|
Post by Can Tho on Apr 15, 2010 8:15:31 GMT 9
Lịch sử đồng hồ Phạm Văn Tuấn Đồng hồ mặt trời. Do sự tình cờ, người thời cổ xưa đã nhận xét rằng bóng của một thân cây bị cụt ngọn biến đổi khi mặt trời di chuyển trên bầu trời. Tương tự, khi cắm một cây gậy thẳng đứng trên mặt đất, bóng cây gậy cũng di chuyển và chiều dài của bóng này thay đổi trong ngày. Khi bóng của cây gậy ngắn, người thời cổ xưa biết rằng đây là lúc gần trưa còn khi bóng dài, họ biết rằng ngày bắt đầu hay sắp hết. Bằng cách dùng các hòn đá, người thời cổ xưa đã đánh dấu vị trí của bóng mát này. Như vậy dụng cụ sơ sài dùng để đo thời gian đã thành hình hơn 4,000 năm về trước và người ta gọi nó là “đồng hồ mặt trời” (sundial). Nhà thiên văn miền Chaldée tên là Berossus đã mô tả đồng hồ mặt trời vào thế kỷ thứ 3 trước Tây Lịch. Đồng hồ mặt trời có nhiều loại, nhiều hình dạng. Thứ đơn giản nhất là một cây gậy cắm thẳng đứng với tên gọi là “cột chỉ giờ “ (gnomon). Loại cột này có thứ nhỏ, có thứ lớn như chiếc Kim Cléopatre (Cleopatra’s Needle) hiện nay còn dựng tại công viên , thành phố New York. Cột chỉ giờ đã mang lại nhiều khuyết điểm: trong suốt một năm và ở cùng một giờ trong ngày, bóng của cột thay đổi cả về chiều dài lẫn về phương hướng. Mặc dù người ta đã thay đổi cây gậy bằng những “đồng hồ bóng mát” (obélisque) chôn chặt dưới đất, tất cả khuyết điểm trên vẫn còn tồn tại. Để sửa bớt các điều bất lợi, người thời xưa nghĩ ra các “nhật quỹ” (cadran solaire). Nhật quỹ là một thứ đồng hồ mặt trời, gồm có một miếng gỗ vuông nằm ngang và một miếng gỗ cắt chéo đóng thẳng góc với mặt nằm ngang. Miếng gỗ chéo có cạnh chéo song song với trục của quả đất, nghĩa là hướng về ngôi sao Bắc Đẩu. Nhờ điều sau này các bóng mát không thay đổi về phương hướng nữa và người thời cổ có được các độ chia nhất định. Cách dùng các nhật quỹ rất đơn giản: khi đặt nhật quỹ ở ngoài nắng, nếu bóng của nhật quỹ sát với cạnh số 9 thì lúc bấy giờ là 9 giờ. Nhật quỹ không phải là dụng cụ đo giờ chính xác và chỉ xử dụng được vào ngày có nắng. Nhật quỹ cần được chế tạo thích hợp với từng địa phương. Có kẻ đã ăn trộm một chiếc nhật quỹ tại Ai Cập và mang về đặt tại Hy Lạp. Tại nơi này, nhật quỹ đó đã chỉ sai giờ khiến cho kẻ ăn trộm phải thắc mắc. Nhật quỹ được dùng từ thời xa xưa. Loại nhật quỹ cổ nhất còn sót lại tại Ai Cập được làm từ thế kỷ 15 trước Tây Lịch. Người Ai Cập cũng như người Hy Lạp rất ưa thích loại đồng hồ mặt trời này. Tới thế kỷ 19, các tay thợ sửa đồng hồ còn dùng các nhật quỹ thích hợp để lấy giờ. Người La Mã trái lại đã không chú trọng đến thứ dụng cụ đo thời gian này vì mãi tới năm 491 mà họ còn dùng một cột chỉ giờ cắm trước Hội Trường để giới hạn các bài diễn văn của các nhà hùng biện. 2/ Đồng hồ nước. Khi dùng nhật quỹ, người ta gặp phải nhiều điều bất tiện chẳng hạn như nhật quỹ không thể cho biết thời giờ vào những ngày mưa hay vào ban đêm. Vì vậy người Ai Cập lại nghĩ ra các đồng hồ nước (clepsydres) căn cứ vào mực nước trong một chiếc bình trong suốt. Thứ đồng hồ nước đơn giản nhất gồm một bình hình trụ có chia độ nối với một ống nhỏ. Một bình chứa nước có chỗ thoát bớt, giữ cho nước chảy vào ống nhỏ với một lưu lượng nhất định. Sau khi bình hình trụ đã đầy, nước tự động chảy ra ngoài qua một ống hình chữ U nhờ nguyên tắc bình thông đáy. Người ta căn cứ vào mực nước dâng lên trong bình hình trụ để biết thời gian. Thí dụ mực nước lên tới vạch thứ 7 thì vào lúc đó, đồng hồ nước chỉ 7 giờ. Các đồng hồ nước được cải tiến dần dần: một chiếc phao nổi trên mặt nước mang thanh gỗ có gắn một kim chỉ thị và kim này di chuyển trước một bảng có ghi thời giờ. Về sau trục của phao nổi lại được mắc vào một bánh xe răng cưa làm chuyển động kim chỉ thị trước một mặt có chia độ. Đồng hồ nước tuy được phát minh sau đồng hồ mặt trời nhưng lại được dùng đồng thời với loại đồng hồ mặt trời. Trên bức tường trong ngôi nhà mồ tại một nghĩa địa của tỉnh Thèbes, Ai Cập, người ta còn tìm thấy chiếc đồng hồ nước của tu sĩ kiêm nhà thiên văn tên là Amenenhet, chết vào khoảng năm 1550 trước Tây Lịch. Nhờ đồng hồ nước, Amenenhet đã nhận xét rằng đêm đông dài 14 giờ, trong khi vào mùa hè, đêm chỉ dài 12 giờ và trong suốt một năm, đêm đã thay đổi nếu kể từ lúc mặt trời lặn tới khi mặt trời mọc. Như vậy đồng hồ mặt trời cho biết giờ giấc còn đồng hồ nước được dùng để đo các khoảng thời gian đã trôi qua. Vào khoảng năm 250 trước Tây Lịch, Ctésibius người Hy Lạp đã nghĩ ra được một thứ đồng hồ nước rất tài tình vì có bút ghi rõ thời gian. Ở chiếc đồng hồ này, nước chảy vào trong bình hình trụ theo một hình thức thi vị hơn: những giọt nước mắt từ đầu chiếc tượng đã rơi dần dần vào trong bình. Khi nước dâng lên, chiếc phao nổi đưa lên cao một hình người có cầm ở tay một chiếc kim chỉ thị và đầu kim này là cây bút chuyển động trước một khối trụ thẳng đứng. Sau 24 giờ, nước chảy ra, rơi xuống một bánh xe đạp nước (roue à aubes) và bánh xe này làm khối trụ thẳng đứng quay đi một chút. Về sau người ta cải tiến loại đồng hồ nước bằng cách thêm vào bộ phận răng cưa và đồng hồ nước đã trở nên một thứ máy móc tuy đắt tiền nhưng vẫn được các người sống trên miền bờ biển Địa Trung Hải đòi hỏi. Vào thế kỷ thứ nhất trước Tây Lịch, Pompée đã bắt các Tòa Án phải dùng đồng hồ nước để tránh các luật gia nói “lảm nhảm”. Do các nhà hùng biện cần nhiều thời gian để bênh vực một lý lẽ, nên không tránh sao khỏi có sự gian dối trong vấn đề thời giờ. Người ta đã khám phá ra các vụ hối lộ nhân viên giữ đồng hồ để kéo dài thời gian và mang tiếng hơn cả, có luật gia đã đổ cả thứ nước bùn vào đồng hồ khiến cho đồng hồ chạy chậm hơn là đối với thứ nước trong. Một khuyết điểm khác của loại đồng hồ nước là về mùa lạnh, nước đông đặc. Jules César đã gặp trở ngại này khi dẫn binh lính sang đất Anh. Trong thời gian đồn trú tại nơi này, César đã nhận thấy đêm mùa hè của xứ Anh ngắn hơn tại La Mã và vì kiến thức về thiên văn của viên Tổng Tài này không được uyên thâm nên ông ta không biết rằng đó là do sự khác biệt về vĩ độ. Vào các thời đại trước, sự chuyển động của đồng hồ nước còn phức tạp nên vào năm 490 khi Vua Théodoric tặng Vua Gondebault xứ Burgondes chiếc đồng hồ, nhà Vua đã phải gửi theo cả người biết điều khiển đồng hồ. Chiếc đồng hồ danh tiếng nhất thời trước là của ông Hoàng Ả Rập Haroum-al-Raschid gửi tặng Hoàng Đế Charlemagne vào năm 809. Chiếc đồng hồ này bằng đồng thau, có 24 quả tròn cũng bằng đồng rơi dần vào trong môt chậu để chỉ giờ. Còn một loại đồng hồ nước khác chạy rất yên lặng nên được nhiều người dùng và vì vậy, rất được thịnh hành vào thế kỷ 17, thời kỳ của các đồng hồ quả lắc. Loại này gồm một cái trống kim loại hình trụ dẹp, bên trong chia thành các căn vách a, b, c, d. . . và các căn này thông với nhau bằng các lỗ nhỏ. Trọng lực đã làm cho nước chảy từ căn nọ sang căn kia và làm quay dần chiếc trống kim loại. Trục của trống xuống dần và di động trước một bảng chỉ thời giờ. Người ta chỉ cần nhìn xem trục ngang đó nằm ở con số nào để biết mấy giờ. 3/ Đồng hồ cát và nến chỉ giờ. Ngoài hai loại đồng hồ mặt trời và đồng hồ nước, còn có đồng hổ cát (sablier) dùng trong các khoảng thời gian ngắn. Nguồn gốc từ xứ Ai Cập, loại đồng hồ này cũng liên quan với đồng hồ nước nhưng xuất hiện về sau. Ngày nay đồng hồ cát còn được dùng để biết thời gian nói chuyện tại máy điện thoại hay dùng đến khi ngâm trứng gà trong nước sôi. Đồng hồ cát gồm một bình nhỏ, bụng thắt thật hẹp, cát ở phần trên nên chảy dần xuống phần dưới đến khi hết, lúc này người ta đổi đầu đồng hồ. Thời gian cát chảy từ phần trên xuống phần dưới đều bằng nhau. Đồng hồ cát có nhiều loại: có thứ một giờ, có thứ nửa giờ, lại có thứ dùng để đo lường các khoảng thời gian ngắn hơn, chừng 10 phút chẳng hạn và loại này được Hải Quân Anh dùng mãi cho tới năm 1839. Ngoài ra loại nến chỉ giờ (chandelle horaire) rất được nhiều người dùng trong thời Trung Cổ. Loại nến chỉ giờ này căn cứ vào nguyên tắc thời gian trôi qua tỉ lệ với số nến cháy. 4/ Đồng hồ dùng lò xo. Từ loại đồng hồ chạy nước, người ta tìm cách phát minh ra một dụng cụ khác đo thời gian. Người đầu tiên làm đồng hồ có máy móc là tu sĩ Gerbert, một nhà thiên văn. Vị linh mục Bénédictin này đã phát minh ra cơ phận “con buông” (escapement) vào năm 996. Thời đó, máy móc của đồng hồ rất phức tạp. Được chuyển vận do một khối nặng vì vậy đồng hồ rất to lớn và cồng kềnh. Lúc đầu đồng hồ được lắp một quả chuông và những tiếng chuông nhắc nhở các tu sĩ tới giờ cầu nguyện. Vì vậy mới có danh từ “clocca” trong tiếng La Tinh và “clock” trong tiếng Anh. Vào năm 1288 một chiếc đồng hồ khá lớn, đánh từng hồi chuông và nhiều lần trong một ngày, được lắp trên tháp của tòa kiến trúc Westminster Hall, nước Anh. Người ta còn kể lại rằng Vua Henry 8 trong lúc thua bạc và quá túng tiền, đã ra lệnh tháo các quả chuông và bán đi để trả nợ. Kỹ thuật đồng hồ được cải tiến dần và tới thế kỷ 14, đồng hồ đã thấy tại khắp nơi. Vào thời đó có nhiều kiểu đồng hồ nhưng chúng đều to lớn và chuyển vận do các quả nặng hơn 50 kí lô. Cũng có loại với mặt khắc 24 giờ và mặt này quay trước một kim chỉ giờ cố định. Vào thời kỳ đó, chiếc đồng hồ danh tiếng nhất là của Vua Charles 5. Chiếc đồng hồ thiên văn đầu tiên được tu viện trưởng (abbot) Richard Wellington chế tạo cho nhà thờ Saint Albans trong khoảng các năm 1326 và 1344. Một chiêc đồng hồ khác do Henry De Vick thuộc miền Wurttemberg nước Đức làm cho lâu đài hoàng gia tại Paris (ngày nay là Bộ Tư Pháp = Palais de Justice), chiếc đồng hồ này có 1 kim chỉ giờ và dùng quả nặng 227 kilô (chừng 500 pounds) rơi từ trên cao 9.8 mét (32 feet). Do công dụng của đồng hồ, nhiều người đã đặt làm loại đồng hồ có máy móc khiến cho nghề thủ công này càng thêm phát triển. Nều đồng hồ lớn cồng kềnh được phổ biến thì các nhà quý phái hay các tay cự phú lại muốn có các đồng hồ nhỏ để dùng riêng. Người ta liền tìm cách chế tạo loại đồng hồ đeo được. Chiếc đồng hồ “đeo cổ” đầu tiên được Peter Henlein làm tại Nuremberg, nước Đức và được tất cả các nhà làm đồng hồ khác bắt chước. Henlein đã dùng một thứ lò xo làm động lực chuyển vận. Nhờ trí tưởng tượng dồi dào, Henlein đã chế tạo một chiếc đồng hồ có hình dáng và kích thước khá giống một quả trứng vì thế thứ đồng hồ này được dân chúng gọi là “Trứng Nuremberg” (Nuremberg Egg). Loại đồng hồ này rất đắt tiền và chuyện còn kể rằng Hầu Tước De Laborde đã phải mua một chiếc với giá 26 đồng vàng vào năm 1377. Vào hậu bán thế kỷ 14, đồng hồ trở nên một thứ trang sức đắt tiền. Người ta thường dùng một sợi dây chuyền vàng để đeo đồng hồ trước ngực. Đồng hồ lại có nhiều kiểu nên cách xử dụng cũng khác nhau. Vào năm 1520, cha Frederic Pistorius, Bề Trên vùng Nuremberg, đã tặng cho tu sĩ Luther một chiếc đồng hồ. Martin Luther đã cảm ơn lại với câu sau: “. . . món quà này thực là quý giá. Tôi phải hỏi các nhà toán học để hiểu cách làm và cách xử dụng đồng hồ này vì từ trước tới nay, tôi chưa từng trông thấy một chiếc tương tự”. Từ thế kỷ 16, các nhà làm đồng hồ bên châu Âu đã cố gắng rất nhiều để chế tạo các loại đồng hồ càng ngày càng nhỏ cỡ hơn, kiểu đẹp hơn, lại được nạm kim cương và họ cũng dùng các thứ kim loại quý để làm vỏ đồng hồ. Thời đó, nếu các nhà quý phái hãnh diện về đồng hồ đeo cổ thì các nhà thờ cũng lấy làm vinh dự về chiếc đồng hồ to lớn gắn tại mặt tiền. Vào thế kỷ 17 và 18, một loạt các phát minh khoa học đã làm gia tăng độ chính xác của đồng hồ và làm giảm đi khối nặng dùng trong bộ máy đồng hồ. Đầu thế kỷ 17, Galileo đã mô tả tính chất của con lắc (pendulum). Chuyển động của con lắc khiến các nhà vật lý quan tâm. Ngày 16/7/1675, Christian Huyghens, nhà vật lý kiêm thiên văn người Hòa Lan, đã trình bày trước chính phủ Hòa Lan chiếc đồng hồ quả lắc đầu tiên rồi tới ngày 30/12/1675, Huyghens lại cho phổ biến phát minh về lò xo chôn ốc. Phát minh này đã giúp ích rất nhiều cho kỹ nghệ đồng hồ và đã hứa hẹn cho các nhà khoa học một dụng cụ có thể đo lường một cách chính xác các quãng thời gian ngắn như giây đồng hồ. Năm 1676, một cải tiến quan trong khác lại được thực hiện: nhà vật lý người Anh Robert Hooke đã nghĩ ra thứ con buông có móc (the anchor escapement). Cơ phận này lúc đầu được xử dụng cho loại đồng hồ thiết lập tại các thiên văn đài nhưng về sau, một người thợ đồng hồ tên là Thomas Tompion đã mang áp dụng vào loại đồng hồ do gia đình anh ta chế tạo. Sáng kiến của Robert Hooke về đồng hồ tuy đã khả quan hơn nhiều nhưng còn một khuyết điểm: tại cơ phận con buông có móc, sinh ra sự “đá hậu” (kickback) và điều này ảnh hưởng tới độ chính xác của đồng hồ vì thế vào năm 1715, George Graham đã cải tiến kỹ thuật đồng hồ bằng một thứ con buông “thoát” (the “deadbeat” escapement). Nhờ các sửa đổi thích hợp, đồng hồ quả lắc trở nên một dụng cụ chính xác vào năm 1800. Các đồng hồ dùng lò xo lúc đầu còn mang nhiều khuyết điểm. Lò xo trở nên yếu dần khi nở ra và con lắc bên trong chuyển vận không đều khi đồng hồ bị đặt nghiêng. Mặc dù từ năm 1550, người ta đã làm các bánh xe răng cưa bằng đồng thay thế cho sắt nhưng đồng hồ vẫn chưa chỉ đúng giờ, vì thế kim chỉ phút dù có được thêm vào cũng không khiến cho nhiều người chú ý vì vào thời kỳ này, đồng hồ có thể chỉ sai từ nửa giờ tới hai giờ. Trên đất liền, đồng hồ quả lắc của Huyghens tuy chuyển vận hoàn hảo khi treo tường nhưng lại không thích hợp với sự lắc lư của con tầu, điều này đã làm các nhà hàng hải bận tâm rất nhiều. Vào năm 1598, Vua Tây Ban Nha Philippe III đã treo một giải thưởng lớn cho người nào phát minh ra một thứ đồng hồ dùng được trên tầu đi biển nhưng không có ai lãnh thưởng. Vào các thế kỷ trước, người thủy thủ ra biển mà không biết hiện đang ở tại kinh độ nào vì vậy mà sau mỗi năm, có hàng ngàn con tầu, hàng ngàn con người và nhiều tấn hàng đã bị lạc đường và mặc dù người ta đã vạch ra các kinh tuyến trên bản đồ, chưa ai tìm được cách xác định kinh độ. Về vĩ độ, cách tìm kiếm không khó khăn. Các người đi biển thường dùng kính lục phân (sextant) để đo độ cao của mặt trời hay của một vài ngôi sao đã biết rồi mở bảng cao độ mà tìm kết quả, nhưng việc xác định kinh độ đã gặp khó khăn hơn nhiều. Đối với vĩ tuyến, người ta căn cứ vào xích đạo còn kinh tuyến là những đường kẻ tưởng tượng nối liền hai cực và không có một điểm nào làm chuẩn. Năm 1675, Vua Charles II của nước Anh cho thiết lập Thiên Văn Đài Hoàng Gia (The Royal Observatory) tại Greenwich để “tìm kiếm kinh độ của các vị trí với mục đích làm hoàn hảo ngành hàng hải và môn thiên văn học”. Mặc dù vậy, kinh tuyến qua Thiên Văn Đài Greenwich chỉ được chấp nhận làm kinh tuyến gốc mãi về sau, vào năm 1884. Từ khi có đồng hồ, các nhà hàng hải đặt hy vọng vào thứ dụng cụ đo thời gian này để có thể suy ra kinh độ của một nơi. Vì trái đất xoay chung quanh mình nó 360 độ trong 24 giờ nên người ta có thể so sánh giờ địa phương của một nơi với giờ của nơi có kinh tuyến chuẩn để suy ra kinh độ. Tới thế kỷ 17, số tầu biển tăng lên rất nhiều mà người ta chưa tìm được một phương pháp nào xác định tọa độ trên mặt biển. Do sự sai nhầm trên mặt biển, rất nhiều con tầu đã gặp tai nạn và trầm trọng hơn hết là Hạm Đội Anh do Sir Cloudesley Shovel chỉ huy, đã đi lạc hướng và đâm vào đá ngầm gần đảo Sorlingues (Scilly Islands). Vào khoảng 2,000 thủy thủ đã thiệt mạng. Tai nạn này xẩy ra vào năm 1707. Sau thảm nạn này, Quốc Hội Anh tuyên bố treo giải thưởng 20,000 bảng tặng nhà phát minh nào sáng chế được một thứ thì kế (chronomètre) dùng cho các nhà đi biển. Rất nhiều kiểu mẫu và họa đồ vẽ dụng cụ này được gửi tới Bộ Hải Quân nhưng không một sáng kiến nào đáp ứng được lời đòi hỏi. 14 năm sau khi Quốc Hội Anh treo giải thưởng mới có John Harrison, người miền Yorkshire, trình lên một thứ thì kế dùng lò xo và con lắc. Một hội đồng đã cứu xét đề nghị của Harrison và nhà phát minh được khuyến khích làm thử loại đồng hồ này. Năm 42 tuổi, ông Harrison đã đưa trình chiếc thì kế thứ nhất nhưng chỉ lãnh được một phần thưởng tượng trưng vì Bộ Hải Quân Anh còn đòi hỏi ở nhà phát minh một thứ tốt hơn. Năm 66 tuổi, ông Harrison đã trình cho Hội Đồng cứu xét tất cả 4 chiếc thì kế. Trong chuyến du hành sang các hòn đảo Trung Mỹ (West Indies), chiếc thì kế thứ tư của Harrison đã chạy rất đúng, chỉ sai 5 giây nghĩa là người dùng có thể nhầm lẫn 1 hải lý ¼ so với các nhầm lẫn trước kia có thể lên tới 100 hải lý. Vào năm 76 tuổi và mặc dù rất kém về thị giác, Harrison còn trình bày một kiểu thì kế khác nhưng ông ta chỉ nhận được một lời hứa không chắc chắn của Bộ Hải Quân về số tiền thưởng 20,000 bảng. Tới lúc này, nhà phát minh không còn đủ kiên nhẫn nữa, ông ta xin yết kiến Vua George III. Nhà Vua đã vui vẻ nghe kể về tấm lòng nhiệt thành trong một thời gian khá lâu mà không được giải thưởng. John Harrison đã hiến cả cuộc đời vào công việc xác định kinh độ khá chính xác nên cuối cùng, ông ta lãnh giải thưởng khi đã 80 tuổi. Ba năm sau, John Harrison qua đời. Vào cuối thế kỷ 18, còn nhiều người tìm cách chế tạo thì kế. Tại nước Pháp và Thụy Sĩ, các nhà kỹ thuật đã thành công khá nhiều và đáng kể hơn cả là cải tiến vào năm 1781 của Thomas Earnshaw, một bác thợ đồng hồ người Anh. Trong thế kỷ 17, các đồng hồ đã có kim chỉ phút và kim chỉ giây rồi qua thế kỷ 18, chân kính (jeweled bearings) được dùng để làm giảm độ ma xát và tăng độ bền của đồng hồ. Kỹ thuật chế tạo đồng hồ đòi hỏi những bộ phận tinh sảo, chính xác. Các nghiệp đoàn thợ đồng hồ dần dần ra đời để bảo vệ quyền lợi của những người trong nghề. Vào năm 1544 xuất hiện nghiệp đoàn thợ đồng hồ của thành phố Paris (the Paris Guild of Clockmakers) rồi tới năm 1630, Công Ty Làm Đồng Hồ (The Clockmakers Company) được thành lập tại thành phố London và công ty này còn tồn tại cho tới ngày nay. Các nước Hòa Lan, Đức và Thụy Sĩ cũng là các nơi danh tiếng sản xuất loại đồng hồ đẹp và hoàn hảo về cơ khí. Trước kia vào thế kỷ 16, đồng hồ đeo ngực được nhiều người dùng nhưng không ai nghĩ tới việc chế tạo đồng hồ đeo tay. Cuối cùng đồng hồ đeo tay cũng ra đời và ngày nay chúng ta không biết từ bao giờ và ai nghĩ ra sáng kiến đó. Về nguồn gốc của đồng hồ đeo tay, có người cho rằng căn nguyên như sau: vào một buổi sáng đẹp trời, một thiếu phụ trông con trong công viên tại Genève đã quấn một chiếc đồng hồ đeo cổ chung quanh cổ tay để xem chừng giờ giấc. Bất chợt lúc đó có một anh thợ đồng hồ đi qua và trông thấy, khiến anh ta nẩy ra ý nghĩ chế tạo thứ đồng hồ đeo tay đầu tiên. Một giả thuyết khác lại cho rằng thủy tổ của loại đeo tay chính là chiếc đồng hồ của Nữ Hoàng Elizabeth I. Bá Tước Leicester, kỵ sĩ của Nữ Hoàng, đã tặng nhà Vua một chiếc đồng hồ tròn gắn trên chiếc vòng nạm đầy kim cương vào ngày đầu năm 1572. Sự ra đời của đồng hồ đeo tay cũng không khiến mọi người quan tâm cho mãi tới năm 1806, Hoàng Hậu Joséphine de Beauharnais đã tặng cho cô con dâu là công chúa xứ Bavière hai cái vòng nạm ngọc trai và ngọc bích, trên một trong hai chiếc vòng này có gắn một chiếc đồng hồ rất nhỏ. Hai món kỷ vật đặc biệt này đều do nhà kim hoàn Nitot tại thành phố Paris thực hiện. Tuy đồng hồ đeo tay đã ra đời nhưng nhiều người chỉ ưa thích loại đeo cổ vì nó vừa là một món trang sức, vừa là biểu hiệu của những người khá giả. Tới năm 1880 Bộ Hải Quân Đức mới nhận thấy rằng đồng hồ đeo tay là một vật dụng hữu ích cho các sĩ quan. Bộ liền đặt làm một lô đồng hồ đeo tay và các sĩ quan Hải Quân Đức là những người đầu tiên đeo loại đồng hồ này. Những đồng hồ đeo tay vào thời đó được làm bằng vàng tây, có mặt to, kim to và dây deo cũng bằng kim loại. Sau loạt đặt hàng của Hải Quân Đức, các nhà sản xuất đồng hồ mới nghĩ tới việc tung loại đeo tay ra thị trường. Những đồng hồ thương mại này bằng vàng, có nạm ngọc và nhỏ hơn thứ của các sĩ quan Hải Quân một chút. Sau đó đồng hồ đeo tay của đàn bà cũng được sản xuất với những chạm chổ tinh vi. Nhưng mặc dù là một sản phẩm mới, đồng hồ đeo tay vẫn không được mọi người ưa chuộng và nhà sản xuất Girard phải cho xuất cảng thứ đó sang Chili bên châu Mỹ. Tuy nhiên tại xứ Chili, tình trạng còn bi đát hơn vì dân chúng không cần biết tới thời giờ và nếu có ai dùng đồng hồ thì cũng đều cảm thấy bất tiện khi đeo nó tại cổ tay mà làm việc. Đồng hồ đeo tay vì thế lại được đưa sang bán tại Bắc Mỹ và nó vẫn chịu số phận ế ẩm như trước. Mãi tới năm 1902 và mặc dù đồng hồ đeo tay không được ai đòi hỏi, ông Wilsdorf, một nhà sản xuất đồng hồ tại Thụy Sĩ, cứ cho xuất cảng loại này sang nước Anh vì ông nhận thấy tầm quan trọng của nó. Nhưng tình trạng cũng chẳng khả quan hơn và người Anh còn cho rằng đồng hồ có thể bị liệt máy vì các chuyển động thông thường của cánh tay. Đồng hồ đeo tay đã chịu số phận hẩm hiu tới năm 1927 để rồi một sự tình cờ khiến cho mọi người phải chú ý tới nó. Nguyên một cô thư ký đánh máy trẻ tuổi tên là Mercédès Gleitze có ý định bơi qua biển Manche và cô đã thành công trong ngày 7/10/1927. Thành tích của cô Gleitze không phải là mới lạ vì vào thời bấy giờ, đã có nhiều người đàn bà vượt biển trước cô. Nhưng đám người đón cô Gleitze trên bờ đã ngạc nhiên khi thấy cô đeo đồng hồ nơi cổ tay mà họ tưởng rằng cô đã quên chưa cởi nó ra trước khi xuống nước. Nếu vậy chiếc đồng hồ này đã bị hư hỏng vì nước biển ngấm vào. Khi trả lời về chiếc đồng hồ này, cô Gleitze đã phá lên cười. Cô cho mọi người biết đó là thứ không ngấm nước và cô dùng nó để xem giờ lúc đang bơi. Ngày hôm sau, tờ báo Daily Mail đăng tải bài tường thuật mà không quên nói về chiếc đồng hồ đặc biệt của cô Gleitze. Tin hấp dẫn chưa hề có này khiến mọi người phải chú ý và dân tộc Anh là giống ngươi ưa chuộng thể thao lại càng lấy làm thích thú. Họ liền đua nhau mua đồng hồ đeo tay để dùng khi chơi dã cầu, lúc đua ngựa hay khi đi câu cá. . . Từ đó, đeo đồng hồ ở tay trở thành một thứ phong trào. Lớp người dùng đồng hồ đeo tay ngày một nhiều và đến năm 1937, đồng hồ đeo tay đạt tới mức thành công kỷ lục. Kỹ thuật chế tạo đồng hồ đeo tay càng ngày càng phát triển, tinh vi hơn, để tiến từ loại không ngấm nước tới loại không bị ảnh hưởng của từ tính, của sự va chạm và cũng có loại tự động lên dây. Tại Hoa Kỳ, chiếc đồng hồ loại lớn đầu tiên được chế tạo cho thành phồ New York là vào năm 1716 rồi vào năm 1753, một chiếc đồng hồ khác được gắn bên trong Sảnh Đường Độc Lập (the Independence Hall) của thành phố Philadelphia, tiểu bang Pennsylvania. Sau Cuộc Cách Mạng Hoa Kỳ (1775/1783), đồng hồ được sản xuất khá nhiều. Vào thập niên 1800, Simon Willard của tỉnh Roxbury, tiểu bang Massachusetts và Eli Terry của tiểu bang Connecticut là những người xin bằng sáng chế về 2 loại đồng hồ đặc biệt (gọi là banjo clock và pillar-and-scroll clock). Cũng vào thời gian này, Seth Thomas thiết lập Công Ty Đồng Hồ (the Seth Thomas Clock Company) tại tỉnh Thomaston, thuộc tiểu bang Connecticut. Công ty này đã trở thành một trong các cơ xưởng sản xuất đồng hồ lớn nhất Thế Giới vào giữa thế kỷ 20. Trong thập niên 1920, người ta thấy xuất hiện loại đồng hồ dùng giòng điện xoay chiều (electric clock). Vào thời kỳ này, loại đồng hồ điện có thể sai vài giây trong một ngày nên chỉ thích hợp với việc xử dụng trong nhà. Trái lại trong các phòng thí nghiệm vật lý và tại các đài thiên văn, thời gian cần được tính đúng từng phần ngàn của giây và có khi cả phần tỉ của giây, vì vậy vào năm 1929 các nhà khoa học đã áp dụng tính chấn động của tinh thể thạch anh (quartz) vào phương pháp chế tạo đồng hồ. Nhờ thạch anh, đồng hồ loại mới này (quartz-based clock) có thể chạy sớm hơn hay chậm hơn chừng 2 phần ngàn của giây trong một năm. Vào năm 1948 Nha Đơn Vị Mẫu (The National Bureau of Standards) của Hoa Kỳ đã thành công trong việc chế tạo đồng hồ nguyên tử (atomic clock) dùng chấn động của nguyên tử ammôniac với tần số 23,870 mégacycles. Sự chính xác của thứ đồng hồ này lên tới một phần 100 triệu. Về sau vào năm 1955, Tiến Sĩ Charles H. Townes thuộc trường Đại Học Columbia, Hoa Kỳ, đã chế tạo được thứ đồng hồ có tên gọi là ammonia maser. Loại đồng hồ này chỉ có thể chạy sai 1 giây trong 2 thế kỷ. Tại Viện Kỹ Thuật Massachusetts (MIT), Tiến Sĩ Jerrold R. Zacharias đã thành công về chiếc đồng hồ nguyên tử dùng chất Cesium (cesium atomic clock). Tiến Sĩ Zacharias đã tính rằng nếu thứ đồng hồ này chạy từ thời Chúa Cứu Thế tới ngày nay, nó sẽ nhanh hay chậm ½ giây đồng hồ. Do đà tiến triển về kỹ thuật, các nhà khoa học tin rằng áp dụng quan trọng nhất của đồng hồ nguyên tử là sự thiết lập một mẫu mực về thời gian và mẫu này hoàn toàn độc lập với chuyển động của trái đất và các vì sao.
|
|
|
Post by Can Tho on Apr 15, 2010 8:21:14 GMT 9
Vài loại lịch phổ thông Phạm Văn Tuấn 01/01/2009 1/ Lịch La Mã. Lịch La Mã rất quan trọng đối với chúng ta vì đây là nguồn gốc của thứ lịch ngày nay. Vào thời cổ xưa, người La Mã kể ngày bắt đầu vào lúc mặt trời lặn. Họ chia ban ngày ra làm: sáng, trưa, chiều, và ban đêm gồm có: chiều, mặt trời lặn, đêm trường (nuit profonde), gà gáy (chant du coq) và rạng đông. Sự phân chia không rõ ràng này được người La Mã dùng mãi tới năm 263 trước Tây Lịch. Vào năm này, người La Mã chiếm được tại Catane một chiếc đồng hồ mặt trời do người Hy Lạp dựng nên. Vì chiếc đồng hổ này được thiết lập cho một tỉnh tại Sicile nên khi mang về La Mã, nó không thể nào chỉ đúng giờ được nhưng nhờ nó mà người La Mã mới có ý niệm rõ ràng về đơn vị thời gian. Vào năm 753 trước Tây Lịch, Romulus thiết lập nên kinh thành Rome thì lịch đã có từ lâu. Người La Mã đã dùng các tháng căn cứ vào mặt trăng và một năm có 10 tháng, gồm 4 tháng dài (grand mois) với 31 ngày là các tháng 3, 5, 7 (quintilis) và 10. Sáu tháng kia chỉ có 30 ngày. Như vậy một năm của người La Mã chỉ có 304 ngày và được bắt đầu vào tháng 3. Mặc dù có một khoảng trống 60 ngày vào giữa tháng Chạp và tháng 3, không người La Mã nào quan tâm đến điều này cả, phải chăng họ không cần để ý tới các ngày tháng mùa đông lạnh lẽo? Vua Numa Pompilius nổi tiếng đạo đức Về sau vào khoảng năm 712 trước Tây Lịch, Vua Numa Pompilius mới thêm vào lịch tháng Giêng và tháng 2 khiến cho số ngày trong một năm là 354. Vì quan niệm số chẵn là số không may mắn và “số lẻ làm vừa lòng các thần thánh hơn” (l’impair plait aux dieux), nên người La Mã đã thêm vào lịch một ngày nữa để tổng số ngày là 355. Muốn tạo ra 2 tháng với 51 ngày mới này, người La Mã đã lấy bớt một ngày ở mỗi tháng có 30 ngày và vì vậy, tháng Giêng mới cũng có 29 ngày như 6 tháng kia, riêng tháng 2 là tháng cuối cùng trong một năm nên phải chịu hai điều thiệt thòi, đó là tháng ngắn nhất lại chứa đựng số ngày chẵn (28). Trong một tháng, tên gọi các ngày cũng rất vô lý. Ngày đầu tháng được gọi là Calendes. Ngày Nones tới vào ngày thứ 5 hay thứ 7, ngày Ides (iduare = phân chia) ở vào ngày thứ 13 hay 15. Nếu kể cả ngày Nones và ngày Ides, thì khoảng thời gian bao gồm các ngày đó là 9 ngày, vì thế mới có danh từ Nones (thứ 9). Người La Mã tính ngày căn cứ vào ngày lễ sắp đến. Khi ngày Calendes đã đi qua, họ căn cứ vào ngày Nones, rồi họ kể ngày thứ mấy trước ngày Ides, tiếp theo là các ngày trước Calendes. Hai ngày trước ngày lễ, thay vì phải gọi là ngày thứ hai về trước (2è jour avant) lại được người La Mã gọi là ngày thứ 3. Sự nhầm lẫn một đơn vị này cứ được người La Mã dùng cho các ngày thường. Thí dụ về các ngày trong tháng Giêng (31 ngày theo lịch Julien) được kể như sau: (1) Calendes, (2) ngày thứ 4 trước Nones, (3) ngày thứ 3 trước Nones, (4) ngày trước Nones, (5) Nones, (6) ngày thứ 8 trước Ides, (7) ngày thứ 7 trước Ides, (8) ngày thứ 6 trước Ides, (9) ngày thứ 5 trước Ides, (10) ngày thứ 4 trước Ides, (11) ngày thứ 3 trước Ides, (12) ngày trước Ides, (13) Ides, (14) ngày thứ 19 trước Calendes, (15) ngày thứ 28 trước Calendes, (16) ngày thứ 17 trước Calendes, (17) ngày thứ 16 trước Calendes, (18) ngày thứ 15 trước Calendes, (19) ngày thứ 14 trước Calendes, (20) ngày thứ 13 trước Calendes, (21) ngày thứ 12 trước Calendes, (22) ngày thứ 11 trước Calendes, (23) ngày thứ 10 trước Calendes, (24) ngày thứ 9 trước Calendes, (25) ngày thứ 8 trước Calendes, (26) ngày thứ 7 trước Calendes, (27) ngày thứ 6 trước Calendes, (28) ngày thứ 5 trước Calendes, (29), ngày thứ 4 trước Calendes, (30) ngày thứ 3 trước Calendes, (31) ngày trước Calendes của tháng Hai. Vì một năm của người La Mã có 355 ngày nên không lâu, người dân thấy rõ sự sai lệch đối với 4 mùa. Muốn điều chỉnh khuyết điểm này, người La Mã cứ 2 năm lại thêm vào một tháng thứ 13 có 22 ngày và tháng này được gọi là Mercédonius. Nhưng không hiểu tại sao tháng Mercédonius lại được xen vào giữa hai ngày 23 và 24 của tháng Hai. Nhờ cách xử dụng tháng phụ này, người La Mã đã làm cho một năm có 366 ngày và như vậy, vẫn còn sai lệch nhưng tới đây, họ chưa tìm được cách sửa chữa tiếp theo. Sau nhiều cuộc sửa đổi bị thất bại vì bất đồng ý kiến, chính quyền La Mã đành trao trách nhiệm này cho Trường các Giáo Trưởng (le Collège des Pontifes) quyền ấn định cho các tháng nhuận số ngày thích hợp với từng hoàn cảnh. Chính vì đặc quyền này mà “lịch” đã trở nên một nơi dinh dưỡng sự gian lận. Các giáo trưởng đã lạm dụng đặc quyền để làm cho năm dài thêm hay ngắn bớt với mục đích thiên vị các viên Tổng Tài (Consul) đang tại chức, hay làm hại những người chống đối họ. Việc làm này đã khiến cho công việc xác định các kỳ hạn thu và đóng thuế bị xáo trộn, các buổi họp tư pháp gặp cản trở, các ngày tết lễ rơi vào những dịp trái với thiên thời và quyền công dân bị xâm phạm. Trước sự gian lận của các giáo trưởng, người dân tại mọi nơi đều đồng thanh đòi cải tổ lịch. Sự kiện này khiến cho nhà độc tài Jules César phải quan tâm tới lịch vào năm 63 trước Tây Lịch. César cho mời nhà thiên văn Hy Lạp Socigène khi đó đang sống tại Alexandrie, Ai Cập, làm cố vấn cho mình. Hai thế kỷ về trước, Vua Ai Cập Ptolémée III Evergète đã ra một đạo luật chấp nhận một ngày phụ cho mỗi 4 năm 365 ngày và đại thiên văn gia Hipparque đã nhận xét vào năm 180 trước Tây Lịch rằng một năm ngắn hơn 365 ngày. Socigène cũng biết tới điều khám phá của Hipparque nhưng có thể vì cho rằng sai biệt 5 phút trong 1 năm không đáng kể, vì điều này chỉ làm sai lịch 1 ngày rưỡi sau 2 thế kỷ, nên Socigène đã đề nghị với Jules César cách sửa đổi bắt nguồn từ ý tưởng của Vua Ptolémée Jules César Ptolémée III Để chấm dứt sự lộn xộn về lịch, Jules César quyết định rằng thứ lịch mới không liên quan gì đến mặt trăng, hoàn toàn căn cứ vào mặt trời và phải được làm cho thích hợp với 4 mùa. Muốn vậy, từ năm 708 La Mã (tức là năm 46 trước Tây Lịch), ngày Xuân Phân sẽ mãi mãi là ngày 25 tháng 3. César còn ấn định rằng cứ 4 năm có một năm 366 ngày và ngày phụ sẽ được thêm vào tháng 2, tháng 28 ngày, ngắn nhất và cũng là xấu nhất. Nhưng đáng lẽ cho tháng 2 này 29 ngày, César đã phải tránh né động chạm tới nhiều điều dị đoan của dân chúng bằng cách chấp nhận một quy tắc phức tạp. Theo người La Mã, các tháng dành cho các thần thánh dưới Hỏa Ngục (dieux infernaux) phải có số ngày chẵn, còn số ngày lẻ là của thần thánh nơi Thiên Đường (dieux supérieurs). Vì vậy quy tắc sửa đổi đã ấn định tăng gấp đôi ngày 24 tháng 2 để không làm thay đổi tên gọi các ngày trong tháng, và vì ngày này là ngày thứ sáu trước Calendes của tháng 3, nên được gọi là “bissextus (anté) calendes martias” (nguyên ngữ của chữ bissextil trong tiếng Pháp). Đồng thời Jules César còn mang đầu năm về tháng Giêng, chứ không phải là tháng Ba như cũ. Để làm cho thứ lịch mới này thích ứng với các điều nhận xét thiên văn, năm 708 La Mã có 455 ngày, rồi sau đó là ngày mồng 1 tháng Giêng (năm 45 trước Tây Lịch). Với thứ lịch mới này, thứ tự các tháng bị xáo trộn. Tháng Quintilis (hay thứ 5) trở thành tháng Bẩy, tháng Bẩy hóa ra tháng Chín (Septembre có nghĩa là 7), tháng Chín trở nên tháng 11 (Novembre bao hàm ý nghĩa thứ 9) và tháng Mười Décembre trong lịch cũ được gọi là tháng thứ 12. Mặc dù tên gọi bị sai lệch nhưng vì quen dùng, người La Mã không muốn sửa đổi. Để ghi nhớ công trình của Jules César đã đóng góp vào cách cải tổ lịch, người ta gọi thứ lịch mới này là “Lịch Julien”. Sự cải cách của Jules César khá chính xác. Nhà khoa học biết rằng năm chí tuyến (année tropique) bằng 365.2422 ngày trong khi năm tính theo lịch Julien là 365.25 ngày, như vậy sự sai biệt mỗi năm là 0.0078 ngày hay 11 phút 11 giây đối với 4 mùa, khiến cho sau 4 thế kỷ, lịch Julien chỉ chậm đi 3 ngày, một khuyết điểm rất nhỏ so với cuộc đời của con người. Một năm sau ngày sửa đổi lịch, Jules César bị ám sát chết. Việc thêm một ngày nhuận (jour bissextil) được trao cho các giáo trưởng (Pontifes) nhưng các vị này đã phát biểu đạo luật về lịch một cách sai lạc do câu “mỗi 4 năm” khiến cho các năm nhuận chỉ cách nhau bằng 2 năm thường. Trong vòng hơn 30 năm, việc thêm ngày nhuận vẫn được thực hiện một cách sai lệch như vậy, làm cho trung bình một năm là 365.33 ngày. Để sửa chữa lỗi lầm này, Hoàng Đế Auguste vào năm thứ 8 trước Tây Lịch, đã ra lệnh hủy bỏ các năm nhuận trong 12 năm, khiến cho tới năm thứ 5 sau Tây Lịch, Lịch Julien mới trở lại bình thường và việc tìm kiếm lại các ngày tháng vào các năm về trước gặp rất nhiều trở ngại. Vào năm 325 trước Tây Lịch, dưới triều Hoàng Đế Constantine, Giáo Hội Nicée (le Concile de Nicée) đã ấn định ngày lễ Phục Sinh (Pâques) phải là ngày Chủ Nhật đầu tiên sau ngày trăng tròn thứ nhất (première pleine lune) của mùa Xuân. Vào năm đó ngày Xuân Phân rơi vào ngày 21 tháng 3. Trải qua gần 4 thế kỷ, tới khi Jules César tìm cách cải tổ Lịch, phân điểm (équinoxe) đã đi trước 3 ngày đối với ngày ấn định. Nhưng ông Socigène lại tính là 4 ngày nên mới ấn định ngày Xuân Phân là ngày 25 tháng 3 vào năm 45 trước Tây Lịch. Sự nhầm lẫn ít nhất 24 giờ này do các dụng cụ quan sát thiên văn kém chính xác và thật ra, vào thời kỳ đó cũng khó mà xác định lúc nào mặt trời đi qua thiên xích đạo (équateur céleste). Qua nhiều thế kỷ, lịch Julien vẫn sai lệch đối với Phân Điểm cho tới thế kỷ thứ 8, Giáo Hội La Mã mới tỉnh ngộ rằng ngày Phục Sinh là ngày lễ của mùa Xuân lại được cử hành vào mùa Hạ. Tới thế kỷ 13, sự kiện này lại được mang ra thảo luận nhưng việc làm ra luật định không thành công. Vào năm 1414, trong Hội Nghị Tôn Giáo Constance, Hồng Y Giáo Chủ Pierre d’Ailly đã trình bày trước Giáo Hoàng Jean 23 điều mà toàn thể các tu sĩ ý thức về việc ấn định ngày lễ Phục Sinh. Tới khi Hội Nghị Tôn Giáo Trente được tổ chức (1545/1553), các giáo sĩ cũng không tìm ra được một lối thoát nào cho ngày lễ Phục Sinh cả. Năm 1582, Giáo Hoàng Grégoire 13 triệu tập một hội đồng các nhà bác học trong đó đáng kể nhất là nhà thiên văn kiêm tu sĩ Dòng Tên người Đức Clavius. Mục đích của việc sửa đổi lịch của Giáo Hoàng Grégoire 13 gồm hai phần: (1) phát biểu các quy tắc tổng quát ấn định về lịch sẽ dùng cho tương lai, (2) sửa chữa các nhầm lẫn gây ra bởi lịch cũ sao cho ngày tháng của lịch mới thích ứng với năm mặt trời. Từ năm có Hội Nghị Tôn Giáo Nicée, 1257 năm đã trôi qua. Vì năm tính theo lịch Julien dài hơn năm mặt trời thực (true solar year) 11 phút 14 giây, tức là sau 129 năm, sự sai biệt là 1 ngày, nên tới năm 1582, ngày Xuân Phân sẽ rơi vào ngày 11 tháng 3 nghĩa là đi trước 10 ngày so với ngày đã được ấn định tại Hội Nghị Tôn Giáo trước kia. Vì muốn giữ ngày 21 tháng 3 làm ngày Xuân Phân nên Giáo Hoàng Grégoire 13 đã quyết định rằng ngày tiếp theo ngày thứ Năm, mồng 4 tháng 8 năm 1582, sẽ là ngày thứ Sáu, 15 tháng 8 năm 1582, như vậy năm 1582 chỉ có 355 ngày và từ năm 1583, ngày 21 tháng 3 sẽ là ngày Xuân Phân. Vì lịch Julien sai biệt so với 4 mùa mất 3 ngày trong 4 thế kỷ, nên muốn giữ cho sự trùng hợp của ngày Xuân Phân vào ngày 21 tháng 3, Giáo Hoàng Grégoire 13 còn ấn định thêm vài cách sửa chữa khuyết điểm. Do sự sửa đổi kể trên, người ta thấy rằng: a) theo như quy luật cũ, cứ 4 năm lại có một năm nhuận. b) các năm thế kỷ (année séculaire) theo lịch Julien đều là nhuận, từ nay trở thành năm thường trừ khi số thế kỷ chia đúng cho 4. Vì thế các năm 1700, 1800, 1900 không còn là nhuận nữa trong khi các năm 1600, 200 đều có một ngày nhuận vì số 16 và số 20 chia đúng cho 4. Thứ Lịch mới do Giáo Hoàng Grégoire 13 ấn định không khác biệt mấy so với Lịch Julien, ngoài các bổ khuyết về chi tiết và vì vậy người ta còn gọi Lịch Grégorien này là Lịch Julien Mới (le calendrier julien nouveau style). Lịch Grégorien khá chính xác. Nếu tính số trung bình, nhà khoa học thấy rằng: 1) năm tính theo Lich Julien = 365.25 ngày, 2) năm tính theo Lịch Grégorien = 365.2425 ngày, 3) năm chí tuyến (tropique) = 365.2422 ngày. Như vậy năm của Lịch Grégorien dài hơn năm mặt trời thực 0.0003 ngày và sự sai biệt chỉ lên tới 3 ngày sau 10,000 năm. Nếu như vậy, trong 3,000 năm, người ta chỉ cần sửa chữa 1 ngày, một việc làm quá dễ dàng, lại xét ra không cần thiết ngay bây giờ bởi vì Lịch hiện nay còn có thể xử dụng tới năm 4,000. Thực ra độ chính xác khi tính lịch còn bị ảnh hưởng bởi nhiều lý do khác nữa. Đầu tiên, năm chí tuyến (tropique) giảm đi 5 giây mỗi ngàn năm, rồi khoảng thời gian 1 ngày lại tăng lên 0.001 giây sau một thế kỷ vì sự ma xát thường xuyên của thủy triều đã hãm bớt chuyển động quay của trái đất. Các nhà khoa học tính ra rằng do Lịch Grégorien và do hai lý lẽ kể trên, sau 10,000 năm, ngày Xuân Phân sẽ tới vào tháng 3, đi trước ngày ấn định khoảng 8 ngày. Ngay sau khi Giáo Hoàng Grégoire 13 công bố sửa đổi Lịch, thì tại thành phố La Mã và tại hai nước Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha, thứ lịch mới được xử dụng ngay. Cũng vào năm 1582 tại nước Pháp và dưới triều Vua Henry III, việc cắt bớt 10 ngày được thực hiện vào tháng Chạp, sau ngày 9 là ngày 20 tháng 12. Tại nước Hòa Lan vào năm 1582, ngày lễ Giáng Sinh đi kế tiếp ngày 14 tháng 12 nhưng đạo luật đổi ngày này không được các tỉnh có tín đồ Tin Lành chấp nhận trong khi đó, các miền theo Cơ Đốc giáo tại hai nước Đức và Thụy Sĩ đón nhận sự cải tổ Lịch vào năm 1584. Tại nước Ba Lan, giới Cơ Đốc giáo đã chống đối việc sửa đổi lịch, một vụ hỗn loạn đã xẩy ra tại Riga nhưng rồi Lịch Grégorien cũng được người dân dùng vào năm 1586. Năm sau, tới lượt nước Hung Gia Lợi dùng Lịch mới này. Việc cắt bỏ 10 ngày làm cho thời gian mất hẳn tính liên tục, nên đã khiến nhiều xứ Cơ Đốc giáo cũng phản đối mãnh liệt trong khi đó, các tín đồ Tin Lành còn chống lại một cách lâu dài hơn. Nhà thiên văn danh tiếng Kepler nói rằng “các người Tin Lành ưa thích ngày tháng sai lệch với mặt trời hơn là đồng ý với Giáo Hoàng”. Sự chống đối còn được nhiều người góp công vào, chẳng hạn như học giả người Pháp Joseph Scaliger với các bài chỉ trích. Tại nhiều nơi, người ta đã phải dùng binh lực để dẹp các vụ hỗn loạn. Cuối cùng các tín đồ Tin Lành tại Hòa Lan, Đức và Thụy Sĩ cùng dùng Lịch Grégorien nhưng trễ hơn một thế kỷ sau, vào khoảng năm 1700. Hai nước Anh và Thụy Điển chính thức dùng Lịch Grégorien vào năm 1752. Tại nước Anh sau ngày mồng 2 tháng 9 là ngày 14 tháng 9: người Anh đã phải bỏ đi 11 ngày bởi vì năm 1700 đã đi qua. Như vậy tháng 9 năm 1752 là tháng ngắn nhất trong Lịch Sử của Đế Quốc Anh. Tại nước Anh, việc sửa đổi lịch đã khiến cho trên nhiều đường phố, các tín đồ Tin Lành vừa biểu tình, vừa hô khẩu hiệu “hãy trả cho chúng tôi 11 ngày”. Thêm vào đó, việc nước Anh chấp nhận đồng thời ngày mồng Một tháng Giêng làm ngày đầu năm càng làm uất hận các tín đồ trung thành với tập quán. Tại các lãnh thổ có dân chúng theo Chính Thống giáo (Orthodoxe) như Nga Sô, Hy Lạp, Bảo Gia Lợi và Nam Tư, Lịch Julien vẫn được xử dụng tới tới đầu thế kỷ 20. Vì các năm thế kỷ 1700, 1800 và 1900 đều được tăng thêm một ngày, nên từ mồng Một tháng 3 năm 1900, lịch của tín đồ Chính Thống giáo sai biệt với Lịch Grégorien 13 ngày. Về sau Giáo Hội Chính Thống cũng bắt đầu dùng Lịch Grégorien khiến cho thứ lịch này có tính quốc tế. 2/ Lịch Giáo Hội (Calendrier écclésiastique). Lịch Giáo Hội La Mã có mục đích tính toán về các ngày lễ tôn giáo. Trong khi các thứ lịch khác chỉ căn cứ vào mặt trăng hay mặt trời, lịch Giáo Hội lại liên hệ tới cả hai. Giáo Hội phân biệt hai thứ lễ: ngày lễ cố định và ngày lễ lưu động, nhưng bởi vì có khi cố định đối với lịch mặt trời, có khi cố định đối với lịch mặt trăng, nên các sự cố định hay lưu động này không có tính chất đặc thù. Lịch Giáo Hội là thứ rất phức tạp, các phép tính liên quan tới lịch được gọi là “comput” do chữ “computare” là “tính”. Mục đích của comput là xác định ngày Lễ Phục Sinh (Pâques). Các ngày lễ tôn giáo đều phụ thuộc vào Lễ Phục Sinh. Ngày Chủ Nhật thứ 9 hay 63 ngày trước Lễ Phục Sinh là Lễ Chủ Nhật Thất Tuần (Septuagésime). Ngày Chủ Nhật của Hội Giả Trang (dimanche de Carnaval) hay Quinquagésime trước Lễ Phục Sinh 7 tuần lễ. Sau ngày đó là ngày Thứ Tư Lễ Di Hài (Mercredi des Cendres). Lễ Hiện Xuống (Pentecôte) đi sau Lễ Phục Sinh 7 tuần, trước ngày lễ này là Lễ Thăng Thiên (Ascension) rơi vào ngày thứ Năm. Ngày Chủ Nhật sau Lễ Hiện Xuống là Lễ Tam Vị Nhất Thể (Trinité). Còn nhiều ngày lễ khác nhưng quan trọng nhất vẫn là Lễ Phục Sinh. Ngày Lễ Phục Sinh Do Thái (Pâques juive) bắt đầu vào ngày 14 tháng Nisan. Sở dĩ ngày trăng tròn này được chọn vì vào thời xa xưa, ánh sáng trăng rất cần thiết cho lữ khách ban đêm. Ngày 15 Nisan là ngày tiệc tùng rồi tới ngày 16 có lễ dâng lên Chúa một nhánh lúa nặng hạt: tại Palestine, lúa mạch chín sớm nhất sau ngày Xuân Phân, vào khoảng đầu tháng 4. Vậy người cổ xưa đã cử hành Lễ Phục Sinh Do Thái vào lúc trăng tròn đầu tiên của mùa Xuân. Theo Giáo Hội La Mã, Chúa Jesus Christ đã cử hành 3 lễ Phục Sinh. Tới Lễ Phục Sinh thứ tư, vào trước hôm chết, Chúa đã đặt ra Thánh Thể (Eucharistie) và buổi họp các Tông Đồ (la Cène) ở vào ngày thứ Năm, 14 tháng Nisan. Ba ngày sau, tức là vào ngày 17, Chúa Jesus sống lại. Vì vậy các tín đồ Thiên Chúa giáo muốn rằng Lễ Phục Sinh phải rơi vào ngày Chủ Nhật đầu tiên sau ngày trăng tròn của mùa Xuân. Căn cứ vào các sự kiện theo thiên văn học, các nhà niên biểu (chronologiste) đều kết luận rằng sự phục sinh của Chúa Cứu Thế đã ở vào ngày Chủ Nhật, mồng 5 tháng 4 năm 33. Nhưng việc cử hành Lễ Phục Sinh đã được thực hiện vào nhiều ngày khác nhau: ngày 17 Nisan, ngày Chủ Nhật đầu tiên sau ngày 17 tháng Nisan. Một số tu sĩ lại theo ngày lễ Phục Sinh cổ Do Thái, tức là ngày 14 Nisan. Tuy nhiên, đa số tín đồ Thiên Chúa giáo và cả Giáo Hoàng đều chấp nhận ngày Chủ Nhật theo sau ngày 14 Nisan (vào tháng 3). Sau 3 thế kỷ chưa tìm ra được một giải pháp ổn thỏa, Hội Nghị Tôn Giáo Nicée mới đề ra quy tắc mà ngày nay người ta còn áp dụng: “Ngày Lễ Phục Sinh là ngày Chủ Nhật sau 14 ngày mặt trăng và tuổi trăng này rơi vào ngày 21 tháng 3 hay liền sau đó” (Pâques est le dimanche qui SUIT le 14è jour de la Lune que atteint cet âge au 21 mars ou immédiatement après). Theo như quy tắc này, Lễ Phục Sinh có thể rơi vào các ngày từ 22 tháng 3 tới 25 tháng 4, tức là ở vào một trong 35 ngày khác nhau. Sau Hội Nghị Tôn Giáo Nicée và do các bất đồng ý mà Lễ Phục Sinh đã được cử hành vào các ngày không thống nhất, và tình trạng này còn tồn tại tới thế kỷ thứ 9 hay hơn nữa. Nhờ các điều tìm kiếm về comput julien của tu sĩ Denys le Petit mà từ thế kỷ thứ 6 tới năm 1582, Giáo Hội La Mã đã căn cứ vào đó để tính toán ngày Lễ Phục Sinh. Vào năm 432 trước Tây Lịch, Méton đã khám phá ra tính chất sau đây: 19 năm mặt trời bằng 235 tuần trăng, như vậy sau 19 năm, các biến tướng (phase) của mặt trăng sẽ trở lại như cũ và do đó, người ta có thể tiên đoán về các ngày trăng tròn và điều chỉnh trước cho lịch có thể thích hợp cả với mặt trời và mặt trăng. Lý thuyết của Méton rất đặc sắc: nếu gọi L là tuần trăng, B là năm chí tuyến, A là năm julien, thì L = 29.530588 ngày, 235 L = 6,939.6882 ngày; A = 365.25000 ngày, 19 A = 6,939.7500 ngày, B = 365.242200 ngày, 19 B = 6,939.6018 ngày. Như vậy sau 19 năm julien, sự sai biệt là 1 giờ 30 phút hay 1 ngày sau 17 chu kỳ Méton (hơn 320 năm). Căn cứ vào chu kỳ Méton, các nhà khoa học đã lập ra Lịch Vĩnh Viễn chỉ các ngày trăng mới (calendrier perpétuel des nouvelles Lunes du comput julien). Thực ra các tuần trăng không bằng nhau mà thay đổi trong khoảng 14 giờ. Sự sai nhầm còn tăng thêm vì các ngày nhuận và cần đến 4 chu kỳ Méton mới có một số ngày chẵn (1 chu kỳ Méton = 6,939.75 ngày), nên việc tiên đoán về các biến tướng của mặt trăng chỉ được kể là gần đúng. Rồi các năm tháng cứ trôi qua, sau thế kỷ 16 sự sai biệt lên tới 3 ngày. Vào năm 1582, khi Giáo Hoàng Grégoire sửa đổi lịch Julien thì đối với lịch mặt trăng, các số vàng (nombre d’or) cũng được thay thế bằng các gia số (epacte do tiếng Hy Lạp épiaktos là (số) thêm vào). Mặc dù cải tiến mới này, Lịch Giáo Hội vẫn chưa trùng hợp với mặt trăng. Sở dĩ có sự sai biệt vì các gia số chỉ trù liệu về chuyển động trung bình của mặt trăng. Nhờ Khoa Thiên Văn mới, các nhà khoa học biết rằng do sự sai biệt mà Lễ Phục Sinh lại có thể cử hành sớm hơn hoặc trễ hơn dự định 1 tuần lễ, có khi tới 1 tháng. Về sau các nhà khoa học dùng gia số và chủ tự (lettre dominicale) để tính ngày Lễ Phục Sinh trong lịch Grégorien. Cũng vì chu kỳ của các chủ tự (cycle dominical) là 28 mà một cuốn lịch có thể dùng lại 28 năm sau. 3/ Lịch Trung Hoa. Vào năm 213 trước Tây Lịch, Tần Thủy Hoàng ra lệnh đốt sách, chôn học trò, làm cho ngày nay người ta khó lòng biết chắc chắn các niên biểu của người Trung Hoa vào thời cổ xưa. Người Trung Hoa cho rằng 20 thế kỷ trước Tây Lịch, tổ tiên của họ đã biết một năm có 365 ngày¼ và đã dùng một năm 366 ngày tiếp theo 3 năm 365 ngày. Sự kiện này còn bị nghi ngờ nhưng chắc chắn, người Trung Hoa đã dùng lịch 12 tháng có 30 ngày và 29 ngày liên tiếp. Người Trung Hoa đã kiểm soát lịch bằng cách dùng bóng của cây gậy (gnomon) đo lúc chính ngọ vào ngày đông chí. Họ còn cho rằng đã tìm thấy một thứ chu kỳ 19 năm tương tự như chu kỳ Méton. Người Trung Hoa tính lịch theo Can và Chi, bắt nguồn từ Kinh Dịch. Có 10 Can là: Giáp, Ất, Bính, Đinh, Mậu, Kỷ, Canh, Tân, Nhâm, Quý. 12 Chi được kể như sau: Tý, Sửu, Dần, Mão, Thìn, Tỵ, Ngọ, Mùi, Thân, Dậu, Tuất, Hợi. Lịch của người Trung Hoa không những được tính căn cứ vào sự chuyển vận của mặt trăng mà còn dựa vào các hiểu biết về Lý Số. Sau một khoảng thời gian khá dài, Lịch Trung Hoa cũng bị sai lệch với bốn mùa. Vào năm 1629, Vua Trang Liệt đã nhờ 2 nhà truyền giáo tây phương là Rho và Terranz góp công vào việc sửa đổi lịch. Hai vị linh mục này rất giỏi về thiên văn, đã xúc tiến việc cải tổ nhưng chưa thành thì linh mục Terranz qua đời. Công việc trên được linh mục Shall tiếp nối. Nhờ công trình của 3 nhà truyền giáo này mà Bộ Khâm Định Vạn Niên Thư được hoàn tất. Đây là một bộ sách tính lịch rất giá trị, đã chứa đựng nhiều thay đổi theo nền Thiên Văn Học của phương Tây và cho các kết quả về ngày tháng từ năm 1624 tới năm 2020. Tới đời Vua Khang Hy, Bộ Luật Thượng Khảo Thành cũng được làm xong với sự bổ chính của hai linh mục A. Pereyra và J. Royler. Một bộ luật luật thứ ba khá quan trọng ra đời dưới thời Vua Càn Long, là Bộ Khâm Định Hiệp Ký Biên Phương. Trong bộ luật này, người làm lịch đã chú trọng rất nhiều đến Lý Số và đã bỏ bớt một phần nào các yếu tố do nền Thiên Văn Học mang lại. 4/ Lịch Cộng Hòa (Calendrier Républicain). Sau Cuộc Cách Mạng Pháp năm 1793, Hội Nghị Quốc Ước (Convention) đã ra một đạo luật ngày 6/10/1793 nói về cách dùng một thứ lịch mới. Các nhà cách mạng Pháp đã lấy ngày 22/9/1792 làm ngày đầu tiên vì do sự ngẫu nhiên, ngày tuyên bố nền Cộng Hòa rơi đúng vào ngày Thu Phân khi phân điểm đi qua kinh tuyến Paris. Theo Lịch Cộng Hòa, một năm có 12 tháng, mỗi tháng có 30 ngày. Tên gọi các tháng được ấn định theo quy ước Fabre d’Eglantine, đều có một âm điệu rất kêu tai và có vần cuối phụ thuộc vào từng mùa. Mùa Thu: Vendémiaire (tháng hái nho), Brumaire (tháng sương mù), Frimaire (tháng sương giá) Mùa Đông: Nivôse (tháng tuyết), Pluviôse (tháng mưa), Ventôse (tháng gió) Mùa Xuân: Germinal (tháng mầm lá), Floréal (tháng hoa), Prairial (tháng cánh đồng) Mùa Hạ: Messidor (tháng gặt hái), Thermidor (tháng nhiệt), Fructidor (tháng trái cây). Theo lịch mới này, một năm có 5 ngày phụ xếp vào cuối tháng Fructidor, rồi cứ 4 năm lại có thêm 1 ngày nhuận được gọi là Ngày Cách Mạng (jour de la Révolution). Các năm nhuận 3, 7, 11... không trùng hợp với các năm nhuận theo lịch Grégorien. Các ngày trong tháng được xếp đặt làm 3 đợt, mỗi đợt 10 ngày (décade) và các tên gọi như sau: primidi, duodi, tridi, quartidi, quintidi, sextidi, septidi, octidi, nonidi, décade. Chủ trương của các nhà làm Lịch Cộng Hòa là muốn cho thứ lịch mới này được toàn thể các nước trên thế giới xử dụng, giống như họ đã dùng hệ thống mét. Nhưng thật là trái ngược khi các tên tháng kể trên lại chỉ thích hợp với bốn mùa của nước Pháp. Vì thế đây chính là yếu điểm bị chỉ trích của Lịch Cộng Hòa. Lịch Cộng Hòa thực ra chỉ được dùng trong 12 năm. Hoàng Đế Napoléon đã ra đạo luật ngày 9/9/1805 hủy bỏ thứ lịch này kể từ ngày 1/1/1806 và như thế, năm Cộng Hòa thứ 14 bắt đầu từ ngày 23/9/1805 (tính theo lịch Grégorien) chỉ kéo dài 3 tháng 8 ngày./.
|
|
|
Post by Can Tho on Apr 15, 2010 9:28:03 GMT 9
Những phát minh từ 1440 đến nay Võ Thị Diệu Hằng ngày 11 tháng 05 năm 2004 NĂM INVENTION / DÉCOUVERTE PHÁT MINH / KHÁM PHÁ TÊN NƯỚC 1440 Imprimerie Máy in Johannes Gutenberg Ðức 1555 Email men tráng đồ sứ Bernard Palissy Pháp 1590 Microscope Kính hiển vi Zacharias Janssen Hà Lan 1608 Lunette astronomique Kính thiên văn Hans Lippershey Hà Lan 1625 Transfusion sanguine Truyền máu Jean-Baptiste Denys Pháp 1629 Turbine à vapeur Tua bin hơi nước Giovanni Branca Ý 1642 Machine à additionner Máy làm tính cộng Blaise Pascal Pháp 1643 Baromètre Áp kế Evangelista Torricelli Ý 1650 Pompe à air Bơm hơi Otto von Guericke Ðức 1656 Balancier d'horloge Con lắc đống hồ Christiaan Huygens Hà Lan 1670 Balance à plateaux découverts Cân bàn Roberval Gilles Personne de Roberval Pháp 1671 Machine à calculer Máy làm phép tính Gottfried Wilhelm Leibniz Ðức 1675 Autoclave Nồi hấp tự đóng Denis Papin Pháp 1687 Principe d'une machine à vapeur à piston Nguyên tắc máy hơi nước dùng piston Denis Papin Pháp 1698 Pompe à vapeur Bơm hơi nước Thomas Savery Anh 1701 Semoir máy gieo Jethro Tull Anh 1710 Piano forte Dương cầm Bartolomeo Cristofori Ý 1712 Machine à vapeur Máy hơi nưóc Thomas Newcomen Anh 1714 Thermomètre à mercure Nhiệt kế thủy ngân Daniel Gabriel Fahrenheit Ðức 1717 Cloche de plongée Chuông để lặn xuống nước Edmund Halley Anh 1725 Clichage, Stéréotypie In bản đúc William Ged Anh 1745 Bouteille de Leyde (condensateur) Chai tụ điện Leyde (máy tụ điện) Ewald Jürgen von Kleist Ðức 1752 Paratonnerre Cột thu lôi Benjamin Franklin Mỹ 1769 Métier à filer (hydraulique) Máy kéo sợi (dệt) Richard Arkwright Anh 1770 Automobile Xe hơi Joseph Cugnot Pháp 1775 Sous-marin Tàu ngầm David Bushnell Mỹ 1780 Lentille bifocale Kính hai tròng Benjamin Franklin Mỹ 1783 Bateau à vapeur Tàu chạy bằng hơi nước Claude Fr. Jouffroy d'Abbans Pháp 1783 Aérostat Khí cầu Joseph et Étienne de Montgolfier Pháp 1784 Batteuse Máy đập lúa Andrew Meikle Anh 1785 Métier à tisser mécanique Nghề dệt cơ (không bằng tay) Edmund Cartwright Anh 1786 Bateau à vapeur Tàu chạy bằng hơi nước John Fitch Mỹ 1791 Turbine à gaz Tua bin khí John Barber Anh 1792 Gaz d'éclairage khí để đốt đèn William Murdock Anh 1793 Egreneuse Máy tẻ hột Eli Whitney Mỹ 1794 Télégraphie aérienne Ðiện tín hàng không Claude Chappe Pháp 1795 Presse hydraulique Joseph Bramah Anh 1796 Lithographie Kỹ thuật in Litô Aloys Senefelder Ðức 1796 Vaccination contre la variole Chủng ngừa bệnh trái trời Edward Jenner Anh 1797 Parachute nhảy dù Andre Jacques Garnerin Pháp 1797 Eclairage au gaz đèn dùng khí đốt Philippe Lebon Pháp 1799 Anesthésie Thuốc mê Humphrey Dovy Anh 1800 Métier à tisser Jacquard Ngành dệt Jacquard Joseph Marie Jacquard Pháp 1800 Pile électrique Pin điện Alessandro Volta Ý 1803 Bateau à vapeur Tàu thùy chạy bằng hơi nước Robert Fulton Mỹ 1804 Hélice Chong chóng John Stevens Mỹ 1804 Locomotive Ðầu máy xe lửa Richard Trevithick Anh 1805 Placage des métaux Luigi Gasparo Brugnatelli Ý 1810 Conserves alimentaires Giữ thức ăn không hư Nicolas Appert Pháp 1810 Presse typographique à vapeur Frederick König Ðức 1810 Machine à filer le lin Máy dệt sợi gai Philippe de Girard Pháp 1814 Locomotive Ðầu máy xe lửa George Stephenson Anh 1815 Lampe de sûreté Ðèn an toàn soi hầm mỏ Humphry Davy Anh 1815 Stétoscope Ống nghe René Laennex Pháp 1816 Photographie chụng ảnh Nicéphore Niépce Pháp 1816 Bicyclette Xe đạp Karl von Sauerbronn Ðức 1819 Stéthoscope Ống nghe Théophile Hyacinthe Laennec Pháp 1820 Hygromètre Ẩm kế John Frederic Daniell Anh 1820 Galvanomètre Ðiện kế Johann Salomo Christoph Schweigger Ðức 1821 Lentille à échelon Augustin Fresnel Pháp 1821 Moteur électrique Máy chạy điện Michael Faraday Anh 1823 Alectroaimant William Sturgeon Anh 1825 Chemin de fer Ðường sắt Anh rồi Pháp 1825 Electro-aimant Ðiện từ Arago & Ampère Pháp 1827 Aluminium Nhôm Friedrich Wöhler Anh 1829 Machine à écrire Máy đánh chữ W. A. Burt Mỹ 1829 Pile photovoltaïque Pin Volta Antoine Becquerel Pháp 1829 Système Braille Chữ cho người mù Louis Braille Pháp 1830 machine à coudre Máy may Barthélemy Thimonnier Pháp 1831 Allumettes Quẹt diêm Charles Sauria,
John Walker Pháp
Mỹ 1831 Moissonneuse Máy gặt Cyrus Hall McCormick Mỹ 1831 Générateur de courant, Dynamo Máy phát điện Michael Faraday Anh 1834 Tramway tàu điện Thomas Davenport Mỹ 1835 Pistolet à barillet revolver Súng lục Samuel Colt Mỹ 1837 Télégraphie électrique Ðiện tín William Fothergill Cooke et Charles Wheatstone Anh 1838 Code Morse Mã số Morse Samuel Finley Breese Morse Mỹ 1838 Daguerréotype Máy chụp hình kiểu Daguerre Jacques Daguerre Pháp 1839 Procédé calotype (photographie) Giấy chụp hình mỗi lần chụp 1 tấm William Henry Fox Talbot Anh 1839 Caoutchouc vulcanisé Cao su lưu hóa Charles Goodyear Mỹ 1840 Morse Chữ Morse, điên báo Samuel Morse Mỹ 1840 Machine à couper le papier (massicot) Máy cắt giấy Guillaume Massiquot Pháp 1842 Marteau-pilon à vapeur James Nasmyth Anh 1845 Pneu Vỏ xe Robert William Thompson Mỹ 1846 Fulmicoton (nitrocellulose) nitrocellulose Christian Friedrich Schönbein Ðức 1846 éther Ether Crawford Williamson Long Mỹ 1849 Béton armé đúc bê tông Joseph Monier Pháp 1849 Epingle de sûreté Kim băng an toàn Walter Hunt Mỹ 1850 coton mercerisé John Mercer Anh 1850 colloïde photosensible (gravure photomécanique) Alphonse Poitevin Pháp 1851 ophtalmoscope Ðèn soi lòng mắt để khám Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz Ðức 1852 Dirigeable souple Henri Giffard Pháp 1852 Gyroscope Léon Foucault Pháp 1853 Ascenseur Thang máy Elista Otis Mỹ 1854 Ascenseur (avec frein) Elisha Graves Otis Mỹ 1855 Seringue hypodermique Alexander Wood Anh 1855 Allumettes de sûreté Quẹt diêm an toàn Johan Edvard Lundström Thụy Ðiển 1855 Brûleur à gaz Bếp dùng khí đốt Robert Wilhelm Bunsen Ðức 1856 Convertisseur Bessemer (production de l'acier) Henry Bessemer Anh 1858 Machine à laver Máy giặt Hamilton Smith Mỹ 1858 Réfrigérateur Tủ lạnh Ferdinand Carré Pháp 1859 Moteur à explosion Máy nổ Etienne Lenoir Pháp 1859 Spectroscope Máy quang phổ Gustav Robert Kirchhoff et Robert Wilhelm Bunsen Ðức 1859 Accumulateur Accu Gaston Planté Pháp 1860 Moteur à gaz Máy chạy bằng gaz Étienne Lenoir Pháp 1861 Four électrique Lò điện Wilhelm Siemens Anh 1861 Mitrailleuse Súng máy Richard Jordan Gatling Mỹ 1866 Papier à partir de pulpe de bois chế tạo giấy Benjamin Chew Tilghman Mỹ 1866 Dynamite Thuốc nổ Alfred Bernhard Nobel Thụy Ðiển 1867 Machine à écrire Máy đánh chữ Christopher Sholes Mỹ 1868 Antiseptie Sự sát trùng Joseph Lister Anh 1868 Pile sèche Pin khô Georges Leclanché Pháp 1868 Frein à air comprimé Thắng bằng khí ép George Westinghouse Mỹ 1869 Procédé trichrome de photographie des couleurs Charles Cros Pháp 1870 Celluloïd John Wesley et Isaiah Hyatt Mỹ 1871 Presse rotative continue Richard March Hoe Mỹ 1874 Télégraphe quadruplex Thomas Alva Edison Mỹ 1876 Téléphone Ðiện thoại Alexander Graham Bell Mỹ 1876 Praxinoscope Ðèn lăng kính ảo hình Émile Reynaud Pháp 1877 Moteur à combustion interne (quatre-temps) Nikolaus August Otto Ðức 1877 Gramophone (enregistrement sur cylindres) Máy hát Thomas Alva Edison Mỹ 1877 Microphone Micro Emil Berliner Mỹ 1877 Soudure électrique Hàn điện Elihu Thomson Mỹ 1877 camion frigorifique G. F. Swift Mỹ 1878 Tube à rayons cathodiques William Crookes Anh 1879 Lampe à incandescence Ðèn điện Thomas Alva Edison et Joseph Wilson Swan Mỹ, Anh 1879 Moteur d'automobile (deux-temps) Máy cho xe hơi (2 thì) Karl Benz Ðức 1879 lampe à arc Charles Francis Bush Mỹ 1880 Linotype Ottmar Mergenthaler Mỹ 1884 Turbine à vapeur Turbin hơi nước Charles Algernon Parsons Anh 1884 Soie artificielle (nitrocellulose) Lụa nhân tạo (nitrocellulose) Hilaire Bernigaud de Chardonnet Pháp 1884 Turbine à vapeur multi-roues Charles Algernon Parsons Anh 1884 Disque Nipkow (dispositif de balayage mécanique pour télévision) Ðĩa Nipkow Paul Gottlieb Nipkow Ðức 1884 Porte-plume à réservoir Lewis Edson Waterman Mỹ 1884 Poudre blanche (sans fumée) Bột trắng (không khói) Paul Vieille Pháp 1885 Motocyclette Xe gắn máy Edward Butler Anh 1885 Vaccin contre la rage Chủng ngừa bệnh chó dại Louis Pasteur Pháp 1885 Graphophone (machine à dicter) Chichester A. Bell et Charles Sumnair Tainter Mỹ 1885 Bouton pression Nút áp suất Bertel Sanders Ðan Mạch 1885 Transformateur à courant alternatif Máy biến thế dòng điện xoay chiều William Stanley Mỹ 1887 gramophone (enregistrements sur disques) Máy hát dĩa Emil Berliner Mỹ 1887 manchon à incandescence Carl Auer von Welsbach Áo 1887 Machine à ronéotyper Máy quay ronéo Albert Black thingy Mỹ 1887 Monotype Tolbert Lanston Mỹ 1888 Pneu en caoutchouc gonflé à l'air Vỏ xe cao su bơm hơi John Boyd Dunlop Anh 1888 Caisse enregistreuse Máy thu két William Seward Burroughs Mỹ 1888 appareil photographique Kodak Máy chụp hình Georges Eastman Mỹ 1889 Turbine à vapeur C. G. de Laval Thụy Ðiển 1890 Appareil volant (Éole) précurseur de l'avion Máy bay Clément Ader Pháp 1890 Rayonne (cuprammonium) Louis Henri Despeissis Pháp 1890 Cohéreur à limailles Édouard Branly Pháp 1891 Planeur Máy lượn Otto Lilienthal Ðức 1891 Caoutchouc synthétique Cao su nhân tạo William August Tilden Anh 1892 Moteur au courant alternatif Máy chạy điện xoay chiều Nicolas Tesla Mỹ 1892 Chronophotographie Máy động ảnh Étienne Jules Marey Pháp 1892 rayonne (viscose) Charles Frederick Cross Anh 1892 bouteille Thermos (vase Dewar) Bình chứa nưóc sôi James Dewar Anh 1893 cellule photoélectrique Tế bào quang điện Julius Elster et Hans F. Geitel Ðức 1893 moteur Diesel Rudolf Diesel Ðức 1893 automobile à essence Xe chạy xăng Charles E. et J. Frank Duryea Mỹ 1894 projecteur de cinéma Máy chiếu phim Auguste et Louis Lumière Pháp 1895 pneu de voiture démontable Vỏ xe hơi gỡ ra được Édouard Michelin Pháp 1895 Rasoir Dao cạo râu King C. Gillette Mỹ 1895 rayons X Tia X Wilhelm Conrad Röntgen Ðức 1895 rayonne (acétate) Charles Frederick Gross Anh 1896 télégraphe sans fil Vô tuyến điện Marchese Guglielmo Marconi italien 1897 Moteur diesel Máy diesel Rudolf Diesel Ðức 1898 Sous-marin Tàu ngầm John P. Holland Mỹ 1898 papier photographique sensible Giấy rửa hình Leo Hendrik Baekeland Mỹ 1899 Magnétophone Máy ghi âm Valdemar Poulsen Ðan Mạch 1900 dirigeable rigide Ferdinand von Zeppelin Ðức 1900 Aéronef Thiết bị bay Von Zeppelin Ðức 1901 Aspirateur Máy hút bụi Cecil Booth Anh 1902 radiotéléphone radiotelephone Valdemar Poulsen et Reginald Aubrey Fessenden Ðan Mạch,
Mỹ 1903 Avion Máy bay Wilbur et Orville Wright Mỹ 1903 électrocardiographe Ðiện tâm ký Willem Einthoven Hà Lan 1905 tube redresseur à diode (radio) John Ambrose Fleming Anh 1906 gyrocompas La bàn con quay Hermann Anschütz-Kämpfe Ðức 1907 bélinographe Máy truyền ành Édouard Belin Pháp 1907 Bakélite Nhựa tổng hợp Leo Hendrik Baekeland Mỹ 1907 tube amplificateur à triode Ống khuếch đại dùng đèn ba cực Lee de Forest Mỹ 1908 caméra couleur (deux couleurs) Máy quay phim màu (2 màu) C. Albert Smith Anh 1909 Ampoule électrique Bóng đèn điện Irving Langmuir USA 1910 hydrogénation du charbon Hydrogen hóa than Friedrich Bergius Ðức 1910 compas gyroscopique et stabilisateur La bàn con quay Elmer Ambrose Sperry Mỹ 1911 Air conditionné Máy điều hòa không khí W. H. Carrier Mỹ 1911 Cellophane Giấy bóng kính Jacques Edwin Branderberger Thụy Sĩ 1911 tube au néon Ðèn néon Georges Claude Pháp 1912 lampe à vapeur de mercure Ðèn hơi thủy ngân Peter Cooper Hewitt Mỹ 1913 stato-réacteur René Lorin Mỹ 1913 tube électronique multigrille Irving Langmuir Mỹ 1916 pistolet Browning (automatique) Súng lục tự động John Moses Browning Mỹ 1916 lampe à incandescence au gaz Ðèn phát quang bằng khí đốt Irving Langmuir Mỹ 1916 tube à rayons X William David Coolidge Mỹ 1919 spectrographe de masse Francis William Aston Anh 1921 vaccin antituberculeux : le BCG Chủng ngừa bệnh lao BCG Albert Calmette et Camille Guérin Pháp 1922-1926 cinéma parlant Phim nói T. W. Case Mỹ 1923 iconoscope Vladimir Kosma Zworikin Mỹ 1925 congélation des aliments Ðông lạnh thức ăn Clarence Birdseye Mỹ 1926 fusée à carburant liquide Hỏa tiễn dùng nhiên liệu lỏng Robert Hutchings Goddard Mỹ 1928 Rasoir électrique Dao cạo râu điện Jacob Schick Mỹ 1928 pénicilline Thuốc trụ sinh Alexander Fleming Anh 1930 bathysphère William Beebe Mỹ 1930 Fréon (C.F.C.) Thomas Midgley và đồng nghiệp Mỹ 1930 turboréacteur Turbô cho máy bay phản lực Frank Whittle Anh 1930 caoutchouc synthétique néoprène Cao su tổng hợp Néoprène Julius Arthur Nieuwland và Wallace Hume Carothers Mỹ 1930 coronographe Kính quang học để quan sát vòng hào quang và chỗ phù lên trong mặt trời Bernard Lyot Pháp 1930 Bakélite Nhựa tổng hợp Léo Baekeland Bỉ 1931 Accélérateur de Van de Graaff Máy gia tốc của Van de Graaff Robert Jemison Van de Graaff Mỹ 1931 cyclotron Ernest Orlando Lawrence Mỹ 1931 Analyseur différentiel Vannevar Bush Mỹ 1932 microscopie par contraste de phases Frits Zernike Hà Lan 1933 modulation de fréquence (FM) FM, tần số điều biến Edwin Howard Armstrong Mỹ 1934 radioactivité artificielle Phóng xạ nhân tạo Irène và Frédéric Joliot-Curie Pháp 1935 caoutchouc synthétique Buna Cao su tổng hợp Buna Nhóm khoa học gia Ðức 1935 radar Radar Robert Watson-Watt Anh 1935 Nylon Nylon Wallace Carothers Mỹ 1935 cortisone Cortisone Edward Calvin Kendall và Tadeus Reichstein Mỹ,
Thụy Sĩ 1935 microscope électronique Kính hiển vi điện tử Nhóm khoa học gia Ðức 1935 sulfamides Kháng sinh Sulfamides Gerhard Domagk Ðức 1935 Parcmètre Máy tính tiền đâu xe 1936 hélicoptère à rotors jumelés Heinrich Focke Ðức 1937 Nylon Nylon , chất tổng hợp polyamide (6-6) Wallace Hume Carothers Mỹ 1939 DDT Thuốc trừ sâu DDT Paul Müller Thụy Sĩ 1939 hélicoptère Máy bay trực thăng Igor Sikorsky Mỹ 1940 bêtatron Donald William Kerst Mỹ 1941 plutonium Plutonium , Ký hiệu Pu, A=244, Z=94, nhóm Actinid Glenn Seaborg et Edwin Mattison McMillan Mỹ 1941 Bombe atomique Bom nguyên tử Robert Oppenheimer Mỹ 1942 Réacteur nucléaire (pile atomique) Lò phản ứng hạch tâm Enrico Fermi Mỹ 1942 xérographie Chester Carlson Mỹ 1944 missile V2 Wernher von Braun Mỹ 1945 Bombe atomique
Aéronautique Bom nguyên tử
Ngành hàng không vũ trụ Khoa học gia của chính phủ Mỹ
Wernher von Braun
Mỹ 1945 Streptomycine, Streptomycine thuốc trụ sinh trị bệnh lao Selman A. Waksman Mỹ 1946 Calculateur électronique numérique Máy tính điện tử John Presper Eckert Jr. et John W. Mauchly Mỹ 1947 holographie Ghi ảnh toàn ký bàng Laser Denis Gabor Anh 1947 bathyscaphe Auguste Piccard Thụy Sĩ 1947 four à micro-ondes Lò vi ba Percy L. Spencer Mỹ 1948 compteur à scintillations Hartmut Kallmann Ðức 1948 auréomycine Trụ sinh Auréomycine Benjamin Minge Duggar et Chandra Bose Suba Row Mỹ 1948 transistor Transistor John Bardeen, Walter Houser Brattain et William Shockley Mỹ 1949 avion à stato-réacteur René Leduc Pháp 1950 télévision en couleur Truyền hình màu Peter Carl Goldmark Mỹ 1952 bombe à hydrogène Bom H Khoa học gia của chính phủ Mỹ Mỹ 1952 chambre à bulles (détecteur de particules nucléaires) Máy dò nhũng phần tử hạch nhân Donald Arthur Glaser Mỹ 1953 procédé de fabrication industrielle des stylos à bille Thủ tục chế tạo viết BIC Marcel Bich Pháp 1953 structure de l'ADN (double hélice) Câu trúc ADN Francis Harry Compton Crick và James Dewey Watson Anh, Mỹ 1954 maser Laser Charles Townes Mỹ 1954 batterie solaire Bộ pin mặt trời Khoa học gia Bell Telephone Laboratory Mỹ 1954 vaccin contre la poliomyélite Chủng ngừa bệnh bại liệt Jonas Edward Salk et Pierre Lépine Mỹ , Pháp 1955 diamants synthétiques Kim cương nhân tạo scientifiques de General Electric Mỹ 1955 datation par le carbone-14 Ðịnh tuổi bằng Carbon phóng xạ 14 Willard Frank Libby Mỹ 1956 aéroglisseur, hovercraft. Xe chạy trên đất, nước nhờ bọc khí Christopher Cokerell Anh 1956 premier prototype de machine rotative máy nổ bằng piston quay (piston tam giác rotor) Felix Wankel Ðức 1956 procédé SECAM de télévision couleur breveté Phương pháp truyền hình SECAM Henri de France Pháp 1960 pilule contraceptive Thuốc ngừa thai Gregory Pincus, John Rock et Min-Chueh Chang Mỹ 1957 réacteur nucléaire refroidi au sodium Lò phản ứng hạch tâm làm lạnh bằng Natri Khoa học gia của chính phủ Mỹ Mỹ 1957 satellite artificiel Vệ tinh nhan tạo Nhóm nghiên cứu Liên Xô 1958 satellite de télécommunications Vệ tinh cho ngành viễn thông groupe de scientifiques Mỹ 1959 circuit intégré Jack Kilby et Robert Noyce Mỹ 1960 laser Laser Charles H. Townes, Arthur L. Schawlow et Gordon Gould Mỹ 1960 synthèse de la chlorophylle Tổng hợp diệp lục tố Robert Burns Woodward Mỹ 1962 diode électroluminescente (DEL) diode điện phát quang Nick Holonyak Mỹ 1964 écran à cristaux liquides George Helmeier Mỹ 1965 Holographie Ghi ảnh toàn ký bàng Laser Denis Gabor Bỉ 1966 cœur artificiel (ventricule gauche) Tim nhân tạo Michael Ellis DeBakey Mỹ 1967 greffe de cœur sur l'homme Ghép tim cho người Christiaan Neethling Barnard Nam Châu Phi 1963-1969 mise au point de nombreux détecteurs de particules Georges Charpak Pháp 1970 première synthèse complète d'un gène Lần đầu tiên tổng hợp hoàn toàn 1 gene Har Gobind Khorana Mỹ 1971 microprocesseur bộ vi xử lý Ted Hoff Mỹ 1971 imagerie par résonance magnétique Máy soi bằng cộng hưởng từ Raymond Damadian Mỹ 1972 calculatrice électronique de poche Máy tính bỏ túi J. S. Kilby et J. D. Merryman Mỹ 1973 synthèse des cryptates Tổng hợp Jean-Marie Lehn Pháp 1974 ADN recombinant (génie génétique) ADN tái hợp Nhóm nghiên cứu Mỹ 1974 carte à puce Thẻ vi tính Roland Moreno Pháp 1975 fibre optique Bell Laboratories Mỹ 1975 vaccin contre l'hépatite B Philippe Maupas Pháp 1976 super-calculateur Siêu máy tính J. H. Van Tassel et Seymour Cray Mỹ 1978 synthèse des gènes de l'insuline Tổng hợp gene tạo insuline Roberto Crea, Tadaaki Hirose, Adam Kraszewski et Keiichi Ikatura Mỹ 1978 transplantation de gène entre mammifères Ghép gene của động vật có vú Paul Berg, Richard Mulligan và Bruce Howard Mỹ 1978 cœur artificiel Jarvik-7 Tim nhân tạo Jarvik-7 Robert K. Jarvik Mỹ 1979 Caisse enregistreuse Máy ghi tiền ở két James Ritty Mỹ 1979 disque compact Ðĩa CD Joop Sinjou et Toshi Tata Doi Hà Lan , Nhật 1979 correction d'anomalies génétiques dans des cellules de souris (ADN recombinant et techniques de micromanipulation) Sửa chữa những bất binh thường trong ADN chuột W. French Anderson và đồng nghiệp Mỹ 1979 culture in vivo de lymphocytes T Cấy bạch cầu T in vivo Ê kíp bệnh viện Saint-Louis (Paris) Pháp 1981 navette spatiale Tàu vũ trụ Các kỹ sư của NASA Mỹ 1985 vaccin contre la leishmaniose Thuốc chủng bệnh leishmaniose (trùng muỗi cát) L. Monjour Pháp 1986 supraconducteurs à haute température chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao J. Georg Bernorz et Karl A. Müller Ðức, Thụy Sĩ 1987 vaccin contre la bilharziose Thuốc chủng bệnh (bilharziose) sán sống trong mạch máu A. Capron Pháp 1988 pilule abortive RU486 Thuốc phá thai RU486 Étienne-Émile Beaulieu Pháp 1989 COBE (Cosmic Background Explorer) COBE (khám phá vũ trụ) George Smoot và êkíp Mỹ 1993 mise en œuvre du télescope Keck de Hawaii (le plus grand télescope du monde) Sử dụng kính thiên văn Keck tại Hawai (Thiên văn lớn nhất) Các nhà nghiên cứu viện California Institute of Technology Mỹ 1994 preuve de l'existence du quark top Chứng cớ sự có mặt của Quark top Các nhà nghiên cứu viện Fermilab Mỹ
|
|
|
Post by Can Tho on Apr 15, 2010 9:29:08 GMT 9
Những khám phá và phát minh khoa học Nguyễn Toàn 08/12/2004
NĂM KHÁMPHÁ / PHÁT MINH Quốc tịch 1543 Mặt Trời, trung tâm thái dương hệ Copernic PhầnLan 1590 Luật về sự rơi các vật Galilée Ý 1609 Luật về chuyển động của các hành tinh Johannes Kepler Đức 1662 Tỷ lệ giữa áp suất các chất khí và thể tích Robert Boyle ÁiNhĩLan 1669 phosphore Hennig Brand Đức 1675 arsenic Nicolas Lémery Pháp 1676 Luật nén các khí Edme Mariotte Pháp 1678 Thuyết sóng về ánh sáng théorie ondulatoire de la lumière Christian Huygens HòaLan 1687 Luật về lực hấp dẫn và chuyển động Isaac Newton Anh 1751 nickel Axel Cronstedt Thụy Điển 1755 magnésium sir Humphry Davy Anh 1766 hydrogène Henry Cavendish Anh 1768 Hình học mô tả géométrie descriptive Gaspard Monge Pháp 1772 azote Daniel Rutherford Anh 1774 oxygène Joseph Priestley
Karl Sheele Anh
ThụyĐiển 1774 chlore Karl Sheele ThụyĐiển 1779 glycérine Karl Sheele ThụyĐiển 1781 Hành tinh Uranus William Herschel Anh 1783 Cấu tạo của không khí Cavendish Anh 1785 Luật về lực tĩnh điện Charles de Coulomb Pháp 1789 Nước javel Claude Berthollet Pháp 1789 Những luật về sự biến đổi khối lượng Antoine Lavoisier Pháp 1795 titane Martin Klaproth Đức 1797 chrome Louis Vaquelin Pháp 1803 Cấu tạo nguyên tử của vật John Dalton Anh 1811 Giả thuyết về phân tử Amadeo Avogadro Ý 1811 iode Bernard Courtois Pháp 1817 cadmium Friedrich Stromeyer Đức 1820 Điện từ Hans Christian Oersted ĐanMạch 1820 quinine Pierre Pelletier Pháp 1824 silicone Jöns Berzelius Thụy Điển 1826 brome Antoine Balard Pháp 1826 Luật điện từ André Ampère Pháp 1827 Luật cảm ứng điện Georg Ohm Đức 1827 Nhôm Hans Christian Oersted ĐanMạch 1831 chloroforme Justus von liebig
Soubeiran Đức
Pháp 1831 Cảm ứng điện từ Michael Faraday Anh 1839 ozone Christian Schönbein Đức 1841 uranium Martin Klaproth Đức 1846 Hành tinh Neptune Johann Galle Đức 1847 nitroglycéryne Sobrero Ý 1864 Thuyết điện từ về ánh sáng James Clerk Maxwell Anh 1868 hélium Sir William Ramsay Anh 1869 Bảng phân loại tuấn hoàn Dimitri Mendeleiev Nga 1886 Sóng điện từ Henrich Hertz Đức 1886 fluor Henri Moissan Pháp 1894 argon (khí hiếm) Sir William Ramsay
Baron Rayleigh Anh 1895 Tia X Wilhelm Röntgen Đức 1896 Chất phóng xạ Antoine Becquerel Pháp 1897 électron Sir Joseph Thompson Anh 1898 radium Pierre và Marie Curie Pháp 1900 Thuyết lượng tử Max Planck Đức 1901 vitamines wildiers Bỉ 1905 Thuyết tương đối thu hẹp Albert Einstein ThụySĩ 1913 Sơ đồ Russel-Hertzsprung
(Bảng phân loại theo độ lớn của sao) Henri Russel
Eijnar Hertzsprung 1913 Số nguyên tử Henry Moseley Anh 1915 Thuyết tương đối Albert Einstein ThụySĩ 1919 proton Ernest Rutherford Anh 1923 insuline Frederick Bouting canadien 1924 nature ondulatoire de l' électron Louis de Broglie 1926 Cơ học sóng Erwin Schrödinger Áo 1927 Hệ thức bất định Werner Heisenberg Đức 1929 pénicilline Alexander Fleming écossais 1930 Hành tinh Pluton Clyde Tombaugh Mỹ 1931 deutérium (hydrogène nặng) Harold Urey Mỹ 1932 neutron James Chadwick Anh 1932 positron Carl Anderson Mỹ 1934 Chất phóng xạ nhân tạo
Frédéric và Irène Joliot-Curie Pháp 1935 sulfamides Gerhard Domagk Đức 1935 Sự hiện diện của hạt méson Hideki Yukawa Nhật 1937 cortisone Edouard Kendall Mỹ 1940 plutonium G-T-Seaborg Mỹ 1941 Rhésus Karl Landsteiner Áo 1950 Thuyết trường thống nhất (champ unifié) Albert Einstein ThụySĩ-Mỹ 1950 Thuyết vật chất tạo thành liên tục Fred Hoyle Anh 1955 phản-proton Emilio Segré, Owen Chamberlain Mỹ 1958 Vòng đai bức xạ bao quanh trái đất Van Allen Mỹ 1963 quasars Thomas Mattews et Allan Sandage Mỹ 1967 pulsars Đại học Cambridge Anh 1969 Tổng hợp các enzim Đại học Rockfeller Mỹ 1974 Hạt tử psi Các phòng thí nghiệm Mỹ 1977 Hành tinh nhỏ Chiron đi theo quỹ đạo giữa Saturne và Uranus Charles Kowal Mỹ 1981 23 vệ tinh quanh Saturne N.A.S.A. Mỹ
|
|
|
Post by Can Tho on Apr 15, 2010 9:31:56 GMT 9
Gregor Johann MendelNguyễn Lân Dũng & Võ Thị Diệu Hằng 04/10/2005 Gregor Johann Mendel (1822-1884), ông tổ ngành di truyền học Năm 1865 từ tu viện Brno ( của nước Áo thời đó) thầy tu Gregor Johann Mendel đã lần đầu tiên phát hiện ra những quy luật của hiện tượng di truyền. Ngày nay ông được công nhận là cha đẻ của ngành Di truyền học, nhưng những công trình của ông lúc bấy giờ giới khoa học không mấy chú ý lắm. Sinh ngày 22-07-1822 tại Heisendorf, một làng nhỏ nước Moravie (Tiệp Khắc), trong một gia đình nông dân nghèo. Ông thừa hưởng được niềm say mê làm vườn của bố mẹ. Ngay từ nhỏ ông đã có hứng thú chăm sóc cây cối trong vườn và ông luôn là một học sinh giỏi. Cậu học trò đặc biệt giỏi này đã gây sự chú ý của một vị tu sĩ của làng và được ông này cho đi xa tiếp tục học. Mendel phải vừa làm việc vừa học vì tiền trợ cấp gia đình không đủ sống. Tốt nghiệp với tấm bằng xuất sắc ở bậc Trung học, Mendel được Nhà thờ chọn đi học về Triết học. Vì nhà quá nghèo nên năm 21 tuổi ông phải tạm bỏ học. Năm 1840 ông vào viện Triết học Olomouc để học hai năm dự bị lên đại học. Lúc bấy giờ Mendel phải nhờ nửa số tiền hồi môn của người chị gái đã trợ cấp cho Mendel tiếp tục đi học. Sau hai năm học, ông chán nản vì thiếu tài chánh nên cuối cùng ông nghe lời một trong các giáo sư của ông là nhờ cha Napp giới thiệu ông vào dòng tu để có thể tiếp tục học. Bốn năm sau ông trở thành Linh mục. Từ lúc vô dòng tu, ông hài lòng vì có đủ điều kiện để nghiên cứu về Khoa học Tự nhiên. Song song với việc học, ông đi dạy các trường trung học. Nhưng năm 1849 đạo luật bắt các giáo sư phải có ngạch đại học. Nhờ cha Napp giúp, Mendel được vào Ðại học Vienne năm 1851 để tiếp tục học. Ông được học các môn Toán, Lý, Hoá, Thực vật học và Động vật học. Năm 1853 ông tốt nghiệp Đại học và lại trở về tu viện ở quê nhà. Khi trở về Vienne, Mendel lập ra một vườn khảo cứu và bắt đầu những thí nghiệm về sự lai giống. Vườn thực nghiệm của Mendel nơi sân của tu viện Brno Năm 32 tuổi ông được cử làm giáo viên của Trường Cao đẳng thực hành ở Brunn (nay là Brno thuộc nước Cộng hoà Czech) . Từ năm 1856 đến năm 1863 ông âm thầm làm những thí nghiệm công phu trên đậu Hòa Lan. Năm 1865 ông trình bày các kết quả thực nghiệm của mình tại Hiệp hội khoa Ông nghiên cứu về sự lai giống của đậu Hà lan học tự nhiên Thành phố Brno và một năm sau các kết quả nghiên cứu này được công bố (Versuche uber Pflanzenhybriden) trên tập san của Hiệp hội và gởi cho những cơ quan khoa học trên thế giới nhưng không được ai chú ý đến cả. Thế giới khoa học lúc bấy giờ chưa sẵn sàng để công nhận điều quan trọng của những kết quả mà ông đã tìm ra. Ông phát hiện thấy cây đậu bố mẹ có thể truyền lại cho con cái những nhân tố di truyền riêng rẽ và nhấn mạnh rằng các nhân tố di truyền (ngày nay gọi là Gen) duy trì được các tính chất cá biệt của chúng từ thế hệ này sang thế hệ khác. Các thực nghiệm của ông vừa mang tính chất thực nghiệm vừa mang tính chất chính xác toán học. Ông đã sử dụng 7 cặp tính trạng khi tiến hành lai tạo: Hoa tía- Hoa trắng, Hoa mọc nách- Hoa mọc ngọn, Hạt vàng- Hạt xanh, Hạt trơn- Hạt nhăn, Quả trơn-Quả nhăn, Quả xanh-Quả vàng, Cây cao- Cây thấp. Các thí nghiệm của ông hết sức phong phú và chính xác. Nhưng tiếc thay, thực nghiệm của Mendel đã bị chìm đi trong sự thờ ơ của tất cả mọi người. Chả ai chú ý đến các cây đậu Hoà Lan của Mendel và không nhận ra được sau các cây đậu được lai tạo một cách công phu này là một thiên tài mà sau này được cả nhân loại tôn vinh là Ông tổ của ngành Di truyền học. Ông vẫn miệt mài vừa dạy học, vừa truyền đạo và vừa tiếp tục làm thực nghiệm trong vườn của tu viện. Năm 1868 ông được phong chức Tổng Giám mục. Ông còn là người sáng lập ra Hôi nghiên cứu Thiên nhiên và Hội Khí tượng học của thành phố Brno. Năm 57 tuổi ông được cử làm Giám đốc Tu viện. Ngày 6-1-1884 ông qua đời sau một tai biến do viêm thận. Mãi 6 năm sau ngày ông qua đời các nghiên cứu quý giá của ông mới được nhân loại biết tới thông qua các nghiên cứu độc lập nhưng cùng một lúc (1900) của 3 nhà khoa học ở 3 quốc gia khác nhau: H. M. de Vries (Hà Lan), E. K. Corens (Đức) và E. V. Tschermak (Tiệp Khắc cũ). Nhờ ba nhà khoa học công nhận công trình của nhà tu Mendel nên thuyết Mendel mới ra đời được. Và năm 1900 được coi là năm ra đời của Di truyền học. Tại Pháp có nhà khoa học Cunio và Hòa Lan có Bateson đã đem những định luật của Mendel để áp dụng vào sự lai giống cho động vật (chuột) và thấy kết quả cũng giống như thực vật (đậu hòa lan)
|
|
|
Post by NhiHa on May 27, 2010 6:43:01 GMT 9
Giới thiệu thuyết tương đối rộngThuyet Tuong DoiĐây là bài viết giới thiệu giúp tiếp cận vấn đề một cách dễ dàng, không mang tính chuyên môn. Về bài viết bách khoa chính, xem thuyết tương đối rộng. Thí nghiệm kiểm tra lý thuyết tương đối tổng quát đạt độ chính xác cao nhờ tàu thăm dò không gian Cassini (ảnh minh họa): Các tín hiệu radio được gửi đi giữa Trái Đất và tàu thăm dò (sóng màu xanh lá cây) bị trễ do sự uốn cong của không gian và thời gian (các đường màu xanh da trời) do khối lượng của Mặt Trời. Thuyết tương đối rộng G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu}= {8\pi G\over c^4} T_{\mu \nu} Phương trình trường Einstein Giới thiệu Hình thức toán học Nguồn [hiện]Các khái niệm cơ sở Thuyết tương đối hẹp Nguyên lý tương đương Đường toàn cục · Hình học Riemann [hiện]Hiệu ứng Vấn đề Kepler · Thấu kính hấp dẫn · Sóng hấp dẫn Kéo hệ quy chiếu · Hiệu ứng đường trắc địa Chân trời sự kiện · Kì dị Lỗ đen [hiện]Các phương trình Tuyến tính hóa hấp dẫn Post-Newtonian formalism Phương trình trường Einstein Phương trình Friedmann ADM formalism BSSN formalism [hiện]Các lý thuyết phát triển Kaluza–Klein Hấp dẫn lượng tử [hiện]Các lời giải Schwarzschild Reissner-Nordström · Gödel Kerr · Kerr-Newman Kasner · Taub-NUT · Milne · Robertson-Walker pp-wave [hiện]Các nhà khoa học Einstein · Minkowski · Eddington Lemaître · Schwarzschild Robertson · Kerr · Friedman Chandrasekhar · Hawking Hộp này: xem • thảo luận • sửa Thuyết tương đối rộng là một lý thuyết về hấp dẫn do Albert Einstein phát triển từ năm 1907 đến năm 1915. Theo thuyết tương đối rộng, chúng ta quan sát thấy sự hút giữa các khối lượng với nhau là do kết quả của sự uốn cong không gian và thời gian do chúng gây ra. Cho đến đầu thế kỷ 20, định luật vạn vật hấp dẫn của Newton đã được công nhận hơn hai trăm năm do những miêu tả phù hợp về lực hấp dẫn giữa các khối lượng với nhau. Trong mô hình của Newton, hấp dẫn là kết quả của lực hút giữa các vật thể với nhau. Mặc dù chính Newton đã băn khoăn về bản chất bí ẩn của lực này,[1] nhưng mô hình của ông đã rất thành công trong việc miêu tả chuyển động của các vật thể. Các thí nghiệm và quan sát đã cho thấy lý thuyết hấp dẫn của Einstein có kể đến một vài hiệu ứng mà chưa được giải thích thỏa đáng bởi định luật của Newton, như dị thường nhỏ trong quỹ đạo của sao Thủy và các hành tinh khác. Thuyết tương đối tổng quát cũng tiên đoán những hiệu ứng mới của hấp dẫn, như sóng hấp dẫn, thấu kính hấp dẫn và hiệu ứng của hấp dẫn tác động lên thời gian còn được gọi là sự giãn thời gian do hấp dẫn. Rất nhiều tiên đoán này đã được xác nhận bởi các thí nghiệm, trong khi nhiều chủ đề khác vẫn còn đang được tiếp tục nghiên cứu. Ví dụ, mặc dù đã có những chứng cớ gián tiếp về sóng hấp dẫn, chứng cứ trực tiếp về sự tồn tại của chúng vẫn còn đang được thu thập bởi một số nhóm các nhà khoa học về thực nghiệm trên thế giới như các dự án LIGO và GEO 600. Thuyết tương đối tổng quát đã được phát triển và trở thành một công cụ cơ bản trong thiên văn vật lý hiện đại. Nó là cơ sở cho những hiểu biết của chúng ta hiện nay về hố đen, những vùng của không gian nơi lực hấp dẫn rất mạnh khiến cho cả ánh sáng cũng không thoát ra được. Trường hấp dẫn mạnh của nó được nghĩ là nguyên nhân gây nên sự phát ra các bức xạ cường độ mạnh ở một số loại thiên thể (như nhân thiên hà hoạt động hay các vi quasar). Thuyết tương đối tổng quát cũng là một phần trong bức tranh về mô hình chuẩn Big Bang của vũ trụ học. Mặc dù thuyết tương đối tổng quát không phải là lý thuyết tương đối tính duy nhất về hấp dẫn, nó là lý thuyết đơn giản nhất phù hợp với hầu hết các dữ liệu thí nghiệm. Tuy thế, một số câu hỏi mở vẫn chưa giải quyết được, về cơ bản nhất đó là làm thế nào để thuyết tương đối tổng quát có thể được kết hợp với các định luật của cơ học lượng tử để có được một lý thuyết hoàn chỉnh và nhất quán, lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Mục lục [ẩn] * 1 Từ thuyết tương đối hẹp đến rộng o 1.1 Nguyên lý tương đương o 1.2 Hấp dẫn và gia tốc o 1.3 Các hệ quả vật lý o 1.4 Các hiệu ứng thủy triều o 1.5 Từ gia tốc đến hình học * 2 Hình học và hấp dẫn o 2.1 Thăm dò trường hấp dẫn o 2.2 Các nguồn của hấp dẫn o 2.3 Phương trình trường Einstein * 3 Các thí nghiệm kiểm chứng * 4 Các ứng dụng thiên văn vật lý o 4.1 Thấu kính hấp dẫn o 4.2 Sóng hấp dẫn o 4.3 Các lỗ đen o 4.4 Vũ trụ học * 5 Các nghiên cứu hiện đại: Thuyết tương đối rộng và tương lai * 6 Xem thêm * 7 Dẫn chứng * 8 Tham khảo * 9 Liên kết ngoài [sửa] Từ thuyết tương đối hẹp đến rộng Vào tháng 9 năm 1905, Albert Einstein công bố thuyết tương đối hẹp, một lý thuyết kết hợp các định luật của Newton về chuyển động với điện động lực học (tương tác giữa các hạt tích điện). Thuyết tương đối hẹp đưa ra một nền tảng mới cho ngành Vật lý với đề xuất các khái niệm không gian và thời gian. Một vài lý thuyết vật lý đã từng được công nhận đã không còn phù hợp với những nền tảng này; một ví dụ nổi bật đó là lý thuyết hấp dẫn của Newton, miêu tả tương tác hút giữa các vật thể do khối lượng của chúng. Một số nhà vật lý, bao gồm Einstein, đã bắt tay vào tìm kiếm một lý thuyết mà có thể kết hợp được định luật vạn vật hấp dẫn của Newton với thuyết tương đối đặc biệt. Chỉ có lý thuyết tương đối rộng đã được khảng định là phù hợp với các thí nghiệm và các quan sát. Để có thể hiểu được những tư tưởng cơ bản của lý thuyết này, cách tốt nhất là đi theo những suy nghĩ của Einstein từ năm 1907 đến năm 1915, từ thí nghiệm tưởng tượng đơn giản trong đó có một quan sát viên rơi tự do đến sự thấu hiểu hoàn toàn của ông về lý thuyết hình học của hấp dẫn.[2] [sửa] Nguyên lý tương đương Bài chi tiết: Nguyên lý tương đương Một người trong một thang máy rơi tự do sẽ cảm nhận thấy sự không trọng lượng, và các vật sẽ nổi bồng bềnh hay chuyển động với vận tốc không đổi. Do mọi thứ trong thang máy đang rơi tự do cùng với nhau, không một hiệu ứng hấp dẫn nào có thể quan sát thấy được. Theo cách này, trải nghiệm của quan sát viên khi anh ta rơi tự do là không thể phân biệt được so với một quan sát viên khác trong vũ trụ sâu thẳm, rất xa từ các trường hấp dẫn khác. Những người quan sát như vậy là những quan sát viên được ưu tiên về "quán tính" mà Einstein đã miêu tả trong lý thuyết tương đối hẹp của ông: Các quan sát viên mà đối với họ ánh sáng truyền theo một đường thẳng với vận tốc không đổi.[3] Einstein tiến hành giả thiết rằng trải nghiệm giống nhau của các quan sát viên không trọng lượng và của các quan sát viên quán tính trong thuyết tương đối hẹp cho thấy một tính chất căn bản của hấp dẫn, và ông lấy điều này làm nền tảng cho lý thuyết hấp dẫn của ông, Einstein phát biểu nó thành nguyên lý tương đương. Nói một cách vắn tắt, nguyên lý cho là một người trong một thang máy rơi tự do không thể nói được rằng anh ta có ở trong trạng thái rơi tự do hay không. Mỗi thí nghiệm trong môi trường rơi tự do đều cho kết quả giống với kết quả của một quan sát viên nhận được khi anh ta đứng im hay chuyển động đều trong vũ trụ sâu thẳm, ở khoảng cách đủ xa so với nguồn lực hấp dẫn.[4] [sửa] Hấp dẫn và gia tốc Quả bóng rơi xuống sàn trong một tên lửa đang gia tốc (trái) và rơi xuống Trái Đất (phải) Hầu hết các hiệu ứng hấp dẫn biến mất trong một hệ rơi tự do, nhưng có những hiệu ứng dường như giống với hấp dẫn có thể được tạo ra bằng cách gia tốc một hệ quy chiếu. Một quan sát viên trong một căn phòng kín không thể nói được cái nào sau đây là đúng: * Các vật đang rơi xuống sàn bởi vì căn phòng đang đứng im trên bề mặt của Trái Đất và các vật này đang bị hút xuống do hấp dẫn. * Các vật đang rơi xuống sàn bởi vì căn phòng được đặt trong một tên lửa phóng trong không gian, với gia tốc 9,81 m/s2 và xa so với các nguồn hấp dẫn. Các vật này bị đẩy về phía sàn bởi cùng một "lực quán tính" mà đẩy người lái xe về phía sau ghế ngồi khi ôtô của anh ta được gia tốc. Ngược lại, bất kì một hiệu ứng nào được quan sát trong một hệ quy chiếu gia tốc cũng có thể quan sát được trong một trường hấp dẫn với cùng một độ mạnh. Nguyên lý này đã cho phép Einstein tiên đoán một vài hiệu ứng mới của hấp dẫn vào năm 1907, sẽ được giải thích trong phần tiếp theo. Một người quan sát trong một hệ quy chiếu gia tốc phải nói đến cái mà các nhà vật lý goi là lực quán tính (hay lực giả) để diễn giải cảm nhận của anh ta cũng như các vật xung về sự xuất hiện của gia tốc. Một ví dụ, lực đẩy người lái xe về phía lưng ghế khi xe của anh ta bắt đầu tăng tốc, đã được đề cập ở trên; một ví dụ khác đó là bạn cầm dây có gắn một vật nặng, sau đó dùng tay quay tròn vật ấy, chúng ta sẽ cảm thấy có một lực kéo tay ra xa. Sự nhận thức sâu sắc của Einstein là ở tính bất biến, lực hút của trường hấp dẫn Trái Đất về cơ bản là giống với những lực giả này.[5] Độ lớn biểu kiến của lực quán tính (lực giả) luôn luôn tỉ lệ với khối lượng của bất kì một vật nào mà chúng tác động lên - ví dụ, ghế ngồi của người lái xe đẩy một lực đủ lớn để gia tốc người lái xe với cùng một tốc độ như chiếc xe. Tương tự như thế, Einstein đã đề xuất rằng một vật đặt trong trường hấp dẫn sẽ cảm thấy một lực hấp dẫn tỉ lệ với khối lượng của nó, như được thể hiện trong định luật vạn vật hấp dẫn của Newton.[6] [sửa] Các hệ quả vật lý Năm 1907, Einstein vẫn còn cách xa 8 năm nữa mới hoàn thiện được thuyết tương đối tổng quát. Tuy nhiên, ông đã có thể đưa ra một số tiên đoán lạ thường, có thể kiểm chứng được dựa trên điểm bắt đầu của ông để phát triển lý thuyết mới: nguyên lý tương đương.[7] Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của bước sóng ánh sáng khi nó lan truyền lên phía trên thoát khỏi một trường hấp dẫn (do một ngôi sao vàng ở dưới gây ra) Hiệu ứng mới đầu tiên đó là dịch chuyển tần số do hấp dẫn của ánh sáng. Xét hai quan sát viên ở trong một tàu du hành đang gia tốc.Trên con tàu này, có một khái niệm tự nhiên về "bên trên" và "bên dưới": hướng con tàu chuyển động gia tốc là "bên trên", và các vật không gắn vào con tàu gia tốc chuyển động theo hướng ngược lại, rơi xuống "bên dưới". Giả sử một quan sát viên ở vị trí "bên trên" cao hơn so với người kia. Khi quan sát viên ở bên dưới gửi 1 tín hiệu ánh sáng đến người bên trên, sự gia tốc làm cho ánh sáng trở nên đỏ hơn, như đã được tính toán từ lý thuyết tương đối hẹp; người bên trên sẽ đo được tần số ánh sáng thấp hơn so với người ở bên dưới. Ngược lại, khi ánh sáng được gửi từ quan sát viên bên trên cho người ở dưới, thì ánh sáng sẽ trở nên xanh hơn đối với quan sát viên bên dưới hay dịch chuyển sang tần số cao hơn.[8] Einstein đã kết luận rằng sự dịch chuyển tần số cũng phải được quan sát trong một trường hấp dẫn. Điều này được minh họa bởi bức tranh bên trái, cho thấy bước sóng ánh sáng trở nên dịch chuyển đỏ khi nó truyền lên phía trên ngược lại với sự gia tốc hấp dẫn. Hiệu ứng này đã được thực nghiệm xác nhận, như được miêu tả bên dưới. Sự dịch chuyển tần số do hấp dẫn tương ứng với sự giãn thời gian do hấp dẫn: Từ quan sát viên ở "bên trên" đo cùng một sóng ánh sáng với tần số nhỏ hơn so với người ở "bên dưới", nên thời gian phải trôi đi nhanh hơn đối với quan sát viên bên trên (chú ý tới mối quan hệ tần số-chu kỳ và bước sóng để hiểu rõ hơn). Từ đó, thời gian cũng chạy chậm hơn đối với những người gần với trường hấp dẫn hơn. Có một điều cần nhấn mạnh rằng, đối với mỗi quan sát viên, không thể quan sát thấy được sự thay đổi của dòng chảy thời gian cho mỗi sự kiện hay quá trình diễn ra trong hệ quy chiếu mà anh ta hay chị ta đứng im trong hệ. Thời gian luộc trứng năm phút là như nhau trên mỗi đồng hồ của từng quan sát viên; khi một năm trôi qua đi, tuổi của mỗi người tăng thêm một tuổi; nói ngắn gọn, mỗi đồng hồ là hoàn toàn giống nhau đối với mọi quá trình diễn ra trong môi trường lân cận với nó. Chỉ khi các đồng hồ được so sánh với nhau giữa những người quan sát tách biệt thì họ mới để ý đến thời gian chạy chậm hơn đối với người ở bên dưới so với quan sát viên ở bên trên.[9] Hiệu ứng này là nhỏ, nhưng nó cũng đã được xác nhận bằng thực nghiệm bởi rất nhiều thí nghiệm, như được miêu tả ở bên dưới. Theo cách tương tự, Einstein đã tiên đoán sự lệch ánh sáng do hấp dẫn: trong một trường hấp dẫn, ánh sáng bị lệch về bên dưới. Về mặt định lượng, các kết quả của ông chỉ bằng một nửa so với kết quả chính xác sau này; kết quả chính xác đòi hỏi sự phát triển hoàn thiện hơn của thuyết tương đối tổng quát, chứ không chỉ dựa vào nguyên lý tương đương.[10] [sửa] Các hiệu ứng thủy triều Hai vật rơi hướng về tâm của Trái Đất, tăng tốc hướng về nhau khi chúng rơi. Sự tương đương giữa các hiệu ứng quán tính và hấp dẫn không thiết lập hoàn thiện được một lý thuyết hấp dẫn. Có điều nổi bật là nó không trả lời được câu hỏi đơn giản sau: cái gì giữ những người ở phía bên kia của Trái Đất không bị rơi? Khi nói đến sự giải thích lực hấp dẫn gần vị trí của chúng ta trên bề mặt của Trái Đất, chú ý rằng hệ quy chiếu của chúng ta không phải trong trạng thái rơi tự do, do vậy lực quán tính (lực giả) được mong đợi để cung cấp một lời giải thích phù hợp. Nhưng một hệ quy chiếu rơi tự do trên một phía của Trái Đất không thể giải thích tại sao những người đứng trên phía bên kia của Trái Đất lại cảm thấy một lực hấp dẫn kéo họ theo hướng ngược lại. Một biểu thị cơ bản của cùng hiệu ứng này đó là hai vật đang rơi cạnh nhau về phía Trái Đất. Trong một hệ quy chiếu rơi tự do cùng với các vật này, hai vật hiện lên như chúng không trọng lượng; nhưng điều này không hoàn toàn chính xác. Hai vật này không rơi một cách chính xác theo cùng một hướng, mà chúng rơi hướng về một điểm trong không gian: còn gọi là khối tâm của Trái Đất. Do vậy có một thành phần của mỗi vector chuyển động của mỗi vật hướng về phía nhau (xem hình). Trong một môi trường nhỏ như một thang máy rơi tự do, sự gia tốc tương đối này là nhỏ, trong khi đối với những người nhảy dù trên các cạnh đối diện của Trái Đất, hiệu ứng này lại lớn. Những sự thay đổi này cũng đúng cho hiện tượng thủy triều trên các đại dương của Trái Đất, do vậy thuật ngữ "hiệu ứng thủy triều" được sử dụng cho hiện tượng này. Sự tương đương giữa quán tính và hấp dẫn không thể giải thích hiệu ứng thủy triều; - nó không thể giải thích những sự biến đổi trong trường hấp dẫn.[11] Do đó, một lý thuyết là cần thiết để miêu tả cách vật chất (như những vật thể khối lượng lớn như Trái Đất) ảnh hưởng đến môi trường quán tính xung quanh nó. [sửa] Từ gia tốc đến hình học Trong quá trình khám phá ra nguyên lý tương đương giữa hấp dẫn và gia tốc cũng như vai trò của các lực thủy triều, Einstein đã khám phá ra một vài sự tương tự của chúng với hình học các mặt cong. Một ví dụ là sự biến đổi từ một hệ quy chiếu quán tính (trong đó các hạt tự do trôi theo một đường thẳng với vận tốc không đổi) sang một hệ quy chiếu quay (khi đó xuất hiện thêm lực quán tính để có thể giải thích chuyển động của các hạt): điều này tương tự với sự biến đổi từ một hệ tọa độ DeCarte (trong đấy các trục tọa độ là các đường thẳng) sang một hệ tọa độ cong (trong đó các trục tọa độ là các đường cong). Một sự tương tự sâu hơn liên hệ giữa các lực thủy triều với tính chất của các mặt gọi là độ cong. Đối với trường hấp dẫn, sự có mặt hay vắng mặt của các lực thủy triều xác định có hay không ảnh hưởng của hấp dẫn có thể bị loại trừ bằng cách chọn một hệ quy chiếu rơi tự do. Tương tự, sự xuất hiện hay không xuất hiện của độ cong xác định một mặt có giống hay tương đương với một mặt phẳng hay không. Vào mùa hè năm 1912, được thúc đẩy bởi những sự tương tự này, Einstein đã tìm kiếm dạng thức hình học cho hấp dẫn.[12] Các đối tượng cơ bản của hình học;- các điểm, đường thẳng, tam giác; được định nghĩa một cách truyền thống trong không gian ba chiều hoặc các mặt hai chiều. Năm 1907, nhà toán học Hermann Minkowski giới thiệu dạng thức hình học của thuyết tương đối đặc biệt của Einstein trong đó hình học không chỉ bao gồm không gian mà có cả thời gian. Đối tượng cơ bản của hình học mới này đó là không thời gian bốn chiều. Quỹ đạo của các vật thể là các đường trong không thời gian.[13] Đối với các mặt, sự tổng quát hóa hình học trên các mặt phẳng sang các mặt cong đã được miêu tả vào đầu thế kỷ thứ 19 bởi nhà bác học Carl Friedrich Gauss. Sự miêu tả này đã được Bernhard Riemann tổng quát hóa sang các không gian nhiều chiều thành một lý thuyết vào thập niên 1850. Với công cụ hình học Riemann, Einstein đã thiết lập một sự miêu tả hình học của hấp dẫn trong đấy không gian Minkowski được thay thế bởi không thời gian cong giống như các mặt cong được tổng quát hóa từ các mặt phẳng thông thường.[14] Sau khi ông nhận ra sự tương tự đúng đắn của hình học này, Einstein phải cần thêm 3 năm nữa mới tìm ra được hòn đá tảng cơ bản trong lý thuyết của ông: các phương trình miêu tả vật chất ảnh hưởng như thế nào đến độ cong của không thời gian. Chúng bây giờ được gọi là phương trình trường Einstein (hay một cách chính xác hơn, phường trình trường Einstein của hấp dẫn), ông trình bày lý thuyết mới của ông về hấp dẫn tại một vài buổi họp tại viện Hàn lâm khoa học Phổ vào cuối năm 1915.[15]
|
|
|
Post by NhiHa on May 27, 2010 7:49:05 GMT 9
Hình học và hấp dẫn
Phát biểu bởi John Wheeler, lý thuyết hình học về hấp dẫn của Einstein có thể tóm tắt thành: không thời gian nói cho vật chất cách di chuyển, vật chất nói cho không thời gian cách để cong.[16] Điều này được giải thích trong ba phần sau, với khám phá chuyển động của các hạt thử, kiểm tra tính chất của vật chất với ý nghĩa là nguồn của hấp dẫn, và cuối cùng, giới thiệu các phương trình Einstein, liên hệ các tính chất của vật chất với độ cong của không thời gian. [sửa] Thăm dò trường hấp dẫn Các đường trắc địa hội tụ: hai đường kinh tuyến (xanh) bắt đầu song song tại xích đạo (đỏ) nhưng gặp nhau tại hai cực.
Để vẽ ra một bản đồ ảnh hưởng hấp dẫn của một vật thể, sẽ rất hữu ích khi sử dụng cái các nhà vật lý gọi là các hạt thử hay hạt thăm dò: các hạt này bị ảnh hưởng của trường hấp dẫn, nhưng rất nhỏ và nhẹ nên chúng ta có thể bỏ qua ảnh hưởng hấp dẫn của chính chúng. Khi không có lực hấp dẫn và những ngoại lực khác, một hạt thử di chuyển dọc theo một đường thẳng với vận tốc không đổi. Theo ngôn ngữ của không thời gian, điều này tương đương với khi nói rằng những hạt thử di chuyển theo đường toàn cục trong không thời gian. Khi có mặt hấp dẫn, không thời gian là phi Euclid, hoặc bị cong, và trong không thời gian cong đường toàn cục thẳng không tồn tại. Thay vào đó, các hạt thử sẽ di chuyển theo những đường gọi là đường trắc địa, là đường "ngắn nhất có thể được".
Một ví dụ tương tự đơn giản như sau: Một đường trắc địa là đường ngắn nhất giữa hai điểm trên bề mặt của Trái Đất và là một cung tròn của một đường tròn lớn, giống như các kinh tuyến hay xích đạo. Những đường này rõ ràng là không thẳng, đơn giản chỉ vì chúng phải theo độ cong của bề mặt Trái Đất. Tuy vậy, chúng là đường thẳng nhất có thể (ngắn nhất) tuân theo sự ràng buộc này.
Các tính chất của các đường trắc địa khác so với các đường thẳng. Ví dụ, trên một mặt phẳng, các đường thẳng song song không bao giờ cắt nhau, nhưng điều này không còn đúng với các đường trắc địa trên bề mặt của Trái Đất: ví dụ, các kinh tuyến là song song với nhau tại xích đạo, nhưng cắt nhau tại các cực của Trái Đất. Tương tự, các đường toàn cục của các hạt thử rơi tự do là các đường trắc địa trong không thời gian, các đường thẳng nhất có thể trong không thời gian. Nhưng vẫn có một sự khác biệt quan trọng giữa chúng và các đường thẳng hoàn toàn xác định trong không thời gian phi hấp dẫn của thuyết tương đối đặc biệt. Trong thuyết tương đối đặc biệt, các đường trắc địa song song vẫn luôn song song với nhau. Trong một trường hấp dẫn với các hiệu ứng thủy triều, nói chung, điều này sẽ không đúng trong từng trường hợp. Ví dụ, nếu hai vật ban đầu ở cách xa nhau, sau đó bị hút dần về tâm Trái Đất do trường hấp dẫn, sẽ dịch chuyển gần về nhau khi chúng rơi gần về tâm Trái Đất.[17]
So sánh với các hành tinh và các thiên thể khác, các vật thể trong đời sống hàng ngày (con người, ôtô, nhà, thậm chí là núi) có khối lượng khá nhỏ. Nơi những vật này được đề cập đến, các định luật chi phối cư xử của các hạt thử vẫn còn đúng khi miêu tả điều gì sẽ xảy ra. Đặc biệt, để làm lệch hướng một hạt thử từ đường trắc địa của nó, thì phải có một ngoại lực tác dụng lên nó. Một người ngồi trên một chiếc ghế đang hướng theo một đường trắc địa, hay là rơi tự do về tâm Trái Đất. Nhưng chiếc ghế đã tác động một ngoại lực ngược lại ngăn không cho người này rơi xuống. Theo cách này, thuyết tương đối rộng giải thích các kinh nghiệm hàng ngày về hấp dẫn trên bề mặt Trái Đất không phải là kéo xuống dưới do lực hấp dẫn, mà là sự đẩy ngược lại của các ngoại lực. Những lực này làm lệch mọi vật đứng yên trên bề mặt Trái Đất ra khỏi đường trắc địa mà đáng lẽ chúng phải đi theo.[18] Đối với các vật thể mà ảnh hưởng hấp dẫn của chúng không thể bỏ qua, các định luật của chuyển động phức tạp hơn so với các hạt thử, và nó vẫn còn đúng khi nói rằng không thời gian bảo cho vật chất cách chuyển động.[19] [sửa] Các nguồn của hấp dẫn
Trong mô hình của Newton về hấp dẫn, lực hấp dẫn là do vật chất. Một cách chính xác hơn, nó là do một tính chất xác định của các đối tượng vật chất: khối lượng của chúng. Trong lý thuyết của Einstein và các lý thuyết hấp dẫn khác, độ cong tại mỗi điểm trong không thời gian cũng là do sự có mặt của vật chất. Cũng vậy, khối lượng cũng là một đặc tính cơ bản để xác định ảnh hưởng hấp dẫn của vật chất. Nhưng trong một lý thuyết hấp dẫn tương đối tính, khối lượng không phải là nguồn hấp dẫn duy nhất. Thuyết tương đối liên kết khối lượng với năng lượng, và năng lượng với động lượng.
Sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng, như được biểu diễn trong công thức E = mc2, có lẽ là hệ quả quan trọng nổi tiếng nhất của thuyết tương đối hẹp. Trong thuyết tương đối, khối lượng và năng lượng là hai cách khác nhau để miêu tả cùng một đại lượng vật lý. Nếu một hệ vật lý có năng lượng, nó cũng có một khối lượng tương ứng, và ngược lại. Đặc biệt, mọi tính chất của một vật mà liên quan đến năng lượng, như là nhiệt độ hoặc năng lượng liên kết của các hệ như hạt nhân nguyên tử hay các phân tử, đóng góp vào khối lượng của vật đó, và từ đó hoạt động như là các nguồn của hấp dẫn.[20]
Trong thuyết tương đối đặc biệt, năng lượng liên hệ mật thiết với động lượng. Trong lý thuyết này, giống như không gian và thời gian chỉ là hai khía cạnh khác nhau của một thực thể hoàn chỉnh gọi là không thời gian, năng lượng và động lượng chỉ là các mặt khác nhau của một đại lượng thống nhất, bốn chiều mà các nhà vật lý gọi là bốn-động lượng. Hệ quả theo đó, nếu năng lượng là một nguồn của hấp dẫn thì động lượng cũng phải là một nguồn như thế. Điều này cũng đúng đối với các đại lượng liên hệ trực tiếp với năng lượng và động lượng, gọi là áp suất bên trong và sự kéo. Cùng với nhau, trong thuyết tương đối tổng quát, khối lượng, năng lượng, động lượng, áp suất và sự kéo làm thành các nguồn của hấp dẫn: chúng là vật chất bảo cho không thời gian cách cong như thế nào. Theo dạng toán học của lý thuyết, những đại lượng này là một khía cạnh của một đại lượng vật lý tổng quát hơn gọi là tensor năng lượng-động lượng.[21] [sửa] Phương trình trường Einstein
Phương trình trường Einstein là mảnh ghép trung tâm của thuyết tương đối tổng quát. Chúng cung cấp một công thức chính xác của mối liên hệ giữa hình học không thời gian và các tính chất của vật chất, sử dụng ngôn ngữ của toán học. Cụ thể hơn, chúng được thiết lập nhờ các khái niệm của hình học Riemann, trong đó các tính chất hình học của một không gian (hoặc không thời gian) được miêu tả bởi một đại lượng gọi là metric. Metric chứa các thông tin cần thiết để tính toán ra những khái niệm hình học cơ bản đó là khoảng cách và góc trong không gian cong (hoặc không thời gian cong). Các khoảng cách tại các vĩ độ khác nhau tương ứng với hai kinh tuyến lệch nhau 30 độ.
Một mặt cầu giống như Trái Đất cung cấp một ví dụ đơn giản. Vị trí của bất kì một điểm nào trên bề mặt có thể được miêu tả bằng hai tọa độ: độ vĩ và độ kinh địa lý. Không giống như tọa độ Đề Các trong một mặt phẳng, hiệu các tọa độ là không giống nhau về khoảng cách trên một mặt, như được chỉ ra ở hình bên phải: đối với một người tại xích đạo, di chuyển sang 30 độ kinh tây (đường màu hồng) tương ứng với khoảng cách gần 3.300 ki-lô-mét (2.051 mi). Mặt khác một người khác tại vĩ độ 55 độ, di chuyển sang 30 độ kinh tây sẽ chỉ tương ứng với khoảng cách 1.900 ki-lô-mét (1.181 mi). Các tọa độ do vậy không cung cấp đủ thông tin để miêu tả hình học của một mặt cầu, hay hình học của không gian hoặc không thời gian phức tạp hơn. Các thông tin chính xác được hàm chứa trong metric, là một hàm xác định tại mỗi điểm của bề mặt (hoặc không gian, hoặc không thời gian) và liên hệ theo khoảng cách hiệu giữa các tọa độ khác nhau. Những đại lượng thường gặp khác trong hình học, như độ dài của một đường cong bất kì, hay góc tại nơi hai đường cong cắt nhau, có thể được tính toán từ hàm metric này.[22]
Hàm metric và tốc độ thay đổi của nó từ điểm này đến điểm khác có thể được sử dụng để định nghĩa một đại lượng hình học gọi là tensor độ cong Riemann, tensor này miêu tả một cách chính xác không gian (hoặc không thời gian) bị cong như thế nào tại mỗi điểm. Như đã được đề cập bên trên, thành phần vật chất trong không thời gian xác định một đại lượng khác, tensor năng lượng-động lượng T, và nguyên lý "không thời gian nói với vật chất cách di chuyển, và vật chất nói với không thời gian cong như thế nào" có nghĩa là những tensor này phải được liên hệ với nhau. Einstein đã thiết lập lên quan hệ này bằng cách sử dụng tensor độ cong Riemann và metric để xác định một đại lượng hình học khác gọi là tensor Einstein, nó miêu tả một số khía cạnh cách không thời gian cong. Phương trình trường Einstein được viết thành
\mathbf{G}=\frac{8\pi G}{c^4}\mathbf{T},
theo đó, nếu bỏ qua các hằng số, đại lượng G (đo độ cong) phải bằng với đại lượng T (đo thành phần vật chất). Các hằng số trong phương trình phản ánh các lý thuyết khác nhau được kết hợp vào trong thuyết tương đối rộng: G là hằng số hấp dẫn đã được biểu diễn trong mô hình hấp dẫn của Newton; c là vận tốc ánh sáng, một hằng số quan trọng trong thuyết tương đối hẹp; và π là một hằng số cơ bản của hình học.
Phương trình này thường được gọi theo số nhiều Hệ phương trình trường Einstein, do các đại lượng G và T, mỗi đại lượng được xác định bởi một số hàm của các tọa độ trong không thời gian, và các phương trình đặt sự bằng nhau với mỗi các hàm thành phần.[23]Một nghiệm của những phương trình này miêu tả cấu trúc hình học cụ thể của không gian và thời gian; ví dụ, nghiệm Schwarzschild miêu tả hình học xung quanh một vật thể hình cầu, không quay như là các ngôi sao hoặc một lỗ đen, trong khi nghiệm Kerr miêu tả một lỗ đen quay. Lại có những nghiệm (lời giải) khác miêu tả sóng hấp dẫn hay vũ trụ đang giãn nở trong nghiệm Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker. Lời giải đơn giản nhất là không thời gian không bị cong Minkowski, không thời gian được miêu tả trong thuyết tương đối đặc biệt.[24] [sửa] Các thí nghiệm kiểm chứng
Không một lý thuyết khoa học nào đúng hoàn toàn mà chỉ dựa vào lý thuyết; mỗi một mô hình phải được kiểm tra bằng thực nghiệm. Định luật hấp dẫn của Newton đã được công nhận do nó tính đến chuyển động của các hành tinh và vệ tinh trong hệ Mặt Trời với độ chính xác tinh tế. Nhưng khi sự chính xác của các kết quả thí nghiệm được nâng cao dần, một vài sự sai lệch với các tiên đoán của Newton đã được phát hiện, và những sai lệch này đã được tính đến trong thuyết tương đối rộng. Tương tự như thế, các tiên đoán của thuyết tương đối tổng quát cũng phải được kiểm tra bằng thực nghiệm, và tự Einstein đã đặt ra ba thí nghiệm kiểm tra mà bây giờ được biết đến là những kiểm nghiệm cổ điển của lý thuyết: Các quỹ đạo theo mô hinh của Newton (đỏ) so với mô hình của Einstein (xanh) của một hành tinh quay xung quanh một ngôi sao cầu. Nhấp vào hình để xem ảnh động.
* Mô hình của Newton tiên đoán rằng quỹ đạo của một ngôi sao quay xung quanh một ngôi sao hình cầu lý tưởng phải là một elíp. Lý thuyết của Einstein tiên đoán quỹ đạo là một đường cong phức tạp hơn: hành tinh cư xử như nó đang chuyển động trên một hình elíp, nhưng tại cùng một thời điểm, toàn bộ elíp cũng quay chậm xung quanh ngôi sao. Trong hình vẽ bên phải, quỹ đạo elíp theo tiên đoán của mô hình hấp dẫn Newton là màu đỏ, và phần quỹ đạo theo tiên đoán của Einstein là màu xanh. Đối với một hành tinh quay quanh Mặt Trời, độ lệch này so với các quỹ đạo trong mô hình Newton được biết đến là sự dịch chuyển dị thường điểm cận nhật. Đo đạc đầu tiên về hiệu ứng này, thực hiện năm 1859, là đối với sao Thủy. Những kết quả chính xác nhất đối với sao Thủy và các hành tinh khác dựa trên các đo đạc được thực hiện trong giai đoạn 1966 và 1990, nhờ sử dụng các kính viễn vọng vô tuyến.[25] Thuyết tương đối tổng quát tiên đoán đúng đắn về sự dịch chuyển dị thường điểm cận nhật đối với mọi hành tinh trong đó có thể đo một cách chính xác đối với sao Thủy, sao Kim và Trái Đất. * Theo thuyết tương đối rộng, ánh sáng không đi theo một đường thẳng khi nó lan truyền trong một trường hấp dẫn. Thay vào đó, nó bị lệch đi do sự có mặt của một vật thể nặng. Đặc biệt, ánh sáng từ các ngôi sao ở xa bị lệch đi khi nó vượt qua gần Mặt Trời, làm cho vị trí của nó trên bầu trời đêm dịch đi một khoảng 1,75 giây cung (một giây cung bằng 1/3600 của một độ). Trong mô hình hấp dẫn của Newton, có thể thực hiện một sự lập luận suy nghiệm (heuristic) dẫn đến ánh sáng bị lệch đi một nửa so với tiên đoán của lý thuyết Einstein. Các tiên đoán khác nhau có thể được kiểm nghiệm bởi quan sát các ngôi sao gần so với Mặt Trời trong quá trình nhật thực. Theo cách này, một đoàn thám hiểm Vương quốc Anh dẫn đầu bởi Arthur Eddington đã đến Tây Phi năm 1919, và xác nhận tiên đoán của Einstein là đúng, và tiên đoán của Newton là sai, thông qua quan sát nhật thực vào ngày 29/5/1919. Các kết quả của Eddington chưa được chính xác cho lắm; những quan sát tiếp sau về sự lệch ánh sáng của một quasar ở rất xa bởi Mặt Trời, nhờ áp dụng các kĩ thuật chính xác cao trong thiên văn vô tuyến, đã xác nhận các kết quả của Eddington với một độ chính xác cao hơn (các đo đặc đầu tiên thực hiện năm 1967, và những phân tích chi tiết nhất hiện nay là từ năm 2004).[26] * Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn được đo đạc đầu tiên trong phòng thí nghiệm năm 1959 bởi Pound và Rebka. Nó cũng đã được đo trong thiên văn vật lý, nổi bật là ánh sáng thoát ra từ sao lùn trắng Sirius B. Sự liên hệ với hiệu ứng giãn thời gian do hấp dẫn đã được đo bằng cách thay đổi vị trí các đồng hồ nguyên tử tại các độ cao khác nhau từ hàng chục ki-lô-mét đến hàng chục nghìn ki-lô-mét (thực hiện lần đầu tiên bởi Hafele và Keating năm 1971; kết quả chính xác nhất cho tới ngày nay đó là thí nghiệm từ vệ tinh Gravity Probe A phóng lên năm 1976).[27] Trong ba kiểm nghiệm trên, chỉ có sự tiến điểm cận nhật của sao Thủy là được biết đến trước khi Einstein công bố thuyết tương đối tổng quát năm 1916. Những thí nghiệm sau đó xác nhận các tiên đoán khác của ông, đặc biệt là những phép đo về độ lệch của ánh sáng do Mặt Trời năm 1919, đã đưa Einstein trở thành nhà khoa học nổi tiếng trên toàn thế giới.[28] Những thí nghiệm kiểm chứng trên đã khẳng định sự thay thế của thuyết tương đối tổng quát với lý thuyết của Newton về hấp dẫn và đồng thời, so với rất nhiều lý thuyết hấp dẫn khác đã được đưa ra.
Gravity Probe B với các tấm pin Mặt Trời được gấp lại.
Các thí nghiệm cho các tiên đoán khác của thuyết tương đối rộng bao gồm các phép đo chính xác của hiệu ứng Shapiro hay sự trễ thời gian do hấp dẫn đối với ánh sáng, gần đây nhất là vào năm 2002 bởi tàu thám hiểm không gian Cassini. Một chuỗi các thí nghiệm tập trung vào trạng thái của các con quay chuyển động trong không gian. Một trong các hiệu ứng liên quan đến nó, sự chuyển dịch của đường trắc địa, đã được kiểm nghiệm với Thí nghiệm laser định tầm Mặt Trăng (Lunar Laser Ranging Experiment) (các đo đạc chính xác cao về quỹ đạo của Mặt Trăng). Hiệu ứng khác, liên quan đến một thiên thể lớn quay, gọi là kéo-hệ quy chiếu. Các hiệu ứng dịch chuyển đường trắc địa và kéo hệ quy chiếu đều đã được kiểm nghiệm bởi vệ tinh thí nghiệm Gravity Probe B phóng lên năm 2004, với các kết quả xác nhận thuyết tương đối tổng quát tương ứng với mỗi hiệu ứng vào khoảng 0,5% và 15%, cho đến năm 2008. (Các phân tích dữ liệu thu được từ vệ tinh vẫn đang được thực hiện).[29]
Theo thang đo vũ trụ, hấp dẫn trên toàn bộ hệ Mặt Trời là yếu. Từ những sự khác biệt giữa các tiên đoán của lý thuyết Eisntein và lý thuyết Newton được thể hiện rõ khi hấp dẫn là mạnh, các nhà vật lý từ lâu đã thích thú kiểm nghiệm nhiều hiệu ứng tương đối tính trong những trường hấp dẫn tương đối mạnh. Điều này đã trở thành có thể nhờ vào các quan sát chính xác các cặp sao xung. Trong một hệ ngôi sao, hai sao neutron nén rất mạnh quay xung quanh nhau. Ít nhất một trong số chúng là sao xung;-một thiên thể phát ra một tia vô tuyến rất hẹp. Giống như tia sáng trong ngọn đèn hải đăng mà chúng ta quan sát thấy ngọn đèn hải đăng nhấp nháy, những tia vô tuyến này đến Trái Đất với những khoảng rất đều nhau, và có thể quan sát thành một chuỗi các xung rất đều nhau. Thuyết tương đối tổng quát tiên đoán những sự lệch xác định từ những xung vô tuyến rất đều này. Ví dụ, tại thời điểm khi sóng vô tuyến vượt qua gần một sao neutron trong hệ, chúng có thể bị lệch đi bởi trường hấp dẫn của sao neutron này. Những phần xung bị lệch quan sát được khớp một cách ấn tượng với những tiên đoán của thuyết tương đối tổng quát.[30]
Một tập hợp các quan sát có liên hệ với những ứng dụng thực tế tuyệt vời, còn gọi là những hệ thống vệ tinh định vị như hệ định vị toàn cầu mà được sử dụng cho xác định vị trí và thời gian chính xác trên mặt đất. Những hệ này nhờ vào hai hệ đồng hồ nguyên tử: các đồng hồ được đặt trên các vệ tinh quay xung quanh Trái Đất, và các đồng hồ tham chiếu được đặt trên bề mặt Trái Đất. Thuyết tương đối tổng quát tiên đoán rằng hai hệ đồng hồ này sẽ chạy với tốc độ hơi khác nhau, do sự chuyển động khác nhau của chúng (một hiệu ứng đã được tiên đoán bởi thuyết tương đối đặc biệt) và do vị trí của chúng khác nhau trong trường hấp dẫn của Trái Đất. Để có thể đảm bảo cho hệ thống hoạt động một cách chính xác, các đồng hồ ở vệ tinh hoặc là phải được làm chậm đi bởi một nhân tử tương đối tính, hoặc cùng một nhân tử trong phần thuật toán khai triển. Nói cách khác, các kiểm tra độ chính xác của hệ thống (đặc biệt là thông qua các phép đo về phần định nghĩa của Giờ phối hợp quốc tế) mang lại chứng về sự phù hợp với các tiên đoán của thuyết tương đối rộng.[31]
Một số các thí nghiệm khác đã khám phá sự đúng đắn của nhiều phiên bản khác nhau của nguyên lý tương đương; nói một cách hạn chế, tất cả các phép đo về sự giãn thời gian do hấp dẫn đều được kiểm nghiệm liên quan đến phiên bản yếu của nguyên lý này, chứ không phải liên quan đến thuyết tương đối rộng. Xa hơn nữa, thuyết tương đối tổng quát đã vượt qua toàn bộ các quan sát kiểm nghiệm.[32] [sửa] Các ứng dụng thiên văn vật lý
Các mô hình dựa trên thuyết tương đối rộng đóng một vai trò quan trọng trong thiên văn vật lý, và sự thành công của những mô hình này là những bằng chứng cụ thể trong tương lai về sự đúng đắn của lý thuyết. [sửa] Thấu kính hấp dẫn Chữ thập Einstein: bốn bức ảnh của cùng một đối tượng thiên văn, tạo ra bởi thấu kính hấp dẫn
Từ ánh sáng bị bẻ cong trong trường hấp dẫn, nên có những khả năng cho ánh sáng của các thiên thể ở xa truyền đến người quan sát theo hai hoặc nhiều đường khác nhau. Ví dụ, ánh sáng từ các thiên thể ở xa như quasar có thể vượt qua một phía của một thiên hà lớn và bị lệch đi một chút khi đến được người quan sát trên Trái Đất, trong khi ánh sáng truyền qua phía bên kia của cùng một thiên hà cũng bị lệch đi một lượng tương tự, đến cùng một người quan sát với độ lệch theo hướng khác. Kết quả là, một người quan sát với vị trí đặc biệt sẽ nhìn thấy một thiên thể trong hai vị trí khác nhau trên bầu trời đêm. Kiểu hội tụ này đã được biết đến với thấu kính quang học, và do vậy tương ứng với hiệu ứng hấp dẫn gọi là thấu kính hấp dẫn.[33]
Quan sát thiên văn sử dụng hiệu ứng này là một công cụ quan trọng để nhận biết được thiên thể tạo ra thấu kính. Thậm chí trong trường hợp thiên thể không thể quan sát trực tiếp được trong các bước sóng điện từ, hình dạng của bức ảnh thu được cung cấp những thông tin về sự phân bố khối lượng tương ứng với sự lệch ánh sáng. Đặc biệt, thấu kính hấp dẫn cung cấp một cách đo sự phân bố của vật chất tối, do chúng không phát ra một bức xạ điện từ nào và chỉ có thể biết được nhờ những ảnh hưởng hấp dẫn của chúng lên sự lan truyền ánh sáng của các thiên thể ở xa, phía sau vật chất tối. Một ứng dụng đặc biệt hấp dẫn đó là những quan sát trên khoảng cách lớn, nơi sự phân bố các thấu kính khối lượng khổng lồ được trải rộng trên không gian lớn của vũ trụ quan sát được, và có thể được sử dụng để thu thập thông tin về các tính chất và sự tiến hóa trên khoảng cách lớn của vũ trụ.[34] [sửa] Sóng hấp dẫn
Sóng hấp dẫn, một hệ quả trực tiếp của lý thuyết Einstein, là sự biến dạng hình học của không thời gian được lan truyền đi với vận tốc ánh sáng, hay còn được coi là những gợn sóng của không thời gian. Chúng không nên bị nhầm lẫn với sóng trọng lực trong động lực học chất lỏng, đây là một khái niệm khác hoàn toàn.
Hiệu ứng của sóng hấp dẫn đã được xác định một cách gián tiếp trong những quan sát kĩ lưỡng về các sao đôi. Những cặp sao này quay xung quanh quỹ đạo của nhau, và như vậy dần mất năng lượng quỹ đạo do quá trình phát ra sóng hấp dẫn. Đối với các ngôi sao thông thường như Mặt Trời, năng lượng mất đi này quá nhỏ để có thể xác định được, nhưng năng lượng mất đi do sóng hấp dẫn đã được xác định năm 1974 trong một hệ sao đôi gọi là hệ PSR1913+16. Trong hệ này, có một ngôi sao quay quanh một sao xung. Điều này dẫn đến hai hệ quả: một sao xung là một thiên thể vô cùng đậm đặc còn gọi là sao neutron, mà đối với nó sự phát ra sóng hấp dẫn mạnh hơn so với các sao thông thường. Mặt khác, một sao xung cũng phát ra một tia hẹp bức xạ điện từ từ các cực từ của nó. Khi sao xung quay, tia này quét qua Trái Đất, và thu được một chuỗi các xung vô tuyến rất đều, giống như các con tàu trên đại dương nhìn thấy sự nhấp nháy sáng của ngọn đèn biển. Phần đều đặn của những xung vô tuyến này có chức năng như là một "đồng hồ" với độ chính xác rất cao. Nó có thể dùng để tính chu kì quỹ đạo của hệ sao đôi này, và nó chịu tác động nhạy với sự biến dạng của không-thời gian trong môi trường lân cận của nó.
Nhờ sự khám phá ra PSR1913+16, Russell Hulse và Joseph Taylor, đã được trao giải thưởng Nobel trong Vật lý năm 1993. Từ đó đến nay, một vài hệ sao xung đôi khác đã được khám phá ra. Những hệ hiệu quả nhất đó là hệ có cả hai ngôi sao đều là sao xung, do chúng cung cấp các kiểm nghiệm thuyết tương đối tổng quát một cách chính xác nhất.[35]
Hiện tại, một trong những mục đích nghiên cứu chính trong thuyết tương đối đó là sự xác định trực tiếp sóng hấp dẫn. Để đạt được điều này, một số các trung tâm mặt đất đặt các máy dò sóng hấp dẫn đang hoạt động, và có một phi vụ phóng một thiết bị dò trong không gian, LISA, hiện tại đang được phát triển với phi vụ tiền nhiệm LISA Pathfinder có thể sẽ phóng lên tháng 6 năm 2011. Nếu các sóng hấp dẫn được xác định một cách trực tiếp, chúng có thể được sử dụng để thu thập thông tin về các thiên thể nặng, chặt như các sao neutron và lỗ đen, và cũng có thể để khám phá trạng thái nguyên thủy của vũ trụ chỉ sau một thời gian ngắn sau vụ nổ Big Bang.[36] [sửa] Các lỗ đen Lỗ đen-cung cấp năng lượng cho tia phát ra từ vùng trung tâm của thiên hà M87
Khi khối lượng được tập trung trong một vùng không gian đủ nhỏ, thuyết tương đối tổng quát tiên đoán sự hình thành của một lỗ đen;- một vùng không thời gian với trường hấp dẫn rất mạnh ngay cả ánh sáng cũng không thoát ra được. Có những loại lỗ đen được nghĩ là trạng thái cuối cùng trong sự tiến hóa của các ngôi sao nặng. Mặt khác, các lỗ đen siêu nặng với khối lượng từ vài triệu lần đến vài tỉ lần khối lượng Mặt Trời được cho là hầu hết nằm trong nhân của các thiên hà, và chúng đóng một vai trò quan trọng trong các mô hình hiện nay về sự hình thành của các thiên hà trong quá khứ hàng tỉ năm.[37]
Vật chất rơi vào một thiên thể đặc là một trong những cơ chế hữu hiệu nhất để giải phóng năng lượng dưới dạng các bức xạ, và vật chất rơi vào hố đen được nghĩ là nguyên nhân cho một số hiện tượng thiên văn chụp ảnh được sáng nhất. Những ví dụ điển hình làm hứng khởi các nhà thiên văn là các quasar và những loại nhân thiên hà hoạt động. Trong những điều kiện phù hợp, vật chất rơi vào hố đen tích tụ lại xung quanh nó có thể dẫn đến sự hình thành tia, đó là một luồng vật chất bị thổi bay vào không gian ở vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng.[38]
Có một vài tính chất làm cho hố đen là một nguồn hứa hẹn của sóng hấp dẫn. Một lý do đó là các hố đen là các thiên thể đặc nhất mà có thể là một phần của một hệ đôi; kết quả là sóng hấp dẫn phát ra bởi những hệ này rất mạnh. Một lý do khác là theo một định lý gọi là định lý đơn trị hố đen: theo thời gian, các hố đen còn lại chỉ một tập hợp tối thiểu các đặc tính phân biệt được (giống như các kiểu tóc khác nhau một phần quan trọng làm cho mỗi người có diện mạo khác nhau, nên những định này được gọi là định lý "không tóc"). Ví dụ, trong thời gian dài, sự suy sụp của một vật chất giả thiết là hình lập phương sẽ không tạo ra một hố đen hình lập phương. Do đó hố đen được tạo ra sẽ không thể phân biệt được với một hố đen được tạo ra từ sự suy sụp của một vật chất dạng hình cầu, nhưng sẽ có một sự khác biệt quan trọng: trong quá trình biến đổi sang dạng cầu, hố đen hình thành từ một hình lập phương sẽ phát ra các sóng hấp dẫn.[39] [sửa] Vũ trụ học Bức ảnh chụp bức xạ phát ra chỉ vài trăm nghìn năm sau Big Bang, do kính viễn vọng không gian WMAP chụp.
Một trong những vai trò quan trọng nhất của thuyết tương đối rộng là nó có áp dụng cho toàn bộ vũ trụ. Một điểm chìa khóa đó là, trên những khoảng cách lớn, vũ trụ của chúng ta hiện lên được xây dựng dọc theo những đường rất đơn giản: Tất cả những quan sát hiện nay cho thấy rằng, về trung bình, cấu trúc của vũ trụ xấp xỉ giống nhau, không phụ thuộc vào vị trí của người quan sát hay hướng quan sát: vũ trụ là xấp xỉ đồng nhất và đẳng hướng. Những vũ trụ tương đối đơn giản như vậy có thể được miêu tả bằng những nghiệm đơn giản của phương trình Einstein. Các mô hình vũ trụ học hiện tại của vũ trụ được dựng lên bằng cách kết hợp những nghiệm đơn giản của thuyết tương đối tổng quát với các lý thuyết mô tả các tính chất của vật chất trong vũ trụ, như nhiệt động học, vật lý hạt nhân và vật lý hạt. Theo những mô hình này, vũ trụ hiện tại của chúng ta sinh ra từ một trạng thái nhiệt độ cực cao, cực kì đậm đặc (vụ nổ Big Bang) cách đây khoảng 14 tỷ năm trước, và vẫn đang tiếp tục giãn nở kể từ đó đến giờ.[40]
Phương trình trường Einstein có thể được tổng quát hóa bằng cách thêm vào một số hạng gọi là hằng số vũ trụ học. Khi xuất hiện số hạng này, chân không tự nó được coi là một nguồn của hấp dẫn hoặc, không thông thường, là trường hấp dẫn đẩy. Einstein là người đầu tiên đưa ra số hạng này trong quá trình nghiên cứu về vũ trụ của ông năm 1917, với một động cơ xác định: vũ trụ thời bấy giờ được nghĩ là tĩnh, nên ông thêm vào hằng số này để có thể thiết lập một mô hình vũ trụ theo mô tả của thuyết tương đối tổng quát. Nhưng khi có những chứng cứ quan sát cho thấy vũ trụ không phải là tĩnh, mà đang mở rộng, Einstein đã ngay lập tức từ bỏ hằng số này; nhưng có lẽ đây là một suy nghĩ hơi vội vàng, như chúng ta biết ngày nay: Từ năm 1998 đến nay, có một tập hợp các chứng cứ quan sát thiên văn ổn định chỉ ra rằng sự giãn nở của vũ trụ đang được gia tốc và cho thấy sự tồn tại của hằng số vũ trụ hoặc, một cách tương đương, năng lượng tối với một tính chất đặc biệt đó là chúng lan tràn khắp trong không gian.[41] [sửa] Các nghiên cứu hiện đại: Thuyết tương đối rộng và tương lai
Thuyết tương đối rộng rất thành công trong việc cung cấp một công cụ cho các mô hình chính xác miêu tả một loạt các hiện tượng vật lý. Mặt khác, hiện tại có rất nhiều câu hỏi mở thú vị, và đặc biệt, thuyết tương đối rộng vẫn chưa hoàn toàn hoàn thiện.[42]
Ngược lại với mọi lý thuyết hiện đại khác về các tương tác cơ bản, thuyết tương đối tổng quát là một lý thuyết cổ điển: nó không bao gồm các hiệu ứng của vật lý lượng tử. Quá trình tìm kiếm một lý thuyết lượng tử cho hấp dẫn là một trong những câu hỏi mở căn bản nhất trong vật lý. Trong khi có những ứng cử viên hứa hẹn cho một lý thuyết hấp dẫn lượng tử, điển hình là thuyết dây và hấp dẫn lượng tử vòng, hiện tại vẫn chưa có một lý thuyết nào nhất quán và hoàn thiện. Các nhà vật lý từ lâu đã hy vọng rằng lý thuyết hấp dẫn lượng tử có thể loại bỏ một điểm còn thiếu sót, chưa khắc phục được trong thuyết tương đối tổng quát: đó là sự có mặt của các kì dị không thời gian. Những kì dị này là biên ("cạnh sắc") của không thời gian tại đó hình học trở thành vô hạn (ill-defined), và hệ quả là thuyết tương đối rộng mất đi sức mạnh tiên đoán của nó trong kì dị này. Hơn thế nữa, định lý kì dị Penrose-Hawking cũng tiên đoán rằng những kì dị như thế phải tồn tại trong vũ trụ nếu các định luật của thuyết tương đối tổng quát được thỏa mãn mà không cần bất kì sự sửa đổi lượng tử nào. Những ví dụ tốt nhất là những kì dị gắn với mô hình vũ trụ miêu tả hố đen và sự bắt đầu của vũ trụ.[43]
Những cố gắng khác để sửa đổi thuyết tương đối tổng quát đã được thực hiện trong bối cảnh của vũ trụ học. Trong những mô hình vũ trụ học hiện đại, phần lớn năng lượng trong vũ trụ có dạng chưa từng được xác định một cách trực tiếp, gọi là năng lượng tối và vật chất tối. Đã có một vài đề xuất gây tranh cãi để xóa bỏ sự cần thiết cho những dạng năng lượng và vật chất bí ẩn này, bằng cách thay đổi các định luật chi phối hấp dẫn và những động lực cho sự giãn nở của vũ trụ, ví dụ sửa đổi động lực Newton.[44].
Có một số những lý do khác khiến việc sửa đổi lý thuyết Einstein là cần thiết, với thang khoảng cách nhỏ hơn, gọi là dị thường Pioneer, đặt tên cho các con tàu thám hiểm vũ trụ Pioneer 10 và Pioneer 11 liên quan đến những hiệu ứng này. Khi tính đến mọi ảnh hưởng, hấp dẫn hay những lực khác, chúng ta có thể tiên đoán đúng quỹ đạo của các con tàu này. Nhưng những quan sát cho thấy có một sự khác biệt khá nhỏ giữa những tiên đoán này và vị trí thực của các con tàu. Khả năng có những thuyết vật lý mới vẫn chưa bị bác bỏ, mặc dù nhiều cố gắng toàn diện để tìm ra các cách giải thích hợp lý.[45]
Ngoài những thách thức của các hiệu ứng lượng tử và vũ trụ học, nghiên cứu về thuyết tương đối tổng quát cũng phong phú với những khả năng khám phá có thể trong tương lai: các nhà tương đối học sử dụng công cụ toán học để khám phá bản chất của những kì dị và các tính chất cơ bản của phương trình trường Einstein,[46] và hơn thế nữa đó là thực hiện các mô phỏng máy tính chi tiết về những không thời gian xác định (như việc miêu tả các hố đen hòa trộn vào nhau),[47] và cuộc chạy đua xác định được một cách trực tiếp đầu tiên về các sóng hấp dẫn vẫn đang tiếp tục diễn ra.[48] Hơn 90 năm sau khi lý thuyết được công bố lần đầu tiên, các nghiên cứu về nó đang tích cực hoạt động hơn bao giờ hết.[49]
|
|
|
Post by NhiHa on May 27, 2010 7:56:22 GMT 9
Dẫn chứng 1. ^ - The Construction of Modern Science: Mechanisms and Mechanics, by Richard S. Westfall. Cambridge University Press. 1978 2. ^ Sự phát triển này là theo, ví dụ trong Renn 2005, trang 110, từ chương 9 đến chương 15 trong Pais 1982, và trong Janssen 2005. Một sự tóm tắt về mô hình hấp dẫn của Newton có thể tìm thấy trong Schutz 2003, chương 2–4. Rất khó có thể khẳng định được liệu Einstein đã có ý nghĩ sửa đổi mô hình hấp dẫn của Newton trước năm 1907 hay không, nhưng theo chính ông thú nhận, những cố gắng nỗ lực ban đầu của ông để kết hợp lý thuyết đó với thuyết tương đối đặc biệt được bắt đầu từ năm đó. Pais 1982, trang 178. 3. ^ Điều này được miêu tả chi tiết trong chương 2 của Wheeler 1990. 4. ^ Trong khi nguyên lý tương đương vẫn là một phần trong cách trình bày hiện đại của thuyết tương đối tổng quát, có một vài sự khác biệt giữa phiên bản hiện đại và khái niệm ban đầu của Einstein. Norton 1985. 5. ^ Ví dụ, Janssen 2005, tr. 64. Chính Einstein đã giải thích điều này trong phần XX của quyển sách phổ biến khoa học ông viết được xuất bản năm 1961. Đi theo những ý tưởng ban đầu của Ernst Mach, Einstein cũng đã khám phá ra lực hướng tâm và sự tương tự với hấp dẫn, Stachel 1989. 6. ^ Einstein đã giải thích điều này trong phần XX của Einstein 1961. Ông xét một vật bị "treo" bởi một sợi dây nối với trần của căn phòng đặt trên một tên lửa được gia tốc: từ bên trong căn phòng dường như lực hấp dẫn đang kéo vật đó xuống sàn với một lực tỉ lệ với khối lượng của nó, nhưng từ bên ngoài tên lửa sợi dây chỉ đơn giản là truyền gia tốc từ tên lửa lên vật đó, và do vậy chỉ có "lực" diễn giải như thế. 7. ^ Đặc biệt hơn, theo các tính toán của Einstein, đã được miêu tả trong chương 11b của Pais 1982, sử dụng nguyên lý tương đương, sự tương đương của hấp dẫn với lực quán tính, và các kết quả của thuyết tương đối đặc biệt về sự lan truyền của ánh sáng và cho người quan sát được gia tốc (sau đó được xem xét lại, rằng tại mỗi thời điểm, có một hệ quy chiếu quán tính tức thời kết hợp với một quan sát viên được gia tốc). 8. ^ Hiệu ứng này có thể được dẫn ra một cách trực tiếp từ thuyết tương đối đặc biệt, hoặc bằng cách nhìn vào tình huống tương đương của 2 quan sát viên trong con tàu vũ trụ hay bởi nhìn vào một thang máy đang rơi; trong cả hai tình huống, dịch chuyển tần số có một sự miêu tả tương đương với dịch chuyển Doppler trong một hệ quy chiếu quán tính. Đối với sự diễn giải đơn giản này, xem Harrison 2002. 9. ^ Xem chương 12 của Mermin 2005. 10. ^ Ehlers & Rindler 1997; đối với cách trình bày phi kĩ thuật, xem Pössel 2007. 11. ^ Những hiệu ứng này và các hiệu ứng thủy triều khác được miêu tả trong Wheeler 1990, tr. 83–91. 12. ^ Cách giải thích thủy triều và các tính chất hình học của nó được diễn giải trong chương 5 của Wheeler 1990. Phần lịch sử phát triển là theo Pais 1982, phần 12b. 13. ^ Đối với những biểu diễn cơ bản của khái niệm không thời gian, xem phần một của chương 2 trong Thorne 1994, và Greene 2004, tr 47–61. Chi tiết hơn xem Mermin 2005 và trong Wheeler 1990, các chương 8 và 9. 14. ^ Xem Wheeler & 1990 các chương 8 và 9 để có những minh họa cụ thể về không thời gian cong. 15. ^ Những nỗ lực của Einstein để tìm ra chính xác các phương trình trường được viết trong các chương 13-15 của Pais 1982. 16. ^ Ví dụ, trang xi trong Wheeler 1990. 17. ^ Kĩ lưỡng hơn, về căn bản hình học vi phân và các ứng dụng trong thuyết tương đối tổng quát có thể tìm thấy trong Geroch 1978. 18. ^ Xem chương 10 trong Wheeler 1990. 19. ^ Thực tế, khi bắt đầu từ một lý thuyết hoàn chỉnh, phương trình trường Einstein có thể dùng để dẫn ra những quy luật chuyển động phức tạp cho vật chất như là một hệ quả của hình học, nhưng dẫn ra từ chuyển động của các hạt thử lý tưởng là một nhiệm vụ khó, không tầm thường; trong Poisson 2004. 20. ^ Một diễn giải đơn giản về sự tương đương năng lượng-khối lượng có thể tìm thấy trong phần 3.8 và 3.9 của Giulini 2005. 21. ^ Xem chương 6 trong Wheeler 1990. 22. ^ Để xem định nghĩa chi tiết về metric, và thêm các thông tin khác về chúng, xem chương 14.4 trong Penrose 2004. 23. ^ Ý nghĩa hình học của phương trình trường Einstein được khám phá trong hai chương 7 và 8 của Wheeler 1990; mục 2.6 trong Thorne 1994. Một giới thiệu toán học đơn giản ở trong chưong 19 của Schutz 2003. 24. ^ Những nghiệm (lời giải) quan trọng nhất được liệt kê trong các sách về thuyết tương đối tổng quát; đối với tóm tắt mang tính kĩ thuật cho những hiểu biết hiện tại của chúng ta, xem Friedrich 2005. 25. ^ Một cách chính xác hơn, đó là những đo đạc nhờ VLBI về vị trí của các hành tinh; xem chương 5 trong Will 1993 và phần 3.5 của Will 2006. 26. ^ Đối với lịch sử các đo đạc này, xem Hartl 2005, Kennefick 2005, và Kennefick 2007; Soldner là người đã dẫn ra độ lệch tia sáng dựa vào mô hình hấp dẫn của Newton trong Soldner 1804. Đối với các phép đo chính xác nhất về hiệu ứng này, xem Bertotti 2005. 27. ^ Xem Kennefick 2005 và chương 3 trong Will 1993. Đối với các đo đạc về Sirius B xem Trimble & Barstow 2007. 28. ^ >Pais 1982, về sao Thủy trên trang 253–254, sự nổi tiếng của Einstein sau công bố của đoàn thám hiểm người Anh năm 1919 trong phần 16b và 16c. 29. ^ Everitt, C.W.F.; Parkinson, B.W. (2009). “Gravity Probe B Science Results—NASA Final Report” (PDF). Truy cập 2 tháng 5 năm 2009. 30. ^ Kramer 2004. 31. ^ Một bài viết có thể truy cập được về các hiệu ứng tương đối tính trong hệ định vị toàn cầu trong Ashby 2002; chi tiết trong Ashby 2003. 32. ^ Một bài viết giới thiệu đến kiểm nghiệm thuyết tương đối tổng quát trong Will 1993; kĩ thuật hơn trong Will 2006. 33. ^ Miêu tả hình học của hiệu ứng này được trình bày trong chương 28 của Schutz 2003. 34. ^ Đại cương về thấu kính hấp dẫn và những ứng dụng của nó có thể xem tại trang web Newbury 1997 và Lochner 2007. 35. ^ >Schutz 2003, tr. 317–321; Bartusiak 2000, tr. 70–86. 36. ^ Những nghiên cứu sâu về sóng hấp dẫn được miêu tả cụ thể rõ ràng trong Bartusiak 2000 và trong Blair & McNamara 1997. 37. ^ Một tóm tắt về lịch sử của lỗ đen vật lý từ khi bắt đầu của đầu thế kỷ 20 đến thời điểm hiện tại, xem trong Thorne 1994. Đối với sự cập nhật về vai trò của lỗ đen trong sự hình thành thiên hà, xem Springel et al. 2005; một tóm tắt ngắn có thể tìm thấy tại bài viết Gnedin 2005. 38. ^ Xem chưong 8 của Sparke & Gallagher 2007 và Disney 1998. Một diễn giải liên quan một chút đến toán học có thể xem tại Robson 1996. 39. ^ Một giới thiệu sơ lược cơ bản về định lý hố đen không có tóc trong Chrusciel 2006 và trong Thorne 1994, tr. 272–286. 40. ^ Những thông tin chi tiết có thể tìm thấy trong Ned Wright's Cosmology Tutorial và FAQ, Wright 2007; một giới thiệu đáng đọc là Hogan 1999. Sử dụng các kiến thức toán học phổ thông và tránh các công cụ toán học cao cấp trong thuyết tương đối tổng quát, Berry 1989 cung cấp một cách trình bày toàn diện. 41. ^ Bài báo gốc của Einstein là Einstein 1917; một miêu tả tốt về những phát triển hiện đại có thể tìm thấy trong Cowen 2001 và Caldwell 2004. 42. ^ Xem Maddox 1998, tr. 52–59 và 98–122; Penrose 2004, phần 34.1 và chương 30. 43. ^ Với sự tập trung vào lý thuyết dây, công cuộc tìm kiếm hấp dẫn lượng tử được miêu tả trong Greene 1999; đối với quan điểm về hấp dẫn lượng tử vòng, xem trong Smolin 2001. 44. ^ Đối với vật chất tối, xem Milgrom 2002; đối với năng lượng tối, Caldwell 2004 45. ^ Xem Nieto 2006. 46. ^ Xem Friedrich 2005. 47. ^ Một tóm tắt về nhiều vấn đề khác nhau và những kĩ thuật được phát triển để thực hiện chúng, xem Lehner 2002. 48. ^ Xem Bartusiak 2000 để có thông tin đến năm này; cập nhật các tin tức mới có thể tìm thấy tại các website của các máy dò chính cộng tác với nhau như GEO 600 và LIGO. 49. ^ Một điểm bắt đầu cho cái nhìn khái quát về các nghiên cứu hiện nay trong thuyết tương đối là bái báo tổng quát tại trang web Living Reviews in Relativity. [sửa] Tham khảo * Ashby, Neil (2002), “Relativity and the Global Positioning System”, Physics Today 55(5): 41–47, doi:10.1063/1.1485583, www.ipgp.jussieu.fr/~tarantola/Files/Professional/GPS/Neil_Ashby_Relativity_GPS.pdf * Ashby, Neil (2003), “Relativity in the Global Positioning System”, Living Reviews in Relativity 6, relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2003-1/index.html. Truy cập 6 tháng 7 năm 2007 * Bartusiak, Marcia (2000), Einstein's Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time, Berkley, ISBN 978-0-425-18620-6 * Berry, Michael V. (1989), Principles of Cosmology and Gravitation (2nd ed.), Institute of Physics Publishing, ISBN 0852740379 * Bertotti, Bruno (2005), “The Cassini Experiment: Investigating the Nature of Gravity”, trong Renn, Jürgen, One hundred authors for Einstein, Wiley-VCH, tr. 402–405, ISBN 3-527-40574-7 * Blair, David; McNamara, Geoff (1997), Ripples on a Cosmic Sea. The Search for Gravitational Waves, Perseus, ISBN 0-7382-0137-5 * Caldwell, Robert R. (2004), “Dark Energy”, Physics World 17(5): 37–42, doi:10.1038/nature02139, physicsweb.org/articles/world/17/5/7 * Chrusciel, Piotr (2006), “How many different kinds of black hole are there?”, Einstein Online, www.einstein-online.info/en/spotlights/bh_uniqueness/index.html. Truy cập 15 tháng 7 năm 2007 * Cowen, Ron (2001), “A Dark Force in the Universe”, Science News 159(14): 218, doi:10.2307/3981642, www.jstor.org/pss/3981642. Truy cập 18 tháng 3 năm 2009 * Disney, Michael (1998), “A New Look at Quasars”, Scientific American 6: 52–57 * Ehlers, Jürgen; Rindler, Wolfgang (1997), “Local and Global Light Bending in Einstein's and other Gravitational Theories”, General Relativity and Gravitation 29: 519–529, doi:10.1023/A:1018843001842 * Einstein, Albert (1917), “Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie”, Sitzungsberichte der Preußischen Akademie der Wissenschaften: 142 * Einstein, Albert (1961), Relativity. The special and general theory, Crown Publishers, www.gutenberg.org/etext/5001 * Friedrich, Helmut (2005), “Is general relativity `essentially understood'?”, Annalen Phys. 15: 84–108, doi:10.1002/andp.200510173, www.arxiv.org/abs/gr-qc/0508016 * Geroch, Robert (1978), General relativity from A to B, University of Chicago Press, ISBN 0-226-28864-1 * Giulini, Domenico (2005), Special relativity. A first encounter, Oxford University Press, ISBN 0-19-856746-4 * Gnedin, Nickolay Y. (2005), “Digitizing the Universe”, Nature 435: 572–573, doi:10.1038/435572a * Greene, Brian (1999), The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, Vintage, ISBN 0-375-70811-1 * Greene, Brian (2004), The Fabric of the Cosmos. Space, Time, and the Texture of Reality, A. A. Knopf, ISBN 0-375-41288-3 * Harrison, David M. (2002), A Non-mathematical Proof of Gravitational Time Dilation, www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/GenRel/TimeDilation.pdf. Truy cập 6 tháng 5 năm 2007 * Hartl, Gerhard (2005), “The Confirmation of the General Theory of Relativity by the British Eclipse Expedition of 1919”, trong Renn, Jürgen, One hundred authors for Einstein, Wiley-VCH, tr. 182–187, ISBN 3-527-40574-7 * Hogan, Craig J. (1999), The Little Book of the Big Bang. A Cosmic Primer, Springer, ISBN 0-387-98385-6 * Janssen, Michel (2005), “Of pots and holes: Einstein's bumpy road to general relativity”, Ann. Phys. (Leipzig) 14: 58–85, doi:10.1002/andp.200410130, www.tc.umn.edu/~janss011/pdf%20files/potsandholes.pdf * Kennefick, Daniel (2005), “Astronomers Test General Relativity: Light-bending and the Solar Redshift”, trong Renn, Jürgen, One hundred authors for Einstein, Wiley-VCH, tr. 178–181, ISBN 3-527-40574-7 * Kennefick, Daniel (2007), “Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition”, Proceedings of the 7th Conference on the History of General Relativity, Tenerife, 2005, arΧiv:0709.0685 * Kramer, Michael (2004), “Millisecond Pulsars as Tools of Fundamental Physics”, trong Karshenboim, S. G., Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants (Lecture Notes in Physics Vol. 648), Springer, tr. 33–54 (E-Print at astro-ph/0405178) * Lehner, Luis (2002), Numerical Relativity: Status and Prospects, arxiv.org/abs/gr-qc/0202055 * Lochner, Jim, ed. (2007), “Gravitational Lensing”, Imagine the Universe website (NASA GSFC), imagine.gsfc.nasa.gov/docs/features/news/grav_lens.html. Truy cập 12 tháng 6 năm 2007 * Maddox, John (1998), What Remains To Be Discovered, Macmillan, ISBN 0-684-82292-X * Mermin, N. David (2005), It's About Time. Understanding Einstein's Relativity, Princeton University Press, ISBN 0-691-12201-6 * Milgrom, Mordehai (2002), “Does dark matter really exist?”, Scientific American 287(2): 30–37, www.sciamdigital.com/index.cfm?fa=Products.ViewIssuePreview&ARTICLEID_CHAR=724C1E4B-FFD5-46F4-963E-7610EC8B7EC&sc=I100322 * Norton, John D. (1985), “What was Einstein's principle of equivalence?”, Studies in History and Philosophy of Science 16: 203–246, doi:10.1016/0039-3681(85)90002-0, www.pitt.edu/~jdnorton/papers/ProfE_re-set.pdf. Truy cập 11 tháng 6 năm 2007 * Newbury, Pete (1997), Gravitational lensing webpages, www.iam.ubc.ca/old_pages/newbury/lenses/research.html. Truy cập 12 tháng 6 năm 2007 * Nieto, Michael Martin (2006), “The quest to understand the Pioneer anomaly”, EurophysicsNews 37(6): 30–34, www.europhysicsnews.com/full/42/article4.pdf * Pais, Abraham (1982), 'Subtle is the Lord ...' The Science and life of Albert Einstein, Oxford University Press, ISBN 0-19-853907-X * Penrose, Roger (2004), The Road to Reality, A. A. Knopf, ISBN 0679454438 * Pössel, M. (2007), “The equivalence principle and the deflection of light”, Einstein Online, www.einstein-online.info/en/spotlights/equivalence_deflection/index.html. Truy cập 6 tháng 5 năm 2007 * Poisson, Eric (2004), “The Motion of Point Particles in Curved Spacetime”, Living Rev. Relativity 7, www.livingreviews.org/lrr-2004-6. Truy cập 13 tháng 6 năm 2007 * Renn, Jürgen, ed. (2005), Albert Einstein – Chief Engineer of the Universe: Einstein's Life and Work in Context, Berlin: Wiley-VCH, ISBN 3-527-40571-2 * Robson, Ian (1996), Active galactic nuclei, John Wiley, ISBN 0471958530 * Schutz, Bernard F. (2003), Gravity from the ground up, Cambridge University Press, ISBN 0-521-45506-5 * Smolin, Lee (2001), Three roads to quantum gravity, Basic, ISBN 0-465-07835-4 * von Soldner, Johann Georg (1804), “Ueber die Ablenkung eines Lichtstrals von seiner geradlinigen Bewegung, durch die Attraktion eines Weltkörpers, an welchem er nahe vorbei geht”, Berliner Astronomisches Jahrbuch: 161–172 . * Sparke, Linda S.; Gallagher, John S. (2007), Galaxies in the universe – An introduction, Cambridge University Press, ISBN 0521855934 * Springel, Volker; White, Simon D. M.; Jenkins, Adrian; Frenk, Carlos S. (2005), “Simulations of the formation, evolution and clustering of galaxies and quasars”, Nature 435: 629–636, doi:10.1038/nature03597 * Stachel, John (1989), “The Rigidly Rotating Disk as the 'Missing Link in the History of General Relativity'”, trong Howard, D.; Stachel, J., Einstein and the History of General Relativity (Einstein Studies, Vol. 1), Birkhäuser, tr. 48–62, ISBN 0-817-63392-8 * Thorne, Kip (1994), Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy, W W Norton & Company, ISBN 0-393-31276-3 * Trimble, Virginia; Barstow, Martin (2007), “Gravitational redshift and White Dwarf stars”, Einstein Online, www.einstein-online.info/en/spotlights/redshift_white_dwarfs/index.html. Truy cập 13 tháng 6 năm 2007 * Wheeler, John A. (1990), A Journey Into Gravity and Spacetime, Scientific American Library, San Francisco: W. H. Freeman, ISBN 0-7167-6034-7 * Will, Clifford M. (2006), “The Confrontation between General Relativity and Experiment”, Living Rev. Relativity 9, www.livingreviews.org/lrr-2006-3. Truy cập 12 tháng 6 năm 2007 * Will, Clifford M. (1993), Was Einstein Right?, Oxford University Press, ISBN 0-19-286170-0 * Wright, Ned (2007), Cosmology tutorial and FAQ, University of California at Los Angeles, www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm. Truy cập 12 tháng 6 năm 2007
|
|
|
Post by NhiHa on Jul 16, 2010 3:10:52 GMT 9
Một quy luật phổ quát trong vật lý ? Phạm Xuân Yêm Bài này mong giới thiệu một công trình lý thuyết cơ bản về vật lý của giáo sư Đàm Thanh Sơn ở Đại học Washington (Seatle, Mĩ) mà tạp chí Physics Today tháng 5 năm 2010 đề cập và ca ngợi trong ba bài liên tiếp, điều khá hiếm. Những tiên đoán và kết quả tính toán của ông cùng cộng tác viên, gọi tắt là nhóm ĐTS[1] vừa được hai thực nghiệm kiểm chứng thành công. Điều đáng chú ý là hai thực nghiệm nói trên nằm ở hai thái cực, một bên với nhiệt độ cực kỳ lớn (hàng tỷ lần tỷ độ tuyệt đối K) ở Trung tâm máy gia tốc ion nặng tương đối tính (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC), và một bên với nhiệt độ cực kỳ nhỏ (một vài phần triệu độ K) ở Đại học Duke. Tuy đối cực đến như vậy mà hai thực nghiệm đều quan sát được một dòng chảy gần hoàn hảo và đo lường được độ nhớt h của nó: ở RHIC khi cho hạt nhân của nguyên tử vàng va chạm nhau cực mạnh, và ở Đại học Duke khi để các nguyên tử của Lithium đông lạnh cùng cực. Điều này minh họa công trình phong phú của nhóm KSS mang tính chất phổ cập, đáp ứng với nhiều hệ thống vật lý rất khác biệt. Nó đòi hỏi các tác giả phải có một kiến thức vừa sâu sắc vừa tổng thể, bao trùm đa ngành vật lý và thấu triệt nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau để đặt đúng vấn đề, giải thích nó thoả đáng cùng tiên đoán những hiện tượng mới mẻ, quan sát đo lường được bởi thực nghiệm. Công trình của nhóm ĐTS mở đường cho một loạt nghiên cứu về những địa hạt tưởng chừng không chút liên hệ với nhau (Thuỷ động lực học, Vũ trụ và Thiên văn vật lý, Siêu dây và Hạt, Siêu dẫn và vật lý chất đặc, Chất hạt nhân) nhưng mang một đặc tính chung phổ quát và cơ bản. Trong cuốn “Kỷ Yếu Max Planck “[2], công trình trên đã được nhà vật lý Nguyễn Trọng Hiền ở Đại học Caltech nhắc đến trong bài “Sự đo đạc hằng số Planck”, thực thế nhóm ĐTS chứng minh là độ nhớt h tỷ lệ thuận với h, hằng số cơ bản Planck. Hằng số h của vật lý lượng tử, như ta biết đóng vai trò khai phóng, vừa làm nền móng cơ bản cho khoa học vừa thú vị, thiết thực trong kỹ thuật và đời sống hàng ngày. Theo J. A. Wheeler ước tính, một phần ba tổng sản lượng kinh tế của cường quốc số một hiện nay có gốc nguồn từ những ứng dụng trực tiếp của công nghệ lượng tử, điều này cho thấy biết bao ứng dụng thực tiễn trong đời sống con người đã hầu như khởi đầu từ những công trình nghiên cứu thuần cơ bản. Cũng trong cuốn Kỷ Yếu này, nhiều lý thuyết cao siêu mà nhóm ĐTS hòa hợp để tìm kiếm sợi dây liên đới giữa chúng - như thuyết Siêu dây, Nguyên lý Toàn ảnh , Lỗ đen lượng tử phóng xạ ra ngoài chân trời tối kín - đều được phác họa trong bài “Tồn tại chăng một Lý thuyết của Tất cả ? “ của giáo sư Cao Chi thuộc Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam. Có lẽ đây là lần đầu tiên mà sự kết hợp hòa nhịp giữa hai thuyết Siêu dây và Lỗ đen lượng tử trong một không-thời gian đa chiều khá xa vời với đời sống bình thường đã diễn tả được một thực tại trên trái đất: với tài tổng hợp mầu nhiệm các lý thuyết trừu tượng này, nhóm ĐTS đã giải thích sự hiện hữu của một lớp các chất lỏng lượng tử cùng tính toán được độ nhớt của chúng, điều mà cả hai thực nghiệm nói trên vừa kiểm định. Mấy dặm sơn khê 1- Độ nhớt của một chất lỏng là đại lượng vật lý để chỉ định tích chất đặc thù của dòng chảy, nôm na độ nhớt (hay độ ma sát) diễn tả xu hướng chống lại lưu lượng nhẹ nhàng đều đặn của chất lỏng. Độ nhớt càng nhỏ thì dòng chảy càng hoàn hảo, tuy vậy nước và ngay cả chất siêu lỏng (như Helium siêu chảy có thể tự nhiên chảy ngược dòng để thoát khỏi ống chứa nó bởi lực mao dẫn) cũng chưa phải là chất lỏng hoàn hảo. Xét về khía cạnh vi mô của những phần tử cấu thành nên chất lỏng thì độ nhớt tỷ lệ nghịch với cường độ của lực tương tác giữa những phần tử vi mô đó, lực càng lớn thì độ nhớt càng nhỏ. Trái lại độ nhớt lớn vô hạn trong những chất khí lý tưởng, vì các phần tử cấu thành khí loãng đó xa biệt nhau, chẳng tương tác với nhau do lực gắn kết chúng rất nhỏ. 2- Entropi S (hay mật độ entropi s), một đại lượng phổ biến trong nhiệt động học chỉ định mức độ hỗn loạn của một hệ vật lý, nó che dấu phần nào sự hiểu biết khiếm khuyết của chúng ta về hệ vật lý đó. Theo nguyên lý thứ hai của Nhiệt động học[3] entropi của một hệ cô lập luôn luôn tăng trưởng, mọi vật đều có xu hướng tiến về trạng thái hỗn loạn hơn lên. Entropi liên quan tới việc tính toán ra con số chỉ định có bao nhiêu cách thức sắp xếp khả dĩ những thành phần sơ cấp của một hệ vật lý mà không ảnh hưởng đến tính chất tổng thể vĩ mô (như năng lượng hay áp suất) của hệ đó. Người cha của vật lý thống kê Ludwig Boltzmann nhận xét rằng phép thống kê là gốc nguồn của nguyên lý thứ hai trong nhiệt động học và entropi của một hệ tỷ lệ thuận với logarithm của tổng số các cách thức sắp xếp mọi trạng thái sơ cấp vi mô khả dĩ của hệ đó[4]. 3- Theo sự hiểu biết hiện nay thì quark và electron là hai viên gạch sơ đẳng của vật chất. Qua sự trao đổi gluon giữa các quark, chúng gắn kết với nhau để cấu tạo nên các hạt nhân nguyên tử, còn electron trao đổi photon với quark sẽ dao động chung quanh quark để tạo nên các nguyên tử. Định luật điều hành tương tác mạnh của quark với gluon được gọi là Sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics hay QCD), ngôn từ vay mượn chữ Ðiện động lực học lượng tử (Quantum Electrodynamics hay QED). Thuyết QED diễn tả tương tác điện từ trong thế giới vi mô của các hạt cơ bản mang điện tích. Hai danh từ sắc và điện để chỉ định hai tính chất lượng tử riêng biệt, sắc tích (color charge) của quark và điện tích (electric charge) của electron. Sắc động lực học lượng tử có một đặc tính duy nhất và độc đáo mà các lực khác không có, đó là tính chất "Tự do Tiệm tiến" (Asymptotic Freedom)[5]. Trái ngược với lực điện từ bị giảm đi theo bình phương khoảng cách của hai điện tích (luật Coulomb), tính "tự do tiệm tiến" của QCD khiến cho lực mạnh gắn quark với nhau không giảm với khoảng cách giữa hai quark, càng tìm cách đẩy chúng ra xa nhau để tách rời chúng thì thế năng gắn kết chúng lại càng mạnh hơn lên để kéo giữ chúng. Nhờ đó có thể giải thích tại sao ở nhiệt độ (hay năng lượng) bình thường trong đời sống hằng ngày thì quark bị “cầm tù” [6] trong hạt nhân nguyên tử, chúng không sao thoát ra ngoài để lộ mặt, khác với electron nhan nhản khắp nơi. 4- Trong những năm gần đây, các nhà vật lý tại RHIC đã tạo ra được vật chất ở nhiệt độ cao chưa từng có trên Trái đất. Mục tiêu của thí nghiệm này là tái tạo trạng thái vật chất từng tồn tại trong mấy phần triệu giây đầu tiên sau vụ nổ lớn (Big Bang), từ đó khi nguội dần đã hình thành vũ trụ chúng ta đang sống. Hiểu được pha ban đầu này của vật chất để tiến xa hơn nữa, hoặc kiểm nhận hoặc bác bỏ những lý thuyết nhằm giải đáp nguồn gốc của vũ trụ, từ đâu và như thế nào cái vô cùng bé (diễn tả bởi thuyết Trường Lượng tử) sinh nở ra cái vô cùng lớn (diễn tả bởi thuyết Tương đối rộng). Trong thời gian ngắn ngủi đầu tiên cực nóng ấy, các quark và gluon - theo QCD với đặc tính Tự do Tiệm tiến - vì không gắn kết chặt chẽ với nhau nên ở trạng thái nhầy nhẽo gọi là quark-gluon plasma (QGP). Chúng chưa hợp lại để trở thành proton, neutron, rồi nguyên tử, phân tử và muôn vật chung quanh ta khi vũ trụ nguội dần. Do tính Tự do Tiệm tiến, lực QCD gắn kết các thành phần cơ bản của vật chất phải rất nhỏ ở thời điểm ban đầu cực nóng nên QGP thông thường ra phải giống chất khí (xem đoạn 1), nhưng thực nghiệm tại RHIC không thấy như vậy mà lại thấy chất lỏng, một ngạc nhiên lớn ! Hoàn toàn khác với RHIC, thực nghiệm ở Đại học Duke thuộc vào lãnh vực thủy động học, và vật lý siêu dẫn với dòng chảy của đông tụ Bose-Einstein (hay của cặp Cooper liên kết hai electron có spin đối nghịch). Nhóm ĐTS giải thích tại sao trong những trường hợp rất khác biệt như vậy mà trạng thái của vật chất là chất lỏng và hơn nữa còn tính toán được độ nhớt phổ quát h của nó, h chỉ phụ thuộc duy nhất vào hai hằng số cơ bản (h của Planck và kB của Boltzmann). Để đạt tới kết quả kỳ diệu này, các tác giả sử dụng và hòa nhịp mấy lý thuyết sau đây: A- Lý thuyết Siêu dây cho rằng các hạt cơ bản của vật chất không phải là những điểm, mà là những dao động khác nhau của một vật thể gọi là dây (1 chiều không gian). Theo trải nghiệm bình thường thì không - thời gian chỉ có bốn chiều (3 cho không gian và 1 cho thời gian). Vậy mà theo lý thuyết siêu dây thì không - thời gian có tới những 10 chiều (hay 11 chiều của thuyết siêu dây mở rộng gọi là thuyết M như Màng). Sáu (hay bảy) chiều dư đã cuộn lại giấu mình thành một đa tạp có cấu trúc nhất định với kích thước lc cực nhỏ, chỉ vào khoảng một phần triệu tỉ tỉ tỉ (10- 33) cm mà ta gọi là chiều dài Planck. Lý thuyết Siêu dây hay Màng này được đề xuất để mở đường dung hòa hai trụ cột của vật lý đương đại, Lượng tử và Tương đối rộng (thuyết này mô tả trọng lực). Thực thế, ở thời điểm vô cùng bé 10- 41 giây (gọi là thời gian Planck) sau Big bang, khi vũ trụ còn nhỏ nhoi với đường kính khoảng chiều dài Planck thì xảy ra cuộc xung đột mạnh mẽ giữa hai lý thuyết trụ cột nói trên vì lượng tử là cả một vũ đài náo nhiệt, sôi sục thăng giáng liên hồi còn mọi sự lại trơn tru theo thuyết tương đối rộng. Sự dung hòa hai trụ cột nói trên sao cho chúng tương thích với nhau mang tên là thuyết hấp dẫn lượng tử (quantum gravity), đó là cả một quá trình nghiên cứu gian lao chưa đến hồi chung kết và thuyết Siêu dây được coi là ứng cử viên sáng láng nhất trong quá trình dung hòa này. B- Nguyên lý Toàn ảnh. Trong quang học như ta biết có một phương pháp gọi là toàn ảnh để ghi một vật thể 3 chiều bằng một ảnh 2 chiều. Như vậy mọi thông tin mô tả vật thể ba chiều (3d) có thể mã hóa trong mặt biên hai chiều (2d). Đem nguyên lý toàn ảnh áp dụng vào thuyết siêu dây, Gerard ’t Hooft cho rằng ta có thể thay thế cách mô tả thuyết hấp dẫn lượng tử (ngự trị trong một vùng không-thời gian d+1 chiều) bằng một lý thuyết phi hấp dẫn (như QCD của quark chẳng hạn) ở mặt biên d chiều. Ta gọi nó là phép đối ngẫu toàn ảnh (holographic dual), hơn nữa đó lại là một đối ngẫu “mạnh « yếu”, nghĩa là một thuyết có hằng số tương tác liên kết mạnh thì thuyết đối ngẫu của nó lại có hằng số tương tác liên kết yếu ở chiều nhỏ hơn, và ngược lại. Câu chuyện xảy ra như sau: C- Lỗ đen lượng tử. Năm 1916 khi giải lần đầu tiên phương trình Einstein của thuyết tương đối rộng, Karl Schwarzschild tìm ra một kết quả đáng kinh ngạc: nếu một vật thể hình cầu bán kính R có khối lượng rất lớn M = c2R/ 2G (với c là vận tốc ánh sáng và G là hằng số trọng lực Newton) thì sẽ xuất hiện một vùng không gian (với mặt biên kỳ dị mà ngày nay ta gọi là chân trời sự kiện của lỗ đen) trong đó vật chất, ánh sáng, tín hiệu thông tin chẳng cái gì thoát ra khỏi[7]. Ây thế mà năm 1974 Stephen Hawking, dùng cơ học lượng tử, đã khám phá ra là lỗ đen không tối đen kín mít nữa mà thực ra cũng bức xạ, nó phát ánh sáng ra ngoài như một lò nóng (vật đen), như vậy lỗ đen có nhiệt độ và có entropi mà Jacob Bekenstein trước đấy đã đề xuất. Điều mấu chốt là lỗ đen bức xạ có entropi tỷ lệ thuận với diện tích (2 chiều) của mặt biên, chứ không phải với thể tích (3 chiều) của vùng không gian mà mặt biên bao bọc, quả là một thí dụ cụ thể của nguyên lý toàn ảnh. Như vậy, định luật hấp dẫn của lỗ đen cũng có thể mô tả được bằng nhiệt động học (phi hấp dẫn) trong một bối cảnh cực hạn của trọng lực. Lỗ đen là vật thể vĩ mô xem ra cũng phổ cập, nghĩa là nó có khối lượng M, điện tích Q và xung lượng góc J, ba thông số này xác định tính chất vật lý của nó, vậy nào có khác gì một hạt cơ bản vi mô. Như vậy luật hấp dẫn và phi hấp dẫn, qua phép đối ngẫu toàn ảnh trong các môi trường từ cực nóng đến cực lạnh, có thể vận hành bởi định luật cơ bản của lỗ đen. Kỹ thuật tính toán sử dụng phép nhiễu loạn (trường hợp hằng số tương tác nhỏ) của thuyết Siêu dây nay được áp dụng để khảo sát những hệ có hằng số tương tác lớn của vật lý phi hấp dẫn. Một thuyết hấp dẫn lượng tử có thể, bằng một cách khác, được mô tả bởi một lý thuyết phi hấp dẫn trong một không gian ít chiều hơn. Trong thuyết dây, thông số để tính toán theo phép nhiễu loạn là ls/lc << 1 (ls tỷ lệ nghịch với lực căng T của dây và nhỏ hơn độ cong lc của chiều dư không gian ẩn cuộn). Cái đáng chú ý của đối ngẫu toàn ảnh là hằng số tương tác l của phi hấp dẫn lại lớn, l ~ (lc/ls)4 >> 1 tương thích với hai thực nghiệm ở RHIC và ở Đại học Duke. Tóm lược - Nhóm ĐTS đã sử dụng lý thuyết Siêu dây (qua lỗ đen bức xạ) để lý giải một vấn đề của vật lý thực nghiệm với năng lượng cao cũng như thấp và tìm ra công thức phổ quát cho độ nhớt của dòng chảy lỏng ở trái đất ngày nay cũng như ở giây phút ban đầu của vũ trụ nguyên thủy. Máy gia tốc RHIC (NewYork, Mĩ) (a) Tổng quan nhìn từ trên cao, (b) trong hầm sâu của máy, ống dẫn hai chùm ion va chạm nhau, (c) và (d) hàng ngàn vết của các hạt bắn ra trong hai máy dò PHENIX và STAR. [1] P.Kovtun, D.T. Son, A. O. Starinets, Phys. Rev. Lett 94, 111601 (2005); D.T. Son and A. O. Starinets, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. vol. 57, 95 (2007). [2] Max Planck, Người khai sáng thuyết lượng tử, nxbTri thức Hanoi (2008). [3] Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là định luật bảo toàn năng lượng. [4] Hãy lấy một thí dụ để minh họa khái niệm entropi liên đới đến sự hỗn loạn. Trong một bàn cờ tướng gồm 10 x 10 = 100 ô vuông, mở đầu ta để n con bọ chét trên một ô nào đó và ta để cho chúng tự do nhảy. Sau một thời gian, chúng được phân phối trên tất cả các ô vuông, vậy trạng thái cuối cùng rõ ràng hỗn loạn hơn trạng thái ban đầu. Ta có thể định lượng sự tăng trưởng của mức độ hỗn loạn như sau. Ở trạng thái cuối cùng, mỗi bọ chét có thể ở bất kỳ một trong 100 ô, vậy con số các trạng thái có thể có đối với một con bọ chét là 100, nếu có 2 con bọ chét thì tổng cộng các trạng thái của chúng là 100 x 100 hay 1002 và với n bọ thì tổng số các cấu hình khả dĩ xảy ra cho chúng là 100n. So với trạng thái ban đầu với duy nhất một cấu hình (n con bọ chét chỉ ở trong một ô vuông chọn sẵn) thì ta thấy ngay sự tăng trưởng hỗn loạn ở trạng thái cuối cùng. Một cách tổng quát hơn, nếu diện tích (hay thể tích) của trạng thái cuối cùng tăng lên r lần so với trạng thái ban đầu thì tổng số W các cấu hình khả dĩ xảy ra cho n phần tử độc lập của một hệ vật lý sẽ tăng lên rn, và ta biết log (rn) = n log (r). Entropi S = kB log W với kB là hằng số Boltzmann. [5] Giải Nobel vật lý 2004 vinh tặng H. D. Politzer, D. J. Gross và F. Wilczek đã khám phá ra đặc tính Tự do tiệm tiến của QCD. Chi tiết chứng minh Tự do tiệm tiến của QCD có thể tìm trong chương 15 của Elementary Particles and their Interactions, Concepts and Phenomena của Hồ Kim Quang và Phạm Xuân Yêm, nxb Springer, Berlin, New York (1998). Cụ thể tự do tiệm tiến có nghĩa là hằng số tương tác mạnh gs của quark với gluon trong QCD phải giảm đi với năng lượng E của chúng, gs (E) ~ 1/ log (E). Khi năng lượng tăng "tiệm tiến" đến vô hạn, E → ∞ thì gs (E) → 0, tương tác gắn bó quark mất đi và quark được tự do. Đó là trường hợp ta có thể thấy quark ở những máy gia tốc cực kỳ mạnh, hay ở trên các thiên thể đang bùng phá. [6] Ngược lại ta suy đoán ra (nhưng chưa chứng minh nhất quán được) là khi E nhỏ thì gs (E) lớn (E → 0 thì gs (E) → ∞), tính chất này được gọi là nô lệ hồng ngoại (infrared slavery) nghĩa là tìm quark với ánh sáng hồng ngoại (năng lượng nhỏ) không nổi, quark bị cầm tù trong vật chất ở nhiệt độ bình thường. Viện toán học Clay (Clay Mathematics Institute) treo giải một triệu dollars cho ai chứng minh được tính nô lệ hồng ngoại của QCD. Cũng viện Clay năm 2004 đã vinh tặng hai giáo sư Gérard Laumon và Ngô Bảo Châu giải nghiên cứu hàng năm vì chứng minh được một trường hợp đặc biệt của bổ đề Langlands. [7] Coi phần 5c về Lỗ đen trong bài ‘’Lược giải về thuyết Tương đối, hình thành, hiện tình và triển vọng’’, Phạm Xuân Yêm, www.talawas.org/talaDB/suche.php?res=14173&rb=0306 hay vietsciences.free.fr/biographie/physicists/einstein/luocgiaithuyettuongdoi.htmTrái đất nếu trở thành lỗ đen thì mật độ khối lượng phải tăng lên một tỷ lần, hay bán kính co hẹp lại còn khoảng 6 mm , còn mặt trời thành lỗ đen thì phải có trọng lượng tăng gấp một triệu lần.
|
|
|
Post by NhiHa on Jul 16, 2010 3:16:12 GMT 9
Địa Trục, Thiên Hà Phạm Xuân Yêm A- Một thoáng sơ đồ Cả đến hai trăm năm trước thời Copernicus và Galilei, khoảng đầu thế kỷ 15, khi loài người hãy còn đắm chìm trong giả thuyết địa tâm, ở nước Đại Việt vào thời điểm ấy đất biển mênh mang được hiểu là nằm trên mặt phẳng hình tròn vòng quanh xích đạo của quả cầu vũ trụ với các thiên thể vận hành chung quanh. Ngạc nhiên thay không biết vì đâu mà thi nhân tráng sĩ Đặng Dung qua hai câu thơ phù địa trục và vãn thiên hà([1]) lại gợi lên cái trục của đất mà ông muốn ghé vai xốc vác, ý nói chí hướng cao vời như vũ trụ muốn xoay chuyển thời vận bi thảm của giang sơn đang bị quân Minh xâm lược. Không rõ trục ở đây có chức năng gì, nhưng nếu là trục quay của trái đất hình cầu([2]) thì Đặng Dung hẳn có một trực giác lạ thường. Chút giai thoại dừng lại ở đây và chúng ta trở về với thế kỷ 21. Có lẽ hiếm thấy một bộ môn khoa học tự nhiên nào trong vòng vài chục năm gần đây đã có những biến chuyển vũ bão và ngoạn mục như ngành thiên văn hiện đại([3]), nó đang trở thành tiền đồn, biên giới của tri thức khoa học cơ bản lẫn ứng dụng, nơi tập trung và kết hợp những công nghệ tân tiến nhất về hỏa tiễn, vệ tinh nhân tạo, kính thiên văn quang học và vô tuyến, thiết bị quang điện tử, vi điện tử, thông truyền tin, máy tính… Như chúng ta đều biết, mục tiêu của thiên văn từ thời Galilei trở đi là tìm hiểu các thiên thể trong vũ trụ và vật chất cấu tạo nên nó, trong đó lịch sử sự hình thành hoàn vũ và quá trình biến đổi của vạn vật là thí dụ tượng trưng nhất. Những hiện tượng trong vũ trụ thiết yếu chỉ có thể quan sát, phân tích, hiểu biết và diễn tả bởi những định luật vật lý. Thực thế, từ nguồn gốc của năng lượng làm chói sáng các vì sao (tổng hợp nhiệt hạch, tương tác yếu làm phân rã hạt nhân nguyên tử), trạng thái plasma của quark và gluon trong thời nguyên thủy của vũ trụ, sự hình thành, vận chuyển, biến hóa bùng nổ hay tàn lụi của các thiên thể: sao lùn (trắng và nâu), sao siêu mới (supernovae), thiên hà, quasars, sao neutron pulsar, lỗ đen, cho đến các hành tinh ngoài hệ mặt trời mới được khám phá gần đây thậm chí sự sống trên đó, sóng trọng trường tiên đoán bởi thuyết tương đối rộng…, tất cả đòi hỏi kiến thức đa ngành của vật lý và khoa học nói chung. Thiên văn thời xa xưa, giới hạn trong sự chuyển động tuần hoàn của hệ mặt trời với các hành tinh và sao chổi trong cơ học cổ điển Galilei và Newton, đã trở thành thiên văn - vật lý trong đó hạt cơ bản đóng vai trò chủ động. A1- Big Bang. Bước ngoặt lớn trong tiến trình hiểu biết về vũ trụ được mở đầu năm 1929 bởi một khám phá cực kỳ quan trọng của nhà thiên văn Edwin Hubble([4]), theo đó mọi thiên hà đều chạy xa nhau với vận tốc tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa chúng, càng ở xa nhau bao nhiêu thì chúng tách rời nhau càng nhanh hơn từng ấy. Sự tỷ lệ giữa khoảng cách và vận tốc của các thiên hà bảo cho ta rằng tất cả các thiên hà đều mất cùng một thời gian (khoảng cách chia cho vận tốc) để di chuyển từ chỗ ban đầu cho đến vị trí ngày nay. Như vậy hiện tượng kỳ lạ này hàm nghĩa là không gian thực sự bị phình ra như quả bóng được bơm khí vào và lôi kéo theo nó các thiên hà bất động và luôn dính chặt vào mặt ngoài của quả bóng không gian, sở dĩ dần dần chúng tách xa nhau chỉ vì không gian dãn nở. Đo lường được gia tốc dãn nở của vũ trụ ngày nay, như một cuốn phim chiếu giật lùi, ta suy ngược lại là vào khoảng 13.7 tỷ năm trước có một trạng thái sơ khai ở đó nhiệt độ và năng lượng cực kỳ lớn dồn ép trong một không gian cực kỳ nhỏ đã xảy ra vụ nổ lớn mang tên gọi Big Bang làm vũ trụ tăng kích thước. Nơi xảy ra vụ nổ chính là chỗ bạn đang ở cũng như ở bất cứ nơi đâu trong hoàn vũ bao la vì ở thời-điểm ấy mọi chỗ ngày nay tách biệt hàng tỷ năm ánh sáng thực ra đã cùng chụm lại ở cái không-điểm kỳ dị ấy, chẳng có một trung tâm vũ trụ ban đầu nào cả. Xin nhắc lại, hiện tượng vũ trụ động([5]) chứ không tĩnh - nghĩa là không-thời gian chẳng phải sẵn có từ trước mà trái lại nó xuất hiện, dãn nở hay co cụm tùy thuộc vào mật độ năng-xung lượng của vật chất - là hệ quả của thuyết tương đối rộng, một trong hai trụ cột của vật lý hiện đại cùng với thuyết lượng tử. Theo thuyết trường lượng tử, vì không gian dãn nở và lạnh dần, từ năng lượng vô hạn thuần khiết ban đầu của Big Bang đã sinh ra muôn ngàn các cặp hạt và phản hạt, các hạt cơ bản này là mầm mống để tạo nên vật chất và vũ trụ mà ta quan sát ngày nay với hàng trăm tỷ thiên hà, trong đó có giải sông Ngân và trái đất thân thương của chúng ta. Hơn nữa, thuyết này còn tiên đoán sự hiện hữu tất yếu của một hiện tượng mang tên "bức xạ nền vũ trụ"([6]), đó là ánh sáng tàn dư của cái thưở ban đầu cực nóng đang lan toả khắp nơi trong hoàn vũ ngày nay. Sự khám phá tình cờ ra nó năm 1965 bởi Arno Penzias và Robert Wilson là bằng chứng thực nghiệm rất thuyết phục về Big Bang. Khởi đầu với nhiệt độ cực kỳ lớn (1032 Kelvin) từ "pha lạm phát" - khi không gian ở thời điểm 10-32 giây sau Big Bang, vụt tăng trưởng với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng trong một khoảnh khắc cực kỳ ngắn khoảng một phần ngàn giây - rồi vào khoảng 380 ngàn năm sau đó, không gian nguội dần còn chừng 3.000° (nhiệt độ mặt trời) và cho phép hạt ánh sáng (photon) thoát ra khỏi đám bụi mù dày đặc electron và proton của vũ trụ nguyên thủy mà bay đến chỗ bạn đang ngồi, cũng như đến các thiên hà xa xăm nhất. Ngày nay, ánh sáng đó đã nhạt phai với nhiệt độ trung bình 2.725°, tương đương với sự tụ họp của chừng bốn trăm triệu hạt photon trong một mét khối. Kính thiên văn vi ba đặt trên hai vệ tinh COBE (Cosmic Background Explorer) và WMAP (Wilkingson Microwave Anisotropy Probe) đo lường trực tiếp bức xạ nền vũ trụ, nó có hệ quang phổ của một vật đen([7]), đối tượng nghiên cứu đã đưa Max Planck đến thuyết lượng tử. Hơn thế nữa, lần đầu tiên hai vệ tinh thiên văn trên còn phát hiện và đo lường được những thăng giáng nhiệt độ, những nhiễu loạn li ti này chỉ hơn kém (khoảng 10-5) nhiệt độ trung bình 2.725° của bức xạ nền vũ trụ. Nhiễu loạn đó chính là những thăng giáng vi phân của thế giới lượng tử với nguyên lý Heisenberg quen thuộc, chúng cực kỳ quan trọng vì liên đới mật thiết đến mầm mống và sự phân bố của vật chất, nghĩa là của hàng trăm tỷ thiên hà "nhỏ bé" trong hoàn vũ bao la ngày nay. Thực thế, ở đâu mật độ vật chất lớn (hay nhỏ) hơn trung bình một chút thì bức xạ nền phải lạnh (hay nóng) hơn một chút, vì ở đó ánh sáng bị mất nhiều (hay ít) năng lượng bởi nó phải tương tác với vật chất để thoát khỏi lực hấp dẫn. Một vũ trụ mịn màng tuyệt đối, không chút vẩn gợn tựa như một sa mạc mênh mông toàn cát đỏ chẳng hề có vài ốc đảo vui mát an lành và Louis Pasteur đã chẳng thốt lên "bất đối xứng chính là nguồn sống" sao? Phân tích những thăng giáng nhiệt độ ở các vùng mật độ khác nhau, các nhà thiên văn vật lý đã xác định được hình dạng chi tiết cong hay phẳng của vũ trụ cũng như những thành phần vật chất và năng lượng trong đó. Giải Nobel 2006 vinh tặng những người chủ chốt John C. Mather và George F. Smoot của nhóm COBE đã lần đầu đo lường được những thăng giáng vi phân nhiệt độ của bức xạ nền có hệ quang phổ của một vật đen lý tưởng, cái vũ trụ bao la của chúng ta ngày nay. A2- Tăng tốc. Chưa hết, ngạc nhiên hơn nữa là một khám phá quan trọng khởi đầu từ năm 1998 và đang trên đà phát triển mạnh, nó bất ngờ vì trái ngược với trực giác và định kiến, đó là thay vì giảm tốc do áp lực co hút, nén vào của trọng trường vật chất, vũ trụ lại tăng tốc và dãn nở mạnh hơn lên! Thực thế vụ nổ Big Bang kinh hoàng ban đầu với một lực đẩy ra cực kỳ mạnh đã tạo ra không - thời gian và làm nó dãn nở, nhưng sau đó vũ trụ nguội dần, đám mây các hạt cơ bản ban đầu đặc lại và hút lẫn nhau tạo nên những chùm thiên hà. Chúng tất nhiên phải gây ra một trọng trường để nén ép không gian co lại và vũ trụ vì thế có nhiều khả năng giảm dần tốc độ dãn nở. Để trả lời câu hỏi là không gian có giảm gia tốc dãn nở hay không, hai nhóm các nhà thiên văn, dẫn đầu bởi Saul Perlmutter ở Berkeley (Mỹ) và Brian Schmidt ở Mount Stromlo (Úc) tìm cách đo lường sự giảm tốc này bằng cách đo lường vận tốc tách rời nhau (qua sự xê dịch về phía đỏ của quang phổ) của các siêu tân tinh (supernovae) loại Ia ở nhiều khoảng cách khác nhau (qua độ sáng vô cùng rực rỡ của chúng). Sao siêu mới loại Ia là sao lùn trắng([8]) nằm cận kề và quay cặp đôi với một tinh tú khác đang trong thời kỳ chói sáng, trọng lực của sao lùn thu hút vào nó năng - khối lượng của tinh tú bạn đồng hành, và làm cho sao lùn nặng dần lên. Khi vượt quá khối lượng tới hạn Chandrasekhar, trọng trường của sao lùn ngày càng cao nên vỏ bị nén ép mạnh, nhiệt độ tăng nhanh đến 600 triệu độ trở thành sao siêu mới và phản ứng hạt nhân phát động làm nó bùng nổ tan tành với độ sáng rực như mười tỷ mặt trời([9]). Sau gần mười năm cật lực tìm tòi khoảng 50 sao siêu mới loại Ia để đo lường khoảng cách cùng vận tốc tách rời nhau của chúng, hai nhóm Mỹ và Úc đưa ra kết luận giống nhau và rất bất ngờ: vũ trụ tuy có giảm tốc tăng trưởng nhưng chỉ trong có 7 tỷ năm đầu thôi, sau đó nó lại tăng tốc dãn nở cho đến nay([10]). Biện minh và bổ sung thêm cho khám phá sửng sốt này đến từ những đo lường mới đây rất chính xác bởi vệ tinh WMAP về sự thăng giáng nhiệt độ của bức xạ nền, chúng cho ta một biên vũ trụ Euclid không lồi lõm mà phẳng và đang dãn nở ngày càng nhanh. Điều này đòi hỏi một lực đẩy vạn vật ra xa, chống lại lực hút vào của trọng trường vật chất, nghĩa là cần phải có một áp lực mới để sinh ra lực đẩy đó. Thành phần mới này mang tên năng lượng tối. Để có được sự tăng tốc dãn nở ở thời điểm 7 tỷ năm sau Big Bang, tính toán cho biết năng lượng tối phải chiếm đến khoảng 74% tổng năng - khối lượng của hoàn vũ. Trong 26% còn lại, chỉ chừng 4% là vật chất bình thường quen thuộc mà phản ứng nhiệt hạch của chúng làm chói sáng bầu trời ban đêm. Phần 22% sau rốt là một loại vật chất tối hoàn toàn khác lạ. Vật chất tối kỳ lạ này không bức xạ, nghĩa là không bị chi phối bởi ba tương tác cơ bản quen thuộc (điện từ, mạnh và yếu của hạt nhân nguyên tử), khối lượng của nó chỉ có vai trò duy nhất là tạo ra trọng lực hút vào để giữ cho các thiên hà góp thành chùm chứ không tung bay khắp phía. Nguồn gốc và bản chất bí ẩn của năng lượng tối (mang tính chất đẩy ra) và vật chất tối (mang tính chất hút vào), hai thành phần chế ngự hầu như toàn diện vũ trụ, là đề tài nóng bỏng của thiên văn và vật lý hạt cơ bản hiện đại. Kỳ lạ và bí ẩn thay, 96% năng - khối lượng của hoàn vũ ở ngoài tầm hiểu biết hiện nay của con người! A3 - Hằng số vũ trụ và Năng lượng tối. Thuyết tương đối rộng, hay định luật vạn vật hấp dẫn Einstein (thay thế cho trọng lực cổ điển Newton) có thể tóm tắt trong một câu: hình học bốn chiều phẳng lặng của không - thời gian mang đặc tính đàn hồi chứ chẳng cứng nhắc, nó bị biến dạng cong uốn co dãn bởi năng - khối lượng của vật chất. Chính sự phân phối năng - khối lượng đã gây ra tính chất đàn hồi của không - thời gian, nhờ đó mà vạn vật theo đường trắc địa rơi tìm nhau như một biểu hiện của trọng trường. Mời bạn đọc chiêm ngưỡng phương trình Einstein mà vế trái với tenxơ Ricci Rμν để mô tả hình học không - thời gian bốn chiều[11] trong đó vận hành vạn vật, còn vế phải là tenxơ năng - xung lượng Tμν của vật chất để tạo nên cái cấu trúc cong của không - thời gian: Rμν - (½)R gμν = (8πG/c4)Tμν (I) Thông điệp vật lý gói ghém trong phương trình trên có thể tóm tắt như sau: khối lượng áp đặt không - thời gian phải cong đi, còn không - thời gian chi phối bắt vật chất phải chuyển động ra sao. Sự vận hành của vạn vật (kể cả ánh sáng) bởi trọng trường không do một lực cơ bắp nào mà thực ra sự di chuyển đó lại "chây lười nhất" theo đường trắc địa của cấu trúc không-thời gian. Vật chất và năng lượng luôn biến chuyển của chúng tác động tới độ cong của không - thời gian, và cứ thế tiếp diễn liên hồi vũ điệu giữa cơ học và hình học. Mật độ năng - xung lượng càng lớn ở đâu thì không - thời gian càng cong uốn nhiều ở đấy. Khi mật độ khối lượng lớn đến một giới hạn nào đó thì không gian đàn hồi bị xé nát, tựa như phím cao su căng quá hóa đứt. Đó là gốc nguồn của lỗ đen, một không - thời gian tận thế, ở đó bất kỳ vật chất nào, kể cả ánh sáng và tín hiệu thông tin, khi đi gần bị hút chặt vào mà chẳng sao thoát khỏi “chân trời sự kiện”. Einstein là người trước tiên nhận ra cái toàn bộ chẳng sao tách biệt giữa vật chất - lực (cái nội dung) và không - thời gian (cái vỏ ngoài). Tất cả chỉ là một mà ông gọi là vũ trụ và khoa học nghiên cứu cái toàn bộ đó mang tên là vũ trụ học mà nguyên tắc - được ông xây dựng trong một công trình ra đời năm 1917 - vẫn tiếp tục làm nền tảng rọi sáng cho mãi đến ngày nay, mặc dù thay đổi nhiều về chi tiết và mô hình ban đầu. Trước hết, ông nhận thấy phương trình (I) của thuyết tương đối rộng không có nghiệm số nào tương ứng với một vũ trụ vĩnh cửu với thời gian mà định kiến ngàn xưa đều tin chắc như vậy, ngay cả với con người cấp tiến như Einstein! Ông đành thêm vào vế trái phương trình (I) một số hạng Λgμν (ông gọi Λ > 0 là hằng số vũ trụ vì nó chẳng có hệ quả cục bộ nào cho cấu trúc không gian ở bất kỳ các quy mô lớn hay nhỏ) để có được một nghiệm số diễn tả vũ trụ ấm êm tĩnh lặng, tuy cong về không gian nhưng lại phẳng (không thay đổi) với thời gian. Hằng số vũ trụ Λ biểu trưng cho sức đẩy ra hay "phản trọng lực", đối chọi với trọng lực là sức hút vạn vật vào nhau. Einstein dùng phản trọng lực (qua hằng số Λ) để triệt tiêu trọng lực và như vậy để cho vũ trụ tĩnh lặng không co không nở. Khi Hubble tuyên bố là vũ trụ dãn nở, hằng số Λ chẳng còn cần thiết nữa khiến Einstein coi đó là sai lầm lớn nhất trong đời mình. Sự hiện hữu của "phản trọng lực" tùy thuộc vào tenxơ năng - xung lượng Tμν trong vế phải của phương trình Einstein. Tuy thành phần khối lượng Too cho ta trọng lực (khối lượng - tương ứng với chỉ số 00 của Too - là gốc nguồn của trọng trường), nhưng thành phần xung lượng Tij (với i, j = 1,2,3) cho ta áp suất. Áp suất này là một đại lượng có thể mang dấu dương (lực hút vào) hay âm (lực đẩy ra). Nhưng cái gì là gốc nguồn của phản trọng lực để làm cho vũ trụ tăng tốc dãn nở? Nhiều nhà thiên văn vật lý ngày nay cho rằng có thể chính là hằng số Λ. Thực thế, khi ta chuyển Λgμν từ vế trái sang vế phải của phương trình Einstein, ta thấy tenxơ Tμν có thêm một số hạng mới δTμν = -(Λc4/8πG) gμν. Số hạng mới này mang đặc tính của một chân không (vì Λ vô hướng và gμν có gốc nguồn thuần hình học, chẳng do năng - xung lượng của vật chất tạo nên), hơn nữa dấu trừ của δTμν có tác động đẩy ra (thay vì hút vào bởi lực hấp dẫn với dấu cộng +8πG/c4Tμν của vật chất làm không gian co lại). Vậy δTμν coi như tác động phản hấp dẫn và năng lượng tối chỉ định tính chất này. Ai ngờ cái sai lầm hơn nửa thế kỷ trước, nay có thể trở nên một thành viên chủ yếu chiếm ngự đến 74 % năng lượng của hoàn vũ dưới cái tên mới là năng lượng tối để làm dãn nở vũ trụ, cái năng lượng tối đầy bí ẩn này chưa ai biết là gì, tuy nhiên nó chẳng phải do vật chất tạo thành mà lại mang đặc tính năng lượng của chân không. A4 - Chân không lượng tử và sự dãn nở vũ trụ. Chân không lượng tử (quantum vacuum) là trạng thái cơ bản tận cùng của vạn vật, nó vô hướng, trung hòa, mang năng lượng cực tiểu ở đó vật chất, tức là tất cả các trường lượng tử kể cả điện từ, đều vắng mặt. Nhưng không phải vì chẳng chứa trường vật chất nào mà năng lượng cực tiểu lại bằng 0. Theo nguyên lý bất định Heisenberg, năng lượng của bất cứ trạng thái vi mô nào là chuỗi (1/2)hν, (3/2)hν, (5/2)hν...chứ không phải là 0hν, 1hν, 2hν...Cũng dễ hiểu thôi, nguyên lý bất định bảo ta nếu xung lượng |k| được xác định rõ rệt bao nhiêu thì vị trí trong không gian |x| lại mơ hồ rối loạn bấy nhiêu, vậy năng lượng tối thiểu E = (1/2) hν ≠ 0 chính là một thỏa hiệp tối ưu bình đẳng cho cả hai bên |k| và |x|. Thực thế, nếu E = 0 thì |k| = 0, vậy |x| không sao xác định nổi. Phản ánh nguyên lý này, thế giới vi mô luôn luôn dao động ngay ở mức năng lượng cực tiểu và đó là ý nghĩa của sự thăng giáng lượng tử (quantum fluctuation). Thang mức vi mô nói chung là cả một vũ đài náo nhiệt và hỗn loạn, "từ chân không mà vạn vật sinh hủy, hủy sinh, ôi phí phạm thời gian!" như nhà vật lý kỳ tài Feynman từng hài hước. Chân không lượng tử chẳng bao giờ trống rỗng mà là một thực tại vô cùng phong phú và sôi sục ở mức độ sâu thẳm. Nó không rỗng tuếch chẳng có gì mà lại tràn đầy năng lượng biểu trưng bởi muôn vàn các cặp hạt và phản hạt ở trong trạng thái "ảo"([12]) dao động biến hóa liên hồi. Bởi năng lượng cực tiểu (1/2) hν ≠ 0 và vì tần số ν có thể là bất cứ con số nào từ 0 đến vô tận nên chân không lượng tử có năng lượng phân kỳ khi ta lấy tích phân tất cả các mốt dao động. Chính vì vô hướng, trung hòa lại có năng lượng vô hạn, nên chân không lượng tử mang ẩn dụ một hư vô mênh mang, từ đó do những kích thích nhiễu loạn của năng lượng mà vật chất (cùng phản vật chất) được tạo thành để rồi chúng tương tác, biến đổi, phân rã rồi trở về trạng thái ban đầu của chân không, cứ thế tiếp nối bao vòng sinh hủy! Chân không lượng tử là cội nguồn và chốn trở về cũng như ra đi của vạn vật.([13]) Mặc dù năng lượng của chân không lượng tử phân kỳ, nhưng nó vẫn có thể biểu hiện tác động qua hiệu ứng Casimir[14], một đặc trưng quan sát đo lường được. Tuy nhiên, chúng ta không quên là năng lượng vô hạn của chân không lượng tử (mệnh danh tai họa chân không) vượt xa quá nhiều mật độ năng lượng tối làm dãn nở vũ trụ mà các nhà thiên văn ước lượng bằng cách đo lường gia tốc rời xa nhau của các sao siêu mới. Điều này minh họa sự mâu thuẫn cơ bản giữa hai trụ cột của vật lý hiện đại là Lượng tử và Tương đối rộng mà hiện nay vẫn đợi chờ lời giải đáp nhất quán. Có lẽ “tai họa chân không” là câu hỏi hóc búa số một của vật lý và vũ trụ học. A5 - Tóm lược. Có nhiều phương tiện khác nhau qua đó chúng ta thăm dò tự nhiên, cấu trúc hình hài của hoàn vũ cũng như những gì chứa đựng bên trong và sự biến hóa vô vàn của chúng. Thiên văn hiện đại không còn là lĩnh vực độc quyền của những nhà quan sát từ các mái vòm trên đỉnh non cao. Ngành khoa học này đang khai thác không chỉ các thang quang phổ của sóng điện từ, từ những vi sóng đến tia X và tia gamma, mà còn soi rọi các hạt cơ bản như neutrino đang liên tục lan truyền đến trái đất chúng ta từ những ngôi sao và những thiên hà xa xăm. Đó là toàn bộ những thông tin thu nhận được bằng tất cả các phương tiện kỹ thuật tân kỳ của các kính thiên văn hiện đại trong không gian cũng như trên mặt đất, giúp chúng ta trong 30 năm qua khám phá ra một vũ trụ đầy những bất ngờ. Những phương tiện vật lý giúp các nhà khoa học thám sát vũ trụ này, cái vũ trụ được sinh thành từ sau vụ nổ lớn, các khám phá mới trong các lĩnh vực vật lý hạt cơ bản, cũng như trong việc nghiên cứu các tia vũ trụ cực kỳ mạnh, sóng trọng trường, tìm hiểu bản chất của năng lượng tối, vật chất tối, công cuộc khó khăn truy lùng hạt Higgs (hạt cơ bản vô hướng mà vật lý lý thuyết tiên đoán phải tồn tại để mang khối lượng cho vạn vật) cho đến nay vẫn chưa hề thấy dấu vết, tìm kiếm những chiều kích còn bị che khuất của không gian, phản vật chất biến đâu rồi (vì ở thời điểm Big Bang, hạt và phản hạt phải đồng đều không hơn kém), hoặc những phát hiện mới do máy gia tốc hạt LHC (Large Hadron Collider) tại CERN (Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu) ở Geneva, hay do việc phóng hai trạm thăm dò không gian Planck và Herschel mà ESA (Cơ quan Nghiên cứu Không gian châu Âu) vừa thực hiện thành công năm nay. Hơn bao giờ hết và càng ngày càng rõ nét là cách tiếp cận cách tân của hai thế giới liên thông mật thiết, vĩ mô của vũ trụ bao la diễn giải bởi thuyết tương đối rộng và vi mô của hạt cơ bản diễn giải bởi thuyết trường lượng tử. Như thế nào mà cái vô cùng nhỏ đã sinh ra cái vô cùng lớn, làm sao mà hoàn vũ bao la chứa đựng hàng trăm tỷ thiên hà lại loé bật ra từ một khoảng chân không cực nhỏ? Vệ tinh Planck và Herschel cùng với máy gia tốc LHC theo thứ tự là hai công cụ thực nghiệm hiện đại đồng khởi động năm nay (2009) trong công cuộc đo lường vô cùng chính xác để tìm hiểu, khám phá, giải thích những bí ẩn của hai thế giới vĩ mô và vi mô nói trên. Ngành khoa học liên kết và bổ sung lẫn nhau của hai thế giới đó mang tên thiên văn - vật lý hạt (astro - particle physics) mà có người ví von như con rắn cuốn tròn tự ngậm đuôi mình, thoảng nét càn khôn. Bức xạ nền đo bởi WAMP B- Cuộc cách mạng tháng 11 của vật lý hạt B1 - Hiện tình một thoáng. Khi thuật lại về một giai đoạn nào đó trong lịch sử phát triển của một ngành khoa học tự nhiên, người ta thường chỉ nói đến nó như một chuỗi những ý tưởng và kết quả thực nghiệm sáng ngời mà ít khi đề cập đến những suy nghĩ sai lầm, mập mờ lẫn lộn đi song hành với những đột phá độc đáo. Có lẽ thú vị và học hỏi được nhiều hơn lại là sự phân tích và tìm hiểu những cái gì đã đưa đẩy nhà nghiên cứu không nắm bắt được chủ yếu vấn đề, thậm chí còn hiểu lầm trước khi tìm ra giải đáp hay đi vào ngõ cụt. Dẫu sao đó cũng là một khía cạnh của lịch sử khoa học - ở đây giới hạn trong lãnh vực hạt cơ bản, hay rõ hơn trong Mô Hình Chuẩn của ba tương tác cơ bản: điện từ, mạnh, yếu - mà người viết muốn phần nào chia sẻ với vài kỷ niệm cá nhân. Vật lý hạt cơ bản có mục tiêu là tìm kiếm, phân loại các thành phần sơ đẳng của vật chất và quan trọng hơn cả là phám khá các định luật cơ bản chi phối sự vận hành của chúng. Trước hết xin nhắc lại vài điều sơ lược về hiện tình của ngành vật lý những viên gạch sơ đẳng nhất để tạo dựng nên vật chất. Cũng như hạt cơ bản của từ ngữ là mẫu tự a,b,c…, của âm thanh là đô, rê, mi ..., của màu sắc là xanh, đỏ, vàng thì theo sự hiểu biết hiện nay, hạt cơ bản của vật chất là quark và lepton mang spin ½ (theo đơn vị ħ = h/2p, h là hằng số Planck)([15]). Có sáu loại quark, chúng mang ký hiệu u(up), d(down), s(strange), c(charm), t(top), b(bottom), và sáu loại lepton bao gồm ba hạt e– (electron), μ– (muon), τ – (tauon) mang điện tích âm -e, sánh đôi với ba hạt neutrino ne, nμ, nτ trung hòa không có điện tích. Sự cân bằng trong thiên nhiên về số lượng: 6 loại quark và 6 loại lepton không phải tình cờ mà là hậu quả của đối xứng chuẩn (ở mức độ kỹ thuật trường lượng tử) khó giải thích trong một bài viết phổ biến. Chỉ có bốn tương tác (hay lực) cơ bản chi phối sự vận hành của vật chất trong hoàn vũ, đó là lực mạnh, yếu, điện từ và hấp dẫn (hay thuyết tương đối rộng, bổ sung cải tiến luật vạn vật hút nhau của Newton). Ba tương tác "phi hấp dẫn": mạnh, yếu, điện từ đã thành công trong việc được lượng tử hóa (điều mà luật hấp dẫn của thuyết tương đối rộng chưa làm được), chính vì vậy mà ba lực này diễn giải nhất quán tác động của các hạt vi mô cơ bản quark và lepton. Thành tựu kỳ diệu này gọi là Mô Hình Chuẩn (Standard Model) đã mang lại khoảng hai chục giải Nobel trong ba mươi năm gần đây. Quark cũng như lepton tương tác với nhau qua trao đổi các boson chuẩn (vector gauge boson) mang spin 1. Boson chuẩn của lực mạnh là "keo" hay gluon, của điện từ là photon và của lực yếu là hai boson W, Z. Boson chuẩn, tựa như hồ vữa, có vai trò làm trung gian nối kết, truyền tải những thông tin cho các viên gạch cơ bản quark và lepton để chúng tương tác với nhau và tạo thành vật chất. Thí dụ ba quark u, u, d gắn kết với gluon để tạo nên hạt proton, ba quark d, d, u tạo nên hạt neutron. Proton và neutron là hai thành viên chủ yếu của hạt nhân nguyên tử của tất cả các nguyên tố hóa chất trong trời đất từ hydrogen đến uranium. Tương tác mạnh (strong interaction) của các quark trao đổi gluon giữa chúng còn được gọi là Sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics hay QCD), ngôn từ vay mượn của Ðiện động lực học lượng tử (Quantum Electrodynamics hay QED). QED diễn tả tương tác điện từ trong thế giới vi mô của các hạt cơ bản mang điện tích. Hai danh từ sắc và điện để chỉ định hai tính chất lượng tử riêng biệt, sắc tích (color charge) của quark và điện tích (electric charge) của electron, muon, tauon. Trong Sắc động lực có gluon mang sắc tích trao đổi giữa quark, còn trong Ðiện động lực có photon trao đổi giữa những hạt mang điện tích. Quark khác lepton ở chỗ là ngoài sắc tích ra, chúng cũng mang điện tích, nhưng kỳ lạ thay điện tích của chúng không phải là con số nguyên (-1)e như electron (hay muon và tauon) mà + (⅔)e cho ba quark u, c, t và - (⅓)e cho ba quark d, s, b. Chính vì quark có cả sắc tích và điện tích nên chúng bị chi phối bởi cả ba lực: mạnh, điện từ và yếu. Lực mạnh gắn kết chúng trong hạt nhân nguyên tử và làm cho vật chất vững bền nói chung. Lực điện từ để làm cho electron tương tác với proton và làm nên các nguyên tử và phân tử của các hóa chất cũng như của các tế bào sinh vật. Lực yếu làm cho một số hạt nhân nguyên tử phân rã, thuật ngữ yếu tưởng như yếu mềm ít tác động, nhưng thực ra nó chủ chốt điều hành các phản ứng nhiệt hạch trong các thiên thể, mang ánh sáng cho bầu trời ban đêm cũng như muôn tỷ hạt neutrino từng giây phút đang xuyên qua da thịt chúng ta. Tên quark cũng như điện tích phân số + (⅔)e, – (⅓)e lạ lùng của chúng là do nhà vật lý giải Nobel 1969 Murray Gell - Mann khám phá ra. Vì túng danh từ thông dụng, ông mượn câu bí ẩn "Ba quark cho Muster Mark" của nhà văn James Joyce trong cuốn truyện Finnegans Wake để đặt tên quark cho ba thành phần cơ bản của vật chất mà Gell - Mann tiên đoán với dụng cụ toán học là nhóm đối xứng SU(3) giữa ba thành phần cơ bản đó. Chính câu "quark" kèm theo con số 3 gợi cho ông tên lạ lùng này. Sau hết, sự vận hành của neutrino trung hòa điện tích, cũng như sự phân rã β và phóng xạ của hạt nhân nguyên tử, bị chi phối bởi tương tác yếu (weak interaction). Abdus Salam, người Pakistan, cùng với hai người Mỹ Sheldon Glashow và Steven Weinberg đã phát hiện ra là mặc dù hai định luật cơ bản điện-từ và yếu có cường độ tương tác quá khác biệt nhưng thực ra chúng có rất nhiều đặc tính chung và hơn nữa có thể kết hợp trong một tương tác duy nhất mà Salam đặt tên là điện-yếu. Thuyết Điện-Yếu động lực học lượng tử (Quantum Electro - Weakdynamics hay QEWD) mang cho đồng tác giả Glashow, Salam, Weinberg giải Nobel năm 1979. Sở dĩ có sự khác biệt giữa hai cường độ là vì khối lượng của photon (boson chuẩn của điện - từ) bằng 0 mà khối lượng của hai hạt W, Z (boson chuẩn của phân rã yếu) lại quá lớn. Thuyết điện - yếu tiên đoán được khối lượng cùng các đặc tính của hai hạt W, Z và sau đó thực nghiệm kiểm chứng với độ chính xác tuyệt vời. Sự thống nhất hai hiện tượng điện-từ và yếu trong cùng một quy luật là cả một bước ngoặt của vật lý ở cuối thế kỷ 20, tầm quan trọng của nó có thể ví như Maxwell ở cuối thế kỷ 19 đã tổng hợp ba hiện tượng điện, từ và quang mà công nghệ hiện đại thông - truyền tin khai thác vô cùng mầu nhiệm. Sự thống nhất này được thực hiện nhờ một cơ chế gọi là Phá vỡ Tự phát tính Đối xứng (Spontaneous Breaking of Symmetry, SBS) mà người tiên phong mở đường là Yoichiro Nambu, giải Nobel 2008 và Peter Higgs dùng ý niệm SBS để tìm ra một kịch bản (gọi là trường boson Higgs) để mang khối lượng cho W, Z và cả cho quark lẫn lepton([16]). Hạt cơ bản của vật chất và lực tác động
|
|
|
Post by NhiHa on Jul 16, 2010 4:16:26 GMT 9
B2- Thời kỳ "tiền cách mạng". Trước những năm 1970 khi Mô Hình Chuẩn chưa được xác định, nghĩa là trước khi quark được thừa nhận là viên gạch cuối cùng của vật chất, thực nghiệm đã phát hiện là trong thiên nhiên có khoảng vài trăm hạt như proton, neutron (cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử), hyperon Λ, meson p, ρ, K ..., những hạt mà thời ấy ta nghĩ (nhầm) là thành phần cơ bản của vật chất. Chúng được gọi chung là hadron, nghĩa là những hạt bị chi phối chủ yếu bởi tương tác mạnh. Ngoài ra còn có electron, muon và hai neutrino ne, nμ, mà ta gọi chung là lepton, chúng chỉ bị chi phối bởi tương tác điện từ nếu hạt mang điện tích (như e–, μ–) hoặc bởi tương tác yếu nếu là hạt trung hòa (như neutrino ne, nμ). Danh từ hadron hay lepton (gốc tiếng Hy Lạp) theo thứ tự nghĩa là nặng hay nhẹ, nặng đây hiểu theo nghĩa "chi phối bởi lực mạnh", còn nhẹ thì bởi lực điện từ và yếu. Hơn nữa mỗi hạt đều có phản hạt, một tiên đoán kỳ diệu bởi Dirac khi ông tìm cách phối hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp. Hạt và phản hạt có chung khối lượng nhưng tất cả các lượng tử tính khác như điện tích, sắc tích, spin đều ngược dấu. Thí dụ phản electron hay positron e+ mang điện tích dương còn phản proton p– mang điện tích âm. Máy chụp hình nổi PET (Positron Emission Tomography) dùng trong y học ngày nay là một ứng dụng trực tiếp của positron, khi nó hòa tụ với electron sẵn có trong cơ thể thì cặp positron - electron biến thành tia bức xạ cực kỳ tinh vi để rọi sáng chi tiết cơ thể. Vì các máy gia tốc thời đó chưa đáng kể nên positron, lepton μ và phần lớn những hadron như meson p, K và vài hyperon đều được phát hiện bởi tia vũ trụ, như vậy ngành thiên văn đã mở đường cho vật lý hạt cơ bản ngay từ buổi sơ khai. Trong thời "tiền cách mạng" ấy, điện động lực học lượng tử (QED) diễn giải tương tác điện từ của electron và photon đã được hoàn tất, công trình khởi đầu bởi Dirac và kết thúc bởi Dyson, Feynman, Schwinger, Tomonaga. Lý thuyết QED kết hợp "trường lực" điện từ cổ điển của Maxwell với tính lượng tử (qua các khía cạnh phi liên tục, xác suất và bất định được thu nhập ngay từ nền tảng) để thành trường lượng tử photon, trường này cũng như trường lượng tử electron phải nhất thiết bao hàm cả thuyết tương đối hẹp vì các hạt vi mô chuyển vận với vận tốc cực kỳ cao, bỏ qua nó khác nào tước đi khả năng biến đổi lẫn nhau giữa năng lượng, vật chất và chuyển động. QED là lý thuyết trường lượng tử có một khuôn khổ tính toán chặt chẽ và nhất quán theo phương pháp nhiễu loạn (perturbative method), những tính chất của electron, photon cũng như các chi tiết về momen - từ của electron, của muon, các sai biệt li ti về trạng thái năng lượng (Lamb shift) trong nguyên tử hydrogen đều được thực nghiệm kiểm chứng với độ chính xác cao hơn một phần tỷ. Nhưng QED chỉ là tương tác điện từ của lepton thôi, còn hai tương tác mạnh và yếu của hadron lại là cả một quá trình phát triển đầy những hiểu lầm và thất vọng trong thời kỳ tiền cách mạng này. Chính vì có quá nhiều hadron, mà mỗi hadron lại có hằng số tương tác mạnh gs lớn hơn đến ngàn lần hằng số tương tác điện từ rất nhỏ (α ≈ 1/137) nên những tính toán phỏng theo QED (dựa trên cách triển khai những lũy thừa α) không sao áp dụng được cho tương tác mạnh. Chẳng ai tính toán nổi bất kỳ một đại lượng nào với các hằng số gs > 1 trong cách triển khai theo lũy thừa của nó. Còn về tương tác yếu với hằng số tương tác Gw tuy rất nhỏ (khoảng 10-5) nhưng các tính toán lại đưa đến vô vàn đại lượng phân kỳ mà ta không thể dùng công cụ "tái chuẩn" (renormalisation) của QED để loại bỏ chúng đi được. Không như QED - chỉ có hai giá trị phân kỳ trong sự tính toán khối lượng và điện tích của electron - đã thành công trong việc sử dụng kỹ thuật "tái chuẩn" để thay thế hai đại lượng vô hạn trên (bằng cách định nghĩa lại chúng) để chúng trở thành có hạn, và mang giải Nobel cho Feynman, Schwinger, Tomonaga. Càng triển khai bao nhiêu lũy thừa của Gw thì ta càng gặp thêm bấy nhiêu kết quả phân kỳ, những vô hạn cứ trùng điệp xuất hiện, ôi biết bao thất vọng. Đó là thời kỳ vỡ mộng về lý thuyết trường lượng tử khi ta tìm cách áp dụng nó cho hai lực mạnh và yếu. Các nhà vật lý đại thể có hai cách khác nhau để đối phó với tình trạng bế tắc trên. Một số cho rằng việc tìm kiếm định luật tương tác mạnh qua lý thuyết trường lượng tử của hadron là vô vọng vì chẳng thấy một nguyên tắc chỉ đường nào cả, khác với QED đã có nguyên lý chỉ đường rõ rệt là đối xứng chuẩn([17]) (local gauge symmetry) trong phương trình Maxwell của điện từ. Richard Feynman, trong bài phát biểu khi nhận giải Nobel năm 1965, nói rõ bi quan của ông trong việc tìm kiếm định luật tương tác mạnh nói trên, cũng như Lev Landau, nhà vật lý Nga uyên thâm đa ngành, giải Nobel 1962, tuyên bố lý thuyết trường lượng tử hết tương lai rồi. Trong giai đoạn mò mẫm của thời "tiền cách mạng" này, ta thấy đặc biệt bành trướng là trường phái "dân chủ hạt" (nuclear democracy) chủ chốt bởi Geoffrey Chew ở Đại học Berkeley theo đó mọi hadron đều bình đẳng như nhau, chúng đều cơ bản hết, không hadron nào cơ bản hơn hadron khác, mỗi hadron là một phức hợp của các hadron kia. Ta chỉ dùng ba nguyên lý tổng quát như tính giải tích (analyticity), đơn nguyên (unitarity) và đối xứng giao hoán (crossing symmetry) của các biên độ tương tác hadron để tìm ra những liên hệ giữa các đại lượng vật lý, tựa như một boostrap([18]). Đó cũng là thời điểm ra đời cuốn sách "Đạo của Vật lý" của Fritjof Capra, theo đó thuyết "dân chủ hạt" mang nhiều trùng hợp với triết học Á Đông. Ngày nay nhìn lại, theo thiển ý người viết, cách tiếp cận này - hoàn toàn bỏ qua phương pháp và khái niệm sâu sắc của "trường lượng tử" - thiếu tính chất định lượng và cũng thiếu cả tiên đoán, điều tối quan trọng của khoa học. Sự trùng hợp quan điểm "dân chủ hạt" thời ấy với triết học Á Đông (thí dụ ý niệm Duyên Khởi) đề cập trong cuốn sách nói trên có lẽ một phần là do lạm dụng ngôn từ. Một số nhà vật lý khác khiêm tốn hơn, họ nghĩ trước hết hãy phân loại các hadron để tìm ra một đối xứng nào khả dĩ chi phối sự vận hành và sắp xếp vài đặc tính của chúng, như khối lượng chẳng hạn trong một trật tự nào đó. Phương cách tiếp cận này tương tự như sự sắp đặt các nguyên tố hoá chất trong trời đất với bảng tuần hoàn Mendeleïev qua vai trò của số lượng điện tích cùng số lượng neutron. Thực thế, trong tiến trình khám phá các định luật chi phối hạt cơ bản, nhiều nhà vật lý lấy nguồn cảm hứng trong cái đẹp cân đối hài hoà của thiên nhiên để quan sát, tìm tòi, suy luận, sáng tạo. Cái đẹp đó chủ quan trong nghệ thuật, văn chương, hội họa, âm nhạc, nhưng trong khoa học nó khách quan, định lượng và mang tên gọi đối xứng. Sự tìm kiếm những đối xứng và sự vi phạm tuần tự của nó, cũng như xác định được những gì bất biến trong vật lý (dùng công cụ nhóm đối xứng trong toán học) là phương pháp chỉ đường phổ biến và hữu hiệu trong công cuộc khám phá. Thời ấy người ta chỉ biết các hadron nhẹ thôi, một số trong đó như các hyperon Λ, Σ, Ξ hay meson K, K* có một tính chất lượng tử lạ lùng là bao giờ cũng ghép đôi với nhau khi được tạo ra bởi các tương tác mạnh của hạt nhân nguyên tử. Gell-Mann và nhà vật lý Nhật Nishijima đặt tên tính chất lượng tử đó là kỳ tính (strangeness). Gell-Mann tìm ra là giữa các hadron nhẹ mang khối lượng không quá khác nhau có một đối xứng ngự trị chúng, đó là nhóm đối xứng SU(3). Từ nhóm đối xứng SU(3) này, Gell-Mann và Zweig khám phá ra là phải có ba hạt cơ bản([19]) mà Gell-Mann gọi là ba quark u, d, s, để tạo thành các hadron nhẹ, ngoài ra mỗi quark phải mang ba sắc tích (con số 3 sắc tích này là cần thiết vì quark mang spin ½ phải tuân theo phép thống kê Fermi - Dirac) và có điện tích phân số + (⅔)e cho quark u và –(⅓)e cho quark d, s. Trở lại nhóm đối xứng SU(3), nếu ba fermion có cùng chung khối lượng thì đối xứng SU(3) tuyệt vời hoàn hảo, nếu khác biệt đôi chút thì đối xứng chỉ xấp xỉ thôi, nghĩa là nó bị nhẹ nhàng phá vỡ. Mà quả thực SU(3) bị phá vỡ vì các hadron có khối lượng khác nhau, và vấn đề đặt ra sau đó là làm sao tính toán với cái phá vỡ dẫu nhẹ nhàng của đối xứng. Nếu ta hiểu đối xứng như biểu trưng của sự giản đơn cân đối của thiên nhiên ở mức độ sâu thẳm nhất thì đối xứng xấp xỉ hàm ý gì? chẳng lẽ thiên nhiên xấp xỉ giản đơn sao? Làm sao tính toán với đối xứng bị phá vỡ? Tuy nhiên, trong cái thời điểm mập mờ và thất vọng đó, vào khoảng những năm 1960, có ba ý niệm tuyệt đẹp nhưng phải mất một thời gian khá dài để chín muồi mà một thực nghiệm xảy ra hầu như đồng thời ở hai cực tây và đông của nước Mỹ, Stanford và Brookhaven như chất xúc tác đã làm bừng dậy và hòa tụ ba quan niệm sâu sắc này để đưa tới Mô Hình Chuẩn ngày nay. Đó là ngày Chủ nhật mồng 10 tháng 11 năm 1974 ở SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), sau này được mệnh danh là ngày bùng nổ cuộc cách mạng tháng 11 của vật lý hạt. Ba quan điểm sâu sắc đó là gì? (1) Thứ nhất là quark. Mặc dù một số nhỏ nhà vật lý thời ấy cho rằng hadron có thể không phải là hạt cơ bản mà chỉ là phức hợp của quark hay/và phản quark bó chặt vào nhau bởi một lực gì đó chưa cần biết trong một mô hình "ngây thơ giản dị ", thế mà ngạc nhiên thay họ tính toán và thấy mô hình “ngây thơ” của quark lại diễn tả nhiều đặc tính của hadron khá phù hợp với thực nghiệm. Cũng như thí nghiệm([20]) ở SLAC năm 1968 đã xác định proton và neutron như tạo hợp bởi những cấu tử gì nhỏ hơn nữa, tựa như Rutherford năm xưa thấy nguyên tử có một nhân lõi rất nhỏ và cứng nằm sâu bên trong mà nay ta gọi là hạt nhân nguyên tử. Nhưng hầu hết các nhà vật lý thời ấy đều không tin vào quark, kể cả những cây đại thụ như Steven Weinberg, ông chỉ nói đến lepton (mà lờ quark đi) trong công trình về điện - yếu mang giải Nobel cho ông. Lý do thầm kín là nếu quark có thật thì tại sao không ai tìm thấy chúng. Ngay cả Gell - Mann, người cha của quark, cũng chẳng gán thêm tính từ "toán" vào quark như một ký hiệu trừu tượng thôi, thay vì quark "vật lý" có thực sao? Khi Gell - Mann bàn luận về ý tưởng quark qua điện thoại với Victor Weisskopf, tổng giám đốc của CERN, ông này khuyên "điện thoại xuyên đại tây dương tốn kém, ta chẳng nên phí thời gian về chuyện đâu đâu"! thì đủ thấy người ta nghi ngại quark thế nào. Cần nhấn mạnh là ba quark nặng c, b, t đều do lý thuyết suy luận và tiên đoán trước rồi thực nghiệm khám phá ra sau. Quark duyên (charm) c bởi Sheldon Glashow, Jean Iliopoulos và Luciano Maiani (cơ chế GIM), ba vị xác định là những đặc tính của meson K sẽ mâu thuẫn với thực nghiệm và không thể giải thích được nếu không có quark duyên c. Sự hiện hữu tất yếu của hai quark t, b được tiên đoán bởi Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa, giải Nobel 2008, để giải thích hiện tượng vi phạm sự đối xứng vật chất- phản vật chất (đối xứng CP) mà Cronin và Fitch, giải Nobel 1980, đã phát hiện ra. Ngày nay ta biết hadron là phức hợp của quark hay/và phản quark bó chặt vào nhau bởi gluon: thí dụ proton, neutron, hyperon và tất cả các fermion (spin ½) đều được cấu tạo bởi ba (trong năm quark u, d, s, c, b), còn meson (spin 0,1) bởi quark và phản quark. Đó là một thành tựu lớn vì chỉ với mấy viên gạch cơ bản mà ta xây dựng nên tất cả các hadron và diễn tả nhất quán được những tính chất của chúng. Còn ở nhiệt độ bình thường tại sao không tìm thấy quark như ta thấy electron nhan nhản khắp nơi? Chính là vì Sắc động lực học lượng tử (QCD) của lực mạnh có một đặc tính duy nhất và độc đáo mà các lực khác không có, đó là tính chất "Tự do Tiệm tiến" (Asymptotic Freedom) của nó([21]). Trái ngược với lực điện từ bị giảm đi theo bình phương khoảng cách của hai điện tích (luật Coulomb), tính "tự do tiệm tiến" của QCD khiến cho lực mạnh gắn quark với nhau lại tăng lên với khoảng cách của hai quark, càng đẩy chúng ra xa để tách rời chúng thì lực gắn kết chúng lại càng mạnh hơn lên để kéo giữ chúng lại với nhau. Quark mãi mãi bị cầm tù trong hadron, ở nhiệt độ (năng lượng) bình thuờng trong đời sống hằng ngày chúng không sao thoát ra ngoài hadron để lộ mặt. (2) Thứ hai là đối xứng chuẩn (local gauge symmetry). Ý nghĩa của đối xứng chuẩn rất sâu sắc, nó chi phối toàn diện cả bốn tương tác cơ bản: hấp dẫn, mạnh, điện - từ, yếu. Theo thuyết tương đối rộng (lực hấp dẫn) mọi người quan sát bất kể họ vận chuyển ra sao đều bình đẳng như nhau, người di chuyển với gia tốc cũng có thể nói họ đứng yên vì họ có thể thay thế lực mà họ bị áp đặt lên để di chuyển bằng một lực hấp dẫn mà họ bị đặt vào. Sự tương đương giữa gia tốc và trọng lực có thể minh họa qua hình ảnh quen thuộc của các phi hành gia lơ lửng đứng yên trong những hỏa tiễn bay với một gia tốc lớn để thám hiểm vũ trụ. Nó cũng phản ánh ý tưởng mà Einstein coi như mãn nguyện nhất trong đời ông: một người rớt từ trên cao xuống không cảm thấy sức nặng của mình. Theo nghĩa đó, lực hấp dẫn đã hậu thuẫn cho một đối xứng chuẩn, nó bảo đảm rằng mọi hệ quy chiếu đều thực sự tương đương với nhau. Cũng như ta nói hình tròn có đối xứng quay, bất kể ta quay hình tròn bằng bất kỳ một góc nào trong mặt phẳng của nó, ta đâu thấy nó thay đổi. Áp dụng cho điện từ, đối xứng chuẩn khẳng định tính bất biến của định luật điện từ trong những phép chuyển dời của điện tích đi từ không-thời điểm này đến không-thời điểm kia (phụ chú 17). Cũng thế, đối với lực mạnh của hạt nhân nguyên tử thì hai hạt proton và neutron đều hoàn toàn bình đẳng như nhau, định luật tương tác mạnh không thay đổi ở bất kỳ không - thời điểm nào bởi sự hoán chuyển proton ↔ neutron. Và đây là điểm cốt lõi: Sự đối xứng bình đẳng của mọi hệ quy chiếu đòi hỏi phải có luật hấp dẫn, hơn nữa nó còn xác định được luật hấp dẫn là gì dưới dạng toán học qua phương trình Einstein trong thuyết tương đối rộng, mà nhờ đó ta tính toán và thực nghiệm kiểm tra đo lường được. Cũng vậy, lực mạnh của hạt nhân nguyên tử không phụ thuộc vào sự hoán chuyển proton ↔ neutron. Tính đối xứng giữa proton ↔ neutron đòi hỏi tương tác mạnh phải được diễn tả dưới dạng của một phương trình toán cụ thể ra sao. Chen Ning Yang cùng đồng nghiệp trẻ Robert Mills (gặp nhau vô tình trong vụ hè 1954 khi họ thăm viếng phòng thí nghiệm Brookhaven) bàn luận chung về sự bình đẳng của lực mạnh dưới sự hoán chuyển proton ↔ neutron (nhóm đối xứng SU(2) của toán học) và tìm ra phương trình tương tác duy nhất đáp ứng đòi hỏi của đối xứng chuẩn này([22]). Công trình phong phú đó mang tên lý thuyết chuẩn Yang - Mills. Quark cũng vậy, QCD là định luật duy nhất có thể đáp ứng đòi hỏi của đối xứng sắc tích, bất kỳ các dịch chuyển ra sao trong không-thời gian của sắc tích cũng không làm thay đổi tương tác của quark. Một hậu quả độc đáo của lý thuyết chuẩn Yang - Mills nói chung (và của QCD nói riêng), là các boson chuẩn phải trực tiếp tác động giữa chúng với nhau, khác hẳn với boson chuẩn của điện - từ (photon) không có tương tác trực tiếp này. Chính sự tác động trực tiếp với nhau giữa các gluon (boson chuẩn trong QCD) là gốc nguồn của tính chất "tự do tiệm tiến" nói ở đoạn (1) và mang giải Nobel 2004 cho David J. Gross, H. David Politzer và Franck Wilczek. Để được giải Nobel này, tất cả chỉ là một dấu trừ, như Politzer hài hước.([23]) Điều không kém quan trọng là đối xứng chuẩn đòi hỏi các boson chuẩn - làm trung gian sứ giả cho fermion tương tác với nhau qua trao đổi các boson này - phải không có khối lượng. Photon trong QED cũng như gluon trong QCD là thí dụ của boson chuẩn không có khối lượng. Đó cũng là điều kiện tiên quyết cho sự thành công của QED, QCD trong việc "tái chuẩn hóa". (3) Thứ ba là sự Phá vỡ Tự phát tính Đối xứng (Spontaneous Breaking of Symmetry, SBS). Hiện tượng tự phát này hàm nghĩa là định luật (hay phương trình) cơ bản mang một phép đối xứng nào đó mà nghiệm số của phương trình ấy lại không có cái đối xứng nguyên thủy, tính đối xứng của hệ thống bị phá vỡ một cách tự phát. Chúng ta đều biết là tìm ra phương trình (hay định luật vật lý) là một chuyện, còn giải được hay không để có nghiệm số thỏa mãn điều kiện ban đầu nào đó lại là chuyện khác khó khăn bội phần. Ở đây điều kiện ban đầu là năng lượng cực tiểu và nghiệm số tương ứng gọi là trạng thái căn bản hay chân không. Đối xứng bị phá vỡ một cách tự phát nếu phương trình diễn tả định luật vật lý thì đối xứng nhưng trạng thái căn bản thì không. Đối xứng không bị phá vỡ, nó chỉ bị che khuất bởi vật chất trong trạng thái căn bản. Một minh họa cụ thể: ta ấn đầu một thanh gỗ đặt thẳng đứng trên bàn, lực ấn có đối xứng hoàn hảo so vào trục thẳng Oz của thanh gỗ trước khi bị ấn, lực này không ưu đãi bất kỳ một mặt phẳng thẳng đứng nào trong không gian, chúng hoàn toàn bình đẳng. Nhưng vật chất (tức là thanh gỗ bị ấn) sẽ cong đi, khi cong như vậy thanh gỗ tự nó đã nằm trong một mặt phẳng thẳng đứng nào đó cụ thể, hệ thống vật chất không còn mang tính đối xứng nguyên thủy của lực. Hiện tượng tự phát SBS này khá phổ biến trong vật lý chất đông đặc mà sắt - từ (ferromagnet) là một thí dụ. Mặc dù định luật cơ bản về chất sắt - từ hoàn toàn đối xứng trong sự phân phối spin, không có một chiều spin nào giữ ưu thế, nhưng trong vật liệu sắt - từ thì những electron lại cùng hướng spin của chúng về một phía duy nhất. Siêu dẫn điện từ, Siêu lỏng và Sắt - từ là ba thí dụ của SBS. Cần tránh sự hiểu lầm về ý nghĩa giữa một bên là SBS theo đó đối xứng không bị phá vỡ (chỉ có trạng thái vật chất là bất đối xứng thôi) và bên kia là những đối xứng khác (như đối xứng CP vật chất - phản vật chất) thực sự bị phá vỡ. Cái hiểu lầm này ngay cả S. Weinberg cũng mắc phải lúc ban đầu, ông đã coi SBS như biểu trưng của một đối xứng xấp xỉ, bị phá vỡ thực sự([24]) và dĩ nhiên đã đưa ông đến những kết luận sai, trước khi tỉnh ngộ! Chính vì nhờ SBS mà đối xứng chuẩn không bị phá vỡ mà chỉ bị che giấu trong tương tác yếu, do đó Gerardus ‘t Hooft và Martinus Veltman, giải Nobel 1999, đã chứng minh là QEWD cũng có thể "tái chuẩn hóa" được như QED và QCD. Ba tương tác cơ bản của thiên nhiên: điện - từ, mạnh, yếu đều "tái chuẩn hóa" được. B3- Và Điện - Yếu (QEWD) ra đời. Khoảng những năm đầu 1950, nhiều nhà vật lý đã tinh ý nhận ra là giữa hai tương tác điện từ và yếu có nhiều cấu trúc và tính chất đồng nhất, vậy hầu như là chuyện đương nhiên nếu ta sử dụng phương pháp rất hiệu lực của đối xứng chuẩn trong điện từ để khám phá những định luật vận hành của lực yếu. Nhưng cái trở ngại là boson chuẩn W (làm sứ giả cho tương tác yếu) lại có khối lượng rất lớn chứ chẳng bằng 0, điều kiện tiên quyết của đối xứng chuẩn. Ôi biết bao thất vọng nếu phương pháp rất hiệu lực của đối xứng chuẩn - nguyên nhân cho sự thành công tuyệt vời của lý thuyết điện từ QED - xem ra chẳng sao áp dụng được cho tương tác yếu chỉ vì khối lượng của boson chuẩn W khác 0 . Nhưng thực ra lực yếu cũng mang đối xứng chuẩn như điện từ, đối xứng đó chỉ tự phát phá vỡ như một biểu hiện SBS. Có thể lấy thí dụ của trạng thái siêu dẫn điện từ trong ngành vật lý chất rắn để minh họa cơ chế SBS. Siêu dẫn của vật liệu ở nhiệt độ thấp là một đặc trưng của vật lý lượng tử, nó không có điện trở. Một thỏi nam châm để gần một vật liệu siêu dẫn sẽ bị đẩy ra, từ trường bị trục xuất ra ngoài vật siêu dẫn, đó là hiệu ứng Meissner. Chính hiệu ứng này là ngọn nguồn cho xe lửa trong tương lai được "nâng" lên trên đường ray, không bị lực ma sát nên xe lửa chạy rất nhanh. Vật liệu siêu dẫn ngăn chặn tầm truyền của trường điện từ, nó là một hệ thống trong đó photon chỉ có thể tác động trong một khoảng cách ngắn, khác với bản chất tự tại của sóng điện từ có thể truyền đi vô hạn. Vậy photon, cái boson chuẩn của điện từ, khi chuyển động trong vật liệu siêu dẫn lại bị cản trở bởi một bức tường chắn và photon tác động giống như mang một khối lượng ([25]), mặc dù phương trình điện từ của nó vẫn tuân theo đối xứng chuẩn. Bức tường chắn đó trong lý thuyết siêu dẫn của John Bardeen, Leon N. Cooper và John R. Schrieffer (BCS), giải Nobel 1972, là thể ngưng tụ của muôn ngàn cặp Cooper, cặp liên kết hai electron có spin up↑ spin down↓ đối nghịch và như vậy mang spin 0. Mỗi cặp Cooper mang điện tích -2e nhưng vì có spin 0 nên theo thống kê Bose - Einstein những cặp này có thể hoà đồng chung sống trong cùng một trạng thái đông tụ, vận hành như một dòng chảy thuần khiết của muôn ngàn điện tích và trở nên siêu dẫn. Mặc dù photon có khối lượng khác 0, đối xứng chuẩn trong siêu dẫn điện từ thực ra không bị phá vỡ, nó chỉ bị che khuất đi bởi các cặp Cooper, nói cách khác siêu dẫn là biểu trưng của hiện tượng SBS. Tính chất SBS là ngọn nguồn cho phép thống nhất được hai lực điện từ và yếu, chúng tưởng như khác biệt mà thực ra cùng tuân thủ phép đối xứng chuẩn. Ban đầu cũng như photon của điện từ, boson chuẩn W, sứ giả của lực yếu, không có khối lượng. Sau đó tựa như cặp Cooper mang khối lượng cho photon trong siêu dẫn, ta cần một trường mới lạ nào đó (trường Higgs) để ngăn chặn, cản trở lực yếu và cung cấp khối lượng cho W. Chẳng những cho W, hạt Higgs còn mang khối lượng cho tất cả các hạt khác như quark, lepton. Chính cái cơ chế SBS chi phối nhiều ngành vật lý là do Nambu, khi suy ngẫm về thuyết siêu dẫn nói trên, đã phổ biến ra và Higgs áp dụng thành công trong vật lý hạt cơ bản để mang cho boson chuẩn W khối lượng, nhờ vậy mà hai lực điện - từ và yếu có thể hợp nhất được trong QEWD. Giải Nobel 2008 tặng thưởng Nambu đã dùng siêu dẫn để minh họa, phổ biến cái cơ chế SBS này. Toàn cảnh trung tâm Máy gia tốc SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) B4 - Farewell Angelina và cái duyên của quark. Quên sao nổi đầu tháng Tám năm 1974, đúng hôm tôi đặt chân lần đầu đến Palo Alto ngợp bóng mộc lan ngát hương để trước hết nhìn qua máy truyền hình Tổng thống R. Nixon ngấn lệ bước lên trực thăng giã từ Nhà trắng. Phong trào phản chiến của sinh viên Mỹ đã dịu tan, còn lại là sự thờ ơ với thời cuộc Việt Nam, và thấy rõ chiến tranh giữa hai miền Nam Bắc hết là chuyện của người Mỹ. Hai buổi ca của Joan Baez và Ray Charles tràn ngập biển người mang jeans giữa công viên bát ngát của Đại học Stanford với ngàn cây bạch đàn đủ màu trong một đầu trưa nắng ngát. San José hãy còn là thành phố vắng lặng, thung lũng silicon chưa ngó dạng, hãng máy tính vừa thành lập bởi hai nhà vật lý Hewlett và Parkard của SLAC còn nằm gọn trên đường El Camino Real. Những chuyến thăm hồ Tahoe pha lê, rừng cây Seqoϊa cao vút trời của Yosemite và rặng núi Sierra Nevada tuyết phủ, dọc bờ Thái Bình Dương đến Carmen đầy sư tử biển phơi nắng, với những con đực uy quyền. Nhưng cái nhớ như in lại là cuộc "cách mạng tháng 11." Lớp hè truyền thống SLAC Summer School về vật lý hạt cơ bản tháng 8 năm 1974 toàn những đề tài mang dấu vết của những cái gì xa lạ, trực giao với quark, với SBS, với Yang-Mills và đối xứng chuẩn. Mà cũng chẳng phải riêng gì Stanford, đâu cũng vậy mà thôi. Chẳng ai nhắc nhở, thậm chí biết đến công trình của Peter Higgs đã ra đời từ năm 1964 (gửi trước tiên cho Physics Letters và bị từ chối bởi ban biên tập ở CERN vì đa số đều ‘’chê’’ lý thuyết trường lượng tử mà ‘’mê’’ dân chủ hạt, ông bèn gửi sang Physical Review Letters và được nhận), cùng năm với Gell-Mann và Zweig về quark. Cũng thế, ít ai chú tâm đến thuyết điện-yếu của Salam và Weinberg ra đời từ 1967 mà sau đó năm 1971 ’t Hooft và Veltman chứng minh có thể ‘’tái chuẩn hóa‘’ được. Thờ ơ chẳng kém đối với những công trình của Glashow, Iliopoulos, Maiani về sự hiện hữu tất yếu của quark ‘’duyên’’ (charm), cũng như của Kobayashi, Maskawa về sự vi phạm đối xứng vật chất-phản vật chất, của Gross, Politzer, Wilczek về đặc tính ‘’tự do tiệm tiến’’ của quark. Ngạc nhiên hơn nữa là không ít những người chủ chốt của một trong ba ý tưởng sâu sắc nói ở trên cũng không nhìn ra là cần phải có sự liên kết chặt chẽ của cả ba ý niệm đó mới có thể tạo thành Mô Hình Chuẩn được. Chẳng hạn Weinberg thì nghi ngại khái niệm quark mà chỉ đề cập đến lepton, còn Iliopoulos (quark duyên) khi thoạt nghe đến SBS và thuyết điện yếu của Salam-Weinberg thì lại cho là một câu chuyện “tàu” rối rắm tối nghĩa, ông là người Hy lạp đâu biết chữ tàu! (phụ chú 24), và ’t Hooft mặc dầu đã tìm ra dấu trừ của hàm bêta cho trường Yang-Mills (phụ chú 23) nhưng cũng chẳng nhận thấy đó là một tín hiệu sâu sắc để áp dụng cho quark. Ấy thế mà chỉ hai tháng sau sự vật chuyển đổi 180°! Sớm thứ Hai 11 tháng 11 năm 1974, vừa đặt cặp xuống bàn, tôi đã thấy bạn bè nhốn nháo bảo nhau xuống ngay đại giảng đường để nghe thuyết trình về một sự kiện bất ngờ mà đồng nghiệp bên thực nghiệm vừa phát hiện đêm trước. Hóa ra các bạn tìm thấy sau hai đêm ngày (chiều thứ Bảy đến tối khuya Chủ nhật) so đi thử lại, xác định đã tìm ra một hạt lạ kỳ đã nặng mà lại bền vững “sống” quá lâu khoảng ngàn lần so với các hạt bình thường khác. Mà các tinh tú thì ngược lại, càng có khối lượng lớn lại càng bùng nổ nhanh và tàn lụi sớm. Sau khoảng nửa giờ trình bày cái tin nóng hổi đó, Roy Schwitter phát ngôn nhân của nhóm thực nghiệm mời Samuel Ting (sang thăm Stanford mấy hôm trước) nói vài câu. Cử tọa ngạc nhiên thấy ông nét mặt buồn đăm chiêu lên bảng cầm phấn viết một dòng rất to P + P → U (3.1) + ..., hàm ý hai hạt proton đập mạnh vào nhau và cho ra hạt U (như unknown) với khối lượng 3.1 GeV/c2 nặng hơn ba lần hạt proton. Hóa ra nhóm thực nghiệm của ông ở Brookhaven bên New York cũng mấy tháng nay thấy có cái gì lạ thường xảy ra chung quanh vùng khối lượng đó, nhưng vì cẩn trọng ông quyết không công bố gì trước khi kiểm chứng kỹ càng và tuyệt đối cấm các cộng sự viên tiết lộ tin này. Ông không vui vì không phải là người đầu tiên mà chỉ còn là đồng khám phá để cùng chia sẻ giải Nobel năm sau với Burt Richter, người xây dựng máy gia tốc SPEAR (Stanford Electron Positron Asymmetric Ring), nhờ máy đó mà hạt kỳ lạ nói trên đã được tìm ra. Hai bên điều đình đặt tên hạt là J/Ψ (3.1), J viết theo hán tự giống chữ Đinh (tên ông) còn Ψ là vì hai chữ đầu PS của psi ngược với SP, hai chữ đầu của SPEAR. Ban lý thuyết tụ tập bảy người[26] để tìm hiểu J/Ψ là gì. Không khí hào hứng sôi sục làm việc thâu đêm và chúng tôi đưa ra nhiều kịch bản trong đó có khả năng J/Ψ là tập hợp của cặp quark duyên và phản duyên, một charmonium giống như positronium là cặp positron - electron, diễn giải sau này tỏ ra là chính xác. Hạt J/Ψ nặng là vì quark duyên không nhẹ, sống lâu (phân rã chậm) là vì tự do tiệm tiến: cặp duyên - phản duyên càng nặng thì nó phân rã ra ba gluon càng chậm đi. Hạt J/Ψ đã mở đầu một kỷ nguyên mới cho vật lý hạt cơ bản với tất cả những đặc trưng mà Mô Hình Chuẩn tiên đoán và được thực nghiệm kiểm chứng với độ chính xác đáng kinh ngạc: hai boson W, Z của QEWD, lepton τ, neutrino ντ, ba quark charm, bottom, top, những chi tiết về vi phạm CP, về tia bắn gluon của QCD.... Mô Hình Chuẩn đã trở thành một hệ hình (paradigm) của vật lý ngày nay. Nếu máy gia tốc LHC ở CERN không tìm thấy hạt Higgs, hệ hình trên đi về đâu? Ngõ cụt, hay chân trời mới, khủng hoảng hay triển vọng? Đừng quên là 96% năng khối lượng trong vũ trụ hãy còn ở ngoài sự hiểu biết hiện nay của con người! Những đề tài rộng mở vô cùng kỳ thú đang đón chờ tài năng giải đáp, đóng góp của thế hệ đang lên. Khi đọc lại diễn văn của những giải Nobel sáng tạo ra Mô Hình Chuẩn, người viết không khỏi chú ý đến một phần không nhỏ trong họ có cha mẹ từ khắp nơi trên thế giới di cư đến Mỹ vì lý do chính trị hay kinh tế. Thế hệ trước phấn đấu khó khăn để lập nghiệp, cố gắng vượt sức để thế hệ sau có điều kiện hưởng thụ một nền giáo dục cởi mở, nghiêm túc, cho con cháu gương sáng về đạo đức, cần cù, cầu tiến, hướng thượng, những giá trị vĩnh cửu và phổ quát của loài người. Máy gia tốc hạt dài nhất thế giới (2 dặm) của SLAC Mời bạn đọc thưởng thức bản Symphony of Science - 'We Are All Connected' (với Sagan, Feynman, deGrasse Tyson và Bill Nye). www.youtube.com/user/melodysheep#p/u/2/XGK84Poeynk
|
|
|
Post by NhiHa on Jul 16, 2010 4:17:19 GMT 9
[1] Trích từ bài thơ Cảm Hoài, ra đời khoảng năm 1409. Tác phẩm bi hùng nhất trong nền văn thơ cổ điển Việt Nam của Đặng Dung ( ? -1414). ‘’Phù địa trục” (nâng trục đất), “vãn thiên hà” (kéo sông ngân) là hai hình ảnh kì vĩ, nói lên chí khí vươn tới tầm vũ trụ của người anh hùng cay đắng trước cảnh nước mất nhà tan. Dưới đây là nguyên tác chữ Hán kèm theo bản dịch của Tản Đà về bài thơ mà người đời sau ca ngợi : “Phi hào kiệt chi sĩ bất năng” (không phải là hào kiệt thì chẳng sao sáng tác nổi). Thế sự du du nại lão hà Vô cùng thiên địa nhập hàm ca Thời lai đồ điếu thành công dị Vận khứ anh hùng ẩm hận đa Trí chúa hữu hoài phù địa trục Tẩy binh vô lộ vãn thiên hà Quốc thù vị báo đầu tiên bạch Kỷ độ Long Tuyền đới nguyệt ma Việc đời man mác, tuổi già thôi Đất rộng trời cao chén ngậm ngùi Gặp gỡ thời cơ may những kẻ Tan tành sự thế luống cay ai Phò vua bụng những mong xoay đất Gột giáp sông kia khó vạch trời Đầu bạc giang san thù chửa trả Long tuyền mấy độ bóng trăng soi [2] Kỳ thú thay, Eratosthene (276 - 194 trước dương lịch) đã biết là mặt đất không phẳng mà cong vì nhận thấy ở Aswan bên Ai Cập giữa trưa ánh nắng mặt trời thẳng đứng không chiếu được xuống đất hình bóng của một vật, mà ở Alexandrie cách đấy 780 km về phía bắc, bóng hình của vật lại chéo đi 7.2°, Eratosthene tính ra được bán kính quả đất chỉ sai có 1% so với con số 6.378 km đo lường ngày nay bằng vệ tinh!! [3] Để thấy sự thay đổi nhanh chóng ra sao, xin kể chút kỷ niệm riêng tư. Năm 1956, người viết được học bổng sang Pháp để được đào tạo về ngành thiên văn do đề xướng của giáo sư Nguyễn Quang Trình, viện trưởng đại học Saigon. Chương trình đào tạo là sau khi lấy bằng cử nhân giáo khoa toán lý phải theo lớp cao học Astronomie Approfondie với hai bậc thầy uy tín của Pháp về thiên văn, giáo sư André Danjon và Evry Schatzman ở Đại học Paris. Theo trí nhớ của người viết, giáo trình thời ấy (1957 - 1958) về môn thiên văn vật lý so với ngày nay là cả một khoảng cách dài đằng đẵng, nó chỉ giới hạn trong biểu đồ Hertzsprung - Russel và phép tính bình phương tối thiểu, Big Bang chưa bao giờ được nghe đến mặc dù Hubble khám phá quang phổ xê dịch về phía đỏ (red shift) từ 1929 (coi phụ chú 4). Sau lớp cao học, giáo sư Schatzman đề nghị tôi làm luận án tiến sĩ với ông và bảo tôi đọc cuốn The White Dwarf (Sao lùn trắng) ông vừa xuất bản. Tôi phân vân trong mấy tháng và cuối cùng từ chối để chọn ngành vật lý hạt cơ bản, có lẽ vì mơ mộng đến thế giới vi mô kỳ ảo của lượng tử khi đọc tin năm ấy hai nhà vật lý gốc Trung Hoa ở Mỹ C. N.Yang và T. D. Lee được giải Nobel về tương tác yếu của hạt cơ bản neutrino. Tôi bèn theo lớp cao học của Viện sĩ Louis de Bloglie, giải Nobel, người cha của cơ học sóng mà tôi hằng thấy ông chậm rãi leo bộ lên tầng hai của Institut Henri Poincaré nơi tôi học năm cuối lớp cử nhân toán. Ai ngờ vài chục năm sau, hai thế giới vi mô của hạt cơ bản và vĩ mô của vũ trụ lại quấn quyện mật thiết với nhau trong cách tiếp cận cách tân của hai ngành để trở thành Thiên văn - Vật lý hạt. [4] E. Hubble đo lường quang phổ ánh sáng của các thiên hà và phát hiện chúng đồng loạt có tần số sóng bị giảm đi so với quang phổ đo trên trái đất. Các chuyên gia gọi tần số ánh sáng bị giảm đi là sự xê dịch về phía đỏ (red shift), hàm nghĩa ánh sáng màu đỏ có tần số nhỏ hơn ánh sáng màu xanh. Tương tự như hiệu ứng Doppler trong âm thanh, theo đó tiếng sáo phát ra trên tàu chạy xa bến thì người đứng yên trên bến nghe tiếng sáo trầm hơn, ngược lại nếu tàu tiến gần vào bến, tiếng sáo nghe bổng hơn. Lý do là vì nếu nguồn sáng hay âm thanh chuyển động ra xa (đến gần) bến, ánh sáng hay âm thanh sẽ mất nhiều (ít) thời gian hơn để tới người quan sát trên bến, bước sóng trên bến vì đó sẽ dài (ngắn) đi, hay tần số sóng sẽ giảm xuống (tăng lên). Do quan sát thấy tần số ánh sáng càng giảm khi thiên thể càng xa, Hubble suy ra là các thiên hà càng ở xa thì vận tốc chúng tách rời nhau càng lớn. [5] Willem de Sitter, Alexander Friedmann, Georges Lemaître [6] George Gamow, Ralph Alpher, Rbert Herman, Robert thingye. [7] Các nhà vật lý ít người có cái duyên thi sĩ nên chỉ đặt toàn những tên vật đen, lỗ đen, nổ lớn, vật chất và năng lượng tối, dây! Trong đời sống hằng ngày, ta gọi vật đen (black body) là một chất liệu chỉ hấp thụ ánh sáng chiếu lên nó mà không phản xạ nhưng vẫn phóng xạ. Trong phòng thí nghiệm, vật đen là một lò bịt kín nung nóng ở nhiệt độ T và đục một lỗ nhỏ trên thành lò, ta nghiên cứu bức xạ nhiệt phát ra qua lỗ. Sự phân phối cường độ bức xạ phát ra bởi vật đen chỉ phụ thuộc vào T thôi chứ không vào bất cứ chất liệu nào ở trong lò. Điều này chứng tỏ bức xạ của vật đen chỉ phụ thuộc vào sự dao động của các thành phần cơ bản chung cho tất cả các chất liệu. Bức xạ nhiệt của vật đen là một trường hợp hi hữu trong vật lý có tính phổ quát tuyệt đối. Công thức về cường độ bức xạ của vật đen mà Planck viết ra tháng Mười năm 1900 chính xác và phổ quát đến nỗi nó áp dụng từ lò kín nung nóng của phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm Kỹ thuật - Vật lý Berlin ở thế kỷ 19 cho đến bức xạ nền của vũ trụ mà hai vệ tinh COBE và WMAP đo lường từ 1990 cho đến nay. Biết đâu trăm năm sau, ở thế kỷ 22, con người sẽ đo lường được bức xạ của một vật đen khác kỳ dị hơn nữa, đó là lỗ đen phóng xạ nhiệt ra ngoài chân trời tối kín của nó, lỗ đen chẳng còn hoàn toàn đen nữa theo S. Hawking và J.D. Bekenstein. [8] Sao lùn trắng là thiên thể có khối lượng nhỏ hơn 1.4 khối lượng mặt trời bị tàn lụi sau khi tiêu thụ hết nguyên liệu hydro và helium trong tâm của nó. Vậy mặt trời sẽ thành sao lùn trắng trong vài tỷ năm nữa. Con số 1.4 khối lượng mặt trời được gọi là giới hạn Chandrasekhar, để tôn vinh nhà thiên văn Mỹ gốc Ấn Độ, giải Nobel 1983, tìm ra trên con tàu thủy mang ông năm 20 tuổi sang đại học Cambridge bên Anh thụ giáo Arthur Eddington, người chủ trì phái đoàn của Hàn Lâm viện Hoàng gia Anh được gửi đi nhân dịp nhật thực ngày 29 tháng 5 năm 1919 ở Brasil và đảo Principe để đo lường ánh sáng bị bẻ cong 1.75" bởi khối lượng mặt trời. Kết quả đo lường phù hợp với tiên đoán của thuyết tương đối rộng của Einstein. [9] Coi bài của Nguyễn Quang Riệu trong Kỷ Yếu 2009, nxb Tri Thức về Sao siêu mới với Tinh vân con Cua minh họa trong hình 1. [10] Coi Trịnh Xuân Thuận, Dictionnaire amoureux du Ciel et des Etoiles, nxb Plon, Fayard (2009), trang 272 - 281. [11] Các ký hiệu toán trong hình học bốn chiều phẳng hay cong, thay vì t, x, y, z, ta dùng bốn tọa độ ct ≡ x0, x ≡ x1, y ≡ x2, z ≡ x3, và định nghĩa một tứ - vectơ xμ là vectơ có bốn thành phần x0, x1, x2, x3 (thay vì vectơ quen thuộc x với ba thành phần x,y,z trong không gian ba chiều). Bình phương khoảng cách ds² giữa hai điểm kế cận vi phân dxμ và dxν là ds² = gμν(xλ) dxμ dxν và ta gọi gμν(xλ), hàm của tứ - vectơ xλ, là metric (như mét) để đo lường khoảng cách giữa hai không - thời điểm trong hình học bốn chiều. Giai đoạn thứ hai là sự đồng nhất hóa metric gμν(xλ) của hình học với trọng trường của vật lý. Vậy trọng trường của lực vạn vật hấp dẫn cũng được diễn tả bởi gμν(xλ). Đó quả thật là một cách mạng trong tư duy khoa học của loài người khi Einstein gắn bó hai đại lượng cơ học và hình học mà trước ông ai cũng nghĩ rằng hoàn toàn khác biệt. Nó thể hiện ý tưởng sung sướng nhất đời của Einstein mà ông gọi là nguyên lý tương đương giữa gia tốc và trọng trường. Vế trái của phương trình Einstein có tenxơ Ricci Rμν là một tổ hợp các đạo hàm bậc nhất và bậc hai của gμν(xλ), đại lượng vô hướng R được định nghĩa như R ≡ gμν Rμν. Còn trong vế phải, G là hằng số hấp dẫn Newton và c là vận tốc ánh sáng. Coi thêm bài Lược giải về thuyết Tương Đối, hình thành, hiện tình và triển vọng của tác giả đăng trên talawas.de và vietsciences.free.fr[12] Một hạt khối lượng m ở trạng thái ảo (off - mass shell) nếu năng lượng E và xung lượng |k| của nó không tuân theo đẳng thức Einstein của thuyết tương đối hẹp E2 – |k|2c2 = m2c4 (mà phương trình E = mc2 là trường hợp đặc biệt của vật bất động với vectơ xung lượng k = 0). Khi electron (e–) và phản hạt của nó (positron e+) giao tụ, chúng hủy diệt nhau và biến đổi thành năng lượng thuần khiết tượng trưng bởi photon ảo với khối lượng khác 0, vì nó bằng tổng cộng năng lượng của e– và e+. Khối lượng ≠ 0 của photon ảo này lại liên tục sinh ra các cặp vật chất - phản vật chất khác trong các máy gia tốc hạt ở CERN (Thụy Sĩ), Stanford (Mỹ), Tsukuba (Nhật). [13] Đâu đây Một cõi đi về với Trịnh Công Sơn! [14] Trong một hư không kín rỗng, không ánh sáng không chút vật chất, ta đặt hai phiến gương mỏng song song. Mặc dù năng lượng giữa hai phiến và ngoài hai phiến của chân không lượng tử đều phân kỳ như ta biết, nhưng năng lượng ở giữa nhỏ hơn ở ngoài hai phiến (vì kích thước ở giữa nhỏ hơn ở ngoài), sự khác biệt hữu hạn đó gây nên một áp suất làm chúng hút lẫn nhau. Ðó là lực Casimir, một đặc trưng của lượng tử. Cần nhấn mạnh là tuỳ thuộc vào cấu trúc hình học của các phiến gương, nếu là hai phiến hình cầu thì lực Casimir lại là lực đẩy ra. Ở khoảng cách d ≈ nanô - mét (một phần tỷ mét) trong công nghệ tương lai, lực này có thể đóng vai trò quan trọng. Các phòng thực nghiệm ở Riverside, Padova, Stockholm, Paris đã đo hiệu ứng Casimir với độ sai biệt nhỏ hơn 1% so với tính toán. Trong hư không tất cả đều vắng bóng chẳng có điện từ, 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 (nhưng vô hạn) của chân không lượng tử! Nhà vật lý Hà Lan Hendrik Casimir, sau khi công bố năm 1948 lực mang tên ông, đã giữ chức vụ Tổng Giám đốc nghiên cứu của đại tập đoàn công kỹ nghệ quốc tế Philips. [15] Spin ћ/2 của electron không hề hé lộ trong vật lý cổ điển mà là một đặc trưng độc đáo của lượng tử. Spin miêu tả tính chất quay vòng nội tại của các hạt vi mô cơ bản (như trái đất quay chung quanh trục của nó, nhưng spin tinh tế hơn), spin electron bằng ћ/2 = h/4π nghĩa là hạt điện này phải quay hai vòng 4π mới trở lại vị trí ban đầu, điều không tưởng trong cơ học cổ điển. Ta mường tượng spin như chiếc kim la bàn nhỏ xíu, một momen từ tạo ra bởi electron mang điện tích tự quay tròn chung quanh trục của nó "hai vòng mỗi lần. [16] Coi "Bản giao hưởng huyền diệu giữa Lượng Tử và Tương Đối" của Phạm Xuân Yêm trong Kỷ Yếu Max Planck, chủ biên Phạm Xuân Yêm, Nguyễn Xuân Xanh, Trịnh Xuân Thuận, Chu Hảo, Đào Vọng Đức, nxb Tri Thức, Hanoi (2008). Chi tiết có thể tham khảo trong cuốn sách giáo trình Elementary Particles and their Interactions, Concepts and Phenomena của Hồ Kim Quang và Phạm Xuân Yêm, nxb Springer, Berlin, New York (1998), với các chương sau đây : 7 về quark và SU(3), 8 và 9 về SBS, QCD, QEWD, 12 về neutrino, 11 về GIM, KM, quark charm, 15 về tự do tiệm tiến trong QCD, 17 về hạt Higgs. [17] Ai trong chúng ta quen với điện từ đều biết rằng hoán chuyển chuẩn của tứ - vectơ điện thế Aμ (x) ↔ Aμ (x) Exp[iα(x)] với bất kỳ hàm thực α(x) nào không làm thay đổi phương trình điện từ Maxwell. Đối xứng chuẩn khẳng định tính bất biến của định luật điện từ trong những phép chuyển dời của điện tích đi từ không - thời điểm này đến không - thời điểm kia. Cụ thể ta mường tượng đối xứng chuẩn như sau: điện thế của trái đất là một triệu volt chẳng hạn và hai cực điện trong nhà là 1000000 volt và 1000220 volt, nhưng máy của chúng ta chạy với 220 volt không hề trục trặc mặc dù hàng triệu volt điện thế của quả đất. Cái quan trọng là hiệu số của điện thế chứ không phải bản thân của điện thế ở mỗi không - thời điểm x. Cũng như α(x) là bất kỳ hàm gì, có muôn ngàn điện thế khác nhau ở mọi nơi trong hoàn vũ, nhưng định luật chi phối sự vận hành của chúng phải điều hòa ra sao để cho ta một định luật điện - từ duy nhất trong bất cứ hệ quy chiếu nào. Đó là ý nghĩa vật lý của đối xứng chuẩn. Sau hết đối xứng chuẩn cũng là điều kiện tiên quyết cho sự thành công của QED trong việc "tái chuẩn hóa." [18] Boostrap hàm nghĩa tự sinh, lấy từ giai thoại về Nam tước Münchhausen chỉ cần liên tiếp kéo dây giày để thoát khỏi vũng bùn lầy ông mắc vào, chẳng mệt sức chi hết. [19] Khi ấy 1964 Gell Mann chỉ biết có hadron nhẹ như proton, neutron, hyperon Λ, Σ, Ξ... cùng meson π, ρ, K, K* ..., theo suy luận sâu sắc của ông thì chúng đều được tạo bởi ba quark nhẹ u, d, s. Vì thế nên khi nhìn thấy con số 3 trong truyện Finnegans Wake ông bèn mượn chữ quark của ‘Ba quark cho Muster Mark’ để đặt tên cho ba thành phần cơ bản tạo nên các hadron nhẹ nói trên. George Zweig, môn đệ của Gell-Mann, đồng thời cũng đưa ra ý tưởng hệt như thầy về hạt cơ bản kỳ lạ có điện tích phân số này, nhưng Zweig lại đặt cho tên là ace, còn trước khi nhớ lại truyện Finnegans Wake thì Gell-Mann gọi chúng là kwork. Nếu biết đến phải có sáu (chứ không phải chỉ có ba) loại hạt cơ bản thì chắc Gell Mann đã không dùng tên quark, như Iliopoulos hài hước (coi phụ chú 24) khi ông và Glashow cùng Maiani nhận thấy tất yếu phải hiện hữu thêm hạt cơ bản thứ tư mang tên duyên (charm) nữa. [20] Coi bài của J. Friedman trong Kỷ Yếu Max Planck, chủ biên Phạm Xuân Yêm, Nguyễn Xuân Xanh, Trịnh Xuân Thuận, Chu Hảo, Đào Vọng Đức, nxb Tri Thức, Hanoi (2008). [21] Chi tiết chứng minh tính chất Tự do tiệm tiến của QCD có thể tìm trong chương 15 của Elementary Particles and their Interactions, Concepts and Phenomena của Hồ Kim Quang và Phạm Xuân Yêm, nxb Springer, Berlin, New York (1998). Cụ thể tự do tiệm tiến có nghĩa là hằng số tương tác mạnh Gs của quark với gluon trong QCD phải giảm đi với năng lượng E của quark, Gs (E) ~ 1/ log (E). Khi năng lượng "tiệm tiến" tăng vô hạn, E → ∞ thì Gs (E) → 0, tương tác gắn bó quark mất dần đi và quark được tự do. Đó là trường hợp ta có thể thấy quark trong trạng thái plasma ở những máy gia tốc cực cao, hay ở trên các thiên thể đang bùng phá. Ngược lại ta suy đoán ra (nhưng chưa chứng minh nhất quán được) là khi E nhỏ thì Gs (E) lớn (E → 0 thì Gs (E) → ∞), tính chất này được gọi đùa là nô lệ hồng ngoại (infrared slavery), tìm quark với ánh sáng hồng ngoại (năng lượng nhỏ) không nổi, quark bị cầm tù trong hadron. Viện toán học Clay (Clay Mathematics Institute) treo giải một triệu dollars cho người nào chứng minh được tính nô lệ hồng ngoại của QCD. Cũng viện Clay này năm 2004 đã vinh tặng hai GS Ngô Bảo Châu và Gérard Laumont giải về bổ đề Langlands [22] Yang suy nghĩ và đặt trúng vấn đề vật lý, Mills giúp Yang về khía cạnh toán ma trận. Cũng nên biết là Ronald Shaw môn đệ ở Cambridge của A. Salam cũng có ý tưởng tương tự , trong luận án tiến sĩ của Shaw năm 1954 ông cũng tìm thấy phương trình Yang-Mills mặc dầu không hề biết đến công trình này lúc ấy chưa in trên Physical Review 1954. [23] Do tác động của các hạt ảo tràn ngập chân không lượng tử nên các hằng số tương tác không cố định mà thay đổi với năng lượng, một đặc trưng chung của lý thuyết trường lượng tử. Đặc tính này có tên gọi là hằng số di động (running coupling constant). Đạo hàm (đối với năng lượng) của hằng số di động được gọi là hàm bêta, vậy tùy theo hàm bêta dương hay âm mà hằng số di động tăng hay giảm với năng lượng. Trong QED, hàm bêta dương, như vậy hằng số tương tác điện từ α tăng theo năng lượng. Ngược lại, hàm bêta của QCD có dấu âm, và như trình bày trong phụ chú 21, hằng số di động của tương tác mạnh Gs (E) → 0 khi E → ∞. Cái khó khăn trong kỹ thuật tính toán hàm bêta là ở chỗ các gluon trực tiếp tác động giữa chúng với nhau. Tính toán nhọc nhằn được hàm bêta của QCD là cả một kỳ công, dấu cộng hay trừ ở đây quyết định tất cả. Khi Politzer (mới 24 tuổi) trình bày dấu trừ cho thầy hướng dẫn luận án của ông là Sidney Coleman, một chuyên gia hàng đầu về lý thuyết trường lượng tử ở Harvard, Coleman cho rằng trò mình lầm và bắt làm lại. Gross và Wilzeck (mới 22 tuổi) là hai thầy trò ở Princeton cộng tác mật thiết trong việc tìm ra dấu trừ cho hàm bêta của QCD. [24] The Rise of the Standard Model, nxb Cambridge University Press (1997), và S. Weinberg, The making of the Standard Model, arXiv:hep - ph/0401010 (2004). [25] Hạt vi mô có khối lượng M ≠ 0 chỉ có thể tác động trong một khoảng cách R ≠ 0 hữu hạn (R ≠ 0 ↔ M≠ 0 vì hai đại lượng R và M bị kiềm chế bởi nguyên lý bất định Heisenberg R × M ~ ħ). Do đó photon không khối lượng có thể truyền đi vô hạn, M= 0 ↔ R = ∞ [26] I. Bars, M. Chanowitz, S. D. Drell, R. D. Peccei, X. Y. Pham, S. H. Tye, S. Yankielowicz, SLAC Pub - 1522 (1974), trong đó có Sid Drell (Phó Tổng Giám đốc SLAC, đồng tác giả với James Bjorken cuốn Relativistic Quantum Field, cẩm nang về trường lượng tử cho mấy thế hệ nhà vật lý hạt), Henry Tye nay là chuyên gia về lý thuyết siêu dây ở Cornell, Roberto Peccei ở UCLA năm 1998 đã cùng về Hà Nội với người viết bài này để tham gia giảng dạy trong chương trình International Schools in Theoretical Physics, Supplement to Advances in Natural Sciences, edited by Patrick Aurenche, Nguyễn Văn Hiệu and Trần Thanh Vân, Hanoi (2001).
|
|
|
Post by NhiHa on Jul 16, 2010 4:19:24 GMT 9
Tìm hiểu cơ cấu hình thành vạn vật Phạm Xuân Yêm Khởi động máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới nhằm tìm hiểu sự hình thành của vũ trụ Ngày mồng 10 tháng 9 vừa qua, một tin khoa học nóng hổi và quan trọng hàng đầu vừa xẩy ra ở Trung tâm Âu châu Nghiên cứu Hạt nhân (CERN) đặt ở biên giới Pháp-Thụy sĩ cạnh thành phố Genève, một sự kiện mà các nhà vật lý và thiên văn toàn cầu hồi hộp đợi chờ từ hơn mười năm qua. Hôm ấy bắt đầu khởi động máy gia tốc hạt LHC (Large Hadron Collider) nằm sâu hơn trăm thước trong lòng đất với chu vi 27 cây số. Khắp năm châu duy nhất chỉ có máy này làm đầu tầu thế giới - trong đó các hạt nhân nguyên tử proton (hadron) đạt tới năng lượng cực cao (large) va chạm nhau (collider) - để khám phá, đào sâu tìm hiểu, thống nhất các định luật cơ bản tận cùng của vạn vật, gói ghém trong một ngôn từ ngắn gọn gọi là Mô hình Chuẩn của các hạt cơ bản[1]. Nền tảng của mô hình chuẩn dựa trên sự hiện hữu thiết yếu của hạt Higgs[2] vô hướng, tràn ngập không gian để cung cấp khối lượng cho tất cả các hạt khác khi tương tác với nó. Tựa như một đại dương vô hạn tràn đầy một cái gì (hạt Higgs), ở trong đó khi các hạt cơ bản khác (như electron, proton) dao động sẽ bị cản trở và di chuyển chậm đi như mang theo một khối lượng. Khám phá ưu tiên của LHC là việc săn tìm hạt cơ bản Higgs[3] này, hạt tạo ra khối lượng cho vạn vật, đề tài mũi nhọn, chìa khóa mở đường cho sự thống nhất hoà quyện giữa hai trụ cột của vật lý hiện đại, Lượng tử với Tương đối (hẹp và rộng). Thực vậy xin nhắc lại khối lượng là căn nguyên khởi đầu cho sự xuất hiện của không gian và thời gian, của vật chất, của vũ trụ. Không có khối lượng tức là năng lượng - thuyết tương đối hẹp, qua phương trình E = mc² của thế kỷ, chẳng bảo cho ta là năng lượng và khối lượng tuy hai mà một sao ? - thì chẳng có gì hết, kể cả không gian và thời gian trong đó vận hành vạn vật, bạn cùng tôi. Khối lượng tạo ra không gian và thời gian ư? Vâng thuyết tương đối rộng bảo ta thế, toàn bộ Không gian, Thời gian, Lực, Vật chất chẳng sao tách biệt, cặp không-thời gian (cái vỏ chứa) và cặp lực-vật chất (cái được chứa) chồng chéo gắn kết bên nhau, cấu trúc không phẳng mà cong uốn của không-thời gian (cái vỏ) được xây dựng bởi chính cái nội dung vật chất chứa đựng trong vỏ. Năng lượng là gốc nguồn chung cho tất cả, từ đó vật chất, lực, không gian, thời gian được tạo dựng nên[4]. Thuyết tương đối rộng đã được kiểm chứng vô cùng chính xác bằng thực nghiệm ngay từ năm 1919 (ánh sáng bị uốn cong bởi mặt trời, cùng với hiện tượng tuế sai của quỹ đạo hành tinh Thủy quay chậm 43’’ trong một thế kỷ), chứng nghiệm mới đây nhất của thuyết này là Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) trang bị các phương tiện vận tải trên trời dưới biển, kể cả điện thoại di động và iPod. Trên vệ tinh GPS, thuyết tương đối rộng (hẹp) bảo cho ta đồng hồ tích tắc nhanh (chậm) hơn so với mặt đất, mà sự chính xác khoảng một phần ngàn tỷ giây của nhịp độ đồng hồ là điều kiện tối quan trọng cho GPS thành công[5]. Sự co dãn thời gian của các vật chuyển động khác nhau, tiên đoán bởi thuyết tương đối, đã được thực nghiệm kiểm chứng nhiều lần với độ chính xác cực kỳ. Còn lượng tử, trụ cột thứ hai của vật lý ? xin nhắc rằng một phần ba tổng sản lượng kinh tế của cường quốc số một thế giới hiện nay có gốc nguồn từ những ứng dụng trực tiếp của công nghệ lượng tử với vi điện tử, quang điện tử, spin-điện tử mà điện thoại và máy vi tính di động tân kỳ chỉ là tảng băng nổi. Tất cả minh họa biết bao ứng dụng thực tiễn trong đời sống con người hầu hết khởi đầu từ những công trình nghiên cứu thuần cơ bản. Ngoài hạt Higgs ra, còn bao câu hỏi thâm sâu khác đang đợi chờ câu trả lời bởi thực nghiệm ở LHC, trong đó xin tạm kể: (i) Đâu rồi phản vật chất ? Sự hiện hữu của phản vật chất là hệ quả sâu sắc nhất của bản giao hưởng tuyệt vời giữa tương đối hẹp và lượng tử. Máy chụp hình nổi PET (Positron Emission Tomography) trong y học ngày nay là một ứng dụng trực tiếp của hạt positron (phản electron) để rọi sáng chi tiết vi mô trong não bộ. Số lượng vật chất và phản vật chất phải bằng nhau, chẳng cái nào nhiều hơn cái nào vì vài phút sau Big Bang từ năng lượng thuần khiết ban đầu, chúng đều được hình thành theo từng cặp. Mà vật chất chính là nguyên tử, khí và thiên thể giăng đầy vũ trụ ngày nay, còn phản vật chất lại chẳng thấy tăm hơi, tại sao vũ trụ ngày nay lại chỉ có vật chất? Đó là một bí ẩn của mô hình Big Bang vì ba lực (mạnh, điện từ và hấp dẫn) trong bốn tương tác cơ bản đều tuân theo luật đối xứng vật chất-phản vật chất (đối xứng CP) không có sự dị biệt giữa chúng. Chỉ tương tác yếu mới vi phạm phép đối xứng CP, theo đó tương tác yếu của phản vật chất và của vật chất không giống y hệt nhau mà khác đôi chút. Sự khác biệt đó được diễn giải hoàn hảo trong mô hình chuẩn hạt cơ bản và được kiểm chứng vô cùng chính xác bằng thực nghiệm. Nhưng sự vi phạm nhỏ của phép đối xứng vật chất-phản vật chất trong các phòng thí nghiệm trên trái đất không giải thích nổi về mặt định lượng tại sao trong vũ trụ ngày nay, vật chất lại áp đảo toàn diện phản vật chất, tại sao cái này lại biến đi ngay từ trong trứng nước thời Big Bang ? Tại sao mô hình chuẩn hạt cơ bản thành công mà mô hình chuẩn vũ trụ Big Bang lại thất bại trong cách diễn giải sự vi phạm đối xứng CP ? Đó là đề tài nghiên cứu ưu tiên của LHC cùng với sự săn tìm hạt cơ bản Higgs. (ii) Năng lượng tối (mang tính chất đẩy ra) để làm dãn nở vũ trụ, cái năng lượng tối đầy bí ẩn này chưa ai biết là gì tuy nhiên nó chẳng phải do vật chất tạo thành mà lại mang đặc tính năng lượng của chân không và chiếm đến chừng 73% năng-xung lượng trong hoàn vũ. (iii) Vật chất tối (mang tính chất hút vào) nắm đến 23% khối lượng trong vũ trụ, nó không bức xạ mà chỉ có vai trò giữ cho các thiên hà góp thành chùm chứ không tung bay khắp phía, khác lạ với vật chất bình thường (chỉ chiếm khoảng 4% khối lượng vũ trụ) của những thiên hà sáng ngời mà ta quan sát được, một đề tài nóng hổi của vũ trụ học và vật lý hạt cơ bản. (iv) Không gian chỉ có ba chiều sao ? Siêu dây là thuyết duy nhất đầu tiên trong vật lý xác định được con số D = 10 chiều của không-thời gian (trước siêu dây, số chiều 4 của không-thời gian ta quen dùng chỉ là một định đề tiên nghiệm ta tự cho ta, do cảm nhận và quan sát) minh họa không-thời gian là bộ phận chẳng thể tách rời khỏi vật chất mà thuyết tương đối rộng đã hé mở cho ta thấy. Sáu không gian còn lại bị cuốn tròn quá nhỏ để ta không quan sát được trong đời sống hàng ngày. Máy gia tốc LHC tìm kiếm gián tiếp không gian ẩn này, qua cái gọi là hiện tượng ‘bất bảo toàn năng lượng ảo’, vì ta chẳng đo lường nổi một phần năng lượng bị thu hút vào cái không gian ngoại vi đó. Dẫu mang quá khứ huy hoàng, hoạt động khoa học và nghiên cứu ở Âu châu - quê hương của Lượng tử và Tương đối mà hơn ai hết Max Plank và Albert Einstein đã đóng góp vào - bị lu mờ phần nào trong nửa thế kỷ sau Đệ nhị Đại thế Chiến 1939-1945 thảm khốc và phân hoá Đông-Tây. Năm nay 2008 mở đầu một bước ngoặt đánh dấu sự phục hưng của nền vật lý ở châu lục này mà sự nghiệp xây dựng nên CERN quả là một bài học vượt xa đối tượng khoa học thuần tuý. Trên cánh đồng hoang ở Ferney-Voltaire biên giới Pháp-Thụy sĩ, ngay sau Thế chiến này nhiều nhà vật lý Âu châu di tản khắp nơi vì nạn phát xít đã trở về cố hương cùng đồng nghiệp ở lại xây dựng nên Trung tâm Âu châu Nghiên cứu Hạt nhân. Vì hòa bình và phát triển qua nghiên cứu cơ bản, với sự hỗ trợ tích cực của một số chính khách Pháp, Đức, Anh có tầm nhìn xa, họ đã chung sức mở đường cho sự hồi sinh và hoà giải của các nước Âu châu. Vì mỗi nước riêng lẻ không sao đủ nhân sự và phương tiện để hoàn thành sứ mạng, nguyên tắc tổ chức của CERN - tập hợp đóng góp tài năng, ngân quỹ từ nhiều nước châu Âu - đã tiên phong làm mô hình cho nhiều ngành hoạt động khác phỏng theo từ thiên văn, sinh học, thậm chí cả kinh tế, chính trị (CERN ra đời nhiều năm trước Liên hiệp Âu châu). Mạng lưới toàn cầu (world wide web) của internet ra đời ở CERN khoảng năm 1990 là một trong nhiều thành công kỳ diệu từ nghiên cứu cơ bản sang ứng dụng của cơ quan này, máy chụp hình scanner trong y học, kỹ thuật siêu dẫn điện từ dùng trong máy LHC là vài thí dụ khác. Năm 1992 (đúng 500 năm sau khi Columbus khám phá ra châu Mỹ) máy gia tốc hạt SSC (Superconducting SuperCollider) đầu tầu thế giới về vật lý hạt cơ bản đang được xây ở Dallas, Texas (Mỹ) bị cắt đứt hỗ trợ. May thay CERN được sự đồng tình ủng hộ của các chính quyền Âu châu, quyết tâm thay thế sự hẫng hụt này và trong mười năm xây dựng nên LHC (http://public.web.cern.ch/Public/) để mở đầu chu kỳ thăng trầm rời Mỹ sang Âu của ngành vật lý hạt mũi nhọn này. Hơn nữa CERN còn giang tay đón mời sự cộng tác của những tài năng đến từ khắp mọi miền trên trái đất, đặc biệt những nước đang phát triển để tận mắt tận tay học hỏi rồi sáng tạo. Một cơ hội ngàn vàng đối với Việt Nam. Nếu tham gia vào đề án khổng lồ này, với những đóng góp khiêm tốn của mình, Việt Nam sẽ có một chứng minh hùng hồn và thuyết phục trước thế giới về một chính sách Đổi Mới quan trọng trong Nghiên cứu Khoa học. Hàn quốc thời xa xưa khi còn hàn vi cũng tham gia vào CERN. Sự tham gia đó sẽ mở ra triển vọng lớn để các tài năng trẻ Việt Nam tiếp cận nghiên cứu quốc tế trong chương trình cực kỳ quan trọng LHC này, ở những lãnh vực thuộc biên giới của tri thức nhân loại đang nóng bỏng. Đó chẳng phải là quốc sách để nâng vị trí khoa học của Việt Nam trong cộng đồng khoa học quốc tế hay sao? Chẳng phải nó sẽ cổ vũ thế hệ trẻ xung phong lên phía trước trên mặt trận khoa học hay sao? Sơ đồ LHC và các phòng thí nghiệm (ảnh CERN) Một đoạn đường hầm của LHC (ảnh CERN) Chú thích 1 Tóm tắt Mô hình Chuẩn hạt cơ bản: Vật chất đều do nguyên tử tạo thành, nhân lõi của nguyên tử do quark gắn bó bởi lực mạnh mà ra, chúng trao đổi gluon với nhau. Bởi lực điện từ, electron trao đổi photon với nhân lõi nguyên tử để hợp thành nguyên tử, phân tử và vật liệu nói chung. Lực cơ bản thứ ba trong tự nhiên là lực yếu chi phối sự phóng xạ nhân lõi nguyên tử do tác động của hai hạt W, Z. Lực cơ bản cuối cùng là trọng lực kéo giữ chúng ta trên mặt đất. Thành phần cơ bản cấu tạo nên vật chất là quark và lepton (electron). Chúng tương tác với nhau qua sự trao đổi các photon (lực điện từ), các gluon (lực mạnh), các W và Z (lực yếu). Tất cả các hạt cơ bản (trừ hạt cuối cùng Higgs) của Mô hình Chuẩn như quark, lepton, gluon, photon, W, Z đều đã được khám phá hết cả rồi với độ chính xác tuyệt vời. Các nhà vật lý ngóng chờ hạt Higgs với tất cả hồi hộp, nếu tìm thấy, mô hình chuẩn sẽ là hệ hình (paradigm) có tính quyết định cho sự hiểu biết tận tường gốc nguồn của khối lượng vật chất, và có tác động sâu xa đến vũ trụ học. Nếu không, ta sẽ đứng trước một bước ngoặt lịch sử của vật lý, nền tảng của Mô hình Chuẩn sẽ bị lung lay vì thiếu nhất quán. Lịch sử khoa học từng chứng tỏ có những bước ngoặt mở đầu một kỷ nguyên mới cho nhân loại, không chỉ riêng cho khoa học và công nghệ mà còn lan rộng sang nhiều khía cạnh văn hoá, triết học, nhân sinh quan, vũ trụ quan.. . 2 Peter Higgs, tên nhà vật lý xứ Scotland đã đề xuất phải có hạt này để mang khối lượng cho vạn vật. 3 Xin kể cho vui một giai thoại thực 100% (trang 508 trong The Rise of the Standard Model, Cambridge University Press, 1997): Năm 1964, Peter Higgs giảng sư bình thường của một đại học nhỏ Newcastle upon Tyne bên Anh gửi công trình ông vừa viết đến tạp chí Âu Châu Physics Letters, bài bị chối từ bởi tổng biên tập ở CERN (vì đề tài xa lạ với trào lưu thời thượng bấy giờ). Higgs bèn gửi sang tạp chí Physical Review Letters ở Mỹ và được chấp nhận ngay, bụt chùa nhà không thiêng! 4 Mời bạn đọc coi bức thư Einstein gửi ngày mồng 9 tháng giêng năm 1916 cho Karl Schwarzschild (nhà vật lý thiên văn Đức đã đầu tiên giải được chính xác phương trình của thuyết tương đối rộng mà Einstein vừa công bố tháng trước): ‘cái đặc điểm của thuyết tương đối rộng là không gian và thời gian tự chúng chẳng có tính chất vật lý gì cả. Nói đùa thôi, giả thử mọi vật trên đời biến mất, thì theo cơ học cổ điển Newton ta hãy còn một không gian rỗng tuếch phẳng lặng mênh mang và mũi tên thời gian vẫn lặng lẽ trôi, nhưng theo tôi thì tuyệt nhiên chẳng còn chi hết, cả không gian lẫn thời gian và vật chất!’ Thực là một cuộc cách mạng về tư duy mà Einstein mang đến cho nhân loại: chính vật chất trong đó có da thịt tâm tư con người xây dựng ra vũ trụ. Vật chất và không-thời gian chỉ là hai khía cạnh của một bản thể duy nhất, cái này sinh cái kia, không có cái này thì cũng chẳng có cái kia. 5 Thêm nữa, nếu không có thuyết lượng tử thì cũng không có đồng hồ nguyên tử để đạt được độ chính xác ấy.
|
|
|
Post by NhiHa on Jul 16, 2010 4:20:57 GMT 9
Lược giải về thuyết Tương Đối, hình thành, hiện tình và triển vọng Phạm Xuân Yêm 1- Ý tuởng sung sướng nhất trong đời tôi Một chiều Chủ nhật cuối tháng Năm năm 1905 đẹp trời nắng ấm Albert Einstein và anh bạn thân cùng sở làm Michele Angelo Besso dạo chơi trên đồi Gurten, xa xa dưới chân là thành phố Bern cổ kính hiền hoà, họ bàn luận trao đổi về bí hiểm ether[1], rồi ngay tối hôm đó ông suy nghĩ tính toán và dần dần hình thành thuyết tương đối hẹp để vài tuần sau gửi đăng trên tạp chí uy tín thời đó Annalen der Physik. Trong vòng hai năm, công trình này gây được nhiều tiếng vang tán đồng trong giới hàn lâm và nghiên cứu (đặc biệt bởi Max Planck, người khai phá ra thuyết lượng tử mà dấu ấn ngày càng in đậm trong khoa học và công nghệ hiện đại), mặc dầu còn một số người nghi ngại vì khái niệm cách mạng của thời gian không phổ quát mà co dãn. Nhà vật lý thực nghiệm tiếng tăm Johannes Stark [2] mời ông viết một bài tổng hợp về lý thuyết mới mẻ đó và bình luận về những hệ quả cùng triển vọng. Công việc đòi hỏi nhiều thời gian vì ông vẫn phải tiếp tục tám giờ mỗi ngày, sáu ngày mỗi tuần làm việc ở Phòng Đăng ký Bằng Sáng chế của thành phố Bern để nuôi tiểu gia đình gồm hai vợ chồng và con trai Hans vừa tròn ba tuổi. Nhưng hoàn tất bài tổng hợp đó cũng là phương cách để Einstein hy vọng tìm được một chức vụ giảng dạy và nghiên cứu đại học mà ông hằng ước mơ sau khi tốt nghiệp trường Bách khoa Kỹ thuật ở Zürich (ETH). Chỉ lúc rảnh rang trong giờ cạo giấy ông mới có đôi phút suy tư về vật lý. Rồi một ngày tháng Mười Một năm 1907 đang ngồi trong Phòng Đăng ký, Einstein chợt nẩy ra một ý tưởng mà ông coi như mãn nguyện nhất trong đời: một người rớt từ trên cao xuống không cảm thấy sức nặng của mình. Theo ông kể, ý tưởng giản dị có vậy thôi, nhưng nó gây một ấn tượng mạnh khiến tôi vô cùng sửng sốt và dần dà đưa đẩy tôi khám phá ra một lý thuyết mới về hiện tượng vạn vật hấp dẫn. Để hiểu cái mới lạ ra sao, có lẽ không gì hơn là trở về thời điểm của cơ học cổ điển khi Galileo Galilei (1564-1642) phát hiện ra tính chất phổ quát của vật chất rơi trong không trung bởi sức hút (hấp dẫn hay trọng lực) của trái đất, theo đó nếu vắng một sức cản nào của môi trường, không khí chẳng hạn, thì mọi vật bất kể khối lượng lớn nhỏ ra sao, ở chung một chỗ trên cao sẽ rơi xuống hệt như nhau với cùng một gia tốc[3]. Chúng ta chưa quên hình ảnh mấy phi hành gia đầu tiên lên cung Hằng năm 1969 thả cái búa tạ cùng mấy sợi lông tơ để thấy chúng quả thực rơi xuống mặt trăng với cùng một gia tốc vì ở đấy vắng không khí cản trở. Thí nghiệm này chỉ tượng trưng thôi chứ chẳng gây chút ngạc nhiên nào vì lâu lắm rồi chính Isaac Newton (1643-1727), vài chục năm sau phát kiến của Galilei, đã chứng nghiệm tính phổ quát nói trên khi quan sát các chu kỳ dao động giống hệt nhau của mấy chiếc quả lắc đồng hồ nặng nhẹ khác nhau. Lực hấp dẫn, không như các lực cơ bản khác (lực của điện-từ hay của các hạt nhân nguyên tử), mang đặc tính độc đáo là nó áp đặt một gia tốc duy nhất lên mọi vật thể đặt ở cùng một chỗ, bất kỳ khối lượng lớn nhỏ của vật đó. Ngoài ra còn thêm một khía cạnh nữa là phương trình căn bản của cơ học F = m γ bảo cho ta khối lượng m mang một đặc trưng là nó diễn tả tính trây ỳ hay quán tính của vật thể. Thực thế bất kỳ một lực F nào (trọng lực, điện-từ lực, lực hạt nhân, lực cơ bắp hay máy móc) khi áp đặt lên một vật A mang khối lượng m, vật đó sẽ chuyển động với gia tốc γ. Cũng một lực F ấy khi tác động lên một vật B khác mang khối lượng ba lần lớn hơn A thì dĩ nhiên gia tốc của B so với A giảm đi ba lần, nó chuyển động chậm chạp hơn A hay có quán tính lớn gấp ba lần A. Vậy khối lượng biểu lộ khả năng quán tính của vật thể chống lại sự di động. Kết hợp hai điều trên, trọng lượng[4] của một vật (lực mà vật ấy bị lôi hút bởi trọng trường tạo nên bởi vạn vật trong vũ trụ) lại tỉ lệ thuận với tính trây ỳ của vật đó và tính phổ quát của Galilei được chứng minh khi ta dùng phương trình cơ bản[5] của động lực học[6]. Mối liên hệ sâu sắc giữa trọng lực, gia tốc và quán tính được Newton miêu tả - bằng ngôn ngữ toán học ngắn gọn và chính xác - trong định luật vạn vật hấp dẫn. Chủ yếu Newton, tuy không tìm được nguyên nhân tại sao có sự liên hệ như vậy, nhưng đã nhận ra là khối lượng của một vật A mang ba đặc trưng: (i) quán tính của A, (ii) A phải phản ứng ra sao khi trọng lực (tạo ra bởi một vật B khác ở ngoài) tác động lên nó, và (iii) chính vật A cũng tự nó sinh ra một trọng trường để lôi hút mọi vật khác ở xung quanh[7] và dĩ nhiên lên vật B. Trong vòng hơn hai thế kỷ sau Newton, nhiều nhà khoa học, mặc dầu làm việc trong hệ hình (paradigm) của cơ học cổ điển, hầu như đã quên mất chuyện quan trọng này, chẳng còn mấy ai đào sâu tìm hiểu thêm ba vai trò tiên nghiệm rất biệt lập của khối lượng. 2- Và Einstein xắn tay mở khoá Mối liên hệ giữa quán tính, gia tốc và trọng lực mà trực giác Einstein linh cảm thấy trong một buổi trưa tháng Mười Một năm 1907 phải gói ghém một tín hiệu nào đó và ông bắt đầu suy tư. Lao tâm khổ tứ, gian nan lặn lội trong sai lầm rồi tỉnh ngộ, khi vui lúc nản trong tám năm trường[8] để cuối cùng ngày 25 tháng Mười Một năm 1915 bừng sáng ông rẽ mây chỉ lối cho nhân loại khai thác một kho tàng tri thức vô ngần sâu sắc, không những của vật lý mà cũng của vũ trụ quan và triết học nói chung. Ông mường tượng trước hết ta sẽ quan sát được gì trong một cái thang máy đứt dây và rơi tự do trong không trung bởi tác động của trọng trường quả đất. Theo tính chất phổ quát của Galilei, tất cả mọi vật ở trong thang kể cả chính nó đều rơi như nhau với cùng một gia tốc g, nên so với sàn thang thì chúng hoặc đứng yên hoặc lướt đi đều đặn với vận tốc cố định. Ngày nay các phi hành gia lơ lửng trong những hỏa tiễn thám hiểm vũ trụ là hình ảnh quen thuộc của hiện tượng vô trọng lực. Bất kỳ mỗi điểm trong thang máy rơi đều có thể coi như một hệ qui chiếu quán tính[9] trong đó trọng lực như bị xóa đi, phản ánh ý tuởng sung suớng nhất trong đời Einstein. Thêm bước nữa, ông mường tượng một nơi xa lánh tất cả mọi thiên hà tinh tú, một không gian ở đó vắng mặt trọng trường. Trong cái không gian vô trọng lực ấy, có một hộp mà ta đẩy mạnh lên cao với một gia tốc nào đó, ta thấy mọi vật ở trong hộp bị đẩy rơi ngược chiều xuống thấp với cùng một gia tốc, giống như hộp bị hút xuống bởi một trọng lực, điều quá quen thuộc trên xe hơi khi ta bất chợt nhấn mạnh phanh, mọi người như bị kéo về phía trước. Vậy thì vận chuyển có gia tốc nào khác gì tác động của trọng trường, có một mối liên hệ mật thiết giữa gia tốc và sức hút của trọng lực. Những tác dụng của một trọng trường thực có thể như bị xóa bỏ trong một hệ qui chiếu rơi tự do (gia tốc ≠ 0), hoặc khi ta khảo sát vận chuyển có gia tốc, một trọng trường ảo như được tạo ra. Để hiểu lý do tại sao Einstein lại chú tâm đến gia tốc khi đang viết bài tổng hợp về thuyết tương đối hẹp (trong đó chỉ có sự di chuyển đều đặn, gia tốc = 0), mời bạn đọc trở về với nguyên lý tương đối mà Galilei tóm tắt trong một câu ngắn gọn ‘’di chuyển đều đặn cũng như không’’, hàm ý rằng trong hai hệ quy chiếu một cái đứng yên (tọa độ x,y,z,t), một cái di động đều đặn với vận tốc v cố định (tọa độ x’,y’,z’,t’), các định luật miêu tả thiên nhiên đều giống hệt nhau[10], hay f(x,y,z,t) = f(x’,y’,z’,t’) hàm số f tượng trưng cho một định luật vật lý nào đó[11]. Khi nguyên lý này áp dụng cho điện-từ để diễn tả vận tốc ánh sáng c không thay đổi trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính thì hàm số f chính là f(x,y,z,t) ≡ (x² + y² + z²) - (ct)². Đó là điểm khởi đầu từ đó Einstein, Lorentz và Poincaré mỗi người một vẻ đã xây dựng nên thuyết tương đối hẹp (hay thuyết tương đối đặc biệt, phụ chú 12). Có lẽ trong tiềm thức, Einstein tự đặt câu hỏi các định luật sẽ thay đổi ra sao trong trường hợp các hệ quy chiếu di chuyển không đều đặn, và khi phân tích những điều vừa kể trên về thang máy rơi, ông nhận ra vai trò quyết định của trọng trường trong sự nới rộng phạm vi không gia tốc của thuyết tương đối hẹp sang phạm vi có gia tốc của thuyết tương đối rộng (hay thuyết tương đối tổng quát). Câu ‘’di chuyển đều đặn cũng như không’’ của Galilei, qua ý tưởng sung sướng nhất trong đời của Einstein, nay biến thành ’’di chuyển không đều đặn chẳng khác gì tác động của trọng lực’’đã mở đầu một kỷ nguyên mới cho vật lý, nới rộng thuyết tương đối đặc biệt sang thuyết tương đối tổng quát để thay thế thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton, định luật cổ điển này chỉ là truờng hợp xấp xỉ gần đúng của thuyết tương đối rộng vô cùng chính xác. Hơn nữa còn thêm một nguyên nhân thúc đẩy Einstein mở rộng thuyết tương đối đặc biệt vì ông nhận ra có một mâu thuẫn giữa thuyết này (theo đó vận tốc của mọi tín hiệu đều có hạn, kể cả ánh sáng) và luật cổ điển vạn vật hấp dẫn (theo đó trọng lực truyền đi với vận tốc vô hạn để vạn vật hút nhau tức thì). Vậy bằng cách nào đó sửa đổi luật hấp dẫn Newton sao cho hòa đồng với thuyết tương đối hẹp sẽ tự động giải đáp được mâu thuẫn nói trên. Dùng nguyên lý tương đương giữa gia tốc và trọng lực như một tiền đề, ông suy diễn, dùng dụng cụ toán học để tìm một định luật mới về hấp dẫn, hơn nữa còn đề xuất những hệ quả và tiên đoán những hiện tượng kiểm soát đo lường được. Cách tiếp cận cách tân như vậy khởi đầu từ Galilei - trong đó suy luận, phê phán bằng lý tính và kiểm chứng bằng thực nghiệm đóng vai trò chủ đạo - là bài học sâu xa cho hậu thế và tiếp tục làm kim chỉ nam cho tiến trình nghiên cứu sáng tạo của khoa học ngày nay. 3- Không-thời gian bốn chiều biến dạng từ phẳng sang cong 3a - Vài điều sơ đẳng về thuyết tương đối hẹp, một giai đoạn tối quan trọng cần thấu triệt để đi xa hơn nữa trong tiến trình khám phá ra thuyết tương đối rộng. Einstein khởi đầu bằng chấp nhận nguyên lý tương đối áp dụng cho điện-từ như một tiền đề - theo đó vận tốc ánh sáng bao giờ cũng cố định và bằng c, không thay đổi trong bất kỳ các hệ quy chiếu quán tính nào - mà Michelson và Morley đã chứng tỏ bằng thực nghiệm. Trong hai hệ quy chiếu, một đứng yên (toạ độ x,y,z,t), một di chuyển đều đặn với bất kỳ vận tốc v cố định (toạ độ x’,y’,z’,t’), vận tốc ánh sáng không thay đổi được diễn tả bằng ngôn ngữ toán học là bình phương khoảng cách s² của ánh sáng truyền đi trong hai hệ quy chiếu phải như nhau hay bất biến[12] : s² ≡ (x² + y² + z²) - (ct)² = (x’² + y’² + z’²) - (ct’)². Với thời gian phổ quát duy nhất của Newton (t = t’) thì s² không sao bất biến được và đã làm đau đầu bao nhà khoa học. Điểm then chốt của thuyết tương đối hẹp là các vị Lorentz, Poincaré, Einstein mỗi người một cách đã phát kiến ra hệ số ρ = 1 ⁄ √(1− v² ⁄c²) ≥ 1 chìa khoá mở đường vô cùng quan trọng cho cơ học tương đối tính[13]. Từ tiền đề nguyên lý tương đối và hệ số ρ, Einstein suy ra nhiều hệ quả kiểm chứng được bằng thực nghiệm, trước hết là phương trình E = ρmc² của thế kỷ, liên kết năng lượng E khổng lồ với khối lượng m nhỏ bé[14], tuyệt vời và đại chúng. Thông điệp thứ hai, sâu sắc và kỳ lạ, là chẳng có một thời gian tuyệt đối và phổ quát trong một không gian biệt lập với thời gian. Có muôn ức thời gian (t’ và t dẫu khác nhau nhưng cả hai đều chỉ định thời gian trong hai hệ quy chiếu) nhanh chậm không đồng đều, thời gian của mỗi hệ quy chiếu tùy thuộc vào vận tốc chuyển động của hệ ấy. Mỗi thời-điểm phải gắn quyện với mỗi không-điểm trong một thực tại bốn chiều gọi là thế giới Minkowski để diễn tả một sự kiện. Khoảng cách thời gian của bạn khác của tôi, ở mỗi điểm không gian lại gắn liền một đồng hồ đo thời gian với nhịp điệu tích tắc khác nhau[15]. Sở dĩ bạn và tôi tưởng rằng chúng ta chia sẻ một thời gian phổ quát, chỉ vì cộng nghiệp con người trong cái không gian quá nhỏ bé của trái đất so với vũ trụ, bạn và tôi đâu có xa nhau gì, vận tốc tương đối giữa chúng ta thấm gì so với vận tốc ánh sáng (v²⁄c² « 1, ρ ≈ 1). Hơn nữa không có mũi tên thời gian lạnh lùng trôi của trực giác mà cơ học cổ điển Newton thừa nhận, cũng không có khái niệm hiện tại, cái bây giờ chẳng thể xác định và giữ vai trò ưu tiên đặc thù nào hết vì cái lúc nào phải đi với cái ở đâu. Hơn nữa, không gian và vật chất, cái vỏ chứa và cái bị chứa, lại như hình với bóng trong vũ trụ vô thuỷ vô chung co dãn (thuyết tương đối rộng, xem phần 4, 5). Đã không có hiện tại thì nói chi đến quá khứ và tương lai, đó là nội dung triết học quá ư kinh ngạc của thuyết tương đối hẹp và rộng trong nhận thức về thời gian, nó không phải là mũi tên trôi một chiều từ quá khứ đến tương lai mà chỉ là một trong bốn thành phần của thực tại mang tên gọi không-thời gian chẳng cứng nhắc mà đàn hồi. Diễn tả hàm súc nhất về nhận thức này có lẽ nằm trong bức thư Einstein gửi cho con trai của Besso[16] khi nghe tin bạn mất. Bức thư viết: ‘’Vậy bạn đã trước tôi một chút giã từ cái thế gian lạ lùng này. Nhưng cái đó chẳng nghĩa lý gì. Đối với chúng ta, những nhà vật lý có xác tín, sự chia cách quá khứ, hiện tại, tương lai chỉ là một ảo tưởng, dẫu nó dai dẳng đến thế nào’’. Điều cơ bản cần nhấn mạnh là không gian và thời gian chẳng còn biệt lập nhưng mật thiết liên đới trong một thực thể bốn chiều không-thời gian mà Einstein sẽ khai thác sâu xa thêm trong lý thuyết tương đối rộng với sự thay đổi toạ độ quy chiếu phi quán tính (gia tốc ≠ 0). 3b- Chúng ta khởi đầu đi từ không gian ba chiều tuyệt đối của Newton để sang thế giới không-thời gian bốn chiều của Minkowski, cả hai đều phẳng theo nghĩa hình học Euclid. Nếu khoảng cách vi phân bình phương trong không gian ba chiều là |dX|² = dx² + dy² + dz² (quỹ tích là mặt cầu Ѕ2 trơn tru) thì bình phương khoảng cách vi phân ds² trong không-thời gian bốn chiều là ds² = (dx² + dy² + dz²) - (cdt)² (quỹ tích biểu hiện bởi hình hyperboloïd Ѕ3 trơn tru). Đó cũng là định lý Pythagoras mở rộng trong bốn chiều với các hệ số ±1 thay vì chỉ có +1 của |dX|². Khi mở rộng quy mô vận chuyển không gia tốc của thuyết tương đối hẹp (với hình học phẳng của không-thời gian bốn chiều Minkowski) sang quy mô vận chuyển có gia tốc của thuyết tương đối rộng, năm 1912 (vâng 5 năm sau cái ý tưởng sung sướng nhất trong đời, trải qua bao nhiêu gian lao), trực giác của Einstein cảm thấy cấu trúc hình học phẳng sẽ phải biến dạng sang hình học cong[17] vì gia tốc còn hàm nghĩa sự quay, uốn lượn mà mặt phẳng hay hình cầu trơn tru giản dị không diễn tả được hết cái phức tạp, tế nhị của mọi quỹ đạo trong thiên nhiên. Để thống nhất các ký hiệu toán dùng trong hình học bốn chiều phẳng hay cong, thay vì t, x, y, z, ta hãy dùng bốn tọa độ ct ≡ x0, x ≡ x1, y ≡ x2, z ≡ x3, và định nghĩa một tứ-vectơ xμ là vectơ có bốn thành phần x0, x1, x2, x3 (thay vì vectơ quen thuộc x với ba thành phần x,y,z trong không gian ba chiều). Trong hình học phẳng Minkowski, bình phương khoảng cách ds² = (dx² + dy² + dz²) - (cdt)² giữa hai không-thời điểm xμ và (xμ +dxμ) sẽ viết dưới dạng ds² = ημν dxμ dxν, các chỉ số μ (hay ν) có giá trị 0, 1, 2, 3 và hệ số ημν là những con số thực như +1 hay −1 (thí dụ ηoo = −1, ηi i = +1, ηoi = ηio = ηij = 0 với i ≠ j, i hay j là 1,2,3). Ngoài ra trong ký hiệu ngắn gọn ημν dxμ dxν, ta theo quy ước[18] Riemann-Einstein làm tổng hợp các đóng góp của cả hai chỉ số μ,ν. Làm sao mở rộng sang hình học cong những hệ số ημν quá đơn sơ của hình học phẳng Minkowski? Einstein nhớ lại những bài giảng (của thầy dạy toán C.F.Geiser khi ông là sinh viên ở ETH) về mặt cong hai chiều Ѕ2 mà nhà toán và vật lý học trứ danh Karl F. Gauss[19] đã từng phân tích cấu trúc lồi lõm của mặt quả bóng bầu dục, so sánh với mặt quả cầu trơn tru. Ngoài ra còn công trình của nhà toán học Bernhard Riemann, môn đệ của Gauss, đã tổng quát hóa kết quả của thầy từ bề mặt bầu dục hai chiều sang trường hợp nhiều chiều. Để mở đầu ta hãy xét trường hợp những bề mặt hai chiều và nhận thấy khoảng cách giữa hai điểm kế cận vi phân trên mặt quả cầu tròn trơn tru chẳng khác chút nào khoảng cách giữa hai điểm kế cận vi phân trên mặt phẳng, nếu ta hình dung bao quanh hai điểm trên mặt cầu bằng trang giấy phẳng tiếp xúc sát với hình cầu, và hai trục tọa độ thẳng góc trên hình cầu sẽ là hai đường kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc của trái đất lý tưởng phẳng phiu tròn trĩnh. Mặt cầu (như mặt phẳng) sẽ bị bao trùm bởi một mạng lưới gồm muôn vàn hình vuông vi phân, ta chỉ cần hai toạ độ x, y như trên mặt phẳng để xác định khoảng cách dl giữa hai điểm vi phân trên mặt cầu, dl² = dx² + dy². Nếu mặt cầu (hay bóng bầu dục) lồi lõm, ta cũng chẳng cần một tọa độ thứ ba để đo chiều cao hay chiều sâu, nhưng mạng lưới hình vuông sẽ thành mạng lưới của các hình bình hành bao bọc mặt cầu lồi lõm này. Định lý Pythagoras của hình bình hành (chữ nhật không vuông góc) cho ta khoảng cách dl giữa hai điểm vi phân của mặt hai chiều Ѕ2 lồi lõm: dl² = g11 dx² + 2g12 dxdy + g22 dy². Vì mỗi điểm lồi lõm khác nhau bị bao quanh bởi mỗi hình bình hành khác nhau (không như trường hợp mặt cầu trơn tru chỉ có một hình vuông duy nhất ở mọi điểm), nên ba hệ số g11, g12 và g22 không nhất thiết là con số mà là hàm của x, y trong trường hợp chung tổng quát, vậy ta có g11(x, y), g12(x, y), g22(x,y). Suy từ hai chiều sang bốn, ta thấy với không-thời gian bốn chiều cong uốn của hình học Riemann, bình phương khoảng cách giữa hai điểm kế cận vi phân (xμ và xμ + dxμ) phải là ds² = gμν(xλ) dxμ dxν (I) và ta gọi gμν(xλ), hàm của tứ-vectơ xλ, là metric (như mét) đo lường khoảng cách giữa hai không-thời điểm trong cấu trúc hình học cong bốn chiều. Sự đối xứng toàn diện trong hoán chuyển μ ↔ ν của ds² bảo cho ta có tất cả mười[20] thành phần gμν(xλ) gộp lại trong một đại lượng duy nhất mà ta gọi là ma trận 4×4 g(xλ), cũng như những tứ-vectơ xλ, xμ, xν đều có bốn thành phần x0, x1, x2, x3. Để tóm tắt, trong giai đoạn đầu thai nghén của thuyết tương đối rộng, Einstein đặt nền tảng hình học của một không-thời gian cong trong đó khoảng cách bình phương giữa những sự kiện vật lý tạo thành những hình hyperboloïd[21]. Hình này là quỹ tích của tập hợp các điểm cách trung tâm hệ quy chiếu O một độ dài ds trong thế giới cong bốn chiều, cũng như mặt hình cầu là quỹ tích của tập hợp các điểm cách trung tâm O một độ dài |dX| trong thế giới phẳng ba chiều. Cấu trúc cốt lõi của hình học cong chính là metric gμν(xλ), một hàm tổng quát của tứ-vectơ xλ. Không có hệ qui chiếu nào ưu tiên hơn hệ khác để diễn tả các hiện tượng vật lý, các định luật vật lý đều phải giữ nguyên dạng trong bất kỳ hệ qui chiếu phi quán tính nào mà ta chọn. Einstein gọi nó là nguyên lý tương đối tổng quát, mở rộng cái nguyên lý tương đối hẹp của Galilei như đã trình bầy ở đoạn 2. 3c- Giai đoạn thứ hai vô cùng quan trọng trong tiến trình xây dựng thuyết tương đối rộng là sự đồng nhất hóa metric gμν(xλ) của cấu trúc hình học thuần túy với trọng trường của vật lý. Đó quả thật là một cách mạng trong tư duy khoa học của loài người khi Einstein gắn bó hai đại lượng cơ học và hình học mà trước ông ai cũng nghĩ rằng hoàn toàn khác biệt. Nó thể hiện ý tưởng sung sướng nhất đời của Einstein mà ông gọi là nguyên lý tương đương giữa gia tốc và trọng trường đã nói ở trên. Thực thế chúng ta hãy xem xét một quan sát viên trong hệ quy chiếu quán tính của không-thời gian phẳng bốn chiều Minkowski, người ấy không nhận ra một trọng trường nào cả, mọi vật không rơi mà di chuyển đều đặn hay đứng yên, và thước đo lường khoảng cách không-thời gian là metric đơn sơ ημν. Nay người ấy ở trong thang máy rơi với gia tốc ≠ 0, anh ta thấy hai điều (i) tọa độ không-thời gian sẽ biến đổi một cách phi tuyến tính với metric gμν(xλ) thay đổi từ điểm này sang điểm kia rất phức tạp (ii) mọi vật trong thang rơi nhanh, sự chuyển động có gia tốc này giống như tác động của một trọng trường ảo, vậy metric gμν(xλ) diễn tả trọng trường theo nguyên lý tương đương. Cái gắn bó đồng nhất giữa hình học và cơ học, giữa metric và trọng trường đưa ta đến kết luận là hai vật hút nhau chỉ vì hai vật đó rơi tìm nhau theo con đuờng trắc địa của hình học cong diễn tả bởi gμν(xλ). Đường trắc địa[22] là con đường tối ưu (ngắn hay dài nhất) nối kết hai điểm A và B với nhau, đó chính là quỹ đạo của hai vật đặt ở A, B chuyển động tự nhiên (chẳng do một lực hút nhau nào tác động lên chúng cả) trong cái thế giới cong bốn chiều của không-thời gian. Dưới ánh đèn huyền ảo của thuyết tương đối rộng, hiện tượng vạn vật hấp dẫn cổ điển ‘cơ bắp’ của Newton nay tỏa hiện như cảnh tượng cong uốn của không gian để làm vật chất rơi tìm nhau! 3d- Giai đoạn cuối cùng trong quá trình xây dựng thuyết này là Einstein truy tầm nguồn gốc của cấu trúc không-thời gian cong, nghĩa là khám phá ra phương trình mà metric hình học gμν(xλ) - nay chính là trọng trường - phải tuân theo. Newton đã chứng minh chính khối lượng của một vật, vừa là nguyên nhân tạo ra trọng trường tác động lên vạn vật, cũng vừa là quán tính diễn tả vật ấy chịu sự chi phối của trọng lực tạo ra bởi các vật khác nó. Vì năng lượng cũng là khối lượng (m = E/c²) theo thuyết tương đối hẹp, vậy chính mật độ năng lượng đã tạo ra cái cấu trúc cong của không-thời gian bốn chiều để vạn vật rơi vào nhau theo những đường trắc địa. Hơn nữa, mật độ năng lượng phân phối trong không-thời gian chỉ là một trong mười thành phần của tenxơ năng-xung lượng[23] Tμν, vậy tenxơ Tμν này mới chính là nguyên nhân tạo ra metric gμν(xλ) để diễn tả cấu trúc cong của không-thời gian. Chắc chắn chẳng phải ngẫu nhiên mà cả hai đại lượng gμν(xλ) và Tμν đều có đúng mười thành phần đối xứng với hoán chuyển μ↔ ν, hệ quả của sự nhất quán giữa toán với vật lý trong cách suy luận và diễn tả. 4- Cổng Rashomon và ống khói nhà máy Lý thuyết tương đối rộng, hay định luật vạn vật hấp dẫn của Einstein[24] có thể tóm tắt trong một câu: Không-Thời gian chẳng cứng nhắc mà đàn hồi, hình học Minkowski bốn chiều phẳng lặng bị biến dạng thành cong uốn bởi năng-khối lượng của vật chất. Chính sự phân phối năng lượng đã tạo ra cấu trúc cong của không-thời gian nhờ đó vạn vật rơi vào nhau như một biểu hiện của trọng trường chứ không có sức hút nào giữa chúng cả. Ý tưởng vật lý đã thành hình, vấn đề còn lại của Eintein là tìm ra phương trình toán học để diễn tả sự biến dạng đàn hồi của thế giới phẳng Minkowski. Tính đàn hồi của một vật là khả năng vật đó trở lại trạng thái ban đầu khi mất đi dần lực áp đặt lên nó để làm nó biến dạng, và Robert Hooke[25], nhà bác học Anh (1635-1703) đồng thời với Newton, đã đặt nền móng khảo sát tính chất này với phương trình B = κ T, ký hiệu B chỉ sự biến dạng đàn hồi và T là lực căng làm biến dạng vật. Trong trường hợp không-thời gian bị biến dạng bởi năng-khối lượng, lực căng này chính là tenxơ năng-xung lượng Tμν như đã phân tích ở trên, hệ số tỷ lệ κ nhỏ thì biến dạng ít, hay 1/κ lớn thì không-thời gian càng cứng nhắc. Sự tìm kiếm toán tử B làm biến dạng cấu trúc hình học phẳng kéo dài trong ba năm gian lao, khởi đầu vào tháng tám năm 1912 khi Einstein từ chức giáo sư Đại học ở Praha để trở về đảm nhận chức vụ giáo sư thực thụ ở trường cũ Bách khoa công nghệ Zürich (ETH). Tại đây ông đề nghị cộng tác với bạn xưa cùng trường Marcel Grossmann, một nhà toán hình học nay là chủ nhiệm khoa toán-lý của ETH trong việc tìm kiếm toán tử B. Nhà toán Grossmann, không quen thuộc với hình học không gian phi thuần nhất (chứa đựng vật chất và năng-xung lượng) mà nhà vật lý Einstein cần đến, bèn tham khảo tài liệu, thư mục và mách bảo cho bạn những điều cần thiết chứa đựng trong công trình của Riemann và những nhà toán học kế tiếp như Christoffel, Ricci và Levi-Civita để Einstein đi từ gμν(xλ) mà xây dựng nên đối tượng toán học B(gμν(xλ)) ≡ Bμν. Toán tử Bμν làm biến dạng cấu trúc hình học phẳng thành cong không đơn sơ chỉ là sự khác biệt gμν(xλ) – ημν như ta mơ hồ đoán vậy. Thực thế, theo nguyên lý tương đương giữa trọng trường (vật lý) và gia tốc (hình học) ‘sung sướng nhất đời ông’ trong cái không-thời gian với cấu trúc tổng quát phức tạp gμν(xλ), ta để thang máy rơi tự do và câu hỏi là trọng trường có thực sự bị xoá bỏ đi ở mọi điểm trong cái thang rơi có gia tốc? Câu trả lời là sự xóa bỏ trọng trường bởi gia tốc không trọn vẹn, hãy còn chút đỉnh thặng dư vì thực ra hai điểm cách nhau vi phân không rơi đồng nhất như hệt nhau với cùng một gia tốc. Điều này thể hiện qua việc metric gμν(xλ) thay đổi từ điểm này sang điểm kia. Cái thặng dư gia tốc đó có thể mường tượng qua thí dụ thủy triều của nước biển sớm tối trào lên và rút đi. Thực vậy nước biển ở phần bán cầu trái đất gần mặt trăng (mặt trời) bị ‘rơi kéo’ vào mặt trăng (mặt trời) với gia tốc khác với gia tốc của nước biển ở bán cầu đối nghịch xa mặt trăng (mặt trời), và sự khác biệt kép ấy chính là nguyên nhân của thủy triều. Vậy làm sao tính cái thặng dư gia tốc ở mỗi thời-không điểm? Mà nói đến sự khác biệt của gμν(xλ) giữa hai điểm vi phân xλ và xλ + dxλ là nói đến đạo hàm, vậy ta không ngạc nhiên khi thấy đạo hàm của gμν(xλ) (như hệ số Christoffel và tenxơ Ricci Rμν diễn tả độ cong của hình học Riemann) xuất hiện trong Bμν, và ông tìm thấy Bμν = Rμν – (½)Rgμν, đó là chặng đường vất vả nhất kéo dài ba năm[26]. Giai đoạn chót là xác định được hệ số κ trong phương trình Bμν = κTμν. Để tìm nó, định luật hấp dẫn cổ điển của Newton được Einstein khai thác như một dạng xấp xỉ gần đúng[27] của phương trình R00 – (½)Rg00 = κT00. Thực thế, thành phần T00 (phụ chú 23) vì tỷ lệ thuận với mật độ năng lượng E = mc2 nên cũng tỷ lệ với mật độ khối lượng m trong thể tích của một vật nào đó (trái đất chẳng hạn) và chính m tạo ra gia tốc Gm/R2 áp đặt lên các vật khác (ở cách nó một đoạn không gian R) để làm chúng vận hành, và ông xác định được[28] hệ số κ = 8πG/c4, G là hằng số Newton của trọng lực. Ngày 25 tháng Mười Một năm 1915, nhà vật lý Einstein sau ba năm lăn lộn với hình học đã trao tặng cho nhân loại thuyết tương đối rộng mà ngày nay mang đầy tính thời sự khoa học nóng hổi từ nghiên cứu cơ bản (Vũ trụ và sự hình thành, Big bang, Big crunch, Lỗ đen, Siêu dây, Năng lượng và Vật chất tối, Chân không lượng tử, Lý thuyết Thống nhất Toàn thể) đến muôn vàn ứng dụng (Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS[29] mà chúng ta dùng hàng ngày trong các phương tiện di chuyển là một thí dụ). Mời bạn đọc chiêm ngưỡng phương trình Einstein mà vế trái mô tả hình học không-thời gian bốn chiều trong đó vận hành vạn vật, còn vế phải là vật chất xây dựng nên cái cấu trúc cong uốn của không-thời gian: Rμν – (½)R gμν = (8πG/c4)Tμν (II) Trong mười thành phần của phương trình Einstein, chỉ có thành phần 00 là tương hợp với định luật cổ điển vạn vật hấp dẫn của Newton (sau khi ta áp dụng phép tính xấp xỉ gần đúng), còn chín cái khác là mới. Thông điệp vật lý gói ghém trong phương trình trên có thể tóm tắt như sau: khối lượng áp đặt không-thời gian phải cong đi, còn không-thời gian chi phối bắt khối lượng phải chuyển động ra sao. Sự vận hành của vật chất (ánh sáng cũng là vật chất) bởi trọng trường không do một lực cơ bắp nào hết mà thực ra sự di chuyển đó lại ‘trây lười nhất’ theo đường trắc địa trong một không-thời gian bị cong bởi sự hiện hữu và phân phối của vật chất. Đáp lại, vật chất và năng lượng luôn luôn biến chuyển của chúng cũng tác động tới độ cong của không-thời gian, và cứ thế tiếp diễn liên hồi vũ điệu giữa cơ học và hình học. Mật độ năng-xung lượng càng lớn ở đâu thì không-thời gian cong uốn càng nhiều ở đấy, đó là gốc nguồn của lỗ đen, một không-thời gian tận thế ở đó bất kỳ vật chất nào, kể cả ánh sáng và tín hiệu thông tin, khi đi gần đều bị hút chặt vào chẳng sao thoát khỏi. Mời bạn đọc coi bức thư ông gửi ngày mồng 9 tháng giêng năm 1916 cho Karl Schwarzschild (nhà vật lý thiên văn Đức đang hành quân ở mặt trận Nga-Đức trong thế giới đại chiến 1914-1918, vào những giờ phút ngừng bắn đã đầu tiên giải được chính xác phương trình của thuyết tương đối rộng mà Einstein vừa công bố tháng trước): “cái đặc điểm của lý thuyết mới này là không gian và thời gian tự chúng chẳng có tính chất vật lý gì cả. Nói đùa thôi, giả thử mọi vật trên đời biến mất, thì theo Newton ta hãy còn một không gian rỗng tuếch phẳng lặng mênh mang và mũi tên thời gian vẫn lặng lẽ trôi, nhưng theo tôi thì tuyệt nhiên chẳng còn chi hết, cả không gian lẫn thời gian và vật chất[30]!” Thực là một cuộc cách mạng về tư duy mà Einstein mang đến cho nhân loại: chính vật chất trong đó có da thịt tâm tư con người xây dựng ra vũ trụ. Vật chất và không-thời gian chỉ là hai khía cạnh của một bản thể duy nhất, cái này sinh cái kia, không có cái này thì cũng chẳng có cái kia. Nhà vật lý Nhật bản Yoichiro Nambu[31] qua bức tranh nửa trào lộng nửa trầm tư minh họa vế trái phương trình Einstein bằng cổng Rashomon xa xưa của một thoáng không gian thanh thoát bên bờ suối, còn vế phải bên kia cầu vương vấn trong cảnh trần ai bởi khói than nhà máy phản ánh vật chất nặng nề! Ngay sau khi khám phá ra phương trình (II) của thuyết tương đối rộng, Einstein đề xướng hai phương thức để kiểm chứng thuyết đó bằng thực nghiệm[32]. Để đánh giá phần nào gia tài tri thức mà Einstein trao cho nhân loại, mời bạn đọc nhớ lại vào cuối thế kỷ 19, khoa học thời ‘tiền tương đối’ được hiểu như sau : Không gian ba chiều như một sự thực tiên nghiệm ‘trời cho’, một sân khấu lạnh lùng hoàn toàn biệt lập với vật chất thao diễn trong đó. Cấu trúc hình học của không gian phẳng (tổng cộng ba góc hình tam giác bằng 180 độ) đã được khai thông bởi các nhà hiền triết Hy lạp Euclid, Pythagoras từ hơn hai thiên niên kỷ. Thời gian như một mạch đập ‘hiện sinh’ của vũ trụ, một mũi tên lặng lẽ trôi vô thủy vô chung. Vật chất là một thực thể thường trực vĩnh viễn không sinh không hủy, và sau hết Lực tác động tức thời lên vật chất làm chúng vận hành. Einstein đã cho ta một nhận thức khoa học và triết học khác: bước chuyển thời gian là một ảo tưởng, chỉ có một thực tại duy nhất không-thời gian bốn chiều gắn bó với nhau, chẳng có cái ‘bây giờ’. Vạn vật phù du, vô thường hằng, không ngừng đổi biến. Hơn nữa toàn bộ Không gian, Thời gian, Lực, Vật chất chẳng sao tách biệt, cặp không-thời gian (cái vỏ chứa) và cặp lực-vật chất (cái được chứa) chồng chéo liên kết với nhau, cấu trúc không phẳng mà cong uốn của không-thời gian (cái vỏ) được xây dựng bởi chính cái nội dung vật chất chứa đựng trong vỏ. Năng lượng là gốc nguồn chung cho tất cả, từ đó vật chất, lực, không gian, thời gian được tạo dựng nên.
|
|
|
Post by NhiHa on Jul 16, 2010 4:22:25 GMT 9
5-Hiện tình và triển vọng
Dẫu mang quá khứ huy hoàng, hoạt động khoa học nghiên cứu ở Âu châu - quê hương của Lượng tử và Tương đối, hai trụ cột của vật lý hiện đại mà hơn ai hết Max Planck và Albert Einstein đóng góp vào - đã phần nào bị lu mờ trong nửa thế kỷ sau Đệ nhị Đại thế Chiến 1939-1945 thảm khốc và phân hoá đông-tây. Năm nay 2008 mở đầu một bước ngoặt đánh dấu sự phục hưng của nền vật lý ở châu lục này với hai sự kiện nổi bật: trên trời có vệ tinh Planck được phóng lên không trung với kính viễn vọng tân kỳ để quan sát đo lường ánh sáng tàn dư từ thủa Nổ lớn (Big bang) xẩy ra cách đây khoảng 13.7 tỷ năm với chi tiết chưa từng đạt, duới sâu hơn trăm thước trong lòng đất có máy gia tốc hạt LHC (Large Hadron Collider) ở CERN[33] với chu vi 27 cây số, khắp năm châu duy nhất chỉ có máy này đạt tới năng lượng cực cao làm đầu tầu trong công cuộc khám phá, đào sâu tìm hiểu, thống nhất các định luật cơ bản tận cùng của vạn vật. Mồng Mười tháng Chín năm 2008, máy gia tốc LHC sẽ khởi động và chương trình khám phá ưu tiên là việc săn tìm hạt cơ bản Higgs[34], hạt tạo ra khối lượng cho vật chất, đề tài mũi nhọn của vật lý hiện đại, chìa khóa mở đường cho sự thống nhất hoà quyện Lượng tử với Tương đối rộng. Xin nhắc lại khối lượng là cơ nguyên khởi đầu của không-thời gian, của vạn vật, của vũ trụ. Không có khối lượng tức năng lượng thì chẳng còn gì hết. Nền tảng của mô hình chuẩn là sự hiện hữu thiết yếu của hạt Higgs vô hướng tràn ngập không gian để cung cấp khối lượng cho tất cả các hạt khác khi tương tác với nó. Lý thuyết và thực nghiệm, tay trong tay vươn tìm những bến bờ xa xăm sâu thẳm nhất của tri thức khoa học, tiếp nối khát vọng chung của con người xưa nay không ngừng tìm hiểu thiên nhiên và bản thể của các hiện tượng. Hơn bao giờ hết và càng ngày càng rõ nét là cách tiếp cận cách tân của hai thế giới liên thông mật thiết: vĩ mô của vũ trụ bao la diễn giải bởi thuyết Tương đối rộng và vi mô của hạt cơ bản diễn giải bởi thuyết Lượng tử. Vệ tinh Planck và máy gia tốc hạt LHC theo thứ tự là hai công cụ thực nghiệm hiện đại sẽ khởi động năm nay 2008 trong công cuộc đo lường, tìm hiểu, khám phá, giải thích một cách nhất quán những bí ẩn của hai thế giới vĩ mô và vi mô nói trên. Ngành khoa học thống nhất và bổ túc lẫn nhau của hai thế giới đó mang tên gọi thiên văn-vật lý hạt (astro-particle physics). Xa xưa thiên văn ngụ ý ngắm nhìn quan sát thụ động các tinh tú vận chuyển, thêm bước nữa là thiên văn-vật lý tìm hiểu các hiện tượng phóng xạ và hình thành biến đổi của các thiên hà, tinh thể qua các định luật phổ quát của vật lý, ngày nay thiên văn hầu như đồng nghĩa với vũ trụ học và gốc nguồn của nó (tinh nguyên học) mà cốt tủy là thuyết tương đối rộng. Thuyết này như nàng Bạch Tuyết sau hơn nửa thế kỷ thiu thiu ngủ đã bừng tỉnh cùng ông hoàng Lượng Tử cất cánh vươn xa tìm biên giới của tri thức.
5a- Mấy bước ban đầu :
Einstein là người trước tiên nhận ra cái toàn bộ chẳng sao tách biệt giữa vật chất-lực (cái bị chứa) và không-thời gian (cái vỏ chứa). Tất cả chỉ là một mà ông gọi là vũ trụ và khoa học nghiên cứu cái toàn bộ đó mang tên là vũ trụ học mà nguyên tắc - được ông xây dựng trong một công trình ra đời tháng Hai năm 1917- vẫn tiếp tục làm nền tảng rọi sáng cho mãi đến ngày nay, mặc dầu thay đổi nhiều về chi tiết và mô hình ban đầu. Trước hết ông nhận thấy phương trình (II) của thuyết tương đối rộng i>không có nghiệm số nào tương ứng với một vũ trụ vĩnh cửu bất biến với thời gian mà định kiến ngàn xưa đều tin chắc như vậy, ngay cả với con người cấp tiến như Einstein! Ông đành thêm vào vế trái phương trình (II) một số hạng Λ gμν (ông gọi Λ > 0 là hằng số vũ trụ vì nó chẳng có hệ quả cục bộ nào ở bất kỳ các quy mô lớn hay nhỏ) để có được một nghiệm số diễn tả vũ trụ ấm êm tĩnh lặng, tuy cong về không gian nhưng lại phẳng (không thay đổi) với thời gian. Nhưng chỉ vài năm sau đó, các nhà thiên văn vật lý W. de Sitter (Hà Lan), A. Friedmann (Nga) và G. Lemaître (Bỉ) khi xem xét toàn diện mười thành phần của phương trình (II) chứng minh là vũ trụ không những cong về không gian mà cũng phải cong cả với thời gian, vậy vũ trụ hoặc dãn nở hoặc co nén chứ không tĩnh tại. Hỗ trợ quyết định cho phần lý thuyết trên xẩy ra năm 1929 khi nhà thiên văn Mỹ E. Hubble đo lường quang phổ ánh sáng của các thiên hà và phát hiện chúng đồng loạt có tần số sóng bị giảm đi so với quang phổ đo trên trái đất. Tương tự như hiệu ứng Doppler trong âm thanh, theo đó tiếng sáo phát ra trên tàu chạy xa bến thì người đứng yên trên bến nghe sáo trầm hơn, ngược lại nếu tàu tiến gần vào bến, tiếng sáo nghe bổng hơn[35]. Vì quan sát thấy tần số ánh sáng giảm, Hubble suy ra là khoảng cách từ chúng ta tới các thiên hà tỷ lệ thuận với tốc độ của chúng, càng ở xa vận tốc càng lớn. Như vậy vũ trụ không còn tĩnh lặng mà dãn nở như quả bóng khi ta bơm hơi vào, một thực tại chẳng sao chối cãi. Sự kiện thiên văn quan trọng hàng đầu này ngày nay được xác định rất vững vàng bởi nhiều đo lường khác, do đó hằng số Λ (mà Einstein đưa ra như một tiên đề để giữ tĩnh lặng cho vũ trụ) chẳng còn cần thiết nữa khiến ông coi đó là sai lầm lớn nhất trong đời mình. Nhưng cái gì làm vũ trụ dãn nở? Nhiều nhà vật lý cho rằng có thể chính là hằng số Λ. Ai ngờ cái sai lầm hơn nửa thế kỷ trước, nay có thể trở nên một thành viên chủ yếu chiếm ngự đến 70 % năng lượng của hoàn vũ dưới cái tên mới là năng lượng tối để làm dãn nở vũ trụ, cái năng lượng tối đầy bí ẩn này chưa ai biết là gì tuy nhiên nó chẳng phải do vật chất tạo thành mà lại mang đặc tính năng lượng của chân không[36]. Việc tiên đoán sự dãn nở của vũ trụ thực là một kỳ công của thuyết tương đối rộng.
5b- Vụ Nổ lớn (Big Bang):
Đo lường được vận tốc dãn nở (hằng số Hubble) của vũ trụ ngày nay, bạn hãy mường tượng thời gian lần ngược trở lại tựa như một cuốn phim chiếu giật lùi và thấy các thiên hà càng xa xưa bao nhiêu lại càng sát gần nhau bấy nhiêu khiến cho vũ trụ trước kia nhỏ hơn và phải có lúc xuất phát từ một khoảng không gian li ti. Ta suy ra khoảng 13.7 tỷ năm trước có một hiện tượng kỳ dị theo đó, từ một nguồn năng lượng và nhiệt độ vô hạn, nén ép trong một không gian cực kỳ nhỏ bé đã xẩy ra vụ Nổ lớn làm không gian dãn nở rồi lạnh dần để hình thành vũ trụ như ta quan sát ngày nay với hàng trăm tỷ thiên hà trong đó có giải sông Ngân và trái đất xanh lơ của chúng mình. Nơi xảy ra vụ nổ lớn chính là chỗ bạn đang ở, cũng như ở bất cứ nơi đâu trong vũ trụ bao la vì ở thời-điểm ấy, mọi chỗ ngày nay tách biệt hàng tỷ năm ánh sáng thực ra đã cùng chụm lại ở cái không-điểm kỳ dị ấy[37], chẳng có một trung tâm vũ trụ ban đầu nào cả. Theo G. Gamow, phương pháp tinh tế nhất để kiểm chứng bằng thực nghiệm mô hình Big Bang là quan sát được hiện tượng bức xạ nền[38], tức là sóng điện từ vi ba tràn ngập không gian. Đó là ánh sáng rơi rớt lại từ thuở Big Bang (nhiệt độ 1032 độ ban đầu cách đây khoảng 13.7 tỷ năm, nay nguội dần chỉ còn 2.735 độ K tuyệt đối). Bức xạ nền có hệ quang phổ của một vật đen[39], đối tượng nghiên cứu đã đưa Planck đến giả thuyết lượng tử[40]. Mười năm qua chứng kiến nhiều phát triển trong sự hiểu biết của chúng ta về mô hình chuẩn vũ trụ mang tên gọi ΛCDM [41] mà nòng cốt là vụ Nổ lớn.
5c- Lỗ đen:
Ở nơi đâu tập trung mật độ năng-khối lượng càng lớn thì sự biến dạng đàn hồi của không-thời gian càng nhiều ở đó, sự biến dạng tăng trưởng cho đến khi tính dẻo dai của nó bị đứt, tựa như cao su nếu bị kéo quá căng sẽ hết co dãn đàn hồi. Khi trọng trường lớn vô hạn, sự thay đổi trạng thái từ dẻo dai sang đứt vỡ làm xuất hiện các không-thời điểm kỳ dị, một hiện tượng tổng quát của thuyết tương đối rộng. Đại lượng đo sự biến dạng của không-thời gian là h00(x) ≈ hii (x) ≈ 2GM/(c2x), phụ chú 27. Khi 2GM/(c2x) ≈ 10–6 như trường hợp mặt trời, ta có thể dùng phép tính toán xấp xỉ gần đúng như Einstein đã dùng để giải đáp hiện tượng tuế sai của Thủy tinh và tiên đoán độ cong của ánh sáng khi đi gần mặt trời (phụ chú 32). Nhưng khi trọng trường cực mạnh như trường hợp lỗ đen và sao neutron, ta không thể dùng phép tính gần đúng nói trên nữa mà phải xét toàn diện chính xác phương trình phi tuyến tính của Einstein. Sao neutron (ở đó electron và proton nén ép thành neutron và neutrino) có mật độ khối lượng vô cùng lớn, đường kính sao R chừng 10 km mà khối lượng M lại lớn như mặt trời, 2GM/(c2R) ≈ 0.4 (con số này so với 10–9 của trái đất), không gian trên sao neutron cong đến nỗi tổng cộng ba góc hình tam giác bằng 250 độ, nhịp độ tích tắc đồng hồ chậm bằng 78% so với đồng hồ chúng ta trên trái đất. Xin nhắc lại mô hình diễn tả cuộc đời của các thiên thể là tiến trình tổng hợp nhiệt hạch của chúng, nôm na là sự phân rã tiêu thụ nhiên liệu hạt nhân nguyên tử của chúng. Quá trình đó đưa đến cấu trúc nhiều vỏ bao quanh nhau của thiên thể, giống như củ hành với nhiều màng lớp. Nếu khối lượng của vì sao đủ lớn, tác động của trọng trường khá mạnh làm tâm lõi của nó bị nén ép xô vào nhau và thu nhỏ lại, còn vỏ ngoài thì bùng nổ tung bay và xuất hiện siêu sao mới (supernova) bừng sáng trong khoảnh khắc. Tùy theo khối lượng lớn bao nhiêu ban đầu, thiên thể này vào cuối đời (khi hạt nhân nguyên tử của nó bị phân rã hết) sẽ biến thành hoặc sao neutron hoặc lỗ đen, diễn tả trạng thái thiên thể bị co ép lại trong một không gian cực nhỏ. Lỗ đen là kết quả của sự sập đổ liên tục của một thiên thể có khối lượng lớn tới hạn, sự sập đổ đó không dừng lại khi hình thành sao neutron mà tiếp tục tới cùng để xuất hiện một không-thời gian kỳ dị (chân trời lỗ đen, 2GM/(c2R) = 1) ở đó từ vật chất đến ánh sáng và tín hiệu thông tin chẳng cái gì thoát ra khỏi[42]. Ngoài mật độ khối lượng M vô cùng lớn, lỗ đen còn mang điện tích Q và tự quay tròn quanh trục của mình với momen J, ba thông số (M,Q, J) xác định tính chất vật lý của nó. Khi nối kết với vật lý lượng tử, S. Hawking và J.D. Bekenstein khám phá ra là lỗ đen cũng phóng xạ nhiệt ra ngoài chân trời tối kín của nó như một vật đen và mang entropi luôn tăng trưởng, một liên hệ sâu sắc giữa vật lý cổ điển (trọng trường, nhiệt động học) và lượng tử.
5d- Đâu rồi phản vật chất ?
Sự hiện hữu của phản vật chất (do Paul A.M. Dirac dùng suy luận mà tiên đoán và C. Anderson khám phá ra sau đó) là hệ quả sâu sắc nhất của bản giao hưởng tuyệt vời giữa hai cột trụ của vật lý hiện đại: tương đối hẹp và lượng tử[43]. Máy chụp hình nổi PET (Positron Emission Tomography) trong y học ngày nay là một ứng dụng trực tiếp của hạt positron (phản electron) để rọi sáng chi tiết vi mô trong não bộ. Có vật chất thì cũng phải có phản vật chất, khi tụ hội chúng tự hủy để biến thành năng lượng, và ngược lại nếu đủ năng lượng thì các cặp vật chất-phản vật chất được tạo ra và đó là chuyện thường xuyên xẩy ra trong các máy gia tốc hạt. Vũ trụ lúc nổ lớn chỉ chứa đựng duy nhất năng lượng với nhiệt độ vô cùng cao, từ đó khi nguội dần đã nẩy sinh ra những cặp vật chất-phản vật chất. Chúng tương tác, biến chuyển, phân rã tuân theo bốn định luật tương tác cơ bản của vật lý: mạnh, yếu, điện từ, hấp dẫn. Số lượng vật chất và phản vật chất phải bằng nhau, chẳng cái nào nhiều hơn cái nào vì vài phút sau Big Bang từ năng lượng thuần khiết ban đầu, chúng đều được hình thành theo từng cặp. Bức xạ nền - mà COBE, WMAP và sau hết vệ tinh Planck năm nay sẽ khởi động đo lường với chi tiết chưa từng đạt - chẳng bảo cho ta ánh sáng tàn dư đó chính là sản phẩm của sự va chạm cách đây 13.7 tỷ năm giữa vật chất và phản vật chất nẩy sinh từ năng lượng cực lớn sao? Mà vật chất chính là nguyên tử, khí và thiên thể giăng đầy vũ trụ ngày nay, còn phản vật chất lại chẳng thấy tăm hơi, tại sao vũ trụ ngày nay lại chỉ có vật chất? Đó là một bí ẩn của mô hình Big Bang vì ba lực (mạnh, điện từ và hấp dẫn) trong bốn tương tác nói ở trên đều tuân theo luật đối xứng vật chất-phản vật chất (đối xứng CP, nói theo ngôn từ của lý thuyết chuẩn các hạt cơ bản), không có sự dị biệt giữa chúng. Chỉ tương tác yếu (ba thí dụ điển hình của tương tác này: sự tổng hợp nhiệt hạch trong tâm mặt trời và các tinh tú, sự phân rã β của các hạt nhân nguyên tử và hạt neutrino) mới vi phạm phép đối xứng CP, theo đó tương tác yếu của phản vật chất và của vật chất không giống y hệt nhau mà khác đôi chút. Sự khác biệt đó được diễn giải hoàn hảo trong mô hình chuẩn hạt cơ bản và được kiểm chứng vô cùng chính xác bằng thực nghiệm. Nhưng sự vi phạm nhỏ của phép đối xứng vật chất-phản vật chất trong các phòng thí nghiệm trên trái đất không giải thích nổi về mặt định lượng tại sao trong vũ trụ ngày nay vật chất lại áp đảo toàn diện phản vật chất, tại sao cái này lại biến đi ngay từ trong trứng nước thời Nổ lớn? Trong việc diễn giải sự vi phạm đối xứng vật chất-phản vật chất, tại sao mô hình chuẩn hạt cơ bản thành công mà mô hình chuẩn vũ trụ Big Bang lại thất bại? Đó là đề tài nghiên cứu ưu tiên của LHC cùng với sự săn tìm hạt cơ bản Higgs (phụ chú 34).
5e- Sóng trọng trường :
Nếu điện thoại và máy vi tính di động tân kỳ là tảng băng nổi của sóng điện từ trường với bốn phương trình Maxwell[44] mà công nghệ thông-truyền tin hiện đại khai thác tuyệt vời, thì sự hiện hữu của sóng trọng trường là hệ quả tất yếu của mười phương trình Einstein trong thuyết tương đối rộng, minh họa tính dẻo đàn hồi của không-thời gian. Tiến trình khai thác và ứng dụng của sóng trọng trường là cả một chân trời kỳ diệu đang hé mở. Thời cổ điển truớc Einsein mọi người mặc nhiên chấp nhận khái niệm tiên nghiệm của không-thời gian cứng nhắc chẳng chút nào liên đới đến vật chất-năng lượng chứa đựng ở trong. Einstein qua thuyết tương đối rộng chỉ dẫn cho ta một nhận thức khác hẳn: sự phân phối năng-khối lượng vật chất (thí dụ hệ thống hai lỗ đen dao động và hút nhau) không những bẻ cong cấu trúc không-thời gian mà sự biến dạng đó lại truyền đi vô tận khắp nơi dưới dạng sóng với vận tốc c của ánh sáng. Vậy sóng trọng trường phản ánh sự phân phối dao động của vật chất và sự biến dạng đàn hồi của không-thời gian, một đặc trưng của thuyết tương đối rộng. Tín hiệu để nhận diện và đo lường được sóng trọng trường là sự thay đổi δL của khoảng cách L giữa hai vật bị nhiễu loạn bởi sóng đi qua nó, cái thay đổi δL/ L đó quá nhỏ khoảng 10–22 mà các giao thoa kế như Ligo (Mỹ), Virgo và Geo (Âu châu), Tama (Nhật) cùng Lisa (quốc tế) đang và sẽ tích cực đo lường.
5f- Chân không lượng tử và sự dãn nở vũ trụ với hằng số Λ:
Chân không lượng tử (quantum vacuum), viết gọn thành ng được định nghĩa như trạng thái cơ bản tận cùng 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 kể cả điện từ, đều bị loại bỏ hết. Nhưng không phải vì Không chẳng chứa trường vật chất nào mà năng lượng của nó bằng 0. Theo nguyên lý bất định Heisenberg, năng lượng của bất cứ trạng thái vi mô nào là chuỗi (1/2)hν, (3/2)hν, (5/2) hν...chứ không phải là 0hν, 1hν, 2hν...Cũng dễ hiểu thôi, nguyên lý bất định bảo ta nếu xung lượng |k| được xác định rõ rệt bao nhiêu thì vị trí trong không gian |x| lại mơ hồ rối loạn bấy nhiêu, vậy năng lượng tối thiểu ε = (1/2) hν ≠ 0 chính là một thỏa hiệp tối ưu bình đẳng cho cả hai bên |k| và |x|. Thực thế, nếu ε = 0, |k| = 0, vậy |x| không sao được xác định nổi. Phản ánh nguyên lý này, thế giới vi mô luôn luôn dao động ngay ở nhiệt độ tuyệt đối thấp nhất (năng lượng cực tiểu) và đó là ý nghĩa của sự thăng giáng lượng tử (quantum fluctuation). Thang mức vi mô nói chung là cả một vũ đài náo nhiệt và hỗn loạn, ‘vạn vật sinh hủy, hủy sinh, ôi phí phạm thời gian’ như nhà vật lý kỳ tài Feynman từng hài hước. Không gian trống rỗng tưởng như yên tĩnh phẳng lặng thực ra chỉ là tổng quan trung bình của một thực tại vô cùng phong phú và sôi sục ở mực độ sâu thẳm, tựa như biển hiền hòa nhìn phiến diện trên bề mặt phẳng mượt vậy mà dưới lòng sâu đang diễn ra một đợt sóng ngầm dao động liên hồi. Bởi năng lượng cực tiểu khác 0 và vì tần số ν có thể là bất cứ con số nào từ 0 đến vô tận nên Không có năng lượng phân kỳ[45] khi ta lấy tích phân tất cả các mốt dao động. Tuy chẳng sao định lượng nổi (vì năng lượng phân kỳ), nhưng chân không lượng tử vẫn có thể biểu hiện tác động của nó qua hiệu ứng Casimir[46], một đặc trưng quan sát đo lường được. Chính vì vô hướng, trung hòa lại có năng lượng vô hạn, nên chân không lượng tử mang ẩn dụ một hư vô mênh mang tĩnh lặng, từ đó do những kích thích nhiễu loạn của năng lượng trong Không mà vật chất (cùng phản vật chất) được tạo thành để rồi chúng tương tác, biến đổi, phân rã rồi trở về với Không, cứ thế tiếp nối bao vòng sinh hủy! Chân không lượng tử chính là trạng thái cơ bản, cội nguồn và chốn trở về cũng như ra đi của vạn vật. Nó không rỗng tuếch chẳng có gì mà là cái thế lắng đọng của tất cả. Chân không-Vật chất-Không gian-Thời gian chẳng sao tách biệt, đó là hệ quả của Tương đối (hẹp và rộng) hợp phối cùng Lượng tử! Nhưng năng lượng cực kỳ lớn của chân không lượng tử (tai họa chân không) lại vượt xa quá nhiều mật độ năng lượng tối làm dãn nở vũ trụ mà các nhà thiên văn ước lượng bằng cách đo lường gia tốc của các siêu sao mới. Xin nhắc lại năng lượng tối mang đặc tính của chân không (với hằng số Λ vô hướng, xem 5(a) và các phụ chú 36, 41). Điều này minh họa sự mâu thuẫn cơ bản giữa hai trụ cột của vật lý hiện đại Lượng tử và Tương đối rộng.
6- Tạm kết
Hai thuyết Lượng tử và Tương đối rộng đều cần thiết để diễn tả các hiện tượng vật lý khi hai thế giới vi mô và vĩ mô cận kề chẳng còn tách biệt như trong trung tâm sâu thẳm của lỗ đen, trong trạng thái vũ trụ ở kỷ nguyên Planck (giây phút ban đầu của Big bang với nhiệt độ kinh hoàng, không gian độ dài Lp cực nhỏ, năng lượng Ep cực lớn, phụ chú 45), hoặc trong các máy gia tốc hạt năng lượng cao mà LHC là điển hình tốt đẹp nhất. Ở những điều kiện cực độ ấy, các định luật của trọng trường và của lượng tử không tương thích với nhau, hình học không-thời gian cong uốn trơn tru của thuyết tương đối rộng lại xung đột sâu sắc nhất với cái sôi động, thăng giáng lượng tử, các phương trình của hai thuyết khi kết hợp cho ra những đáp số vô hạn, phi lý. Ngoài ra ở kỷ nguyên Planck, cường độ của trọng lực (không đáng kể ở nhiệt độ và năng lượng bình thường) không còn nhỏ nữa mà tương đương với cường độ của ba lực cơ bản khác: điện-từ, mạnh và yếu. Ba lực này thành công tuyệt vời trong sự hòa đồng với cơ học lượng tử và như vậy chúng diễn tả chính xác và nhất quán mọi vận hành từ thế giới vi mô hạ nguyên tử đến thế giới vĩ mô của các thiên thể trong vũ trụ bao la. Theo thứ tự, sự phối hợp với lượng tử của ba lực cơ bản trên mang tên Điện Động lực học Lượng tử (QED, Quantum Electro-Dynamics), Sắc Động lực học Lượng tử (QCD, Quantum Chromo-Dynamics) và Điện-Yếu Lượng tử (Quantum Electro-Weak Interaction), tóm tắt trong Mô hình Chuẩn (Standard Model) của hạt cơ bản với không dưới hai chục giải Nobel trong khoảng 30 năm gần đây. Có thể nói rằng điện động lực học lượng tử là nền tảng phát triển kỳ diệu của công kỹ nghệ thông-truyền tin hiện đại với vi điện tử, quang điện tử, spin-điện tử.
Trong khi đó, luật hấp dẫn lại mâu thuẫn với lượng tử. Nguyên nhân sự khác biệt giữa ba lực trên với trọng lực - khi cả bốn kết hợp với nguyên lý bất định Heisenberg (bị lượng tử hoá, nói theo ngôn từ chuyên môn) - có thể nhận ra như sau: các trường (vật chất và điện từ) của ba lực khi bị lượng tử hóa sẽ biến thành đơn vị rời rạc vận hành trong một không-thời gian liên tục trơn tru. Trái lại trọng trường theo thuyết tương đối rộng lại chính là metric của không-thời gian trơn tru liên tục đó, khi bị lượng tử hóa cái trơn tru ấy chẳng còn giữ lại được đặc tính dẻo dai nguyên thủy nữa mà bị mất tính đàn hồi, có nếp gấp và lỗ thủng (nói theo ngôn ngữ toán học topo) tựa như mảng cao su căng quá bị xé rách. Ta không thể không cảm thấy có cái gì trục trặc ở mức cơ bản nhất, tại sao thiên nhiên lại có thể tùy tiện phân chia những định luật, chính xác ở một quy mô nào đó, để rồi trở thành vô lý ở thang mức khác, cái nghịch cảnh này chỉ phản ảnh sự thiếu sót của ta trên con đường tìm kiếm định luật vận hành của Trọng trường Lượng tử (Quantum Gravitation). Đó quả là vấn đề số một của vật lý hiện đại mà tai họa chân không minh họa ở trên là thí dụ.
Thuyết Siêu dây (Superstring) là một trong vài[47] lý thuyết mang khả năng, về nguyên tắc, dung hòa và giải quyết mâu thuẫn nói trên để mô tả nhất quán tất cả bốn tương tác cơ bản trong cả hai thế giới cực lớn của vũ trụ bao la và cực nhỏ của hạ nguyên tử, thống nhất mọi điều về một mối. Theo thuyết này, thành phần cấu trúc cơ bản của vạn vật không phải là hạt điểm (0 chiều) mà là dây hay màng (1 hay nhiều chiều) cực nhỏ với kích thước độ dài Planck cỡ 10–35 m luôn dao động. Hai nền tảng mà thuyết siêu dây dựa vào là Tương đối hẹp và Lượng tử, như vậy lúc khởi đầu có sự cách biệt giữa cái vỏ chứa (không-thời gian phẳng Minkowski) và cái bị chứa (dây đàn hồi dao động). Ngạc nhiên thay, kết quả điểm đến là cái bị chứa chuyển giao tính đàn hồi cho cái vỏ chứa, cái không-thời gian này hết cứng nhắc mà trở thành cong uốn đàn hồi của thuyết tương đối rộng, như vậy trọng lực là hệ quả tất yếu suy ra từ siêu dây. Một đặc điểm khác, siêu dây là thuyết duy nhất đầu tiên trong vật lý xác định được con số D = 10 chiều của không-thời gian (trước siêu dây, số chiều 4 của không-thời gian ta quen dùng chỉ là một định đề tiên nghiệm ta tự cho ta, do cảm nhận và quan sát) minh họa không-thời gian là bộ phận chẳng thể tách rời khỏi vật chất mà thuyết tương đối rộng đã hé mở cho ta thấy. Sáu chiều không gian còn lại, tuy bị cuốn tròn quá nhỏ để ta không quan sát được trong đời sống hàng ngày, có thể làm thay đổi chút xíu luật 1/R2 của trọng lực Newton, một đề tài thực nghiệm nóng hổi. Máy gia tốc LHC cũng tìm kiếm gián tiếp chiều không gian phụ này, qua cái gọi là hiện tượng ‘bất bảo toàn năng lượng ảo’, vì ta chẳng đo lường nổi một phần năng lượng chảy vào cái không gian phụ đó. Đặc điểm thứ ba của siêu dây là khả năng thống nhất điện-từ với trọng lực mà Einstein trăn trở tìm kiếm không thành, nôm na điện-từ trường như siêu dây hở (hai đầu dây tự do) và trọng trường như siêu dây kín (vòng kín). Nhưng cần nhấn mạnh là mặc dầu có những tiến bộ kinh ngạc, nhiều khía cạnh lý thuyết của siêu dây còn xa mới hoàn toàn sáng tỏ và nhất là chưa/không có một tiên đoán nào của nó được chứng nghiệm dẫu gián tiếp. Edward Witten - chuyên gia đầu ngành của thuyết này, nhà vật lý đầu tiên được huy chương Fields uy tín về toán, không ai, kể cả những giải Nobel, có công trình được trích dẫn nhiều bằng ông - đã một lần tuyên bố: thuyết siêu dây là một bộ phận của vật lý thế kỷ 21 đã tình cờ rơi xuống thế kỷ 20, ngụ ý có lẽ cần biết bao năm nữa mới được hoàn tất! Cơ sở toán học của nó quá phức tạp, các chuyên gia siêu dây phải tự mình mò mẫm sáng tạo, không như Einstein đã sẵn có hình học cong Riemann làm nền để khai sinh ra thuyết tương đối rộng.
Vào cuối thế kỷ thứ 19, có một mâu thuẫn giữa một bên là lý thuyết điện từ + nhiệt động học - hai trụ cột cơ bản của vật lý thời đó- và bên kia là thực nghiệm đo lường về hiện tượng bức xạ nhiệt của vật đen. Thực thế, lý thuyết trên đưa đến một hệ quả phi lý là tổng năng lượng phóng xạ bởi vật đen phải vô hạn, cụ thể ngồi trước một bếp sưởi hồng, bất kỳ nhiệt độ cao thấp ra sao ta sẽ bị thiêu cháy tan biến hết! Vậy mà Lord Kelvin, người của nhiệt độ tuyệt đối, giáo hoàng của vật lý thời đó có câu tuyên bố năm 1892 nổi tiếng vì lạc quan: “Vật lý đã hoàn chỉnh cả rồi về mặt căn bản, cái mà ta còn có thể đóng góp chỉ là xác định thêm vài thập phân sau dấu phẩy cho các đo lường, tính toán mà thôi. Tuy nhiên hãy còn hai vấn đề nho nhỏ...”. Hai tiểu tiết ông nêu lên là: thứ nhất Michelson và Morley chẳng tìm thấy chất liệu ether (xem 3a và phụ chú 12) tràn ngập vũ trụ trong đó dao động sóng điện từ, thứ hai các đo lường ngày càng chính xác về cường độ bức xạ nhiệt của vật đen (phụ chú 39) không phù hợp với nền tảng căn bản của vật lý kèm thêm cái hệ quả phi lý nói trên. Ngờ đâu đó chính là hai vấn đề cốt lõi làm ngọn hải đăng chỉ đường cho khoa học vượt trùng dương đi tìm biên giới của tri thức. Giải quyết được hai tiểu tiết trên theo thứ tự là Albert Einstein với thuyết tương đối hẹp, và Max Planck với thuyết lượng tử[48], hai trụ cột của vật lý hiện đại. Ai có thể tưởng tượng nổi trăm năm sau ý tưởng của Planck, một phần ba tổng sản lượng kinh tế của cường quốc số một thế giới hiện nay có gốc nguồn từ những ứng dụng trực tiếp của công nghệ lượng tử. Cái kiêu hãnh vội vàng của Lord Kelvin cho ta bài học nhún nhường về hiểu biết hạn hẹp cục bộ của con người so với cái không biết mênh mông. Qua con mắt ngây thơ của các em trẻ hỏi ta đủ thứ, khát vọng hướng thượng, tìm hiểu, học hỏi, sáng tạo có lẽ chính là đặc tính bẩm sinh của loài người. Như chim di đứng trên đôi cánh của chim bằng để cùng nhìn cao xa hơn mà Besso thuở nào nói về bạn Einstein, dựa trên thành quả của người đi trước, mỗi chúng ta từ trái đất nhỏ nhắn cùng nhau góp phần cho sự hài hòa giữa người với người và với môi trường thiên nhiên để vươn tới các vì sao trong hoàn vũ bao la.
Phạm Xuân Yêm
[1] Chất liệu giả tưởng trong đó dao động sóng ánh sáng, chất liệu ấy phải trải rộng khắp vũ trụ, đâu cũng có, vì ánh sáng đến với ta từ những thiên thể xa xăm. Định kiến (trước năm thần kỳ 1905) cho rằng phải có một chất liệu ether để nhờ đó sóng ánh sáng mới truyền đi được (như sóng nước phải có nước, sóng âm thanh phải có không khí) đã ăn sâu vào tâm khảm mọi người - kể cả Maxwell người khai phá ra lý thuyết điện-từ và chứng minh ánh sáng là sóng điện từ - không ai tin rằng sóng điện-từ có thể truyền đi trong chân không mà nhờ Einstein ta biết (xem phần 3a và các phụ chú từ 9 đến 16 về những điều cơ bản của thuyết tương đối hẹp).
[2] Trớ trêu thay, Johannes Stark cũng như Philipp Lenard (người khám phá ra hiệu ứng quang điện mà cũng lại Einstein giải thích năm 1905 bằng thuyết lượng tử) sau này theo chủ nghĩa cực đoan phát xít, ‘đánh’ phá mạnh mẽ Einstein, con người của lương tâm và trí tuệ, của tự do dân chủ, ngay từ trước thế giới đại chiến thứ nhất (1914-1918) đã chống chủ nghĩa quốc gia dân tộc và tôn giáo hẹp hòi, nhìn xa đề xướng một Âu châu hòa hợp. Lịch sử từng chứng kiến chuyện đánh phá trí thức bởi đồng nghiệp như thời Staline bên Liên sô, Mc Carthy bên Mỹ, Cách mạng văn hóa của Mao bên Trung quốc. Việt Nam cũng không là ngoại lệ !
[3] Chuyện kể Galilei đứng trên đỉnh tháp nghiêng của thành phố Pisa thấy đá và giấy rơi hệt như nhau rồi phát hiện ra tính chất phổ quát chỉ là huyền thoại, thực ra ông làm thí nghiệm trên những mặt phẳng nghiêng mà suy luận ra tính phổ quát nói trên.
[4] Trọng lượng của A là sức hút (hay trọng lực) F của trái đất -hay của mặt trăng, tinh tú hoặc bất kỳ vật B nào khác A- áp đặt lên A. Nếu M là khối lượng của vật B (trái đất chẳng hạn) và m là khối lượng của vật A, thì theo Newton, trọng lực F của B áp đặt lên A bằng GMm/ R2, với R là khoảng cách không gian giữa A và B, G là hằng số hấp dẫn Newton. Nói cách khác, B tạo ra một trọng trường để lôi hút mọi vật về nó. Trường (tỏa rộng khắp không gian và thay đổi với thời gian để diễn tả tác động của lực) là một khái niệm sâu sắc của vật lý mà trực giác của Faraday (một nhà thực nghiệm xuất chúng, tự học, làm thợ in để sinh sống mà chỉ mê say nghiên cứu khoa học) nhận ra khi ông nhìn những vụn sắt trải đều đặn chung quanh hai trục bắc nam của thanh nam châm. Điện tích di chuyển sinh ra điện-từ trường, còn khối lượng tạo ra trọng trường.
[5] Thực ra ở thời điểm Galilei và Newton, người ta tưởng rằng có hai loại khối lượng m và m’ khác nhau, m diễn tả khối lượng để tạo ra trọng trường trong công thức GMm/ R2, còn m’ (trong phương trình cơ bản của động lực học F = m’γ) là khối lượng diễn tả khả năng trây ỳ của vật thể chống lại sự di chuyển do bất kỳ lực F nào (không nhất thiết phải là trọng lực) áp đặt lên nó. Tính phổ quát của Galilei được Newton minh giảng bằng giả thuyết m = m’ (xem phụ chú 6). Giả thuyết m = m’ được chứng nghiệm bởi nam tước von EötVös vào cuối thế kỷ 19 với sai số 10−9, ngày nay sai số giảm xuống 10−12.
[6] Thực thế, trọng lượng F = GMm/ R2 của A (nghĩa là lực tạo nên bởi trọng trường của trái đất áp đặt lên A) tỉ lệ thuận với m, khi kết hợp với phương trình cơ bản của động lực học F = m’γ = m γ mà Newton phát hiện năm 1686, cho ta thấy gia tốc γ = GM/ R2 chuyển vận của A không phụ thuộc vào khối lượng m của nó nữa, đó là tính phổ quát của trọng trường mà Galilei tìm ra. Thay vì γ, các sách giáo khoa thường hay dùng ký hiệu g (gravitation) để chỉ định gia tốc chung cho mọi vật lôi kéo bởi trọng trường của trái đất. Đo được g ≈ 9. 81 m/s2 là gián tiếp đo được khối lượng khổng lồ M ≈ 5.97 × 1024 kg của quả đất (thực nghiệm của H. Cavendish năm 1798). Trái lại điện-từ trường E và H áp đặt lên một vật thể (mang điện tích q) làm cho nó chuyển động với gia tốc thay đổi theo khối lượng m của vật ấy. Thực thế, lực điện-từ f = q (E + V× H), khi kết hợp với f = mγ làm cho vật chuyển động với gia tốc γ ~ q/m. Còn trong thế giới vi mô hạ nguyên tử, lực mạnh (sắc động lực học luợng tử tác động lên các hạt cơ bản quark để làm chúng gắn kết với nhau thành hạt nhân nguyên tử) lại chẳng giống trọng lực hay điện-từ lực chút nào. Lực mạnh tăng lên với khoảng cách r giữa hai quark, trong khi lực cổ điển của thế giới vĩ mô (trọng lực và điện-từ) giảm đi như 1/ r2 .
[7] Sự đối xứng, hoán chuyển toàn diện giữa M và m trong sức hút lẫn nhau F = GMm/ R2 của hai vật A và B cho ta thấy ngay chính A cũng tác động lên B làm cho B di chuyển với gia tốc Gm/ R2 và ngược lại trọng trường tạo ra bởi B làm cho A vận chuyển với gia tốc GM/ R2 .
[8] Như tác giả kể lại, so với gian lao ‘siêu phàm’, lời của ông, trong việc sáng tạo ra thuyết tương đối rộng thì thuyết tương đối hẹp (với những kết quả kỳ diệu như E = mc2 , thời gian dãn nở, không gian co cụm trong những hệ quy chiếu di động đều đặn) chỉ là trò con trẻ mà ông khám phá ra trong có một buổi chiều chủ nhật tháng 5 năm 1905, sau bữa dạo chơi và trò chuyện về bí hiểm ether với anh bạn thân thiết Michele Besso cùng sở làm ở thành phố Bern.
[9] Hệ quy chiếu quán tính là hệ quy chiếu di chuyển với vận tốc v đều đặn, cố định với thời gian (gia tốc = 0), kể cả v = 0, ký hiệu in đậm v chỉ định vectơ vận tốc ba chiều không gian, và v ≡ |v|. Từ nay các vectơ ba chiều đều được viết dưới dạng in đậm như k, x … và k = |k|, x = |x| …
|
|
|
Post by NhiHa on Jul 16, 2010 4:23:08 GMT 9
[10] Ai trong chúng ta khi đi máy bay cửa sổ đóng kín và không gặp bão lay động mà có thể cảm thấy mình di chuyển với vận tốc khoảng ngàn cây số trong một giờ ? Khoảng bốn trăm năm trước đây, Galilei cũng đưa ra một thí dụ tương tự, mở đầu cho nguyên lý tương đối mang tên ông: trong hầm kín mít không giao tiếp gì với thế giới bên ngoài của một chiếc tàu thủy di chuyển đều đặn ta hãy quan sát những con bướm bay khắp phía và những giọt nước tí tách rơi. Nay để tàu đứng yên, ta thấy bướm vẫn bay và nước vẫn rơi hệt như trước, chẳng có gì thay đổi. Rồi tàu lại di chuyển đều đặn, nhưng với vận tốc và chiều hướng khác, bướm vẫn bay và nước vẫn rơi như khi tàu dừng ở bến. Nói một cách khác: những định luật miêu tả các hiện tượng thiên nhiên (bướm bay, nước rơi) không chút thay đổi gì trên tàu di chuyển đều đặn (bất kỳ vận tốc và chiều hướng nào) kể cả tàu dừng ở bến (v = 0). Người ở trong tàu nếu chỉ quan sát đo lường những hiện tượng động hay tĩnh trong tàu mà không tiếp xúc với bên ngoài để so sánh thì chẳng sao biết là tàu đứng hay đi, và đi với vận tốc nào, chiều hướng nào. Nói khác đi tĩnh hay di động đều đặn chỉ là chuyện tương đối, chẳng có lý gì để khẳng định bến hay tàu cái nào đứng, cái nào đi.
[11] (x,y,z,t) chỉ định toạ độ không gian-thời gian bốn chiều của một hiện tượng vật lý xẩy ra trong hệ quy chiếu đứng yên, còn (x’,y’,z’,t’) trong hệ quy chiếu di chuyển với vận tốc đều đặn v so sánh với (x,y,z,t).
[12] Các tọa độ bốn chiều (x,y,z,t) và (x’,y‘, z’,t’) của hai hệ quy chiếu phải liên hệ ra sao để làm cho hàm f(x,y,z,t) nói trong bài, nay gọi là đại lượng s² = (x² + y² + z²) - (ct)² = (x’² +y’² +z’²) - (ct’)² không thay đổi, nghĩa là s² bất biến. Sự bất biến của s² diễn tả hiện tượng vật lý theo đó vận tốc ánh sáng c ~ 300000 km/s đo lường trên hai hệ quy chiếu (một đứng yên mà ta gọi là trên bến, một di chuyển với bất kỳ vận tốc v nào mà ta gọi là dưới tàu) đều bằng nhau và là c cả. Thực thế khi s² = 0, c = r/t = ± r’/t’ (với r² = x² + y² + z²), dấu ± để chỉ ánh sáng chạy cùng hay ngược chiều trong hai hệ quy chiếu. Hiện tượng này do Michelson và Morley phát hiện năm 1887, nó trái ngược với trực giác và định kiến của mọi người trước năm thần kỳ 1905 vì họ tưởng (nhầm) rằng nếu vận tốc ánh sáng đo trên bến là c thì đối với người trên bến vận tốc ánh sáng đo trên tàu phải là c ± v (tùy theo ánh sáng chạy song song cùng chiều hay ngược chiều với tàu). Cũng vậy, người trên tàu khi đo vận tốc ánh sáng sẽ thấy vận tốc đó phải khác với vận tốc ánh sáng truyền đi trên bến, sự khác biệt đó cho ta v. Nay ta hãy thay bến bằng ether (một chất liệu giả tưởng trải rộng khắp vũ trụ nhờ đó sóng điện từ nói chung và ánh sáng nói riêng truyền đi, như vậy ether được coi như một hệ quy chiếu hoàn toàn bất động), và thay tàu bằng trái đất di động. Michelson và Morley khi so sánh vận tốc ánh sáng phát ra theo hai chiều đối ngược nhau trên trái đất nghĩ sẽ đo được vận tốc v của làn gió ether thổi so với trái đất coi như đứng yên. Nhưng hai ông sau bao lần đo lường thấy vận tốc ánh sáng lúc nào cũng vẫn bằng nhau, và như vậy không sao phát hiện nổi sự hiện hữu của ether. Đó là nghịch lý của cơ học cổ điển Galilei-Newton với định kiến chỉ có một thời gian phổ quát (t’ = t) và một không gian tuyệt đối chẳng mảy may liên hệ với thời gian. Thực thế - trường hợp vận tốc v song song cùng chiều với trục Ox - cơ học cổ điển cho ta x’ = x – vt, y’ = y, z’ = z, t’ = t như vậy thì s² không sao bất biến được. Trái lại phép hoán chuyển Lorentz x’= ρ(x- vt), y’ = y, z’ = z, t’ = ρ(t –(xv/c²)), với ρ = 1 ⁄ √(1− v² ⁄c²) làm cho s² bất biến. Giải đáp nghịch lý này bằng nguyên lý tương đối áp dụng cho sự vận hành của ánh sáng là gốc nguồn của lý thuyết tương đối hẹp mà Einstein, Lorentz, Poincaré đã đóng góp vào. Nếu w là vận tốc của vật chuyển động trên tàu, thì - đối với người đứng trên bến - luật cộng trừ vận tốc w ± v (cơ học cổ điển cho ta) chỉ là dạng xấp xỉ gần đúng và phải được thay thế bởi công thức (w ± v)/(1 ± w v/c²). Bạn đọc sẽ ngạc nhiên và thích thú nhận thấy khi w = c, công thức (w ± v)/(1 ± w v/c²) không còn tùy thuộc vào v nữa mà lúc nào cũng bằng c, minh hoạ thực nghiệm của Michelson và Morley.
[13] Mà ta có thể ‘đoán’ được ρ qua s²: s² = r² – (ct)² = r’² – (ct’)². Thực thế thời gian t’ chỉ định bởi đồng hồ di động đặt ở vị trí x’, y’, z’ ( r’ = 0), cho ta ct’– 0 = (ct)√(1 – r²/t²c²) = (ct)√(1– v²/c²), do đó t = ρt’. Ðồng hồ trong tàu di động chỉ một giây, người ở ngoài thấy dài hơn một giây, đồng hồ ở trong tàu như chạy chậm lại.
[14] Một gam khối lượng tuy nhỏ nhưng tiềm ẩn một năng lượng khổng lồ tương đương với nhu cầu dinh dưỡng của vài chục ngàn người trong vài năm ! Từ hệ số ρ = 1 ⁄ √(1− v² ⁄c²) ông nhận ra là khối lượng m của một vật không cố định mà tăng lên với vận tốc của nó, m(v) = m ⁄ √(1− v² ⁄c²). Khi triển khai hạn chế theo (v² ⁄c²) «1, m(v) = m + [1/c²] (½)mv² +… mà (½)mv² chính là động năng quen thuộc của cơ học, Einstein đã tìm ra công thức của thế kỷ E = mc²/√(1− v² ⁄c²) công bố tháng 10 năm 1905. Cũng trong bài báo đó ông còn bình giải ý nghĩa vật lý của công thức : khối lượng m (của bất kỳ một vật chất nào) chỉ là sự tích tụ năng lượng E (chia cho c²) của vật đó (khi nó không di động, v = 0). Phương trình E = mc²/√(1− v² ⁄c²) quả là một thay đổi cách mạng trong sự hiểu biết và nhận thức về vật chất : năng lượng và khối lượng cùng chung một bản thể. Ðặc biệt ánh sáng thuần tuý (năng lượng) có thể tạo ra vật chất ! Ngoài ra ông còn đề xuất phương cách kiểm chứng E = mc² bằng thực nghiệm, một vật - chẳng hạn hạt nhân radium phóng xạ tự nhiên - khi mất đi (hay thu nhận) một chút năng lượng δE thì khối lượng nó giảm đi (hay tăng lên) δE/c².
[15] Thuyết tương đối hẹp bảo cho ta trên các hệ quy chiếu di chuyển với vận tốc v, thước đo không gian (theo hướng song song với v) bị co cụm lại với hệ số 1/ρ = √(1− v² ⁄c²), trái lại (theo hướng thẳng góc với v) thước đo không thay đổi. Cũng thế khoảng cách thời gian dãn nở ra với hệ số ρ, hay là nhịp độ tích tắc đồng hồ đập chậm đi k lần trong một đơn vị thời gian. Trên vệ tinh của Hệ thống Định vị Toàn cầu (Global Positioning System, GPS) trang bị các phương tiện vận tải, sự chính xác cực kỳ của nhịp độ đồng hồ là điều kiện tối quan trọng cho GPS thành công. Bạn đọc sẽ thấy ở các vệ tinh GPS, thuyết tương đối rộng cho ta hệ quả ngược với thuyết tương đối hẹp, khoảng cách thời gian co cụm lại (đồng hồ tích tắc nhanh hơn) vì cường độ trọng lực trên đó giảm đi so với mặt đất. Sự co dãn thời gian (nhịp độ đồng hồ) của các vật chuyển động khác nhau đã được thực nghiệm kiểm chứng nhiều lần với độ chính xác cực kỳ, tiếp nối bởi biết bao ứng dụng thực tiễn trong đời sống con người .
[16] Người bạn thân thiết nhất từ thủa hàn vi, người duy nhất ông cảm ơn trong công trình để đời đăng trên Annalen der Physik về thuyết tương đối hẹp trong lúc hai người dạo chơi bàn luận ngày chủ nhật tháng Năm năm 1905, trong bài đó ông không hề trích dẫn một tài liệu tham khảo nào mặc dầu lúc ấy chẳng ai biết đến ông, đủ thấy cá tính con người siêu việt này. Chữ gläubige trong bức thư không nên hiểu theo nghĩa tín ngưỡng tôn giáo, mà hàm ý xác tín vào lý trí. Bức thư gửi chưa đến một tháng thì Einstein cũng vào cõi vĩnh hằng.
[17] Tựa như đường thẳng (quỹ đạo của hạt di chuyển không gia tốc) biến dạng ra các hình conic (quỹ đạo của hạt di chuyển có gia tốc), hay hình cầu của bóng đá biến dạng ra bóng bầu dục (ellipsoïd) vì tác động của trọng lực. Hình học cong này có thể nhận ra khi ta đứng yên quan sát một người ở trong một sàn quay chung quanh trục thẳng góc với sàn. Anh ta đo chu vi của sàn sẽ thấy lớn hơn π ≈ 3.14 lần đường kính của sàn. Thực thế, vận tốc v của sàn quay tiếp tuyến với chu vi của nó, vậy thước đo chiều dài chu vi sàn bị co lại (phụ chú 15), trong khi đường kính sàn vì thẳng góc với v nên thước không co. Vòng tròn trong hình học phẳng có chu vi bằng π đường kính của nó, nhưng trong hình học cong vì thước đo chu vi co cụm nên chu vi lớn hơn π đường kính.
[18] Khi viết Aμ Bμ hay Aμν Bμν (với một hay nhiều chỉ số cái trên, cái dưới ), thì ta phải cộng tất cả các đóng góp của chỉ số lại, thí dụ Aμ Bμ = A0 B0 + A1 B1 + A2 B2 + A3 B3, ημν dxμ dxν = ηoo dx0 dx0 + ηi i dxidxi + η0i dx0 dxi + ηij dxidxj (i, j = 1,2,3 và i≠j). Xin nhớ rằng tuy Aμ , Bμ hay Aμν, Bμν đều là những vectơ hay tenxơ mang nhiều thành phần, quy ước tổng hợp Riemann-Einstein cho ta Aμ Bμ hay Aμν Bμν chỉ có một thành phần duy nhất, nó là một đối tượng hình học vô hướng (scalar).
[19] Gauss mới khoảng mươi tuổi trong lớp tiểu học, để giữ cho học trò khỏi quấy, ông giáo cho bài tóan sau đây : tính tổng số của một trăm số nguyên 1+2+…+100. Trong khi cả lớp loay hoay cộng dần vài số và kiểm điểm từng đoạn tính tóan cho chắc, Gauss nhìn trăm số nguyên một cách tổng quát, thấy từng cặp số đầu (1) + số cuối (100) cũng như số thứ nhì (2) + số áp cuối (99), 3 + 98 vân vân, tất cả 50 cặp đều như nhau và bằng 101. Vậy chỉ vài phút sau , cậu bé Carl Friedrich hãnh diện mang đáp số 101x50 =5050, trước nỗi kinh ngạc của cả lớp từ thầy đến bạn. Tên ông cũng gắn liền với đơn vị cuờng độ từ trường, với định lý Gauss dùng trong điện tĩnh. Để mua vui bạn đọc, xin nhắc đến một thần đồng nước ta Lê Quý Đôn, sinh trước Gauss, với bài thơ tạ lỗi vì cậu dạng chân tay trần truồng (giống chữ Thái trong Hán tự) để đố bạn cha mình là chữ gì (ông bạn tưởng là chữ Đại), hai chữ Thái và Đại viết khác nhau chỉ có một cái chấm mà riêng con trai mới có. Cái độc đáo là mỗi câu thơ mang tên một con rắn: Chẳng phải liu điu vẫn giống nhà, Rắn đầu biếng học lẽ không tha, Thẹn đèn hổ lửa đau lòng mẹ, Nay thét mai gầm rát cổ cha, Ráo mép chỉ quen tuồng dối trá, Lằn lưng cam chịu vết roi cha, Từ nay trâu lỗ xin siêng học, Kẻo hổ mang danh tiếng thế gia.
[20] Mỗi hệ số μ, ν có 4 giá trị 0, 1, 2, 3, vậy ma trận 4×4 gμν có 4 × (4 + 1)/2 = 10 thành phần đối xứng trong hoán chuyển μ ↔ ν , và 4 × (4 − 1) )/2 = 6 thành phần bất đối xứng.
[21] Khi tất cả 10 gμν đều cùng dấu ta có bóng bầu dục (ellipsoïde, đề tài của Riemann), khi gμν có dấu khác nhau như trường hợp ημν, ta có hình hyperboloïd mà Einstein nghiên cứu.
[22] Đường trắc địa trên bề mặt quả cầu là những hình tròn lớn (cùng đường kính với quả cầu). Trong hình học Minkowski vì ημν mang dấu ±1 nên cạnh AC (trên trục thời gian) của tam giác ABC lại dài hơn tổng cộng hai cạnh AB + BC, và đường thẳng trắc địa nối A và C lại là đường dài nhất. Điều kiện để con đường ŁAB = ∫BA ds (diễn tả bởi sự di chuyển của điểm xλ = xλ (s), thông số s đo độ dài trên con đường) có chiều dài tối ưu là xλ (s) phải tuân theo phương trình vi phân bậc hai:
d²xλ /ds² + Γλμν [dxμ /ds] [dxν/ds] = 0 (1)
Đại lượng Γλμν (hệ số Christoffel) trong phương trình (1) là những đạo hàm của metric gμν(xλ), tính theo công thức sau (với định nghĩa ∂μ gνσ ≡ dgνσ /dxμ )
Γλμν = (½) gλσ [∂μ gνσ + ∂ν gμσ ─ ∂σ gμν] (2)
Có 40 = 4 × 10 hệ số Christoffel Γλμν (4 từ λ, 10 từ μν), và gλσ là ma trận nghịch đảo của gλσ (gλα gλβ = δα β , ký hiệu Kronecker δα β = 0 khi α ≠ β và = 1 khi α = β ). Trong hình học phẳng Minkowski không gia tốc, vì metric ημν giản đơn chỉ là những con số ±1 nên theo (2) hệ số Christoffel Γλμν = 0, vậy (1) rút gọn thành d²xλ /ds² = 0, do đó xλ (s) = aλ s + bλ , chứng tỏ đường trắc địa trong hình học phẳng là đường thẳng.
[23] Sự liên kết ct với vectơ không gian ba chiều x tạo ra tứ-vectơ không-thời gian xμ (ct, x), một đại lượng bốn thành phần, thường xuyên dùng trong thuyết tương đối hẹp. Cũng vậy năng lượng E và xung lượng (k = mv) liên kết thành tứ -vectơ năng-xung lượng với bốn thành phần: kμ (E, ck). Từ kμ ta xây dựng tenxơ năng-xung lượng Tμν, một ma trận 4×4 (đối xứng μ↔ν ) mà 4 thành phần đường chéo là mật độ năng lượng E và áp suất P (tỉ lệ với xung lượng k), cùng 6 thành phần hỗn hợp giữa E với áp suất P. Sau chót ta định nghĩa Tμν ≡ gμα gνβ Tαβ, và T00 ~ E = ρmc2.
[24] Thuyết tương đối rộng của Einstein thay thế và bổ xung cho định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, thuyết cổ điển này chỉ là trường hợp xấp xỉ gần đúng của thuyết Einstein khi mật độ vật chất nhỏ (trọng trường yếu).
[25] Tổng thư ký Hàn lâm viện Hoàng gia Anh, nhà thực vật học đầu tiên phát hiện ra tế bào, nhà thiên văn lỗi lạc có nhiều công trình phong phú (dự đoán luật hấp dẫn 1/ r² và động lực học) nhưng bị thiên tài Newton áp đảo nên ít được hậu thế nhắc đến. Lò xo một đầu buộc chặt vào tường, đầu kia kéo dài bởi một quả cân là thí dụ điển hình của hiện tượng đàn hồi, sự biến dạng sẽ từ từ mất đi khi lực căng nhỏ dần.
[26] Tenxơ Ricci Rμν lấy từ những hệ số Christoffel như sau: Rμν ≡ ∂α Γαμν – ∂ν Γαμα + Γαβα Γβμν – Γαβν Γβμα. Sau hết khi nhân ma trận gμν (nghịch đảo của gμν) với Rμν, ta có một đại lượng vô hướng R ≡ gμν Rμν. Chính đại lượng R (mà riêng Einstein đã tìm ra và đặt thêm vào Rμν ngày 25/11/1915) này đóng vai trò cần thiết để tương thích với luật bảo toàn năng lượng mà Tμν phải tuân theo. Trước đó năm 1913 khi Grossmann và Einstein cộng tác, hai người đã đi gần tới đích với Bμν = Rμν không thôi.
[27]Trường hợp trọng trường yếu (mật độ năng khối lượng nhỏ như hệ mặt trời), metric gμν không khác metric phẳng ημν bao nhiêu : gμν(x) = ημν + hμν(x), với x = |x|, và |hμν(x)| « 1, hμν(x) thay đổi chậm chạp cũng như Tij « T0i «T00 (xung lượng k = mv ≈ 0). Phương trình trội nhất R00 – (½)R g00 = (8πG/c4)T00 cho ta luật của Newton: h00(x) = 2GM/(c2x) ≡ 2 U(x)/c2 ≈ 10–9, M là khối lượng trái đất, x là khoảng cách từ tâm quả đất đến vật mà ta khảo sát, và U(x) = GM/x là thế hút của trái đất làm cho vật rơi với gia tốc g = –dU(x)/dx ≈ 9. 81m/s2.
[28] Trong hệ thống đơn vị đo lường mét (m), kilogram (kg), giây (s), G = 6.67×10–11 và κ ≈ 2 ×10–43 quá nhỏ, không gian quá cứng nhắc khiến ta hiểu tại sao xưa nay chẳng ai ngờ nó bị uốn cong bởi vật chất, chỉ ở đâu và khi nào có mật độ năng lượng lớn vô vàn mới biến dạng độ phẳng lặng của không-thời gian.
[29] Tần số N -nhịp độ tích tắc của đồng hồ (đặt ở điểm x) - thay đổi với cường độ của trọng trường vì metric g00(x) thay đổi với x, không cố định như η00 : g00(x) = η00 + GM/(c2x) ≡ –1 + 2 U(x)/c2 (phụ chú 27). Đó chính là ý nghĩa của thời gian cong. Xin nhớ g00(x) là hệ số của (cdt)2 trong phương trình (I) nên ta suy từ đó ra mối liên đới giữa tần số N và g00(x):
N1/N2 = [g00(x2)/ g00(x1)]½ ≈ 1+ (1/c2) [U(x1) – U(x2)] (3)
Ở trên các vệ tinh GPS (điểm x1), cường độ trọng trường nhỏ hơn so với mặt đất (điểm x2), U(x1) < U(x2), vậy theo (3) N1 < N2, thời gian như co lại (nhịp độ tích tắc đồng hồ chạy nhanh hơn) trên các vệ tinh GPS. Cũng trên các vệ tinh này di chuyển với vận tốc v so với dưới đất, thời gian trên đó lại dãn nở ra (nhịp độ tích tắc đồng hồ chạy chậm lại) theo thuyết tương đối hẹp. Tác động của thuyết tương đối rộng và hẹp về nhịp độ thời gian đối nghịch nhau nhưng không hoàn toàn triệt tiêu trên vệ tinh, và nhu liệu máy tính được gắn trong GPS để phối hợp hai hệ quả đó. Sự co dãn thời gian trên các vệ tinh GPS được ước tính vào khoảng một phần tỷ (10–9), tuy nhỏ vậy nhưng cực kỳ quan trọng vì hệ thống định vị toàn cầu đòi hỏi sự chính xác bền vững đến một phần mười ngàn tỷ (10–13) của đồng hồ nguyên tử. Theo thuyết tương đối rộng, hai anh em sinh đôi một ở trên núi cao, một ở dưới đồng bằng, người ở dưới (vì trọng trường lớn hơn so với trên núi) thấy thời gian dãn nở ra hay đồng hồ chạy chậm lại và như vậy trẻ hơn người ở trên cao (một giây trong trăm năm!). Hiệu ứng Einstein về thời gian co dãn bởi trọng trường được kiểm chứng nhiều lần trên các hỏa tiễn bay cách xa mặt đất khoảng 10000 km, ở đấy đồng hồ chạy nhanh hơn độ 4.10–9 giây.
[30] Thực ra khi vắng vật chất (Tμν = 0), không-thời gian chỉ mất đi cấu trúc cong thôi, ta vẫn còn chẳng những không-thời gian phẳng của Minkowski mà cả muôn vàn sóng trọng trường dao động trong một không-thời gian rỗng tuếch phi vật chất chẳng do đâu tạo ra cả. Không-thời gian chỉ thực sự biến mất (khi Tμν = 0) nếu ông thêm vào vế trái của phưong trình (II) một số hạng mới Λgμν và ông gọi Λ > 0 là hằng số vũ trụ. Tuy nhiên cái nội dung sâu sắc của bức thư là Einstein nhấn mạnh đến sự liên đới chẳng sao tách biệt giữa vật chất, lực, năng lượng, không gian, thời gian; một cách mạng trong nhận thức.
[31] Bài tổng kết trong hội thảo quốc tế về vật lý hạt cơ bản và năng lượng cao, Tokyo, 1978.
[32] Hai kiểm chứng là:
(a) khối lượng mặt trời tạo ra xung quanh nó một không gian cong uốn để cuộn khúc quỹ đạo của hành tinh gần mặt trời nhất - tức Thủy tinh - làm cho hành tinh này lại đến trước một tí chút 43’’ trong một thế kỷ (hiện tượng tuế sai) so với thời điểm mà thuyết hấp dẫn cổ điển của Newton chỉ định. Nhà thiên văn Pháp Le Verrier năm 1859 - dùng thuyết cổ điển Newton - khi tính toán chu kỳ Thủy tinh đã phát hiện ra sự tuế sai nhưng ông không sao giải thích nổi. Einstein - qua phép tính xấp xỉ bậc hai của phương trình (II) - tính toán ra độ cong không gian bởi khối lượng Mặt trời, độ cong đó tác động lên chu kỳ của Thủy tinh và ông tìm ra đúng con số 43’’ thần diệu khiến tim ông dữ dội đập như ông về sau kể lại cho bạn bè. Những hành tinh khác vì ở xa mặt trời nên chẳng mấy bị ảnh hưởng bởi độ cong không gian quá nhỏ, ở xa mặt trời thuyết hấp dẫn cổ điển của Newton rất chính xác và Le Verrier tháng tám năm 1846 đã tiên đoán sự hiện hữu của Hải Vương tinh mầu xanh lơ rất đẹp mà ngay đêm 23 tháng chín năm ấy đã được đầu tiên nhìn thấy trên bầu trời nước Pháp.
(b) Cũng như mọi vật chất khác, ánh sáng từ một thiên thể xa xăm đến với ta sẽ bị uốn cong khi đi gần mặt trời. Để quan sát được tia ánh sáng bị bẻ cong đó ta cần mặt trăng che lấp mặt trời (nhật thực) rồi so với ánh sáng ban đêm (không có mặt trời) đến từ cùng một thiên thể. Sự khác biệt (giữa ban ngày nhật thực và ban đêm) của tia ánh sáng cho ta biết không gian bị uốn cong bao nhiêu bởi khối lượng mặt trời. Thuyết tương đối rộng tiên đoán độ cong phải bằng 1.75’’ và hai phái đoàn của Hàn lâm viện Hoàng gia Anh được gửi đi Brasil và đảo Principe để quan sát ánh sáng bị bẻ cong nhân dịp nhật thực ngày 29 tháng 5 năm 1919. Kết quả đo lường đúng như Einstein tiên đoán và sau buổi họp vô cùng căng thẳng và xúc động ngày 6 tháng 11 năm 1919 của Hàn lâm viện Hoàng gia Anh, báo chí khắp nơi trên thế giới đưa tin này (Newton nhường ngôi, Einstein đăng quang !) làm ông bỗng nhiên một sớm lừng danh trong đại chúng, mặc dầu thời ấy tin đồn chỉ có ba người trên thế giới hiểu được thuyết tưong đối rộng!
[33] Quả là một bài học vượt xa đối tượng khoa học thuần tuý. Trên cánh đồng hoang ở biên giới Pháp-Thụy sĩ gần thành phố Genève, ngay sau đệ nhị thế chiến nhiều nhà vật lý Âu châu di tản khắp nơi vì nạn phát xít đã trở về cố hương cùng đồng nghiệp ở lại xây dựng nên Trung tâm Âu châu nghiên cứu hạt nhân (CERN). Vì hòa bình và phát triển qua nghiên cứu cơ bản, với sự hỗ trợ tích cực của một số chính khách có tầm nhìn xa, họ đã chung sức mở đường cho sự hồi sinh và hoà giải của các nước Âu châu, đặc biệt Đức-Pháp. Vì mỗi nước riêng lẻ không sao đủ nhân sự và phương tiện để hoàn thành sứ mạng, nguyên tắc tổ chức của CERN (tập hợp đóng góp tài năng ngân quỹ từ nhiều nước châu Âu, chủ yếu từ Đức, Pháp, Anh, Ý) đã tiên phong làm mô hình cho nhiều ngành hoạt động khác phỏng theo như thiên văn, sinh học, thậm chí cả kinh tế, chính trị (CERN ra đời nhiều năm trước Liên hiệp Âu châu). Mạng lưới toàn cầu (world wide web) của internet ra đời ở CERN là một trong nhiều thành công kỳ diệu từ nghiên cứu cơ bản sang ứng dụng của cơ quan này, kỹ thuật siêu dẫn điện từ dùng trong máy gia tốc hạt khổng lồ LHC là một thí dụ khác. Năm 1992 (đúng 500 năm Columbus khám phá ra châu Mỹ) máy gia tốc hạt SSC (Superconducting SuperCollider) đầu tầu thế giới về vật lý hạt cơ bản đang được xây ở Dallas, Texas (Mỹ) bị cắt đứt hỗ trợ. May thay CERN quyết tâm thay thế sự hẫng hụt này và trong mười năm xây dựng nên LHC (http://public.web.cern.ch/Public/) để mở đầu chu kỳ thăng trầm rời Mỹ sang Âu của ngành vật lý hạt mũi nhọn này
|
|
|
Post by NhiHa on Jul 16, 2010 4:23:44 GMT 9
[34] Peter Higgs, tên nhà vật lý xứ Scotland đã đề xuất phải có hạt này để mang khối lượng cho vật chất. Tất cả các hạt cơ bản (trừ hạt cuối cùng Higgs) của mô hình chuẩn như quark, lepton, gluon, photon, W, Z đều đã được khám phá hết cả rồi với độ chính xác tuyệt vời. Các nhà vật lý ngóng chờ hạt Higgs với tất cả hồi hộp, nếu tìm thấy, mô hình chuẩn sẽ là hệ hình có tính quyết định cho sự hiểu biết tận tường gốc nguồn của khối lượng vật chất, và có tác động sâu xa đến vũ trụ học. Nếu không, ta sẽ đứng trước một bước ngoặt lịch sử của vật lý hạt cơ bản, nền tảng của mô hình chuẩn sẽ bị lung lay vì thiếu nhất quán.
[35] Các chuyên gia gọi tần số ánh sáng bị giảm đi là sự xê dịch về phía đỏ (red shift), hàm nghĩa ánh sáng màu đỏ có tần số nhỏ hơn ánh sáng màu xanh. Lý do là vì nếu nguồn sáng hay âm thanh chuyển động ra xa (đến gần) bến, ánh sáng hay âm thanh sẽ mất nhiều (ít) thời gian hơn để tới người quan sát trên bến, bước sóng trên bến vì đó sẽ dài (ngắn) đi, hay tần số sóng sẽ giảm (tăng).
[36] Khi ta chuyển Λgμν từ vế trái sang vế phải của phương trình Einstein (II), ta thấy tenxơ năng-xung lượng Tμν có thêm một số hạng mới δTμν = – (Λc4/8πG) gμν. Số hạng mới này mang đặc tính của một chân không (vì Λ vô hướng và gμν có gốc nguồn thuần hình học, chẳng do năng-xung lượng của vật chất tạo nên), hơn nữa dấu trừ của δTμν có tác động đẩy ra (thay vì hút vào bởi lực hấp dẫn +8πG/c4Tμν của vật chất làm không gian co lại). Vậy δTμν coi như tác động phản hấp dẫn của chân không làm dãn nở vũ trụ và năng lượng tối chỉ định tính chất này.
[37] Một số sách báo phổ biến khoa học khi đề cập đến Big Bang thường dùng ngôn từ gợi ý có dòng thời gian trôi chảy từ quá khứ đến tương lai mà cả hai thuyết tương đối hẹp và rộng đều phủ định. Big Bang không phải là sự khai sinh ra vũ trụ từ hư vô, nó là một khoảnh mép không-thời gian bị biến dạng rất mạnh bởi năng-xung lượng cực kỳ lớn, do đó trạng thái đàn hồi của không-thời gian bị đứt tựa như miếng cao su quá căng mà bị xé rách.
[38]A. Penzias và R. Wilson năm 1965 đã tình cờ gián tiếp phát hiện ra bức xạ nền của vũ trụ (CMB, Cosmic Microwave Background), rồi năm 1992 G. Smoot và J. Mather dùng vệ tinh COBE chụp ảnh trực tiếp đấu tiên, mới đây 2003 là vệ tinh WMAP với chi tiết tinh vi hơn và năm nay 2008 vệ tinh Planck hy vọng chứng nghiệm được thời lạm phát tức là khoảng 10–35 giây sau Big bang.
[39] Đúng là các nhà vật lý ít người có cái duyên thi sĩ nên chỉ đặt toàn những tên vật đen, lỗ đen, nổ lớn, vật chất tối, dây! Trong đời sống hàng ngày, ta gọi vật đen (black body) là một chất liệu chỉ hấp thụ ánh sáng chiếu lên nó mà không phản xạ nhưng vẫn phóng xạ. Trong phòng thí nghiệm, vật đen là một lò bịt kín nung nóng ở nhiệt độ T và đục một lỗ nhỏ trên thành lò, ta nghiên cứu bức xạ nhiệt phát ra qua lỗ. Sự phân phối cường độ bức xạ phát ra bởi vật đen chỉ phụ thuộc vào T thôi chứ không vào bất cứ chất liệu nào ở trong lò. Điều này chứng tỏ bức xạ của vật đen chỉ phụ thuộc vào sự dao động của các thành phần cơ bản chung cho tất cả các chất liệu, mang tính chất rất phổ quát. Bức xạ nhiệt của vật đen là một trường hợp hi hữu trong vật lý có tính phổ quát tuyệt đối. Cường độ bức xạ là một hàm phổ quát của nhiệt độ T và tần số ν của ánh sáng bức xạ, mỗi tần số lại gắn liền với một màu (từ đỏ vàng sang tím) của ánh sáng đó. Một thanh sắt đen ở nhiệt độ bình thường nhưng thành đỏ khi nung nóng lên và trở nên trắng khi tăng nhiệt độ lên cao nữa. Công thức về bức xạ vật đen mà Planck viết ra tháng Mười năm 1900 chính xác và phổ quát đến nỗi nó áp dụng từ lò kín nung nóng của phòng thí nghiệm ở đại học Berlin thế kỷ 19 cho đến bức xạ nền của Vũ trụ sau vụ Nổ lớn mà hai vệ tinh COBE và WMAP đo lường tàn dư nhiệt lượng phóng xạ cách đây khoảng 13.7 tỷ năm (giải Nobel vật lý 2006). Biết đâu trăm năm sau, ở thế kỷ 22, con người sẽ đo lường được bức xạ của một vật đen khác kỳ dị hơn nhiều, đó là lỗ đen phóng xạ nhiệt ra ngoài chân trời tối kín của nó, lỗ đen chẳng còn hoàn toàn đen nữa (xem phần 5c về tiên đoán của S. Hawking và J.D. Bekenstein).
[40] Bằng một ‘hành động hầu như tuyệt vọng’ để giải đáp cường độ và nghịch lý (năng lượng vô hạn) của vật đen, Planck đưa ra một giả thuyết theo đó các vật thể khi dao động với tần số ν thì năng lượng E phát ra phải theo từng ‘gói‘ rời rạc như 1hν, 2hν, 3hν ... chứ không liên tục. Kỳ lạ thay năng lượng phun ra từng gói từng chùm chứ không tuôn chảy đều đặn. Einstein là người đầu tiên dùng giả thuyết này để diễn giảng hiện tượng quang điện, mở đầu cho sự khám phá ra lưỡng tính vừa sóng vừa hạt của ánh sáng cũng như của các vật thể vi mô khác (như electron) và sự ra đời của vật lý lượng tử với nguyên lý bất định Heisenberg. Hằng số Planck h (trong phương trình E = hν) có gốc nguồn ở chữ Hilfe (tiếng Đức nghĩa là phụ trợ), chi tiết này nói lên cái khiêm tốn của một nhà bác học lớn, dẫu trong thâm tâm Planck biết mình vừa hé mở một chân trời mới khi thổ lộ với con trai Erwin 7 tuổi: hôm nay bố phát minh ra một điều phi thường chẳng kém Newton
[41] Λ chỉ định hằng số vũ trụ Λ gắn liền với năng lượng tối, còn CDM viết tắt của Cold Dark Matter. Vật chất tối (dark matter), chiếm tới 27% tổng khối lượng vật chất trong vũ trụ, là vật chất không bức xạ mà chỉ có vai trò tác động lên cách vận hành của các thiên hà, nó khác lạ với vật chất bình thường (chỉ chiếm khoảng 3% khối lượng vũ trụ) của những thiên hà sáng ngời mà ta quan sát được. Gốc nguồn của giả thuyết vật chất tối đi từ sự đo lường vận tốc quay rất cao của các thiên hà, hệ quả của vận tốc quá cao này là các thiên thể phải tung bay khắp phía mà không gộp lại được thành chòm như ta quan sát, do đó giả thuyết phải có vật chất tối để lôi hút các thiên hà sát lại gần nhau. Phần còn lại (khoảng 70% tổng năng-khối luợng trong vũ trụ) là năng lượng tối (dark energy) để làm vũ trụ dãn nở. Cần nhấn mạnh bản chất bí ẩn của năng lượng tối (mang tính chất đẩy ra) và của vật chất tối (mang tính chất hút vào), chúng là gì, một đề tài nóng hổi của vũ trụ học và vật lý hạt cơ bản.
[42] Hình học không-thời gian của một lỗ đen đơn giản nhất (diễn tả bởi khối lượng M) có dạng sau đây :
ds2 = – A c2 dt2 + dr2 /A + r2 (dθ2 +sin2θ dφ2 ) với A = 1 – (2GM /c2 r) mà Schwarzschild tìm ra năm 1916.
Ta thấy metric g00 = – A sẽ bằng 0 nếu r = RH ≡ 2GM /c2 . Khi g00 = 0, theo phương trình (3) của phụ chú 29, ánh sáng tần số ν0 phát ra từ bất kỳ điểm nào trên hình cầu RH bán kính RH thì người ở ngoài hình cầu (r > RH) sẽ thấy ánh sáng ấy chỉ có một tần số ν duy nhất bằng 0 (vì ν/ν0 lúc nào cũng = 0). Vậy hình cầu RH chính là chân trời lỗ đen vì ánh sáng trong đó không phát hiện nổi ra cho người ở ngoài quan sát được.
[43] Theo thuyết tương đối hẹp, vật chất khối lượng m chuyển động với xung-lượng k mang một năng lượng E, ba đại lượng đó liên kết bởi E2 = |k|2c2 + m2c4 và E2 = m2c4 chỉ là dạng riêng lẻ của phương trình trên khi hạt có khối lượng m ≠ 0 không di động (|k|= 0). Công thức E2 = |k|2c2 + m2c4 của thuyết tương đối hẹp và chùm năng lượng hν của thuyết lượng tử là điểm khởi đầu mà Dirac kết hợp được để khám phá ra 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, lượng tử tính) của hạt và phản hạt đều ngược dấu. Sự thống nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp là điều 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 của cơ học mới diễn tả được chính xác. Ðể chứng minh phản hạt, Dirac đi từ nhận xét sau đây: vì E = ± (|k|2c2 + m2c4 )½, nên E = ± mc2 với một vật bất động. Trong vật lý cổ điển, E > 0 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 từng gói hν, vậy không có gì ngăn cản hạt khi mất đi quá nhiều gói hν có thể mang năng lượng âm, hay ngược lại một hạt với E < 0 khi nhận được nhiều gói hν có thể trở về trạng thái năng lượng dương. Thí dụ trong đại dương của muôn vàn hạt electron (điện tích âm -e ) mang E < 0, nếu ta có đủ sức để kéo một electron trong đại dương ấy ra ngoài, tức là đại dương ấy mất đi một electron mang E < 0, -e. Nhưng mất đi (tượng trưng bằng 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 E > 0. Ðó là hạt phản electron hay positron. Tóm lại, hạt và phản hạt có E > 0, chúng có chung khối lượng nhưng mọi đặc trưng khác (điện tích, spin, lượng tử tính) đều ngược dấu.
[44] Ludwig Boltzmann (1844-1906) - nhà vật lý và triết học uyên thâm Áo, người đặt nền tảng cho vật lý thống kê - khi suy ngẫm về bốn phương trình điện-từ Maxwell viết dưới dạng (∂α ∂α)Aμ = Jμ đã thốt lên ‘Phải chăng thượng đế viết những dòng này! ', có lẽ ông còn kinh ngạc nữa nếu biết đến phương trình Einstein và sóng trọng trường.
[45]Làm sao ước tính được năng lượng của Không? Phép phân tích thứ nguyên cho ta cách trả lời. Với ba đại lượng cơ bản phổ cập trong vật lý là h = 2π ћ hằng số Planck, G hằng số trọng lực Newton và c vận tốc ánh sáng, ta chỉ có một cách duy nhất để lập nên những đại lượng mang thứ nguyên chiều dài (L), khối lượng (M), và thời gian (T). Ðó là chiều dài Planck Lp = [Gћ /c3]½ = 1.6 × 10−35 m, khối lượng Planck Mp = ћ /(cLp) = 2.2 × 10−8 kg = 1.2 x 1019 GeV/c2, và thời điểm Planck Tp = Lp /c = 5.4 × 10−44s. Từ đó, năng lượng Planck Ep = Mpc2 = 2 × 10+9 joule. Mật độ năng lượng của Không được ước tính theo (27/16π2) Ep/(Lp)3 = 8.4 × 10112 joule/ m3 với những đóng góp của các trường ảo tràn đầy trong Không: photon trong tương tác điện từ, ba boson W±, Z0 của tương tác yếu, và tám gluon trong tương tác mạnh. Ðóng góp của các hạt cơ bản quark và lepton cũng chẳng thay đổi nhiều công thức trên.
[46] Trong một hư không kín rỗng, không ánh sáng không chút vật chất, ta đặt hai phiến gương mỏng song song. Mặc dầu năng lượng giữa hai phiến và ngoài hai phiến của Không đều phân kỳ như ta biết, nhưng năng lượng của Không ở giữa nhỏ hơn ở ngoài hai phiến (vì kích thước ở giữa nhỏ hơn ở ngoài), sự khác biệt hữu hạn đó gây nên một áp suất làm chúng hút lẫn nhau. Ðó là lực Casimir, một đặc trưng của lượng tử. Lực hút đó ông tính được ra bằng Fc = (πhc/120) (L2/d 4) với L2 là diện tích của gương và d khoảng cách giữa hai phiến. Nguồn gốc lượng tử của Fc được biểu hiện rõ ràng qua h (hằng số Planck) trong công thức trên. Ở khoảng cách d ≈ nanô-mét (một phần tỷ mét) trong công nghệ tương lai, lực này có thể đóng vai trò quan trọng. Các phòng thực nghiệm ở Riverside, Padova, Stockholm, Paris đã đo Fc với độ sai biệt nhỏ hơn 1% so với tính toán. Trong hư không tất cả đều vắng bóng chẳng có điện từ, 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 (nhưng vô hạn) của chân không lượng tử! Nhà vật lý Hà lan Hendrik Casimir, sau khi công bố năm 1948 lực mang tên ông, đã giữ chức vụ tổng giám đốc nghiên cứu đại tập đoàn công kỹ nghệ quốc tế Philips.
[47] Một thuyết khác là hình học phi giao hoán (non-commutative geometry) do A. Connes (nhà toán học Pháp) đề xướng, theo đó không-thời gian cũng chẳng còn trơn tru liên tục nữa mà rời rạc thành đơn vị như vật chất.
[48] Khởi động bởi Planck và tiếp nối bởi Einstein, vật lý lượng tử là một công trình tập thể với những đóng góp của nhiều nhân vật lịch sử như Bohr, de Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Dirac, Pauli, Fermi ...nối tiếp cho mãi đến ngày nay bởi các tài năng đến từ mọi miền trên trái đất qua vài khuôn mặt quen thuộc như Bose, Gell-Mann, Landau, Salam, Yang, Yukawa...
|
|
|
Post by Can Tho on Sept 9, 2010 4:23:46 GMT 9
Quả Bóng Đá C60 và Ống Nano CarbonTrương Văn Tân "There's plenty of room at the bottom" (Richard P. Feynman, Physics Nobel Laureate) Cách đây mười năm cụm từ "công nghệ nano" (nanotechnology) ít được người biết đến, nhưng ngày hôm nay nó trở thành một thuật ngữ quen thuộc ở mọi giai tầng trong xã hội hiện đại. Người làm kinh tế hay chính trị cũng thường đề cập đến nano dù người nói lẫn người nghe lắm khi vẫn không biết đích xác là gì. Nano là tiếng gọi tắt của nanometer (ký hiệu nm, 1 nm = 10-9 m hay là 0.000000001 m) [1] là một đơn vị đo lường ở thứ nguyên nguyên tử hay phân tử. Công nghệ nano liên quan đến việc lợi dụng những hiện tượng ở đơn vị nanometer để thiết kế vật liệu và vật chất với những chức năng đặc biệt ngay từ thang (scale) nguyên tử hoặc phân tử. Người ta gọi đây là phương pháp thiết kế "từ dưới lên" (bottom-up method) khác với phương pháp thiết kế thông thường "từ trên xuống" (top-down method) đang được lưu dụng [2]. Nhà vật lý học nổi tiếng Richard Feynman đã từng tiên đoán phương pháp "từ dưới lên" trong một bài thuyết trình năm 1959 qua câu nói vừa nghiêm túc vừa hài hước "There's plenty of room at the bottom" (Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới). Lời dự đoán thiên tài nầy cho biết vùng tận cùng "miệt dưới" của nguyên tử và phân tử vẫn còn là những vùng phì nhiêu bát ngát chờ đợi con người đến thao túng khai hoang! Tuy nhiên con người phải chờ đến 40 năm mới nhìn thấy sự bùng nổ của nền công nghệ nano chủ yếu sử dụng phương pháp "từ dưới lên". Nền công nghệ nầy đang có tác động mạnh lên nền công nghệ "cổ điển" hiện tại và cũng là một động lực của những công trình nghiên cứu đa ngành (multi-discipline) bao gồm vật lý, hóa học, vật liệu học, sinh học, toán học, tin học v.v... Đây là một cuộc cách mạng kỹ nghệ của loài người ở thế kỷ 21. Nó sẽ mang lại cho nhân loại những thay đổi khoa học kỹ thuật mang tính đột phá và có tầm ảnh hưởng sâu xa trong sinh hoạt xã hội, văn hóa, kinh tế hơn cả cuộc cách mạng kỹ nghệ ở thế kỷ 18. Đàng sau bức bình phong công nghệ nano là những vật liệu nano. Trong những vật liệu nầy xuất hiện hai dạng carbon: phân tử fullerene C60 có hình dạng trái bóng đá và ống nano carbon (carbon nanotube). Sự phát hiện của hai dạng carbon ở thập niên 80 và 90 ở thế kỷ trước có một trùng hợp thời điểm với sự ra đời và phát triển của công nghệ nano. Việc khám phá fullerene và ống nano carbon là tập hợp của nhiều sự kiện ngẫu nhiên. Gọi là ngẫu nhiên nhưng thật ra là những kết quả hết sức ngoạn mục phản ảnh một tinh thần làm việc miệt mài nhưng vẫn phóng khoáng lạc quan, một tư duy phân tích bén nhạy nhưng không xơ cứng giáo điều của nhà khoa học. Hiện nay, hằng trăm trung tâm nghiên cứu lớn nhỏ về công nghệ nano được thành lập khắp nơi trên thế giới đứng đầu là Mỹ, Nhật Bản, Âu Châu, Trung Quốc với kinh phí toàn cầu trong vài năm tới sẽ tăng đến hằng chục tỷ Mỹ kim mỗi năm. Đối với một số nước công nghệ nano và bộ môn fullerene/ống nanocarbon là ưu tiên quốc gia cho các đề án nghiên cứu và triển khai. Trong bài viết nầy chúng ta hãy nhìn xem có thật sự là con người đang đi vào một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật mở ra một thời đại hoàng kim công nghệ chưa từng có trong lịch sử nhân loại. Và có thật sự là nền công nghệ silicon của thế kỷ 20 đang từ giã "cuộc hí trường" để được thay thế bởi nền công nghệ carbon. Quả bóng đá C60 Năm 1985, một nhóm nghiên cứu bao gồm Harold Kroto (University of Sussex, Anh Quốc) và Sean O'Brien, Robert Curl, Richard Smalley (Rice University, Texas, Mỹ) khám phá ra một phân tử chứa 60 nguyên tử carbon, viết tắt là C60. Giáo sư Kroto là một nhà nghiên cứu hóa học thiên văn. Vào thập niên 70, ông đã có một chương trình nghiên cứu những chuỗi dài các nguyên tử carbon trong các đám mây bụi giữa các vì sao (interstellar dust). Ông liên lạc với nhóm của Curl và Smalley và dùng quang phổ kế laser của nhóm nầy để mô phỏng điều kiện hình thành của các chuỗi carbon trong các đám mây vũ trụ. Họ không những có thể tái tạo những chuỗi carbon mà còn tình cờ khám phá một phân tử rất bền chứa chính xác 60 nguyên tử carbon. Sự khám phá C60 xoay hướng nghiên cứu của nhóm nầy từ chuyện tìm kiếm những thành phần của vật chất tối (dark matter) trong vũ trụ đến một lĩnh vực hoàn toàn mới lạ liên hệ đến khoa vật liệu (Materials Science). Năm 1996, Kroto, Curl và Smalley được giải Nobel Hóa học cho sự khám phá nầy. Trước C60 người ta chỉ biết carbon qua ba dạng: dạng vô định hình (amorphous) như than đá, than củi, bồ hóng (lọ nồi), dạng than chì (graphite) dùng cho lõi bút chì và dạng kim cương (Hình 1). Sự khác nhau về hình dạng, màu mè, giá cả và cường độ yêu chuộng của nữ giới giữa than đá, than chì và kim cương thì quả là một trời một vực. Tuy nhiên, sự khác nhau trong cấu trúc hóa học lại khá đơn giản. Như cái tên đã định nghĩa, dạng vô định hình không có một cấu trúc nhất định. Trong than chì các nguyên tố carbon nằm trên một mặt phẳng thành những lục giác giống như một tổ ong. Cấu trúc nầy hình thành những mặt phẳng nằm chồng chất lên nhau mang những electron pi di động tự do. Than chì dẫn điện nhờ những electron di động nầy. Trong kim cương những electron pi kết hợp trở thành những nối hóa học liên kết những mặt phẳng carbon và làm cho chất nầy có một độ cứng khác thường và không dẫn điện. Hình 1: Tám loại carbon theo thứ tự từ trái sang phải: (a) Kim cương, (b) Than chì, (c) Lonsdaleite, (d) C60, (e) C540, (f) C70, (g) Carbon vô định hình (h) Ống nano carbon (Nguồn: Wikipedia). Sự khám phá của C60 cho carbon một dạng thứ tư. Sau khi nhận diện C60 từ quang phổ hấp thụ Kroto, Curl và Smalley bắt đầu tạo mô hình cho cấu trúc của C60. Trong quá trình nầy các ông nhanh chóng nhận ra rằng các nguyên tố carbon không thể sắp phẳng theo kiểu lục giác tổ ong của than chì, nhưng có thể sắp xếp thành một quả cầu tròn trong đó hình lục giác xen kẻ với hình ngũ giác giống như trái bóng đá với đường kính vào khoảng 1 nm (Hình 1d và 2). Phân tử mới nầy được đặt tên là buckminster fullerene theo tên lót và họ của kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller. Ông Fuller là người sáng tạo ra cấu trúc mái vòm hình cầu với mô dạng lục giác (Hình 3). Cho vắn tắt người ta thường gọi C60 là fullerene hay là bucky ball. Hình 2: Quả bóng đá phân tử C60 với đường kính vào khoảng 1 nm. Hình 3: Kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller và mái vòm hình cầu với mô dạng lục giác. Trong việc quyết định trao giải Nobel, Viện Hàn Lâm Khoa Học Thụy Điển đã quên mất công lao của giáo sư Eiji Osawa. Ông là người đầu tiên đã tiên đoán sự hiện hữu của C60. Tôi tình cờ gặp ông tại một cuộc hội thảo khoa học chuyên ngành. Cũng như phần lớn các giáo sư người Nhật Bản khác, giáo sư Osawa là một người khả kính, điềm đạm và khiêm tốn. Khi tôi gợi chuyện C60 và giải Nobel, ông mở nụ cười hiền hòa tâm sự "Không được Nobel tôi tiếc lắm chứ vì C60 là đứa con khoa học của tôi mà. Tôi tiên đoán C60 vào năm 1970 khi tôi vừa mới được bổ nhiệm Giảng Viên tại Đại Học Hokkaido. Vì tôi viết bằng tiếng Nhật và đăng bài báo cáo của tôi trên tạp chí Kagaku (Hóa Học) năm 1970 [3] nên không được các đồng nghiệp quốc tế lưu ý đến. Một năm sau tôi viết lại thành một chương cho một quyển sách giáo khoa, cũng bằng tiếng Nhật". Tôi hỏi "Nếu thầy đã tiên đoán như vậy thì tại sao thầy không làm một thí nghiệm để kiểm chứng". Ông bộc bạch "Theo sự tính toán của tôi thì năng lượng hoạt tính của phản ứng tạo ra C60 rất cao. Tôi không thể hình dung được một chất xúc tác nào có thể hạ thấp năng lượng hoạt tính để phản ứng có thể xảy ra. Nhưng tôi đã hình dung được cấu trúc của nó trong một lần tôi nhìn đứa con trai của tôi đùa giỡn với trái bóng đá trong công viên gần nhà. Tôi cũng không nghĩ ra một phương tiện vật lý như dùng laser hoặc tia có năng lượng cao như nhóm Smalley đã làm để kích động phản ứng. Hơn nữa, ở thời điểm đó tôi mới vừa làm Giảng Viên nên cần phải tạo một dấu ấn nào đó trong phân khoa. Tôi cảm thấy việc tổng hợp C60 quá nhiều khó khăn nên đành chọn một hướng nghiên cứu khác". Có một điều làm cho ông được an ủi phần nào là trong bài diễn văn nhận giải Nobel Kroto, Curl và Smalley đã đề cập đến thành quả tiên phong của ông. Ông đã gởi tặng tôi bài báo cáo khoa học mang tính lịch sử nầy (Hình 4). Hình 4: Tựa đề bài báo cáo "Họ chất thơm siêu đẳng" (Super-aromaticity) viết vào năm 1970 [3] và quả bóng đá C60 trong bài viết. Như giáo sư Osawa đã trình bày, ở điều kiện và nhiệt độ bình thường việc tổng hợp C60 là một việc bất khả thi theo các tiêu chuẩn nhiệt động học (thermodynamics). Vì là một nhà hóa học thiên văn, Kroto tiếp cận vấn đề bằng một phương thức khác. Tháng 9 năm 1985, trong thời gian làm việc tại Rice University ông dùng tia laser của Curl và Smalley bắn vào than chì để tái tạo sự tương tác của các tia vũ trụ và carbon trong không gian. Trong phổ ký khối lượng (mass spectrography) của các sản phẩm tạo thành xuất hiện hai đỉnh rất to chỉ định C60 và C70. Một bất ngờ nhưng Kroto, Curl và Smalley biết ngay đây là một khám phá đổi đời "kinh thiên động địa". Khi tia laser bắn vào một vùng nào đó của vật chất thì sẽ nâng nhiệt độ vùng đó lên cao hằng ngàn độ, thậm chí hằng chục ngàn độ. Ở nhiệt độ cao những chướng ngại nhiệt động học không còn là vấn đề và sự tạo thành C60 trở nên rất thuận lợi. Việc khám phá C60 đã làm chấn động hầu hết mọi ngành nghiên cứu khoa học. Đặc biệt đối với môn hóa học hữu cơ nó đã tạo ra một nguồn sinh khí mới cho ngành nghiên cứu quá cổ điển nầy. Sự khám phá có tầm quan trọng hơn sự khám phá cấu trúc vòng nhân benzene của Kekule gần 150 năm trước. Benzene đã mở ra toàn bộ ngành hóa học của hợp chất thơm (aromatic compounds). C60 đã mở ra ngành "Hóa học fullerene" đi song song với sự phát triển của ngành công nghệ nano hiện nay. Kroto, Curl và Smalley chỉ cho biết sự hiện hữu của C60, nhưng tổng hợp C60 cho việc nghiên cứu và ứng dụng phải đợi đến năm 1990 khi Krätschmer và Huffman đưa ra phương pháp tổng hợp với một sản lượng lớn. Nhờ vào phương pháp nầy đến năm 1997 đã có hơn 9000 hợp chất dựa trên fullerene được tổng hợp, hơn 20 000 báo cáo khoa học đăng trên các tạp chí chuyên ngành. Những người nghiên cứu hóa hữu cơ thường có nhiều nỗi ám ảnh và niềm đam mê đối với những cấu trúc phân tử đối xứng và cấu trúc lồng (cage structure), nên fullerene trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mầu mỡ trong bộ môn nầy. Họ tổng hợp những fullerene cao hơn C60 như C70 (70 nguyên tử carbon, hình bóng bầu dục), C84 (84 nguyên tử carbon, hình quả đậu phọng). Họ kết hợp những nhóm chức (functional group) để chức năng hóa (functionalization) fullerene, gắn fullerene vào polymer để tổng hợp những dược liệu hay vật liệu cho áp dụng quang điện tử. Lịch sử fullerene lâu đời hay non trẻ tùy vào hai cách nhìn khác nhau. Nghiên cứu fullerene thật ra rất ngắn chỉ hơn 20 năm kể từ ngày phổ ký khối lượng của Curl và Smalley cho biết sự hiện diện của C60 và C70, nhưng sự hiện hữu của fullerene có lẽ còn sớm hơn sự xuất hiện của loài người. Nó có trong những đám mây bụi trong vũ trụ, mỏ than, bồ hóng từ những ngọn nến lung linh hoặc những nơi khiêm tốn hơn như ở lò sưởi than, cái bếp nhà quê đen đui đủi vì lọ nồi... Người ta không tìm được C60 vì hàm lượng rất nhỏ và thường bị than vô định hình phủ lấp. Khi màn bí mật C60 được vén mở, người ta nghĩ ngay đến những áp dụng thực tiễn của C60. Người ta kết hợp C60 với potassium (K) để tạo ra chất siêu dẫn hữu cơ ở nhiệt độ 18 K (-255 °C). Một số nhà nghiên cứu sinh học hy vọng có thể dùng C60 điều chế dược phẩm trị liệu bịnh AIDS. Trong vật lý, rất nhiều đề nghị áp dụng C60 để chế tạo những trang cụ (device) quang điện tử trong công nghệ cao. Tuy nhiên, trên mặt áp dụng các nhà khoa học thường mắc phải một căn bệnh chung là "lạc quan quá độ". Cấu trúc tròn trịa, đối xứng của C60 đã được tạp chí Science tôn vinh là "phân tử của năm 1991", nhưng cái xinh đẹp hấp dẫn không phải lúc nào cũng đưa đến kết quả thực tiễn hoàn mỹ. Hai yếu tố làm C60 giảm tính thực tế là: (1) giá cả quá cao (giá cho 1 gram là vài trăm Mỹ kim hoặc cao hơn cho tinh chất, so với giá vàng vào khoảng $10/g) và (2) C60 không hòa tan trong dung môi rất bất lợi cho việc gia công. Những hồ hởi ban đầu trong cộng đồng nghiên cứu khoa học dành cho fullerene bị dập tắc nhanh chóng vì những trở ngại nầy. Thậm chí ngay trong công nghệ "thấp", chẳng hạn dùng C60 như một chất phụ gia (additives) cho dầu nhớt làm giảm độ ma xát vẫn không địch nổi về giá cả và hiệu quả của những chất phụ gia thông thường. Tuần báo The Economist có lần phê bình "Cái công nghệ duy nhất mà quả bóng bucky đã thực sự cách mạng là sản xuất những bài báo cáo khoa học" (The only industry the buckyball has really revolutionized is the generation of scientific papers)! Nhưng viễn ảnh của C60 trong áp dụng công nghệ không đến nổi tăm tối như các nhà bình luận kinh tế đã hấp tấp dự đoán. Sự kiên trì của những người làm khoa học lúc nào cũng cho thấy một niềm lạc quan của "những tia sáng ở cuối đường hầm". Gần đây công ty Nano-C (Mỹ) tuyên bố khả năng sản xuất hằng tấn C60 cho giới công nghệ. Một nhà máy thí điểm tại Nhật đang có khả năng chế tạo 40 tấn hằng năm và sẽ lên đến vài trăm tấn khi nhà máy được nâng cấp. Phương pháp sản xuất hàng loạt sẽ làm giảm giá C60 đến mức $5/g và có thể $1/g trong một tương lai không xa. Đây là một bước nhảy vĩ đại so với những năm đầu ở thập niên 90 khi người ta chỉ thu lượm vài miligram C60 ở mỗi lần tổng hợp khó khăn và giá cho mỗi gram có lúc lên đến $1500/g. Nhà sản xuất dự đoán nhu cầu C60 sẽ tăng nhanh trong vài năm tới cho việc chế biến dược liệu, dầu nhớt cao cấp và mỹ phẩm trang điểm. Câu chuyện cô bé Lọ Lem mãi mãi là một câu chuyện tình làm thổn thức nhiều con tim trẻ. Cô bé bị bà mẹ ghẻ hành hạ lúc nào cũng phải quét dọn lò sưởi nên mặt mũi dính đầy lọ nồi. Bà Tiên với chiếc đũa thần biến nàng thành một tiểu thư đài các được trang điểm cực kỳ diễm lệ để dự những buổi khiêu vũ của chàng hòang tử độc thân đa tình. Có lẽ nàng được trang điểm với những mỹ phẩm chứa C60, nàng sẽ đeo những chuỗi kim cương carbon vô giá. Nhưng sau nửa đêm nàng sẽ trở lại cô bé đầy lọ.... Nhìn từ quan điểm của hóa học carbon, chuyện tình khi đượm tính khoa học có thể làm thất vọng nhiều tâm hồn lãng mạn nhưng tất cả chỉ là câu chuyện carbon ở những trạng thái khác nhau! Trở lại thực tế của thế kỷ 21. Khả năng áp dụng fullerene trong công nghệ cao liên quan đến quang học và quang điện tử đang được tích cực khảo sát ở nhiều cơ quan nghiên cứu trên thế giới. Tạp chí Journal of Materials Chemistry xuất bản một số đặc biệt tổng kết những thành quả mới nhất của nghiên cứu fullerene [4]. Một trong ứng dụng có tầm quan trọng đặc biệt là đặc tính photovoltaic của C60 tức là khả năng biến năng lượng mặt trời thành điện còn gọi là pin mặt trời. Loại pin nầy được chế tạo từ C60 và polymer dẫn điện (electrically conducting polymers). Mặc dù hiệu suất chuyển hoán năng lượng vẫn chưa bì kịp pin mặt trời silicon đang được phổ biến trên thương trường, loại pin mặt trời hữu cơ nầy sẽ cho những đặc điểm không có ở silicon như dễ gia công, giá rẻ, nhẹ, mỏng và mềm.
|
|
|
Post by Can Tho on Sept 9, 2010 4:25:30 GMT 9
Ống Nano CarbonKroto vì niềm đam mê tái tạo những chuỗi carbon dài trong các đám mây bụi vũ trụ tình cờ phát hiện fullerene. Ngẫu nhiên nầy được nối tiếp với ngẫu nhiên khác. Sáu năm sau (1991), tiến sĩ Sumio Iijima một nghiên cứu viên của công ty NEC (Nhật Bản) cũng vì niềm đam mê tìm hiểu fullerene lại tình cờ phát hiện qua kính hiển vi điện tử ống nano carbon - "người em họ" của C60 [5]. C60 có hình dạng quả bóng đá, nhưng ống nano carbon (gọi tắt: ống nano) giống như một quả mướp dài với đường kính vài nanometer (nm) và chiều dài có thể dài đến vài trăm micrometer (10-6 m), vì vậy có cái tên gọi "ống nano" (Hình 1h và 5). Với đường kính vài nm ống nano carbon nhỏ hơn sợi tóc 100 000 lần. Chỉ trong vòng vài năm từ lúc được phát hiện, "người em họ" cho thấy có rất nhiều ứng dụng thực tế hơn C60. Cấu trúc hình ống có cơ tính (mechanical properties) và điện tính (electrical/electronic properties) khác thường và đã làm kinh ngạc nhiều nhà khoa học trong các cơ quan nghiên cứu, đại học và doanh nghiệp trên thế giới. Ống nano có sức bền siêu việt, độ dẫn nhiệt cao (thermal conduction) và nhiều tính chất điện tử thú vị. Với một loạt đặc tính hấp dẫn nầy nhiều phòng nghiên cứu đã phải chuyển hướng nghiên cứu từ C60 sang ống nano. Hình 5: Ống nano carbon Việc chế tạo ống nano có thể thực hiện bằng cách phóng điện hồ quang (arc discharge) hoặc dùng laser (laser ablation) trên một vật liệu gốc chứa carbon hoặc phun vật liệu nầy qua một lò ở nhiệt độ 800 - 1200 °C (chemical vapour deposition, CVD). Hình thành ống carbon không phức tạp nhưng tạo ra những ống nano giống nhau cùng đặc tính trong những đợt tổng hợp khác nhau và sau đó tinh chế để gạn lọc tạp chất đòi hỏi những điều kiện vận hành một cách cực kỳ chính xác. Tùy vào điều kiện chế tạo và vật liệu gốc người ta có thể tổng hợp ống nano một vỏ (single-wall carbon nanotube, SWNT), vỏ đôi (double-wall carbon nanotube, DWNT) và nhiều vỏ (multi-wall carbon nanotube, MWNT). MWNT là một tập hợp của SWNT giống như con búp bê Nga (Russian doll) (Hình 6). Ống nano được Iijima phát hiện đầu tiên thuộc loại MWNT. Richard Smalley (Rice University) một lần nữa đã phát huy tài năng của mình qua phương pháp laser để chế tạo SWNT với hiệu suất rất cao. Phương pháp nầy đã được thương mãi hóa để sản xuất SWMT cho công nghệ. Giá cho SWNT và DWNT tinh chế vẫn còn rất cao ở mức $500/g. MWNT dễ tổng hợp hơn SWNT nên giá ở mức $100/g. Gần đây Mitsui (Nhật Bản) có thể sản xuất 120 tấn MWNT/năm cho nhu cầu công nghệ với giá $75/kg. Hình 6: Ống nano carbon nhiều vỏ (MWNT) chụp bằng kính hiển vi điện tử. Khoảng cách giữa hai vỏ là 0.34 nm và đường kính của vỏ ngoài cùng là 6.5 nm [5]. Người ta đã định được độ bền (strength) và độ cứng (stiffness, Young's modulus) của ống nano. Kết quả thí nghiệm cho thấy ống nano bền hơn thép 100 lần nhưng nhẹ hơn thép 6 lần. Như vậy, có thể nói là ống nano là một vật liệu có cơ tính cao nhất so với các vật liệu người ta biết từ trước đến nay. Tuy nhiên, một vấn đề lớn hiện nay cho các nhà vật liệu học (materials scientist) là làm sao xe những ống nano thành tơ sợi (nanotube fibres) cho những ứng dụng thực tế mà vẫn giữ được cơ tính tuyệt vời cố hữu của các ống nano tạo thành. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Ray Baughman (University of Texas, Mỹ) [6] đã phát minh ra một quá trình xe sợi ống nano cho ra sợi với cơ tính cao hơn thép và tương đương với tơ nhện (spider silk). Tơ nhện được biết là một loại tơ thiên nhiên có cơ tính cao nhất trong các loại tơ sợi. Kinh nghiệm cho thấy một con ruồi bay với tốc độ cao nhất vẫn không bao giờ làm thủng lưới nhện. Nếu sự kiện nầy được phóng đại vài chục ngàn lần để sợi tơ nhện có đường kính bằng cây bút chì, sợi tơ có thể kéo ngừng lại chiếc phi cơ 747 đang bay trên không! Mặc dù độ cứng của sợi ống nano do nhóm Baughman làm ra chỉ bằng 1/10 độ cứng của từng ống nano riêng lẻ, sợi Baughman vẫn chưa phải "siêu cứng" nhưng đã hơn hẳn Kevlar [7] về sức bền và nếu điều kiện sản xuất hàng loạt cho phép nó có thể thay thế Kevlar dùng trong những chiếc áo giáp cá nhân chống đạn trong tương lai. Quá trình xe sợi của nhóm Baughman chứng tỏ khả năng chế tạo sợi ống nano với những cơ tính vĩ mô càng lúc càng gần đến cơ tính ở thang phân tử. Quá trình nầy đã kích động nhiều nhóm nghiên cứu khác trong cuộc chạy đua chế tạo ra một loại sợi siêu cứng, siêu bền và siêu hữu ích chưa từng có trong lịch sử khoa học kỹ thuật. Với dạng hình ống dài và cơ tính lý tưởng, ống nano carbon được cho vào các loại polymer (plastic) để tạo những sản phẩm nano-composite [8]. Thật ra, composite dùng những chất độn (filler) có hình dài để tăng cơ tính không phải là những gì mới lạ. Từ 6000 năm trước nhân loại đã trộn bùn với rơm để làm gạch. Ở những vùng sâu vùng xa người dân vẫn còn dùng đất sét và rơm để làm tường. Hiện tại, chất độn kim loại hay ceramic là những vật liệu phổ biến được dùng trong polymer để tăng cường cơ tính thay thế kim loại. Người ta tin rằng ống nano carbon sẽ là một chất độn "tối thượng" cho polymer nano-composite. Vài phần trăm ống nano carbon có thể gia tăng độ bền, độ cứng và độ dai (toughness) của polymer (plastic) lên nhiều lần. Các công ty chế tạo ô tô đang triển khai polymer nano-composite cho các bộ phận xe hơi. Đặc điểm của các composite nầy là nhẹ và bền chắc. Công ty ô tô GM (Mỹ) dự trù sẽ dùng 500 tấn ống nano/năm trong vòng vài năm tới. Một cơ tính khác của ống nano đang được khảo sát hiện nay là đặc tính làm giảm sốc (shock damping), chống rung [9]. Tính chất rất quan trọng nầy sẽ mang đến những ứng dụng dân sự lẫn quốc phòng. Điện tính và đặc tính điện tử của ống nano đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà vật lý và thiết kế điện tử vi mạch. Nhờ ở dạng hình ống và các electron tự do pi trong ống, các electron tự do có thể tải điện nhưng ít chịu sự phân tán electron (gọi là ballistic conduction). Sự phân tán electron là nguyên nhân điện trở gây ra sự phát nhiệt thường thấy ở chất bán dẫn hay kim loại. Nói một cách khác, ống nano có khả năng tải điện hữu hiệu vì ít phát nhiệt. Công nghiệp điện tử được xây dựng và phát triển dựa vào kỹ thuật thu nhỏ. Transistor là một linh kiện chính trong các mạch điện. Phương pháp "từ trên xuống" đã được áp dụng để thu nhỏ transistor có độ to khoảng vài cm ở thời điểm phát minh (năm 1947) cho đến ngày hôm nay thì đến bậc nanometer; vài triệu lần nhỏ hơn. "Định luật" Moore (Moore's law) [10] cho biết rằng cứ mỗi hai năm mật độ của các transistor được nhồi nhét vào một silicon chip sẽ tăng gấp đôi nhờ vào kỹ thuật chế biến thu nhỏ và đặc tính của silicon. Định luật đã đúng hơn 40 năm qua kể từ năm 1965 và cũng sẽ tiếp tục đúng trong vòng 10 năm tới. Lúc đó đặc tính thu nhỏ của silicon sẽ đến một mức bảo hòa và dừng lại ở một kích thước nhất định nào đó. Độ nhỏ nhất có thể đạt được của một silicon chip là 180 nm và cũng là giới hạn trong kỹ thuật làm chip hiện nay. "Độ lớn" 180 nm rất nhỏ (nhỏ hơn sợi tóc 500 lần) và hiệu năng tải điện của silicon càng giảm vì càng nhỏ sự phát nhiệt càng cao. Tuy nhiên 180 nm vẫn còn rất to so với đường kính vài nm của ống nano. Ở kích thước nầy ống nano vẫn còn có thể tải điện mà không sợ phát nhiệt. Như vậy, đặc tính tải điện không phát nhiệt và khả năng tạo thành các linh kiện điện tử như diode và transistor của ống nano ở kích thước phân tử chỉ ra một hướng nghiên cứu mới là nano-điện tử (nano-electronics) nối tiếp vai trò thu nhỏ của vi điện tử (micro-electronics) mà silicon đang ở địa vị độc tôn. Một đặc tính khác của ống nano là sự phát xạ trường (field emission). Khi điện thế được áp đặt vào một đầu của ống nano đầu kia sẽ liên tục phát ra electron [11]. Đã có nhiều vật liệu hoặc trang cụ (thí dụ: ống tia âm cực, cathode ray tube) có đặc tính phát xạ trường nhưng ống nano có thể vận hành ở điện thế thấp, phát xạ trong một thời gian dài mà không bị tổn hại. Áp dụng trực tiếp của phát xạ trường là màn hình TV và vi tính. Đây là một công nghệ mang lại hằng tỉ Mỹ kim mỗi năm. Màn hình mỏng tinh thể lỏng đang thay thế dần các màn hình ống tia âm cực nặng nề, kềnh càng. Ống nano có thể làm màn hình mỏng hơn nữa, rõ nét và dùng điện 10 lần ít hơn. Đặc tính phát xạ trường của ống nano cho thấy khả năng thay thế màn hình tinh thể lỏng trong một tương lai gần mặc dù màn hình nầy hiện rất thông dụng và đang được ưa chuộng. Tập đoàn Samsung (Hàn Quốc) tích cực thương mãi hoá màn hình ống nano. Ngoài ra, ống nano còn cho nhiều áp dụng khác chẳng hạn dùng trong bộ cảm ứng (sensor) để phát hiện ánh sáng, nhiệt, sóng điện từ hoặc những hóa chất độc hại với độ nhạy rất cao. Ống nano tự thân hoặc kết hợp với polymer dẫn điện để biến chế thành cơ bắp nhân tạo (artificial muscle, actuator). Cơ bắp nhân tạo là một mô phỏng của cơ bắp sinh vật biến đổi điện năng thành cơ năng; khi có một dòng điện chạy qua cơ bắp sẽ cho một tác lực. Cơ bắp nhân tạo là một trong những bộ phận quan trọng tạo thành con robot hoặc hệ thống cơ điện vi mô (micro electromechanical system, MEMS). Nhóm nghiên cứu của giáo sư Gordon Wallace và Geoff Spinks (University of Wollongong, Úc) có những thành quả nổi bật trong lĩnh vực nầy. Ống nano cũng có mặt trong sinh học. Một báo cáo khoa học mới đây cho biết tế bào xương rất tương thích (compatible) với ống nano [12]. Ống nano được sử dụng như giàn giáo (scaffold) để các tế bào xương tăng trưởng và phát triển. Đây là kết quả rất quan trọng có thể triển khai để cách mạng hóa việc ghép và trị liệu xương. ******* Trong lĩnh vực áp dụng, ống nano hơn hẳn người anh cả fullerene. Khi những nhà khoa học cùng với các doanh nhân loay hoay tìm kiếm một hướng đi thực dụng cho C60 thì bỗng nhiên thấy kho tàng ống nano hiện ra trước mắt. Quả bóng đá C60 đã đem giải Nobel cho Kroto, Curl và Smalley, nhưng ống nano đang đem đến con người nhiều áp dụng thực tiễn và một cuộc cách mạng khoa học chưa từng có bao trùm tất cả mọi hoạt động kinh tế xã hội mà ở thời điểm phát hiện Sumio Iijima có thể chưa hình dung hết. Sự khám phá fullerene và ống nano carbon đang làm thay đổi toàn diện bộ mặt phát triển khoa học và công nghệ của thế kỷ 21. Cơ tính, điện tính, sự truyền nhiệt và tính dẫn điện đặc biệt của ống nano đưa đến hàng trăm đặc tính hữu dụng khác nhau đã kích thích vô số nghiên cứu cơ bản đa ngành cũng như những nghiên cứu ứng dụng từ vật liệu học đến điện tử học, từ vật lý đến y học. Những kết quả nghiên cứu đã cho thấy ống nano đang trở thành một bộ phận cấu thành chủ yếu cho các dụng cụ điện tử tương lai. Sự hiện diện của ống nano trong các áp dụng điện tử học đã làm các nhà thiết kế vi mạch phải suy nghĩ lại cơ cấu vận hành của các công cụ máy móc dựa trên silicon chip. Liệu ống nano sẽ bổ sung cho silicon trong tương lai hay thời đại silicon sẽ chấm dứt để nhường bước cho thời đại ống nano? Dù ở kịch bản nào, những linh kiện điện tử sẽ phải thu nhỏ đến thang phân tử. Phương pháp "từ trên xuống" sẽ được thay thế bằng phương pháp "từ dưới lên". Chúng ta sẽ thấy transistor phân tử (molecular transistor), diode phân tử, tụ điện phân tử v.v.... Thời đại phân tử điện tử học (molecular electronics) sẽ xuất hiện với những định luật mới dựa trên cơ học lượng tử và một loạt dụng cụ điện tử thu nhỏ ở kích thước nano. Chúng ta đang vươn tới nền công nghệ nano. Liệu lúc đó ống nano có là một vật liệu chủ yếu như silicon trong ngành vi điện tử hiện tại? Chúng ta hãy chờ xem. 25 April 2006 (Shizukana aki no hi) (Đã đăng trên mạng erct.com, khoahoc.net. Có bổ sung cho Vietsciences) Ghi Chú và Tài Liệu Tham Khảo 1. Đường kính một nguyên tử vào khoảng 0.1 nm. 2. Phương pháp "từ trên xuống" là dùng những vật liệu to rồi biến chế thành những công cụ nhỏ. Một thí dụ điển hình của phương pháp nầy là chế tạo silicon chip cho máy vi tính. Chip được chế tạo càng lúc càng nhỏ để làm ra những máy vi tính càng hữu hiệu, gọn và mỏng. Một thí dụ của phương pháp "từ dưới lên" là quá trình tổng hợp protein của các vật sống (living body). Phân tử DNA tạo ra RNA để chuyển hóa tạo ra protein với các chức năng khác nhau. Các protein lại kết hợp với nhau để tạo ra tế bào ở một bậc cao hơn rồi sau đó tạo ra vật thể. Quá trình thụ tinh tạo phôi rồi tạo ra sinh vật và con người là một thí dụ tương tự. Trong ngành công nghệ nano chúng ta đang bắt chước thiên nhiên trong quá trình "từ dưới lên". 3. E. Osawa, "Super-aromaticity", Kagaku (Chemistry) 1970, 25 (9), 854 4. "Functionalised Fullerene Materials", Journal of Materials Chemistry 2002, 12 (7) 5. S. Iijima, "Carbon nanotubes", MRS Bulletin November 1994, volume XIX, 43 6. A. B. Dalton, S. Collins, E. Muñoz, J. M. Razal, V. H. Ebron, J. P. Ferraris, J. N. Coleman, B. G. Kim and R. H. Baughman, "Super-tough carbon-nanotube fibres", Nature 2003, 423, 703 7. Kevlar là thương hiệu của sợi poly-paraphenylene terephthalamide được dùng trong áo giáp và mũ cối quân đội. 8. Composite là vật liệu hỗn hợp của (ít nhất) hai vật liệu riêng biệt với những đặc tính bổ sung cho nhau. Bùn và rơm là một thí dụ. Bê tông cũng là một dạng composite. 9. J. Suhr, N. Koratkar, P. Keblinski and P. Ajayan, "Viscoelasticity in carbon nanotube composites", Nature Materials 2005, 4, 134 10. "Định luật" nầy không đi từ lý thuyết mà chỉ dựa vào sự cảm nhận của Gordon Moore, một trong những nhà sáng lập của công ty Intel. 11. P. G. Collins and P. Avouris, "Nanotubes for electronics", Scientific American December 2000, 62 12. L. P. Zanello, B. Zhao, H. Hu, R. C. Haddon, "Bone cell proliferation on carbon nanotubes", Nano Lett. 2006, 6, 562
|
|
|
Post by Can Tho on Sept 9, 2010 4:55:33 GMT 9
Công nghệ nano 1- Xử lý chất thải độc hại bằng công nghệ nano Dưới tác động của ánh sáng khuếch tán, vật liệu bán dẫn có kích thước nano có thể phá vỡ các liên kết hữu cơ độc hại. Khai thác khả năng này, các nhà khoa học đã ứng dụng vật liệu bán dẫn TiO2 để làm sạch môi trường. Từ năm 1996, các viện thuộc Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc gia, bao gồm Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học, Viện Hóa học, Phân viện Vật liệu tại TP HCM, Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã hợp tác sử dụng công nghệ nano để nghiên cứu vật liệu bán dẫn này. Đề tài tập trung vào nghiên cứu công nghệ chế tạo lớp phủ TiO2 có kích thước hạt nano lên một số loại vật liệu khác nhau, dùng để phân hủy các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm như khói thải xe cộ, khói thuốc lá và các hóa chất độc trong nước thải, thuốc trừ sâu... nhờ tác động khuếch tán của ánh sáng. Dựa trên các kết quả nghiên cứu cơ bản, hiện nay, các nhà khoa học đã thiết kế và chế thử thành công tấm panen quang xúc tác TiO2 có cấu trúc nano xốp để đưa vào một số thiết bị làm sạch môi trường như máy khử mùi, làm sạch không khí, hệ thống lọc nước. Ứng dụng trên thế giới Đi đầu trong ứng dụng hiệu ứng quang xúc tác mạnh của vật liệu bán dẫn TiO2 để làm sạch môi trường là Nhật Bản và Mỹ. Rất nhiều các sản phẩm mới đã ra đời như gạch men có khả năng tự làm sạch và diệt vi khuẩn dùng cho các bệnh viện, hệ thống lọc nước sử dụng ánh sáng tử ngoại và TiO2 để khử các chất độc hữu cơ còn sót lại trong nước sau khi đã xử lý bằng các phương pháp thông thường, thiết bị làm sạch không khí và mùi… TiO2 là vật liệu rất bền, không độc hại, rẻ tiền và có thể chế tạo ở Việt Nam. Vật liệu này đã được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống. Tuy vậy, việc sử dụng tính chất quang xúc tác của TiO2 hạt siêu mịn (hạt có kích thước vài chục nano) để làm sạch môi trường còn là vấn đề rất mới mẻ ở nước ta. SGGP 2- Công nghệ Nano và vũ khí vi ảnh Các chuyên gia vũ khí Mỹ cho biết, trong khoảng 5 năm tới, một đội quân vi hình sẽ được thành lập từ các loại vũ khí vi ảnh trên cơ sở công nghệ Nano. Chiến tranh tương lai sẽ là cuộc chiến của vô số các loại thiết bị bỏ túi với những ưu điểm quân sự chưa từng thấy. Kẹp tí hon có thể gắp những vật có kích thước bằng 500 nm (1 nm bằng 1/tỷ mét Cỏ tình báo là một trong những thiết bị thám thính trắc địa vi ảnh được thiết kế bằng công nghệ Nano (công nghệ sản xuất các thiết bị cực nhỏ). Nhìn bề ngoài, nó có hình dạng như một cọng cỏ thật. Bên trong, người ta lắp đặt máy ảnh, thiết bị trinh sát và bộ cảm ứng siêu nhạy cảm. Nhờ các thiết bị này, cỏ tình báo có khả năng nhận biết được những chấn động và âm thanh phát ra từ xe tăng, xe tác chiến đang vận chuyển ở cự ly trên 100 m. Nó cũng có thể tự động định vị, định hướng và vượt qua các chướng ngại vật. Con bọ điện tử là loại vũ khí có kích cỡ nhỏ như một con ruồi. Nó được phóng ra từ hàng loạt bằng máy bay, đại pháo, hoặc vũ khí bộ binh. Người ta cũng có thể bố trí chúng gần hệ thống truyền tin và hệ thống vũ khí của đối phương bằng biện pháp thủ công. Chúng có thể dựng thành một mạng lưới trinh sát hiệu quả cao tại một vị trí đặc biệt nào đó, nâng cao số lượng tin tức chiến trường thu được. Cũng dựa trên công nghệ Nano, mới đây bộ phận thực nghiệm thuộc Đại học Illinois, Mỹ đã thiết kế một phi cơ tình báo vi ảnh có chiều dài khoảng 15 cm. Nó có khả năng bay liên tục trong 60 phút, hành trình đạt tới 16 km. Phi cơ gián điệp này còn có thể bay trong một vật thể kiến trúc hoặc gần một thiết bị mà radar thông thường không phát hiện được. Trong đêm tối, phi cơ có thể chụp ảnh hồng ngoại cực kỳ rõ nét rồi báo về bộ phận tác chiến, hướng dẫn các đường đạn tấn công chính xác vào mục tiêu. Gần đây người Đức đã chế tạo thành công một máy bay trực thăng với kích cỡ chỉ bằng một con cánh cam, nặng không tới 0,5 gr, có khả năng bay cao 130 m. Bộ phận khởi động chỉ nhỏ như ngòi bút, nhưng tần số cánh quạt có thể lên tới 100.000 vòng/phút. Từ công nghệ Nano, người ta còn sản xuất vệ tinh có thể tích rất nhỏ và nhẹ, do vậy, chỉ cần dùng một tên lửa đẩy nhỏ cũng có thể phóng lên trăm nghìn vệ tinh một lúc, tổ hợp thành mạng vệ tinh theo những quỹ đạo khác nhau. Chúng sẽ theo dõi từng “ngõ ngách” của trái đất để nắm rõ tình hình chiến sự. Hiện nay, Trung Quốc đã chế tạo thành công vệ tinh Nano mang tên TBNS1, có trọng lượng dưới 10 kg. Họ đã có kế hoạch phóng thử nghiệm vào cuối năm nay. Người Lao Động 3- Nối hai ống nano bằng "dây carbon" Các nhà khoa học Đức vừa giải được bài toán thuộc loại hóc búa nhất trong kỹ thuật vi mạch: Nối hai ống nano có đường kính 2 phần triệu milimét bằng một mối hàn carbon có thể dẫn điện. Trước nay, người ta mới chỉ nối được các ống nano có đường kính 20 nm (1 nm = 1 phần triệu mm) bằng dây kim loại. Vì vậy, phạm vi ứng dụng ống nano trong kỹ thuật siêu vi mạch (với các dây dẫn siêu nhỏ) bị hạn chế. Mối hàn có tác dụng như sợi dây xanh này dẫn điện giữa hai ống nano Giáo sư Florian Banhart, Đại học Ulm, Đức đã dùng một chùm điện tử chiếu vào điểm nối giữa hai ống nano để hàn chúng lại với nhau. Bằng kỹ thuật này, ông có thể khoanh chiếu chính xác khu vực nối tiếp (đường kính khoảng 1 nm) để đốt nóng. Dưới tác dụng của chùm điện tử, tại điểm nối, carbon của hai ống nano chảy ra, tạo thành một công tắc grafit (than chì) có khả năng dẫn điện tốt. Ống nano là các loại ống dẫn bằng carbon có đường kính rất nhỏ (chỉ vài phần triệu mm). Tuỳ theo chiều dòng điện chạy qua, nó có thể trở thành dây dẫn, bán dẫn hoặc điện trở. Nhờ những tính chất này, ống nano được sử dụng như những bộ phận dẫn - ngắt trong vi mạch. Tuy nhiên, để nối các ống nano có đường kính nhỏ hơn 20 nm lại với nhau bằng công tắc điện là việc rất khó khăn. Đây cũng là trở ngại chính cho việc ứng dụng ống nano trong kỹ thuật vi mạch điện tử. Nhưng với kỹ thuật "dây carbon" của Banhart, trở ngại này đã được giải quyết. Minh Hy (theo Nature, Bild der Wissenschaft) 4- Công nghệ nano giúp phục sinh các bức bích họa Ứng dụng công nghệ nano, các nhà khoa học đã cho ra đời những hạt vôi tôi sáu cạnh, kích thước chỉ khoảng 100-250 nanomét (1 nanomét bằng 1 phần triệu mm) có thể giúp trám những khe nứt trên các bức tranh sơn màu vẽ trên tường, còn gọi là bích họa. Vào thời Phục hưng, các hoạ sĩ đều dùng kỹ thuật sơn màu trực tiếp lên lớp vữa tường ẩm ướt. Khi khô ráo, màu và vữa kết lại rất chắc. Nhưng qua sự tàn phá của thời gian, đến nay lớp sơn phía trên bị bong tróc, nứt nẻ, gây lo ngại cho các nhà bảo tồn, đặc biệt ở các vùng có khí hậu ẩm ướt. Piero Baglioni các đồng nghiệp tại Đại học Florence (Ý) đã cho những tinh thể vôi tôi (calcium hydroxide) hoà tan với cồn rồi phủ lên bức tranh. Sau khi cồn bay hơi, các tinh thể vôi sẽ hấp thu nước và CO2 rồi kết hợp với calcium carbonate trong lớp sơn và vữa bên dưới. Nhờ vậy, các khe nứt sẽ được gắn lại bằng một chất kết dính gần như vô hình. Tuổi Trẻ (theo ABC News) 5- Công nghệ nano tạc tượng bò chỉ to bằng hồng cầu Các nhà khoa học Đại học Osaka, Nhật, mới đây đã thực hiện được một tác phẩm điêu khắc độc đáo và là một kỳ công: dùng tia laser tạc tượng một con bò bằng nhựa trong, có kích thước chỉ to bằng một hồng cầu trong máu. Con bò tí hon cũng có đủ hai tai, đuôi và các bắp thịt. Thành công này mở đường cho việc chế tạo các thiết bị nhỏ xíu phục vụ các cuộc vi phẫu trong cơ thể người. Bức tượng con bò này dài 10 micromet (1micromet bằng 1/1.000 milimet) nên chỉ có thể chiêm ngưỡng được qua kính hiển vi điện tử mà thôi. Nó cũng có đủ các chi tiết như hai cái sừng, đuôi và các bắp thịt, được tạc bằng kỹ thuật bắn tia laser dưới sự kiểm soát của một chương trình điện toán. Theo kỹ thuật này, nhựa sẽ đông đặc lại tại những nơi hai tia laser gặp nhau. Trước đây, những bức tượng có kích thước nhỏ như vậy mới chỉ được giới hạn bằng những bề mặt hai chiều rồi dán keo lại với nhau để tạo thành hình ảnh ba chiều nên tác phẩm trông rất thô sơ. Ngoài ra nhóm nghiên cứu còn tạc được một lò xo nhỏ xíu cũng bằng chất nhựa đó, có thể co giãn như một lò xo thông thường. Tuổi Trẻ (theo BBC) 6- IBM ứng dụng công nghệ nano trong chip máy tính 27/8/2001 Nano carbon sẽ thay thế silicon. IBM hôm qua (26/8) tuyên bố đã chế tạo thành công vi mạch máy tính nhỏ nhất thế giới, gồm hai transitor, được làm từ một phân tử cacbon đơn lẻ. Bước tiến này có thể dẫn tới sự ra đời các máy tính mạnh hơn, nhưng tiêu thụ ít điện năng. Bộ chip này được một “ống nano carbon”, một chuỗi các nguyên tử carbon kết nối theo dạng ống. IBM cho biết, kích thước của nó mỏng hơn sợi tóc 100.000 lần. Công nghệ ống nano được coi là hướng mới trong sự phát triển của công nghệ máy tính. Các ống nano carbon là ứng cử viên hàng đầu thay thế cho chất liệu silicon. IBM cũng công bố kế hoạch phát triển các chức năng ứng dụng phức tạp hơn cho máy tính với công nghệ nano. 7- Công nghệ nano chế tạo quân phục chống độc Quân phục chống độc ở trung tâm Natrik, Massachusetts. Để đảm bảo an toàn tính mạng cho binh sĩ trong chiến trận có sử dụng vũ khí hoá học và sinh học, các nhà nghiên cứu Mỹ mới chế tạo một loại quân phục chống độc, sử dụng công nghệ nano. Quần áo được dệt từ các sợi cực mảnh, cho phép không khí lọt qua, nhưng lại ngăn hơi độc. "Không hề đơn giản khi ta kết nối những sợi cực mảnh trong một bộ quân phục", Tom Tassinari thuộc Trung tâm Natrik của Quân lực Mỹ tại Massachusetts, nói. Với việc ứng dụng công nghệ nano, người ta đã thay đổi tính chất của các sợi này, khiến chúng tăng độ chịu nhiệt, độ cứng và độ đàn hồi. Gần đây, không chỉ trong quân sự mà cả các lĩnh vực dân sự, làn sóng sản phẩm mới của công nghệ nano cũng đang nổi lên: các sản phẩm nhựa, mắt kính nano... Sắp tới, có lẽ người ta sẽ chế tạo ra các robot nhỏ xíu, có thể chui vào những mạch máu để làm các cuộc vi phẫu, chữa trị các tế bào bị hỏng. Văn Bình (theo AFP) 8- Ống nano carbon trong gia đình bạn Ống nano carbon giữa các phân tử carbon khác. Ống nano, một thứ gì đó nghe rất xa vời với bạn, nhưng thực tế, nó lại hiện diện khá nhiều xung quanh ta, như trong các loại máy ảnh, điện thoại, máy tính xách tay dùng pin nhiên liệu, trong bóng đèn tivi hay các loại bóng đèn màu, trong các bộ vi xử lý, trong chất cách điện, dẫn điện, hoặc bán dẫn... Ống nano carbon được phát hiện năm 1991, khi nhà khoa học Nhật Bản Sumio Lijima theo dõi các loại bụi hình thành trong bình phóng điện hồ quang, trong quá trình sản xuất fulơren. Đó là một dạng mới của phân tử carbon, giống như một cái ống đường kính cỡ nanomét (1 nm = một phần tỷ mét) và chiều dài khoảng 100 nm. Chúng gồm các nguyên tử carbon sắp xếp theo liên kết cộng hoá trị rất bền. Tuy nhiên, cấu trúc các nguyên tử trong không gian có khác nhau ít nhiều. Cũng là nguyên tử carbon, nhưng sắp xếp theo kiểu liên kết tứ diện đều thì sẽ có cấu trúc kim cương trong suốt, không dẫn điện. Ngược lại, liên kết theo kiểu graphít (lục lăng) thì tinh thể lại có màu đen, dẫn điện tốt... Điều đó giải thích vì sau ống nano carbon khi thì là chất cách điện, khi thì dẫn điện hoặc bán dẫn. Sau đây là một vài ứng dụng cụ thể của ống nano carbon: Chứa hydro và làm pin nhiên liệu Lâu nay, ôtô chạy xăng gây ô nhiễm nghiêm trọng buộc các nhà khoa học phải tìm đến các nguồn nhiên liệu sạch hơn, trong đó có hydro: rất dễ kiếm và hoàn toàn không độc hại. Tuy nhiên, việc chứa hydro lỏng trong các bình áp suất cao thường rất cồng kềnh và nguy hiểm. Giải pháp có tính đột phá là dùng ống nano carbon rỗng, có đường kính gấp 2-3 lần đường kính nguyên tử hydro. Các nhà nghiên cứu tin rằng, hydro có thể chui vào trong ống, cũng như vào khoảng trống giữa các ống. Lượng hydro hấp thụ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, nên về nguyên tắc, người ta có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ, rồi bơm hydro vào để chứa, hay đẩy hydro ra để sử dụng. Vấn đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống nano carbon chứa được nhiều hydro. Ngoài ta, người ta cũng cần vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác. Và tất nhiên, giá thành cũng rất quan trọng. Ý tưởng dùng ống nano carbon chứa hydro để làm pin nhiên liệu cũng được quan tâm không kém. Với các phương tiện như máy ảnh, điện thoại, máy tính xách tay, xu thế hiện nay là dùng pin nhiên liệu, giúp người ta không phải nạp lại bằng cách cắm điện, mà chỉ việc đổ nhiên liệu vào. Trong các loại pin nhiên liệu, pin sử dụng hydro có nhiều triển vọng nhất, và vật liệu tốt nhất để làm pin này là ống nano carbon. Mới đây, nhóm khoa học Terry Baker, Đại học Northeatern (Mỹ) cho biết, họ có thể chế tạo pin nhiên liệu với mật độ năng lượng 17.000 Wh/kg. Theo đó, nửa lít vật liệu làm từ ống nano carbon có thể đủ để một máy tính xách tay hoạt động liên tục trong một tháng. Đèn hình ống nano carbon Đèn hình ống phổ biến hiện nay là đèn ống tia điện tử. Nguyên tắc hoạt động của nó là, khi dây vonphơram bị đốt nóng, các điện tử sẽ phát ra ở tụ tiêu, tăng tốc, đập vào màn hình (có tráng lớp phốt pho ở mặt trong). Điện tử năng lượng cao (được tăng tốc bằng điện thế hàng chục nghìn vôn) sẽ kích thích phốt pho tỏa sáng. Các loại đèn hình này khá cồng kềnh, phải có chân không, điện thế cao, tiêu thụ nhiều điện, không bền. Còn các loại màn hình tinh thể lỏng gọn hơn, tiêu thụ ít điện hơn, nhưng độ sáng không cao, hoạt động chậm, giá đắt. Ống nano carbon có những tính chất đặc biệt có thể khai thác làm đèn hình tốt hơn. Hãng Samsung tuyên bố, sẽ sớm đưa ra thị trường loại đèn hình dẹt, sử dụng dụng ống nano carbon. Đèn sẽ cho màu sắc đẹp không kém gì đèn hình ống tia điện tử nhưng chỉ tiêu thụ chưa đầy một phần mười điện năng. Gần đây, hãng Ise Electrics (Nhật Bản) mới chế tạo một loại bóng đèn màu (6 màu) từ ống nano carbon, sáng gấp đôi đèn màu thông thường. Tuổi thọ của loại đèn mới rất cao, và tiêu thụ năng lượng ít hơn 10 lần so với đèn cũ. Transistor trường bằng ống nano carbon Trong công nghệ điện tử bán dẫn, transistor trường có một vai trò quan trọng, đặc biệt để khuyếch đại các tín hiệu yếu, giúp đóng mở các mạch logic trong các bộ vi xử lý. Trước đó, transistor trường chế tạo trên silic có tốc độ chậm và giá thành cao. Thay cho loại này, nhóm nghiên cứu của IBM đã chế tạo một transistor trường bằng ống nano carbon, làm việc tin cậy hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Về lý thuyết, loại transistor làm bằng ống nano có thể đóng mở với tốc độ nhanh hơn gấp nghìn lần so với tốc độ ở các bộ vi xử lý hiện nay. (Theo KH&ĐS) 9- Bong bóng nano giúp vận động viên bơi dễ hơn Hình mô phỏng các bóng nano. Những bóng khí có đường kính khoảng 20-30 nanomét (1 nm = 1 phần triệu milimét) trên bề mặt các sợi nilông, có tác dụng làm nước trượt qua nhanh hơn. Điều đó giải thích vì sao những vận động viên bơi cảm thấy rất thoải mái với các loại áo sợi này. Đó là thông báo của nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Nam Australia. Lần đầu tiên, nhờ kính hiển vi điện tử, họ đã quan sát được một mạng dày đặc các bóng nano trên bề mặt sợi. Mạng lưới này được xếp rất hỗn loạn. Khi vận động viên bơi dưới nước, những bóng nano tạo thành các dòng nhỏ xíu, khiến nước trượt qua. Như vậy, ma sát nén giữa nước và áo được chuyển thành ma sát trượt, nhỏ hơn rất nhiều. Trước nay, chưa bao giờ người ta quan sát được các bóng nano này, bởi chúng quá nhỏ và rất dễ vỡ. Khám phá này có thể sẽ được ứng dụng trong việc sản xuất các thiết bị nhạy cảm trong môi trường tiếp xúc với chất lỏng, ví dụ trong lĩnh vực quang học hoặc cơ khí chính xác. Minh Hy (theo dpa) 10- Nối tế bào thần kinh với các tinh thể nano bán dẫn Hình ảnh một tế bào thần kinh phóng to. Lần đầu tiên các nhà khoa học đã ghép thành công một cầu nối điện bằng protein giữa các tế bào thần kinh và các tinh thể nano bán dẫn. Thành quả này sẽ được ứng dụng để theo dõi hoạt động của não bộ và chữa trị một số bệnh về suy giảm chức năng của tế bào thần kinh. Nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Christine Schmidt, Đại học Texas ở Austin (Mỹ) đã tạo ra các tinh thể cadmiumsulfid có đường kính cỡ 3 nanomét (1 nanomét bằng 1 phần triệu milimét) để làm thí nghiệm. Để tạo ra một cầu nối điện giữa tinh thể nano này với các tế bào thần kinh, người ta đã sử dụng một đoạn "dây" protein. Phần đầu của sợi dây protein nối với một tế bào thần kinh và phần kia được gắn với một tinh thể nano cadmiumsulfid (thông qua một điểm nối bằng lưu huỳnh). "Đây là lần đầu tiên, một kết nối như vậy đã thành công, giúp chúng tôi có thể theo dõi các xung điện trong não bộ thông qua các dây dẫn bằng tinh thể nano", Schmidt nói. Mục đích lớn nhất của thí nghiệm này là quan sát được cường độ của các xung điện do các tế bào thần kinh gây ra trong não. Điều này rất có ý nghĩa trong việc nghiên cứu và chữa trị các bệnh về thần kinh và chấn thương não bộ. Minh Hy (theo dpa 11- Carbon có tính siêu dẫn ở nhiệt độ thường? Hai ống nano carbon được ghép với nhau. Có thể chính điểm nối này đã tạo ra điện trở. Các nhà vật lý Mỹ dường như đã quan sát được khả năng siêu dẫn của ống nano carbon ở nhiệt độ thường. Tuy rằng điện trở của dây dẫn không thực sự bằng 0, nhưng những hiệu ứng khác lại cho thấy đã xuất hiện tính siêu dẫn. Guo-meng Zhao và Yong Sheng Wang, thuộc Đại học Boston (Mỹ), đã làm thí nghiệm trên một dây dẫn ghép từ các ống nano carbon (đường kính vài phần triệu milimét). Khi đưa dây dẫn này vào một từ trường, người ta thấy xuất hiện một từ trường yếu trong dây dẫn theo hướng ngược lại. Và từ trường này vẫn không thay đổi, ngay cả khi từ trường mẹ bên ngoài bị ngắt. Zhao và Wang tin rằng, từ trường bên ngoài đã tạo ra một dòng điện xoay chiều trong dây dẫn. Dòng điện đó không hề gặp một cản trở nào, nên đã duy trì được cường độ, tạo ra từ trường không đổi bên trong. Hiệu ứng này cho thấy, dưới tác động của từ trường, dây nano carbon đã có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ thường (dây siêu dẫn có điện trở bằng 0). Tuy nhiên, khi không có từ trường bên ngoài, người ta lại đo được điện trở nhỏ của dây dẫn. Theo Zhao và Wang, điều này có thể giải thích là: Điểm nối giữa các ống nano không có tính siêu dẫn, nên gây ra điện trở. Hai ông giả định, khi loại bỏ được điện trở ở các điểm nối, người ta sẽ tạo ra một dây siêu dẫn thực sự ở nhiệt độ thường. Đây là một tiến bộ vượt bậc, mở ra khả năng ứng dụng cực lớn cho chất siêu dẫn, bởi cho đến nay, chưa có vật liệu nào có thể siêu dẫn ở nhiệt độ trên 0 độ C. Năm 1911, lần đầu tiên nhà khoa học người Hà Lan Heike Kamerling Onnes phát hiện ra khả năng siêu dẫn ở một số kim loại: Khi nhiệt độ hạ thấp đến mức nhất định thì các điện tử có thể chuyển động mà không gặp bất kỳ cản trở nào. Chất siêu dẫn đầu tiên Kamerling tìm được là thủy ngân ở 4 độ K (-269 độ C). Tuy nhiên, phải đến năm 1986, vật liệu siêu dẫn mới khẳng định được vị trí của nó trong công nghiệp khi người ta tìm ra vật liệu "siêu dẫn nóng" ở trên 30 độ K, trong đó có hợp kim của ôxit đồng và barium (77 độ K), hợp kim của ôxit nhôm (125 độ K)... Sắt có lẽ là vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ thấp nhất (-271 độ C). Gần đây người ta mới chứng minh được khả năng siêu dẫn của các tinh thể carbon C70, tuy nhiên chỉ ở nhiệt độ -266 độ C. Trước đó, một đồng vị khác của carbon là C60 có thể siêu dẫn ở nhiệt độ -233 độ C. Minh Hy (theo dpa 12- Có thể dùng sắt làm vật liệu siêu dẫn Sắt là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Khi cho dòng điện chạy qua một dây dẫn bằng thép ở môi trường nhiệt độ rất thấp (-271 độ C) và áp suất rất cao, lần đầu tiên, nhà khoa học Katsuya Shimizu, Nhật Bản, đã chứng minh được rằng, sắt cũng có khả năng siêu dẫn. Kết quả này được đăng trên tạp chí Science hôm 19/7. Theo Shimizu, "tất cả đều phù hợp với tính toán lý thuyết trước đó". Việc kiểm nghiệm được tính siêu dẫn của sắt có ý nghĩa rất lớn cho ngành vật liệu. Trước hết, nó xoá bỏ được những nghi ngờ lâu nay cho rằng, kim loại nhiễm từ tính không thể sử dụng được như một vật liệu bán dẫn. Sau nữa, sắt là loại vật liệu rẻ, được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, có nhiều ưu điểm như dẻo, chịu lực cao... nên nếu được ứng dụng trong kỹ thuật siêu dẫn thì sẽ rất tiện lợi và giảm được giá thành sản phẩm. Năm 1911, lần đầu tiên nhà khoa học người Hà Lan Heike Kamerling Onnes phát hiện ra, ở một số kim loại, khi nhiệt độ hạ thấp đến mức nhất định thì các điện tử trong dây dẫn có thể chuyển động mà không gặp bất kỳ một vật cản nào. Ông gọi khả năng này của vật liệu là "siêu dẫn". Chất siêu dẫn đầu tiên Kamerling tìm được là thuỷ ngân ở 4 độ K (-269 độ C). Kamerling Onnes - người đầu tiên tìm ra vật liệu siêu dẫn. Tuy nhiên, phải mãi đến năm 1986, vật liệu siêu dẫn mới khẳng định được vị trí của nó trong công nghiệp khi hai nhà khoa học người Đức là J.G. Bednorz và K.A. Mueller tìm ra sự tồn tại của các chất "siêu dẫn nóng" ở nhiệt độ trên 30 độ K. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã lần lượt tìm ra các loại siêu dẫn khác như hợp kim của ôxit đồng và barium (77 độ K), hợp kim của ôxit nhôm (125 độ K)... Các loại vật liệu này đều có thể được sản xuất dễ dàng trong môi trường nitơ lỏng và áp suất cao. Hiện nay, công nghệ siêu dẫn đang phát triển rất mạnh, đặc biệt trong các lĩnh vực điện tử, máy công cụ, cơ khí chính xác... Minh Hy (theo dpa, VDI) 13- Tiếp tục xác định khả năng siêu dẫn ở carbon Cấu trúc của một tinh thể C70. Sau 6 năm thử nghiệm, cuối cùng người ta cũng tìm ra tính siêu dẫn của C70, một dạng tinh thể carbon có hình như quả bóng. Trước đó, năm 1995, "người em" của C70 là C60 cũng đã được xác nhận là có đặc tính này ở nhiệt độ cao: 40 độ K (-233 độ C). Tuy nhiên, hồi đó người ta không hiểu vì sao tinh thể C70 lại không có tính siêu dẫn, mặc dù về mặt lý thuyết, điều này hoàn toàn có thể. Hendrik Schoen, thuộc Phòng thí nghiệm Bell ở Murray Hill, New Jersey (Mỹ), và cộng sự đã giải được mã bí mật của C70. Đầu tiên họ phỏng đoán, sở dĩ C70 không thể siêu dẫn vì mẫu thử có quá nhiều lỗi, dẫn tới sự xô lệch về cấu trúc, làm cản trở các điện tử chạy qua. Bởi vậy, nhóm khoa học đã dành mọi nỗ lực để "trồng" một tinh thể với cấu trúc cực sạch. Với mẫu thử này, ở nhiệt độ 7 độ K, người ta đã xác định được tính siêu dẫn của C70. Schoen nói: "Kết quả này cho thấy, các tinh thể carbon nhỏ hơn, ví dụ C36, cũng có thể có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ còn cao hơn cả C60. Điều này sẽ rất có ý nghĩa vì chúng tôi luôn tìm kiếm khả năng siêu dẫn của carbon ở nhiệt độ cao cho các ứng dụng trong ngành điện tử". Năm 1911, lần đầu tiên nhà khoa học người Hà Lan Heike Kamerling Onnes phát hiện ra khả năng siêu dẫn ở một số kim loại: Khi nhiệt độ hạ thấp đến mức nhất định thì các điện tử có thể chuyển động mà không gặp bất kỳ một cản trở nào. Chất siêu dẫn đầu tiên Kamerling tìm được là thuỷ ngân ở 4 độ K (-269 độ C). Tuy nhiên, phải đến năm 1986, vật liệu siêu dẫn mới khẳng định được vị trí của nó trong công nghiệp khi người ta tìm ra sự tồn tại của các chất "siêu dẫn nóng" ở nhiệt độ trên 30 độ K, trong đó có hợp kim của ôxit đồng và barium (77 độ K), hợp kim của ôxit nhôm (125 độ K)... Tất cả các loại vật liệu này được sản xuất dễ dàng trong môi trường nitơ lỏng và áp suất cao. Minh Hy (theo dpa) 14- Ống nano đặc - bước tiến mới trong ngành vật liệu Những phân tử carbon hình quả bóng (màu xanh) trong cấu trúc của ống nano đặc. Các nhà khoa học Mỹ mới xếp thành công những phân tử carbon nhỏ xíu hình quả bóng vào các ống nano rỗng, tạo ra một cấu trúc nano đặc với nhiều tính năng ưu việt hơn về mặt điện tử. Những ống nano carbon rỗng đa số có cấu trúc tinh thể tự nhiên. Người ta phải lựa theo tính năng của chúng (như khả năng dẫn điện, chịu nhiệt) để sử dụng, chứ không thể điều chỉnh theo ý muốn. Để khắc phục hạn chế đó, Giáo sư Ali Yazdani, Đại học Illinois (Mỹ) đã tạo ra các ống nano đặc như sợi dây thừng, nhờ sắp xếp các phân tử carbon theo một trình tự có hệ thống. Yazadani tạo ra các ống nano có đường kính chỉ cỡ vài nanomét (vài phần tỷ mét), với cấu trúc phân tử xác định. Khi muốn tìm hiểu tính chất của ống, người ta chỉ cần đưa nó vào môi trường nhiệt độ rất thấp rồi dùng kính hiển vi để quan sát chuyển động của các điện tử. Theo ông Yazadani, ống nano mới sẽ được ứng dụng để chế tạo các chip và bộ chứa nhỏ hơn, bền vững hơn. Minh Hy (theo dpa)
|
|
|
Post by Can Tho on Sept 9, 2010 4:56:25 GMT 9
15- Dùng ống nano carbon làm cực ắcquy Ẵcquy thường dùng điện cực than chì. Các ống nano carbon nhỏ xíu có thể thay thế những điện cực truyền thống làm bằng than chì. Chiếc ắcquy mới có điện dung cao hơn và bền gấp đôi so với bình thường. Thông thường, các điện cực than chì của ắcquy được nhúng trong một dung dịch ion lithium. Khi ắcquy phóng điện, một nguyên tử lithium được vây bọc bởi 6 nguyên tử than chì. Tuy nhiên, nếu thay cực than chì bằng ống nano carbon, nó chỉ cần 3 nguyên tử carbon cho quá trình trên. Vì thế điện cực ít bị mòn hơn, và tuổi thọ của ắcquy cũng được nâng lên gấp đôi. Điện cực bằng ống nano carbon được sản xuất bằng tia laser. Tiến sĩ Otto Z. Zhou, Đại học Bắc Carolina, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết, ắcquy dùng điện cực này có điện dung cao hơn, mặc dù thể tích không thay đổi. Minh Hy (theo dpa) 16- Xe nano - đột phá trong loại bỏ cholesterol khỏi cơ thể? 26/1/2002 Giáo sư Nissim Garti, chuyên gia về hóa tại Đại học Tổng hợp Hebrew(Israel), cho biết ông đã tạo được một thiết bị có khả năng tăng cường vận chuyển một số chất dinh dưỡng tới dòng máu và ngăn cản các phân tử khác như cholesterol tới đây. Cỗ xe này được làm từ nước, dầu ăn, một chất chuyển thể sữa (emulsifier) và rượu. Kích thước của nó là 5-15 nanomét (1 naonomét bằng 1 phần tỷ mét). Theo tác giả, thay vì cholesterol, những chiếc xe nano sẽ đưa phytosterols, một chất béo thực vật, tới dòng máu. Cholesterol bị thải ra ngoài qua đường tiêu hóa, còn phytosterols cũng sẽ bị cơ thể tống ra vì nó không dùng được chất này. Kết quả là sau vài tuần dùng những chiếc xe nano, nồng độ cholesterol toàn phần có thể giảm 15-30 %, tùy theo lượng xe được đưa vào cơ thể. Nếu đúng như vậy thì chả bao lâu nữa, những người ưa thích món bơ và váng sữa sẽ có thể yên tâm ăn những món này mà không phải cảm thấy áy náy. Thu Thủy (theo Reuters) 17- Chế tạo tinh thể nano silic nhiều màu sắc Chế tạo tinh thể nano silic nhiều màu sắc Tinh thể silic ở dạng tấm mỏng. Lợi dụng hiệu ứng ăn mòn hóa điện, các nhà khoa học Mỹ mới chế tạo ra những sợi tinh thể silic nhỏ xíu. Các "ống nano" này có độ chính xác rất cao về kích thước và màu sắc. Chúng có thể được ứng dụng trong các chip của màn hình phẳng. Nhóm nghiên cứu của Munir Nayfeh và Sahraoui Chaieb, Đại học Illinois (Mỹ), đã phát minh ra phương pháp sản xuất tinh thể nano silic khá đơn giản: Thoạt tiên, người ta nhúng một tấm silic mỏng vào một dung dịch hóa học. Khi dòng điện chạy qua dung dịch, tấm silic bị hóa chất ăn mòn. Kết quả là, tấm silic bị gặm dần, chỉ còn lại một mạng gồm những sợi cực mảnh. Bước tiếp theo, người ta đặt mạng này vào một môi trường cách ly để tách từng sợi nano riêng lẻ. Các sợi tinh thể nano silic này bức xạ ánh sáng màu xanh, lục, vàng và đỏ. Chúng có thể được ứng dụng trong lĩnh vực điện quang, như để chế tạo các chip trong màn hình phẳng. Khả năng bức xạ ánh sáng màu của các sợi nano silic còn được ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu sinh học phân tử, chẳng hạn dùng để đánh dấu các cụm tế bào hoặc những cấu trúc sinh học khác. Minh Hy (theo Spektrumder Wissenschaft 18- Hạt nano chuyển chì và cadmium ra khỏi cơ thể Hạt nano rỗng hoạt động theo nguyên tắc mô phỏng màng tế bào: Các lỗ hổng ở màng chỉ cho các ion nhất định lọt qua. Các nhà khoa học Đức mới chế tạo thành công hạt nano đường kính 100 nanomét (1 nanomét = 1 phần tỷ mét). Hạt nano này rỗng ruột, vỏ có nhiều lỗ hổng như lỗ chân lông ở da, đủ cho các ion chì và cadmium lọt qua. Người ta có thể dùng nó để đem chất độc kim loại ra ngoài. Thành tựu này của nhóm nghiên cứu thuộc Viện Hóa học Max - Plank, Postdam (Đức), ngay lập tức được giới y học đón nhận nồng nhiệt. Nhóm khoa học dẫn đầu bởi Sascha General đã tìm thấy hình mẫu lý tưởng để thiết kế hạt nano rỗng, đó là các màng tế bào. Màng tế bào có những "rãnh protein", thực chất là những lỗ hổng, cho phép một số ion nhất định (của khoáng chất hòa tan) đi qua. Mô phỏng nguyên lý hoạt động của màng tế bào, nhóm khoa học đã chế tạo hạt nano rỗng từ chất dẻo (polyethylenimin). Chất dẻo này tạo khung màng, trong khi hai phụ chất hóa học đặc biệt khác giúp màng luôn phồng lên. Khi đặt hạt nano rỗng này lên một mặt phẳng bằng than chì và quan sát dưới kính hiển vi điện tử, các nhà khoa học thấy rằng, nó trông giống hệt một quả bóng rỗng với các lỗ nhỏ chi chít trên bề mặt. Hạt nano có đường kính khoảng 100 nanomét, các lỗ hổng ở vỏ có đường kính 10,4 nanomét, vừa đủ cho các ion chì và cadmium lọt qua. Tương lai, hạt nano rỗng sẽ được sử dụng trong y học. Nó sẽ chui vào các mạch máu để lấy bớt chất độc kim loại nặng ra ngoài. Minh Hy (theo dpa) 19- Vật liệu bán dẫn tổng hợp từ các sợi nano khác nhau Các sợi nano dưới tia cực tím. Tuần qua, ba nhóm khoa học độc lập đã cùng công bố kết quả nghiên cứu về vật liệu nano bán dẫn tổng hợp, trên ba tạp chí chuyên ngành khác nhau. Xem ra, cuộc tìm kiếm loại vật liệu lý tưởng cho các chip điện tử đang ở giai đoạn cạnh tranh khốc liệt. Nhóm khoa học của Lars Samuelson, Viện Công nghệ Lund (Thụy Điển) công bố kết quả nghiên cứu trên Tạp chí Applied Physics Letters. Nhóm của Charkes M. Liebr, Đại học Harvard (Mỹ) công bố trên tạp chí Nature. Còn nhóm của Peidong Yang, Đại học California, công bố trên Nano Letters. Loại vật liệu bán dẫn mà ba nhóm khoa học này tìm kiếm là một cấu trúc tổng hợp từ các sợi nano mảnh cỡ vài chục nanomét (1 nanomét = 1 phần tỷ mét). Các sợi nano này được làm từ những vật liệu khác nhau, mà thông dụng nhất là indiumarsenid và indiumphosphid. Để chế tạo sợi indiumarsenid, các nhà khoa học cho các phân tử indium và vàng vào một môi trường chân không. Khi bị nung nóng, vàng và indium chảy ra, tạo thành một hỗn hợp lỏng. Sau đó, người ta bỏ hỗn hợp này vào một dung dịch asen (thạch tín). Nhờ xúc tác của vàng, indium phản ứng với asen, tạo thành indiumarsenid kết tủa dưới dạng sợi mảnh. Đó chính là sợi nano indiumarsenid. Cũng tương tự, trong quy trình trên, khi thay dung dịch asen bằng một dung dịch phốtpho, người ta sẽ thu được các sợi nano indiumphosphid. Vật liệu bán dẫn tổng hợp do ba nhóm khoa học tạo ra tuy có khác nhau đôi chút, nhưng chúng đều làm từ các sợi indiumarsenid và indiumphosphid xếp chồng lên nhau. Vật liệu này có thể dùng cho các mạch bán dẫn của chip điện tử, khiến chúng hoạt động nhanh hơn, với hiệu suất lớn hơn. Minh Hy (theo dpa) 20- Ống nano carbon phát sáng Một ống nano carbon dưới tác dụng của dòng điện. Khi cho dòng điện chạy qua một chùm ống nano carbon, các nhà khoa học phát hiện, nhiệt độ của chùm ống cứ tăng lên mãi, tới 1.500 độ C thì phát ra ánh sáng, tương tự như sợi tóc của bóng đèn. Phát hiện này có thể mở ra hướng ứng dụng ống nano carbon trong ngành quang điện tương lai. Nhóm nghiên cứu của Stephen Purcell, ĐH Lyon (Pháp), đã dùng các ampe kế và vôn kế tinh xảo để xác định cường độ dòng điện và hiệu điện thế ở hai đầu chùm ống nano carbon. Họ thấy rằng ở một nhiệt độ nhất định, cường độ dòng điện tăng đều theo hiệu điện thế ở hai đầu ống. Điều đó cho thấy ống nano có thể dẫn điện theo định luật Ohm, và nhiệt lượng do ống giải phóng tuân theo định luật Joule. Khi nhiệt độ tăng tới 1.500 độ C, chùm ống phát sáng, tương tự như những sợi wolfram trong bóng đèn. Chỉ có điều khác biệt là các ống nano mảnh hơn những sợi wolfram tới cả triệu lần. Minh Hy (theo dpa 21- Gốm cao su đa tính năng ra mắt Sự đa dạng trong cấu trúc phân tử của gốm cao su. Sử dụng kỹ thuật hóa nano, các nhà khoa học Mỹ đã kết hợp cấu trúc phân tử của chất dẻo và của gốm, tạo ra một loại vật liệu mới, trong suốt, dẻo, chịu lực tốt. Vật liệu có tên gốm cao su này sẽ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sinh học, hóa học, vi điện tử... Giáo sư Ulrich Wiesner, Đại học Cornell (Mỹ), nói: "Vật liệu mới kết hợp được tất cả tính ưu việt của chất dẻo và gốm. Ngoài ra, nó còn đạt được một số tính chất mới nữa". Khi "sáng tạo" loại vật liệu này, Wiesner đã trộn cấu trúc của chất dẻo diblock-copolymere với gốm. Soi vật liệu mới dưới kính hiển vi điện tử, người ta phát hiện những cấu trúc lập phương rất đều đặn. Nếu thay đổi thành phần giữa chất dẻo và gốm, cấu trúc này cũng thay đổi đáng kể, nhưng vẫn đều đặn như vậy (xem hình). Cũng nhờ cấu trúc phân tử đa dạng, gốm cao su có thể ra mắt với nhiều hình thái cứng - dẻo, trong - đục... Ngoài ra, vật liệu này còn dẫn được ion ở nhiệt độ cao. Vì thế, ứng dụng của gốm cao su rất đa dạng, như như trong công nghiệp chất dẻo, điện tử, vi điện tử, sinh học...
|
|
|
Post by Can Tho on Sept 9, 2010 5:09:05 GMT 9
22- Ánh sáng có thể đốt cháy ống nano Ống nano carbon. Những ống nano carbon kích cỡ vài phần tỷ milimét có thể bùng nổ và bốc cháy dưới tác dụng của chớp sáng cường độ nhẹ. Một sinh viên năm thứ nhất của Viện Rensselaer ở Troy (Mỹ) đã tình cờ phát hiện ra hiệu ứng này khi dùng máy ảnh chụp một đám ống nano trong phòng thí nghiệm. Andres de la Guardia - tác giả của phát hiện trên - rất ngạc nhiên khi thấy đám ống nano này bùng cháy dưới chớp sáng của đèn máy ảnh. Anh đã ghi lại hiệu ứng này và thông báo với Giáo sư Ganapathiraman Ramanath - một chuyên gia về ống nano carbon. Những phân tích tiếp theo của Ramanath cho thấy, ống nano carbon rất nhạy cảm với ánh sáng. Ở môi trường thiếu ôxy, ánh sáng không gây cháy, nhưng có thể làm thay đổi cấu trúc tinh thể của ống. Hiệu ứng này khiến các nhà khoa học phải hết sức cảnh giác khi sử dụng ống nano carbon trong các mạch vi điện tử. Tuy nhiên, tính năng nhạy cảm với ánh sáng của ống nano carbon cũng có nhiều lợi thế trong việc mở ra các hướng ứng dụng mới, như dùng làm sensor ánh sáng, hoặc ngòi nổ cho mìn Minh Hy (theo dpa) 23- Chế tạo sợi nano carbon dài nhất thế giới Sợi nano carbon mảnh cỡ vài phần nghìn đường kính sợi tóc. Các nhà khoa học Mỹ mới chế tạo thành công sợi nano carbon dài 20 centimét - một kỷ lục đáng kinh ngạc nếu ta biết rằng sợi này chỉ mảnh cỡ vài phần nghìn đường kính sợi tóc. Thành tựu này là bước tiến mới trong kỹ thuật nano, nhằm chế tạo chip bán dẫn mạnh hơn cho máy tính tương lai. "Đến nay, chúng tôi mới sản xuất được các ống nano carbon cỡ vài milimét, vì thế không đủ độ dài cần thiết cho các ứng dụng thực tế", ông Pulickel Ajayan, Viện Rensselaer ở Troy (Mỹ), nói. Bằng phương pháp ngưng tụ hơi hóa học (CVD - Chemical Vapour Deposition), lần đầu tiên nhóm nghiên cứu đã tạo ra các sợi nano dài 20 centimét. Nhờ chất xúc tác là lưu huỳnh và hydro, các phân tử carbon đã liên kết với nhau thành chuỗi cực mảnh mà không bị đứt. "Trong quá trình này, các phân tử carbon đã kết hợp thành cấu trúc bền vững. Những sợi nano carbon dẻo như sợi mỳ ống luộc chứ không giòn như trước", ông Ajayan giải thích. Tuần qua, một nhóm nghiên cứu khác của Viện Rensselaer đã phát hiện một tính chất mới của các ống nano carbon, đó là tính nhạy cảm với ánh sáng. Một sinh viên đã phát hiện ra điều này khi dùng máy ảnh chụp các ống nano. Tương lai, người ta có thể dùng ống nano chế tạo sensor ánh sáng, hoặc làm ngòi nổ cho mìn. Minh Hy (theo dpa) 24- Động cơ siêu nhỏ làm từ một sợi ADN Nhà nghiên cứu Weihong Tan, Đại học Florida (Mỹ), mới đây đã tạo ra một động cơ nano (kích cỡ phần triệu milimét) từ một phân tử ADN đơn lẻ. Động cơ này tí hon đến mức có thể đặt hàng trăm nghìn chiếc lên đầu một cái đinh ghim. Mỗi chiếc có thể cuộn lại và trải ra như một con sâu đo. Đây không phải động cơ nano đầu tiên trên thế giới, nhưng là chiếc đầu tiên được làm từ một đơn phân tử duy nhất. Các động cơ nano được chế tạo trước nay đều bao gồm vài phân tử ADN khác nhau. Theo Tan, loại động cơ làm từ một đơn phân tử ADN sẽ dễ kiểm soát và có hiệu suất cao hơn. Trong tương lai, động cơ nano có thể giúp ích trong việc điều trị. Chẳng hạn, để tiêu diệt tế bào ung thư hoặc khối u, người ta sẽ tiêm một động cơ nano mang theo thuốc đặc trị tới vùng cơ thể bị bệnh. Tại đây, động cơ sẽ gắn các phân tử thuốc vào màng tế bào ung thư. Với sự chính xác ở cấp độ phân tử, Tan hy vọng loại bỏ được hiện tượng thuốc bị gắn nhầm địa chỉ vào những tế bào lành và ngăn ngừa hiệu ứng suy nhược như thường gặp ở phương pháp hóa trị. Trái với các động cơ truyền thống sử dụng điện, loại động cơ nano của Tan lấy năng lượng từ các quá trình hóa học. B.H. (theo Cosmi) 25- Màn hình phẳng linh động từ tinh thể nano Card rút tiền có màn hình làm từ các diot phát sáng, chỉ số tiền còn lại. Với các diot phát sáng, tương lai người ta có thể chế tạo ra các màn hình phẳng linh động, chất lượng cao, rẻ hơn màn hình tinh thể lỏng. Các nhà khoa học Đức mới công bố một màn hình thử nghiệm được chế tạo từ các diot này. Nhóm nghiên cứu của Jochen Feldmann, Đại học Ludwig-Maximilians ở Munich (Đức), đã chế tạo các diot phát sáng từ những tinh thể nano bán dẫn (làm từ chất liệu hữu cơ chứa carbon) có đường kính nhỏ hơn 500 nanomét (1nanomét = 1 phần triệu milimét). Các tinh thể này phát sáng ra ba màu cơ bản là đỏ, xanh lá cây và xanh lam tại mỗi điểm nhất định trên màn hình. Gắn một diot hữu cơ phát sáng vào một màn hình hình cong. Vì các tinh thể nano hữu cơ rất linh hoạt, có thể phát sáng lựa theo hình dạng của màn hình, vì thế người ta có thể uốn cong màn hình linh hoạt dựa theo hình thể của vật mà người ta muốn gắn vào (xem hình bên). Theo các nhà khoa học, người ta có thể sản xuất các màn hình từ tinh thể nano trên quy mô công nghiệp trong thời gian tới. Giá thành của loại màn hình này còn rẻ hơn màn hình tinh thể lỏng. Minh Hy (theo dpa) 26- Phát hiện tính siêu dẫn của dây nano vàng Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, các electron va chạm vào cấu trúc phân tử đều bị mất năng lượng, vì thế luôn có điện trở. Tuy nhiên, ở nhiệt độ gần điểm 0 tuyệt đối (-273 độ C), điện tử có thể di chuyển qua một dây nano vàng mà không gặp cản trở nào. Trong một thí nghiệm, các nhà vật lý thuộc Đại học Autónoma de Madrid (Tây Ban Nha), đã tạo ra dây siêu dẫn từ các nguyên tử vàng, đường kính mảnh cỡ 50 nanomét (1 nanomét = 1 phần triệu milimét). Ban đầu, họ chỉ muốn quan sát cấu trúc nguyên tử của kim loại nặng ở nhiệt độ gần điểm 0 tuyệt đối chứ không có ý định tìm hiểu tính siêu dẫn của vàng. Tuy nhiên, khi chỉnh hiệu điện thế giữa hai đầu dây thấp đến 10 milivolt, họ phát hiện ra rằng, các electron có thể di chuyển trong dây mà không gặp một cản trở nào. Chỉ khi hiệu điện thế lớn hơn mức 10 milivolt, các điện tử mới bị rung dưới dạng sóng, và bị mất năng lượng khi di chuyển. Thành tựu này tuy chưa mở ra ứng dụng gì trong kỹ thuật, vì thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ sát điểm 0 tuyệt đối - rất khó tạo ra ở quy mô công nghiệp, nhưng nó cũng mở ra hướng nghiên cứu các tính chất của vàng ở những điều kiện nhất định. Ngoài ra, không loại trừ khả năng các kim loại bền khác như platin cũng có tính siêu dẫn. Minh Hy (theo dpa) 27- Keo làm bằng ADN áp dụng trong công nghệ nano Chất keo nối các hạt chất dẻo trong một dung dịch. Các hạt chất dẻo với đường kính nhỏ hơn một micromét có thể được kết nối thành những cấu trúc tổng hợp và có trật tự, nhờ các đoạn ADN. Một nhóm khoa học của Hải quân Mỹ đã dựa trên nguyên lý này, chế tạo ra những tinh thể trong suốt, ứng dụng trong lĩnh vực quang học. Nhóm nghiên cứu của ông Carissa Soto đã tìm hiểu các khả năng có thể kết nối hai loại hạt chất dẻo đường kính khác nhau bằng cách đưa những đoạn ADN động vật gắn vào giữa các hạt này, khiến chúng tạo thành từng cặp kết dính. Cấu trúc tổng hợp này có thể bền vững với các cặp hạt có tỷ lệ đường kính từ 0,23 đến 0,42. Nhóm khoa học tin rằng, bằng cách này, họ có thể tạo ra những cấu trúc trong suốt, cho phép lan truyền ánh sáng trong không gian hẹp, tạo thành các dải chuyển động của photon theo ý muốn. Thậm chí người ta có thể tạo ra dải photon hẹp dưới 1 micromét. Chúng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực quang học, như chiếu sáng các chi tiết nhỏ xíu trong những thiết bị đo đạc chính xác. Minh Hy (theo dpa) 28- Sản xuất pin mặt trời từ hạt nano Tấm bán dẫn nano chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng. Các hạt bán dẫn đường kính vài nanomét (1 nanomét = 1 phần tỷ mét) có thể được kết hợp với nhau thành pin quang điện, chuyển năng lượng ánh sáng thành điện năng. Thử nghiệm cho thấy, tế bào mới có hiệu suất cao hơn và rẻ hơn so với các tấm pin mặt trời hiện nay. Nhóm nghiên cứu của David Kelley, Đại học Quốc gia Kansas (Mỹ), đã chế tạo ra những hạt nano này từ chất bán dẫn gallium - selenit trong suốt. Khi được kết hợp với nhau thành tấm, chúng có thể hấp thụ phần ánh sáng mặt trời nhìn thấy rồi chuyển nó thành điện năng. Các pin mặt trời (solar cell) hiện nay đều được sản xuất bằng cách ghép các lớp bán dẫn mỏng với nhau. Những lớp này bắt buộc phải tinh khiết, nếu không ánh sáng sẽ không được hấp thụ và chuyển hóa thành điện năng. Tuy nhiên, solar cell mới làm từ hàng trăm hạt nano khác nhau thì không cần phải tinh khiết, mà có thể lẫn tạp chất, nhưng chức năng chính vẫn không bị ảnh hưởng. Ông Kelley hy vọng, sắp tới người ta có thể sản xuất hạt nano từ indium selenit. Loại hạt này đến nay còn khó sản xuất hơn là các hạt từ gallium, tuy nhiên chúng có thể chuyển năng lượng mặt trời thành năng lượng điện với hiệu suất cao hơn nhiều. Minh Hy (theo dpa) 29- Intel sắp phát triển công nghệ nano Thứ 5 tuần tới, nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới sẽ thảo luận kế hoạch ứng dụng công nghệ nano tại Diễn đàn phát triển Intel, tổ chức ở California (Mỹ). Công nghệ mới này cho phép tạo ra chip bằng các vật liệu có kích thước nhỏ hơn 100 nanomet, làm thay đổi phương thức sản xuất của ngành bán dẫn thế giới. Sunlin Chou, Phó giám đốc phụ trách công nghệ và sản xuất của Intel, sẽ điểm lại một số chiến lược về công nghệ nano mà hãng đã công bố trước đây và những kế hoạch mới liên quan đến transistor nhiều đầu vào (multi-gate transistor) và ống carbon cỡ nano (carbon nanotube). Transistor loại này cho phép nhà sản xuất giảm kích thước các bộ phận cấu thành chip. Hiện nay, chip tốc độ cao cần dòng điện chạy qua transistor lớn, trong khi đó gate của linh kiện kiểm soát dòng điện này có kích thước ngày càng nhỏ. Tăng số gate của transistor sẽ giảm áp lực phải tạo ra nhiều ống cách điện. IBM đã tiết lộ kế hoạch sản xuất transitor 2 đầu vào năm 2006. Sử dụng carbon nanotube sẽ thay đổi cơ bản cấu trúc của chip. Các công ty bán dẫn có thể dùng chuỗi nguyên tử carbon thay cho dây kim loại trong sản xuất mạch. Mạch carbon cho phép nhà sản xuất tạo ra chip nhỏ, tốc độ cao và giá rẻ hơn. “Nhờ nó chúng ta có thể truyền điện như hiện nay nhưng với dây dẫn nhỏ hơn. Người đầu tiên làm tốt điều này sẽ trở thành tỷ phú”, Peter Glaskowsky, Tổng biên tập của tạp chí mạng Microprocessor Report (Mỹ), nhận định. Phương thức làm việc của các nhà máy vì thế sẽ thay đổi khá nhiều. Theo phương pháp sản xuất chip hiện nay, mỗi transistor phải lắp cực kỳ chính xác nhờ một quá trình tốn thời gian và hàng tỷ USD. Công nghệ mới cho phép mạch carbon tự định hình nhờ một quá trình kiểm soát dựa trên các nguyên tắc vật lý và hoá học. Tại diễn đàn sắp tới, Intel cũng sẽ cung cấp những thông tin mới nhất về Madison, kế vị của chip Itanium II, và chip di động Banias tốc độ 1,6 GHz. Hai loại chip mới này sẽ ra lò vào năm tới. Ngoài ra, hãng sẽ thảo luận về tương lai của chip Pentium 4 tốc độ 3 GHz và chip Xscale dùng cho máy cầm tay và thiết bị mạng. Minh Long (theo ZDN) 30- HP tiết lộ kế hoạch khai thác công nghệ nano Thứ hai tới, các nhà nghiên cứu của Hewlett-Packard (HP) sẽ công bố một bước đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ nano ở châu Âu, có thể giúp hãng sản xuất chip rẻ hơn, nhỏ hơn và chạy nhanh hơn. Cốt lõi của vấn đề liên quan đến khái niệm lưới phân tử. Theo quan niệm của HP, các lớp chuỗi phân tử xếp chéo nhau như những con phố và tạo ra mạng lưới mạch li ti. Người ta có thể xếp mạng phân tử này ở giữa các lớp dây chip thông thường để chúng hoạt động như một mạng truyền thông và tương lai mạng này sẽ là nền móng của một bộ vi xử lý hoàn chỉnh. Cùng với trường Đại học California ở Los Angeles (Mỹ), HP đã thực hiện nhiều thí nghiệm liên quan đến việc phát triển chip dựa trên lưới phân tử. Trong năm 1999 và 2000, họ đã tạo ra được các phân tử mới có thể tiếp nhận hoặc từ chối dòng điện, đặt nền móng cho việc hình thành mạng phân tử. HP thậm chí tuyên bố đã xây dựng được chuỗi những phân tử kiểu này. Năm ngoái, HP và trường Đại học California được cấp bằng sáng chế vì đã thành công trong việc nối dây phân tử có chiều rộng 6 nguyên tử với các dây dẫn trong chip máy tính có đường kính lớn hơn gấp 70 lần. Tháng 1 vừa qua, họ cũng nhận bằng sáng chế về việc tạo ra và quản lý sự truyền dẫn của các mạng lưới dạng này. Hiện nay, HP đã tìm ra cách nối lớp phân tử với mạch máy tính tiêu chuẩn nhưng chưa cụ thể hoá được phương thức liên kết giữa lưới phân tử và các điểm nối và tín hiệu. Giải quyết được vấn đề này thì tính thực tế của những phát hiện kể trên sẽ cao hơn rất nhiều. Tuần tới, Intel cũng sẽ công bố một phần kế hoạch của hãng về ứng dụng công nghệ nano trong sản xuất chip thế hệ mới. IBM đã chế tạo thành công trong phòng thí nghiệm một bộ nhớ có kích thước chỉ bằng con tem, nhưng chứa được xấp xỉ 25 triệu trang sách, và dự kiến tung ra thị trường loại thiết bị lưu trữ này vào năm 2005. Ngoài ra, nhiều công ty không chuyên về công nghệ thông tin cũng rất quan tâm đến công nghệ nano. Chẳng hạn, General Motors đang thử nghiệm chế tạo chỗ để chân và các bộ phận khác của ô tô bằng vật liệu siêu nhỏ. Chính phủ nhiều nước đang rót thêm tiền cho các dự án nghiên cứu công nghệ nano. Năm 2001, Mỹ chi 422 triệu USD, Nhật Bản chi 410 triệu USD và những quốc gia còn lại (chủ yếu ở châu Âu) chi 425 triệu USD. Minh Long (theo CNET) 31- Mặt trái của công nghệ nano Một số nhà môi trường lo ngại rằng công nghệ sử dụng vật liệu cỡ phân tử này sẽ tạo ra các chất gây ô nhiễm có kích thước siêu nhỏ. Chúng có thể ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người, môi trường và rất khó kiểm soát. "Khi chất ô nhiễm loại này ngấm vào máu hoặc nước ngầm thì dù bản thân các hạt nano không gây nguy hiểm, chúng cũng có thể phản ứng với những chất khác có hại", Kathy Jo Wetter, nhà nghiên cứu của tổ chức môi trường ETC (Canada), nói. Việc sản xuất hạt nano trong tương lai đã không được nghiên cứu kỹ, xét về mặt ảnh hưởng của chúng đối với môi trường và sức khoẻ. Bà Wetter lo ngại: "Chuyện gì sẽ xảy ra nếu các hạt siêu nhỏ do con người tạo ra tích tụ trong gan hoặc phổi?". Bà Wetter cho biết thêm, ống carbon cỡ nano (carbon nanotube) mà người ta cho rằng có thể thay thế silicon trong các transistor siêu nhỏ rất giống sợi amiăng độc hại. Mặc dù một số thí nghiệm trên chuột và lợn cho thấy khả năng sợi carbon ảnh hưởng xấu đến con người cực kỳ thấp, nhưng bà và nhiều nhà nghiên cứu khác cho rằng chúng có thể gây hại cho phổi. Theo nguồn tin không chính thức, thí nghiệm của Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ chỉ ra rằng một con chuột đã chết sau khi tiếp nhận lượng lớn bóng carbon vào phổi. ETC cũng chỉ ra những nguy cơ khác có liên quan đến sức khoẻ con người. Việc thử nghiệm các hạt nano với tư cách chất dẫn thuốc trong máu để điều trị ung thư và một số bệnh khác cho thấy chúng có thể dễ dàng phát tán độc tố, ảnh hưởng xấu đến não bộ. Ngoài ra, tổ chức này còn cảnh báo về tác hại của những loại thức ăn sử dụng công nghệ nano trong tương lai. Chúng có thể thay đổi màu sắc, mùi vị và bắt người ăn phải tiêu hoá hàng triệu, thậm chí hàng tỷ hạt nano. Rick Smalley, nhà nghiên cứu công nghệ nano từng đoạt giải thưởng Nobel, cho rằng Cơ quan quản lý dược và thực phẩm Mỹ cần nghiên cứu vấn đề này đầu tiên. Hạt nano nhỏ đến mức chúng lọt qua hầu hết các bộ lọc và không thể nhìn thấy được. Người ta tin rằng một số dạng hạt như carbon nanotube không tồn tại trong tự nhiên. Hiện chưa có máy dò hoặc bộ cảm biến nào tìm ra một số dạng hạt nano bên ngoài phòng thí nghiệm. ETC đang yêu cầu chính phủ các nước tạm dừng việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano cho đến khi những vấn đề liên quan đến môi trường và sức khoẻ được làm rõ. Ở Mỹ, Cơ quan bảo vệ môi trường liên bang sẽ tiến hành một số nghiên cứu về lĩnh vực này trong năm nay dù chưa được rót ngân sách. Bộ Nông nghiệp cùng Cơ quan quản lý dược và thực phẩm nước này dự định xem xét vấn đề nông nghiệp và lương thực trong một hội thảo về công nghệ nano tổ chức vào tháng 11 tới. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng những nguy cơ kể trên chưa được chứng thực mà chủ yếu dựa vào suy đoán. Công nghệ nano được sử dụng chủ yếu trong sản xuất chip máy tính, máy bay và trong ngành xây dựng. Việc này liên quan đến những chất đã được biết rất rõ như carbon, kẽm, vàng..., chúng có thể có độc tính hoặc không. Công cụ mới cho phép nhà nghiên cứu thay đổi những vật liệu này ở cấp nguyên tử, nơi các hạt được tính bằng đơn vị nanomét (1 phần tỷ mét). "Có thể xuất hiện tác động phụ. Một số chất có khả năng gây hại. Nhưng điều này chỉ xảy ra với các hạt có kích thước lớn và ở những ngành khác. Mặt trái của công nghệ là không đáng kể so với những lợi ích mà nó đem lại", cố vấn cao cấp về công nghệ nano của Tổ chức Khoa học Quốc gia (Mỹ), Mihail Roco, nhận định. Hiện nay, một số công ty đã bắt tay vào sản xuất hạt nano dùng trong sơn, kính che nắng và ống carbon trong công nghiệp điện tử. Tập đoàn Mitsubishi (Nhật Bản) tuyên bố chuẩn bị sản xuất carbon nanotube trên quy mô công nghiệp. Các ống carbon này có thể được sử dụng trong nhiều loại hàng hoá như: transistor, mỹ phẩm, vỏ điện thoại di động, cửa xe hơi... Công nghệ nano cho phép tạo ra máy tính đủ nhỏ để đeo vào cổ tay cũng như các vật liệu giúp giảm đáng kể khối lượng của máy bay, cầu cống... Chính phủ Mỹ rất quan tâm đến công nghệ nano. Năm nay, ngân sách liên bang dành 604 triệu USD cho công tác nghiên cứu công nghệ này, trong khi đó những nước còn lại chi khoảng 4 tỷ USD. Minh Long (theo AP) 32- Hạt nano vận chuyển chất độc ra khỏi các dòng sông Chất độc hại thường đổ về các dòng sông. Nước thải từ khu công nghiệp mang theo một lượng lớn kim loại, dưới dạng các hạt nano nhỏ xíu. Chúng tụ lại thành các đám bọt xốp trắng, trôi theo dòng nước. Nhờ đó, độ độc hại được phân tán, và theo thời gian, sẽ được thiên nhiên hóa giải. Một nhóm nghiên cứu của Đức, Thụy Sĩ, Mỹ, mới đây đã tìm ra thành phần hóa học và lý giải được sự xuất hiện của các đám bọt này. Về thành phần, một hạt nano nhỏ trong đám bọt luôn bao gồm các thành phần chính là các nguyên tử nhôm, ôxy và hydro, với tỷ lệ: 13 nhôm, 40 ôxy và 48 hydro. Các hạt nano này cuốn theo những nguyên tử kim loại nặng và độc hại như chì, sắt, niken... Chúng tạo thành một hỗn hợp trắng, xốp, trôi theo dòng chảy. Chúng giúp vận chuyển chất độc tồn đọng ở các khu công nghiệp và phân tán nó xuống hạ lưu các dòng sông. Nhờ vậy, các khu vực công nghiệp không bị nhiễm độc nặng. Theo các nhà khoa học, nếu điều chỉnh được sự chuyển động của các đám hạt nano, người ta có thể hướng chất độc vào một khu vực nhất định, như một bãi thải cách xa khu dân cư. Tuy nhiên, đây sẽ là việc không đơn giản, vì các hạt nano này xuất hiện và di chuyển không theo quy luật nào cả. Minh Hy (theo SZ) 33- Chứng minh chiều không gian thứ tư bằng thực nghiệm? Một ý tưởng nghệ thuật về chiều không gian thứ tư. Các lý thuyết vật lý hiện đại, như thuyết String, cho rằng vũ trụ có nhiều hơn 3 chiều không gian. Để chứng minh điều này, các nhà khoa học Mỹ sẽ chế tạo một máy đo siêu nhỏ (nano machine), nhằm chỉ ra các hiệu ứng khác lạ, dẫn tới kết luận về sự hiện hữu của các chiều không gian khác. Nhóm nghiên cứu của Ephraim Fischbach và Dennis Krause, Đại học Purdue (Mỹ), giới thiệu nguyên lý của thí nghiệm này như sau: Theo thuyết String, ở các khoảng không gian cực hẹp (cấp độ nanomét), không gian sẽ bị "cuộn" lại trong các chiều khác (có thể là chiều thứ 4, thứ 5 hoặc nhiều hơn). Điều này sẽ làm thay đổi lực hấp dẫn giữa các vật thể trong không gian đó. Vì thế, nếu người ta xây dựng được một thí nghiệm để chỉ ra sự thay đổi này của lực hấp dẫn, thì người ta có thể kết luận rằng, có chiều không gian thứ 4. Các nhà khoa học dự định sẽ đo lực hấp dẫn giữa hai lá thép siêu mỏng, đặt cách nhau một khoảng cỡ nanomét (1 nanomét = 1 phần triệu milimét). Để đo được chính xác lực hấp dẫn này, người ta cần loại trừ một đại lượng gọi là hiệu ứng Casimir. Theo cơ học lượng tử, hiệu ứng này được sinh ra bởi các photon ảo, thường bất ngờ xuất hiện trong chân không rồi lại tự động biến mất. Bình thường, trong không gian xuất hiện các photon với những bước sóng rất đa dạng. Tuy nhiên, ở giữa hai tấm kim loại hẹp thì điều đó không thể. Ở đây, chỉ có các photon với bước sóng nhất định. Hệ quả là, giữa hai tấm này sẽ có ít photon hơn bên ngoài. Sự chênh lệch về các photon trong và ngoài hai lá kim loại sẽ tạo ra một lực nhỏ, ép chúng lại với nhau. Lực đó gọi là hiệu ứng Casimir. Để loại trừ hiệu ứng trên, các nhà khoa học sẽ phải làm thí nghiệm với các lá thép giống hệt nhau, nhưng có đồng vị khác nhau. Ở giữa chúng, hiệu ứng Casimir sẽ giống nhau, nhưng lực hấp dẫn lại khác nhau (lá thép có đồng vị lớn hơn sẽ nặng hơn, và tạo ra lực hấp dẫn mạnh hơn). Bằng cách so sánh hai lực hấp dẫn này, người ta có thể loại bỏ hiệu ứng Casimir ra khỏi phép đo. Các nhà khoa học hy vọng sẽ thực hiện được thí nghiệm này trong thời gian tới. Nếu thí nghiệm thành công, thì đây sẽ là một sự kiện chấn động, vì nó sẽ khẳng định sự tồn tại của chiều không gian thứ 4, điều mà theo Stephen Hawking là không thể tưởng tượng được với não bộ của con người bình thường. Minh Hy (theo SPIEGEL) 34- Cuộc gặp gỡ ở chiều không gian thứ tư Không gian bốn chiều trong tưởng tượng của danh họa Dali về những đinh câu rút đóng trên tay chúa Jesu. Đột nhiên mặt đất rung chuyển, nhà cửa, cây cối nghiêng ngả như động đất. Những sinh vật thật lạ sử dụng các loại máy bay quay tròn trên những nóc nhà trong làng. Ở ngay khoảng đất trước nhà, “họ” đáp xuống và mở cửa khoang máy ra ngoài. Lúc đó, nỗi sợ hãi và khiếp đảm khiến em hoảng loạn. Nhưng khi bình tâm, em nhớ lại tất cả... Đó là lời kể của em gái 13 tuổi Theodona về cuộc gặp gỡ với người ngoài trái đất trong hai trận cuồng phong xảy ra năm 1998 ở một làng nhỏ thuộc ngoại ô thành phố Shoumen (Bulgaria). Theo lời các cụ già trong làng, đó là hai trận cuồng phong kỳ lạ chưa từng có. Đất đá rung chuyển, nhưng không phải động đất, bởi động đất phải xảy ra trên một vùng rộng lớn chứ không phải chỉ trong phạm vi làng. Tuy nhiên, không ai trong làng nhìn thấy gì khác lạ cả. Ngoại trừ Theodona... Theo sự mô tả của bé gái này, các nhà khoa học phỏng đoán, đó phải là cuộc viếng thăm của những cư dân ngoài trái đất, khi họ sử dụng phi thuyền dạng đĩa bay, có tốc độ rất lớn tương đương tốc độ ánh sáng (300.000 km/s) đáp xuống làng. Theodona kể rằng, "đám người lạ có nhiều hình thù khác nhau, có người giống như người Bulgaria với vóc dáng rất đẹp như thiên thần trong các truyện cổ tích, nhưng không ít người diện mạo dữ dằn như quỷ...". Nhà khoa học vũ trụ Nga Valentin Phomenko đã sang Bulgaria tìm hiểu về "chuyện của cô học trò nhỏ vùng Shoumen". Sau một thời gian nghiên cứu, ông kết luận: "Bé gái Theodona thật sự có năng lực giao tiếp và nhìn rõ những các sinh vật lạ từ bên ngoài vũ trụ, trong khi những người khác ở Shoumen đã không có khả năng này". Theo Phomanko, điều đó có liên quan đến một năng lực đặc biệt, giúp Theodona đi vào thế giới thế giới 4 chiều đầy bí ẩn, vì vậy em đã nhìn thấy những hình ảnh mà người khác không thấy được". Theo các nhà khoa học, não bộ của con người không thể tưởng tượng được không gian bốn chiều. Điều đó được giải thích như sau: Bạn hãy tưởng tượng các sinh vật ở không gian hai chiều. Chúng sống trên một mặt phẳng và không biết gì về sự hiện hữu của không gian ba chiều. Vì vậy, mọi di chuyển của chúng sẽ bị giới hạn trên mặt phẳng ấy và không thể tiến vào chiều thứ ba như chúng ta. Nếu một quả cầu lọt vào thế giới đó, các sinh vật hai chiều mới đầu sẽ nhìn một điểm sáng, rồi đến các hình tròn to dần lên, đến mức cực đại, rồi các hình tròn nhỏ dần, thu lại thành một điểm rồi biến mất. Kết quả là, chúng chỉ nhìn thấy những đường tròn mà không hiểu “toàn bộ câu chuyện về qủa cầu” ra sao cả! Nhưng đôi khi, sinh vật hai chiều cũng có thể đạt tới điều kỳ bí. Ví dụ chúng muốn vượt qua khoảng cách từ A tới B trên mặt phẳng. Theo lẽ thường, thời gian cần thiết lên tới cả chục năm. Nhưng vì một biến cố nào đó, mặt phẳng kia bị cong lại trong không gian ba chiều, khiến điểm A và B trở nên gần nhau, thậm chí trùng lên nhau. Khi đó, điều kỳ diệu đã đến với chúng: khoảng cách chục năm sẽ đạt được chỉ trong phút chốc! Phomeko giải thích, không gian ba chiều nằm trong cái nôi của không gian bốn chiều. Nếu ai có khả năng xâm nhập vào chiều không gian thứ tư, thì đối với anh ta, khoảng cách hàng vạn dặm, thậm chí hàng vạn năm ánh sáng không có ý nghĩa gì. Anh ta vượt qua trong phút chốc bằng cách đi qua khe hở của chiều thứ 4 này. "Khe hở" đó là biên giới ngăn cách hai thế giới, thế giới của không gian ba chiều và không gian bốn chiều. Đó chính là cơ hội để những sinh vật cấp thấp xâm nhập vào chiều thứ tư, như bé gái Theodona. Thế Giới Mới (theo Vakrus Sovetta) 35- Vũ trụ trong hệ tọa độ 11 chiều của Stephen Hawking Stephen Hawking. "Khi bạn đọc dòng này, thì cùng lúc, hàng trăm con người trong bạn cũng đang đọc nó. Những con người trong bạn - những kẻ đồng hành với bạn - tất cả có lẽ đều đang nhún vai như bạn. Đều lắc đầu, nghi hoặc...", Tạp chí khoa học P.M. của Đức đã mở đầu như vậy trong một bài viết về lý thuyết mới của nhà vật lý danh tiếng Stephen Hawking. Ông hoàng vật lý người Anh này mới phát triển một mô hình vũ trụ từ những công thức toán học tỉ mỉ. Mô hình được trình bày trong cuốn sách "Vũ trụ trong một chiếc thuyền nhỏ", đang gây chấn động thế giới khoa học. Những phát kiến mới của Stephen Hawking dường như làm đảo lộn quan điểm khoa học truyền thống. Tất cả được trình bày bằng thuyếtM - trong đó, M đồng nghĩa với magical (thần diệu), mystical (thần bí), hoặc mother (mẹ, gốc). Tổng hợp thuyết tương đối và thuyết lượng tử Trong khi thuyết tương đối giải thích thế giới ở dạng vĩ mô, có liên hệ với lực hấp dẫn, thì trong mô hình của thuyết lượng tử (miêu tả thế giới vi mô), không có sự hiện hữu của đại lượng này. "Vì thế, để hiểu được vũ trụ, chúng ta cần một lý thuyết mới: thuyết lượng tử hấp dẫn", Hawking nói. Theo đó, thuyết mới (thuyết M) có thể tổng hợp được hai lý thuyết vĩ mô và vi mô nói trên, và cung cấp những kiến giải chính xác về bản chất của vũ trụ. Khi phát triển thuyết M, Hawking tin rằng đã đạt được những thành tựu bước ngoặt, dựa trên nền tảng của một lý thuyết rất nổi tiếng trong những năm gần đây: thuyết String. Thuyết này cho rằng, những thành tố nhỏ nhất tạo nên vũ trụ là những dạng thức hình sợi (string), chứ không phải dạng hạt. Nhưng ở xung quanh các sợi này, theo Hawking, có hiện hữu một trường hấp dẫn, và người ta có thể xác định được độ lớn của trường hấp dẫn ấy. Tọa độ 11 chiều và hiện tượng linh cảm Tiếp theo, dựa trên thuyết "lượng tử hấp dẫn" của mình, Hawking tính ra rằng, vũ trụ của chúng ta được hình thành từ 11 chiều. Nhưng chỉ có 4 chiều (3 không gian + 1 thời gian) là đã "mở", còn 7 chiều kia bị "cuộn" lại từ sau vụ nổ lớn. Ý tưởng này của Stephen Hawking đang gây ra nhiều tranh cãi lớn, vì nhà vật lý này cho rằng có thể giải thích được hiện tượng "linh cảm" một cách khoa học bằng thuyết M: Trong mô hình vũ trụ của Hawking, cùng lúc tồn tại vô số những con người khác nhau trong một con người. Và cùng lúc, tất cả thông tin về vũ trụ ở mọi thời đại đều hiện hữu. Vì thế, hiện tượng "linh cảm" có thể giải thích bằng việc một con người nào đó trong bạn đã trải nghiệm điều mà bạn sẽ trải qua, và mách bảo cho bạn biết điều đó. Minh Hy (theo P.M.)
|
|
|
Post by Can Tho on Sept 9, 2010 5:10:39 GMT 9
36- Mỹ, Hàn Quốc tăng chi tiêu cho công nghệ nano 8/5/2003 Hôm qua, Hạ viện Mỹ thông qua dự luật đầu tư 2,36 tỷ USD trong 3 năm tới cho nghiên cứu công nghệ tạo vật liệu mới từ những nguyên tử đơn lẻ. Trong khi đó, chính phủ Hàn Quốc bắt tay thực hiện chương trình phát triển công nghệ nano 2003 trị giá 2 tỷ USD. Sherwood Boehlert - đảng viên đảng Cộng hoà, người nhiệt tình ủng hộ dự luật - nói rằng chính phủ Mỹ cần tăng đầu tư cho những nghiên cứu cơ bản có khả năng tạo ra sản phẩm thương mại. Các hãng công nghệ nano đã giới thiệu loại vải bông không nhăn và ố, vật liệu gói đồ giúp thịt tươi lâu hơn, cửa sổ dễ lau, và tiến tới sẽ sản xuất máy tính cỡ phân tử, robot y học hoạt động trong mạch máu con người, động cơ ôtô không gây ô nhiễm... Theo Boehlert, Thượng viện Mỹ sẽ có hành động ủng hộ sự phát triển của công nghệ mới. Trước đây, chính phủ đã quyết định chi hơn 1 tỷ USD cho chương trình nghiên cứu công nghệ nano dưới thời tổng thống Clinton. Theo dự luật mà Hạ viện vừa thông qua, Quỹ khoa học quốc gia sẽ sử dụng gần một nửa số tiền 2,36 tỷ USD, phần còn lại thuộc về Bộ Thương mại & Năng lượng, Cơ quan bảo vệ môi trường và NASA. Một uỷ ban liên ngành sẽ được thành lập để quản lý chương trình. Học bổng sẽ được cấp cho những sinh viên giỏi đồng ý làm việc cho chính phủ sau khi ra trường. Mới đây, 9 cơ quan chính phủ Hàn Quốc, trong đó có Bộ Thông tin liên lạc, Khoa học Công nghệ & Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng, đưa ra chương trình phát triển công nghệ nano. Theo đó, phần lớn số tiền 2 tỷ USD sẽ được rót cho các hoạt động nghiên cứu phát triển và ứng dụng thương mại. Năm 2002, chính phủ Hàn Quốc đầu tư hơn 1 tỷ USD cho đào tạo chuyên gia, xây dựng cơ sở hạ tầng và nghiên cứu công nghệ nano. Nước này hiện đứng thứ 6 trên thế giới về số bằng sáng chế và luận án liên quan đến công nghệ nano. Minh Long (theo Reuters, eWeek) 37- Phần đông người Anh chưa biết nano là gì Một cuộc khảo sát của Hiệp hội Khoa học hoàng gia (Royal Society) nước này phát hiện ra rằng hầu hết người dân chưa bao giờ được nghe đến công nghệ nói trên và hoàn toàn không có một chút khái niệm đó là cái gì. 29% số người có câu trả lời là đã biết nano có hiểu biết khá tốt về công nghệ này và có thể đưa ra một kiểu định nghĩa nào đó. 69% cho rằng kỹ thuật cấu trúc siêu nhỏ sẽ đem lại những lợi ích lớn trong tương lai. Giáo sư Nick Pidgeon, thành viên của một nhóm công tác chuyên về nano của Royal Society, nói: “Công nghệ liên quan đến vấn đề quy mô siêu nhỏ. Mỗi một nanomet chỉ bằng một phần triệu millimet về độ dài. Cũng chẳng có gì là quá ngạc nhiên khi nhiều người chưa bao giờ biết đến nano bởi thực ra đây vẫn là một lĩnh vực khoa học non trẻ”. Công nghệ nano hấp dẫn các nhà khoa học vì nó đem lại khả năng phát triển những máy tính cực nhỏ và nhiều thiết bị y tế siêu mini. Tuy nhiên, nó cũng làm dấy lên mối lo ngại về một nguy cơ tưởng tượng mà trong đó những phần tử nano với khả năng tự nhân bản ra các robot sẽ chiếm lĩnh thế giới của loài người. Nhiều người ủng hộ tin rằng nano sẽ rất hữu ích trong y tế đối với công tác chẩn đoán và điều trị ban đầu, nhưng cũng quan ngại về độ tin cậy của nó, nhất là những tác dụng phụ về lâu dài. Phan Khương (theo Reuters) 38- Tạo sợi tổng hợp bền hơn tơ nhện Tơ nhện có thể chịu đựng được sức nặng lớn, như chiếc lá này. Các nhà khoa học tại Đại học Texas, Mỹ, cho biết họ đã thành công trong việc dệt nên một loại sợi cực bền từ những ống nano carbon, với đặc tính như dai, nhẹ, song vẫn có thể dẫn nhiệt và dẫn diện. Cho đến trước phát minh này, tất cả các nỗ lực nhằm tạo ra loại sợi siêu bền bằng cách mô phỏng những hoá chất tìm thấy trong tơ nhện đều thất bại. Ray Baughman và cộng sự đã chế tạo thử được 100 mét sợi, với tốc độ 70 cm mỗi phút. Họ xoay tròn các ống nano đơn vách trong một chậu dung dịch rượu no, tạo thành các sợi sền sệt. Các sợi này sau đó được đông lạnh, rửa trong axeton, làm khô rồi cuộn lại. Sản phẩm là một hợp chất composite chứa 60% ống nano carbon, bền gấp 7 lần so với các sợi nano carbon trước đây và dễ làm hơn nhiều lần. So về trọng lượng và đường kính, loại sợi này bền gấp 5 lần thép, và tương đương với tơ nhện về độ bền biến dạng. “Loại sợi này dai hơn bất kỳ sợi tổng hợp và tự nhiên nào được biết tới nay”, một thành viên của nhóm nghiên cứu nhận định. Bước đầu, nhóm nghiên cứu đã dệt những sợi này thành vải, tạo nên những siêu tụ điện. 39- Kỹ thuật nano trong sản xuất đồ gốm thời Phục Hưng 1/7/2003 Các nhà khoa học Italy vừa phát hiện thợ gốm thế kỷ thứ 15-16 đã sử dụng muối đồng, muối bạc trộn với dấm, hoàng thổ, đất sét và một kỹ thuật nung đặc biệt để tạo thành các lớp men óng ánh. Đây được coi là một hình thức của kỹ thuật nano tiền phát. Thế kỷ 15-16 là thời hoàng kim của các sản phẩm gốm sứ với họa tiết tinh xảo sản xuất ở Deruta (Italy), được ưa chuộng khắp châu Âu. Nghiên cứu đồ gốm Umbria (một thị trấn ở Deruta) thời Phục Hưng cho thấy, chúng có một hóa chất tổng hợp đặc trưng của thời đại: một hỗn hợp từ cát và kim loại kiềm, có thêm oxit chì để giảm độ co và tránh bị rạn nứt. Chính những chất tạo màu này là dấu hiệu để phân biệt các sản phẩm gốm sứ thật của Italy với các sản phẩm giả mạo. Trong số gốm sứ của vùng Deruta, nổi tiếng nhất là các sản phẩm óng ánh nhiều màu sắc, hay có ánh kim. Một số trông giống như vàng, một số khác lại cho những màu ngũ sắc khi nhìn từ các góc độ khác nhau. Theo Brunetti, hiệu ứng này được tạo ra bởi các hạt kim loại có đường kính từ 5 đến 10 nanomet (1 nanomet = 1 phần tỷ mét), mà theo thuật ngữ kỹ thuật là các hạt nano. Trong một nghiên cứu năm ngoái, ông và cộng sự nhận thấy men màu đỏ óng ánh có chứa các hạt nano đồng, còn men màu vàng thì có chứa các hạt nano bạc. Kích thước nhỏ của những hạt này khiến ánh sáng bị phản xạ với các bước sóng khác nhau, tạo hiệu ứng óng ánh màu sắc, hay làm cho lớp men có ánh kim. Tuy nhiên, Brunetti cho rằng, các hạt nano kim loại không phải là tất cả bí mật. Các lớp men màu đỏ và màu vàng còn chứa một lượng vừa phải ion đồng, đủ để thay thế vai trò chất dẫn ánh sáng của vật liệu nền, góp phần tạo ra những màu sắc óng ánh. Bằng chứng lịch sử của kỹ thuật nano tiền phát được tìm thấy trong cuốn sách về đồ gốm Li tre libri dell’arte del vasaio có từ năm 1557, của một người thợ thủ công Italy có tên là Cipriano Piccolpasso. Theo cuốn sách, các muối đồng và bạc được trộn với dấm, hoàng thổ (một oxit kim loại) và đất sét, và được phủ lên bề mặt của sản phẩm đã tráng men. Bằng một kỹ thuật nung tinh vi, người ta đã tạo được đồ gốm với một nước men lộng lẫy, óng ả. Vào thời Phục Hưng, các hiệu ứng tạo nước men ánh kim có ý nghĩa sâu sắc, vì người ta coi nó là một thành công của thuật giả kim. Khả năng thay đổi màu sắc được coi là một tài sản của thuật này. Thanh Tú (theo AFP) 40- Ra đời rotor điện nhỏ nhất thế giới 12/6/2003 Các nhà khoa học Mỹ vừa sáng chế ra một rotor điện nhỏ bằng 1/250 sợi tóc của con người. Đây được coi là bước đột phá trên mặt trận công nghệ nano. Thiết bị bao gồm một lưỡi dao bằng vàng gắn vào một trục làm bằng ống nano carbon. Hai đầu của trục được mắc vào 2 điện cực silicon dioxide. Dòng điện chạy qua điện cực truyền vào ống nano dẫn điện và làm quay lưỡi dao. 3 điện cực khác - 2 cái đặt 2 bên đầu trục, một cái đặt bên dưới - sẽ cung cấp lượng điện bổ sung. Điều này có nghĩa tốc độ lưỡi dao, hướng và vị trí của nó sẽ được điều khiển một cách chính xác. Mô hình rotor điện nhỏ nhất thế giới. Thiết bị tí hon này được gắn vào một chip silicon và có thể ứng dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau. Nhưng nó vẫn chưa phải là thiết bị nano nhỏ nhất thế giới, danh hiệu đó thuộc về công tắc bio làm từ phân tử ADN và chạy bằng hoá chất. Các nhà sáng chế cho biết thiết bị mới này có một số ưu điểm khác. Là một thiết bị điện - hoá chất, nó có thể chịu đựng được sự biến đổi nhiệt độ cao, hoạt động được trong chân không và chịu đựng môi trường hoá chất tốt hơn thiết bị bio. Công nghệ nano có tiềm năng cung cấp thế hệ thiết bị siêu nhỏ trong lĩnh vực truyền thông, y học... Các nhà khoa học làm việc trên hệ thống điện - hoá chất luôn mắc phải những trở ngại như kim loại và chất dẻo truyền thống thường phát sinh trục trặc khi hoạt động, nếu kích thước quá nhỏ. Minh Thi (theo ABC Online) 41- Chartered, IBM và Infineon phát triển chip thế hệ mới 10/8/2003 Ba hãng này vừa ký thoả thuận hợp tác để chế tạo loại chip máy tính thế hệ mới sử dụng công nghệ nano. Dự án sẽ tập trung sản xuất chip 65 nanomet (nm) và tiến tới là 45 nm. Các điều khoản chi tiết của hợp đồng nhiều năm này không được tiết lộ. Chia Song Hwee, Giám đốc điều hành Chartered (Singapore), cho biết theo thoả thuận, 3 công ty sẽ cùng phát triển một dây chuyền sản xuất chip 65 nm tại cơ sở thí nghiệm ở East Fishkill (New York, Mỹ), mang tên Trung tâm công nghệ bộ vi xử lý. Sẽ có khoảng 200 kỹ sư của 3 hãng cùng tham gia dự án này. 42- Phát điện từ các 'nhà máy thủy điện' nano 21/10/2003 Khối kính dẹt tròn, có đường kính ngang 3cm, dày 3 mm. Click vào hình để xem cơ chế hoạt động. Các nhà khoa học Canada đã phát triển một phương pháp mới để sản xuất điện từ nước, bằng cách lợi dụng hiện tượng xảy ra khi nước được bơm qua các kênh nhỏ li ti. Kỹ thuật này trong tương lai có thể dùng để nạp năng lượng cho các thiết bị nhỏ, như điện thoại di động, máy tính xách tay. Giáo sư Larry Kostiuk, thuộc Đại học Alberta và cộng sự Daniel Kwork tạo ra một khối kính dẹt hình tròn, đường kính ngang 3 cm, và dày 3 milimét, chứa khoảng 400.000 đến 500.000 rãnh nhỏ. Khi ép nước chảy qua những rãnh có đường kính 10 micromét này, nhờ một hiện tượng được gọi là "lớp điện kép", trong rãnh sẽ xuất hiện điện tích dương ở một đầu và điện tích âm ở đầu kia, giống như ở một chiếc pin bình thường. Nguyên mẫu thiết bị của Kostiuk đã tạo ra được một dòng điện khoảng 1 miliampe, với hiệu điện thế 10 vôn, đủ để thắp sáng một bóng đèn nhỏ. Nhóm nghiên cứu cho biết đây là phương pháp sản xuất điện mới đầu tiên trong vòng 150 năm qua, và nhấn mạnh công trình của họ mới ở trong giai đoạn sơ khai. "Những gì chúng tôi đạt được cho thấy có thể sản xuất điện trực tiếp từ những dòng chảy qua các kênh siêu nhỏ”, giáo sư Kostiuk nói. Công nghệ này có thể cung cấp một nguồn năng lượng mới cho các thiết bị như điện thoại di động hay máy tính xách tay, và được nạp điện chỉ bằng cách bơm nước dưới áp suất cao. Đồng thời, đây cũng là một nguồn năng lượng sạch không ô nhiễm. Nhóm nghiên cứu cho biết nhiều nghiên cứu nữa cần được thực hiện để xác định tiềm năng thương mại của loại pin này. Tuy nhiên, tiến sĩ Jon Gibbins thuộc Đại học Hoàng gia London lại tỏ ý nghi ngờ về tiềm năng ứng dụng của phương pháp. Theo ông, nó chỉ có thể sản ra một lượng điện nhỏ trên quy mô nhỏ, vì thế chỉ có thể sử dụng ở quy mô công nghệ nano. Trên thực tế, việc phát điện từ nước không có gì là mới. Những nhà máy thủy điện quy mô lớn thậm chí có thể đạt hiệu suất 100% trong việc chuyển năng lượng nước thành điện năng. Phương pháp động lực điện từ cũng tạo ra điện từ nước. Song, điều đáng nói trong công trình của Kostiuk và cộng sự là tạo ra một loại tuabin mà các phần của nó không cần chuyển động. "Hiệu suất của thiết bị này hiện là 1% và ngay bây giờ chúng tôi đang cố gắng hiểu rõ đặc tính của chúng. Mục tiêu là tìm ra cách cải tiến hiệu suất lên khoảng 16% để có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác", Kostiuk nói. B.H. (theo BBC) 43- Khóa nano bền hơn keo dính Khóa velcro nylong thường có các móc và vòng, nhưng khóa nano chỉ có các móc. Loại khóa velcro này có thể đính các vật thể với nhau chặt như như loại keo dính nhất, các nhà khoa học Mỹ vừa tuyên bố. Tuy nhiên, thay vì có một bản bằng móc và bản kia gồm các vòng nhỏ như trong khóa velcro nylon, khóa nano chỉ gồm toàn các móc. Các móc này thực chất là những ống carbon có đường kính chỉ vài phần triệu milimét. Nó có thể được sử dụng để đính các hợp phần của một robot siêu nhỏ với nhau, David Tománek và cộng sự tại Đại học Bang Michigan ở East Lansing, cho biết. Các nhà nghiên cứu phỏng đoán khóa nano chắc gấp 30 lần các loại keo dính thông thường. Nó có thể liên kết hầu hết các vật rắn với nhau bền chặt đến nỗi bản thân các vật liệu sẽ nứt gãy ra trước khi hai bản khóa tách rời nhau. Nó cũng bền gấp khoảng 3.000 lần so với những chiếc khóa velcro tí hon làm bằng silic. Khi dùng lực đủ mạnh, hai bản của khóa sẽ tách rời nhau, và các móc co về vị trí ban đầu. Khi được đẩy trở lại cho tiếp xúc, chúng liên kết với nhau, tạo ra "mối nối" cực kỳ bền vững. Năng lượng tích lũy trong quá trình tách rời hai bản khóa đốt nóng chúng đến khoảng 1.000 độ C. Nhưng các ống nano đủ bền vững để chịu đựng nhiệt độ này mà không bị đứt ra. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa tìm ra cách chế tạo các móc bằng nano carbon trên quy mô lớn. B.H. (theo Nature) 44- Diệt khối ung thư bằng đạn nano 4/11/2003 Khu vực khoanh đỏ là nơi nanoshell được tiêm vào: trong vài phút bị đốt nóng dưới ánh sáng gần hồng ngoại, các tế bào này đã chết. Loại "đạn thần thông" này có thể nhanh chóng phá hủy các khối u ung thư mà không cần phẫu thuật, đồng thời lại không hủy hoại các mô lành xung quanh. Kỹ thuật đó do tiến sĩ Jennifer West và cộng sự ở Đại học Rice (Houston, Mỹ) vừa phát minh. Loại đạn này thực chất là những hạt silic dioxit tí hon được bọc vàng (còn gọi là các nanoshell), có đường kính khoảng 120 nanomét, nhỏ hơn 1.500 lần so với độ dày một sợi tóc người. Để tiêu diệt khối u, trước tiên, người ta bắn vào khối u đó một viên đạn, sau đó dùng một loại ánh sáng đặc biệt trong dải gần hồng ngoại để đốt nóng nó lên. Bản thân lớp vỏ vàng của viên đạn khi đưa vào cơ thể không gây hại cho người (giống như những chiếc răng vàng). Loại ánh sáng đặc biệt trên cũng vậy. Song, khi hai thứ này tương tác với nhau, vàng sẽ bị đốt nóng lên đến khoảng 37 độ C, đủ để gây chết các tế bào mà nanoshell đã gắn với nó. “Nhiệt độ bên trong khối u đạt cao đến mức có thể phá hủy các tế bào bệnh trong vòng 4-6 phút, tiêu diệt khối u mà không làm hư hại đến các tế bào xung quanh”, West cho biết. Thử nghiệm được tiến hành như sau: nhóm nghiên cứu nhúng các tế bào ung thư vú ở người vào một dung dịch chứa nanoshell. Tiếp đó, họ cho các tế bào này cùng với các tế bào kiểm chứng (không nhúng dung dịch) tiếp xúc với nguồn sáng gần hồng ngoại. Kết quả là, các tế bào chứa nanoshell có những biểu hiện hư hỏng vì nhiệt không thể sửa chữa, trong khi các tế bào kiểm chứng vẫn còn nguyên vẹn. Các nhà khoa học cũng tiêm các nanoshell vào các khối u trên chuột và cho những động vật này tiếp xúc với ánh sáng gần hồng ngoại cường độ yếu. Trong vài phút, các tế bào ung thư đã bị trừ khử bởi nhiệt sinh ra. Nhóm nghiên cứu cho rằng nếu các kết quả sơ bộ của họ được khẳng định là đúng, thì đây sẽ là kỹ thuật lý tưởng cho việc loại bỏ những khối ung thư nhỏ và nằm sâu trong các mô trọng yếu, như trong não. Cho đến nay, để tiếp cận với loại khối u này, người ta thường phải dùng đến laser hoặc siêu âm. Song, hầu hết các kỹ thuật đó hoặc xâm lấn đến các tế bào lành, hoặc không phân biệt rõ các tế bào lành với tế bào ung thư. Một phương pháp phổ biến khác là phẫu thuật lại chỉ phát huy hiệu quả đối với các khối u dễ tiếp cận, và nằm trong những vùng mô không quan trọng. Bích Hạnh (theo ABConline) 45- Chế tạo thành công than nano: Đột phá vào công nghệ cao 30/12/2003 Tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê. Tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu thuộc khu công nghệ cao TP HCM vừa công bố chế tạo thành công than nano “lỏng”. Đây được xem là một bước đột phá, do trên thế giới chỉ có rất ít nước phát triển chế tạo được loại vật liệu này. Thành công đã mở đường cho Việt Nam tấn công vào thị trường sản xuất vi mạch máy tính và linh kiện bán dẫn. Thực chất, than nano là các hạt than bụi, than bồ hóng được tách rời thành dạng hạt có kích thước nano (khoảng 25-75 nm, 1 nm bằng 1 phần tỷ mét). Theo ông Khê, tên gọi “lỏng” của vật liệu dùng để chỉ tính chất đặc biệt của nó: khi được đặt trong môi trường điện ly, nó có khả năng lấp đầy chỗ trống trong môi chất - tương tự như tính chất của chất lỏng. Khác với những nghiên cứu trước đây trên thế giới đi từ công nghệ chân không, sử dụng plasma của khí đồng hành trong công nghiệp khai thác dầu mỏ, tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê cùng các cộng sự đã dùng những nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam như than bùn, than đá, dầu dừa, than xơ dừa, dầu cặn… Do vậy theo nhóm nghiên cứu, giá thành phẩm ống nano sản xuất từ than nano “lỏng” sẽ rẻ hơn khoảng 7-10 lần so với sản phẩm đang được sản xuất trên thế giới từ plasma (hiện có giá 350 USD/g). Việc triển khai nghiên cứu quy trình chế tạo than nano “lỏng” bằng nguyên liệu trong nước được bắt đầu từ tháng 7/2003. Hiện nay, ông Khê đang xúc tiến việc đăng ký bản quyền sở hữu ứng dụng phát minh quốc tế về các ứng dụng của than này trong lĩnh vực công nghệ thông tin và bán dẫn. Một ứng dụng quan trọng của than nano “lỏng” là dùng để chế tạo ra các ống than nano (carbon nano tube). Công nghệ này đã được biết trên thế giới từ năm 1991 do nhà vật lý Nhật Bản Ijima. Đây là các loại ống dẫn bằng carbon có đường kính rất nhỏ (chỉ vài phần triệu mm). Việc sử dụng carbon nano tube thay cho dây kim loại cho phép nhà sản xuất tạo ra chip nhỏ hơn, tốc độ cao và giá rẻ hơn. Gần đây, các nhà khoa học trên thế giới cũng khám phá ra rằng có hiện tượng phát sáng tuỳ theo cách định hướng của ống than trong quy trình chế tạo. Khám phá này đã thu hút hướng nghiên cứu áp dụng vào công nghệ màn hình phẳng (field emission display). Trong công nghệ bán dẫn, việc ứng dụng ống than nano hứa hẹn khả năng thay đổi năng lượng của vùng cấm (band gap energy) và các hiện tượng tunneling xảy ra giữa ống than nano và môi chất trung gian, từ đó đưa đến những cuộc cách mạng khoa học trong công nghệ bán dẫn. Hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng của ống than nano vẫn còn giới hạn bởi giá thành sản phẩm cao. Chính vì vậy, phát minh của Tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê là một bước đột phá mới, đưa Việt Nam đi tắt đón đầu những xuất phát của công nghệ cao. Thế Tài 46- Mực phát sáng tạo cảm hứng cho công nghệ nano 10/1/2004 Mực đuôi cộc. Một con mực toả sáng như một ngọn đuốc có thể dẫn tới sự phát minh những công cụ quang học. Tia sáng toả ra từ bụng có thể giúp con vật tìm kiếm thức ăn và bảo vệ nó khỏi kẻ săn mồi, bằng cách giảm cái bóng dễ nhận thấy ở dưới đáy biển. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Hawaii, Mỹ, đã nghiên cứu loài mực đuôi cộc Euprymna scolopes ở Hawaii và nhận thấy nguồn tạo sáng của loài sinh vật này là từ những con vi khuẩn phát sáng sống trong cơ thể. Nhưng tia sáng thì được phát ra ngoài bởi những cụm đĩa phản chiếu bao quanh cơ thể loài mực. Hầu hết cơ quan phản xạ ánh sáng của động vật được làm từ thuỷ tinh, song những đĩa phản chiếu màu bạc của mực đuôi cộc lại được tạo ra từ một loại protein khác lạ (gọi là Reflectin). Loại protein này có hỗn hợp axit amin chỉ có riêng ở động vật thần mềm - gồm mực, bạch tuộc... Các nhà nghiên cứu cho rằng cấu trúc của những đĩa phản chiếu đó có thể tạo cảm hứng cho những nhà thiết kế công nghệ nano để tạo ra những thiết bị quang học kiểu mới. (Theo Tuổi Trẻ)
|
|
|
Post by Can Tho on Oct 26, 2010 8:08:51 GMT 9
TPS, Chính sách Sản xuất ToyotaVietsciences-Đặng Đình Cung Đầu năm nay, có tin Toyota và nhiều hãng ô-tô khác đã phải triệu hồi cả triệu xe. Nhân dịp này, nhiều người kết luận rằng TPS (Toyota Production System, Chính sách Sản xuất Toyota) là không đúng. Ngoài ra, nhiều người tưởng rằng TPS và Lean Management là hai triết lý sản xuất khác nhau hay lầm lẫn các triết lý quản lý với những công cụ quản lý sản xuất do các kỹ sư đã sáng chế. Trong bài này, chúng tôi xin trình bầy chính sách sản xuất của Toyota và tính vạn năng của nó. TPS là gì ? Vào thập niên 1980, trước nguy cơ công nghiệp Mỹ tụt hậu, chính phủ Hoa Kỳ đã ban cho đại học MIT (Massachusetts Institute of Technology, Viện Công nghệ Massachusetts) một ngân sách để nghiên cứu những nhân tố thành công của các xí nghiệp Nhật Bản đang đe dọa sự sống còn ngành công nghiệp chế biến Tây phương. Tổ nghiên cứu nhận trọng trách đó mau chóng chú tâm đến tập đoàn Toyota. Lý do là, trong hơn nửa thế kỷ, Toyota đã có thể mỗi năm gia tăng 9,6 % số xe bán trên thi trường và, cùng một lúc, liên tục gia tăng chất lượng và phẩm lượng các xe xuất xưởng. Thành công ấn tượng của tập đoàn này làm nhiều người vừa ganh tị vừa cảm phục (xem thêm bài "Bài học Toyota" đã đăng trên Thời báo Kinh tế Sài gòn). Các giáo sư James P. Womack và Daniel T. Jones, dẫn đầu tổ nghiên cứu của MIT, khám phá bí quyết của Toyota là Lean Manufacturing (Sản xuất Gầy Còm) mà chúng tôi xin mạn dịch là Sản xuất Đúng Mức. Tổng kết công trình nghiên cứu này được đăng trong cuốn sách nổi tiếng "The Machine That Changed the World : The Story of Lean Production". Cụ thể là cán bộ và nhân công Toyota liên tục truy lùng để thanh toán tất cả các nguồn lãng phí. Lý luận của lãnh đạo Toyota là như sau. Giá trị gia tăng là hiệu số của giá bán và giá thành. Giá trị gia tăng sẽ tăng nếu xí nghiệp tăng giá bán hay giảm giá thành. Nếu tăng giá bán thì xí nghiệp sẽ mất khách và suy thoái. Nếu giảm giá thành thì sẽ không phải chịu những bất lợi đó mà lại có thể giảm giá bán và cướp thị phần của đối thủ cạnh tranh. Toyota phân loại ba nguồn lãng phí : muda (無益, vô ích), muri (無理, vô lý) và mura (斑, ban, lang lỗ hay là thất thường). Để truy lùng và thanh toán lãng phí, những kỹ sư quản lý công nghiệp Nhật như Taiichi Ohno, Shigeo Shingo, Genichi Taguchi và Masaaki Imai đã lập ra một số triết lý quản lý như là just in time (sản xuất đúng lúc), SMED (Single Minute Exchange of Die, thay đổi công cụ trong một phút), kaizen (改善, cải thiện), genchi genbutsu (現地現物, hiện địa hiện vật), heijunka (平準化, bình chuẩn hóa),... và một số công cụ điều hành sản xuất như là jidoka (自働化, tự động hóa) , nemawashi (根回, căn hồi), andon (行灯, hành đăng), kanban (看板, khán bản), poka yoke (差错预防, sai thác dự phòng),... Sau hai chục năm nghiên cứu phương pháp sản xuất và kinh doanh của Toyota, giáo sư Jeffrey K. Liker, đại học Michigan, trình bầy phương pháp quản lý của Toyota trong "The Toyota Way: 14 Management Principles from the World's Greatest Manufacturer". Những nguyên tắc này được các chuyên gia quản lý công nghiệp gọi là 14 nguyên tắc hay TPS (Toyota Production System, Chính sách Sản xuất Toyota). Cuốn sách đã trở thành sách vỡ lòng của mọi sinh viên và chuyên gia về quản lý công nghiệp. Một tập đoàn như Toyota có cả chục vạn nhân viên làm việc trên bốn lục địa với cả trăm văn hóa dân tộc khác nhau. Để những người đó hợp tác hài hòa thì lãnh đạo tập đoàn phải thống nhất tư duy của nhân viên trên một nền văn hóa doanh nghiệp chung. Ngoài ra, hàng triệu khách hàng của tập đoàn trên thế giới cần được biết mình sẽ được đối đãi ra sao. Do đó, một tập đoàn kinh tế đa quốc gia thường có một cương lĩnh để tự giới thiệu với khách hàng, chiêu mộ nhân viên và truyền bá văn hóa doanh nghiệp của mình. Năm 2001, ngài Fujio Cho, chủ tịch công ty mẹ Toyota Motors Corporation, công bố cương lĩnh của tập đoàn mang tên là "Toyota Way 2001" (Đường lối Toyota 2001). Cương lĩnh được đăng trên trạm Internet các chi nhánh của Toyota. Vì không thể thú nhận đã bắt chước đường lối của một đối thủ cạnh tranh hay của một xí nghiệp không thuộc ngành nghề của mình, những xí nghiệp không phải là chi nhánh hay không thuộc hệ thống cung cấp phụ kiện của Toyota bắt buộc phải tìm một tên khác : Nissan Production Way (NPW, Đường lối Sản xuất Nissan), Ford Production System (FPS, Chính sách Sản xuất Ford),... Phần đông thì người ta gọi TPS là Lean Manufacturing theo tên đặt của giáo sư Wolmack và trào lưu bây giờ thì gọi là Lean Management. Khả năng xí nghiệp Việt Nam áp dụng TPS Nhiều người không muốn theo chính sách TPS hay có áp dụng thử nhưng không thành công nói rằng TPS là một chính sách đặc thù Nhật Bản, không thể áp dụng cho xí nghiệp quốc tịch khác được. Có người còn hạn chế hơn nữa khi nói rằng TPS không thể áp dụng cho những ngành kinh tế ngoài ngành sản xuất ô-tô Nhật Bản. Những quan điểm này quá đáng. Trước tiên, các kỹ sư Nhật nêu ở trên đã viết những sách giáo khoa miêu tả một số công cụ kỹ thuật điều hành sản xuất họ đã sáng chế. Họ đã đặt tên Toyota Production System cho toàn bộ những công cụ đó. Một văn hóa không ảnh hưởng gì đến việc áp dụng một công cụ kỹ thuật. Điều thứ hai là, sau Đệ nhị Thế chiến, tiến sĩ Edwards W. Deming, một chuyên gia về thống kê người Mỹ, theo tướng MacArthur sang Nhật dậy cho người Nhật cách sản xuất có chất lượng như Hoa Kỳ. Nhân đó, tiến sĩ Deming đã nêu 14 Điều về Quản lý (14 Points for Management) đặt ra những điều kiện để áp dụng thành công những điều cụ dạy. Các kỹ sư Nhật nêu ở trên có thể coi là học trò của tiến sĩ Deming và những công cụ họ đã sáng chế là kết quả của sự áp dụng 14 Điều của Deming (Deming's 14 Points). Khi giáo sư Liker, một người Mỹ, nêu ra 14 nguyên tắc TPS thì những nguyên tắc này cũng tương đương với 14 Điều của Deming và chỉ khác về từ ngữ thôi. Điều thứ ba là những ngành công nghiệp không phải là ngành sản xuất ô-tô đã thành công giảm giá thành và nâng cao phẩm lượng và chất lượng một cách đáng kể khi áp dụng TPS. Toyota cũng áp dụng TPS khi sản xuất những sản phẩm không phải là xe ô-tô. Hơn thế nữa, nhiều xí nghiệp đã áp dụng TPS cho tất cả những hoạt động kinh doanh chứ không giới hạn ở những hoạt động sản xuất. Bây giờ, cụm từ Lean Manufacturing trở thành Lean Management (Quản lý Đúng Mức) gọi tắt là Lean. Vậy TPS có nguồn từ tư tưởng quản lý công nghiệp Mỹ. Nói rằng phải có văn hóa Nhật hay phải làm trong ngành sản xuất ô-tô mới có thể áp dụng TPS là không đúng với những nhận xét thực tế. Những xí nghiệp Việt Nam, thuộc tất cả các ngành kinh tế, đều có thể áp dụng 14 nguyên tắc TPS. Điều đã cho phép Toyota thành công hơn những xí nghiệp khác là họ áp dụng những nguyên tắc TPS triệt để hơn những đối thủ của họ. Đặc biệt, Toyota nổi tiếng là khởi động vòng tròn Deming mau nhất và thường xuyên nhất và có tinh thần trách nhiệm xã hội doanh nghiệp cao nhất (xem thêm bài "Cơ sở lý thuyết của việc đảm bảo chất lượng" và bài "Trách nhiệm xã hội doanh nghiệp" đã đăng trên TBKTSG). Do đó lãnh đạo và nhân viên của Toyota đã phải chịu áp lực lớn để cải thiện liên tục. Không phải là ngẫu nhiên mà tập đoàn này cũng là tập đoàn có nhiều sáng kiến công nghệ nhất thế giới. Từ một thế kỷ nay, môn quản lý công nghiệp đã có ba lý thuyết lớn : tổ chức khoa học của Frederick W. Taylor, phân chia trách nhiệm tài chính của Alfred P. Sloan và 14 nguyên tắc TPS của Toyota. Mỗi lần, các ngành công nghiệp đã có những đột phá ký thuật và đã chia xẻ với người tiêu dùng những tiến bộ về giá thành, phẩm lượng và chất lượng. Hiện nay, Toyota gặp khó khăn với những đợt triệu hồi xe liên tiếp. Nhân cơ hội giải quyết vấn đề này, vòng tròn Deming sẽ quay và, vài năm nữa, rất có thể sẽ có thêm một lý thuyết quản lý công nghiệp khác nữa. Nhưng 14 nguyên tắc TPS sẽ vẫn còn hữu hiệu và thông dụng. Vì những lý do đó mà chúng tôi kêu gọi lãnh đạo và cán bộ Việt Nam nên tiếp tục nghiên cứu, học hỏi và áp dụng những công cụ của TPS để mau chóng đưa đất nước lên hàng một cường quốc công nghiệp, Những sách cần đọc thêm Ohno, Taiichi : "Toyota Production System: Beyond Large Scale Production", Productivity Press (1988) Shingo, Shigeo: A Study of the Toyota Production System, Productivity Press, 1989 Womack ,James P., Daniel T. Jones và Daniel Ross : "The Machine That Changed the World: The Story of Lean Production", PaperPaperbacks (1991, tái bản 2007) Womack, James P, Daniel T. Jones : “Lean Thinking: Banish Waste and Create Wealth in Your Corporation”, Free Press (2003) Liker, Jeffrey K. : "The Toyota Way: 14 Management Principles from the World's Greatest Manufacturer", McGraw Hill Professional (2004) Imai, Masaaki : “Kaizen : The Key to Japan's Competitive Success”, McGraw Hill (1986). Deming Edwards W. : "Out of the Crisis", MIT Press (2000) ----- Chú thích Đường lối Toyota 2001 www.toyotadesign.com.au/past toyota way.asp Đường lối Toyota dựa trên hai cột trụ : 1. Cải thiện liên tục 2. Kính trọng con người Cải thiện liên tục Cải thiện liên tục có nghĩa là chúng tôi không bao giờ coi những thắng lợi hiện nay là những thành tựu cuối cùng. Chúng tôi không bao giờ thỏa mãn với những gì đã đạt được và luôn luôn cải thiện nghề của mình bằng cách đề xướng những ý kiến hay nhất và những cố gắng lớn nhất : chúng tôi ham muốn mãnh liệt tạo ra những chọn lựa tốt hơn, xét lại những thực hiện của chúng tôi và tìm tòi những đường hướng thành công tương lai. Chúng tôi có ba nền tảng định hướng cam đoan của chúng tôi về cải thiện liên tục : 1. Thử thách – Chúng tôi có tầm nhìn dài hạn, đối phó những thử thách với can đảm và óc sáng tạo để thực hiện những ước mơ ; 2. Kaizen (改善, cải thiện) – Chúng tôi cải thiện liên tục những tác động kinh doanh, luôn luôn hướng tới sáng kiến và tiến hóa ; 3. Genchi Genbutsu (現地現物, hiện địa hiện vật) – Chúng tôi đến tận gốc của vấn đề để tìm những sự kiện và ra những quyết định đúng đắn, được sự đồng thuận và đạt những mục đích. Kính trọng con người Chính sách kinh trọng con người dựa trên việc kính trọng nhân viên của chúng tôi cũng như kính trọng những cộng đồng và những bên liên hệ xung quanh mà chúng tôi tự coi là một thành phần. Chúng tôi kính trọng nhân viên của chúng tôi và tin tưởng rằng công ty chúng tôi thành công nhờ những cố gắng cá nhân và sự chúng sức tốt. Kính trọng con người được biểu hiện bằng 1. Sự kính trọng – Chúng tôi kính trọng người khác, cố gắng tìm hiểu lẫn nhau, lãnh trách nhiệm và làm hết sức để tạo ra sự tín cậy lẫn nhau. 2. Sự chung sức – Chúng tôi khích động những tiến bộ bản thân và nghiệp vụ, chia xẻ những cơ hội phát triển và làm cho tối đa hiệu suất của cá nhân và của đồng đội. Những nhân tố đó kết hợp lại tạo thành DNA của công ty chúng tôi, định hướng điều hành mà mọi người và mọi thành viên của Toyota trên thế giới đều có thể tiếp thu được và cho phép chúng tôi bảo vệ những thành công tương lai của chúng tôi. The Toyota Way The Toyota Way is supported by two main pillars: 1. Continuous Improvement 2. Respect For People Continuous Improvement Continuous Improvement means that we never perceive current success as our final achievement. We are never satisfied with where we are and always improve our business by putting forth our best ideas and efforts: we are keen to create better alternatives, question our accomplishments and investigate future definitions of success. There are three building blocks shaping our commitment to Continuous Improvement: 1. Challenge - We form a long term vision, meeting challenges with courage and creativity to realize our dreams; 2. Kaizen - We improve our business operations continuously, always driving for innovation and evolution 3. Genchi Genbutsu - We go to the source to find the facts to make correct decisions, build consensus and achieve goals. Respect For People refers to our own staff as well as the communities and stakeholder groups that surround us and we are part of. We respect our people and believe the success of our business is created by individual efforts and good teamwork. Respect For People Respect For People is translated in: 1. Respect - We respect others, make every effort to understand each other, take responsibility and do our best to build mutual trust 2. Teamwork - We stimulate personal and professional growth, share the opportunities of development and maximize individual and team performance. These elements combined define our corporate DNA, provide a way of operating that is recognised by each and every Toyota member around the globe and enables us to sustain our success in the future.
|
|
|
Post by Can Tho on Jul 24, 2012 5:03:51 GMT 9
Emmy NoetherVietsciences- Phạm Việt Hưng 05/02/2011 Emmy Noether (1882-1935), người phụ nữ đã giúp Einstein hoàn thiện Thuyết Tương Đối Nếu Newton vĩ đại nhờ đã đứng trên vai những người khổng lồ thì Amalie Emmy Noether cũng vô cùng vĩ đại vì bà đã nâng trên đôi vai phụ nữ yếu ớt của mình hai người khổng lồ của thế kỷ 20 – Albert Einstein và David Hilbert! Ai cũng biết Einstein là một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất của mọi thời đại, và Hilbert cũng được coi là một trong những nhà toán học vĩ đại nhất của mọi thời đại, nhưng ít người để ý rằng Emmy Noether là người phụ nữ được tạo hoá sinh ra để giúp đỡ trực tiếp cho David Hilbert và gián tiếp cho Albert Einstein trong việc xây dựng Phương Trình Trường Hấp Dẫn (Field Equation of Gravity) – phương trình cốt lõi làm nên Thuyết Tương Đối Tổng Quát (General Theory of Relativity), một lý thuyết được Einstein công bố vào năm 1916 và đã trở thành một trong hai trụ cột của vật lý hiện đại. Sự giúp đỡ đó dẫn tới kết quả là cả Einstein lẫn Hilbert cùng rút ra Phương Trình Trường gần như vào cùng một thời điểm, và do đó đã xẩy ra một cuộc tranh chấp vô tiền khoáng hậu giữa hai nhân vật khổng lồ này về quyền tác giả Phương Trình Trường, mãi cho đến cuối thế kỷ 20 mới có câu trả lời dứt khoát, rằng quyền tác giả Phương Trình Trường thuộc về Einstein. Nhưng Emmy Noether không chỉ quan trọng đối với Einstein và Hilbert, mà còn quan trọng đối với toàn bộ nền vật lý hiện đại, đến nỗi có thể nói rằng nếu không có bà, khoa học sẽ không thể có những hiểu biết sâu sắc về vũ trụ như hiện nay, bởi chính là bà là người thiết lập nên một trong những nền móng quan trọng bậc nhất trong vật lý hiện đại – tư tưởng về tính đối xứng của vũ trụ. Không phải ngẫn nhiên mà Bách Khoa Toàn Thư Wikipedia nhận định bà là nhà toán học nữ quan trọng nhất trong lịch sử toán học! Tài năng của bà thực ra có thể xếp ngang hàng với Einstein và Hilbert, nhưng chua chát thay, trong khi Einstein được cả thế giới biết đến như một thiên tài vĩ đại nhất của thế kỷ 20, Hilbert cũng được coi là một trong ba nhân vật định hình cho tư tưởng toán học thế kỷ 20, thì Emmy Noether hầu như chẳng được mấy ai biết đến, trừ những người làm việc trong một chuyên ngành hẹp của toán học và vật lý. Tại sao vậy? Phải chăng vì những công trình của Noether quá khó để hiểu? Nhưng tại sao người ta có thể hiểu được những lý thuyết cực kỳ khó hiểu của Einstein và Hilbert? 1] Từ Định Lý Noether tới “Phương Trình của Chúa”: Nói đến Emmy Noether lập tức phải nói đến Định Lý Noether, và phải biết rằng chính nhờ định lý này mà có Phương Trình Trường – xương sống của Thuyết Tương Đối Tổng Quát. Phương trình trường cho phép “thâu tóm” quy luật vật lý của vũ trụ ở tầm vĩ mô, nên tiến sĩ khoa học Amir Aczel gọi nó là “Phương trình của Chúa” (God’s Equation). Trong cuốn God’s Equation[1], Aczel viết: “Năm 1917, Hilbert viết rằng công trình của ông đã nhận được sự giúp đỡ đắc lực của Emmy Noether … Nhưng Einstein cũng được giúp đỡ bởi công trình của Noether, người mà ông đã ca ngợi sau cái chết của bà năm 1935 như sau: “Theo nhận định của những nhà toán học giỏi nhất đang còn sống, Fraulein Noether là thiên tài sáng tạo toán học đáng kể nhất, kể từ khi nền giáo dục cao cấp dành cho phụ nữ bắt đầu …”. Einstein có lý do đúng đắn để mô tả Emmy Noether bằng những từ ngữ sáng chói như thế, vì nhờ định lý của bà mà Einstein đã rút ra hai hệ quả quan trọng cho phương trình trường hấp dẫn của ông … Thật thú vị để thấy rằng Emmy Noether – trực tiếp trong trường hợp thứ nhất (với Hilbert) và gián tiếp trong trường hợp thứ hai (với Einstein) – cuối cùng đã giúp cả hai đối thủ cạnh tranh trong cuộc chạy đua tìm ra những phương trình của Thuyết Tương Đối Tổng Quát”. Phương Trình Trường Hấp Dẫn và những người tìm ra nó. Một bài báo trên mạng nhan đề “Emmy Noether, Creative Mathematical Genius” (Emmy Noether, Thiên Tài Sáng Tạo Toán Học)[2] viết: Năm 1915, Emmy Noether gia nhập Viện Toán ở Göttingen và bắt đầu làm việc với Klein[3] và Hilbert về thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Năm 1918 bà đã chứng minh hai định lý trở thành cơ sở cho cả thuyết tương đối tổng quát lẫn vậy lý hạt cơ bản. Một định lý vẫn được gọi là Định Lý Noether … Cả Hilbert lẫn Albert Einstein đều phải nhờ cậy đến bà. Một bài báo khác[4] viết kỹ hơn: Năm 1915, Klein và Hilbert mời Noether cộng tác với họ tại Viện Toán Học ở Göttingen. Họ đang nghiên cứu những vấn đề toán học của thuyết tương đối tổng quát mới được báo cáo[5], và họ tin tưởng sự tinh thông của Noether sẽ giúp đỡ họ. Sau này Albert Einstein đã viết một bài báo cho cuốn Bách Khoa Toàn Thư Grolier 1955, trong đó ông nhấn mạnh ý nghĩa đặc trưng của thuyết tương đối bởi câu hỏi căn bản: “Các định luật tự nhiên phải được xây dựng sao cho chúng có giá trị như nhau đối với các hệ toạ độ bất kỳ (tiên đề về sự bất biến của các định luật tự nhiên đối với một phép biến đổi tuỳ ý của không gian và thời gian)?”. Một cách chính xác, đây chính là dạng bất biến trong các phép biến đổi mà Noether đã tập trung nghiên cứu trong toán học. Năm 1918, Noether đã chứng minh hai định lý tạo nên nền tảng cơ sở đối với thuyết thương đối tổng quát. Những định lý này đã xác nhận tính hợp lý của những mối quan hệ xác định mà các nhà vật lý thời đó đã nghi ngờ. Ngày nay một định lý được gọi là Định Lý Noether, định lý này thiết lập tính tương đương giữa một thuộc tính bất biến với một luật bảo toàn. Còn định lý kia liên quan đến mối quan hệ giữa một bất biến với sự tồn tại của những tích phân xác định của các phương trình chuyển động. Tháng 7 năm 1935, trên tạp chí Scripta Mathematica, nhà toán học lỗi lạc người Đức Hermann Weyl đã mô tả đóng góp của bà như sau: "Vào thời đó, bà đã cung cấp cho cả hai khía cạnh có ý nghĩa nhất của thuyết tương đối tổng quát một sự trình bầy toán học khái quát và chân xác nhất”. Nếu Thuyết Tương Đối Tổng Quát là của Einstein và chỉ của Einstein mà thôi, thì những bằng chứng lịch sử cũng chỉ ra rằng người cung cấp cho Einstein những công cụ toán học cần thiết để hoàn thiện lý thuyết của mình chính là Emmy Noether! Giáo sư J. J. O'Connor và giáo sư E. F. Robertson ở Khoa Toán và Thống Kê thuộc Đại Học Saint Andrews ở Scotland nói: Công trình đầu tiên của Emmy Noether khi bà vừa mới đặt chân tới Göttingen năm 1915 là một kết quả của vật lý lý thuyết mà đôi khi được gọi là Định Lý Noether. Định lý này chứng minh một quan hệ giữa tính đối xứng trong vật lý với các nguyên lý bảo toàn. Kết quả căn bản này trong thuyết tương đối tổng quát đã được Einstein ca ngợi trong một bức thư gửi cho Hilbert, trong đó ca ngợi Noether là người có tư tưởng toán học sâu sắc, thấu suốt (penetrating mathematical thinking). Chính công trình của bà về lý thuyết các bất biến đã dẫn tới việc toán học hoá một số khái niệm của thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Ở đó, bà đã theo đuổi công trình toán học quan trọng xác nhận những phần chủ yếu của thuyết tương đối tổng quát. Tưởng cũng nên nhắc lại rằng Thuyết Tương Đối Tổng Quát là “đỉnh Chomolungma trong dãy Hymalaya” của vật lý thế kỷ 20. Cái đỉnh này cao đến nỗi Einstein đã có lúc phải thốt lên lời “ngạc nhiên”: “Khi tôi nghĩ ra Thuyết Tương Đối Hẹp (Special Theory of Relativity), tôi cho rằng nếu tôi không nghĩ ra thì một ngày nào đó một người khác sẽ nghĩ ra, như Lorentz hay Poincaré chẳng hạn; Nhưng khi tôi nghĩ ra Thuyết Tương Đối Tổng Quát, tôi có cảm tưởng nếu tôi không nghĩ ra thì không biết đến bao giờ loài người mới nghĩ ra”. Nối tiếp nỗi ưu tư triết lý này, ta không khỏi đặt một câu hỏi tự nhiên: “Nếu không có Định Lý Noether thì không biết đến bao giờ loài người mới có Phương Trình Trường? Và nếu không có Phương Trình Trường thì bao giờ mới có Thuyết Tương Đối Tổng Quát?”. 2] Định lý về Đối Xứng và Cái Đẹp: Định Lý Noether không chỉ giúp Einstein sáng tạo nên Phương Trình Trường, mà còn trở thành nền tảng của vật lý hiện đại – một lâu đài khoa học vật chất được xây dựng trên nền tảng đối xứng (symmetries) của các hạt cơ bản và của toàn bộ vũ trụ. Người ta thường nói khoa học thế kỷ 20 có ba thành tựu vĩ đại nhất: Một là Thuyết Tương Đối của Einstein; Hai là Cơ Học Lượng tử của Heisenberg; Ba là Định Lý Bất Toàn của Kurt Godel. Nhưng sẽ là bất công nếu không nhắc đến thành tựu vĩ đại thứ tư – tư tưởng về tính đối xứng mà những công trình toán-lý của Noether đã tạo ra nền tảng: Toán học của Noether đã giúp các nhà vật lý của thế kỷ 20 xây dựng được lý thuyết các hạt cơ bản thành một thệ thống chặt chẽ, trong đó tính đối xứng vật lý và đối xứng toán học đóng vai trò nóng cốt. Nhưng tư tưởng về tính đối xứng không dừng lại ở đó. Nó đang tiếp tục đóng vai trò chủ đạo trong những nghiên cứu mũi nhọn nhất của vật lý hiện đại. Trong lúc nhận thấy tính đối xứng chi phối mọi cấu trúc vật chất trong vũ trụ, từ vũ trụ vi mô tới vĩ mô, các nhà khoa học cũng đồng thời nhận ra rằng tính đối xứng chính là tính cốt lõi của Cái Đẹp: Đối xứng là đặc trưng quan trọng nhất của Cái Đẹp, thậm chí có thể nói Đối Xứng chính là Cái Đẹp, hoặc Cái Đẹp phải đối xứng, … Thực ra đó là điều nhân loại đã cảm nhận được từ rất lâu. Bài báo “Beauty” (Cái Đẹp), trên trang mạng Peaceful Mind[6] viết: “Cái đẹp nằm trong mắt của kẻ ngắm nhìn” (Beauty is in the eyes of the beholder). Điều này đúng. Cái có thể đẹp với người này nhưng lại không đẹp với người khác. Do đó, ý kiến chủ quan (của mỗi người) dường như chỉ đúng với một hiện thực nhất định. (Trong khi đó), cái đẹp và cái gì là đẹp vẫn là trung tâm của nhiều cuộc thảo luận xuyên suốt lịch sử. Khi xem xét cái đẹp như một thứ ưu tiên trong đời sống thì nó trở thành vấn đề chăm sóc bản thân, gìn giữ bản thân, trân trọng bản thân, yêu bản thân. Cần hiểu rằng tất cả chúng ta đều đẹp! (Vì tuy rằng) Cái Đẹp bao gồm rất nhiều đặc trưng, có rất nhiều yếu tố tạo nên cái đẹp, nhưng đặc trưng đối xứng là rõ ràng nhất. Đối xứng có nghĩa là hai bên giống nhau, cân đối với nhau, cân xứng với nhau hoặc cân bằng nhau. Một khuôn mặt càng cân đối càng trở nên hấp dẫn. Nhìn vào thân thể con người cũng vậy, một cơ thể càng cân đối càng làm cho chúng ta cảm thấy người đó khoẻ mạnh. Qua quá trình lịch sử, sự cân đối này đã được coi như một dấu hiệu của những gien (gene) tốt, sức khoẻ tốt, sự sinh sản tốt và của cái đẹp. “Một khuôn mặt càng cân đối càng trở nên hấp dẫn” (Tranh “Hai Mẹ Con Vigée LeBrun” do Vigée LeBrun vẽ) Rất nhiều nghiên cứu về tính đối xứng của con người đã được thực hiện và nhiều người đã xác định công thức toán học cho cái đẹp. Điển hình nhất là bức tranh “Vitruvian Man” (Người đàn ông theo lý tưởng của Vitruvus) của Leonardo Da Vinci. Bức tranh này được Da Vincy vẽ như một nghiên cứu về những tỷ lệ của cơ thể đàn ông lý tưởng, được mô tả bởi nhà kiến trúc La Mã Vitruvus. Bức tranh “Vitruvian Man” của Leonardo Da Vincy Cái Đẹp cũng đã được mô tả một cách toán học bởi khái niệm “Tỷ Lệ Vàng” (Golden Ratio). Công thức toán học dành cho cái đẹp này do Fibonacci đưa ra năm 1495, ông mô tả “những tỷ lệ vàng” như 1.618:1. “Tỷ lệ vàng” có thể được sử dụng để minh hoạ cho những tỷ lệ lý tưởng của cơ thể con người. Người ta cũng khám phá ra rằng tỷ lệ đó có mặt trong khắp tự nhiên và Vũ Trụ khi xem xét tính đối xứng của tất cả các vật. Tuy nhiên, chỉ đến khi khoa học cho phép con người nhìn sâu vào thế giới hạ nguyên tử (thế giới vi mô) và nhìn rộng ra bên ngoài vũ trụ tới những khoảng cách xa hàng tỷ năm ánh sáng (thế giới vĩ mô) thì nhân loại mới thật sự nhận thấy tính đối xứng trong cấu trúc của Vũ Trụ là một bản chất phổ quát của Tự Nhiên. Bản chất ấy đã được Leon Lederman và Christopher Hill trình bầy một cách tuyệt vời trong cuốn “Symmetry and the Beautiful Universe” (Tính Đối Xứng và Vũ Trụ Đẹp Đẽ), với xuất phát điểm là Định Lý Noether. Ngay từ Lời Nói Đầu, cuốn sách đã chỉ ra rằng Cái Đẹp hiện diện ở khắp mọi nơi và trên khắp mọi khía cạnh của cuộc sống: Khi các nhà khoa học dùng kính viễn vọng để nhìn những vì sao xa xôi ngoài vũ trụ hoặc sử dụng những máy gia tốc hạt cơ bản khổng lồ để phân tích những thành phần nhỏ nhất của vật chất, họ khám phá ra những quy luật vật lý giống nhau cùng chi phối toàn thể vũ trụ ở mọi nơi mọi lúc. Các nhà vật lý nhận thấy một đặc trưng bất biến vĩnh cửu và phổ quát của các định luật vật lý là tính đối xứng. Hiện nay, tính đối xứng được xem là nguyên lý nền tảng xác định các định luật của tự nhiên, và kiểm soát toàn thể vũ trụ. Cái nhìn thấu suốt tối quan trọng này vào bên trong vật chất là một trong những đột phá nhận thức trong vật lý hiện đại và là cơ sở của những cố gắng đương đại nhằm khám phá ra một lý thuyết thống nhất lớn, như lý thuyết dây, để giải thích toàn bộ các định luật vật lý. Nhà vật lý từng đoạt Giải Nobel Leon Lederman và nhà vật lý lý thuyết Christopher Hill đã giải thích khái niệm tao nhã tột bậc về đối xứng và mọi biểu hiện sâu sắc của nó trong nghệ thuật, âm nhạc, và sự sống trên Trái Đất, từ những phần tử nhỏ nhất của vật chất, các quarks và leptons, đến Vũ Trụ ở phạm vi vĩ mô. Cuốn sách phổ biến khoa học hùng biện và không quá khó để đọc này không chỉ mô tả rõ ràng những khái niệm thường chỉ dành riêng cho các nhà vật lý và toán học, mà còn truyền cảm hứng thưởng thức cái đẹp sâu sắc vốn có của vũ trụ. Trung tâm của câu chuyện đẹp đẽ về tính đối xứng của vũ trụ lại không nằm trong cấu trúc của các hạt cơ bản hoặc các cụm thiên hà, mà nằm trong số phận của Emmy Noether, một nhà toán học nữ người Đức gốc Do Thái có tài năng thiên bẩm chói sáng, nhưng lúc sinh thời phải sống trong bóng tối (obscure) khổ hạnh (ascetic) và khiêm nhường (unpretentious). Mặc dù vẫn được ít người biết đến, nhưng bà đã để lại một ấn tượng về một nhà khoa học chẳng thua kém gì Albert Einstein, người đã ca tụng bà là có “tư duy toán học sắc sảo”. Trong một trong các công trình công bố sớm nhất, bà đã chứng mình rằng định luật bảo toàn năng lượng có liên hệ chặt chẽ với tính đối xứng và thời gian, và do đó việc thiết lập nền tảng toán học cho mối liên hệ đó có thể là cuộc cách mạng nhận thức quan trọng nhất của vật lý hiện đại. Lederman và Hill đã làm sáng tỏ những khái niệm về vũ trụ dựa trên công trình của Noether mà bấy lâu nay không được biết rộng rãi trong công chúng, đồng thời nêu lên những mối quan hệ dính líu giữa công trình của Noether với lý thuyết Big Bang, với thuyết tương đối tổng quát của Einstein, cơ học lượng tử và nhiều lĩnh vực khác của vật lý. Thông qua những mối quan hệ tương đồng tinh tế và những minh hoạ, Lederman và Hill đã mang những khái niệm đáng kinh ngạc này đến với đời sống. Cuốn sách này sẽ mở ra trước mắt bạn một thế giới mà bạn chưa từng thấy. Xin lưu ý rằng Leon Lederman là người sáng lập ra Viện hàn lâm toán học và khoa học Illinois của Mỹ và từng đoạt Giải Nobel vật lý năm 1988, còn Christopher Hill là viện trưởng Viện vật lý lý thuyết thuộc Trung tâm máy gia tốc quốc gia Fermi của Mỹ. Họ nhìn Cái Đẹp trước hết bằng con mắt của vật lý, và Cái Đẹp đó trước hết biểu hiện dưới dạng đối xứng. Và không chỉ Lederman và Hill coi nguyên lý đối xứng là nguyên lý phổ quát của vũ trụ, hầu như tất cả mọi nhà vật lý hiện nay đều có chung một cái nhìn như vậy. Những công trình nghiên cứu phức tạp nhất, khó khăn nhất của vật lý hiện nay chính là những công trình nghiên cứu về những cấu trúc siêu vi và siêu đối xứng, nhằm tìm ra một lý thuyết thống nhất cho toàn bộ vật lý – Lý thuyết hợp nhất Thuyết Tương Đối Tổng Quát với Cơ Học Lương Tử. Thuyết Tương Đối được áp dụng cho vũ trụ vĩ mô và mang đặc trưng xác định, trong khi Cơ Học Lượng Tử được áp dụng cho thế giới vi mô và mang đặc trực bất định. Hai đặc trưng này hoàn toàn trái ngược nhau, do đó khát vọng của vật lý là tìm ra một lý thuyết thống nhất, có thể áp dụng cho toàn thể vũ trụ ở mọi cấp độ của không gian, từ vi mô đến vĩ mô. Liệu có thể thống nhất hai đặc trưng trái ngược như thế với nhau không? Đối với Einstein, khái niệm bất định chỉ để lộ ra sự bất lực về nhận thức của con người. Cho đến lúc rời khỏi thế giới, ông vẫn không thừa nhận nguyên lý bất định của Cơ Học Lượng Tử. Nhưng Niels Bohr, nhà vật lý trứ danh người Đan Mạch, lại tin chắc vào nguyên lý bất định, và ông đã tìm cách “giải hoà” bằng một triết lý nổi tiếng được mệnh danh là “Nguyên Lý Bổ Sung”: “Trái ngược không phải là mâu thuẫn, mà chúng bổ sung cho nhau”. Tuy nhiên, chính Einstein lại là người khởi xướng việc xây dựng Lý Thuyết Trường Thống Nhất (Theory of Unified Field), với mong muốn hợp nhất trường hấp dẫn với trường điện từ. Mặc dù ông thất bại, nhưng tư tưởng của ông đã được hậu thế tiếp tục dưới tên gọi Lý Thuyết về Mọi Thứ (Theory of Everything), với tham vọng hợp nhất tất cả các trường lực đã biết trong Tự Nhiên. Tên gọi của lý thuyết này hàm ý nếu hợp nhất được tất cả các lực thì sẽ giải thích được mọi hiện tượng tự nhiên. Lý thuyết này đã trở thành trung tâm của vật lý hiện đại, nơi thử thách những tài năng bậc nhất về vật lý và toán học. Để giải quyết mâu thuẫn giữa xác định và bất định, giữa vĩ mô và vi mô, các nhà vật lý lý thuyết hướng tâm vào việc xây dựng mô hình của những thực thể nhỏ nhất của vũ trụ, cho phép giải thích được mọi tính chất vật lý trong mọi cấp độ vũ trụ. Việc tìm kiếm mô hình này trước hết là nhiệm vụ của các nhà vật lý lý thuyết. Bằng toán học và computer, họ xây dựng những mô hình đó, giống như cách đây nửa thế kỷ, các nhà sinh học cũng lao vào việc tìm kiếm cấu trúc của phân tử DNA nhằm giải thích mọi cơ chế di truyền của sự sống. Một hướng phát triển được coi là khả quan nhất của Lý Thuyết về Mọi Thứ là Lý Thuyết Siêu Dây (Superstring Theory), trong đó các nhà vật lý đưa ra những mô hình của những thực thể đa chiều nhỏ bé nhất cấu tạo nên vũ trụ. Tất cả các mô hình này đều mang đặc trưng đối xứng. Mô hình hiện đại nhất là thực thể E8, được Kenneth Chang mô tả trên tờ The New York Times ngày 20-03-2007 như sau: Thực thể E8 với 57 chiều Đó là một trong những cấu trúc toán học đối xứng nhất trong vũ trụ. Cấu trúc đó có thể làm nền tảng cho Lý Thuyết về Mọi Thứ (Theory of Everything) mà các nhà vật lý đang tìm kiếm nhằm mô tả vũ trụ. Mười tám nhà toán học đã dành 4 năm trời cộng thêm 77 giờ đồng hồ để tính toán trên một siêu computer nhằm mục đích mô tả cấu trúc này, và kết quả đã được công bố vào ngày Thứ Hai tại một cuộc nói chuyện tại Viện Công Nghệ Massachusetts (MIT). Nhưng không dễ dàng mô tả thực thể này, ít nhất bằng ngôn ngữ (thông thường). Jeffrey D. Adams, giáo sự toán học của Đại Học Maryland và là người lãnh đạo dự án nghiên cứu E8, nói: “Đó là một thực thể trừu tượng tuyệt đẹp” . Đối với các nhà toán học và vật lý, đặc trưng đối xứng có thể có giúp họ nhìn thấu vào bên trong của thực thể ... “Thực ra bạn không thể vẽ được nó”, Brian Conrey, viện phó Viện Toán Học Mỹ, nói về E8, “Nó có một kiểu cong, một dạng torus[7] nào đó. Bây giờ bạn bắt đầu cho nó chuyển động quay tròn theo những cách khác nhau. Đó là một nhóm đối xứng thật kinh ngạc” ... Isaac Newton phát minh ra phép tính vi tích phân để nghiên cứu chuyển động của các vật thể. Giải tích Fourier, môn toán học về các mô hình tuần hoàn, được áp dụng hiệu quả trong việc nghiên cứu những hiện tượng như sóng ánh sáng, và các nhà vật lý sử dụng các nhóm Lie trong nghiên cứu cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối. “Toàn bộ vật lý thế kỷ 20 đều gắn chặt với ngôn ngữ này”, tiến sĩ Conrey nói. E8 là một nhóm Lie làm nền tảng cho một số lý thuyết dây mà các nhà vật lý đang theo đuổi trong nỗ lực hợp nhất lực hấp dẫn với các lực cơ bản khác trong vũ trụ trong một lý thuyết duy nhất. “Rất có thể E8 sẽ xác định câu trúc sâu thẳm bên trong vũ trụ”, tiến sĩ Adams nói. Jeffrey D. Adams đang trình bầy cấu trúc của một nhóm Lie Không nghi ngờ gì nữa, đặc trưng đối xứng là một đặc trưng phổ quát của vũ trụ ở mọi cấp độ, từ siêu vi đến siêu vĩ. Đặc trưng ấy định hình Cái Đẹp của Tạo Hoá, trong đó có cái đẹp của con người. Sản phẩm sáng tạo của con người, xét cho cùng cũng chỉ là sự phản ánh nhận thức của con người về Cái Đẹp, vì thế Cái Đẹp trong sáng tạo của con người cũng không thoát khỏi đặc trưng đối xứng. Tóm lại, dù là một tác phẩm vật chất của tự nhiên hay một tác phẩm sáng tạo của con người, đều phản ánh cấu trúc đối xứng, đó là cấu trúc của Cái Đẹp, và cấu trúc ấy được giải thích một cách toán học bởi Định Lý Noether. Đó là lý do vì sao nhà khoa học John A. Gowan đã gọi Định Lý Noether là “Định lý về Chân Lý và Cái Đẹp”. Tính đối xứng là một nguyên lý phổ quát của vũ trụ; 1-Lá cây; 2-Phân tử Carbon Tetrachloride; 3-Sao biển; 4-Xương rồng Nhưng chua chát thay, trong khi Định Lý Noether bao trùm vũ trụ bao nhiêu thì số phận Emmy Nother lại cay đắng thiệt thòi bấy nhiêu. 3] Emmy Noether, cuộc đời và sự nghiệp: Amalie Emmy Noether (1882-1935) Amalie Emmy Noether sinh ngày 23-03-1882 tại thị trấn Bavarian thuộc Erlangen, Đức, trong một gia đình trung lưu Đức gốc Do Thái. Bố của Emmy, Max Noether, cũng từng là một nhà toán học xuất sắc, giáo sư tại Đại Học Erlangen. Xuất thân trong một gia đình Do Thái buôn bán ở Đức, Max Noether bị bệnh bại liệt năm 14 tuổi; Sau khi hồi phục được cử động, ông vẫn bị tật nguyền một chân. Hầu hết là tự học, ông đã nhận được bằng tiến sĩ của Đại Học Heidelberg năm 1868. Sau khi dạy học ở đó 7 năm, ông kiếm được công việc tại Bavarian thuộc Erlangen, tại đây ông gặp và cưới Ida Amalia Kaufmann, con gái một thương gia Do Thái giầu có. Với tư cách một nhà toán học, Max Noether đóng góp chủ yếu cho hình học đại số, đi theo con đường của Alfred Clebsch. Thành tựu nổi tiếng nhất của ông là định lý Brill–Noether và định lý AF+BG; Tuy nhiên ông cũng nổi tiếng vì một số định lý khác. Emmy Noether là con đầu trong 4 người con trong gia đình. Tên đầu tiên của bà là Amalie, đặt theo tên mẹ và bà nội, nhưng bà đã sử dụng tên giữa ngay từ khi còn trẻ. Lúc nhỏ, thông minh và tính tình cởi mở, Emmy bị cận thị và nói ngọng. Nhiều năm về sau, một người bạn của gia đình kể lại một câu chuyện về Emmy lúc nhỏ, rằng cô bé này giải rất nhanh những trò đố vui thách thức trí não trong một cuộc hội hè của trẻ con, thể hiện một sự nhậy bén về lôgích như một cô gái lớn tuổi. Emmy cũng được dạy học nấu ăn và nội trợ – như hầu hết các cô gái thời đó – và học piano. Nhưng Emmy không thích thú những môn học đó, mặc dù cô thích khiêu vũ. Trong 3 em trai, chỉ có Fritz Noether, sinh năm 1884 là có những thành tựu về nghiên cứu khoa học. Sau khi học ở Munich, Fritz nổi tiếng trong lĩnh vực toán ứng dụng. Cậu em lớn nhất, Alfred, sinh năm 1883, đậu tiến sĩ hoá học tại ĐH Erlangen năm 1909, và mất chín năm sau. Cậu em út, Gustav Robert, sinh năm 1889, ốm đau kinh niên và mất năm 1928. Nhưng giống như Marie Curie, Emmy Noether đã mất những năm quý báu thời trẻ chỉ vì là phụ nữ. Không ai trong gia đình Noether nghĩ rằng Noether có thể làm được gì nhiều hơn là hoàn thành một nền giáo dục dành cho con gái những gia đình trung lưu vào thời bấy giờ. Muốn học tiếp, Noether phải tự thân vận động. Cô mất ba năm để theo một chương trình sư phạm, một trong một vài cơ hội hiếm hoi dành cho phụ nữ lúc đó. Hoàn thành chương trình này, Noether nhắm tới Đại Học Erlangen, nơi cha cô là giáo sư. Nhưng đại học ở Đức lúc đó không nhận sinh viên nữ. Nhờ sự thông cảm của một số giáo sư tốt bụng, Noether chỉ được ngồi trong lớp với tư cách dự thính viên, thay vì trở thành sinh viên chính thức. Dẫu sao thì đó vẫn là một may mắn, vì đa số giáo sư Đức thời đó vẫn cho rằng chương trình đại học vượt quá khả năng tư duy của phụ nữ. Trong cuốn Pythagoras’ Trousers (Dịch ý: Những môn đệ của Pythagore), Margaret Wertheim viết: “Giống như trong thời trung cổ, một nhà hàn lâm đã tuyên bố rằng việc để cho phụ nữ xâm lăng vào các trường đại học là … một biểu hiện đáng xấu hổ của sự yếu kém về đạo đức” (!). Tuy nhiên sau 5 năm dự thính, niềm say mê khao khát học hỏi của Noether đã làm các giáo sư cảm động, và cô được nhận làm sinh viên chính thức. Chẳng bao lâu sau Noether đã hoàn thành luận án tiến sĩ khoa học tại Đại Học Erlangen một cách xuất sắc kèm theo phần thưởng danh dự. Nhưng giành được mảnh bằng không có nghĩa là sẽ kiếm được một việc làm chính thức: 8 năm tiếp theo kể từ khi có bằng tiến sĩ, Noether phải làm việc không lương cho trường đại học mà cha của bà đang là giáo sư. Bà đã hướng dẫn luận án tiến sĩ cho nhiều sinh viên, giảng bài cho họ, tiếp tục theo đuổi những nghiên cứu của riêng mình. Khi bệnh tình của cha nặng lên, bà đã đảm nhiệm luôn nhiệm vụ của ông tại trường đại học nhưng vẫn không được công nhận chính thức. Bà không được đa số đồng nghiệp ủng hộ. Vì sao vậy? Theo nhà viết tiểu sử Sharon McGrayne, Noether là một người phụ nữ đáng yêu, cởi mở, không hề kiêu căng tự phụ, tính tình thoải mái, không bận tâm đến những quy ước nữ tính đương thời, ăn mặc giản dị, không màng đến thời trang, người to béo quá khổ, tính tình nồng nhiệt, hăng hái phát biểu ý kiến, khá bừa bộn, lúc nào cũng bù đầu vì công việc. McGrayne nhận xét rằng Einstein cũng có những tính cách tương tự, nhưng trong khi tính giản dị luộm thuộm của Einstein được người đời tán tụng là biểu hiện “đãng trí bác học” thì Noether lại bị người đời chế giễu là thiếu nữ tính và bị xa lánh. Đa số các giáo sư không thích chia sẻ với một người phụ nữ mà họ cho là thiếu nữ tính. Năm 1914, David Hilbert cùng cộng sự của ông là Felix Klein đã “để mắt” tới những nghiên cứu của Noether. Họ mời Noether về Đại Học Gottingen, đại học số 1 Châu Âu thời đó, để cộng tác nghiên cứu. Trong suốt 5 năm trời tại Gottingen, Noether đã sản xuất ra những công trình vĩ đại nhất trong sự nghiệp sáng tạo của bà, trong đó có việc giúp đỡ cả Hilbert lẫn Einstein trong việc hoàn thiện Phương Trình Trường. Nhưng đến lúc đó bà vẫn phải làm việc không công, không được trả lương! Đơn giản vì bà vẫn không được công nhận làm giáo sư chính thức. Thực tế bà đã đứng trên bục giảng của trường đại học danh tiếng bậc nhất thế giới này để giảng bài như một giáo sư, nhưng lại phải đội tên Hilbert: Giáo sư Hilbert phải đứng tên trên các thông báo chính thức về lớp học do bà đứng giảng. Suốt thời gian đó, bà chỉ có một thu nhập nhỏ nhoi từ một quỹ đóng góp của các nhà hảo tâm do mẹ của bà đứng ra vận động mà thôi. Cả Hilbert lẫn Klein đều thấy rõ sự bất công trong việc đối xử của trường đại học với Noether và cả hai đều ra sức vận động công nhận chức giáo sư chính thức cho bà. Nhưng ngay cả những tiếng nói có uy tín nhất như thế cũng không làm thay đổi nổi tình hình. Sự chống đối Noether vẫn tiếp tục. Thậm chí trong những cuộc tranh luận về việc công nhận Noether, vẫn có những ý kiến cho rằng chức năng của phụ nữ là ở nhà trông nom nuôi dạy con cái chứ không phải đứng trên bục giảng đại học! Nhưng trước sự hối thúc của Hilbert, cuối cùng thì khoa toán đã thông báo ý định bổ nhiệm Noether vào một chức phó giáo sư (junior position). Nhưng lập tức ý định này bị các giáo sư ở khoa khác phản đối. Một vị lên tiếng: “Được vào Hội đồng giáo sư thì rồi bà ấy sẽ trở thành một giáo sư và trở thành một thành viên của ban giám hiệu nhà trường. Nên chăng để cho một phụ nữ trở thành thành viên ban giám hiệu một trường đại học?”. Hilbert trả lời: “Thưa quý vị, tôi không nghĩ rằng vấn đề giới tính lại trở thành một lý do để chống lại việc tiếp nhận bà ấy. Và sau hết, ban giám hiệu không phải là một nhà tắm (ý nói chỉ ở nhà tắm mới cần phân biệt giới tính)”. Bất chấp lời biện hộ của Hilbert, Bộ Giáo Dục Đức đồng ý với ý kiến chống đối Noether. Phải đợi mãi đến năm 1921, sau khi nước Đức thua trận trong cuộc Đại Chiến Thế Giới I, tình hình xã hội và chính trị ở Đức có những thay đổi căn bản, ý thức xã hội có phần cởi mở hơn thì lúc đó Noether mới được công nhận chức phó giáo sư, nhưng vẫn là một phó giáo sư làm việc không công, không được trả lương (!!!). Điều này quả là quá khó hiểu đối với chúng ta ngày nay. Tóm lại, trong suốt 18 năm làm việc tại Đại Học Gottingen, Noether chưa bao giờ được công nhận giáo sư chính thức và được hưởng một đồng lương chính thức. Bà cũng chưa bao giờ nhận được sự tài trợ từ bất kỳ một cơ quan nào thuộc hệ thống nhà nước hoặc xã hội, không được hưởng tiền hưu trí hay một khoản bảo trợ xã hội nào khác. Và bất chấp những đóng góp khoa học mà một người như Hilbert cũng phải chịu ơn và kính phục, Viện hàn lâm khoa học hoàng gia Gottingen đã từ chối bầu Noether làm viện sĩ. Tệ hơn nữa, tên tuổi Emmy Noether cũng không bao giờ được đưa vào danh sách những nhà toán học hàng đầu trên các tạp chí toán học quốc tế mà chính bà đã từng giúp đỡ việc biên tập! Năm 1933, Hitler lên nắm chính quyền ở Đức, chủ nghĩa quốc xã phát động một cao trào bài Do Thái chưa từng có. Tất cả các nhà bác học Đức gốc Do Thái như Albert Einstein, Herman Weyl, Lise Meitner, Emmy Noether, … đều phải tìm đường trốn ra ngoại quốc. Nhưng trong khi những người như Einstein, Weyl lập tức được người Mỹ trọng vọng, phong chức giáo sư tại Viện nghiên cứu tiên tiến Princeton (Institute for Advanced Study, Princeton) thì Noether không được một trường đại học nào tiếp nhận. Cuối cùng bà chỉ tìm được một công việc bình thường tại một trường cao đẳng dành cho phụ nữ mang tên Bryn Mawr. Bà vẫn vui vẻ làm việc, vì thực ra bà chỉ cần có một chỗ làm để tiếp tục những nghiên cứu của mình mà thôi. Năm 1935, đúng vào lúc Viện nghiên cứu tiên tiến Princeton có ý định mời Noether vào làm việc thì bà lâm bệnh và đột ngột ra đi – Bà mất sau một ca mổ cắt bỏ khối u nang buồng trứng. Trước khi mổ, bà vẫn đùa: “Tôi sẽ giảm cân!”, vì bà vốn có khổ người to béo. Tính hài hước của bà và “sự may mắn” do Viện Princeton mang đến đúng lúc bà ra đi đã làm dấy lên trong lòng nhiều người một cảm giác chua chát. “Lúc vui nhất là lúc nên về”, lời bất hủ này của William Sheakspere mấy trăm năm trước dường như ứng vào định mệnh của Emmy Noether! Hơn bất kỳ một vở bi kịch nào khác, cuộc đời của Emmy Noether là một sự tương phản đầy nghịch lý giữa một tài năng siêu phàm với một cương vị thấp kém, giữa một cống hiến vĩ đại với một đền đáp bạc bẽo. “Ca mổ của Emmy Noether làm cho thế giới không chỉ mất đi một nhà toán học vĩ đại, mà còn mất đi một người phụ nữ vĩ đại!”, đó là lời điếu của nhà bác học trứ danh Herman Weyl dành cho người phụ nữ tài hoa bạc mệnh này. 4] Kết: ● Emmy Noether mất ngày 23-04-1935. Vài ngày sau, ngày 5-5-1935, tờ New York Times công bố điếu văn của Albert Einstein dành cho người phụ nữ thiên tài bậc nhất, trong đó viết: Cố gắng của hầu hết mọi người đều bị tiêu hao trong cuộc đấu tranh giành giật cơm áo hàng ngày, … nhưng may mắn thay, có một số ít người sớm nhận thấy rằng những trải nghiệm đẹp nhất và thoả mãn nhất trong đời họ không đến từ thế giới bên ngoài, mà nẩy sinh từ nội tâm – từ sự phát triển của cảm xúc, tư duy và hành động của cá nhân mình. Những nghệ sĩ chân chính, những nhà nghiên cứu và những nhà tư tưởng luôn luôn nằm trong số đó. Bất luận số phận của họ ra sao, kết qủa của những nỗ lực của họ là phần đóng góp có giá trị nhất mà mỗi thế hệ có thể tạo ra cho thế hệ kế tiếp. Vài ngày trước đây, một nhà toán học xuất chúng, Giáo sư Emmy Noether, một người trước đây từng làm việc tại Đại Học Göttingen và hai năm qua tại trường Cao Đẳng Bryn Mawr, đã mất ở tuổi 53. Theo nhận định của những nhà toán học giỏi nhất đang còn sống, Fraulein Noether là thiên tài sáng tạo toán học đáng kể nhất, kể từ khi nền giáo dục cao cấp dành cho phụ nữ bắt đầu … ● Năm 1983, Grace Quinn viết trên một biểu trưng tôn vinh Emmy Noether: Emmy Noether được nhớ đến như một tư tưởng chói sáng, một tính cách đẹp đẽ, lòng can đảm bất khuất, thiên hướng dân chủ, một người tràn đầy tình yêu đối với cuộc sống và toán học.
|
|