Giải Nobel Vật lý 2016 được trao cho ba nhà khoa học Anh đã mở ra những bí ẩn về "vật chất lạ"

Ngày hôm nay tại Stockholm, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã quyết định trao giải Nobel Vật lý năm 2016 cho bộ ba nhà khoa học người Anh: David Thouless, Duncan Haldane và Michael Kosterlitz.

Trong đó, một nửa của giải thưởng 8 triệu Krona (930.000 USD) được trao cho giáo sư David Thouless của Đại học Washington. Một nửa còn lại trao cho giáo sư Haldane đến từ Đại học Princeton và giáo sư Michael Kosterlitz của Đại học Brown.

Mặc dù đều sinh ra tại Anh, cả ba nhà khoa học hiện tại đang làm việc tại Mỹ. Giải Nobel Vật lý năm 2016 vinh danh bộ ba nhà khoa học cho khám phá của họ từ những thập niên 80 của thế kỷ trước. Những khám phá này đã giúp nhân loại mở ra cánh cửa của một thế giới vật chất bí ẩn. Trong đó, mọi thứ có thể tồn tại ở những trạng thái kì lạ, khác hẳn với những gì chúng ta thấy thường ngày.

Bộ ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Vật lý năm 2016. Từ trái sang: David Thouless, Duncan Haldane và Michael Kosterlitz

Cụ thể, bộ ba nhà khoa học đã sử dụng những mô hình toán tiên tiến để nghiên cứu các pha kỳ lạ của vật chất, từ trạng thái siêu dẫn đến siêu lỏng và màng mỏng từ tính.

Chính nghiên cứu tiên phong này đã mở ra một thời kỳ mà nhân loại đổ xô vào săn lùng những vật liệu siêu kỳ lạ. Ước muốn của bất cứ một nhà khoa học nào khi đó là một ngày chúng sẽ được trong các thiết bị điện tử, thiết bị từ và máy tính lượng tử.

Những khám phá đã mở ra một thế giới mới của vật chất kỳ lạ

Trước khi giải Nobel Vật lý được công bố chính thức 15 phút, giáo sư Haldane nhận được một cuộc điện thoại từ Thụy Điển nói rằng: Giải thưởng danh giá nhất trong lĩnh vực vật lý năm nay đã được trao cho ông.

“Giống như mọi người khác, tôi rất ngạc nhiên và mãn nguyện”, giáo sư Haldane nói. Ông kể lại rằng khi làm nghiên cứu này từ những năm cuối thập niên 80, nó còn chưa được giới khoa học định hình. “Công việc này có vẻ rất trừu tượng”, giáo sư Haldane cho biết.

Không có một lễ ăn mừng nào được tổ chức. Giáo sư Haldane sau đó thức dậy, mặc quần áo và lên giảng đường như những gì ông vẫn làm mỗi sáng thứ ba.

Giáo sư Haldane có buổi lên lớp đầu tiên ngay buổi sáng đoạt giải Nobel, ông giảng một bài về trường điện từ

Cả ba nhà khoa học nhận giải Nobel Vật lý năm nay đều sinh ra tại Anh. Nhưng cho đến giờ họ cũng đều làm việc tại Mỹ. Những khám phá của họ đã giúp chúng ta giải thích được các thuộc tính và pha kỳ lạ của vật chất.

Ai cũng có thể đoán biết tính chất của mọi vật xung quanh, khi chúng ở điều kiện bình thường. Nhưng chúng sẽ trở nên thế nào khi nhiệt độ trở nên siêu nóng hoặc siêu lạnh. Thời điểm này, các tính chất lượng tử bắt đầu có hiệu lực. Ví dụ như một dây dẫn điện sẽ trở thành siêu dẫn, dòng điện chạy trong đó không hề bị cản trở khi nhiệt độ được hạ xuống mức cực lạnh.

VẬT CHẤT LẠ VÀ TOÁN HỌC TOPO

Các nhà khoa học nghiên cứu các hiện tượng phát sinh trong lớp phẳng của vật liệu siêu mỏng. Ở mức độ này, chúng được coi gần như là chỉ có 2 chiều. Mọi thứ diễn ra ở đây rất khác so với thế giới lập thể 3-D mà chúng ta đang sinh sống.

Các nguyên tử phân bố trong điều kiện nhiệt độ cực thấp thể hiện những tính chất bất thường cùng nhau, bao gồm trong đó là các pha vật thể mà chúng ta chưa thể hiểu rõ. Trong thế giới hàng ngày, chúng ta chỉ quen thuộc với 3 pha của vật chất: khí, lỏng và rắn.Nhưng bên cạnh 3 trạng thái này, vẫn tồn tại các pha khác của vật liệu, chẳng hạn như siêu dẫn và siêu lỏng.

Những tính chất kỳ lạ được chỉ ra như trong siêu dẫn, các điện tử có thể dịch chuyển trong vật liệu mà không gặp phải bất kì một cản trở nào. So sánh với điều kiện bình thường, điện tử chạy bên trong một dây dẫn đồng ở trạng thái rắn tạo thành dòng điện, nhưng chúng cũng bị cản trở gây ra hiện tượng hao phí và sinh nhiệt.

Bộ ba nhà khoa học đoạt giải Nobel năm nay đã sử dụng một nhánh của toán học, gọi là topo, để nghiên cứu sự chuyển tiếp giữa các pha vật chất này. Từ những năm 1970, giáo sư Kosterlitz và Thouless đã lật đổ được một lý thuyết đứng vững trong thời gian dài nói rằng trạng thái siêu dẫn không thể xảy ra trong màng mỏng.

Vào những năm 1980, Giáo sư Thouless chứng minh rằng độ dẫn điện trong vật liệu siêu mỏng có thể được đo ở những bước số nguyên chính xác. Cũng vào những năm này, giáo sư Haldane đã khám phá ra các ý tưởng từ toán học topo có thể được sử dụng để tìm hiểu chính xác tính chất của một số vật liệu từ đặc biệt.

Ba nhà khoa học được vinh danh tại Viện Hàn lâm khoa học Hoàng gia Thụy Điển

Công bố giải thưởng ở Stockholm, Thụy Điển, giáo sư Thor Hans Hansson, một trong những ủy viên của ủy ban giải thưởng, đã giải thích các khái niệm phức tạp của topo và vật chất lạ một cách rất dí dỏm. Ông sử dụng một chiếc bánh quế dẹt, một chiếc bánh vòng kiểu Mỹ và một chiếc bánh xoắn kiểu Thụy Điển.

“Khái niệm về topo có vẻ không gần gũi đối với bạn”, ông nói. “Tôi có một chiếc bánh quế dẹt, một cái bánh vòng và một cái bánh xoắn kiểu Thụy Điển với 2 lỗ. Bây giờ, đối với chúng ta những chiếc bánh là khác biệt. Một chiếc thì ngọt, chiếc khác có thể mặn. Và hình dạng của chúng cũng khác nhau”.

“Nhưng nếu bạn là một người làm toán học topo, chỉ có một điều cực kỳ thú vị với những chiếc bánh này. Chiếc bánh dẹt thì không có lỗ, bánh vòng có 1 lỗ còn bánh xoắn có tới hai lỗ. Số lượng lỗ là những gì mà người làm toán học topo gọi là một bất biến topo”.

Giáo sư Hansson giải thích toán học topo bằng những chiếc bánh

Topo là một ngành toán học nghiên cứu các đặc tính được bảo toàn sau sự biến dạng kéo giãn, xoắn vòng, miễn là đối tượng không bị xé rách. Một ví dụ đối với toán học topo là một cái cốc chẳng khác gì cái bánh vòng vì chúng đều có 1 lỗ hổng.

Còn về thuật ngữ vật chất lạ, Hansson giải thích rằng chữ “lạ” ở đây có tính tương đối. Nó chỉ ra đó là một hiện tượng hay một cái gì đó rất khác thường và rất khó hiểu. “Cái gì rất kỳ lạ ở thời điểm này, có thể trong 20 đến 30 năm nữa, nó sẽ không còn lạ lẫm nữa. Tôi đoán là năng lượng điện đã rất kỳ lạ khi lần đầu tiên nó xuất hiện, nhưng cho đến giờ, nó không còn quá kỳ lạ nữa”.

Hy vọng được thắp lên từ nghiên cứu của bộ ba nhà khoa học Anh là việc nó sẽ giúp chúng ta tìm ra những vật liệu mới. Những vật liệu thể hiện được cả tính chất điện và những thuộc tính lượng tử, ví dụ như spin điện tử.

Giáo sư Hansson cho biết thêm: “Có lẽ bạn sẽ dùng những thứ này vào việc mã hóa thông tin lượng tử”. Ai biết được, đó có thể là một chiếc máy tính lượng tử trong tương lai, trong đó hiệu ứng topo có vai trò rất quan trọng.

BA NHÀ KHOA HỌC ĐOẠT GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2016

David J. Thouless, là một giáo sư tại Đại học Washington. Ông sinh ra tại Bearsden, Scotland năm 1934. Bắt đầu sự nghiệp của mình trong lĩnh vực toán học, ông sau đó trở thành Giáo sư tại Đại học Birmingham. Cũng ở đây, ông gặp Michael Kosterliz, người đồng nhận giải với ông năm nay.

Họ đã cùng nhau làm việc trên một lý thuyết chuyển pha. Sau này Thouless tới Mỹ và tiếp tục nghiên cứu. Ông chuyển sang lĩnh vực vật lý và trở thành Giáo sư danh dự tại Đại học Washington.

J Michael Kosterlitz sinh năm 1942 tại Aberdeen, Scotland. Ông đã từng làm việc tại cả Đại học Cambridge và Oxford trước khi tới Birmingham, nơi ông gặp Thouless và cả hai đã làm việc cùng nhau trong vấn đề sự chuyển pha của vật chất.

Giáo sư Kosterlitz trong một bài giảng

F. Duncan M. Haldane sinh năm 1953 tại London là người cuối cùng trong bộ ba nhận giải. Ông hiện đang làm việc tại Đại học Princeton. Các nghiên cứu của Haldane tập trung vào hướng khoa học vật liệu.

Giải Nobel vật lý năm nay được trao cho 3 nhà khoa học Anh có vẻ là một bất ngờ không nhỏ. Mọi người đều đã chú ý đến một khám phá khoa học đột phá khác: Sự kiện phát hiện sóng hấp dẫn. Bộ ba nhà khoa học Ronald Drever của Scotland, Kip Thorne và Rainer Weiss của Mỹ đã lần đầu tiên quan sát thấy chúng vào tháng 9 năm ngoái. Sau khi công bố phát hiện này hồi đầu năm, họ đã giành tất cả các giải thưởng vật lý thiên văn lớn trong năm nay.

Năm ngoái, giải Nobel Vật lý được trao cho Takaaki Kajita và Arthur McDonald, hai nhà khoa học người Nhật Bản và Canada, cho phát hiện của họ về khối lượng của neutrino. Đó là một chiếc chìa khóa quan trọng mở ra nhiều hiểu biết về vũ trụ.

Ngày hôm qua, giải Nobel Y học năm 2016 cũng đã được trao cho một nhà khoa học người Nhật Bản, Yoshinori Ohsumi. Ông đã có đóng góp trong việc khám phá quá trình các tế bào có thể tự tái tạo lại một phần của chúng.

Ngày mai, giải thưởng Nobel Hóa học năm nay sẽ tiếp tục được công bố. Sau đó là giải Nobel Hòa bình sẽ được trao vào thứ sáu. Theo truyền thống, mỗi giải Nobel có trị giá 8 triệu Krona, tương đương 930.000 USD.