Giải Nobel Vật lý 2004 và kiểu mẫu Tiêu chuẩn

Vietsciences-Nguyễn Trọng Cơ               14/03/2005 

 

 

Ngày 5 tháng 10 vừa qua Hàn lâm viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công bố tên những khoa học gia thắng giải Nobel Vật lý. Trước đó một ngày, giải Sinh lý/Y học cũng đã có kết quả. Trong những ngày sau đó tin tức về các giải Hóa học, Hòa bình, Văn chương và Kinh tế cũng được phổ biến. Phần thưởng năm nay bằng năm ngoái, 10 triệu đồng Thụy điển cho mỗi bộ môn, khoảng 1.37 triệu Mỹ kim theo thời giá.

Ba khoa học gia đoạt giải Nobel Vật lý năm nay là:

David J. Gross, sinh năm 1941, quốc tịch Mỹ, làm việc tại Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California, Santa Barbara, CA, USA,

H. David Politzer, sinh năm 1949, quốc tịch Mỹ, làm việc tại California Institute of Technology (Caltech), Pasadena, CA, USA, và

Frank Wilczek, sinh năm 1951, quốc tịch Mỹ, làm việc tại Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, USA.

Theo Ủy ban tuyển chọn, ba ông thắng giải vì đã có những khám phá mới mẻ về “Asymptotic Freedom in the theory of the Strong Interaction” (tạm dịch: Sự Tự do Tiệm tiến trong lý thuyết Tương tác Mạnh).

Tương tác Mạnh là gì?

Để trả lời câu hỏi này chúng ta không thể không biết qua về hạt cơ bản, vốn là những hạt rất nhỏ, được coi như không thể phân chia được.

 

 Đại cương về Hạt cơ bản

Từ xưa, người ta tưởng chỉ có một số ít hạt cơ bản như electron (mang điện âm), proton (mang điện dương), neutron (trung tính),…Dần dần, người ta tìm thấy thêm nhiều hạt mới và xếp tất cả thành bốn loại: 

loại 1 chứa photon (quang tử); loại 2 tên lepton gồm electron, muon, tau, và 3 thứ neutrino (electron, muon, tau); loại 3 được gọi là baryon chứa proton, neutron và lambda; loại 4 là meson chứa các hạt: pion dương, pion trung tính, kaon dương, D cộng, J/psi,…

Với mỗi Hạt trên thường có Phản hạt (Antiparticle), có cùng Khối lượng nhưng mang

Điện tích trái dấu. Thí dụ như Positron là Phản hạt của Electron.

Chưa hết!

Trong thập niên 1960s, vật lý gia Mỹ Murray Gell-Mann (sinh năm 1929; đoạt giải Nobel Vật lý năm 1969), khi khảo sát một số hạt có tính chất khác thường như proton, neutron và pion dương (gọi chung là hadron), đã đưa ra một lý thuyết trong đó các hạt này có thể được xếp thành từng họ (families) có đặc tính toán học giống như “nhóm 8” của đại số. Tính chất này cũng được vật lý gia Do thái Yuval Ne’eman (sinh năm 1925) nhận thấy trong lúc khảo cứu riêng rẽ.

Dựa vào lý thuyết trên, Gell-Mann tiên đoán rằng phải có ba loại hạt nào đó mà ta chưa biết, mang điện tích không nguyên (fraction of charge). Ông gọi chúng bằng một tên rất kỳ lạ: “Quark”. Tên này ông lấy từ một đoạn văn trong cuốn tiểu thuyết của nhà văn James Joyce. Cũng trong thời gian đó, George Zweig (sinh năm 1937), một vật lý gia Mỹ khác, năm 1963 cũng có một đề nghị tương tự về loại hạt này.

 Ba mảnh quark trên có tính chất rất bình dân là “mùi” (flavor), gồm: ‘up’, ‘down’, và ‘strange’ mà chi tiết được trình bày như dưới đây:

Ta biết rằng điện tích của electron là –e, hay đơn giản hơn, được viết là -1. Từ đó, ‘up quark’ (ký hiệu: u) sẽ có điện tích: +2/3, ‘down quark’(d) và ‘strange quark’(s) tuy có cùng điện tích -1/3 nhưng có khối lượng khác nhau. Những điện tích không phải là số nguyên như 2/3, 1/3 vừa kể ban đầu đã làm các khoa học gia “phát điên” nhưng sau này đành phải chấp nhận vì đó là  “sự thật”. Theo đó, proton có điện tích +1 gồm ba quark: 2 ‘up quark’ và 1 ‘down quark’.

Thử lại tổng số điện tích ta thấy  2/3 + 2/3 -1/3 = +1, đúng!

Neutron vốn trung tính được tạo bởi 1 ‘up quark’ và 2 ‘down quark’. Cộng điện tích lại ta thấy 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0, không sai! 

Sau khi tìm ra quark ta thấy hai điều quan trọng:

- Thứ nhất, điện tích –e của electron (hay +e của proton) không phải là điện tích nhỏ nhất vì còn có thể chia nhỏ ra được nữa.

- Thứ hai, những hạt trước kia gọi là cơ bản như proton, neutron,… đã được cấu tạo bởi những hạt nhỏ hơn.

 

Sau này người ta còn tìm ra 3 loại quark nữa. Đó là:

*  ‘charm quark’(c), ‘top quark’(t), và ‘bottom quark’(b) có điện tích lần lượt  +2/3, +2/3, -1/3. Để các quark có thể những đặc tính khác, người ta còn thêm “Mầu” hay “Sắc” (Colour/Color) vào quark.

* Có ba loại mầu: Đỏ (Red), Xanh da trời (Blue) và Xanh lá cây (Green). Tập hợp ba mầu trên tạo thành mầu Trắng, hay Trung tính (Neutral).

 Tóm lại, các quark có thể khác nhau ở Điện tích, Khối lượng, Mầu hay Spin (3).

Quark có phản hạt là Antiquark, và Mầu cũng có Phản mầu (Anticolour).    

Bây giờ ta có thể trở lại vấn đề Tương tác.

 

 Bốn  loại Tương tác 

Cho đến nay, các khoa học gia đã đồng ý là có bốn loại Tương tác trên vật chất. Đó là:

- Tương tác Điện Từ gồm những lực do Điện (Electricity), Từ (Magnetism) hay Ánh sáng,

- Tương tác Yếu (Weak Interactions) xẩy ra trong sự Phân huỷ tia Beta (Beta Decay) (1), hay Tác động giữa các Neutrino,…,

- Tương tác Mạnh (Strong Interactions) liên hệ đến các lực giữ các hạt Quark trong Proton hay Neutron, hoặc các lực giữ các Proton hay Neutron nằm trong Nhân nguyên tử, và

- Tương tác do Trọng lực (Gravitation) vốn là những lực gây bởi sức nặng của những vật liên hệ.

Theo tên gọi, Tương tác Mạnh có sức tương tác lớn nhất, khoảng

* 100 lần Tương tác Điện Từ,

* một triệu (106) lần Tương tác Yếu, và

* tỷ, tỷ,…(1038) lần Tương tác do Trọng lực.  

 

Tầm hoạt động của Tương tác Mạnh trong khoảng một phần triệu tỷ mét (10-15 m), Tượng tác Yếu trong khoảng mười phần tỷ tỷ mét (10-17 m). Còn Tương tác Điện Từ và Tương tác do Trọng lực có tầm hoạt động Vô hạn (Infinite).  

Từ lâu, các Tương tác trên, do nhu cầu thực nghiệm, đã được nghiên cứu riêng rẽ do đó người ta đã tìm ra một số định luật riêng trong từng loại, có vẻ như không liên hệ gì với nhau. Tin rằng các Tương tác trên bắt đầu từ một nguồn, trong nhiều thế kỷ các Vật lý gia đã cố gắng liên tục đi tìm có một số định luật cơ bản bao trùm các định luật riêng rẽ đã có từ trước (2). Hướng đi gần đây nhất liên hệ đến Hạt cơ bản và Lực, gọi là Kiểu mẫu Tiêu chuẩn của Vật lý Hạt tử (Standard Model of  Particle Physics), đã có những kết quả rất khích lệ trong việc kết hợp các tương tác Điện Từ, Yếu và Mạnh. Tuy nhiên các nhà khảo cứu đã gặp trở ngại nghiêm trọng trong cố gắng liên kết với tương tác do Trọng lực, vốn rất yếu ở kích thước nguyên tử. Ta sẽ trở lại loại tương tác này ở phần cuối bài.

Vậy Kiểu mẫu Tiêu chuẩn là gì?

 

 Kiểu mẫu Tiêu chuẩn (Standard Model)

Một cách đơn giản đây là Lý thuyết Trường Lượng tử (Quantum Field Theory; viết tắt là QFT) mà yếu tố căn bản là Trường (Field), vốn gồm nhiều loại trong đó có Điện trường và Từ trường mà ta đã biết từ thời Trung học. Những dao động Sóng nhỏ (ripples) trên những Trường này di chuyển Năng lượng và Động lượng (momentum) từ nơi này đến nơi khác. Theo thuyết Cơ học Lượng tử (Quantum Mechanics) (3) các sóng trên đi thành từng Bó (bundles) gọi là Lượng tử hay Nguyên lượng (Quantum/Quanta). Trên lý thuyết, các Lượng tử này chính là những hạt Cơ bản của những Trường liên hệ. Như vậy Sóng hay Hạt chỉ là hai mặt của cùng một thực thể Vật chất (4). Ngoài ra, ở kích thước nhỏ các hạt tử thường chuyển động rất nhanh nên các tính toán phải theo thuyết Tương đối Hẹp (Special Relativity theory) của Einstein (4’).

Để kiểm chứng các lý thuyết cũng như truy tìm những điều khác lạ, những nghiên cứu thực nghiệm về hạt cơ bản cũng được ráo riết thực hiện tại tại các phòng Thí nghiệm Hạt nhân lớn trên thế giới (5). Kết quả cho thấy thuyết Trường Lượng Tử khá vững vàng. Một thí dụ là trong Trường Điện Từ (Electromagnetic Field), Lượng tử được tìm ra là Photon, một loại hạt cơ bản rất quen thuộc. Trong những Trường Lepton, người ta tìm ra các Lượng tử Electron, Muon, Tau và Neutrino mà ta đã kể ở phần trước.

Đặc biệt, Khối lượng (Mass) của các hạt tử ở trên được gây nên bởi một loại Trường tên là Trường Vô Hướng (Scalar Field), khác với các Trường kể trên, vốn có Hướng (Direction). Hơn nữa, thuyết trên còn cho rằng Tương tác giữa hai vật chỉ là sự trao đổi những hạt đặc biệt gọi là Hạt mang Lực (Force-carrying Particle). Thí dụ như Photon là Hạt mang Lực trong tương tác Điện Từ.

Cũng cần lưu ý là theo thuyết Thống kê những Hạt mang Lực được gọi là Boson và  những hạt vật chất như electron, proton, quark được xếp vào loại Fermion (6). 

 

Đối xứng Chuẩn định và Tái chuẩn hóa

Một điều quan trọng khác phải kể ra ở đây là thuyết Trường Lượng tử dựa trên ý niệm Đối xứng Chuẩn định (Gauge Symmetry) mà tính chất cơ bản giống như quan niệm về Điện thế (Voltage) trong điện học. Theo đó, như ta đã biết, Hiệu số Điện thế quan trọng hơn bản thân của mỗi Điện thế. Điều này dẫn đến việc  chọn một điện thế zero chung cho hệ thống mà người ta thường gọi là Chọn mức Chuẩn định (Gauge’s choice) (7).

Ngoài ra, Kiểu mẫu Tiêu chuẩn được coi là một loại Trường Lượng tử đặc biệt có thể Tái chuẩn hóa (Renormalizable). Ý niệm Tái chuẩn hóa đã được nói đến từ hơn nửa thế kỷ về trước khi các vật lý gia bắt đầu dùng thuyết Trường Lượng tử để tính toán sự dời nhỏ của các mức năng lượng trong nguyên tử. Họ thấy rằng trong các phép tính trên kết quả luôn luôn cho ra những lượng vô hạn (infinite quantities). Điều này cho thấy hoặc lý thuyết vừa kể có sơ hở hoặc sự tính toán đã đi ra ngoài phạm vi của lý thuyết. Cuối cùng họ tìm ra một lối loại bỏ các lượng vô hạn trên bằng cách “thu” chúng vào một số hằng số vật lý (như điện tích hay khối lượng của electron) với kỹ thuật Tái định nghĩa (redefinition) mà tên thông thường là Tái chuẩn hóa.

Bây giờ ta hãy thử tìm hiểu sự phát triển của Tương tác Điện Từ trong mấy chục năm qua để từ đó ta có thể hiểu làm sao Tương tác Yếu và  Tương tác Mạnh có thể kết hợp với Tương tác này.

 

Tương tác Điện từ

Như trên đã nói, Tương tác Điện Từ khác với các Tương tác khác ở sức Tương tác và Tầm hoat động. Tính chất của Tương tác Điện Từ được được mô tả trong Thuyết Điện Động Lượng tử (Quantum ElectroDynamic; QED), vốn gồm thuyết Điện Động học cổ điển được cải tiến theo thuyết Cơ học Lượng tử bởi các khoa học gia Dirac, Heisenberg và Pauli (8).

Là một luồng gió mới, trong một thời gian dài, thuyết QED đã đưa ra những tiên đoán cũng như những tính toán rất chính xác chuyển động của những hạt tử và các mức năng lượng.

Nhưng đến năm 1947 một hiện tượng bất thường đã được khoa học gia Lamb (9) và các cộng sự viên tìm ra. Đó là sự dời xa nhau của vài mức năng lượng trong nguyên tử Hydrogen mà, theo lý thuyết, chúng phải trùng nhau. Sự dời rất nhỏ này, mang tên Sự dời Lamb (Lamb-shift), đã là một bài toán “hóc búa” cho các khoa học gia trong nhiều năm. Cùng lúc ấy khoa học gia Kusch (9) cũng đưa ra một bài toán “nhức đầu” không kém: Momen từ (magnetic moment) của electron lớn hơn số dự đoán trên lý thuyết.

Phải chăng đã đến lúc phải xét lại thuyết QED?

Từ ba đại học khác nhau trên thế giới (Tokyo, Harvard, Caltech) ba khoa học gia Tomonaga, Schwinger, và Feynman (10), bằng những phương cách riêng biệt, không những đã đưa ra lời giải đáp thỏa đáng cho những hiện tượng bất thường trên qua ảnh hưởng của photon, mà còn mở đường cho một thuyết tổng quát hơn: thuyết Trường Lượng tử (QFT) đã nói ở trên.

Tới đây, một cách đơn giản, ta có thể nói QED chính là QFT, gồm Trường Điện Từ với Hạt mang Lực là photon.

 

Tương tác Yếu

Với thành quả trên, theo chiều hướng đó, các khoa học gia có thể vững tin trong cố gắng kết hợp Tương tác Yếu với Tương tác Điện Từ qua thuyết Trường Lượng tử. Để làm điều này, có hai điều kiện cần được thoả. Thứ nhất, thuyết về Tương tác Yếu phải có tính chất Chuẩn định Bất biến (Gauge Invariant), nghĩa là, thuyết phải không thay đổi khi ở những điểm Không, Thời gian khác nhau. Thứ hai, thuyết này có thể Tái chuẩn hoá.

Trong thập niên 1960s, ba khoa học gia Glashow, Salam và Weinberg, trong lúc khảo cứu riêng rẽ, đã xây dựng được một thuyết Chuẩn định Bất biến cho cả hai tương tác Yếu và Điện Từ. Họ gọi tên thuyết này là thuyết Kết hợp Điện-Yếu (the Unified ElectroWeak theory) và cũng tiên đoán là có tới bốn loại Hạt mang Lực (còn gọi là Hạt Liên Lạc; Messenger Particle) trong Tương tác Yếu. Tới năm 1971, khoa học gia Gerardus’t Hooft chứng minh được là thuyết này có thể Tái chuẩn hoá. Vì đã hội đủ hai điều kiện đòi hỏi, thuyết trên được đánh giá rất cao. Sau đó kết quả thực nghiệm cũng cho thấy ba loại Hạt mang Lực, các bosons : W+, W‾ và Z0, có tính chất phù hợp với dự đoán lý thuyết (11).

Măc dù còn cần bổ túc thêm, sự liên kết giữa tương tác Yếu và tương tác Điện Từ được coi như tạm xong.     

Đã đến lúc ta trở lại Tương tác Mạnh!

 

 

Tương tác Mạnh và Sự Tự do Tiệm tiến

Để có thể hiểu rõ Tương tác Mạnh và Sự Tự do Tiệm tiến (Asymptotic Freedom), ta phải nói qua một kỹ thuật toán học mà các nhà vật lý thường dùng gọi là Phép tính Nhiễu loạn (Perturbation calculation). Đây là một phương pháp dùng để giải những bài toán phức tạp chưa thể có lời giải, bằng cách dùng lời giải chính xác đã biết của một bài toán gần giống (thường là đơn giản hơn). Thông thường, vì hai bài toán gần giống nhau, người ta có thể giả dụ rằng lời giải chưa biết bằng lời giải đã biết cộng thêm một Chuổi số gồm những số  hạng nhỏ dần. Định được giá trị gần đúng của Chuỗi số này, ta có lời giải của bài toán chưa biết.

Như vậy, các khoa học gia hy vọng có thể tìm được lời giải cho bài toán Tương tác Mạnh bằng cách dùng lời giải đã biết trong Tương tác Điện Từ hoặc Tương tác Yếu.

Trong các phép tính của các bài toán thuộc Tương tác Điện Từ, một Hằng số biểu thị Lực Điện Từ được gọi là Hằng số Nối kết (Coupling Constant) hay Hằng số thuộc Cơ cấu Mịn (Fine Structure Constant), ký hiệu α, có trị số bằng 1/137, được dùng nhiều nhất. Vì nhỏ hơn 1, α và các lũy thừa tăng dần (α, α2 ,…) tạo thành một chuỗi gồm những số hạng có trị số nhỏ dần, rất thích hợp cho Phép tính Nhiễu loạn.

Một điều quan trọng ta phải kể ở đây là α còn tăng dần theo Năng lượng của hệ thống hạt tử (năng lượng càng lớn khi các hạt tử càng gần nhau). Ở trung học ta đã biết là khi một hàm số tăng theo biến số, gọi là đồng biến, thì đạo hàm dương. Theo đó, vì α tăng theo năng lượng, đạo hàm, vốn là một hàm số có tên Bêta, phải dương. Đây cũng phải là kết quả khi ta tính toán các lực trong Tương tác Mạnh, như giữa các quark.

Tuy nhiên trên thực tế thì khác hẳn! Các kết quả thực nghiệm trong sự tán xạ (scattering) giữa electron và proton cho thấy một sự kiện kỳ lạ: các quark có vẻ “tự do” hơn khi càng gần nhau. Mà khi càng “tự do” thì lực tương tác càng yếu và khi càng gần nhau thì năng lượng càng cao. Nói cách khác, α giảm khi năng lượng tăng (nghịch biến), và như vậy hàm Bêta phải âm. Kết quả này làm các khoa học gia “điên đầu” trong một thời gian dài.

Khoảng năm 1970 Kurt Symanzik, một vật lý gia người Đức, đã cố gắng xây dựng một lý thuyết trong đó hàm Bêta âm nhưng không thành công. Đến mùa hè năm 1972, khoa học gia Gerardus ‘t Hooft (11) tuy đã đến gần đến kết quả nhưng chưa thể có chứng minh cụ thể.

Như trái cây đã chín mùi, đến tháng 6 năm 1973, một lý thuyết trong đó hàm Bêta có thể âm được công bố bởi các nhà khảo cứu thắng giải Nobel năm nay: Gross, Wilczek và Politzer. Lúc đó Gross 32 tuổi trong khi Wilczek và Politzer hãy còn là sinh viên cao học tại các đại học Princeton và Harvard. Theo họ, sở dĩ tương tác Mạnh có tính đặc biệt như kể trên vì các Hạt mang Lực (tên là Gluon) có một đặc tính rất bất ngờ: chúng không những tác động trên quark để tạo lực mà còn tác động lên nhau! Do đó khi các quark đến gần nhau sự tác động lẫn nhau của gluon làm giảm tương tác giữa các quark và kết quả là hàm Bêta trở thành âm.

Do sự kiện các quark trở nên “tự do” hơn khi càng gần nhau, hiện tượng này được gọi là sự Tự do Tiệm tiến.

Ngoài ra, lý thuyết trên còn xác nhận một số kết quả thực nghiệm khác: lực tương tác càng mạnh khi các quark càng xa nhau (giống như chúng được nối bởi một sợi dây thung), và tuy bị cầm giữ thành từng “nhóm ba hạt” trong proton hay neutron như đã nói ở trên, chúng được “thấy” như những hạt riêng biệt (grain) trong những thí nghiệm thích hợp. 

Để mô tả tính cách đặc biệt của Tương tác Mạnh, các khoa học gia trên đã dựa vào Mầu (Colour) của quark như đã trình bày ở phần đầu bài, và cho ra đời thuyết Sắc Động Lượng tử (Quantum ChromoDynamics; QCD) (12). Theo đó, lực tác dụng giữa các quark rất phức tạp, không giống như lực Điện Từ, gọi là Sắc lực (Colour force). Những lực này chịu ảnh hưởng của lượng Mầu trong quark, thường được gọi là Sắc Tích (Colour Charge).  Gluon tuy không có Điện tích và Khối lượng được coi như bằng 0, nhưng có Mầu nên có thể tác động lên nhau như đã kể ở trên. Còn các proton và neutron trong nhân nguyên tử có tương tác là nhờ các Sắc lực thoát ra từ các quark và gluon bên trong.     

Vì những tiên đoán lý thuyết rất phù hợp với kết quả thực nghiệm nên QCD có thể coi như đã mở đường cho sự kết hợp Tương tác Mạnh với “gia đình” Tương tác Điện Từ và Tương tác Yếu trong Kiểu mẫu Tiêu chuẩn (13). Tuy nhiên còn nhiều việc phải làm. Một trong những đề tài quan trọng đang được tiếp tục nghiên cứu ráo riết là Trường Vô hướng. Như trên đã nói, đây là loại Trường phát sinh Khối lượng hay Quán tính (Inertia). Những hạt tử sinh ra  từ Trường này có tên là hạt Higgs (14), và một số khoa học gia tiên đoán là việc kiểm chứng các loại hạt này có thể hoàn tất vào khoảng năm 2020.

Bây giờ ta trở lại sự khó khăn trong việc kết hợp tương tác cuối cùng, tương tác do Trọng lực.

 

Tương tác do Trọng lực

Như trên đã nói, các vật lý gia tin tưởng rằng sự Tái chuẩn hoá là điều kiện tiên quyết để một loại Trường Lượng tử có giá trị. Điều kiện này khiến việc thiết lập một Trường Trọng lực Lượng tử (Quantum Field theory of Gravitation) đi vào ngõ cụt vì mặc dầu đã hết sức cố gắng, hầu như không thể có cách nào Tái chuẩn hoá loại Trường này. 

Có lẽ đã đến lúc phải thay đổi một số đòi hỏi của Kiểu mẫu Tiêu chuẩn.

Ta phải công nhận là từ lâu sự Tái chuẩn hóa cũng như một số nguyên tắc Đối xứng đã giúp Kiểu mẫu này thành công trong sự tiên đoán chính xác nhiều hiện tượng vật lý. Tuy nhiên sự gò bó đó đã làm Kiểu mẫu trên có những khẳng định có thể sai như: các proton cô lập không thể tự phân hủy hay neutrino không thể có khối lượng.

Một điều đáng lưu ý khác là khi dùng phương pháp ngoại suy (extrapolation), nguời ta thấy rằng ở một mức năng lượng rất cao, cỡ mười triệu tỷ giga elecron-volt hay 1016 Gev (giga hay G = 109 ; 1 electron-volt hay ev =  1.6 10-19 joule), những lực trong các tương tác Điện Từ, Yếu và Mạnh trở nên gần bằng nhau. Trọng lực cũng sẽ có sức mạnh rất gần với các lực trên ở mức năng lượng khoảng 1016 – 1018 Gev. Vì các năng lượng vừa kể quá lớn, với kỹ thuật hiện tại và trong tương lai có thể thấy, không thể có một cơ sở  thí nghiệm nào có máy gia tốc đủ lớn (5) để trực tiếp kiểm chứng thực nghiệm. Hy vọng những kiểm chứng gián tiếp trong tương lai có thể làm sáng tỏ những điều trên.

Sự gần nhau của các lực tương tác ở năng lượng cao ở trên khiến một số nhà vật lý cho rằng “năng lượng căn bản” của Trọng trường phải cỡ 1018 Gev, và từ xưa tới nay khi khảo sát Trọng trường ở mức năng lượng bình thường, cỡ một phần tỷ tỷ của năng lượng này, ta đã ở mức năng lượng quá thấp so với năng lượng căn bản trên. Từ đó họ cho rằng ở mức năng lượng thấp này có một số hiện tượng phức tạp đã bị kìm hãm (suppressed). Tương tác do Trọng trường chính là một trong những Tương tác Không thể Tái chuẩn hóa bị Kìm hãm (Suppressed Nonrenormalizable Interaction). Ý niệm này làm Kiểu mẫu Tiêu chuẩn bớt khắt khe trong việc Tái chuẩn hoá và cho phép proton có thể tự phân hủy cũng như neutrino có thể có khối lượng.

Trong chiều hướng cải tiến Kiểu mẫu Tiêu chuẩn để có thể kết hợp với tương tác do Trọng lực, nhiều ý tưởng mới đã được đưa ra như: Technicolor (tạm dịch: Hoạt sắc) , Supersymmetry (Siêu Đối xứng), Superstring (Siêu dây (sợi)), M-theory (Lý Thuyết M) (15), v.v… Đặc biệt, nếu đưa thêm vào ý niệm Siêu Đối xứng (Supersymmetry) người ta thấy, ở mức năng lượng cao như kể trên, các lực Điện Từ, Yếu và Mạnh tiến gần nhau đến độ coi như bằng nhau! Phải chăng đây là dấu hiệu tốt trong việc kết hợp với Tương tác do Trọng lực?

Vì các lý thuyết kể trên đang còn ở trong giai đoạn trứng nước, có lẽ còn phải đợi nhiều năm nữa người ta mới thấy kết quả cụ thể. Hơn nữa, cho dù các thuyết trên có thể kết hợp được bốn loại tương tác, nghĩa là thực hiện được giấc mơ từ lâu của các vật lý gia, một số khoa học gia vẫn bi quan và không tin là các thuyết này có thể trả lời những câu hỏi căn bản liên hệ đến Chất Tối (Dark Matter) hay Big Bang (Đại Bùng nổ) (16).

Như vậy các nhà khảo cứu vật lý còn “vất vả” lắm!

Dù thế nào đi nữa, khám phá cách đây trên 30 năm của ba khoa học gia  kể trên đã là một thành công đáng nhớ và là nguồn cảm hứng mạnh mẽ cho nhiều thế hệ khảo cứu gia trẻ tuổi.             

 

(1) Sự phân hủy tia Beta do chất phóng xạ, gồm hai loại, Beta-cộng (Beta-plus) và Beta-trừ   (Beta-minus). Trong phản ứng Beta-cộng, Proton trong nhân chất phóng xạ chuyển hóa thành Neutron, Neutrino và Positron (Phản hạt của Electron); trong phản ứng Beta-trừ, Neutron biến thành Proton, Electron và Antineutrino (Phản hạt của Neutrino).

(2) Isaac Newton  (1642-1727) đã kết hợp các định luật cơ học trên trái đất và trong vũ trụ. James Clark Maxwell (1831-1879 ) đã thống nhất được các định luật Quang học, Điện học và Từ học. Tuy nhiên Albert Einstein (1879-1955), mặc dù  đã cố gắng trong suốt 30 năm cuối của đời mình để kết hợp thuyết Tương đối Rộng của ông ( xem (4’)) với thuyết Điện-Từ của Maxwell nhưng không thành công.

(3) Một cách đơn giản, Cơ học Lượng tử  là ngành Vật lý liên hệ đến các hạt tử ở kích thước rất nhỏ. Theo đó, Năng lượng (Energy), Động lượng (Momentum), Động lượng Quay (Angular Momentum), cũng như Điện tích (Charge) được trao đổi theo những luợng Gián đoạn (discrete) gọi là Nguyên lượng (Quantum/Quanta). Thi dụ như để mô tả mức Năng lượng của Elecron trong Nguyên tử người ta dùng bốn số Nguyên lượng: Chính (Principal; ký hiệu n), Động lượng Quay (l), Từ (Magnetic; m) và Spin (s).

(4) Người khám phá ra bản chất Sóng của Hạt tử là Louis de Broglie (1892-1987), đoạt giải Nobel Vật lý năm 1929. 

(4’) Albert Einstein (1879-1955; thắng giải Nobel Vật lý năm 1921) là cha đẻ của Thuyết Tương đối (Hẹp và Rộng).

Thuyết Tương đối Hẹp (Special Relativity) gồm hai tiên đề: (i)Vận tốc Ánh sáng không đổi đối với bất cứ Quan sát viên nào (dù đang di chuyển). (ii) Các định luật Vật lý không đổi trong bất cứ Hệ quy chiếu Quán tinh nào (Inertial frame of reference; không có gia tốc). Kết quả từ hai tiên đề này đã làm đảo lộn các định luật vật lý cổ điển nhất là  đối những vật có chuyển động rất nhanh.

Một cách đơn giản, thuyết Tương đối Rộng (General Relativity) cho rằng có sự tương đương giữa Trọng trường (Gravitation) và Gia tốc (Acceleration). Từ đó suy ra ý niệm Không-Thời gian Cong (Spacetime Curvature) mà một loại đại lượng có tên Tensor Cong (Tensor Curvature) có liên hệ đến sự phân bố Vật chất và Năng lượng.     

(5) Những phòng thí nghiệm hạt nhân có thẩm quyền trên thế giới gồm: CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire) tại Thụy sĩ;  FermiLab ở Illinois, Mỹ; SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) ở California, Mỹ; DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), PETRA (Positronen-ElecTronen Ring Anlage), ở Hamburg, Đức; ADONE, Ý,... Các trung tâm này thường có những máy Gia tốc (Accelerator) rất dài để tạo Năng lượng lớn cho hạt tử. Một máy Gia tốc rất lớn, Large Hadron Collider (LHC), đang được xây cất tại CERN.

(6) Những Bosons  tuân theo luật Thống kê Bose-Einstein, theo đó hai hạt tử (hay nhóm hạt) có thể  hiện diện trên cùng một mức năng lượng. Chúng có số Nguyên lượng spin bằng 0 hoặc một số nguyên như 1, 2, 3,…. Fermions là những hạt tử  tuân theo luật thống kê Fermi-Dirac, theo đó hai hạt tử không thể tồn tại trên cùng một mức năng lượng. Chúng có số Nguyên lượng spin bằng bội số lẻ của 1/2  như  1/2, 3/2, 5/2,…

(7) Trong vật lý, tính Đối xứng (Symmetry) nói lên sự bảo toàn của một hệ thống khi chịu những biến đổi (transformation). Về phương diện lý thuyết, sự Chuẩn định (Gauge) đòi hỏi sự Đối  xứng Địa phương (Local Symmetry), nghĩa là có sự Đối xứng tại những vùng  riêng biệt của Không-Thời gian (space-time) mà không ảnh hưởng đến những nơi khác.  

(8) Paul A.M. Dirac (1902-1984), chia giải Nobel Vật lý 1933 với Erwin Schrodinger (1887-1961). W.K. Heisenberg (1901-1976) đoạt giải Nobel Vật lý 1932. Wolfgang Pauli (1900-1958) thắng giải Nobel Vật lý 1945.

(9) W.E. Lamb sinh năm 1913, chia giải Nobel Vật lý 1955 với P. Kusch (1911-1993).

(10) Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979), Julian SChwinger (1918-1994) và Richard P. Feynman (1918-1988) chia giải Nobel Vật lý 1965.

(11) Sheldon L. Glashow (sinh năm 1932), Abdus  Salam (1926-1996) và Steven Weinberg (sinh năm 1933) cùng thắng giải Nobel Vật lý 1979. Gerardus ‘t Hooft (sinh năm 1946) chia giải Nobel Vật lý 1999 với Martinus J.G. Veltman (sinh năm 1931). Trong tương tác Điện-Yếu (Electroweak) khối lượng của các Hạt mang Lực sinh ra bởi sự “Phá vỡ Đối xứng Tự nhiên” (Spontaneous Symmetry Breaking).

(12) Về phương diện lý thuyết, QCD dựa trên tính chất toán học của Nhóm Đơn vị Đặc biệt bậc 3 (Special Unitary Group of  degree 3),  SU(3), có liên hệ với Nhóm Lie (Lie Group)  vốn rất hữu hiệu trong việc mô tả sự Đối xứng trong các cơ cấu giải tích.

(13) Trong Kiểu mẫu Tiêu chuẩn, những phương trình chuyển động của  các Hạt mang Lực (Bosons), giữ bất biến khi có  các Biến đổi Chuẩn định (Gauge Transformation; xem (7)). Như ở (12) cho thấy, trong Tương tác Mạnh các biến đổi được biểu thị bởi Nhóm SU(3). Còn trong tương tác Điện-Yếu (Electroweak) thì được biểu thị bởi Nhóm SU(2) X U(1) với U(1) là ký hiệu của Unitary Group of  degree 1. Do đó Kiểu mẫu Tiêu chuẩn  thường được biểu thị bởi SU(3) X SU(2) X U(1).

(14) Peter Ware Higgs sinh năm 1929, làm việc tại đại học Edinburgh, Scotland. Trong thập niên 1960s  ông đã đưa ra ý niệm “Phá vỡ Đối xứng Tự nhiên”. Xem (11).

(15) Thuyết Technicolor (Hoạt sắc) khai triển ý niệm về Sắc lực (Colour force) để đưa vào nhiều loại hạt mới.

Siêu Đối xứng là sự Đối xứng liên hệ đến Bosons và Fermions. Xem (6), (7).

Lý thuyết Dây hay Sợi (String theory)  cho rằng các hạt cơ bản sinh ra từ các “cách” (mode)  dao động khác nhau trong Không-Thời  gian 10 chiều của một loại “Dây” (String). Khi kết hợp với ý niệm Siêu Đối xứng,  thuyết này có tên là Siêu Dây.

Vì có tới 5 thuyết Dây được khai triển, người ta cho rằng chúng được bao gồm trong một thuyết  tổng quát hơn, thuyết-M (M có thể từ chữ Mother hay Mystery!) Có vẻ như thuyết này xây dựng trong không gian 11 chiều (11 dimensional theory) mà tại một vài nơi được thấy như không gian 10 chiều của thuyết Dây. Vi tử cơ bản của thuyết này là Màng (Membrane), sẽ được “nhìn” giống Dây trong không gian 10 chiều. 

(16) Chất Tối đươc coi như loại vật chất tạo khoảng 90% khối lượng vũ trụ. Gọi là “Tối” (Dark) vì chất này không phát ra hoặc phản chiếu sóng điện từ (như ánh sáng hay sóng radio,…) và như vậy  không thể quan sát trực tiếp được. Nguồn gốc của chất này chưa rõ ràng.

Big Bang là thuyết cho rằng vũ trụ hiện nay sinh ra do sự bùng nổ dữ dội cách đây  khoảng 15 tỷ năm, tại một điểm nhỏ vô cùng nặng (có độ cong vô hạn, gọi là singularity), trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn.

 

                                                 Tài liệu tham khảo

Benson, Harris, University Physics, John Wiley & Sons Inc., 1996.

Feynman & Leighton & Sands, Lectures on Physics, Addison-Wesley Co., 1965. 

Scientific American: Dec. 1999, Nov. 2003, Aug. 2004.

The Royal Swedish Academy of  Sciences’ Website.

                                                                        Sherman Oaks, tháng 10 năm 2004

                                                                                    Nguyễn Trọng Cơ

Bài đọc thêm:

 

© http://vietsciences.free.fr Nguyễn Trọng Cơ