Theo một thước đo, tin tức vật lý lớn nhất năm nay đã xảy ra cách đây 80 năm. Tuy nhiên, trong khi thành công của một bộ phim về chế tạo bom nguyên tử là một điều bất ngờ, thì những khám phá đến từ các phòng thí nghiệm vật lý thực tế — bao gồm cả phòng thí nghiệm lớn nhất trong số đó, chính vũ trụ — cũng không kém phần ấn tượng so với sự gia tăng sự quan tâm về J. .Robert Oppenheimer.

Sản phẩm Kính viễn vọng Không gian James Webb, hiện đang ở năm thứ hai của hoạt động khoa học, tiếp tục gửi về những hình ảnh tuyệt đẹp về vũ trụ và kết quả khoa học nhỏ giọt từ năm 2022 giờ đã trở thành một dòng thác. Từ vị trí cách đó hàng triệu dặm, JWST nghiên cứu mọi thứ từ những thiên hà xa nhất của vũ trụ đến các hành tinh và mặt trăng ngay bên cạnh. Hằng số duy nhất là sự ngạc nhiên: Các quan sát của kính thiên văn liên tục thách thức những lý thuyết vững chắc và buộc các nhà khoa học phải tưởng tượng lại sự hình thành của các vật thể vũ trụ quen thuộc - những thứ như các ngôi sao, hành tinh và lỗ đen.

Lỗ đen cũng là trung tâm của một trong những khám phá đáng chú ý nhất năm 2023: bằng chứng về sóng hấp dẫn được tạo ra bởi hố đen siêu lớn va chạm. Để phát hiện những gợn sóng đó trong không-thời gian, một số nhóm nhà thiên văn học đã nghiên cứu kỹ lưỡng vũ trụ trong 15 năm — đủ thời gian để phát hiện những biến động nhỏ theo thời gian xảy ra khi sóng hấp dẫn quét qua Trái đất.

Gần hơn, các nhà khoa học đang bận rộn vừa thao túng vừa tìm hiểu thế giới lượng tử - một lĩnh vực thường không tuân theo các quy tắc thông thường. Năm nay chứng kiến ​​nhiều tiến bộ vượt bậc phần cứng cơ bản nhất của điện toán lượng tử, các qubit ở dạng cuối cùng có thể cung cấp năng lượng cho các phép tính cực kỳ phức tạp. Và điều quan trọng là các nhà nghiên cứu cũng đã đưa ra cải tiến trong sửa lỗi lượng tử, đây vẫn là một trong những vấn đề khó giải quyết nhất.

Nhưng những tiến bộ này không có nghĩa là chúng ta đã hiểu xong vũ trụ từ quy mô lớn nhất đến quy mô nhỏ nhất. Quỹ đạo tiếp theo của chúng ta quanh mặt trời có thể còn chứa đựng nhiều khám phá sâu sắc hơn nữa.

Người ta thường nói rằng mỗi lần chúng ta nhìn vũ trụ dưới một góc nhìn mới - hoặc qua một lăng kính mới - chúng ta sẽ thấy những điều mà chúng ta chưa bao giờ tưởng tượng được. Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA đã thực hiện được lời hứa đó. Vào đầu năm, các nhà thiên văn học thông báo rằng con mắt hình tổ ong màu vàng của kính thiên văn đã đánh cắp những cái nhìn của những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ. JWST cũng có nhìn thấy ánh sáng từ các thiên hà phát sáng khoảng 300 triệu năm sau tiếng vỗ tay lớn tạo nên vũ trụ như chúng ta biết. Trong các hình ảnh của JWST, những thiên hà đó “sáng đến mức ngu ngốc”, cho biết Rohan Naidu của Viện Công nghệ Massachusetts. Giờ đây, các nhà thiên văn học đang cố gắng giải thích tại sao những thiên hà đó lại phát triển lớn nhanh đến vậy, trong khi kích thước và sự phát triển sớm của chúng thách thức những kỳ vọng.

Điều tương tự cũng đúng với các lỗ đen siêu lớn neo các thiên hà vào tấm thảm vũ trụ. Các nhà khoa học dự kiến ​​sẽ nhìn thấy một vài lỗ đen cồng kềnh trong vũ trụ sơ khai, nhưng JWST thì không. phát hiện ra chúng trong xô. Và họ đang xuất hiện sớm hơn và có sức ảnh hưởng lớn hơn dự kiến. Các nhà thiên văn học hy vọng những quan sát như vậy sẽ tiết lộ cách thức những lỗ đen khổng lồ đó hình thành. “Tôi đã chờ đợi những điều này rất lâu rồi,” nói Marta tình nguyện, một nhà vật lý thiên văn tại Viện Vật lý thiên văn Paris.

Gần hơn, trong tinh vân Orion của thiên hà chúng ta, JWST được phát hiện gần đây 42 cặp đồ vật hấp dẫn đó quay quanh nhau. Những thế giới này có thể là những ngôi sao hoặc chúng có thể là những hành tinh trôi nổi tự do. Nó rất khó để nói. Nhưng dù thế nào đi nữa, những thế giới bí ẩn này cũng không khớp hoàn toàn với các lý thuyết hiện có mô tả cách hình thành các ngôi sao hoặc hành tinh trôi nổi tự do. Giống như tất cả các cách nhìn mới, JWST đang truyền cảm hứng cho nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời.

Đầu năm nay, các nhà nghiên cứu lượng tử tuyên bố rằng họ đã tiến một bước tới việc phát triển một máy tính lượng tử đáng tin cậy hơn. Trong hệ thống này, thông tin được lưu trữ theo cấu trúc liên kết; nó được dệt thành những hạt gần như thần thoại chia sẻ ký ức và nhớ về quá khứ của họ. Việc bện hai trong số những “bất kỳ ai không abelian” này lại với nhau sẽ lưu trữ thông tin theo các vòng xoắn - do đó, bạn có thể đo cái này hoặc cái kia mà không làm mất thông tin đó. Như đồng nghiệp Charlie Wood của tôi đã giải thích: “Bằng cách duy trì những bản ghi gần như không thể phá hủy về hành trình của họ xuyên không gian và thời gian, những người không theo thuyết Abel có thể đưa ra nền tảng hứa hẹn nhất để xây dựng các máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi”.

Sau đó vào tháng 8, các nhà khoa học giải quyết vấn đề phức tạp của việc sửa lỗi lượng tử thông báo rằng họ đã phát triển được một loại mã mới mạnh mẽ điều đó có thể - ít nhất là về mặt lý thuyết - giúp giải quyết vấn đề phức tạp của các bit lượng tử mỏng manh, dễ bị lỗi.

Trong một kỳ công gợi nhớ đến một trò ảo thuật, hồi đầu năm nay các nhà khoa học đã báo cáo rằng họ đã kéo được năng lượng ra khỏi chân không. Hay họ đã có? Thay vì gợi lên một điều gì đó từ hư vô, các nhà vật lý đã tìm cách dịch chuyển năng lượng trên những khoảng cách vi mô. Bước nhảy vọt này có hiệu quả vì nhóm đã khai thác các đặc tính kỳ lạ của chân không lượng tử — một loại hư vô đặc biệt thực sự thấm đẫm một loại năng lượng lượng tử nóng bỏng.

Đầu năm nay, các nhà khoa học đã phát hiện ra một kiểu chuyển pha mới, giống như sự biến đổi chất rắn thành chất lỏng. Ngoại trừ việc đây là một sự chuyển đổi trong cấu trúc thông tin. Khi các bit lượng tử (hoặc qubit) bị vướng víu, việc đo một bit sẽ tiết lộ trạng thái của bất kỳ bit nào khác. Sự vướng víu có thể lan rộng, nhưng phép đo sẽ phá hủy mạng lưới vướng víu - nó giống như cắt những sợi dây trong một hàng rào mắt xích. Điều gì xảy ra khi sự vướng víu và phép đo xử lý nó trong một mạng lưới các qubit vướng víu? Sự chuyển đổi giữa một trạng thái trong đó sự vướng víu tồn tại và một trạng thái trong đó nó không chịu nổi sự cắt dây đo lường là cái mà các nhà vật lý đã xác định và quan sát được trong phòng thí nghiệm. “Đó là nơi các thuộc tính của thông tin — cách thông tin được chia sẻ giữa mọi thứ — trải qua một sự thay đổi rất đột ngột,” cho biết Brian Skinner của Đại học bang Ohio.

Khi nói đến các hệ thống này, chúng ta sử dụng thuật ngữ “lượng tử” gần như thể lượng tử và phi lượng tử tồn tại trong một hệ nhị phân. Điều đó không hẳn là đúng. Trong nỗ lực định lượng lượng tử – hay mức độ mà một hệ lượng tử không thể mô phỏng được trên máy tính cổ điển – các nhà nghiên cứu gần đây đã tiết lộ một số liệu mới, nâng tổng số chỉ số đã biết lên ba. Đầu tiên là sự vướng mắc. Sau đó là “ma thuật”. Bây giờ, có “ma thuật fermionic”.

Đó là một vấn đề cũ trong vật lý: Cơ học lượng tử mô tả thế giới theo một cách, lý thuyết về lực hấp dẫn của Einstein theo cách khác, và khi cả hai kết hợp với nhau, bạn sẽ trở nên vô nghĩa. Một số nhà khoa học, như Đổi tên Loll, tin rằng lực hấp dẫn phải được lượng tử hóa; những người khác, như Jonathan Oppenheim, sẽ đặt cược chống lại ý tưởng đó. Trong khi Loll đã đi tiên phong trong một phương pháp tiếp cận được điều khiển bằng máy tính đối với lực hấp dẫn lượng tử bao gồm việc tìm ra hình dạng của không-thời gian từ những nguyên lý đầu tiên, thì Oppenheim đang tìm kiếm một “thứ” cơ bản thậm chí còn sâu sắc hơn có thể kết nối cả hai.

Tuy nhiên, lực hấp dẫn lượng tử vẫn tiếp tục xuất hiện trong lời giải cho những nghịch lý tưởng chừng như không thể giải quyết được.

Một nhóm các nhà lý thuyết hàng đầu tin rằng họ đã đã chỉ ra sai lầm điều đó dẫn đến nghịch lý thông tin lỗ đen nổi tiếng của Hawking, trong đó thông tin không thể phá hủy bên trong lỗ đen dường như bị mất khi lỗ đen bốc hơi. Sai lầm rõ ràng của Hawking là ông (và các thế hệ nhà vật lý sau này) đã không nhận ra rằng cách xử lý hấp dẫn “bán cổ điển” đáng tin cậy thông thường không thể giải quyết được sự phức tạp của các trạng thái mà một lỗ đen có thể tạo ra, bất ngờ bị phá vỡ ở tốc độ của lỗ đen. bề mặt bên ngoài. Nhóm hiện đã phát triển một lý thuyết phức tạp hơn về lực hấp dẫn có thể xử lý được khu vực ngay bên trong chân trời sự kiện và không vi phạm bất kỳ dữ liệu thực nghiệm hiện tại nào.

Khi các thiên hà va chạm, các lỗ đen trung tâm siêu lớn của chúng hợp nhất - một vụ va chạm dữ dội đến mức làm rung chuyển chính kết cấu của không-thời gian. Vào tháng 6, nhiều tổ chức hợp tác quốc tế đã thông báo rằng họ đã tìm thấy sóng hấp dẫn sinh ra. Để làm điều này, các đội đã sử dụng các ẩn tinh, các xác sao quay nhanh và đóng vai trò như những chiếc đồng hồ vũ trụ hoàn hảo. Sóng hấp dẫn làm thay đổi nhịp biểu kiến ​​của các sao xung, nhưng phải mất 15 năm nghiên cứu mới xác định được dấu hiệu của các sự kiện bạo lực liên tục làm rung chuyển vũ trụ.

Ghi chú của biên tập viên: Michael Moyer đã đóng góp cho bài viết này.