Đối thoại Đàm Thanh Sơn và Ngô Bảo Châu về Vật lý

Vật lý khác Toán học ít thôi

NBC: Ở trường trung học, anh Sơn học chuyên toán, nhưng khi sang Nga học đại học, anh chuyển sang học Vật lý. Từ lúc còn học trung học, anh đã có định hướng Vật lý chưa? Theo anh, tư duy toán và lý có khác nhau nhiều không?

ĐTS: Thời học phổ thông có một số cuốn sách có ảnh hưởng lớn đến tôi và đến việc chọn đi học vật lý khi lên đại học.  Một cuốn sách là “Vật lý vui”, dịch từ tiếng Nga, tác giả là Yakov Perelman. Cuốn thứ hai là “Câu chuyện về  hằng số vật lý cơ bản” của tác giả Đặng Mộng Lân. Ngoài ra, hồi đó tôi còn đặt tạp chí Kvant tiếng Nga, trong đó có rất nhiều bài báo lôi cuốn về vật lý, viết bởi các nhà khoa học nổi tiếng cho học sinh phổ thông.

Bố tôi cũng thích vật lý, và thỉnh thoảng cũng nói chuyện với tôi về vật lý. Vật lý sử dụng rất nhiều công cụ toán. Tôi không nghiên cứu toán học thật sâu nên không biết chắc chắn có sự khác nhau giữa tư duy toán và tư duy vật lý hay không. Tôi ngờ là có khác nhau, nhưng ít thôi, không nhiều như người ta tưởng. Sự khác nhau lớn nhất có lẽ ở kỳ vọng về kết quả cuối cùng.

Chân lý toán học phải được chứng minh chặt chẽ, chân lý vật lý là phải giải thích được thế giới bên ngoài. Nhiều lúc nó dẫn đến những mối quan tâm khác nhau giữa hai cộng đồng.

Thí dụ, một trong những bài toán thiên niên kỷ của viện Clay là bài toán chứng minh sự tồn tại của lý thuyết Yang-Mills (và một tính chất gọi là mass gap của lý thuyết đó). Nhưng các nhà vật lý từ mấy chục năm nay sử dụng lý thuyết Yang-Mills để mô tả thế giới các hạt cơ bản một cách rất thành công. Họ mặc nhiên công nhận là lý thuyết Yang-Mills tồn tại.  Điều đó không có nghĩa là không có nhà vật lý nào quan tâm đến việc chứng minh sự tồn tại của lý thuyết này, nhưng đối với đa số thì vấn đề này không nằm trong danh sách ưu tiên.

GS Ngô Bảo Châu

ĐTS: Trực quan vật lý là gì thì rất khó mô tả, nhưng có hai đặc điểm như sau của những người có trực quan vật lý tốt:

- Khả năng ước lượng cỡ độ lớn của các đại lượng.

- Khả năng đơn giản hoá các bài toán bằng cách dùng các phép gần đúng.

Việc trực quan khác nhau giữa những người khác nhau là chuyện rất bình thường. Đó là lý do mà vấn đề cộng tác với các đồng nghiệp là rất quan trọng đối với các nhà vật lý. Trực quan là cái quan trọng nhất đối với người làm vật lý.  Đôi khi trực quan có thể đánh lừa ta.

Điều này rất dễ xảy ra khi ta nghiên cứu thế giới lượng tử, hay thế giới tương đối tính, vì trong cuộc sống hàng ngày ta chỉ tiếp xúc với những vật cổ điển, chuyển động chậm.  Để phát triển trực giác lượng tử, trực giác tương đối tính ta phải làm việc trong thế giới đó một thời gian.

Trực quan thường không đối nghịch với tư duy toán học, mà bổ sung cho tư duy toán học.  Khi trực quan và toán học mâu thuẫn với nhau thì chắc chắn có vấn đề với một trong hai cách tư duy. Những lúc đó có thể có những vấn đề hay và mới nảy sinh ra.

NBC: Đối tượng nghiên cứu của vật lý lý thuyết hình như là những gì mình không nhìn thấy bằng mắt, không nghe thấy bằng tai. Liệu nhà vật lý, hay cụ thể là cá nhân anh Sơn, có cần quan sát thế giới xung quanh nữa không?

ĐTS:  Đúng là vật lý lý thuyết hiện nay là một môn học khá trừu tượng. Nhưng về bản chất, vật lý là một  khoa học thực nghiệm. Tôi không tin rằng vật lý lý thuyết có thể phát triển không có thực nghiệm. Tất cả sự giàu có của vật lý đều từ thế giới bên ngoài mang lại. Nếu tự nhiên vật lý lý thuyết bị tách rời khỏi thế giới xung quanh thì tôi chắc rất nhiều người sẽ bỏ ngành đó đi làm việc khác.

Cá nhân tôi không làm thực nghiệm, nên việc quan sát thế giới bên ngoài phải làm qua các nhà vật lý thực nghiệm.

Nếu có một chất lỏng làm từ các hạt quark…

NBC: Trong những công trình khoa học của mình, anh Sơn thấy cái gì là tâm đắc hơn cả?  Liệu anh có thể giải thích để những người dốt Vật lý như tôi hiểu được không?

ĐTS:  Hiện nay tôi đang tâm đắc về một bài báo tôi viết hơn một năm trước đây với một sinh viên người Ba Lan (Piotr Surówka) về vấn đề phân chia phải trái trong thủy động lực học tương đối tính. Tôi tâm đắc một phần là vì vấn đề này có thể giải thích bằng một ngôn ngữ tương đối dễ hiểu. Đại khái là, nếu ta có một chất lỏng làm từ các hạt quark, và cho nó quay xung quanh một trục, thì các quark xoáy trái và các quark xoáy phải sẽ hơi bị lạng sang hai chiều khác nhau trên trục quay.

Để dễ hình dung hơn, ta có thể lấy một thí dụ khá gần gũi với cuộc sống. Ta nhớ lại, Louis Pasteur phát hiện ra là phân tử của nhiều chất không có đối xứng gương. Phân tử đường ta uống là như vậy.  Đường nguồn gốc sinh học theo quy định gọi là đường tay phải. Nếu tổng hợp, ta sẽ có đường cả hai loại, tay trái và tay phải. Các hạt quark, nếu chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, cũng có thể phân thành hai loại như vậy.

Giả sử ta hòa tan một thìa đường tay trái và một thìa đường tay phải vào một cốc nước. Bây giờ ta quay cái cốc nước với một vận tốc góc nhất định. Nếu các phân tử đường cũng xử sự giống như các hạt quark, thì các phân tử đường tay trái sẽ hơi nổi lên trên, các phân tử đường tay phải sẽ hơi chìm xuống dưới, hoặc ngược lại.

Trên thực tế, hiện tượng này không xảy ra với các phân tử đường, nhưng nó lại xảy ra với các hạt quark.  Sự khác biệt giữa hai trường hợp liên quan đến những vấn đề trừu tượng như dị thường lượng tử (quantum anomaly), lý thuyết Chern-Simons, và tôpô. Tôi cũng hy vọng hiện tượng này có thể quan sát được trong thực nghiệm.

NBC: Tô-pô là bộ phận toán học chỉ quan tâm đến dạng của hình thể mà không quan tâm đến kích thước. Đối với tô pô, phần của mặt phẳng giới hạn bởi một đường cong không tự cắt bất kỳ, không khác gì hình tròn. Tôi rất tò mò làm sao các thuộc tính tô pô lại có thể có ích trong việc tìm hiểu thế giới vật lý mà như anh Sơn nói, cái trực quan cơ bản là ước lượng độ lớn của các đại lượng?

ĐTS:  Đúng là các đại lượng vật lý bao giờ cũng được đo bằng số. Thế nhưng, có những đại lượng chỉ nhận được những giá trị gián đoạn; trong nhiều trường hợp lý do liên quan đến tô-pô.  Ví dụ, nhiều hợp kim ở trạng thái siêu dẫn (tức là ở nhiệt độ rất thấp) có một tính chất rất lạ.  Khi ta cho nó vào từ trường đủ mạnh thì từ trường thâm nhập vào chất siêu dẫn, nhưng số đường sức từ trường thâm nhập vào không phải là tùy ý, mà phải là một số nguyên lần một đại lượng gọi là lượng tử của từ thông.

Tại sao lại như vậy?  Giải thích ra thì dài dòng, nhưng cuối cùng đó là do pi_1(S^1)=Z. Có nhiều ví dụ khác tương tự như vậy.  Trong một mô hình (gọi là mô hình Skyrme) sự bền vững của hạt proton là do pi_3(S^3)=Z. Rất lạ là việc vật chất xung quanh ta không phân rã đi thành các dạng năng lượng khác liên quan đến pi_3(S^3)=Z !

GS Châu hỏi khó về âm nhạc

NBC: Được biết anh Sơn có quan tâm đến âm nhạc, xin hỏi anh một câu về đề tài này. Vật lý có giải thích được tại sao có những hòa âm ta thấy rất chói tai, mà có những hòa âm lại thật dịu dàng, có hòa âm nghe lần đầu thì êm tai, nghe vài lần thì khó chịu như ăn quá  nhiều thịt mỡ, còn có những hòa âm thì mỗi lần nghe lại, lòng ta vẫn không khỏi bồi hồi?

ĐTS:  Câu hỏi của bạn đi xa khỏi ranh giới của vật lý rất nhiều, và chắc là đi ra ngoài cả ranh giới của khoa học tự nhiên nữa.  Pythagoras thường được coi là người đầu tiên khám phá ra mối liên hệ giữa âm nhạc và toán học: các hòa âm nghe êm tai có tỷ lệ giữa các tần số của các nốt gần với các phân số đơn giản.

Nhưng tại sao có những hợp âm gây buồn, gây vui, tôi không giải thích được.

NBC:  Theo anh Sơn thì phải làm gì để những nhà Vật lý trẻ ở Việt Nam có thể bám sát vào dòng chảy chính của Vật lý thế giới?

ĐTS: Vấn đề này không đơn giản, tôi phải suy nghĩ thêm.  Trên thế giới nhiều nước (như Hàn Quốc, Brazil) đã giải quyết vấn đề này khá thành công.  Trước mắt ta có thể học hỏi kinh nghiệm của họ.

NBC:  Anh đã từng học và làm Vật lý ở Moscow, Boston, New York, Seattle và có thể nhiều nơi khác nữa. Anh Sơn có thấy cái cách người ta học và làm Vật lý ở những địa điểm khác nhau, có gì khác nhau không?

ĐTS: Cũng khó nói. Ở mỗi chỗ khác nhau tôi làm những vấn đề khác nhau, có những kỷ niệm khác nhau.  Những cá nhân tôi làm việc chung cũng có những tính cách rất đa dạng. Nhưng nếu nhìn tổng thể thì sự nghiên cứu vật lý ở các nơi tôi đã ở không khác nhau nhiều lắm.

Còn về cách học thì có lẽ cách học ở Nga có hơi khác ở Mỹ.  Lúc tôi học ở Nga thì tôi được tương đối tự do, không bị kiểm tra nhiều và nhiều môn lên lớp cũng không bắt buộc, miễn là qua được kì thi cuối học kỳ là được.  Tôi có rất nhiều thời gian để đọc sách.

Ở Nga có một sự tách biệt giữa giảng dạy và nghiên cứu.  Giảng dạy tập trung ở trường đại học, và nghiên cứu tập trung ở các viện.  Điểm này là một điểm yếu của hệ thống Nga.

NBC: Theo anh Sơn để trở thành một nhà Vật lý thực thụ có những phẩm chất gì? Những phẩm chất đó phải được rèn luyện trong những hoàn cảnh như thế nào?

ĐTS: Có lẽ trong ngành khoa học nào cũng vậy, muốn thành công ít nhất phải có hai kỹ năng: tìm ra vấn đề hay, và giải quyết được vấn đề.

Liệt kê được hết những điều kiện để rèn luyện ra những kỹ năng đó thì chắc là dài, sợ viết hết ra thì thành cliché.