Trăm năm cái ’h’ vẫn hằng

Thực thế, lý thuyết trên đưa đến một hệ quả phi lý là tổng năng lượng phóng xạ bởi vật đen phải vô hạn , nghĩa là cụ thể ngồi trước một bếp sưởi hồng, bất kỳ nhiệt độ cao thấp ra sao ta sẽ bị thiêu cháy tan biến hết! Rõ ràng có một cái gì khiếm khuyết trong lý thuyết. Vậy mà Lord Kelvin, người của nhiệt độ tuyệt đối, giáo hoàng của vật lý thời đó (ảnh 1) có câu tuyên bố năm 1892 nổi tiếng vì lạc quan: “Vật lý đã hoàn chỉnh cả rồi về mặt căn bản, cái mà ta còn có thể đóng góp chỉ là xác định thêm vài thập phân sau dấu phẩy cho các đo lường, tính toán mà thôi. Tuy nhiên hãy còn hai vấn đề nho nhỏ...”. Hai tiểu tiết ông nêu lên là: thứ nhất, Michelson và Morley chẳng tìm thấy chất liệu ether tràn ngập vũ trụ trong đó dao động sóng điện từ (cũng như sóng nước di chuyển được là vì có nước, sóng âm thanh truyền đi là vì có không khí, vậy chắc phải có một chất liệu gì tạm gọi là ether bao phủ toàn vũ trụ để chuyên chở ánh sáng đến với ta từ các thiên thể xa xăm, chứ không làm sao chúng truyền đi được?), thứ hai, các đo lường ngày càng chính xác về cường độ bức xạ nhiệt của vật đen không phù hợp với nền tảng căn bản của vật lý kèm thêm cái hệ quả phi lý nói trên. Hai vấn đề ‘nhỏ’ đó ngờ đâu chính là hai vấn đề cốt lõi làm ngọn hải đăng chỉ đường cho khoa học vượt trùng dương đi tìm biên giới của tri thức. Giải quyết được hai tiểu tiết đó theo thứ tự là Albert Einstein qua thuyết tương đối hẹp ² , và Max Planck (ảnh 2) qua thuyết lượng tử ³ , hai trụ cột của vật lý hiện đại. Ai có thể tưởng tượng nổi trăm năm sau ý tưởng của Planck, một phần ba tổng sản lượng kinh tế của cường quốc số một thế giới hiện nay có gốc nguồn từ những ứng dụng trực tiếp của công nghệ lượng tử, tượng trưng bởi hằng số Planck h! Mà nói đến hằng số Planck là phải nói đến spin (sự tự quay của các hạt vi mô, đặc biệt spin ћ/2của electron) và đến hệ quả của spin như tính chất bán dẫncùng siêu dẫnđiện-từ của các vật liệu nhân tạo. Các thiết bị bán dẫn ngày càng nhỏ, càng nhanh và càng rẻ là ba nguyên tắc chỉ đạo của công nghệ mạch điện tử. Một thẻ tín dụng ngân hàng chứa khoảng hai triệu transistor, một xe hơi ngày nay dùng mạch vi điện tử phong phú chẳng kém mấy chiếc phi cơ Airbus đầu tiên. Năm 1973 một triệu transistor bán dẫn giá khoảng 75000 euros, năm 2006 còn chừng 0.5 euros.

(a) Điện tử spin (spintronics)

là một ứng dụng trực tiếp kéo dài công nghiệp vi điện tử mà giải Nobel 2007 trọng thưởng. Đặc biệt là các nghiên cứu về từ trở khổng lồ bởi spintronics đã đưa đến những tiến bộ khó tưởng trong khả năng dự trữ thông tin của máy vi tính ngày nay. Viễn cảnh lâu dài của ngành khoa học điện tử spin là phát minh ra một máy vi tính lượng tử. Máy này sẽ hoạt động với tốc độ cực nhanh, nó không dùng những thông tin nhị phân như hiện thời, các dữ kiện sẽ được chuyển tải bằng hàm số sóng hay các ‘‘vật lượng tử’’ khác ⁴ . Trong tương lai tính chất thuần sóng của electron (không phải điện tích hay spin của nó nữa) cho phép làm ra các thiết bị transistor đơn electron, và thời đại vi điện tử, nano điện tử sẽ chuyển sang thời đại đơn điện tử, đồng thời phát triển công nghệ vật liệu mới. Khả năng mật mã của công nghệ thông-truyền tin khai thác phần mềm trong các máy tính lượng tử là một viễn tượng không xa vời.

(b) Công nghệ cao Quang điện tử (Optoelectronics)

Ứng dụng khác của vật lý lượng tử là công nghệ cao Quang điện tử(Optoelectronics) với laser dưới trăm ngàn dạng (đặc biệt laser nguyên tử của đông đặc Bose-Einstein), công nghệ thông-truyền tin, truyền thanh, truyền hình, CD, DVD, máy chụp ảnh, quay phim của cuộc cách mạng số. Trong y học với các máy chụp hình PET, MRI tìm hiểu sự vận hành thâm sâu của não, giải phẫu laser.

(c) Công nghệ siêu dẫn điện từ ở nhiệt độ thấp

Lò ITER

(d) Khoa học và công nghệ nano⁵ .

Nano mét (nm) hay một phần tỷ mét là kích thước điển hình, ngưỡng cửa của thế giới vi mô, nơi tung hoành của vật lý lượng tử. Hơn nữa chính là nơi tụ hội của liên ngành lý-hoá-sinh với các phương pháp, sở trường của từng ngành góp lại để hình thành một nền công nghệ mới trong đó ta có thể di chuyển, chồng chập, thao tác và điều khiển nguyên tử và phân tử theo ý mình. Thí dụ khả năng thiết kế những sợi dây dẫn điện phân tử và các linh kiện điện tử như transistor ở thang phân tử. Sự xuất hiện của khoa học và công nghệ nano đang cách mạng lề lối suy nghĩ và phương pháp thiết kế toàn thể các loại vật liệu từ dược phẩm trị liệu đến các linh kiện điện tử với những đặc tính đã định sẵn ngay từ thang phân tử. Vấn đề chính của các transistor thu nhỏ là sự phát nhiệt. Càng được thu nhỏ, transistor càng nóng, làm tổn hại và giảm công năng của các dụng cụ điện tử. Nhu cầu thu nhỏ hơn nữa và tránh sự phát nhiệt cần phải nhờ đến giải pháp "từ dưới lên" của công nghệ nano và dùng phân tử ống than nano làm vật liệu để chế tạo transistor phân tử. Ngoài ra, ống than nano có đặc tính dẫn điện đạn đạo (ballistic conductivity) mà không gây sự phát nhiệt.  Đây chỉ là vài thí dụ trong đề tài miên man của công nghệ nano mà cốt lõi xoay quanh các phương thức chế biến những vật liệu nano, khảo sát hóa tính, lý tính, cơ tính, quang tính, điện tính, từ tính và tìm kiếm những ứng dụng cho các loại vật liệu này.

Năm nay 2008, vệ tinh Planck với kính viễn vọng tân kỳ sẽ được phóng lên không trung để quan sát đo lường bức xạ tàn dư của Vũ trụ trong giây phút ban đầu cách đây khoảng 13.7 tỷ năm. Đó chính là bức xạ của một vật đen lý tưởng mà Planck đã tìm ra công thức mang tên ông. Một nghiên cứu cơ bản mà hơn trăm năm sau muôn vàn ứng dụng vẫn càng đậm nét trong sinh hoạt con người.

Chú thích

1Trong đời sống hàng ngày, ta gọi vật đen (black body) là một chất liệu chỉ hấp thụ ánh sáng chiếu lên nó mà không phản xạ. Một thanh sắt đen ở nhiệt độ bình thường nhưng thành đỏ khi nung nóng lên và trở nên trắng khi tăng nhiệt độ lên cao nữa. Trong phòng thí nghiệm, vật đen là một lò kín nung nóng ở nhiệt độ T và đục một lỗ nhỏ trên thành lò, ta nghiên cứu tính chất của ánh sáng phát ra qua lỗ. Sự phân phối cường độ ánh sáng phát ra bởi vật đen chỉ phụ thuộc vào T thôi chứ không vào bất cứ chất liệu nào ở trong lò. Điều này chứng tỏ bức xạ của vật đen chỉ phụ thuộc vào sự dao động của các thànhphần cơ bản chung cho các chất liệu, mang tính chất rất phổ quát của vật lý. Vật đen lý tưởng là toàn vũ trụ mà hai vệ tinh COBE và WMAP đo lường tàn dư của năng lượng phóng xạ sau vụ Nổ bùng(Big Bang) cách đây khoảng 13.7 tỷ năm mà giải Nobel vật lý 2006 trọng thưởng.

2Với phương trình kỳ diệu của thế kỷ E = mc²theo đó khối lượng mcủa bất kỳ một vật chất nào cũng tích tụ một năng lượng E khổng lồ (vì bình phương của vận tốc ánh sáng c² quá lớn). Quả là một thay đổi cách mạng trong sự hiểu biết và nhận thức về vật chất : năng lượng súc tích ngay trong lòng vật chất qua khối lượng của nó. Ðặc biệt ánh sáng thuần tuý (năng lượng) có thể tạo ra vật chất.

3Với hằng số Planck h trong phương trình E = hν, h lấy ở chữ hilfe (tiếng Đức nghĩa là phụ trợ), chi tiết này nói lên cái khiêm tốn của một nhà bác học lớn, dẫu trong thâm tâm Planck biết mình vừa hé mở một chân trời mới khi thổ lộ với con trai Erwin 7 tuổi: hôm nay bố phát minh ra một điều phi thường chẳng kém Newton. Bằng một ‘hành động hầu như tuyệt vọng’ để giải đáp nghịch lý (năng lượng vô hạn của vật đen), Planck đưa ra một giả thuyết theo đó các vật thể khi dao động với tần số ν thì năng lượng E phát ra phải theo từng ‘gói‘ rời rạc như 1hν, 2hν, 3hν ... chứ không liên tục. Kỳ lạ thay năng lượng phun ra từng gói từng chùm chứ không tuôn chảy đều đặn. Einstein là người đầu tiên dùng giả thuyết này để diễn giảng hiện tượng quang điện, mở đầu cho sự khám phá ra lưỡng tính vừa sóng vừa hạt của ánh sáng cũng như của các vật thể vi mô khác (như electron) và sự ra đời của vật lý lượng tử, trụ cột của khoa học hiện đại.

4Xem Từ hiệu ứng ‘Từ trở khổng lồ’ đến bộ nhớ MRAM, Mai Ninh.

5Xem chương Exploring nanostructures trong sách Invitation to Contemporary Physics, Q. Hồ-Kim, N.Kumar và C.S.Lam, 2 ^ndedition, World Scienific (2004). Xem hai bài  (1) Cấu trúc nano: bàn chân thạch sùng , và (2) Khoa học và công nghệ nano : trong một thế giới cực nhỏ, Trương Văn Tân.