Kỷ Yếu "Hạt Higgs và Mô hình chuẩn

Điểm sách

Cuộc Phiêu Lưu Kỳ Thú của Khoa học"¹

Nhóm chủ biên: Cao Chi – Chu Hảo – Pierre
Darriulat – Nguyễn Xuân Xanh – Phạm Xuân Yêm
 

Ảnh minh hoạ mô hình chuẩn bằng hoa và giấy của Nguyễn Hữu Khánh, nhà vật lý hạt
thực nghiệm đã làm việc nhiều năm ở CERN, DESY, SLAC. Thân cây là hạt boson Higgs.
Nhánh phải là các hạt tải lực, bên trái là các hạt vật chất gồm các quark và lepton

LỜI PHI LỘ

 

 

Quý độc giả kính mến,

Các quốc gia phát triển và nhiều quốc gia khác trên thế giới hiện nay đều có những hạt Higgs của mình cho đọc giả đại chúng. Nay chúng ta cũng có một hạt Higgs cho đọc giả Việt Nam.

Quyển sách Kỷ yếu Hạt Higgs mà quý đọc giả cầm trên tay là kết quả của những nỗ lực của các nhà khoa học sống ở Việt Nam cũng như ở hải ngoại. Nếu tính từ ngày chúng tôi gửi lời kêu gọi tham gia vào đầu tháng 8 năm 2012 cho đến nay đã một năm rưỡi trôi qua, một thời gian dài ‘kỷ lục’ trong cuộc đời các số kỷ yếu. Cao nhất có lẽ là thời gian của Kỷ yếu Đại học Humboldt là một năm. Quả là hạt Higgs ‘khó tìm’, trong thực nghiệm, cũng như trong dạng một Kỷ yếu, vì nó không dễ nắm bắt. Nhưng có sao đâu. Thế giới đã chờ 48 năm để tìm hạt boson Higgs thì chúng ta chờ thêm nửa năm nữa thì có sao đâu. Vả lại, vô tình Giải Nobel 2013 đã ‘hâm nóng’ đề tài hạt Higgs của Kỷ yếu, làm cho nó trở nên ‘hấp dẫn’ gấp bội.

Cơ chế Higgs và Mô Hình Chuẩn, lý thuyết của các hạt cơ bản tạo ra khối lượng thấy được của vũ trụ, là cuộc hành trình kỳ thú của thế kỷ 20, của các nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm. Không ai ngờ cơ chế Higgs để tạo khối lượng, mô hình Quark, sự thống nhất hai lực điện từ và lực yếu, lực mạnh điều khiển và giam các quark, những viên gạch nhỏ nhất mà loài người muốn đi tìm từ thời cổ đại, đã xuất hiện một cách rất ngạc nhiên như những mảnh zig zag liên kết nhất quán với nhau của một bức tranh vô cùng thú vị của tạo hóa. Cơ chế Higgs và gắn liền với nó là sự phá vỡ đối xứng của thuyết điện yếu thống nhất là ‘chứng tích’ của sự tiến hóa của vũ trụ, đúng như kịch bản big bang đề ra.

Sự khám phá hạt Higgs là một xác nhận trọn vẹn Mô hình Chuẩn giải thích sự vận hành và tương tác của các hạt cơ bản tạo ra vũ trụ này, trong đó có chúng ta, có hành tinh xanh yêu dấu của chúng ta, có dải ngân hà kỳ vĩ. Không có hạt Higgs, không có nguyên tử, không có hành tinh, và không có chúng ta. Ngày 4 tháng 7 năm 2012 do đó là “ngày vĩ đại” của vật lý hạt, và của trí tuệ nhân loại.

Thượng đế tinh tế nhưng không ‘thâm hiểm’ như Einstein nói ư? Chính ông cụ đi tìm hoài bản đồ tạo hóa, nên bực bội nói thêm: Có thể Thượng đế ‘thâm hiểm’ lắm. Và nhìn vào cấu trúc của các hạt, với những tính chất lượng tử nhiều lớp không ngờ của chúng, với những lực quản lý và kết chúng lại trong lòng các nguyên tử cũng rất ư lạ thường, có người cũng đi đến suy nghĩ, “Trời cao có thể thâm hiểm lắm”, ông không dễ tiết lộ một cách dễ dàng ‘cơ trời’ tạo ra khối lượng của vật chất của chúng ta đâu. Con người ‘thơ ngây’ và hời hợt, chờ đợi những cái quá dễ dàng. Thế giới và chúng ta được tạo ra dễ dàng hay sao? Nhưng rồi qua Mô Hình Chuẩn và Hạt Higgs con người đã bắt đúng mạch tư duy của Thượng đế, ‘y chang’ như Ngài nghĩ.

Vẻ đẹp của Mô Hình Chuẩn và Cơ chế Higgs không trực quan gọn gàng như thuyết tương đối hay lượng tử. Có những cái cũng trực quan được, dễ hình dung, nhưng khi đi vào nhiều chi tiết thì tình hình phức tạp hơn. Ở đây chúng ta có ‘vẽ đẹp lạ’ (strange beauty), như tiêu đề của một quyển sách về Murray Gell-Mann, ‘vua của hạt cơ bản’, vì rất nhiều thứ đều lạ mắt cả. (Dĩ nhiên thuyết thương đối hay lượng tử đều lạ mắt cả.) Lạ và, xét về kỹ thuật, cũng phức tạp nữa. Ở tận cùng đáy sâu của chân lý, tạo vật không quá đơn giản. Vì thế nên nhà vật lý lý thuyết Sidney Coleman của Đại học Havard, học trò của Murray Gell-Mann, mới dám nói một cách ‘khiêu khích’ rằng, một ngàn nhà triết học trong một ngàn năm cũng không khám phá được những gì mà cuộc cách mạng vật lý của thế kỷ hai mươi đã mang lại về nhận thức cho nhân loại. Tuy nhiên, mọi thứ đều có thể hiểu được cả: “Không phải Chúa biết, tôi biết, mà cuối học kỳ, các bạn cũng sẽ biết” như một trong những câu nói nổi tiếng của Sidney Coleman.

Mô Hình Chuẩn và hạt Higgs thuộc khoa học cơ bản, trước mắt phục vụ việc tìm kiếm những nguyên lý tối hậu của vũ trụ, thỏa mãn sự tò mò vô hạn của con người từ bao đời trong khoa học, chứ không ai nghĩ để làm một ngành công nghiệp ‘quarkonics’ với các hạt cơ bản quark của vật chất, như đã từng xảy ra với electron. Có thể có người nói nó ‘vô bổ’ và ‘tốn kém’. Tốn kém thì đúng. Nhưng ‘vô bổ’ thì chưa chắc. Sau một buổi diễn thuyết nổi tiếng về hiện tượng điện của Faraday tại Royal Society, một vị dân biểu của quốc hội Anh hỏi: “Công dụng của tất cả những thí nghiệm đẹp kia là gì?”. Faraday trả lời một cách gián tiếp: “Công dụng của một đứa trẻ mới sinh ra là gì?” Đứa trẻ sau đó đã trở thành nền công nghiệp điện. Khi J.J. Thomson tìm được electron, điện tử, có người đã ‘chúc mừng’ mỉa mai ông, rằng mong hạt đó sẽ ‘sống mãi’. Rồi ngành kỹ nghệ electronics ra đời.

Trong thời đại Mô Hình Chuẩn, world wide web là một sản phẩm phụ của CERN nhưng đã có trị giá thương mại nhiều trăm tỉ đô la, nếu không nói hơn, so với đầu tư tìm hạt Higgs ở CERN vào khoảng 10 tỉ đô la. Đâu ai biết được tương lai xa.

Nhân loại vẫn còn nhiều tham vọng phía trước, bởi tất cả các lực của vũ trụ chưa được thống nhất vào một mối. Chúng phải xuất phát từ một luật tổng thể nào thuở xưa khi thế giới còn nóng bỏng, ở đó tồn tại một ‘siêu đối xứng’. Với sự phát hiện hạt Higgs, một chương mới của lịch sử vật lý mở ra mà người ta chưa thấy hết được tầm hệ quả. Các chương trình như Grand unification (Đại thống nhất), Supersymmetry (Siêu đối xứng) và String theory (Lý thuyết dây) với các chiều dư không-thời gian (space - time extradimension) là những dự tính còn ở phía trước. Mô hình Chuẩn có thể phục vụ như một ‘bàn đạp’ hay ‘trạm trung chuyển’, một ‘hệ qui chiếu’ để con người tiến đến những ‘vì sao’ xa hơn trong vũ trụ tri thức mênh mông.

Kể chuyện hạt Higgs ‘không phải chỉ có hạt Higgs’. Mà phía sau là cả một lịch sử phát triển của vật lý hạt đầy kịch tính. Khi Peter Higgs được yêu cầu kể về công trình của ông cho người không chuyên nghiệp nghe, ông bối rối: “Điều đó khó, vì người ta phải trở về thời xa xôi của lịch sử vật lý cho đến tận những nền tảng (của nó).” Sau đó ông bắt đầu câu chuyện bằng Big Bang với những tên của các lực và của những nhà vật lý như những anh hùng với các chiến tích như trong chuyện cổ tích cho trẻ em.

Nội dung của Kỷ yếu gồm có các phần lý thuyết, lịch sử, cuộc tìm kiếm bằng thực nghiệm qui mô, và phần nhân văn về mối quan hệ giữa khoa học và xã hội. Phần lịch sử cuộc tìm kiếm thực nghiệm hạt Higgs của các chương 2-3 và 4 đi vào chi tiết với các cây bút chuyên gia quốc tế hàng đầu. Hiểu được phần nào công việc này, mới hiểu thêm cái vinh quang của cuộc tìm kiếm vô cùng công phu. Công trình này là cả một ‘kỳ quan’ của trí tuệ.

Kỷ yếu đặc biệt vui mừng nhận được « Đôi lời mở đầu » của GS Ngô Bảo Châu. Đây không phải là lời giới thiệu thông thường để tạo PR cho Kỷ yếu. Thực tế, GS Ngô Bảo Châu đã tiết lộ sự áp dụng ý tưởng của Cơ chế Higgs để giải quyết Bổ đề toán học Langlands của giáo sư. Đó là một khám phá vô cùng thú vị. Những lý thuyết của vật lý, khi thành công, có thể có những ảnh hưởng vào toán học. Và ngược lại, những lý thuyết toán học đi trước bỗng nhiên một ngày nào đó có ảnh hưởng vào vật lý như ‘đúc’. Đó là một sự thật kỳ thú của lịch sử.

Chúng tôi hy vọng, quyển kỷ yếu hạt Higgs sẽ góp phần đánh thức sự tò mò, thúc đẩy không khí yêu thích khoa học, lý thuyết lẫn thực nghiệm hay áp dụng, đang rất cần cho cuộc đổi mới và xây dựng đất nước. Việt Nam phải làm ‘người trong cuộc’ của nền khoa học thế giới, và giàu có, phát triển, hoặc làm ‘người ngoại cuộc’ và nghèo khó, lạc hậu. Khoa học được xuất hiện từ một cấu trúc xã hội, như một loại cây ghép cành, và trở lại phục vụ xã hội đó một cách đích đáng.

Thành tựu khoa học là sự thể hiện của văn hoá. Phương Tây từ lâu là miền đất có đầy đủ những điều kiện chính trị, xã hội, kinh tế thuận lợi nhất để khoa học phát triển. Phương Tây đã bứt đi khỏi các nền văn hoá khác từ những thế kỷ 16, 17 trở đi dựa trên sức mạnh của các khám phá khoa học, công nghệ. Nhưng các quốc gia khác cũng đang cải thiện mình và tham gia ngày càng hiệu quả vào sự phát triển khoa học của thế giới. Khoa học không còn là một ‘độc quyền’. Châu Á, một châu lục đang vươn lên mạnh mẽ, đã có những đóng góp rất quan trọng cho sự hình thành của Mô hình chuẩn, từ Nhật bản (với Yukawa, Tomonaga, Sakata, Nambu, Kobayashi, Maskawa), từ Ấn độ, Pakistan (với Bose, Salam), từ Trung quốc (với Yang, Lee, Wu, Ting), và từ Hàn quốc (với Benjamin Lee). Lịch sử cho thấy, những dân tộc nào có óc tò mò cao, thường được đền đáp bằng sự phồn vinh xã hội. Nhật Bản cũng đang tham vọng xây một máy gia tốc lớn để quy tụ tri thức nhân loại về châu Á.

Chương cuối của Kỷ yếu đề cập mối quan hệ giữa khoa học và xã hội với nhiều đóng góp rất thú vị. Xã hội Việt Nam chỉ mới có cột đỡ nhân văn, văn chương thi phú và tinh thần bất khuất chống ngoại xâm đến cùng, nhưng chưa có cột đỡ khoa học vững chắc để tạo nên sự phồn vinh, sức mạnh, và đổi mới văn hóa truyền thống đang thiếu chất sống. Người làm khoa học cảm thấy còn lạc lõng. Ở các xã hội phát triển, khoa học là nhân tố trung tâm thấm đẫm các định chế của xã hội, và đại học là những nơi làm ra khoa học, tri thức. Khoa học như các hồng huyết cầu lưu chuyển trong mạch máu để đem đến sự sống cho từng tế bào cơ thể, trực tiếp hay gián tiếp, luôn luôn được sinh ra bất tận. Xã hội nào thiếu khoa học thấm đẫm như thế, xã hội đó yếu ớt và dễ bị bịnh hoạn. Các ‘cuộc chiến kinh tế’ giờ đây là cuộc chiến của các khoa học, công nghệ. Các cuộc chiến tranh bằng súng đạn lại càng như thế. Xưa nay vẫn thế. Tương lai vẫn thế. Thế chiến thứ II lại càng chứng tỏ hơn bao giờ hết là một cuộc chiến tranh của khoa học và công nghệ ở cấp độ cao cấp nhất, tinh vi nhất. Và khoa học có những qui tắc đạo đức nhất định của nó đối với lương tâm mà nếu không được tuân thủ, khoa học chỉ là sự dối trá phá hoại hơn là có lợi cho xã hội, và là ‘một sự tàn rụi của tâm hồn’, như François Rabelais nói.

Chúng tôi mong mỏi quý đọc giả quảng bá cho câu chuyện lịch sử Mô hình Chuẩn, hạt Higgs và cuộc truy tìm nó, cũng như truy tìm các hạt cơ bản, trong tinh thần thông tin, giáo dục và truyền cảm hứng, là ‘tôn chỉ’ của các số kỷ yếu, và xin đón nhận kỷ yếu với sự lượng thứ cho những thiếu sót tồn tại do lực bất tòng tâm.

Xin chân thành cám ơn.