Những bài cùng tác giả

1- Đối xứng

1a- Đối xứng P và CP.

Trong tiến trình khám phá các định luật khoa học, ít nhất là trong phạm vi hạt cơ bản, nhiều nhà vật lý lấy nguồn cảm hứng trong cái đẹp cân đối hài hoà của thiên nhiên để  quan sát, tìm tòi, suy luận, sáng tạo. Cái đẹp đó dĩ nhiên chủ quan trong nghệ thuật, văn chương, hội họa, âm nhạc, nhưng trong khoa học nó khách quan, định lượng và mang tên gọi đối xứng. Sự tìm kiếm những đối xứng (và sự vi phạm nó một cách tuần tự kiểm soát được) cũng như tìm kiếm những gì bất biến trong vật lý (dùng công cụ nhóm đối xứng trong toán học) là phương pháp chỉ đường phổ biến và hữu hiệu trong công cuộc khám phá. Đối xứng gương là một thí dụ. Bạn hình dung đối xứng đó như sau: tay phải (hay trái) của ta có hình trong gương hệt như tay trái (hay phải), và cái ta gọi là phía phải hay phía trái chỉ là một ước lệ giữa con người. Không có gì cho ta phân biệt được mọi hiện tượng ở ngoài gương và hình chiếu của hiện tượng đó trong gương, sự hoán chuyển không gian x ↔ – x hay đối xứng gương P (Parity) không làm chúng thay đổi, chúng bất biến. Một sáng nắng ấm mùa thu ngả đông với cây đỏ lá vàng của Hà Nội thời xưa, tháp rùa mái cong cổ kính soi hình xuống nước trong vắt pha lê của hồ gươm phẳng lặng, tháp và bóng trong hồ là biểu hiện của đối xứng gương toàn vẹn.

Chen Ning Yang (1922, Institute for Advanced Study Princeton, NJ, USA) và Tsung-Dao Lee (1926, Columbia University New York, NY, USA) (Nobel.se)

Hai nhà vật lý Trung Quốc ở  Mỹ T. D. Lee và C. N.Yang (giải Nobel 1957) khám phá ra là lực hạt nhân yếu vi phạm tối đa cái đối xứng gương P này, trong đó spin đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Spin của electron, của neutrino đều hoàn toàn quay về phía trái mà không quay về phía phải.

Một thí dụ khác là đối xứng vật chất-phản vật chất hay đối xứng CP, theo đó các định luật vận hành của vật và phản vật phải giống hệt nhau. Chữ C trong CP chỉ định điện tích (charge) vì  hoán chuyển vật chất-phản vật chất là trước tiên thay đổi dấu của điện tích –e ↔ +e. Trong bốn tương tác cơ bản thì ba lực hấp dẫn, điện từ và hạt nhân mạnh đều tuân thủ phép đối xứng P và CP, chỉ lực hạt nhân yếu mới vi phạm chúng, tối đa với đối xứng P, đôi chút với đối xứng CP, tương tác yếu của hạt và của phản hạt khác nhau ở mực độ vừa phải.

1b- Đối xứng chuẩn.

Nhưng có một đối xứng không hề bị vi phạm, nó ngự trị tuyệt đối trong Sắc Động Lực và Điện-Yếu, một đối xứng đặc trưng của vật lý lượng tử, nó mang tên đối xứng chuẩn (gauge symmetry). Chính cái đối xứng này đã mở ra một chân trời mới lạ và là gốc nguồn cho sự thành công kỳ diệu của Mô hình Chuẩn. Ai trong chúng ta khi làm quen với cơ học lượng tử đều biết rằng bình phương của hàm số sóng |Ψ(x)|²  cho ta xác suất xảy ra đối với một đại lượng nào đó. Ta thấy ngay hoán chuyển chuẩn Ψ(x) ↔ Ψ(x) Exp[iα(x)] với bất kỳ hàm thực α(x) nào không làm thay đổi |Ψ(x)|², cũng vậy nó không làm thay đổi các định luật của Mô hình Chuẩn, các đại lượng vật lý phải bất biến với hoán chuyển chuẩn. Chính vì vậy mà đối xứng chuẩn chi phối toàn diện sự vận hành của các tương tác mạnh và điện-yếu. Cụ thể ta mường tượng đối xứng này như sau: điện thế của trái đất là một triệu volt và hai cực điện trong nhà là 1000000 volt và 1000220 volt, nhưng máy của chúng ta chạy với 220 volt không hề trục trặc mặc dầu hàng triệu volt điện thế của quả đất. Cũng như α(x) là bất kỳ hàm gì, có muôn ngàn điện thế khác nhau ở mọi nơi trong hoàn vũ, nhưng định luật chi phối sự vận hành của chúng phải điều hòa ra sao để cho ta một trường điện từ duy nhất. Máy của chúng ta mang lên các thiên thể xa xăm không bị chi phối bởi điện thế tuỳ tiện lớn hay nhỏ trên đó, điện tích –e của electron trong máy bao giờ cũng bất biến, ở đây hay ở đó, lực điện từ chi phối máy của chúng ta cũng là lực điện từ trên các thiên thể. Đó là ý nghĩa vật lý của đối xứng chuẩn. Phương trình Maxwell của tương tác điện-từ tuân thủ phép đối xứng chuẩn, đối xứng này trở thành nguyên lý chủ trì cho sự phát triển kỳ diệu của Điện động học lượng tử, những tính toán trong lý  thuyết này đưa ra nhiều tiên đoán được thực nghiệm kiểm định tới độ chính xác cao hơn một phần tỷ (momen từ của electron là một thí dụ). Đặc điểm của đối xứng chuẩn là nó đòi hỏi các boson - làm trung gian sứ giả cho fermion tương tác với nhau qua trao đổi các boson này - phải không có khối lượng. Hạt quang tử photon trong điện động học lượng tử (QED) cũng như gluon trong sắc động lực học lượng tử (QCD) là thí dụ của boson không có khối lượng. Ta gọi chúng là boson chuẩn (gauge bosons).

1c- Siêu dẫn điện từ.

Hiện tượng siêu dẫn của vật liệu ở nhiệt độ thấp là một đặc trưng của vật lý lượng tử, dòng điện truyền qua một dây siêu dẫn có thể tồn tại hàng tỷ năm trên lý thuyết, ước lượng khoảng vài trăm ngàn năm bởi đo lường, nó không có điện trở. Một điện trường dẫu nhỏ đến đâu cũng khó xâm nhập được vào trong chất siêu dẫn vì nó bị triệt tiêu bởi dòng điện ‘lý tưởng’ nội tại của siêu dẫn. Không những điện mà cả từ trường cũng vậy. Một thỏi nam châm để gần một vật liệu siêu dẫn bị bật ra xa, thông lượng từ trường bị trục xuất một phần ra ngoài vật siêu dẫn, đó là hiệu ứng Meissner. Chính hiệu ứng này là ngọn nguồn cho xe lửa trong tương lai được ‘nâng‘ lên trên đường rầy, không bị lực ma sát nên có vận tốc rất cao. Vật liệu siêu dẫn ngăn chặn tầm truyền của trường điện từ, nó là một hệ thống trong đó điện từ chỉ có thể tác động trong một khoảng cách ngắn, khác với bản chất tự tại của sóng điện từ có thể truyền đi vô hạn. Vậy photon, cái boson chuẩn, khi chuyển động trong vật liệu siêu dẫn bị cản trở bởi một bức tường chắn gì đó và nó tác động giống như có một khối lượng khác 0. Bức tường chắn đó trong lý thuyết siêu dẫn của J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer (BCS), giải Nobel 1972, chính là thể ngưng tụ của muôn ngàn cặp Cooper, cặp liên kết hai electron có spin up↑ spin down↓ đối nghịch. Mỗi cặp mang điện tích –2e nhưng vì có spin 0 nên theo thống kê Bose-Einstein những cặp này có thể hoà đồng chung sống trong cùng một trạng thái đông tụ. Mỗi electron cô đơn và có cá tính mạnh mẽ, nhưng kỳ lạ thay ở một hoàn cảnh đặc biệt nào đó (nhiệt độ thấp) khi kết bạn, mỗi cặp tuy rất mảnh mai nhưng khi tụ họp quá đông đảo lại vận hành như một dòng chảy thuần khiết đều đặn của muôn ngàn điện tích và trở nên siêu dẫn[2]

1d-Thuyết Điện-Yếu.

Tính chất SBS là ngọn nguồn cho phép thống nhất được hai lực điện từ và yếu, chúng tưởng như khác biệt mà thực ra cùng chia sẻ phép đối xứng chuẩn. Xin nhắc lại, để thống nhất lực yếu với lực điện từ, ta sử dụng đối xứng chuẩn. Vậy ban đầu cũng như photon của điện từ, boson chuẩn W, sứ giả của lực yếu, không có khối lượng. Sau đó ta cần một trường boson mới lạ nào đó (trường Higgs) để ngăn chắn tác động của lực yếu và mang khối lượng cho W. Trường Higgs tựa như ngưng tụ của cặp Cooper trong điện từ. Cặp Cooper có spin 0 liên kết hai electron trong siêu dẫn điện từ được thay thế trong lực yếu bởi hạt Higgs cũng có spin 0. Trường Higgs tràn ngập chân không lượng tử, chân không này là trạng thái của vũ trụ thuở Nổ Lớn (Big Bang) có năng lượng cực tiểu nhưng vô hạn. Không những mang khối lượng cho hạt W, hạt Higgs còn mang khối lượng cho tất cả các hạt khác như quark, lepton. Chính cái cơ cấu SBS phổ biến và chi phối nhiều ngành vật lý do Nambu, khi suy ngẫm về thuyết siêu dẫn nói trên, đã đề xướng ra và Peter Higgs áp dụng thành công trong vật lý hạt cơ bản để thống nhất hai lực điện từ và yếu. Giải Nobel 2008 tặng thưởng Nambu đã sáng tạo cái cơ chế SBS này. Ngoài ra Nambu cũng đã đưa ra ra ý niệm theo đó thành phần cơ bản cấu tạo nên proton, neutron (quark theo ngôn từ hiện đại) phải mang ba đặc tính lượng tử. Ba đặc tính này ngày nay ta gọi là sắc tích (color), và lực mạnh gắn kết quark trong hạt nhân gọi là sắc động lực học lượng tử (QCD). Cũng là người đã gợi ra ý niệm dây để thay thế hạt nhiều năm trước thuyết Siêu dây thời thượng ngày nay, Nambu quả là một nhà vật lý lý thuyết có cái nhìn xa, uyên thâm, đa ngành và sâu sắc, làm tiên phong sáng tạo nhiều ý tưởng mới.

 2- Ba họ, Sáu Quark và vi phạm đối xứng CP

Yoichiro Nambu - Universtity of Chicago	Makato Kobayashi - KEK	Toshihide Maskawa -

                                                                                                  Phạm Xuân Yêm  07/10/2008

Đã đăng trên Diễn Đàn Forum, có bổ sung cho Vietsciences