa mới cho vật lý lỗ đen. Điểm chung của bốn mảnh ghép này là: sự tồn tại của chúng là yêu cầu tất yếu để các mô hình lý thuyết trước đó có thể đúng. Việc phát hiện chúng về bản chất chỉ là củng cố những mô hình đã có; còn nếu không phát hiện được, điều đó mới thực sự là cuộc cách mạng buộc ta phải viết lại vật lý. Hai thập kỷ 1955–1975 chứng kiến hàng loạt khám phá bất ngờ, mở đường cho các lý thuyết cách mạng. Ngược lại, 50 năm gần đây hầu như không mang đến khám phá bất ngờ nào. Chính sự chênh lệch này tạo nhiều suy ngẫm.

Cách tôi vừa phác họa lịch sử khoa học hiện đại rõ ràng có phần chủ ý gây tranh luận. Cần làm mềm lại đôi chút: Việc Mô hình Chuẩn được hoàn thiện không hề đồng nghĩa vật lý hạt đã kết thúc. Ta vẫn còn phải đối mặt với hàng loạt câu hỏi sâu sắc mà mô hình này gợi mở. Chris Quigg¹ – người được trích dẫn ở đầu bài– liệt kê đến 148 câu hỏi mở!  Nhưng tất cả đều nằm “bên ngoài” Mô hình Chuẩn, không phải bên trong nó. Chúng có thể đòi hỏi việc tìm kiếm những hạt mới như axion hoặc đơn cực từ, nhưng sự tồn tại của chúng hoàn toàn mang tính suy đoán. Không thể dựa vào đó để khẳng định rằng vật lý mới sẽ xuất hiện tại những thang năng lượng mà thiết bị hiện nay có thể tiếp cận. Tương tự, nhiều ý tưởng hấp dẫn xuất hiện trong vài thập kỷ qua, nhưng phần lớn đều thất bại khi đối chiếu với thực nghiệm. Tiêu biểu là siêu đối xứng – một lý thuyết đẹp, cung cấp lời giải thanh nhã cho nhiều vấn đề căn bản, giàu tiềm năng đến mức ta cảm thấy tự nhiên “không thể bỏ qua” nó. Nhưng thực tế là ta chưa thấy bất kỳ dấu hiệu nào của siêu đối xứng, khiến nó không thể được xem như mảnh ghép còn thiếu của bức tranh hiện tại.

Ở thang thời gian Planck (~10 – 43 giây), thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử trở nên không tương thích – dấu hiệu của một sự thiếu hụt căn bản trong nhận thức của chúng ta.

Một điểm quan trọng khác: khoa học luôn chứa đựng những bất ngờ. Ngày mai có thể xuất hiện một khám phá mới, một ý tưởng mới, mở ra kỷ nguyên tiến bộ đột phá. Điều đó giúp ta tránh bi quan và nuôi hy vọng. Nhưng ta không biết khi nào khoảnh khắc đó đến; ta không biết “sa mạc tri thức” còn kéo dài bao xa trước khi ta gặp được ốc đảo tiếp theo. Ta có thể tác động đến tốc độ tiến bộ của khoa học, nhưng không thể quyết định những khám phá sẽ xảy ra. Đời nghiên cứu của một nhà khoa học kéo dài vài thập kỷ –và thế kỷ XX thật may mắn khi tốc độ khám phá và chu kỳ nghề nghiệp của con người khớp nhau. Ta chỉ có thể hy vọng điều này không trệch quá xa trong thế kỷ XXI.

Một nhận xét liên quan đến bối cảnh hiện tại là sự tương phản bề ngoài giữa vật lý hạt và thiên văn học. Thực ra, sự khác biệt không lớn như vẻ ngoài. Nhiều nhà vật lý hạt chuyển sang thiên văn học vì lĩnh vực này liên tục xuất hiện những công cụ quan sát mới, cho phép khám phá ở những miền hoàn toàn chưa biết. Đặc biệt hứa hẹn là ánh sáng mới mà sóng hấp dẫn mang lại, giúp nghiên cứu các hiện tượng bùng nổ như va chạm lỗ đen, siêu tân tinh, hay sự hợp nhất của các sao đôi neutron. Đồng thời, khác với Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, mô hình ΛCDM đặt ra các câu hỏi nằm trong chính mô hình này, không phải ngoài nó. Tuy nhiên, thang năng lượng và độ nhạy cần thiết để trả lời những câu hỏi này lại vượt rất xa khả năng của các thiết bị hiện nay. Bản chất của năng lượng tối, của giai đoạn lạm phát, và sự không tương thích giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử ở thang Planck đều là những câu hỏi nền tảng, thách thức toàn bộ hệ thống tư tưởng mà chúng ta đang dùng để hiểu vũ trụ. Còn vật chất tối – câu đố lớn còn lại của ΛCDM – thì được giới vật lý hạt theo đuổi thậm chí còn tích cực hơn cả giới thiên văn.

Có thể thấy, những vấn đề cần suy ngẫm là vô cùng phong phú. Tôi không có tham vọng đưa ra lời khuyên đặc biệt nào. Mục đích của tôi chỉ là khuyến khích cộng đồng khoa học đối diện những thách thức này một cách có trách nhiệm và tỉnh táo. Chúng ta không thể dự đoán tương lai, nhưng ta có thể tác động đến nó. Quyết định ưu tiên tài trợ cho nghiên cứu cơ bản hoặc quyết định nội dung giảng dạy đại học đều mang ảnh hưởng sâu sắc. Những quyết định ấy không thể được đưa ra bằng cách bốc thuốc hay giữ nguyên thói quen cũ.

Ảnh hưởng của việc phân bổ ngân sách nghiên cứu thể hiện rõ nhất trong tranh luận về việc xây dựng một máy gia tốc mới. Một tổng quan xuất sắc có thể tìm thấy trong bài viết Wikipedia² về Máy Gia tốc Đối trùm tròn Tương lai (FCC) – dự án mà CERN kỳ vọng sẽ bảo đảm tương lai của họ trong thế kỷ này và hơn thế nữa. LHC dự kiến hoạt động đến năm 2036; còn FCC, nếu được xây dựng, sẽ vận hành trong phần còn lại của thế kỷ XXI và có thể lâu hơn. FCC sẽ gồm hai giai đoạn quan trọng: Một máy va chạm electron–positron (e⁺e^–) trong đường hầm chu vi 100 km, đạt năng lượng 90–350 GeV. Tiếp đó là máy va chạm proton – proton đạt 100 TeV – gấp tám lần năng lượng cực đại của LHC hiện nay. Mỗi năm, máy e⁺e^– có thể tạo ra: 10¹² boson Z, 10⁸ cặp W, 10¹² boson Higgs, 4×10⁵ cặp quark top. Từ đó cho phép đo các tính chất của chúng với độ chính xác chưa từng có. Máy gia tốc đối chùm proton–proton sẽ là “máy khám phá” ở biên năng lượng, với khả năng tìm kiếm vật lý mới vượt xa LHC. FCC cũng dự kiến cho phép va chạm ion – ion và electron – hadron. Tuy nhiên, khoảng cách giữa LHC và FCC là rất lớn – gần như tăng theo cấp số nhân về hiệu suất, chi phí, công nghệ và thời gian. Điều này đòi hỏi một chương trình R&D khổng lồ: nam châm siêu dẫn 16 Tesla, các khoang tần số vô tuyến (RF) tiên tiến, hệ thống gia tốc tần số vô tuyến 100 MW, và cơ sở hạ tầng siêu lạnh quy mô cực lớn. Các detector cũng phải đạt mức hiệu năng chưa từng có. Tôi hiểu rõ mức khó khăn khi phải thuyết phục các cơ quan tài trợ xây dựng LEP và LHC. Với mỗi dự án, chúng tôi đều có một lý do vô cùng thuyết phục. FCC thì khác: dự án có chất lượng xuất sắc, nhưng thiếu một “lý do tất yếu” tương tự như vậy để biện minh cho chi phí khổng lồ. Nhiều tiếng nói ngoài cộng đồng vật lý hạt cho rằng mục tiêu của FCC không tương xứng với chi phí và xác suất có thể trả lời được các câu hỏi cấp bách của vật lý hiện nay.

Nhiều ý tưởng hấp dẫn xuất hiện trong vài thập kỷ qua, nhưng phần lớn đều thất bại khi đối chiếu với thực nghiệm. 

Không kém phần quan trọng là tác động của việc quyết định nội dung giảng dạy.  Tôi nhớ từng giảng những bài cực kỳ cơ bản về thực nghiệm vật lý hạt cho sinh viên lý thuyết dây – những người “sống trong 11 chiều” nhưng lại không biết pion là gì. Những gì ta dạy ở đại học đặt cơ sở cho cách các nhà khoa học tương lai suy nghĩ; nó định hướng họ trong “bản đồ tri thức” và góp phần định hình sự cân bằng giữa các ngành khoa học trong một quốc gia.

Tại Việt Nam, Bộ KH&CN (MOST) và Bộ GD&ĐT (MOET) đóng vai trò then chốt trong việc đưa ra những quyết định ảnh hưởng trực tiếp đến tương lai khoa học của đất nước. Các cơ quan này cần nhận thức sâu sắc về bối cảnh phức tạp hiện nay và tầm quan trọng của việc đưa ra quyết định đúng đắn, nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho thế hệ nhà khoa học Việt Nam tiếp theo. Để có tầm nhìn rõ ràng, họ cần tham vấn các nhà khoa học có chuyên môn sâu – từ trong nước và quốc tế.□

Phạm Ngọc Điệp dịch

——

Chú thích

¹ Chris Quigg, 2025, Quan điểm và Câu hỏi: Hướng tới Chương trình nghị sự Mở rộng cho Vật lý Hạt, arXiv:2510.06348. See also: Ken Peach, 2025, Tương lai của Vật lý hạt: LHC và hơn thế nữa, https://link.springer.com/     chapter/ 10.1007/978-3-030-38207-0_10

² https://en.wikipedia.org/wiki/Future_Circular_Collider

Bài đăng Tia Sáng số 22/2025