I. Khi một nhà khoa học xuất sắc nhưng lớn tuổi khẳng định thứ gì đó là khả dĩ thì ông ta gần như chắc chắn là đúng. Còn khi ông cho rằng điều gì đó là bất khả thi, nhiều khả năng ông ta sai.

II. Cách duy nhất để khám phá giới hạn của sự khả thi là dám bước qua những giới hạn ấy để hướng về những điều bất khả.

III. Công nghệ càng tiến bộ thì càng khó phân biệt với ma thuật.

— BA ĐỊNH LUẬT CỦA ARTHUR C. CLARK

“Khiên chắn!”

Trong nhiều tập phim Star Trek, đây là mệnh lệnh đầu tiên của thuyền trưởng Kirk dành cho phi hành đoàn, yêu cầu bật tấm chắn trường lực để bảo vệ phi thuyền Enterprise trước hỏa lực của địch.

Các trường lực đóng vai trò sống còn trong phim Star Trek vì kết quả của trận chiến phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng chống đỡ của trường lực trước các đợt tấn công của đối phương. Mỗi khi năng lượng của các trường lực cạn, vỏ tàu Enterprise lại bị công phá nghiêm trọng cho đến khi việc đầu hàng là không thể tránh khỏi.

Vậy trường lực là gì? Trong khoa học viễn tưởng, nó đơn giản đến mức dễ gây hiểu lầm: một rào chắn mỏng manh vô hình nhưng không thể xuyên thủng, có thể làm lệch tia laser và các tên lửa. Thoạt nghe, trường lực đơn giản tới mức dường như tạo ra nó chỉ trong tích tắc. Người ta mong mỏi đến ngày một nhà sáng chế nào đó tuyên bố đã khám phá ra một trường lực có khả năng phòng thủ. Nhưng sự thật lại không đơn giản như vậy.

Cũng như bóng đèn điện của Edison đã cách mạng hóa nền văn minh hiện đại, trường lực có thể ảnh hưởng sâu sắc lên mọi mặt của cuộc sống. Trường lực giúp quân đội không thể bị tấn công vì nó sẽ tạo ra một tấm khiên không thể xuyên thủng chống lại tên lửa và đạn đạo của đối phương. Về lý thuyết, các cây cầu, đường siêu cao tốc và những con đường có thể được xây dựng chỉ bằng một cái bấm nút. Các thành phố có thể mọc lên từ hoang mạc chỉ trong chớp mắt, với những tòa nhà chọc trời được xây dựng hoàn toàn nhờ vào các trường lực. Những trường lực được dựng lên trong khắp thành phố có thể giúp cư dân ở đó điều chỉnh thời tiết — cuồng phong, bão tuyết và cả vòi rồng — như mong muốn. Các thành phố có thể được xây dựng dưới đáy đại dương bên trong những mái vòm an toàn bằng trường lực. Kính gương, sắt thép và vữa có thể được thay thế hoàn toàn.

Tuy vậy, thật kỳ lạ vì trường lực là một trong những thiết bị khó có thể tạo ra nhất trong phòng thí nghiệm. Trên thực tế, một số nhà vật lý tin rằng trường lực thực sự là bất khả nếu không bổ sung thêm các tính chất cho chúng.

Khái niệm trường lực bắt nguồn từ các công trình của nhà vật lý lỗi lạc người Anh thế kỷ 19 — Michael Faraday.

Sinh ra trong một gia đình thuộc tầng lớp lao động (cha ông là thợ rèn), Faraday nỗ lực tìm cách đổi đời từ vị trí người học việc nghề đóng sách vào đầu những năm 1800. Chàng trai trẻ Faraday bị mê hoặc bởi hàng loạt phát hiện đột phá về các tính chất kỳ lạ của hai lực mới: lực điện và lực từ. Faraday đọc ngấu nghiến tất cả những gì tìm được liên quan đến chúng và tham dự các lớp của giáo sư Humphrey Davy ở Viện Hoàng gia London.

Một ngày, giáo sư Davy bị thương nặng ở mắt trong một tai nạn hóa học và thuê Faraday làm thư ký. Faraday dần nhận được sự tin tưởng của các nhà khoa học ở Viện Hoàng gia và được phép tiến hành các thí nghiệm của riêng mình dù vẫn còn bị coi thường. Năm tháng qua, càng ngày giáo sư Davy càng đố kỵ với người cộng sự trẻ tuổi, một ngôi sao đang lên trong mảng thực nghiệm, thậm chí làm lu mờ cả tiếng tăm của ông. Sau khi Davy mất vào năm 1829, Faraday được tự do tiến hành một loạt thí nghiệm đột phá dẫn đến sự ra đời các máy phát điện có thể cung cấp năng lượng cho cả thành phố và làm thay đổi vĩnh viễn tiến trình của nền văn minh thế giới.

Chìa khóa cho những phát minh vĩ đại nhất của Faraday là khái niệm “trường lực”. Nếu đặt các mạt sắt quanh một nam châm, ta sẽ thấy chúng sắp xếp thành một hệ thống giống hình mạng nhện trong không gian bao quanh. Đó là các đường sức, mô tả một cách hình ảnh cách điện trường và từ trường lan ra không gian. Ví dụ, nếu vẽ đồ thị từ trường của Trái Đất, ta sẽ thấy các đường sức đi ra từ cực bắc và đi vào ở cực nam. Tương tự, nếu vẽ đồ thị các đường sức điện của một cột thu lôi trong cơn dông, ta sẽ thấy chúng tập trung chủ yếu ở đầu nhọn của cột. Theo Faraday, chân không không trống rỗng mà tràn ngập các đường sức có thể dịch chuyển các vật thể ở xa. (Do tuổi thơ khó khăn nên Faraday không được học toán, hệ quả là các cuốn sổ tay của ông không chứa nhiều công thức toán mà tràn ngập những hình vẽ các đường sức. Thú vị thay, chính những thiếu sót trong kiến thức toán học lại giúp ông tạo ra những hình ảnh đẹp đẽ về các đường sức mà ngày nay ta vẫn thấy trong bất cứ cuốn sách giáo khoa vật lý nào. Trong khoa học, các hình ảnh thường quan trọng hơn những thuật toán dùng để mô tả chúng.)

Các sử gia đã nghiên cứu cách Faraday khám phá ra các trường lực, một trong những khái niệm quan trọng nhất của khoa học. Trong thực tế, toàn bộ nền vật lý hiện đại được viết dựa trên ngôn ngữ các trường lực của Faraday. Năm 1831, ông đã có khám phá mang tính bước ngoặt liên quan đến trường lực, từ đó khiến nền văn minh của chúng ta thay đổi mãi mãi. Một ngày nọ, khi đang di chuyển một thanh nam châm ngang qua một cuộn dây dẫn, ông chợt nhận ra mình có thể “tạo ra” dòng điện trong cuộn dây mà không hề tác động đến nó. Điều này cho thấy, một trường vô hình nào đó của nam châm đã đẩy các electron trong dây dẫn chuyển động, từ đó tạo thành dòng điện.

Các trường lực của Faraday, thứ trước đây được cho là vô dụng và chỉ là những đường nét nguệch ngoạc, hóa ra lại là một lực thực sự, có thể di chuyển các vật và tạo ra điện năng. Ngày nay, chính ánh đèn mà ta dùng để đọc trang sách này cũng có thể được cung cấp năng lượng bởi khám phá của Faraday về lực điện từ. Nam châm quay đã tạo ra một trường lực đẩy các electron trong dây dẫn, khiến chúng chuyển động có hướng và tạo thành dòng điện, có thể dùng để thắp sáng bóng đèn. Nguyên lý trên cũng được áp dụng để tạo ra dòng điện cung cấp năng lượng cho các thành phố trên thế giới. Ví dụ, nước chảy ra từ các đập thủy điện làm quay một nam châm khổng lồ đặt trong tua-bin, từ trường của nam châm này di chuyển các electron trong dây dẫn tạo thành dòng điện, được truyền tải bằng đường dây cao thế đến nhà của chúng ta.

Nói cách khác, các trường lực của Michael Faraday là động lực thúc đẩy sự tiến bộ của nền văn minh hiện đại, từ các xe ủi đất dùng điện đến máy vi tính, Internet và iPod ngày nay.

Các trường lực của Faraday đã truyền cảm hứng cho các nhà vật lý trong hơn một thế kỷ qua. Lấy cảm hứng từ chúng, Einstein đã viết nên thuyết trường hấp dẫn. Và tôi cũng chịu tác động từ chúng. Nhiều năm trước, dựa trên ý tưởng về các trường lực của Faraday, tôi đã xây dựng thành công lý thuyết dây và nhờ đó đồng khai sinh ra lý thuyết này. Và trong vật lý, khi có ai đó nói “anh suy nghĩ như một đường sức” thì đó là một lời ca tụng.

BỐN LỰC CƠ BẢN

Trải qua 2.000 năm, một trong những thành tựu đỉnh cao của vật lý là phân loại và nhận diện bốn lực chi phối vũ trụ. Tất cả các lực này đều có thể được mô tả bằng ngôn ngữ trường mà Faraday đã đề xuất. Nhưng thật không may, không có lực nào trong đó mang đủ các tính chất của những trường lực trong khoa học viễn tưởng. Các lực đó là:

1. Lực hấp dẫn: là lực thầm lặng giữ chúng ta trên mặt đất, ngăn cản sự tan rã của Trái Đất và các ngôi sao, cũng như giữ các hệ mặt trời và thiên hà không tách ra xa nhau. Không có lực hấp dẫn giữ lại, chúng ta sẽ bị văng ra khỏi Trái Đất với tốc độ hơn 1.600 kmgiờ do sự quay của hành tinh. Vấn đề ở đây là lực hấp dẫn lại có tính chất trái ngược với trường lực trong khoa học viễn tưởng. Lực hấp dẫn là lực hút chứ không phải lực đẩy, hơn nữa lại thường quá yếu và tác dụng trên khoảng cách thiên văn rất lớn. Nói cách khác, lực này gần như đối lập hoàn toàn với tấm rào chắn phẳng, mỏng và bất khả xuyên thủng ta vẫn thấy trong truyện hay phim khoa học viễn tưởng. Ví dụ, sức hút của toàn bộ Trái Đất mới đủ để hút được một sợi lông vũ rơi xuống đất, nhưng ta có thể thắng được lực hấp dẫn này bằng cách nâng nó lên chỉ với một ngón tay. Vậy là lực tác dụng của ngón tay có thể đánh bại lực hấp dẫn do một hành tinh nặng sáu tỷ tỷ tỷ tỷ kilôgam gây ra.

2. Lực điện từ: là lực thắp sáng các thành phố của chúng ta. Laser, máy phát thanh, tivi, đồ dùng điện tử, máy vi tính, Internet, điện trường, từ trường đều là hệ quả của lực điện từ. Đây có lẽ là lực hữu dụng nhất mà con người từng sử dụng. Không giống lực hấp dẫn, lực điện từ có thể cả hút và đẩy. Tuy nhiên, một vài lý do cho thấy nó không hoàn toàn phù hợp để làm một trường lực. Đầu tiên, nó rất dễ bị vô hiệu hóa. Chẳng hạn, nhựa và các vật liệu cách điện khác có thể dễ dàng xuyên qua điện trường hay từ trường mạnh. Ta có thể ném một mảnh nhựa qua từ trường mà không hề bị cản trở. Thứ hai, trường điện từ tác dụng trên khoảng cách lớn nên khó có thể tập trung trên một mặt phẳng. Những định luật về lực điện từ được mô tả qua hệ phương trình của James Clerk Maxwell, và có vẻ những phương trình này không có nghiệm là các trường lực.

3 & 4. Các lực hạt nhân yếu và mạnh: Lực yếu là lực gây nên các phân rã phóng xạ, cũng là lực gia nhiệt cho lõi của Trái Đất thông qua sự phóng xạ. Đây cũng là lực góp phần gây nên hiện tượng núi lửa phun trào, động đất và lục địa trôi. Lực mạnh là lực giữ hạt nhân ở trong nguyên tử. Năng lượng do Mặt Trời và các ngôi sao phát ra bắt nguồn từ lực hạt nhân và giúp thắp sáng vũ trụ. Vấn đề ở đây là lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn, chỉ ảnh hưởng trong phạm vi hạt nhân nguyên tử. Vì gắn chặt với các tính chất của hạt nhân nên chúng rất khó để điều khiển. Hiện tại, cách duy nhất để chúng ta có thể thao tác với các lực này là phá vỡ cấu trúc hạ nguyên tử bằng các máy va chạm hoặc kích nổ bom nguyên tử.

Mặc dù các trường lực được đề cập trong khoa học viễn tưởng có thể không phù hợp với các định luật vật lý đã biết, nhưng vẫn có cơ sở để cho rằng việc tạo nên các trường lực như vậy là khả thi. Đầu tiên là sự tồn tại của một lực thứ năm, tuy vẫn chưa được quan sát thấy trong phòng thí nghiệm. Một lực như vậy có thể tác dụng trong khoảng cách từ vài cm đến 0,3 m, chứ không phải ở khoảng cách thiên văn. (Tuy nhiên, những nỗ lực ban đầu để nhận diện sự tồn tại của lực thứ năm này vẫn chưa cho thấy kết quả khả quan.)

Thứ hai, chúng ta có thể sử dụng plasma để bắt chước một số tính chất của trường lực. Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất. Rắn, lỏng và khí là ba trạng thái quen thuộc của vật chất, nhưng trạng thái phổ biến nhất trong vũ trụ lại là plasma, một loại khí gồm các nguyên tử bị ion hóa. Vì các nguyên tử của plasma bị xé toạc, với các electron bị tách lìa khỏi nguyên tử, nên chúng mang điện và có thể điều khiển dễ dàng bởi điện trường và từ trường.

Plasma là trạng thái vật chất khả kiến dồi dào nhất trong vũ trụ. Nó tạo thành Mặt Trời, các ngôi sao và những quầng khí trôi nổi ở giữa. Plasma lạ lẫm với chúng ta vì nó ít được tìm thấy trên Trái Đất, nhưng chúng ta có thể thấy chúng dưới dạng các tia sét, Mặt Trời và cả bên trong chiếc tivi plasma.

CỬA SỔ PLASMA

Như đã đề cập ở trên, nếu khí được làm nóng đến nhiệt độ đủ cao để tạo thành plasma, nó có thể được định dạng và thành hình nhờ điện trường và từ trường. Chẳng hạn, plasma có thể mang dạng tấm hoặc dạng cửa sổ chắn. Hơn nữa, “cửa sổ plasma” có thể được dùng để ngăn cách chân không và môi trường không khí. Về nguyên tắc, ta có thể ngăn không khí bên trong phi thuyền rò rỉ ra không gian bằng cách tạo ra một bề mặt phân cách tiện lợi, trong suốt giữa không gian bên ngoài và phi thuyền.

Trong series truyền hình Star Trek, người ta sử dụng một trường lực như vậy để ngăn cách khoang chứa các tàu con thoi loại nhỏ với chân không bên ngoài. Đây không chỉ là cách thông minh để tiết kiệm chi phí mà còn là một thiết bị khả thi.

Cửa sổ plasma được nhà vật lý Ady Herschcovitch phát minh vào năm 1995 tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Brookhaven ở Long Island, New York, Mỹ. Ông phát triển thiết bị này để giải quyết vấn đề hàn kim loại bằng chùm electron. Mỏ hàn axetylen sử dụng một luồng khí nóng để nung chảy và hàn các mảnh kim loại với nhau nhưng chùm electron có thể hàn kim loại nhanh hơn, gọn hơn và rẻ hơn. Tuy nhiên, việc hàn bằng chùm electron cần được thực hiện trong môi trường chân không. Điều này rất bất tiện vì như vậy ta phải tạo ra một buồng chân không lớn bằng cả một căn phòng.

Tiến sĩ Herschcovitch phát minh ra cửa sổ plasma để giải quyết vấn đề này. Chỉ cao 1 m và có đường kính chưa tới 0,3 m, cửa sổ plasma có thể làm nóng khí lên đến gần 6.650°C, tạo ra một plasma được giữ lại trong điện trường và từ trường. Các hạt plasma tạo áp suất đẩy ngăn không khí tràn vào buồng chân không, nhờ đó cách ly buồng chân không với môi trường bên ngoài. (Khi ta dùng khí argon trong cửa sổ plasma, nó phát ra màu xanh dương giống như trường lực trong phim Star Trek.)

Cửa sổ plasma được ứng dụng rộng rãi trong du hành không gian và công nghiệp. Nhiều khi quá trình sản xuất đòi hỏi môi trường chân không để thực hiện gia công và làm khô các vết khắc cho mục đích công nghiệp, nhưng làm việc trong môi trường chân không lại thường đắt đỏ. Với cửa sổ plasma, ta có thể tạo ra môi trường chân không chỉ với một cái bấm nút.

Như vậy có thể sử dụng cửa sổ plasma như một tấm khiên không thể xuyên thủng? Liệu nó có trụ vững dưới sức công phá của một khẩu thần công? Trong tương lai, chúng ta có thể mường tượng ra một cửa sổ plasma có công suất và nhiệt độ vượt trội, đủ sức phá hủy hay thậm chí làm bốc hơi các vật thể bay đến. Nhưng để tạo ra một trường lực thực tế hơn, giống như trong khoa học viễn tưởng, chúng ta phải kết hợp một vài công nghệ xếp lớp với nhau. Từng lớp riêng lẻ có thể không đủ mạnh để chống lại đạn pháo, nhưng khi kết hợp lại thì có thể khác.

Lớp ngoài cùng là một cửa sổ plasma đậm đặc, được làm nóng đến nhiệt độ đủ cao để làm nóng chảy kim loại. Lớp kế tiếp là một tấm màn laser năng lượng cao, gồm hàng ngàn chùm tia laser đan chéo nhau, có thể tạo ra một lớp màng có tác dụng làm nóng rồi làm bốc hơi các vật đi qua. Tôi sẽ thảo luận thêm về tia laser trong chương kế tiếp.

Đằng sau tấm màn laser, ta có thể tưởng tượng một tấm lưới khác được tạo thành từ các ống “nano cacbon” nhỏ xíu, là các nguyên tử cacbon riêng lẻ có bề dày một nguyên tử và cứng hơn thép nhiều lần. Mặc dù chiều dài kỷ lục hiện tại của một ống nano cacbon chỉ là 15 mm, nhưng chúng ta có quyền mong mỏi đến một ngày mà các ống nano cacbon có thể được chế tạo với chiều dài tùy ý. Nếu các ống nano cacbon có thể bện thành một tấm lưới, chúng sẽ tạo ra một rào chắn đủ mạnh, cho phép đẩy lùi hầu hết các vật tiến đến. Vì mỗi ống nano cacbon có kích thước nguyên tử nên chúng vô hình nhưng lại cứng hơn bất cứ vật liệu thông thường nào.

Nhờ sự kết hợp của cửa sổ plasma, tấm màn laser và lưới chắn nano cacbon, chúng ta có thể mường tượng về một bức tường vô hình có khả năng ngăn cản hầu hết mọi vật.

Tuy nhiên, ngay cả tấm khiên nhiều lớp này cũng không có được các tính chất của một trường lực trong khoa học viễn tưởng, vì nó trong suốt và do đó không thể ngăn cản tia laser. Trong trận đánh có sử dụng súng laser, tấm khiến đa lớp này trở nên vô dụng.

Để chống lại laser, tấm khiên này cần được bổ sung thêm đặc tính “đảo sắc”. Đây là quá trình được tích hợp trong kính đổi màu, kính tự tối đi khi tiếp xúc với tia tử ngoại để hạn chế tia này truyền qua. Kính đảo sắc dựa trên các phân tử có thể tồn tại ở ít nhất hai trạng thái. Trong một trạng thái, các phân tử trở nên trong suốt. Nhưng khi tiếp xúc với tia tử ngoại, nó lập tức chuyển sang trạng thái thứ hai để chắn tia này.

Một ngày nào đó, chúng ta có thể sử dụng công nghệ nano để tạo ra một loại vật liệu bền như ống nano cacbon và có thể thay đổi tính chất quang học khi tiếp xúc với laser. Khi đó, tấm khiên có thể ngăn được cả laser chùm hạt hay đạn pháo. Tuy nhiên, hiện nay chúng ta vẫn chưa chế tạo được loại kính đảo sắc có thể chống tia laser.

NÂNG BẰNG TỪ TRƯỜNG

Trong khoa học viễn tưởng, các trường lực không chỉ làm lệch đường đạn mà còn được dùng như một tấm đỡ có thể kháng lực hấp dẫn. Trong phim Back to the Future (Trở lại tương lai), Michael J. Fox (thủ vai Marty McFly) cưỡi một “tấm ván bay” trông giống như ván trượt thông thường nhưng có thể lơ lửng trên đường. Một thiết bị kháng lực hấp dẫn như vậy không phù hợp với các định luật vật lý đã biết (như ta sẽ thấy trong chương 10), nhưng những chiếc xe bay và tấm ván bay được nâng bằng từ trường có thể trở thành hiện thực trong tương lai, mang lại khả năng nâng các vật nặng như ý muốn. Trong tương lai, nếu “vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng” được chế tạo, ta có thể dùng năng lượng của từ trường để nâng các vật.

Nếu ta đặt cực bắc của hai thanh nam châm gần nhau, chúng sẽ đẩy nhau. (Nếu ta đặt cực nam của một nam châm gần cực bắc của nam châm kia thì chúng sẽ hút nhau.) Ta có thể áp dụng nguyên lý này vào việc nâng các vật nặng lên khỏi mặt đất. Hiện đã có vài quốc gia đang xây dựng hệ thống tàu điện tân tiến được nâng bởi từ trường (tàu đệm từ) với hệ thống đường ray sử dụng các nam châm thông thường để nâng đoàn tàu. Vì không có ma sát nên chúng có thể đạt tốc độ kỷ lục nhờ chạy trên một lớp đệm không khí.

Năm 1984, hệ thống tàu đệm từ tự động đầu tiên phục vụ cho mục đích thương mại được đưa vào vận hành ở Vương quốc Anh, chạy từ sân bay quốc tế Birmingham đến nhà ga quốc tế Birmingham ở gần đó. Tàu đệm từ cũng được xây dựng ở Đức, Nhật Bản và Hàn Quốc dù hầu hết không được thiết kế để chạy ở tốc độ cao. Tàu đệm từ thương mại cao tốc đầu tiên được sử dụng ở đường chạy thử nghiệm từng phần (IOS) tại Thượng Hải (Trung Quốc), đạt tốc độ tối đa 431 km/ giờ. Tàu đệm từ của Nhật Bản ở quận Yamanashi đạt vận tốc 581 km/ giờ, nhanh hơn mọi tàu lửa thông thường.

Nhưng các thiết bị sử dụng đệm từ này cực đắt đỏ. Một cách để tăng hiệu suất là sử dụng vật liệu siêu dẫn — những vật liệu có điện trở giảm mạnh khi được làm lạnh đến gần không độ tuyệt đối. Tính chất siêu dẫn được nhà vật lý người Hà Lan Heike Onnes phát hiện vào năm 1911. Nếu một số loại vật nhất định được làm lạnh xuống đến khoảng dưới 20 độ K trên không độ tuyệt đối, điện trở của nó hầu như biến mất. Thông thường, khi chúng ta hạ nhiệt độ của kim loại, khả năng cản trở dòng điện của chúng cũng giảm dần theo. (Điều này là bởi dao động nhiệt của các nguyên tử cản trở dòng điện chạy qua dây dẫn. Bằng cách giảm nhiệt độ, các dao động này cũng yếu đi nên dòng điện chạy qua ít bị cản trở hơn.) Nhưng Onnes vô cùng ngạc nhiên khi nhận thấy điện trở nhất định của một số vật liệu lại giảm đột ngột về không khi đạt đến một nhiệt độ tới hạn nào đó.

Các nhà vật lý nhanh chóng nhận ra tầm quan trọng của kết quả này. Các đường dây tải điện gây ra hao phí năng lượng đáng kể khi truyền điện đi xa. Nhưng nếu toàn bộ điện trở của chúng được loại bỏ thì sẽ không có thất thoát điện năng. Thực tế, nếu chạy trong một mạch kín, dòng điện có thể duy trì trong hàng triệu năm mà năng lượng không hề giảm. Hơn nữa, các dòng điện cực lớn này có thể được dùng để dễ dàng chế tạo ra các nam châm có năng lượng khổng lồ. Với những nam châm như vậy, ta có thể dễ dàng nâng các vật nặng.

Dù có nhiều tiềm năng ứng dụng tuyệt diệu như vậy, nhưng việc sử dụng tính chất siêu dẫn lại có vấn đề là chi phí để nhúng các nam châm lớn vào một bể khổng lồ chứa chất lỏng siêu lạnh thường rất đắt đỏ. Để duy trì chất lỏng ở trạng thái siêu lạnh cần sử dụng một hệ thống máy lạnh rất lớn, khiến việc chế tạo các nam châm siêu dẫn đội giá lên quá cao.

Nhưng sẽ đến một ngày, các nhà vật lý có thể tạo ra được “vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng” — chiếc chén thánh của các nhà vật lý chất rắn. Phát minh ra vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng trong phòng thí nghiệm sẽ khởi đầu cho một cuộc cách mạng công nghiệp mới. Từ trường năng lượng cao nâng được xe cộ và tàu điện sẽ có giá thành đủ thấp để những vật thể bay như vậy trở nên khả thi về mặt kinh tế. Với vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng, những chiếc xe bay huyền thoại trong các bộ phim Back to the Future (Trở lại tương lai), Minority Report (Báo cáo thiểu số) và Star Wars (Chiến tranh giữa các vì sao) sẽ trở thành hiện thực.

Về nguyên tắc, ta có thể đeo một chiếc thắt lưng làm từ nam châm siêu dẫn, giúp ta dễ dàng nâng cơ thể mình lên khỏi mặt đất. Với nó, ta có thể bay trong không khí như Siêu Nhân. Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng gây được nhiều ấn tượng đến mức chúng xuất hiện trong nhiều tiểu thuyết khoa học viễn tưởng (chẳng hạn trong series Ring World — Thế giới nhẫn) do Larry Niven chấp bút vào năm 1970).

Vài thập kỷ trôi qua, nhưng công cuộc tìm kiếm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng của các nhà vật lý vẫn chưa đạt được kết quả. Nó dần trở thành một công việc nhàm chán, quẩn quanh tìm kiếm và kiểm tra hết vật liệu này đến vật liệu khác. Nhưng vào năm 1986, loại vật liệu mới với tên gọi “vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao” được tìm thấy, chúng trở thành vật liệu siêu dẫn khi đạt đến 90 độ trên không độ tuyệt đối, hay 90 độ K, nằm trong tầm với của giới vật lý. Cánh cổng dường như đã mở. Hết tháng này qua tháng khác, các nhà vật lý chạy đua với thời gian để thiết lập kỷ lục mới về vật liệu siêu dẫn. Có những thời điểm tưởng chừng như vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng đã bước ra khỏi các trang giấy của khoa học viễn tưởng để đi vào đời thực. Nhưng sau vài năm phát triển với tốc độ chóng mặt, những nghiên cứu về vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao bắt đầu hạ nhiệt.

Kỷ lục thế giới hiện nay đối với siêu dẫn nhiệt độ cao thuộc về một hợp chất ôxit có chứa đồng, canxi, bari, tali và thủy ngân, đạt đến trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ 138 độ K (-135°C). Nhiệt độ tương đối cao này vẫn còn cách xa nhiệt độ phòng. Nhưng kỷ lục 138 độ K này là rất quan trọng. Nitơ hóa lỏng ở 77 độ K và nitơ lỏng chỉ có giá ngang với sữa. Như vậy nitơ lỏng có thể được dùng để làm lạnh các vật liệu siêu dẫn với giá thành thấp. (Dĩ nhiên, các vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng sẽ chẳng cần phải làm lạnh.)

Đáng tiếc thay, hiện chưa có lý thuyết nào giải thích được hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao. Thực tế, giải Nobel vẫn đang chờ đợi nhà vật lý xuất chúng nào đó giải thích được cách thức vận hành của hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao. (Các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao này tạo thành từ các nguyên tử được sắp xếp theo những lớp đặc biệt. Nhiêu nhà vật lý cho rằng sự phân lớp của vật liệu gốm cho phép các electron có thể dịch chuyển tự do trong mỗi lớp, tạo nên tính siêu dẫn. Nhưng điều này diễn ra chính xác như thế nào thì vẫn còn là một bí ẩn.)

Cũng vì hạn chế này, các nhà vật lý không may lại quay về với quá trình loay hoay tìm kiếm các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao mới. Điều này có nghĩa là các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng có thể được khám phá ngay ngày mai, trong năm tới, hoặc không bao giờ. Không ai biết khi nào, hay thậm chí có thể tìm thấy chúng hay không.

Nhưng một khi vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng được khám phá ra, vô vàn ứng dụng thương mại của chúng sẽ được đưa vào sản xuất. Các từ trường mạnh hơn từ trường Trái Đất cả triệu lần rồi sẽ trở nên tầm thường.

Một tính chất phổ biến của tính siêu dẫn là hiệu ứng Meissner. Nếu đặt một nam châm bên trên một vật liệu siêu dẫn, nam châm được nâng lên như thể bị một lực vô hình đẩy lên. (Nguồn gốc của hiệu ứng Meissner là do nam châm tạo ra một nam châm “ảnh gương” bên trong vật liệu siêu dẫn, dẫn đến sự đẩy nhau giữa nam châm ban đầu và nam châm ảnh gương. Ở một góc nhìn khác, từ trường không thể xuyên qua vật liệu siêu dẫn mà bị đẩy ngược lại. Do đó, nếu một nam châm được đặt phía trên một vật siêu dẫn, đường sức của nó bị vật siêu dẫn đẩy lại, và các đường sức này lại đẩy ngược lại nam châm, khiến nam châm được nâng lên.)

Với hiệu ứng Meissner, ta có thể mường tượng về một tương lai khi đường cao tốc được xây dựng từ những loại gốm đặc biệt này. Khi đó các nam châm được gắn trong thắt lưng hay đế giày sẽ giúp ta bay lơ lửng tới nơi cần đến mà không bị cản trở hay thất thoát năng lượng.

Hiệu ứng Meissner chỉ xuất hiện ở các vật liệu có từ tính như kim loại. Nhưng ta cũng có thể dùng nam châm siêu dẫn để nâng các vật liệu không có từ tính, gọi là chất thuận từ và chất nghịch từ. Tự thân các vật liệu này không có từ tính, chúng chỉ xuất hiện các tính chất từ khi được đặt trong một từ trường ngoài. Vật thuận từ bị nam châm hút, trong khi vật nghịch từ lại bị đẩy.

Ví dụ, nước là một chất nghịch từ. Vì tất cả thể sống được tạo thành từ nước nên chúng có thể được nâng lên khi có một từ trường mạnh. Với từ trường khoảng 15 tesla (mạnh hơn từ trường Trái Đất 30.000 lần), các nhà khoa học có thể nâng một số động vật nhỏ, như ếch. Nhưng nếu siêu dẫn nhiệt độ phòng trở thành hiện thực, người ta có thể dùng nó để nâng cả các vật lớn không có từ tính, nhờ vào tính chất nghịch từ của chúng.

Tóm lại, các trường lực thường được mô tả trong khoa học viễn tưởng không trùng khớp với bốn lực vận hành vũ trụ. Tuy nhiên, chúng ta có thể mô hình hóa nhiều tính chất của các trường lực bằng cách sử dụng một tấm khiên đa lớp, bao gồm các cửa sổ plasma, màn chắn laser, các ống nano cacbon và kính đảo sắc. Nhưng việc chế tạo một tấm khiên như vậy phải mất nhiều thập kỷ, thậm chí cả thế kỷ hoặc lâu hơn nữa. Và nếu các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng được tìm thấy, ta có thể sử dụng từ trường rất mạnh để nâng xe cộ, tàu điện và các vật thể bay trong không khí như đã thấy trong phim khoa học viễn tưởng.

Với những xem xét trên đây, tôi sẽ xếp trường lực vào nhóm Bất khả thi loại I — là những thứ chưa thể thực hiện với công nghệ ngày nay nhưng khả dĩ trong thế kỷ tới, với một vài điều chỉnh cẩn thiết.