🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Vật Lý Của Những Điều Tưởng Chừng Bất Khả Ebooks Nhóm Zalo https://thuviensach.vn [ebook©vctvegroup] Vật lý của những điều tưởng chừng bất khả —★— Tác giả: Michio Kaku Người dịch: Thới Ngọc Tuấn Quốc Phát hành: Alphabooks Nhà xuất bản Thế Giới 2019 https://thuviensach.vn NHỮNG LỜI NGỢI KHEN “Kaku khuyến khích chúng ta nhìn nhận nghiêm túc về những ý tưởng mà các bậc trí tuệ tinh anh nhất thế giới vẫn coi là điên rồ. Ông gợi nhắc chúng ta rằng chính những bộ óc siêu việt này đôi khi cũng tự hỏi liệu các lý thuyết và mô hình khác biệt đó có đủ điên rồ để trở thành sự thật.” — The Seattle Times “Cuốn sách thú vị và đầy cảm hứng; lời nhấn mạnh việc các nhà khoa học biết-tuốt cần tránh sớm tự mãn với những gì đã đạt được.” — Physics World “Cả những người hâm mộ khoa học và khoa học viễn tưởng đều có thể dễ dàng bắt theo những giải thích của Kaku, khi ông chỉ ra rằng trong thế giới khoa học diệu kỳ, những điều bất khả vẫn xảy ra mỗi ngày.” — Publishers Weekly “Cuốn sách cực kỳ dễ tiếp cận… Với sự nghiêm túc tuyệt đối, Kaku đã chạm đến những câu hỏi có thể khiến mọi cậu bé trở nên hứng thú.” — The Sunday Telegraph (London) “Cuốn sách đầy ắp thông tin bổ ích và rất dễ đọc… Kaku vui mừng lạc quan về những điều kỳ diệu đang chờ đợi chúng ta.” — The Inspector https://thuviensach.vn Dành tặng người vợ yêu của tôi, Shizue, cùng các con Michelle và Alyson https://thuviensach.vn LỜI NÓI ĐẦU Nếu một ý tưởng nghe chừng không có gì ngớ ngẩn thì đừng mong có hy vọng gì cho nó. — ALBERT EINSTEIN Liệu sẽ đến một ngày chúng ta có thể đi xuyên tường? Chế tạo được tàu vũ trụ di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng? Đọc được suy nghĩ của người khác? Tàng hình? Di chuyển đồ vật bằng ý nghĩ? Hay dịch chuyển tức thời? Từ thuở bé, tôi đã luôn bị cuốn vào những câu hỏi như vậy. Giống như nhiều nhà vật lý khác, lớn lên tôi cũng bị mê hoặc bởi khả năng du hành thời gian, súng bắn tia, trường lực, các vũ trụ song song, v.v. Pháp thuật, những tác phẩm huyền ảo, khoa học viễn tưởng là sân chơi rộng lớn cho trí tưởng tượng của tôi. Chúng đã khơi nguồn trong tôi tình yêu lâu dài cho những điều tưởng chừng không thể. Tôi còn nhớ hồi xem series phim truyền hình Flash Gordon[1] chiếu trên tivi. Cứ mỗi thứ Bảy, tôi lại dán mắt vào màn hình, kinh ngạc trước những cuộc phiêu lưu của nhóm Flash, tiến sĩ Zarkov và Dale Arden với những thiết bị tuyệt vời mang công nghệ của tương lai: tàu tên lửa, áo khoác tàng hình, súng bắn tia và những thành phố trên không. Tôi không bỏ lỡ tập nào. Chương trình đã mở ra một thế giới hoàn toàn mới trước mắt tôi. Tôi hứng khởi với ý nghĩ một ngày nào đó sẽ được cưỡi tên lửa đặt chân lên miền đất của người ngoài hành tinh và khám phá địa thế lạ lẫm ấy. Bị những phát minh tuyệt vời này cuốn hút, tôi biết cuộc đời mình sẽ gắn liền với những thành tựu khoa học hứa hẹn mà bộ phim gợi mở. Và hóa ra, tôi không hề đơn độc. Nhiều nhà khoa học lẫy lừng cũng trở nên hứng thú với khoa học nhờ khoa học viễn tưởng. Nhà thiên văn học vĩ đại Edwin Hubble đam mê các tác phẩm của Jules Verne tới mức quyết định từ bỏ sự nghiệp luật gia hứa hẹn, không theo tâm nguyện của cha mà https://thuviensach.vn quyết tâm theo đuổi khoa học. Cuối cùng, ông trở thành nhà thiên văn học vĩ đại nhất thế kỷ 20. Carl Sagan, nhà thiên văn học lỗi lạc và tác giả nổi tiếng, đã được khai sáng sau khi đọc loạt truyện John Carter of Mars (John Carter ở Hỏa Tinh) của nhà văn Mỹ Edgar Rice Burroughs. Giống như nhân vật John Carter trong truyện, ông mơ ước một ngày được thám hiểm những dải cát của Hành tinh Đỏ. Ngày Albert Einstein qua đời, tôi hãy còn là một đứa trẻ, nhưng tôi nhớ người ta nói về cuộc đời và sự ra đi của ông đầy kính cẩn. Ngày hôm sau, tôi thấy trên báo một bức ảnh chụp bàn làm việc với những bản thảo dở dang của công trình vĩ đại nhất nhưng chưa hoàn tất của ông. Tôi tự hỏi điều gì quan trọng đến mức nhà khoa học vĩ đại nhất thời đại của chúng ta lại không thể hoàn thành? Bài báo viết rằng Einstein có một giấc mơ bất khả thi, một vấn đề quá khó mà không người phàm tục nào có thể hoàn thành. Tôi phải mất hàng năm trời mới tìm ra được bản thảo đó viết về cái gì: nó viết về một lý thuyết vĩ đại, thống nhất; một “lý thuyết của vạn vật”. Giấc mơ ấy — thứ đã lấy đi ba thập kỷ cuối đời ông — giúp tôi đưa những suy tưởng của mình tập trung hơn. Tôi mong muốn, theo cách nhỏ bé nào đó, được là một phần trong nỗ lực hoàn thành công trình của Einstein, để thống nhất các định luật vật lý thành một lý thuyết duy nhất. Khi lớn hơn, tôi bắt đầu nhận ra rằng mặc dù nhân vật anh hùng Flash Gordon luôn chiếm được thiện cảm của các nhân vật nữ chính, nhưng chính nhân vật nhà khoa học mới là linh hồn của series truyền hình ấy. Không có tiến sĩ Zarkov thì sẽ không có tàu tên lửa, không có các hành trình tới Mongo, cũng chẳng thể giải cứu Trái Đất. Chỉ có những pha mạo hiểm, mà không có khoa học, thì sẽ chẳng có khoa học viễn tưởng. Và rồi tôi nhận ra những câu chuyện này bất khả về mặt khoa học; chúng chỉ là sự bay bổng của trí tưởng tượng. Càng lớn người ta càng rời xa những ảo tưởng như vậy. Tôi được dạy rằng trong đời thực, ta phải rời xa những điều bất khả và đón nhận những thứ thực tiễn hơn. Tuy vậy, tôi đã kết luận rằng nếu tôi vẫn muốn tiếp tục theo đuổi những suy tưởng dường như bất khả ấy thì chìa khóa nằm trong địa hạt của vật lý học. Nếu không có nền tảng vững chắc về vật lý tiên tiến, tôi sẽ mãi phải suy đoán về những công nghệ tương lai mà không biết liệu chúng có khả năng trở thành hiện thực hay không. Tôi nhận ra cần phải đắm mình trong lĩnh vực toán cao cấp và nghiên cứu về vật lý lý thuyết. Và đó chính là https://thuviensach.vn những điều tôi đã làm. Trong một dự án khoa học thời trung học, tôi đã lắp ráp một máy nghiền nguyên tử trong gara của mẹ. Tôi đến công ty Westinghouse và xin được hơn 180 kg thép bỏ đi. Cả kỳ nghỉ Giáng sinh, tôi đã nối hơn 35 km dây dồng trên sân bóng của trường. Cuối cùng, tôi đã xây dựng thành công một máy gia tốc hạt beta 2,3 triệu eV (electronvolt) ngốn đến gần 6 kw điện (toàn bộ công suất điện của gia đình tôi) và tạo ra một từ trường lớn gấp 20.000 lần từ trường Trái Đất. Mục đích của thiết bị này là phát ra chùm tia gamma đủ mạnh để tạo phản vật chất. Dự án khoa học của tôi được tham dự Triển lãm Khoa học Quốc gia và đã giúp tôi thực hiện giấc mơ của mình — giành học bổng vào Harvard, nơi tôi có thể theo đuổi mục tiêu trở thành một nhà vật lý lý thuyết và tiếp bước thần tượng Albert Einstein. Ngày nay, tôi vẫn nhận được nhiều email từ các nhà văn và biên kịch phim khoa học viễn tưởng nhờ trau chuốt các câu chuyện của họ bằng cách khám phá giới hạn của các định luật vật lý trong đó. “BẤT KHẢ” CHỈ LÀ TƯƠNG ĐỐI Là một nhà vật lý, tôi học được rằng “bất khả thi” thường là một giới hạn tương đối. Tôi còn nhớ thời đi học, cô giáo đến bên tấm bản đồ Trái Đất treo trên tường và chỉ cho chúng tôi đường bờ biển của Nam Mỹ và châu Phi. Cô cũng nói liệu đây có phải chỉ là một sự trùng hợp kỳ lạ khi hai đường bờ biển này vừa khít với nhau như hai miếng xếp hình. Cô nói một số nhà khoa học cho rằng có lẽ chúng từng nằm chung trên một lục địa rộng lớn. Nhưng khi ấy người ta cho điều này là ngớ ngẩn. Không có tác động nào đủ mạnh để đẩy hai lục địa lớn ra xa nhau. Suy nghĩ đó là bất khả, cô kết luận. Cũng trong năm học đó, chúng tôi nghiên cứu về khủng long. Giáo viên nói với chúng tôi rằng các em có thấy lạ không khi loài khủng long ngự trị trên Trái Đất suốt hàng triệu năm rồi bỗng dưng biến mất vào một ngày nọ? Không ai biết tại sao chúng tuyệt chủng. Một vài nhà cổ sinh vật học cho rằng có lẽ một thiên thạch đã tiêu diệt chúng, nhưng khi ấy người ta cho điều này là bất khả, chỉ tồn tại trong khoa học viễn tưởng. Ngày nay chúng ta biết rằng các lục địa thực sự có di chuyển do hoạt https://thuviensach.vn động kiến tạo mảng và 65 triệu năm trước rất có thể một thiên thạch có đường kính hơn chín kilômét đã xóa sổ khủng long và hầu hết sự sống khỏi Trái Đất. Trong những năm cuộc đời ngắn ngủi đã qua, tôi từng thấy hết lần này đến lần khác những điều tưởng như bất khả dần trở thành các thực tế khoa học. Vậy liệu có bất khả không khi nghĩ rằng một ngày nào đó chúng ta có thể dịch chuyển tức thời từ nơi này đến nơi khác, hay chế tạo một phi thuyền không gian đưa loài người vượt nhiều năm ánh sáng đến các ngôi sao xa xôi? Những kỳ công như vậy thường được các nhà vật lý hiện nay nhìn nhận là bất khả thi. Nhưng vài thế kỷ tới thì sao? Hoặc 10.000 năm tới, khi công nghệ của chúng ta đã tiến bộ vượt bậc? Hay một triệu năm nữa? Hoặc theo cách khác, nếu chúng ta chạm trán với một nền văn minh tiến bộ hơn hàng triệu năm, liệu công nghệ mà họ sử dụng hàng ngày có giống như “ma thuật” đối với chúng ta hay không? Đây chính là một trong những câu hỏi xuyên suốt cuốn sách này: dù “bất khả thi” ở thời điểm hiện tại thì trong tương lai hàng thế kỷ hoặc cả triệu năm tới liệu đó có còn là điều không thể? Dựa vào những thành tựu nổi bật đã đạt được trong thế kỷ trước, đặc biệt là sự khai sinh thuyết lượng tử và thuyết tương đối rộng, hiện nay chúng ta có thể ước lượng sơ bộ về thời điểm một số công nghệ tuyệt vời trên được đưa vào thực tiễn. Với sự tham gia của các lý thuyết tân tiến hơn nữa, như lý thuyết dây chẳng hạn, ngay cả những khái niệm chỉ có trong khoa học viễn tưởng như du hành thời gian và vũ trụ song song cũng đều đang được các nhà vật lý hiện nay xem xét lại. Hãy nghĩ về 150 năm trước: những công nghệ mà các nhà khoa học thời đó cho là bất khả thi thì hiện nay lại là một phần của cuộc sống thường nhật. Jules Verne viết cuốn tiểu thuyết Paris in the twentith (Paris ở thế kỷ 20) vào năm 1863 nhưng không xuất bản và nó bị rơi vào quên lãng cả thế kỷ, cho đến khi được một người chắt trai của nhà văn tình cờ phát hiện và xuất bản lần đầu tiên vào năm 1994. Trong sách, Verne đã tiên đoán quang cảnh Paris vào năm 1960. Cuốn tiểu thuyết này đầy ắp công nghệ được cho là bất khả thi vào thế kỷ 19, bao gồm máy fax, hệ thống thông tin toàn cầu, những tòa nhà kính chọc trời, xe hơi chạy bằng khí đốt và tàu tốc hành chạy trên cao. Không hề ngạc nhiên khi Verne có thể đưa ra những tiên đoán chính xác đến như vậy, vì ông đã đắm mình trong thế giới của khoa học và học hỏi từ https://thuviensach.vn những bộ óc học thuật quanh mình. Chính niềm trân trọng sâu sắc dành cho các nền tảng khoa học đã cho phép ông đưa ra những dự báo gây sửng sốt đến vậy. Buồn thay, một số nhà khoa học lớn nhất của thế kỷ 19 lại có quan điểm trái ngựợc và cho rằng các công nghệ như vậy hoàn toàn là bất khả thi. Nam tước Kelvin, có lẽ là nhà vật lý lỗi lạc nhất thời Victoria (ông được chôn cất bên cạnh Isaac Newton trong tu viện Westminster), đã tuyên bố những phương tiện “nặng hơn không khí” như máy bay là bất khả. Ông nghĩ tia X chỉ là trò bịp và chẳng có tương lai nào cho sóng vô tuyến. Nam tước Rutherford, người phát hiện ra hạt nhân của nguyên tử, lại gạt bỏ khả năng chế tạo ra bom nguyên tử và xem ý tưởng ấy là điên rồ. Các nhà hóa học thế kỷ 19 cũng cho rằng công cuộc tìm kiếm đá hiền triết, vật hoang đường có thể biến chì thành vàng, sẽ đi vào ngõ cụt. Hóa học của thế kỷ 19 dựa trên tính chất cơ bản bất biến của các nguyên tố, như chì. Tuy nhiên, với những máy va chạm nguyên tử ngày nay, về nguyên tắc chúng ta có thể biến chì thành vàng. Hãy nghĩ xem, những công nghệ ngày nay như tivi, máy vi tính và Internet hẳn phải có vẻ “kỳ diệu” thế nào vào thời điểm chuyển giao sang thế kỷ 20. Cho đến gần đây thôi, hố đen vẫn được xem là một thứ thuộc về khoa học viễn tưởng. Bản thân Einstein đã viết một bài nghiên cứu vào năm 1939 để “chứng minh” hố đen không thể nào hình thành. Nhưng ngày nay Kính thiên văn Không gian Hubble và Kính thiên văn tia X Chandra đã tìm thấy hàng ngàn hố đen tồn tại trong vũ trụ. Những công nghệ này được cho là “bất khả thi” là bởi các định luật cơ bản của vật lý và khoa học chưa được biết đến vào thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20. Với những khoảng trống lớn trong hiểu biết khoa học ở thời điểm đó, đặc biệt là ở thang nguyên tử, chẳng hề ngạc nhiên khi người ta coi các ý tưởng như vậy là bất khả thi. NGHIÊN CỨU NHỮNG ĐIỀU BẤT KHẢ THI Trớ trêu thay, nghiên cứu nghiêm túc về những thứ bất khả thi lại thường mở ra những lĩnh vực khoa học phong phú và hoàn toàn nằm ngoài dự tính. Ví dụ, cả thế kỷ tìm kiếm trong vô vọng một “động cơ vĩnh cửu” đã đưa các nhà vật lý đến kết luận loại máy như vậy không thể tồn tại, thúc đẩy họ https://thuviensach.vn tìm ra định luật bảo toàn năng lượng và ba định luật của nhiệt động lực học. Như vậy, việc cố gắng chế tạo động cơ vĩnh cửu đã mở ra một chân trời hoàn toàn mới là nhiệt động lực học, làm nền tảng cho động cơ hơi nước, thời đại cơ giới và xã hội công nghiệp hiện đại. Cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học cho rằng Trái Đất không thể đã tồn tại hàng tỷ năm. Nam tước Kelvin còn quả quyết Trái Đất nóng chảy chỉ mất từ 20 đến 40 triệu năm để nguội đi, ngược lại với quan điểm của giới địa chất học và các nhà sinh học theo trường phái Darwin cho rằng Trái Đất có thể đã hàng tỷ năm tuổi. Điều không thể ở đây cuối cùng được chứng minh là có thể, nhờ phát hiện của bà Curie và cộng sự về lực hạt nhân, cho thấy cách lõi Trái Đất được duy trì ở trạng thái nóng chảy hàng tỷ năm nhờ sự hấp nhiệt từ các phân rã phóng xạ. Chúng ta cũng tự đặt mình vào hiểm nguy nếu cứ phớt lờ những điều bất khả. Những năm 1920 và 1930, Robert Goddard, người phát minh ra tên lửa hiện đại, đã trở thành đối tượng chỉ trích kịch liệt của những người nghĩ rằng tên lửa không thể di chuyển trong không gian ngoài vũ trụ. Họ mỉa mai gọi những theo đuổi của ông là “trò ngốc của Goddard”. Năm 1921, các biên tập viên Thời báo New York gần như đã sỉ vả công trình của ông: “Tiến sĩ Goddard không biết mối liên hệ giữa lực với phản lực và sự cần thiết phải có thứ gì đó chắc chắn hơn chân không để phản lại tác động. Có vẻ như ông thiếu những kiến thức căn bản mà người ta vẫn giảng dạy hằng ngày ở trường phổ thông.” Các biên tập viên nặng lời rằng tên lửa không hề khả thi vì không có không khí để đẩy ngược lại trong môi trường chân không. Thật đáng buồn khi người hiểu được ý tưởng của Goddard về các tên lửa “bất khả thi” này lại là Adolf Hitler. Trong Thế chiến II, hàng rào tên lửa tân tiến đến “bất khả” V-2 của Đức đã gieo rắc nỗi chết chóc và sự tàn phá xuống London. Nghiên cứu về điều bất khả còn có thể làm thay đổi lịch sử thế giới. Những năm 1930, hầu hết các nhà khoa học, thậm chí cả Einstein đều tin rằng bom nguyên tử là “bất khả.” Các nhà vật lý đều biết có một năng lượng khổng lồ bị nhốt bên trong hạt nhân nguyên tử, theo phương trình của Einstein E = mc2, nhưng năng lượng giải phóng từ từng hạt nhân riêng lẻ lại không mấy đáng kể. Tuy nhiên, nhà vật lý nguyên tử Leo Szilard nhớ rằng trong tiểu thuyết The World Set free (Thế giới tự do) của H. G. Wells xuất bản năm 1914 mà ông từng đọc, tác giả đã tiên đoán về sự phát triển https://thuviensach.vn của bom nguyên tử. Trong sách, Wells cho rằng bí mật của bom nguyên tử sẽ được một nhà vật lý phát hiện vào năm 1933. Szilard tình cờ biết đến cuốn sách vào năm 1932 và bị nó thôi thúc, để rồi vào năm 1933, đúng như tiên đoán của Wells hai thập kỷ trước, ông ngộ ra ý tưởng tăng cường năng lượng của một nguyên tử đơn lẻ bằng phản ứng dây chuyền, giúp năng lượng phân hạch của mỗi hạt nhân urani tăng lên hàng ngàn tỷ lần. Tiếp đó, Szilard thực hiện một loạt thí nghiệm quan trọng và những cuộc thương thảo bí mật với Einstein cùng tổng thống Mỹ Franklin Roosevelt, từ đó dẫn đến Kế hoạch Manhattan chế tạo bom nguyên tử. Hết lần này đến lần khác, chúng ta nhận thấy việc nghiên cứu những điều bất khả thi đã mở ra những viễn cảnh mới mẻ, đẩy lùi các giới hạn của vật lý và hóa học, buộc các nhà khoa học phải định nghĩa lại những gì là “bất khả thi”. Như bác sĩ, nhà vật lý nổi tiếng người Canada William Osler từng nói: “Triết lý của một thời đại có thể trở nên lỗi thời ở thời đại tiếp theo, sự xuẩn ngốc của ngày hôm qua sẽ trở thành sự thông thái của ngày mai.” Nhiều nhà vật lý tán thành câu châm ngôn nổi tiếng mà nhà văn người Anh T. H. White trong cuốn The One and Future King (Nhà vua của quá khứ và tương lai): “Những gì không bị cấm đoán thì là bắt buộc!” Chúng ta vẫn luôn tìm thấy dẫn chứng cho điều này trong vật lý. Nếu không có một định luật vật lý nào ngăn cản một hiện tượng mới xảy ra thì rồi chúng ta sẽ thấy hiện tượng đó tồn tại. (Điều này đã xảy đến vài lần trong công cuộc tìm kiếm các hạt hạ nguyên tử. Bằng cách thăm dò những giới hạn cấm, các nhà vật lý thường phát hiện ra định luật mới). Như vậy một hệ quả rút ra được từ câu châm ngôn của T. H. White là: “Những gì không phải là bất khả thi thì là bắt buộc!” Chẳng hạn, nhà vũ trụ học Stephen Hawking từng cố gắng chứng minh du hành thời gian là bất khả bằng cách tìm kiếm một định luật vật lý ngăn cản nó, được ông đặt tên là “phỏng đoán đảm bảo trật tự thời gian”. Thật không may, sau nhiều năm làm việc vất vả ông vẫn không thể chứng minh được định luật này. Ngược lại trong thực tế, các nhà vật lý đã chứng minh được rằng định luật ngăn cản việc du hành thời gian đang nằm ngoài khả năng toán học hiện nay. Vì không có định luật vật lý nào cản trở sự tồn tại của cỗ máy thời gian nên các nhà vật lý ngày nay phải nghiêm túc xem xét khả năng có những cỗ máy này. https://thuviensach.vn Mục đích của cuốn sách này là xem xét các công nghệ được xem là “bất khả thi” ở thời nay nhưng có thể sẽ trở nên phổ biến trong vài thập niên cho đến vài thế kỷ tới. Hiện tại, có một công nghệ “bất khả thi” đang được chứng minh là khả dĩ, đó là khái niệm dịch chuyển xuyên khoảng cách hay viễn tải (ít nhất là ở cấp độ nguyên tử). Mới chỉ vài năm trước, các nhà vật lý còn cho rằng việc gửi hoặc bắn đi một vật từ nơi này đến nơi khác vi phạm các định luật của cơ học lượng tử. Thực tế, những nhà biên kịch của series Star Trek ban đầu đã bị các nhà vật lý chỉ trích kịch liệt đến nỗi phải thêm vào “cơ cấu bù trừ Heisenberg” để lý giải các thiết bị viễn tải của họ nhằm đối phó với khiếm khuyết khoa học đương thời. Còn ngày nay nhờ vào những đột phá gần đây, các nhà vật lý có thể viễn tải các nguyên tử qua khoảng cách một căn phòng hoặc đưa các photon vượt sông Danube. TIÊN ĐOÁN TƯƠNG LAI Luôn có đôi chút mạo hiểm khi đưa ra các tiên đoán, đặc biệt đối với các dự báo cho tương lai trong hàng trăm hay hàng ngàn năm tới. Nhà vật lý Neils Bohr rất tâm đắc với câu nói: “Thật khó để đưa ra các tiên đoán, đặc biệt là về tương lai.” Nhưng có những khác biệt căn bản giữa thời đại của Jules Verne và ngày nay. Hiện tại, các định luật nền tảng của vật lý đã được khám phá. Các nhà vật lý ngày nay hiểu rõ những định luật cơ bản chi phối trong khoảng kích cỡ lên đến 43 bậc độ lớn, từ bên trong hạt proton đến vũ trụ đang giãn nở. Nhờ đó, họ có thể tự tin đáng kể khi đưa ra những nét khái quát của công nghệ trong tương lai và chỉ ra được sự khác biệt giữa những công nghệ hầu như không thể và những công nghệ thật sự không thể thực hiện được. Bởi vậy trong cuốn sách này, tôi chia những điều “bất khả thi” thành ba nhóm. Đầu tiên là nhóm Bất khả thi loại I. Đây là những công nghệ ngày nay chưa thực hiện được nhưng không vi phạm các định luật vật lý đã biết. Vì vậy chúng có thể khả thi trong thế kỷ này hoặc xa hơn, trong hình thái đã được thay đổi. Các công nghệ này bao gồm viễn tải, động cơ phản vật chất, một số hình thức ngoại cảm, viễn di (điều khiển các vật bằng ý nghĩ) và tàng hình. https://thuviensach.vn Kế đến là nhóm Bất khả thi loại II. Đây là các công nghệ nằm ở chân trời hiểu biết của chúng ta về thế giới vật lý. Nếu quả thật là khả dĩ thì chúng cũng cần phải chờ hàng vạn đến cả triệu năm nữa mới biến thành sự thật. Các công nghệ này gồm cỗ máy thời gian, du hành siêu không gian và du hành qua các lỗ sâu vũ trụ. Cuối cùng là nhóm Bất khả thi loại III. Đây là các công nghệ vi phạm các định luật vật lý đã biết. Thật ngạc nhiên là có rất ít công nghệ bất khả thi như vậy. Nếu được chứng minh là khả dĩ, chúng sẽ làm thay đổi căn bản nhận thức của chúng ta về vật lý. Tôi nghĩ cách phân loại này là hợp lý, vì nhiều công nghệ trong khoa học viễn tưởng bị các nhà khoa học gạt bỏ và coi là hoàn toàn bất khả thi, nhưng đôi khi thật ra họ muốn nói là chúng không thể thực hiện được đối với nền văn minh còn thô sơ như của chúng ta. Ví dụ, việc viếng thăm những người ngoài hành tinh thường được xem là bất khả thi vì khoảng cách giữa các ngôi sao là quá lớn. Việc du hành giữa các ngôi sao là hoàn toàn không khả thi đối với nền văn minh của chúng ta, nhưng có thể là hiện thực đối với những nền văn minh đi trước chúng ta hàng ngàn hoặc hàng triệu năm. Vì vậy, việc sắp xếp những thứ “bất khả thi” như vậy là quan trọng. Các công nghệ là không thể đối với nền văn minh hiện tại của chúng ta không nhất thiết phải là bất khả thi đối với những nền văn minh khác. Nói về những thứ có thể và không thể phải tính đến các công nghệ của hàng vạn đến hàng triệu năm tới. Carl Sagan từng viết: “Nền văn minh một triệu năm có thể tạo ra những gì? Chúng ta có kính thiên văn vô tuyến và tàu không gian trong vài thập kỷ gần đây khi nền công nghệ của chúng ta mới vài trăm năm tuổi… một nền văn minh tiên tiến vài triệu năm tuổi sẽ vượt xa chúng ta, giống như khi so sánh chính chúng ta với đứa trẻ sơ sinh hay với loài khỉ.” Trong nghiên cứu, tôi tập trung vào việc cố gắng hoàn thành giấc mơ của Einstein về một “lý thuyết của vạn vật”. Cá nhân tôi luôn thấy hứng khởi khi được nghiên cứu một “lý thuyết tối hậu” giúp giải quyết trọn vẹn những thách thức “bất khả thi” nhất trong khoa học ngày nay, như liệu việc du hành thời gian có khả thi hay không, có gì nằm ở tâm của hố đen, hay những gì xảy ra trước Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Tôi vẫn mơ mộng về những thứ bất khả thi như một tình yêu của cuộc đời tôi và tự hỏi khi nào những thứ bất khả thi này sẽ trở nên quen thuộc trong cuộc sống thường nhật. https://thuviensach.vn LỜI CẢM ƠN Tư liệu xây dựng nên cuốn sách này trải rộng trên nhiều lĩnh vực và ngành nghề, có tham khảo các công trình của nhiều nhà khoa học lớn. Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới các cá nhân sau, những người đã tử tế dành cho tôi quỹ thời gian quý báu để thực hiện các cuộc phỏng vấn dài, những ý kiến đóng góp và nhiều cuộc tranh luận thú vị đầy khích lệ: Leon Lederman, giải Nobel Vật lý, Viện Công nghệ Illinois, Murray Gell-Mann, giải Nobel Vật lý, Viện Santa Fe Institute và Cal Tech, Henry Kendall, giải Nobel Vật lý, Viện Công nghệ Massachusetts, Steven Weinberg, giải Nobel Vật lý, Đại học Texas tại Austin, David Gross, giải Nobel Vật lý, Viện Kavli về Vật lý Lý thuyết, Frank Wilczek, giải Nobel Vật lý, Viện Công nghệ Massachusetts, Joseph Rotblat, giải Nobel Hòa bình, Bệnh viện St. Bartholomew, Walter Gilbert, giải Nobel Hóa học, Đại học Harvard, Gerald Edelman, giải Nobel Triết học và Y khoa, Viện Nghiên cứu Scripps, Peter Doherty, giải Nobel Triết học và Y khoa, Bệnh viện Nghiên cứu về Trẻ em St. Jude, Jared Diamond, giải thưởng Pulitzer, Đại học California tại Los Angeles, Stan Lee, sáng lập Marvel Comics và nhân vật Người Nhện, Brian Greene, Đại học Columbia, tác giả cuốn The Elegant Universe, Lisa Randall, Đại học Harvard, tác giả cuốn Warped Passages, Lawrence Krauss, Đại học Case Western, tác giả cuốn The Physics of Star Trek, J. Richard Gott III, Đại học Princeton, tác giả cuốn Time Travel in Einsteins Universe, Alan Guth, nhà vật lý, MIT, tác giả cuốn The Inflationary Universe, John Barrow, nhà vật lý, Đại học Cambridge, tác giả cuốn Impossibility, https://thuviensach.vn Paul Davies, nhà vật lý, tác giả cuốn Superforce, Leonard Susskind, nhà vật lý, Đại học Stanford, Joseph Lykken, nhà vật lý, Phòng thí nghiệm Quốc gia Fermi, Marvin Minsky, viện MIT, tác giả cuốn The Society of Minds, Ray Kurzweil, nhà sáng chế, tác giả cuốn The Age of spiritual Machines, Rodney Brooks, giám đốc Phòng thí nghiệm Trí tuệ Nhân tạo MIT, Hans Moravec, tác giả cuốn Robot, Ken Croswell, nhà thiên văn học, tác giả cuốn Magnificent Universe, Don Goldsmith, nhà thiên văn học, tác giả cuốn Runaway Universe, Neil de Grasse Tyson, giám đốc Heyden Planetarium, thành phố New York, Robert Kirshner, nhà thiên văn học, Đại học Harvard, Fulvia Melia, nhà thiên văn học, Đại học Arizona, Sir Martin Rees, Đại học Cambridge, tác giả cuốn Before the Beginning, Michael Brown, nhà thiên văn học, Viện Công nghệ California, Paul Gilster, tác giả cuốn Centauri Dreams, Michael Lemonick, biên tập viên mảng Khoa học, tạp chí Time, Timothy Ferris, Đại học California, tác giả cuốn Coming of Age in the Milky Way, Ted Taylor, người thiết kế đầu đạn hạt nhân của Hoa Kỳ, Freeman Dyson, Học viện Nghiên cứu Phát triển, Princeton, John Horgan, Học viện Công nghệ Stevens, tác giả cuốn The End of Science, Carl Sagan, Đại học Cornell, tác giả cuốn Cosmos, Ann Druyan, vợ của Carl Sagan, xưởng phim Cosmos Studios, Peter Schwarz, nhà tương lai học, sáng lập Global Business Network, Alvin Toffler, nhà tương lai học, tác giả cuốn The Third Wave, David Goodstein, trợ lý điều hành Viện Công nghệ California, Seth Lloyd, học viện MIT, tác giả cuốn Programming the Universe, Fred Watson, nhà thiên văn học, tác giả cuốn Star Gazer, Simon Singh, tác giả cuốn The Big Bang, Seth Shostak, nhà báo khoa học của thời báo New York Times, https://thuviensach.vn Jeffrey Hoffman, học viện MIT, phi hành gia của NASA, Tom Jones, phi hành gia của NASA, Alan Lightman, học viện MIT, tác giả cuốn Einsteins Dreams, Robert Zubrin, sáng lập Mars Society, Donna Shirley, thuộc chương trình Hỏa Tinh của NASA, John Pike, GlobalSecurity.org, Paul Saffo, nhà tương lai học, Học viện Tương lai, Louis Friedman, đồng sáng lập Planetary Society, Daniel Werthheimer, SETI@home, Đại học California tại Berkeley, Robert Zimmerman, tác giả cuốn Leaving Earth, Marcia Bartusiak, tác giả cuốn Einstein’s Unfinished Symphony, Michael H. Salamon, chương trình Beyond Einstein của NASA, Geoff Andersen, Học viện Không quân Hoa Ký, tác giả cuốn The Telescope. Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới người đại diện của tôi, Stuart Krichevsky, người đã ở bên cạnh tôi trong suốt những năm qua, chăm sóc cho những cuốn sách của tôi; và biên tập viên của tôi, Roger Scholl — sự chắc chắn, những đánh giá sáng suốt và kinh nghiệm biên tập của anh đã chỉ đường cho nhiều cuốn sách của tôi. Tôi cũng xin cảm ơn các đồng nghiệp tại Cao đẳng New York và Đại học thành phố New York, đặc biệt là V. P. Nair và Dan Greenberger, những người đã hào phóng dành thời gian để cùng tôi bàn luận. https://thuviensach.vn PHẦN 1 BẤT KHẢ THI LOẠI I https://thuviensach.vn 1: TRƯỜNG LỰC I. Khi một nhà khoa học xuất sắc nhưng lớn tuổi khẳng định thứ gì đó là khả dĩ thì ông ta gần như chắc chắn là đúng. Còn khi ông cho rằng điều gì đó là bất khả thi, nhiều khả năng ông ta sai. II. Cách duy nhất để khám phá giới hạn của sự khả thi là dám bước qua những giới hạn ấy để hướng về những điều bất khả. III. Công nghệ càng tiến bộ thì càng khó phân biệt với ma thuật. — BA ĐỊNH LUẬT CỦA ARTHUR C. CLARK “Khiên chắn!” Trong nhiều tập phim Star Trek, đây là mệnh lệnh đầu tiên của thuyền trưởng Kirk dành cho phi hành đoàn, yêu cầu bật tấm chắn trường lực để bảo vệ phi thuyền Enterprise trước hỏa lực của địch. Các trường lực đóng vai trò sống còn trong phim Star Trek vì kết quả của trận chiến phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng chống đỡ của trường lực trước các đợt tấn công của đối phương. Mỗi khi năng lượng của các trường lực cạn, vỏ tàu Enterprise lại bị công phá nghiêm trọng cho đến khi việc đầu hàng là không thể tránh khỏi. Vậy trường lực là gì? Trong khoa học viễn tưởng, nó đơn giản đến mức dễ gây hiểu lầm: một rào chắn mỏng manh vô hình nhưng không thể xuyên thủng, có thể làm lệch tia laser và các tên lửa. Thoạt nghe, trường lực đơn giản tới mức dường như tạo ra nó chỉ trong tích tắc. Người ta mong mỏi đến ngày một nhà sáng chế nào đó tuyên bố đã khám phá ra một trường lực có khả năng phòng thủ. Nhưng sự thật lại không đơn giản như vậy. Cũng như bóng đèn điện của Edison đã cách mạng hóa nền văn minh hiện đại, trường lực có thể ảnh hưởng sâu sắc lên mọi mặt của cuộc sống. Trường lực giúp quân đội không thể bị tấn công vì nó sẽ tạo ra một tấm khiên không thể xuyên thủng chống lại tên lửa và đạn đạo của đối phương. Về lý thuyết, các cây cầu, đường siêu cao tốc và những con đường có thể https://thuviensach.vn được xây dựng chỉ bằng một cái bấm nút. Các thành phố có thể mọc lên từ hoang mạc chỉ trong chớp mắt, với những tòa nhà chọc trời được xây dựng hoàn toàn nhờ vào các trường lực. Những trường lực được dựng lên trong khắp thành phố có thể giúp cư dân ở đó điều chỉnh thời tiết — cuồng phong, bão tuyết và cả vòi rồng — như mong muốn. Các thành phố có thể được xây dựng dưới đáy đại dương bên trong những mái vòm an toàn bằng trường lực. Kính gương, sắt thép và vữa có thể được thay thế hoàn toàn. Tuy vậy, thật kỳ lạ vì trường lực là một trong những thiết bị khó có thể tạo ra nhất trong phòng thí nghiệm. Trên thực tế, một số nhà vật lý tin rằng trường lực thực sự là bất khả nếu không bổ sung thêm các tính chất cho chúng. MICHAEL FARADAY Khái niệm trường lực bắt nguồn từ các công trình của nhà vật lý lỗi lạc người Anh thế kỷ 19 — Michael Faraday. Sinh ra trong một gia đình thuộc tầng lớp lao động (cha ông là thợ rèn), Faraday nỗ lực tìm cách đổi đời từ vị trí người học việc nghề đóng sách vào đầu những năm 1800. Chàng trai trẻ Faraday bị mê hoặc bởi hàng loạt phát hiện đột phá về các tính chất kỳ lạ của hai lực mới: lực điện và lực từ. Faraday đọc ngấu nghiến tất cả những gì tìm được liên quan đến chúng và tham dự các lớp của giáo sư Humphrey Davy ở Viện Hoàng gia London. Một ngày, giáo sư Davy bị thương nặng ở mắt trong một tai nạn hóa học và thuê Faraday làm thư ký. Faraday dần nhận được sự tin tưởng của các nhà khoa học ở Viện Hoàng gia và được phép tiến hành các thí nghiệm của riêng mình dù vẫn còn bị coi thường. Năm tháng qua, càng ngày giáo sư Davy càng đố kỵ với người cộng sự trẻ tuổi, một ngôi sao đang lên trong mảng thực nghiệm, thậm chí làm lu mờ cả tiếng tăm của ông. Sau khi Davy mất vào năm 1829, Faraday được tự do tiến hành một loạt thí nghiệm đột phá dẫn đến sự ra đời các máy phát điện có thể cung cấp năng lượng cho cả thành phố và làm thay đổi vĩnh viễn tiến trình của nền văn minh thế giới. Chìa khóa cho những phát minh vĩ đại nhất của Faraday là khái niệm “trường lực”. Nếu đặt các mạt sắt quanh một nam châm, ta sẽ thấy chúng sắp xếp thành một hệ thống giống hình mạng nhện trong không gian bao https://thuviensach.vn quanh. Đó là các đường sức, mô tả một cách hình ảnh cách điện trường và từ trường lan ra không gian. Ví dụ, nếu vẽ đồ thị từ trường của Trái Đất, ta sẽ thấy các đường sức đi ra từ cực bắc và đi vào ở cực nam. Tương tự, nếu vẽ đồ thị các đường sức điện của một cột thu lôi trong cơn dông, ta sẽ thấy chúng tập trung chủ yếu ở đầu nhọn của cột. Theo Faraday, chân không không trống rỗng mà tràn ngập các đường sức có thể dịch chuyển các vật thể ở xa. (Do tuổi thơ khó khăn nên Faraday không được học toán, hệ quả là các cuốn sổ tay của ông không chứa nhiều công thức toán mà tràn ngập những hình vẽ các đường sức. Thú vị thay, chính những thiếu sót trong kiến thức toán học lại giúp ông tạo ra những hình ảnh đẹp đẽ về các đường sức mà ngày nay ta vẫn thấy trong bất cứ cuốn sách giáo khoa vật lý nào. Trong khoa học, các hình ảnh thường quan trọng hơn những thuật toán dùng để mô tả chúng.) Các sử gia đã nghiên cứu cách Faraday khám phá ra các trường lực, một trong những khái niệm quan trọng nhất của khoa học. Trong thực tế, toàn bộ nền vật lý hiện đại được viết dựa trên ngôn ngữ các trường lực của Faraday. Năm 1831, ông đã có khám phá mang tính bước ngoặt liên quan đến trường lực, từ đó khiến nền văn minh của chúng ta thay đổi mãi mãi. Một ngày nọ, khi đang di chuyển một thanh nam châm ngang qua một cuộn dây dẫn, ông chợt nhận ra mình có thể “tạo ra” dòng điện trong cuộn dây mà không hề tác động đến nó. Điều này cho thấy, một trường vô hình nào đó của nam châm đã đẩy các electron trong dây dẫn chuyển động, từ đó tạo thành dòng điện. Các trường lực của Faraday, thứ trước đây được cho là vô dụng và chỉ là những đường nét nguệch ngoạc, hóa ra lại là một lực thực sự, có thể di chuyển các vật và tạo ra điện năng. Ngày nay, chính ánh đèn mà ta dùng để đọc trang sách này cũng có thể được cung cấp năng lượng bởi khám phá của Faraday về lực điện từ. Nam châm quay đã tạo ra một trường lực đẩy các electron trong dây dẫn, khiến chúng chuyển động có hướng và tạo thành dòng điện, có thể dùng để thắp sáng bóng đèn. Nguyên lý trên cũng được áp dụng để tạo ra dòng điện cung cấp năng lượng cho các thành phố trên thế giới. Ví dụ, nước chảy ra từ các đập thủy điện làm quay một nam châm khổng lồ đặt trong tua-bin, từ trường của nam châm này di chuyển các electron trong dây dẫn tạo thành dòng điện, được truyền tải bằng đường dây cao thế đến nhà của chúng ta. https://thuviensach.vn Nói cách khác, các trường lực của Michael Faraday là động lực thúc đẩy sự tiến bộ của nền văn minh hiện đại, từ các xe ủi đất dùng điện đến máy vi tính, Internet và iPod ngày nay. Các trường lực của Faraday đã truyền cảm hứng cho các nhà vật lý trong hơn một thế kỷ qua. Lấy cảm hứng từ chúng, Einstein đã viết nên thuyết trường hấp dẫn. Và tôi cũng chịu tác động từ chúng. Nhiều năm trước, dựa trên ý tưởng về các trường lực của Faraday, tôi đã xây dựng thành công lý thuyết dây và nhờ đó đồng khai sinh ra lý thuyết này. Và trong vật lý, khi có ai đó nói “anh suy nghĩ như một đường sức” thì đó là một lời ca tụng. BỐN LỰC CƠ BẢN Trải qua 2.000 năm, một trong những thành tựu đỉnh cao của vật lý là phân loại và nhận diện bốn lực chi phối vũ trụ. Tất cả các lực này đều có thể được mô tả bằng ngôn ngữ trường mà Faraday đã đề xuất. Nhưng thật không may, không có lực nào trong đó mang đủ các tính chất của những trường lực trong khoa học viễn tưởng. Các lực đó là: 1. Lực hấp dẫn: là lực thầm lặng giữ chúng ta trên mặt đất, ngăn cản sự tan rã của Trái Đất và các ngôi sao, cũng như giữ các hệ mặt trời và thiên hà không tách ra xa nhau. Không có lực hấp dẫn giữ lại, chúng ta sẽ bị văng ra khỏi Trái Đất với tốc độ hơn 1.600 km/giờ do sự quay của hành tinh. Vấn đề ở đây là lực hấp dẫn lại có tính chất trái ngược với trường lực trong khoa học viễn tưởng. Lực hấp dẫn là lực hút chứ không phải lực đẩy, hơn nữa lại thường quá yếu và tác dụng trên khoảng cách thiên văn rất lớn. Nói cách khác, lực này gần như đối lập hoàn toàn với tấm rào chắn phẳng, mỏng và bất khả xuyên thủng ta vẫn thấy trong truyện hay phim khoa học viễn tưởng. Ví dụ, sức hút của toàn bộ Trái Đất mới đủ để hút được một sợi lông vũ rơi xuống đất, nhưng ta có thể thắng được lực hấp dẫn này bằng cách nâng nó lên chỉ với một ngón tay. Vậy là lực tác dụng của ngón tay có thể đánh bại lực hấp dẫn do một hành tinh nặng sáu tỷ tỷ tỷ tỷ kilôgam gây ra. 2. Lực điện từ: là lực thắp sáng các thành phố của chúng ta. Laser, máy phát thanh, tivi, đồ dùng điện tử, máy vi tính, Internet, điện https://thuviensach.vn trường, từ trường đều là hệ quả của lực điện từ. Đây có lẽ là lực hữu dụng nhất mà con người từng sử dụng. Không giống lực hấp dẫn, lực điện từ có thể cả hút và đẩy. Tuy nhiên, một vài lý do cho thấy nó không hoàn toàn phù hợp để làm một trường lực. Đầu tiên, nó rất dễ bị vô hiệu hóa. Chẳng hạn, nhựa và các vật liệu cách điện khác có thể dễ dàng xuyên qua điện trường hay từ trường mạnh. Ta có thể ném một mảnh nhựa qua từ trường mà không hề bị cản trở. Thứ hai, trường điện từ tác dụng trên khoảng cách lớn nên khó có thể tập trung trên một mặt phẳng. Những định luật về lực điện từ được mô tả qua hệ phương trình của James Clerk Maxwell, và có vẻ những phương trình này không có nghiệm là các trường lực. 3 & 4. Các lực hạt nhân yếu và mạnh: Lực yếu là lực gây nên các phân rã phóng xạ, cũng là lực gia nhiệt cho lõi của Trái Đất thông qua sự phóng xạ. Đây cũng là lực góp phần gây nên hiện tượng núi lửa phun trào, động đất và lục địa trôi. Lực mạnh là lực giữ hạt nhân ở trong nguyên tử. Năng lượng do Mặt Trời và các ngôi sao phát ra bắt nguồn từ lực hạt nhân và giúp thắp sáng vũ trụ. Vấn đề ở đây là lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn, chỉ ảnh hưởng trong phạm vi hạt nhân nguyên tử. Vì gắn chặt với các tính chất của hạt nhân nên chúng rất khó để điều khiển. Hiện tại, cách duy nhất để chúng ta có thể thao tác với các lực này là phá vỡ cấu trúc hạ nguyên tử bằng các máy va chạm hoặc kích nổ bom nguyên tử. Mặc dù các trường lực được đề cập trong khoa học viễn tưởng có thể không phù hợp với các định luật vật lý đã biết, nhưng vẫn có cơ sở để cho rằng việc tạo nên các trường lực như vậy là khả thi. Đầu tiên là sự tồn tại của một lực thứ năm, tuy vẫn chưa được quan sát thấy trong phòng thí nghiệm. Một lực như vậy có thể tác dụng trong khoảng cách từ vài cm đến 0,3 m, chứ không phải ở khoảng cách thiên văn. (Tuy nhiên, những nỗ lực ban đầu để nhận diện sự tồn tại của lực thứ năm này vẫn chưa cho thấy kết quả khả quan.) Thứ hai, chúng ta có thể sử dụng plasma để bắt chước một số tính chất của trường lực. Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất. Rắn, lỏng và khí là ba trạng thái quen thuộc của vật chất, nhưng trạng thái phổ biến nhất trong vũ trụ lại là plasma, một loại khí gồm các nguyên tử bị ion hóa. Vì các nguyên tử của plasma bị xé toạc, với các electron bị tách lìa khỏi nguyên https://thuviensach.vn tử, nên chúng mang điện và có thể điều khiển dễ dàng bởi điện trường và từ trường. Plasma là trạng thái vật chất khả kiến dồi dào nhất trong vũ trụ. Nó tạo thành Mặt Trời, các ngôi sao và những quầng khí trôi nổi ở giữa. Plasma lạ lẫm với chúng ta vì nó ít được tìm thấy trên Trái Đất, nhưng chúng ta có thể thấy chúng dưới dạng các tia sét, Mặt Trời và cả bên trong chiếc tivi plasma. CỬA SỔ PLASMA Như đã đề cập ở trên, nếu khí được làm nóng đến nhiệt độ đủ cao để tạo thành plasma, nó có thể được định dạng và thành hình nhờ điện trường và từ trường. Chẳng hạn, plasma có thể mang dạng tấm hoặc dạng cửa sổ chắn. Hơn nữa, “cửa sổ plasma” có thể được dùng để ngăn cách chân không và môi trường không khí. Về nguyên tắc, ta có thể ngăn không khí bên trong phi thuyền rò rỉ ra không gian bằng cách tạo ra một bề mặt phân cách tiện lợi, trong suốt giữa không gian bên ngoài và phi thuyền. Trong series truyền hình Star Trek, người ta sử dụng một trường lực như vậy để ngăn cách khoang chứa các tàu con thoi loại nhỏ với chân không bên ngoài. Đây không chỉ là cách thông minh để tiết kiệm chi phí mà còn là một thiết bị khả thi. Cửa sổ plasma được nhà vật lý Ady Herschcovitch phát minh vào năm 1995 tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Brookhaven ở Long Island, New York, Mỹ. Ông phát triển thiết bị này để giải quyết vấn đề hàn kim loại bằng chùm electron. Mỏ hàn axetylen sử dụng một luồng khí nóng để nung chảy và hàn các mảnh kim loại với nhau nhưng chùm electron có thể hàn kim loại nhanh hơn, gọn hơn và rẻ hơn. Tuy nhiên, việc hàn bằng chùm electron cần được thực hiện trong môi trường chân không. Điều này rất bất tiện vì như vậy ta phải tạo ra một buồng chân không lớn bằng cả một căn phòng. Tiến sĩ Herschcovitch phát minh ra cửa sổ plasma để giải quyết vấn đề này. Chỉ cao 1 m và có đường kính chưa tới 0,3 m, cửa sổ plasma có thể làm nóng khí lên đến gần 6.650°C, tạo ra một plasma được giữ lại trong điện trường và từ trường. Các hạt plasma tạo áp suất đẩy ngăn không khí tràn vào buồng chân không, nhờ đó cách ly buồng chân không với môi https://thuviensach.vn trường bên ngoài. (Khi ta dùng khí argon trong cửa sổ plasma, nó phát ra màu xanh dương giống như trường lực trong phim Star Trek.) Cửa sổ plasma được ứng dụng rộng rãi trong du hành không gian và công nghiệp. Nhiều khi quá trình sản xuất đòi hỏi môi trường chân không để thực hiện gia công và làm khô các vết khắc cho mục đích công nghiệp, nhưng làm việc trong môi trường chân không lại thường đắt đỏ. Với cửa sổ plasma, ta có thể tạo ra môi trường chân không chỉ với một cái bấm nút. Như vậy có thể sử dụng cửa sổ plasma như một tấm khiên không thể xuyên thủng? Liệu nó có trụ vững dưới sức công phá của một khẩu thần công? Trong tương lai, chúng ta có thể mường tượng ra một cửa sổ plasma có công suất và nhiệt độ vượt trội, đủ sức phá hủy hay thậm chí làm bốc hơi các vật thể bay đến. Nhưng để tạo ra một trường lực thực tế hơn, giống như trong khoa học viễn tưởng, chúng ta phải kết hợp một vài công nghệ xếp lớp với nhau. Từng lớp riêng lẻ có thể không đủ mạnh để chống lại đạn pháo, nhưng khi kết hợp lại thì có thể khác. Lớp ngoài cùng là một cửa sổ plasma đậm đặc, được làm nóng đến nhiệt độ đủ cao để làm nóng chảy kim loại. Lớp kế tiếp là một tấm màn laser năng lượng cao, gồm hàng ngàn chùm tia laser đan chéo nhau, có thể tạo ra một lớp màng có tác dụng làm nóng rồi làm bốc hơi các vật đi qua. Tôi sẽ thảo luận thêm về tia laser trong chương kế tiếp. Đằng sau tấm màn laser, ta có thể tưởng tượng một tấm lưới khác được tạo thành từ các ống “nano cacbon” nhỏ xíu, là các nguyên tử cacbon riêng lẻ có bề dày một nguyên tử và cứng hơn thép nhiều lần. Mặc dù chiều dài kỷ lục hiện tại của một ống nano cacbon chỉ là 15 mm, nhưng chúng ta có quyền mong mỏi đến một ngày mà các ống nano cacbon có thể được chế tạo với chiều dài tùy ý. Nếu các ống nano cacbon có thể bện thành một tấm lưới, chúng sẽ tạo ra một rào chắn đủ mạnh, cho phép đẩy lùi hầu hết các vật tiến đến. Vì mỗi ống nano cacbon có kích thước nguyên tử nên chúng vô hình nhưng lại cứng hơn bất cứ vật liệu thông thường nào. Nhờ sự kết hợp của cửa sổ plasma, tấm màn laser và lưới chắn nano cacbon, chúng ta có thể mường tượng về một bức tường vô hình có khả năng ngăn cản hầu hết mọi vật. Tuy nhiên, ngay cả tấm khiên nhiều lớp này cũng không có được các tính chất của một trường lực trong khoa học viễn tưởng, vì nó trong suốt và do đó không thể ngăn cản tia laser. Trong trận đánh có sử dụng súng https://thuviensach.vn laser, tấm khiến đa lớp này trở nên vô dụng. Để chống lại laser, tấm khiên này cần được bổ sung thêm đặc tính “đảo sắc”. Đây là quá trình được tích hợp trong kính đổi màu, kính tự tối đi khi tiếp xúc với tia tử ngoại để hạn chế tia này truyền qua. Kính đảo sắc dựa trên các phân tử có thể tồn tại ở ít nhất hai trạng thái. Trong một trạng thái, các phân tử trở nên trong suốt. Nhưng khi tiếp xúc với tia tử ngoại, nó lập tức chuyển sang trạng thái thứ hai để chắn tia này. Một ngày nào đó, chúng ta có thể sử dụng công nghệ nano để tạo ra một loại vật liệu bền như ống nano cacbon và có thể thay đổi tính chất quang học khi tiếp xúc với laser. Khi đó, tấm khiên có thể ngăn được cả laser chùm hạt hay đạn pháo. Tuy nhiên, hiện nay chúng ta vẫn chưa chế tạo được loại kính đảo sắc có thể chống tia laser. NÂNG BẰNG TỪ TRƯỜNG Trong khoa học viễn tưởng, các trường lực không chỉ làm lệch đường đạn mà còn được dùng như một tấm đỡ có thể kháng lực hấp dẫn. Trong phim Back to the Future (Trở lại tương lai), Michael J. Fox (thủ vai Marty McFly) cưỡi một “tấm ván bay” trông giống như ván trượt thông thường nhưng có thể lơ lửng trên đường. Một thiết bị kháng lực hấp dẫn như vậy không phù hợp với các định luật vật lý đã biết (như ta sẽ thấy trong chương 10), nhưng những chiếc xe bay và tấm ván bay được nâng bằng từ trường có thể trở thành hiện thực trong tương lai, mang lại khả năng nâng các vật nặng như ý muốn. Trong tương lai, nếu “vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng” được chế tạo, ta có thể dùng năng lượng của từ trường để nâng các vật. Nếu ta đặt cực bắc của hai thanh nam châm gần nhau, chúng sẽ đẩy nhau. (Nếu ta đặt cực nam của một nam châm gần cực bắc của nam châm kia thì chúng sẽ hút nhau.) Ta có thể áp dụng nguyên lý này vào việc nâng các vật nặng lên khỏi mặt đất. Hiện đã có vài quốc gia đang xây dựng hệ thống tàu điện tân tiến được nâng bởi từ trường (tàu đệm từ) với hệ thống đường ray sử dụng các nam châm thông thường để nâng đoàn tàu. Vì không có ma sát nên chúng có thể đạt tốc độ kỷ lục nhờ chạy trên một lớp đệm không khí. Năm 1984, hệ thống tàu đệm từ tự động đầu tiên phục vụ cho mục đích https://thuviensach.vn thương mại được đưa vào vận hành ở Vương quốc Anh, chạy từ sân bay quốc tế Birmingham đến nhà ga quốc tế Birmingham ở gần đó. Tàu đệm từ cũng được xây dựng ở Đức, Nhật Bản và Hàn Quốc dù hầu hết không được thiết kế để chạy ở tốc độ cao. Tàu đệm từ thương mại cao tốc đầu tiên được sử dụng ở đường chạy thử nghiệm từng phần (IOS) tại Thượng Hải (Trung Quốc), đạt tốc độ tối đa 431 km/ giờ. Tàu đệm từ của Nhật Bản ở quận Yamanashi đạt vận tốc 581 km/ giờ, nhanh hơn mọi tàu lửa thông thường. Nhưng các thiết bị sử dụng đệm từ này cực đắt đỏ. Một cách để tăng hiệu suất là sử dụng vật liệu siêu dẫn — những vật liệu có điện trở giảm mạnh khi được làm lạnh đến gần không độ tuyệt đối. Tính chất siêu dẫn được nhà vật lý người Hà Lan Heike Onnes phát hiện vào năm 1911. Nếu một số loại vật nhất định được làm lạnh xuống đến khoảng dưới 20 độ K trên không độ tuyệt đối, điện trở của nó hầu như biến mất. Thông thường, khi chúng ta hạ nhiệt độ của kim loại, khả năng cản trở dòng điện của chúng cũng giảm dần theo. (Điều này là bởi dao động nhiệt của các nguyên tử cản trở dòng điện chạy qua dây dẫn. Bằng cách giảm nhiệt độ, các dao động này cũng yếu đi nên dòng điện chạy qua ít bị cản trở hơn.) Nhưng Onnes vô cùng ngạc nhiên khi nhận thấy điện trở nhất định của một số vật liệu lại giảm đột ngột về không khi đạt đến một nhiệt độ tới hạn nào đó. Các nhà vật lý nhanh chóng nhận ra tầm quan trọng của kết quả này. Các đường dây tải điện gây ra hao phí năng lượng đáng kể khi truyền điện đi xa. Nhưng nếu toàn bộ điện trở của chúng được loại bỏ thì sẽ không có thất thoát điện năng. Thực tế, nếu chạy trong một mạch kín, dòng điện có thể duy trì trong hàng triệu năm mà năng lượng không hề giảm. Hơn nữa, các dòng điện cực lớn này có thể được dùng để dễ dàng chế tạo ra các nam châm có năng lượng khổng lồ. Với những nam châm như vậy, ta có thể dễ dàng nâng các vật nặng. Dù có nhiều tiềm năng ứng dụng tuyệt diệu như vậy, nhưng việc sử dụng tính chất siêu dẫn lại có vấn đề là chi phí để nhúng các nam châm lớn vào một bể khổng lồ chứa chất lỏng siêu lạnh thường rất đắt đỏ. Để duy trì chất lỏng ở trạng thái siêu lạnh cần sử dụng một hệ thống máy lạnh rất lớn, khiến việc chế tạo các nam châm siêu dẫn đội giá lên quá cao. Nhưng sẽ đến một ngày, các nhà vật lý có thể tạo ra được “vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng” — chiếc chén thánh của các nhà vật lý chất rắn. https://thuviensach.vn Phát minh ra vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trong phòng thí nghiệm sẽ khởi đầu cho một cuộc cách mạng công nghiệp mới. Từ trường năng lượng cao nâng được xe cộ và tàu điện sẽ có giá thành đủ thấp để những vật thể bay như vậy trở nên khả thi về mặt kinh tế. Với vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng, những chiếc xe bay huyền thoại trong các bộ phim Back to the Future (Trở lại tương lai), Minority Report (Báo cáo thiểu số) và Star Wars (Chiến tranh giữa các vì sao) sẽ trở thành hiện thực. Về nguyên tắc, ta có thể đeo một chiếc thắt lưng làm từ nam châm siêu dẫn, giúp ta dễ dàng nâng cơ thể mình lên khỏi mặt đất. Với nó, ta có thể bay trong không khí như Siêu Nhân. Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng gây được nhiều ấn tượng đến mức chúng xuất hiện trong nhiều tiểu thuyết khoa học viễn tưởng (chẳng hạn trong series Ring World — Thế giới nhẫn) do Larry Niven chấp bút vào năm 1970). Vài thập kỷ trôi qua, nhưng công cuộc tìm kiếm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng của các nhà vật lý vẫn chưa đạt được kết quả. Nó dần trở thành một công việc nhàm chán, quẩn quanh tìm kiếm và kiểm tra hết vật liệu này đến vật liệu khác. Nhưng vào năm 1986, loại vật liệu mới với tên gọi “vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao” được tìm thấy, chúng trở thành vật liệu siêu dẫn khi đạt đến 90 độ trên không độ tuyệt đối, hay 90 độ K, nằm trong tầm với của giới vật lý. Cánh cổng dường như đã mở. Hết tháng này qua tháng khác, các nhà vật lý chạy đua với thời gian để thiết lập kỷ lục mới về vật liệu siêu dẫn. Có những thời điểm tưởng chừng như vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng đã bước ra khỏi các trang giấy của khoa học viễn tưởng để đi vào đời thực. Nhưng sau vài năm phát triển với tốc độ chóng mặt, những nghiên cứu về vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao bắt đầu hạ nhiệt. Kỷ lục thế giới hiện nay đối với siêu dẫn nhiệt độ cao thuộc về một hợp chất ôxit có chứa đồng, canxi, bari, tali và thủy ngân, đạt đến trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ 138 độ K (-135°C). Nhiệt độ tương đối cao này vẫn còn cách xa nhiệt độ phòng. Nhưng kỷ lục 138 độ K này là rất quan trọng. Nitơ hóa lỏng ở 77 độ K và nitơ lỏng chỉ có giá ngang với sữa. Như vậy nitơ lỏng có thể được dùng để làm lạnh các vật liệu siêu dẫn với giá thành thấp. (Dĩ nhiên, các vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng sẽ chẳng cần phải làm lạnh.) Đáng tiếc thay, hiện chưa có lý thuyết nào giải thích được hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao. Thực tế, giải Nobel vẫn đang chờ đợi nhà vật lý xuất https://thuviensach.vn chúng nào đó giải thích được cách thức vận hành của hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao. (Các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao này tạo thành từ các nguyên tử được sắp xếp theo những lớp đặc biệt. Nhiêu nhà vật lý cho rằng sự phân lớp của vật liệu gốm cho phép các electron có thể dịch chuyển tự do trong mỗi lớp, tạo nên tính siêu dẫn. Nhưng điều này diễn ra chính xác như thế nào thì vẫn còn là một bí ẩn.) Cũng vì hạn chế này, các nhà vật lý không may lại quay về với quá trình loay hoay tìm kiếm các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao mới. Điều này có nghĩa là các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng có thể được khám phá ngay ngày mai, trong năm tới, hoặc không bao giờ. Không ai biết khi nào, hay thậm chí có thể tìm thấy chúng hay không. Nhưng một khi vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng được khám phá ra, vô vàn ứng dụng thương mại của chúng sẽ được đưa vào sản xuất. Các từ trường mạnh hơn từ trường Trái Đất cả triệu lần rồi sẽ trở nên tầm thường. Một tính chất phổ biến của tính siêu dẫn là hiệu ứng Meissner. Nếu đặt một nam châm bên trên một vật liệu siêu dẫn, nam châm được nâng lên như thể bị một lực vô hình đẩy lên. (Nguồn gốc của hiệu ứng Meissner là do nam châm tạo ra một nam châm “ảnh gương” bên trong vật liệu siêu dẫn, dẫn đến sự đẩy nhau giữa nam châm ban đầu và nam châm ảnh gương. Ở một góc nhìn khác, từ trường không thể xuyên qua vật liệu siêu dẫn mà bị đẩy ngược lại. Do đó, nếu một nam châm được đặt phía trên một vật siêu dẫn, đường sức của nó bị vật siêu dẫn đẩy lại, và các đường sức này lại đẩy ngược lại nam châm, khiến nam châm được nâng lên.) Với hiệu ứng Meissner, ta có thể mường tượng về một tương lai khi đường cao tốc được xây dựng từ những loại gốm đặc biệt này. Khi đó các nam châm được gắn trong thắt lưng hay đế giày sẽ giúp ta bay lơ lửng tới nơi cần đến mà không bị cản trở hay thất thoát năng lượng. Hiệu ứng Meissner chỉ xuất hiện ở các vật liệu có từ tính như kim loại. Nhưng ta cũng có thể dùng nam châm siêu dẫn để nâng các vật liệu không có từ tính, gọi là chất thuận từ và chất nghịch từ. Tự thân các vật liệu này không có từ tính, chúng chỉ xuất hiện các tính chất từ khi được đặt trong một từ trường ngoài. Vật thuận từ bị nam châm hút, trong khi vật nghịch từ lại bị đẩy. Ví dụ, nước là một chất nghịch từ. Vì tất cả thể sống được tạo thành từ https://thuviensach.vn nước nên chúng có thể được nâng lên khi có một từ trường mạnh. Với từ trường khoảng 15 tesla (mạnh hơn từ trường Trái Đất 30.000 lần), các nhà khoa học có thể nâng một số động vật nhỏ, như ếch. Nhưng nếu siêu dẫn nhiệt độ phòng trở thành hiện thực, người ta có thể dùng nó để nâng cả các vật lớn không có từ tính, nhờ vào tính chất nghịch từ của chúng. Tóm lại, các trường lực thường được mô tả trong khoa học viễn tưởng không trùng khớp với bốn lực vận hành vũ trụ. Tuy nhiên, chúng ta có thể mô hình hóa nhiều tính chất của các trường lực bằng cách sử dụng một tấm khiên đa lớp, bao gồm các cửa sổ plasma, màn chắn laser, các ống nano cacbon và kính đảo sắc. Nhưng việc chế tạo một tấm khiên như vậy phải mất nhiều thập kỷ, thậm chí cả thế kỷ hoặc lâu hơn nữa. Và nếu các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng được tìm thấy, ta có thể sử dụng từ trường rất mạnh để nâng xe cộ, tàu điện và các vật thể bay trong không khí như đã thấy trong phim khoa học viễn tưởng. Với những xem xét trên đây, tôi sẽ xếp trường lực vào nhóm Bất khả thi loại I — là những thứ chưa thể thực hiện với công nghệ ngày nay nhưng khả dĩ trong thế kỷ tới, với một vài điều chỉnh cẩn thiết. https://thuviensach.vn 2: TÀNG HÌNH Ta không thể lệ thuộc vào đôi mắt khi trí tưởng tượng đã vượt khỏi tầm nhìn. — MARK TWAIN Trong tập phim Star Trek IV: The Voyage Home (Star Trek IV: Hành trình về nhà), phi hành đoàn của tàu Enterprise đã đánh cắp một chiến hạm của Klingon. Không giống như các phi thuyền thuộc Hạm đội Liên đoàn các Vì sao, tàu bay của Đế quốc Klingon có một “tấm choàng bí mật”, giúp chúng vô hình trước ánh sáng và sóng radar, nhờ đó có thể lặng lẽ tiếp cận và phục kích các tàu của Liên đoàn. Tấm choàng này là một lợi thế chiến lược của đế quốc Klingon trước Liên đoàn các Hành tinh. Liệu một thiết bị như vậy có khả dĩ? Tàng hình từ lâu đã là một trong những tuyệt phẩm của khoa học viễn tưởng và truyện hư ảo, từ những trang tiểu thuyết The Invisible Man (Người tàng hình) của H. G. Wells, đến áo choàng tàng hình trong loạt truyện Harry Potter, hay chiếc nhẫn trong The Lord of the Rings (Chúa tể của những chiếc nhẫn). Thế nhưng, trong ít nhất một thế kỷ, các nhà vật lý vẫn chối bỏ khả năng chế tạo được những thứ như vậy, thẳng thừng cho rằng chúng là bất khả thi: chúng vi phạm các định luật quang học và không phù hợp với những tính chất đã biết của vật chất. Nhưng hiện nay, những thứ bất khả thi như vậy có thể trở thành hiện thực. Các tiến bộ mới về “siêu vật liệu” đang thúc đẩy việc chỉnh sửa gần như toàn bộ hệ thống sách giáo khoa về quang học. Các mẫu thử nghiệm của loại vật liệu này đang được chế tạo trong phòng thí nghiệm và nhận được sự quan tâm ngày càng lớn của truyền thông, các ngành công nghiệp và cả quân đội trong việc biến những thứ khả kiến thành vô hình. SỰ TÀNG HÌNH TRONG TIẾN TRÌNH LỊCH SỬ https://thuviensach.vn Tàng hình có lẽ là một trong những khái niệm cổ xưa nhất trong thần thoại. Lịch sử từ những thời xa xưa nhất cũng đã ghi nhận việc những người phải ở một mình trong đêm tối sợ hãi linh hồn vô hình của người quá cố hay những hồn ma lang thang lẩn khuất trong màn đêm. Người anh hùng Hy Lạp Perseus tiêu diệt nữ quỷ Medusa nhờ đội chiếc mũ tàng hình. Các vị tướng ước mơ có được chiếc áo tàng hình. Khi vô hình, ta có thể dễ dàng xuyên qua phòng tuyến để bất ngờ bắt giữ kẻ thù. Tội phạm có thể sử dụng khả năng tàng hình để thực hiện những phi vụ trộm cướp ngoạn mục. Sự tàng hình đóng vai trò hạt nhân trong lý thuyết của Plato về đạo lý và đức hạnh. Trong kiệt tác triết học Cộng hòa, Plato đã nhắc đến thần thoại về chiếc nhẫn của Gyges. Chàng chăn cừu nghèo nhưng tốt bụng Gyges xứ Lydia lạc vào một hang động bí ẩn và tìm thấy một ngôi mộ chứa bộ xương đeo một chiếc nhẫn vàng. Gyges phát hiện ra chiếc nhẫn này mang sức mạnh ma thuật có thể giúp anh tàng hình. Chẳng mấy chốc, chàng chăn cừu nghèo bị đầu độc trở nên mê mẩn trước quyền năng của chiếc nhẫn. Sau khi lẻn vào lâu đài nhà vua, Gyges sử dụng ma lực của chiếc nhẫn để quyến rũ hoàng hậu, rồi với sự giúp đỡ của nàng, anh giết nhà vua và lên ngôi vua xứ Lydia. Vấn đề đạo đức mà Plato muốn đề cập ở đây là không ai có thể cưỡng lại cám dỗ trở thành kẻ cắp và giết người. Mọi người đều có thể trở nên tội lỗi. Đạo đức là một khái niệm do xã hội áp đặt. Một người có thể tỏ ra đạo đức trong cộng đồng để được đánh giá chính trực và chân thật, nhưng một khi có được sức mạnh tàng hình, họ sẽ chẳng thể cưỡng lại việc sử dụng quyền năng của nó. (Một số người tin rằng câu chuyện đạo đức này đã truyền cảm ứng cho J. R. R. Tolkien viết nên bộ ba tiểu thuyết Chúa tể của những chiếc nhẫn, trong đó chiếc nhẫn chúa làm cho người đeo nó trở nên vô hình, và đây cũng chính là nguồn gốc của tội ác.) Tàng hình cũng là một phương cách thường thấy trong khoa học viễn tưởng. Trong series truyền hình Flash Gordon của thập niên 1930, Flash đã tàng hình để trốn khỏi đội quân của Ming Tàn bạo. Trong loạt truyện và phim Harry Potter, Harry sở hữu một chiếc áo choàng đặc biệt, cho phép cậu lang thang trong trường Hogwarts mà không sợ bị phát hiện. H. G. Wells cũng sử dụng phương cách thần thoại này để xây dựng nên tiểu thuyết kinh điển Người tàng hình, trong đó một sinh viên y khoa vô tình phát hiện ra sức mạnh của chiều không gian thứ tư và sở hữu khả năng https://thuviensach.vn tàng hình. Không may là hắn lại sử dụng sức mạnh kỳ diệu này cho mục đích cá nhân, gây ra một loạt vụ án, và cuối cùng chết khi cố gắng trốn khỏi cảnh sát. CÁC PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ BÍ MẬT CỦA ÁNH SÁNG Phải đợi đến các công trình của nhà vật lý người Scotland James Clerk Maxwell, một tượng đài của vật lý thế kỷ 19, các nhà vật lý mới hiểu rõ các định luật quang học. Ở một vài phương diện, Maxwell trái ngược hoàn toàn với Michael Faraday. Trong khi Faraday có tài thực nghiệm thiên bẩm nhưng không được đào tạo bài bản thì Maxwell, người sống cùng thời với Faraday lại là một bậc thầy về toán cao cấp. Maxwell là sinh viên vật lý tính toán xuất sắc của trường Cambridge, chính là nơi mà hai thế kỷ trước, Newton đã thực hiện những công trình của mình. Newton phát minh ra giải tích toán học, được biểu thị qua “các phương trình vi phân”, dùng để mô tả cách thức các vật dần trải qua những thay đổi cực nhỏ trong không gian và thời gian. Chuyển động của sóng biển, chất lỏng, chất khí hay đạn pháo đều có thể được biểu diễn qua các phương trình vi phân. Mục tiêu rõ ràng ban đầu của Maxwell là sử dụng các phương trình kiểu này để biểu diễn các khám phá mang tính cách mạng và những trường lực của Faraday. Maxwell bắt đầu với phát hiện của Faraday về việc điện trường có thể biến thành từ trường và ngược lại. Từ các mô tả của Faraday về trường lực được ông viết lại theo ngôn ngữ chính xác của phương trình vi phân, tạo ra hệ phương trình quan trọng bậc nhất của khoa học hiện đại. Đây là một hệ gồm tám phương trình vi phân. Các nhà vật lý và kỹ sư trên thế giới đều phải “toát mồ hôi hột” mới nắm vững được lý thuyết trường điện từ ở trường đại học. Tiếp đến, Maxwell tự đặt ra câu hỏi quan trọng: nếu từ trường có thể biến thành điện trường và ngược lại, thì điều gì sẽ xảy ra nếu quá trình này lặp lại vô hạn? Maxwell nhận thấy rằng các trường điện-từ tạo ra một loại sóng giống như sóng biển. Trong sự ngạc nhiên tột cùng, ông tính ra được tốc độ truyền của loại sóng này bằng với tốc độ ánh sáng! Năm 1864, dựa trên phát hiện này, ông đưa ra tiên đoán: “Tốc độ này gần bằng tốc độ ánh https://thuviensach.vn sáng nên chúng ta có lý do chắc chắn để kết luận rằng bản thân ánh sáng… là những dao động của điện từ trường.” Đây có lẽ là một trong những phát hiện vĩ đại nhất của loài người. Lần đầu tiên bí mật của ánh sáng đã được hé lộ. Maxwell chợt nhận ra rằng mọi thứ, từ ánh bình minh rạng rờ, ánh hoàng hôn sáng chói, sắc màu rực rỡ của cầu vồng cho đến ánh sáng của bầu trời sao, đều có thể mô tả qua các sóng mà ông đang viết nguệch ngoạc trên giấy. Ngày nay, chúng ta đã biết toàn bộ phổ của sóng điện từ — từ radar cho đến tivi, ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng khả kiến, ánh sáng tử ngoại, tia X, vi ba và tia gamma — đều là các sóng Maxwell, được tạo thành từ dao động của các trường lực Faraday. Khi đề cập đến tầm quan trọng của hệ phương trình Maxwell, Einstein cho rằng chúng là những gì “tinh túy nhất và phổ quát nhất mà vật lý đạt được kể từ thời Newton.” (Bi đát thay, Maxwell, một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất thế kỷ 19, đã mất ở tuổi 48 do ung thư dạ dày, căn bệnh đã giết chết mẹ ông ở cùng độ tuổi. Nếu sống lâu hơn, hẳn ông đã khám phá ra rằng các phương trình của mình cho phép không-thời gian dao động, điều trực tiếp dẫn đến thuyết tương đối của Einstein. Thật khó hình dung rằng, thuyết tương đối đã có thể được phát hiện ngay từ giai đoạn Nội chiến Mỹ.) Thuyết ánh sáng của Maxwell cùng thuyết nguyên tử mang lại cách lý giải đơn giản về quang học và khả năng tàng hình. Trong chất rắn, các nguyên tử gắn kết chặt chẽ với nhau, trong khi trong chất lỏng hay chất khí, các phân tử lại cách xa nhau. Hầu hết chất rắn đều chắn sáng vì tia sáng không thể xuyên qua ma trận nguyên tử dày đặc tạo nên chất rắn — chúng giống như một bức tường gạch. Ngược lại, nhiều chất lỏng và chất khí lại trong suốt vì ánh sáng có thể dễ dàng đi vào khoảng trống giữa các nguyên tử — khoảng không gian này lớn hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng khả kiến. Ví dụ, nước, cồn, amoniac, axetôn, nước sát trùng, khí đốt và nhiều thứ khác đều truyền sáng, cũng giống như các chất khí như ôxi, hiđrô, nitơ, cacbonic, mêtan… Nguyên tắc này có một vài ngoại lệ quan trọng. Nhiều loại tinh thể có dạng rắn nhưng lại truyền sáng. Các nguyên tử của một tinh thể được sắp xếp theo cấu trúc lưới, chúng nằm trên các hàng xếp đều nhau với khoảng cách không đổi. Nhờ đó, có rất nhiều con đường để một tia sáng đi qua được mạng tinh thể. Do vậy, mặc dù một tinh thể gồm các nguyên tử xếp https://thuviensach.vn chặt giống như các chất rắn khác nhưng ánh sáng vẫn truyền được qua. Ở một số điều kiện nhất định, một vật rắn có thể trở nên trong suốt nếu các nguyên tử của nó được sắp xếp ngẫu nhiên. Điều này có thể thực hiện bằng cách nung nóng vật đến nhiệt độ cao rồi làm lạnh nhanh. Ví dụ, thủy tinh là chất rắn nhưng lại mang nhiều tính chất của chất lỏng vì các nguyên tử của nó được sắp xếp ngẫu nhiên. Một số loại kẹo cũng trở nên trong suốt bằng phương pháp tương tự. Rõ ràng, tàng hình là một tính chất xuất hiện ở thang nguyên tử theo hệ phương trình Maxwell, do đó sẽ gặp nhiều khó khăn, nếu không muốn nói là bất khả thi, khi áp dụng vào khoảng cách thông thường. Để khiến Harry Potter trở nên vô hình, ta phải hóa lỏng cậu, đun sôi để biến cậu thành hơi, đợi cậu hóa rắn rồi nung nóng và làm lạnh trở lại — quá khó, kể cả là đối với một phù thủy. Mặc dù không thể tạo ra máy bay tàng hình nhưng quân đội đã thử một phương án thực tiễn hơn: dùng công nghệ ẩn mình khiến những chiếc máy bay trở nên vô hình trước radar. Công nghệ này sử dụng tính chất của hệ phương trình Maxwell để tạo ra một chuỗi thủ thuật. Một chiến đấu cơ phản lực có thể dễ dàng nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng ảnh radar của nó trên màn hình quan sát của địch chỉ có kích cỡ như một con chim lớn. (Công nghệ ẩn mình thực sự là sự kết hợp của rất nhiều thủ thuật. Bằng cách thay đổi chất liệu chế tạo máy bay, giảm các cấu kiện bằng sắt để thay bằng nhựa và chất dẻo, thay đổi các góc cạnh ở thân máy bay, bố trí lại các ống xả khói…, người ta có thể làm cho chùm tia radar của địch khi chạm vào máy bay bị phân tán theo mọi hướng, do đó chúng không thể quay lại màn hình radar của địch. Tuy nhiên, công nghệ này không giúp máy bay tàng hình mà chỉ làm lệch hướng và phân tán sóng radar nhiều nhất có thể.) SIÊU VẬT LIỆU VÀ KHẢ NĂNG TĂNG HÌNH Có lẽ sự phát triển hứa hẹn nhất liên quan tới khả năng tàng hình nằm ở một loại vật liệu mới có tên gọi “siêu vật liệu”, vào một ngày nào đó sẽ khiến các vật trở nên vô hình thực sự. Mỉa mai thay, việc chế tạo một loại vật liệu như vậy từng được cho là không thể vì chúng vi phạm các định luật quang học. Nhưng vào năm 2006, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Duke ở Durham, Bắc Carolina và các đồng nghiệp thuộc Cao đẳng Hoàng gia ở https://thuviensach.vn London đã thách thức những hiểu biết thông thường khi sử dụng siêu vật liệu để chế tạo một vật có khả năng tàng hình đối với bức xạ vi ba. Dù còn một số trở ngại nhưng đây là lần đầu tiên trong lịch sử, chúng ta có một kế hoạch rõ ràng trong việc biến những vật bình thường thành vô hình. (Cơ quan Chuyên trách Các dự án Nghiên cứu Tân tiến của Lầu Năm Góc cấp vốn cho nghiên cứu này.) Nathan Myhrvold, cựu giám đốc kỹ thuật của Microsoft, cho rằng siêu vật liệu “sẽ thay đổi triệt để cách tiếp cận của chúng ta trong lĩnh vực quang học và hầu như mọi mặt của ngành điện tử… Một số loại siêu vật liệu có thể mang những tính năng mà vài thập niên trước vẫn được coi là kỳ lạ.” Vậy siêu vật liệu là gì? Chúng là những vật liệu có các tính chất quang học không tìm thấy trong tự nhiên. Người ta tạo ra siêu vật liệu bằng cách cấy những mẫu nhỏ vào trong một loại vật liệu, khiến sóng điện từ bị bẻ cong bất thường khi truyền tới. Tại Đại học Duke, các nhà khoa học cấy những mạch điện nhỏ li ti vào trong các tấm đồng được sắp xếp thành những vòng tròn đồng tâm trên một mặt phẳng (hơi giống với các vòng dây quấn trong bếp điện). Kết quả thu được là một hỗn hợp tinh vi của gốm, teflon, các hợp chất dạng sợi và kim loại. Những mô cấy li ti này bẻ cong và dẫn bức xạ vi ba đi theo một quỹ đạo đặc biệt. Hãy hình dung cách nước sông chảy qua một tảng đá cuội. Vì nước nhanh chóng vây quanh tảng đá nên hình ảnh tảng đá bị che mờ đi trong dòng nước. Tương tự, siêu vật liệu liên tục thay đổi và bẻ cong liên tục đường đi của vi ba để khi sóng này truyền quanh một hình trụ chẳng hạn, thì mọi thứ bên trong hình trụ trở nên vô hình với loại sóng này. Nếu siêu vật liệu có thể loại bỏ tất cả các tia phản xạ và những bóng mờ, nó có thể khiến một vật trở nên hoàn toàn vô hình đối với dạng bức xạ đó. Các nhà khoa học đã minh họa thành công nguyên lý này bằng một thiết bị gồm 10 vòng nhẫn làm từ sợi thủy tinh, bao phủ bởi các cấu kiện bằng đồng. Một chiếc nhẫn đồng đặt trong thiết bị này gần như vô hình với vi ba, chỉ để lại một vết mờ nhỏ. Tính chất quan trọng nhất của siêu vật liệu là khả năng thay đổi chiết suất. Chiết suất cho biết mức độ bẻ cong của tia sáng khi nó truyền trong môi trường trong suốt. Khi nhúng tay vào nước hoặc nhìn qua kính, ta sẽ nhận thấy nước và kính gây nhiễu động và làm cong quỹ đạo thông thường của tia sáng. https://thuviensach.vn Tia sáng trong thủy tinh hay trong nước bị bẻ cong là do tốc độ ánh sáng giảm khi truyền trong môi trường đặc. Tốc độ ánh sáng trong chân không luôn không đổi, nhưng khi truyền trong thủy tinh hay nước, nó phải vượt qua hàng tỷ tỷ nguyên tử và do đó bị chậm lại. (Chiết suất là tỷ lệ giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ chậm lại của ánh sáng khi truyền trong môi trường chiết quang. Vì ánh sáng chậm đi khi truyền trong thủy tinh nên chiết suất của thủy tinh luôn lớn hơn 1,0.) Ví dụ, chiết suất của chân không là 1,00, của không khí là 1,0003, của thủy tinh là 1,5 và của kim cương là 2,4. Thông thường, môi trường càng đặc bẻ cong tia sáng càng nhiều, do đó có chiết suất càng lớn. Một ví dụ quen thuộc liên quan đến ảnh hưởng của chiết suất là hiện tượng ảo ảnh. Nếu ta lái xe vào một ngày nắng nóng và hướng mắt về phía trời, mặt đường có thể trông lung linh, tạo ra ảo ảnh giống như mặt hồ lấp lánh. Người đi trên hoang mạc cũng có thể đôi lần nhìn thấy hình ảnh các thành phố và núi non ở đằng xa. Hiện tượng này là vì khí nóng bốc lên từ mặt đường hay hoang mạc có khối lượng riêng nhỏ hơn không khí bình thường, do đó nó có chiết suất nhỏ hơn không khí lạnh ở xung quanh, khiến ánh sáng xuất phát từ những vật ở xa bị khúc xạ trên mặt đường và đi vào mắt ta, tạo ra những ảo ảnh mà ta nhìn thấy. Chiết suất thường là hằng số. Một chùm sáng hẹp bị bẻ gãy khi đi vào thủy tinh và sau đó truyền thẳng. Nhưng giả sử ta có thể thay đổi chiết suất của thủy tinh để nó biến thiên liên tục thì ánh sáng truyền trong vật liệu mới này sẽ bị bẻ cong và liên tục đổi hướng, tạo nên đường truyền quanh co trong vật như một con rắn. Nếu ta điều chỉnh được chiết suất của một loại siêu vật liệu để ánh sáng truyền quanh vật thì vật đó sẽ trở nên vô hình. Để làm được điều này, loại siêu vật liệu đó phải có chiết suất âm, vốn là tính chất bị các cuốn sách quang học phủ nhận. (Siêu vật liệu được đề xuất lý thuyết lần đầu tiên trong một nghiên cứu của nhà vật lý Liên Xô Victor Veselago vào năm 1967, chúng cho thấy những tính chất quang học kỳ lạ như chiết suất âm và hiệu ứng Doppler ngược. Siêu vật liệu quá kỳ lạ và ngược đời nên trước đây, người ta cho rằng không chế tạo được. Nhưng trong vài năm trở lại đây, các loại siêu vật liệu đã được chế tạo trong phòng thí nghiệm, buộc các nhà vật lý phải miễn cưỡng viết lại các sách quang học.) Các nhà nghiên cứu về siêu vật liệu liên tục bị các phóng viên quấy rầy https://thuviensach.vn do muốn biết khi nào những chiếc áo tàng hình được đưa ra thị trường. Câu trả lời là: còn lâu. David Smith thuộc Đại học Duke cho biết: “Các ký giả gọi liên tục và chỉ muốn bạn cho họ một con số cụ thể. Bao nhiêu tháng hay bao nhiêu năm nữa. Họ cứ thúc ép và cuối cùng bạn đành nói ờ thì có thể là 15 năm nữa. Vậy là bạn đã đặt ra cho mình một thời hạn, đúng không nào? 15 năm cho chiếc áo choàng của Harry Potter.” Đó là lý do giờ đây ông từ chối đưa ra bất cứ thời gian cụ thể nào. Những người hâm mộ Harry Potter hay Star Trek sẽ phải đợi. Các nhà vật lý đồng ý rằng mặc dù loại áo khoác tàng hlnh thực sự nằm trong tầm với của các định luật vật lý, nhưng vẫn có những trở ngại lớn cần vượt qua trước khi công nghệ này được mở rộng để có thể hoạt động đối với ánh sáng khả kiến chứ không chỉ với bức xạ vi ba. Nói chung, các cấu trúc được cấy bên trong siêu vật liệu phải có kích cỡ nhỏ hơn bước sóng của bức xạ. Chẳng hạn, nếu vi ba có bước sóng khoảng 3 cm thì để một loại siêu vật liệu có thể bẻ cong đường đi của sóng này, các mô cấy bên trong nó phải nhỏ hơn 3 cm. Nhưng để tạo thành một vật có thể tàng hình đối với ánh sáng xanh, nếu bước sóng ở khoảng 500 nm (nanomét) thì các mô cấy bên trong siêu vật liệu chỉ được dài khoảng 50 nm, trong khi nanomét là kích cỡ ở thang nguyên tử nên cần đến công nghệ nano. (Một nanomét bằng một phần tỉ mét, bằng khoảng kích cỡ của năm nguyên tử xếp lại với nhau.) Đây có lẽ là vấn đề mấu chốt của chúng ta khi chế tạo một chiếc áo tàng hình thực sự. Các nguyên tử đơn lẻ trong siêu vật liệu cần được điều chỉnh mới có thể bẻ cong chùm tia sáng như hình con rắn. SIÊU VẬT LIỆU DÀNH CHO ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN Cuộc đua đã bắt đầu. Kể từ sau tuyên bố về việc siêu vật liệu đã được chế tạo thành công trong phòng thí nghiệm, đã có nhiều hoạt động bùng lên sôi nổi trong lĩnh vực mới này, cùng với đó là sự thay đổi nhận thức và những đột phá gây sửng sốt xuất hiện liên tục. Mục tiêu rất rõ ràng: sử dụng công nghệ nano để tạo thành các loại siêu vật liệu có thể bẻ cong ánh sáng khả kiến chứ không chỉ vi ba. Một vài hướng tiếp cận đầy hứa hẹn đã xuất hiện. https://thuviensach.vn Một trong số đó là sử dụng những công nghệ có sẵn trong ngành công nghiệp bán dẫn để tạo ra các siêu vật liệu mới. Công nghệ “in li-tô” đóng vai trò hạt nhân trong công cuộc thu nhỏ kích cỡ các vi mạch, qua đó dẫn đường cho cuộc cách mạng máy vi tính. Nhờ công nghệ này, các kỹ sư có thể gắn hàng trăm triệu transistor lên bề mặt của một tấm silic không lớn hơn ngón tay cái của chúng ta. Theo định luật Moore, cứ sau 18 tháng, sức mạnh của máy tính lại tăng gấp đôi nhờ việc sử dụng các tia tử ngoại để “khắc” các chi tiết ngày càng nhỏ lên chip silic. Kỹ thuật này rất giống với cách sử dụng giấy stencil dập màu cho áo phông. (Các kỹ sư máy tính phủ nhẹ lên một tấm bán dẫn mỏng một số lớp vật liệu. Sau đó, họ đặt lên trên tấm bán dẫn một mặt nạ nhựa, đóng vai trò khuôn in. Tấm nhựa này gồm chi chít các dây dẫn, transistor và các vi xử lý tạo thành một sơ đồ mạch điện. Tấm bán dẫn được chiếu tia tử ngoại, là loại tia có bước sóng rất ngắn, để in các hình mẫu trên tấm nhựa lên tấm bán dẫn. Nhờ được xử lý bằng các loại khí và axit đặc biệt, mạch điện phức tạp trên tấm nhựa sẽ được khắc lên tấm bán dẫn ở điểm được chiếu tia tử ngoại. Quá trình này tạo ra một tấm bán dẫn chứa hàng trăm triệu rãnh nhỏ, tạo đường dẫn cho các transistor). Hiện nay, những linh kiện nhỏ nhất tạo ra nhờ kỹ thuật khắc này có kích cỡ khoảng 30 nm (tương đương với bề rộng của khoảng 150 nguyên tử). Một cột mốc quan trọng trong công cuộc tìm kiếm khả năng tàng hình là khi một nhóm nhà khoa học sử dụng kỹ thuật khắc này để tạo ra siêu vật liệu hoạt động với ánh sáng khả kiến. Theo thông báo vào đầu năm 2007, các nhà khoa học ở Đức và Bộ Năng lượng Mỹ, lần đầu tiên trong lịch sử, đã chế tạo thành công một loại siêu vật liệu có hiệu lực với ánh sáng đỏ. Điều vốn bị cho là “bất khả thi” giờ đã đạt được trong khoảng thời gian ngắn đến vậy! Nhà vật lý Costas Soukoulis thuộc Phòng Thí nghiệm Ames tại bang Iowa (Mỹ) cùng Stefan Linden, Martin Wegener và Gunnar Dolling thuộc Đại học Karlsruhe ở Đức đã chế tạo thành công một loại siêu vật liệu có chiết suất -0,6 đối với ánh sáng đỏ, có bước sóng 780 nm. (Trước đó, kỷ lục thế giới về siêu vật liệu có khả năng bẻ cong đường đi của bức xạ được ghi nhận với bước sóng 1.400 nm, nằm trong vùng hồng ngoại chứ chưa phải là ánh sáng khả kiến). Bằng phương pháp kết tủa, các nhà khoa học phủ lớp đồng mỏng lên https://thuviensach.vn một tấm thủy tinh, kế tiếp là lớp magiê florua rồi đến một lớp đồng khác để tạo thành một “chiếc bánh kẹp” dày chỉ 100 nm. Sau đó, họ dùng kỹ thuật khắc thông thường để đục nhiều lỗ nhỏ li ti hình vuông lên chiếc bánh kẹp này, tạo thành một hình mẫu giống như tấm lưới đánh cá. (Những lỗ nhỏ này có kích cỡ chỉ 100 nm, nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng đỏ.) Khi chiếu chùm sáng đỏ đi qua tấm vật liệu này, các nhà khoa học đo được chiết suất của nó là -0,6. Các nhà vật lý đã nhìn thấy trước nhiều ứng dụng của công nghệ này. Theo tiến sĩ Soukoulis, siêu vật liệu “có thể dẫn tới sự phát triển của một loại siêu thấu kính có bề mặt phẳng dùng cho ánh sáng khả kiến. Một thấu kính như vậy sẽ có độ phân giải cao hơn nhiều lần so với loại thông thường, nhờ đó có thể quan sát những chi tiết rất nhỏ so với bước sóng của ánh sáng.” Ứng dụng trực tiếp của siêu thấu kính này là để chụp ảnh những vật vi mô với độ nét cao như bên trong của một tế bào, hoặc chẩn đoán các dị tật của thai nhi. Lý tưởng hơn nữa, ta có thể thu được những tấm ảnh chụp các thành phần của một nguyên tử ADN mà không cần đến phương pháp chụp ảnh tinh thể sử dụng tia X. Cho đến nay, các nhà khoa học mới chỉ tạo được vật liệu có chiết suất âm đối với ánh sáng đỏ. Bước tiếp theo là sử dụng công nghệ này để tạo ra loại siêu vật liệu có thể bẻ cong ánh sáng đỏ quanh một vật, làm cho vật đó trở nên vô hình đối với ánh sáng này. Những phát triển trong tương lai theo hướng này có thể diễn ra trong lĩnh vực “tinh thể quang tử”. Mục tiêu của công nghệ tinh thể quang tử là tạo ra những con chip sử dụng ánh sáng thay cho dòng điện để truyền tải thông tin. Để làm được điều này, người ta dùng công nghệ nano để khắc những chi tiết li ti và có chiết suất khác nhau lên một tấm bán dẫn. Các transistor sử dụng ánh sáng có nhiều điểm tiện lợi hơn so với dùng điện, ví dụ như việc chúng tỏa nhiệt ít hơn đáng kể. (Lượng nhiệt mà những con chip silic xịn tỏa ra đủ để rán chín một quả trứng. Chúng sẽ hỏng nếu không được làm mát liên tục, mà việc này lại rất tốn kém). Chẳng mấy ngạc nhiên khi thấy rằng khoa học về tinh thể quang tử phù hợp lý tưởng đối với siêu vật liệu, vì cả hai đều liên quan tới sự điều chỉnh chiết suất của ánh sáng ở thang nano. TÀNG HÌNH SỬ DỤNG KỸ THUẬT PLASMON https://thuviensach.vn Không chịu kém cạnh, một nhóm nghiên cứu tuyên bố vào giữa năm 2007 rằng họ đã chế tạo được một loại siêu vật liệu có thể bẻ cong ánh sáng khả kiến, bằng cách sử dụng một công nghệ hoàn toàn khác biệt, là “kỹ thuật plasmon”. Các nhà vật lý Henri Lezec, Jennifer Dionne và Harry Atwater thuộc Viện Công nghệ California (Cal Tech) cho biết họ đã tạo ra loại siêu vật liệu có chiết suất âm đối với miền ánh sáng xanh lục-lam thuộc phổ ánh sáng khả kiến — miền ánh sáng được cho là khó khăn hơn. Mục đích của kỹ thuật plasmon là “nén” ánh sáng để ta có thể điều khiển các vật ở thang nano, đặc biệt là trên bề mặt kim loại. Sở dĩ kim loại dẫn điện được là do các electron liên kết lỏng lẻo với các nguyên tử, nên chúng có thể chuyển động dọc theo bề mặt tinh thể của kim loại. Dòng điện trong nhà chúng ta là dòng chuyển động liên tục của các electron liên kết yếu trên bề mặt kim loại của dây dẫn. Nhưng trong những điều kiện nhất định, khi một chùm sáng được chiếu tới bề mặt kim loại, các electron có thể dao động đồng bộ với chùm sáng, tạo thành các đợt sóng electron (được gọi là các plasmon) hợp phách với chùm sáng ban đầu. Quan trọng hơn, người ta có thể “nén” các plasmon này để chúng có cùng tần số với chùm sáng tới (nhờ đó các thông tin chúng mang lại là giống nhau) nhưng có bước sóng nhỏ hơn nhiều. Về mặt nguyên tắc, ta có thể đưa các sóng đã được nén lại này vào trong các dây nano. Cũng giống như tinh thể quang tử, mục đích cuối cùng của kỹ thuật plasmon là tạo ra các chip máy tính có thể sử dụng ánh sáng để thực hiện các thuật toán chứ không dùng dòng điện như thông thường. Nhóm nghiên cứu của Cal Tech đã chế tạo loại siêu vật liệu từ một lớp bán dẫn silic — nitơ (có dày chỉ 50 nm) kẹp giữa hai tấm đồng, có tác dụng như một ống dẫn sóng dùng để định hướng các sóng plasmon. Tia laser đi vào và ra khỏi thiết bị thông qua hai khe được đục sẵn bên trong siêu vật liệu. Bằng cách đo góc lệch của tia laser khi nó đi qua siêu vật liệu, ta có thể kết luận chiết suất của vật liệu này đối với ánh sáng laser là âm. TƯƠNG LAI CỦA SIÊU VẬT LIỆU Siêu vật liệu sẽ phát triển tăng tốc trong thời gian tới vì lý do đơn giản là việc tạo ra các transistor sử dụng ánh sáng thay vì dùng điện đang ngày càng được quan tâm. Nhờ đó, các nghiên cứu về khả năng tàng hình sẽ tác https://thuviensach.vn động ngược lại những nghiên cứu hiện thời trong lĩnh vực tinh thể quang tử và kỹ thuật plasmon nhằm tạo ra các thiết bị thay thế cho chip silic. Hàng trăm triệu đô-la đã được đầu tư để tạo ra công nghệ thay thế cho công nghệ silic và các nghiên cứu về siêu vật liệu sẽ được hưởng lợi từ những nỗ lực nghiên cứu này Với những đột phá xuất hiện cứ vài tháng một lần trong lĩnh vực này thì chẳng hề ngạc nhiên khi một số nhà vật lý cho rằng vỏ bọc tàng hình sẽ sớm rời phòng thí nghiệm để đi vào ứng dụng thực tế trong vòng vài thập niên tới. Các nhà khoa học tin rằng chỉ vài năm nữa họ sẽ tạo ra được loại siêu vật liệu có thể làm cho một vật hoàn toàn vô hình đối với một tần số xác định của ánh sáng khả kiến, ít nhất là trong không gian hai chiều. Điều này đòi hỏi việc cấy những mô nhỏ có kích cỡ nano, tạo nên những hình mẫu phức tạp, ánh sáng liên tục bẻ cong quanh vật. Kế đến, các nhà khoa học phải tạo ra loại siêu vật liệu có thể bẻ cong ánh sáng trong không gian ba chiều, thay vì chỉ dùng được trong mặt phẳng hai chiều. Kỹ thuật in li-tô phù hợp hoàn hảo trong việc chế tạo các tấm bán dẫn silic phẳng, nhưng để tạo ra siêu vật liệu ba chiều ta cần kết hợp nhiều tấm bán dẫn theo cách phức tạp hơn hẳn. Sau đó, các nhà khoa học cần chế tạo được loại siêu vật liệu có thể bẻ cong không chỉ một mà nhiều tần số ánh sáng. Đây có lẽ là công đoạn khó nhất, vì các mô cấy li ti được chế tạo để bẻ cong ánh sáng chỉ có một tần số duy nhất. Ta có thể phải tạo ra siêu vật liệu gồm nhiều lớp, mỗi lớp giúp bẻ cong một tần số xác định. Tuy nhiên, cách giải quyết cho vấn đề này chưa thực sự rõ ràng. Mặc dù vậy, nếu tấm khoác tàng hình rốt cục cũng được chế tạo thành công, nó vẫn có những bất tiện nhất định. Chiếc áo choàng của Harry Potter được làm từ loại vật liệu mềm mỏng, giúp ai khoác nó lên người sẽ trở nên vô hình. Để làm được như vậy, chiết suất bên trong chiếc áo phải thay đổi liên tục theo cách phức tạp khi nó đung đưa, mà điều này lại không mang nhiều tính thực tiễn. Một “chiếc áo choàng” tàng hình có vẻ thực tế hơn phải là một hình trụ rắn được làm từ siêu vật liệu, ít nhất là ở bước đầu. Khi đó, chiết suất bên trong hình trụ được giữ không đổi. (Loại cải tiến hơn có thể kết hợp nhiều siêu vật liệu mểm mại và cuộn lại được, giúp ánh sáng truyền trong chúng theo quỹ đạo mong muốn. Bằng cách này, người khoác áo sẽ di chuyển dễ dàng hơn.) https://thuviensach.vn Tuy nhiên, có một hạn chế của tấm áo choàng tàng hình: người choàng tấm áo sẽ không thể nhìn ra bên ngoài được. Hãy tưởng tượng toàn bộ cơ thể Harry Potter vô hình hết chỉ trừ đôi mắt hiện ra lơ lửng giữa không trung. Người bên ngoài chiếc áo có thể nhìn thấy hết những lỗ khoét trên áo mà người mặc từ đó “ nhòm ra”. Nếu Harry Potter hoàn toàn vô hình, cậu sẽ không nhìn thấy bên ngoài vì bị tấm áo choàng che phủ. (Một giải pháp cho vấn đề này là đặt hai tấm thủy tinh nhỏ ở vị trí lỗ khoét. Nó hoạt động như một thiết bị “tách tia sáng”, cho phép một phần ánh sáng đi đến mắt. Nhờ đó, hầu hết ánh sáng đến tấm áo choàng sẽ truyền quanh nó, giúp người khoác áo trở nên vô hình, nhưng vẫn có một ít ánh sáng đến được mắt họ). Mặc dù còn nhiều khó khăn như vậy, các nhà khoa học và kỹ sư vẫn lạc quan về khả năng chế tạo được một tấm khoác tàng hình trong vài thập niên tới. TÀNG HÌNH VÀ CÔNG NGHỆ NANO Như đã đề cập, chìa khóa của tàng hình là công nghệ nano với khả năng điều khiển các cấu trúc cỡ nguyên tử, có kích thước chỉ khoảng một phần tỷ mét. Công nghệ nano khởi đầu từ bài giảng nổi tiếng vào năm 1959 của nhà vật lý đạt giải Nobel Richard Feynman ở Hội Vật lý Mỹ với cái tựa đầy hài hước: “Vẫn còn nhiều phòng trống ở tầng trệt”. Trong bài giảng, ông đưa ra dự đoán về những động cơ nhỏ nhất phù hợp với các định luật vật lý đã biết: chúng sẽ được chế tạo ngày càng nhỏ hơn đến khi đạt kích thước nguyên tử, do đó các nguyên tử có thể được sử dụng để tạo ra những động cơ như vậy. Kết luận của ông là cũng giống như ròng rọc, đòn bẩy hay bánh xe, những động cơ nguyên tử hoàn toàn phù hợp với các định luật vật lý mặc dù rất khó chế tạo. Công nghệ nano đã phải chờ đợi nhiều năm vì việc điều khiển các nguyên tử riêng lẻ vượt quá khả năng của công nghệ thời đó. Nhưng điều này đã trở nên khả thi khi các nhà vật lý phát minh ra kính hiển vi quét xuyên hầm (STM — scanning tunneling microscope), một đột phá vào năm 1981 đã mang về giải Nobel Vật lý cho các nhà khoa học Gerd Binnig và Heinrich Rohrer thuộc phòng thí nghiệm IBM ở Zurich. https://thuviensach.vn Các nhà vật lý bỗng có thể thu được những hình ảnh ấn tượng về các nguyên tử riêng lẻ sắp xếp ngay ngắn như được chép ra từ trong sách, điều mà các chuyên gia lý thuyết nguyên tử từng coi là bất khả thi. Giờ đây người ta có thể chụp những bức ảnh tuyệt đẹp về các nguyên tử trong mạng tinh thể hay trong kim loại. Các công thức hóa học được sử dụng để mô tả một phân tử gồm một chuỗi rối rắm các nguyên tử liên kết với nhau giờ đã có thể nhìn được bằng mắt thường. Hơn nữa, kính hiển vi quét xuyên hầm còn mở ra khả năng điều khiển các nguyên tử đơn lẻ. Thực tế, các nhà khoa học đã dùng chính các nguyên tử đơn để sắp xếp thành các ký tự “IBM”, gây chấn động giới khoa học. Họ không còn phải mò mẫm khi điều khiển các nguyên tử đơn lẻ mà đã thực sự nhìn thấy và “chơi đùa” với chúng. Thoạt nhìn, kính hiển vi quét xuyên hầm có vẻ đơn giản. Cũng giống như khi mũi đọc của máy loa kèn quét trên đĩa hát, một đầu dò nhọn di chuyển chậm trên bề mặt vật liệu để phân tích thông tin. (Mũi đầu dò nhọn đến mức trong thực tế, nó chỉ gồm một nguyên tử duy nhất). Một lượng điện tích nhỏ được tích sẵn ở đầu dò sẽ tạo ra dòng điện xuyên qua vật liệu để sang mặt bên kia. Khi đầu dò đi qua một nguyên tử đơn lẻ, điện lượng chuyển qua đầu dò thay đổi và các thay đổi này được ghi lại. Dòng điện tăng rồi giảm khi mũi nhọn của đầu dò di qua nguyên tử, nhờ đó ghi lại rõ nét đường viền của nguyên tử. Từ đồ thị những thăng giáng của dòng điện, người ta có thể thu được các hình ảnh đẹp của những nguyên tử cấu thành nên mạng tinh thể của vật liệu. (Kính hiển vi quét xuyên hầm được chế tạo dựa trên một định luật kỳ lạ của vật lý lượng tử. Thông thường, các electron không đủ năng lượng để di chuyển từ đầu dò rồi xuyên qua vật liệu để đến mặt bên kia. Nhưng nhờ vào nguyên lý bất định, electron trong dòng điện vẫn có xác suất dù nhỏ để “xuyên hầm” hoặc vượt qua các rào thế, mặc dù điều này không đúng với lý thuyết của Newton. Như vậy, dòng điện truyền qua đầu dò có thể nhạy với những hiệu ứng lượng tử yếu ớt bên trong vật liệu. Tôi sẽ thảo luận chi tiết về những hiệu ứng của lý thuyết lượng tử trong phần sau). Đầu dò này cũng đủ nhạy để di chuyển các nguyên tử, tạo nên một kiểu động cơ đơn giản chỉ gồm những nguyên tử đơn lẻ. Hiện nay, tiến bộ công nghệ vượt bậc cho phép ta hiển thị một đám nguyên tử lên màn hình máy tính và chỉ cần di chuyển con trỏ là các nguyên tử sẽ được di chuyển theo https://thuviensach.vn cách ta mong muốn. Ta có thể điều khiển hàng chục nguyên tử dễ dàng như chơi xếp hình Lego. Bên cạnh việc sắp xếp những nguyên tử đơn lẻ thành các ký tự, chúng ta còn có thể tạo nên một số món đồ chơi, ví dụ bàn tính nguyên tử. Các nguyên tử được dàn hàng trên một mặt phẳng ngang với các ô trống theo chiều dọc. Ta có thể bỏ vào những ô trống này các quả cầu bucky cacbon (có dạng quả bóng, nhưng được làm từ các nguyên tử cacbon). Chúng có thể di chuyển lên xuống để lấp vào các ô trống, tạo nên một bàn tính nguyên tử. Người ta cũng có thể dùng chùm tia electron để khắc lên các thiết bị nguyên tử. Chẳng hạn, các nhà khoa học ở Đại học Cornell đã chế tạo cây đàn ghita nhỏ nhất thế giới, chỉ bằng 1/20 kích thước sợi tóc, bằng cách khắc lên tinh thể silic. Cây đàn này có sáu dây, mỗi dây có đường kính 100 nguyên tử và được gảy bằng kính hiển vi lực nguyên tử. (Cây ghita này có thể chơi nhạc, nhưng tần số âm thanh mà nó tạo ra nằm ngoài ngưỡng nghe của tai người). Ở thời điểm hiện tại, hầu hết các “động cơ” nano chỉ là những món đồ chơi. Người ta chưa chế tạo được các động cơ phức tạp có bánh răng và những ổ bi. Nhưng nhiều kỹ sư tin rằng thời đại mà chúng ta chế tạo được những động cơ nguyên tử thực sự đang đến. (Thực ra, chúng ta có thể tìm thấy những động cơ nguyên tử ngay trong tự nhiên. Các tế bào có thể di chuyển dễ dàng trong nước nhờ vào các chân bơi li ti. Nhưng khi phân tích điểm nối giữa các chân bơi và tế bào, người ta tìm thấy các động cơ nguyên tử cho phép các chân bơi di chuyển theo hướng tùy ý. Vì vậy, chìa khóa để phát triển công nghệ nano là bắt chước tự nhiên, bởi chính tự nhiên đã lĩnh hội được nghệ thuật của các động cơ nguyên tử từ hàng tỷ năm trước). TOÀN ẢNH VÀ TÀNG HÌNH Cách khác để làm cho một người trở nên tàng hình một phần là chụp ảnh khung cảnh phía sau người đó rồi chiếu trực tiếp ảnh nền này lên quần áo hoặc lên một màn hình đặt ngay trước người đó. Khi nhìn từ phía trước, người này trông có vẻ trong suốt, như thể ánh sáng đi xuyên qua cơ thể họ. Naoki Kawakami, nhà nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm Tachi thuộc Đại học Tokyo, đang nỗ lực phát triển công nghệ này, được ông gọi là https://thuviensach.vn “ngụy trang quang học”. Ông cho biết: “Nó sẽ được dùng để giúp các phi công nhìn xuyên qua sàn buồng lái xuống đường băng bên dưới, hoặc các tài xế nhìn xuyên qua hàng rào để đậu xe.” “Tấm choàng” của Kawakami được đính phủ những hạt nhỏ có thể phản xạ ánh sáng, có tác dụng như một màn hình hiển thị. Một máy ghi hình sẽ chụp ảnh phía sau tấm choàng. Tiếp theo, những hình ảnh này sẽ được truyền đến một máy chiếu đang bật ngay trước tấm choàng, khiến ánh sáng như đang đi xuyên qua cơ thể người khoác tấm choàng. Một số mẫu thử nghiệm của tấm choàng ngụy trang quang học đã được chế tạo trong phòng thí nghiệm. Nếu nhìn thẳng vào người đang khoác tấm choàng giống như màn ảnh này, ta sẽ thấy như thể người này đã biến mất vì tất cả những gì ta nhìn thấy chỉ là hình ảnh phía sau. Nhưng nếu ta hơi nghiêng đầu, hình ảnh trên tấm choàng không hề thay đổi, cho thấy sự biến mất chỉ là giả tạo. Để ngụy trang quang học giống thực hơn, ta cần đến những ảo ảnh ba chiều tức là cần đến phép toàn ảnh. Một bức toàn ảnh là hình ảnh ba chiều do các chùm tia laser tạo ra (giống như hình ảnh ba chiều của công chúa Leia trong phim Chiến tranh giữa các vì sao). Một người có thể trở nên vô hình nếu khung cảnh xung quanh họ được một máy ảnh toàn ký đặc biệt chụp lại, rồi được chiếu lên một màn ảnh đặt ngay trước người đó. Một người đứng phía trước quan sát sẽ nhìn thấy màn ảnh toàn ký đang chiếu những hình ảnh ba chiều của khung cảnh xung quanh nhưng người được chụp ảnh toàn ký thì như thể đã biến mất. Tại chỗ anh ta đang đứng là chính hình ảnh ba chiều của khung cảnh xung quanh. Thậm chí, nếu có di chuyển đến góc nhìn khác thì ta cũng không thể phân biệt nổi những gì đang thấy là giả. Người ta có thể tạo ra ảnh ba chiều do tia laser có “tính kết hợp”, tức là các sóng ánh sáng dao động đồng bộ với nhau. Những bức toàn ảnh được chế tạo bằng cách tách chùm laser kết hợp thành hai phần. Một nửa chiếu lên một tấm phim ảnh, nửa kia rọi lên vật, rồi bật trở lại cùng tấm phim. Khi hai nửa chùm laser gặp nhau trên tấm phim, hình ảnh giao thoa của chúng mang đầy đủ thông tin của chùm laser ban đầu. Khi được rửa ra, tấm phim này không có vẻ gì đặc biệt mà trông như một mạng nhện phức tạp với những vòng xoáy và đường chằng chịt. Nhưng khi chiếu một chùm laser lên tấm phim này, một bản sao ba chiều của vật bất ngờ hiện ra như có phép màu. https://thuviensach.vn Tuy nhiên, việc tàng hình sử dụng phép toàn ảnh còn gặp nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật. Thách thức đầu tiên là phải tạo ra một máy ảnh toàn ký có tốc độ chụp tối thiểu 30 hình/giây. Vấn đề kế tiếp là lưu trữ và xử lý toàn bộ thông tin đã chụp được. Và cuối cùng, ta phải chiếu những hình ảnh này lên một màn hình sao cho chúng trông như thật. TÀNG HÌNH THÔNG QUA CHIỀU THỨ TƯ CỦA KHÔNG GIAN Chúng ta cũng nên đề cập đến khả năng tàng hình phức tạp hơn từng được nói đến trong tiểu thuyết Người tàng hình của H. G. Wells và liên quan tới việc sử dụng chiều thứ tư của không gian. (Tôi sẽ thảo luận chi tiết khả năng tồn tại các chiều cao hơn của không gian trong phần sau). Liệu chúng ta có thể rời khỏi thế giới ba chiều của mình và bay lượn bên trên nó từ vị trí thuận tiện của một chiều không gian thứ tư hay không? Cũng giống như một con bướm trong không gian ba chiều đang bay lượn phía trên một mặt giấy hai chiều, chúng ta sẽ trở nên vô hình đối với những ai sống trong vũ trụ có số chiều thấp hơn. Ý tưởng này có một trở ngại là ta vẫn chưa chứng minh được sự tồn tại của những chiều bậc cao hơn. Hơn nữa, một chuyến đi giả định vào các chiều bậc cao này sẽ cần lượng năng lượng vượt xa khả năng đáp ứng của công nghệ hiện tại. Xét về khả năng đạt đến sự tàng hình, phương pháp này rõ ràng nằm ngoài tầm hiểu biết và khả năng của chúng ta ở thời điểm hiện tại. Với những thành tựu to lớn đã đạt được, sự tàng hình rõ ràng đủ điều kiện để được xếp vào nhóm Bất khả thi loại I. Trong vài thập niên tới, hoặc ít nhất là trong thế kỷ này, một dạng tàng hình nào đó có thể sẽ trở thành chuyện bình thường. https://thuviensach.vn 3: SÚNG PHASER VÀ NGÔI SAO TỬ THẦN Chẳng có tương lai nào cho máy truyền thanh. Những cỗ máy bay nặng hơn không khí là bất khả. Tia X rồi sẽ được kiểm chứng là một trò bịp. — NAM TƯỚC KELVIN, 1899 Bom [nguyên tử] sẽ không bao giờ thành. Tôi nói điều này với tư cách một chuyên gia về chất nổ. — ĐÔ ĐỐC WILLIAM LEAHY 4 — 3 — 2 — 1, khai hỏa! Ngôi sao Tử thần là một vũ khí khổng lồ, lớn bằng cả Mặt Trăng. Hướng thẳng về phía hành tinh Alderaan yếu ớt, quê nhà của công chúa Leia, Ngôi sao Tử thần khai hỏa, khiến hành tinh này vỡ vụn trong một vụ nổ khủng khiếp, các tàn dư của nó bắn tung tóe khắp hệ mặt trời. Hàng tỷ linh hồn gào thét trong đau đớn, cảnh hỗn loạn bao trùm cả thiên hà. Nhưng liệu vũ khí Ngôi sao Tử thần của loạt phim Chiến tranh giữa các vì sao có thật sự khả thi? Liệu loại vũ khí như vậy có thể tạo ra một nguồn laser đủ để làm bốc hơi cả một hành tinh hay không? Còn những thanh gươm ánh sáng có chùm sáng phát ra từ chuôi gươm mà Luke Skywalker và Darth Vader sử dụng thì sao? Liệu những khẩu súng bắn tia giống như súng phaser trong phim Star Trek có trở thành vũ khí của cảnh sát và quân đội trong tương lai? Các hiệu ứng đặc biệt trong phim Chiến tranh giữa các vì sao đã mê hoặc hàng triệu khán giả nhưng lại không vừa mắt một số nhà phê bình: họ chỉ trích chúng hay thì có hay nhưng thiếu tính thực tế. Họ đánh giá những khẩu súng bắn tia cỡ Mặt Trăng có thể phá hủy cả một hành tinh, hoặc những thanh gươm ánh sáng chỉ là hão huyền, kể cả đối với một thiên hà cách xa chúng ta. Họ cho rằng lần này thì chuyên gia hiệu ứng đặc biệt https://thuviensach.vn George Lucas đã hơi quá đà. Mặc dù khó tin, nhưng sự thật là không có giới hạn vật lý nào cho việc tích trữ một lượng năng lượng thô vào trong một chùm sáng. Các định luật vật lý không hề ngăn cản việc tạo ra một vũ khí như Ngôi sao Tử thần hay thanh gươm ánh sáng. Thực tế, ngay trong tự nhiên cũng tồn tại các bức xạ gamma có thể tạo thành chùm tia đủ để đốt cháy cả hành tinh. Bức xạ từ sự bùng phát khủng khiếp của một nguồn phát tia gamma trong không gian sâu thẳm có thể tạo ra một vụ nổ chỉ đứng sau Big Bang. Bất cứ hành tinh xấu số nào nằm trong tầm hoạt động của nguồn phát tia gamma sẽ bị nướng cháy hoặc bị thổi bay thành từng mảnh. NHỮNG LOẠI VŨ KHÍ BẮN TIA TRONG LỊCH SỬ Giấc mơ chế ngự những chùm tia năng lượng thực ra không mới mẻ mà đã xuất hiện ngay từ các truyền thuyết và thần thoại cổ đại. Thần Zeus của Hy Lạp nổi tiếng nhờ quyền năng giáng những tia sét trừng trị người phàm. Thần Thor của Bắc Âu sở hữu chiếc búa thần Mjolnir có thể phóng sét, còn thần Indra của đạo Hindu lại nổi tiếng với cây thương bắn ra các chùm năng lượng. Ý tưởng sử dụng các chùm tia như một vũ khí thực sự có lẽ bắt nguồn từ công trình của Archimedes, nhà toán học vĩ đại người Hy Lạp — ông có lẽ là nhà khoa học vĩ đại nhất thời cổ đại, đã phát minh ra dạng thô sơ của giải tích cách đây 2.000 năm, trước cả Newton và Leibniz. Trong một trận chiến lẫy lừng trước quân đội La Mã do tướng Marcellus chỉ huy trong Chiến tranh Punic lần II vào năm 214 TCN, Archimedes đã giúp vương quốc Syracuse phòng thủ bằng cách tạo ra một hệ thống gương phản xạ có thể hội tụ ánh sáng Mặt Trời để đốt cháy những cánh buồm của thuyền địch. (Thậm chí tới ngày nay, các nhà khoa học vẫn còn tranh luận xem liệu loại vũ khí sử dụng tia sáng này có thực sự hoạt động không; nhiều nhóm nghiên cứu cố gắng lặp lại kỳ tích này nhưng kết quả đạt được vô cùng khác nhau). Súng bắn tia đã được đưa vào bộ tiểu thuyết khoa học viễn tưởng kinh điển Chiến tranh giữa các thế giới của H. G. Wells năm 1889, trong đó người Hỏa Tinh đã thiêu rụi hết các thành phố bằng những vũ khí bắn các chùm tia nhiệt được đặt trên giá đỡ ba chân. Trong Thế chiến II, với tinh https://thuviensach.vn thần hăm hở áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mới nhất để chinh phạt thế giới, Đức Quốc Xã đã thử nghiệm chế tạo nhiều loại súng bắn tia, trong đó có súng âm thanh, sử dụng các gương parabol để hội tụ chùm âm thanh có cường độ lớn. Loại vũ khí tạo ra chùm tia sáng hội tụ xuất hiện trước công chúng cùng nhân vật điệp viên 007 — James Bond trong phim Goldfinger (Ngón tay vàng), bộ phim đầu tiên của Hollywood đề cập đến laser. (Điệp viên huyền thoại người Anh này bị trói chặt trên một mặt bàn kim loại, trong khi một chùm tia laser mạnh từ từ tiến tới cắt dọc mặt bàn giữa hai chân đe dọa xẻ ông thành hai nửa). Ban đầu, các nhà vật lý giễu cợt ý tưởng súng bắn tia trong tiểu thuyết của Wells vì chúng vi phạm các định luật về quang học. Theo hệ phương trình Maxwell, ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy nhanh chóng bị phân tán và đánh mất tính kết hợp (nó trở thành một mớ hổ lốn gồm nhiều sóng có tần số và pha khác nhau). Do đó, chúng ta không thể chế tạo được chùm sáng kết hợp, hội tụ và đồng bộ giống như chùm tia laser. CUỘC CÁCH MẠNG LƯỢNG TỬ Toàn bộ suy nghĩ ấy đã thay đổi khi lý thuyết lượng tử ra đời. Đầu thế kỷ 20, người ta nhận thấy rõ ràng mặc dù các định luật Newton và hệ phương trình Maxwell đạt được những thành công đáng kể trong việc giải thích chuyển động của các hành tinh và nguyên lý hoạt động của ánh sáng, nhưng chúng không lý giải được tất cả các hiện tượng. Chúng không thể giải thích tại sao các vật liệu có thể dẫn điện, tại sao mỗi kim loại lại nóng chảy ở nhiệt độ nhất định, tại sao chất khí bức xạ ánh sáng khi được nung nóng, tại sao một số chất trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ thấp — tất cả đòi hỏi sự hiểu biết về động lực học bên trong nguyên tử. Thời điểm chín muồi của một cuộc cách mạng đã điểm. Nền vật lý Newton 250 năm tuổi sắp bị lật đổ, báo hiệu sự ra đời của một nền vật lý mới. Năm 1900, nhà vật lý người Đức Max Planck đề xuất rằng năng lượng không liên tục như cách nghĩ của Newton, mà được tạo thành từ những lượng nhỏ và rời rạc, được gọi là “lượng tử”. Đến năm 1905, Einstein cho rằng chùm ánh sáng được tạo thành từ những gói nhỏ (hay lượng tử) gọi là “photon”. Với ý tưởng đơn giản nhưng mạnh mẽ này, Einstein đã giải thích https://thuviensach.vn được hiệu ứng quang điện, rằng tại sao các electron có thể bứt ra từ bề mặt kim loại khi được chiếu sáng. Ngày nay, hiệu ứng quang điện và photon đóng vai trò nền tảng trong sản xuất tivi, laser, pin quang điện và nhiều thiết bị điện tử hiện đại. (Lý thuyết photon của Einstein cách mạng đến nỗi một người ủng hộ Einstein nhiệt tình như Max Planck ban đầu cũng không tin vào nó. Planck đã viết về Einstein như sau: “Đôi khi, Einstein có thể mắc sai lầm… chẳng hạn như trong giả thuyết về lượng tử ánh sáng, cũng không thể trách Einstein được.”) Rồi đến năm 1913, nhà vật lý Đan Mạch Neils Bohr đã cho ta bức tranh hoàn toàn mới về nguyên tử, giống như một hệ mặt trời thu nhỏ. Nhưng không giống như ở một hệ mặt trời thực sự, các electron chỉ có thể chuyển động trên các quỹ đạo hoặc các lớp vỏ rời rạc quanh hạt nhân. Khi electron “nhảy” vào quỹ đạo bên trong mang mức năng lượng thấp hơn, nó sẽ bức xạ một photon. Khi electron hấp thụ một photon có năng lượng rời rạc, nó sẽ “nhảy” lên quỹ đạo bên ngoài có mức năng lượng cao hơn. Một lý thuyết gần như hoàn chỉnh về nguyên tử xuất hiện vào năm 1925, với sự ra đời của cơ học lượng tử và các công trình mang tính cách mạng của Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg và nhiều nhà khoa học khác. Theo thuyết lượng tử, electron là một hạt nhưng luôn có một sóng kết hợp với nó, mang lại cho electron các tính chất vừa giống hạt vừa giống sóng. Các sóng này tuân theo phương trình sóng Schrödinger — phương trình giúp chúng ta tính được các tính chất của nguyên tử, bao gồm tất cả các “bước nhảy” mà Bohr đã đưa ra. Trước năm 1925, người ta vẫn xem các nguyên tử là thứ huyền bí, thậm chí nhiều người, như nhà triết học Ernst Mach, tin nó không thực sự tồn tại. Sau năm 1925, chúng ta đã có cái nhìn thấu đáo về động lực học của nguyên tử, từ đó tiên đoán được các tính chất của chúng. Thật ngạc nhiên, điều này đồng nghĩa nếu có một chiếc máy tính đủ mạnh thì ta có thể rút ra tính chất của các nguyên tố hóa học từ những định luật của lý thuyết lượng tử. Cũng giống như các nhà vật lý theo trường phái Newton có thể tính toán chuyển động của các thiên thể trong vũ trụ nếu sở hữu một chiếc máy có khả năng tính toán đủ mạnh, các nhà vật lý lượng tử nhận định rằng về mặt nguyên lý, họ có thể tính được tính chất của những nguyên tố tồn tại trong vũ trụ. Nếu có một chiếc máy như vậy, ta thậm chí có thể viết được cả hàm sóng của chính con người. À https://thuviensach.vn MASER VÀ LASER Năm 1953, giáo sư Charles Townes của Đại học California tại Berkeley và các đồng nghiệp đã tạo ra được bức xạ kết hợp dưới dạng vi ba đầu tiên. Nó được đặt tên là “maser” (viết tắt từ microwave amplification through stimulated emission of radiation — khuếch đại vi ba qua phát xạ kích thích). Nhờ công trình này, ông cùng hai nhà vật lý người Nga là Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov đã được trao giải Nobel vào năm 1964. Kết quả nghiên cứu của họ nhanh chóng được phát triển sang cả ánh sáng khả kiến, từ đó cho ra đời laser. (Còn phaser chỉ là một thiết bị viễn tưởng nổi tiếng trong phim Star Trek). Trong thiết bị laser, trước tiên ta cần một môi trường đặc biệt như một loại khí, tinh thể hay điốt để truyền tia laser. Sau đó, ta bơm năng lượng vào trong môi trường này từ một nguồn bên ngoài, dưới dạng dòng điện, sóng vô tuyến, ánh sáng hoặc một phản ứng hóa học. Dòng năng lượng đột ngột này kích thích các nguyên tử trong môi trường, các electron hấp thụ năng lượng đó và sẽ nhảy ra các lớp vỏ bên ngoài. Ở trạng thái kích thích do được bơm năng lượng, môi trường trở nên không ổn định. Nếu ta chiếu một chùm ánh sáng vào môi trường này, các photon sẽ va chạm với từng nguyên tử, khiến nguyên tử giải phóng thêm nhiều photon để chuyển về mức năng lượng thấp hơn. Quá trình này lại kích thích electron giải phóng ngày càng nhiều photon dẫn tới một đợt suy giảm năng lượng của các nguyên tử, với hàng tỷ tỷ photon được sinh ra để tạo thành tia. Điều quan trọng là ở những môi trường xác định, khi các photon ào ạt sinh ra, chúng dao động kết hợp với nhau. (Hãy tưởng tượng một dãy đôminô. Các quân đôminô có năng lượng thấp nhất nằm trên mặt bàn. Các quân đôminô có năng lượng cao thì đứng thẳng, giống như các nguyên tử đã được bơm năng lượng trong môi trường. Nếu đẩy một quân đôminô, ta có thể khởi phát quá trình ngã đổ hàng loạt, giống như trong một tia laser.) Chỉ một số loại vật liệu nhất định mới có thể tạo thành tia laser. Đó là những vật liệu đặc biệt, có khả năng phát xạ photon kết hợp với photon ban đầu khi nguyên tử ở trạng thái kích thích va chạm với chúng. Kết quả của sự kết hợp này là tất cả các photon trong tia sẽ dao động đồng bộ, tạo thành một tia laser mảnh như ruột bút chì. (Trái với tưởng tượng của nhiều https://thuviensach.vn người, tia laser không duy trì trạng thái đó mãi. Ví dụ, khi chiếu tia laser lên Mặt Trăng, nó sẽ mở rộng dần đến khi tạo thành một vùng sáng có kích thước vài dặm). Một laser khí đơn giản cấu tạo gồm một ống chứa khí heli và neon. Khi có dòng điện chạy qua ống, các nguyên tử khí trong ống được bơm năng lượng. Nếu năng lượng này được giải phóng đồng thời, một tia sáng kết hợp được tạo thành. Được khuếch đại bằng hai gương đặt ở hai đầu ống, tia này phản xạ qua lại giữa hai gương. Một gương phản xạ toàn bộ ánh sáng chiếu đến, còn gương kia cho phép một ít ánh sáng truyền qua, tạo nên tia laser đi ra từ đầu ống này. Ngày nay, chúng ta có thể thấy laser ở khắp nơi, từ quầy thanh toán của cửa hàng tạp hóa đến cáp quang Internet, máy in laser, đầu đọc đĩa CD hay cả các máy tính hiện đại. Chúng còn được dùng trong phẫu thuật nhãn cầu, xóa xăm, thậm chí trong các thẩm mỹ viện. Năm 2004, hơn 5,4 tỷ đô-la đã được chi để mua các thiết bị laser trên toàn thế giới. CÁC KIỂU LASER Các loại laser mới liên tục ra đời mỗi khi người ta chế tạo được những loại vật liệu mới có khả năng khuếch đại ánh sáng nhờ phát xạ kích thích, hoặc khám phá ra cách khác để bơm năng lượng vào môi trường tạo laser. Câu hỏi đặt ra là liệu có loại nào trong số đó phù hợp để chế tạo súng bắn tia gươm ánh sáng, hay một kiểu laser đủ mạnh để nạp năng lượng cho Ngôi sao Tử thần? Ngày nay, số loại laser nhiều vô cùng, tùy vào loại vật liệu được dùng để khuếch đại ánh sáng và loại năng lượng được bơm vào vật liệu (như dòng điện, các chùm sáng mạnh, thậm chí là phản ứng hóa học gây nổ). Chúng bao gồm: • Laser khí. Loại laser khí thường thấy là laser heli-neon, tạo ra tia sáng đỏ quen thuộc. Chúng được nạp năng lượng nhờ sóng vô tuyến hoặc dòng điện. Laser heli-neon tương đối yếu. Nhưng laser dùng khí cacbonic lại khá mạnh, được dùng để kích nổ, làm dao cắt và nấu chảy trong công nghiệp nặng, có thể tạo ra các chùm tia có công suất cực lớn và không nhìn thấy được. • Laser hóa học. Đây là loại laser công suất lớn, được nạp năng https://thuviensach.vn lượng nhờ các phản ứng hóa học như phản ứng đốt cháy êtilen và nitơ triflorua (NF ). Công suất của laser loại này đủ lớn để dùng trong quân sự. Các laser hóa học mà không quân và lục quân Mỹ sử dụng có công suất lên đến hàng triệu watt và được thiết kế để bắn hạ tên lửa tầm ngắn đang bay của đối phương. • Laser excimer. Đây cũng là loại laser được nạp năng lượng nhờ các phản ứng hóa học, thường sử dụng một loại khí trơ (như argon, krypton hoặc xenon) và flo hoặc clo. Chúng tạo ra ánh sáng tử ngoại và có thể dùng để khắc các transistor nhỏ lên những con chip trong công nghiệp bán dẫn hoặc dùng trong kỹ thuật phẫu thuật mắt Lasik. • Laser chất rắn. Đây là loại laser đầu tiên được chế tạo thành công làm từ tinh thể đá hồng ngọc lẫn crom. Có nhiều loại tinh thể phù hợp để tạo thành tia laser, cùng với yttri, holmi, thuli và một số chất khác. Loại laser này có khả năng tạo ra các xung ánh sáng rất ngắn mang năng lượng cao. • Laser bán dẫn. Điốt, dùng phổ biến trong công nghiệp bán dẫn, có thể tạo thành các tia cường độ cao dùng để cắt và nấu chảy trong công nghiệp. Chúng ta cũng thường thấy laser loại này tại quầy thanh toán của các cửa hàng bách hóa, với nhiệm vụ quét mã vạch thanh toán. • Laser nhuộm màu. Đây là loại laser sử dụng các hợp chất nhuộm hữu cơ làm môi trường kích quang. Chúng đặc biệt hữu dụng trong việc tạo ra các xung ánh sáng cực ngắn và thường chỉ tồn tại trong khoảng một phần tỷ tỷ giây. LASER VÀ SÚNG BẮN TIA Laser có vô số ứng dụng trong thương mại và quân sự, nhưng tại sao chúng ta không dùng súng bắn tia trong các trận đánh và trên chiến trường? Súng bắn tia có vẻ là loại vũ khí tiêu chuẩn trong các bộ phim khoa học viễn tưởng. Vậy tại sao chúng ta không chế tạo chúng? Lý do đơn giản là chúng ta thiếu một thiết bị cầm tay có công suất lớn. Chúng ta cần có thiết bị vừa “lưu giữ được” dòng điện khổng lồ, vừa đủ nhỏ để cầm nắm được. Hiện này, cách duy nhất để tạo ra dòng điện lớn https://thuviensach.vn đến vậy là trạm phát điện. Trong khi thiết bị quân sự cầm tay nhỏ nhất có thể tạo ra lượng năng lượng khổng lồ là một quả bom khinh khí cỡ nhỏ, rất có thể sẽ tiêu diệt cả mục tiêu và chính người dùng. Lý do thứ hai không kém phần quan trọng là tính bền của vật liệu làm laser. Về lý thuyết, lượng năng lượng mà ta nạp vào tia laser là không có giới hạn. Trở ngại ở đây là các vật liệu làm laser trong súng bắn tia cầm tay sẽ không bền. Ví dụ, khi được bơm quá nhiều năng lượng, laser tinh thể sẽ bị quá nhiệt và vỡ ra. Trong khi đó, để tạo ra một laser cực mạnh có khả năng làm bốc hơi một vật hoặc vô hiệu hóa đối phương, chúng ta cần sử dụng năng lượng tương đương một vụ nổ. Trong trường hợp đó, tính bền của vật liệu làm laser không còn là hạn chế nữa vì dầu sao chúng cũng chỉ được sử dụng một lần duy nhất. Do những trở ngại trong việc tạo ra một thiết bị cầm tay có công suất lớn và một loại vật liệu vững bền để tạo ra laser, súng bắn tia cầm tay vẫn là bất khả thi với công nghệ hiện nay. Súng bắn tia khả thi, nhưng chỉ khi chúng được kết nối với một nguồn năng lượng bên ngoài. Hoặc may mắn thì với công nghệ nano, chúng ta có thể tạo ra các nguồn điện thu nhỏ tích trữ hoặc giải phóng được đủ năng lượng để bắn ra chùm tia mạnh theo tiêu chuẩn của một thiết bị cầm tay. Tuy nhiên, như chúng ta đã biết, công nghệ nano hiện còn khá sơ khai. Ở cấp độ nguyên tử, các nhà khoa học có thể khéo léo tạo ra các thiết bị nguyên tử như bàn tính hay đàn ghita nhưng chúng không có tính thực tiễn. Nhưng chúng ta có quyền tin tưởng rằng vào cuối thế kỷ này hoặc trong thế kỷ sau, công nghệ nano sẽ mang lại các nguồn điện thu nhỏ có thể tích trữ lượng năng lượng lớn đến mức khó tin. Gươm ánh sáng cũng gặp phải những khó khăn tương tự. Khi bộ phim Chiến tranh giữa các vì sao được trình chiếu lần đầu tiên vào thập niên 1970 và các thanh gươm ánh sáng đồ chơi trở thành mặt hàng bán chạy cho trẻ em, giới phê bình đã chỉ ra rằng không thể chế tạo loại thiết bị như vậy. Đầu tiên, ánh sáng không đông đặc được. Nó luôn chuyển động với tốc độ ánh sáng nên không thể hóa cứng. Thứ đến, chùm tia sáng không dừng giữa chừng như gươm ánh sáng trong phim Chiến tranh giữa các vì sao mà sẽ di chuyển mãi mãi và một lưỡi gươm ánh sáng thực sự sẽ dài tới tận trời. Thực ra, chúng ta có thể chế tạo gươm ánh sáng bằng cách sử dụng plasma hoặc khí ion hóa siêu nóng. Plasma khi nung nóng có thể phát sáng https://thuviensach.vn trong đêm và cắt được thép. Một thanh gươm ánh sáng plasma sẽ có một ống rỗng và mỏng giống như kính thiên văn trượt ra từ tay cầm. Bên trong ống này, một dòng plasma nóng được tạo thành và có thể phóng ra ngoài thông qua các lỗ nhỏ cách đều nhau dọc thân ống. Khi dòng plasma phóng ra ngoài từ tay cầm, phát ra ở đầu ống và qua các lỗ đục, chúng sẽ tạo ra một ống khí dài phát sáng rất nóng, đủ để nung chảy thép. Thiết bị này đôi khi được gọi là đuốc plasma. Như vậy, chúng ta có khả năng chế tạo một thiết bị mang năng lượng cao tương tự gươm ánh sáng. Nhưng cũng giống như với súng bắn tia, ta phải tạo ra một thiết bị cầm tay có công suất lớn. Khi đó, ta cần dùng một đường dây nối dài để gắn thanh gươm với nguồn điện hoặc sử dụng công nghệ nano để tạo ra một nguồn điện nhỏ nhưng có thể cung cấp năng lượng lớn. Như vậy, mặc dù súng bắn tia và gươm ánh sáng là khả thi, nhưng những vũ khí cầm tay trong các bộ phim khoa học viễn tưởng vẫn nằm ngoài tầm với của công nghệ ngày nay. Nhưng vào cuối thế kỷ này hoặc trong thế kỷ tới, cùng với sự phát triển của khoa học vật liệu cũng như công nghệ nano, có thể chúng ta sẽ làm ra được một loại súng bắn tia nào đó. Do đó, nó được xếp vào nhóm Bất khả thi loại I. NĂNG LƯỢNG CHO NGÔI SAO TỬ THẦN Để tạo ra khẩu đại pháo Ngôi sao Tử thần bắn tia laser có khả năng phá hủy hoàn toàn một hành tinh và đe dọa an nguy của cả thiên hà như trong phim Chiến tranh giữa các vì sao, ta phải tạo ra được loại laser mạnh nhất có thể. Hiện nay, người ta sử dụng một số loại laser mạnh nhất để tạo ra những mức nhiệt chỉ có ở lõi các ngôi sao. Với phản ứng nhiệt hạch, những thiết bị này có thể sẽ tạo ra năng lượng bằng năng lượng của các ngôi sao ngay trên Trái Đất. Các thiết bị sử dụng phản ứng nhiệt hạch bắt chước các quá trình diễn ra ngoài vũ trụ khi một ngôi sao hình thành. Một ngôi sao được tạo thành từ một quả cầu khí hiđrô khổng lồ vô định hình, cho đến khi lực hấp dẫn nén khí lại và làm nóng khí trong quá trình nén, đẩy nó đến thang nhiệt độ thiên văn. Ví dụ, nhiệt độ sâu trong lõi của một ngôi sao có thể đạt từ 50 triệu đến 100 triệu độ bách phân, đủ nóng để khiến hạt nhân của các nguyên tử https://thuviensach.vn hiđrô va chạm với nhau, tạo thành nguyên tố heli và phát ra năng lượng khổng lồ. Phản ứng tổng hợp hiđrô thành heli xảy ra nhờ sự chuyển hóa một phần nhỏ khối lượng ngôi sao thành nguồn năng lượng khổng lồ qua phương trình nổi tiếng của Einstein E = mc2. Phản ứng này chính là nguồn năng lượng của các ngôi sao. Hiện ta có hai cách để khai thác năng lượng nhiệt hạch trên Trái Đất. Cả hai đều gặp nhiều khó khăn hơn mong đợi. KÍCH HOẠT PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIAM HÃM QUÁN TÍNH Phương pháp đầu tiên là “giam hãm quán tính”, sử dụng các laser mạnh nhất thế giới để tạo ra một mẫu mô phỏng Mặt Trời trong phòng thí nghiệm. Một laser chất rắn từ thủy tinh pha lẫn neodymi phù hợp lý tưởng để tạo ra mức nhiệt cao vốn chỉ thấy ở lõi sao. Hệ thống laser này chiếm khoảng không gian cỡ một xưởng sản xuất lớn, chứa một nguồn laser có thể phát ra các chùm tia song song chạy dọc một đường hầm dài. Các chùm tia laser công suất lớn này rọi đến một chuỗi gương nhỏ sắp xếp quanh một hình cầu; những tấm gương này có nhiệm vụ hội tụ đồng bộ các chùm tia laser lên một quả cầu nhỏ đã được làm giàu hiđrô (nó được làm từ những vật liệu đặc biệt như hợp chất liti-deuteri, thành phần hoạt tính của một quả bom khinh khí). Quả cầu này thường có kích thước tương đương mũi đinh ghim và chỉ nặng 10 mg. Luồng sáng laser thiêu đốt khiến bề mặt của quả cầu bị bay hơi và nén quả cầu thành nhỏ hơn nữa. Khi quả cầu co sụp, sóng xung kích được tạo ra sẽ ập vào lõi quả cầu, khiến nhiệt độ lõi đạt đến hàng triệu độ, đủ để tổng hợp hiđrô thành heli. Nhiệt độ và áp suất khi đạt đến cỡ nhiệt độ và áp suất thiên văn, thỏa mãn “tiêu chuẩn Lawson” giống như trong bom khinh khí và ở lõi các ngôi sao. (Tiêu chí Lawson đặt ra mức nhiệt độ, khối lượng riêng và thời gian giam hãm cần đạt được để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra đối với bom khinh khí, trong lõi sao hoặc ở các động cơ sử dụng năng lượng nhiệt hạch). Trong quá trình giam hãm quán tính, một năng lượng khổng lồ được giải phóng kèm theo các neutron. (Hỗn hợp liti-deuteri có thể đạt đến 100 triệu độ bách phân và có khối lượng riêng lớn gấp khối lượng riêng của https://thuviensach.vn chì 20 lần). Khi đó, một chùm neutron được phát ra từ quả cầu sẽ đập vào lớp vật liệu bao quanh hình cầu khiến lớp vỏ này nóng lên, làm sôi nước, hơi nước tạo thành sẽ làm quay tua-bin và tạo ra dòng điện. Tuy nhiên, tập trung một lượng năng lượng lớn như vậy lên một quả cầu quá nhỏ là một công việc khó khăn. Nỗ lực nghiêm túc đầu tiên để tạo ra phản ứng nhiệt hạch bằng tia laser được Phòng Thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore LLNL ở California thực hiện, khi các nhà khoa học đưa vào vận hành một hệ thống laser Shiva gồm 20 tia laser vào năm 1978. (Shiva là vị thần Hindu nhiều tay. Hệ thống sử dụng nhiều tia laser giống như những cánh tay của vị thần này). Kết quả đạt được tuy đáng thất vọng nhưng cũng đủ để chứng minh rằng các phản ứng nhiệt hạch sử dụng chùm tia laser có thể hoạt động được về mặt kỹ thuật. Sau đó, hệ thống laser Shiva được thay thế bằng laser Nova với năng lượng lớn gấp 10 lần. Nhưng laser Nova cũng không đạt được đến điểm kích hoạt phản ứng nhiệt hạch cho quả cầu. Tuy vậy, nó đã mở đường cho những nghiên cứu với NIF (Thiết bị Nghiên cứu Quốc gia về Khả năng [dùng tia laser để] Kích hoạt [phản ứng nhiệt hạch]) mà người ta bắt đầu xây dựng từ năm 1997 tại LLNL. NIF là một cỗ máy khủng khiếp. Nó gồm một nguồn laser có thể tạo ra 192 chùm tia, phát ra công suất khổng lồ lên đến 700 tỷ tỷ watt (tương đương công suất của 700.000 nhà máy điện hạt nhân cỡ lớn, tập trung trong một tia duy nhất). Hệ thống laser tối tân này được thiết kế để kích hoạt phản ứng nhiệt hạch của các quả cầu nhỏ giàu hiđrô. (Giới phê bình cũng chỉ ra những ứng dụng quân sự rõ ràng của hệ thống này vì nó có thể phỏng theo một quả bom khinh khí, nhờ vậy hình thành khả năng chế tạo loại vũ khí hạt nhân mới — một quả bom thuần nhiệt hạch không cần tới một quả bom nguyên tử urani hay plutoni để kích hoạt quá trình nhiệt hạch). Nhưng ngay cả thiết bị tạo ra chùm laser mạnh nhất thế giới như cỗ máy NIF cũng chưa thể tiệm cận tới công suất hủy diệt của Ngôi sao Tử thần trong phim Chiến tranh giữa các vì sao. Để chế tạo một thiết bị như vậy, chúng ta phải tìm kiếm nguồn năng lượng khác. THỰC HIỆN PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIAM TỪ https://thuviensach.vn Phương pháp tiềm năng thứ hai để nạp năng lượng cho Ngôi sao Tử thần là phương pháp “giam từ”, trong đó người ta sử dụng từ trường để điều khiển một khối plasma nóng của khí hiđrô. Thực tế, đây là phương pháp có thể dùng để chạy thử nghiệm các lò phản ứng nhiệt hạch thương mại đầu tiên. Dự án lò phản ứng nhiệt hạch tân tiến nhất hiện nay hoạt động theo kiểu này là Lò Phản ứng Thử nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế ITER, được hiệp hội các quốc gia (gồm Liên minh châu Âu, Hợp Chủng quốc Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Ấn Độ) quyết định xây dựng tại Cadarache, miền Nam nước Pháp vào năm 2006 với mục tiêu đẩy khí hiđrô lên 100 triệu độ bách phân. ITER có thể trở thành lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên trong lịch sử tạo ra lượng năng lượng vượt quá mức sử dụng của chính nó. Nó được thiết kế để chạy với công suất 500 MW trong 500 giây (kỷ lục hiện tại là công suất 16 MW trong 1 giây). Dự kiến ITER sẽ được hoàn thành và đi vào hoạt động vào năm 2025. Với kinh phí đầu tư lên đến 12 tỷ đô-la Mỹ, đây là dự án khoa học đắt giá thứ ba trong lịch sử, chỉ sau Dự án Manhattan và Trạm Không gian Quốc tế. ITER trông giống như một chiếc bánh rán khổng lồ với khí hiđrô chuyển động quay tròn bên trong và nhiều vòng dây lớn quấn trên mặt. Các vòng dây này được làm lạnh đến trạng thái siêu dẫn. Sau đó, người ta bơm năng lượng điện vào các dây này để tạo ra từ trường, giúp giam các hạt plasma bên trong “chiếc bánh”. Khi dòng điện truyền qua “chiếc bánh”, khí bên trong sẽ được làm nóng đến mức nhiệt như ở các ngôi sao. Các nhà khoa học rất phấn khích trước viễn cảnh tạo ra được một nguồn năng lượng giá rẻ. Nhiên liệu cung ứng cho các lò phản ứng nhiệt hạch là nước biển vốn giàu hiđrô. ít nhất là về mặt lý thuyết, phản ứng nhiệt hạch có thể mang lại cho chúng ta một nguồn cung năng lượng vô hạn trong khi giá thành lại thấp. Vậy tại sao hiện nay chúng ta vẫn chưa có các lò phản ứng nhiệt hạch? Tại sao chúng ta phải mất hàng thập kỷ để cải tiến kể từ khi quá trình nhiệt hạch được phát hiện vào những năm 1950? Vấn đề nằm ở những khó khăn khủng khiếp trong việc nén nguyên liệu hiđrô sao cho đồng đều. Ở các ngôi sao, lực hấp dẫn nén khí hiđrô thành một hình cầu hoàn hảo, nhờ đó khí được làm nóng đồng đều và dễ dàng. Trong phản ứng nhiệt hạch kích hoạt bằng laser được thực hiện ở NIF, các chùm tia laser đồng tâm chiếu lên bề mặt quả cầu nhỏ phải đồng bộ https://thuviensach.vn hoàn hảo, và đây chính là điểm khó khăn. Còn trong các thiết bị giam bằng từ, từ trường lại có cả hai cực bắc và nam nên việc nén khí đồng đều thành một hình cầu còn khó khăn gấp bội. Cách khả thi nhất là tạo ra một từ trường có hình chiếc bánh rán. Nhưng việc nén khí cũng giống như việc bóp một quả bóng: mỗi khi ta ép vào một bên của quả bóng, khí trong bóng sẽ di chuyển sang chỗ khác. Việc bóp quả bóng đồng đều theo tất cả các hướng là một thách thức. Hơn nữa, khí nóng thường bị rò rỉ ra khỏi “chai” từ, tiếp xúc với thành của lò phản ứng và làm ngưng quá trình tổng hợp nhiệt hạch. Đó là lý do khiến việc nén khí hiđrô trong thời gian quá một giây lại khó khăn đến vậy. Khác với các nhà máy điện hạt nhân hiện nay sử dụng phản ứng phân hạch, một lò phản ứng nhiệt hạch sẽ không tạo ra nhiều rác thải hạt nhân. (Một nhà máy điện phân hạch hạt nhân truyền thống tạo ra 30 tấn rác thải hạt nhân độc hại mỗi năm. Ngược lại, rác thải từ lò phản ứng nhiệt hạch chủ yếu là các bức xạ từ kết cấu thép của lò khi nó đã ngừng hoạt động). Trong tương lai gần, các phản ứng nhiệt hạch vẫn không thể giải quyết trọn vẹn cuộc khủng hoảng năng lượng trên Trái Đất. Nhà vật lý người Pháp đạt giải Nobel Pierre-Gilles de Gennes cho biết: “Chúng ta nói rằng mình sẽ có thể nhét Mặt Trời vào trong một cái chai. Đó là một ý tưởng hay. Vấn đề ở đây là chúng ta không biết cách làm sao để tạo ra cái chai như vậy.” Nhưng nếu thuận lợi, các nhà nghiên cứu hy vọng trong khoảng 40 năm tới, ITER sẽ mở đường cho việc thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch, để mang dòng điện đến từng nhà. Sẽ đến ngày, các lò phản ứng nhiệt hạch có thể giúp chúng ta giảm bớt gánh nặng về năng lượng, cung cấp năng lượng Mặt Trời một cách an toàn ngay trên Trái Đất này. Nhưng ngay cả các lò phản ứng nhiệt hạch được thực hiện bằng cách giam giữ từ trường cũng vẫn không đủ năng lượng để kích hoạt một vũ khí như Ngôi sao Tử thần. Do đó, chúng ta sẽ cần đến một thiết kế hoàn toàn mới. LASER TIA X SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN Với công nghệ ngày nay, chúng ta còn có thể sử dụng bom khinh khí để phỏng theo đại pháo laser Ngôi sao Tử thần. Về lý thuyết, một nguồn phát laser tia X khai thác và tập trung năng lượng của vũ khí hạt nhân có khả https://thuviensach.vn năng tạo ra năng lượng đủ để vận hành một thiết bị có thể thiêu rụi cả hành tinh. Ở mức khối lượng tương đương, lực hạt nhân tạo ra được nguồn năng lượng lớn gấp 100 triệu lần so với phản ứng hóa học. Một khối urani không lớn hơn quả bóng chày khi được làm giàu đủ khả năng nhấn chìm cả một thành phố trong quả cầu lửa, dù chỉ có 1% khối lượng của nó được chuyển thành năng lượng. Như ta đã thảo luận, có nhiều cách để nạp năng lượng cho một chùm laser. Cho đến nay, cách tạo ra năng lượng nhiều nhất là từ một quả bom nguyên tử. Laser tia X có nhiều ứng dụng trong khoa học cũng như trong quân sự. Nhờ có bước sóng rất ngắn, tia X có thể dùng để nghiên cứu các khoảng cách ở cấp độ nguyên tử và giải mã cấu trúc nguyên tử của các phân tử phức tạp — một kỳ công khó đạt được nếu chỉ sử dụng các phương pháp thông thường. Một khung trời mới được mở ra cho các phản ứng hóa học khi ta có thể “nhìn thấy” các nguyên tử chuyển động như thế nào và sắp xếp ra sao bên trong phân tử. Vì bom khinh khí tạo ra năng lượng khổng lồ trong miền tia X nên laser tia X cũng có thể được nạp năng lượng bằng vũ khí hạt nhân. Và người gắn kết chặt chẽ nhất với laser tia X là nhà vật lý Edward Teller, cha đẻ của bom khinh khí. Teller chính là nhà vật lý đã làm chứng trước Quốc hội vào những năm 1950 rằng lãnh đạo Dự án Manhattan là Robert Oppenheimer không đáng tin cậy để tiếp tục công việc chế tạo bom khinh khí vì lý do quan điểm chính trị. Những chứng cớ của Teller khiến Oppenheimer bị ghét bỏ và tước quyền truy cập thông tin mật. Nhiều nhà vật lý lỗi lạc không bao giờ tha thứ cho Teller vì việc này. (Tôi đã có dịp tiếp xúc với Teller thời trung học. Ngày đó, tôi tiến hành một số thí nghiệm xác định tính chất của phản vật chất và giành được giải thưởng lớn của hội chợ khoa học San Francisco cùng một suất tham dự Hội chợ khoa học Quốc gia tại Albuquerque, New Mexico (Mỹ). Tôi được xuất hiện trên truyền hình địa phương cùng Teller, ông rất quan tâm tới các nhà vật lý trẻ tuổi sáng tạo. Hơn thế, tôi còn đươc nhận Học bổng Kỹ sư Hertz của Teller để theo học đại học tại Harvard. Tôi biết đến gia đình tuyệt vời của Teller trong những lần tới thăm nhà ông ở Berkeley vài lần trong năm.) https://thuviensach.vn Về cơ bản, laser tia X của Teller là một quả bom nguyên tử loại nhỏ, bao quanh là các thanh đồng. Khi phát nổ, nó tạo ra một sóng xung kích hình cầu chứa tia X có cường độ lớn. Các tia mang năng lượng cao này đi xuyên qua các thanh đồng, là môi trường kích hoạt laser, giúp hội tụ năng lượng của các tia X vào những chùm có cường độ lớn. Những chùm tia X này lại hướng vào đầu đạn của đối phương. Dĩ nhiên, đây là loại vũ khí chỉ có thể sử dụng một lần duy nhất vì vụ nổ hạt nhân sẽ phá hủy luôn cả laser tia X. Thử nghiệm laser tia X sử dụng năng lượng của vụ nổ hạt nhân đầu tiên là thí nghiệm Cabra, được tiến hành vào năm 1983 trong một hẩm mỏ sâu dưới lòng đất. Một quả bom khinh khí được kích nổ, tạo ra hàng loạt tia X không kết hợp. Các tia này được hội tụ vào chùm laser tia X kết hợp. Ban đầu, người ta cứ ngỡ rằng thí nghiệm đã thành công, thậm chí nó còn truyền cảm hứng cho tổng thống Mỹ Ronald Reagan đưa ra tuyên bố lịch sử năm 1983 về ý định xây dựng một hệ thống phòng thủ giống như trong phim Chiến tranh giữa các vì sao. Điều này đã dẫn đến nỗ lực tốn nhiều tỷ đô-la và kéo dài tới tận ngày nay nhằm xây dựng một hàng rào phòng thủ giống như hệ thống laser tia X được nạp năng lượng bằng phản ứng hạt nhân để chống lại các tên lửa liên lục địa của đối phương. (Các nghiên cứu sau này chỉ ra rằng những máy đo trong thí nghiệm Cabra đã bị hỏng nên cung cấp các số đo không chính xác). Ngày nay, liệu có thể sử dụng một thiết bị gây tranh cãi như vậy để hạ gục các tên lửa liên lục địa mang đầu đạn hay không? Có lẽ là được. Nhưng đối phương có thể sử dụng nhiều biện pháp rẻ và đơn giản để vô hiệu nó (chẳng hạn, đối phương có thể thả ra hàng triệu vật nghi trang rẻ tiền để đánh lừa radar, xoay các đầu đạn để phân tán các tia X, hoặc dùng một loại vỏ bọc hóa học để chống lại tia X). Hoặc đối phương chỉ cần tạo ra các đầu đạn mạnh hơn là có thể xuyên thủng hệ thống phòng thủ phỏng theo phim Chiến tranh giữa các vì sao này. Vì vậy, laser tia X sử dụng năng lượng hạt nhân không có tính thực tiễn trong hệ thống phòng thủ tên lửa hiện nay. Nhưng liệu ta có khả năng tạo ra một Ngôi sao Tử thần để bắn phá một tiểu hành tinh lao vào Trái Đất hay phá hủy toàn bộ một hành tinh hay không? NGUYÊN TẮC VẬT LÝ CỦA NGÔI SAO TỬ THẦN https://thuviensach.vn Liệu có thể chế tạo loại vũ khí đủ khả năng phá hủy cả một hành tinh như trong phim Chiến tranh giữa các vì sao ? Về lý thuyết, có vài cách để làm được điều này. Đầu tiên, không có giới hạn vật lý nào về năng lượng mà một quả bom khinh khí có thể tạo ra. (Tuy những công đoạn chính xác để chế tạo quả bom khinh khí ngày nay vẫn nằm trong vòng bí mật và được chính phủ Mỹ nắm giữ, nhưng những nét phác thảo sơ qua thì đã được biết đến rộng rãi). Một quả bom khinh khí thực sự được chế tạo qua nhiều bước. Khi kết hợp chính xác các bước này, người ta có thể chế tạo một quả bom nguyên tử mang sức mạnh tùy ý. Bước đầu tiên là với một quả bom phân hạch hạt nhân thông thường, sử dụng năng lượng urani-235 để tạo ra hàng loạt tia X, tương tự quả bom thả xuống Hiroshima. Trong một phần của giây, ngay trước khi vụ nổ bom nguyên tử thổi bay mọi thứ, một quả cầu tia X giãn nở nhanh từ vị trí bom nổ (vì nó chuyển động với tốc độ ánh sáng), sau đó được hội tụ vào trong một bồn chứa liti-deuteri, vốn là hoạt chất của một quả bom khinh khí. (Điều này diễn ra chính xác như thế nào hiện vẫn đang được nghiên cứu). Các tia X đập vào hoạt chất liti-deuteri, khiến nó bị phá hủy và nóng lên đến hàng triệu độ, dẫn đến vụ nổ thứ hai, mạnh hơn nhiều so với vụ nổ hạt nhân trước đó. Các tia X bùng phát từ quả bom khinh khí lại được hội tụ vào một khối liti-deuteri thứ hai, tạo thành vụ nổ thứ ba. Bằng cách này, người ta có thể kích hoạt nhiều vụ nổ liti — deuteri liên tiếp để tạo thành một quả bom khinh khí mạnh chưa từng thấy. Trên thực tế, bom khinh khí mạnh nhất từng được chế tạo là một quả bom hai thì được Liên Xô kích hoạt vào năm 1961, tạo ra năng lượng tương đương 50 tấn thuốc nổ TNT, dù vế lý thuyết, nó có thể tạo ra năng lượng tương đương 100 tấn TNT (gấp khoảng 5.000 lần sức mạnh của quả bom thả xuống Hiroshima). Tuy nhiên, thiêu rụi cả một hành tinh lại là một chuyện hoàn toàn khác. Để làm được điều này, Ngôi sao Tử thần phải bắn ra đồng thời hàng ngàn laser tia X vào không gian. (Để so sánh, tôi xin nhắc lại rằng ở thời điểm cao trào của Chiến tranh Lạnh giữa Mỹ và Liên Xô, mỗi nước trữ khoảng 30.000 quả bom hạt nhân). Tổng năng lượng của số laser tia X này có thể thiêu rụi bề mặt một hành tinh. Do đó, một đế quốc Thiên hà[2] trong tương lai hàng trăm ngàn năm tới chắc chắn đủ khả năng chế tạo một vũ khí như vậy. https://thuviensach.vn Một nền văn minh phát triển vượt bậc còn có lựa chọn thứ hai: tạo ra một Ngôi sao Tử thần sử dụng năng lượng của vụ nổ tia gamma. Một vũ khí như vậy có thể phát ra chùm bức xạ mạnh chỉ kém Vụ Nổ Lớn. Các vụ nổ phát tia gamma thường xảy ra trong vũ trụ, nhưng chúng ta có thể mường tượng cách một nền văn minh tân tiến có thể khai thác sức mạnh khổng lồ của chúng. Bằng cách điều khiển tốc độ quay của một ngôi sao trước khi nó co sụp tạo nên một vụ nổ siêu tân tinh, người ta có thể hướng điểm nổ tia gamma đến vị trí bất kỳ trong không gian. VỤ NỔ PHÁT TIA GAMMA Các vụ nổ phát tia gamma được quan sát thấy lần đầu tiên vào những năm 1970 khi quân đội Mỹ phóng vệ tinh Vela nhằm theo dõi “các chớp sáng hạt nhân” (bằng chứng của một vụ nổ bom hạt nhân lén lút). Nhưng thay vì theo dõi được các chớp sáng của vụ nổ hạt nhân, vệ tinh Vela lại thu được một làn sóng lớn các bức xạ đến từ không gian. Ban đầu, phát hiện này gây hoang mang trong nội bộ Lầu Năm Góc: phải chăng Liên Xô đang thử nghiệm một vũ khí hạt nhân bên ngoài không gian? Tuy nhiên, sau đó người ta xác định đây là những bùng phát bức xạ truyền đến đồng bộ từ mọi hướng trên bầu trời. Điều này có nghĩa là chúng thật sự đến từ bên ngoài Dải Ngân Hà. Nhưng nếu đến từ một thiên hà khác thì chúng phải phát ra mức năng lượng thiên văn, đủ thắp sáng toàn bộ vũ trụ khả kiến. Khi Liên Xô tan rã vào năm 1990, một lượng dữ liệu thiên văn khổng lồ bất ngờ được Lầu Năm Góc tiết lộ, gây sửng sốt cho các nhà thiên văn học. Họ bỗng nhận ra rằng mình đang đối diện với một hiện tượng mới lạ và huyền bí, đặt ra nhu cầu viết lại các cuốn sách khoa học. Vì vụ nổ tia gamma chỉ diễn ra trong khoảng vài giây đến vài phút trước khi biến mất nên cần dùng một hệ thống cảm biến nhạy để nhận biết và phân tích các tia này. Đầu tiên, các vệ tinh dò tìm các vụ nổ phát bức xạ và gửi tọa độ chính xác về Trái Đất. Vị trí của vụ nổ được chuyển ngay cho các kính thiên văn quang học hoặc kính thiên văn vô tuyến để hướng các kính này đến vị trí chính xác của vụ nổ. Dù còn nhiều chi tiết vẫn cần được làm rõ, nhưng một lý thuyết về nguồn gốc của các vụ nổ phát tia gamma đã được xây dựng, cho rằng chúng là những vụ nổ “siêu tân tinh” cực mạnh, để lại các hố đen khổng lồ. https://thuviensach.vn Có vẻ như các vụ nổ phát tia gamma sẽ hình thành nên những hố đen khổng lồ. Nhưng các hố đen phát ra hai luồng bức xạ, một từ cực bắc và một từ cực nam, giống như con quay. Bức xạ đã được quan sát thấy từ một nguồn phát tia gamma ở xa dường như là một chùm có phương đi qua Trái Đất. Nếu nguồn phát tia gamma này nằm trong thiên hà bên cạnh chúng ta (chỉ vài trăm năm ánh sáng tính từ Trái Đất) và hướng trực diện đến Trái Đất, năng lượng của nó sẽ đủ lớn để tiêu diệt toàn bộ sự sống trên hành tinh chúng ta. Ban đầu, các xung tia X của nguồn phát tia gamma sẽ tạo ra một xung điện từ quét sạch các thiết bị điện tử trên Trái Đất. Các chùm tia X năng lượng cao và tia gamma của nguồn phát này đủ sức xuyên thủng bầu khí quyển Trái Đất và phá hủy tầng ozon bảo vệ hành tinh. Luồng bức xạ gamma sẽ làm nóng bề mặt Trái Đất, thậm chí có thể tạo nên những quả cầu lửa nuốt trọn hành tinh. Vụ nổ phát tia gamma có thể không làm nổ tung toàn bộ hành tinh như trong phim Chiến tranh giữa các vì sao, nhưng nó hoàn toàn có thể tiêu diệt toàn bộ sự sống, biến Trái Đất thành chốn cằn cỗi và hoang vu. Hãy thử tưởng tượng một nền văn minh tiến bộ hơn chúng ta hàng trăm ngàn năm đến cả triệu năm có thể hướng một hố đen như vậy vào mục tiêu, khiến quỹ đạo các hành tinh và của các ngôi sao neutron đang lụi tàn lệch theo các góc thích hợp ngay trước khi những ngôi sao này co sụp. Việc gây chệch hướng này đủ để làm thay đổi trục quay của ngôi sao, khiến nó hướng đến vị trí xác định. Một ngôi sao đang lụi tàn sẽ trở thành khẩu súng bắn tia lớn đến mức không tưởng tượng nổi. Tóm lại, việc sử dụng các laser mạnh để tạo ra các khẩu súng bắn tia cầm tay hoặc di chuyển được và các thanh gươm ánh sáng có thể được xếp vào nhóm Bất khả thi loại I, gồm những thứ khả dĩ trong tương lai gần hoặc có lẽ trong thế kỷ tới. Nhưng những thử thách lớn trong việc đổi hướng một ngôi sao đang quay trước khi nó co sụp thành hố đen và biến nó thành một Ngôi sao Tử thần phải được xếp vào nhóm Bất khả thi loại II, gồm những thứ không vi phạm các định luật vật lý (như sự tồn tại của các vụ nổ phát tia gamma) nhưng chỉ có thể trở thành hiện thực trong hàng ngàn, thậm chí hàng triệu năm tới. https://thuviensach.vn 4: VIỄN TẢI Thật tuyệt vời khi chúng ta gặp phải các nghịch lý. Giờ đây, chúng ta có chút hy vọng tạo được tiến triển. — NIELS BOHR Tôi không thể thay đổi các định luật vật lý, thưa chỉ huy! — SCOTTY, KỸ SƯ TRƯỞNG TRONG STAR TREK Viễn tải, hay khả năng dịch chuyển tức thời con người hoặc vật thể từ nơi này đến nơi khác, là công nghệ có thể làm thay đổi tiến trình của nền văn minh và vận mệnh các quốc gia. Nó cũng có thể thay đổi vĩnh viễn quy luật của chiến tranh: quân đội có thể viễn tải binh lính ra phía sau phòng tuyến địch hoặc đơn giản hơn là viễn tải rồi bắt giữ chỉ huy của đối phương. Các hệ thống vận tải hiện hành, từ tàu thuyền đến máy bay hay tàu điện và toàn bộ nền công nghiệp phụ trợ cho chúng sẽ trở nên lỗi thời; chúng ta chỉ cần dịch chuyển tức thời đến nơi làm việc hay viễn tải hàng hóa tới các siêu thị. Chúng ta cũng sẽ không cần phải chật vật di chuyển trong các kỳ nghỉ vì có thể dịch chuyển tới nơi ngay tức thời. Viễn tải sẽ thay đổi mọi thứ. Những đề cập sớm nhất về viễn tải được tìm thấy trong các văn bản tôn giáo như Kinh Thánh, mô tả việc thần khí mang các thánh nhân đi nhanh như chớp. Trích đoạn dưới đây trong Sách Công Vụ Tông Đồ của Kinh Tân Ước hàm ý việc viễn tải ông Philip từ Gaza đến Azotus: “Khi hai ông lên khỏi mặt nước, Thần khí Chúa đem ông Philip đi mất, và viên thái giám không còn thấy ông nữa. Nhưng viên quan vẫn tiếp tục cuộc hành trình, lòng đầy hoan hỉ. Còn ông Philip thì người ta gặp thấy ở Azotus. Ông loan báo Tin Mừng cho mọi thành thị ông đi qua, đến tận Caesarea” (Sách Công Vụ Tông Đồ 8:36 — 40). Viễn tải cũng là một mánh lới của các nhà ảo thuật: lôi thỏ ra khỏi chiếc mũ, lấy các lá bài từ trong ống tay áo hay những đồng xu từ phía sau vành https://thuviensach.vn tai. Một màn ảo thuật tham vọng hơn là làm biến mất cả một con voi trước ánh mắt ngỡ ngàng của khán giả. Khi trình diễn, người ta đặt một con voi nhiều tấn trong một cái lồng. Sau đó, nhà ảo thuật chỉ cần phất nhẹ chiếc gậy là con voi bỗng biến mất, khiến khán giả vô cùng kinh ngạc. (Dĩ nhiên, con voi không thật sự biến mất. Người ta sử dụng các tấm gương để làm thủ thuật này. Những tấm gương dài và mảnh được đặt thẳng đứng ngay phía sau các thanh chắn của cái lồng và có thể quay giống như một cánh cửa. Khi buổi trình diễn bắt đầu, tất cả các tấm gương đều nằm ngay phía sau các thanh chắn, do đó khán giả không thể nhìn thấy chúng mà chỉ thấy con voi. Nhưng khi chúng được quay đi 45 độ hướng về phía khán giả, con voi sẽ biến mất và người xem chỉ thấy những hình ảnh phản chiếu ở bên cạnh lồng.) VIỄN TẢI VÀ KHOA HỌC VIỄN TƯỞNG Trong khoa học viễn tưởng, sự viễn tải được nhắc đến lần đầu tiên trong truyện The Man Without a Body (Người đàn ông không có cơ thể) của Page Mitchell, xuất bản năm 1877. Truyện kể rằng một nhà khoa học nắm được cách tách rời các nguyên tử của một con mèo và truyền chúng qua đường dây điện tín. Nhưng thật không may, nguồn điện bị hỏng khi nhà khoa học này đang cố gắng viễn tải chính mình, thế là chỉ có đầu của ông được viễn tải thành công. Arthur Conan Doyle, nổi tiếng qua loạt truyện trinh thám Sherlock Holmes, cũng bị ý tưởng viễn tải mê hoặc. Sau nhiều năm viết tiểu thuyết trinh thám và truyện ngắn, ông bắt đầu cảm thấy mệt mỏi với Sherlock Holmes nên quyết định “giết” nhân vật này bằng cách để cả Holmes và kẻ thù không đội trời chung là giáo sư Moriarty rơi xuống thác nước. Nhưng sự phản đối kịch liệt từ độc giả buộc ông phải hồi sinh vị thám tử. Vì không thể giết Sherlock Holmes nên Doyle quyết định tạo ra một loạt truyện hoàn toàn mới với nhân vật chính là giáo sư Challenger, trái ngược hoàn toàn với Holmes. Cả hai đều nhanh trí và sắc sảo trong việc khám phá các bí ẩn. Nhưng nếu như Holmes sử dụng những lập luận logic đầy lạnh lùng để tháo gỡ các vụ án khó khăn thì giáo sư Challenger lại thích khám phá thế giới bí ẩn của các hiện tượng tâm linh và siêu nhiên, gồm cả viễn tải. Trong tiểu thuyết The Disintegration Machine (Cỗ máy nghiền) xuất https://thuviensach.vn bản năm 1927, giáo sư chạm trán với một quý ông đã phát minh ra cỗ máy có thể nghiền nát một người rồi sau đó lắp ráp anh ta lại ở một nơi khác. Nhưng giáo sư Challenger cảm thấy khiếp sợ khi nghe nhà phát minh khoe khoang rằng sáng chế này của ông, nếu lọt vào tay kẻ xấu, có thể dùng để nghiền nát cả thành phố hàng triệu người chỉ với một cái nút bấm. Sau đó, giáo sư Challenger đã áp dụng cỗ máy này với chính nhà phát minh rồi rời phóng thí nghiệm mà không lắp ráp anh ta trở lại. Gần đây hơn, Hollywood bắt đầu quan tâm đến sự viễn tải. Bộ phim The Fly (Người ruồi) sản xuất năm 1958 đã kiểm nghiệm một cách sinh động về điều sẽ xảy ra khi việc viễn tải chệch xa khỏi kết quả mong muốn. Khi một nhà khoa học viễn tải chính mình ngang qua một căn phòng, các nguyên tử tạo thành cơ thể ông trộn lẫn với các nguyên tử của một con ruồi vô tình rơi vào ống viễn tải. Vì vậy, nhà khoa học bị biến thành một quái vật dị hợm nửa người nửa ruồi. (Bộ phim làm lại của Jeff Goldblum được công chiếu vào năm 1986). Lần đầu tiên viễn tải giành được sự chú ý của công chúng là qua loạt phim Star Trek. Gene Roddenberry, cha đẻ của loạt phim, đã đưa viễn tải vào phim vì ngân sách của hãng Paramount không cho phép thực hiện các hiệu ứng đặc biệt quá tốn kém, mặc dù chúng là cần thiết để mô phỏng quá trình các tàu phản lực cất cánh và hạ cánh xuống các hành tinh xa xôi. Sẽ ít tốn kém hơn nếu chỉ đơn giản là đưa phi hành đoàn của tàu Enterprise đến nơi cần đến. Các nhà khoa học ngày càng phản đối khả năng viễn tải. Để viễn tải ai đó, ta phải biết chính xác vị trí của mọi nguyên tử trong cơ thể họ, nhưng điều này lại vi phạm nguyên lý bất định Heisenberg (theo đó ta không thể xác định đồng thời vị trí và vận tốc của một electron). Để nhượng bộ, các nhà sản xuất Star Trek đã giới thiệu “cơ cấu bù trừ Heisenberg” bên trong phòng vận chuyển, như thể người ta có thể bổ sung cho các định luật của vật lý lượng tử bằng cách gắn thêm bộ phận cải tiến cho thiết bị vận chuyển vậy. Nhưng hóa ra, tạo ra những cơ cấu bù trừ như vậy lại hơi vội vàng. Những nhà khoa học và nhà phê bình trước đây có lẽ đã sai. VIỄN TẢI VÀ LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ Theo thuyết Newton, viễn tải rõ ràng là bất khả thi. Các định luật của https://thuviensach.vn Newton dựa trên ý tưởng rằng vật chất được cấu thành từ các quả cầu nhỏ và rắn chắc. Các vật không thể dịch chuyển cho đến khi được tác dụng lực; chúng không bỗng dưng biến mất và đột nhiên xuất hiện ở nơi khác. Nhưng trong lý thuyết lượng tử, đó lại chính là những điều mà các hạt thực hiện. Thống trị suốt 250 năm là vậy nhưng cuối cùng các định luật Newton cũng bị lật đổ vào năm 1925, khi Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger và các đồng nghiệp phát triển lý thuyết lượng tử. Khi phân tích những tính chất kỳ lạ của các nguyên tử, các nhà vật lý phát hiện ra electron hoạt động giống như sóng và có thể thực hiện những bước nhảy lượng tử khi chuyển động hỗn loạn bên trong nguyên tử. Người nghiên cứu sâu nhất về các sóng lượng tử có lẽ là Erwin Schrödinger, phương trình sóng nổi tiếng do nhà vật lý người Áo này viết nên và được đặt theo tên ông. Đây là một trong những phương trình quan trọng nhất của vật lý và hóa học. Nhiều khóa học ở bậc cao học được dành trọn để giải phương trình này, và các thư viện vật lý đầy những cuốn sách được viết ra để kiểm chứng các hệ quả của nó. Về mặt nguyên tắc, toàn bộ ngành hóa học có thể được rút ra từ việc giải phương trình Schrödinger. Năm 1905, Einstein đã chứng tỏ sóng ánh sáng có tính chất giống như hạt, mô tả chúng như những gói năng lượng với tên gọi photon. Đến những năm 1920, Schrödinger dần nhận ra điều ngược lại cũng đúng: các hạt như electron có thể hoạt động giống như sóng. Ý tưởng này được nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie chỉ ra đầu tiên và đã giúp ông giành giải Nobel. (Chúng ta vẫn minh họa điều này cho sinh viên ở trường bằng cách kích hoạt các electron trong ống tia âm cực, giống như những ống thường thấy ở tivi. Các electron đi qua một lỗ nhỏ, nên ta cứ tưởng chúng sẽ tạo thành một chấm nhỏ tại nơi các electron va chạm vào màn hình tivi. Nhưng thực chất ta sẽ nhìn thấy những vòng tròn đồng tâm, giống như khi có sóng truyền qua một lỗ nhỏ, chứ không nhìn thấy hạt). Một hôm, Schrödinger trình bày bài giảng về hiện tượng lạ lùng này. Bạn thân của ông, nhà vật lý Peter Debye, đưa ra thách thức: Nếu electron được mô tả bởi sóng, thì phương trình sóng của chúng là gì? Kể từ khi Newton tạo ra phép giải tích, các nhà vật lý đều dùng các phương trình vi phân để miêu tả sóng, vì vậy Schrödinger coi câu hỏi của Debye là thách thức để quyết tâm viết nên phương trình vi phân cho các sóng electron. Sau một kỳ nghỉ trong tháng đó, Schrödinger đã có được https://thuviensach.vn phương trình này. Tương tự như khi Maxwell sử dụng các trường lực của Faraday để rút ra hệ phương trình Maxwell cho ánh sáng, Schrödinger dựa trên ý tưởng lưỡng tính sóng-hạt của de Broglie và xây dựng nên phương trình Schrödinger cho các electron. (Các sử gia khoa học đã khá vất vả lần theo chính xác những gì Schrödinger đã làm khi ông khám phá ra phương trình nổi tiếng làm thay đổi mãi mãi quang cảnh của nền vật lý và hóa học hiện đại. Schrödinger là người theo chủ nghĩa tự do yêu đương và thường đi nghỉ với vợ hoặc các tình nhân. Thâm chí, ông còn có một cuốn nhật ký ghi chép chi tiết về tất cả những người tình với nhiều mật mã phức tạp dành riêng cho mỗi cuộc gặp gỡ. Các sử gia hiện nay tin rằng ông đã ở biệt thự Herwig trên dãy Alps cùng bạn gái vào dịp cuối tuần mà ông khám phá ra phương trình sóng). Khi Schrödinger bắt đầu giải phương trình của mình cho nguyên tử hiđrô, ông kinh ngạc tìm thấy các mức năng lượng chính xác của nguyên tử hiđrô mà các nhà vật lý đi trước đã liệt kê cẩn thận. Sau đó, ông nhận ra bức tranh trước đây của Niels Bohr về nguyên tử với các electron bay vèo vèo quanh hạt nhân thật sự đã sai (mẫu nguyên tử này của Bohr ngày nay vẫn được dùng trong sách và trong cả những quảng cáo nhằm cố gắng biểu trưng cho khoa học hiện đại). Những quỹ đạo này lẽ ra phải được thay thế bằng các sóng bao quanh hạt nhân. Công trình của Schrödinger đã tạo ra làn sóng xung kích lan khắp cộng đồng vật lý. Bỗng nhiên, họ có thể nhìn sâu vào bên trong nguyên tử để kiểm tra chi tiết các sóng tạo nên lớp vỏ electron của nó và tiên đoán chính xác về các mức năng lượng phù hợp hoàn hảo với các dữ kiện thực nghiệm. Nhưng vẫn còn một câu hỏi gây bối rối cho các nhà vật lý đến tận ngày nay. Nếu electron được mô tả bởi một sóng, thì cái gì dao động để tạo ra sóng này? Nhà vật lý Max Born, đã đưa ra câu trả lời cho rằng những sóng này thực ra là các sóng xác suất. Chúng cho ta biết cơ hội tìm thấy một electron xác định tại một vị trí nào đó ở thời điểm bất kỳ. Nói cách khác, electron là một hạt, nhưng xác suất để tìm thấy nó phụ thuộc vào sóng Schrödinger. Sóng tại một điểm càng lớn thì cơ hội tìm thấy hạt tại điểm đó càng cao. Với những phát hiện vừa nêu, bỗng nhiên cơ hội và xác suất được đưa ẳ https://thuviensach.vn thẳng vào trung tâm của nền vật lý, là lĩnh vực trước đó đã giúp chúng ta tiên đoán chính xác và mô tả chi tiết quỹ đạo chuyển động của các hạt, từ các hành tinh đến sao chổi và cả đạn pháo. Sự bất định này cuối cùng cũng được Heisenberg khẳng định khi ông đưa ra nguyên lý bất định, phát biểu rằng ta không thể biết chính xác vận tốc và vị trí của electron tại cùng một thời điểm. Ta không thể cùng lúc biết chính xác năng lượng của nó trong một khoảng thời gian đo xác định, ở thang lượng tử, tất cả các định luật cơ bản theo nghĩa thông thường đều bị vi phạm: các electron có thể biến mất rồi xuất hiện lại ở chỗ khác, chúng cũng có thể đồng thời tồn tại ở nhiều nơi. (Mỉa mai thay, Einstein, “bố già” của lý thuyết lượng tử, người góp phần khởi đầu cuộc cách mạng vào năm 1905, và Schrödinger, người xây dựng phương trình sóng, đều cảm thấy khó chịu khi khái niệm xác suất được đưa vào vật lý cơ bản. Einstein viết: “Cơ học lượng tử cần nhiều sự tôn trọng. Nhưng trong thâm tâm, tôi nghĩ rằng đây không phải là Jacob[3] thực sự. Lý thuyết này đã làm được nhiều thứ, nhưng nó hầu như không đưa chúng ta đến gần hơn với bí mật của Chúa. Ít nhất là trên quan điểm cá nhân, tôi tin rằng Chúa không chơi xúc xắc.”) Lý thuyết của Heisenberg quá mới lạ và gây nhiều tranh cãi, nhưng nó hiệu quả. Chỉ trong chớp mắt, các nhà vật lý đã có thể giải thích một lượng lớn các hiện tượng bí ẩn, bao gồm cả các định luật hóa học. Để gây ấn tượng cho nghiên cứu sinh của mình về sự khác thường của lý thuyết lượng tử, tôi thường yêu cầu họ tính xác suất để các nguyên tử trong cơ thể bỗng nhiên tan rã và xuất hiện trở lại ở phía bên kia một bức tường. Một sự kiện viễn tải như vậy là bất khả thi đối với vật lý Newton nhưng chúng thực sự khả thi với cơ học lượng tử. Tuy nhiên, câu trả lời là chúng ta phải đợi một khoảng thời gian còn dài hơn cả tuổi của vũ trụ để điều này xảy ra. (Nếu ta dùng một máy tính để vẽ đồ thị hàm sóng Schrödinger của cơ thể mình, ta sẽ thấy rằng nó rất giống với hình trạng cơ thể ta, ngoại trừ việc đồ thị sẽ hơi mờ trong đó một số sóng trải ra trong không gian theo tất cả mọi hướng, một số thậm chí còn vươn tới cả những ngôi sao xa xôi. Vì vậy xác suất ta thức dậy và thấy mình đang ở một hành tinh xa lạ là rất nhỏ.) Việc các electron dường như ở nhiều nơi cùng một lúc tạo nên cơ sở vững chắc cho hóa học. Chúng ta đều biết rằng các electron quay quanh hạt https://thuviensach.vn nhân của nguyên tử giống như một hệ mặt trời thu nhỏ. Nhưng các nguyên tử và hệ mặt trời hoàn toàn khác nhau. Nếu hai hệ mặt trời va chạm nhau ngoài không gian, chúng sẽ bị phá vỡ và ném các hành tinh vào không gian sâu thẳm. Nhưng khi các nguyên tử va chạm nhau, chúng sẽ tạo thành phân tử và trở nên bền vững hoàn hảo nhờ chia sẻ các electron với nhau. Ở trường trung học, các giáo viên dạy hóa thường biểu diễn điều này bằng một “đám mây electron”, giống như quả bóng, gắn kết hai nguyên tử. Nhưng các giáo viên hóa hiếm khi nói với học trò rằng trong thực tế, các electron không hề “bao phủ” khoảng không gian giữa hai nguyên tử. “Quả bóng” này thực ra biểu diễn xác suất để electron có thể một lúc tồn tại nhiều nơi bên trong quả bóng. Nói cách khác, toàn bộ môn hóa học, vốn có thể giải thích về các phân tử bên trong cơ thể chúng ta, dựa trên ý tưởng rằng các electron có thể cư trú đồng thời ở nhiều nơi và chính sự sẻ chia các electron giữa hai nguyên tử giúp cho các phân tử trong cơ thể chúng ta trở nên gắn kết. Nếu không tuân theo lý thuyết lượng tử, các phân tử và nguyên tử tạo thành cơ thể chúng ta sẽ bị phân rã tức thì. Tính chất lạ lùng nhưng sâu sắc này của lý thuyết lượng tử (rằng các hiện tượng dù kỳ quặc đến mấy cũng có xác suất xảy ra) đã được nhà văn người Anh Douglas Adams khai thác trong tiểu thuyết hài hước The Hitchhikers Guide to the Galaxy (Bí kíp quá giang vào Ngân Hà). Vì cần một cách thuận tiện để lướt nhanh qua thiên hà, nên ông đã phát minh ra IID, “một phương pháp mới tuyệt diệu để băng qua khoảng cách bao la giữa các vì sao trong thời gian chưa tới một giây mà không để lại chút dấu vết nào”. Cỗ máy của ông có thể giúp ta thay đổi tùy ý xác suất của một sự kiện lượng tử bất kỳ, nhờ đó những sự kiện hầu như không thể xảy ra cũng sẽ trở nên phổ biến. Vì vậy, nếu muốn đến ngôi sao gần nhất chẳng hạn, ta chỉ cần thay đổi xác suất mà ta có thể xuất hiện ở ngôi sao đó, và bùm! Ta đã dịch chuyển tức thời tới ngôi sao này. Trong thực tế, dù diễn ra thường xuyên như vậy bên trong nguyên tử nhưng những “bước nhảy” lượng tử không dễ mở rộng cho những vật thể lớn chứa hàng tỷ tỷ nguyên tử như con người. Thậm chí, nếu các electron trong cơ thể chúng ta có đang khiêu vũ và nhảy múa tưng bừng trên những quỹ đạo kỳ ảo quanh hạt nhân thì vì số lượng electron quá lớn nên tính trung bình, chúng được xem như đứng yên. Đó là lý do vật chất quanh chúng ta trông có vẻ rắn chắc và bền vững. https://thuviensach.vn Như vậy, dù viễn tải có thể xảy ra ở cấp độ nguyên tử, nhưng chúng ta sẽ phải đợi một khoảng thời gian còn dài hơn cả tuổi của vũ trụ để thật sự được chứng kiến những hiệu ứng kỳ diệu này xuất hiện ở thang vĩ mô. Nhưng liệu chúng ta có thể sử dụng các định luật của lý thuyết lượng tử để tạo ra một cỗ máy viễn tải được những thứ mình mong muốn như trong các câu chuyện viễn tưởng? Thật ngạc nhiên, câu trả lời là có. THÍ NGHIỆM EPR Chìa khóa của việc viễn tải lượng tử nằm trong nghiên cứu nổi tiếng năm 1935 của Albert Einstein và các đồng sự Boris Podolsky và Nathan Rosen. Mỉa mai thay, chính họ đề xuất thí nghiệm EPR (đặt theo tên của ba người) nhằm loại bỏ khái niệm xác suất trong vật lý, một lần và mãi mãi. (Cay cú với những thực nghiệm thành công không thể chối cãi của lý thuyết lượng tử, Einstein viết: “Lý thuyết lượng tử càng thành công bao nhiêu thì trông nó càng ngớ ngẩn bấy nhiêu.”) Nếu ban đầu hai electron dao động đồng bộ với nhau (được gọi là trạng thái kết hợp) thì chúng vẫn duy trì sự đồng bộ này kể cả khi được đưa ra xa nhau. Dù có cách xa nhau hàng năm ánh sáng thì vẫn có một sóng Schrödinger vô hình kết nối hai electron, giống như một sợi dây rốn. Nếu có điều gì xảy đến với một electron thì ngay lập tức thông tin sẽ được truyền đến electron kia. Đây là sự “liên đới lượng tử”, theo đó, giữa các hạt dao động kết hợp có liên hệ kết nối sâu xa. Hãy bắt đầu với hai electron kết hợp đang dao động đồng bộ. Sau đó, để cho chúng bay ra xa theo hai hướng ngược nhau. Mỗi electron giống như một con quay, spin[4] của mỗi electron có thể hướng lên hoặc hướng xuống. Giả sử tổng spin của hệ bằng không, khi đó nếu spin của một electron là hướng lên thì ta biết chắc chắn spin của electron còn lại hướng xuống. Theo thuyết lượng tử, trước khi ta thực hiện các phép đo, spin của electron không hướng xuống hay hướng lên mà tồn tại trong một trạng thái trung gian có spin vừa hướng xuống vừa hướng lên một cách đồng thời. (Khi ta bắt đầu quan sát chúng, hàm sóng sẽ “co sụp” khiến hạt có trạng thái xác định.) Tiếp theo, ta tiến hành đo spin của một electron. Giả sử spin của nó là hướng lên. Khi đó, ta sẽ nhận ra ngay spin của electron kia là hướng https://thuviensach.vn xuống. Thậm chí nếu hai electron ở cách xa nhau nhiều năm ánh sáng, thì ta cũng vẫn biết được spin của electron thứ hai ngay khi đo được spin của electron đầu. Thực tế, ta biết được điều này còn nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng! Vì hai electron này “liên đới” với nhau, tức là hàm sóng của chúng biến đổi đồng bộ, nên dường như các hàm sóng này liên kết với nhau bởi một sợi dây vô hình như kiểu dây rốn. Bất cứ điều gì xảy đến với một hạt cũng ngay lập tức tác động đến hạt kia. (Điều này cũng ngụ ý rằng những gì xảy đến với chúng ta cũng sẽ ảnh hưởng tức thì đến những thứ ở ngóc ngách xa xôi trong vũ trụ, vì hàm sóng của chúng ta có thể đã liên đới với nhau ở giai đoạn khởi thủy của thời gian. Nói cách khác, có một mạng lưới liên đới kết nối các phần khác nhau của vũ trụ, bao gồm cả chính chúng ta trong đó). Einstein đã chế giễu khái niệm liên đới này, gọi nó là “tác động của ma quỷ từ xa” và cho rằng hiện tượng này, có thể giúp “chứng minh” lý thuyết lượng tử là sai vì không gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Ban đầu, Einstein thiết kế thí nghiệm EPR để gióng lên hồi chuông cáo chung cho lý thuyết lượng tử. Nhưng vào những năm 1980, nhà vật lý Alain Aspect và các đồng nghiệp ở Pháp đã thực hiện thí nghiệm này với hai máy dò đặt cách nhau 13m nhằm đo đạc spin của các electron phát ra từ các nguyên tử canxi và thu được kết quả phù hợp tuyệt vời với lý thuyết lượng tử. Rõ ràng Chúa đang chơi xúc xắc với vũ trụ của chúng ta. Vậy liệu thông tin có thật sự được truyền đi nhanh hơn ánh sáng không? Có phải Einstein đã sai khi cho rằng tốc độ ánh sáng là tốc độ giới hạn của vũ trụ? Không hẳn vậy. Thông tin có thể truyền nhanh hơn ánh sáng, nhưng nó mang tính ngẫu nhiên nên hóa ra vô dụng. Ta không thể gửi đi một bức điện tín thực sự hay một mã morse theo cách của thí nghiệm EPR, ngay cả khi thông tin có truyền đi nhanh hơn ánh sáng. Biết được spin của một electron ở ngóc ngách nào đó của vũ trụ đang hướng xuống là một thông tin vô ích. Ta không thể gửi đi bản tin chứng khoán thường nhật theo cách này. Để minh họa, giả sử ta có một người bạn luôn đi một chiếc tất đỏ và một chiếc tất xanh theo thứ tự ngẫu nhiên. Ta kiểm tra một chân và thấy rằng chiếc tất ở chân đó có màu đỏ. Khi đó ta biết còn nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng rằng chiếc tất ở chân kia phải có màu xanh. Thông tin thực sự truyền nhanh hơn ánh sáng, nhưng thông tin kiểu này lại vô dụng. Không có tín hiệu mang thông tin hữu ích nào có thể truyền đi theo cách này. https://thuviensach.vn Suốt nhiều năm, thí nghiệm EPR thường được dùng để minh họa cho thành công vang dội của lý thuyết lượng tử trước các nhà phê bình, nhưng chiến thắng ấy chẳng mang lại hệ quả thực tiễn nào. Cho đến tận ngày nay. VIỄN TẢI LƯỢNG TỬ Mọi thứ đã thay đổi vào năm 1993, khi Charles Bennett cùng các nhà khoa học tại IBM đã chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng thí nghiệm EPR để viễn tải các vật, ít nhất là ở thang nguyên tử. (Chính xác hơn, họ đã chỉ ra rằng ta có thể viễn tải mọi thông tin chứa trong một hạt.) Kể từ đó, các nhà vật lý đã có thể viễn tải các photon, thậm chí cả nguyên tử xêsi. Chỉ trong vài thập niên nữa, các nhà khoa học có lẽ sẽ viễn tải được phân tử ADN và virút. Viễn tải lượng tử tập trung khai thác một số tính chất lạ thường của thí nghiệm EPR. Trong những thí nghiệm viễn tải như vậy, các nhà vật lý bắt đầu với hai nguyên tử A và C. Để viễn tải thông tin từ nguyên tử A sang nguyên tử C, chúng ta đưa thêm vào một nguyên tử B. Nguyên tử B ban đầu có tính liên đới với nguyên tử C, do đó chúng có tính kết hợp. Bây giờ, cho nguyên tử A tiếp xúc với nguyên tử B. Khi A quét lên B, thông tin của nguyên tử A được truyền sang nguyên tử B. Quá trình này khiến các nguyên tử A và B liên đới với nhau. Nhưng vì ban đầu, các nguyên tử B và C đã được liên đới với nhau nên thông tin từ nguyên tử A giờ đây được truyền sang nguyên tử C. Tóm lại, nguyên tử A đã được viễn tải sang nguyên tử C vì lúc này, thông tin của nguyên tử C giống hệt với thông tin của nguyên tử A ban đầu. Chúng ta cần lưu ý rằng thông tin trên nguyên tử A bị phá hủy sau khi viễn tải (vì vậy chúng ta không thể có hai bản sao giống hệt nhau). Điều này có nghĩa người được viễn tải sẽ chết trong quá trình này. Nhưng những thông tin về cơ thể người này sẽ xuất hiện ở chỗ khác. Bên cạnh đó, nguyên tử A không di chuyển tới vị trí của nguyên tử C, mà chỉ có thông tin của nguyên tử A (như spin hay độ phân cực của nó) được truyền sang C. (Điều này không hàm ý nguyên tử A đột nhiên biến mất và sau đó vụt đến một nơi khác. Nó chỉ cho biết thông tin của nguyên tử A được chuyển sang nguyên tử C mà thôi.) Kể từ khi đột phá này được tuyên bố, các nhóm nghiên cứu trong lĩnh https://thuviensach.vn vực này đã cạnh tranh khốc liệt để vượt lên trước. Minh chứng quan trọng đầu tiên về viễn tải lượng tử là khi các photon của ánh sáng tử ngoại được viễn tải vào năm 1997 tại Đại học Innsbruck, nối tiếp là thành công của các nhà thực nghiệm ở Cal Tech vào năm sau đó, khi họ thực hiện thí nghiệm viễn tải các photon với độ chính xác cao hơn nữa. Năm 2004, các nhà vật lý tại Đại học Vienna sử dụng một dây cáp quang để viễn tải các hạt ánh sáng vượt qua khoảng cách 600m bên dưới dòng chảy của sông Danube và thiết lập một kỷ lục mới. (Sợi cáp có độ dài 800m này được căng bên dưới hệ thống ống ngầm công cộng đặt dưới lòng sông Danube. Bộ phận gửi được đặt ở bên này sông và bộ phận nhận ở bên kia sông.) Hạn chế của những thí nghiệm này là chúng được thực hiện với các photon ánh sáng dường như chỉ là phạm trù của khoa học viễn tưởng. Vì vậy, người ta đã tiến hành một thí nghiệm khác vào năm 2004, thực hiện viễn tải lượng tử không phải với photon ánh sáng mà với các nguyên tử đưa chúng ta tiến gần hơn tới một thiết bị viễn tải trong thực tiễn. Các nhà vật lý thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỷ tại Washington D.C đã thành công trong việc tạo tính liên đới giữa ba nguyên tử berili và truyền các tính chất của một nguyên tử này sang nguyên tử kia. Thành tựu này quan trọng đến nỗi nó được đăng trên trang bìa tạp chí Nature. Một nhóm khác cũng đã viễn tải được các nguyên tử canxi. Một bước tiến ngoạn mục xuất hiện vào năm 2006, khi lần đầu tiên việc viễn tải được tiến hành với một vật vĩ mô. Các nhà vật lý tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen và Viện Max Planck ở Đức đã tạo liên đới giữa một chùm ánh sáng và một đám khí xêsi — một kỳ công ở quy mô hàng tỷ tỷ nguyên tử. Khi đó, họ mã hóa thông tin trong chùm laser, rồi viễn tải các thông tin này đến các nguyên tử xêsi đặt cách đó khoảng nửa mét. “Lần đầu tiên, viễn tải lượng tử được thực hiện giữa ánh sáng — vật mang thông tin — và các nguyên tử.” Eugene Polzik, một trong những nhà nghiên cứu, tự hào tuyên bố. VIỄN TẢI KHÔNG DÙNG ĐẾN TÍNH LIÊN ĐỚI Sự phát triển của viễn tải đang tăng tốc nhanh chóng. Năm 2007, các nhà vật lý đã mang đến đột phá khi đề xuất một phương pháp viễn tải không https://thuviensach.vn dùng đến tính liên đới. Cần nhắc lại rằng làm liên đới các hạt là bước khó nhất của việc viễn tải lượng tử. Giải quyết được trở ngại này có thể mở ra một viễn cảnh mới cho việc viễn tải. “Chúng ta đang nói về việc làm biến mất một chùm chứa khoảng 5.000 hạt và cho nó xuất hiện trở lại ở nơi khác.” Theo lời nhà vật lý Aston Bradley thuộc Hội đồng Nghiên cứu của Trung tâm Tinh hoa về Nguyên tử và Quang học Lượng tử tại Brisbane, Australia. Ông là người mở đường cho phương pháp viễn tải mới này. “Chúng tôi cảm thấy kế hoạch của mình đã tiến gần hơn tới tinh thần của các khái niệm viễn tưởng nguyên bản.” Ông xác nhận. Trong cách tiếp cận này, Bradley cùng các đồng nghiệp đã chuyển tất cả thông tin của một chùm nguyên tử rubiđi sang một chùm sáng, dùng một sợi cáp quang để truyền chùm sáng này, sau đó tái lập chùm nguyên tử ban đầu ở một địa điểm cách xa đó. Nếu nhận định của ông là đúng thì phương pháp này sẽ gỡ bỏ nhiều chướng ngại trong quá trình viễn tải và mở ra một đường hướng hoàn toàn mới để viễn tải các vật có kích thước ngày càng lớn. Để phân biệt với phương pháp viễn tải lượng tử, tiến sĩ Bradley gọi phương pháp của mình là “viễn tải cổ điển”. (Cách gọi này có thể gây nhầm lần, vì phương pháp của ông chủ yếu vẫn dựa vào lý thuyết lượng tử, chỉ có điều không sử dụng đến sự liên đới.) Chìa khóa của kiểu viễn tải lạ thường này là một trạng thái mới của vật chất, có tên “ngưng tụ Bose Einstein”, viết tắt là BEC. Đây là một trong những trạng thái lạnh nhất vũ trụ. Trong tự nhiên, nhiệt độ thấp nhất được tìm thấy là ngoài không gian vũ trụ, khoảng 3 K trên không độ tuyệt đối. (Đây là tàn dư nhiệt còn lại sau Vụ Nổ Lớn, vẫn còn tràn ngập trong khắp vũ trụ.) Nhưng nhiệt độ của BEC là một phần triệu của một phần tỷ độ trên không độ tuyệt đối — mức nhiệt độ chỉ có thể đạt được trong phòng thí nghiệm. Khi một số loại vật chất được làm lạnh đến gần không độ tuyệt đối, các nguyên tử của chúng đồng loạt chuyển về mức năng lượng thấp nhất, nhờ đó dao động đồng bộ và kết hợp với nhau. Hàm sóng của các nguyên tử này sẽ phủ lên nhau, nên BEC giống như một “siêu nguyên tử” khổng lồ, có tất cả các nguyên tử dao động đồng bộ với nhau. Trạng thái kỳ lạ này của vật chất đã được Einstein và Satyendranath Bose tiên đoán vào năm 1925, nhưng phải 70 năm sau, tức là năm 1995, https://thuviensach.vn BEC mới được tạo ra trong phòng thí nghiệm tại Viện Công nghệ Massachusetts MIT và Đại học Colorado. Và đây là cách mà thiết bị viễn tải của Bradley và các đồng sự vận hành. Đầu tiên, họ sử dụng một tập hợp các nguyên tử rubiđi siêu lạnh đang ở trạng thái BEC. Sau đó, họ bắn một chùm nguyên tử rubiđi khác vào trạng thái ngưng tụ này. Các nguyên tử trong chùm tia cũng có xu hướng chuyển về mức năng lượng thấp nhất, vì vậy chúng phát ra phần năng lượng dư thừa dưới dạng các xung ánh sáng. Ánh sáng phát ra được truyền vào một sợi cáp quang. Điều đáng chú ý ở đây là chùm sáng này mang tất cả các thông tin lượng tử cần thiết của chùm rubiđi được bắn vào trạng thái BEC (như vị trí và vận tốc của các nguyên tử rubiđi). Sau đó chùm sáng tạo thành lại chiếu vào một trạng thái BEC khác, các nguyên tử ngưng tụ này sẽ nhận được các thông tin của chùm vật chất ban đầu đã được mã hóa trong chùm sáng. Phương pháp viễn tải mới này có nhiều hứa hẹn vì nó không cần dùng đến tính liên đới giữa các nguyên tử. Nhưng nó cũng có những hạn chế. Nó phụ thuộc chủ yếu vào ngưng tụ BEC, mà trạng thái này lại rất khó tạo ra, kể cả trong phòng thí nghiệm. Hơn nữa, tính chất của ngưng tụ BEC tương đối kỳ lạ vì chúng hoạt động như một nguyên tử khổng lồ duy nhất. Về mặt nguyên lý, các hiệu ứng lượng tử lạ thường mà chúng ta chỉ thấy ở thang nguyên tử giờ đây lại có thể quan sát bằng mắt thường với ngưng tụ BEC. Điều này từng được cho là không thể đạt được. Ứng dụng trực tiếp vào thực tiễn của ngưng tụ BEC là tạo ra các “laser nguyên tử”. Dĩ nhiên, laser được chế tạo dựa trên các chùm photon dao động đồng bộ. Nhưng ngưng tụ BEC là một tập hợp các nguyên tử dao động đồng bộ như vậy nên ta cũng có thể giúp tạo ra chùm tia gồm các nguyên tử BEC kết hợp với nhau. Nói cách khác, trạng thái BEC có thể tạo ra một bản sao của laser, là kiểu laser nguyên tử hay laser vật chất, được tạo thành từ các nguyên tử ngưng tụ. Ứng dụng thương mại của laser là rất lớn nên các ứng dụng của loại laser nguyên tử cũng rất đáng được chờ đợi. Nhưng vì trạng thái ngưng tụ BEC chỉ tồn tại ở nhiệt độ ngay trên không độ tuyệt đối nên sự phát triển trong lĩnh vực này tương đối chậm, nếu không muốn nói là đang chững lại. Với những tiến bộ đã đạt được, liệu khi nào chúng ta mới có thể viễn tải chính mình? Các nhà vật lý hy vọng sẽ có thể viễn tải các nguyên tử https://thuviensach.vn phức tạp trong một vài năm tới. Nhiều thập kỷ sau, có lẽ sẽ tới lúc chúng ta viễn tải được một phân tử ADN hay thậm chí là cả con virút. Không có nguyên lý nào ngăn cản việc viễn tải một con người bằng xương bằng thịt như trong các bộ phim khoa học viễn tưởng, nhưng những khó khăn về mặt kỹ thuật mà chúng ta phải đối mặt thực sự gây choáng váng. Các phòng thí nghiệm tốt nhất thế giới hiện nay mới chỉ kết hợp được các photon ánh sáng nhỏ bé và các nguyên tử đơn lẻ. Việc tạo ra trạng thái kết hợp lượng tử bao gồm các vật vĩ mô thực sự, như một con người vượt quá tầm truy vấn của chúng ta đòi hỏi rất lâu nữa mới có thể đạt đến. Thực tế, nếu điều này có khả dĩ, chúng ta cũng phải chờ nhiều thế kỷ hoặc lâu hơn nữa trước khi những vật thể thông thường có thể được viễn tải. MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ Cuối cùng, định mệnh của việc viễn tải lượng tử có liên hệ chặt chẽ với sự phát triển các máy tính lượng tử. Cả hai cùng dựa trên vật lý lượng tử và dùng chung công nghệ, vì vậy chúng là hai lĩnh vực giao thoa nhau. Sẽ đến một ngày các máy tính lượng tử thay thế các máy tính kỹ thuật số quen thuộc trên bàn làm việc của chúng ta. Thực tế, tương lai của nền kinh tế thế giới có thể sẽ phụ thuộc vào các loại máy tính như vậy, do đó công nghệ này nhận được sự quan tâm rộng rãi. Rồi sẽ tới lúc Thung lũng Silicon trở thành Vành đai Gỉ sắt[5], bị các công nghệ mới sử dụng các thuật toán lượng tử thế chỗ. Máy tính thông thường sử dụng hệ nhị phân 0 và 1, được gọi là các bit. Nhưng máy tính lượng tử mạnh mẽ hơn nhiều. Chúng có thể tính toán dựa trên các qubit, lấy bất kỳ giá trị nào từ 0 đến 1. Hãy tưởng tượng một nguyên tử được đặt trong từ trường. Nó đang xoay như một con quay, vì vậy trục quay của nó có thể hướng lên hoặc hướng xuống. Theo cảm quan thông thường, spin của nguyên tử có thể hướng lên hoặc hướng xuống chứ không thể là cả hai cùng lúc. Nhưng trong thế giới lượng tử kỳ lạ, nguyên tử lại là sự tổng hợp của hai trạng thái, giống như sự kết hợp giữa một nguyên tử có spin hướng lên và một nguyên tử có spin hướng xuống. Cũng ở thế giới lượng tử kỳ lạ này, mỗi vật thể đều là tổng của tất cả các trạng thái khả dĩ. (Nếu các vật có kích thước vĩ mô, như một con mèo chẳng hạn, được mô tả bằng hình thức luận lượng tử, ta phải lấy tổng hàm sóng của https://thuviensach.vn một con mèo sống và một con mèo chết, tức là con mèo được mô tả ở trạng thái không sống cũng chẳng chết. Tôi sẽ bàn chi tiết hơn về điều này trong chương 13.) Giờ hãy tưởng tượng một dãy nguyên tử được sắp xếp ngay ngắn trong từ trường, mang spin cùng hướng với nhau. Nếu chiếu một chùm laser đến dãy nguyên tử, chùm laser sẽ tán xạ lên các nguyên tử, làm xoay trục spin của một số nguyên tử trong dãy. Bằng cách đo đạc sự khác nhau giữa chùm laser trước và sau tán xạ, chúng ta thực hiện được một “phép tính” lượng tử phức tạp, liên quan tới việc làm quay các trục spin. Các máy tính lượng tử hiện vẫn còn khá đơn sơ. Kỷ lục thế giới đối với tính toán lượng tử mới chỉ là việc thực hiện phép tính 3x5 = 15, nên còn lâu chúng mới thay thế được các siêu máy tính ngày nay. Viễn tải lượng tử và tính toán lượng tử có chung điểm yếu chết người, là việc duy trì sự kết hợp của một tập hợp lớn các nguyên tử. Nếu vấn đề này được giải quyết, nó sẽ là một đột phá lớn trong cả hai lĩnh vực. CIA và các tổ chức tình báo khác đã dành nhiều quan tâm đến máy tính lượng tử. Nhiều mật mã trên thế giới phụ thuộc vào “chìa khóa giải mã” — một số nguyên rất lớn, có thể được phân tích thành các thừa số nguyên tố. Nếu chìa khóa là tích của hai số và mỗi số lại gồm hàng trăm chữ số, thì một máy tính kỹ thuật số thông thường phải mất cả trăm năm mới tìm ra được hai thừa số của chìa khóa này. Trình độ hiện nay thực sự chưa thể phá vỡ một mật mã như vậy. Nhưng vào năm 1994, Peter Shor ở Phòng Thí nghiệm Bell đã chứng tỏ việc phân tích những số lớn như vậy thành phân tử chỉ là trò con nít đối với máy tính lượng tử. Khám phá này ngay lập tức thu hút sự quan tâm của cộng đồng tri thức. Về nguyên tắc, máy tính lượng tử có thể bẻ khóa bất cứ mật mã nào trên thế giới, ném các hệ thống bảo mật máy tính hiện nay vào sọt rác. Quốc gia nào xây dựng được hệ thống này đầu tiên sẽ giải mã được những bí mật lớn nhất của các nước khác cũng như của bất kỳ tổ chức nào mà họ muốn. Một số nhà khoa học nhận định rằng trong tương lai, nền kinh tế thế giới nhiều khả năng sẽ phụ thuộc vào máy tính lượng tử. Máy tính kỹ thuật số dựa trên nền tảng bán dẫn được cho là sẽ đạt tới giới hạn vật lý về khả năng tính toán vào năm 2020. Một dòng máy tính mới và mạnh mẽ hơn nhiều trở nên cần thiết nếu công nghệ tiếp tục tiến bộ hơn nữa. Một số https://thuviensach.vn khác lại đang khám phá khả năng tái tạo sức mạnh của bộ não người nhờ máy tính lượng tử. Thành ra, đặt cược vào công nghệ này là rất lớn. Nếu giải quyết được vấn đề về tính kết hợp, chúng ta không chỉ vượt qua thách thức về việc viễn tải mà còn có thể thúc đẩy công nghệ tiến bộ theo cách không thể đoán trước được nhờ vào các máy tính lượng tử. Đây là một đột phá quan trọng mà tôi sẽ trở lại bàn luận trong các chương tiếp theo. Như tôi đã chỉ ra ở phần trước, việc duy trì tính kết hợp trong phòng thí nghiệm là một khó khăn khủng khiếp. Những dao động nhỏ nhất cũng có thể phá vỡ tính kết hợp giữa hai nguyên tử, kéo theo sự thất bại của các tính toán. Hiện nay, việc giữ cho chỉ một số ít các nguyên tử kết hợp với nhau cũng đã rất khó khăn. Các nguyên tử đồng bộ ban đầu sẽ nhanh chóng mất tính kết hợp chỉ trong vài nano giây, hay lâu nhất là một giây. Viễn tải phải được tiến hành nhanh chóng, trước khi các nguyên tử bắt đầu mất khả năng kết hợp; điều này lại đặt ra một giới hạn nữa cho việc tính toán lượng tử và viễn tải. Bất chấp những thách thức như vậy, David Deutsch ở Đại học Oxford vẫn tin rằng có thể vượt qua chúng: “Với một chút may mắn, cộng với sự hỗ trợ của những tiến bộ về mặt lý thuyết trong thời gian gần đây, [máy tính lượng tử] có thể sẽ được chế tạo trong thời gian không quá 50 năm nữa… Nó sẽ mở ra một cách thức hoàn toàn mới để khám phá tự nhiên.” Để xây dựng một máy tính lượng tử hữu dụng, chúng ta cần làm cho hàng trăm triệu nguyên tử dao động đồng bộ- một thành tựu vượt xa khả năng hiện nay của chúng ta. Việc viễn tải thuyền trưởng Kirk là một nhiệm vụ khó khăn khủng khiếp. Chúng ta sẽ phải tạo ra một bản sao có liên đới lượng tử với thuyền trưởng Kirk. Thậm chí với công nghệ nano và các máy tính tối tân nhất, ta cũng khó mường tượng được việc này có thể được tiến hành như thế nào. Như vậy, viễn tải tồn tại ở thang nguyên tử và chúng ta hy vọng có thể viễn tải các phân tử phức tạp hơn hay thậm chí là các phân tử hữu cơ trong một vài thập niên tới. Nhưng việc viễn tải một vật thể lớn sẽ phải đợi lâu hơn, có thể đến hàng thế kỷ hoặc xa hơn nữa, ấy là nếu điều này thực khả dĩ. Do đó, việc viễn tải các phân tử phức tạp, thậm chí là con virút hay một tế bào sống, được xếp vào nhóm Bất khả thi loại I, là những thứ có thể trở thành hiện thực trong thế kỷ này. Nhưng việc viễn tải một người sống, dù https://thuviensach.vn