Bộ sách về vật lý hiện đại của giáo sư Cao Chi

Giáo sư Cao Chi là một trong những nhà vật lý đầu đàn của Việt Nam từ những năm 70 của thế kỷ 20 với nhiều đóng góp quan trọng vào sự nghiệp phát triển ngành năng lượng nguyên tử của Việt Nam. Trong khoảng hơn 20 năm gần đây, giáo sư Cao Chi đã tâm huyết hoàn thành và cho xuất bản một bộ sách lớn về vật lý hiện đại gồm 6 tập để phổ biến, chuyển tải những vấn đề thời sự trong nhiều hướng chuyên môn khác nhau từ vũ trụ học, lỗ đen, hạt cơ bản, các lý thuyết thống nhất, lý thuyết tai biến, hạt nhân, môi trường đông đặc, cơ học lượng tử, toán học sinh học trong vật lý… đến các vấn đề triết học, lý thuyết hiện sinh, phân tâm học… Có thể nói đa số các vấn đề thời sự quan trọng của nhiều lĩnh vực vật lý đã được bộ sách đề cập đến, cùng những thông tin tài liệu tham khảo rất có ích đối với bất kỳ ai muốn học nhập môn vật lý hay chuẩn bị bước vào tham gia nghiên cứu khoa học trong các lĩnh vực khác nhau của vật lý.

Cuốn 1: VẬT LÝ HIÊN ĐẠI – NHỮNG VẤN ĐỀ THỜI SỰ TỪ BIGBOUNCE ĐẾN VŨ TRỤ TOÀN ẢNH. NXB TRI THỨC in năm 2011, 416 trang

Tập 1 được trình bày theo bố cục của 9 chương sách, với những nội dung chính sau đây:

* Einstein và vũ trụ toàn ảnh: Ở đây bạn đọc được làm quen với khái niệm Vũ trụ lượng tử. Để hiểu được cấu trúc và quá trình tiến triển của Vũ trụ người ta phải nghiên cứu thuyết lượng tử vốn là lý thuyết điều khiển hành vi của những hạt cơ bản, những thực thể vi mô, bởi vì những hiện tượng vĩ mô luôn quyện cùng với những hiện tượng vi mô thành một thực tế thống nhất. Có thể nói đây là một cuộc cách mạng của thuyết lượng tử, của vật lý các hạt cơ bản khi đã thực hiện một bước nhảy trong nhận thức của chúng ta về sự bí ẩn và vẻ đẹp của vũ trụ. Hơn lúc nào hết các nhà vật lý hiện đang ra sức tìm sự thống nhất giữa lý thuyết lượng tử (điều khiển thế giới vi mô) với lý thuyết hấp dẫn (điều khiển thế giới vĩ mô). Vũ trụ lượng tử có thể hiểu là thực thể thống nhất giữa vi mô và vĩ mô, đặc trưng cho một giai đoạn mới của vật lý, trong đó lý thuyết lượng tử và lý thuyết hấp dẫn được kỳ vọng sẽ hòa mình với nhau thành một lý thuyết thống nhất, Lý thuyết của tất cả (TOE – Theory of Everything). Chúng ta sẽ thấy rằng trên đường nghiên cứu Vũ trụ lượng tử, những ý tưởng của Einstein luôn là những ý tưởng kim chỉ nam cho các nhà vật lý. Các ý tưởng đó làm thành giấc mơ xây dựng một lý thuyết thống nhất của Einstein, một di sản vô giá cho vật lý hiện đại.

* Năng lượng tối: Sự tồn tại của năng lượng tối đã đặt ra câu hỏi nền tảng cho vật lý mà đến nay vẫn chưa có câu trả lời: liệu có cần một lý thuyết vật lý mới cho vũ trụ? Nhớ lại một phát hiện cách đây hơn chục năm đã làm kinh ngạc các nhà vũ trụ học: nhiều số liệu quan trắc thiên văn đã chứng tỏ rằng quá trình giãn nở vũ trụ thay vì chậm lại thì càng gia tăng. Để giải thích hiện tượng khó hiểu này, các nhà vũ trụ học đã đưa ra kết luận về sự tồn tại của một dạng năng lượng bí ẩn – năng lượng tối. Hiện nay bản chất của dạng năng lượng này vẫn chưa được làm sáng tỏ. Công cuộc truy tầm năng lượng tối hiện đang tiếp diễn quyết liệt trong các nghiên cứu thực nghiệm cũng như lý thuyết.

* Vật chất tối: Mặc dù sự tồn tại của vật chất tối đã được khẳng định từ cách đây gần 70 năm, đến nay bài toán về vật chất tối vẫn chưa có lời giải. Ngoài các mô hình lý thuyết, người ta cũng đang tìm cách quan sát vật chất tối trong phòng thí nghiệm. Chúng ta biết rằng phần lớn vật chất trong vũ trụ là vật chất tối và không có vật chất tối thì không có sao, có thiên hà và đương nhiên không có sự sống. Vật chất tối đã và đang giữ chặt vũ trụ lại. Liệu vật chất tối có thể được chế tạo trong các máy gia tốc? Siêu hạt nhẹ nhất trong siêu đối xứng, hạt nhẹ nhất chuyển động trong các chiều dư, hạt axion  trong lý thuyết QCD, có thể thuộc về vật chất tối?

* Bất đẳng thức Bell: Trong những năm gần đây, tính không định xứ (non-locality) đã được khẳng định như một tinh chất bao trùm của các thực thể vật lý. Bản chất toán học của tính không định xứ được thể hiện qua bất đẳng thức Bell: Không có một lý thuyết định xứ với biến số ẩn (local hidden variables theory) nào có thể cung cấp được các tiên đoán (predictions) của cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử khác với Cơ học cổ điển như thế nào? Chính bất đẳng thức Bell giúp ta làm rõ phân biệt đó.

* Bigbounce – một giả thuyết mới: Vũ trụ có thể được xét đễn như một thực tại tổng quát được sinh ra từ một Big Bounce (vụ bật lớn), một giả thuyết mới được đề xuất thay thế mô hình Big Bang (vụ nổ lớn) với yếu điểm là điểm kỳ dị không thời gian tại thời điểm t=0 mà không thể có một giải thích vật lý nào.  

* Các lỗ đen –Viễn tải lượng tử.

* Lý thuyết dây, Khoa học phức hợp.

* Nguyên lý toàn ảnh.

* Đối xứng và phá vỡ đối xứng.

* Nghệ thuật và khoa học.

Cuốn 2: VẬT LÝ HIÊN ĐẠI – NHỮNG VẤN ĐỀ THỜI SỰ. NXB TRI THỨC in năm 2015, 512 trang

Tập 2 cũng được trình bày trong 9 chương sách, với những nội dung chính sau đây:

* Topo của vũ trụ: Vấn đề nghiên cứu topo của vũ trụ đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà vũ trụ học. Nhiều vũ trụ xét về mặt hình học là một vũ trụ vô hạn (infinite) song nếu chú ý đến topo (tức đến toàn cục) thì lại là một vũ trụ hữu hạn (finite). Nhiều số liệu quan sát CMB (Cosmic Microwave Background – Bức xạ Phông Vũ trụ) cũng có thể được chính xác hóa thêm nhờ những chi tiết phát sinh từ những hệ quả topo. Sách giới thiệu với bạn đọc những nét tổng quát về ảnh hưởng của topo đến vũ trụ học.

* Giới thiệu số p-adic: Mô hình được kỳ vọng sẽ là một công cụ toán học cho lý thuyết thống nhất (TOE). Các số p-adic được nhà toán học Kurt Hensen tìm ra từ cuối thế kỷ 19 (năm 1897) để bổ sung cho tập các số thực, hữu tỷ và số phức. Tập các số p-adic dẫn đến metric không – Archimedean thích hợp cho sự mô tả không thời gian gián đoạn. Cùng với vẻ đẹp toán học, các số p-adic có thể trở thành một công cụ hữu hiệu giúp các nhà vật lý mô tả chính xác hơn thế giới khách quan trong nhiều lĩnh vực từ vi mô đến vĩ mô: cơ học lượng tử, lý thuyết dây, môi trường đông đặc, vũ trụ học,.. và  khoa học nhận thức, có thể được sắp xếp theo hình cây sau đây:

* Vũ trụ, hạt nhân, hạt cơ bản, môi trường đông đặc, máy tính lượng tử.

* Toán và vật lý, các lý thuyết thống nhất, sóng hấp dẫn.

* Xích Markov, Giả tinh thể.

Cuốn 3: VẬT LÝ NGÀY NAY. NXB TRI THỨC in năm 2016, 440 trang

Tập 3 cũng được trình bày trong 9 chương sách, với những nội dung chính sau đây:

* Tính không định xứ và không hiện hữu:  Tính không định xứ (non-locality), thể hiện qua bất đẳng thức Bell giới thiệu ở trên, được bàn đến trong song hành với tính không hiện hữu (non-realism) như hai tính chất quan trọng của thế giới khách quan. Quan điểm “không định xứ và không hiện hữu” được cho là phù hợp với thực nghiệm và chống lại quan điểm “định xứ và hiện hữu”. Tập 3 của bộ sách giúp bạn đọc làm quen với những thông tin về vấn đề lý thú này.

* Một số thông tinh ban đầu từ các quan điểm vật lý về vấn đề vật chất sống (living) và không sống (non-living): Liệu có thể dung hòa các nhận thức của chúng ta đối với hai vương quốc vật chất sống và không sống? Nhiều thế kỷ đã phân chia hai vương quốc này. Các nhà khoa học theo thuyết sức sống tin rằng tồn tại một lực sống đã tổ chức nên các cơ thể sống và điều hành mọi hành xử của chúng. Hiện nay các nhà vật lý và hóa học dường như không tin vào thuyết sức sống và đưa ra cách tiếp cận để tìm hiểu sơ bộ về quá trình tự tổ chức quan sát được trong vương quốc của sự sống dựa trên những cấu trúc phát tán phát hiện bởi Prigogine (Nobel 1977) và trên hiện tượng đột sinh trong lý thuyết phức hợp phát triển bởi Laughlin (Nobel 1998) và nhiều người khác. Các nhà vật lý (Schroedinger, Penrose,…) đã từng nhấn mạnh vai trò của lý thuyết lượng tử trong sinh học. Thêm vào đấy vũ trụ toàn ảnh xây dựng bởi Bohm và Pribram lại cho thấy rằng có mối liên thông giữa hai vương quốc vật chất sống và không sống.

* Sóng hấp dẫn, lỗ đen vi mô, QBism, ER=EPR.

* Du hành về tương lai và quá khứ, hạt nhân.

* Máy tính lượng tử, Vật lý và sinh học.

* Cơ học Bayesianism, Máy tính lượng tử topo.

* Xu hướng hạt nhân tiền tiến.

* Lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng (LQG).

Cuốn 4: NHỮNG VẤN ĐỀ MỚI TRONG VẬT LÝ HIỆN ĐẠI. NXB TRI THỨC in năm 2018, 430 trang

Tập 4 được trình bày theo bố cục 3 phần trong 7 chương sách, với những nội dung chính sau đây:

* Các lý thuyết đồng điều (homology) và đối đồng điều (cohomology):

Các lý thuyết đồng điều và đối đồng điều có nhiều ứng dụng trong vật lý như nghiên cứu các tích phân Feynman và nghiên cứu các trạng thái topo trong môi trường đông đặc. Một số nhà vật lý cho rằng muốn tìm hiểu được mọi trạng thái khả dĩ của vật chất nhất thiết phải sử dụng đến các lý thuyết đồng điều và đối đồng điều.

* AdS/CFT và các ứng dụng:

AdS/CFT là một đối ngẫu – duality (hay còn được gọi là hệ thức tương đương – correspondence) giữa hấp dẫn (nằm trên không gian AdS) và một lớp lý thuyết trường gọi là conformal (CFT) nằm trên biên của AdS. Đây là một đối ngẫu kỳ thú do Maldacena tìm ra năm 2005 thu được số lượng tham khảo và trích dẫn kỷ lục từ cộng đồng vật lý quốc tế vì sự quan trọng và tính mới lạ của nó đối với vật lý hiện đại.

* Meson sắc đẹp, ER=EPR, Lý thuyết dây, Đại số và lý thuyết số.

* Vũ trụ lượng tử, hiệu ứng Casimir, hấp dẫn entropic, cách mạng nhiệt động học.

* Triết học vật lý, Pha topo và dịch chuyển pha topo.

* Trường chuẩn và không gian phân thớ, Hạt ma Fadeev-Popov.

* Hội thảo Vật lý – Triết học Munich.

* Các lý thuyết chuẩn tương tác mạnh.

* Vật lý các môi trường đông đặc.

* Lỗ đen và hấp dẫn lượng tử, Thủy động học tương đối.

* Hiện sinh, phân tâm học.

Cuốn 5: VẬT LÝ HIỆN ĐẠI ± MỘT SỐ VẤN ĐỀ THỜI SỰ. NXB Khoa học và Kỹ thuật in năm 2020, 312 trang

Tập 5 được trình bày trong 7 chương sách, với những nội dung chính sau đây:

* Va chạm kilonova của hai sao neutron: Ngày 17/08/2017 hai trạm giao thoa laser LIGO (ở Mỹ) và Virgo (ở Italy) đã cùng quan sát và ghi đo được tín hiệu sóng hấp dẫn lần đầu tiên từ một vụ va chạm cuộn hút vào nhau của hai sao neutron với khối lượng tổng gần băng ba lần khối lượng mặt trời, nay được gọi là GW170817. Chỉ khoảng 2 giây sau tín hiệu sóng hấp dẫn, các trạm quan sát bức xạ gamma trong không gian Fermi và Integral đã ghi nhận được bùng chớp tia gamma siêu mạnh, gọi là GRB 170817 phát ra từ sự kiện này. Siêu lóe chớp gamma như vậy phát ra năng lượng tương đương hàng tỷ lần tổng năng lượng mặt trời được biết đến như kilonova. Ngoài ra, bức xạ điện từ của GW170817 với tần số trải rộng từ tia X cho đến sóng radio đã được hơn 70 đài thiên văn trên thế giới ghi đo lại. Cùng với tín hiệu sóng hấp dẫn, dữ liệu bức xạ gamma GRB 170817 đã giúp cộng đồng vật lý hạt nhân thiên văn khẳng định được những vụ va chạm sao neutron như vậy là chính nguồn sinh tạo ra các nguyên tố nặng trong vũ trụ, Sự kiện GW170817 cũng là khởi đầu của thiên văn học đa tín hiệu (multi-messenger astronomy), một lĩnh vực vật lý đa ngành rất thời sự từ năm 2017 đến nay.      

* Định lý Noether:

Emmy Noether (23/3/1882 – 14/4/1935), một nhà nữ toán học Đức đã được sinh ra trong thành phố này và ở đấy đến năm 1925 khi bà rời thành phố để đến Goettingen theo lời mời của David Hilbert và Felix Klein. Đến nay đã hơn 100 năm kể từ năm 1918 khi Emmy Noether công bố công trình “Invariante Variationsprobleme – Các bài toán biến phân bất biến”, khi bà vừa tròn 36 tuổi. Công trình với các định lý trong đó hiện nay được xem là cơ sở toán học chặt chẽ cho các dạng đối xứng và định luật bảo toàn quan trọng nhất trong vật lý, góp phần xây dựng lên nền tảng của vật lý hiện đại trong thế kỷ 20.

* QCD: Quantum Chromodynamics – Sắc động học lượng tử

Lý thuyết QCD được xem là lý thuyết cơ bản về tương tác mạnh. Chúng ta biết trong thiên nhiên có 4 loại tương tác:hấp dẫn, mạnh, yếu, điện từ.  QCD mô tả tương tác mạnh nên là một bộ phận lý thuyết lớn của thiên nhiên. Nhờ có QCD + với các lý thuyết khác mà chúng ta đã quét được mọi khoảng cách từ vi mô đến vĩ mô của vũ trụ.

* Entropy – động lực vũ trụ.

* Lỗ đen và lỗ trắng, Tương tự quang học của bức xạ Hawking.

* Lý thuyết nút, Cách điện topo.

* Fractal, Hai bài toán thiên niên kỷ.

* Không thời gain được dệt bằng các liên đới, Entanglement.

* Thi sĩ William Blake và truyền thuyết Tăng Tử, Trang Tử.

Cuốn 6: VẬT LÝ HIỆN ĐẠI.NXB TRI THỨC in năm 2021, 356 trang

Tập 6, tập cuối của bộ sách, được trình bày trong 7 chương sách, với những nội dung chính sau đây:

* Pha Berry và số Chern:

Ta đã biết về hình học của không thời gian, vậy nếu xét không phải không thời gian mà xét ngay tập các hàm sóng lượng tử mô tả các hạt thì có thể đưa các khái niệm hình học vào tập này hay không? Tập này có liên thông (connection) và có độ cong không? Bạn đọc sẽ thấy tập này thực sự có liên thông và độ cong, đó là được gọi là độ cong Berry (mang tên nhà vật lý Michael Victor Berry).

* Ghép đôi:

DOUBLE COPY (GRAVITY ~ GAUGE x GAUGE )

Các nhà vật lý lý thuyết vừa phát hiện ra một đối ngẫu mới giữa màu sắc và động học (new duality between color and kinematics). Đối ngẫu này cho phép xây dựng một biên độ tán xạ hấp dẫn bằng cách thay thừa số màu bằng một thừa số động học. Khi đó ta có sơ đồ sau:

GRAVITY = KINEMATIC CỦA GAUGE x KINEMATIC CỦA GAUGE

Đây là một kết quả quan trọng: có được sự tương hợp tử ngoại (ultraviolet compatibility) của các phương án đối xứng (version symmetric) của lý thuyết hấp dẫn Einstein. Phát hiện này cho ta thấy được mối liên hệ kỳ diệu giữa lý thuyết chuẩn và hấp dẫn (surprising relation). Do ở đây không còn xuất hiện các vô cực tử ngoại (UV infinities) nên hấp dẫn trở thành một lý thuyết thích hợp.

* Khủng hoảng hằng số Hubble, Tam giác vũ trụ, Lỗ đen âm thanh.

* Nghịch lý Hawking, Đồng điều và topo.

* Cơ học lượng tử Bayes, Giản đồ Quigg, Hạt fracton.

* Hạt nhân thế kỷ 21, Xoắn tử, Homo và Topo.

* Collapsar, Lỗ sâu đi qua được, Lỗ đen có tóc.

* Cô học dBB, Dây và Môi trường đông đặc

* Hạt skyrmion, Hạt dilaton, Hạt axion, Hạt fracton. 

LỜI KẾT

Bộ sách về Vật Lý Hiện Đại giới thiệu ở trên là một công trình đồ sộ được tác giả Cao Chi thực hiện trong hơn 20 năm qua, trình bày theo phong cách bách khoa toàn thư ngắn gọn nhưng rất sư phạm về nhiều vấn đề thời sự cùng những thành tựu phát minh, khám phá gần đây của vật lý hiện đại.

Chúng tôi hy vọng bộ sách 6 tập này sẽ được chỉnh sửa, bổ sung và tái bản trong những năm tới. □