Những bước tiến khoa học vĩ đại trong 25 năm qua - Phần 2

Phần hai của bài viết sẽ tiếp tục kể về những phát hiện vĩ đại tiếp theo trong 25 bước đột phá trong ¼ thế kỷ vừa rồi.

Anh em có thể đọc lại phần đầu tiên tại đây

Những bước tiến khoa học vĩ đại trong 25 năm qua - Phần 1

Thế kỷ 21 trôi qua được 25 năm nhưng là một giai đoạn đầy biến động nhưng cũng chứng kiến hàng loạt bước đột phá khoa học và công nghệ làm thay đổi thế giới theo hướng tích cực. Nhờ tiến bộ y học, nhiều căn bệnh di truyền có thể được chữa trị tận...

tinhte.vn

7. Graphene, vật liệu siêu mỏng và siêu bền

Được tạo ra trong phòng thí nghiệm vào năm 2004 bởi hai nhà vật lý Andre Geim và Konstantin Novoselov, graphene đã làm cả giới khoa học bất ngờ. Chỉ dày một nguyên tử, vật liệu này thực chất là một lớp carbon đơn được sắp xếp theo mô hình tổ ong hoàn hảo. Dù mỏng đến mức gần như vô hình, graphene lại có độ bền cơ học gấp hơn 200 lần thép, dẫn điện nhanh hơn đồng, và truyền ánh sáng hơn 97%. Sự kết hợp giữa mỏng, bền và dẫn điện tốt khiến nó trở thành vật liệu “không tưởng” trong nhiều lĩnh vực công nghệ.



Mô phỏng vật liệu graphene

Chính nhờ những đặc tính này, graphene hiện đang góp mặt trong pin và siêu tụ điện thế hệ mới, giúp tăng đáng kể tốc độ sạc và tuổi thọ. Trong công nghệ năng lượng, nó được dùng để nâng hiệu suất tấm pin mặt trời, hay trong lọc nước và cảm biến sinh học, nơi cấu trúc siêu mỏng cho phép lọc ion và phát hiện phân tử ở cấp độ cực nhỏ.

Từ khi ra đời, graphene đã khơi dậy làn sóng nghiên cứu về vật liệu 2D, dẫn đến nhiều phát hiện tiếp nối như boron nitride hay molybdenum disulfide (MoS₂). Hai nhà khoa học phát hiện ra nó đã nhận Giải Nobel Vật lý năm 2010, đánh dấu sự xuất hiện của một kỷ nguyên vật liệu mới, nơi ranh giới giữa điện tử, năng lượng và sinh học ngày càng được xóa nhòa.

8. Hạt Higgs: mảnh ghép còn thiếu của vũ trụ

Hạt Higgs boson được các nhà vật lý Peter Higgs và François Englert dự đoán từ năm 1964 như phần còn thiếu trong Mô hình Chuẩn, lý thuyết mô tả cách các hạt cơ bản và lực tự nhiên tương tác. Theo lý thuyết này, trường Higgs bao trùm khắp không gian, và khi các hạt đi qua nó, chúng tương tác với trường này để có được khối lượng. Không có trường Higgs, vật chất sẽ không thể hình thành, các hạt sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng và vũ trụ như ta biết sẽ không tồn tại.


Thí nghiệm khám phá hạt Highs tại CERN

Mô phỏng hạt Higgs

Tuy nhiên, việc chứng minh sự tồn tại của hạt Higgs là thách thức khổng lồ kéo dài gần nửa thế kỷ. Chỉ đến năm 2012, với Máy Gia tốc Hạt Lớn (Large Hadron Collider – LHC) tại CERN, Thụy Sĩ, thiết bị khoa học lớn nhất từng được con người xây dựng, các nhà khoa học mới thu được bằng chứng rõ ràng cho thấy Higgs boson thật sự tồn tại.

Phát hiện này không chỉ xác nhận một trong những dự đoán quan trọng nhất của vật lý lý thuyết trong thế kỷ 20, mà còn giúp giải thích vì sao các hạt có khối lượng, củng cố nền tảng hiểu biết về cấu trúc cơ bản của vũ trụ. Hai nhà khoa học Higgs và Englert đã nhận Giải Nobel Vật lý năm 2013, đánh dấu đây như một chiến thắng vĩ đại của vật lý hiện đại, nơi những giả thuyết chỉ tồn tại trên giấy suốt gần 50 năm cuối cùng được chứng minh bằng thực nghiệm.

9. Lần đầu tiên phát hiện sóng hấp dẫn: nghe được “âm thanh” của vũ trụ

Từ hơn một thế kỷ trước, Albert Einstein đã dự đoán rằng khi những vật thể cực kỳ nặng như hố đen hay sao neutron va chạm, chúng tạo ra các sóng hấp dẫn, những gợn sóng làm cong không-thời gian. Tuy nhiên, vì tín hiệu này yếu đến mức tinh vi, nhân loại đã phải chờ tới tận năm 2015, thông báo chính thức năm 2016 mới ghi nhận được chúng lần đầu tiên.



Đài quan sát sóng hấp dẫn Ligo

Sự kiện ấy được thực hiện bởi Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO) tại Mỹ. LIGO phát hiện tín hiệu chỉ kéo dài chưa đến một giây: những dao động phát ra khi hai hố đen khổng lồ hợp nhất cách Trái Đất hơn 1,3 tỷ năm ánh sáng. Đó là bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho thấy sóng hấp dẫn thật sự tồn tại, xác nhận dự đoán cuối cùng còn thiếu trong Thuyết Tương đối Tổng quát của Einstein.

Và lần đầu tiên loài người nghe được sóng hấp dẫn

Kể từ đó, hàng trăm sự kiện tương tự đã được ghi nhận không chỉ bởi LIGO mà còn bởi các đài quan sát khác như Virgo ở châu Âu và KAGRA ở Nhật Bản. Nhờ đó, các nhà khoa học không chỉ “nhìn thấy” vũ trụ qua ánh sáng, mà còn “nghe được” vũ trụ qua sóng hấp dẫn, mở ra một kỷ nguyên mới của thiên văn học đa sứ giả – nơi ánh sáng, hạt neutrino và sóng hấp dẫn cùng kể câu chuyện về nguồn gốc và tiến hóa của vũ trụ.

10. Hợp nhất hạt nhân, tiến gần hơn tới “năng lượng của Mặt Trời”

Trong hàng thập kỷ, các nhà khoa học đã theo đuổi một giấc mơ: tái tạo phản ứng nhiệt hạch, quá trình cung cấp năng lượng cho các ngôi sao, trong đó các hạt nhân nhẹ như hydro kết hợp lại thành heli, giải phóng năng lượng khổng lồ. Khác với phân hạch (fission) trong lò phản ứng hạt nhân hiện nay, hợp nhất tạo ra năng lượng sạch hơn, không phát thải carbon và gần như không sinh chất thải phóng xạ.



Một lò phản ứng hạt nhân nhiệt hạch thu nhỏ

Năm 2022, tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, Mỹ, các nhà nghiên cứu ở cơ sở NIF (National Ignition Facility) đã đạt cột mốc lịch sử: phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm lần đầu tiên sinh ra nhiều năng lượng hơn năng lượng cung cấp trực tiếp vào nhiên liệu: một hiện tượng gọi là ignition, lược dịch là bén lửa. Dù tổng chi phí năng lượng của hệ thống laser vẫn cao hơn, đây là tín hiệu rõ ràng chứng minh nguyên lý vật lý của năng lượng nhiệt hạch khả thi.

Thành tựu này được xem là bước ngoặt lớn trong hành trình tìm kiếm “năng lượng Mặt Trời trên Trái Đất”, mở ra triển vọng về một nguồn năng lượng tái tạo gần như vô hạn và an toàn. Các dự án quy mô toàn cầu như ITER tại Pháp hay SPARC, Mỹ, đang chạy đua để biến công nghệ này thành thực tế, hứa hẹn rằng trong vài thập kỷ tới, hợp nhất hạt nhân có thể cung cấp năng lượng sạch, rẻ và bền vững cho nhân loại.

11. Những vị khách liên sao đầu tiên: những sứ giả từ ngoài Hệ Mặt Trời

Từ năm 2017, giới thiên văn học đã ghi nhận một sự kiện gây chấn động: lần đầu tiên trong lịch sử, một vật thể đến từ ngoài Hệ Mặt Trời bay ngang qua khu vực của chúng ta. Vật thể ấy được đặt tên là ‘Oumuamua, có nghĩa là “sứ giả đầu tiên từ xa xôi” trong tiếng Hawaii. Nó di chuyển với tốc độ và quỹ đạo không thể giải thích bằng lực hấp dẫn Mặt Trời thông thường, cho thấy rõ ràng rằng nó không có nguồn gốc trong Hệ Mặt Trời.



Mô phỏng Oumuamua, vật thể liên sao từ ngoài Hệ Mặt Trời

‘Oumuamua khiến các nhà khoa học kinh ngạc vì đặc điểm kỳ lạ: không có đuôi băng như sao chổi, hình dạng thon dài như chiếc xì gà, và phản chiếu ánh sáng một cách bất thường. Một số giả thuyết cho rằng nó là mảnh vỡ của một hành tinh bị phá hủy, trong khi một số khác thì táo bào hơn khi cho rằng có thể đó là tàn tích công nghệ của một nền văn minh khác. Dù câu trả lời vẫn còn bỏ ngỏ, phát hiện này đã mở ra một nhánh nghiên cứu hoàn toàn mới “thiên văn học liên sao”.

Sau ‘Oumuamua, các nhà khoa học tiếp tục phát hiện thêm hai vị khách khác: 2I/Borisov vào năm 2019, một sao chổi “chuẩn mực” đến từ ngoài Hệ Mặt Trời, và gần đây hơn là Interstellar Meteor 1 (IM1) được cho là đã rơi xuống đại dương Trái Đất. Với sự ra đời của các đài quan sát thế hệ mới như Vera C. Rubin Observatory, số lượng “khách viếng thăm liên sao” dự kiến sẽ tăng nhanh, giúp con người hiểu rõ hơn về vật chất và lịch sử hình thành của các hệ sao xa xôi.

12. Hình ảnh đầu tiên của một hố đen

Trong nhiều thập kỷ, hố đen chỉ tồn tại như một khái niệm trừu tượng trong vật lý: vùng không gian nơi lực hấp dẫn mạnh đến mức không gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra. Dù các phương trình của Einstein đã tiên đoán sự tồn tại của chúng từ đầu thế kỷ 20, chưa ai từng “nhìn thấy” hố đen thật sự, mãi cho đến năm 2019.


Lần đầu tiên các nhà khoa học tạo ra được bức ảnh chụp một hố đen

Khi đó, Dự án Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (Event Horizon Telescope – EHT), một mạng lưới gồm nhiều kính radio đặt tại tám địa điểm trên khắp Trái Đất, đã hoạt động đồng bộ như một “trái đất khổng lồ” để thu thập dữ liệu. Kết quả sau nhiều năm xử lý đã tạo nên bức ảnh lịch sử chụp bóng của hố đen siêu nặng M87* ở trung tâm thiên hà Messier 87, cách chúng ta 55 triệu năm ánh sáng. Hình ảnh đĩa sáng rực bao quanh vùng tối trung tâm, biểu tượng của “chân trời sự kiện”, đã trở thành biểu tượng khoa học của thế kỷ 21, khẳng định sự đúng đắn của Thuyết tương đối tổng quát.

Từ đó đến nay, các nhà khoa học tiếp tục mở rộng dữ liệu của EHT, và năm 2022 đã công bố hình ảnh đầu tiên của Sagittarius A*, hố đen ở trung tâm Dải Ngân Hà, gần hơn nhưng phức tạp hơn nhiều. Mỗi bức ảnh không chỉ là minh chứng cho trí tuệ và sự kiên nhẫn của con người, mà còn mở ra một kỷ nguyên quan sát mới: nơi chúng ta không chỉ suy đoán, mà thực sự “nhìn thấy” vũ trụ cực đoan bằng chính đôi mắt mình.

13. Các tàu thăm dò tiến vào rìa Hệ Mặt Trời

Hơn nửa thế kỷ sau khi loài người bắt đầu chinh phục vũ trụ, các tàu thăm dò robot của con người nay đã vươn ra tới tận rìa Hệ Mặt Trời, những vùng không nơi nào trước đây từng chạm đến.


Voyager 1, được phóng năm 1977, là vật thể nhân tạo đầu tiên bước vào không gian liên sao vào năm 2012, vượt qua lớp ranh giới nơi gió Mặt Trời không còn chi phối. Dù đã bay hơn 24 tỷ km, con tàu vẫn gửi tín hiệu đều đặn về Trái Đất, mang theo “Đĩa vàng” chứa âm thanh, hình ảnh và lời chào từ nhân loại gửi tới vũ trụ.


Tày Voyager 1 được phóng đi từ trung tâm vũ trụ Kennedy vào năm 1977 và vào năm 2012, con tày này là vật thể đầu tiên của loài người rời khỏi hệ mặt trời

Ở hướng ngược lại, Parker Solar Probe, phóng năm 2018, trở thành tàu vũ trụ tiến gần Mặt Trời nhất trong lịch sử, đi xuyên qua tầng khí quyển ngoài (corona) để nghiên cứu cách Mặt Trời tạo ra gió mặt trời và năng lượng. Cùng lúc, New Horizons bay qua Pluto năm 2015, cho nhân loại những hình ảnh cận cảnh đầu tiên của hành tinh lùn này, tiết lộ một thế giới băng giá nhưng phức tạp và sống động hơn nhiều so với tưởng tượng.


Bức ảnh màu góc hẹp của Trái Đất này, được đặt tên là “Pale Blue Dot” (Chấm Xanh Nhạt), là một phần trong “bức chân dung” Hệ Mặt Trời đầu tiên từng được chụp bởi tàu vũ trụ Voyager 1 của NASA vào ngày 14 tháng 2 năm 1990, khi con tàu đang ở cách Mặt Trời khoảng 3,7 tỷ dặm.

Song song đó, hàng loạt sứ mệnh thu mẫu vật như OSIRIS-REx - mang mẫu tiểu hành tinh Bennu về Trái Đất năm 2023 hay Hayabusa2 của Nhật Bản đã giúp các nhà khoa học nghiên cứu trực tiếp vật chất nguyên thủy từ thuở hình thành Hệ Mặt Trời. Mỗi chuyến đi, mỗi dữ liệu gửi về không chỉ mở rộng biên giới vật lý của con người, mà còn đưa trí tò mò và cả hy vọng tiến thêm một bước vào vũ trụ bao la.

14. James Webb — “con mắt” mạnh nhất nhìn vào vũ trụ sơ khai

Sau hơn hai thập kỷ phát triển và nhiều lần trì hoãn, Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) chính thức được phóng lên vào Giáng sinh năm 2021, đánh dấu bước nhảy vọt lớn nhất trong lịch sử thiên văn học kể từ thời Hubble. Với gương chính đường kính 6,5 mét được phủ vàng siêu mỏng và hệ thống che chắn nhiệt khổng lồ, JWST có thể quan sát ở phổ hồng ngoại, cho phép xuyên qua bụi vũ trụ và nhìn tới tận những thiên hà đầu tiên hình thành chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ Nổ Lớn.


Bức ảnh này, một trong những hình ảnh đầu tiên được công bố từ Kính viễn vọng Không gian James Webb, ghi lại Tinh vân Carina giữa phông nền bầu trời rải đầy những vì sao lấp lánh.

Từ khi đi vào vận hành, Webb đã:

• Quan sát các thiên hà cổ nhất từng được phát hiện, giúp hiểu rõ cách vũ trụ tiến hóa từ hỗn mang ban đầu.
• Phân tích bầu khí quyển của ngoại hành tinh, phát hiện dấu vết hơi nước, carbon dioxide và thậm chí cả những yếu tố có thể gợi ý sự sống.
• Gửi về Trái Đất những hình ảnh vũ trụ tuyệt đẹp, vừa mang giá trị khoa học, vừa chạm đến cảm xúc thẩm mỹ của hàng triệu người.
  

Dù mới ở giai đoạn khởi đầu, JWST đã vượt xa mong đợi, mở đường cho một kỷ nguyên quan sát vũ trụ hoàn toàn mới, nơi chúng ta không chỉ nhìn thấy quá khứ xa xôi của các vì sao, mà còn đến gần hơn với câu hỏi vĩnh cửu: loài người có cô đơn trong vũ trụ hay không?

15. Hơn 6.000 ngoại hành tinh được phát hiện, vũ trụ đầy rẫy những “Trái đất” khác

Chỉ vài thập kỷ trước, ý tưởng về việc tồn tại các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời vẫn chỉ là giả thuyết. Nhưng nhờ công nghệ quan sát tiên tiến, đặc biệt qua các kính viễn vọng không gian Kepler và TESS, con người nay đã xác nhận hơn 6.000 ngoại hành tinh và con số này vẫn tăng lên mỗi năm.

Sứ mệnh Kepler (2009–2018) là bước ngoặt đầu tiên, phát hiện hàng ngàn hành tinh bằng cách ghi nhận sự sụt giảm nhỏ trong ánh sáng sao khi một hành tinh đi ngang qua. Tiếp theo đó, TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) đã mở rộng tầm quan sát ra gần như toàn bầu trời, tập trung vào những ngôi sao sáng hơn và gần hơn, giúp xác định các mục tiêu tiềm năng cho việc tìm hiểu chi tiết hơn. Gần đây, James Webb Space Telescope tiếp tục giai đoạn mới khi phân tích bầu khí quyển của các ngoại hành tinh, phát hiện hơi nước, methane và các dấu hiệu hóa học có thể liên quan đến sự sống.

Tất cả dẫn đến một kết luận làm thay đổi cách chúng ta nhìn vũ trụ: hành tinh là các thực thể phổ biến, không phải ngoại lệ. Nhiều thế giới trong số đó nằm trong “vùng có thể sống được”, nơi nước lỏng có thể tồn tại trên bề mặt, vốn là yếu tố cần thiết cho sự sống như chúng ta biết. Mỗi phát hiện mới không chỉ mở rộng bản đồ thiên hà, mà còn đặt ra câu hỏi sâu sắc: nếu các hành tinh như Trái Đất phổ biến đến vậy, liệu sự sống có tồn tại ngoài vũ trụ bao la?