Những bài toán vật lý quan trọng và lý thú của thế kỷ XXI

Vật lý môi trường kết tụ

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 = e/3.

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.

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 10 ²⁰– 10 ²¹W.c/m (tức là gấp 100 lần từ trường của proton ở mức cơ bản trong nguyên tử hydro), còn từ trường gần bằng 10 ⁹– 10 ¹⁰Ostet. Sử dụng những xung cực ngắn cỡ femto giây (10 ^-15s) người ta có thể thu được những xung Roentgen cỡ atto giây (10 ^-18s). Các thiết bị graze và raze tương tự của laze trong phổ gamma và Roentgen, sẽ được chế tạo trong những năm sắp tới.

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 nguyên tử khối 289 thời gian sống khoảng 30s 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 này sẽ gây nhiều điều lý thú.

Một vấn đề không kém phần hấp dẫn là vấn đề nghiên cứu chất quark, plasma quar-gluon, người ta hi vọng thu được plasma này vào đầu thế kỷ XXI.

Các hạt cơ bản

Một trong những bài toán thời sự trong vật lý các hạt cơ bản là việc phát hiện hạt gọi là boson Higgs. Một mục tiêu quan trọng khác là phát hiện 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.

Việc tìm kiếm ra sự thật cao quý hơn là sở hữu nó

Độ dài cơ bản

Các tính toán lý thuyết chứng tỏ rằng mãi đến khoảng cách l _fcỡ 10 ^-7cm 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? Người ta đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của những đại lượng cơ bản: độ dài và thời gian cơ bản. Chúng ta đã biết một đại lượng cơ bản gọi là độ dài Plank hay còn gọi là độ dài hấp dẫn l _g= 10 ^-33cm. Từ kích cỡ đó chúng ta không thể áp dụng lý thuyết tương đối tổng quát mà cần thiết phải sử dụng lý thuyết hấp dẫn lượng tử là một lý thuyết mà đường net hiện nay còn 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 l _fvốn lớn hơn 16 bậc so với l _g?

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 các lý thuyết các tương tác khác? Vì sao có lẽ chỉ tồn tại 6 loại quark và 6 loại lepton, vì sao khối lượng notrino rất nhỏ? Làm sao để suy ra từ lý thuyết hằng số cấu trúc tế vi 1/137 và một số hằng số khác?

Lý thuyết dây tuy rằng hiện nay chưa có 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 đầu của các chữ magic = thần kỳ, 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% 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 mẻ, song những dự án kiểm nghiệm lý thuyết tương đối sẽ được tiếp tục thực hiện.

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 giãn nở có một giai đoạn đặc biệt, nhanh hơn rất nhiều so với mô hình Friedmann (đó là giai đoạn nở “lạm phát” xảy ra trong thời đoạn 10 ^-35s gần điểm kỳ dị). Thông số quan trọng nhất của mô hình này là mật độ vật chất r hay nói đúng hơn là tỷ số W = r / r_ntrong đó r_nlà 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 là xác định đại lượng W và từ đó xác định được kịch bản tiến hóa của vũ trụ. Chúng ta biết rằng đóng góp vào đại lượng r có phần không những của vật chất bình thường mà còn của những sao và khí không ánh sáng. Bản chất của vật chất “ẩn” hay “tối” này còn chưa được làm sáng tỏ.