Chủ đề này có 176 trả lời

[tritanngo99]

Khám phá sóng hấp dẫn có thể mở đường giải đáp 6 câu hỏi lớn về vũ trụ

13/02/2016 16:22 - tiasang.com.vn

Tạp chí Nature mới đây đăng bài viết của tác giả Davide Castelvecchi nhận định rằng công bố về bằng chứng cho sóng hấp dẫn đưa ra bởi Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO) hôm 11/2 không chỉ giúp xác minh cho tiên đoán của Einstein cách đây đúng 100 năm mà còn mở ra một ngành thiên văn mới: thiên văn sóng hấp dẫn, với triển vọng giải quyết sáu câu hỏi lớn về vũ trụ.

Bài báo cho biết công bố của LIGO là kết quả nghiên cứu sử dụng hai cảm biến khổng lồ ở Mỹ,một tại Livingston bang Louisiana, một tại Hanford, bang Washington, cho phép các nhà khoa học đo những gợn sóng lăn tăn trong không – thời gian tạo ra bởi va chạm giữa hai hố đen. Điều thú vị là khi dự án LIGO được Chính phủ Mỹ quyết định cấp kinh phí hồi đầu thập kỷ 1990, những người phản đối chủ yếu lại chính là các nhà thiên văn, với quan điểm cho rằng “LIGO chẳng mấy liên quan tới thiên văn học”, theo lời Clifford Will, nhà nghiên cứu thuyết tương đối rộng của Đại học Florida ở Gainesville, một trong những người ủng hộ dự án LIGO ngay từ đầu. Nay thì cái nhìn của giới thiên văn sẽ phải thay đổi, ông nhận định. 
Sau đây là sáu câu hỏi lớn về vũ trụ mà bằng chứng về sóng hấp dẫn đã/sẽ góp phần giải quyết:

Lỗ đen có thực sự tồn tại không?
Một trong những ý nghĩa khoa học quan trọng từ khám phá của LIGO về sự hợp nhất hai lỗ đen, đơn giản chính là đã xác minh lỗ đen thực sự tồn tại. Các nhà thiên văn trước đây chưa từng trực tiếp thấy hố đen, dù đã có nhiều bằng chứng gián tiếp về nó thông qua các quan sát về các vì sao, các đám khí siêu nóng xoay quanh hố đen. Giới khoa học từ lâu vẫn coi sự tồn tại của hố đen như một mặc định, như nhận xét của Frans Pretorius, một chuyên gia về mô phỏng thuyết tương đối rộng từ Đại học Princeton, trả lời Nature trước thềm công bố của LIGO. “Bởi nó là một tiên đoán kỳ vĩ, nên chúng ta đòi hỏi phải có bằng chứng kỳ vĩ tương xứng.”
Những tín hiệu mà LIGO thu được chính là bằng chứng như vậy. Nó cũng xác nhận quy trình hòa nhập giữa hai hố đen đúng như dự đoán. Đó là khi hai hố đen xoay quanh nhau, tỏa ra năng lượng là sóng hấp dẫn. LIGO đã quan trắc được những âm thanh đặc thù của các sóng này, qua đó cho phép các nhà khoa học đo lường khối lượng của hai lỗ đen: một cái gấp 36 lần khối lượng Mặt trời, cái còn lại gấp 29 lần. Sự hòa nhập của hai hố đen “tương tự như khi hai bong bóng xà phòng tiếp cận gần sát nhau, chúng hòa thành một bong bóng”, theo lời Thibault Damour, một nhà nghiên cứu lực hấp dẫn của Viện Nghiên cứu Khoa học tiên tiến gần Paris. Kết quả là hình thành một hố đen hình cầu, tuy nhiên, quá trình đó trước hết tỏa ra những sóng hấp dẫn đúng như LIGO đã xác minh.

Sóng hấp dẫn liệu có di chuyển với tốc độ ánh sáng?
Các nhà vật lý dự đoán rằng lực hấp dẫn được truyền bằng các hạt gọi là graviton. Nếu graviton cũng giống như photon là các hạt không có khối lượng, thì sóng hấp dẫn sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng, đúng với dự đoán về tốc độ sóng hấp dẫn mà Einstein đưa ra theo Thuyết Tương đối rộng cổ điển. (Mặc dù tốc độ sóng hấp dẫn vẫn có thể bị ảnh hưởng bởi quá trình dãn nở tăng tốc của Vũ trụ, nhưng hiện tượng đó chỉ có thể xảy ra ở khoảng cách lớn hơn nhiều so với phạm vi thăm dò của LIGO). 
Ngược lại, trong trường hợp graviton có khối lượng thì sóng hấp dẫn sẽ di chuyển với tốc độ thấp hơn sóng hấp dẫn. Do đó, nếu LIGO quan trắc thấy sóng hấp dẫn từ một sự kiện vũ trụ nào đó lan tới Trái đất tại một thời điểm chậm hơn so với thời điểm một kính thiên văn thông thường nhận thấy các tia γ của cùng sự kiện đó, thì có nghĩa là tốc độ sóng hấp dẫn thấp hơn tốc độ ánh sáng, và điều ấy sẽ cung cấp một thông tin hết sức quan trọng đối với vật lý cơ bản.

Không – thời gian được tạo thành bởi các dây vũ trụ?
Sẽ là một khám phá thậm chí còn kỳ dị hơn nữa nếu qua LIGO người ta quan sát thấy một chùm sóng hấp dẫn từ các ‘dây vũ trụ’. Các nhà vật lý phỏng đoán dây vũ trụ là một dạng khiếm khuyết topo trên đường cong không – thời gian, vô cùng mỏng nhưng trải suốt không gian vũ trụ, và khi sợi dây đó rung động sẽ tạo ra những chùm sóng hấp dẫn mà LIGO có thể đo được.

Bề mặt các sao neutron liệu có gồ ghề?
Các sao neutron là cái còn sót lại sau khi các sao lớn hơn bị sụp đổ bởi chính khối lượng của chúng và trở nên đặc tới mức các hạt electron và proton bị ép hòa vào nhau trở thành neutron. Mặc dù lý thuyết này đến nay vẫn còn chưa hoàn thiện, nhưng sóng hấp dẫn sẽ đem lại những hiểu biết quan trọng đột phá. Ví dụ, thông thường lực hấp dẫn cực hạn sẽ khiến các sao neutron là một hình cầu gần như hoàn hảo, nhưng một số nhà nghiên cứu phỏng đoán rằng trên bề mặt hình cầu vẫn có những “núi” cao vài milimet, khiến cho sao neutron (với đường kính khoảng 10 km) bị lệch tâm một chút xíu, mà với tốc độ quay rất nhanh của chúng thì sự bất cân xứng rất nhỏ ấy đủ để tạo ra các tín hiệu sóng hấp dẫn có trắc đồ hình sin, tỏa ra năng lượng và làm giảm tốc độ quay của sao. Các cặp sao neutron xoay quanh nhau cũng sẽ tạo ra một dạng tín hiệu liên tục,  và tương tự như hai hố đen chúng cũng tiếp cận nhau cho tới khi nhập lại, tạo thành một âm thanh có thể nghe thấy được. Nhưng khác với sự hòa nhập các hố đen, các sao neutron khi hòa vào nhau dẫn tới rất nhiều kịch bản khác nhau, có thể tạo thành một sao neutron khổng lồ, cũng có thể là một vụ sụp đổ tức thời và trở thành hố đen.

Nguyên nhân nào khiến các vì sao bị nổ?   
Hố đen và sao neutron hình thành khi các vì sao khổng lồ tắt sáng và tự sụp đổ. Các nhà vật lý thiên văn cho rằng điều này gây ra một loại nổ supernova phổ biến, gọi là Loại II. Các mô phỏng về supernova chưa giúp lý giải rõ ràng yếu tố nào kích hoạt ra chúng, nhưng việc lắng nghe các chùm sóng hấp dẫn từ các supernova có thể mang đến câu trả lời. Tùy thuộc vào dữ liệu về hình dạng sóng của các chùm sóng hấp dẫn, mức độ âm thanh, mật độ của chúng, và tính tương liên giữa chúng với bản thân các supernova như qua quan sát từ các kính thiên văn điện từ, sẽ giúp củng cố hoặc bác bỏ các mô hình lý thuyết hiện hành.

Vũ trụ giãn nở với tốc độ nào?
Sự giãn nở của Vũ trụ khiến các đối tượng đang lùi xa khỏi Thiên hà của chúng ta nom đỏ hơn diện mạo thực của chúng, do ánh sáng mà chúng tỏa ra bị kéo dãn trong khi di chuyển. Các nhà nghiên cứu vũ trụ ước tính tốc độ giãn nở của Vũ trụ bằng cách xem xét đối chiếu giữa tông màu đỏ của các thiên hà mà chúng ta quan sát được với khoảng cách giữa chúng tới Trái đất. 
Tuy nhiên, thay vì dựa vào kỹ thuật có sai số khá lớn này, người ta có thể sử dụng một số trạm quan trắc sóng vũ trụ ở vài địa điểm khác nhau trên thế giới để đo các tín hiệu từ cùng một vụ sát nhập sao neutron, qua đó đo được âm thanh tín hiệu để cung cấp một chỉ số độc lập để ước tính độ giãn nở vũ trụ với độ chính xác cao hơn.

 

Lược dịch theo Nature  
http://www.nature.co...-tackle-1.19337
 

[tritanngo99]

Vũ trụ đang giãn nở nhanh bất thường, gợi mở đến một nền vật lý mới

Kết quả đo lường mới về hằng số Hubble – chỉ tốc độ giãn nở của vũ trụ – đang thách thức hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, nó có thể hướng chúng ta đến một nền vật lý mới vượt ra ngoài hiểu biết hiện tại.

(ảnh minh họa, qua holographicgalaxy.wordpress.com) Hiểu biết mới

Lý thuyết cho rằng vũ trụ đang giãn nở được chấp nhận rộng rãi bởi các nhà thiên văn học. Người ta tin rằng sự mở rộng này diễn ra với một tốc độ không đổi, được gọi là hằng số Hubble, một trong những đại lượng cơ bản mô tả vũ trụ của chúng ta. Tuy nhiên, tốc độ mở rộng này là chủ đề của nhiều nghiên cứu, mỗi nghiên cứu đều có phép đo lường riêng của mình về hằng số Hubble.

Một nghiên cứu gần đây đo hằng số Hubble theo một cách khác. Các nhà thiên văn từ dự án hợp tác H0LiCOW dẫn đầu bởi nhà nghiên cứu Sherry Suyu đã sử dụng các kính thiên văn được lắp đặt trong không gian và trên mặt đất, bao gồm cả kính viễn vọng không gian Hubble của NASA/ESA để xem xét 5 thiên hà – khiến họ đi đến phép đo độc lập của hằng số Hubble.

5 thiên hà lớn mà dự án quan sát nằm giữa Trái Đất và các chuẩn tinh rất xa xôi. Những chuẩn tinh này rất sáng và ánh sáng của chúng phát ra có xu hướng uốn cong xung quanh các thiên hà có khối lượng lớn do “hiệu ứng thấu kính hấp dẫn”, tạo ra nhiều hình ảnh nền của chuẩn tinh bị nhòe thành các hình cánh cung.

 

Nhà nghiên cứu Frédéric Courbin, đồng lãnh đạo của dự án nghiên cứu cho biết: “Phương pháp của chúng tôi là đơn giản và trực tiếp nhất để đo lường hằng số Hubble vì nó chỉ sử dụng hình học và thuyết tương đối, không có giả định khác”.Nhóm nghiên cứu đã đo độ trễ của các nhấp nháy trong hình ảnh chuẩn tinh, vốn liên quan trực tiếp đến hệ số Hubble.

Sử dụng thời gian trễ giữa nhiều hình ảnh và mô hình hóa trên máy tính, các nhà nghiên cứu đã đi đến một phép đo có độ chính xác đáng kinh ngạc (với tỉ lệ sai số 3,8%) về hằng số Hubble. “Phép đo chính xác về hằng số Hubble là một trong những kết quá nghiên cứu đáng giá nhất về vũ trụ ngày nay,” nhà nghiên cứu Vivien Bobvinđánh giá.

Video về hiệu ứng thấu kính hấp dẫn:

Video về độ trễ của các nhấp nháy trong hình ảnh chuẩn tinh:

Nền vật lý mới?

Phép đo mà Suyu và nhóm nghiên cứu thực hiện cũng đồng thuận với các phép đo khác về hằng số Hubble trong “vũ trụ gần” (local universe) dựa trên tham chiếu là các ngôi sao thay đổi độ sáng (biến quang) Cepheid và các siêu tân tinh. Tuy nhiên, các phép đo này có sự khác biệt về giá trị với các phép đo thực hiện bởi vệ tinh ESA Plank. Đây cũng là điều được dự đoán trước vì vệ tinh Planck đo hằng số Hubble bằng cách quan sát các dao động nền vi sóng của vũ trụ sơ khai.

“Tốc độ nở rộng của vũ trụ hiện đang được bắt đầu đo bằng nhiều cách khác nhau với độ chính xác cao mà sai lệch thực tế có thể chỉ tới các kiến thức vật lý nằm ngoài hiểu biết hiện tại của chúng ta về vũ trụ”, Suyu giải thích.

Giá trị thu được của các nhóm thiên văn khi đo lường trong vũ trụ gần – khu vực vũ trụ kéo dài trong bán kính khoảng 1 tỷ năm ánh sáng – dường như không đồng thuận với các mô hình lý thuyết đã được chấp nhận về vũ trụ.

Phép đo lường mới này của hằng số Hubble đang thách thức hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. “Hằng số Hubble là rất quan trọng đối với thiên văn học hiện đại, vì nó có thể giúp xác nhận hoặc bác bỏ rằng vũ trụ vốn được tạo nên bởi năng lượng tối, vật chất tối và vật chất bình thường có thật sự chính xác, hay chúng ta đang thiếu mất một cái gì đó cơ bản”, Suyu giải thích thêm.

Theo futurism,
Thiên Tâm biên dịch

[tritanngo99]

Nghiên cứu: Vũ trụ có thể tồn tại 9 chiều không-thời gian, và lỗ đen chính là cánh cửa.

Một nghiên cứu mới cho biết, vũ trụ không chỉ là không gian 3 chiều như mắt thường chúng ta nhìn thấy, mà lên tới 9 chiều không gian-thời gian; và lỗ đen chính là cánh cửa đi qua những vũ trụ khác.

 

Mô hình mô phỏng sóng trọng lực khi 2 lỗ đen kết hợp (Ảnh: Wiki)

Các nhà nghiên cứu ở Large Hadron Collider (Máy gia tốc hạt lớn – gọi tắt là LHC) ở châu Âu đang tiến gần hơn tới mục tiêu tìm ra bằng chứng cho giả thuyết này.

Theo Daily Mail, điều này có vẻ giống truyện khoa học viễn tưởng, nhưng các nhà vật lý cho rằng những chiều không gian khác có thể giải thích tất cả mọi thứ từ vật lý lượng tử cho đến trọng lực.

Một trong số đó, “lý thuyết màng” (brane theory) cho rằng những chiều không gian khác có thể ẩn giấu các vũ trụ song song.

“Lý thuyết màng là một phần của lý thuyết dây – giải thích tất cả các lực và hạt vi mô mà chúng ta biết bằng một mô tả duy nhất,” TS Chris White – nhà vật lý học của ĐH Queen Many ở London cho biết.

“Lý thuyết dây cho rằng cấu thành cơ bản của tự nhiên không phải là các hạt vi mô, mà là các dây, từ đó cấu thành nên các bề mặt, các chiều – gọi là “màng” (brane). Phương trình giả thuyết dây, bao gồm các màng này, chỉ có ý nghĩa trong không gian 9 chiều, thay vì không gian 3 chiều mà chúng ta thấy.”

Xem thêm: Các thiên hà xếp theo hình mạng nhện cho thấy trật tự vĩ đại của vũ trụ

Trong quyển sách “Vũ trụ trong tay bạn”, TS Christophe Galfard mô tả một thí nghiệm hình dung điều gì sẽ xảy ra khi chúng ta có thể qua lại giữa các chiều không gian đó.

“Các lỗ đen có thể kết nối những màng gần nhau thông qua một đường hầm không-thời gian biến dạng, trọng lực từ các màng sẽ thu hút lẫn nhau. Bạn tự hỏi không biết có người sống trong những màng đó và lỗ đen có thể làm đường hầm giữa 2 thế giới hay không?”

Máy gia tốc hạt lớn (LHC) (Ảnh: Flickr)

Sử dụng Máy gia tốc hạt lớn (LHC) ở Trung tâm nghiên cứu CERN tại Geneva, các nhà khoa học đang tìm kiếm dấu hiệu của những chiều không gian khác, bằng cách tạo ra một lỗ đen mini.

“LHC có thể tạo ra một lỗ đen nhỏ nếu tồn tại những chiều không gian khác đúng kích cỡ,” TS White bổ sung. “Chúng phân hủy rất nhanh nhưng sẽ để lại một dấu hiệu phóng xạ tăng vọt trong cảm biến của chúng tôi!”

Theo TS White, ngay cả khi LHC không ghi nhận được bằng chứng, thì có thể là do hạn chế của cảm biến, chứng vẫn không loại trừ khả năng tồn tại các chiều không gian khác.

Xem thêm: Video: Phạm vi vũ trụ mà con người đã biết

Trong 4 loại lực cơ bản, bản chất của trọng lực dường như không tương thích, bởi vì nó quá yếu so với các lực khác, nên nhiều hiện tượng vật lý không giải thích được. Nhưng lý thuyết màng có thể tránh được những khuyến điểm này, và giải thích hợp lý cho nhiều hiện tượng.

Tuy nhiên, vì lý thuyết màng và lý thuyết dây cho rằng có nhiều hơn không gian 3 chiều, nhiều nhà vật lý không đồng tình vì điều này trái với nhận thức thông thường.

“Hiện tại tôi không thấy có lý luận mạnh mẽ nào cho ý tưởng về vũ trụ song song,” nhà vật lý lý thuyết Carlo rovelli phát biểu tại cuộc tranh luận vào tháng 7/2016.

Video của CERN về dự định cho Máy gia tốc hạt lớn chứng minh chiều không gian thứ 5:

[tritanngo99]

Siêu rối lượng tử đóng gói 18 qubit trong 6 photon với 3 bậc tự do: Phá vỡ kỷ lục thế giới về rối lượng tử

06/08/2018 07:38 - Nguyễn Bá Ân - tiasang.com.vn

Thành tựu này hứa hẹn mở đường cho những ứng dụng thực tiễn mới, như thực hiện các tính toán lượng tử phức tạp nhất định mà cho tới nay mới chỉ được thảo luận về mặt lý thuyết và chưa bao giờ được tiến hành trên thực tế.

Rối lượng tử (entanglement) là hiện tượng kỳ bí nhất trong thế giới vi mô và không hề có đối chiếu trong thế giới vĩ mô. Nếu 2 hệ lượng tử A và B rối với nhau thì trạng thái của hệ toàn phần AB là xác định, trong khi đó trạng thái của từng hệ riêng biệt, A hoặc B, lại là không xác định. Khi trạng thái của hệ A (B) được xác định bởi một phép đo lượng tử trên hệ A (B) thì trạng thái của hệ B (A) cũng lập tức được xác định mà không cần bất cứ một phép đo nào trên hệ B (A). Đáng ngạc nhiên hơn, mối tương quan tức thì như vừa nói lại không phụ thuộc vào khoảng cách giữa các hệ A và B! Sinh thời Einstein đã hoàn toàn không chấp nhận hiện tượng rối lượng tử và đã cho rằng đó là tác động ma quỷ bất chấp khoảng cách (“Spooky action at a distance”). Nhưng Einstein đã sai! Ngày nay người ta đã kiểm chứng chắc chắn được rằng rối lượng tử là có thật và sự hiển diện của các trạng thái rối lượng tử cho phép thực hiện một số giao thức toàn cầu chỉ bằng các thao tác địa phương kết hợp với truyền thông cổ điển, điều không thể thực hiện được trong thế giới vĩ mô. Rối lượng tử cũng cho phép thực hiện một số tính toán phức tạp một cách cực nhanh mà không một hệ siêu máy tính cổ điển nào có thể làm được.

Khác với tính toán trên máy tính thông thường là dựa trên các bit cổ điển “0” và “1”, tính toán trên máy tính lượng tử theo các thuật giải lượng tử lại sử dụng các bit lượng tử (qubit). Mỗi qubit có thể ở trong trạng thái không xác định, không phải “0”, cũng không phải “1”, mà là cả hai cùng một lúc, và các qubit có thể tồn tại trong các trạng thái rối khác nhau. Điều này, về lý thuyết, cho phép thực hiện tất cả các loại tính toán mà máy tính thông thường không thể thực hiện được. Tuy nhiên, về công nghệ, tính toán lượng tử hiện nay chỉ mới đang ở giai đoạn thử nghiệm ban đầu.

Về nguyên tắc, bài toán càng phức tạp càng cần “đóng gói” nhiều qubit hơn trong một trạng thái rối. Thông thường mỗi photon (hay điện tử, nguyên tử hai mức, hạt có spin ½, …) được xem như một qubit.  Một cách tự nhiên nhất, muốn đóng gói N qubit trong một trạng thái, cần làm rối N photon với nhau. Hiện nay 10 qubit đã được đóng gói trong một trạng thái rối gồm 10 photon [1]. Tuy nhiên, để làm rối vài photon với nhau thôi đã phải mất vài hoặc vài chục giây, một khoảng thời gian quá quá dài đối với các tính toán lượng tử, chưa nói để thực hiện mỗi phép tính lại phải bắt đầu một quá trình tạo rối mới. Hơn nữa, việc làm rối thêm một photon vào nhóm các photon đã được làm rối trước đó sẽ còn mất nhiều thời gian hơn. Do vậy, làm rối nhiều photon theo cách làm rối lần lượt từng photon là cách làm hoàn toàn không tối ưu.

Mỗi photon (hay bất cứ một loại hạt vi mô nào khác) có thể ở trong các trạng thái khác nhau được đặc trưng bởi các bậc tự do (degree of freedom) khác nhau. Thí dụ, một photon có thể được đặc trưng bởi bậc tự do phân cực trong trạng thái có phân cực dọc hoặc phân cực ngang hoặc cả hai; nó cũng có thể được đặc trưng bởi bậc tự do lộ trình không gian (spatial path degree of freedom) là truyền theo hướng này hay hướng khác hoặc cả hai hướng; hoặc bậc tự do moment quỹ đạo (orbital angular moment), v.v. Thường thì  một thí nghiệm lượng tử chỉ khai thác một loại bậc tự do đối với tất cả các hạt trong thí nghiệm đó. Nếu khai thác cùng một lúc nhiều hơn một loại bậc tự do thì một hệ lượng tử có thể đóng gói N qubit trên M (M < N) hạt. Trạng thái rối sử dụng đồng thời nhiều bậc tự do, gọi là trạng thái siêu rối (hyperentanglement).

Các trạng thái siêu rối đã từng được tạo ra trước đây nhưng mới chỉ khai thác cùng lắm tới hai loại bậc tự do. Mới đây một kỷ lục đáng kinh ngạc về tạo siêu rối đã được thiết lập. Theo công bố ngày 28/6/2018 trên tạp chí Physical Review Letters [2], các nhà khoa học Trung Quốc vừa đóng gói thành công 18 qubit trên một trạng thái rối chỉ gồm 6 photon; có nghĩa là mỗi photon mang thông tin của 3 qubit. Mấu chốt là ở chỗ các nhà nghiên cứu đã lợi dụng thành công cùng lúc 3 bậc tự do của photon: bậc tự do phân cực, bậc tự do lộ trình không gian và bậc tự do moment quỹ đạo, điều chưa từng thấy từ trước tới nay. Điều này giống như bạn sử dụng sáu bit trong máy tính của bạn, nhưng mỗi bit lại có dung lượng thông tin nhiều gấp ba lần. Như vậy, cùng một lúc bạn có thể lưu trữ và xử lý tới 262144  dữ liệu khác nhau.

Hình 1. Sơ đồ thực nghiệm để tạo trạng thái rối 6 photon phân cực.

Sơ đồ thực nghiệm gồm 3 bước. Bước 1 khai thác bậc tự do phân cực của photon. Trong bước này (Hình 1) một chùm laser được chiếu lần lượt qua các cấu trúc gồm 1 đĩa bán sóng (ký hiệu là HWP) kẹp giữa 2 môi trường phi tuyến (ký hiệu là BBO) để tạo ra 3 cặp photon rối có dạng:, với là trạng thái phân cực ngang (dọc). Sau đó, photon 1 được lần lượt kết hợp với photon 3 và photon 5 trên các bộ tách chùm phân cực (ký hiệu là PBS). Thời gian truyền của các photon được điều chỉnh sao cho chúng đến các PBS cùng một lúc. Khi một và chỉ một photon xuất hiện ở mỗi đầu ra thì 6 photon đã được rối với nhau trong một trạng thái rối đa hạt kiểu Greenberger–Horne–Zeilinger [3] có dạng  .

Hình 2. Sơ đồ thực nghiệm để tạo trạng thái siêu rối sử dụng cả bậc tự do lộ trình không gian (phía bên trái) và bậc tự do moment quỹ đạo (phía bên phải).

Để sử dụng bậc tự do lộ trình không gian, trong bước 2 từng photon được truyền qua một bộ tách chùm phân cực kép (Hình 2, phía bên trái). Mỗi photon trước đó đã cùng một lúc ở cả hai trạng thái phân cực và chỉ truyền theo một lộ trình không gian, nhưng sau khi đi qua bộ tách chùm phân cực kép thì bị tách ra thành hai lộ trình không gian: lộ trình trên (ký hiệu là U) ứng với phân cực ngang và lộ trình dưới (ký hiệu là D) ứng với phân cực dọc. Có nghĩa là trạng thái lúc đầu của photon sẽ chuyển thành, một kiểu siêu rối theo cả phân cực và lộ trình.

Sau cùng, bậc tự do moment quỹ đạo sẽ được khai thác trong bước 3 bằng cách chèn hai đĩa pha xoắn ốc (ký hiệu là SPP) vào cả hai lộ trình của mỗi photon (Hình 2, phía bên phải): photon đi theo lộ trình U sẽ có moment quỹ đạo kiểu ‘thuận tay phải’  (ký hiệu R) còn photon đi theo lộ trình D sẽ có moment quỹ đạo kiểu ‘thuận tay trái’  (ký hiệu L). Như vậy, sau 3 bước, mỗi photon sẽ đồng thời ở trong trạng thái siêu rối theo cả phân cực, lộ trình không gian và moment quỹ đạo dưới dạng. Bằng cách làm như trong các bước 2 và 3 với mỗi photon, bắt đầu từ trạng thái 6 photon rối theo bậc tự do phân cực (Hình 1), 18 qubit đã được đóng gói trong một trạng thái siêu rối mà chỉ cần có 6 photon  , với  là ký hiệu gọn cho   Xác suất thành công để đóng gói 18 qubit trong 6 photon nhờ sử dụng cả 3 bậc tự do lớn hơn khoảng 13 bậc so với đóng gói cũng 18 qubit nhưng trong 18 photon khi chỉ sử dụng một bậc tự do.

Cũng cần phải nói thêm rằng việc tạo ra trạng thái siêu rối như thế này có thể thực hiện được đối với các photon nhưng đối với các dạng qubit khác, như các qubit trong các mạch siêu dẫn chẳng hạn, thì lại không hề dễ dàng. Chi tiết hơn có thể tham khảo thêm từ các trích dẫn trong [2] và [4].

 

----

Tài liệu tham khảo

[1] L.K. Chen et al., Optica 4, 77 (2017)

[2] X.L. Wang et al., Physical Review Letters 120, 260503 (2018)

[3] https://en.wikipedia...Zeilinger_state

[4] https://www.scientif...nglement-record

[tritanngo99]

Các nhà nghiên cứu tạo ra một “rối lượng tử phổ dụng” cho công nghệ lượng tử

04/03/2019 07:30 - tiasang.com.vn

Một trong những khái niệm chính trong vật lý lượng tử là rối lượng tử, trong đó hai hoặc nhiều hệ lượng tử trở thành một liên kết vô cùng chặt chẽ mà trạng thái chung của chúng không thể được xác định chỉ bằng việc quan sát từng phần riêng rẽ. Hiện tại các nhà nghiên cứu trường đại học Yale đã phát triển một “rối lượng tử phổ dụng” có thể liên kết với nhiều hạt được mã hóa theo yêu cầu.

Các nhà nghiên cứu Yale đã tạo ra một "rối lượng tử phổ dụng có thể liên kết các hạt được mã hóa theo yêu cầu. Nguồn: Yale University

Khám phá này đã tái hiện một cơ chế mới đầy thuyết phục với tiềm năng có thể áp dụng trong máy tính lượng tử, mật mã và truyền thông lượng tử. Nghiên cứu này do các nhà nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm do Robert Schoelkopf phụ trách thực hiện và được đăng tải trên Nature với bài báo “Rối lượng tử của các mode boson thông qua một trao đổi tương tác được thiết kế” (Entanglement of bosonic modes through an engineered exchange interaction).

Các tính toán lượng tử đã được thực hiện với dữ liệu gồm các bit tinh nhạy, vẫn được gọi là qubits, vốn dễ bị lỗi. Để hoàn thành các máy tính lượng tử thực sự, các nhà khoa học cho rằng, chúng cần các qubit “có logic”, mà các lỗi của chúng có thể dò được và khắc phục được bằng việc sử dụng các mã sửa lỗi lượng tử.

“Chúng tôi đã chứng tỏ một cách mới trong việc tạo ra các cổng giữa các qubit mã hóa hợp lý (logically-encoded qubits) mà cuối cùng có thể sửa lỗi được,” Schoelkopf – giáo sư vật lý và vật lý ứng dụng Sterling Yale và giám đốc Viện nghiên cứu lượng tử Yale, cho biết. “Việc vận hành nó có nhiều phức tạp hơn những gì đã thấy trước đây”.

Cơ chế rối lượng tử gọi là một cổng SWAP hàm mũ – cổng SWAP được điều hành bởi hai qubit và trong các trạng thái cơ bản, cổng SWAP hoán đổi các trạng thái của hai qubit tham gia vào quá trình vận hành. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã trình diễn công nghệ mới này bằng các trạng thái mã hóa rối lượng tử trong bất kỳ hình dạng hoặc các mã được chọn nào, mỗi mã đặt ở hai nơi tách biệt, các khoang vi sóng siêu dẫn 3D.

"Rối lượng tử phổ dụng này là tới hạn với các máy tính lượng tử”, Yvonne Gao, đồng tác giả của nghiên cứu, nói. “Các nhà khoa học đã sáng chế ra những mã sửa lỗi lượng tử hiệu quả về phần cứng – mỗi mã được thiết kế một cách tinh xảo với những đặc tính độc nhất vô nhị có thể được khai thác cho những ứng dụng khác nhau. Dẫu sao, mỗi mã đòi hỏi việc lắp ráp với một bộ hệ điều hành mới được thiết kế riêng, dẫn đến một chi phí phần cứng đáng kể và giảm bớt sự linh hoạt".

Rối lượng tử phổ dụng này sẽ góp phần giải quyết giới hạn này bằng việc đem đến một cổng giữa bất kỳ các trạng thái đầu vào mong muốn nào. “Chúng tôi có thể chọn bất kỳ mã mong muốn nào hoặc thậm chí thay đổi chúng một cách nhanh chóng mà không cần đến việc lắp đặt lại hệ điều hành,” Brian Lester – đồng tác giả, cho biết.

Khám phá này chỉ là bước mới nhất trong việc nghiên cứu về lượng tử ở Yale. Các nhà khoa học Yale đang đi tiên phong trong những nỗ lực phát triển chiếc máy tính lượng tử đầu tiên và hiện là những người đi đầu trong nghiên cứu về máy tính lượng tử với các mạch siêu dẫn.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/new...m-tech.html#jCp

[tritanngo99]

Lần đầu tiên thực hiện tính toán lượng tử đám mây

02/06/2018 08:00 - tiasang.com.vn

Năng lượng liên kết của deuteron lần đầu tiên đã được tính bằng thuật giải lượng tử thông qua việc sử dụng kết nối mạng từ xa với các thiết bị lượng tử.

Trong khoa học, công việc tính toán từ lâu đã được tiến hành theo cách gõ lệnh trên màn hình rồi gửi những lệnh đó đến một máy tính, có thể là ở ngay toà nhà bên cạnh hoặc ở một địa điểm khác rất xa. Truy cập từ xa như thế cho phép các nhà khoa học sử dụng các siêu máy tính mà họ không thể có tại nơi họ làm việc. Bây giờ ý tưởng này đã lan đến lãnh địa của tính toán lượng tử. Cái gọi là tính toán lượng tử đám mây hiện đang được cung cấp bởi một số công ty như IBM, Google và Rigetti, những công ty có các chip lượng tử kết nối được với internet. Người được cấp quyền sử dụng chỉ cần gửi mã lập trình lượng tử của mình đến một trong những công ty trên: chương trình lượng tử sẽ được chạy và kết quả sẽ được gửi trở lại, không cần người dùng rời khỏi văn phòng hoặc thậm chí không cần tìm hiểu bất kỳ chi tiết phức tạp nào về “phần cứng lượng tử”. Vận dụng xu hướng này, Eugene Dumitrescu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Mỹ Oak Ridge ở Tennessee và các cộng sự đã tính năng lượng liên kết của deuteron bằng việc sử dụng bộ vi xử lý lượng tử truy cập qua máy chủ đám mây1. Lời giải của bài toán này đã được biết từ trước, nhưng đây là lần đầu tiên bài toán này được giải với máy tính lượng tử. Điều này tạo ra cơ hội tốt cho các nhà khoa học khi các máy tính lượng tử ngày càng trở nên phổ biến hơn.

Hình 1: Bit và bit lượng tử (qubit) đều được đặc trưng bởi hai trạng thái riêng biệt. Sự khác nhau là bit chỉ có thể ở một trong hai trạng thái, còn qubit có thể cùng một lúc ở cả hai trạng thái.

Mặc dù ý tưởng về các máy tính lượng tử đã tồn tại từ nhiều thập kỷ nay, việc thiết kế các máy tính như vậy chỉ trở nên khả thi trong vài năm gần đây. Máy tính lượng tử dựa trên khả năng thao tác trên các bit lượng tử (gọi là các qubit), là các trạng thái lượng tử có thể tồn tại như một chồng chập tùy ý của các trạng thái của bit (Hình 1). Việc đồng thời ở cả hai trạng thái có nghĩa là qubit mang nhiều thông tin hơn bit. N bit chỉ có thể biểu diễn một trong 2N trạng thái khả dĩ, trong khi đó N bit chỉ có thể biểu diễn một trong 2^N trạng thái khả dĩ, trong khi đó N qubit có thể biểu diễn tất cả 2^N trạng thái cùng một lúc.”. Sức mạnh của máy tính lượng tử là khả năng tạo ra các trạng thái chồng chập lớn, các trạng thái rối lượng tử và sự giao thoa lượng tử, những điều không tồn tại trong tính toán thông thường. Điều này tạo nên sự tăng tốc đáng kể trong tính toán: một số bài toán đòi hỏi số thao tác (đồng nghĩa với thời gian tính toán) tăng theo cấp số mũ so với số liệu đầu vào nếu sử dụng máy tính thông thường, nhưng chỉ tăng theo cấp đa thức trên máy tính lượng tử.

Hiện nay đã xuất hiện một vài máy tính lượng tử kết hợp các bit với vài chục qubit. Các qubit có thể hiện thực hóa bằng nhiều hệ vật lý khác nhau, như chồng chập của trạng thái spin có chiều hướng lên và spin có chiều hướng xuống của các nguyên tử hoặc chồng chập của hai trạng thái kích thích trong một mạch siêu dẫn, v.v. Một số máy tính lượng tử đơn giản đã được thiết kế để phục vụ khách hàng từ xa. Ví dụ, IBM Q Experience là một nền tảng dựa trên cơ chế đám mây cho phép các nhà nghiên cứu chạy các chương trình riêng của mình trên một trong những máy tính lượng tử dựa trên chất siêu dẫn được đặt trong các phòng nghiên cứu khác nhau của IBM. Cụ thể, Dumitrescu và các cộng sự^ …1 được quyền truy cập vào hai hệ thống tính toán lượng tử đám mây: một chip lượng tử QX5 của IBM và một chip lượng tử Rigetti 19Q.

Để sử dụng máy tính lượng tử cần thành thạo “ngôn ngữ” lượng tử, khác với ngôn ngữ vẫn dùng trên máy tính thông thường. Nói chung, có thể chia thành ba bước chính: (i) xây dựng vấn đề cần giải quyết thông qua các ma trận unita, (ii) viết lại các ma trận đó dưới dạng các cổng logic có thể thực hiện được trên một máy tính lượng tử đã cho, và (iii) thực hiện các cổng logic đó với nỗ lực nâng cao hiệu quả của bước (ii), giảm tối đa số cổng logic (trên thực tế chỉ cần một số lượng rất nhỏ các cổng logic vẫn đủ để thực hiện gần như bất kỳ một ma trận unita nào).

Cổng logic trong máy tính lượng tử là một thao tác trên các qubit, nó luôn được biểu diễn bởi một toán tử unita. Nếu coi trạng thái một qubit là trạng thái của một spin, thì toán tử unita tương ứng sẽ là một phép quay của spin đó. Lấy một ví dụ đơn giản, giả sử ta muốn tìm năng lượng của một trạng thái cụ thể |ψ〉. Để xây dựng trạng thái này, ta sẽ thiết kế một toán tử unita U. Toán tử này tác động lên một hoặc nhiều qubit trong trạng thái cơ bản |0〉của chúng: |ψ〉 = U|0〉. Giả sử Hamiltonian có thể được tính từ một toán tử unita W khác. Một cách để tính năng lượng trung bình là thực hiện các thao tác trên các qubit biểu diễn trạng thái |ψ〉 (ở đây là tác động W lên |ψ〉) kết hợp với thao tác trên một qubit bổ sung (gọi là qubit ancilla) như trên Hình 2. Sau khi kết thúc các tác động nói trên, qubit ancilla sẽ được đo và nhận được kết quả dưới dạng các bit. Tuy nhiên, kết quả đo này chỉ là một trong nhiều khả năng có thể xảy ra, vì vậy cần lặp lại phép đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình, là giá trị liên quan đến giá trị kỳ vọng 〈W〉, có thể biến đổi thành năng lượng trung bình cần tính.

Hình 2: Trong tính toán lượng tử đám mây, người dùng công thức hóa vấn đề cần giải quyết, như tính năng lượng liên kết của một hạt nhân chẳng hạn, dưới dạng các ma trận unita U, W, v.v.. Các ma trận này được chuyển đổi thành các cổng logic với các lệnh thực hiện theo trình tự cụ thể. Các lệnh này được gửi qua internet tới một cơ sở tính toán có trang bị một con chip lượng tử (hiển thị ở bìa phải). Một ví dụ về tính toán lượng tử được hiển thị trong phần hình màu xanh lá cây: Đầu tiên, cho toán tử U tác động lên trạng thái cơ bản |0〉 của các qubit để tạo ra hàm sóng mong muốn |ψ〉. Sau đó thực hiện các cổng H (gọi là cổng Hadamard) lên qubit ancilla và cổng W lên các qubit trong trạng thái |ψ〉 theo một trình tự nhất định. Cuối cùng, qubit ancilla sẽ được đo và kết quả (dưới dạng các bit thông thường) được gửi lại cho người dùng.

Dumitrescu và các cộng sự đã chọn bài toán tính năng lượng liên kết của deuteron. Hamiltonian trong trường hợp này rất đơn giản và lời giải có thể được tìm thấy một cách giải tích. Tuy nhiên giải bài toán này trên máy tính lượng tử là một bài tập hữu ích, sẽ giúp phát triển các thủ tục để giải các bài toán khác khó hơn nhiều. Xét về ba bước chính của tính toán lượng tử đã nói ở trên, các tác giả đã mô tả rất rõ ràng và sư phạm các bước (i) và (ii), trong khi bước (iii) là nặng về kỹ thuật và vượt ra ngoài phạm vi của bài toán này.

Chiến lược của nhóm Dumitrescu là sử dụng phương pháp tìm hàm riêng/trị riêng lượng tử. Ban đầu, nhóm đã thực hiện một phép tính hai qubit, chỉ tính đến hai trạng thái cơ sở kết hợp cụm. Họ tìm được kết quả phù hợp từ các chip của IBM và Rigetti. Sau đó họ thực hiện tiếp một phép tính ba qubit chỉ với chip của IBM. Khi các kết quả được ngoại suy đến giới hạn có vô số trạng thái cơ sở (là giới hạn có thể tính được một cách giải tích), giá trị năng lượng liên kết được tính bằng tính toán lượng tử đám mây phù hợp tuyệt vời với các tính toán giải tích chính xác.

Hiện nay, các máy tính lượng tử khá bị hạn chế về số lượng qubit và các cổng logic lượng tử. Ngoài ra, có thể nói rằng thao tác trên các qubit không hề dễ. Ví dụ, spin của một nguyên tử biểu diễn trạng thái của qubit tất yếu bị ảnh hưởng bởi môi trường. Điều này có nghĩa là các thao tác trên các qubit sẽ bị lỗi với mức độ tăng theo số cổng logic được áp dụng trên chúng. Mặc dù còn những hạn chế như vậy, sự quan tâm đến tính toán lượng tử vẫn đã "bùng nổ" trong cộng đồng các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới. Số lượng các phần cứng lượng tử cần thiết cũng đang tăng lên theo thời gian và điều này sẽ gia tăng đáng kể cơ hội khám phá những cách thức mới để giải quyết các bài toán lượng tử nhiều hạt trong vật lý và hóa học.

Nguyễn Bá Ân dịch
Nguồn: https://physics.aps.org/articles/v11/51
—-
1. E. F. Dumitrescu và cộng sự, “Cloud Quantum Computing of an Atomic Nucleus,” Phys. Rev. Lett.120, 210501 (2018).

[tritanngo99]

Đề xuất lý thuyết trong không thời gian nhiều chiều

09/05/2018 08:15 - Thanh Nhàn -tiasang.com.vn

“Lý thuyết hấp dẫn phi tuyến nhiều chiều có khối lượng” (Higher dimensional nonlinear massive gravity) - công trình của TS. Đỗ Quốc Tuấn (Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN) xuất bản trên tạp chí Physics Review D và là một trong 9 đề cử Giải thưởng Tạ Quang Bửu 2018, không chỉ đem đến cái nhìn nhất quán về lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng trong không thời gian có số chiều bất kỳ mà còn chỉ ra được sự tồn tại của hằng số vũ trụ hiệu dụng thông qua các số hạng graviton, qua đó đưa ra một cách giải thích về bản chất của năng lượng tối – một trong những vấn đề còn chứa đựng nhiều bí ẩn của vũ trụ.

TS. Đỗ Quốc Tuấn và vợ chồng giáo sư Trần Thanh Vân tại Trung tâm Quốc tế Khoa học và Giáo dục liên ngành Quy Nhơn. 

Trong vật lý lý thuyết, hấp dẫn có khối lượng (massive gravity) là một sự thay đổi Thuyết tương đối rộng của Einstein, trong đó các hạt graviton (hạt truyền tương tác hấp dẫn) được giả định có khối lượng khác không. Khi đề cập đến sự thú vị của hướng nghiên cứu này, phó giáo sư Sabine Hossenfelder, nhà vật lý lý thuyết nghiên cứu về hấp dẫn lượng tử của Viện nghiên cứu vật lý lý thuyết Nordita (Thụy Điển), nhận xét, nghiên cứu về hấp dẫn có khối lượng và các hạt graviton có khối lượng ẩn chứa nhiều thách thức lớn với các nhà vật lý lý thuyết 1.

Dù nhiều thách thức nhưng hướng nghiên cứu này vẫn “hấp dẫn” được TS. Đỗ Quốc Tuấn ngay từ khi học tại Viện Vật lý, trường Đại học Quốc gia Chiao Tung (Đài Loan). Khi về nước và công tác tại Bộ môn Tin học Vật lý, Khoa Vật lý, anh đã hoàn thiện các ý tưởng và viết 2 bài gửi đăng trên Physics Review D năm 2016 (bài đầu tiên gửi đăng ký giải thưởng Tạ Quang Bửu trẻ 2018). Sau hai năm, đến nay 2 bài báo đã được 19 trích dẫn từ các bài báo của đồng nghiệp nước ngoài. Theo nhận xét của một tiến sỹ vật lý, đây là chỉ số đáng mừng cho một bài nghiên cứu về vật lý lý thuyết sau hai năm công bố, nó cho thấy cộng đồng nghiên cứu cũng quan tâm đến giả thuyết mà tác giả đề xuất cũng như quan tâm đến những gợi mở của vấn đề.

Sức hút của lý thuyết hấp dẫn có khối lượng

Không phải đến bây giờ, các nhà nghiên cứu mới quan tâm đến lý thuyết hấp dẫn có khối lượng mà từ năm 1939, khi được hai nhà vật lý Wolfgang Pauli và Markus Fierz đề xuất, người ta đã nhận ra đây là một hướng nghiên cứu khá thú vị. Tuy nhiên cách tiếp cận này của Pauli và Fierz cũng gặp phải một số vấn đề mang tính kỹ thuật như sự không nhất quán: nó không tương thích với Thuyết tương đối rộng khi cho khối lượng của graviton tiến đến không như van Dam – Veltman và Zakharov đã độc lập chỉ ra vào năm 1970. TS. Đỗ Quốc Tuấn giải thích: “Thuyết tương đối rộng của Einstein đã được chấp nhận một cách rộng rãi nên các mở rộng hay thay đổi Thuyết tương đối rộng phải quay về được lý thuyết này. Với một lý thuyết được đề xuất, nếu như chúng ta lấy một giới hạn nào đó mà nó không quay về được Thuyết tương đối rộng thì lý thuyết đó được coi là lý thuyết không tốt”.

Để “giải cứu” di sản của Pauli và Fierz, năm 1972, Arkady Vainshtein đã đề xuất các mở rộng phi tuyến – các số hạng bậc cao trong không thời gian, khiến khối lượng của graviton tiến về không, theo đó cho phép tương thích với Thuyết tương đối rộng. Dẫu sao, sự bổ sung của Vainshtein không phải không có điểm yếu: cùng năm đó, Boulware và Deser đã phát hiện: sự thêm vào của các số hạng phi tuyến sẽ làm nảy sinh sự tồn tại của các mode “ma” (ghost mode) có động năng âm khiến cho Hamiltonian không bị chặn, và dẫn đến lý thuyết hấp dẫn có khối lượng trở nên thiếu ổn định. Các mode ma được cho rằng có liên quan tới bậc tự do thứ 6 thừa ra của hạt graviton có khối lượng (trong không thời gian 4 chiều, hạt graviton có khối lượng có 5 bậc tự do, trong khi đó hạt graviton không có khối lượng chỉ có 2 bậc tự do). TS. Đỗ Quốc Tuấn nhận xét: “Một lý thuyết không ổn định cũng là một lý thuyết không tốt về mặt vật lý”.

Vậy làm cách nào để giải quyết được đồng thời hai vấn đề hóc búa là vừa phi tuyến và vừa không có mode ma trong lý thuyết hấp dẫn có khối lượng? Về cơ bản, các nhà vật lý tìm cách xây dựng một lý thuyết hấp dẫn phi tuyến sao cho các hạt graviton có khối lượng chỉ có 5 bậc tự do. Đây là thách thức lớn với họ. “Có rất nhiều nỗ lực của cộng đồng nghiên cứu, ví dụ như công bố của nhóm Arkani-Hamed–Georgi–Schwartz năm 2003, nhưng sau đấy đều thất bại, nghĩa là sau đó người ta vẫn chỉ ra được sự tồn tại mode ma trong các đề xuất, không làm thế nào để khử được nó”, TS. Đỗ Quốc Tuấn cho biết. Sự loay hoay của các nhà nghiên cứu khiến nghiên cứu về lý thuyết hấp dẫn có khối lượng trầm lắng suốt 4 thập k

Cục diện trên chỉ thay đổi khi năm 2010, ba nhà vật lý Claudia de Rham, Gregory Gabadadze, và Andrew Tolley đã đưa ra đề xuất mang tính đột phá về hấp dẫn phi tuyến có khối lượng (nonlinear massive gravity) không chứa mode ma. Thực tế, nghiên cứu của nhóm de Rham–Gabadadze–Tolley là sự khắc phục các sai sót về hệ số của nghiên cứu trước đó thực hiện bởi nhóm tác giả Creminelli–Nicolis–Papucci–Trincherini vào năm 2005. Các chứng minh sau đó mà nổi bật là chứng minh của Sayed Hassan và Rachel Rosen năm 2011 đã xác nhận lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng thật sự không chứa mode ma. Đề xuất của bộ ba de Rham–Gabadadze–Tolley đã làm đổi chiều “số phận” của lý thuyết hấp dẫn có khối lượng, đưa nó trở thành một trong ba chủ đề được giới vật lý quan tâm nhiều nhất trong năm 2014, qua đó “hầu hết các khía cạnh vật lý, vũ trụ đều được thảo luận một cách kỹ càng trong lý thuyết này”, TS. Đỗ Quốc Tuấn nhận xét.

Thật trùng hợp là thời điểm đó, các nhà vật lý cũng đang đi tìm bản chất của năng lượng tối - vấn đề liên quan đến hằng số vũ trụ. Họ thấy rằng lý thuyết này cũng có thể cung cấp được lời giải cho câu hỏi về bản chất của năng lượng tối: các số hạng graviton có khối lượng có thể trở thành hằng số vũ trụ hiệu dụng và hằng số này tỷ lệ thuận với khối lượng của các hạt graviton. Do vậy, nếu các hạt graviton có khối lượng càng nhỏ thì giá trị của hằng số vũ trụ hiệu dụng cũng rất nhỏ và phù hợp với số liệu quan sát của các nhà thực nghiệm.

Mở rộng lý thuyết lên không thời gian nhiều chiều

Nghiên cứu tại Đài Loan khi lĩnh vực nghiên cứu lý thuyết hấp dẫn có khối lượng sôi động trở lại nhưng phải đến năm 2012, TS. Đỗ Quốc Tuấn mới được nghe Gabadadze trình bày giới thiệu về nó trong khuôn khổ một hội nghị khoa học tại Nhật Bản. Sau buổi thuyết trình đó, anh mới đọc thêm tài liệu về hấp dẫn có khối lượng và “nảy sinh ý nghĩ có thể làm cái gì đó với lý thuyết này, có thể là đề xuất về lý thuyết trong không thời gian nhiều chiều”.

Trong vật lý lý thuyết, ý tưởng không thời gian nhiều chiều khá phổ biến và không có gì mới, ví dụ Lý thuyết Kazula-Klein, Lý thuyết dây, Lý thuyết siêu hấp dẫn đều được xây dựng trong không thời gian có số chiều lớn hơn 4. Do vậy, “việc mở rộng lý thuyết này lên không thời gian có số chiều lớn hơn 4 là cần thiết, ít nhất về mặt lý thuyết. Trước đó, có một số bài báo về lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng trong không thời gian nhiều chiều nhưng không đi sâu vào thảo luận chi tiết các nghiệm cụ thể của lý thuyết phi tuyến nhiều chiều có khối lượng. Thêm nữa, các số hạng graviton bậc cao trong các bài báo này cũng không được viết một cách dễ hiểu. Một số bài báo mặc dù thảo luận trong không thời gian nhiều chiều nhưng vẫn chỉ lấy ba số hạng graviton đầu tiên L­2, L3 và L4 để nghiên cứu, trong khi các số hạng graviton bậc cao hơn như L5 đáng lẽ ra phải được kể đến do chúng không tự động biến mất”. TS. Đỗ Quốc Tuấn giải thích nguyên nhân vì sao anh lại có ý tưởng về lý thuyết hấp dẫn phi tuyến trong không thời gian nhiều chiều có khối lượng.  

“Có thể so sánh các kết quả trong không thời gian 4 chiều với các kết quả tương ứng trong không thời gian nhiều chiều, và từ đó có thể thu được đầu mối để đi tìm/khẳng định/bác bỏ sự tồn tại của các chiều dư trong vũ trụ”. (TS. Đỗ Quốc Tuấn).

Nền tảng của ý tưởng này là xây dựng số hạng graviton không có mode “ma” từ định lý Cayley–Hamilton – một định lý quan trọng trong đại số tuyến tính: mọi ma trận vuông trên một vành giao hoán đều thỏa mãn phương trình đặc trưng của nó. Việc vật lý “vay mượn” phương pháp tính toán của toán học để giải quyết vấn đề của mình đã có từ lâu, ví dụ như trường hợp Einstein trong khi xây dựng Thuyết tương đối rộng. Trong bức thư gửi Levi-Civita – nhà toán học có công trình về phép vi tích phân tensor và ứng dụng trong Thuyết tương đối rộng và điều kiện phân ly Levi – Civita trong phương trình Hamilton-Jacob, Einstein đã thổ lộ: “Tôi hết sức ngưỡng mộ sự tao nhã trong phương pháp tính toán của ông; nó đẹp như thể vượt qua những cánh đồng trên lưng ngựa chiến của toán học trong khi cách chúng tôi thường làm giống như đi bộ một cách cần mẫn”2.  

Phương trình đặc trưng của định lý Cayley–Hamilton được TS. Đỗ Quốc Tuấn sử dụng để thu lại các số hạng graviton mà nhóm de Rham–Gabadadze–Tolley đã chỉ ra. Anh kể, “tình cờ tôi thấy được số hạng này rất giống với số hạng có thể thu được từ phương trình đặc trưng của ma trận vuông. Tìm được mối liên hệ này, tôi nghĩ rằng có thể xây dựng được các số hạng không thời gian nhiều chiều từ phương trình đặc trưng của ma trận mà không cần phải dùng các kỹ thuật phức tạp của lý thuyết của nhóm de Rham– Gabadadze–Tolley”. Với phương trình này, TS. Đỗ Quốc Tuấn đã thu được các số hạng graviton trong không thời gian 5, 6 và 7 chiều và có thể mở rộng lên vô số chiều. “Tôi đã so sánh kết quả của mình với kết quả tính toán của những nhà nghiên cứu trước và nhận thấy các số hạng hai bên khớp nhau. Đây là tín hiệu tốt cho thấy mình đã đi đúng hướng”, TS. Đỗ Quốc Tuấn bổ sung thêm.

Việc tính toán và xem xét kỹ các trường hợp không thời gian nhiều chiều là một việc rất quan trọng. Trong quá trình này, anh nhận thấy một số công trình nghiên cứu về hấp dẫn phi tuyến có khối lượng trong không thời gian nhiều chiều đã bỏ qua số hạng graviton bậc cao như L5 trong khi “một lý thuyết mà bỏ qua một số hạng thì kết luận về mặt lý thuyết được coi là không hoàn chỉnh, thậm chí có khi chỉ là một trường hợp đặc biệt thôi”, anh cho biết.

Cuối cùng, TS. Đỗ Quốc Tuấn đề xuất việc xây dựng số hạng graviton không có mode ma trong không thời gian với số chiều bất kỳ và dẫn giải một cách chi tiết các phương trình trường Einstein của metric vật lý, của metric tham chiếu trong trường hợp 5 chiều như một ví dụ. Qua đó, anh đã chỉ ra rằng việc chọn được các metric vật lý và tham chiếu phù hợp sẽ khiến cho các số hạng graviton trở thành hằng số vũ trụ hiệu dụng, nghĩa là “các hệ số của các metric vật lý và tham chiếu thay đổi theo thời gian nhưng tỉ số của chúng không đổi theo thời gian, dẫn đến các số hạng graviton không đổi theo thời gian”, TS. Đỗ Quốc Tuấn lý giải. Do đó, lý thuyết hấp dẫn phi tuyến có khối lượng trong không thời gian nhiều chiều có thể giải thích được cả sự giãn nở gia tốc của vũ trụ, qua đó góp phần gợi mở những giải thích về vấn đề năng lượng tối trong vũ trụ - dạng năng lượng mà các nhà vật lý còn chưa biết rõ về bản chất, quá trình hình thành nhưng chiếm phần lớn trong vũ trụ và có khuynh hướng làm tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ.

Cũng trong bài báo này, TS. Đỗ Quốc Tuấn còn đưa ra một số nghiệm vũ trụ điển hình như không thời gian Friedmann–Lemaitre–Robertson–Walker, Bianchi loại I và hố đen Schwarzschild–Tangherlini cùng giá trị cụ thể của hằng số vũ trụ hiệu dụng trong mô hình lý thuyết hấp dẫn phi tuyến 5 chiều không thời gian có khối lượng. Những nghiệm vũ trụ này chứng tỏ điều gì? “Nó cho thấy lý thuyết hấp dẫn phi tuyến nhiều chiều có khối lượng hoàn toàn không tầm thường về mặt vật lý và vũ trụ học”, TS. Đỗ Quốc Tuấn đánh giá.

Công việc của các nhà vật lý lý thuyết là đưa ra các tiên đoán để các nhà thực nghiệm kiểm chứng. TS. Đỗ Quốc Tuấn cũng vậy, “một lý thuyết hay mà không phù hợp với số liệu đo đạc/quan sát của các nhà thực nghiệm thì cũng không thể nào chấp nhận được”. Anh hi vọng đến một ngày nào đó, các nhà thực nghiệm sẽ là trọng tài đưa ra số liệu kiểm chứng đề xuất của mình.

Khi hỏi về những dự định trong tương lai về lý thuyết này, TS. Đỗ Quốc Tuấn cho biết, “công trình này sẽ là nền móng cho những nghiên cứu tiếp theo. Các kết quả thu được từ lý thuyết hấp dẫn phi tuyến 4 chiều hoàn toàn có thể mở rộng lên trường hợp nhiều chiều hơn. Ví dụ, nghiệm hố đen Myers–Perry (tổng quát hóa nghiệm hố đen Kerr 4 chiều) có thể được tìm thấy trong lý thuyết hấp dẫn phi tuyến 5 chiều; hay lý thuyết multi-gravity (tổng quát hóa của lý thuyết bi-gravity với số metric lớn hơn 2) nhiều chiều cũng có thể thu được từ việc áp dụng các kết quả của lý thuyết hấp dẫn phi tuyến nhiều chiều có khối lượng. Thú vị hơn, ta có thể so sánh các kết quả trong không thời gian 4 chiều với các kết quả tương ứng trong không thời gian nhiều chiều, và từ đó có thể thu được đầu mối để đi tìm/khẳng định/bác bỏ sự tồn tại của các chiều dư trong vũ trụ”.
—
1http://backreaction....ve-gravity.html
2https://ipfs.io/ipfs...evi-Civita.html

[tritanngo99]

Bí ẩn của năng lượng tối

10/05/2016 09:01 - tiasang.com.vn

Hiện nay năng lượng tối là thành phần áp đảo trong vũ trụ (70% so với vật chất tối 25% và vật chất thông thường 5%), năng lượng tối đang làm vũ trụ dãn nở với gia tốc. Song bản chất năng lượng tối là gì? Hiện nay chưa có câu trả lời duy nhất. Sau đây là bài viết về vấn đề này của hai tác giả Adam G.Riess (Đại học Johns Hopkins – giải Nobel Vật lý năm 2011 vì phát hiện sự dãn nở nhanh dần của vũ trụ) và Mario Livio (Hubble Space Telescope - tác giả cuốn sách nổi tiếng Brilliant Blunders: From Darwin to Einstein: Colossal Mistakes by Great Scientists) đăng trên tạp chí Scientific American, số tháng 3/2016.

Vì sao vũ trụ dãn nở với gia tốc? Sau hai thập kỷ, câu hỏi đó vẫn còn là bí ẩn mặc dầu cũng có vài điều đã được làm sáng tỏ hơn. Theo các nhà vật lý, vũ trụ dãn nở là vì tồn tại năng lượng tối. Song năng lượng tối là gì? Vì sao năng lượng tối quá nhỏ so với các lý thuyết về nó? Năng lượng tối có ảnh hưởng thế nào đến tương lai của vũ trụ? Và cuối cùng những đặc trưng về năng lượng tối của vũ trụ chúng ta có phải là ngẫu nhiên hay không? Nếu các đặc trưng đó quả là ngẫu nhiên thì điều đó có nghĩa là vũ trụ chúng ta chỉ là một trong nhiều vũ trụ khác với nhiều đặc trưng năng lượng tối khác nhau? Sau đây là ba giả thuyết chính nhằm trả lời các câu hỏi trên.

Ba giả thuyết về năng lượng tối

1/ Giả thuyết thứ nhất 

Giả thuyết thứ nhất gắn liền với chân không của không gian. Trong chân không các cặp hạt ảo sinh và hủy nhau liên tục trong tíc tắc. Chân không chứa năng lượng và năng lượng giống như khối lượng tạo ra hấp dẫn, song khác với khối lượng, năng lượng tối có thể gây nên lực đẩy hoặc lực hút tùy theo áp suất là âm hay dương. Theo lý thuyết thì áp suất của năng lượng tối phải là âm và đó là nguồn gốc của hiện tượng dãn nở có gia tốc của vũ trụ.
Ý tưởng trong giả thuyết này tương đương với ý tưởng về “hằng số vũ trụ λ - cosmological constant λ” của Einstein. Theo ý tưởng đó thì mật độ của năng lượng tối là constant (không thay đổi) theo không gian và thời gian.


Hình 1. Giả thuyết về hằng số vũ trụ
Hiện nay khi người ta ước tính tổng năng lượng tối theo các trạng thái lượng tử của chân không toàn vũ trụ người ta thu được một trị số lớn hơn trị số quan sát được đến 120 bậc.
Nếu đưa vào siêu đối xứng thì trị số lý thuyết vẫn còn cao hơn trị số quan sát đến 10 bậc. Do đó nếu giải thích năng lượng tối bằng năng lượng chân không thì tại sao năng lượng tối quan sát lại có trị số nhỏ đến như vậy? 

Theo giả thuyết này thì vũ trụ sẽ dãn nở mãi làm cho các thiên hà sẽ càng tiến ra xa và trở nên càng khó quan sát được. Và ngay CMB (Cosmic Microwave Background - bức xạ nền vũ trụ) cũng sẽ trải rộng cho nên các bước sóng sẽ dần lớn hơn kích thước của vùng quan sát được và do đó chúng trở nên khó ghi đo được. Chúng ta may mắn ở vào thời đoạn khi còn ghi đo được CMB.

Năng lượng tối có trị số quan sát nhỏ. Các nhà vật lý đưa ra ý tưởng là trị số quan sát này là ngẫu nhiên trong số nhiều trị số thuộc về những vũ trụ khác của một đa vũ trụ. Steven Weinberg cho rằng chúng ta tồn tại vì chúng ta ở vào một vũ trụ với trị số năng lượng tối nhỏ thích hợp. Ý tưởng này được phát triển xa hơn bởi Alexander Vilenkin (Đại học Tuft), Martin Rees (Đại học Cambridge ), Mario Livio và được gọi là nguyên lý vị nhân (anthropic principle).

Vilenkin và Andrei Linde (Đại học Stanford) cho rằng lạm phát vũ trụ một khi đã xảy ra thì tiếp tục mãi và tạo ra nhiều bong bóng tách biệt nhau với nhiều đặc trưng và tính chất khác nhau. Giả thuyết đa vũ trụ cũng là hệ quả của Lý thuyết dây (LTD). Raphael Rousso và Joseph Polchinski trong lý thuyết M (mở rộng của LTD) gợi ý rằng có đến 10500 vũ trụ với các đặc trưng khác nhau và thậm chí với số chiều khác nhau. Các tác giả bài viết này (Riess & Livio) còn cho rằng CMB có thể chứa nhiều nếp nhăn kết quả của sự va chạm của vũ trụ chúng ta với các vũ trụ khác.

2/ Giả thuyết thứ hai.

Giả thuyết thứ hai gắn liền với một “nguyên tố thứ năm - quintessence” tràn ngập vũ trụ và tạo nên lực đẩy. Các nhà vật lý đã quen với khái niệm dạng này – tương tự như trong điện động lực học hoặc trong hấp dẫn - đó là một trường. Nếu năng lượng tối là một trường thì trường đó biến đổi trong không gian và thời gian. Trong trường hợp này năng lượng tối có thể mạnh hơn hoặc yếu hơn hiện nay và có thể tác động lên vũ trụ khác nhau tại những thời điểm khác nhau. Như vậy năng lượng tối có thể có ảnh hưởng đến vũ trụ trong tương lai theo nhiều chiều hướng khác nhau. 

Trong giả thuyết này các nhà lý thuyết giả định rằng cực tiểu của thế năng liên quan đến năng lượng tối là thấp vì thế nên chỉ một phần nhỏ năng lượng tối tràn ngoài không gian, ngoài ra họ còn giả định trường này tương tác rất ít với mọi vật khác (ngoại trừ sức đẩy hấp dẫn).


Hình 2. Giả thuyết năng lượng tối là một trường. Hai phương án có thể xảy ra cho tương lai xa của vũ trụ: A-Vụ xe rách lớn (Big Rip), B-Vụ co lớn (Big Crunch).
Trong giả thuyết này thì tương lai vũ trụ phụ thuộc vào sự biến thiên của trường giả định này: vũ trụ có thể tiến đến một Vụ Xé rách lớn (tiếng Anh là Big Rip)-mọi vật trong vũ trụ tách xa nhau như bị xé rách từng mảnh - hoặc ngừng dãn nở rồi tiến đến một Vụ Co lớn (tiếng Anh là Big Crunch) về một điểm như điểm thời Big Bang. Trong khả năng thứ nhất vũ trụ được gọi là rơi vào một cái chết lạnh.

3/ Giả thuyết thứ ba

Trong giả thuyết thứ ba không tồn tại năng lượng tối nào hết. Hiện tượng dãn nở có gia tốc có thể gợi ý rằng lý thuyết Einstein không đầy đủ đối với những vùng rộng lớn của vũ trụ. Song hiện nay chưa có một lý thuyết nào hiệu chỉnh được lý thuyết Einstein ở những kích thước lớn trong vũ trụ.


Hình 3. Không có năng lượng tối nào hết.Cần hiệu chỉnh lý thuyết Einstein.
Hãy tìm câu trả lời

Con đường tốt nhất dẫn đến câu trả lời là đo tỷ số w = tỷ số áp suất trên mật độ - đó là một đặc trưng của cái gọi là phương trình thông số trạng thái (equation of state parameter). Nếu năng lượng tối là năng lượng chân không (hằng số vũ trụ) thì w = constant = -1. 

Nếu năng lượng tối gắn liền với một trường biến đổi theo thời gian thì w ≠ - 1 và tiến triển theo lịch sử của vũ trụ.

Nếu là trường hợp cần thay đổi lý thuyết Einstein ở những kích thước lớn ta sẽ thấy sự mất tương hợp (inconsistency) trong trị số của w ở các vùng kích thước khác nhau của vũ trụ. 

Bằng cách nghiên cứu sự hình thành và lớn lên của các cụm thiên hà, các nhà vật lý có thể hình dung được năng lượng tối đã biến thiên như thế nào tại các thời điểm của lịch sử vũ trụ. Dùng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn (gravitational lensing) chúng ta có thể biết được khối lượng các cụm thiên hà và khi nghiên cứu hiệu ứng đó ở nhiều khoảng cách ta có thể hình dung được sự lớn lên của các cụm thiên hà ở nhiều thời điểm.

Ta cũng có thể nghiên cứu tốc độ dãn nở của vũ trụ theo thời gian nhờ hiệu ứng lệch về phía đỏ (redshift) của các ánh sáng từ các thiên hà.


Hình 4. Mật độ năng lượng tối qua các thời kỳ.
Hiện nay phần lớn các dữ liệu quan sát cho trị số w = - 1 với sai số chừng 10 % và như thế dường như giả thuyết 1 về hằng số vũ trụ có vẻ là đúng trong hiện tại. Tác giả Riess với kính viễn vọng không gian Hubble đã nghiên cứu năng lượng tối ngược về quá khứ khoảng 10 tỷ năm (sử dụng các siêu tân tinh) và tìm thấy rằng không có biến thiên nào đặc biệt của w. Tuy nhiên gần đây một sự kết hợp giữa việc đo CMB (từ vệ tinh Planck) với các kết quả dùng thấu kính hấp dẫn lại cho thấy trị số w âm nhiều hơn là – 1. Nhiều kết quả khác cũng cho thấy, w có thay đổi. Song những kết quả sau này đều cần phải kiểm định lại. Nhiều dự án đã bắt đầu như DES (Dark Energy Survey), LSST (Large Synoptic Survey Telescope), WFIRST-AFTA (Wide Field Infrared Survey Telescope-Astrophysics  Focused Telescope Assets của NASA) được thực hiện nhằm tìm thêm độ chính xác của trị số w.

Ngoài ra hiện nay người ta cũng tiến hành nhiều thí nghiệm với hy vọng tìm những sai khác đối với lý thuyết Einstein (ở những kích thước lớn).

Vì thế, những năm tiếp theo sẽ là những năm bản lề về nghiên cứu năng lượng tối và người ta hy vọng điều đó đem lại nhiều câu trả lời cho bí ẩn năng lượng tối và từ đó hình dung được tương lai của vũ trụ.

CC. biên dịch
-------------
Tài liệu tham khảo
[1] Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant. Adam G. Riess et al. in Astronomical Journal, Vol. 116, 
No. 3, pages 1009–1038; September 1998. 
[2] The Accelerating Universe. Mario Livio. Wiley, 2000.

[tritanngo99]

Hố đen tạo ra tia vũ trụ và các hạt neutrino

04/12/2017 10:31 - tiasang.com.vn

Các hạt hạ nguyên tử trong không gian bao gồm tia vũ trụ và hạt neutrino liên tục bắn phá Trái đất mỗi ngày, nhưng nguồn gốc tạo ra chúng cho đến nay vẫn là điều bí ẩn.

Ngôi sao bị xé thành từng mảnh do trọng lực của hố đen. 

Trong nghiên cứu công bố trên thư viện trực tuyến của Đại học Cornell (Mỹ) hôm 9/11, Daniel Biehl và cộng sự tại Trung tâm nghiên cứu Deutsches Elektronen-Synchrotron (Đức) phát hiện sự kiện gián đoạn thủy triều (tidal disruption event) của sao lùn trắng chịu trách nhiệm tạo ra các hạt hạ nguyên tử này. Sao lùn trắng là thiên thể được tạo ra khi các ngôi sao có khối lượng thấp và trung bình tiêu thụ hết nhiên liệu phản ứng hạt nhân trong sao.

Cecilia Lunardini – nhà vật lý tại Đại học Arizona (Mỹ), cho biết: “Sự kiện gián đoạn thủy triều xảy ra khi một ngôi sao di chuyển quá gần hố đen. Trọng lực vô cùng lớn của hố đen xé nhỏ ngôi sao thành từng mảnh. Một phần mảnh vỡ của ngôi sao rơi vào hố đen khiến hố đen phát xạ năng lượng và đẩy nhanh tốc độ các hạt.”

Nhóm nghiên cứu cho rằng, quá trình phân rã hạt nhân nguyên tử của sao lùn trắng và sự tăng tốc của dòng vật chất phun ra từ hố đen có thể tạo ra đồng thời cả hai loại hạt neutrino và tia vũ trụ năng lượng cao. Julian Krolik – nhà vật lý tại Đại học John Hopkins (Mỹ) nói: “Chúng tôi thực sự không hiểu rõ làm thế nào tia vũ trụ có thể đạt tốc độ cao như vậy.”

Giới khoa học từng phát hiện nhiều hiện tượng liên quan đến sự kiện gián đoạn thủy triều từ hàng chục năm trước, nhưng đến nay chỉ một số ít quan sát được xác nhận. “Tỷ lệ những sự kiện này xảy ra ở sao lùn trắng là chưa rõ ràng”, Krolik nhận định.

Nhóm nghiên cứu dự định sử dụng các máy dò hiện đại để xác minh giả thuyết mới trong thời gian tới. Họ cũng lưu ý một số hiện tượng khác trong vũ trụ có thể sinh ra hạt neutrino mang lượng cao và tia vũ trụ.1

Quốc Hùng dịch
Nguồn: https://www.newscien...-and-neutrinos/

[tritanngo99]

LIGO: Chậm mà chắc

09/12/2017 08:00 - Nguyễn Trọng Hiền - tiasang.com.vn

Lời tòa soạn: LIGO đã phát hiện ra sóng hấp dẫn cách đây gần hai năm và các thành viên của dự án này đã gặt hái hầu hết các giải thưởng lớn về khoa học trên thế giới, kể cả giải Nobel vào tháng 10 vừa qua. Nhưng là một nhà vật lý thực nghiệm, TS. Nguyễn Trọng Hiền, người chủ nhiệm dự án BICEP2 đi tìm sóng hấp dẫn thuở ban sơ của vũ trụ chỉ thực sự cảm thấy thuyết phục sau khi LIGO công bố phát hiện được sóng hấp dẫn từ vụ va chạm của hai sao Neutron vào tháng 11 vừa qua với sự kiểm chứng độc lập của một loạt các đài thiên văn khác. Bài viết dưới đây của anh lý giải tại sao, LIGO không chỉ là bước nhảy vọt mà còn là một nỗ lực kiên trì và phi thường bậc nhất trong lịch sử của vật lý thực nghiệm.

Cài đặt máy dò phiên bản cao cấp LIGO (Advance LIGO) có độ nhạy gấp 10 lần so với phiên bản LIGO cơ bản (Initial LIGO). Nguồn ảnh: Caltech/MIT/LIGO Lab.

Khác với hầu hết các thí nghiệm, vốn chỉ mong “đánh nhanh thắng nhanh”, dự án LIGO đã dọn sẵn lộ trình lâu dài, mất hơn vài thế hệ vật lý để các thiết bị dần dần đạt được độ tinh nhạy cần thiết, như Rain Weiss, Nobel 2017 nói, “chậm mà chắc”.

Tháng Hai, 2016, thí nghiệm LIGO công bố là đã quan sát được sóng hấp dẫn. Tháng mười năm sau, Ủy ban Nobel trao giải Nobel về Vật lý cho ba nhà vật lý đứng đầu LIGO, Rain Weiss (MIT), Bary Barish và Kip Thorne (Caltech) vì họ “đã có những cống hiến quan trọng trong hệ cảm biến LIGO và sự quan sát sóng hấp dẫn”.

“Mất cả 40 năm, người ta luôn nghĩ về chuyện này, gắng tìm cách phát hiện, có lúc thất bại trong thời kỳ đầu, rồi dần dần, chậm mà chắc, xây dựng kỹ thuật để có thể làm chuyện này”,  Weiss nói. “Thật là phấn khởi là cuối cùng ta đã phát hiện được, và thật sự tăng thêm tri thức, thông qua sóng hấp dẫn, về những gì xảy ra trong vũ trụ”.  

LIGO là một thí nghiệm đặc biệt trong lịch sử vật lý. Có thể nói, trước LIGO chưa hề có một thí nghiệm như thế. Kết quả 2016 của LIGO kiểm chứng trực tiếp dự đoán cuối cùng lý thuyết tương đối của Einstein, đánh dấu kỳ tích trong tư duy con người, và là một thành tích vượt bậc trong phát triển kỹ thuật. 

1. Khó khăn lý thuyết

Thuyết Tương đối ra đời từ 1916, đến mãi đầu thập niên 60, tức là gần năm mươi năm sau ngày lý thuyết ra đời, vẫn là một đề tài nghiên cứu không mấy hấp dẫn. Điều này có nhiều nguyên do, nhưng không phải là do nó khó hiểu. Bởi ngay từ lúc ra đời, thuyết tương đối đã là một lý thuyết hoàn chỉnh. Với lý thuyết tương đối (LTTĐ), Einstein đã đạt được cả hai điều quan trọng nhất khi xây dựng một lý thuyết vật lý: ông có nguyên lý vững chắc (nguyên lý tương đương) và phương thức xử lý hiệu quả (hình học vi phân). Công trình của Einstein đã được trình bày gọn ghẽ trong một bài viết duy nhất, và có lẽ tương đối “dễ hiểu” đối với số đông các nhà vật lý thời ấy. Tôi nói tương đối “dễ hiểu” là nếu ta so sánh với vật lý lượng tử, người ta phải phán đoán những cơ chế vật lý mới – và rất khó hiểu – để giải thích các kết quả thực nghiệm. Vật lý lượng tử khó hiểu, nhưng đã có những bước nhảy vọt nhờ thực nghiệm. Vật lý tương đối dễ hiểu hơn, nhưng đã dậm chân tại chỗ trong thời gian dài, chỉ vì thiếu thực nghiệm.

Có thể nói, vào những năm 50 hay 60, chuyện đưa người lên mặt trăng là gần như không tưởng với đại đa số dân chúng trên thế giới. Nhưng thực ra điều này không khó, nói một cách nghiêm túc. Những nguyên tắc vật lý đã có sẵn. Tên lửa cũng đã thử nghiệm. Chỉ là vấn đề đầu tư tiền bạc và thời gian.

Như trên đã nói, LTTĐ tương đối đơn giản (ít ra là về mặt khái niệm) vì bởi nền tảng lý thuyết Einstein đã giải quyết xong rồi. Thử thách là làm sao để tiếp nối công trình của Einstein. Có những vấn đề tiếp theo đã không được giải quyết thoả đáng trong một thời gian dài. Bản thân Einstein không chấp nhận sự tồn tại của lỗ đen. Einstein còn hụt mất một phát hiện quan trọng vào hàng bậc nhất của văn minh nhân loại: sự giãn nở của vũ trụ. Ngay đến sóng hấp dẫn, chính Einstein cũng đã khá... bối rối khi bàn về sự tồn tại của nó. Chỉ trong vài tháng sau khi LTTĐ ra đời, tức là một trăm năm trước, ông đã chỉ ra sự tồn tại của sóng hấp dẫn. 20 mươi năm sau, 1936, Einstein đổi ý. Tạp chí Physics Today (Vật lý Ngày nay) kể lại,

“Mặc dầu khái niệm về bức xạ hấp dẫn bấy giờ còn tương đối mới, và không có bằng chứng thực nghiệm để kiểm chứng, nhưng sự tương đồng với trường điện từ hết sức rõ rệt, nên vào khoảng thập niên 30 hầu hết các nhà khoa học đã nghĩ, về mặt nguyên tắc, là sóng hấp dẫn phải tồn tại. Vậy mà, hồi 1936 Einstein gửi cho bạn ông là Max Born: “Cùng với người cộng tác trẻ, tôi đạt được kết quả lý thú là sóng hấp dẫn không tồn tại, dầu ban đầu mọi người đã khá chắc chắn về nó. Đến bây giờ, điều này cho thấy là phương trình vô tuyến tính cho ta biết nhiều hơn, hay đúng ra, giới hạn chúng ta nhiều hơn chúng ta tưởng”.

Einstein gửi nghiên cứu này đến Physical Review, tựa đề công trình “Sóng hấp dẫn tồn tại không”? Và ông trả lời là “Không”.

Công trình này bị Physical Review trả lại vì cho rằng kết quả của Einstein không đúng (bản gốc không còn giữ). Năm sau, sau khi đã sửa lại bài viết, ông gửi đến tạp chí Journal of the Franklin Institute. Lần này, Einstein trả lời là “Có”. Câu chuyện lý thú này bạn đọc có thể tham khảo thêm ở tạp chí Vật lý ngày nay. (Daniel Kennefick, “Einstein vs. Physical Review”, Physics Today, Sept 2005.)
Dù sao thì cuối cùng sau nhiều thập kỉ, cộng đồng vật lý đã không còn nghi ngờ gì về sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Câu hỏi là làm sao để phát hiện trực tiếp được sóng này. 

2. Thử Thách thực nghiệm

Nếu ta giả thiết, từ các thiên hà xa xôi, có hai hố đen cỡ khối lượng nặng hơn mặt trời vài lần, xoay quầng rồi rơi vào nhau, làm nảy sinh sóng hấp dẫn và làm cho không gian co giãn chừng 10-22. Tức là khi ta lấy khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời là 150 triệu km, thì không gian sẽ co giãn chừng một phần mười tỉ mét, tức là ~ đường kính một nguyên tử. Và sự co giãn chỉ xảy ra trong nháy mắt, chừng vài mili giây.


Sẽ khó có một Rain Weiss thứ hai thực hiện được thí nghiệm cam go này.  Nguồn: Sciencemag.

Thí nghiệm lấy khoảng cách Trái đất - Mặt trời không dễ làm ngay. Trước mắt, người ta chọn khoảng cách trên mặt đất cho tiện. LIGO để hai tấm gương phản chiếu cách nhau 4 km để theo dõi sự co giãn của khoảng cách này. Khi sóng hấp dẫn lan đến, sẽ làm 4 km co giãn chừng 10-19 m. Tức là nhỏ hơn đường kính nguyên tử một phần tỉ lần.  

Có thể nói, vào những năm 50 hay 60, chuyện đưa người lên Mặt trăng là gần như không tưởng với đại đa số dân chúng trên thế giới. Nhưng thực ra điều này không khó, nói một cách nghiêm túc. Những nguyên tắc vật lý đã có sẵn. Tên lửa cũng đã thử nghiệm. Chỉ là vấn đề đầu tư tiền bạc và thời gian.

Chuyện Rain Weiss và đồng đội của ông muốn làm, là đo cho được 10-19m hay là một phần tỉ đường kính nguyên tử, so với đưa con người lên Mặt trăng hay sao Hỏa, khó gấp... muôn vàn lần. Họ biết phương thức đúng đắn là dùng kính giao thoa, nhưng đạt được mức tinh nhạy 10-22 họ cần: 1. Laser công suất lớn, với độ bình ổn cao, 2. Cách ly dao động từ môi trường, 3. Thiết bị quang học với độ phản chiếu cao. Cứ 3 triệu photon thì chỉ cho phép 1 photon được hấp thụ. Gương hấp thụ ít photon thì sẽ không bị nóng, hình dạng sẽ không đổi, giữ cho chất lượng của laser được tốt. Mặt gương được mài nhẵn đến độ mức sai lệch giữa bản vẽ và gương thật chỉ vài nguyên tử. 4. Cuối cùng, sự kiện co giãn chỉ xảy ra trong tích tắc, nên cần tốc độ dữ liệu cao, và vì phải quan sát liên tục nên đưa đến số lượng dữ liệu lớn. Caltech hiện đang giữ 4.5 PB (bốn triệu rưỡi GB), và mỗi năm nhập thêm 0.8 PB.

Những yêu cầu thiết bị như trên vào những năm 70, khi Weiss và Thorne khởi đầu xây dựng thí nghiệm LIGO, là điều không tưởng, đạt đến đó phải mất một thời gian dài, rất tốn kém và không chắc là sẽ thành công. Lúc bấy giờ, người ta mới chỉ nghĩ đến việc lưu trữ hàng Kilo byte, sau đó 20 năm đến thời của tôi, chỉ mơ tới đĩa cứng có Giga byte. Chứ có đâu mà một chục triệu GB? Đâu ai nghĩ bộ nhớ máy tính bây giờ có thể rẻ như vậy? Nhưng đây mới là chỉ những trở ngại cần tiền và thời gian. Một trở ngại cơ bản khác, đó là cho dẫu họ đạt được mức tinh nhạy mà thiết bị cho phép thì mức tinh nhạy này vẫn bị giới hạn lượng tử. Và đây mới chính là điều người ta lo. Giữa thập niên 80 người ta mới biết cách để vượt giới hạn của nhiễu loạn lượng tử trên lý thuyết. Đến 2014, người ta mới thật sự làm được chuyện này.    

“LIGO về thực chất là một máy đo động đất khổng lồ, đo được dao động từ xe cộ ở đường gần đấy, biến động của thời tiết từ những châu lục xa xôi, nhân viên khoa học mà đi xe đạp dọc theo đường ống thí nghiệm, máy cũng phát hiện được, sóng biển ở cách hàng trăm dặm cũng nghe, và những cuộc động đất lớn nhỏ quanh trái đất đều được ghi lại tất!” (theo trang web của LIGO) Điều mâu thuẫn ở đây là, để làm được việc LIGO phải hết sức nhạy để mới cảm được dao động nhỏ nhất, gần hay xa, nhưng lại phải không nhạy với các nhiễu như trên từ môi trường. Rồi là, cần laser với mức ổn định cao và công suất lớn, nhưng công suất lớn sẽ làm mặt gương nóng lên, phá huỷ mức ổn định của laser... Trong mỗi khâu, mỗi công đoạn của LIGO, đều có đầy những mâu thuẫn như thế.

Họ bắt đầu hầu như con số không. Vậy mà họ đã bắt tay làm. Hầu hết mọi người trong cộng đồng vật lý đã rất nghi ngờ tính khả thi của dự án này. Chẳng ai nghi ngờ sự tồn tại của sóng hấp dẫn, nhưng để thấy được nó qua thực nghiệm là điều không thể. Có họa là điên mới bỏ công làm những chuyện này. Thực ra, những từ như “điên rồ”, “liều lĩnh”, v.v... cũng không đủ để diễn tả chuyện này. Bản thân tôi, là “thứ” đi sau gần hai thế hệ, cách đây không đầy mười năm còn không tin là LIGO sẽ làm được.  

Vậy mà họ làm được. Họ biết trước là họ sẽ cần hai thế hệ các nhà vật lý, và cần một đội ngũ đông đảo các nhà khoa học vào cuộc. Họ thuyết phục được các nhà quản lý khoa học. Cá nhân tôi có nghe, rằng lãnh đạo của Quỹ Khoa học Quốc gia (National Science Foundation - NSF) quyết định hỗ trợ thí nghiệm LIGO bởi họ nghĩ, sẽ khó có một Rain Weiss thứ hai để thực hiện được thí nghiệm cam go này. Trong thành công của LIGO, phải kể đến lãnh đạo NSF bấy giờ.

3.  Lời Kết

Nhắc lại chuyện “ban đêm trời tối”. Ai cũng biết cả, nên “phát hiện” này trở thành hiển nhiên. Ông bà ta hiểu về điều này như sau: Mặt trời lặn nên trời tối. Cách đây hơn 400 năm, Copernic bảo, không phải Mặt trời lặn mà “vì Trái đất xoay”, và nửa kia của Trái đất che Mặt trời đi, nên bầu trời tối trở lại. Tức là, bầu trời luôn tối quanh năm suốt tháng, đêm hay ngày. Nếu có ngôi sao nào đó gần đấy chiếu sáng, như Mặt trời chẳng hạn, thì bóng đêm tạm thời tan đi thôi. Gần đây hơn, các nhà vũ trụ học cho thấy màn đêm của bầu trời còn có liên hệ đến sự giãn nỡ của vũ trụ, rằng vũ trụ thấy được là hữu hạn (nếu vô hạn thì hằng hà sa số các ngôi sao trong vũ trụ sẽ hợp lại làm cho bầu trời đêm sáng như ban ngày). Nói gì thì nói, sự thật là bầu trời tối cố hữu. Điều này vốn đã được xác định từ xa xưa, và sẽ còn mãi sau này. Tự nhiên vốn bất di bất dịch, và dĩ nhiên, độc lập với hiểu biết của chúng ta.


Hai nhà vật lý Bary Barish và Kip Thorne (Caltech)  ăn mừng giải Nobel 2017. Bản thân Kip Thorn (phải) là người đồng sáng lập dự án LIGO từ năm 1984. Nguồn: Latimes

“Kết quả của LIGO minh chứng Einstein đã đúng”. Báo chí đã đua nhau đưa tin. Thì đã đành. Einstein đã đúng một cách thần kỳ. Thuyết tương đối đã cho chúng ta cái nhìn đúng đắn về tự nhiên. Không thời gian cong từ lâu đã là bộ phận của di sản tri thức loài người. Nếu không có LTTĐ, chẳng ai hoài công xây đắp hệ thống LIGO để đo cho được mức dao động không đầy 10-19m. Nhưng sẽ rất là thiếu sót nếu chúng ta chỉ nói LIGO kiểm chứng lý thuyết tương đối. Con số đo chính xác đến 10-19m của LIGO hay của Virgo hoàn toàn độc lập với bất kỳ lý thuyết nào. Sự co giãn của không thời gian do các thiên thể rơi vào nhau, phát hiện gần đây bởi các đài thiên văn sóng hấp dẫn (LIGO & Virgo), và được kiểm chứng tuy gián tiếp nhưng đầy thuyết phục từ các đài thiên văn cổ điển (sóng điện từ), một lần nữa, hoàn toàn độc lập với LTTĐ hay với bất kỳ lý thuyết nào.

Đây là thực nghiệm. Phát hiện thực nghiệm cho ta thấy một cách trực tiếp nhất bản chất của tự nhiên. Phát hiện thực nghiệm khẳng định sự hiển nhiên.

 

Thanksgiving, 2017

[tritanngo99]

Khả năng lưu thông tin với mật độ siêu dày nhờ nguyên tử

08/08/2016 00:00 - tiasang.com.vn

Nhóm các nhà khoa học tại trường Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan, vừa công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology một phương pháp mới giúp giữ các nguyên tử cố định tại một vị trí. Phát kiến mới này có thể đặt nền móng cho việc lưu trữ thông tin quy mô lớn ở cấp độ nguyên tử.

Ảnh chụp một phần dữ liệu được mã hóa bằng nguyên tử của nhóm nghiên cứu.

Ý tưởng này xuất hiện từ năm 1959, khi nhà vật lý Richard Feynman nêu câu hỏi: “Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể sắp xếp các nguyên tử tùy ý?” Feynman thậm chí còn dự đoán rằng sẽ đến lúc loài người có thể viết cả bộ Bách khoa Toàn thư Britannica trên đầu một chiếc ghim. Ba thập kỷ sau, một nhóm các nhà khoa học tại IBM đã làm được điều đó: họ sử dụng 35 nguyên tử xenon để xếp thành chữ IBM trên một tấm niken. Để giữ các nguyên tử cố định một chỗ, họ đã hạ thấp nhiệt độ chúng xuống còn -269ºC, mức nhiệt độ lạnh nhất có thể đạt được về mặt vật lý. Nhưng chi phí cho giải pháp này quá tốn kém nên cho đến việc viết chữ bằng nguyên tử vẫn là điều “ngoài tầm với.”

Nhóm nghiên cứu mới cho biết họ có thể lưu trữ một đoạn văn bản (tương đương 1 kilobyte dữ liệu) ở nhiệt độ tương đối “mát mẻ” là -196ºC. Tuy đây có thể không phải là một sự thay đổi lớn so với những gì các nhà khoa học ở IBM làm được, song điểm mới nằm ở phương pháp thực hiện: họ đạt tới nhiệt độ trên bằng cách làm mát nitrogen lỏng nên có chi phí thấp hơn nhiều so với phương pháp dùng helium lỏng trong thí nghiệm của IBM. Ngoài ra, họ không lưu thông tin bằng cách viết chữ bằng nguyên tử như IBM mà dùng mã hệ nhị phân. Họ dùng các nguyên tử chlorine phủ lên một tấm đồng, nhờ đó chlorine tự nhiên hình thành một mạng lưới mắt cáo lên trên một tấm đồng. Lượng chlorine này chỉ vừa đủ để bao phủ 5/6 bề mặt tấm đồng, phần bề mặt còn lại sẽ bao gồm các ô trống nằm dọc tấm đồng. Do mối liên hệ giữa các nguyên tử nên tấm lưới mắt cáo chlorine bền vững hơn nhiều so với vị trí tách biệt của các nguyên tử như trong thí nghiệm của IBM, dù rằng ở đây có tồn tại lượng lỗ hổng khá lớn.

Nhóm nghiên cứu sử dụng các cặp đôi bao gồm một nguyên tử và một lỗ hổng để mã hóa các bit thông tin. Họ có thể viết và xóa đi viết lại thông tin bằng cách trượt qua trượt lại các nguyên tử trong mỗi cặp đôi trên. Để làm được điều này, họ sử dụng đầu dò của kính hiển vi quét xuyên hầm (STM) – đây cũng là thiết bị đã được IBM sử dụng trong thí nghiệm cách đây 26 năm. Lưới mắt cáo dạng này đủ bền vững để nhóm nghiên cứu có thể xây dựng 1.016 byte nguyên tử trong một diện tích chỉ vẻn vẹn 96 x 126 nano mét. Điều đó tương ứng với một mật độ văn bản là 78 terabit trên một centimet vuông, tốt hơn gấp hàng trăm lần so với các ổ cứng máy tính hiện nay.

Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ là bước tiến nữa trên hành trình giải quyết câu hỏi hóc búa ngày nay là quản trị dữ liệu. “Về lý thuyết, mật độ thông tin này sẽ cho phép chúng ta viết tất cả những cuốn sách do loài người tạo ra lên một con tem,” Giáo sư Sander Otte, trưởng nhóm nghiên cứu, nói. Thách thức tiếp theo là điều chỉnh lại công nghệ này để có thể sử dụng được ở cấp độ thương mại. Nhưng để làm được điều đó, cần phải giải quyết thêm hai vấn đề nữa: giữ cho nguyên tử ổn định ở mức nhiệt độ phòng và đẩy nhanh quá trình này lên.

Thu Trang tổng hợp

[tritanngo99]

Vũ trụ Dirac-Milne: Đẹp và đơn giản

05/06/2018 08:00 - Cao Chi - tiasang.com.vn

“Nếu chúng ta xác minh được rằng một phản nguyên tử là phản hấp dẫn thì đây sẽ là một cuộc cách mạng”. Câu nói này dự báo một cuộc tranh luận lớn về phản vật chất: liệu phản vật chất có rơi ngược lên trời hay không?

Chúng ta biết hiện nay vũ trụ được mô tả khá tốt bởi lý thuyết /\CDM (Lambda cold dark matter - Vật chất tối lạnh lambda). Lý thuyết này hiện nay được cho là lý thuyết chuẩn về vũ trụ. Song trong lý thuyết này các nhà vật lý phải đưa vào vật chất tối, năng lượng tối qua hằng số vũ trụ /\ và lý thuyết lạm phát. Ba phạm trù này dường như khó hiểu và cũng chưa được phát hiện trực tiếp. Và một điều không kém phần quan trọng là trong /\CDM có bất đối xứng vật chất (nhiều hơn) - phản vật chất (ít hơn).

Gần đây, các tác giả Aur´elien Benoit-L´evy, Gabriel Chardin và Luc Blanchet đưa ra mô hình vũ trụ DIRAC-MILNE không sử dụng các phạm trù trên và có đối xứng vật chất –phản vật chất. Trong vũ trụ DIRAC-MILNE phản hạt lại có khối lượng âm.

Trong vũ trụ DIRAC-MILNE, số lượng vật chất bằng số lượng phản vật chất, ngoài ra phản vật chất có một khối lượng hấp dẫn chủ động (active) âm. Trong kích thước lớn vũ trụ này, như là trống rỗng hấp dẫn, vì vậy không có quá trình giãn nở cũng như quá trình co lại.

Có 3 khái niệm về khối lượng: khối lượng quán tính; khối lượng hấp dẫn “chủ động-active”, nguồn của trường hấp dẫn; khối lượng hấp dẫn “thụ động-passive”, đây là khối lượng xuất hiện khi đối tượng chịu một lực gây nên bởi một trường hấp dẫn.

Metric FRW (Friedmann-Robertson-Walker )và metric Dirac-Milne

Hãy bắt đầu bằng metric FRW, metric này có dạng như sau: ds2 = dt2 - a(t)2(dχ + sink2 χdΩ2). Trong đó sink =  sinχ lúc k=1, χ lúc k=0, sinh χ lúc k=-1; a(t)= hệ số xích (scale factor).

Nếu số vật chất có khối lượng dương = số phản vật chất có khối lượng âm như trong vũ trụ Dirac - Milne thì điều này dẫn đến Tμν (tensor năng xung lượng) → 0. Và ta có: Tμν = 0 ↔ a(t) ᴕ t và k= - 1. Vậy metric DIRAC-MILNE sẽ là: ds2 = dt2- t2 (dχ2 + sinh2χdΩ2).

Như thế hệ số a(t) biến đổi tuyến tính theo thời gian.

Vũ trụ /\CDM có không - thời gian cong và tiết diện không gian phẳng, còn vũ trụ DIRAC-MILNE có không - thời gian phẳng song tiết diện không gian cong âm.

Phương trình Friedman trong vũ trụ Dirac - Milne là

Trong đó a0 = trị số hiện tại của hệ số xích. Tích phân phương trình này cho ta tuổi hiện thời tU  của vũ trụ =1/H0.
Chú ý trong /\CDM thì tuổi vũ trụ chỉ xấp xỉ bằng 1/H0.

Bây giờ hãy tính chân trời của hạt (tức khoảng cách mà photon có thể bay đến từ lúc nguyên thủy):

Tích phân này phân kỳ logarithmic trong metric Dirac-Milne, điều này có nghĩa rằng bất kỳ 2 điểm trong không gian đều liên hệ nhân quả với nhau. Vậy trong vũ trụ Dirac-Milne không tồn tại bài toán “chân trời” vì vậy không cần đến lý thuyết lạm phát!

Như vậy trong vũ trụ Dirac - Milne, ta đã loại được 2 phạm trù quan trọng là năng lượng tối và lạm phát.

Trong vũ trụ Dirac - Milne, các tác giả cho rằng vật chất và phản vật chất chiếm 2 vùng khác nhau. Nếu phản vật chất có khối lượng (chủ động) âm thì giữa vật chất và phản vật chất có lực đẩy như vậy tránh được sự va chạm vật chất – phản vật chất.

Quan hệ thời gian-nhiệt độ

Có thể suy được công thức nối liền tuổi vũ trụ với độ lệch đỏ vậy với nhiệt độ

Trong đó T0 = nhiệt độ hiện tại của vũ trụ. Hệ thức trên khác với hệ thức tương ứng của /\CDM (xem hình 1).

Hình 1. Tuổi của vũ trụ như là hàm của nhiệt độ cho vũ trụ Dirac-Milne (đường liền màu đỏ) và cho vũ trụ /\CDM (đường lấm chấm màu xanh).

Như vậy ta thấy vũ trụ Dirac-Milne già hơn vũ trụ /\CDM ở cùng một nhiệt độ.

Cơ sở lý thuyết cho giả định phản hạt có khối lượng âm.

Cơ sở lý thuyết cho giả định này là lời giải Kerr - Newman trong lý thuyết tương đối tổng quát cho một lỗ đen có điện tích và có chuyển động quay (1963-1965). Metric Kerr-Newman chứa 3 thông số: điện tích e, khối lượng m và moment quay.
Biểu diễn trong hệ tọa độ Eddington - Finkelstein metric này có dạng như sau:

Trong đó

Điều quan trong là metric bất biến đối với biến đổi sau
 
Như vậy xuất hiện sự tồn tại của phản hạt với khối lượng âm.

Khối lượng âm sẽ có ý nghĩa như thế nào?

Để hình dung vấn đề chúng ta có thể liên tưởng đến chất bán dẫn. Trong chất bán dẫn, một lỗ trống tạo nên bởi sự dịch chuyển của một electron có thể xem như một khối lượng âm. Lỗ trống cũng có thể xem như một một vị trí vắng của electron đã dịch chuyển lên giải dẫn điện (bande de conduction). Lỗ trống này mang điện tích dương như một positron. Lỗ trống sẽ có khối lượng âm vì khối lượng này nhỏ hơn khối lượng môi trường chung quanh. Dưới tác động của một điện trường electron và lỗ trống chuyển động theo hai chiều khác nhau và tách biệt nhau dưới ảnh hưởng của hấp dẫn.

Cấu trúc của vũ trụ được cấu thành bởi những vùng có mật độ cao (sur-densité) và những vùng mật độ thấp (sous-densité) là những vùng trống (vide) có kích cỡ khoảng 100 triệu năm ánh sáng. Các vùng trống này hành xử như những bong bóng có khối lượng âm.

Mọi việc xảy ra như chúng ta có 2 metric (xem hình  2). Một hạt trong metric này dường như có khối lượng âm nếu đo đạc nó theo metric kia và chúng ta gặp phải hiện tượng phản hấp dẫn.


Hình 2. Hai metric tạo nên bởi khối lượng dương (trái) và khối lượng âm ( phải).

Trong vũ trụ Dirac-Milne, các tác giả cho rằng một hiệu ứng “phân cực” giữa hai loại hạt trong hai metric sẽ giải thích được các đường cong biểu diễn vận tốc trên quỹ đạo của các thiên hà và do đó loại trừ được phạm trù thứ ba là vật chất tối. [4]

Một số hệ quả trong vũ trụ Dirac-Milne

Vấn đề tổng hợp hạt nhân Big-Bang (tức vấn đề tạo nên những nguyên tố nhẹ)

Trong vũ trụ quá trình này xảy ra vào thời điểm 40 năm thay vì 3 phút trong vũ trụ /\CDM.

Người ta cũng đã thiết lập sơ đồ Hubble của siêu tân tinh SNeIa cho mối liên hệ giữa độ sáng (luminosité) và khoảng cách với kết quả chấp nhận được trong phạm vi các sai số hệ thống.

Trong vũ trụ /\CDM các cấu trúc CBM tạo thành bởi những bất đồng nhất nguyên thủy (inhomogeneités primordiales) vào tuổi 380.000 năm khi vũ trụ trở thành trong suốt). Trong vũ trụ Dirac - Milne, bức xạ nền (CBM) ứng với sự hủy vật chất - phản vật chất trong một vũ trụ chỉ trở thành trong suốt vào thời điểm 14 triệu năm sau Big - Bang.

Thực nghiệm

Tại CERN, người ta tiến hành 3 thí nghiệm (Gbar, Alpha-g và Aegis) để nghiên cứu cách hành xử hấp dẫn của những phản nguyên tử  (xem hình  3).


Hình 3. Dùng hai chùm positron và phản proton tại trung tâm CERN các nhà vật lý tạo ra phản nguyên tử Hydrogene để nghiên cứu phổ điện từ (thí nghiệm Alpha, Asacusa, Atrap) và để xem phản nguyên tử Hydrogene có phản hấp dẫn hay không (bay lên hay bay xuống trong trường hấp dẫn - thí nghiệm Gbar, Aegis và Alpha-g). Hình này lấy từ tạp chí La Recherche tháng 4/2017 [4].

Từ năm 1995, người ta đã chế tạo được những phản nguyên tử, và hy vọng có kết quả ban đầu về phản hấp dẫn vào năm 2018.
***
Mô hình vũ trụ DIRAC-MILNE tuy còn đòi hỏi nhiều phát triển hơn nữa (lý thuyết và thực nghiệm) song đã chiếm thiện cảm của nhiều nhà vật lý lý thuyết vì vẻ đẹp và tính đơn giản nhờ đối xứng vật chất - phản vật chất. Mô hình này loại trừ được những phạm trù hiện nay vẫn là khó hiểu: vật chất tối, năng lượng tối và lạm phát). Đây quả là những thắng lợi ban đầu đáng khích lệ.
----------

Tài liệu tham khảo
[1] Aur´elien Benoit-L´evy 1, 2, ∗ and Gabriel Chardin 2, †
1 CEA/IRFU/SPP, 91191 Gif-sur-Yvette, France
2 Universit´e Paris-Sud & CNRS/IN2P3/CSNSM, 91405 Orsay, France
Do we live in a “Dirac-Milne” Universe?
arXiv:0903.2446v1 [astro-ph.CO] 13 Mar 2009
[2] A. Benoit-Levy´ and G. Chardin
Introducing the Dirac-Milne universe
arXiv:1110.3054v2 [astro-ph.CO] 29 Feb 2012
[3] Etude de la concordance d’un univers de Dirac-Milne
sym´etrique mati`ere-antimati`ere
Aur´elien Benoit-L´evy
[4] La Recherche tháng 4 /2017: L’antimatière défie les lois de la physique.

[tritanngo99]

Vũ trụ lượng tử

10/09/2017 08:53 - Cao Chi - tiasang.com.vn

Như chúng ta biết, Max Tegmark đã phân vũ trụ thành bốn mức1, trong đó mức III được gọi là mức Đa thế giới lượng tử (Quantum many worlds). Trong vũ trụ học, lý thuyết lạm phát vĩnh cửu lại dẫn chúng ta đến đối tượng Đa vũ trụ (Multiverse). Một điều đáng ngạc nhiên là hiện nay các nhà vật lý muốn minh giải rằng hai khái niệm đó là một 2,3,4. Nói cách khác, các nhà vật lý muốn ứng dụng Cơ học lượng tử (Quantum mechanics) cho toàn thể vũ trụ. Liệu đây có phải là một bước tiến bộ trong việc làm xích gần hấp dẫn với lượng tử?

Đa thế giới lượng tử

Đây là một ý tưởng mới mẻ và lý thú khi cho rằng Đa thế giới lượng tử và Đa vũ trụ là một. Hai đối tượng đó được nhìn một cách khác nhau chỉ vì quan điểm về vấn đề hấp dẫn và lượng tử chưa thấu đạt.

Nhà vũ trụ học Tegmark xếp các vũ trụ thành bốn mức:

Mức I: khác nhau về điều kiện ban đầu, cách nhau rất xa song cư trú trong một bong bóng (bubble),

Mức II: khác nhau vì trị số các hằng số vật lý và các hạt cơ bản và cấu thành bởi nhiều bong bóng (bubble),

Mức III: không đưa thêm vào những loại vũ trụ mới, song kéo các vũ trụ song song về quanh ta, mô tả nhờ cơ học lượng tử,

Mức IV: khác nhau vì các định luật vật lý ứng với những cấu trúc toán học khác nhau.

Đa thế giới lượng tử chính là các nhánh của hàm sóng của cơ học lượng tử hay các màng song song trong Lý thuyết dây (String theory).

Chúng ta chỉ có thể nhìn thấy con mèo Schrodinger hoặc chết hoặc sống. Một trong hai khả năng không tồn tại. Song theo diễn dịch của Everett (Everett interpretation) thì cả hai khả năng đều tồn tại tuy nhiên thuộc hai thế giới khác nhau: trong thế giới này con mèo là chết, trong thế giới kia thì con mèo là sống.

Tegmark phát biểu rằng hàm sóng không biểu diễn một tập tưởng tượng nào mà biểu diễn một tập thực tế đồng nhất song tồn tại trong nhiều thế giới.

Đa vũ trụ

Vũ trụ của chúng ta là một trong nhiều vũ trụ khác (suy từ từ Lý thuyết dây và lạm phát vĩnh cửu - eternal inflation).

Trong Đa vũ trụ, khi ta nói một bong bóng đang hình thành và phát triển thì thực chất ở đấy tồn tại một biên độ lượng tử (quantum amplitude) để cho bong bóng đó xuất hiện và phát triển còn các bong bóng khác thì không xuất hiện và phát triển. Điều này tương tự như trường hợp của con mèo Schrodinger.

Trong vũ trụ với ρΛ > 0 (mật độ hằng số vũ trụ Λ ) sẽ xảy ra lạm phát, và một khi đã giãn nở thì vũ trụ đó tiếp tục giãn nở và chúng ta có Lạm phát vĩnh cửu.

Nguyên lý bổ sung

Việc xem Đa thế giới lượng tử bằng Đa vũ trụ dường như phù hợp với ý tưởng về nguyên lý bổ sung (complementarity). Theo Niels Bohr, “ta có thể nghĩ về electron như một hạt hoặc một sóng chứ không bao giờ electron có thể vừa là hạt vừa là sóng trong cùng một lúc”.

Hai tính chất hạt và sóng đều là tính chất của một đối tượng song không thể biểu hiện cùng một lúc được vì thuộc hai thế giới khác nhau.

Đối với một lỗ đen nguyên lý bổ sung là như sau: ta chỉ có thể nói đến một đối tượng đang chuyển động ngoài lỗ đen hoặc trong lỗ đen chứ không thể nói đến chuyển động của đối tượng đó trong lỗ đen và ngoài lỗ đen cùng lúc được.

Theo Susskind, Thorlacius, và Uglum một quan sát viên đứng ngoài lỗ đen không thể nói gì về chuyển động của một đối tượng nào đó trong lỗ đen, anh ta chỉ có thể nói đến các thông tin về đối tượng đó mã hóa trên đường chân trời - Hawking radiation (ngoài lỗ đen).

Ý tưởng này phù hợp với nguyên lý toàn ảnh (holographic principle). Chú ý rằng entropy lỗ đen chỉ phụ thuộc vào diện tích đường chân trời chứ không phụ thuộc vào thể tích nội vùng lỗ đen.
Chúng ta cũng có thể nói đến chân trời vũ trụ (xem hình 1) ngăn cách chúng ta với những vùng vũ trụ chưa biết đến và xem biên chân trời như đường chân trời trong lỗ đen và ta có vùng trong và vùng ngoài của vũ trụ.


Hình 1. Đường lấm chấm trên hình vẽ là đường chân trời vũ trụ

Đa vũ trụ và Đa thế giới lượng tử là một

Các nhà vật lý muốn thay thế đa vũ trụ nằm trong những trạng thái cư trú ở những vùng xa nhau của không thời gian bằng một vũ trụ định xứ (localized) trong đó các trạng thái khác nhau nằm ngay tại đây, quanh chúng ta (mức III của Tegmark) và là những nhánh khác nhau (different branches) của hàm sóng.

Trong khuynh hướng hiện đại các nhà vật lý muốn nâng cao vai trò quan trọng của Cơ học lượng tử trong việc tìm hiểu Đa vũ trụ nằm ở những kích thước rất lớn.

Chúng ta sẽ phải thay đổi một cách cách mạng ý niệm về không thời gian, hấp dẫn và ta sẽ thống nhất Lạm phát vĩnh cửu trong Đa vũ trụ với Đa thế giới lượng tử của cơ học lượng tử.

Ta sẽ phải thay đổi ý niệm về không thời gian, hấp dẫn (sự thay đổi này dẫn đến sự phù hợp với nguyên lý toàn ảnh và nguyên lý bổ sung). Và chúng ta có sơ đồ:

Đa vũ trụ (suy từ lạm phát vĩnh cửu) = Đa thế giới lượng tử (suy từ cơ học lượng tử)= cùng một khái niệm.

Trong lý thuyết trường lượng tử hãy xét tán xạ electron- positron.

Hàm sóng mô tả tán xạ electron- positron cho ta các trạng thái khác nhau của kết quả tán xạ:

Ψ(t = - ∞) = |e+e- > → Ψ(t = + ∞) > = ce |e+e- > + cµ|µ+µ- > +...

Các hệ số c tính theo phương trình Schrodinger.

Trong Đa vũ trụ ta cũng có điều tương tự trên cơ sở khái niệm Đa vũ trụ = Đa thế giới lượng tử:

Ψ(t-to) = |Σ > →
               ↑
eternaly Inflation (lạm phát vĩnh cửu)



Hàm sóng từ lạm phát vĩnh cửu sẽ cho chúng ta nhiều trạng thái mô tả Đa vũ trụ.

Đa vũ trụ tồn tại trong không gian các xác suất. Xác suất trong vũ trụ học sẽ có cùng một cội nguồn như trong cơ học lượng tử.

Hình 2 mô tả sự tiến triển theo thời gian của hàm sóng Ψ(0), khi hàm sóng tiến triển ta sẽ có nhiều trạng thái trong các bong bóng của Đa vũ trụ ở nhiều điểm khác nhau của không thời gian.


Hình 2. Sự tiến triển của hàm 

Tóm lại, sự thay đổi quan điểm cách mạng về không thời gian và hấp dẫn trong sơ đồ Đa vũ trụ = Đa thế giới lượng tử cho phép chúng ta đạt được sự phù hợp với hai nguyên lý quan trọng:

* Nguyên lý toàn ảnh (Holographic principle),

* Nguyên lý bổ sung đường chân trời (Horizon complementarity).

Cơ học lượng tử như vậy đóng vai trò quan trọng ngay ở những kích thước rất lớn và vũ trụ trở thành vũ trụ lượng tử (quantum universe). Ý tưởng xem Đa vũ trụ (từ lạm phát vĩnh cửu) và Đa thế giới lượng tử (từ cơ học lượng tử) là một đã giúp lý thuyết tiến lên một bước trong việc thống nhất hấp dẫn và lượng tử.
-------------
Tài liệu tham khảo
[1] Max Tegmark, Our Mathematical Universe, 2014
[2] Quantum Mechanics, Gravity, and the Multiverse
Yasunori Nomura
Berkeley Center for Theoretical Physics, Department of Physics,
University of California, Berkeley,
Theoretical Physics Group, Lawrence Berkeley National Laboratory,
arXiv:1205.2675v2 [hep-th] 30 Jul 2012
[3] Sean Carroll, Are Many Worlds and the Multiverse the Same Idea?
http://www.preposter...-the-same-idea/
[4] Dan Falk, Mutiverse
http://cosmos.nautil...ne-and-the-same

[tritanngo99]

Những lỗ đen nguyên thủy có thể là vật chất tối

21/09/2017 08:09 - Cao Chi - tiasang.com.vn

Trong thời gian gần đây, các nhà vật lý đưa ra ý tưởng là vật chất tối có thể được hình thành một phần hay tất cả bằng những lỗ đen nguyên thủy (primordial black holes). Và các sóng hấp dẫn đã được đài quan sát LIGO ghi nhận lại là kết quả kết hợp của những lỗ đen nguyên thủy đó. Thêm vào đó các nhà vật lý lại đưa ra ý tưởng rằng những hạt axion chuyển động quanh lỗ đen cũng tạo nên các sóng hấp dẫn khác.

Lỗ đen nguyên thủy và sóng hấp dẫn

Như chúng ta biết năm 2015, đài quan sát LIGO đã phát hiện sóng hấp dẫn (gravitational waves) - tín hiệu GW 150914 (14/09/2015) từ sự kết hợp của hai lỗ đen.

Sau đó, người ta còn tìm được hai sóng hấp dẫn khác: GW151226 (ngày 26/12/2015) và GW170104 (ngày 4/1/2017) (xem hình 1). Các hiện tượng đó đều sinh ra từ sự kết hợp của các lỗ đen có khối lượng bằng khoảng từ 10 đến 30 lần khối lượng mặt trời.


Hình 1. Ba tín hiệu sóng hấp dẫn đã ghi nhận được bởi LIGO.

Lỗ đen là kết quả co lại (collapse) của các sao vì lực hấp dẫn. Song các lỗ đen trong LIGO có khối lượng lớn hơn các lỗ đen do các sao co lại cho nên các nhà vật lý nghĩ rằng các tín hiệu thu được ở trên là do sự kết hợp của những lỗ đen nguyên thủy.

Các nhà vật lý lý thuyết cho rằng những lỗ đen nguyên thủy có thể hình thành trước các sao trong quá trình co lại của những điểm có mật độ vật chất cao của vũ trụ nguyên thủy ngay sau vụ nổ Big Bang.

Các lỗ đen đó được gọi là lỗ đen nguyên thủy, nó có những tính chất tương tự như những lỗ đen ghi nhận được bởi LIGO.

Những lỗ đen nguyên thủy hình thành từ sự co hấp dẫn của những thăng giáng mật độ cao trong vũ trụ ở thời đoạn nhỏ hơn một giây.

Sự hình thành các lỗ đen nguyên thủy được Zeldovich và Novikov đưa ra vào năm 1966.

Một mô hình thông dụng là cho vật chất tối (dark matter) được cấu thành bởi các hạt có khối lượng tương tác yếu (weakly interacting massive particles). Song các hạt có khối lượng tương tác yếu vẫn chưa tìm thấy được, các nhà vật lý đưa ra giả thuyết vật chất tối được cấu thành (một phần hoặc tất cả) bởi các lỗ đen nguyên thủy trong quá trình lạm phát vũ trụ.

Vật chất tối có thể gồm bằng (một phần hay tất cả) các lỗ đen nguyên thủy. Tương tự như các hạt có khối lượng tương tác yếu, các lỗ đen nguyên thủy không va chạm với các đối tượng khác nên quả là những ứng viên hoàn hảo của vật chất tối.

Lạm phát gây nên bởi trường inflaton (lạm phát). Các nhà vật lý đưa ra mô hình các lỗ đen nguyên thủy có khối lượng (bằng vài chục lần khối lượng mặt trời) có thể gây nên bởi lạm phát lai - hybrid inflation (tức lạm phát với trường inflaton có thế năng điều khiển bởi hai hàm Ψ và Ф) (xem hình 2).


Hình 2. Thế năng trường inflaton trong lạm phát lai.

Những lỗ đen nguyên thủy có thể kết hợp với nhau + hiện tượng bồi đắp khí (accreation gas) để trở thành những lỗ đen với khối lượng trung bình (intermediate mass black holes) tại những tâm các cụm hình cầu nguồn gốc của các tia X siêu sáng (ultra-luminous X-ray sources) và những lỗ đen siêu khối lượng (super-massive black holes) tại tâm các thiên hà (xem hình 3).


Hình 3. Mô hình hình thành lỗ đen nguyên thủy, lỗ đen khối lượng trung bình và Lỗ đen siêu khối lượng.

Axion, lỗ đen và sóng hấp dẫn

Axion là một hạt giả định trong lý thuyết Peccei-Quinn năm 1977 để giải thích hiện tượng phá vỡ đối xứng CP – đối xứng giữa vật chất và phản vật chất - trong Sắc động học lượng tử (Quantum chromodynamics).

Đây là một hạt pseudoscalar, không điện tích và có khối lượng rất nhỏ từ 10-5 đến 10-3eV/c2 có tương tác hấp dẫn và điện từ. Nếu axion tồn tại thì thì đây cũng là một ứng viên cho vật chất tối.

Nếu axion chuyển động quanh một lỗ đen thì chúng ta sẽ có một hệ được gọi là “nguyên tử hấp dẫn - gravitational atom”, lấy tương tự với nguyên tử trong cơ học lượng tử.

Axion chuyển động quanh lỗ đen quay thu và mất năng lượng như các electron trong nguyên tử. Song electron tương tác qua điện từ và phát ra sóng điện từ còn axion tương tác qua hấp dẫn vậy hệ bức xạ sóng hấp dẫn.

Sự chuyển dời của axion giữa các mức của “nguyên tử hấp dẫn” và quá trình hủy của axion thành graviton sẽ tạo nên sóng hấp dẫn, đó là những tín hiệu đơn sắc có thể phân biệt được với những tín hiệu thiên văn vật lý khác.

Điều lý thú là chúng ta có thể ghi nhận được một loại sóng hấp dẫn từ sự chuyển động của axion quanh lỗ đen quay (superradiance) giống như chúng ta ghi nhận các vạch phổ từ electron chuyển động trong nguyên tử.

Các đài quan sát LIGO, VIRGO đã thu được sóng hấp dẫn với các hoàn thiện mới có thể thu được các sóng hấp dẫn từ chuyển động của axion.

Kết luận

Vấn đề vật chất tối là một vấn đề lớn của vật lý hiện đại. Người ta đang truy tìm bản chất của vật chất tối song đến nay vẫn chưa có một kết luận chắc chắn.

Vật chất tối gồm bằng những hạt có khối lượng tương tác yếu? hay axion? hay những hạt nào khác? Có thể đó là một chất siêu chảy?

Đến nay, các nhà vật lý nghĩ vật chất tối chính là những lỗ đen nguyên thủy.

Dường như vấn đề vật chất tối vẫn còn đang bỏ ngỏ.
----------
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1]  Juan Garcia-Bellido & Sebastien Clesse, A hidden population of black holes born less than one second after the Big Bang could solve the mystery of dark matter, Scientific American, tháng 7/2017 (xin cám ơn GS Đàm Thanh Sơn đã mách bảo tài liệu này).
[2] KASHLINSKI
arXiv:1605.04023v1 [astro-ph.CO] 13 May 2016.
[3] REDDY
https://phys.org/new...lack-holes.html
[4] Ryan F. Mandelbaum, Mind-Blowing New Theory Connects Black Holes, Dark Matter, and Gravitational Waves
http://gizmodo.com/m...matt-1793710627.
[5] Asimina Arvanitaki, Masha Baryakhtar and Xinlu Huang,
Discovering the QCD Axion with Black Holes and Gravitational Waves
arXiv:1411.2263v3 [hep-ph] 23 Mar 2015.

[tritanngo99]

Máy tính lượng tử mới của Google

14/12/2015 11:27 - tiasang.com.vn

Trong một dự án hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA, Google vừa công bố họ đã có trong tay chiếc máy tính lượng tử mạnh hơn bất kỳ máy tính kỹ thuật số nào khác: D-Wave 2X.

Google cho biết D-Wave 2X nhanh hơn 100 triệu lần so với bất kỳ chiếc máy tính nào hiện nay. Như vậy, trên lý thuyết, chiếc máy tính lượng tử này có thể thực hiện trong vòng vài giây những phép tính mà một chiếc máy tính kỹ thuật số phải mất 10.000 năm để xử lý. 

Sự ra đời của D-Wave 2X không chỉ là một bước nhảy vọt đối với ngành máy tính mà còn đối với cả lĩnh vực trí thông minh nhân tạo. Thực ra, Google gọi dự án mà họ hợp tác với NASA là “trí thông minh nhân tạo lượng tử”. Sở dĩ như vậy là vì những vấn đề quá khó khăn hay quá phức tạp đối với các máy tính hiện nay có thể được xử lý gần như tức thời trong tương lai. 

Nhờ quá trình vận hành gọi là quantum annealing (ủ lượng tử), những ứng dụng trực tiếp của D-Wave 2X sẽ giúp giải quyết một lớp các vấn đề thuộc về trí thông minh nhân tạo (AI), được gọi chung là những vấn đề về tối ưu hóa. Chẳng hạn, NASA có thể sử dụng máy tính lượng tử để tối ưu hóa đường bay trong vũ trụ, hãng chuyển phát nhanh FedEx có thể tối ưu hóa các phương tiện vận tải của mình, một sân bay có thể tối ưu hóa mạng điều khiển không lưu, quân đội có thể bẻ bất kỳ một code được mật mã hóa nào, hoặc một công ty dược phẩm có thể tối ưu hóa công cuộc tìm kiếm một loại thuốc đột phá mới.

Như vậy, chiếc máy tính lượng tử mới của Google có thể đáng giá hàng triệu, nếu không muốn nói là hàng tỉ đô-la, đối với một số công ty và cơ quan chính phủ.

Không chỉ có vậy, người tiêu dùng cũng có thể hưởng lợi từ việc phát triển trí thông minh nhân tạo lượng tử. Chẳng hạn, họ có thể thông báo với chiếc máy tính về dự định thực hiện một chuyến du lịch tới châu Âu, những thành phố họ muốn đến, khoản tiền mà họ có thể chi trả, và Google có thể tối ưu hóa hành trình để bạn có được một chuyến du lịch hoàn hảo.

Tuy vậy, vẫn tồn tại một vấn đề nhỏ ở đây: máy tính lượng tử là những “con quái vật” khó thuần chủng. Về cơ bản, trong mỗi chiếc máy tính lượng tử đều có một con mèo của Schrödinger  nằm “phục kích”. Với máy tính lượng tử, ta có các bit lượng tử (qubit). Trong khi bit số thuộc hệ nhị nguyên (1 hoặc 0) thì qubit có thể là một trong hai hoặc cả hai cùng một lúc. Điều có có nghĩa rằng bạn phải xử lý tất cả những đặc tính của phân tử mà cơ học lượng tử đã dự đoán – chẳng hạn như siêu vị trí và rối lượng tử - để có thể lập trình chính xác các máy tính lượng tử.

Ngoài ra, chiếc D-Wave 2X cao tới hơn 3m này còn phải được làm lạnh ở nhiệt độ thấp hơn 150 lần so với những vùng bên ngoài vũ trụ, như vậy những ai không mang theo helium lỏng sẽ khó lòng tiếp cận được chiếc máy tính này.

Trước D-Wave 2X, đã có chiếc IBM Watson tham dự vào trò chơi tối ưu hóa AI. IBM Watson cũng có tham vọng tối ưu hóa quy trình R&D cho các nhà nghiên cứu dược phẩm và tham gia vào lĩnh vực tiêu dùng – trên thực tế nó đã và đang thực hiện tối ưu hóa cơ chế tập luyện cho các vận động viên thể thao.

Trang Bùi lược dịch

Nguồn:
https://www.washingt...ence-arms-race/

[tritanngo99]

Pan Jianwei: Tiên phong về truyền thông lượng tử

15/01/2018 12:16 - tiasang.com.vn

Ông là nhà vật lý đưa truyền thông lượng tử lên không trung và đưa nó trở lại.

Tại Trung Quốc, nhiều người gọi Pan Jianwei là “cha đẻ của lượng tử” (Liàngzĭ zhī fù) do đã góp phần đưa Trung Quốc lên vị trí tiên phong của truyền thông lượng tử đường dài/khoảng cách lớn (long-distance quantum communication): sử dụng các quy luật lượng tử để truyền tải thông tin trong trạng thái bảo mật. Sau quá trình làm việc ở châu Âu, năm 2008, Pan trở về Trung Quốc, kể từ đó ông thực hiện nỗ lực thúc đẩy công nghệ lượng tử. “Tôi đã sốc khi đọc được những gì họ đã làm”, Christopher Monroe – nhà vật lý lượng tử tại trường đại học Maryland ở College Park, thán phục.

Vào tháng 7, Pan và nhóm nghiên cứu do ông dẫn đầu tại trường đại học KH&CN Trung Quốc (Hồ Bắc) đã thông báo, họ đã phá vỡ kỷ lục về viễn tải lượng tử, truyền trạng thái lượng tử của một photon từ trái đất đến một photon trên quỹ đạo vệ tinh cách 1.400km. Và vào tháng 9/2017, nhóm nghiên cứu đã dùng vệ tinh để chiếu các photon đến Bắc Kinh và Vienna, tạo ra các chìa khóa mã hóa lượng tử cho phép các nhóm nghiên cứu ở hai thành phố này trò chuyện qua video trong sự bảo mật hoàn toàn. Việc dò các photon sẽ làm nhiễu loạn các trạng thái lượng tử của chúng, do đó các hacker không thể phá khóa mật mã mà không bị phát hiện.

Việc chứng minh được khả năng truyền thông lượng tử này là “một sự kiện lịch sử”, theo đánh giá của Anton Zeilinger, người từng hướng dẫn Pan làm luận án tiến sỹ ở đại học Vienna và nay là cộng sự của ông. Nhóm nghiên cứu của Pan đang dẫn đầu trong việc phát triển internet lượng tử: thiết lập một mạng lưới các vệ tinh và các thiết bị mặt đất có thể chia sẻ thông tin lượng tử khắp thế giới.

Điều đó cho phép mã hóa [thông tin] trên toàn thế giới cũng như những thí nghiệm mới để khai thác các kết nối lượng tử ở khoảng cách dài và việc hợp nhất chùm tia từ các máy dò khắp hành tinh để sáng tạo ra kính thiên văn siêu phân giải. Nhóm nghiên cứu của Pan đã lập kế hoạch lắp đặt vệ tinh thứ hai, và hiện đang thực hiện một thí nghiệm lượng tử khác trong không gian từ trạm vũ trụ Tiangong-2 của Trung Quốc. Trong năm năm tới, “nhiều kết quả kỳ diệu sẽ tới. Nó thực sự là một kỷ nguyên mới [của truyền thông lượng tử]”, Pan nhận định. 

Dù cho đang dẫn dắt một nhóm nghiên cứu gồm 50 nhà khoa học ở nhiều lĩnh vực, bao gồm mô phỏng lượng tử, máy tính lượng tử và quang học lượng tử, Pan vẫn là “bộ não chính” điều hành công việc, đen đến sự hợp nhất trong tầm nhìn, tổ chức và sự chính xác trong thực nghiệm, Anton Zeilinger cho biết.

Được biết đến như một người lạc quan với sự nhiệt tình thường trực, Pan có khiếu thuyết phục những quỹ đầu tư. Ông hoàn toàn có thể tự tin với sự hỗ trợ của chính phủ Trung Quốc cho kế hoạch lớn sắp tới của mình: một khoản đầu tư trị giá hai tỷ đô la cho một sáng kiến trong vòng năm năm tập trung vào truyền thông lượng tử, đo lường lượng tử và máy tính lượng tử, trong khi ngay cả châu Âu cũng chỉ đầu tư 1,2 tỷ đô la cho một kế hoạch tương tự vào năm 2016.  

Kỹ năng của Pan là ở chỗ chọn được những vấn đề đúng và loại bỏ những gì rủi ro, Monroe cho biết và nhận xét thêm “Trung Quốc rất may mắn khi có được ông ấy”.

Thanh Nhàn dịch

TS. Nguyễn Trần Thuật (Trung tâm Nano và Năng lượng, Đại học KHTN, Đại học Quốc gia HN) hiệu đính

Nguồn: https://www.nature.com/immersive/d41586-017-07763-y/index.html#pan-jianwei

 

[tritanngo99]

Một số hướng nghiên cứu truyền thông lượng tử

20/03/2008 16:33 - tiasang.com.vn

Truyền thông lượng tử xuất hiện trong nhiều tác phẩm của các nhà văn kinh điển thuộc lĩnh vực khoa học giả tưởng như: Rogue Moon của Algis Budry (giải cuốn sách vàng năm 1960), World of Null-A (tháng 8 năm 1945), và The Fly của George Langelaan (tạp chí "từ cấm" tháng 6 năm 1957). Mẩu chuyện ngắn trên tờ tạp chí "từ cấm" này đã dẫn đến một cuộc cách mạng trong các bộ phim nổi tiếng như: The Fly (1958), Return of The Fly (1959), Curse of the Fly (1965), The Fly (tái bản năm 1986) và The Fly II (1989). Những bộ phim này đã chỉ ra những điều kì lạ trong khoa học công nghệ, vượt khỏi trí tưởng tượng của con người.

 

Khái niệm truyền thông lượng tử cũng đã xuất hiện trong các mẩu chương trình truyền hình nổi tiếng về khoa học giả tưởng như: The Twilight Zone (trạng thái mờ ảo) và The Outer Limits (các giới hạn ngoài). Khái niệm truyền thông lượng tử  thực sự được biết đến rộng rãi thông qua bộ phim truyền hình Star Trek từ gần 40 năm trước cùng hàng loạt các bộ phim thuộc lĩnh vực sân khấu điện ảnh sau đó (mở đầu là vào năm 1964 với đoạn giới thiệu về  The Cage  trên các chương trình truyền hình). Nhờ có Star Trek, mọi người trên thế giới đều quen thuộc với thiết bị chuyển đổi được sử dụng để viễn tải con người hay vật  hữu hình nào đó từ tàu không gian này đến tàu không gian khác hoặc từ tàu vũ trụ tới một hành tinh với vận tốc ánh sáng. Người hoặc vật vô tri được đặt trên bộ chuyển đổi và được tách rời hoàn toàn nhờ chùm nguyên tử đã chuẩn bị sẵn trong máy vi tính, và sau đó biến thành một tia khác định hướng đến đích rồi được tái hợp lại thành dạng ban đầu mà không hề có lỗi.

Ý tưởng về truyền thông lượng tử trong phim Star Trek

Năm 2001, Tiến sĩ Robert L.Forward đã phát biểu rằng: các tác phẩm của nền văn học khoa học giả tưởng hiện đại, ngoại trừ Star Trek, đều từ chối sử dụng khái niệm truyền thông lượng tử vì các tác giả tin tưởng rằng nó có tính tâm linh nhiều hơn tính khoa học. Những bước tiến đầu tiên của thuyết lượng tử và thuyết tương đối chung trong những năm 1980 đã thành công khi đưa ra cái sườn cơ bản để từ đó khám phá ra bản chất của truyền thông lượng tử. Sự mạnh dần của nền văn học quần chúng và nền văn học khoa học trong những năm 1990 và gần đây năm 2003 đã nâng những hiểu biết về lĩnh vực công nghệ mới này lên để thực hiện truyền thông lượng tử.
Hiện tại việc mở rộng nghiên cứu trong truyền thông lượng tử  và phát triển các dạng truyền thông vật lí khác sẽ có ý nghĩa to lớn đối với các lĩnh vực truyền thông và thông tin trong cộng đồng nói chung và trong lĩnh vực quân sự nói riêng.

 

Truyền thông khoa học giả tưởng (Teleportation-SciFi)

Phương thức vận chuyển trong không gian người hoặc đồ vật đã bị tách rời bằng những phương tiện công nghệ tiên tiến (thuyết vị lai- thuyết siêu hiện đại- được đưa ra bởi Vaidman, năm 2001) được gọi là truyền thông-sf.

Truyền thông lạ (Teleportation-exotic)

Phương thức vận chuyển người hoặc đồ vật được thực hiện bằng cách vận chuyển thông qua các chiều không gian thêm hoặc qua các thế giới song song và được gọi là truyền thông-e.
Một tài liệu nghiên cứu cho việc đề xuất ra các khái niệm truyền thông e dựa trên sự chuyển đổi vật chất xuyên qua các kích cỡ không gian  hay các không gian tương đối  chỉ đem lại duy nhất một kết quả. Hướng nghiên cứu này hiện nay đang gặp phải trở ngại lớn trong việc phát triển lí thuyết trường lượng tử hợp nhất và lí thuyêt lượng tử của trường hấp dẫn. Hai thuyết này được được rút ra từ những năm 1920 khi Kaluza và Klein công bố các tài liệu đầu tiên miêu tả về một mô hình hợp nhất trường hấp dẫn với các lực đã được biết đến trong tự nhiên. Nhiều giả thuyết hiện nay  phải sử dụng đến khái niệm không gian này. Để hiểu rõ hơn về vấn đề này, dưới đây sẽ liệt kê  một vài mô hình không gian hiện nay đã được công nhận:
- Lí thuyết thống nhất trường trọng lực - trường điện từ Kaluza-Klein / thuyết trường trọng lực hiện đại Kaluza-Klein (Kaluza 1921, Klein 1926, Sabbata và Schmutzer 1983, Lee 1984, Kaku 1993-1994, Overduin và Wesson 1998): Theo thuyết này thì điện động lực học Maxell và thuyết tương đối rộng Einstein có thể được hợp nhất trong không gian hình học Rieman 5 chiều,  trong đó các thế hấp dẫn và thế điện từ sẽ quyết định cấu trúc của không gian. Chiều không gian thứ 5 được cuộn lại trong 1 quả bóng không gian với bán kính nhỏ không đáng kể (cỡ 10-35m) và không mang ý nghĩa vật chất vì nó là một công cụ toán học đơn giản để thực hiện việc hợp nhất. Hiện nay, thuyết K-K này được đề cập đến một cách rộng rãi khi thống nhất trường hấp dẫn với các trường lượng tử khác sử dụng kích thước không gian lớn hơn 4.

Ý tưởng vận chuyển người bằng phương thức truyền thông-e

Các lí thuyết siêu chuỗi: (Green 1985,Kaku 1988, 1993, 1994). Các lí thuyết này đề cập đến các khái niệm tương quan và chúng  là một dạng mở rộng của các thuyết K-K. Chúng dựa trên nền tảng của điện động lực học lượng tử dạng chuỗi. Các siêu chuỗi có kích cỡ xấp xỉ 10-35m. Ngoài ra còn có các dạng khác của các lí thuyết này mà phải cần đến 10, 11 hoặc thậm chí là 26 chiều không gian thêm, trong đó các chiều thêm được cuộn lại trong các quả bóng không gian với bán kính nhỏ hơn 10-35m. Các thuyết sau đó được phát triển thành các dạng mà hiện nay được gọi là thuyết F&M.
- Không gian tương đương - Các giả thuyết D-Brane và 3-Brane (Rubakov và Shaposnikov 1983, Polchinski 1995, Weiss 2000, Pease 2001...): Đây là dạng hoàn thiện của các lí thuyết chuỗi ban đầu trong đó các chuỗi mở, tương ứng với các hạt cơ bản như các hạt quark, electron, có đầu tự do rơi vào thuyết lượng tử. Dạng thuyết lượng tử này cần có trạng thái tức thời của rất nhiều thực thể, để giải thích một cách hợp lí mối quan hệ giữa vật thể được đo và người quan sát. Thuyết Many Worlds bàn luận rằng thuyết lượng tử cần phải có các trạng thái siêu chồng chập của các thực thể.
 Tuy nhiên theo thuyết Brane loại hình truyền thông này không cung cấp bất kì tính hiệu quả nào cho dạng truyền thông xảy ra trong không gian ở mức vĩ mô, bởi vì lí thuyết này chỉ cho phép thực hiện trong khoảng cách khônggian ≤10-35m.

 

Truyền thông tâm linh (Teleportation-psychic)

Đây là cách vận chuyển người hoặc đồ vật bằng tâm linh và được gọi là truyền thông-p.           
Truyền thông-p, trong đó “p” là chữ viết tắt của từ “psychic” trong tiếng Anh, dịch sang tiếng Việt có nghĩa là “tâm linh, siêu linh, huyền bí”. Đây là hiện tượng truyền đạt ý tưởng của con người hay di chuyển những đồ vật bằng cách sử dụng những năng lực huyền bí, siêu linh.    
 Truyền thông-p là một dạng của những hành động xuất thần tương tự như năng lực siêu nhiên và được sử dụng để di chuyển vật thể qua những thực thể vật lý khác hoặc qua một khoảng cách nào đó.
Siêu năng lực là một dạng của hành động xuất thần, diễn tả việc di chuyển những vật thể tĩnh mà không cần một lực vật lý đã biết nào. Thực chất, hành động xuất thần sử dụng ảnh hưởng trực tiếp của trí óc lên vật thể mà không cần đến những thiết bị hay năng lượng vật lý trung gian.
Tính khoa học của hiện tượng phi thường này và vấn đề tâm linh đã được rất nhiều nhà khoa học hiện đại trên khắp thế giới nghiên cứu và đưa ra những dẫn chứng chứng minh từ trước đây vài thập niên và hiện nay vẫn chưa kết thúc.
Sau đây sẽ nêu một số ví dụ làm sáng tỏ hơn về khái niệm mới mẻ và dường như mang tính duy tâm này. Đồng thời qua đó cũng phân tích một số ưu nhược điểm của hướng truyền thông này.
Những nghiên cứu ở Mỹ:
Một công trình nghiên cứu nổi bật nhất trong rất nhiều công trình được nghiên cứu là “Remote Viewing prorgam”.
Đây là một công trình rất nổi tiếng bao gồm cả lý thuyết, thực nghiệm và vận dụng, do các tác giả H.E.Puthoff, R.Targ, E.May và I.Swan nghiên cứu trong suốt hơn 2 thập niên gần đây. Công trình này được tổ chức quốc tế SRI và NSA tổ chức và được chính các tổ chức lớn ở Mỹ (CIA- cơ quan tình báo trung ương Mỹ, DIA, ISNCOM) tài trợ. Nó được chia thành những phần rất nhỏ và mang những tính chất đặc biệt để nghiên cứu trong suốt 22 năm, từ năm 1980 đến năm 2002.
Nổi bật trong đó là khả năng suy đoán trước tương lai, điều này làm cho người thực hiện nắm bắt được thông tin mà không cần quan tâm đến vấn đề thời gian và không gian. Chương trình này đã được chính Tổng Thống Mỹ W.J.Clinton công khai một cách trịnh trọng vào năm 1995.

 
Ông Uri Geller thể hiện khả năng làm cong chiếc rũa bằng “ý nghĩ” Chương trình này cũng khảo sát tương đối tỉ mỉ về hiện tượng xuất  thần kì lạ. Trong suốt 3 thập kỉ qua nhà khoa học, giáo sư Houck đã tổ chức nhiều cuộc hội thảo về hiện tượng xuất  thần, nhờ đó những cảm ứng xuất  thần được truyền  tới mọi người và có nhiều hiện tượng thực tế đựơc thực nghiệm bằng cách sử dụng những mẫu thí nghiệm là những vật thể rất gần gũi như chiếc nĩa, thìa. Nhiều người có khả năng uốn cong hay làm méo hình dạng chiếc thìa mà không cần tác động bất kỳ lực vật lý nào. Rất nhiều nhà khoa học cấp quốc gia đã nêu ra những bằng chứng về vần đề này .
Những luận điểm và thực nghiệm của nhà tâm linh Uri Geller (1975) là một minh chứng hùng hồn cho luận điểm trên. Trong 1 cuộc nói chuyện tại toà nhà Capital (Mỹ), ông đã làm 1 chiếc nĩa  cong lên, cong xuống, thay đổi hình dạng liên tục mà không hề tác động một lực nào trong suốt buổi nói chuyện.
Hiện tượng này cũng được nghiên cứu ở các trường Đại học, các phòng thí nghiệm khoa học nổi tiếng.
 Có rất nhiều nghiên cứu và thực nghiệm về truyền thông-p diễn ra trong suốt thế kỷ 19 và đầu thế kỉ 20. Đáng tiếc là có nhiều trường hợp bị những kẻ gian, lừa đảo lợi dụng và đã có một số trường hợp nghiên cứu theo xu hướng đó. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều đáng tin cậy và mang tính khoa học. Trong đó có một số tài liệu của Uri và những hiện tượng hiện thực tương tự. Nhưng hầu hết các trường hợp truyền thông từ vị trí này tới vị trí khác đều chưa được chứng minh. Một lượng lớn những báo cáo chỉ mang tính giai thoại và bằng chứng có xu hướng không chắc chắn. Vì thế khi nói tới vấn đề này ta chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm và báo cáo.
Thêm 1 ví dụ rất thú vị trong những thực nghiệm của Uri, ông có thể làm cho một phần tinh thể cacbua vanadium biến mất. Với tinh thể này, ta không thể chạm vào, và nó được cố định theo 1 cách riêng nên ta không thể thay thế bằng 1 tinh thể khác dù có dùng ảo thuật khéo léo tới đâu đi nữa. Và kết quả này luôn luôn được lặp lại. Ví dụ này là minh chứng hùng hồn nhất chứng minh cho tính khoa học của loại hình truyền thông trên.
Những kết quả nghiên cứu ở Trung Quốc:
Ở Trung Quốc ngay từ năm 1981 đã xuất hiện những nghiên cứu về vấn đề trên.Có rất nhiều bài báo viết về vấn đề này được đăng trên nhiều tạp chí lớn ở Trung Quốc. Những thực nghiệm luôn được ghi lại rất khoa học và kết quả luôn lặp lại. Những bài báo ở Trung Quốc rất thú vị và được viết rất công phu. Họ đưa ra nhiều bức ảnh, biểu đồ thống kê các kết quả đạt được từ thực nghiệm. Tất cả các giao thức đều được diễn giải rõ ràng trong những đề tài dài, các kết quả được đưa ra hoàn toàn từ việc phân tích dữ liệu thống kê nên những kết quả đó không hề mang tính ngẫu nhiên. Tổng hợp những kết quả đạt được, các nhà khoa học Trung Quốc đã chỉ ra những điều sau đây:
 + Nhiều nhóm nghiên cứu đã đưa ra giao thức có thể chuyển những mẫu vật nhỏ xuyên qua thành của những chiếc hộp kín bằng cách sử dụng những khả năng về siêu linh.
+ Thời gian truyền những mẫu vật thử qua một số chướng ngại vật từ một phần mấy giây cho tới vài phút, không phụ thuộc vào những thùng kín, những mẫu vật được dùng trong thí nghiệm.
+ Những cuốn băng quay lại cho thấy, những mẫu vật “xuyên qua” thành của  những chiếc hộp kín, chỉ đơn giản là biến mất ở trong hộp và xuất hiện lại ở một vị trí khác (sau vài giây tới vài phút). Thực chất, mẫu vật không thật sự trải qua việc biến đổi kim loại trong suốt quá trình truyền thông - đây là vấn đề rất quan trọng bởi vì không hề có sự xuất hiện của tia phóng xạ hay tia điện tử trợ giúp, vì thế các giác quan của con người cũng như các phương pháp thông thường không thể xác định được trạng thái tạm thời của mẫu vật, hiện tượng này cũng giống như hiện tượng trạng thái chồng chập của q-bit.
+ Thiết bị phát sóng radio siêu nhỏ cũng có thể được dùng để làm mẫu vật. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng cường độ tín hiệu có sự dao động rất lớn, cả về tần số lẫn biên độ nên có thời điểm tín hiệu gần như biến mất nhưng cũng có thời điểm tín hiệu đủ mạnh nằm trong phạm vi có thể dò được, như vậy tín hiệu cũng nằm trong trạng thái chồng chập của 2 trạng thái.
 + Trước và sau khi “ vượt qua thành “ của các hộp kín thì các mẫu vật và thành hộp phải giữ nguyên hình dạng.
 + Những người có năng khiếu về vấn đề tâm linh không bao giờ được thấy hiện vật (có thể bị bịt mắt) hoặc được chạm vào những vật được dùng trong thí nghiệm.
 + Những kết quả thí nghiệm luôn được lặp lại, điều này chứng minh được rằng những kết quả trên không phải là ngẫu nhiên mà hoàn toàn mang tính khoa học. 
+ Những bằng chứng phức tạp đảm bảo cho kết quả này mang tính trung thực và loại bỏ được những trường hợp ảo thuật.
Tuy đã đưa ra được rất nhiều bằng chứng thực nghiệm nhưng các nhà khoa học Trung Quốc vẫn chưa đưa ra được những cơ sở vật lý đầy đủ ý nghĩa để chứng minh cho những kết quả của họ. Một số nhà nghiên cứu bắt đầu  thấy cần một lý thuyết vật lý mới giải thích được sự thống nhất giữa ý thức với vật lý lượng tử và vật lý về không gian thời gian phù hợp với truyền thông-p và hiện tượng xuất  thần kì lạ. Vì vậy ở Trung Quốc cũng như trên thế giới vấn đề nầy vẫn đang trong quá trình nghiên cứu sôi nổi.
Ngoài Trung Quốc và Mĩ còn có rất nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm và đầu tư nghiên cứu loại hình truyền thông mới mẻ và kì lạ này. Sự quan tâm của những quốc gia có nền khoa học phát triển cũng như của những tổ chức uy tín trên thế giới đến vấn đề này lại một lần nữa khẳng định tính đúng đắn và khoa học trong một vấn đề nhạy cảm và còn rất mới mẻ hiện nay, đặc biệt là ở Việt Nam. 
 Còn rất nhiều những công trình nghiên cứu nói về các khía cạnh khác rất thú vị của truyền thông-p đặc biệt là những đầu tư nghiên cứu và cả ứng dụng của Nga nhưng tác giả chưa có điều kiện để nghiên cứu sâu hơn.Trên đây chỉ là phần sơ lược để hiểu rõ hơn về khái niệm loại hình truyền thông này, chúng tôi  đưa ra  với mong muốn rằng tất cả mọi người có một cái nhìn khác với loại hình truyền thông dường như mang tính mê tín dị đoan nhưng lại rất khoa học này.
------------
Tài liệu tham khảo
1. Dựa theo tài liệu “Teleportation Physics Study” của tác giả  Eric W. Davis 
2. Http://www.dhushara.com/book/quantcos/qcompu/shor. 
------------

 

* Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

 

TS. Ngô Tứ Thành & TS. Lê Minh Thanh 

[tritanngo99]

Toán học và Vật lý

19/07/2016 00:00 - Pierre Darriulat

1. Toán học diệu kỳ Những người không thường xuyên tiếp xúc với khoa học thường lẫn lộn giữa vật lý với toán học, coi toán học là một cái gì đó huyền bí, những công thức trừu tượng không có liên hệ với thực tế. Nhưng, như Feynman viết, “các nhà vật lý sử dụng lý luận do các nhà toán học tạo nên để mô tả thế giới […] các nhà toán học giúp các nhà vật lý, nhưng với vật lý, bạn cần phải hiểu mối liên hệ giữa từ ngữ và thế giới thực."

Mersenne (số có dạng lũy thừa của 2 trừ 1: 2n – 1) mang tên nhà toán học người Pháp Marin Mersenne.

Không nghi ngờ gì cả, toán học hết sức cuốn hút. Bạn bắt đầu bằng những giả thuyết tưởng chừng như đơn giản nhưng lại khám phá ra một thế giới tuyệt diệu đến không ngờ. Bạn đếm 1, 2, 3… và rồi số nguyên tố, hàm zeta Riemann, số Mersenne, những hình vuông kỳ diệu, nguyên lý Fermat, số hoàn hảo và vô hạn đầy thách thức của toán học xuất hiện. Giống như cách mà ngôn ngữ cho phép ta chơi với ngôn từ và mường tượng nên vũ trụ huyền diệu, toán học cho phép ta chơi với các tiên đề để tạo nên những thứ bậc của vô hạn: đường cong Peano, tính không thể quyết định và hàng loạt những kỳ quan khác. Những giả thuyết đơn giản mà đem lại sự phong phú làm sao! Cách xây dựng của toán học đẹp đẽ và thanh tao đem lại cho ta một cảm giác thuần khiết! Khác với các môn khoa học phụ thuộc vào hiện tượng với mục đích tìm hiểu và miêu tả, toán học có thể tự trừu tượng hóa từ những hiện tượng như vậy, dựng nên các tiên đề từ sự gợi ý của tự nhiên để có thể khơi nguồn cho những cuộc khám phá. Trong khi những giả thuyết của khoa học phải được liên tục xem xét lại thì toán học là vĩnh cửu.

2. Là lý thuyết hay quan sát thực tiễn?

Trước khi minh họa về việc ứng dụng toán học trong vật lý, cho phép tôi chỉ ra một số sai lầm mà nhiều người thường mắc phải.

Trước hết, khoảng cách giữa lý thuyết và quan sát không đến nỗi lớn như nhiều người nghĩ. Khi nói: “Mặt trời lặn ở phía Tây”, thì đó là lý thuyết hay quan sát? Để gọi tên Mặt trời, ta đã phải tưởng tượng rằng những cái đĩa màu đỏ biến mất sau đường chân trời vào buổi chiều mà ta nhìn thấy cũng là cái mà ta nhìn thấy đi lên ở hướng bên kia vào buổi sáng: để gọi đó là Mặt trời đồng nghĩa với việc đã có một lý thuyết về Mặt trời. Ngay khi cố gắng miêu tả cái quan sát được, chuyển nó thành những câu chữ, con số, thông tin mà não bộ lưu trữ và xử lý, thì điều đó cũng đồng nghĩa với việc chúng ta đã tạo nên một lý thuyết. Hãy nghĩ về cách một đứa trẻ mới sinh học cách nhận ra khuôn mặt và giọng nói của người mẹ. Chẳng phải đó chính là tạo nên một lý thuyết về người mẹ? Những lý thuyết được học từ nhỏ thì ta vẫn gọi là lẽ thường tình, còn lý thuyết mà chưa được nghiên cứu rõ thì ta gọi là điều bí ẩn.

3. Toán học là mãi mãi và vật lý luôn đổi thay

Người ta thường nói rằng vai trò của lý thuyết vật lý là chỉ ra sự ràng buộc giữa các đại lượng mà chúng ta dùng để mô tả hiện tượng, ví dụ E=mc2 hay F=ma. Tuy nhiên, điều này ngụ ý một giả định quan trọng rằng: các đại lượng đã được xác định. Dù nói về chất điểm, lực véctơ, véctơ bốn chiều không-thời gian, trạng thái lượng tử không gian Hilbert hay siêu dây thì những khái niệm rất không rõ ràng, chúng đã phải được tư duy và nghiền ngẫm từ trước. Chúng ta cần để ý rằng những khái niệm như vậy được xây dựng một phần nào đó khá tùy ý và thiếu chính xác; chúng không phải là những khái niệm hoàn hảo mà là kết quả của sự trừu tượng hoá và có thể cần được sửa đổi lại. Sự đẹp đẽ và hoàn hảo bề ngoài của một lý thuyết thường làm cho chúng ta quên đi điều này. Sẽ là sai lầm nếu coi một lý thuyết vật lý là chân lý tuyệt đối. Chúng ta phải luôn sẵn sàng xem xét lại cơ sở nền móng của các lý thuyết để có thể tạo ra những nền móng mới giúp xây dựng các lý thuyết tốt hơn, tổng quát hơn và/hoặc chính xác hơn. Cơ học Newton không phải là một lý thuyết tốt như Thuyết tương đối Đặc biệt nhưng nó không hề kém phần trừu tượng. Cơ học Newton đem lại cảm giác dễ hiểu với những người vốn đã quen thuộc với nó, đến mức họ quên mất rằng lý thuyết này cũng dựa trên những khái niệm trừu tượng, cái mà họ đã mặc định là hiển nhiên đúng. Tất cả các lý thuyết vật lý đều trừu tượng; vai trò của chúng là tạo nên những khái niệm trừu tượng. Một lý lẽ tưởng chừng hiển nhiên thực ra cũng không có gì đặc biệt, nó thuần túy chỉ là một điều mà chúng ta đã lĩnh hội được, đó thực chất vẫn là một khái niệm chủ quan, ngay cả khi nó đã trở thành quan điểm chung của số đông. Khoa học luôn sẵn sàng chấp nhận một lý thuyết mới, không quan trọng nó trừu tượng đến mức nào, miễn là nó tốt hơn lý thuyết cũ. Ta không thể tuyên bố một lý thuyết nào đó là tối thượng và nên từ bỏ tham vọng có được chân lý tuyệt đối.

4. Ứng dụng toán học trong vật lý

Vô hạn và vi phân trong vật lý

Bây giờ hãy cho phép tôi đưa ra một vài ví dụ về cách thức các nhà vật lý sử dụng toán học.

Khái niệm về vô hạn và vi phân luôn luôn kích thích các nhà toán học và triết học. Hãy nghĩ đến nghịch lý Hilbert về một khách sạn với vô số phòng có thể chứa vô hạn khách. Như là một ví dụ, tôi thích sử dụng cách chứng minh rằng số nguyên cũng nhiều như số hữu tỉ bằng cách thay những số hữu tỉ trong một bảng có tử số là số cột và mẫu số là số hàng. Chỉ đến đầu thế kỷ trước, vấn đề này mới được làm rõ bởi Dedekind, Cantor, Frege và một số người khác. Vật lý sử dụng rất nhiều khái niệm vô cùng nhỏ và vô hạn nhưng chỉ như là một công cụ. Để mô tả thế giới, vật lý không cần đến vô hạn. Theo cơ học lượng tử, một chất điểm vô cùng nhỏ không có ý nghĩa vật lý. Vũ trụ không vô hạn mà nó chứa 1080 hạt cơ bản. Nói Vũ trụ vô hạn chỉ đơn giản ngụ ý rằng những kiến thức ta biết về vũ trụ là những thứ nằm trong đường chân trời (khoảng cách chúng ta có thể nhận được ánh sáng từ vụ nổ lớn Big Bang, ~14 tỉ năm ánh sáng), tuy nhiên chẳng có lý do gì để cho rằng Vũ trụ không tiếp tục mở rộng ra bên ngoài biên này.

Lý thuyết nhóm trong vật lý

Lý thuyết nhóm cung cấp một nền tảng đặc biệt màu mỡ cho lý thuyết vật lý. Cái được gọi là “Mô hình chuẩn” mô tả vật lý hạt cơ bản được xây dựng dựa trên những nhóm Lie: nhóm Poincaré (nhóm quay và tịnh tiến trong không thời gian bao gồm cả những phép biến đổi Lorentz) và tích của các nhóm SU(3)C×SU(2)L×U(1) tạo ra các hạt fermion cơ bản. Bất biến chuẩn phát ra những hạt bonson chuẩn và phá vỡ đối xứng phát ra các hạt Higgs. Nhóm Poincaré là nhóm Lie của phép tịnh tiến và phép quay trong không gian với chuẩn khoảng cách (metric) của Thuyết tương đối Đặc biệt. Điều này ngụ ý tồn tại các hạt và phản hạt được miêu tả bởi các vectơ bốn chiều năng-xung lượng với bất biến khối lượng và spin. Tích của các nhóm SU(3)C×SU(2)L×U(1) miêu tả đối xứng được những hạt cơ bản này tuân theo, điều đó có nghĩa là các hiện tượng vật lý bất biến khi hoán đổi hai hạt có biểu diễn tương tự trong những nhóm này, chẳng hạn như hoán đổi proton thành neutron. Đến đây, tất cả các hạt fermion (các hạt có spin ½) tạo nên vật chất trong Vũ trụ và tính chất của chúng đã được miêu tả một cách đúng đắn. Nếu yêu cầu thêm bất biến chuẩn (pha của một trạng thái lượng tử có thể được cố định một cách tùy ý tại mọi điểm trong không gian) sẽ làm xuất hiện véctơ boson không khối lượng, tức là những hạt giống ánh sáng: photon, boson truyền tương tác yếu và gluon truyền tương tác mạnh. Phá vỡ đối xứng tạo nên khối lượng cho các hạt boson này và phát thêm một vô hướng (scalar) mới là hạt Higgs boson. Hạt Higgs, mới được phát hiện gần đây tại Trung tâm Hạt nhân châu Âu (CERN), là hạt cơ bản cuối cùng còn lại của Mô hình chuẩn.

Những chiều dư

Một ví dụ thứ ba về một khái niệm toán học được áp dụng thành công trong vật lý là những chiều dư (extra dimensions). Người ta đã loại bỏ được điều cấm kỵ về chiều dư khi Thuyết tương đối Đặc biệt đưa vào khái niệm không-thời gian hay véctơ bốn chiều năng-xung lượng, khái niệm về khối lượng, spin và phản hạt. Thêm vào đó, Thuyết tương đối Rộng mô tả hấp dẫn bằng cách liên hệ tensor nén năng lượng với sự biến dạng không gian do sự nén năng lượng gây ra. Sau đó, Kaluza đưa ra chiều dư thứ năm để đưa vào những phương trình Maxwell của điện từ học (thế véctơ và vô hướng). Chiều dư đã từng bị cho là một mẹo toán học mà không có lý giải vật lý cụ thể cho đến khi Klein đưa ra ý tưởng rằng chiều dư thứ năm này bị uốn cong đến nỗi ta không thể nhìn thấy được (gọi là bị xoắn). Lý thuyết hiện đại nhất ngày nay, thuyết tập M, yêu cầu 10 chiều không gian và 1 chiều thời gian (trong đó 7 chiều không gian bị xoắn).

5. Toán học không phải là chiếc đũa thần

Dirac luôn luôn quả quyết rằng phương trình nổi tiếng của ông mô tả electron và positron được dẫn dắt bởi tham vọng xây dựng nên một lý thuyết đẹp về mặt toán học. Thật không may, phương trình này không phải lúc nào cũng có thể áp dụng đẹp đẽ được như vậy. Trong những năm 60, Chew, Mandelstam, Frautschi và Regge khai thác tính khả tích của ma trận S (liên hệ giữa trạng thái ban đầu và trạng thái cuối của một hệ) và khái niệm đối xứng chéo (liên hệ tính chất của một tương tác a+b↔c+d với a+c↔b+d ở đó một vài hạt chuyển thành phản hạt của nó) đã đề ra khái niệm dân chủ hạt nhân. Ý tưởng của khái niệm này là không có hạt nào “cơ bản” hơn những hạt khác và tất cả các hạt đều được phát bởi cơ chế “tự nâng giày”, lấy ý tưởng từ hình ảnh một người nâng cơ thể mình lên bằng cách tự kéo giày của mình. Ý tưởng đó đã rất phổ biến, và đó cũng là lý thuyết mà chúng tôi được học khi còn là sinh viên, nhưng nó đã không bao giờ được áp dụng một cách cụ thể cả và, cuối cùng, sau một thế kỷ lý thuyết này đã bị loại bỏ. Ngày nay, Siêu đối xứng, lý thuyết ghép cặp boson với fermion, là ý tưởng về một đối xứng hoàn mỹ về mặt toán học. Sự đẹp đẽ của nó cực kỳ hấp dẫn đến nỗi khó có thể hình dung được rằng Tự nhiên lại làm ngơ với đối xứng này. Tuy nhiên, cho đến nay, chúng ta vẫn chưa thành công trong việc tìm kiếm bằng chứng về nó trong thực tế.

6. Vật lý ngày nay

Trong suốt 40 năm qua, những nỗ lực tìm kiếm sai lệch của Mô hình chuẩn đều thất bại. Trong khi đó, những khám phá lớn gần đây của vật lý thiên văn về vật chất tối và năng lượng tối lại trở thành những vấn đề thách thức nhất đối với vật lý lý thuyết hiện đại. Vấn đề chính của vật lý ngày nay là sự thất bại của chúng ta trong việc mô tả thang Planck, ~10−32 cm, tương ứng với trạng thái của Vũ trụ tại thời điểm Vụ nổ lớn. Tại thang này, hấp dẫn mạnh đến mức làm cho hệ thức bất định Heisenberg, nền tảng của vật lý lượng tử, không còn áp dụng được nữa. Một cách tiếp cận hiện đại để giải quyết vấn đề này là thay thế các hạt cơ bản bằng các vòng dây với độ nén của dây xác định thang Planck. Với cách làm này, hệ thức bất định Heisenberg được sửa đổi để có thể hoạt động ở thang Planck nhưng nó đòi hỏi thêm 9 chiều không gian (trong đó 6 chiều bị xoắn). Bốn lý thuyết dây đã được tạo ra tương ứng với dây đóng, dây mở, dây có định hướng và không định hướng. Tuy nhiên, bốn lý thuyết này hóa ra cũng chỉ là bộ phận của một lý thuyết khác được gọi là thuyết tập M với 10 chiều không gian (7 chiều bị xoắn). Các lý thuyết dây này được xây dựng để áp dụng cho những lĩnh vực rất khác nhau (khoảng cách nhỏ với khoảng cách lớn, tương tác mạnh với tương tác yếu). Chúng liên hệ với nhau bởi tính đối ngẫu, một khái niệm đã trở thành trung tâm của cuộc chơi vì nó đưa ra bằng chứng cho sự tương đương của các lý thuyết dây. Cái gọi là đối ngẫu AdS/CFT (Maldacena 1997) liên hệ các lý thuyết dây trong không gian Anti-De Sitter với những lý thuyết trường bảo giác Yang-Mills.

Mô tả toán học không gian 10 chiều rõ ràng là một sự phức tạp cùng cực về mặt hình học với những màng đa chiều (gọi là màng-p, tổng quát hóa của khái niệm vòng dây). Chính bởi vậy, vật lý đang trong giai đoạn mà lý thuyết và thực nghiệm trôi xa nhau tại thang Planck, ở đó toán học thống trị vật lý lý thuyết. Một minh chứng ngoạn mục cho sự tiến hóa này là Ed Witten một trong những người có ảnh hưởng lớn tới vật lý lý thuyết hiện đại đã được trao giải thưởng Fields năm 1990! Ngày nay, một sinh viên vật lý lý thuyết cao cấp, đặc biệt chuyên ngành về lý thuyết dây, phải quen thuộc với một danh sách dài các chủ đề toán học: phân tích số thực và số phức, lý thuyết nhóm, hình học vi phân, nhóm Lie, các dạng vi phân, đại số đồng đều, đối đồng đều, đồng luân, bó sợi, lớp riêng, định lý chỉ số, siêu đối xứng và siêu hấp dẫn. Hiện nay, những lĩnh vực hiện đại nhất nghiên cứu về siêu dây chính là hai chương của toán học: lý thuyết tập K (lý thuyết tổng quát hóa đối đồng đều từ các dạng vi phân tới những bó véctơ) và hình học không giao hoán.

Người đọc quen thuộc với nghiên cứu của Ngô Bảo Châu hẳn nhận thấy rằng những đóng góp của ông cho toán học, đặc biệt lời giải của bổ đề cơ bản, có liên hệ với những chủ đề toán học trong lý thuyết tập M. Rất thú vị khi đọc cái nhìn của ông về mối liên hệ giữa những đóng góp đó với sự phát triển của vật lý hiện đại, tuy nhiên điều này nằm ngoài chủ đề của bài báo này.

7. Chúa đang ẩn nơi đâu?

Nhiều điều vô lý đã và vẫn đang được nói và viết về chủ đề này trong hoàn cảnh hiện nay, đặc biệt với ý định tạo ra những sản phẩm bán chạy nhất. Điển hình trong số đó là Bản Thiết kế Vĩ đại của Steve Hawking hay Hạt của chúa của Leon Lederman.

Dirac, Wigner, Einstein đã từng tự hỏi tại sao Vũ trụ lại “có thể hiểu được”. Giống như Chandrasekhar, họ hỏi: “Tại sao lại có thể như vậy: trí não của con người sáng tạo ra những khái niệm trừu tượng và nhận thấy chúng tuyệt đẹp? Và tại sao những khái niệm đó lại tương ứng một cách chính xác đến như vậy trong tự nhiên?”

Nhưng, làm sao thế giới có thể vừa tự quan sát chính nó, đồng thời lại dùng một ngôi thứ ba để nhận xét về sự quan sát ấy? Nó đã tạo ra logic và toán học nhằm quan sát và mô tả bản thân mình, vậy tại sao nó phải băn khoăn về khả năng kì diệu này? Dựa vào cơ sở nào để đó đếm mức độ kì diệu ấy? Trong một khoảng thời gian dài, một cách vô tình, các nhà khoa học đã bị đánh bại bởi ảo giác của chủ nghĩa hiện thực, đó là quan niệm về sự tồn tại của một hiện thực độc lập bên ngoài [chủ thể quan sát]. Tuy nhiên, việc thế giới tự quan sát và tự lý giải về bản thân nó, dựa trên các khái niệm do chính nó sáng tạo ra, chính cái vòng luẩn quẩn này của khoa học ngăn cản nó đưa ra câu trả lời khách quan cho câu hỏi cơ bản: Tại sao thế giới lại tồn tại mà không phải là không gì cả? Nếu ngày nay chúng ta hiểu rõ hơn về vấn đề này hơn trước đây, thì đó là nhờ công lao các nhà sinh học chứ không phải các nhà toán học hay vật lý, đặc biệt nhờ các nhà thần kinh học: “giả thuyết đáng kinh ngạc” năm 1994 của Francis Crick cho rằng chúng ta được tạo nên bởi không gì khác ngoài các nguyên tử; rằng các quá trình vật lý và hóa học tế bào điều khiển cơ thể và tâm trí của chúng ta. Leibniz đã từng cho rằng phải có một lý do nào đó để vũ trụ này tồn tại hơn là trống rỗng. Ngày nay chúng ta đã từ bỏ hy vọng rằng có thể có một “lý do” như vậy, như Ludwig Wittgenstein từng nói: “Điều bí ẩn không phải là vũ trụ như thế nào, mà bản thân sự tồn tại của nó đã là một bí ẩn. Phương pháp hợp lý trong triết học là nên giữ yên lặng và chỉ nói khi ta đã rõ điều cần nói, tức là những phát biểu của khoa học tự nhiên không liên quan gì đến triết học. Về những điều ta không thể nói, ta nên giữ im lặng”.

Tồn tại chứ không phải trống rỗng, ngày nay sinh học hiện đại đã khiến bí ẩn đằng sau điều này trở nên ẩn sâu hơn so với trước đây. Và nếu muốn thì ai cũng có thể gán điều bí ẩn ấy là do sự sắp đặt của Chúa trời.

Phạm Ngọc Điệp dịch,
Thanh Xuân hiệu đính

[tritanngo99]

VẬT LÝ HỌC LƯỢNG TỬ VÀ PHẬT GIÁO 
Phạm Xuân Yêm

LTS : Giáo sư Phạm Xuân Yêm, nhà vật lý học, Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Pháp CNRS, hiện là Giáo sư Vật lý tại Đại học Paris 6, tác giả của hàng trăm công trình nghiên cứu, viết bằng tiếng Anh và tiếng Pháp, những năm gần đây, ông thường về quê nhà công tác tại các trung tâm nghiên cứukhoa học. Tiếp sau phát biểu của Giáo sư Thiên văn học Nguyễn Quang Riệu, VHPG trân trọng giới thiệu đến quý bạn đọc phát biểu của ông trong thảo luận bàn tròn: “Thế giới quan của Vật lý học hiện đạivà của Phật giáo” .

Trước hết xin cảm tạ thầy Thích Thiện Quang, Thích Thiện Niệm trụ trì Phật đường Khuông Việt, anh Cao Huy Thuần  Trịnh Đình Hỷ, Nguyễn Tường Bách đã cho tôi đến với khung cảnh thanh trang của chùa, được tiếp xúc với tất cả quý anh chị trong cử tọa đông đủ hôm nay, tôi rất lấy làm sung sướng. Đọc Lưới trời ai dệt  của anh Bách, tôi học được rất nhiều. Đầu tiên những khái niệm, những danh từ và cách diễn giải sáng sủa của anh. Hai chương cuối tôi vui thú đọc đi đọc lại mấy lần.

Tiếp theo anh Nguyễn Quang Riệu về thiên văn, tôi cũng xin trình bày đôi chút về hạt cơ bản, những thành phần vi mô cấu tạo nên vật chất, sinh động cũng như bất động. Cũng như lần lượt trong văn chương, âm nhạc và hội họa, hạt cơ bản của từ ngữ là 26 mẫu tự abc …; của âm thanh là 7 nốt đô , rê , mi …; và của màu sắc là xanh vàng đỏ …; thì trong thiên nhiên , hạt cơ bản của vạn vật là quark và lepton. Thực là một bước nhảy vọt vĩ đại trong kiến thức của loài người ở đầu thiên niên kỷ thứ ba này! Chúng tương tác, gắn kết để tạo thành vật chất, hơn nữa còn dựng nên cấu trúc cong xoắn của không –thời gian trong vũ trụ, vì theo thuyết tương đối rộng , vật chất và không – thời gian được thống nhất, cái trước tạo nên (và là) cái sau. Như một lần Einstein khi được yêu cầu gói ghém trong một câu thôi những công trình khoa học của ông, đã khúc chiết trả lời: Xưa kia người ta nghĩ rằng nếu mọi vậttrên đời biến mất thì sẽ còn lại thời gian và không gian, nhưng theo thuyết tương đối rộng thì không – thời gian cũng biến mất theo vật chất mà thôi.

Có bốn hạt cơ bản thôi, hai quark u và d và hai lepton electron, neutrino để cấu tạo nên vật chất. Electron đóng vai trò quan trọng như thế nào trong đời sống hàng ngày của chúng ta, ai cũng thấy. Các hạt cơ bản gắn kết thành các nguyên tử, phân tử, đại phân tử của vạn vật trong thế giới vĩ mô, từ thiên hà tinh tú cho đến những khoáng,thực, sinh vật trên trái đất chúng mình. Các hiện tượng thiên nhiên vận hành qua bốn lực tương tác cơ bản, hấp dẫn điện từ yếu và mạnh (hai cái cuối chỉ ở trong thế giới vi mô của hạt nhân nguyên tử thôi ). Thế giới vi mô tuân theo những định luật của vật lý lượng tử. Trong ngành này, chúng tôi gọi “trường” mà ít khi gọi “hạt”, hay “dây” nữa. “Dây” và “hạt” là trạng thái cô đọng trong không gian và thời gian của “trường” (trường lượng tử). Khái niệm này dù đã được cảm nhận từ thời Faraday hơn trăm năm rồi ( lúc đó là trường điện từ cổ điển thôi và sau này tiếp tục với trường lượng tử ) nhưng vẫn là một khái niệm quan trọng của vật lý hiện đại.

Vậy “trường” là gì ? Từ lúc còn trung học, chúng ta biết rằng giữa những hạt có khối lượng M và m đặt xa nhau một khoảng cách r, thì hai vật đó hút nhau qua một lực F theo luật Newton:

F  =  hằng số G x m x m / r 2

Hằng số G cho ta cường độ mạnh hay yếu của lực hấp dẫn, không ai cò thể tính được G, người ta chỉ xác định được nó bằng thực nghiệm, người ta đo lường được sức hút F bao nhiêu thì biết được hằng số tương tác hấp dẫn G là bấy nhiêu. Trong công thức trên nếu m = 0  thì F = 0, nghĩa là không có lực chăng ? Ta thấy nếu bỏ khối lượng m đi, không tài nào nhận ra tác động của F cả, lực như bị biến đi ? Thực ra lúc nào cũng có F qua sự hiện hữu thường xuyên của trường hấp dẫn ( trọng trường ) ở bất cứ vị trí nào trong vũ trụ. Chúng ta có thể tưởng tượng m là một cậu bé con ngồi trên một cành bưởi, thì có hay không có cậu bé ở đó, m lớn hay nhỏ thậm chí m = 0, lúc nào cũng có một cái gì đó rình rập kéo em xuống. Em ở đây hay không, trọng trường lúc nào cũng có mặt ở đó  cành bưởi chỉ giữ em hay bất cứ ai cho khỏi rơi thôi. Ở bất cứ một điểm nào trong không gian và bất cứ một lúc nào trong thời gian cũng có một cái gì đó , một thế nào đó, một trọng trường hút mình. Cái tác động của trường đó thực ra không tùy thuộc vào  riêng M hay m. Vì hiện giờ chỉ có quả đất khối lượng khổng lồ M= 10 25 kg ( số 1 theo sau 25 số không kilogam ) cách cậu bé 6.400 cây số ở trung tâm trái đất lôi kéo em. Nhưng nào chỉ có riêng quả đất thôi đâu mà chính ngay em, mọi người thân yêu của em, môi trường thiên nhiên của em, mặt trờimuôn tỷ thiên hà, lỗ đen, vũ trụ vạn vật đều tham gia vào sự thu hút cậu bé đó. Em ở đấy hay không thì cái trọng trường đó , sự hiện diện của thế hút đó vẫn có. Vì trái đất quay, vũ trụ giãn nở , tinh tú chuyển động không ngừng theo thời gian, nên tương tác hấp dẫn không những thay đổi với không gian ( x , y , z ) lại còn thay đổi với thời gian (t ), nên không có gì lạ nếu ta hiểu trọng trường là một hàm của không – thời gian ( x,y,z ) tác động lên mọi khối lượng. Lực hút F chỉ diễn tả tác động của trọng trường, đặt bất cứ một khối lượng m ở bất cứ một vị trí nào thì F xuất hiện ở đấy thôi , chứ khái niệm trường mới cơ bản hơn lực. Cũng lý luận như vậy đối với hiện tượng điện từ , ta thay lực hấp dẫn Newton bởi lực điện tĩnh Coulomb , hai khối lượng M , m bởi hai điện tích Q , q , hằng số hấp dẫn G bởi hằng số điện tử e , thì sẽ thấy sự hiện diện của trường điện từ . Cũng như muôn vàn khối lượng tạo ra trọng trường, muôn vànđiện tich chuyển động trong vũ trụ tạo ra điện từ trường hiện diện khắp nơi. Maxwell bảo cho ta là điện từ trường dao động như sóng. Hertz đã chứng minh điều đó bằng thực nghiệm, và dao động tuần hoàncủa sóng điện từ đó được diễn tả bởi tần số ½, tức là số vòng dao động trong một đơn vị thời gian. Ánh sáng mà mắt ta nhìn thấy chính là điện từ trường dao động với tần số hàng trăm tỷ lần trong một giây đồng hồ, và dạng hạt của sóng điện từ trường được gọi là quang tử hay Photon không có khối lượng và di chuyển với vận tốc c = 300 ngàn cây số trong một giây.

Trường điện, trường từ hoặc trường hấp dẫn là ba thí dụ về trường rõ rệt . Cũng vậy có trường quark, trường electron , trường neutrino, và cái mà chúng tôi gọi là hạt electron chẳng qua chỉ là sự cô đọng trong không gian và thời gia  của trường lượng tử electron mà thôi , trường đó cũng dao động như trường điện từ , mỗi trường vận hành theo những phương trình riêng của nó.

Như chúng ta biết, trong mỗi nguyên tử có hạt nhân rất nhỏ do hai thành phần proton va neutron tạo nên . Xung quanh hạt nhân nguyên tử có electron dao động không ngừng, đi từ trạng thái này sang trạng tháikhác , electron phát ra photon đó chính là hạt laser được ứng dụng trong y khoa. Định luật tương tác mạnh của quark để gắn bó chúng trong proton và neutron mang tên Sắc động lực học lượng tử ( quantum chromodynamics, QCD ) vay mượn danh từ Điện động lực học lượng tử ( quantum electrodynamics QED ), cái này diễn tả tương tác điện từ trong thế giới quy mô của electron . Hai chữ sắc và điện để chỉ hai đặc tính lượng tử của vật chất sắc tính của quark và điện tích của electron. Trong Sắc động lực học lượng tử có keo (gluon) manh sắc tích trao đổi giữa quark u , d để gắn bó chúng trong proton và neutron ; cũng như trong Điện động lực học lượng tử có photon trao đổi giữa electron để diễn tả mọi hiện tượng điện tử.

Ngoài ra một khám phá có tính cách quyết định , đó là phản vật chất ( antimatter ) vì nó sẽ liên hệ chặt chẽ đến khái niệm không trong lượng tử mà tôi muốn đề cập ở phần cuối.

               E  =  m2 c4 hay vật chất và phản vật chất , hạt ảo

Trong thuyết tương đối hẹp , phương trình chính xác nối kết năng lượng E với khối lượng m  của vật chất ( hạt) là  E2 = m2 c4 khi hạt đứng yên, công thức trên là chùm năng lượng hv của thuyết lượng tử ( h là hằng hà sa số Planck và v là tần số dao động tuần hoàn của hạt cơ bản, điều then chốt là năng lượng trao đổi giữa các hạt cơ bản không liên tục , phải theo từng đơn vị 1hv , 2hv, 3hv…nhv , n là một số nguyên ) là điểm khởi đầu mà Dirac kết hợp được để khám phá một chân trời mới: sự xuất hiện của phản hạt có cùng khối lượng với hạt , nhưng tất cả các đặc trưng khác ( điện tích , spin , sắc trong quark ) của hạt và phản hạt đều ngược dấu. Sự thống nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp là điếu tối cần thiết vì thế giới vi mô của lượng tử luôn dao động với vận tốc rất cao , mà trường hợp này chỉ thuyết tương đối hẹp mới diễn tả được chính xác . Để chứng minh phản hạt , Dirac đi từ nhận xét sau đây : vì E =  -+ mc2  với một vật bất động , trong vật lý cổ điển , hiển nhiên năng lượng E là một số dương nên ta chỉ có E = mc2  thôi . Trái lại , trong thế giới vi mô của vật lý lượng tử , năng lượng của một hạt có thể mất đi hay nhận được những gói hv , vậy không có gì ngăn cản hạt khi mất đi quá nhiều gói hv có thể  mang năng lượng âm ,  hay ngược lại  một hạt với năng lượng âm khi nhận được nhiều gói hv có thể trở về trạng thái bình thường với năng lượng dương . Thí dụ trong đại dương của muôn vàn hạt electron ( điện tích âm –e ) mang năng lượng âm , nếu ta có đủ năng lượng để kéo một hạt ra ngoài , tức là đại dương ấy mất đi một electro  (-e ) mang năng lượng âm . Nhưng mất đi ( tượng trưngbằng dấu – ) cái âm thì cũng như nhận được cái dương – (-) = + , vậy kết cục là ta thấy xuất hiện một hạt có điện tích dương +e và mang năng lượng dương . Đó là phản electron hay positron . Một trong những ứng dụng mới đây của positron là máy chụp hình cơ thể PET ( positron emission tomography ) , người ta bắn hạt positron vào trong tế bào để theo dõi sự biến chuyển tức thì của nó .Tóm lại , hạt và phản hạt đều có năng lượng dương . Chúng có chung khối lượng nhưng mọi đặc trưng khác ( điện , tích , sắc ) đều ngược dấu . Ta có phản quark , phản lepton , phản nguyên tử . Như vậy có vật chất thì cũng có phản vật chất , khi giao hội chúng tự hủy để biến thành năng lượng , và ngược lại nếu cung cấp đủ năng lượng thì các cặp vật chất được tạo ra , đó là những chuyện thường xuyên trong những trung tâmnghiên cứu hạt cơ bản ở Genève ( Âu ) , Stranford ( Mỹ ) , Tsukuba ( Á). Sự tương trùng giữa năng lượng với cặp vật chất – phản vật chất đưa đến khái niệm vật ảo trong lượng tử , đó là những hạt mà năng lượng E và xung lượng k (vec-tơ được in đậm , như k, x ) không tuân yheo phương trình nối kết E , | k |  và m của vật thực nữa . Khối lượng của hạt ảo này thay đổi liên tục chứ không giới hạn trong một vài trị số m nhất định của hạt thực . Thí dụ sau đây cho ta rõ proton ảo là gì . Như ta biết , khi electron chuyển động nó phát ra photon . Để một electron và positron đi ngược chiều a chạm nhau , xung lượng của chúng là + k  và –k , mỗi hạt có năng lượng bằng E , gặp nhau chúng phát ra một photon ảo . Sinh ra bởi electron và positron tụ họp nên năng lượng S và ( xung lượng K ) của photon ảo này là tổng năng lượng và ( tổng xung lượng ) của chúng , S = 2 E , K= + k –k  = 0 . Vậy photon ảo có khối lượng 2E / c2 khác 0 . Cũng có thể  ta có quark , lepton , gluon ảo . Tương tác điện từ của electron được diễn tả qua sự trao đổi photon ảo giữa những electron với nhau , cũng như tương tác mạnh của quark là do sự trao đồi giữa gluon ảo giữa quark , tương tác yếu của meutrino qua sự trao đổi các boson ảo W2 .Z0 , giữa neutrino . Những photon , gluon , W2 , Z0 ảo theo thứ tự chính là những sứ giả truyền tin làm trung giancho các tương tác điện từ , mạnh , yếu để tạo ra các lực thích ứng .

Vật lý hạt có liên qua gì đến thế giới quan hay hiện tượng quan của đạo Phật ? Đạo Phật chủ ý đưa phương pháp diệt khổ cho chúng sinh . Đức Phật thường im lặng cao quý trước những câu hỏi siêu hình , nhưng như chúng ta biết , Ngài diễn giảng làm so diệt khổ . Một trong những con đường diệt khổ mà tôi hiểu , đó là làm sao cảm ngộ được hai tính vô ngã và vô minh trong cách nhận thức các hiện tượng từ vật chất đến tâm linh mà Bát Nhã Tâm kinh nhắc nhở qua hai chữ Sắc Không , và anh Cao Huy Thuần nói một cách dí dỏm thú vị là “nói dzậy mà không phải dzậy” . Sắc ở đây , đối với tôi là ‘trường’, là vật chất , mong quý vị chẳng hoàn toàn phủ nhận . Thực là ngẫu nhiên nhưng biết đâu cũng là duyên ngộ mà hơn hai ngàn năm trăm năm sau , danh từ Sắc trong Bát nhã lại được dùng trong sắc tích của quark , danh từ sắc đó chỉ do những nhà vật lý hạt phóng khoáng mượn ba sắc để phân biệt quark ( mang sắc tích ) với electron ( không có sắc tích ) thế thôi , chứ chẳng có cái gì sâu xa cả . Đáng lẽ gắn cho quark ba sắc tích , ta có thể gắn cho chúng ba số 1 , 2, 3 hay ba cái gì khác để đánh dấu cá tính lượng tử của quark khác biệt với lepton.

 

 

Trong đạo Phật thế giới hiện tượng không tồn tại trên cơ sở tự tính , nó vô ngã . “ Vật chất sinh thànhhoại diệt , thế giới có nhưng không thực có , tự tính của hiện trường là không có tự tính , vậy sự trống rỗng đó được coi là không , cho nên không mới là tự tính của hiện tượng”  ( Lưới trời ai dệt , Nguyễn Tường Bách , tr 294 ) . Câu hỏi là quan niệm không của ngài Long Thụ có chút gì  gần gủi với khái niệm không lượng tử tiếng Anh là the quantum vacuum , tiếng Pháp là le vide quantique) của những nhà vật lý hạt ? Không lượng tử là gì ?, nó tác động ra sao trong các hiện tượng thiên nhiên để chúng ta có thể tính toán đo lường được ?

Đôi điều tản mạn về cái Không lượng tử

Cái Không lượng tử được định nghĩa như trạng thái cơ bản của vạn vật , nó vô hướng , trung hòa , mang năng lượng cực tiểu , trong đó vật chất tức là tất cả các trường lượng tử , bị loại bỏ hết . Do những nhiễu loạn của năng lượng trong Không mà vật chất cùng phản vật chất được nảy sinh ra , để rổi chúng tương tác , phân rã trở về với Không , cứ thế tiếp nối cái vòng sinh hủy . Các hạt ảo cũng dựa vàonăng lượng E hay vay mượn của Không mà sinh ra , chúng tồn tại rất ngắn trong thời gian t ~ h/ E ( nguyên lý bất định Heisenberg Et~h 2|k|x| và h / 2 pi ) rồi nhanh chóng trả lại E để lra đi , như vậy nhà vật lý kỳ tài Feynman hài hước : từ chân không mà sinh hùy , hủy sinh , ôi phí phạm thời gian !

Nhưng chẳng phải vì Không chẳng chứa trường vật chất nàm mà năng lượng của  nó bằng 0 , thực ranăng lượng của Không lại vô hạn theo nguyên lý nhất định , Cực tiếu nhưng vô hạn , nghịch lý này hẳn đòi hỏi một cuộc cách mạng trong nhận thức ? Dẫu sao có ít nhất hai biểu hiện của Không đã được kiểm chứng thành công bởi thực nghiệm . Đó là các hằng số tương tác cơ bản không hằng mà biến đổi và hiệu ứng Casimir . Nhưng mặc khác vì năng lượng vô hạn , vai trò của Không trong sự giãn nở của vũ trụ chuha7 tìm thấy lời đáp , minh họa sự mâu thuẩn căn bản giữa hai trụ cột của vật lý hiện đại , Lượng tử trong thế giới vi mô và Tương đối rộng của thế giới vĩ mô .

Theo nguyên lý bất định ( nguồn gốc của sự thăng giáng lượng tử ) , năng lượng của bất cứ trạng thái vi mô nào là chuỗi (1/2) hv , ( 3/2 ) hv , (5/2 ) hv …chứ không phải là 0hv , 1hv, 2hv …Cũng dễ hiểu thôi , nguyên lý bất định bảo ta nếu xung lượng | k | được xác định rõ rệt bao nhiêu thì vị trí của không gian |x| lại mơ hồ rối loạn bấy nhiêu , vậy năng lượng tối thiểu ( 1/ 2 ) hv khác 0 chính là một thỏa hiệp tối ưu bình đẳng cho cả hai bên |k|và |x| . Thực tế , nếu năng lượng tối thiểu bằng 0 , |k|=0 , vậy |x| không sao được xác định nổi . Phản ánh nguyên lý này , thế giới vi mô luôn dao động ngay ở nhiệt độ tuyệt đối thấp nhất ( năng lượng cực tiểu ) và đó là ý nghĩa của sự thăng giáng năng lượng tử . Bởi năng lượng tối thiểu khác 0 , và vì tần số v có thể là bất cứ con số nào từ 0 đến vô cực nên không có năng lượng phân kỳ khi ta lấy tích phân tất cả các mốt dao động . Tuy nhiên , chính vì vô hướng , trung hòa lại có năng lượng vô hạn , nên cái Không lượng tử mang ẩn dụ một hư vô mênh mang tĩnh lặng , từ đó do những kích thích nhiễu loạn của năng lượng mà vật chất ( và phản vật chất ) được tạo thành để tương tác , phân rã , rồi trở về với Không , tiếp nối bao vòng tục lụy ! Cái Không lượng tử thực là trạng thái cơ bản , là cội nguồn và chốn trở về của vạn vật . Nó không rỗng tuếch chẳng có gì mà là cái thế lắng đọng của tất cả ( xem Le Vide , Univers du tout et du rien , Revue de L`Université de Bruxelles , Editions Complexe (1998) , với các bài của Adler , Bitbol , Casimir . Dereuelle . Gunzip và Diner , van Holden , Isham , Lachiezè-Rey , Marage , Mills . Paty , Prigogine và Petrosky )  . Chânkhông –Vật chất – Không gian – Thời gian  chẳng sao tách biệt , cái này có là cái kia có , cái này không thì cái kia không , đó là hệ quả của Lượng tử và Tương đối !

Thực thế , thuyết Tương đối hẹp liên kết Không gian và Thời gian , còn Tương đối rộng nối Vật chất và như vậy kết nối cả bốn khái niệm cơ bản trên . Dưới một khía cạnh nào , ta cảm ngộ cái Không qua câu nói đáng yêu đầy ẩn dụ của đồng bào miền Nam “ dzậy mà không phải dzậy” , không mà chẳng là không . Mặc dầu Không là trạng thái không sao nắm bắt , chẳng có cái nào của nó mà ta định lượng nổi , nhưng rõ ràng khác với hư không cổ điển trong công nghệ , về mặt định tính ta có thể kể 3 đặc trưng của cái Không lượng tử trừu tượng . Đó là sự thăng giáng lượng tử , sự tràn dầy hạt và phản hạt kết thành các cặp ảo trong Không và sự phân cực của nó , gây ra bởi các cặp này . Phản ánh tác động của Không , hai hệ quả sau đây được phát hiện và đo lường được :

1- Không lượng từ tự nó thì vô hướng tĩnh lặng , nhưng có vật chất nào ( mà làm sao chẳng có vật chấtđược vì trong Không tràn đầy năng lượng và trường ảo ?) thì lập tức bị phân cực , do đó hằng số tương tác của các trường không còn hằng nữa mà thay đổi với năng lượng . Tính chất này mang tên hằng số di động , cách tính toán sự biến đổi của hằng số tương tác dựa trên lý thuyết trường lượng tử qua những đóng gp1 của các cặp ảo . Khi năng lượng thay đổi từ 1 đến 100 GeV , hằng số tương tác điện từ aem tăng lên từ 1/ 137 đến 1/129 , trong khi hằng số tương tác mạnh as của quark lại giảm đi từ 0,4 xuống 0,12 . Một cách định tính thôi , ta hiểu sơ lược tại sao trong điện từ , hằng số tương tác aem lại tăng lên khi ta thám dò ở chiều sâu thẳm . Muốn gần electron bao nhiêu (x nhỏ) để đo lường tính chấtcủa nó thì ta cần nhiều xung lượng (k lớn ) bấy nhiêu , theo nguyên lý bất định 2|k| |x| ~h . Vì Không có muôn vàn cặp ảo Positron –electron , những positron ảo này vì điện tích khác dấu với electron nên bị hút lại gần và làm thành hàng rào vây quanh electron thực mà ta muốn quan sát , sự bao bọc đó làm cho Không bị phân cực . Đó là lý do khiến hằng số tương tác điện từ tăng lên vì phải vượt qua cản trở của hàng rào các cặp positron –electron ảo nên đo lường nó càng khó ở kích thước càng sâu ( năng lượngcàng cao ) . Mật khác , sắc động lực học lượng tử diễn tả sự vận hành của quark gắn chặt với nhau để cấu tạo nên proton , neutron . Trái với điện từ , hằng số tương tác mạnh giảm đi khi đo lường quark ở chiều sâu thẳm . Tính chất này gọi là sự tự đ tiệm cận hàm ý khi năng lượng tăng vô hạn ( tiệm cận ) thì as giảm xuống đến 0 ( tương tác ràng buộc hết rồi , quark được tự do ( , tính chất này đặt nền tảng cho các định luật vận hành của quark . Giải Nobel Vật lý 2004 trọng thưởng ba nhà lý thuyết hạt đã khám phá ra định luật tự do tiệm cận 1 , Kết quả đo lường sự biến đồi của hai hằng số ( điện động lực và sắc động lực) đều được thực nghiệm kiểm chứng nhiều lần . Tương tác của quark thực là kỳ lạ trái ngược với điện từ , quan sát chúng ở xa ( cần năng lượng nhỏ ) thì cực kỳ khó khăn vì as rất lớn cần gần sát chúng ( cần năng lượng lớn ) thì chúng lại dễ dàng . Lý do là không như điện từ chi có một photon , trong tương tác mạnh ta có ba gluon gắn kết với nhau mà đặc tính chúng là hỗ trợ ( chứ không cản trở ) khi ta đo lường tính chất quark ở chiều sâu thẳm . Trong khi lực điện tĩnh và trọng lượng đều giảm đi theo tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách r . tự do tiệm cận làm cho lực của quark tăng lên với r khiến cho quark bị giam hãm trong proton và neutron , kéo được chúng ra ngoài không nổi vì lực ràng buộc quark mạnh lên khi kéo chúng xa nhau .

Mô tả nổi ba lực cơ bản ( mạnh, yếu, và điện -từ ) một cách vô cùng chính xác bằng trường lượng tử , tom tăt trong lý thuyết chuẩn , là một thành công kỳ diệu với không dưới hai chục nhà vật lý hạt đoạt giải Nobel trong gần ba mươi năm nay ! Biết bao nhiêu tiên đoán của lý thuyết này đều vững vàng vượt quatất cả trắc nghiệm. Trong bốn lực cơ bản chỉ có cái cuối cùng là luật cổ điển hấp dẫn ( tương đối rộng ) hãy còn chưa hòa nhịp tương thích nổi với lượng tử .

2- Hiệu ứng Casimir trong một chân không kín rỗng, không ánh sáng không chút vật chất , ta đặt hai tấm gương mỏng song song . Mặc dù năng lượng của Không giữa hai tấm đều phân kỳ như ta biết , nhưng năng lượng của Không ở giữa nhỏ hơn ngoài hai tấm , sự khác biệt hữu hạn đó gây nên một áp suất làm chúng hút lẫn nhau. đó là lực Casimir , một đặc trưng của Không lượng tử . Lực hút đó được ông tính ra tỉ lệ thuận với hằng số Planck , vận tốc ánh sáng , diện tích của gương và tỷ lệ nghịch với lủy thừa bốn của khoảng cách d giữa hai tấm . Ở khoảng cách d = nanô –mét công nghệ tương lai , lực này có thể đóng vai trò quan trọng .Các phòng thực nghiệm ở Riverside ( California ) , Padova , Stockhom đã đo lực Casimir với độ sai biệt khoảng 1% với tính toán . Các nhà vật lý trong nhóm Kastler-Brossei của trường Cao đẳng Sư phạm Paris 2  đang xúc tiến việc tính toán đo lường với chủ đích tăng độ chính xáclên nhiều lần hơn nữa ( http://www.spectro.jussieu.fr/Vacuum/ ) Trong hư không của vật lý ứng dụng / công nghệ , tất cả đều vắng bóng chẳng có ánh sáng , vật chất , khối lượng , điện tích , sắc tích chi cả , kỳ lạ thay đột khởi một lực mà gốc nguồn rút tỉa từ năng lượng cực tiểu của chân không lượng tử !

3- Liên quan đến thiên văn vật lý , câu hỏi cực kỳ quan trọng về vai trò của Không trong sự giãn nở vũ trụ được đặt ra nhưng chưa biết giải pháp ra sao , báo hiệu một điều mới lạ đang đón chờ chúng ta ở chân trời . Năng lượng vô hạn của Không ( còn gọi là tai họa chân không) phản ánh sự tương phản căn bản ( ở giai đoạn Big Bang khai thiên lập địa ) giữa hai trụ cột của vật lý hiện đại : thuyết lượng tử của thế giới vi mô và thuyết tương đối rộng của thế giới vĩ mô . Thuyết này diễn tả luật hấp dẫn của trọng trường là do sự cong xoắn của không-thời gian làm cho mọi vật rơi lại gần nhau chứ chẳng có lực nào hút chúng ta cả , mà cái cấu trúc cong xoắn này là do vật chất tạo nên . Những kết quả đo lường gia tốcgiãn nở của vũ trụ cần đến lực phản hấp dẫn ( lực đẩy xa thay vì hút vào của lực hấp dẫn ) khá mạnh để chống lại sự co rút của vũ trụ bởi trọng trường . Lực phản hấp dẫn này ( liên quan đến hằng số vũ trụhọc trong phương trình Einstein về thuyết tương đối rộng ) có thể xuất phát bởi một loại vật chất không bức xạ , chỉ tác động lên cach1 vận hành và giãn nở của vũ trụ , khác lạ với vật chất bình thường của những thiên hà sáng ngời mà ta quan sát được hàng ngày . Các nhà thiên văn gọi cái vật chất khác lạ này là vật tối , mang năng lượng tối mà bản chất chưa được xác định . Nhưng quan trọng hơn cả , mật độ năng lượng cực kỳ lớn của Không vượt xa quá nhiều năng lượng cần thiết để giải thich gia tốc giãn nở của vũ trụ mà các nhà thiên văn đo lường . Về mặt cơ bản , cái tai họa chân không này là nỗi trăn trở hàng đầu của các nhà vật lý đương đại , nhưng đầy lý thú và thách thức cho thế hệ tương lai .Lý thuyếtdây/ màng M3 ( với không gian mười chiều , bảy chiều quá nhỏ lại bị cuốn tròn khiến ta khó nhận thứcđược ) có thể cho ta chìa khóa trả lời không ? trong không gian nhiều hơn 3 chiều , lực hấp dẫn giảm đi theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r không còn chính xác nữa , và việc kiểm chứng bằng thực nghiệm sự ai biệt với luật Newton ở kích thước r = milimet đang là một đề tài vật lý sôi nổi .Cần biết thêm rằng lý thuyết M chưa biết giải quyết cái “tai họa” chân không ra sao . Phải chăng cũng như Planck và Einstein trước thời Lượng tử và Tương đối , có lẽ còn cái gì đang thiếu sót trong cách nhận thức các hiện tượng thiên nhiên của Con Người ? Thiếu sót đó có tìm thấy tia sáng rọi đường nhờ một vài ý niệmgì trong đạo Phật , trong giáo lý vô ngã để phá bớt vô minh hay không ,điều này tôi không biết .

Tôi cũng xin tâm tình đôi chút . Hôm nay là ngày giỗi mẹ tôi . Ngày mẹ tôi mất cách đây 16 năm , lần đầu tôi nghe và đọc Bát Nhã Tâm Kinh : “Sắc bất dị không , không bất dị sắc ; thọ , tưởng , hành , thức , diệc , phục như thị …” và tìm đến triết lý “tánh không” của ngài Long Thụ . Qua cuốn sách của anh Bách , tôi suy ngẫm về cái Không lượng tử theo đó chân không là vật chất , vật chất là chân không , hai cái đó chỉ là một giả ngữ , chúng liên hoàn tương tác với nhau , cái này chứa cái kia ; chân không , vật chất chẳng sao tách biệt . Hơn nữa khi kết hợp hai lý thuyết Lượng tử và Tương đối thì ta thấy chân không , vật chất , thời gian , không gian cũng liên kết ràng buộc , cái này có là cái kia có , cái này không thì cái kia không , kể cũng chẳng đối kháng lắm theo thiển ý tôi với hai chữ Sắc Không của đạo Phật .  Xin cám ơn quý vị .

 Chú thích

1- Chi tiết chứng minh tự do tiệm cận của sắc động lực học lượng tử có thể tìm thấy ở chương 15 trong sách giáo trình về lý thuyết chuẩn . Elementary paricles and their interactions Concepts and Phenomena  , Hồ Kim Quang và Phạm Xuân Yêm , Springer –Verlag ( 1998) . Xem http://www.lpthe-jussieu.fr/~pham

* Xem bài của H.B casimir và một số bài khác trong Lr Vide , Univers du tout etdu rien đã dẫn , Lực Casimir được trình bày trong P.W .Miloni , The Quantum vacuum . Academic press ( 1994 ) . Casimir : Nhà vật lý Hà Lan sau khi công bố công trình này năm 1948 đã giữ chức Tổng Giám đốc nghiên cứu của hảng công kỹ nghe65b Phillips .

2- Tập hợp những nhà nghiên cứu giảng dạy đại học uy tín hàng đầu nước Pháp .

3- Xem Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ , Tia Sáng và BXB Trẻ ( 2003) do Phạm Văn Thiều dịch theo cuốn The Elegant Universe của Brian Greene , W.W Norton & Company ( 1999)
(TC. Văn Hóa Phật Giáo)

[tritanngo99]

Albert Einstein Với Thượng Đế Và Phật Giáo - Tuệ Uyển Chuyển Ngữ

Tôn giáo của tương lai sẽ là một tôn giáo vũ trụ. Tôn giáo ấy phải vươt lên Thượng đế của cá nhân và tránh giáo điều cùng lý thuyết.thần học. Bao trùm cả tự nhiên và tâm linh, nó phải được căn cứ trên cảm nhận phát sinh từ kinh nghiệm của tất cả mọi thứ tự nhiên và tâm linh như một sự hợp nhất đầy đủ ý nghĩa. Đạo Phật trả lời cho những sự mô tả này. Nếu có một tôn giáo mà có thể đương đầu với những nhu cầu của khoa học hiện đại đấy sẽ là Đạo Phật.( Albert Einstein)

Dĩ nhiên, đấy sẽ là một sự dối trá với những gì quý vị đọc về nhận thức tội lỗi của tôi, một sự lừa bịp đang được lập đi lập lại một cách có hệ thống. Tôi không tin tưởng một Thượng đế và tôi chưa bao giờ phủ nhận điều ấy mà đã từng tuyên bố một cách rõ ràng. Nếu có điều gì ấy trong tôi có thể được gọi là tôn giáo thế thì đấy sẽ là niềm ngưỡng mộ vô biên đối với cấu trúc của thế giới đến tận cùng những gì khoa học chúng ta có thể khám phá nó. (Albert Einstein, 1954) From Albert Einstein:The Human Side, edited by Helen Dukas and Banesh Hoffman, Princeton University Press

Sự nghiên cứu của khoa học căn cứ trên ý tưởng rằng mọi thứ hiện hữu được quyết định bởi những định luật tự nhiên, và do thế điều này có nghĩa là vì những hành động của con người. Vì lý do này, một nhà nghiên cứu khoa học sẽ khó mà có khuynh hướng tin tưởng những sự kiện có thể bị ảnh hưởng bởi một sự cầu nguyện. (Albert Einstein, 1936) Trả lời cho một thiếu niên hỏi về việc nhà khoa học có cầu nguyện không. Source:Albert Einstein: The Human Side, Edited by Helen Dukas and Banesh Hoffmann

 

Thái độ của một người nên được căn cứ một cách có hiệu quả trên những mối liên hệ và nhu cầu thông cảm, học vấn, và xã hội; không có căn bản tôn giáo nào là cần thiết. Con người quả thực sẽ ở trong một cung cách nghèo nàn nếu người ta phải bị hạn chế bởi sợ hãi của sự trừng phạt và hy vọng tưởng thưởng sau khi chết. (Albert Einstein,"Religion and Science", New York Times Magazine, 9 November 1930

Tôi không thể tưởng tượng một Thượng đế, kẻ tưởng thưởng và trừng phạt những tạo vật của mình, hay có môt ý chí mà chúng ta trãi nghiệm với chính mình. Tôi cũng không có thể cũng không muốn nghĩ đến việc một con người tồn tại sau cái chết thân thể của mình; hãy để những linh hồn yếu đuối, từ sự sợ hãi hay tự ngã ngớ ngẫn, yêu mến tư tưởng ấy. Tôi hài lòng với sự huyền bí của đời sống vô tận và với sự tỉnh thức và đại cương cấu trúc diệu kỳ của thế giới hiện hữu. cùng với sự cố gắng cống hiến để lĩnh hội phần mình, bởi vì nó mãi mãi là quá bé nhỏ, của Chân Lý đã tự biểu hiện trong thiên nhiên. (Albert Einstein, The World as I See It)

Albert Einstein on God and Buddhism

Tuệ Uyển chuyển ngữ - 24/08/2010

http://www.scribd.co...ein-on-Buddhism