KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN
Viên ngọc trong lòng vật lý lượng tử
Cao Chi
Viên đá quý đó làAmplituhedron (biên độ mặt), một đối tượng hìnhhọc nhiều chiều, có thểgiúp giản ướcnhiều phéptính và lẩm liênmọt cuộc cách mạngtrong vậtlý.Theo tạp chí Discover, biên độ mật co thể xác định hìnhdung của vậtlý tương lai1,2.
Đ
iểm là không thú vị cúatrực tiếp làm biên độ bằngmặt khôngthờigian và xácsuất, cáctính chất của nó phát sinh từ cấu trúchìnhhọc của nó.
Viênngọc ở đây là một đối tượng hình học có khả năng giúp giản ước các tính toán về tương tác giữa các hạt hạnguyêntử.
Điều nàydẫn đến ý tưởngnhững sự cốtrong diễnra trong tự nhiên có thê làhệ quả của hình học. Trong nhiều thậpkỷ, người ta cóthê tính toán được những tươngtác đó là nhờ cácgiản đồ Feynman nhưng giờđây, việcnày sẽ đơngiản hơn nhờ tínhtoán thê tích của hạt ngọc biên độ mật.
Nhờ viên ngọcnày, các nhà vật lýcóthế thực hiện đượcnhững phép tính mà trước đâythậm chí máy tính cũng gặp khó khăn, Jacob Bourjaily -một nhà vật lý về biên độ tán xạ và lýthuyết trường lượng tửở trường Đại học Pennsylvania, từng đánh giá như vậy.
Lối tiếp cậnmới này có thểmở rộng đểtiểp cân hấpdần lượng tử, vốn chỉ gắn liền vớinhững bức tranh tương tác hấp dẫn tuân theo nguyên lý của cơ học lượng tử kích cỡ vi mô.
Biênđộ mặt thỏa mãn hai nguyênlý cơ bản của vật lý là định xứ (locality)và nhất nguyên (unitarity).Nguyên lý định xứ ràngbuộc cáchạtchỉ tương tác với nhaulúc nằm trong một vùng lân cận còn nguyên lý nhâtnguyên (unitarity) buộc tông xác suất va chạmbằng 1. Tuy biên độmặt chưa sằn sàng môtảhấp dẫn lượng
HìnhI.Hìnhảnh cùamột amplituhedron (biên độ mặt).
tử songNima Arkani-Hamedvà Jaroslav Trnka (Viện Nghiên cứu Tiêntiên ở Princeton) - hai tác giả củabiên độ mặt, vẫn chorằng tôn tại một đốitượng hình học tương tự khácsẽthực hiện điều đó.
Hình dáng cùa biên độmặt giống như một viên ngọc đa diện trong không gian nhiều chiều.
Trong thể tíchcủa viênngọc này cótích lũy mã hóanhững đặc trưng cơ bản củascattering amplitudes (biênđộ tán xạ)-xác suất khi một số hạt vachạm nhau và biến thành nhiềuhạt khácsauva chạm.
Nhà vật lý Feynman đã tìm ra những giản đô cho phéptính băng nhiễu loạncác quá trinh tánxạ.
Giản đồ đơn giản Feynman, nhấtlà những giảnđô cây(tree diagram), những giảnđồphức tạp hơn là những giàn đôvòng(loop diagram) chứa các vòng mà trên đóxuât hiện những hạt ảo không quan sátđược.
Những hạt ào không quansátđược tuy nhiên cần thiết đế bảo đảm nguyênlý nhất nguyên,sốgiản đồ Feynman nhiều vô kế.
Biên độ mặt
Một tiến bộ lớn là việc tìm ra các hệthức đệ quyBCFW (recur
sion relations Ruth Britto, Fred dy Cachazo,Bo Feng, Edward Witten), các hệ thứcnày thuộc bậc cây (tree level) biểudiễngọnnhờ các biến sốgọi là “twisters”(xoắn tử) và tương tác giữa các hạt được biếudiễn thành nhữnggiản đồ xoăntử (twistor diagrams).
Vớisự cộng tác của các nhà toán họcnhư Pierre Deligne, Arkani-Hamedvà cộng sự đã phát hiện ra các hệ thứcđệ quy + các sơ đôtwistor (recursion relations +các sơ đồ twistor)tương ứngvới một đôi tượng hình học.
Biên độmặt được định nghĩa như một không gian Grassmani- ann3.Trong lý thuyết xoắntử4thì các hệ thức đệ quy BCFW được biểu diễn bằng mộtsố sơ đồ xoắn tử. Cácsơ đồ đó cho phép xây dựng Grassmaniann dương tức biên độ mặt. Biên độ tán xạ như vậy bằng thế tíchcủa Grassmani- ann dương.
Cáchtiếp cận xoắn tử làm đơn giảncác phép tính vềtương tác hạt.Theo lý thuyết nhiễu loạn thôngthường, một tương tác như vậy đòihỏinhiều ngànphép tính giản đồ Feynmann, trong nhiều sơ đôđó là các hạtảo. Biên độmặt tính toán không cần hạt ảo. Các tính toáncần điềukiệnđịnh xứvà nhất nguyên. Trong lý thuyết biên độmặt, hai điều kiện này đã nằm săn trong hệquả dương (positivity cùa Grassmanian).
Do đó,nhờ các hệ thức đệquy
36 Tia5óng www.tiasang.com.vn SỐ 14. NGÀY 20.7.2021
KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN
Hình3. Nhàvật lý đoạt giải Nobel Feynman.
Hình 4. Hệ thức đệquy BCFW.
và các sơ đồ xoắn tử màxuất hiệnđối tượng hình học biênđộ mặt! Đâylà mấu chốt của vấn đề: biếnmột bài toánlượng tử thànhmột bài toán hình học, một ý tưởng xuất sắc.
Các hệ thức đệquy vàcác giản đồxoắn tử tương ứng vớimột đối tượng hình học.Arkani-Hamed và cácbạn đồng nghiệp chứng minh rằng, cácgiản đồ xoắn tử cho phép tínhthểtích cácyếu tố của đổi tượng này vôn được gọi là Grassmanniandương - có thể hiểu Grassmanniandương một cách đơn giản là nộivùng của một tamgiác (inside of a triangle), Arkani-Hamed giảithích như vậy. Tương tự nhưvậy, nội vùng của một tam giác là vùng giới hạnbởi những đường thẳng cắt nhau thì Grassmannian dương nới rộngralà vùngtrong một không gian N-chiêugiới hạn bởi những mặt phăngcăt nhau.
Hai tác giả Arkani-Hamed & Tmka đã chứng minh biênđộ tánxạ băngthê tíchcủa biên độ mặt. Những phần củaGrassmannian dương được tính nhờ các giảnđôxoăntử cộng lại và là những khôi xây dựng cấuthành một viên ngọcgiống như cáctamgiác hợp thànhmột polygon (hìnhđa giác). Nêu sử dụng các giảnđô Feynman thì chúngtacó tình huông tương tựnhư việc lấy một bìnhcô thờiMinhvà đập nát nó thành những mảnh nhỏ trên sàn nhà, Skinner so sánh như vậy.Nói cách khác, nếu dùnggiảnđồFeynmann thì tasẽ gặp phảimột tìnhhuông vôvọng vì sô lượng giản đồ quá nhiều.
Tim kiếmhấp dẫn lượng tử
Tronghấp dẫn lượng tử, hai nguyên lýđịnhxứ và nhất
Hình 5. Mộthình ành khác của amplituhedron.
Nếu dùng các giàn đồ Feynman ta cấn den500trang tínhtoán.
nguyênđặtra nhiều vấnđề. Và vật lýphải được phátbiểu lại cho thích họp. Khi nói đen định xứ, ta cầnnhững khoảng cách nhỏ (vậy nănglượng lớn).
Do đó, khi tiên đên khoảngcách Planck thì bức tranhtrở nên phức tạp hơn bởiở khoảngcách nhỏ, tacó thểgặp phải lỗ đen và không thờigiancóthế phải được xem làđột sinh.Còn nguyên lý unitarity phải được xemlà nguyên lý gânđúng? Như vậy đối với hấp dẫn lượng tử, ta cần một tiếp cận mới.
Hiện nay ta đã cómột đối ngẫu giữalý thuyết dâychứahap dẫnlượng tử và lýthuyết tính toán lượng tử xét ở haikhôngthời gian với sôchiêu khác nhau (đối ngẫuAdS/CFT). Ngườita hy vọng, biên độmặt vốn dựatrên hình học có cơ tiêpcận đến vấn đề hấp dẫn lượng tử. Các nhà vật lý đang tiếnhành các nghiên cứu theo hướng này. Biên độ tánxạ có hấp dẫncóthể mô tảbằng một biên độ mặt.
Kết
luận
Như vậy các nhà vật lý đã làmmộtviệcquan trọng:
biến một bài toán lượng tử thành mộtbài toán hình học,đây là một ý tưởng rấtxuấtsắc.
Nhờ biên độ mặt mà các nhà vật lý đãgiản ước nhữngphép tính rắc rối kiểu Feymann với sốgiản đồ nhiều vô kể thành việc tínhthê tích của biên độ mặt, một bước cách mạng trong tính toán củalý thuyếtlượng tử.
Do đó, biên độ mặt xứng đáng được gọi là viên ngọc quýcủa vật lý.ũ
Tài liệu tham khảo
11] Arkani-Hamed , Jaroslav Tmka
nttps://www.wired.com/2013/12/amplituhedron-jewel- quantum-physics/
[21 By Shannon PalusITuesday,January 07, 2014 RẺLÁTỆDTAGS: PHYSICS
http ://discovermagazine.com/2014/jan-feb/10-shaping-the- future-of-physics
CHUTHTCH ...
3] Grassmaniann Gr (k,V) là không gian thông sô hóa các chông gian qon k của một không gianvector V
4] Ly thuyet twistox là doRoger Penrose đềxuất năm 1967 được xem là sân khâu cơ sở cho vật lý từ đókhông thời gian độtsinh.
SỐ 14. NGÀY 20.7.2021 www.tiasang.com.vn TraSong 37
TIN KHOA HỌC QUỐC TỂ
Tranh luận về đạo đức sinh học
CỦA NGHIẾN CỨU CHUỘTĐựC MANG THAI
Đây không phảilà lánđáu tiên một nghiêncứu ởTrung Quốc gâyra tranhcãi vé đạo đức.Ảnh: APA Picturedesk Gmbh/Shutterstock.
N
ghiên cứu gắn một số cơ quan của chuột đực vào chuột cái rồi làm chuột đựccó thaicủa hai nhà khoa họctại Đại học Y Hải quân ở Thượng Hải đã
làmdây lên cuộc tranh luận dừ dội ở Trung Quốc, đặc biệt là về tính đạo đức cùathí nghiệm này.
Các nhànghiên cứu cho biết thí nghiệmnày rat phức tạp và gây đau đớn một cáchkhông cânthiêt cho các con vật, mà cũng chỉ cung cấp rấtít thông tin chi tietvề khả năng mang thai của đàn ông - nếu có, tỷ lệ thành công thâp ở chuộtcho thấy răngmục tiêuở người còn lâu mới đạt được.
Nhưngnhiều nhà khoahọckhác thì cho răngthí nghiệm ởchuột có thểgiúp ta hiêu rõhơn thứ gì làcần thiêtđê duy trì thai kỳ với những ngườimuôn mang thaivà sinhcon - bât kê họ thuộc giới tính nào.
Nhóm nghiên cứu đã trinh bày chi tiết thí nghiệm lên trang bioRxiv.
“Thửnghiệm này không có giá trị xã hội màchí lãng phítiên thuế của nhà nước”, Qiu Renzong, nhà đạo đức sinhhọc tại Viện Hàn lâm KHXHTrungQuốc, nhận định. Joy Zhang, nhà xã hội học tại Đại học Kent ở Canterbury, Vương quốc Anh,người đãtiến hành nghiên cứu
ở Trung Quốc trong nhiều năm, cho biếtcác nhà khoa học Trung Quốc lo ngại những nghiên cứugâytranh cãi, chănghạnnhư nghiên cứunày, có thêtạo ra một “hình ảnh ô uê vê nền khoa học Trung Quốc”.
Mang thai ở cá thể đực là hiện tượng cực kỳ hiếm trong tự nhiên và chỉ xuất hiện ở cá ngựa và cá chìavôi. Đe làm điều này ở động vậtcó vú, hai nhà khoa học đã khâu khuỷu chitrước, đầu gối chi sau và da của các cặp chuột lại với nhau, mồi cặp bao gồm một con đực và một con cái,đe chúng dùng chung hệ tuần hoàn.
Sáu tuần sau khi phẫu thuật, nông độ testosterone ở chuột đực đã giảm đáng kể - nhưng nồng độ estrogen và progesterone của chúng lại tươngđương ở chuột cái.
Tám tuần sau đó, các nhà nghiên cứu cấy tử cungvào mỗi conchuột đực, tiêp theo là phôi vào cả con đực và con cái sau tám tuần tiếp theo. Batuần saukhiphôi thai phát triên,và cũng làthời gian quá trình mang thai bình thường của chuột gần kết thúc, các nhà nghiên cứu đã tiến hành mổ lấy chuột con.
Trong sô 842 phôi được đưa vào 46 cặp chuột dính liền, một phần basố phôi ở chuột cái và một phần
mựời số phôi ở chuột đực phát triền thành bào thai sống. Chỉ có 10 chuột con do chuột đực mang thai sống sót đến tuổitrưởng thành - tương đương khoảng 4% trong số 280 phôi được cấy vào chuột đực.
Thí nghiệm đã nêu tầm quan trọng của nguồn cung cấpmáu cho phụ nữ mang thai, bởi phôi được cây vào tử cung được ghép cho chuột đực chỉ phát triểnnếu chúng tiếp xúc với nguồn máu củachuột cái mang thai.
Catherine Mills, nhà đạo đức sinh học tại Đại học Monash ở Melbourne, úc, cho biết nhữngcan thiệp xâm lấnkiểunày cũng không được áp dụngcho conngười. “Còn một chặng đường dài đê thực hiện những nghiên cứu liên quan trên người. Có thể hiêu rằng nghiên cứu nàykhông phải là một mô hình động vật, nó chỉ đơn thuần làmột thí nghiệm trên động vật”,bà nói.
Đồng tác giả của công bố, Zhang, từ chối đưa ra bình luận về những lời chỉ trích. Trong email gửi cho Nature, ông cho biết các tác giả “muốn phản hồi những lời chỉ trích thông qua các bài báo học thuật”.
O’Neillchobiếtnghiêncứunày có thể cung cấp một mô hình thử nghiệmmới đe xác định các chất dinh dưỡng hoặc hormone trong máu thai phụ là yếu tố quan trọng đế mang thaithành công.
Theo Mats Brănnstrốm, một nhà nghiên cứu sức khỏe sinh sản tại Đại học Gothenburg ở Thụy Điển, nghiên cứu nàỵ cũng có thể tác động phần nào đến các nghiên cứusinh sản khác ở người, đặc biệt là với những nhóm đang xem xét khả năng cây ghép tử cungcho phụ nữ chuyên giới, nó cũng lưu ý ta vê việc thiết lập tính an toàn cho những ca phẫu thuật liên quan đến câyghép tử cung. □
Hà Trang dịch
Nguồn: https://www.nature.com/
articles/d41586-021 -01885-0
38 TiaSóng www.tiasang.com.vn SỐ 14. NGÀY 20.7.2021
