Giải Nobel vật lý 2008 Sáng nay mồng 7 tháng Mười, giải Nobel 2008 vinh tặng ba nhà vật lý Nhật bản ngành lý thuyết hạt cơ bản, các giáo sư Yoichiro Nambu (1921) một ‘Nhật kiều’ ở Đại học Chicago, Makato Kobayashi (1944) ở Trung tâm Quốc gia Vật lý năng lượng cao ở Tsukuba và Toshihide Maskawa (1940) ở Đại học Kyoto. Cho những ai ở trong ngành, tin này không gây ngạc nhiên mà chỉ làm phấn khởi họ trên con đường học hỏi sáng tạo, nhất là máy gia tốc hạt đầu tầu thế giới LHC ở CERN vừa khởi động chưa đến tháng nay. Chương trình ưu tiên số một của LHC là săn tìm hạt cơ bản Higgs, hạt tạo nên khối lượng cho vật chất. Ưu tiên số hai là câu hỏi đâu rồi phản vật chất trong hoàn vũ bao la. Cái thứ nhất liên quan mật thiết đến Nambu (công trình của Peter Higgs không thể tách rời khỏi sáng kiến của Nambu như chính Higgs xác nhận trong nhiều bài viết) và cái thứ hai đến Kobayashi và Maskawa. Tiên đoán của hai ông về sự hiện hữu tất yếu của hai quark top và bottom để giải thích sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất trong Mô hình Chuẩn (Standard Model, xem phụ chú 1) đều được thực nghiệm xác định với độ chính xác đáng kinh ngạc. Người viết ước mong cùng bạn đọc tìm hiểu con đường đưa đến giải Nobel này, một trong những thành tựu tuyệt vời của vật lý lượng tử ở lãnh vực thuộc biên giới của tri thức nhân loại đang nóng bỏng 1- Đối xứng. 1a-Đối xứngP vàCP.Trongtiếntrìnhtìmhiểuvà khám phácácđịnhluậtkhoahọc, ít nhấtlà trong phạm vihạt cơ bản, nhiều nhà vật lý lấy nguồn cảm hứng trongcái đẹp cânđối hài hoà củathiên nhiên để tìm tòi, suy luận, sáng tạo.Cái đẹpđó dĩ nhiênchủ quan trongnghệ thuật, văn chương,hội họa, âm nhạc, nhưng trong khoa học nó khách quan, định lượngvà mang tên gọiđối xứng. Sự tìm kiếm những đối xứngvà sự vi phạmnó xảy ra như thế nào, cũngnhư tìm kiếm những gì bất biến trong vật lý(dùngcông cụ nhóm đối xứngtrongtoán học) là phương pháp chỉ đườnghữu hiệu trongcông cuộc khám phá. Đối xứng gương là một thí dụ.Tay phải (trái) của ta có hìnhtrong gương hệt như tay trái (phải), vàcái ta gọi là phía phải hayphía trái chỉ là mộtước lệ giữa conngười. Khôngcó gì cho taphân biệt được mọi hiện tượng ở ngoài gương và hìnhchiếucủa hiện tượngđó trong gương, hoán chuyển không gianx ↔ – x (đối xứng P)không làm chúngthay đổi,chúng bất biến. Một sáng nắng ấm mùa thu ngả đông với cây đỏ lá vàng củaHà Nội thời xưa, tháprùa mái cong cổ kính soi hình xuống nước trong vắt phalê của hồ gươm phẳng lặng, tháp và hình là biểu hiện củađối xứng gương toànvẹn. Trongvật lý hạt cơ bản, hai nhà vật lý Trung Quốc ở Mỹ T. D. Lee và C. N.Yang (giải Nobel1957) khámphá ra là lựchạt nhânyếu (chi phối phóngxạ hạt nhânvà sự vận hành của neutrino)vi phạmtối đa cái đối xứnggương P này, spin của electron, củaneutrino đều hoàn toàn quayvề trái mà không về phải. Một thí dụ khác làđối xứng vật chất- phản vật chấthay đối xứng CP, theo đó các định luật vận hành củaelectron và của phản hạt positronphải giống hệt nhau.Trong bốntương táccơ bản của thiên nhiênthì ba lực hấp dẫn, điện từ và hạt nhân mạnhđều tuân theophép đốixứng P và CP, chỉ lực hạt nhân yếu mới vi phạm chúng,vi phạm tối đa với đối xứngP, đôi chútvới đối xứng CP, tươngtác yếu của hạtvà của phản hạt khác nhau ở mựcđộ vừa phải. 1b- Đối xứng chuẩn. Có mộtđối xứng ngự trị tuyệt đối trong lựcđiện từ và lực mạnhcủa hạt nhânnguyêntử, một đối xứngđặc trưngcủa vật lý lượngtử, nó mang tên đối xứng chuẩn (gaugesymmetry) không hề bị vi phạm. Chính cáiđối xứngnày đã mở ra một chân trời mới lạ và là gốc nguồn cho sự thành công kỳ diệu của Mô hìnhChuẩn để diễn tả ba lực lượng tử cơ bản mạnh, điện từ và yếu. Ai trong chúng ta khilàm quenvới cơ học lượng tử đều biếtrằng bìnhphương của hàm số sóng |Ψ(x)|2cho ta xác suất xảy ra đối với một đại lượngnào đó. Ta thấy ngay hoán chuyểnchuẩn Ψ(x) ↔ Ψ(x) Exp[iα(x)] với bất kỳ hàm α(x) nào cũng khônglàm thay đổi |Ψ(x)|2. Cũng vậynó không làm thayđổi các định luật của Mô hình Chuẩn, các đại lượng vật lýphải bất biếnvới hoán chuyểnchuẩn. Chính vì vậy mà đối xứng chuẩn chi phối toàn diệnsự vận hành củacác tươngtác mạnh và điện từ. Cụ thể ta mường tượng đối xứng này như sau: điện thế của trái đất làmột triệu volt và haicực điện trong nhà là 1000000volt và 1000220 volt, nhưng máy truyền hình của chúngta chạy với 220 voltkhông hề trục trặc mặc dầu hàngtriệu volt điện thế của quả đấttrên đó nó tácđộng. Cũng như α(x) là bất kỳ hàm gì, có muôn ngàn điện thế khác nhauở mọi nơi trong hoàn vũ, nhưngđịnh luậtchi phối sự vận hành củachúng phải được điều hòa ra saođể cho ta một trường điện từ duy nhất. Địnhluậtđiện từ trên máy tính nhỏ bé của chúng ta cũng chi phối lực điện từ trên các thiên thể xa xăm, đó là ý nghĩa vật lý của đối xứng chuẩn. Phương trình Maxwellcủa tương tácđiện từ tuân theo phép đối xứngchuẩn, đối xứngnày trở thành nguyênlý chủ trì cho sự phát triển kỳ diệu củaĐiện động họclượng tử (QED),những tính toán trong lý thuyếtnày đưa ra nhiều tiên đoánđược thực nghiệmkiểm định tới độ chínhxác cao hơnmột phần tỷ (momentừ của electron là một thídụ). Đặcđiểm của đối xứng chuẩn lànó đòi hỏi tuyệt đối các boson -làm trung giansứ giả cho fermion tương tácvới nhauqua trao đổi các bosonnày - phải tuyệt đối khôngcó khối lượng. Hạt photontrong Điện độnghọc lượngtử cũng như gluon trong Sắc độnglực học lượngtử (QCD)làthídụ của bosonkhôngcó khối lượng. Tagọi chúng là bosonchuẩn (gaugebosons). Ngaytừ thời trứng nước của thuyết tươngtácyếu chi phốihiện tượngphóng xạ hạt nhân,nhiều nhà vật lý trong đó có Fermi, Feynman,Gell-Mann,Yang, Lee,Glashowđã tinh ý nhận ra là giữahai tương tác điện từ và yếu cónhiều cấutrúc và tínhchất rất giống nhau,vậy hầu như là chuyện đươngnhiên nếu ta sử dụng phương pháprất hiệu lực củađối xứngchuẩn trongđiện từ để khám phánhững định luậtvận hànhcủa lựcyếu. Nhưng khốnthay, cái trở ngại cho lực yếu làboson chuẩnW (làm sứ giả cho lực này) lại có khối lượngrất lớn chứ chẳng bằng 0như photontrong điệntừ. Tại sao vậy? Vìlực yếu chỉ tác động trong hạt nhânnguyên tử ở kích thước vi mô, trong khi lựcđiện từ trải rộng khắp hoàn vũ, mà tầm truyền Rcủalực lại tỷ lệ nghịchvới khối lượng M củaboson làm trunggian cholực truyềnđi, một hệ quả của nguyên lý bất định Heisenberg theo đó RM ~ h.Biết tầm truyền R củalực yếu, ta suy ra là boson Wphải cókhoảng haitrăm ngànlần khối lượngcủa electron,như vậy tương tác yếu có vẻ như không có đối xứng chuẩn. Ôi biết bao thất vọngnếu phương pháp diệu kỳ của đối xứngchuẩn - nguyênnhân cho sự thành công tuyệtvời của lý thuyết điện từ -xem rachẳng saoáp dụng được cho tương tácyếu. Nhưngmột chuyện ‘thần kỳ’ đã xẩy ra để làm cho lực yếu cũng mang đối xứng chuẩn như điện từ. Trong vật lý, cũng như trongnhiều bộ môn khác, cómột số nhỏ nhà khoahọc có kiến thức xuyên ngànhuyênthâm, nhìnrộng ra ngoài cái chuyên của mình, tìm hiểu những gì phổ quátđể manglại cho ngành mình một luồng gió mới. Yoichiro Nambulà một trong số đó. Chuyên giavề hạt sơ đẳngnhưng ông cũng lưu tâm và có cáinhìn bao quát về vật lý siêudẫnxa lạ với hạt, ôngnhận thấy có cái gì liên kết hai ngành (cấu trúc toán họcthì rất giốngnhau nhưngvật lý thìkhác biệt) và phác họa raý tưởng làm cho lực yếu cũngmang đốixứng chuẩn. Nhưngchính Peter Higgsmột nhà nghiên cứu ‘bình thường’của xứ Scotland làm việc tại mộtđại học ‘nhỏ’ NewcastleuponTyne đã tìmra một kịchbản nhất quán để thực hiện ý tưởng Nambu.Ngoài ra Nambucòn khai sáng ra ýniệm theođó thànhphần cơ bản cấu tạo nên proton,neutron (quarktheo ngôn từ hiện đại) phải mangba đặc tính lượng tử. Ba đặc tính này ngày nayta gọi là sắc tích,và lực mạnhgắn kết quark trong hạt nhân gọi làSắc độnglực học lượngtử (QuantumChromoDynamics,QCD). Cũng là người khai sáng raý niệm dâythay thế hạt nhiều nămtrước thuyết Siêu dây thời thượng ngàynay, ông quả là mộtnhà vật lý lý thuyếtcó cái nhìn xa,uyên thâm,đa ngành và sâu sắc, làm tiên phongsáng tạo nhiềuý tưởng mới. 1c- Siêu dẫn điện từ. Hiện tượng siêu dẫn của vật liệu ở nhiệtđộ thấp là mộtđặc trưng củavật lý lượngtử, dòng điện truyềnqua một dây siêu dẫn có thể tồn tại hàng tỷ năm trên lý thuyết, trong thựctế vài trăm ngàn năm,nó không có điện trở. Bất kỳ một điện thế dẫu nhỏ đến đâu cũng không áp đặt được vào trongchất siêu dẫn vì nó bị triệt tiêu bởi dòng điện ‘lý tưởng’nội tại của siêu dẫn.Không những điện mà cả từ trườngcũng vậy. Một thỏi nam châm để gần mộtvật liệu siêu dẫn bị kéo bật ra xa,thông lượngtừ trường bị trục xuất một phần rangoài vật siêu dẫn, đó là hiệu ứng Meissner. Chính hiệu ứng này làgốc nguồn cho xe lửa trongtương lai ‘nhẹ bay’ làmcho nó chạy nhanh, không bị cản trở bởi masát của đường rầy. Vật liệu siêudẫn ngăn chặntầm truyền của trường điện từ, nó là một hệ thống trong đó điện từ chỉ có thể tác độngtrong mộtkhoảng cách ngắn, khác với bản chất tự tại của sóng điện từ có thể truyền đi vôhạn. Vậyphoton, cáiboson chuẩn, khi chuyển độngtrong vật liệu siêu dẫnnhư bị cản trở bởi một bức tường chắn gì đó và nó tác độnggiống như mang một khối lượng khác0. Bức tường chắn đó trong lý thuyết siêudẫn của J. Bardeen,L. N. Cooper,J. R. Schrieffer(BCS) chính là thể ngưng tụ của muôn ngàn cặp Cooper,cặp liên kếthai electroncó spin up↑ spin down↓ đối nghịch. Mỗi cặp mang điện tích –2e nhưngvì có spin0 nên theo thống kê Bose-Einsteinnhững cặp nàycó thể hoà đồng chungsống trong cùng một trạng thái đông tụ.Mỗi electroncô đơn và có cá tính mạnhmẽ, nhưngkỳ lạ thay ở một hoàn cảnh đặc biệt nàođó (nhiệt độ thấp) khikết bạn, mỗi cặp tuy rất mảnhmai nhưng khitụ họp quáđông đảo lại vậnhànhnhư một dòngchảy thuần khiết đều đặn khiến chovật liệu trở nênsiêu dẫn2. Cái đông tụ Bose của muôn ngànnguyên tử Helium4 coi như boson cũng làgốc nguồncủa hiện tượngsiêu lỏng, luồngthể lỏng bơi ngược trên thành ống nhỏ li ti. Vật liệu sắt từ (ferromagnetic) làthí dụ thứ ba trongđó hàng tỷ electroncó spincùng hướngvề một phía duynhất do tác động của một từ trường ngoài.Vật liệu sắt từ như vậy không đối xứngtuyệt đối trong khônggian, mặc dầu địnhluật cơ bản phân phối spin của nóhoàn toàn đối xứng với sự sắp đặt spin,không có một chiều spin nào giữ ưu thế. Trong ngôntừ của giới chuyên ngành, phương trình của một sự kiện nàođó mangmột phépđối xứng, trong khinghiệmcủa phươngtrình ấy lại khôngcó cái đối xứngnguyên thủy,ta gọi hệ thống đó tự phát vi phạm đối xứng(spontaneousbreakingof symmetry, SBS). 1d- Thuyết Điện-Yếu thống nhất điệntừ và lực hạt nhân yếu. Tính chất SBSlà gốc nguồncho phép thống nhất được hai lựcđiện từ và yếu,chúng tưởng như khác biệt mà thực ra cùng chiasẻ phépđối xứng chuẩn.Sự thống nhất hailực điện-từ và yếu thành mộtquy luật chungduynhất là cả một bước ngoặt của vật lýở cuối thế kỷ 20, tầm quantrọng của nó có thể ví như Maxwellở cuối thế kỷ 19 đã tổng hợp ba hiện tượng điện, từ và quangmà công nghệ hiện đại thông-truyền tin khaithác vô cùng mầu nhiệm. Xinnhắc lại, để thống nhất lực yếu với lực điện từ, ta sử dụng đối xứngchuẩn. Vậy banđầu cũng như photoncủa điện từ,boson chuẩn W, sứ giả của lựcyếu, không có khốilượng. Sauđó ta cần mộttrường boson mới lạ nào đó (trườngHiggs) để chắn tác độngcủa lựcyếu và mang khối lượng choW, tựa như ngưngtụ của cặpCooper trong điện từ. Cặp Cooper spin0 liên kết haielectron trong siêu dẫn điệntừ đượcthay thế bởitrường Higgs cũngspin 0 trong lực yếu. Trường Higgs tràn đầy chânkhông lượngtử, chânkhông này là trạngthái của vũ trụ thuở Nổ Bùng(Big Bang) có nănglượng cựctiểu nhưng vô hạn.Không những mang khối lượngcho hạt W, hạt Higgs còn mang khối lượngcho tất cả các hạt khác như quark, lepton.Chính cái cơ cấu SBS phổ biến và chi phối nhiều ngànhvật lý là do Nambu,khi suy ngẫm về thuyếtsiêu dẫn nói trên, đã đề xướng ra và Higgs áp dụngthành côngtrong vật lý hạt cơ bản.Giải Nobel2008 để tặng thưởng Nambu đã sángtạo cái cơ cấu SBSnày. 2- Sáu Quark và Vật chất-Phản vật chất Sự hiện hữu của phản vật chất là hệ quả sâu sắc nhất của bản giao hưởng tuyệt vời giữahai thuyết Tương đối hẹp và Cơ họclượng tử do Paul Dirac,một thiên tàicủa thế kỷ tầm cỡ Newton và Einstein,chứngminhnăm 1928khiôngchưa đến 26tuổi. Máy chụphình nổi PET(PositronEmission Tomography)dùng trong y họcngày nay là mộtứng dụng trực tiếp củapositron,hạt phản electron.Khi positronhòa tụ với electronsẵn có trongcơ thể thì cặp positron-electronbiến thành tia bức xạ cực kỳ tinh viđể rọi sáng chi tiết trong não bộ. Như đề cập sơ qua ở phần1a, lực hạt nhân yếu vi phạm đối xứng vật chất-phản vật chất (đốixứng CP), một ngạc nhiên lớn vì ba lực cơ bảnkhác (hấp dẫn, điện từ và mạnh)tuyệt đốituân theo phép đối x ứng này. Tươngtác yếu của hạtvà của phản hạt khácnhau. J. Cronin vàV. Fitch cùng haicộngsự viên khám phá ra năm 1964 sự vi phạm CP, vàhai vị này nhậngiải Nobel1980. Nhữngnăm đầu 1970,trong bối cảnh của vậtlý hạt thờiấy với Mô hình Chuẩn đang ở buổi sơ khai, hainhà vật lý trẻ Kobayashi và Maskawatiền phong đi tìm hiểu cơ cấu nàocho phép sự vi phạm này. Haiông, hoàn toàndo suy luận và tính toán, saunhiều vậtlộn với toánhọc ‘ứng dụng thôi’,đã tìm ra năm 1973là ít nhấtphải có sáu quark (đúng ralà phải có ba ‘họ‘,mỗi họ có haiquark) mới vi phạmđược đối xứng CP. Vào thời buổi ấy quark hãy còn là một giả thiết, một đề tài tế nhị, nhiều ngườibài bác kể cả những cây đại thụ, và ngay cả nếu chấp nhậngiả thiết quark thì lúcấy người ta chỉ biết có ba quarkthôi: up, downvà strange quark!Kỳ diệu thay cái tiên đoán của Kobayashi và Maskawa(KM). Thựcnghiệmliên tiếp chứngtỏ sau đó sự chính xác của cơ chế vi phạm CP màKM đề xướng. Năm 1974quark charm bắtđầu lộ diện, năm 1977với quarkbottomvà 1994với quarktop. Khámphá của Kobayashi và Maskawagóp phần quan trọng chosự hình thành củaMô hình Chuẩn hạt cơ bản, nó diễntả rất chínhxác sự vi phạm đối xứng vật chất-phảnvật chất trong cácthực nghiệmliên quan đếncác mesonK (mangstrange quark)và B (mang bottom quark). . Giải Nobel vật lý 2008 Sáng nay mồng 7 tháng Mười, giải Nobel 2008 vinh tặng ba nhà vật lý Nhật bản ngành lý thuyết hạt cơ bản, các giáo sư Yoichiro. biến và chi phối nhiều ngànhvật lý là do Nambu,khi suy ngẫm về thuyếtsiêu dẫn nói trên, đã đề xướng ra và Higgs áp dụngthành côngtrong vật lý hạt cơ bản .Giải Nobel2 008 để tặng thưởng Nambu đã. tháp và hình là biểu hiện củađối xứng gương toànvẹn. Trongvật lý hạt cơ bản, hai nhà vật lý Trung Quốc ở Mỹ T. D. Lee và C. N.Yang (giải Nobel1 957) khámphá ra là lựchạt nhânyếu (chi phối phóngxạ