NHỮNG BÀI TOÁN VẬT LÝ QUAN TRỌNG
VÀ LÝ THÚ NHẤT CỦA THẾ KỶ XXI
Ta hãy tổng kết các vấn đề cơ bản của vật lý học hiện đại bằng cách nêu nổi bật những bài toán quan trọng và lý thú trong một thời gian đủ dài.
Tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển.
Chương trình thực hiện tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển đã được bắt đầu ở Nga từ năm 1950, xuất phát từ lý thuyết lò phản ứng nhiệt hạch từ trường được xây dựng bởi Andrei Dmitriyevich Sakharov và Igor Evgenyevich Tamm. Từ đó những công việc với quy mô lớn được tiến hành theo hướng này trên toàn cầu và không còn ai nghi ngờ nữa về tính hiện thực của việc xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch.
Siêu dẫn nhiệt độ cao và nhiệt độ phòng. Cơ chế siêu dẫn trong các hợp chất đồng vẫn còn chưa rõ (nhiệt độ siêu dẫn cao nhất Tc = 135K đã đạt được với hợp chất HgBa2Ca2Cu3O8+x khi không có áp suất và Tc = 164 K khi có áp suất cao). Khả năng thu được siêu dẫn ở nhiệt độ phòng về nguyên tắc là không mâu thuẫn với điều gì cả, song cũng chưa có thể tin tưởng hoàn toàn vào thành công.
Các vật liệu kì lạ. Việc nghiên cứu hyđrô phân tử dưới áp suất lớn đã dẫn đến nhiều tính chất lý thú và mới lạ. Khi nén bằng sóng xung kích ở nhiệt độ khoảng 3000 K, hyđrô có lẽ chuyển sang pha lỏng dẫn truyền tốt. Người ta cũng tìm thấy những tính chất đặc thù như thế ở các chất khác dưới áp suất cao.
Trong số vật liệu lạ có fullerene (xem mục phụ: “Cácbon có nhiều gương mặt”) Cách đây không lâu ngoài fullerene thường C60 người ta bắt đầu nghiên cứu C36 (chất này có thể biến thành siêu dẫn nhiệt độ cao khi người ta đưa vào mạng tinh thể của nó các nguyên tử của một nguyên tố khác) và ống nano - phân tử Cacbon hình trụ, chứa khoảng một triệu nguyên tử (C1.000.000).
Ông sinh ngày 4 - 10 - 1916. Năm 1938, ông tốt nghiệp khoa vật lý trường Đại học tổng hợp Moskva (MGU). Là học trò của E.I Tamm. Trong hơn nửa thế kỷ, ông làm việc tại Viện vật lý mang tên P.I.Lebedev của Viện hàn lâm khoa học Nga. Những hướng nghiên cứu của ông: vật lý lý thuyết và vật lý thiên văn. Cùng với L.D.Landau, ông xây dựng lý thuyết siêu dẫn vào năm 1950, lý thuyết này được biết đến với tên gọi lý thuyết Ginzburg - Landau và được sử dụng rộng rãi đến ngày nay, cả trong việc mô tả hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao. Ông là tác giả của những chuyên khảo “Về vật lý và vật lý thiên văn”, “Vật lý lý thuyết và vật lý thiên văn”,v.v… Ông được nhận giải thưởng Lênin năm 1966 và Viện sĩ chính thức của Viện hàn lâm khoa học Liên Xô (cũ). Ông là Viện sĩ nước ngoài của Hội hoàng gia London, Viện hàn lâm khoa học quốc gia Mỹ, viện hàn lâm hoàng gia Đan Mạch,v.v… Thứ tiêu khiển của ông là câu cá. Năm 2003 ông được tăng giải Nobel vật lý chung với hai nhà khoa học khác.
Vật lý môi trường kết tụ. Vào cuối thế kỷ XX người ta đã phát hiện ra, trong chất rắn có nhiều vùng với những tính chất vật lý khác nhau phân chia bởi những ranh giới có đường nét rõ ràng. Do đó tính rắn hay điện trở của mỗi mẫu khác với trị số trung bình của nhiều mẫu, tính chất của bề mặt tinh thể khác với các tính chất của các vùng trong tinh thể,v.v… Tập hợp các hiện tượng tương tự có tên là mesoscopic (trung mô).
Khi nghiên cứu các đặc điểm của dòng điện trong từ trường (hiệu ứng Hall) trong những màng mỏng người ta phát hiện ra những giả hạt có điện tích phân số, ví dụ q = (1/3)e, ở đây e là điện tích của electron và các hạt khác (giải Nobel năm 1998).
Việc nghiên cứu những hiện tượng này vô cùng quan trọng để chế tạo những màng mỏng vật liệu bán dẫn siêu dẫn nhiệt độ cao v.v...
Việc phát hiện các pha siêu dẫn nhiệt độ thấp của 3He đã được đánh giá cao bằng giải Nobel vật lý năm 1996. Cuối thế kỷ XX, người ta đặc biệt chú ý đến quá trình ngưng tụ Bose - Einstein (giải Nobel năm 2001).
Quá trình này được thực hiện trong H2 và trong các hơi Rb, Na, Li nhờ sự phát triển những phương pháp làm lạnh các chất khí đến nhiệt độ siêu thấp và sau đó giữ chúng trong những thiết bị bẫy (giải Nobel năm 1997). Trong thể ngưng tụ Bose-Einstein, các nguyên tử nằm trong trạng thái kết hợp; điều này cho phép lập nên một kiểu ''laze nguyên tử''. Việc sử dụng những laze này cho phép nâng cao độ chính xác trong việc đo đạc các hằng số vật lý trong việc nghiên cứu vật lý các hạt cơ bản v.v...
Các laze, graze và raze siêu công suất. Cuối thế kỷ XX, cường độ (mật độ công suất) của bức xạ laze đã đạt đến trị số 1020- 1021W.cm-2. Cường suất của điện trường trong bức xạ đó gần bằng 1012V.cm-1 (tức 100 lần lớn hơn trong của proton ở mức cơ bản trong nguyên tử hyđro), còn từ trường gần bằng 109 - 1010 ơstet. Sử dụng những xung cực ngắn cỡ femto giây (10-15s) người ta có thể thu được những xung Rontgen cỡ atto giây (10-18s). Các thiết bị graze (graser) vỏ raze (raser), tương tự của laze trong phổ gamma và Rontgen, sẽ được chế tạo trong những năm sắp đến.
Các nguyên tố siêu nặng. Vào đầu năm 1999, xuất hiện thông báo: tại thành phố Dubna ở ngoại ô Moskva người ta đã tổng hợp được nguyên tố thứ 114 với khối lượng số 289 và thời gian sống khoảng 30 giây (xem mục phụ ''Cuộc săn lùng các nguyên tố siêu urani và những người lĩnh giải'').
Những hạt nhân giả tưởng với mật độ cao cấu thành bởi nucleon và antinucleon, những hạt nhân với hình dạng phi hình cầu và với những tính chất đặc biệt khác là những hạt nhân sẽ gây nhiều điều lý thú.
Một vấn đề không kém phần hấp dẫn là vấn đề nghiên cứu chất quark, plasma quark-gluon, người ta hy vọng thu được plasma này vào đầu thế kỷ XXI.
Máy gia tốc vành và chạm (collinder) ở Brookhaven (Mỹ). Khi các ion nặng được gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng va chạm nhau thì chúng sẽ cho ta plasma quark - gluon - đó là vật chất cơ bản.
Các hạt cơ bản. Một trong những bài toán thời sự nhất trong vật lý các hạt cơ bản là việc phát hiện hạt gọi là boson Higgs (xem phần ''Cái gì ở phía trước: đình đốn hay cách mạng?''). Một mục tiêu quan trọng khác là phát hiện các hạt siêu đối xứng. Tương tác của những hạt này bảo toàn tính bất biến không gian không những trong phép thay đồng thời hạt bằng phản hạt (phép liên hợp CP) mà cả trong phép thay thời gian t thành - t. Bài toán cơ bản này rất quan trọng để giải thích tính không thuận nghịch của các quá trình vật lý. Bản chất các quá trình không bảo toàn CP hiện nay chưa rõ ràng và người ta đang tiếp tục nghiên cứu.
Độ dài cơ bản. Các tính toán lý thuyết chứng tỏ rằng mãi đến khoảng cách lf cỡ 10-17cm (thường thì người ta hay nhắc đến con số 10-16cm hơn) và thời gian cỡ 10-27s thì các khái niệm về không - thời gian vẫn còn đúng. Song điều gì có thể xảy ra ở những kích cỡ nhỏ hơn? Để xét vấn đề này người ta đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của những đại lượng cơ bản - độ dài và thời gian cơ bản. Ở đấy xuất hiện một “vật lý mới” và những khái niệm không thông thường về không thời gian (không thời gian với cấu trúc hạt v.v...).
Trong vật lý học, chúng ta đã biết đến một đại lượng cơ bản - gọi là độ dài Planck, hay độ dài hấp dẫn lg = 10-33cm. Từ kích cỡ đó chúng ta không thể áp dụng nói riêng lý thuyết tương đối tổng quát mà cần thiết phải sử dụng lý thuyết hấp dẫn lượng tử là một lý thuyết mà đường nét hiện nay chưa rõ ràng. Song có thể chăng khẳng định rằng các khái niệm cổ điển về không thời gian đã phải thay đổi ngay từ độ dài lf vốn 16 bậc lớn hơn lg?
Ngay trong lý thuyết Đại thống nhất (tức lý thuyết thống nhất các tương tác điện yếu và tương tác mạnh) người ta đã gặp phải tương đối rộng rãi các năng lượng 
Độ dài 
ba bậc lớn hơn lg. Có thể chăng giữa l0 và lg còn tiềm ẩn một độ dài cơ bản khác?
Thiên hà xoán M81
Khối lượng của một thiên hà bất kỳ đều lớn hơn nhiều tổng khối lượng của tất cả các ngôi sao của nó.
Siêu dây và lý thuyết M. Vật lý lý thuyết đối diện với nhiều vấn đề phức tạp: làm sao xây dựng được lý thuyết hấp dẫn lượng tử và thống nhất lý thuyết này với lý thuyết các tương tác khác? Vì sao có lẽ chỉ tồn tại 6 loại quark và 6 loại lepton, vì sao khối lượng nơtrinô rất nhỏ? Làm sao để suy ra từ lý thuyết hằng số cấu trúc tinh vi 1/137 và một số hằng số khác?
Lý thuyết siêu dây (xem mục phụ ''Siêu đối xứng và siêu dây'') tuy rằng hiện nay chưa cho những kết quả vật lý đáng kể song đã làm cho các nhà vật lý tin tưởng để gọi lý thuyết này là ''lý thuyết của mọi cái'', là lý thuyết M (chữ cái M là chữ cái đầu của các chữ magic = thần kỳ hoặc mystic = huyền bí...). Người ta có cảm tưởng rằng đây là một lý thuyết sâu sắc đang phát triển mạnh, song trước mắt lý thuyết này vẫn còn vô số bài toán cơ bản chưa giải quyết được.
Kiểm nghiệm lý thuyết tương đối rộng. Các quan trắc thực hiện trong trường hấp dẫn yếu với sai số trong khoảng 0,01% với sai số đã không tìm ra một sự khác biệt nào so với lý thuyết tương đối rộng nguyên lý tương đương cũng được kiểm nghiệm với độ chính xác - 10-12.
Những phép kiểm nghiệm tiếp theo có lẽ cũng chẳng đem lại điều gì mới song những dự án kiểm nghiệm lý thuyết tương đối rộng sẽ được tiếp tục thực hiện.
Để ghi đo những sóng hấp dẫn từ Vũ trụ, người ta đã xây dựng những thiết bị khổng lồ - LIGO của Mỹ và một thiết bị tương tự của Châu Âu. Những thiết bị này đặt nền móng cho sự khởi đầu của thiên văn học hấp dẫn sóng.
Các bài toán Vũ trụ học. Mô hình tiến triển của Vũ trụ xây dựng từ năm 1981 đã khẳng định rằng ở các giai đoạn sớm nhất của quá trình Vũ trụ nở đã có một giai đoạn Vũ trụ giãn nở nhanh đặc biệt, nhanh hơn rất nhiều so với các mô hình Friedmann (đó là giai đoạn nở ''lạm phát'' xảy ra trong thời đoạn 10-35giây gần điểm kỳ dị). Thông số quan trọng nhất của mô hình này là mật độ vật chất 
hay nói đúng hơn là tỷ số 
trong đó 
là mật độ vật chất ứng với quá trình Vũ trụ giãn nở mãi mãi.
Một trong các bài toán cơ bản của Vũ trụ học (và có thể đó là bài toán cơ bản nhất) là xác định đại lượng và từ đó xác định được kịch bản tiến hóa của Vũ trụ. Chúng ta biết rằng đóng góp vào đại lượng có phần không những của vật chất bình thường mà còn của những sao và khí không sáng. Bản chất của vật chất ''ẩn'' hay ''tối'' này còn chưa được làm sáng tỏ.
Đã hình thành quan niệm cho rằng vật chất tối này về cơ bản có bản chất phi baryon, tức là được cấu thành không phải từ các nucleon mà có lẽ từ nơtrinô. Song hình như khối lượng của các hạt này không đủ lớn. Rất phổ biến giả thuyết cho rằng vật chất tối gồm các hạt giả định WIMP (từ tiếng Anh Weakly Inferacting Massive Particles = các hạt nặng tương tác yếu) với khối lượng vài lần lớn hơn khối lượng của proton (các nơtrinô nặng không bền, photinô, neutralinô v.v...) và các dây Vũ trụ cùng các “sai lệch topo'' (topological defect) khác.
Vật lý nơtrinô và thiên văn học. Từ những năm 60 của thế kỷ XX người ta đã có ý tưởng về sự chuyển hóa giữa các loại nơtrinô khác nhau - tức là về sự dao động (oscillation) của mãi đến năm 1998 các nhà nghiên cứu mới phát hiện ra sự chuyền hóa của 
thành 
. Một sự chuyển hóa như thế có thể xảy ra, chỉ nếu khi khối lượng của ít nhất một loại nơtrinô khác số không.
Phát hiện lớn này sau nhiều năm nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý của các hạt cơ bản được thực hiện trên máy đêtectơ Nhật ''Super Kamiokande''. Hiện nay người ta đã bắt đầu khai thác những thiết bị hoàn hảo hơn nhằm ghi đo được nơtrinô Mặt Trời với những năng lượng khác nhau. Có lẽ trong một số năm nữa thì bài toán về nơtrinô Mặt Trời sẽ được giải quyết về cơ bản, và câu hỏi về khối lượng nơtrinô cũng sẽ được trả lời.
Sao nơtron, pulsar và các sao siêu mới. Hiện nay các sao nơtron đơn lẻ (bán kính đặc trưng 10 km), chưa kể đến các sao kép, đã được nghiên cứu có kết quả trong vùng tia Rontgen.
Cách đây không lâu người ta đã phát hiện ra các sao nơtron có những từ trường rất mạnh (magnestar = sao từ trường) đạt đến 1015 – 1016 ơstet. Sự phát hiện những sao với từ trường mạnh như thế quả là một thành tựu lớn. Các sao từ trường này không bức xạ sóng vô tuyến, mà người ta quan sát được chúng trong phạm vi các tia gamma mềm.
Các sao nơtron là những đối tượng vật lý rất đặc biệt và rất lý thú. Mật độ của những sao này năm trong khoảng từ 1011g.cm-3 ở bề mặt đến 1015g.cm-3 ở tâm (nhớ rằng mật độ các hạt nhân là khoảng 3.1014 g.cm-3).
Các lỗ đen và đặc biệt là các dây Vũ trụ là những vật thể còn lạ hơn những sao nơtron. Người ta giả thiết rằng dây Vũ trụ là nhũng sợi dây có kích cỡ Vũ trụ, có độ dày khoảng 10-29 – 10-30cm, những dây này có khả năng đóng kín lại thành hình nhẫn: Hiện nay những dây này chưa được phát hiện thậm chí các đối tượng có thể là ứng viên của dây Vũ trụ cũng còn chưa được biết.
Sự thể lại hoàn toàn khác đối với các lỗ đen: những lỗ đen là những đối tượng vật lý và thiên văn hết sức quan trọng, đóng vai trò rất lớn trong cuộc sống của Vũ trụ. Hiện nay sự nghiên cứu các lỗ đen là cả một chương trong lý thuyết tương đối rộng và vật lý thiên văn.
Cũng không loại trừ sự tồn tại những lỗ đen khá nhỏ, phát sinh từ những giai đoạn sớm trong quá trình tiến hóa của Vũ trụ và chúng cũng có thể đang tồn tại hiện nay. Về nguyên tắc có thể phát hiện những lỗ đen nhỏ, song người ta chưa thành công trong vấn đề này.
Tia Vũ trụ năng lượng siêu cao. Sự phát sinh những tia Vũ trụ với năng lượng lớn hơn 1019eV (năng lượng cao nhất quan sát được là 3.1020eV) cũng là một trong những vấn đề đặc biệt quan trọng và lý thú. Người ta cũng chưa rõ, liệu các nhân thiên hà có thể gia tốc đến năng lượng đó hay không. Ngoài ra, những hạt với năng lượng siêu cao tương tác với bức xạ tàn dư (nhiệt độ của bức xạ này là 2,7K) và không có khả năng đi đến Trái Đất từ những khoảng cách rất lớn. Các hạt có thể bị gia tốc bởi những dây Vũ trụ song sự tồn tại những dây này chưa được chứng nghiệm. Có lẽ những hạt sơ cấp thể loại chưa biết đã đến từ rất xa, và lúc đến gần Thiên Hà của chúng ta, thậm chí trong khí quyển quanh Trái Đất đã biến thành proton, photon, v.v... Và cuối cùng không loại trừ trương hợp trong Thiên Hà có những hạt siêu nặng với khối lượng lớn hơn 1021eV, có đời sống lâu hơn cả Vũ trụ (1010năm), song không bền. Sản phẩm phân rã của chúng có thể quan sát được trong khí quyển. Nói chung, bài toán về tia Vũ trụ với năng lượng rất cao vẫn còn là một câu đố và do đó đây là một bàn toán lý thú.
Các vụ bùng sáng gamma. Ngày 23/1/1999 là người ta ghi nhận được một vụ bùng sáng gamma có công suất đến 300 MeV kéo dài chừng 100 giây. Và trong mọi dải điện từ, năng lượng phát ra tức thời thực tế đạt đến 3.1054 ec, trị số này vượt xa bức xạ quang học trong các vụ nổ sao siêu mới. Do đó một số nguồn các bùng sáng gamma này được gọi là các nguồn cực siêu mới (hypernova). Các ứng cử viên cho các nguồn sáng cực siêu mới này có thể là: ví dụ sự kết dính của hai sao notron, hoặc của một sao nặng với sao nơtron,… Tuy nhiên những nguồn này cũng chỉ có khả năng phát ra năng lượng lớn như vậy trong một thời đoạn ngắn. Các bùng sáng gamma là kết quả của những hiện tượng nổ cực lớn trong Vũ trụ, lẽ dĩ nhiên không kể đến Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Sự phát hiện ra bản chất Vũ trụ của những bùng sáng gamma quả là một thành tựu đặc sắc của vật lý thiên văn cuối thế kỷ XX.
Sinh vật học. Vấn đề thuyết quy giản (reductionism). Hiện nay sinh học phân tử là một khoa học hàng đầu. Những nghiên cứu sinh học và y học không thể thực hiện được nếu không sử dụng rộng rãi các phương pháp và thiết bị vật lý. Và do đó những đề tài sinh học và cận sinh học đã và sẽ chiếm nhiều vị trí trong vật lý.
Mọi vật chất đều cấu tạo từ electron, nguyên tử và phân tử: người ta hiện nay đã biết được cấu trúc và các định luật điều khiển chúng. Vì có thể hiểu được giả thuyết cho rằng khả năng giải thích cấu tạo rnọi vật sống trên cơ sở giả quy giản tức là quy các quá trình và hiện tượng sinh học về các quy luật vật lý đã biết. Có lẽ vấn đề vật lý đồng thời cũng là bài toán sinh học rất lớn này là một trong những vấn đề trung tâm của khoa học thế kỷ XXI. Các câu hỏi về nguồn gốc sự sống và sự phát sinh tư duy vẫn luôn là nhũng vấn đề quan trọng nhất.
Các nhà khoa học đã hiểu và đã mô hình hóa sự hình thành các phân tử hữu cơ phức tạp trong những điều kiện y như nó đã tồn tại trên Trái Đất nhiều tỷ năm về trước. Hình như là bây giờ người ta có thể hình dung được sự chuyển hóa thành các sinh thể đơn giản nhất và sự tái sinh sản của chúng. Song cũng trong giai đoạn này đã xuất hiện một bước nhảy một thay đổi về chất mà người ta còn chưa hiểu rõ được. Có lẽ vấn đề này chỉ được giải quyết sau khi tạo ra được ''sự sống trong ống nghiệm''.
Phân tử AND trên màn hình của kính hiền vi đầu dò quét.
Phải chăng người ta có quyền quy giản sinh học về vật lý hiện đại? ở đây mấu chốt là ở chữ “hiện đại”. Nếu chú ý đến từ ''hiện đại'' chúng ta có thể nói rằng điều nghi ngờ đó là có cơ sở. Thật vậy, không loại trừ trường hợp trong vật lý hiện đại chúng ta còn chưa biết được một điều gì rất cần thiết ngay ở mức cơ bản. Dù đúng hay không thì điều này sẽ được chứng tỏ trong tương lai mà ta có thể nghĩ đến với một niềm ganh tị đối với thế hệ sau - sẽ có biết bao nhiêu điều mới lạ quan trọng và lý thú sẽ được tìm ra trong những thập kỷ sắp đến.
