Tiêu đề “25 khám phá khoa học phá vỡ các định luật vật lý” nghe như thể các nhà khoa học đã chứng minh rằng những định luật tự nhiên có thể bị vi phạm. Thực tế tinh tế hơn nhiều: những phát hiện này thường cho thấy một lý thuyết cũ chỉ đúng trong một phạm vi nhất định, hoặc một hiện tượng cần một khung lý thuyết sâu hơn để giải thích.

Từ cơ học lượng tử, thuyết tương đối đến vật chất ngưng tụ và những bí ẩn của vũ trụ, lịch sử vật lý hiện đại đầy những kết quả từng khiến các nhà khoa học phải xem lại những điều tưởng như chắc chắn. Dưới đây là 25 ví dụ tiêu biểu được chọn từ danh sách gốc và diễn giải lại theo hướng khoa học thận trọng hơn.

1. Thí nghiệm hai khe và thế giới lượng tử

Thí nghiệm hai khe cho thấy các hạt lượng tử như electron và photon có thể tạo ra hình giao thoa đặc trưng của sóng. Khi thiết lập phép đo để biết hạt đi qua khe nào, hình giao thoa thay đổi. Hiện tượng này trở thành một trong những minh chứng trực quan nhất cho sự khác biệt giữa cơ học cổ điển và cơ học lượng tử.

Đang tải video MSN…

2. Neutrino có khối lượng

Trong phiên bản tối giản của Mô hình Chuẩn, neutrino được xem là không có khối lượng. Việc quan sát dao động neutrino cho thấy chúng phải có khối lượng khác không. Đây là một trong những dấu hiệu rõ ràng rằng Mô hình Chuẩn chưa phải mô tả hoàn chỉnh của tự nhiên.

3. Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ tăng

Các quan sát siêu tân tinh xa vào cuối thập niên 1990 cho thấy sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Kết quả này dẫn tới khái niệm năng lượng tối, dù bản chất vật lý của thành phần này vẫn chưa được xác định chắc chắn.

4. Rối lượng tử

Hai hệ lượng tử có thể hình thành trạng thái rối trong đó kết quả đo của chúng có những tương quan không thể giải thích bằng các biến ẩn địa phương theo cách cổ điển. Các thí nghiệm Bell và những phép thử ngày càng chặt chẽ đã xác nhận những tương quan lượng tử này.

5. Hiệu ứng Meissner và siêu dẫn

Vật liệu siêu dẫn không chỉ có điện trở DC bằng không mà còn đẩy từ trường ra khỏi phần bên trong khi chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Hiệu ứng Meissner cho thấy siêu dẫn là một trạng thái lượng tử tập thể, chứ không đơn giản là “dây dẫn hoàn hảo”.

6. Ánh sáng có thể bị làm chậm

Trong chân không, tốc độ ánh sáng vẫn là giới hạn tương đối tính. Nhưng vận tốc truyền của một xung ánh sáng trong môi trường có thể được làm chậm rất mạnh bằng cách điều khiển tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Các thí nghiệm nổi tiếng đã làm ánh sáng chậm xuống mức chỉ vài mét mỗi giây và thậm chí lưu trữ thông tin của xung ánh sáng trong môi trường nguyên tử.

7. Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử

Trong cơ học cổ điển, một hạt không đủ năng lượng để vượt qua hàng rào sẽ bị chặn lại. Trong cơ học lượng tử, hàm sóng của hạt có thể xuyên qua hàng rào và tạo ra xác suất xuất hiện ở phía bên kia. Hiện tượng này đóng vai trò trong phân rã alpha, phản ứng nhiệt hạch trong Mặt Trời và kính hiển vi quét xuyên hầm.

8. Vật chất tối

Chuyển động của các ngôi sao và thiên hà cho thấy lượng vật chất nhìn thấy không đủ để giải thích trường hấp dẫn quan sát được. Khái niệm vật chất tối được đưa ra để giải thích phần khối lượng vô hình này. Cho tới nay, bằng chứng hấp dẫn cho vật chất tối rất mạnh, nhưng bản chất hạt của nó vẫn chưa được xác định.

9. Sóng hấp dẫn

Thuyết tương đối rộng dự đoán các gợn lan truyền trong không-thời gian khi những hệ vật thể rất nặng gia tốc. Năm 2015, LIGO lần đầu trực tiếp ghi nhận sóng hấp dẫn từ hai lỗ đen hợp nhất. Phát hiện này mở ra một phương thức quan sát vũ trụ hoàn toàn mới.

10. Thời gian giãn nở

Thời gian không trôi với cùng tốc độ đối với mọi người quan sát. Vận tốc lớn và trường hấp dẫn mạnh làm thay đổi tốc độ của đồng hồ so với những đồng hồ ở điều kiện khác. Hiệu ứng này đã được đo bằng đồng hồ nguyên tử và phải được tính đến trong hệ thống định vị vệ tinh.

11. Boson Higgs

Việc phát hiện boson Higgs tại CERN năm 2012 xác nhận một thành phần quan trọng của cơ chế Higgs. Trường Higgs góp phần tạo ra khối lượng nghỉ cho các hạt cơ bản như W và Z, đồng thời tương tác với các fermion. Đây không phải là lời giải cho toàn bộ nguồn gốc khối lượng của vật chất trong vũ trụ, nhưng là một thành công quan trọng của Mô hình Chuẩn.

12. Siêu chảy

Helium ở nhiệt độ cực thấp có thể chuyển sang trạng thái siêu chảy với độ nhớt hiệu dụng cực thấp và những hiện tượng lượng tử tập thể kỳ lạ. Một số biểu hiện khiến chất lỏng dường như có thể chảy qua những cấu trúc mà chất lỏng thông thường không thể vượt qua.

13. Siêu dẫn nhiệt độ cao

Năm 1986, các chất siêu dẫn nền đồng có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn đáng kể so với các vật liệu truyền thống được phát hiện. Cơ chế vi mô của siêu dẫn nhiệt độ cao vẫn chưa được hiểu đầy đủ, khiến đây trở thành một trong những bài toán lớn của vật lý vật chất ngưng tụ.

14. Graphene

Một lớp carbon dày chỉ một nguyên tử có thể sở hữu độ bền, độ dẫn điện và các tính chất điện tử đặc biệt. Trong graphene, các electron gần điểm Dirac có hành vi giống những hạt tương đối tính không khối lượng trong một mô hình hiệu dụng. Đây là ví dụ nổi bật về cách vật liệu hai chiều tạo ra vật lý mới.

15. Hiệu ứng Leidenfrost

Một giọt nước trên bề mặt cực nóng có thể được nâng bởi lớp hơi hình thành ngay bên dưới nó. Lớp hơi này làm giảm tiếp xúc trực tiếp giữa chất lỏng và bề mặt, khiến giọt nước có thể trượt hoặc “nhảy múa”. Hiện tượng không vi phạm nhiệt động lực học mà minh họa một trạng thái truyền nhiệt và động lực học chất lưu rất đặc biệt.

16. Cầu chất lỏng

Khi đặt điện áp phù hợp giữa hai khối nước, các lực điện, sức căng bề mặt và chuyển động của chất lỏng có thể duy trì một cầu nước giữa chúng. Hiện tượng này cho thấy chất lỏng có thể tạo ra cấu hình ổn định rất khác với trực giác thông thường khi chịu trường điện mạnh.

17. Các hệ tương tự lượng tử bằng chất lỏng

Những giọt chất lỏng nảy trên bề mặt rung động có thể tạo ra các dạng chuyển động và giao thoa gợi nhớ một số hiện tượng lượng tử. Chúng không phải là cơ học lượng tử thực sự, nhưng là những hệ tương tự cổ điển hữu ích để nghiên cứu một số dạng hành vi sóng và quỹ đạo.

18. Vật liệu siêu cấu trúc và tàng hình điện từ

Metamaterial cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế cách sóng điện từ truyền qua vật liệu bằng cấu trúc nhân tạo. Một số thiết kế có thể bẻ hướng sóng quanh một vùng không gian trong những điều kiện nhất định. Đây là cơ sở của nhiều nghiên cứu về “áo choàng tàng hình”, nhưng không có nghĩa một vật thể bất kỳ có thể trở nên vô hình hoàn toàn với mọi loại ánh sáng.

19. Hiệu ứng Zeno lượng tử

Một hệ lượng tử được đo lặp lại đủ nhanh có thể bị hạn chế chuyển sang trạng thái khác. Đây là hiệu ứng Zeno lượng tử. Nó không có nghĩa ý thức con người tạo ra thực tại; hiện tượng liên quan đến động lực học lượng tử và cách phép đo tương tác với hệ.

20. Vi phạm đối xứng chẵn lẻ

Năm 1956–1957, các thí nghiệm cho thấy tương tác yếu không bảo toàn đối xứng chẵn lẻ như nhiều nhà vật lý từng giả định. Nói cách khác, một số quá trình tự nhiên có thể phân biệt “trái” và “phải”. Phát hiện này buộc vật lý hạt phải từ bỏ một giả định đối xứng tưởng như rất cơ bản.

21. Vi phạm CP

Các thí nghiệm về meson K vào năm 1964 phát hiện rằng đối xứng CP cũng không được bảo toàn tuyệt đối. Vi phạm CP là một thành phần quan trọng trong việc nghiên cứu vì sao vũ trụ hiện tại chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất, dù lượng vi phạm CP đã biết trong Mô hình Chuẩn dường như chưa đủ để giải thích toàn bộ bất đối xứng quan sát được.

22. Giam hãm quark

Quark là thành phần cơ bản của proton và neutron, nhưng không quan sát thấy quark tự do trong điều kiện thông thường. Trong sắc động lực học lượng tử, tương tác mạnh có tính chất khiến năng lượng liên kết tăng khi cố tách quark ra khỏi nhau. Hiện tượng giam hãm quark là một trong những đặc điểm trung tâm của lực mạnh.

23. Dị thường Pioneer

Các tàu Pioneer từng cho thấy một gia tốc nhỏ khác với dự đoán trong dữ liệu theo dõi. Hiện tượng này từng khiến một số nhà nghiên cứu xem xét khả năng có vật lý mới. Sau nhiều phân tích, phần lớn dị thường được giải thích bằng lực giật do bức xạ nhiệt phát ra không đối xứng từ chính tàu vũ trụ.

24. Dị thường từ mômen của muon

Mômen từ bất thường của muon, thường được gọi là muon g-2, là một phép kiểm tra cực kỳ chính xác đối với Mô hình Chuẩn. Các kết quả thực nghiệm và lý thuyết từng cho thấy một sai khác đáng chú ý, nhưng việc xác định liệu đó có phải dấu hiệu của vật lý mới hay xuất phát từ độ bất định lý thuyết vẫn là vấn đề đang được nghiên cứu.

25. Hiệu ứng Casimir

Hai bề mặt dẫn điện đặt rất gần nhau trong chân không có thể chịu một lực hút do sự thay đổi các trạng thái dao động điện từ lượng tử được phép giữa các bề mặt. Hiệu ứng Casimir cho thấy chân không lượng tử không đơn giản là “không có gì”, dù cách diễn giải bằng các hạt ảo chỉ là một trong những cách mô tả hiện tượng.

Không có định luật vật lý nào thực sự bị “phá vỡ”

Điểm quan trọng nhất của danh sách này nằm ngay ở cách đặt tên. Những khám phá kể trên không phải bằng chứng rằng tự nhiên tùy ý vi phạm các định luật vật lý. Phần lớn chúng cho thấy một mô hình cũ có giới hạn hoặc một hiện tượng cần được mô tả bằng lý thuyết sâu hơn.

Cơ học Newton vẫn cực kỳ chính xác khi mô tả ô tô, vệ tinh và nhiều hệ thống đời thường; nó chỉ cần được mở rộng bằng tương đối tính khi vận tốc rất lớn hoặc trường hấp dẫn mạnh. Tương tự, vật lý cổ điển vẫn hữu ích ở quy mô lớn, trong khi cơ học lượng tử trở nên cần thiết ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử.

Trong khoa học, một “khủng hoảng” của lý thuyết thường không phải là sự sụp đổ của kiến thức, mà là dấu hiệu cho thấy chúng ta đang đứng trước một tầng kiến thức sâu hơn.

Vật lý vẫn còn rất nhiều câu hỏi chưa có lời giải

Vật chất tối là gì? Năng lượng tối có phải một thành phần mới của tự nhiên hay là dấu hiệu rằng lý thuyết hấp dẫn cần sửa đổi? Vì sao vũ trụ có nhiều vật chất hơn phản vật chất? Làm thế nào hợp nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng?

Những câu hỏi đó cho thấy cuộc cách mạng vật lý chưa kết thúc. Các “định luật bị phá vỡ” trong lịch sử thực chất thường là những cánh cửa dẫn tới một mô tả chính xác hơn về tự nhiên — và có thể một trong những phát hiện tiếp theo sẽ buộc chúng ta viết lại một phần bức tranh hiện tại.