Science, Popsi, The New York Times và The Guardian 9.2011, Lương Thái Sỹ  24.9

Cám ơn Internet, ngày 23.9, cả thế giới vật lý theo dõi Dario Autiero thuộc Viện Vật lý Hạt nhân ở Lyon, Pháp đặt một “cự phách” khác về tốc độ trước đội ngũ các nhà vật lý hoài nghi: hạt hạ nguyên tử neutrino với khả năng “thần kỳ”: đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Autiero và nhóm thí nghiệm OPERA đã bỏ ra 6 tháng cố tìm cách giải thích kết quả của một công trình nghiên cứu kéo dài trong 3 năm, nhưng không thành công. Cuối cùng, họ phải công bố khám phá trên mạng để nhờ cộng đồng vật lý phân tích và kiểm chứng

giúp.

Trái bom trong thế giới vật lý

Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (European Organisation for Nuclear Research, thường gọi là CERN) đã công bố tin chấn động trong thế giới vật lý nói riêng và khoa học nói chung: hạt neutrino (một trong những hạt kỳ lạ nhất và nổi tiếng nhất trong vật lý học) đi nhanh hơn giới hạn tốc độ 186.282 dặm (299.792 km) /giây của ánh sáng. Một tia neutrino bắn ra từ một cỗ máy gia tốc phân tử đặt tại phòng thí nghiệm CERN ở gần Geneva, Thụy Sĩ đã bị máy dò OPERA đặt trong phòng thí nghiệm Gran Sasso sâu 1.400 mét cách đó 732 km ở Ý “bắt” được. Số đo cho thấy nó đã đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng đến 60 phần tỉ giây và tới trước ánh sáng khoảng 20 cm. Lập lại 15.000 thí nghiệm này trong 2 năm kết quả vẫn tương tụ. Nếu phương pháp thí nghiệm không bị nghi ngờ thì một trong những cột trụ cơ bản nhất của vật lý học và “thuyết tương đối đặc biệt” (special relativity) của Albert Einstein sẽ bị phá sản. Các nhà khoa học tại CERN, cũng là phòng thí nghiệm vật lý lớn nhất thế giới khẳng định, nếu những gì họ ghi nhận được là đúng, thì tốc độ của các hạt hạ phân tử (subatomic particle) neutrino, luôn nhanh hơn ánh sáng.

Kết quả “chấn động” tại CERN dù chưa được kiểm chứng cũng đủ làm “hoang mang” thế giới vật lý. “Không thể tin được là các hạt hạ phân tử” có thể đánh bại tốc độ ánh sáng, tức là đánh bại các nguyên tắc vật lý đương đại?” – một người cảm thán. Về phần mình, nhóm nghiên cứu cho biết họ rất thận trọng về kết quả thí nghiệm và hứa sẽ thảo luận chi tiết quá trình thí nghiệm cũng như phương pháp thu thập số liệu tại một hội nghị do CERN chủ trì được truyền trực tiếp trên mạng internet. “Tất cả chúng tôi đều bị sốc. Chúng tôi cố tìm cách giải thích hợp lý nhất cho phát hiện mới này - Antonio Ereditato, tác giả báo cáo thí nghiệm OPERA (Oscillation Project with Emulsion-Racking Apparatus) hiện giảng dạy vật lý tại Đại học Bern (Thụy Sĩ) và là phát ngôn viên thí nghiệm nói - Chúng tôi đã cố tìm các sai lầm, dù rất nhỏ hoặc bất cứ các sai sót nào trong quá trình thí nghiệm, nhưng hiện vẫn chưa tìm ra. Khi thấy mình làm đúng nhưng kết quả lại đáng ngờ thì cách tốt nhất là hãy công khai hoá vấn đề để cho cộng đồng khoa học mổ xẻ” – ông tuyên bố. Máy dò OPERA nặng 1.800 tấn là tập hợp các tấm địên tử và “photographic emulsion”. Thí nghiệm được sự hợp tác của 160 nhà vật lý đến từ 11 nước, chủ yếu là Ý và Nhật Bản. Nhóm thí nghiệm đặt bản doanh tại Gran Sasso, trung tâm thí nghiệm vật lý ngầm để tránh tác động của các tia vũ trụ.

Dario Autiero:

Thuyết tương đối của Einstein bị thách thức

Tốc độ ánh sáng được nhìn nhận rộng rãi là tốc độ giới hạn tối hậu của vũ trụ (Universe) trong đa số thuyết vật lý hiện đại và được nhà bác học Albert Einstein đưa vào “thuyết tương đối đặc biệt” của ông. Tốc độ ánh sáng xây dựng trên ý tưởng là không có gì đi nhanh hơn nó trong chân không. Hàng ngàn thí nghiệm đã được làm để xem “sự thật có phải như thế không” và để xem “có gì nhanh hơn ánh sáng”, nhưng cho đến nay chưa có phân tử nào phá vỡ được giới hạn. Chỉ đến khi tiến sĩ Ereditato và các đồng nghiệp bỏ ra ba năm tiến hành thí nghiệm OPERA thì giới khoa học mới “có vẻ” chứng minh được là hạt neutrino có thể làm được việc “kinh thiên động địa” này. Neutrino vẫn là chất bí ẩn nhất trong vũ trụ. Chúng thuộc số vài chục phần từ “hoang dã” nhất của thế giới hạ nguyên tử lượng tử “quantum subatomic world”. Neutrino còn là phân tử cơ bản trung hoà về điện tích, hiếm khi tương tác với chất khác và có khối lượng rất nhỏ đến nỗi gần như không có khối lượng. Nhưng neutrino có mặt xung quanh chúng ta. Mặt trời sản xuất rất nhiều neutrino. Nó là “phó sản” của các phản ứng hạt nhân xảy ra mỗi giây trên bề mặt mặt trời. Không chỉ neutrino gần như vô hình mà nó còn có thể đi xuyên tường và các hành tinh, giống như gió đi qua màn cửa. Nó còn có khả năng biến hình. Neutrino có ba dạng (type hay variety) khác nhau và có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác lúc đang di chuyển. Khả năng chuyển đổi độc đáo của neutrino cũng là thứ mà Autiero và nhóm nghiên cứu cố gắng quan sát. Nhóm nghiên cứu chuẩn bị một tia neutrino gồm những hạt cùng loại gọi là “muon neutrino”. Họ bắn nó từ Cern đến phòng thí nghiệm Gran Sasso để xem có bao nhiêu hạt xuất hiện dưới loại khác: tau neutrino. Rất khó làm việc với phân tử neutrino vì nó hiếm khi tương tác với các chất khác. Vì vậy, các máy gia tốc phân tử phải sản xuất chúng với số lựơng khổng lồ để máy dò OPERA có thể dò ra các tương tác hiếm này khi nó xuất hiện (máy dò ngầm khổng lồ là thiết bị cần có để bắt các neutrino, có biệt danh là “phân tử ma” vì rất khó bắt). Thí nghiệm bắt đầu trong một bồn khí hydrogen đặt bên trong một toà nhà tại CERN. Các nguyên từ nằm trong những tia khí từ bồn được lấy hết electron để chỉ còn “proton trần truồng” (naked proton), rồi được cỗ xe tốc độ (giống như cỗ xe trong bộ phim nói về hòn đảo Coney Island) đưa đi qua một loạt máy gia tốc phân tử. Theo lý thuyết, trong khi di chuyển, trong chỉ vài phần triệu giây, một số neutrino sẽ biến hình thành từ dạng muon neutrino sang tau neutrino. Mục tiêu của thí nghiệm Opera chính là nghiên cứu sự biến hình (transformation) này. Trong 3 năm liền, máy dò đã “bắt” được khoảng 16.000 neutrino, nhưng chỉ có một là tau neutrino. “Đo tốc độ của neutrino chỉ là một mục tiêu phụ-Ereditato nói –Nhưng nay nó đã trở thành phát hiện chính. Mục tiêu chính của chúng tôi là bắt được nhiều tau neutrino”. Nói chung, thí nghiệm được thiết kế để bắt các neutrino khi nó biến từ loại này sang loại khác sau chặng đường di chuyển. Phải bắt được neutrino tại điểm đến Gran Sasso thì mới có thể xác định được vận tốc của nó. Thí nghiệm lập lại nhiều lần, và toán nghiên cứu đều thấy các phân tử neutrino đến trước tốc độ ánh sáng 60 phần tỉ giây. Con số rất nhỏ, nhưng không thay đổi (hằng số). Nhóm nghiên cứu đo đi đo lại nhiều lần thời gian neutrino di chuyển nhưng tốc độ vẫn luôn là như thế nên họ kết luận “đây là một phát hiện vật lý cực kỳ quan trọng, thậm chí điên rồ, cần công bố để phân tích”. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng hiểu rằng phát hiện mang tính “ngòi nổ” này có thể là do các lỗi hệ thống, lỗi phương pháp. Vì vậy, họ đã rà soát kỹ lưỡng phương pháp và phương tiện nghiên cứu nhưng không tìm ra sai sót nào đủ sức phản bác lại kết luận. “Tôi mong sẽ sớm có một thí nghiệm độc lập khác phát hiện được điều tương tự để chúng tôi có thể an tâm là đã đi đúng hướng - Ereditato nói – Còn hiện nay chúng tôi chưa dám kết luận mà còn chờ ý kiến của cộng đồng khoa học. Nếu tất cả là đúng thì hệ quả sẽ rất nghiêm trọng cho vật lý học. Nhiều luận thuyết dựa vào tốc độ ánh sáng là giới hạn tốc độ sẽ phá sản. Nói tóm lại là Einstein đã sai khi có các phân tử khác còn nhanh hơn ánh sáng”. 

Máy dò OPERA:

Sẽ lập lại thí nghiệm

Thuyết tương đối đặc biệt công bố năm 1906 của Albert Einstein thường được biết qua phương trình E=mc2, trong đó, năng lượng bằng khối lượng nhân với tốc độ ánh sáng bình phương. Để bắn một vật thể đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng phải cần số năng lượng vô hạn. Nếu neutrino đánh bại tốc độ ánh sáng, thế giới khoa học bắt buộc phải xem xét lại các định luật vật lý cơ bản, kể cả cách vũ trụ làm việc. James Gillies, phát ngôn viên của CERN cho biết các số đo mới đã làm kinh ngạc các nhà nghiên cứu, thậm chí có người không tin vào những gì họ vừa phát hiện nên phải nhờ các đồng nghiệp phê duyệt và kiểm chứng chúng trước khi chính thức công bố. “Đa số chúng tôi đều mong muốn là mình đã sai, và các số ghi là không đúng, tốc độ ánh sáng vẫn là vô địch. Cách tốt nhất là có ai đó trên thế giới lập lại thí nghiệm để chứng minh là chúng tôi sai” – Gilles nói. Sau khi nghe tin “dữ”, các nhà khoa học tại phòng thì nghiệm Fermilab ở Chicago hứa sẽ khởi đầu một thí nghiệm tương tự ngay tức khắc. “Đây là tin rất sốc – lý thuyết gia vật lý Stephen Parke của Fermilab, người không tham gia nghiên cứu tại Geneva nói – Nếu đó là sự thật, chúng tôi và thế giới vật lý sẽ gặp lăm vấn đề”. Nhóm nghiên cứu Fermilab đã thực hiện một thí nghiệm gần giống vào năm 2007, nhưng do phạm nhiều sai lầm kỹ thuật nên không được giới khoa học công nhận. Lúc đó, thí nghiệm có tên MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) được Fermilab tiến hành tại bang Minnesota. Các neutrino bắn từ Fermilab ở Illinois cũng đến máy dò trước ánh sáng một “sát na” thời gian. Cụ thể là MINOS bắn các tia neutrino từ Batavia đến các máy dò đặt ngầm trong một hầm mỏ ở bắc Minnesota cách đó 450 dặm. “Nhưng đội thí nghiệm MINOS phải từ bỏ kết quả thu thập được vì tranh cãi về sự chính xác của vị trí đặt máy dò” - Jenny Thomas, phát ngôn viên của thí nghiệm nói. Rob Plunkett, nhà khoa học của Fermilab bổ sung: “Hệ thống đo của chúng tôi không chính xác như hệ thống đo của CERN”. Các nhà nghiên cứu CERN muốn nhờ các đồng nghiệp Mỹ và Nhật kiểm tra lại kết qủa. Tiến sĩ Stavros Katsanevas, phó giám đốc Viện Quốc gia Nghiên cứu Hạt nhân và vật lý phân tử (National Institute for Nuclear and Particle Physics Research-INPPR) của Pháp khẳng định một thí nghiệm tương tự sẽ sớm tiến hành tại Fermilab. INPPR đã hợp tác với Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso của Ý để làm cuộc thí nghiệm OPERA cho CERN (thí nghiệm OPERA không liên quan đến Large Harden Collider, máy gia tốc phân tử lớn nhất thế giới, cũng thuộc CERN, đặt tại vòng cung ngầm tại biên giới Pháp-Thụy Sĩ). Ngoài ra còn thí nghiệm T2K đang được tiến hành tại Nhật Bản, nhưng phải ngưng lại vì trận động đất và sóng thần ngày 11.3. 

Thí nghiệm OPERA:

Có không ít mối nghi ngờ

Nhiều nhà khoa học bày tỏ sự hoài nghi về công bố của CERN, trong đó có một nhà khoa học thề sẽ ăn hết… chiếc quần boxing trên truyền hình trực tiếp nếu giới hạn tốc độ ánh sáng bị phá! Báo cáo thí nghiệm chỉ được post lên Internet ngày 22.9 sau khi có hàng loạt tin đồn trên mạng. Một blogger nói úp mở “sắp có một Tin đồn Thế kỷ” (Rumour of the Century) được tung ra. Có người nói đùa: thứ duy nhất đi nhanh hơn ánh sáng là… đồn nhảm. Nhà vật lý lý thuyết Nima Arkani-Hamed tại Viện nghiên cứu tiến bộ (IAS) ở Princeton viết trong e-mail: “Theo tôi nghĩ thì CERN không cần họp báo về phát hiện này, cũng không cần báo cáo khoa học vì nó quá mù mờ, mà nên chờ làm thêm một số việc quan trọng nữa. Nhóm nghiên cứu tuyên bố muốn các nhà khoa học bị sốc về những gì họ làm, vậy thì họ đã thành công”. Tiến sĩ Drew Baden, trưởng khoa vật lý tại Đại học Maryland gọi công bố của CERN là “tấm thảm thần Ngàn lẻ một đên” nên rất khó tin. Đi nhanh hơn ánh sáng sẽ dẫn đến khả năng “du hành xuyên thời gian”, một điều các nhà vật lý không bao giờ dám nghĩ tới. Neutrino góp phần tạo ra kỷ nguyên điện tử đương đại và internet. Nếu có một hạt mang thông tin đi nhanh hơn ánh sáng thì sẽ tạo ra nhiều thay đổi không lường được. Một kỷ nguyên điện tử mới sẽ ra đời. Thậm chí có người còn mơ về ngày con người quay ngược thời gian và…trẻ mãi không già. Thuyết tương đối được trắc nghiệm nhiều lần trong thế kỷ qua, và nói như Carl Sagan, nhà thiên văn quá cố của Đại học Cornell thì “những công bố phi thường bao giờ cũng cần chứng cứ phi thường. Công bố mới cũng thế”. Một số người dự khán hội nghị CERN 23.9 đặt câu hỏi về phương pháp các nhà khoa học dùng đo khoảng cách từ CERN đến Gran Sasso để phát hiện ra cách biệt 20 cm giữa tốc độ ánh sáng và tốc độ hạt neutrino. Rồi cách dùng hệ thống định vị toàn cầu GPS để đo tốc độ dưới mặt đất.
Lịch sử vật lý và thiên văn hiện đại thỉnh thoảng lại có những tin tức về các phân tử mới hay hành tinh mới đe doạ làm thay đổi cách chúng ta suy nghĩ về thế giới. Nhưng rồi tất cả đều lặng lẽ biến mất khi gặp phản biện hoặc không có bằng chứng củng cố. Vì vậy, đa số nhà vật lý tin rằng phát hiện mới của CERN sẽ cùng chung số phận như thế. Thái độ phản bác này được minh hoạ rõ nhất trong loạt phim hoạt hình XKCD, trong đó nhân vật chính cho biết sẽ đánh cược sự giàu có của mình cho ai chứng minh được mộ khám phá mới là đúng. Các nhà khoa học ước tính nếu tốc độ neutrino chỉ vượt quá 10 phần tỉ giây cũng đủ để tạo nên sự khác biệt ý nghĩa. Chính vì vậy mà sẽ cần nhiều tháng để kiểm tra đi kiểm tra lại kết quả nhằm bảo đảm không có sai sót trong thí nghiệm. “Thuyết tương đối của Einstein là nền tảng cho nhiều vấn đề trong vật lý hiện đại, và nó làm việc hoàn hảo tính đến thời điểm này; vì vậy khi thuyết tương đối bị đổ sẽ là cơn địa chấn trong thế giới vật lý. Neutrino đang thách thức hòn đá tảng của vật lý hiện đại” - John Ellis, nhà vật lý lý thuyết tại CERN nhưng không tham gia thí nghiệm OPERA nói. Theo ông thì nhóm nghiên cứu tốc độ neutrino nên giải thích tại sao các kết quả tương tự không được dò ra trước đó, như vụ một “ngôi sao nổ” (hay siêu lân tinh-supernova) năm 1987. Ellis hoài nghi cũng có lý vì nhiều thí nghiệm để tìm ra phân tử đi nhanh hơn ánh sáng đã kết thúc với đôi tay trống rỗng. Thí nghiệm OPERA bị nghi vấn nếu quay trở lại với một xung neutrino phát ra từ supernova gần trái đất. Giả sử các neutrino đều đạt được tốc độ do OPERA ghi nhận thì xung supernova phải đến nhiều năm sớm hơn ánh sáng phát ra từ ngôi sao nổ. Nhưng nó đến sau ánh sáng nhiều giờ. “Ghi nhận này khác với thí nghiệm OPERA” – Ellis nhấn mạnh. Còn theo Antonino Zichichi, nhà vật lý lý thuyết và giáo sư Đại học Bologna (Ý) thì: “Nếu thí nghiệm sắp tiến hành của Fermilab trùng với kết quả của thí nghiệm OPERA thì cấu trúc của thuyết tương đối đặc biệt sẽ sụp đổ. Phát hiện mới sẽ làm thay đổi ý tưởng về cách tạo thành vũ trụ”.
Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu các phân tử neutrino thực sự đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng? Câu hỏi thật thú vị. “Khi nhóm nghiên cứu OPERA kêu gọi thế giới hãy giúp họ tìm ra lỗ hổng trong phương pháp nghiên cứu của họ thì họ đã thận trọng cực kỳ. Họ muốn cứu vãn nền tảng vật lý mà chúng ta đang có, vì sự sụp đổ của nó sẽ dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng” - Jim Al-Khalili, nhà vật lý tại Đại học Surrey nói. Theo ông thì chỉ cần một sai lầm nhỏ trong cách đo đạc là tất cả thí nghiệm sẽ mất giá trị. Tuy nhiên, giáo sư Brian Cox, nhà vật lý làm việc tại CERN cho biết Einstein vẫn có thể không sai nếu ngoài các chiều không gian đã biết, còn có các “chiều không gian phụ” để các phân tử du hành như một số lý thuyết đã từng đề cập đến. “Giống như thay vì bay từ London đến Sydney trên bầu trời, phân tử đi tắt qua đường hầm đào thẳng nối hai thành phố. Như thế sẽ gần hơn” – ông nói.