Vật lý trong thập kỷ tới: Những gì sẽ tới?
Matin Durrani, tổng biên tập của tạp chí Physics World dự báo những gì sẽ xảy ra trong thập kỷ tới, dựa trên những thành công của vật lý trong 10 năm qua.
Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider LHC) tại CERN. Nguồn: phys.org
Khi năm 2020 vừa mới bắt đầu, một câu hỏi xuất hiện tự nhiên là chúng ta có thể mong đợi những điều gì sẽ xảy ra trong lĩnh vực vật lý trong 10 năm tới? Để bạn tiện theo dõi, trước tiên, hãy nhìn lại thập kỷ vừa qua, lúc này đã lùi vào quá khứ. Chúng ta đã khởi động những năm 2010 với một năm yêu khoa học trong nhiệm kỳ Tổng thống của Barack Obama, khi các nhà vật lý của Tổ chức nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire CERN) đang say sưa về các vụ va chạm đầu tiên của các hạt cơ bản ở thang năng lượng 7 TeV trên Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider LHC) và nhiều nhà nghiên cứu khác thì đang tự hỏi liệu các thí nghiệm từ dự án Nghiên cứu vật chất tối lạnh ở Mỹ có thực sự đã đạt được bằng chứng trực tiếp cho sự tồn tại của vật chất tối hay không (câu trả lời: chắc là không).
Nhiều thành công của lĩnh vực vật lý trong thập kỷ qua đã được vinh danh trên mục ‘Đột phá của năm’ (‘Breakthrough of the Year’) của tạp chí Physics World. Giải thưởng loại này là sự lựa chọn minh bạch cho các thành tựu nổi bật đã đạt được trong một số năm, đặc biệt là khi có những bước đột phá lớn trong lĩnh vực vật lý hạt cơ bản hoặc thiên văn học. Giải thưởng của năm 2012 thuộc về việc phát hiện ra hạt boson Higgs ở CERN, giải thưởng của năm 2013 thì được trao cho máy dò IceCube ở Nam Cực đã lần đầu tiên quan sát được neutrino năng lượng cao trong vũ trụ, và trong năm 2016 thì phát hiện quan trọng về sóng hấp dẫn của Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) được nhận giải.
Vật lý lượng tử (quantum physics) cũng là một lĩnh vực đang phát triển trong những năm 2010, phản ánh khả năng ngày càng tăng của các nhà vật lý trong việc khám phá bằng thực nghiệm những bí ẩn sâu sắc nhất của lĩnh vực này. Năm 2011 giải thưởng được giành cho các ‘phép đo lường yếu’ (‘weak measurements’) – là các phép đo đã phá vỡ điều cấm kỵ rằng không thể biết về lộ trình của các photon riêng lẻ khi chúng đi qua hai khe hẹp và tạo ra một mẫu giao thoa. Bốn năm sau, giải thưởng lại thuộc về việc thực hiện được giao thức viễn chuyển lượng tử “kép” (“double” quantum teleportation), theo đó cả spin và moment góc quỹ đạo của một photon được chuyển một cách đồng thời tới một photon khác cách xa photon ban đầu.
Một thay đổi đáng kể về mặt văn hóa trong vật lý trong những năm 2010 là sự nhận thức ngày càng rõ rằng các nhà vật lý cần phải làm nhiều hơn nữa để triệt tiêu tận gốc sự bất bình đẳng trong lĩnh vực này và làm cho nó trở nên đa dạng hơn. Trên thực tế, thập kỷ vừa qua đã chứng kiến một số vụ sa thải và từ chức ở cấp cao trong cộng đồng vật lý do quấy rối phụ nữ và một số vấn đề khác. Trong quá khứ, về những vụ việc như thế hẳn đã không bao giờ được nghe thấy và rất có thể là đã bị cố tình bưng bít, che đậy. Phần lớn những thay đổi đó được đưa ra ánh sáng nhờ sự cởi mở của thời đại kỹ thuật số.
Tuy nhiên, có một hy vọng lớn trong thập kỷ qua vẫn còn chưa được thực hiện: đó là việc khám phá vật lý “mới” ngoài Mô hình Chuẩn (“new” physics beyond the Standard Model). Mặc dù đã trải qua 10 năm vận hành LHC, nhưng vẫn chưa thấy dấu hiệu nào của các hạt siêu đối xứng (supersymmetric particles), có nghĩa các nhà vật lý lý thuyết hạt chỉ mới tiến triển với trí thông minh toán học của mình mà thôi. Nhưng với việc LHC sắp triển khai một chương trình nâng cấp đầy tham vọng dưới sự quản lý của Fabiola Gianotti, người vừa trở thành người đầu tiên được trao nhiệm kỳ đầy đủ lần thứ hai với tư cách là “bà chủ” của CERN, các nhà vật lý hạt chắc chắn sẽ hy vọng rằng trong thập kỷ tới có thể đạt được những kết quả mà họ đã từng ước mơ từ những ngày đầu!
Tương lai tươi sáng
Tôi không biết sự lạc quan của mình sẽ kéo dài bao lâu và tin chắc rằng sẽ có nhiều thăng trầm trong 10 năm tới. Nhưng như nhà tâm lý học về nhận thức Stephen Pinker đã lập luận trong cuốn sách của mình xuất bản năm 2018 với nhan đề ‘Khai sáng ngay bây giờ: Trường hợp cho lý trí, khoa học, chủ nghĩa nhân văn và tiến bộ’ (‘Enlightenment Now: The Case for Reason, Science, Humanism, and Progress’), về tổng thể, thế giới đang được cải thiện. Cho dù được đánh giá dưới góc độ sức khỏe, trình độ học vấn, sự an toàn hay sự phồn thịnh, mọi thứ chắc chắn sẽ trở nên tốt hơn – và những tiến bộ đó là nhờ một phần không nhỏ vào khoa học.
Các nhà vật lý thường không quá tham vọng, nhưng những phát minh khám phá của họ đã và đang thay đổi cuộc sống hằng ngày, không chỉ trong cách con người giao tiếp với nhau. Được hỗ trợ bởi sự phát triển trong vật lý bán dẫn và quang học, tôi có thể thấy điện thoại thông minh sẽ không ngừng nhẹ hơn, nhanh hơn và mạnh hơn với nhiều tính năng hơn trong thập kỷ tới. Tính toán lượng tử và truyền thông lượng tử sẽ trở thành xu hướng, với các máy tính lượng tử có thể được truy cập thường xuyên bởi công nghệ đám mây. Các thí nghiệm vật lý sẽ tạo ra nhiều dữ liệu lớn mang nhiều thông tin hơn và việc phân tích các thông tin đó bằng cách sử dụng trí tuệ nhân tạo và máy học (artificial intelligence and machine learning) sẽ trở thành một cuộc chơi mới nhưng thông dụng đối với mọi người.
Tôi có thể thấy những mối quan tâm về môi trường sẽ có tầm ảnh hưởng lớn hơn đến vật lý. Các thiết bị khoa học trong các phòng thí nghiệm sẽ trở nên sạch hơn và xanh hơn. Các máy gia tốc hạt được sử dụng để khống chế về lượng điện năng tiêu thụ khi thực hiện các thí nghiệm va chạm hạt, hoặc sẽ phải tiêu tốn ít lượng điện hơn hoặc, tốt hơn nữa, là phải đặt công nghệ tiết kiệm năng lượng thành vấn đề trung tâm. Tác động gia tăng của biến đổi khí hậu sẽ khiến vận chuyển của ngành hàng không ngày càng trở nên khó chịu khiến các nhà vật lý thiết kế máy bay phải chiến đấu mạnh mẽ hơn để biện minh cho các chuyến bay đó hơn.
Vật lý y tế sẽ tiếp tục bùng nổ, từ các phương pháp cải tiến trong điều trị bằng xạ trị đến các kỹ thuật hình ảnh mới. Trong thiên văn học, kính viễn vọng không gian James Webb của cơ quan hàng không và không gian Hoa kỳ (viết tắt theo tiếng Anh là NASA = National Aeronautics and Space Administration) cuối cùng cũng sẽ ra mắt (mặc dù tôi không đặt cược cho việc có thể việc này sẽ bị chậm lại cho tới sau năm 2021). Thí nghiệm nhiệt hạch của Dự án Lò phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạt nhân quốc tế (viết tắt theo tiếng Anh là ITER = International Thermonuclear Experimental Reactor) ở Pháp sẽ tạo ra plasma đầu tiên vào giữa thập kỷ tới – gần như cùng lúc với việc phiên bản nâng cấp độ sáng cao (high-luminosity upgrade) cho LHC ở CERN được đưa lên mạng. Máy dò sóng hấp dẫn dưới lòng đất (underground gravitational-wave detector) ở Trung Quốc cũng có thể sẽ sẵn sàng hoạt động và cùng tham gia với một thiết bị tương tự ở Nhật để khởi sự trong năm nay trong việc tìm kiếm những gợn sóng của sóng hấp dẫn trong không-thời gian.
Sự đa dạng
Tuy nhiên, có lẽ thay đổi lớn nhất của vật lý trong 10 năm tới sẽ là sự đa dạng và bình đẳng. Những nỗ lực đang diễn ra trong thời gian gần đây nhằm làm cho vật lý mở ra cho tất cả mọi người cuối cùng sẽ được đền đáp và, mặc dù tôi không tin rằng tổng số những người nghiên cứu vật lý sẽ tăng lên nhiều, tôi vẫn muốn dự báo rằng số người ở trên đỉnh của lĩnh vực này, vào năm 2030, về cơ bản sẽ thay đổi nhiều so với thời điểm hiện tại.
Một điều chắc chắn là: tạp chí Physics World sẽ luôn bên bạn để mang đến cho bạn sự bao quát sống động nhất và kích thích tư duy nhất về thế giới vật lý trong thập kỷ đã và đang tới. Vì vậy, hãy theo dõi những gì sẽ xảy ra phía trước trong thập kỷ của những năm 2020.
