Hệ thống liên lạc liên thiên hà sử dụng năng lượng mặt trời

                                     

​

Trong tương lai, con người có thể liên lạc với nhau giữa các vì sao thông qua việc sử dụng một mạng truyền thông liên thiên hà khổng lồ hoạt động bằng năng lượng mặt trời. Mạng truyền thông này sẽ được lắp đặt ở vị trí cách mặt trời khoảng 550 đơn vị thiên văn (1 đơn vị thiên văn = 149,598,000km) tại một vị trí trong không gian mà nơi đó sóng ánh sáng bị bẻ cong bởi các thấu kính hấp dẫn. Tại điểm này, mạng truyền thông sẽ có nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu được truyền đi.

Ý tưởng về mạng truyền thông liên ngân hà sẽ có giá trị rất lớn cho ngành thám hiểm vũ trụ, với những chuyến đi xa ra khỏi hệ mặt trời của chúng ta. Đối với những chuyến thám hiểm có khoảng cách lớn hơn 10 tỉ km, tín hiệu radio sẽ bị nhiễu hoặc mất do chịu sự ảnh hưởng của bức xạ sóng vũ trụ. Đây cũng là lý do được nhiều nhà khoa học đưa ra để giải thích tại sao chúng ta không thể tiếp nhận được các tín hiệu giao tiếp của người ngoài hành tinh. 

Phần khó khăn của ý tưởng này là xây dựng mạng tiếp nhận thông tin. Ngoài mạng truyền thông được đặt tại vị trí 550 đơn vị thiên văn tính từ mặt trời, chúng ta phải xây dựng một mạng tiếp nhận tương tự ở nơi chúng ta muốn giao tiếp. Giả sử mạng tiếp nhận được đặt trong hệ thống chòm sao Alpha Centauri, người láng giềng gần nhất, thì khoảng cách cũng đã là 4.37 năm ánh sáng, chưa kể đoạn đường 749 đơn vị thiên văn tính từ chòm sao Alpha Centauri đến điểm lý tưởng để đặt mạng tiếp nhận. Những con số khổng lồ!

Ý tưởng về một mạng truyền thông liên ngân hà rất táo bạo và thú vị, tuy hiện tại nó đang gặp một số trở ngại về tính khả thi như đã nêu trên. Mặc dù vậy, một khi sự tiến bộ của công nghệ đủ để biến những điều không tưởng thành hiện thực, thì đây sẽ là một nền tảng quan trọng giúp con người tiến xa hơn vào vũ trụ!

Rối lượng tử hay vướng víu lượng tử là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau, dù cho chúng có nằm cách xa nhau. Ví dụ, có thể tạo ra hai vật thể sao cho nếu quan sát thấy spin của vật thứ nhất quay xuống dưới, thì spin của vật kia sẽ phải quay lên trên, hoặc ngược lại; dù cho cơ học lượng tử không tiên đoán trước kết quả phép đo trên vật thứ nhất. Điều này nghĩa là phép đo thực hiện trên vật thể này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng tử trên vật thể vướng víu lượng tử với nó.

Rối lượng tử là hiệu ứng được ứng dụng trong các công nghệ như tính toán lượng tử, mật mã lượng tử, viễn tải lượng tử. Hiệu ứng này, được khẳng định bởi quan sát thực nghiệm, cũng gây ra sự thay đổi nhận thức rằng thông tin về một vật thể chỉ có thể thay đổi bằng tương tác với các vật ngay gần nó.

Rối lượng tử thường được mô tả với hai photon có sự liên hệ với nhau, trạng thái của photon này quyết định trạng thái của photon kia. Nếu đo được trạng thái của một photon thì ngay lập tức sẽ biết được trạng thái của photon có liên hệ với nó. Điều này cũng có nghĩa là nếu ta buộc photon này có một trạng thái nào đó thì lập tức photon kia cũng có trạng thái tương ứng.

Sự liên hệ trạng thái giữa 2 photon chứng tỏ rằng giữa chúng có một quan hệ tương tác nào đó tuy nhiên tương tác này không phải là một trong bốn tương tác cơ bản như ta đã biết; mà là một hệ quả của các định luật cơ học lượng tử.

 Ứng dụng:

Rối lượng tử được ứng dụng vào công nghệ viễn tải lượng tử, dùng để vận chuyển thông tin cũng như vật chất. Trong kỹ thuật này, người ta tạo ra hai vật thể ở cách xa nhau và có vướng víu lượng tử với nhau. Sau đó thông tin về trạng thái lượng tử của vật thứ nhất được cố định, qua phép đo; dẫn đến thông tin này được truyền tải đến vật thứ hai. Phương pháp này không cho phép thông tin, ở dạng kèm theo vật chất, được di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Bước đột phá trong vật lý lượng tử: chuyển thông tin tức thời

Thí nghiệm chuyển ánh sáng tức thời tại Đại học Quốc gia Australia.

Thông tin mã hóa được chuyển gần như tức thời từ nơi này đến nơi khác mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản. Thí nghiệm đang gây chấn động thế giới, vì nó có thể mở ra một thời đại thông tin mới.

Nhà vật lý Australia gốc Trung Quốc Ping Koy Lam cùng cộng sự tại Đại học Quốc gia Australia ở Canberra (ANU) vừa thực hiện thành công thí nghiệm chuyển thông tin theo nguyên lý hoàn toàn mới dựa trên "tương tác ma quỷ" của các quang tử (photon). Đúng vào lúc một chùm laser chứa những dữ liệu thông tin nhất định bị hủy tại một vị trí trong phòng thí nghiệm, thì nhóm của Lam đã tạo ra một chùm laser khác giống hệt như thế tại một vị trí khác cách vị trí ban đầu 1 mét. Mặc dù chùm sáng không hề chuyển động từ điểm này đến điểm kia nhưng vì hai chùm sáng giống hệt nhau nên người quan sát có cảm tưởng rằng, chùm sáng đã được di chuyển tức thời từ điểm này đến điểm kia .

Các nhà khoa học gọi kỹ thuật này là sự "chuyên chở tức thời qua không gian xa cách" (teleportation) . Vì hai chùm sáng giống hệt nhau, tức là thông tin chứa trong chúng như nhau, nên kết quả thí nghiệm cho thấy: Thông tin đã được chuyển tức thời qua không gian mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản. Đây là nguyên lý truyền thông tin hoàn toàn mới.

Thật vậy, trong liên mạng computer điện tử và trong sợi cáp quang hiện nay, thông tin hoặc được chuyển qua các mạch điện tử (tức là nhờ dòng chuyển động của electron), hoặc được truyền trong sợi cáp quang (tức là dòng chuyển động của các photon). Hai dạng truyền thông tin này, mặc dù đã rất nhanh, nhưng đều không thể so sánh được với tốc độ truyền tin tức thời trong thí nghiệm của ANU. Nguyên lý truyền tin này có hai ưu điểm vượt trội: tốc độ siêu nhanh và siêu an toàn (rất khó giải mã ngay cả trong trường hợp thông tin bị đánh cắp). Vì thế, thí nghiệm của ANU đang gây nên một chấn động trong giới khoa học, như tiếng chuông báo hiệu một thời đại thông tin mới sắp ra đời.

Thực ra, không phải các nhà khoa học Australia đã khám phá ra một nguyên lý hoàn toàn mới. Họ chỉ khai thác một hiện tượng vật lý đã được biết đến từ lâu, đó là hiện tượng "vướng lượng tử", hoặc "rối lượng tử" (quantum entanglement), trong đó hai quang tử (photon) được tạo ra cùng lúc có liên hệ rất kỳ lạ với nhau. Thật vậy, nếu hai photon được tạo ra đồng thời và được đặt ở hai vị trí khác nhau, chúng sẽ không tồn tại một cách biệt lập riêng rẽ, mà ngược lại, luôn có mối ràng buộc chặt chẽ với nhau - trạng thái của photon này quyết định trạng thái của photon kia. Nếu ta buộc photon này tuân theo một trạng thái lượng tử nào đó, thì photon kia cũng lập tức có ngay một trạng thái lượng tử tương ứng. Nói cách khác, nếu biết trạng thái của photon này, thì lập tức ta sẽ biết trạng thái của photon kia. Điều đó có nghĩa là, giữa hai photon tồn tại một quan hệ tương tác nào đó. Tương tác này không phải là một trong 4 tương tác đã biết (hấp dẫn, điện từ, hạt nhân yếu, hạt nhân mạnh). Vậy nó là tương tác gì ? Đến nay, vẫn chưa ai đưa ra được một khái niệm chính xác. Albert Einstein từng gọi đó là "tương tác ma quái" (spooky interaction). Tờ Guardian của Anh số ra ngày 18/6/2002 bình luận: "Hiện tượng này còn bí hiểm hơn cả chính sự tồn tại của vũ trụ". Đa số các nhà vật lý hiện nay "đành" giải thích điều bí hiểm này như một biểu hiện của thế giới lượng tử mà nguyên lý bất định của Heisenberg đã chỉ rõ.

Bạn có thể hình dung ra nguyên lý bất định này trong ví dụ sau: Giả sử, nếu biết lực tác dụng vào quả bóng trong cú sút phạt của Ronaldinho trong trận Brazil - Anh vừa qua ở World Cup, thì cơ học Newton có thể giúp thủ môn Seaman tính chính xác quả bóng đó sẽ bay ra sao và sẽ rơi vào đâu. Đó là vì trong thế giới vĩ mô, quan hệ nhân - quả là chìa khóa giúp giải thích rõ ràng mọi hiện tượng. Nhưng trong thế giới của các "quả bóng vi mô" (thế giới của các hạt hạ nguyên tử) thì quan hệ nhân - quả hoàn toàn sụp đổ. Các hạt cơ bản hoàn toàn bất định. Tính chất này biểu hiện theo nhiều cách khác nhau, một trong những biểu hiện đó chính là hiện tượng "vướng lượng tử": Một hạt cơ bản có thể cùng một lúc tồn tại ở hai vị trí khác nhau mà giác quan thông thường của chúng ta coi là hai hạt khác nhau.

Những năm gần đây đang dấy lên một làn sóng vật lý đi tìm những biểu hiện bất định của các hạt cơ bản. Năm 1995, một nhóm vật lý ở Colorado đã làm lạnh vật chất xuống tới -273 độ C (gần 0 độ tuyệt đối), trong điều kiện đó các nguyên tử "ứng xử" giống hệt nhau và tạo thành một "đại nguyên tử". Năm 2001, một nhà vật lý Đan Mạch đã làm chậm ánh sáng đến mức như đứng lại, giữ được nó trong một khoảnh khắc, rồi lại "thả" nó ra để cho nó trở lại chuyển động với tốc độ ánh sáng. Nhưng kỳ quái nhất vẫn là hiện tượng "bất định vị" (nonlocality) của các hạt hạ nguyên tử, tức hiện tượng một hạt có thể xuất hiện cùng một lúc ở hai vị trí khác nhau nói trên. Một bộ óc kỳ lạ như Einstein cũng đành phải mô tả nó như là "tác động ma quỷ từ xa" (ghostly action at a distance), thay vì đưa ra một giải thích theo một công thức toán học nhân - quả.

Nhưng nhờ thái độ chấp nhận "tương tác ma quỷ" như là một biểu hiện của nguyên lý bất định nên các nhà vật lý đã hướng mục tiêu nghiên cứu vào ứng dụng tương tác đó. Người đi tiên phong theo hướng này là giáo sư Athon Zeilinger (Áo). Năm 1997, lần đầu tiên ông đã nêu lên ý kiến cho rằng do tính chất đồng thời tồn tại tại nhiều vị trí khác nhau nên các hạt ánh sáng có thể được "vận chuyển tức thời" qua những khoảng cách lớn trong không gian. Ngay lập tức 40 phòng thí nghiệm trên thế giới đã bắt tay vào nghiên cứu nhằm biến ý tưởng của Zeilinger thành hiện thực. Thí nghiệm của ANU là một trong số đó, và đây là lần đầu tiên thực hiện được việc chuyển thông tin tức thời qua khoảng cách không gian 1 m, trong đó hai chùm sáng laser thực chất chỉ là một, nhưng đồng thời tồn tại ở hai vị trí khác nhau!

Tiến sĩ Lam nói: "Về lý thuyết, không có gì ngăn trở con người di chuyển tức thời trong không gian, nhưng vào thời điểm hiện nay, đó vẫn là chuyện viễn tưởng. Tuy nhiên trong tương lai không xa, việc vận chuyển tức thời một vật rắn có thể trở thành hiện thực. Tôi dự đoán trong vòng từ 3 đến 5 năm nữa khoa học sẽ có thể vận chuyển tức thời một nguyên tử".

"CÁI CHẾT CỦA NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH"

Đó là đề bài báo của Mark Buchanan đăng trên tạp chí khoa học uy tín nhất của Anh - Australia, số mới ra ngày 6 thángNew Scientist, tuần san 3 năm 1999, đang gây xôn xao dư luận giới khoa học trên toàn thế giới. Bài báo công bố thí nghiệm của một nhóm nhà khoa học Đức cho thấy Nguyên lý bất định của Heisenberg, một trong hai nền tảng của vật lý hiện đại có nguy cơ sụp đổ. Sau khi nhắc lại cuộc tranh luận lịch sử giữa Einstein và Bohr về nguyên lý này (Einstein chống đối quyết liệt, Bohr bảo vệ), bài báo cho biết:

Bohr và Einstein đã phải đưa ra những thí nghiệm tưởng tượng để chứng minh lý thuyết của họ, vì công nghệ hồi đó chưa cho phép làm một thí nghiệm thật. Nhưng tình hình ngày nay đã thay đổi. Với kỹ thuật laser, Gerhard Rempe và các cộng sự của ông tại Đại học Konstanz ở Đức đã thực hiện một trong các thí nghiệm nổi tiếng mà những "người khổng lồ" của lý thuyết lượng tử đã tranh cãi - đó là thí nghiệm quen thuộc, thường được gọi là "thí nghiệm hai khe" (two-slit experiment). Phương pháp thí nghiệm mới được đề xuất vào năm 1991 bởi MarLan Scully, Berthold - Georg Englert và Herbert Walther tại Học viện quang lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, với việc chọn hạt lượng tử là nguyên tử, vì nó dễ để lại dấu vết hơn. Nhiều năm trước đây, người ta cũng đã từng làm thí nghiệm này nhưng với điều kiện thô sơ hơn, do đó không phát hiện thấy giao thoa, điều này làm cho người ta tin rằng Nguyên lý bất định hoàn toàn đúng. Nhưng khi Rempe và các cộng sự báo cáo kết quả thí nghiệm của họ vào tháng 9 năm ngoái, các nhà vật lý đã thực sự lo lắng. Bài báo viết: "Kết quả của họ chứng tỏ rằng lập luận của Bohr dựa trên một sự nhầm lẫn". Bài báo cho biết là trong bao nhiêu năm qua các nhà vật lý đã không hề hay biết rằng có một lý thuyết quan trọng nhất, đó là thuyết rối lượng tử (quantum entanglement). Hiện tượng không thấy dấu vết giao thoa thực ra là quy luật rối lượng tử - một đặc trưng của thế giới lượng tử - chứ không phải là yếu tố quyết định.

Về mặt lý thuyết, bài báo nhắc tới quan điểm của nhà vật lý Yu Shi tại Đại học Cambridge phê phán rằng Bohr chỉ dựa trên những quan hệ đơn giản Planck và De Broglie. Shi đã phân tích lại các thí nghiệm tưởng tượng, sử dụng các phương trình chính xác của lý thuyết lượng tử từ mô tả đầy đủ nhất khả năng của một hạt lượng tử. và ông nhận thấy rằng bất chấp mọi điều Bohr đã nói, Nguyên lý bất định chẳng liên quan gì tới sự huỷ giao thoa sóng. Shi nó: "Mọi người nghĩ rằng Bohr đúng, Einstein sai, nhưng điều này còn xa sự thật lắm… Hãy quên mọi quan niệm mập mờ về bất định đi mà hãy nghĩ tới khái niệm chính xác hơn, đó là quy luật rối lượng tử". Và Mark Buchanan kêu lên: "Hãy vẫy chào tạm biệt Nguyên lý bất định, bạn không còn cần đến nó nữa. Hãy chào tạm biệt Thuyết rối loạn lượng tử". Cuối cùng Buchanan dùng ý tưởng của Bohr "trái ngược nhưng không phải là mâu thuẫn" để kết, hàm ý rằng đã đến lúc làm một tư tưởng trái ngược với Bohr mới là chân lý!

Nếu thí nghiệm của Rempe là đúng thì đây là cuộc "cách mạng lại" khoa học vật lý nói riêng và vũ trụ quan nói chung. Rõ ràng đây là điều không thể tưởng tượng vì hơn 70 năm qua, Nguyên lý Bất định của Heisendberg đã đi vào lịch sử như một chân lý tổng quát của tự nhiên, ngang tầm cỡ với thuyết tương đối của Einstein. Nhiều nhà khoa học đang tìm cách khắc phục yếu tố bất định bằng con đường kết hợp nó với Thuyết tương đối, mặc dù Stephen Hawking đã cảnh cáo rằng đó là hai cực đối lập không tương thích với nhau. Tất cả những phương hướng nghiên cứu này kể cả những công trình vừa mới công bố vào cuối năm 1998 đầu năm 1999, đều coi Nguyên lý bất định như là một cực của chân lý. Chỉ có trường phái Thuyết rối loạn lượng tử mới phủ định Nguyên lý bất định. Phải chăng trường phái này được thúc đẩy bởi niềm tin mạnh mẽ của chính Einstein, và vô tình họ đã chứng minh rằng Einstein mới thực sự là thiên tài? Mọi kết luận vội vã lúc này đều thiếu nghiêm túc. Hãy chờ xem, và có lẽ tốt hơn, hãy cùng nghiên cứu xem. Tuy nhiên dù sự thật có thế nào đi chăng nữa thì dường như những thách thức thú vị đang lấp ló ở cánh cửa của thế kỷ 21.

Share: