Chúng tôi khám phá những bí ẩn trong vật lý như thế nào

James Beacham tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi mở quan trọng nhất trong ngành vật lý bằng cách sử dụng thí nghiệm khoa học lớn nhất từng có - Máy gia tốc hạt tại CERN (LHC). Qua cuộc trò chuyện về vật lý đầy thú vị và dễ hiểu này, Beacham đưa ta vào cuộc hành trình xuyên qua những chiều không gian ngoài để tìm kiếm những loại hạt mới (và giải thich về sự bí ẩn của trọng lực) và động lực để tiếp tục hành trình khám phá này.

Có thứ gì đó về vật lý

khiến tôi rất phiền não kể từ khi
tôi chỉ là một đứa trẻ.

Nó liên quan tới một câu hỏi

mà nhiều nhà khoa học luôn tìm kiếm
trong 100 năm nay

mà vẫn chưa có câu trả lời.

Làm thế nào để những thứ nhỏ nhất
trong tự nhiên

những phần nhỏ của thế giới lượng tử

có thể dung hoà với những thứ lớn nhất
trong tự nhiên --

trái đất, những vì sao và thiên hà
gắn kết với nhau bởi trọng lực?

Là một đứa trẻ, tôi bị bối rối
bởi những câu hỏi như thế.

Tôi sẽ mày mò kính hiển vi
và nam châm điện

và tôi sẽ tìm hiểu về lực
của các vật nhỏ,

và về cơ học lượng tử

và tôi bị kinh ngạc khi những mô tả đó
khớp với

sự quan sát của chúng tôi

Rồi tôi quan sát những ngôi sao

và tôi tìm hiểu rằng chúng ta biết về
trọng lực ở mức nào

và tôi sẽ suy nghĩ kĩ càng,
chắc phải có một cách nào đó

để hai hệ thống ấy có thể liên kết.

Nhưng rất tiếc là không có.

Những cuốn sách nói rằng

vâng, ta biết rất nhiều
về hai lĩnh vực này một cách riêng biệt,

nhưng khi ta thử liên kết chúng lại

tất cả mọi thứ bị phá vỡ.

Và trong 100 năm qua,

không có bất kì ý tưởng nào để giải quyết
thảm hoạ vật lý cơ bản này

một cách thuyết phục và xác thực

Và với một tôi nhỏ bé khi ấy --

một James nhỏ bé, tò mò và đầy hoài nghi --

thì đây là một đáp án hoàn toàn không hài lòng

Vâng, tôi chỉ là một thằng nhóc hoài nghi.

Tua nhanh tới hiện tại,
tháng 12, 2015,

khi tôi đang cảm thấy mình đang ở giữa

thế giới vật lý đang bị đảo lộn.

Mọi chuyện bắt đầu ở CERN khi chúng tôi
thấy một dữ liệu rất hấp dẫn,

một dấu hiệu của loại hạt mới,

một ý niệm mơ hồ về một câu trả lời
phi thường cho câu hỏi đó.

Vâng, tôi vẫn là một thằng nhóc
đầy hoài nghi, tôi nghĩ thế,

nhưng giờ tôi đã là một "thợ săn" hạt

là một nhà vật lý của dự án
Máy gia tốc hạt (LHC), tại CERN

một thí nghiệm khoa học lớn nhất
từng có

Nó là một căn hầm dài 27km
ở biên gới Pháp và Thuỵ Sỹ

nằm bên dưới mặt đất 100m.

Và tại căn hầm này,

Chúng tôi sử dụng nam châm siêu dẫn
lạnh hơn cả nhiệt độ ngoài vũ trụ

để tăng tốc các hạt proton
đến gần với tốc độ ánh sáng

và cho chúng va chạm với nhau
hàng triệu lần mỗi giây,

rồi thu thập những gì sót lại sau va chạm

để tìm kiếm những hạt chưa được khám phá

Việc thiết kế và chế tạo tốn hàng thập kỉ

bởi hàng ngàn nhà vật lý
đến từ khắp thế giới

cho đến mùa hè năm 2015

chúng tôi đã làm việc không mệt mỏi
để khởi động máy LHC

với năng lượng lớn nhất
mà con người từng thí nghiệm

Hiện tại, nguồn năng lượng cao hơn
là rất quan trọng

vì đối với các hạt, cần có sự tương đương

giữa năng lượng và khối lượng hạt

mà khối lượng là một con số không thay đổi

Để tìm ra các loại hạt mới

chúng tôi cần đạt tới một con số lớn hơn

Để làm được điều đó, cần tạo máy gia tốc
lớn hơn, năng lượng cao hơn

và máy gia tốc lớn nhất, năng lượng
cao nhất thế giới

đó chính là LHC.

Và rồi, chúng tôi cho các tia proton
va chạm với động năng cực lớn

chúng tôi thu thập dữ diệu dần dần
trong hàng tháng trời

Và các hạt mới có thể hiển thị
trên dữ liệu dưới dạng những dị điểm--

một sự chênh lệnh nhỏ ngoài mong đợi

những cụm nhỏ của các điểm dữ liệu
khiến biểu đồ không còn trơn tru,

Ví dụ, dị điểm này,

sau hàng tháng trời lấy dữ liệu vào năm 2012

đã dẫn đến sự khám phá ra hạt Higgs --

Boson Higgs --

và đạt được một giải Nobel
vì đã xác minh được sự tồn tại của nó

Bước nhảy về năng lượng trong năm 2015

đã thể hiện cơ hội tốt nhất
mà nhân loại từng có

để phát hiện ra loại hạt mới

một đáp án cho những câu hỏi
đã có từ rất lâu

bời vì chúng tôi đã sử dụng
gần như gấp 2 lần năng lượng

khi phát hiện ra Boson Higgs

Rất nhiều đồng nghiệp của tôi đã cống hiến
cả sự nghiệp chỉ cho khoảnh khắc này

Và rõ ràng rằng, đối với tôi,

đây là khoảnh khắc mà tôi hằng trông đợi
trong suốt cuộc đời

2015 chính là khoảnh khắc này đây.

Đến tháng Sáu 2015,

máy LHC được khởi động trở lại,

Tôi và đồng nghiệp đều nín thở
và cắn móng chờ đợi,

sau cùng,chúng tôi đã thấy vụ
va chạm proton đầu tiên

với năng lượng cao nhất từ trước đên giờ.

Những tràng vỗ tay, rượu và tiệc mừng

Đây là bước ngoặt mới của khoa học

Chúng tôi không biết sẽ tìm được gì
với nguồn dữ liệu mới này.

Nhưng vài tuần sau, chúng
tôi thấy một dị điểm

Nó không phải dị điểm lớn

Nhưng đủ lớn để khiến bạn phải
nhướn mày kinh ngạc

Nhưng mức độ nhướn mày tính theo
thang điểm 10

So với 10 điểm khi bạn phát hiện ra
một loại hạt mới

thì nó đó chỉ đáng 4 điểm mà thôi.

(Tiếng cười)

Tôi đã dành hàng giờ, hàng ngày,
hàng tuần trong các cuộc họp nội bộ

tranh luận với đồng nghiệp
về dị điểm này,

chọc và đâm nó với những
thí nghiệm tàn nhẫn nhất

để xem xét kĩ lưỡng.

Nhưng thậm chí sau hàng tháng
nghiên cứu trong vô vọng

trải qua hàng đêm ở văn phòng
và không về nhà

ăn tối bằng kẹo ngọt,

cà phê phải tính bằng thùng --

chúng tôi là những cái máy
biến cà phê ra những biểu đồ --

(Tiếng cười)

Dị điểm này vẫn không biến mất.

Cho đến vài tháng sau đó,

chúng tôi công bố dị điểm này với thế giới
với thông điệp rất rõ ràng

dị điểm này rất thú vị
nhưng không hải là đường cùng

Nên chỉ cần chú ý đến nó
và thu thập nhiều dữ liệu hơn.

Chúng tôi cố gắng dễ chịu hơn với nó.

Cả thế giới chào đón nó.

Báo chí thích điều này.

Mọi người nói nó khiến họ nhớ đến
dị điểm nhỏ

trong hành trình khám phá boson Higgs.

Và hơn hết là
những người đồng nhiệp lý thuyết của tôi

Tôi rất yêu những người đồng nghiệp ấy --

họ đã viết 500 trang báo cáo
về dị điểm này.

(Tiếng cười)

Thế giới vật lý hạt
đang bị đảo lộn.

Nhưng điều gì về dị điểm đặc biệt này--

đã khiến hàng ngàn nhà vật lý
"mất phong độ" ?

Dị điểm này rất khác biệt.

Nó cho ta thấy rằng,

ta đang thấy một lượng lớn
những cuộc va chạm không ngờ tới.

khi mà theo dữ liệu chỉ có
duy nhất 2 photon,

2 hạt ánh sáng.

Điều này rất hiếm.

Va chạm hạt không giống như va chạm xe hơi

Chúng có những quy luật khác

Khi hai hạt va chạm với vận tốc
gần với vận tốc ánh sáng

nó thuộc về thế giới lượng tử

Và trong thế giới lượng tử

hai loại hạt đó có thể tạo ra một hạt mới

mà chỉ tồn tại trong một phần ngàn giây

trước khi chúng tách ra thành hạt khác
và đụng vào cảm biến .

Hãy tưởng tượng hai chiếc xe va chạm
và rồi biến mất,

thay vào đó là một chiếc xe đạp xuất hiện.

(Tiếng cười)

Và rồi chiếc xe nổ tung
thành hai cái ván trượt --

đụng vào cảm biến của ta

(Tiếng cười)

Hy vọng rằng, không phải theo nghĩa đen.

Chúng rất hiếm.

Khả năng mà chỉ 2 photon đụng phải
cảm biến là rất hiếm.

Và bởi tính chất lượng tử đặc biệt
của hạt photon,

rất ít khả năng để các hạt mới --

những chiếc xe huyền thoại đó

có thể sinh ra hai hạt photon.

Nhưng một trong những lựa chọn này rất lớn

và điều này cần xét đến câu hỏi mà lâu nay

vẫn khiến tôi phiền não--

về trọng lực.

Trọng lực có vẻ rất lớn lao với các bạn

nhưng nó rất nhỏ bé so với
những lực khác trong tự nhiên

Tôi có thể đánh bại lực hấp dẫn khi nhảy

nhưng không thể lấy proton ra khỏi tay

Sức mạnh của trọng lực so với
những lực khác trong tự nhiên ư?

Chỉ là 10 mũ âm 39.

Một số thập phân với 39 số 0.

Tệ hơn là,

tất cả những lực tự nhiên
được mô tả chi tiết

bởi một thứ mà ta gọi là Mô hình chuẩn -

lý thuyết diễn tả toàn vẹn về tự nhiên
từ những thứ sơ cấp nhất,

và khá rõ ràng,

nó là một trong những thành tựu
to lớn nhất của loài người --

ngoại trừ trọng lực - không tuân thủ theo
Mô hình chuẩn

Thiệt điên rồ.

Cứ như thể là phần lớn trọng lực
đã biến mất đâu đó.

Ta có thể cảm nhận một ít trọng lực

vậy phần còn lại đã đi đâu rồi?

Không ai biết được.

Nhưng một cách giải thích theo lý thuyết
có thể đưa ra một cách giải quyết đại khái

Các bạn và tôi --

thậm chí đằng sau bạn,

chúng ta sống trong không gian ba chiều

Tôi hi vọng rằng khẳng định này
không còn nghi ngờ nữa

(Tiếng cười)

Tất cả các hạt đã biết cũng tồn tại
trong không gian ba chiều

Thực tế, 'hạt' chỉ là một tên gọi khác

của một lực kích thích
trong trường ba chiều

một sự lắc lư cố định trong không gian.

Quan trọng hơn, tất cả công thức toán học
mà ta mô tả đống hỗn độ này,

đều dẫn đến kết luận rằng
chỉ tồn tại 3 chiều không gian.

Nhưng đó chỉ là con số, ta có thể
thay đổi nó theo cách ta muốn.

Và con người đã "xoay lòng vòng"
với các chiều không gian

từ rất lâu rồi,

nhưng nó luôn là một khái niệm
toán học trừu tượng.

Ý tôi là, hãy nhìn xung quanh bạn,
đằng sau bạn, hãy nhìn quanh,

chỉ có 3 chiều không gian thôi.

Nhưng nếu không đúng thì sao?

Nếu phần trọng lực mất tích đã rò rỉ
sang một không gian khác

mà chúng ta không thấy được.

Làm sao nếu trọng lực cũng mạnh như
các loại lực khác,

nếu bạn có thể thấy nó trong
một chiều không gian khác,

và những gì bạn và tôi thấy-
một phần nhỏ của trọng lực

làm nó trông có vẻ rất yếu?

Nếu đúng như vậy,

ta nên mở rộng "Mô hình chuẩn" của hạt

để thêm vào một hạt mới,
một hạt ngoài chiều không gian trọng lực.

một graviton đặc biệt tồn tại
trong một chiều không gian khác.

Qua ánh mắt của các bạn,

Chắc rằng các bạn muốn hỏi tôi rằng,

Làm sao có thể kiểm nghiệm ý tưởng điên rồ
và đầy viễn tưởng này,

khi mà ta đang ở trong không gian 3 chiều?

Cách mà chúng tôi luôn làm

cho va chạm 2 hạt proton --

(Tiếng cười)

Hiếm mà sự va chạm dội lại

vào một chiều không gian khác,
mà có lẽ ở đó,

tạo ra một graviton trong tức thời,

rồi bật trở lại không gian 3 chiều
của máy LHC

và tách ra thành hai photon,

hai hạt ánh sáng.

Và giả thiết, một chiều không gian khác

là một trong những khả năng duy nhất,
loại hạt mà theo giả thiết --

có thuộc tính lượng tử đặc biệt--

mà nó có thể sinh ra dị điểm- 2 photon.

Vậy nên, khả năng để giải thích sự bí ẩn
của trọng lực

và khám phá một chiều không gian khác--

có lẽ giờ các bạn đã hiểu được,

tại sao hàng ngàn chuyên viên vật lý
lại "mất phong độ"

trước điểm nổi nhỏ bé này.

Khám phá mới này có thể viết lại
sách giáo khoa.

Những hãy nhớ rằng,

một thông điệp từ chúng tôi -
những nhà thực nghiệm

rằng những gì chúng tôi đang làm

rất rõ ràng.

ta cần thêm dữ liệu nữa

Với nhiều dữ liệu hơn,

dị điểm này sẽ trở thành
một giải Nobel xuất sắc --

(Tiếng cười)

Những dữ liệu mới sẽ lấp lại
không gian của điểm nổi này

và khiến nó trở về một đường trơn tru

Chúng tôi thu nhiều hơn -

với gấp 5 lần dữ liệu, sau hàng tháng trời

dị điểm của ta,

được lấp lại bằng phẳng.

Báo chí đưa tin về "nỗi thất vọng lớn",
về "niềm tin vô vọng",

và về những nhà vật lý hạt "đáng buồn".

Với giọng điệu như vậy,

Chắc các bạn nghĩ chúng tôi đã tắt
máy LHC và quay về nhà.

(Tiếng cười)

Nhưng chúng tôi không làm vậy

Tại sao không à?

Ý tôi là, nếu tôi đã không tìm ra hạt mới,
và sự thật là vậy

Nếu tôi không tìm ra loại hạt mới,
tại sao tôi lại ở đây?

Tại sao tôi lại không tự chịu xấu hổ

mà trở về nhà?

Nhà vật lý hạt là những nhà khám phá.

Phần lớn những gì chúng tôi làm
là lập nên những biểu đồ.

Hãy để tôi nói theo hướng khác,
hãy tạm quên đi máy LHC nhé.

Tưởng tượng bạn là một nhà thám hiểm
không gian đến một hành tinh lạ

tìm người ngoài hành tinh

Việc đầu tiên bạn làm là gì?

Lập tức đi vòng quanh hành tinh đó,
nhanh chóng tìm kiếm

một dấu hiệu sống rõ ràng

rồi báo cáo lại với trạm

Đây là tình trạng của tôi hiện nay

Chúng tôi trông đợi ở máy LHC

tìm kiếm những lại hạt mới,
dễ dàng nhận thấy,

và có thể nói rằng không hề có.

Ta thấy một sinh vật lạ lấp ló
ở một ngọn núi đằng xa

Nhưng khi ta lại gần,
nó chỉ là một tảng đá

Chúng ta phải làm gì bây giờ?
Chỉ đơn giản là từ bỏ và bỏ đi?

Hoàn toàn không:

Ta sẽ là nhà khoa học tệ hại nếu làm vậy

Ta sẽ dành hàng thập kỉ để nghiên cứu

lập bản đồ lãnh thổ,

lấy mẫu đất bằng công cụ chuyên dụng

lật tung từng hòn đá,

khoan sâu xuống lòng đất.

Những loại hạt mới có thể
xuất hiện ngay lập tức,

như một hạt rõ ràng nổi lên,

hoặc là sau nhiều năm lấy dữ liệu
thì chúng mới chịu lộ diện.

Nhân loại chỉ vừa mới bắt đầu khám phá nó
với máy LHC ở mức năng lượng này,

chúng tôi còn phải nghiên cứu thêm.

Nhưng nếu, sau 10 hay 20 năm,
ta vẫn không tìm được hạt mới nào

Ta sẽ tạo ra một cái máy lớn hơn.

(Tiếng cười)

Ta sẽ thử với năng lượng cao hơn

Ta sẽ thử với năng lượng cao hơn.

Kế hoạch chỉ vừa thử nghiệm với
căn hầm 100km dưới mặt đất

để va chạm hạt với 10 lần
năng lượng của máy LHC.

Chúng tôi không biết tự nhiên để
hạt mới ở đâu.

Chúng tôi chỉ quyết định tiếp tục,

Nhưng nếu, thậm chí với
một căn hầm 100km,

hay một căn hầm 500km

hay thâm chí là một máy gia tốc
10,000 km ở giữa không gian

ở giữa Trái đất và Mặt trăng,

mà vẫn không tìm được loại hạt mới?

Có lẽ chúng tôi đã làm sai bài toán
vật lý hạt này ư?

(Cười)

Có lẽ chúng ta cần phải suy nghĩ lại

Có lẽ ta cần thêm nhiều nguồn lực,
công nghệ và nhiều chuyên gia

hơn là hiện tại ta đang có

Chúng tôi đã sử sụng trí tuệ nhân tạo
và công nghệ "máy tính tự học"

trong cấu tạo của LHC.

Tưởng tượng việc thiết kế một
thí nghiệm vật lý hạt

sử dụng nhiều thuật toán phức tạp

để nó có thể tự dạy mình cách tìm ra
một chiều không gian khác.

Nhưng phải làm sao?

Làm sao nếu câu hỏi cuối cùng:

Làm sao nếu trí tuệ nhân tạo không thể
giúp ta tìm ra đáp án?

Làm sao nếu những câu hỏi mở này,
sau hàng thế kỉ,

dường như không thể trả lời
trong một tương lai gần.

Phải làm sao nếu câu hỏi mà tôi
luôn trăn trở từ khi còn nhỏ,

dường như không thể trả lời
trong cuộc đời tôi.

Nếu thế thì ...

sẽ còn hấp dẫn hơn nhiều.

Chúng ta buộc phải suy nghĩ
theo một cách hoàn toàn khác.

Chúng tôi sẽ xem xét lại giả thuyết,

và xác định liệu có sai sót ở đâu đó.

Và chúng ta sẽ cần động viên nhiều người
tham gia nghiên cứu khoa học

vì chúng tôi cần tư tưởng mới
cho những vấn đề của thế kỉ cũ này.

Tôi chưa có câu trả lời,
và vẫn đang luôn tìm kiếm nó.

Nhưng ai đó -- có thể là ai đó
còn đang đến trường

thậm chí là ai đó chưa được sinh ra

có thể cho chúng tôi một cái nhìn mới
về vật lý

và chỉ ra nếu chúng tôi đang đi sai hướng.

Đây sẽ không phải là kết thúc của vật lý,

mà sẽ mở ra một khởi đầu mới.

Xin cảm ơn.

(Tiếng vỗ tay)