Mô phỏng hàm sóng của một photon – (Courtesy: Jeff Lundeen and Charles Bamber)

Năm 2011 đã khép lại, hai trong số những chủ đề tốn nhiều giấy mực nhất đó là những câu hỏi liên quan đến ” Hạt Higgs boson – đã tìm thấy hay chưa”, và sự kiện liên quan đến kết quả của nhóm khoa học đến từ Italy ” Phải chăng các hạt neutrino di chuyển nhanh hơn ánh sáng ?”.

Trong khi cần phải mất vài tháng đến vài năm mới có câu trả lời một cách chính xác, trang physics world đã đề cử 10 thí nghiệm và kết quả khoa học nổi bật, được cộng đồng vật lý quan tâm không kém.

1. Quan sát quỹ đạo trung bình của các hạt photon trong thí nghiệm hai khe Young.

Nhóm tác giả : Aephraim Steinberg và đồng nghiệp, đến từ Toronto, Canada.

Dẫn đầu là thí nghiệm của nhóm Aephraim Steinberg và đồng nghiệp đến từ đại học Toronto, Canada, cho thí nghiệm liên quan đến các câu hỏi cơ bản nhất của cơ học lượng tử. Với phương pháp ” phép đo yếu”, nhóm đã thành công trong việc tìm đường đi trung bình của các hạt photon đơn lẻ thông qua thí nghiệm kinh điển – Hai khe Young. Thông tin chi tiết được đăng tải trên tạp chí Science tháng 6 năm 2011 với tiêu đề ” Observing the Average Trajectories of Single Photons in a Two-Slit Interferometer”.

Trao đổi với tạp chí Physics World, giáo sư Steinberg nói” hỏi về vị trí của các hạt photon trước khi đo được chúng là câu hỏi bất thường”. ” Nhưng giờ đây, chúng ta vẫn đang đặt những câu hỏi tường chừng như rất kì dị , và việc trả lời các câu hỏi đó làm thay đổi suy nghĩ và hiểu biết bấy lâu của chúng ta về thế giới vật lý.”

2. Phép đo trực tiếp hàm sóng lượng tử.

Nhóm tác giả : Jeff Lundeen, đến từ viện đo lường lượng tử, thuộc trung tâm nghiên cứu quốc gia Canada.

Tiến sĩ Jeff Lundeen, tốt nghiệp tiến sĩ tại đại học Toronto năm 2006, dưới sự hướng dẫn của giáo sư Aephraim Steinberg . Hiện tiến sĩ  Jeff Lundeen đang làm nghiên cứu viên tại viện đo lường lượng tử , thuốc NRC, Canada. Jeff Lundeen là tác giả chính của 3 bài báo trên Nature, 10 bài báo trên Physical Review Letters, và sở hữu 1 bằng sáng chế.

3. Tàng hình trong không-thời gian

Đứng ở vị trí thứ 3 là hai nhóm nghiên cứu, một đến từ đại học Cornell, Mỹ, của nhóm giáo sư Alexander Gaeta, và nhóm thứ hai đến từ đại học Imperial College London, Anh. Nhóm đến từ Anh đã đưa ra lý thuyết làm sao để tàng hình một sự kiện trong không gian và thời gian. Vài tháng sau, nhóm nghiên cứu đến từ đại học Cornell đã “chế tạo thành công” tấm thấu kính thời gian để có thể thực hiện được lý thuyết tàng hình. Nhóm cũng đưa ra những giới hạn vật lý của việc tàng hình trong không-thời gian.

4. Đo các tham số vũ trụ bằng lỗ đen

Nhóm tác giả, dẫn đầu là giáo sư Darach Watson và đồng nghiệp đến từ trường đại học Copenhagen, Đan mạch, và đại học Queensland, Úc đã sử dụng các lỗ đen với khối lượng siêu lớn – tạo ra các phản ứng hạt nhân vũ trụ – để làm ” thước đo” đo khoảng cách trong vũ trụ. Điều đáng quan tâm trong nghiên cứu này đó là các phản ứng hạt nhân vũ trụ xảy ra ở nhiều nời trong vũ trụ, không giống như các siêu tân tinh, nên chúng có thể làm ” thước đo” dài hạn hơn cho các thí nghiệm đo lường trong không gian.

5. Biến bóng tối thành ánh sáng

Nhóm tác giả đến từ Thụy Điễn dẫn đầuu là giáo sư Christ Wilson, đã lần đầu tiên quan sát thành công hiệu ứng Casimir động trong phòng thí nghiệm. Hiện ứng này xảy ra khi một tấm gương di chuyển cực nhanh qua một vùng chân không tạo ra các hạt photon ảo – các hạt luôn xuất hiện rồi tan biến – dính lại và tạo ra các photon thực, và có thể đo đạc được. Nhóm đã sử dụng thiết bị giao thoa siêu dẫn lượng tử ( superconducting quantum interference device) thay cho tấm gương.

6. Đo nhiệt độ vũ trụ sơ khai

Nhóm tác giả đến từ Mỹ, Ấn độ và Trung Quốc đã đưa ra số liệu chính xác nhất liên quan đến nhiệt độ của vũ trụ sơ khai, khi nó là tập hợp của các hạt quarks và gluons. Nhiệt độ này nằm trong khoảng 2 nghìn tỉ độ Kelvin. Số liệu này sẽ rất có ích cho các lý thuyết liên quan đến sắc động lực học lượng tử cũng như đến tính chất của các hạt neutrons, protons và hadrons.

7. Vị trí thứ 7 dành cho nhóm khoa học đến từ trung tâm thí nghiệm Tokai-to-Kamioka, Nhật Bản. Nhóm đã bắn các dòng hạt muon neutrino xuống dưới độ sâu 300 km, trước khi đến được máy đó, và đã phát hiện 6 hạt neutrinos đã thay đổi dao động, chuyển thành các hạt electron neutrinos. Mặc dù thí nghiệm vẫn chưa có độ tin cậy cao, những cũng làm cho các nhà lý thuyết tin tưởng vào dao động của neutrino, có thể chuyển đổi cấu hình từ muon neutrino sang electron neutrino.

8. Tia laser tạo từ tế bào sống
Nhóm nghiên cứu vật lý sinh học đến từ khoa Y đại học Harvard, do hai nhà khoa học Malte Gather và Seok Hyun Yun đã lần đầu tiên tạo ra nguồn tia laser từ một thực tể tế bào sống. Khám phá quan trọng này sẽ thúc đẩy các nghiên cứu trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là việc phân loại các tế bào ung thư và tế bào khỏe.

9. Máy tình lượng tử trong một thanh chip

Nhóm nghiên cứu dẫn đầu tời giáo sư Matteo Mariantoni và đồng nghiệp đến từ trường đại học California, Santa Barbara đã xậy dựng thành công cấu trúc “Von Neumann” lượng tự dựa trên các mạch điện tạo bởi các siêu dẫn và đã thực hiện hai thuật toán lượng tử cơ bản. Thiết bị sơ khai này được rất nhiều chuyên gia trong lĩnh vực máy tính quan tâm, và nó có thể mở ra kỉ nguyên máy tính mới – máy tính lượng tử toàn diện.

10. Khám phá các chất tàn dư từ Big Bang

Nhóm tác giả đến từ đại học California, Santa Cruz và đại học Saint Michael’s College ở Vermont đã lần đầu tiên thu thập được các tàn dư của vụ nổ Big Bang. Khác với các đám mây lấy từ các vụ trụ ở khoảng cách xa, hợp chất thu được của nhóm nghiên cứu chỉ gồm có các nguyên tố hiđro, helium và lithium, được cho đã xuất hiện ngay sau vụ nổ Big Bang. Nghiên cứu này mang nhiều thông tin hữu ích cho nguồn gốc hình thành của các sao và hệ ngân hà trong vũ trụ.

Bản tiếng Anh gốc được lấy từ :  Physics World

Veselago tên đầy đủ là Veselago Victor Georgievich, giáo sư vật lý tại Viện vật lý và kỹ thuật Matxcơva ( MIPT). Ông tốt nghiệp tiến sĩ PhD năm 1959, và Tiến sĩ khoa học năm 1974,  đều từ Viện vật lý Lebedev, cho đề tài nghiên cứu các trạng thái rắn trong môi trường từ trường. Ông là chuyên gia trong lĩnh vực vật lý, thông tin, và là giám đốc của nhánh vật liệu từ, thuộc viện hàn lâm khoa học Nga. ( GPI RAS).

Bài báo đầu tiên của ông trên một tạp chí khoa học Nga, Veselago,V.G, Sov.Phys.Usp (1968), 10, 509, cùng với việc kiểm chứng bằng thực nghiệm năm 2000, Smith, D.R, et al, Phy.Rev.Lett (2000) 84, 4184, đã đưa tên tuổi của ông đến với toàn thể giới, đặc biệt trong cộng đồng nghiên cứu vật liệu từ và vật liệu nhân tạo.

Ứng cử viên giải Nobel Vật Lý năm 2011

Câu chuyện bắt đầu từ việc đặt ra câu hỏi, tường chừng đơn giản nhưng lại hết sức thú vị về dấu của hai thành phần độ điện thẩm tương đối và độ từ thầm tương đối hay hằng  số điện môi và hằng số từ môi của vật liệu. Trong chương trình lớp 12, chiết suất có giá trị bằng căn bậc hai của tích hai hằng số này. Câu hỏi của Veselago khi đó là ” điều gì xảy ra khi chúng ta đổi dấu hai hằng số kia ? giá trị của chiết suất vẫn không đổi, vậy cái gì sẽ thay đổi và khác biệt so với vật liệu ban đầu ?

Câu trả lời, theo cách định tính đó là ” sẽ không có gì thay đổi, điều đó tương đương với việc điện động lực học sẽ không có gì khác biệt khi ta đổi dấu hai hằng số điện môi và từ môi”. Ông cũng nhận thấy rằng, các vật liệu tự nhiên hiện có đều loại trừ khả năng hai hằng số này có giá trị âm. Nhưng ông không thỏa mãn với câu trả lời ngắn ngọn đó, và sử dụng hơn 15 năm, sau khi tốt nghiệp tiến sĩ để tìm một đáp án thỏa mãn hơn cho câu hỏi ban đầu.

Ông bắt đầu từ 4 công thức tổng quát  của phương trình Maxwell, đó là những công thức căn bản nhất, liên hệ và thống nhất điện và từ vào một thực thể chung, điện từ trường.  Khi epsilon ( điện môi ) > 0 và mu ( từ môi)>0, vectơ sóng k , E và H được biểu thị dưới dạng right-handed ( qui tắc cánh phải). Khi epsilon < 0 và mu < 0, vectơ sóng k , E và H được biểu thị dưới dạng left-handed ( qui tắc cánh trái). Nhưng giá trị của vectơ mật độ, Poynting vectơ S, vectơ E ( điện trường ) và vectơ H ( từ trường) thì luôn luôn theo quy tắc cánh phải, và hoàn toàn không phụ thuộc vào dấu của 2 hằng số điện môi và từ môi.

Định luật Snell khi áp dụng cho trường hợp đổi dấu vẫn đúng, chỉ có điều được mở rộng thêm, đó là khi chiết suất âm, tia khúc xạ và tia tới sẽ cùng nằm một phía pháp tuyến, trái ngược với trường hợp cổ điển, khi chiết suất dương, tia tới và tia khúc xạ nằm ở 2 phía pháp tuyến khác nhau.

Veselago tiếp tục mạch suy luận của mình, với trường hợp Hiệu ứng chuyển vạch Doppler shift, khi đó dấu của chuyển vạch Doppler phụ thuộc vào dấu của chiết suất.  Tương tự với trường hợp Hiệu ứng bức xạ Cherenkov, thường thấy trong các lò phản ứng hạt nhân, khi các hạt điện tích di chuyển trong môi trường điện môi có vận tốc lớn hơn vận tốc pha của ánh sáng trong môi trường đó. Ông còn mô tả điều gì xảy ra khi sử dụng thấu kính giả- phẳng với chiết suất âm, và dự đoán về một lớp thiết bị sử dụng loại vật liệu nhân tạo này. Theo ông, thấu kính với kết cấu chiết suất âm cho phép chuyển đổi thực thể 3D thành hình ảnh không gian 3 chiều 3D mà không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng quang sai, biến cong distortions.

Sau 15 năm nghiên cứu về hướng vật liệu sử dụng chiết suất âm, Veselago tóm lược kết quả đó vào năm 1967 và xuất bản công trình nghiên cứu của mình trên tạp chí của Nga, Veselago,V.G, Sov.Phys.Usp (1968), 10, 509. Câu hỏi trọng tâm của bài báo đó là ” Môi trường điện môi nào cho phép vật liệu quy tắc cánh trái tồn tại, và các đặc tính của chúng ra sao“. Ông cũng chỉ dẫn cách làm sao để có thể chế tạo ra lớp vật liệu quy tắc cánh trái này. Một hướng gợi ý, đó là sử dụng các bán dẫn từ, như CDCr_2Se_4. Vấn đề kho khăn khi đó ( những năm 1950-60) chính là kỹ thuật. Hướng thứ 2, đó là sử dụng hỗn hợp các điện tích và từ tích. Hướng này cho phép vật liệu có độ đẳng hướng cao, tuy nhiên khó khăn đó là, chưa phát hiện ra từ tích ( monopole), đến hiện tại, chúng ta vẫn bỏ ngỏ khả năng tồn tại từ tích này.

Phải chờ đến 30 năm sau, khi giáo sư Pendry, đến từ trường đại học IC London, Pendry, J.B. et al, IEEE Trans.Microw.Theory Tech (1999) 47, 2075,  gợi ý về việc chế tạo vật liệu 2 chiều là các vòng phân cảm ( split ring resonator-SRR), cho phép tạo ra từ thẩm mu(omega) < 0 trong khi các dây dẫn kim loại vẫn sử dụng epsilon(omega) < 1. Chưa đầy 1 năm sau, các nhà khoa học đến từ trường đại học California, UCSD, dưới sự hướng dẫn của giáo sư Sheldon Schultz , Smith, D.R., Schurig D., Rosenbluth M., Schultz S đã  kết hợp ý tưởng từ thẩm âm của Pendry với vật liệu có điện thẩm âm ( được nghiên cứu và phát hiện từ nhiều năm trước đó), để hoàn thành loại vật liệu nhân tạo, có chiết suất âm, Smith, D.R, et al, Phy.Rev.Lett (2000) 84, 4184, từ đó mở ra một chân trời vật lý mới, nơi sử dụng các vật liệu nhân tạo có đặc tính dị thường. Một trong những kết quả nổi bật của loại vật liệu này, đó là nó cho phép chế tạo các thiết bị vượt qua giới hạn nhiễu xạ , dự đoán cũng bởi giáo sư Pendry, và được kiểm chứng năm 2004 bởi Grbic,A and Eleftheriades, G.V, Phy. Rev. Lett (2004) 92, 117403.

Hiện tại, nhiều nhóm nghiên cứu đến từ các viện và trường đại học hàng đầu thế giới đang tham gia và lĩnh ực vật liều nhân tạo, chiết suất âm ( metamaterials ), như UCSD, MIT, ICLondon, Duke, ETH Zurich… và số lượng bài báo cũng như trích dẫn vẫn đang tăng một cách ngạc nhiên. Thống kê chưa đầy đủ của Microsoft Academic có thể miêu tả phần nào sức hút của lĩnh  nghiên cứu mới mẻ này. Sheldon Schultz, D. R. Smith, John B. Pendry.

Hiện tại, sự ra đời vật liệu nhân tạo chiết suất âm, metamaterials còn được sử dụng để nghiên cứu các lý thuyết vượt xa lĩnh vực vật liệu, vật lý chất rắn. Đơn cử như những hướng nghiên cứu và phát triển của nhóm tác giả Smolyaninov and Yu-Ju Hung, đến từ trường đại học Maryland, US. Trong bài báo mới nhất của nhóm với tiêu đề ” Hyperbolic metamaterial interfaces : Hawking radion from Rindler horizons and the ” end of time” “, bằng cách nghiên cứu các tính chất điện từ học trong môi trường không thời gian ba chiều ( 2 + 1 ) Minkowski, nhóm đã đưa ra những giả định hết sức thú vị khi không thời gian hiệu ứng tiếp xúc vuông góc với chiều space-like  và time-like ,trong vật liệu matematerial, có thể dẫn đến một trong hai kết cục, một mặt là chân trời sự kiện, hiệu ứng bức xạ Hawking, một kết cục khác là ” điểm cuối thời gian”, được mô tả trong một lọat các bài báo trên Nature Physics, Science, PRL của nhóm tác giả này.

Chỉ còn 2 tháng nữa, kết quả Nobel vật lý 2011 sẽ được công bố, hiện tại có thể là danh sách ứng cử viên đã được chốt hạ, và chủ nhân của giải Nobel Vật lý 2011 có thể đã được báo trước, giống như giải Fields, thường biết trước 2-3 tháng. Cộng đồng nghiên cứu vật liệu mới, tính chất và hiệu ứng lạ như metamaterials rất hy vọng những nhà tiên phong trong lĩnh vực của mình sẽ có tên trong danh sách đề cử, lớn hơn nữa là đọat giải năm nay. Chúng ta sẽ chờ xem, Veselago, Pendry, Smith hoặc thầy của ông, giáo sư Sheldon Schultz sẽ được xướng danh : Nobel Vật Lý 2011 !

Lá thư của giáo sư Sudarshan gửi hội đồng giải thưởng Nobel tuy cũ nhưng có thể vẫn còn có ý nghĩa đến ngày hôm nay.

Sudarshan’s letter

EXCERPTS from E.C.G. Sudarshan’s letter to the Nobel Committee on the 2005 Nobel Award in Physics to Roy J. Glauber for Quantum Theory of Optical Coherence:

“In the announcement of the 2005 Physics Nobel Prize, the Swedish Royal Academy has chosen R.J. Glauber to be awarded half of the prize. The prize winners are chosen by the Royal Academy, but no one has the right to take my discoveries and formulations and ascribe them to someone else!

“The correct formulation of the quantum mechanical treatment of optics was carried out by me in my paper in 1963. In that I showed that every state can be represented in the diagonal form… This diagonal representation is valid for all fields.

“… The irony of the situation is that in spite of all these facts being available in print, the diagonal representation instead of being referred to as the Sudarshan representation is dubbed as either the P-Representation (as if Glauber discovered and named it first) or at best as `Glauber-Sudarshan’ Representation.

“While the distinction of introducing coherent states as basic entities to describe optical fields certainly goes to Glauber, the possibility of using them to describe `all’ optical fields (of all intensities) through the diagonal representation is certainly due to Sudarshan. Thus there is no need to `extract’ the classical limit [as stated in the Nobel citation]. Sudarshan’s work is not merely a mathematical formalism. It is the basic theory underlying all optical fields. All the quantum features are brought out in his diagonal representation…

“It is my belief that the Royal Swedish Academy was impartial and that to assure the proper priorities it has a Committee in Physics, with members competent to examine and understand the published work. It was also my belief that the members of the Committee did their work diligently and with care. I am therefore genuinely surprised and disappointed by this year’s choice. It would distress me and many others if extra scientific considerations were responsible for this decision. It is my hope that these glaring injustices would be noted by the Academy and modify the citations.

Give unto Glauber only what is his.”

Sincerely yours,
E.C.G. Sudarshan

Einstein@Home là chương trình sử dụng máy tính của người sử dụng trong trại thái không họat động để phân tích và tìm kiếm các sóng hấp dẫn từ các sao neutron, được gửi từ máy dò sóng hấp dẫn của Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) do các nhà vật lý đến từ Caltech và MIT xây dựng. Einstein@Home cũng được dùng để tìm kiếm các sao xung sóng radio ( radio pulsars) sử dụng dữ liệu chia nhỏ của trạm quan sát Arecibo Observation đặt tại Puerto Rico.

Artist's rendition showing the position of the discovered pulsar in  the red circle.

Hình minh họa vị trí của sao xung PSR J2007+2722(chấm đỏ) trong chòm sao Hồ Ly ( Vulpecula) tháng 8 vừa qua. Credit: Benjamin Knispel, Albert Einstein Institute

Chương trình này được khởi xướng năm 2005 nhân kỷ niệm 100 năm ra đời của thuyết tương đối ( hẹp) của Albert Einstein, được bảo trợ bởi Hội Vật lý Hoa Kỳ ( APS) cũng một số tổ chức khoa học khác. Hiện tại có trên 250 000 cộng tác viên đến từ gần 200 nước trên thế giới tham gia dự án này. Giữa tháng 8 vừa qua, nỗ lực của hàng trăm nghìn cộng tác viên và hàng triệu giờ họat động và phân tích trên máy tính đã có một kết quả xứng đáng.

Dear Einstein@Home volunteer,

I want to share some good news with you.

For more than a year, Einstein@Home has been using about
one-third of the available computer time to search for radio
pulsars in data from the Arecibo Observatory.  I’m happy to report
that we found our first radio pulsar last month: PSR J2007+2722.
It is still not sure, but this appears to be a rare type of object
called a Disrupted Recycled Pulsar.  The discovery was published
on-line by the journal Science, on Thursday August 12th.

Congratulations to our volunteers Chris and Helen Colvin (Ames, Iowa,
USA) and Daniel Gebhardt (Universitaet Mainz, Musikinformatik, German),
whose computers discovered the pulsar with the highest significance!

Further details of this first Einstein@Home discovery may be found
in the main news item posted on the Einstein@Home web site, at
http://einstein.phys.uwm.edu/ .  You can also use Google News
and similar searches, with keywords like ‘pulsar’ or ‘J2007+2722’
or ‘Einstein@Home’ to find recent news articles about the
discovery, in English, German, French, Spanish, Russian and other
languages.

So far, Einstein@Home has only analyzed about half of the Arecibo data
set.  Due to improvements in the instrumentation, the more recent data
is better-quality than the older data, so I am sure there are other
interesting objects to be discovered!

If you have trouble getting Einstein@Home to run, you may search
our user forums for help (http://einstein.phys.uwm.edu/forum_index.php)
or post a message asking for assistance in the “Getting Started” forum
at http://einstein.phys.uwm.edu/forum_forum.php?id=5

Sincerely,
Bruce Allen
Director, Einstein@Home

Tham khảo:

[1]: Einstein@Home tại đại học Wisconsin – Milwaukee http://einstein.phys.uwm.edu/

[2]: Citizen Scientists Discover Rotating Pulsar, http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=117500&org=NSF&from=news

[3]: Thông cáo báo chí và kết quả trên Science Express, http://www.nsf.gov/news/news_images.jsp?cntn_id=117500&org=NSF

Hội nghị vật lý hạt và năng lượng cao (HEP) được quan tâm nhiều nhất trong thời gian qua  International Conference on High Energy Physics vừa diễn ra tại Paris, Pháp từ ngày 22 đến ngày 28 tháng 7, năm 2010. Tại hội nghị này, số liệu của máy gia tốc Large Hadron Collider lần đầu tiên được  phân tích và công bố. Ngay sau hội nghị chính tại Paris, một hội nghị vễ tinh đã được tổ chức tại thành phố Orsay,  Pháp từ ngày 29 đến 31 tháng 7 với tiêu đề  “Higgs Hunting” ( Truy tìm hạt Higgs) – nơi giới thiệu  và so sánh những kết quả mới nhất thu được từ hai phòng thí nghiệm hiện đại bậc nhất trong lĩnh vực HEP là Tevatron ( Mỹ) và LHC ( Thụy Sĩ).

H1: Hội nghị HEP vệ tinh với tiêu đề  Higgs Hunting vừa diễn ra tại Orsay, Pháp [2]

Trên trang web giới thiệu về hội nghị Higgs Hunting (http://higgshunting.fr/ ), người ta đã nhắc đến ba cái tên gắn liền với lý thuyết trường Higgs  là Robert Brout, Francois EnglertPeter Higgs, tuy nhiên có nhiều câu chuyện hành lang liên quan đến việc : Ai thực sự là người đặt nền móng cho lý thuyết Higgs bosons, ngoài ba tên tuổi kia, những người nào có tầm ảnh hưởng không kém ? Vì sau khi số liệu sơ khai ( do LHC chưa chạy hết công suất 3.5 TeV / 7.0 TeV) được công bố, giới vật lý hạt đang rất khả quan khi  cho rằng họ đã sắp chạm vào được…hạt của Chúa. Các số liệu của LHC có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với luận văn tốt nghiệp của gần 800 nghiên cứu sinh trong lĩnh vực này, cũng như là việc sống còn với những tiên sĩ, hậu tiến sĩ đang trong giai đoạn để lấy biên chế chính thức tại các trường đại học và viện nghiên cứu . Còn đối với những vị giáo sư tên tuổi, thì việc khám phá ra hạt Higgs cũng là lúc họ được ghi danh vào danh sách : những nhà vật lý đọat giải Nobel Vật lý.

Vấn đề ở chỗ, có tới 6 nhà khoa học đã đặt nền móng cho lý thuyết trường Higgs năm 1964. Nhóm đầu tiên Robert BroutFrancois Englert đến từ Bỉ, ngay sau đó là Peter Higgs ở Scotland, và kế tiếp là Tom Kibble ( Anh) cùng với đồng nghiệp của mình ở Mỹ là Gerald Guralnik Carl R. Hagen. Tất cả đều độc lập xây dựng một lý thuyết để  giải thích  cho hiện tượng Phá vỡ đối xứng trong tương tác điện yếu ( Electroweak Symmetry Breaking) bằng việc cho rằng có một cơ chế tạo khối lượng thông qua quá trình phá vỡ tức thời của các đối xứng gauge, hệ quả là sự xuất hiện của một đại lượng scalar boson gọi là Higgs Boson – là hạt được  săn lùng nhất trong suốt 3 thập kỷ qua.Một số nhà khoa học ở tại CERN – nơi có LHC  rất lạc quan cho rằng hạt Higgs đã gần chạm tới và việc kiểm chứng chỉ là chuyện sớm hay muộn mà thôi. Hiện tại, không chỉ là cuộc chạy đua giữa Châu Âu ( CERN) với Mỹ ( Tevatron) trong việc kiểm chứng sự tồn tại của hạt này, mà còn là một cuộc họat động hành lang,ngoại giao, có phần dính đến chính trị cho chủ nhân của giải Nobel vật lý sau khi sự tồn tại của hạt Higgs được xác minh.

Trong khi giải thưởng Nobel do Hàn lâm viện Hoàng gia Thụy Điển trao tặng chi dành cho tối đa 3 nhà khoa học trong một lĩnh vực, với 3 tên tuổi đầu,  Robert Brout, Francois Englert Peter Higgs, công việc bây gờ của họ có lẽ là nghỉ ngơi và đón chờ kết quả chính thức, thì 3 nhà vật lý sau đó, Tom Kibble, Gerald GuralnikCarl R. Hagen đang  khá nóng lòng. Thực ra, họ là những tên tuổi lớn, công việc của họ không hẳn là ngóng chờ giải Nobel, song với đồng nghiệp và hàng triệu con người khác trên đất nước của họ, con đường đến với giải thưởng này gần như là một cuộc đua trí tuệ , và Nobel prize  là phần thưởng không chỉ dành cho cá nhân, mà còn là sự công nhận và là niềm vui của của một quốc gia, một dân tộc.

Tham khảo:

[1]: Nature: Physics get political over Higgs, http://www.nature.com/news/2010/100804/full/news.2010.390.html , accessed on August 5th, 2010.

[2]: Higgs Hunting Conference: http://higgshunting.fr/, accessed on August 5th, 2010.

[3]: Nobel  Prize : http://vi.wikipedia.org/wiki/Gi%E1%BA%A3i_Nobel, accessed on August 5th, 2010.

CP Symmetry Violation

Posted: July 25, 2010 in Tương Tác Yếu

Nguồn:

[1]: Robert K. Adair,  A Flaw in a Universal Mirror, Scientific American, February 1988, pp. 50-56

[2]: Robert K. Adair, Tạp chí ” Pour La Science”  – bản tiếng Pháp của tạp chí ” American Scientific “.

Tham khảo:

[3]: Helen R. Quinn, Michael S. Witherell, The Asymmetry between Matter and Antimatter, Scientific American, October 1998, pp. 76-81

[4]: Pierre Sikivie, The Pool-Table Analogy with Axion Physics, Physics Today, December 1996, pp. 22-27.

[5]: Marie-Anne Bouchiat; Lionel Pottier, An Atomic Preference Between Left and Right, Scientific American, June 1984, pp. 100-111

Edited by: Nguyễn Hải Sơn

Năm 1935, Albert Einstein, Boris PodolskyNathan Rosen (EPR) đã công bố một bài báo trên tạp chí Physical Review [1], nội dung của bài báo nay đã trở thành kinh điển và là đề tài tranh luận của không chỉ giới vật lý mà còn thu hút sự quan tâm của hầu hết những nhà khoa học máy tính đầu ngành, cũng như những nhà triết học khi đó. Bài báo EPR khởi nguồn cho việc khám phá tính chất vô định xứ ( nonlocality) trong thế giới lượng tử, làm đau đầu hầu hết những triết gia khi đó vì tính chất định xứ bấy lâu nay tường chừng vững chắc như chân lý. Việc tìm lời giải thích thỏa đáng trong nghịch lý EPR đã khai sinh ra một lĩnh vực có ý nghĩa cách mạng đến tận thời điểm này, đó là công nghệ lượng tử ( máy tính lượng từ, truyền thông lượng tử, bảo mật lượng tử…), bằng việc khai thác những kết quả mà cơ học lượng tử dự đoán và mang lại.

Nghịch lý là lý luận dựa trên những mâu thuẫn nội tại để dẫn giải đến kết quả, mặc dầu kết quả đó hoàn toàn sai. Kết luật của bài báo EPR dựa trên giả thiết mà bấy lâu nay chúng ta vẫn sử dụng như một chân lý, đó là tính chất định xứ ( local realism), lập luận trong bài báo EPR chỉ ra sự mâu thuẫn giữa tính chất định xứ và tính chất hoàn thiện ( completeness) của cơ học lượng tử. Khi đó, EPR quả quyết rằng định xứ luôn được bảo toàn, và cơ học lượng tử không đầy đủ. Từ “nghịch lý” về sau mới được Schrodinger [2], Bohm [3], BohmAharonov [4], cùng Bell [5] sử dụng. Mục đích của bài báo EPR đó là khơi nguồn cho một lý thuyết tốt hơn để thay thế cơ học lượng tử. EPR không đặt ra câu hỏi về tính đúng đắn của cơ học lượng tử, mà chỉ lập luận để chỉ ra yếu tố hoàn thiện ( completeness) của một lý thuyết. Họ cho rằng, dựa trên những lập luận định xứ, cơ học lượng tử không đầy đủ và không miêu tả hoàn toàn thế giới vật chất mà chúng ta quan sát, trải nghiệm. Nhờ có công trình của John Bell [5], bây giờ chúng ta có thể hiểu được phần nào khúc mắc bên trong bài báo EPR, đó chính là tính chất định xứ ( local realism) cần được xem xét trước khi có những lập luận về thế giới lượng tử. EPR đã “sai” khi hoàn toàn dựa trên tính chất định xứ để kết luận về tính hoàn thiện của cơ học lượng tử. Tuy nhiên, phương pháp luận và tính nguyên bản của EPR đã giúp nó trở thành kinh điển, và nhờ có bài báo này, cơ học lượng tử được xem là một lý thuyết hoàn chỉnh ( complete theory) và tách biệt hoàn toàn với thế giới hiện thực quan ( classical reality) được miêu tả bởi cơ học Newton, một cách định lượng ( quantitative sense).

Trong bài báo có tiêu đề ” Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete ?,” EPR xây dựng một thí nghiệm ảo để thách thức tính đầy đủ của cơ học lượng tử, dựa trên cơ sở định xứ được cho là chân lý bấy lâu nay. Trích nguyên bản từ bài báo của EPR:

  • If, without disturbing a system, we can predict with certainty the value of a physical quantity,” then ” there exists an element of physical reality corresponding to this physical quantity.” [ Nếu chúng ta không tác động đến hệ thống, chúng ta có thể dự đoán một cách chắc chắn giá trị của một đại lượng vật lý,” khi đó ” tồn tậi một thực thể vật lý tương ứng với đại lượng vật lý trên”.


  • The locality assumption postulates no action at a distance, so that measurements at a location B cannot immediately ” disturb” the system at a spatially separated A. ” [Tính chất định xử chỉ ra rằng không có tác động nào ở khoảng cách vô cùng lớn, vì vậy việc đo các chỉ số tại điểm B không ảnh hưởng một cách tức thời đến một vị trí cách biệt A .]

EPR đã xét trường hợp trạng thái thuần không phân tích thành nhân tử ( nonfactorizable pure state) của |ψ> để miêu tả kết quả của các số đo tại hai vị trí A và B. Khái niêm nonfactorizable có nghĩa là chồng chập / vướng viu ( entangled), khi đó chúng ta không thể biểu diễn |ψ> thành tích của |ψ>=|ψ>A|ψ>B ở đó |ψ>A và |ψ>B là các trạng thái lượng tử ứng với các số đo tại A và B.

Trong phần đầu bài báo, EPR đã phân tích |ψ> dưới dạng biểu thức tích phân cơ bản hơn, ở đó có gắn thêm đại lượng chỉ số hóa ( parametrized ) φ,

Ở đó x là eigenvalue, có thể là liên tục hoặc rời rạc. Giá trị φ tại máy đo B được sử dụng để miêu tả một giá trị trực giao ( orthogonal ) cơ bản |ux>φ,B. Mối phép đo tại B sẽ làm gián đoạn hàm sóng ( reduction of the wave packet) tại A , |ψx>φ,A . Vấn đề nhức nhối đó là mỗi phép đo khác nhau φ tại B sẽ tạo ra hiệu ứng gián đoạn hàm sóng tại A một cách khác biệt. EPR quả quyết rằng, ” hệ quả của hai phép đo khác nhau tại B sẽ có thể làm cho hệ thống thứ 2 tại A có 2 hàm sóng khác nhau.” Mặc dù không hề có sự thay đổi nào trực tiếp đến hệ thống thứ hai.

Vấn đề được EPR miêu tả cụ thể hơn dưới biểu thức toán học. Xét hai hệ cách xa nhau A và B, mỗi hệ có hai phép đo liên quan đến x^ ,p^ ở đó x^, p^ là hai toán tử lượng tử không giáo hoán, có nghĩa là [x^,p^]=x^p^-p^x^=2C≠0. C có thể được rút ra từ chính Nguyên lý bất định Heisenberg.

ở đó Δx và Δp là độ lệch chuẩn ( standard deviations) ứng với x và p. Khi đó hàm sóng lượng tự ψ dưới dạng vị trí là:

Ở đó x0 là hằng số, x và p là vị trí và động lượng đo được tại A, trong khi xB và pB là vị trí và động lượng đo được tại B.

Dựa trên tính chất định xứ ( ở trên) kết hợp với mô hình lượng tử hiện tại, ta có thể ” dự đoán chắc chắn ” rằng một số đo x^ sẽ cho ta kết quả xB+x0 nếu một phép đo x^B với kết quả xB đã được thực hiện tại B. Ta cũng có thể đoán được giá trị phép đo p^ khi thực hiện một phép đo khác tại B. Nếu động lượng tại B đã được đo là p , thì giá trị của p^ chính là -p. Các dự doán này được thực hiện mà ” không hề tác động đến hệ thống thứ hai tại A” khi chúng ta đều chấp nhận tính định xứ ” locality” của các hệ. Giả thuyết định xứ còn có thể được đảm bảo hơn nếu các sự kiện tại A và B xảy ra riêng biệt – không có thông tin nào từ một sự kiện này truyền sang một sự kiện khác, trừ phi vận tốc đó nhanh hơn vận tốc ánh sáng.

Cũng dựa tên tính chất định xứ, một hệ quả có thể được dự đoán đó là các giá trị đo được tại A là x và p đều có thể được xác định trước ( predetermined). Yếu tố tương quan tuyệt đối ( perfect correlation) của x với xB+x0 chỉ ra rằng tồn tại một thực thể ( element of reality) với phép đo x^. Tương tự, tính chất tương quan của p với -pB dẫn đến sự tồn tại của một thực thể cho p^.

Dựa trên tính chất định xứ, tồn tại hai thực thể {μA}x và {μA}p đều được đồng thời xác định trước với giá trị xác định tuyệt đối, là kết quả của phép đo x hoặc p tại A. Sự tồn tại của các thực thệ xác định tại A đều không thích hợp với cơ chế của cơ học lượng tử. Nguyên lý bất định đã chỉ ra rõ, không thể xác định cùng lúc hai đại lượng vị trí và động lượng của bất kỳ một trạng thái lượng tử. Do vậy, nếu chúng ta công nhận tính chất định xứ, thì cơ học lượng tử hiện tại chưa hoàn chỉnh. Cũng ngay trong năm đó, Bohr [6] đã bảo vệ thuyết lượng tử bằng cách đặt ra nghi vấn trong chính các hệ quả của định xứ.

Không lâu sau, Schrodinger đã đặt ra câu hỏi về cấu trúc của hàm sóng trong cơ học lượng tử, và biện luận rằng hàm sóng của hệ trong thí nghiệm ảo của EPR là verschrankten – có nghĩa là chồng chập ( entangled), và không thể được biểu diện dưới dạng ψAψB. Ông và nhà vật lý Furry [7] đều đưa ra quan điểm để giải quyết nghịch lý EPR đó chính là tính chất chồng chập của hàm sóng bị suy giảm khi các hạt cách xa nhau do vậy tính tương quan trong thí nghiệm ảo EPR không thể thực hiện được. Họ đã đưa ra biểu thức lượng tử phi cách biệt ( quantum inseparability- mặc dù các hệ có thể bị cách ly ) dưới dạng toán tử mật độ.

Ở đó ∫dλP(λ)=1 và ρ^ là toán tử mật độ. λ có thể là giá trị liên tục hoặc rời rạc cho các trạng thái tổ hợp và
{ρ^A,B}λ ứng với các toán tử mật độ và bị giới hạn bởi các không gian Hilbert A, B. Dưới điều kiện tách ly ( separability condition) , khái niệm xác suất tổ hợp P({xA}θ,{xB}φ) được đưa ra.

Hơn hai mươi năm sau khi bài báo EPR được công bố, thí nghiệm đầu tiên để giải thích nghịch lý EPR đã được xây dựng bởi Bohm và cậu học trò của mình là Aharonov, năm 1957. Với trường hợp biến số liên tục, thí nghiệm ảo EPR tại thời điểm đó không thể thực hiện được, Bohm đã xây dựng thí nghiệm kiểm chứng dựa trên tính chất spin của hạt. Bohm xét hai hạt có spin -1/2 tại A và B trong trại thái chồng chập ( entangled singlet state, sau này được gọi là trạng thái EPR-Bohm hay trạng thái Bell).

Ở đó |±1/2>A là các eigenstates của các toàn tử spin {J^A}x,y,z tại A. Bohm cho rằng, dựa trên lập luận của định xứ, ba spin thành phần của hạt tại A đều có thể được xác định trước, với giá trị xác định tuyệt đối. Qua thí nghiệm spin, không có trạng thái lượng tử nào “tiền” tồn tại, do vậy kết luận như EPR dựa trên tính chất định xứ có vấn đề.
Đến năm 1989, một thí nghiệm tương tự với trường hợp tương quan 3-hạt đã được Greenberger-Horne-Zeilinger xây dựng [8] và giải thích bởi Mermin [9], với ý nghĩa tương tự như thí nghiệm của Bohm.

Bài báo EPR kết luận bằng việc gợi ý một lý thuyết có thể hoàn thiện cơ học lượng tử:”…we have left open the question of whether or not such a description exist. We believe, however, that such theory is possible.”

Năm 1964, John Bell đã mở một hội thảo về nghịch lý EPR, [5] và sau đó là Clauser et al [10] ( nhóm CHSH), nhằm giải quyết trọn vẹn nghịch lý EPR. Bell dự đoán sự tồn tại một biến số ẩn địa phương ( local hidden variable – LHV), cùng với CHSH xây dựng lại công thức xác suất hội tụ P({xA}θ,{xB}φ) và có giá trị:

Ở đó P(λ) là phân bố của λ. Giả thuyết này được gọi là giả thuyết định xứ Bell-CHSH, khác với công thứ (5) ở chỗ các giá trị xác suất tại A và B không hoàn toàn dựa trên các trạng thái lượng tử địa phương. Phương trình (7) được rút ra từ lý thuyết LHV dẫn đến các điểm chặn, được gọi là các Bất Đẳng Thức Bell. Họ chỉ ra rằng cơ học lượng tử dự đoán sự phá vỡ các điểm chặn nếu thí nghiệm mà Bohm đã thực hiện được xây dựng lại với thiết bị và độ chính xác cao hơn.

Ý nghĩa của Bất Đẳng Thức Bell đó là tạo ra một giá trị chăn để có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm, nếu kết quả thực nghiêm đo được Bất Đẳng Thức Bell bị phá vỡ, điều này sẽ giải quyết được nghịch lý EPR, bằng việc chỉ ra rằng tính chất định xứ mà EPR dùng làm nền tảng (để đặt nghi vấn về tính hoàn chỉnh của cơ học lượng tử ) là không chính xác. Bằng phương pháp gián tiếp, sự phá vỡ của các LHV là minh chứng của sự sụp đổ trong tính chất định xứ, nói cách khác, tồn tại trạng thái phi-định xứ, làm cơ sở để giải quyết trọn vẹn nghịch lý EPR.

Bất Đẳng Thức Bell ban đầu chỉ đúng với trường hợp giá trị tuyệt đối, về sau được thay đổi đôi chút, ( bởi Clauser và Horne năm 1974) kết hợp với stochastic, ở đó LHV đưa ra giá trị xác suất bao quát hơn.

Qua ý tưởng của John Bell, cũng hàng loạt thí nghiệm kiểm chứng sau đó, ngày nay, người ta coi lập luận về tính đầy đủ của cơ học lượng tử mà EPR đặt ra dựa trên nền tảng định xứ là thiếu cơ sở. Thí nghiệm ảo EPR dựa trên những lập luận đơn giản, từ lý thuyết đến thực nghiệm bao nhiêu, thì các Bất Đẳng Thức Bell lại khó bị phá vỡ trong kiểm chứng đến bấy nhiêu. Clauser và Shimony (1978), Aspect et la ( 1981), Shi và Alley (1988), Ou và Mandel (1988), Kwiat et al (1995), Weihs et al ( 1998) cùng nhiều nhóm nghiên cứu đã xây dựng thí nghiệm để tìm ra trường hợp phá vỡ Bất đẳng thức Bell. Quá trình xây dựng các thí nghiệm này đã không chỉ tạo ra nhiều kĩ thuật mới mà còn làm nền tảng của một nền công nghệ mang tên Công Nghệ Lượng Tử. Các vấn đề như thông tin lượng tử, mật mã lượng tử, bảo mật lượng tử và gần đây nhất là truyền tải lượng tử ( teleportation), đều xuất phát từ sau hội thảo của Bell năm 1964, nói chính xác, đều bắt nguồn từ báo báo “Nghịch lý EPR” năm 1935 của nhà vật lý thiên tài Einstein, Podolsky và Rosen.

Tham khảo:

[1]: Einstein, A., B. Podolsky, and N. Rosen, 1935, Phys. Rev. 47,
777.

[2]: Schrödinger, E., 1935a, Naturwiss. 23, 807.

[3]: Bohm, D., 1951, Quantum Theory Constable, London

[4]: Bohm, D., and Y. Aharonov, 1957, Phys. Rev. 108, 1070.

[5]: Bell, J. S., 1964, Physics,Long Island City, N.Y. 1, 195.

[6]: Bohr, N., 1935, Phys. Rev. 48, 696.

[7]: Furry, W. H., 1936, Phys. Rev. 49, 393.

[8]:Greenberger, D. M., M. Horne, and A. Zeilinger, 1989, in
Bell’s Theorem, Quantum Theory and Conceptions of the Universe,
edited by M. Kafatos Kluwer, Dordrecht, The Netherlands.

[9]:Mermin, N. D., 1990, Phys. Today 43 ,6, 9.

[10]: Clauser, J. F., M. A. Horne, A. Shimony, and R. A. Holt, 1969,
Phys. Rev. Lett. 23, 880.

Bài viết với công thức toán học hiển thị đầy đủ hơn được post trong forum của diễn đàn vật lý. Mời bạn ghé qua : Nghịch lý EPR