Cái không trong lượng tử phạm xuân yêm

Cái Không lượng tử Chân không lượng tử (viết gọn thành Không) trạng thái tận vạn vật, vô hướng, trung hòa, mang lượng cực tiểu, chẳng vẩn gợn chút vật chất kể điện từ trường (ánh sáng nói riêng) Do nhiễu loạn lượng Không mà vật chất (cùng phản vật chất) nẩy sinh, tương tác, biến chuyển, phân rã trở với Không, tiếp nối vòng sinh hủy Tuy lượng Không lại vô hạn theo nguyên lý bất định Heisenberg Cực tiểu vô hạn, nghịch lý hẳn đòi hỏi cách mạng nhận thức? Dẫu có hai biểu Không kiểm chứng thành công thực nghiệm Ðó hiệu ứng Casimir số tương tác không cố định mà biến đổi Nhưng mặt khác lượng vô hạn, vai trò Không dãn nở Vũ trụ chưa tìm thấy lời giải đáp, minh họa mâu thuẫn hai trụ cột vật lý đại: Lượng tử giới vi mô Tương đối rộng giới vĩ mô Vật lý đương đại Công nghệ cao Trước hết tạm kể thành lạ mà vật lý đại mang đến cho đời sống hàng ngày: 1-Công nghệ thông-truyền-tin với ba chữ v kép (world-wide-web) hay mạng lưới toàn cầu sáng tạo dùng nhà vật lý CERN (Centre Européen de Recherche Nucléaire) chuyên nghiên cứu hạt bản, mũi nhọn vật lý đại Ðặt biên giới Pháp-Thụy Sĩ gần thành phố Genève với máy gia tốc hình tròn chu vi hai mươi bảy số nằm sâu trăm thước mặt đất, công nghệ siêu dẫn điện từ tận dụng, tạo nên từ trường mạnh để đẩy hạt electron, positron, proton cho đạt tới vận tốc gần ánh sáng, nhờ mà thăm dò chất hạt cấu tạo nên vạn vật khám phá định luật tương tác chúng Vì hàng ngàn nhà vật lý ngành lượng cao sinh hoạt nhiều quốc gia tản mát khắp địa cầu lúc thường xuyên làm việc bên CERN, để dễ dàng cộng tác trao đổi nhiều liệu, phân tích tổng hợp nhanh chóng kết nghiên cứu, khoảng năm 1990 xuất www Chưa đầy mười năm sau, internet nhanh chóng tràn ngập thị trường thông-truyền-tin quốc tế mà điển hình động truy cập Google qua ta tham khảo tức muôn vàn thông tin, tài liệu, sách báo 2-Cuộc cách mạng số phương tiện truyền thanh, truyền hình, quay phim, điện thoại v.v phát triển nhờ khám phá laser chất bán dẫn mà đại diện linh kiện vi tính, vi điện tử, quang điện tử Những kỳ công nói khởi nguồn từ vật lý lượng tử ! 3-Hệ thống GPS (Global Positioning System) để xác định tức khắc địa điểm hoàn cầu trang bị phương tiện vận tải trời biển Hệ thống tùy thuộc vào máy đo thời gian vô xác (đồng hồ nguyên tử khai thác dao động tuần hoàn nguyên tử vi mô) làm với mục tiêu khoa học túy để kiểm chứng thuyết tương đối rộng Theo thuyết nhịp độ đồng hồ thay đổi với sức hút đất, trọng lực giảm tần số dao động giảm theo, hay thời gian trôi nhanh lên 4-Công nghệ liên quan đến y tế dùng máy gia tốc hạt proton hay electron, laser ánh sáng dùng giải phẫu, máy chụp hình MRI (magnetic resonance imaging), PET (positron emission tomography) ứng dụng trực tiếp nhiều công trình nghiên cứu lượng tử Ðặc biệt với PET, hạt positron (tức phản electron, giao hưởng tuyệt vời lượng tử tương đối hẹp) tận dụng để rõi theo biến chuyển tế bào 5-Hiện tượng siêu dẫn điện từ nhiệt độ thấp đặc trưng vật lý lượng tử Thực kỳ lạ, dòng điện truyền qua dây siêu dẫn tồn lâu dài ta cắt bỏ điện đi.Vật liệu siêu dẫn điện trở, chúng không bị nóng lên, điện không bị thất tán truyền tải dây siêu dẫn Hơn nữa, nam châm để gần vật liệu siêu dẫn bị nâng bật ngoài, khác hẳn với điện từ điều kiện thường Với đặc tính nhiều điều chưa kể đến từ trường mạnh duới trạng thái siêu dẫn, nhiều người nhìn thấy triển vọng cho công nghiệp tương lai kỷ 21, đặc biệt sản xuất, tích trữ chuyển vận lượng Một thí dụ khả điều chỉnh tổng hợp nhiệt hạch thường xuyên xảy Mặt trời từ bốn tỷ năm qua Ðó lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) xây dựng Cadarache miền nam nước Pháp để nghiên cứu việc sản xuất lượng Lò ITER dùng từ trường siêu dẫn mạnh để giam hãm plasma hạt nhân nguyên tử, điều kiện tiên để khởi động tổng hợp nhiệt hạch Ngoài phải kể đến khả chủ yếu siêu dẫn ngành liên quan đến điện tử (với máy tính kiện dùng vật liệu siêu dẫn), đến sinh học (với thiết bị sensor nhậy bén), đến vận tải (với tàu hỏa tốc hành nâng lên từ trường siêu dẫn, không chạm đường ray nên tàu chạy nhanh lại an toàn) Ðôi điều tản mạn giới vi mô, lượng tử hạt Ðể làm quen với lượng tử, bắt đầu công thức Planck E = hν theo trao đổi lượng E vật thể vi mô với môi trường chung quanh không liên tục mà thực đơn vị (hay gói) hν, hai hν, ba hν, n hν với n số nguyên; lượng E lại gắn liền với tần số dao động ν vật thể vi mô ấy, hệ số tỉ lệ h gọi số Planck Danh từ lượng tử (gốc chữ La tinh quantum: bao nhiêu) hàm nghĩa số lượng, mang tính chất rời rạc Ký hiệu h viết tắt hilfe (phụ khuyết), chữ bình thường chọn từ tiếng Ðức mẹ đẻ, chi tiết nói lên lòng khiêm tốn nhà bác học lớn, thâm tâm ông biết vừa phát công trình phi thường Trong lúc vui mừng ông thổ lộ với trai Erwin năm lên bảy tuổi: hôm bố vừa khám phá điều vĩ đại chẳng Newton, trước nỗi ngỡ ngàng cậu không rõ cha nói Do tính toán qua số nhỏ h mà ra, danh từ vi mô khoa học tự nhiên hiểu vật chất kích thước hay nhỏ phần tỷ mét, hay nanô-mét Như nguyên tử rộng dài khoảng nanô-mét coi ngưỡng cửa bắt đầu sâu xuống giới vi mô bao gồm hạt nhỏ hạt nhân nguyên tử hai thành phần chúng tức hạt proton hạt neutron Thế giới vi mô vận hành theo định luật vật lý lượng tử, ảnh hưởng lượng tử vượt xa giới vi mô giới vĩ mô lớn rộng (thiên hà tinh tú, mặt trời, sinh, thực, khoáng vật trái đất) tất tạo thành hạt vi mô gọi quark lepton, đặc biệt lepton e hay electron Điểm then chốt mà Planck giả thiết vật vi mô tiếp nhận hay đơn vị lượng hν Ngạc nhiên thay, ta hình dung sức nóng dạng lượng, phun gói chùm không tuôn chảy đặn Giả thuyết ông vào thời điểm ý niệm cách mạng định kiến cho lượng phát tỏa phải liên tục ăn sâu vào tiềm thức người ta tin hiển nhiên Nhiều phát minh vượt bậc khoa học thường khởi đầu tỉnh ngộ để từ bỏ định kiến bám rễ vào tư tưởng người nhiêu hệ Trăm năm qua, ý niệm muôn vàn tinh tế ngày thấm đượm: vận hành tương tác vật chất tưởng đặn liên tục hương bay nước chảy, thực nhận thức thô sơ trạng thái lớn vĩ mô thực phong phú sóng động hơn, kỳ diệu hơn, tưng bừng hợp âm vùng sân khuất giới vi mô Thực lạ quan điểm theo tất vật chất thang mức vĩ mô mà hàng ngày nhận thức tạo số hạt vi mô, số không nhiều Mời bạn đọc hiểu hạt qua ẩn dụ sau đây: giả sử nước ta, mái nhà chùa, nhà thờ, nhà ở, lâu đài thành quách v.v tất lợp bốn loại ngói: bát tràng, lái thiêu, âm dương huyền thạch, có bốn loại ngói để dựng nên mái nhà đất nước Vậy bốn loại ngói bốn hạt mái nhà Việt Cũng hạt từ ngữ hai mươi sáu mẫu tự a,b,c…để viết lên bao tác phẩm văn chương thơ phú tuyệt vời, âm bảy nốt đô, rê, mi…để hòa điệu trăm ngàn nhạc mê ly, màu sắc ba màu xanh, đỏ, vàng từ vẽ hoạ phẩm huyền diệu Trong thiên nhiên, hạt vật chất bất động hay sinh động quark lepton! Thực bước nhảy vọt vĩ đại kiến thức loài người đầu thiên niên kỷ thứ ba này! Chúng tương tác, gắn kết để tạo thành vật chất, dựng nên cấu trúc cong xoắn không-thời gian vũ trụ, theo thuyết tương đối rộng, vật chất không-thời gian thống nhất, trước tạo nên (và là) sau Như lần Einstein viết cho Schwarzschild (người năm 1916 giải sác phương trình Einstein thuyết tương đối rộng): Xưa người ta nghĩ vật đời biến lại thời gian không gian, theo thuyết tương đối rộng không-thời gian biến theo vật chất mà Thuyết tương đối hẹp rộng -vật lý cổ điển- gần Einstein sáng tạo, trái lại giới vi mô vô phong phú bao quát nhiều địa hạt khác nên vật lý lượng tử công trình tập thể với đóng góp nhiều nhân vật lịch sử Bohr, de Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Dirac, Pauli, Fermi nối tiếp cho đến ngày tài đến từ miền trái đất qua vài khuôn mặt quen thuộc, tạm kể Bose, Gell-Mann, Landau, Salam, Yang, Yukawa Ngược dòng thời gian, quan niệm hạt sơ đẳng (nghĩa đơn vị vi mô nhỏ bé không chia cắt cho nhỏ nữa) cấu tạo nên vật chất vũ trụ từ lâu tiềm ẩn ý thức nhân loại Cái hiểu sơ đẳng biến đổi với thời gian ta thấy Mới cách trăm năm, phân tử coi hạt nhỏ vật chất, phân tử lại nhiều nguyên tử gắn bó với qua trao đổi điện tử electron chúng mà thành Sau nguyên tử hạt nhân electron dao động chung quanh tạo lập, đến hạt nhân chẳng qua phức hợp hai thành phần nhỏ proton neutron, cuối proton neutron tạo hai hạt gọi quark u, d (viết tắt up, down) gắn bó với qua trao đổi keo (gluon) mà nên Ðịnh luật tương tác mạnh quark để gắn bó chúng proton neutron mang tên Sắc động lực học lượng tử (quantum chromodynamics, QCD) vay mượn chữ Ðiện động lực học lượng tử (quantum electrodynamics, QED), diễn tả tuơng tác điện từ giới vi mô electron Hai danh từ sắc điện để định hai tính chất lượng tử riêng biệt, sắc tích quark điện tích −e electron Trong Sắc động lực có tám gluon mang sắc tích trao đổi quark, Ðiện động lực có quang tử (photon) trao đổi electron Tóm lại vạn vật cấu tạo hạt bản, bốn không nhiều, hai quark u, d hai lepton: electron, neutrino Ngoài sắc tích ra, hai quark u, d mang điện tích +(⅔)e cho u – (⅓)e cho d, electron mang điện tích âm –e, neutrino trung hòa, hai lepton (electron neutrino) sắc tích Là hạt kỳ lạ bốn hạt, neutrino tương tác nhỏ yếu với vật chất nên bay vũ trụ với vận tốc ánh sáng c vượt chân không, xuyên suốt trái đất gần chẳng để lại dấu ấn Thực sứ giả độc đáo nối cầu giới vĩ mô vô lớn rộng thiên hà vũ trụ với giới vi mô muôn vàn nhỏ bé hạ tầng nguyên tử Neutrino nhẹ bốn hạt (khoảng phần tỷ khối lượng electron) nhiều trời đất, hà sa số, giây đồng hồ diện tích cm² da có chừng sáu mươi tỷ hạt neutrino từ Mặt trời bay tới, không kể từ muôn vàn khác! Nếu hạt quang tử mà chạm tới chúng ta, hẳn người sinh tồn trạng thái hữu May thay neutrino hạt có tương tác yếu với quark u, d electron, vật thể khác ba (trong bốn) hạt u, d electron tạo thành Hai quark u, d nói phần tử sơ đẳng nhất, qua tương tác mạnh , cấu tạo nên proton (tập hợp ba quark u,u,d) neutron (tập hợp ba quark d,d,u) hai hạt lại gắn bó để tạo thành hạt nhân tất nguyên tử, từ khinh khí nhẹ đến hóa chất nặng trời đất Hạt nhân electron tạo thành nguyên tử, nguyên tử có hạt nhân riêng với số electron dao động chung quanh Sau rốt nguyên tử khác lại gắn bó (qua trao đổi electron với nhau) để tạo thành vật lớn gọi phân tử, acid DNA trụ cột gen sinh vật đại phân tử, thí dụ kể để có ý niệm kích thước vật thể Trong bốn loại tương tác vạn vật , số tương tác mạnh αs quark lớn nhất, gấp khoảng trăm lần số tương tác điện từ αem = 1/137, số trọng lực G Newton nhỏ khoảng 10−42 lần so với lực điện từ điều kiện bình thường (hiện đây), lúc khai thiên lập địa (Big Bang) lại chuyện khác Có thể nói tất tượng điện từ (cơ ứng dụng) tính toán, diễn tả thông số thôi, số tương tác điện từ αem để thấy rõ tính chất phổ quát Cũng tất tượng hấp dẫn diễn tả qua số tương tác trọng lực Newton G Trường, lưỡng tính sóng-hạt, E2= m2c4 hay vật chất phản vật chất, hạt ảo Quan điểm độc đáo mà Planck tặng cho nhân lọai có gói hay hạt sơ đẳng lượng trao đổi vật thể vi mô Hơn nữa, lượng E lại trực tiếp gắn liền với tần số dao động ν chúng Trường lượng tử vật thể vi mô diễn tả lưỡng tính sóng-hạt nó, hàm tuần hoàn không gian x thời gian t, tuân theo định luật tương tác từ ta suy diễn vận hành vật thể Công thức E = mc2 (m khối lượng vật c ≈ 300.000 km/s vận tốc ánh sáng) diễn tả lượng E dạng vật chất khối lượng m đồng nghĩa với hạt Khi liên kết với E = hν tần số ν đồng nghĩa với sóng, ta cảm nhận lưỡng tính sóng-hạt giới vi mô qua trung gian lượng E Vật chất mang điện tích chuyển động nguồn gốc tạo sóng điện từ trường, biểu qua dao động hạt quang tử Nhưng photon lại khối lượng (m = 0), tính chất hạt đâu? Chính xung lượng |k| = E/c diễn tả dạng hạt photon Thực thuyết tương đối hẹp, E2 = |k|2c2 + m2c4 phương trình xác, E2 = m2c4 dạng riêng lẻ phương trình trên, hạt có khối lượng m ≠ đứng yên (|k|= 0) Trái lại m = 0, quang tử luôn chuyển động với vận tốc c, có lượng E xung lượng |k| = E/c, phương trình hν = E = |k|c diễn tả lưỡng tính sóng-hạt sóng điện từ Ánh sáng mắt ta nhìn thấy sóng điện từ với tần số ν khoảng triệu tỷ (1015) vòng giây đồng hồ Công thức E2 = |k|2c2 + m2c4 thuyết tương đối hẹp chùm lượng hν thuyết lượng tử điểm khởi đầu mà Dirac kết hợp để khám phá chân trời mới: xuất phản hạt có khối lượng với hạt, tất đặc trưng khác (điện tích, spin, sắc quark) hạt phản hạt ngược dấu Sự thống học lượng tử với thuyết tương đối hẹp điều tối cần thiết giới vi mô lượng tử dao động với vận tốc cao, mà trường hợp thuyết tương đối hẹp học diễn tả xác Ðể chứng minh phản hạt, Dirac từ nhận xét sau đây: E = ± (|k|2c2 + m2c4 )½, nên E = ± mc2 với vật không di động Trong vật lý cổ điển, hiển nhiên E > nên ta có E = mc2 Trái lại giới vi mô vật lý lượng tử, lượng hạt hay nhận gói hν, ngăn cản hạt nhiều gói hν mang lượng âm, hay ngược lại hạt với E < nhận nhiều gói hν trở trạng thái bình thường với lượng dương Thí dụ đại dương muôn vàn hạt electron (điện tích âm -e ) mang E < 0, ta có đủ sức để kéo hạt đại dương ngoài, tức đại dương electron mang E < 0, -e Nhưng (tượng trưng dấu -) âm nhận dương, -(-) = +, kết cục ta thấy xuất hạt có điện tích dương +e mang lượng E > Ðó hạt phản electron hay positron Tóm lại, hạt phản hạt có E > 0, chúng có chung khối lượng đặc trưng khác (điện tích, spin, sắc) ngược dấu Ta có phản quark, phản lepton, phản nguyên tử Như có vật chất có phản vật chất, giao tụ chúng tự hủy để biến thành lượng, ngược lại cung cấp đủ lượng cặp vật chất-phản vật chất tạo Sự tương trùng lượng với cặp vật chất-phản vật chất đưa đến khái niệm vật ảo lượng tử, vật mà lượng E xung lượng k không tuân theo phương trình E2 = |k|2c2 + m2c4 Một hạt thực khối lượng m, lượng E xung lượng k, ba đại lượng ràng buộc phương trình m = (E2 – |k|2c2 )½ ⁄c2 Hạt thành ảo có khối lượng bình phương m*2 ≠ m2 Khối lượng m* hạt ảo thay đổi liên tục không giới hạn vài trị số m định hạt thực Thí dụ sau cho ta rõ photon ảo Như ta biết, electron chuyển động phát photon Ðể electron positron ngược chiều va chạm nhau, xung lượng chúng +k –k, hạt có lượng Ee = (|k|2c2 + me2c4 )½, me khối lượng chung electron positron Gặp nhau, chúng biến thành photon ảo nên lượng Ē (xung lượng K) photon ảo tổng lượng (tổng xung lượng) electron positron, Ē = 2Ee, K = k – k = 0, photon ảo có khối lượng (Ē2 – |K|2c2 )½ ⁄c2 = 2Ee ⁄c2 khác Cũng ta có quark, lepton, gluon ảo Tương tác điện từ electron diễn tả qua trao đổi photon ảo electron với nhau, tương tác mạnh quark trao đổi gluon ảo quark, tương tác yếu neutrino qua trao đổi boson ảo W±, Z0 Những photon, gluon, W±, Z0 ảo theo thứ tự sứ giả truyền tin làm trung gian cho tương tác điện từ, mạnh, yếu để tạo lực thích ứng Thí dụ hai điện tích đứng yên trao đổi photon ảo, hàm truyền Feynman photon ảo sinh lực Coulomb chúng Các hạt ảo dựa vào lượng E vay mượn chân không lượng tử (xem định nghĩa đặc tính phần dưới) mà sinh ra, chúng tồn thời gian ngắn ngủi t ~ ћ/E (nguyên lý bất định E t ~ ћ ~ 2|k||x|), trả lại E để đi, nhà vật lý kỳ tài Feynman hài hước: từ chân không sinh lại hủy, ôi thời gian phí phạm! ... đưa đến khái niệm vật ảo lượng tử, vật mà lượng E xung lượng k không tuân theo phương trình E2 = |k|2c2 + m2c4 Một hạt thực khối lượng m, lượng E xung lượng k, ba đại lượng ràng buộc phương trình... ± mc2 với vật không di động Trong vật lý cổ điển, hiển nhiên E > nên ta có E = mc2 Trái lại giới vi mô vật lý lượng tử, lượng hạt hay nhận gói hν, ngăn cản hạt nhiều gói hν mang lượng âm, hay... Ðôi điều tản mạn giới vi mô, lượng tử hạt Ðể làm quen với lượng tử, bắt đầu công thức Planck E = hν theo trao đổi lượng E vật thể vi mô với môi trường chung quanh không liên tục mà thực đơn vị