CÁI KHÔNG TRONG LƯỢNG TỬ

CÁI KHÔNG TRONG LƯỢNG TỬ Phạm Xuân Yêm∗ Tóm tắt 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 Kỳ thú thay ngược dòng thời gian tìm kỷ trôi qua với hai cột mốc 1900 1905 hai năm đó, Max Planck Albert Einstein theo thứ tự mang đến cho nhân loại hai kho tàng tri thức tuyệt vời gọi thuyết lượng tử thuyết tương đối hẹp vật lý, chắt chiu vun tròn qua hai phương trình E = hν E = mc2 ngắn gọn mà đẹp Không hơn, hai lý thuyết ảnh hưởng lan tràn sang nhiều điạ hạt khác khoa học từ toán đến sinh qua hóa chí nhân văn nghệ thuật, cội nguồn nôi nuôi dưỡng triển khai công nghệ cao đại, khơi dậy nhiều nhận thức sâu sắc thể vật, câu hỏi từ buổi bình minh loài người tự tính, sao, từ đâu đâu giới tượng ngoại cảnh, có hoàn toàn khách quan độc lập với ý thức nội tâm người không? Những tia sáng mà hai lý thuyết rọi vào cho khoa học bản, công nghệ triết lý thoảng dần thay đổi nếp sống suy tư trình tiến hóa loài người Vấn đề mênh mông, đề cập đến khái niệm then chốt vật lý đại gọi Không lượng tử (hay Chân không lượng tử) mà hai hệ thực nghiệm kiểm chứng thành công: hiệu ứng Casimir, số tương tác không mà biến chuyển Mặt khác liên quan đến thuyết tương đối rộng, có lượng vô hạn nên câu hỏi vai trò Không lượng tử dãn nở Vũ trụ chưa biết giải ∗ Ðại học Pierre et Marie Curie, Paris, pham@lpthe.jussieu.fr 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, năm 1994 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 - Cuộc cách mạng số phương tiện truyền thanh, truyền hình, quay phim, điện thoại v.v phát triển nhờ khám phá 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 ! - 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 - 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 - 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 E = 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, yêu cầu gói ghém câu công trình khoa học ông, khúc chiết trả lời: 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 chí tâm tư người từ lâu tiềm ẩn ý thức nhân chép mượn nhan đề Hợp âm vùng sân khuất, tập truyện ngắn bàng bạc thi tính nhà vật lý văn nữ Mai Ninh, nxb Thời mới, Toronto (2000) 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 -e, neutrino trung hòa 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 gì, không quang tử 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 Thực có mười hai hạt chia làm ba họ, họ bốn hạt Họ thứ nhì (hai quark c (charm), s (strange) hai lepton µ, νµ) họ thứ ba (hai quark t (top), b (bottom) hai lepton τ, ντ ) có khối lượng lớn, thời gian sống lại vô ngắn ngủi bị phân rã tương tác yếu bê-ta (xem phụ dưới), thành bốn hạt (hai quark u,d hai lepton: electron, neutrino) bền vững để tạo thành vật chất ta thấy Các tượng thiên nhiên vận hành qua bốn lực bản, có bốn thôi, trọng lực, điện từ , tương tác ‘yếu’ chủ trì phân rã bê-ta (quark d → quark u + electron + phản hạt neutrino) hạt nhân nguyên tử, cội nguồn tổng hợp nhiệt hạch Mặt trời, tinh tú ; sau hết tương tác ‘mạnh’ (Sắc động lực học lượng tử) quark u, d gắn bó chặt chẽ proton, neutron làm cho vật chất bền vững Hai tương tác mạnh yếu vận hành giới vi mô Hơn hai lực điện từ yếu có nhiều điểm đồng quy nên thực chất hai dạng tương tác gọi điện-yếu Lý thuyết chuẩn thống diễn tả xác tính ba tương tác lượng tử (mạnh, điện-yếu) thành công tuyệt vời vật lý hạt 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 3, cấu tạo nên proton (tập hợp ba quark uud) neutron (ddu) 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 electron 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 3, 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 ≈ 300.000km/s vận tốc ánh sáng) diễn tả lượng 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 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 Những véc-tơ k, x,… in đậm, |k|,|x| chiều dài k, x 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 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 bất 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 lượng để kéo hạt ngoài, tức đại dương electron mang E < , -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 hội 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, hạt 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 phát photon ảo nên lượng Ē (xung lượng K) photon ảo tổng lượng (tổng xung lượng) electron positron , Ē=2Ee , K= k-k= 0,vậy 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! Trở với Chân không Chân không lượng tử định nghĩa trạng thái vạn vật, vô hướng, trung hòa, mang lượng cực tiểu vật chất, tức tất trường lượng tử, bị loại bỏ hết Nhưng Không chẳng chứa trường vật chất mà lượng Theo nguyên lý bất định (nguồn gốc thăng giáng lượng tử), lượng trạng thái vi mô chuỗi (1/2)ℎν, (3/2)ℎν, (5/2)ℎν 0ℎν, 1ℎν, 2ℎν Cũng dễ hiểu thôi, nguyên lý bất định bảo ta xung lượng |k| xác định rõ rệt vị trí không gian |x| lại mơ hồ rối loạn nhiêu, lượng tối thiểu ε = (1/2)ℎν ≠ thỏa hiệp tối ưu bình đẳng cho hai bên |k| |x| Thực , ε = 0, |k |= 0, |x| không xác định Phản ánh nguyên lý này, giới vi mô luôn dao động nhiệt độ tuyệt đối thấp (năng lượng cực tiểu) ý nghĩa thăng giáng lượng tử Bởi lượng tối thiểu khác tần số ν số từ đến vô tận nên Không có lượng phân kỳ ta lấy tích phân tất mốt dao động Làm ước tính lượng Không, vô hạn? Phép phân tích thứ nguyên cho ta cách trả lời Với ba đại lượng phổ cập vật lý ℎ = 2π ћ số Planck, G số trọng lực Newton c vận tốc ánh sáng, ta có cách để lập nên đại lượng mang thứ nguyên chiều dài (L), khối lượng (M), thời gian (T) Ðó chiều dài Planck Lp = [Gћ /c3]½ = 1.6 × 10-35 m, khối lượng Planck Mp = ћ /(cLp) = 2.2 × 10-8 kg, thời gian Planck Tp = Lp /c = 5.4 × 10-44 s Từ đó, lượng Planck Ep = Mpc = × 10+9 joule Mật độ lượng Không ước tính theo (27/16π2) Ep/(Lp)3 = 8.4 × 10112 joule/ m3 với đóng góp trường ảo tràn đầy Không: photon tương tác điện từ, ba boson W∓, Z0 tương tác yếu, tám gluon tương tác mạnh Ðóng góp quark lepton chẳng thay đổi công thức Tuy nhiên vô hướng, trung hòa lại có lượng vô hạn, nên Không lượng tử mang ẩn dụ hư vô mênh mang tĩnh lặng, từ kích thích nhiễu loạn lượng mà vật chất tạo thành để chúng tương tác, phân rã, trở với Không, tiếp nối bao vòng tục lụy! Cái Không lượng tử thực trạng thái bản, cội nguồn chốn trở vạn vật Nó không rỗng tuếch chẳng có mà lắng đọng tất Chân không-Vật chất-Không gian-Thời gian chẳng tách biệt, có có, không không 7, hệ Lượng tử Tương đối! Thực thế, thuyết Tương đối hẹp liên kết Không gian Thời gian, Tương đối rộng nối Vật chất với Không-Thời gian cuối Lượng tử mang Chân không với Vật chất kết nối bốn khái niệm Dưới khía cạnh nào, ta cảm nhận Không qua câu nói đáng yêu đầy ẩn dụ đồng bào miền nam "dzậy mà dzậy", không mà chẳng không Mặc dầu Không trạng thái không nắm bắt, chẳng có mà ta định lượng nổi, rõ ràng khác với hư không công nghệ, mặt định tính ta kể ba đặc trưng Không Ðó thăng giáng lượng tử, tràn đầy hạt phản hạt kết thành cặp ảo phân cực chân không, gây cặp Phản ánh tác động Không, hai hệ sau phát đo lường được: - Không lượng tử tự vô hướng tĩnh lặng, có vật chất vào (mà chẳng có vật chất Không tràn đầy lượng trường ảo?) bị phân cực, số tương tác trường không mà thay đổi với lượng Tính chất mang tên số di động, cách tính toán biến đổi số dựa lý thuyết trường lượng tử qua đóng góp cặp ảo Khi lượng thay đổi từ đến 100 GeV, số tương tác điện từ αem tăng lên từ ≃1/137 đến ≃ 1/129, số tương tác mạnh αs quark lại giảm từ ≃ 0.4 xuống ≃ 0.12 Một cách định tính thôi, ta hiểu sơ lược điện động lực học lượng tử, số αem lại tăng lên ta thám dò chiều sâu thẳm Muốn gần electron (x nhỏ) để đo lường tính chất ta cần nhiều xung lượng (k lớn) nhiêu, theo nguyên lý bất định 2‫׀‬k‫׀׀‬x‫ ~ ׀‬ћ Vì Không có muôn vàn cặp ảo positron-electron, positron ảo điện tích khác dấu với electron nên bị hút lại gần làm thành hàng rào vây quanh electron thực mà Ðâu Một cõi với Trịnh Công Sơn Xem Le Vide, Univers du tout et du rien, Revue de l’Université de Bruxelles, Editions Complexe (1998), với R.J Adler, M Bitbol, H.B Casimir, N Deruelle, E Gunzig S Diner, J.W van Holden, C Isham, M Lachièze-Rey, P Marage, R Mills, M Paty, I Prigogine T Petrosky, C Schiller Phải không xa vời với Giáo lý duyên khởi đạo Phật, với Sắc Không Bát nhã tâm kinh ? Xem M Bitbol Le Vide, Univers du tout et du rien dẫn, Trịnh Xuân Thuận Science et Bouddhisme : A la croisée des chemins ta muốn quan sát, bao bọc làm cho chân không bị phân cực Hằng số tương tác điện từ tăng lên phải vượt qua cản trở hàng rào cặp positron-electron ảo nên đo lường khó kích thước sâu Mặt khác, sắc động lực học lượng tử diễn tả quark gắn với để cấu tạo hạt nhân nguyên tử Trái với điện từ, số tương tác mạnh lại giảm đo lường quark chỗ sâu thẳm Tính chất gọi tự tiệm cận 8, hàm ý lượng tăng vô hạn (tiệm cận) αs giảm xuống đến (tương tác ràng buộc hết rồi, quark tự do) Tính toán nhọc nhằn chứng minh αs(E) → E → ∞ kỳ công ba nhà vật lý lý thuyết8, tính chất đặt tảng cho định luật vận hành quark Các số tương tác tăng giảm khoan thai hàm loga Kết đo lường biến đổi hai số điện động lực sắc động lực thực nghiệm kiểm chứng nhiều lần Tương tác quark thực kỳ lạ trái ngược với điện từ, quan sát chúng xa (cần lượng nhỏ) khó khăn αs lớn, gần sát chúng (cần lượng lớn) chúng lại dễ dàng Lý không điện từ có photon, tương tác mạnh ta có ba gluon gắn kết tương tác với mà đặc tính chúng hỗ trợ (chứ không cản trở) ta đo lường tính chất quark chiều sâu thẳm Trong lực điện tĩnh trọng lực giảm theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r, tính chất tự tiệm cận làm cho lực quark tăng với r khiến quark nhiệt độ thấp (năng lượng nhỏ) bị giam hãm proton neutron, kéo chúng không lực ràng buộc quark mạnh lên kéo chúng xa Mô tả ba lực (mạnh điện-yếu) cách vô xác trường lượng tử, tóm tắt lý thuyết chuẩn, thành công kỳ diệu với không hai chục nhà vật lý hạt đoạt giải Nobel ba mươi năm gần đây! Biết tiên đoán lý thuyết vững vàng vượt qua tất trắc nghiệm, đặc biệt khối lượng quark top ước tính xác trước thực nghiệm phát năm 1995 Lý thuyết chuẩn có nghĩa phát triển sau phải coi làm chuẩn mực để dựa vào mà cải thiện Trong bốn lực cuối luật cổ điển hấp dẫn (thuyết tương đối rộng) chưa hòa nhịp tương thích với lượng tử, với lý thuyết siêu dây/ lý thuyết M ? Giải Nobel vật lý 2004 tặng thưởng D Gross, H Politzer, F Wilczek khám phá tính chất tự tiệm cận sắc động lực học lượng tử Chi tiết chứng minh đặc tính tìm thấy chương 15 sách giáo trình lý thuyết chuẩn, Elementary particles and their Interactions, Concepts and Phenomena, Hồ Kim Quang Phạm Xuân Yêm, Springer-Verlag (1998) Xem http://www.lpthe.jussieu.fr/~pham Xem Giai điệu dây giao hưởng Vũ trụ, Tia sáng nxb Trẻ (2003) Phạm Văn Thiều biên dịch theo The Elegant Universe Brian Greene, với Trịnh Xuân Thuận đề tựa, Vintage books (1999),Nguyễn Ngọc Giao, Hạt Vũ trụ, nxb Ðại học quốc gia TP Hồ Chí Minh (2001) 10 - Hiệu ứng Casimir 10 Trong chân không kín rỗng, không ánh sáng không chút vật chất, ta đặt hai phiến gương mỏng song song Mặc dầu lượng Không hai phiến hai phiến phân kỳ ta biết, lượng Không nhỏ hai phiến, khác biệt hữu hạn gây nên áp suất làm chúng hút lẫn Ðó lực Casimir, đặc trưng Không lượng tử Lực hút ông tính Fc = (πℎc/120) (L2/d 4) với L2 diện tích gương d khoảng cách hai phiến Nguồn gốc lượng tử Fc biểu rõ ràng qua ℎ (hằng số Planck) công thức Ở khoảng cách d ≈ nanô-mét công nghệ tương lai, lực đóng vai trò quan trọng Các phòng thực nghiệm Riverside (California), Padova, Stockholm đo Fc với độ sai biệt khoảng 1% so với tính toán Các nhà vật lý nhóm Kastler-Brossel trường Cao đẳng sư phạm Paris 11 xúc tiến việc tính toán đo lường với chủ đích tăng độ xác lên nhiều lần (http://www.spectro.jussieu.fr/Vacuum/) Trong hư không (của vật lý ứng dụng/công nghệ) tất vắng bóng chẳng có điện từ, ánh sáng, vật chất, khối lượng, điện tích, sắc tích chi cả, kỳ lạ thay đột khởi lực mà gốc nguồn rút tỉa từ lượng cực tiểu (nhưng vô hạn) chân không lượng tử! - Liên quan đến thiên văn vật lý, câu hỏi quan trọng vai trò Không dãn nở Vũ trụ đặt chưa biết giải đáp sao, báo hiệu điều lạ đón chờ chân trời Thực lượng vô hạn Không (còn gọi tai họa chân không) phản ánh tương phản (ở thời điểm Big Bang) hai trụ cột vật lý đại: thuyết lượng tử giới vi mô thuyết tương đối rộng giới vĩ mô Thuyết diễn tả luật hấp dẫn trọng trường cong xoắn không-thời gian làm vật rơi lại gần chẳng có lực hút chúng cả, mà cấu trúc cong xoắn vật chất tạo nên Những kết đo lường gia tốc dãn nở Vũ trụ cần đến lực phản hấp dẫn (lực đẩy xa thay hút vào lực hấp dẫn) để chống lại co rút Vũ trụ trọng trường Lực phản hấp dẫn (liên quan đến câu chuyện số vũ trụ học phuơng trình Einstein thuyết tương đối rộng) xuất phát loại vật chất không xạ, tác động lên cách vận hành dãn nở Vũ trụ, khác lạ với vật chất bình thường thiên hà sáng ngời mà ta quan sát hàng ngày Các nhà thiên văn gọi vật chất khác lạ vật tối, mang lượng tối mà chất chưa xác định Nhưng quan trọng cả, mật độ lượng lớn Không mà ta ước tính vượt xa nhiều lượng cần thiết 10 Xem H B Casimir số khác R J Adler, S Diner Le Vide, Univers du tout et du rien dẫn Hiệu ứng trình bày P W Miloni, The quantum vacuum, Academic Press (1994) Nhà vật lý Hà lan Casimir sau công bố năm 1948 lực mang tên ông giữ chức vụ tổng giám đốc nghiên cứu đại tập đoàn công kỹ nghệ quốc tế Philips 11 Tập hợp nghiên cứu giảng dạy đại học uy tín hàng đầu nước Pháp 11 để giải thích gia tốc dãn nở Vũ trụ mà nhà thiên văn đo lường Về mặt bản, tai họa chân không nỗi trăn trở hàng đầu nhà vật lý đương đại, đầy lý thú thách thức cho hệ tương lai Lý thuyết siêu dây/lý thuyết M (với không gian mười chiều, bảy chiều nhỏ lại bị tròn khiến ta khó nhận thức được) cho ta chìa khóa trả lời không? Trong không gian nhiều ba chiều, lực hấp dẫn giảm theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r không xác nữa, việc kiểm chứng thực nghiệm sai biệt với luật Newton kích thước r ≈ milimét đề tài vật lý sôi Cần biết thêm lý thuyết M (M tượng trưng Mẹ, Màng, Mật mã, Ma trận tùy hứng người) chưa biết giải tai họa chân không Phải Planck Einstein trước thời Lượng tử Tương đối, ngày có lẽ thiếu sót cách nhận thức tượng thiên nhiên Con Người ? Gửi bạn thay lời kết Hơn trăm năm trước Âu châu có nhiều nhà khoa học bi quan cho đề tài nghiên cứu vật lý gần cạn kiệt, von Jolly giáo sư vật lý đại học Berlin khuyên cậu sinh viên trẻ Planck, đậu cử nhân xong muốn học thêm, nên vào đường khác nhiều triển vọng hơn, đừng nghiên cứu vật lý lý thuyết làm điều khám phá hết rồi, vài điểm phụ chẳng quan trọng mà xây đắp móng Lại thêm Lord Kelvin, người nhiệt độ tuyệt đối, với câu tuyên bố năm 1892 tiếng: "Vật lý hoàn chỉnh mặt bản, mà ta đóng góp xác định thêm vài thập phân sau dấu phẩy cho đo lường, tính toán mà thôi" Ngay sau ông thêm: "Tuy nhiên có hai vấn đề nho nhỏ sớm muộn chúng giải quyết, lòng tin không lay chuyển " 12 Hai tiểu tiết ông nêu lên là: thứ hai nhà vật lý Michelson Morley chẳng tìm thấy chất liệu ê-te tràn ngập vũ trụ dao động sóng điện từ (cũng sóng nước di chuyển có nước, sóng âm truyền có không khí, phải có chất liệu tạm gọi ê-te để chuyên chở sóng điện từ, không chúng truyền được?), thứ hai đo lường ngày xác cường độ xạ nhiệt vật đen 13 không phù hợp với công thức Wien Sau Lord Rayleigh Jeans cải thiện công thức phần lại mang nghịch lý tổng lượng phát tăng lên vô hạn! 12 Max Planck et les quanta, J C Boudenot et G Cohen-Tannoudji, Ellipses (2001) 13 Vật đen lò kín nung nóng lên nhiệt độ T, đục lỗ nhỏ thành lò, ta thấy phát ánh sáng mà phân phối cường độ xạ (theo tần số) phụ thuộc vào T không vào chất liệu lò, chứng tỏ xạ phụ thuộc vào dao động thành phần chung cho chất liệu 12 Hai vấn đề mà Lord Kelvin tinh để nhận tưởng thứ yếu ngờ đâu lại hệ trọng vô chừng Trong đêm tối mung lung ràng buộc định kiến siêu hình, hai rọi sáng cho vật lý vượt trùng dương khai phá chân trời lạ, giải thích việc thứ thuyết tương đối hẹp việc thứ nhì thuyết lượng tử! Rõ ràng trăm năm sau 1905, vật lý câu hỏi từ (tương phản lượng tử với tương đối rộng diễn tả qua tai họa chân không, lượng vật chất tối, không gian nhiều chiều ) đến ứng dụng (khoa học công nghệ nanô, thông tin học lượng tử, sản xuất tiết kiệm lượng ) trông chờ lời giải đáp hệ trẻ lên, cảnh hài hòa người với người với môi trường thiên nhiên Có lẽ ngẫu nhiên mà hội thảo "Vật lý đại với văn hóa phát triển" có tham gia tích cực trường Ðại học mang tên Phan Chu Trinh Nhà sĩ phu có tầm nhìn vượt xa thời đại người nước ta chủ trương dân quyền, chống bạo động, dấy phong trào tân "chấn dân khí, khai dân trí, hậu dân sinh" Vì ông thấy dân trí tư khoa học người thấp, nên trước hết cần "tự lực khai hóa" đã, bước phục hồi chủ quyền quốc gia Trăm năm nhìn lại, lời Tây Hồ nhắc nhở sang sảng 14 để suy ngẫm 14 trích phần Thử nhìn lại vị trí Phan Bội Châu Phan Chu Trinh hành trình dân tộc vào kỷ XX, trang 290 sách Việt Nam Nhật Bản giao lưu văn hóa, Vĩnh Sính, nxb Văn Nghệ (2001) Theo Yoshikawa Yasuhisa thuyết trình Hội thảo giao lưu văn hóa Pháp với bốn nước Viễn đông (Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc Việt Nam) Thư viện quốc gia François Mitterand (2004), người Nhật thời Minh Trị Thiên Hoàng ý thức khoảng cách xa tư khoa học họ so với Âu châu nên sách họ chuyển ngữ trước tiên Jules Verne khoa học viễn tưởng, sau đến khoa học nhân văn, triết lý, xã hội với Jean-Jacques Rousseau, Victor Hugo, Emile Zola… 13