Nghiên cứu cơ bản thời khủng hoảng

Giáo sư vật lý Daniel Kleppner, Viện Công nghệ Massachusetts, đồng giám đốc Trung tâm Các nguyên tử siêu lạnh MIT-Harvard, từng giành giải Wolf Vật lý 2015, Huy chươmg Frederic Ives Medal 2007, Huy chương Benjamin Franklin 2014... và nhiều giải thưởng khác. Nguồn: physicstoday.

Ngày nay, sự phát triển bùng nổ của khoa học lại càng cần thiết, vì xã hội rất cần khoa học để đối phó với những vấn đề do biến đổi khí hậu gây ra như mực nước biển dâng cao, những cơn bão khủng khiếp, cháy rừng, hạn hán, và trên hết là nhu cầu về những nguồn năng lượng mới. Nhưng xã hội cũng rất cần thứ khoa học dù không tập trung vào những vấn đề đó nhưng có thể có vai trò cốt yếu trong việc giải quyết chúng. Hãy cùng điểm qua một số tiến bộ gần đây để giải thích cho ý này.

Câu “những con mắt ngày càng hoàn thiện” của Teihard đã khắc họa chính xác sự phát triển của kính thiên văn, từ những dụng cụ quang học thô sơ đầu thế kỷ 17 đến những kính thiên văn vũ trụ ngày nay. Động cơ của sự phát triển khó tin đó là sự tò mò đối với bản chất của vũ trụ: nó là thành quả của nghiên cứu cơ bản, được thúc đẩy bởi niềm thích thú khi hiểu về thế giới; nó tương phản với nghiên cứu ứng dụng, vốn được thúc đẩy bởi nhu cầu giải quyết một vấn đề thực dụng nào đó. Câu nói của Teihard đã mô tả khá tốt nghiên cứu cơ bản.

Công cuộc tìm kiếm một lý thuyết về lực hấp dẫn – chính là Thuyết tương đối rộng – của Einstein là một thí dụ điển hình về nghiên cứu cơ bản. Bài toán mà ông tìm cách giải, tạo ra một lý thuyết tránh được một số điểm mâu thuẫn trong Thuyết hấp dẫn của Newton, hầu như không được ai khác quan tâm và, ít nhất tại thời đó, chẳng có ứng dụng dễ hiểu nào.

Một hệ quả gây sửng sốt của lý thuyết của Einstein là trọng lực tác động đến thời gian. Một cái đồng hồ đặt trên đỉnh núi thì chạy nhanh hơn chút xíu so với một cái đồng hồ y hệt ở độ cao mặt nước biển: một cái đồng hồ trên đỉnh Everest mỗi tháng chạy nhanh thêm vài phần triệu giây.

Dự đoán của Einstein về ảnh hưởng của trọng lực lên thời gian kích thích một cuộc tìm kiếm thực nghiệm. Nó bắt đầu vào ngày 21 tháng 6 năm 1945, ngày tờ New York Times đăng một bài báo với tiêu đề “'Cosmic pendulum' for clock planned1.” Nó thuật lại một bài phát biểu tại một cuộc họp của Hội Vật lý Mỹ ở thành phố New York; diễn giả là Isidor Isaac Rabi, một nhà vật lý học tại Đại học Columbia. Rabi đề xuất tạo ra một chiếc đồng hồ mà mỗi “tích tắc” được xác định không phải bởi dao động của một con lắc, mà bởi xung của một nguyên tử ở một tần số tự nhiên của nó, theo đó ông đã phát minh ra một kỹ thuật để đo.

Ngày nay, sự phát triển bùng nổ của khoa học lại càng cần thiết, vì xã hội rất cần khoa học để đối phó với những vấn đề do biến đổi khí hậu gây ra và trên hết là nhu cầu về những nguồn năng lượng mới. Nhưng xã hội cũng rất cần thứ khoa học dù không tập trung vào những vấn đề đó nhưng có thể có vai trò cốt yếu trong việc giải quyết chúng.

Độ chính xác của một chiếc đồng hồ nguyên tử như thế có thể cao đến mức khó tin. Bài báo viết: “Giáo sư Rabi nói rằng ông muốn thấy ai đó tạo ra một chiếc đồng hồ nguyên tử cho phép lần đầu tiên kiểm tra ở ngay trên Trái đất định đề của Einstein rằng trường hấp dẫn làm thay đổi tần số phát xạ.” Như vậy, việc phát minh ra đồng hồ nguyên tử trực tiếp nảy sinh từ thắc mắc liệu lực hấp dẫn có ảnh hưởng đến đồng hồ, nghĩa là đến thời gian, hay không. Một chiếc đồng hồ chính xác đến như vậy không có ứng dụng dễ nhận thấy nào khác, vì thế nhiệm vụ đó là một thí dụ hoàn hảo về nghiên cứu cơ bản.

Người ta không vội tạo ra chiếc đồng hồ nguyên tử sau bài phát biểu năm 1945 của Rabi. Nền nghiên cứu khi đó hỗn loạn vì cuộc Chiến tranh Thế giới II, ngoài ra còn một số rào cản kỹ thuật. Nghiên cứu về đồng hồ nguyên tử bắt đầu được tiến hành một cách nghiêm túc vào khoảng năm 1950, và chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên2 được giới thiệu tại Anh, năm 1954. Đó là chiếc đồng hồ nguyên tử cesium.

Năm 1956, Norman Ramsey, từng là sinh viên của Rabi, đề xuất một loại đồng hồ nguyên tử khác có thể giúp nghiên cứu về dự đoán của Einstein về lực hấp dẫn và thời gian. Thiết bị này, được gọi là maser hydro, được giới thiệu năm 1960. Ngày nay, maser hydro có mặt ở hầu hết các phòng thí nghiệm lưu giữ giờ chuẩn, cùng với các đồng hồ nguyên tử lưu giữ giờ quốc tế khác.

Kính viễn vọng Greenland là một trong 8 kính viễn vọng thuộc nhóm Event Horizon Telescope toàn cầu nhằm quan sát lỗ đen. Nguồn: physicstoday

Mặc dù maser hydro được tạo ra để kiểm chứng giả thuyết của Einstein về lực hấp dẫn và thời gian, nó lại có những ứng dụng bất ngờ đáng chú ý. Chẳng hạn, nhờ có nó mà kỹ thuật thiên văn vô tuyến có tên giao thoa khoảng cách xa (VLBI) mới thực hiện được. Tại mỗi đài thiên văn vô tuyến, một maser đo chính xác thời điểm nhận tín hiệu, qua đó cho phép các phòng thí nghiệm cách xa nhau đồng bộ hóa dữ liệu quan sát được. Với VLBI, các nhà thiên văn học có thể tạo ra các ăng-ten thiên văn vô tuyến có kích thước bằng kích thước cả Trái Đất; chúng cho phép họ lập ra bản đồ hydro của vũ trụ chi tiết một cách đáng kinh ngạc, và cho phép nhìn vào quá khứ đến thời điểm hình thành của vũ trụ.

Một bước tiến mới về ranh giới của lực hấp dẫn mới được công bố. Tại tâm dải Ngân hà, một lỗ đen khổng lồ đang nuốt những vật chất xung quanh. Vật chất rơi vào lỗ đen vĩnh viễn biến mất, nhưng chúng phát xạ mạnh khi đi qua một vùng gọi là chân trời sự kiện. Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT), một hệ thống VLBI hiện đại, cho phép chúng ta quan sát quá trình đó, bằng cách kết hợp các tín hiệu từ các kính thiên văn vô tuyến ở khắp nơi trên thế giới. Tháng 4 vừa rồi, nhóm nghiên cứu EHT công bố bức ảnh rõ ràng đầu tiên của hố đen trung tâm của Thiên hà M87. Kính thiên văn EHT sẽ cho phép nghiên cứu những dự đoán của thuyết tương đối rộng về những hiện tượng chưa từng được chứng kiến trước đó: vật chất chuyển động trong những trường hấp dẫn cực mạnh.

Hiệu ứng to lớn nhất của đồng hồ nguyên tử đối với xã hội là sự ra đời của hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Về cơ bản, đó là một hệ thống đo thời gian, với cái lõi là những chiếc đồng hồ nguyên tử. Theo hiểu biết của tác giả, trước khi có đồng hồ nguyên tử, chưa từng có ai nghĩ đến một hệ thống như vậy, và không ai có thể tưởng tượng được sức mạnh của chúng. Ngày nay, GPS đảm bảo hoạt động của các hệ thống điều khiển không lưu dẫn đường cho máy bay, cũng như các hệ thống dẫn đường trên bộ có trong điện thoại thông minh hay trong xe hơi. Nó giúp đồng bộ hóa các mạng thông tin liên lạc và lưới điện, và không thể thiếu trong các hệ thống cấp cứu. Nhưng trên hết, GPS cực kỳ cần thiết để hiểu vì sao biến đổi khí hậu là hiểm họa diệt vong của nhân loại.

Để hiểu về khí hậu toàn cầu, cần có dữ liệu của nhiều yếu tố: dòng năng lượng bức xạ Trái đất nhận được và mất đi, profile nhiệt độ theo bề ngang và theo độ cao, độ phủ của mây và nhiệt độ, profile mặt biển và mặt đất, nhiệt độ và tốc độ gió bề mặt đại dương, lượng mưa toàn cầu, lượng nước trong khí quyển,v.v. Và lượng dữ liệu thu thập được là khổng lồ.

Nguồn dữ liệu chính về khí hậu Trái đất là các vệ tinh khí tượng trên các quỹ đạo cực, một số của Mỹ, một số của châu Âu. Các vệ tinh này quét toàn bộ bề mặt Trái đất bốn lần mỗi ngày. Chúng thường làm việc theo cặp, trao đổi các tín hiệu radar và lidar để đo lượng nước trong vùng cao nhất của khí quyển. Số liệu này rất quan trọng, vì hầu hết nước trong khí quyển tập trung ở vùng này. Ngoài đội vệ tinh khí tượng trên các quỹ đạo cực, những cụm vệ tinh đồng bộ hóa từ nhiều nước khác nhau liên tục nhìn Trái đất. Nước Mỹ có hai cụm nhìn toàn bộ lãnh thổ, một nhìn phần phía Đông và một nhìn phần phía Tây.

Vì hầu hết các số liệu về khí hậu toàn cầu đó không thể đo được nếu thiếu GPS, chúng ta càng cần nhớ rằng nguồn gốc của hệ thống này chỉ là sự tò mò về Thuyết tương đối rộng. GPS là một công nghệ thay đổi cuộc sống mọc ra từ nghiên cứu cơ bản. Chúng ta có thể chỉ ra nhiều thí dụ khác minh họa việc nghiên cứu cơ bản dẫn đến những tiến bộ thay đổi cuộc sống. Trong vật lý chẳng hạn, nghiên cứu của Charles Townes về các phân tử trong không gian dẫn đến phát minh ra laser, và những nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử của Edward Purcell và Felix Bloch dẫn đến phát minh ra phương pháp chụp cộng hưởng từ.

Tác giả nhấn mạnh lợi ích không ngờ của nghiên cứu cơ bản vì nhu cầu khẩn cấp của xã hội về những cách mới để đối phó với những khủng hoảng ngày càng tăng do biến đổi khí hậu. Báo cáo mới nhất của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) kết luận rằng những báo cáo trước đó đã có sai sót vì quá thận trọng: thời gian còn lại để cắt giảm luồng khí nhà kính ít hơn dự tính trước đó. Chúng ta đứng trước nguy cơ xảy ra một tình huống mất kiểm soát, khi nhiệt độ cao hơn của Trái đất lại góp phần làm tăng tốc quá trình nóng lên. Một quá trình như vậy sẽ dẫn đến thay đổi lớn về khí hậu và làm cho nước biển dâng lên đến mức thảm họa. Chúng ta đã không thể nhận ra nhân loại đang ở gần thảm họa tới mức như thế nếu không có được những thành tựu quan trọng kể trên của khoa học cơ bản.

Các công dân – cả các nhà khoa học lẫn những người không làm khoa học – cần lên tiếng vì khoa học và đặc biệt vì giá trị của nghiên cứu cơ bản.

Ngày nay, hỗ trợ nghiên cứu cơ bản ở nước Mỹ ngày càng ít đi. Cơ hội nghề nghiệp trong nghiên cứu cơ bản đang giảm dần, cũng như khả năng thu hút sinh viên giỏi từ trong nước Mỹ và từ nước ngoài. Đặt trong bối cảnh của báo cáo mới nhất của IPCC, sự bỏ bê nghiên cứu cơ bản có thể dẫn đến những nguy cơ khôn lường.

Nếu con người học được cách sống hòa hợp với thế giới tự nhiên, thì giai đoạn chuyển giao sẽ cần vai trò vô cùng quan trọng của khoa học. Vấn đề trước mắt của nước Mỹ là phải thuyết phục được Quốc hội rằng tình thế đã rất khẩn cấp. Đáng mừng là những năm áp dụng giáo dục STEM ở Mỹ bắt đầu cho kết quả. Số công dân và đại biểu Quốc hội có hiểu biết khoa học đang tăng. Các đại biểu sẽ lắng nghe nếu các công dân – cả các nhà khoa học lẫn những người không làm khoa học – lên tiếng vì khoa học và đặc biệt vì giá trị của nghiên cứu cơ bản. □

Nguyễn Hoàng Thạch dịch

Nguồn: https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4194