GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2008 Giải Nobel Vật lý năm 2008 được trao cho giáo sư người Mỹ gốc Nhật Yoichiro Nambu (1921-) tại Viện Enrico Fermi thuộc Đại học Chicago (Mỹ) “do phát minh cơ chế của sự phá vỡ đối xứng tự phát trong vật lý dưới nguyên tử”, giáosư người NhậtMakoto Kobayashi (1944-) tại Tổ chức Nghiên cứuMáygia tốc Năng lượng lượng cao (Nhật Bản) và giáo sư người Nhật Toshihide Maskawa (1940-) tại Viện Vật lý lý thuyết Yukawa thuộc Đại học Kyoto (Nhật Bản) “do phát minhnguồngốccủa sự phávỡ đốixứngmànódự đoánsự tồn tạicủaít nhấtbahọ quac trong tự nhiên”. Tại sao có một cái gì đó thay cho không có gì cả? Tại saocó nhiều hạtcơ bản khác nhau như vậy? Những người đoạt Giải NobelVật lý năm 2008giúp chúng ta hiểu biếtsâu hơn về những gì xảy rabên trong các khối xây dựngnhỏ nhất của vật chất. Các định luật đối xứng củatự nhiên là trungtâm củavấnđề nàyhay đúng hơnlà những đối xứng bị phá vỡ trong đó có những đối xứngdường như tồn tại trong vũ trụ củachúng ta ngay từ lúcban đầuvà nhữngđối xứng tự mất đi đối xứngban đầu ở một nơi nàođó dọc theo hành trình của vũ trụ. Thực tế là tất cả chúng ta đều nhữngđứa con của sự phá vỡ đối xứng. Sự phá vỡ đối xứng cầnphải xảy ra ngaylập tức sau Vụ nổ lớn (BigBang)khoảng 14tỷ nămtrước đây khicó nhiều phản vật chất như vật chất đượcsinh ra. Cuộc gặp gỡ của vật chất và phản vật chất là địnhmệnh không tránh được cho cả hai. Chúng hủy diệt lẫn nhauvà tất cả nhữnggì còn lại là bức xạ. Tuynhiên, rõ ràng là vật chất đã thắngphản vật chất vì nếu không bây giờ chúng ta sẽ khôngtồn tại. Nhưng bây giờ chúng ta tồntại và chỉ mộtsự lệch nhỏ khỏi sự đối xứng hoàn chỉnhdườngnhư là đủ,nghĩa làmột hạt vật chất thêm vào chomỗi một mười tỷ hạt phản vật chất là đủ để làm cho thế giới của chúngta tồn tại. Sự dư vật chất này là mầm mốngcủa toàn bộ vũ trụ của chúng ta được làm đầy với các thiên hà, sao,hành tinhvà cuối cùnglà sự sống.Nhưngcái gì nằm phía sausự vi phạm đối xứng này trong vũ trụ vẫn còn làmột bí ẩn. Trongnhiều năm,nghiên cứu vật lý tậptrung vào việc tìm kiếm các định luật tự nhiênbị che khuất sâubên trongmột phạm vi rộngcủa cáchiện tượngmà chúng ta nhìnthấy xungquanh chúngta. Cácđịnh luậttự nhiên cần phải là đối xứngvà tuyệtđối một cách hoàn hảo.Chúng cầnphải có giá trị ở khắp toàn bộ vũ trụ. Cách tiếpcận này dường như là đúng đối với hầuhết cáctrường hợpnhưng khôngphải luôn luôn như vậy.Đó là lý do tại saonhững đối xứng bị phá vỡ thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhànghiên cứu như nhữngđối xứng.Trongthế giới không cânxứng củachúng ta, sự đối xứng hoàn hảo là một sự đối xứnglý tưởng hiếm thấy. Nhiều loại đối xứng và đối xứng bị phávỡ khácnhau là một phần của cuộc sống hàng ngày củachúng ta.Chữ A không thayđổi khichúng tanhìn thấy nó trong gương tronglúc chữ Z phá vỡ đối xứngnày. Mặt khác, chữ Z vẫnnhư thế khi bạn lộn ngược nó nhưng nếu bạn lộn ngược chữ Athì sự đối xứng bị phávỡ. Lý thuyết hạt cơ bản mô tả banguyên lý đối xứng khácnhau là đốixứng gương,đối xứngđiện tíchvà đối xứngthời gian.Theo thuật ngữ vật lý, đối xứng gương được ký hiệu bằng chữ P. Đó là chữ cái đầu củatừ tiếng Anh “parity”.Đối xứngđiện tích được ký hiệu bằng chữ C. Đó là chữ cái đầu củatừ tiếng Anh“charge”. Đối xứng thời gian đượcký hiệu bằng chữ T.Đó là chữ cái đầu của từ tiếng Anh“time”. Trongđốixứng gương, tất cả cácsự kiện cầnphải diễn ratheo cùng mộttrìnhtự một cách chínhxác bất kể ở đâu người ta nhìnthấy chúng mộtcách trực tiếp hoặc trong gương. Chúng khôngcó bất kỳ sự khác biệt nào giữa trái và phải và không có bất kỳ ngườinào có khả năng nhận ra họ đang ở trong thế giới riêngcủa họ hayở trong thế giới nhìn qua gương. Trong đối xứng điện tích, các hạt cần phải ứng xử chínhxác giống như những người bạn chí cốt của chúnglà các phản hạt. Phảnhạt có cùngtính chất nhưng ngượcdấu điện tíchvớihạt. Còntrong đối xứngthời gian, khi lùivề quá khứ và tiến đếntương lai thì các sự kiện vật lýở mức vi mô cần phải xảy ra như nhau. Những sự đối xứng không chỉ có một giátrị thẩm mỹ trongvật lý. Chúng đơn giản hóa nhiềutính toánkhôngthuận tiện và dođó đóng một vai trò quyết định trong mô tả toán họcđối với thế giới vi mô. Mộtvấn đề thậm chí quan trọng hơn là những đối xứng nàycó liên quanđến một số lớncác định luật bảo toàn ở mứchạt cơ bản. Chẳng hạn như theo định luật năng lượng, năng lượngkhôngthể mất đi trong các vachạm giữa các hạt cơ bản. Nănglượng cầnphải đượcbảo toàn trước và sau vachạm và điềunày là hiển nhiên trong sự đốixứngcủa các phương trình mô tả nhữngva chạm hạt. Cònđịnh luật bảo toàn điện tích liênquan đến đối xứng trong lý thuyết điện từ. Khoảnggiữa thế kỷ XX,sự đối xứng bị phá vỡ lần đầu tiên xuất hiệntrong nghiêncứu về các nguyên lý cơ bản của vật chất. Lúc đó,vật lý đòi hỏi đạt được giấc mơ lớnnhất củanó là thốngnhất các khối xây dựng nhỏ nhất vàcác lực của tự nhiênvào trong mộtlýthuyết chunggọi làlý thuyết thốngnhất vĩ đại.Tuy nhiên, vật lý hạt cơ bản ngày càngtrở nên phức tạphơn. Các máy giatốc mới đượclắp đặt sauchiến tranh thế giới lần thứ IIsinh ra một dòngổn định của các hạtcơ bản chưa từng cótrước đó. Hầu hết các số liệu do các máy giatốc cung cấp không phù hợp với cácmôhình do các nhà vật lýđưa ra lúc đó làvật chất bao gồmcác nguyên tử với các nơtron vàproton tronghạt nhân và các electron ở baoquanh hạt nhân. Những nghiên cứu sâu hơn trongcác vùng ở trong cùng của vật chấtpháthiện thấyrằng mỗi một protonhoặc nơtronlại bao hàm một bộ ba củacác quac.Người ta chứng minhđược rằng cáchạt cơ bản đã được pháthiện cũng có cấu tạo từ các quac. Hiện nay,hầu như tấtcả các mảnh ghép của một bộ lắphìnhđã đượcđặt vào đúngchỗ. Mộtmô hìnhgọi là Mẫu chuẩn cho các phần không thể chianhỏ củavật chất baogồm ba họ hạtcơ bản. Họ thứ nhất bao gồm 2 loại leptonlà electron và nơtrino electronvà 2 loại quaclà quac lên vàquac xuống.Họ thứ hai bao gồm2 loại leptonlà muon và nơtrino muon và 2 loại quaclà quac duyên vàquac lạ. Họ thứ ba baogồm 2 loại leptonlà tauvà nơtrino tau và 2 loạiquac là quacđỉnh và quac đáy. Các họ này giốngnhaunhưng chỉ cáchạt tronghọ thứ nhất nhẹ nhất là đủ bền vững để tạo nên vũ trụ. Các hạttrong hai họ nặnghơn tồn tại trong cácđiều kiệnrấtkhôngbền vững và phânrã ngay thành các loại hạt nhẹ hơn. Bất kỳ cái gìđều đượcđiều khiển bởi các lực. Mẫu chuẩn cho đến thờiđiểm hiện nayđã thống nhất ba loại lực cơ bản của tự nhiênlà lực điện từ, lực mạnh và lực yếu. Chỉ cònmột loại lực cơ bản thứ tư củatự nhiên là lực hấp dẫn chưa được bao hàm trong Mẫu chuẩn. Mẫu chuẩn baohàmba trong bốn loại lực cơ bảncủa tự nhiêncùng với các hạt manglực củachúng. Các hạt manglực là các hạt mang tương tác giữacác hạt cơ bản. Hạt manglực của lực điện từ là photon với khối lượng không (haykhông có khối lượng).Lựcyếu tính đến sự phân rã phóng xạ và làm cho mặt trời và các sao chiếu sángđược mangbởi các hạtbozon W và Z nặng. Lực nặng trong hạt nhân nguyên tử được mangbởicác hạtgluon. Lựchấp dẫn giữ chúng ta ở trên mặt đấtcòn chưa đượcbao hàm trong Mẫu chuẩn và điều này đang là một thách thức lớn đối với các nhà vật lýhiện nay. Để hoàn chỉnh Mẫu chuẩn cần một loại hạtmới gọi là hạtHiggs và cộng đồng vật lý hi vọngtìm thấynó trong máy gia tốclớn nhất thế giới mang tên là máy giatốc LHCmới được đưavào vận hành tại Trungtâm Nghiêncứu Hạt nhân châu ÂuCERN ở Geneva(Thụy Sĩ). Ngườiđầu tiên chỉ ra vai tròcó tính quyết định của sự đốixứng bị phá vỡ đối với nguồn gốcvũ trụ là nhà vậtlý NgaAndreiSakharov.Năm 1967ông thiết lập ba điều kiện để phátsinh mộtthế giới giốngthế giới của chúngta không cóphản vật chất. Điều kiện thứ nhấtlà các định luật vậtlý phân biệt giữa vật chất và phảnvật chất. Điều này thực tế đã đượcphát hiện với đối xứng CP bị phávỡ. Điều kiện thứ hai làvũ trụ cónguồngốc từ nhiệt của Vụ nổ lớn. Và điều kiện thứ ba là các proton trong mỗi hạtnhân nguyên tử đều phân hủy. Điều kiện cuối cùngcó thể dẫnđến sự tận cùng của thế giới do nó ngụ ý rằng toàn bộ vật chất cuối cùng cóthể biến mất. Nhưng điều đó còn lâu mới có thể xảy ravì theo thực nghiệm, các proton duy trì ổn định trong khoảng 10 33 năm. Khoảng thời giannày lớn hơn 10 ngàn tỷ tỷ lần sovới tuổi của vũ trụ (khoảng lớn hơn 10 10 nămmột chút). Và không cómột ai biết được chuỗi sự kiện của Sakharovxảy ra như thế nào trong vũ trụ sơ khai. Các điều kiện của Sakhrov cuối cùngcóthể được bao hàm trong Mẫu chuẩn. Khi đó, có thể giải thích phần dư thừa vậtchất tạo ra khi phát sinhvũ trụ. Câu hỏi tại sao các đối xứng bị phá vỡ không được giải đáp chođến năm 1972 khihainhànghiên cứutrẻ của Đại họcKyoto tên là Kobayashivà Maskawa nhờ các tính toán vật lý lượng tử tìm ralới giải trongmột ma trận 3 x 3. Đối xứng bị phá vỡ kép xảy ra như thế nào? Mỗi một hạt kaon bao gồm một sự kết hợpcủa một quacvà một phản quac.Lực yếu làm cho chúngchuyển hóa lẫn nhau:quac trở thành một phản quactrong lúc phản quac trở thànhmột quacvà do đó biến đổi kaon thành phản kaon của nó.Theo cách này, hạt kaonchuyển đổi giữa bản thân nó và ngược với bảnthân nó.Nhưng nếu các điều kiệnđúng được đáp ứng, sự đối xứnggiữa vậtchất vàphản vậtchấtsẽ bị phá vỡ.Ma trận tính toán của Kobayashi và Maskawa chứa cácxác suất nhằm mô tả sự biến đổi của cácquac sẽ xảy ra như thế nào.Hóa ralà các quac vàphản quac traođổi đặc tínhcho nhau trong phạm vi họ riêngcủa chúng. Nếu sự trao đổi đặctính nàyvới đốixứng bị phá vỡ kép xảy ra giữavậtchất và phản vật chất,cần bổ sungmột họ quacthứ ba vào haihọ quac đã có. Đó là một quanđiểm táo bạo và Mẫu chuẩnnhận được các quacmới. Các quac mớitheo dự đoán sau đó đã tìm thấy trong thựcnghiệm. Người ta pháthiện ra quac duyên đầu năm 1974, quac đáynăm 1977và quacđỉnh cuối năm 1994. Lý thuyết của Kobayashi vàMaskawa chỉ ra rằng có thể nghiên cứu một sự vi phạm đối xứngchủ yếu trong các hạt mezon Bnặng hơn 10lần so với nhữngngườianh em họ của chúng là các kaon.Tuy nhiên, sự đối xứng bị phá vỡ xảy racực kỳ hiếm thấytrong các mezonB.Do đó, cần có những lượng rất lớncủacáchạt này chỉ để tìm ramột ítsự đối xứngbị phá vỡ. Đầu năm 2001, cả haithực nghiệm độclập với nhau trên cácmáy gia tốc SLACở Stanford (California,Mỹ) và KEKở Tsukuba (Nhật Bản) cóthể sảnsinh hơn một triệu mezonBmỗi ngày đã xác nhận sự vi phạm đối xứngcủa cácmezonBchínhxácnhư dự đoántrong mô hình của Kobayashi và Maskawatừ 30 năm trước đó. Điều này có nghĩalà một sự hoàn chỉnhMẫu chuẩn.Gần như tất cả các mảnh ghép củabộ lắp hìnhđược lắp vào đúng chỗ nhờ có mộtdự đoántáo bạo nhấttrong số các dự đoán. Mẫu chuẩn bao hàm tất cả cáchạt cơ bản đã biết và và ba trongtrong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Nhưngtại sao các lựcnày lại khác nhaunhư thế? Vàtại sao các hạt cơ bản lại có những khốilượng khác nhau như vậy? Quac nặng nhất là quac đỉnh nặnghơn ba trăm nghìn lần so với electron.Tại sao chúnghoàn toàn có bất kỳ khối lượng nào? Một lần nữalực yếu lạicó vaitrò trên phương diện này. Các hạt mang củalựcyếu là các hạt W và Z nặng hơnnhiều trong lúc bạnđồng minh của nólà photon manglực điện từ lại hoàn toànkhông có khốilượng. Nhiều nhà vật lý chorằng sự đốixứngbị phá vỡ tự phát khácgọi là cơ chế Higgs pháhủy đối xứngban đầu giữa cáclực và đem lại cho các hạt các khối lượngcủa chúng trong các giai đoạnban đầu của vũ trụ. Năm 1960, Nambulà người đầu tiênđưa sự vi phạm đối xứngtự phát mô tả hiện tượngsiêu dẫn vàovật lý hạt cơ bản. Chúng ta có thể chứng kiến những vi phạm đốixứng tự phát đơngiản hơn trong cuộcsống hàng ngày. Một bút chì đặt đứng trênđầu nhọncủa nó đưa ramột trạngthái hoàn toànđối xứngtrong đó tất cả các hướng đều bìnhđẳng như nhau.Nhưngđối xứng này bị mất đi khinó rơi xuống và nằm trên mặt bàn. Bây giờ chỉ có một hướng được tínhđến. Điều kiện của bút chì trở nên bềnvữnghơn. Bútchì sẽ nằm yênvì nó đã tiến đến mức nănglượngthấp nhất của nó. Một chân không có mức năng lượng có thể có thấp nhất trongvũ trụ. Thực tế là mộtchân không trongvật lý chínhxác là một trạng thái với năng lượng cóthể có thấp nhất.Nhưng nó không trống rỗngbởi bất kỳ cách nào.Xuất phát từ vật lý lượng tử,mộtchân không được định nghĩa là sự đầy của một nồi súp sủi bọt của các hạt mà chúng phồng lên chỉ để biến mất ngaylập tứclần nữa trong các trường lượng tử có mặt phân bố rộng nhưng không nhìn thấy được. Chúng ta được bao quanh bởi nhiều trường lượngtử khác nhau xuyên qua không gian. Bốn loại lực cơ bản của tự nhiên cũngđược mô tả như các trường. Một trong số các trường nàylà trường hấp dẫn mà nó giữ chúng ta ở trên mặt đất và xác địnhxem cái gì là lênvà cáigìlà xuống.Nambusớm nhận ra rằng các tínhchất của một chân khônglà cần thiết cho việcnghiêncứu dối xứng bị phá vỡ tự tự phát. Mộtchân không, nghĩalàtrạng thái năng lượng thấp nhất khôngtương ứngvới trạng thái đốixứngcao nhất. Giống như bút chìrơi xuống,sự đối xứngcủa trường lượng tử bị phá vỡ và chỉ một trong nhiều hướng trường có thể cóđược lựa chọn. Câu hỏi về khốilượng củacáchạt cơ bản cũng đã được giải đápbởi đối xứng phá vỡ tự phátcủa trườngHiggs giả định.Theoquan niệm này,tại Vụ nổ lớn trường là đối xứnghoàn chỉnh và tất cả các hạtcókhối lượngkhông.Nhưng trường Higgs giống như bút chì đứng trên mũi nhọn củanó là không bền vững. Do đó, khivũ trụ lạnh đi,trường co lại tới chân khôngriêng của nóvới mứcnăng lượng thấp nhất của nó theođịnh nghĩa lượng tử. Sự đối xứng của nóbiến mất và trường Higgs trở thànhmột loại nướcngọt đốivới các hạt cơ bản. Cáchạt này hấp thụ những lượngtrường khácnhau và có các khối lượngkhác nhau. Một số hạt như các photon không bị lối kéo bởi trường Higgs và giữ khôngcókhối lượng. Nhưng tại sao các electron có khối lượng là một câuhỏi khácmà chưa có ai trả lời được. Giống như các trường lượngtử khác, trườngHiggs có đại diện riêng củanó là hạt Higgs. Các nhà vật lý đangcố gắng tìm kiếm nó trong máy giatốcmạnh nhất thế giới là máygia tốc LHC mới được vận hànhtại CERN(Geneva, Thụy Sĩ).Có thể có mộtvài hạtHiggs khác nhaubị phát hiện hoặc khôngcó hạtnào cả. Các nhà vật lý đã đưara nhiều lý thuyết trongđó có lý thuyết siêu đối xứngđể mở rộng Mẫu chuẩn. . GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2008 Giải Nobel Vật lý năm 2008 được trao cho giáo sư người Mỹ gốc Nhật Yoichiro Nambu (1921-) tại. bản khác nhau như vậy? Những người đoạt Giải NobelVật lý năm 2008giúp chúng ta hiểu biếtsâu hơn về những gì xảy rabên trong các khối xây dựngnhỏ nhất của vật chất. Các định luật đối xứng củatự. nhà vậtlý NgaAndreiSakharov .Năm 1967ông thiết lập ba điều kiện để phátsinh mộtthế giới giốngthế giới của chúngta không cóphản vật chất. Điều kiện thứ nhấtlà các định luật vậtlý phân biệt giữa vật