10 thành tựu vật lí nổi bật trong năm 2010

Thứ ba, 21 Tháng 12 2010

Với sự chuyển mình ngoạn mục của nền vật lí học trong năm 2010, việc lọc ra 10 thành tựu nổi bật nhất là công việc chẳng dễ dàng gì. Tạp chí Physics World đã quyết định trao giải thưởng Đột phá của năm 2010 cho hai đội nghiên cứu quốc tế tại CERN, những người đã tạo ra những phương pháp mới điều khiển các phản nguyên tử của hydrogen.   Bên trong cơ sở phản hydrogen tại CERN, cùng với một số thành viên của đội ASACUSA (trái) và một số thành viên của đội ALPHA (phải). Ảnh: CERN. Chương trình hợp tác ALPHA công bố các kết quả của mình hồi cuối tháng 11, bao gồm việc bẫy 38 phản nguyên tử hydrogen (một phản electron quay xung quanh một phản proton) trong thời gian khoảng 170 mili giây. Thời gian này đủ lâu để đo các tính chất phổ của chúng một cách chi tiết, công việc đội nghiên cứu hi vọng có thể tiến hành trong năm 2011. Chỉ vài tuần sau, nhóm ASACUSA tại CERN công bố họ đã có một bước đột phá quan trọng hướng đến việc tạo ra một chùm phản hydrogen thích hợp cho các nghiên cứu quang phổ. Chúng tôi xin chúc mừng cả hai đội. Chúng tôi cũng trao thưởng cho 9 thành tựu nổi bật còn lại (xem bên dưới) – với hạng nhì thuộc về việc phát hiện trực tiếp đầu tiên của quang phổ của một hành tinh ngoài hệ mặt trời và hạng ba thuộc về việc quan sát hành trạng lượng tử ở một vật đủ lớn để nhìn thấy bằng mắt trần. 1. Phản hydrogen Các đột phá hydrogen giành ngôi quán quân vì nhờ nó nay người ta đã có thể thực hiện các nghiên cứu chi tiết đầu tiên của các mức năng lượng ở phản hydrogen. Bất kì sự sai lệch nhỏ nhoi trong các mức so với hydrogen thường cũng có thể làm sáng tỏ thêm về một trong những bí ẩn lớn nhất trong ngành vật lí học – tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ.   Đội ALPHA ăn mừng chiến thắng. (Ảnh: Jeffrey Hangst) Đại diện của nhóm ALPHA, Jeffrey Hangst thuộc trường Đại học Aarhus ở Đan Mạch, phát biểu vớiphysicsworld.com rằng ích lợi của các nghiên cứu phản hydrogen là việc đo năng lượng của các chuyển tiếp nguyên tử 1s lên 2s. Sự chuyển tiếp này nằm trong vùng tử ngoại xa đã được đo ở hydrogen đến độ chính xác hai phần 1014, và việc tiến hành những phép đo tương tự trên phản hydrogen có thể làm hé lộ một sự vi phạm của đối xứng điện tích-chẵn lẻ-đảo ngược thời gian (CPT). Việc khám phá ra một sự vi phạm như vậy còn có thể giúp các nhà vật lí hiểu rõ vi sao vũ trụ lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất. Một thách thức mà đội ALPHA đang đối mặt là tích lũy đủ phản hydrogen để thực hiện các phép đo chính xác – tuy nhiên, Hangst cho biết đội của ông đã bẫy được “nhiều lắm” so với con số 38 đã báo cáo hồi tháng 11. Hangst cho biết phần việc khó khăn nhất của 5 năm dự án ALPHA là “học cách làm cho phản hydrogen đủ lạnh để bắt giữ”, vì rất khó tiến hành các nghiên cứu quang phổ trên các chùm tia.   Một số thành viên đội ASACUSA tại CERN. (Ảnh: Yasunori Yamazaki) Tuy nhiên, vào tháng 12, đội ASACUSA công bố họ có khả năng tạo ra một chùm phản hydrogen hội tụ mà các nhà nghiên cứu trên tin rằng nó thích hợp cho việc tiến hành các phép đo quang phổ ở các mức năng lượng vi sóng. Điều này cho phép họ khảo sát cấu trúc tinh tế của các mức năng lượng phản hydrogen và so sánh chúng với hydrogen – cái có thể mang lại bằng chứng của sự vi phạm CPT. Lãnh đạo đội ASACUSA, Yasunori Yamazaki thuộc phòng thí nghiệm RIKEN ở Nhật Bản, phát biểu với physicsworld.com rằng bước tiếp theo của đội là đưa “chùm phản hydrogen của họ từ một vùng từ trường mạnh không đều nơi nó được tạo ra sang một hộp vi sóng để phân tích trong một vùng từ không có từ trường, để nhận dạng quang phổ chính xác cao”. Ông cho biết thêm rằng các nhà vật lí hiện đang còn cách việc trích xuất chùm tia “một inch”, và còn cách việc thực hiện các phép đo phổ “vài ba inch”. “Tôi hi vọng chúng tôi có thể bắt đầu nghiên cứu về quang phổ trong năm tới, sau khi xác nhận chùm phản hydrogen”, ông nói. Có lẽ khía cạnh hấp dẫn nhất của cả hai dự án trên là không có tiên đoán lí thuyết rạch ròi nào xem sự vi phạm CPT (nếu có) sẽ xảy ra như thế nào trong hệ hydrogen-phản hydrogen. Các thí nghiệm phản hydrogen sẽ bắt đầu trở lại tại CERN vào tháng 5 tới, cho nên chúng ta hãy chờ đợi những kết quả thú vị mới sắp tới – và có lẽ là một số bất ngờ nữa từ cả hai nhóm. 2. Khí quyển hành tinh ngoại Vị trí thứ hai trong danh sách tốp đột phá năm 2010 của chúng tôi thuộc về một đội gồm các nhà thiên văn ở Canada và Đức, những người đã thực hiện phép đo trực tiếp đầu tiên của quang phổ khí quyển của một hành tinh nằm ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Markus Janson thuộc trường Đại học Toronto và các đồng nghiệp đã sử dụng Kính thiên văn Rất Lớn (VLT) của Đài thiên văn Nam châu Âu (ESO) để nghiên cứu khí quyển của hành tinh ngoại HR 8799, nằm cách trái đất 130 năm ánh sáng. Mặc dù hành tinh ngoại đặc biệt này không biểu hiện dấu hiệu nào của sự sống, nhưng khả năng thực hiện những phép đo như vậy là một bước tiến bộ quan trọng hướng đến việc tìm kiếm sự sống ở những nơi khác trong vũ trụ. 3. Các hiệu ứng lượng tử vĩ mô   Ảnh chụp hiển vi của bộ cộng hưởng (Ảnh: Aaron O'Connell và Andrew Cleland) Trong cái là một bước tiến quan trọng hướng đến việc kiểm tra nghịch lí con mèo Schrödinger, các nhà vật lí tại trường Đại học California, Santa Barbara, đã giành ngôi vị thứ ba trong danh sách tốp 10 của chúng tôi với việc quan sát hành trạng lượng tử thật sự của một vật thể vĩ mô đủ lớn để nhìn thấy bằng mắt trần. Andrew Cleland và nhóm của ông đã giảm dần biên độ của các dao động trong một bộ cộng hưởng bằng cách làm nó lạnh đi xuống dưới 0,1 K. Khi đó, họ có thể tạo ra một trạng thái chồng chất của bộ cộng hưởng trong đó họ đồng thời vừa có một trạng thái kích thích trong bộ cộng hưởng, vừa không có một trạng thái kích thích trong bộ cộng hưởng. “Đây là cái tương tự với việc con mèo Schrödinger vừa chết vừa sống đồng thời”, Cleland nói. Đây là lần đầu tiên người ta thu được một kì công như vậy và nó có thể làm sáng tỏ về những ranh giới bí ẩn giữa thế giới cổ điển và thế giới lượng tử. 4. Áo tàng hình ánh sáng khả kiến Vị trí thứ tư trong danh sách của chúng tôi là một thành tựu hết sức mới mẻ và thuộc về hai đội nhà vật lí độc lập nhau, họ vừa công bố các bản thảo khẳng định đã xây dựng được những chiếc áo tàng hình đầu tiên có thể che giấu các vật thể lớn trước ánh sáng khả kiến. George Barbastathis cùng các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ Massachussets và Đại học Singapore tường thuật việc tàng hình các vật thể hai chiều kích cỡ mili mét. Trong khi đó, Shuang Zhang và đội của ông tại trường Đại học Birmingham, Imperial College và Đại học Kĩ thuật Đan Mạch, vừa làm chủ được việc tàng hình các vật thể ba chiều kích cỡ mili mét trước những đôi mắt tò mò, hiếu kì. Không giống như đa số các áo tàng hình khác sử dụng các siêu chất liệu nhân tạo, cả hai áo tàng hình vừa nói đều sử dụng các tinh thể calcite thiên nhiên. 5. laser sóng âm đầu tiên Hai nhóm nhà vật lí độc lập nhau cùng giành xếp hạng năm sau khi họ tiết lộ các “laser” phonon của mình. Những thiết bị này phát ra các sóng âm kết hợp theo kiểu giống hệt như laser phát ra sóng ánh sáng kết hợp. Một đội do Ivan Grudinin tại Caltech đứng đầu. Một dụng cụ phát ra sóng âm ở tần số khoảng 400 GHz, còn dụng cụ kia hoạt động trong ngưỡng megahertz. Vì sóng âm có thể xâm nhập đa số các chất liệu, nên các laser như vậy có thể dùng để thu ảnh ba chiều của các cấu trúc nano nhỏ xíu. 6. Ngưng tụ Bose-Einstein từ ánh sáng   Các tác giả của BEC photon đầu tiên đang kiểm tra thiết bị của họ. Từ trái sang phải: Julian Schmitt, Jan Klaers, Frank Vewinger và Martin Weitz. (Ảnh: Volker Lannert/Đại học Bonn) Nhiều nhà vật lí tin rằng điều đó không thể thực hiện, nhưng nay một đội khoa học ở Đức vừa tạo ra được một ngưng tụ Bose–Einstein (BEC) từ các photon, mang về cho họ vị trí thứ sáu trong bảng xếp hạng năm nay. Các BEC hình thành khi các boson – các hạt có spin nguyên - giống hệt nhau được làm lạnh cho đến khi tất cả các hạt ở trong cùng một trạng thái lượng tử. Mặc dù photon là boson phổ biến nhất trong toàn bộ họ hàng nhà boson, nhưng chúng dễ dàng sinh ra hoặc phá hủy khi chúng tương tác với vật chất khác – khiến người ta rất khó làm lạnh các photon xuống để tạo ra một ngưng tụ. Nhưng điều đó không ngăn cản Martin Weitz và các đồng nghiệp tại trường Đại học Bonn, họ giải quyết vấn đề này bằng cách dùng một laser liên tục bơm BEC để bù cho các photon bị mất. Ngoài chỗ thủ thuật thuần túy tạo ra BEC, đột phá trên thật sự còn có thể giúp nâng cao hiệu suất cho các tế bào mặt trời. 7. Số phận tương đối của nhân loại Vị thứ thứ bảy trong bảng tổng sắp của chúng tôi thuộc về các nhà vật lí ở Mĩ, họ đã chỉ ra cho chúng ta số phận tương đối của nhân loại. James Chin-Wen Chou và các đồng nghiệp tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Mĩ (NIST) đã sử dụng hai chiếc đồng hồ quang học chính xác nhất thế giới để chứng minh rằng thế giới trôi nhanh hơn trong cái đồng hồ treo cao hơn cái kia chỉ có 33 cm. Họ còn nhìn thấy thời gian trôi chậm đi ở cái đồng hồ dang chuyển động chưa tới 35 km/h so với cái kia. Trong khi điều này chẳng mang lại cái gì mới mẻ cho vật lí học – các lí thuyết tương đối của Einstein đã có cơ sở rất chắc chắn – nhưng nó củng cố lại rằng các hiệu ứng của thuyết tương đối là có thể nhìn thấy ở những khoảng cách và tốc độ bình thường. 8. Kĩ thuật ảnh nổi kiểu Star Wars   Ảnh nổi ba chiều, có thể làm tươi mới, của một chiếc máy bay Phantom F-4 tạo ra trên một chất polymer nhạy sáng tại Khoa Quang học, Đại học Arizona. (Ảnh: gargaszphotos.com/Đại học Arizona) Bất kể ai sử dụng vật lí để hiện thực hóa một cảnh trong bộ phim Star Wars thật xứng đáng giành một chỗ đứng trong tốp 10 của chúng tôi, đó là nguyên do mà Nasser Peyghambarian cùng các đồng nghiệp ở trường Đại học Arizona và Tập đoàn Kĩ thuật Nitto Denko cùng xếp vào vị trí thứ tám. Năm 1977, các khán giả đã thán phục trước các hiệu ứng đặc biệt trong rạp chiếu phim cổ điển, trong đó trình chiếu ảnh nổi ba chiều của hoàng tử Leia đang gọi nàng Obi-Wan Kenobi. Nay Peyghambarian và đội của ông vừa tiến thêm một bước quan trọng hướng đến việc biến các ảnh nổi động, thời gian thực, thành thực tại với việc phát minh ra một màn hình polymer phản ứng rất nhanh với ánh sáng laser. 9. Proton nhỏ hơn chúng ta nghĩ Các nhà vật lí đã thực hiện các phép đo proton trong hơn 90 năm qua, cho nên bạn sẽ nghĩ kích cỡ của nó là đã xác định rõ ràng rồi. Nhưng trong năm nay, một đội nghiên cứu quốc tế, đứng đầu là Randolf Pohl tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck vừa phát hiện thấy kích cỡ proton nhỏ hơn 4% so với trước đây người ta nghĩ – giành vị trí thứ chín trong danh sách của chúng tôi. Kết quả bất ngờ trên thu được bởi việc nghiên cứu hydrogen “muon tính” trong đó electron được thay thế bằng một muon nặng hơn nhiều. Kết quả trên có thể có nghĩa là các nhà vật lí cần phải suy nghĩ lại cách thức họ áp dụng lí thuyết điện động lực học lượng tử (QED) – hay thậm chí bản thân lí thuyết đó cần một sự đại tu. 10. Các va chạm hạt tại CERN   Ảnh: CERN Chúng ta không thể có danh sách tốp 10 mà không có mặt các đột phá quan trọng trong công nghệ máy gia tốc tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) của CERN. Hồi tháng 3, các nhà vật lí LHC đã thu được những va chạm proton-proton 7 TeV đầu tiên từng có trong một máy gia tốc hạt. Và ngoài ra, hồi tháng 11, LHC đã chuyển sang bận rộn với các va chạm ion chì với sự thành công nho nhỏ để tái tạo các điều kiện ngay sau Big Bang. Cả hai hoạt động đều tạo ra vô số dữ liệu sẽ giữ cho các nhà vật lí bận rộn cho đến khi cỗ máy gia tốc hoạt động trở lại trong năm tới.