Những ứng viên sáng giá cho giải Nobel Vật lý 2020

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển tại Stockholm dự kiến công bố giải Nobel Vật lý 2020 vào hôm nay 6.10. Inside Science, trang tin khoa học của Viện Vật lý Mỹ (AIP) đã đưa ra một số ứng cử viên tiềm năng cho giải Nobel Vật lý 2020.

Hình ảnh đầu tiên về lỗ đen

Vào tháng 4.2019, một nhóm nhà khoa học quốc tế thuộc chương trình Kính viễn vọng Chân trời sự kiện (EHT) đã công bố bức ảnh chụp vầng sáng tạo thành từ bụi và khí bao quanh siêu hố đen ở trung tâm của thiên hà Messier 87 (M87) cách Trái đất 55 triệu năm ánh sáng.

Hố đen của M87 có đường kính 40 tỉ km, lớn gấp ba triệu lần Trái đất. Các nhà khoa học ở EHT gọi nó là hố đen “quái vật”. Hình ảnh đầu tiên của hố đen đã đánh dấu một cột mốc quan trọng trong khả năng nghiên cứu vật lý về một trong những vật thể bí ẩn nhất vũ trụ. Tuy nhiên, dự án này đã quá mốc thời gian cuối tháng 1 để được đề cử cho giải Nobel 2019.

Phát hiện đầu tiên về sóng hấp dẫn cũng từng rơi vào trường hợp tương tự. Tháng 9.2015, nhóm cộng tác khoa học Advanced LIGO đã thu được trực tiếp tín hiệu sóng hấp dẫn từ kết quả hai lỗ đen sáp nhập. Phát hiện này được thông báo vào tháng 2.2016 bởi Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ (NSF).

Ba nhà khoa học đứng sau dự án là Kip Thorne, Rainer Weiss và Barry Barish đã nhanh chóng được trao giải Nobel vào năm 2017 cho những đóng góp quyết định đối với LIGO và quan sát sóng hấp dẫn. Nhưng sự công nhận này đã đến quá muộn để vinh danh Ronald Drever, người đã qua đời vào tháng 3.2017. Drever đã có công phát triển các kỹ thuật thí nghiệm giúp phát hiện ra sóng hấp dẫn.

Ủy ban Nobel có thể gặp khó khăn trong việc lựa chọn ba trong số bốn nhà khoa học xứng đáng nhận giải nếu Drever còn sống. Sự cứng nhắc của Ủy ban Nobel đối với truyền thống giới hạn giải thưởng cho tối đa ba cá nhân, đã dẫn đến những lời chỉ trích vì củng cố ý tưởng lỗi thời về “những thiên tài đơn độc” trong khoa học.

Nếu giải Nobel Vật lý 2020 được trao cho bức ảnh lỗ đen, vẫn chưa rõ Ủy ban Nobel sẽ chọn ai.

Lý thuyết phiếm hàm mật độ

Nằm trong số các lý thuyết phổ biến nhất của khoa học vật liệu, vật lý tính toán và hóa học, lý thuyết hàm mật độ (DFT) đã đóng vai trò quan trọng đối với việc phát hiện ra nhiều vật liệu chức năng được sử dụng trong các thiết bị hiện đại.

DFT có liên quan mật thiết đến phương trình Schrödinger, được sử dụng để mô tả và dự đoán hoạt động của một hệ lượng tử. Tuy nhiên, phương trình trở nên cực kỳ khó tính đối với hệ nhiều vật thể, chẳng hạn như một khối kim loại chứa hàng nghìn tỉ electron. DFT cung cấp một cách để suy nghĩ lại vấn đề và đưa ra các giá trị gần đúng cho các hệ thống này, giúp tính toán cấu trúc điện tử và hạt nhân của vật liệu.

Nhà khoa học người Mỹ gốc Áo Walter Kohn, một trong những người tiên phong về lý thuyết phiếm hàm mật độ, đã được trao giải Nobel Hóa học năm 1998. Được trao giải cùng với ông là John Pople, người tiên phong trong các phương pháp tính toán hóa học lượng tử, giúp giới khoa học đưa các lý thuyết như DFT vào sử dụng.

Với sự phát triển bùng nổ trong khoa học vật liệu, đặc biệt là liên quan đến công nghệ thông tin và sản xuất năng lượng sạch, Ủy ban Nobel có thể sẽ vinh danh những người khác cũng đã đóng góp vào sự phát triển của DFT nhưng vẫn chưa được công nhận.

Khả năng bao gồm John Perdew, một trong những nhà khoa học được trích dẫn nhiều nhất về DFT hoặc Lu Jeu Sham từ Đại học California tại San Diego, người đã làm việc với Kohn về phương trình Kohn - Sham, một dạng chuyên biệt của DFT được sử dụng rộng rãi trong khoa học vật liệu và hóa học lượng tử.

Ưu thế lượng tử

Các nhà khoa học nghiên cứu về truyền thông lượng tử có thể nhận được sự công nhận từ Ủy ban Nobel. Inside Science đã đề cập đến bộ ba Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger, những nhà khoa học đã đạt giải thưởng Wolf năm 2010 “vì những đóng góp cơ bản về khái niệm và thực nghiệm đối với nền tảng của vật lý lượng tử”.

Trong lĩnh vực nghiên cứu thông tin lượng tử, máy tính lượng tử đã có một năm thành công rực rỡ. Google và IBM đã có một cuộc tranh cãi công khai khi các nhà khoa học từ IBM cố gắng hạ thấp tuyên bố táo bạo của Google về việc đạt được “ưu thế lượng tử” (quantum supremacy) - một tuyên bố đã gây được tiếng vang trên các tờ báo khoa học.

Trong một bài viết trên tạp chí Nature, Google tuyên bố rằng máy tính lượng tử mới nhất Sycamore có thể hoàn thành một phép tính khó trong 200 giây. Theo Google, nếu dùng Summit - siêu máy tính mạnh nhất thế giới hiện tại của IBM, sẽ mất khoảng 10.000 năm mới giải được bài toán này.

Tuy nhiên, tuyên bố của Google về việc đạt được cột mốc quan trọng này lại bị một trong những đối thủ sừng sỏ nhất của họ nghi ngờ. Người đứng đầu bộ phận nghiên cứu của IBM, Dario Gil cho rằng máy tính của Google chỉ là một phần cứng chuyên biệt, dành riêng cho việc xử lý một tác vụ duy nhất và kém xa loại máy tính đa dụng, giống như hướng nghiên cứu của IBM.

Bất kể cuộc chiến này có kết quả ra sao nhưng nó là một cột mốc quan trọng đối với điện toán lượng tử - một bộ xử lý lượng tử chỉ có 53-qubit có thể vượt trội hơn một siêu máy tính có khả năng thực hiện 200 nghìn trillion phép tính mỗi giây (1 trillion = 1.000 tỉ).

Năm 2012, giải Nobel Vật lý được trao cho hai nhà khoa học Serge Haroche và David Wineland vì nghiên cứu của họ “giúp giới khoa học thực hiện những thí nghiệm mới trong vật lý lượng tử bằng việc tìm ra cách quan sát các hạt lượng tử đơn lẻ mà vẫn giữ được các đặc tính của chúng”. Những phương pháp mang tính đột phá này dẫn tới sự ra đời của những đồng hồ cực kỳ chính xác và giúp giới khoa học tạo ra những thành tựu đầu tiên trong nỗ lực chế tạo máy tính siêu tốc.

Tuy nhiên, với các ứng dụng thực tế của công nghệ thông tin lượng tử ngày càng rõ rệt, Ủy ban Nobel có thể chọn lĩnh vực này một lần nữa. Câu hỏi còn lại là họ sẽ chọn ai?