KHÁM PHÁ BẢN CHẤT “VẬT CHẤT TỐI” - KHÁM PHÁ BẢN CHẤT VẬT CHẤT TỐI Tóm tắt Vật chất tối cho lớn lần vật chất biết đến vũ trụ dự đoán cách 80 năm, chất câu hỏi thách đố kỷ XXI Nhờ vào giả thiết đột phá electron positron thực nghiệm xác nhận: Chúng có tương tác điện mà khơng có tương tác hấp dẫn, tác giả đưa mơ hình cấu trúc photon cặp electron-positron hồn tồn phù hợp với tất thí nghiệm từ trước tới Chính có cấu trúc vậy, photon khơng có khối lượng trường điện từ, lại có khối lượng trường hấp dẫn Từ đây, tác giả tính khối lượng hấp dẫn photon vào cỡ 2me - me khối lượng electron Sử dụng giá trị khối lượng photon vào phương trình tính tốn chuyển động thiên hà, tác giả nhận tranh hoàn toàn phù hợp với kết quan sát việc quay nhanh thiên hà biết đến Bản chất vật chất tối khám phá Từ khoá: Vật chất tối, khối lượng photon, tốc độ quay thiên hà I KHÁI QUÁT Vật chất tối gì? Khi quan sát chuyển động ngơi dải Ngân hà, Jan Oort [1] phát xa tâm dải Ngân hà khơng chuyển động chậm dần tính tốn học Newton mà lại không đổi, tượng quan sát thấy hầu hết thiên hà xoắn ốc khác (xem Hình 1a) Trong đó, thiên hà cầu elip, tình hình lại “tồi tệ” hơn: tốc độ quay ngơi bên ngồi ngày lớn lên cách khó hiểu (xem Hình 1b) B A a) Hình Đường cong biểu diễn tốc độ quay thiên hà xoắn ốc a) thiên hà cầu elip b) phụ thuộc vào khoảng cách: Theo tính tốn (A) theo quan sát thấy (B) b) Để giải thích tranh nhận đó, người ta giả thiết có loại “vật chất tối” phân bố thiên hà, ghi nhận thiết bị hay quan sát thấy kính thiên văn, tức khơng có tương tác điện từ, lại có tương tác hấp dẫn với vật thể Gần đây, có thơng báo dường tìm thấy manh mối vật chất tối dạng “sợi liên kết” [2], thực chất cách suy diễn theo ý muốn, “khát vọng” chủ quan chứng thực nghiệm khoa học (xem Hình 2) Trong này, tác giả muốn chứng minh tồn chuyển động “kỳ dị” thiên hà loại vật chất “tối” khác gây nên, mà vật chất chí “sáng” có sẵn vũ trụ, photon bị bỏ qua Created by Vu Huy Toan 12/2012 KHÁM PHÁ BẢN CHẤT “VẬT CHẤT TỐI” - Hình Người ta cho hai cụm thiên hà Abell 222 Abell 223 liên kết gọi “sợi” vật chất tối Các định đề chấp nhận Định đề 1: Mọi thực thể vật lý tồn phụ thuộc lẫn Từ trước tới nay, vật lý xem xét vật theo quan niệm hoàn toàn tồn tự thân, tức cho phép vật thể tồn hồn tồn lập, độc vũ trụ, có khối lượng qn tính m từ xem xét chuyển động theo định luật động lực học Sự tồn phụ thuộc lẫn thể ba khía cạnh: 1a Về hình thức: Mọi thực thể vật lý (viết tắt TTVL) gồm hai phần liên quan mật thiết với cách biện chứng, phần “vật thể” có kích thước hữu hạn, mà ta nhìn thấy, phần “trường” có kích thước tới vơ cùng, mà khơng nhìn thấy; thế, nói vũ trụ nằm gọn “bên TTVL” không sai điều với vật thể – tất “nằm nhau” vậy, chúng phụ thuộc lẫn Cả hai phần “vật thể” “trường” TTVL liên hệ qua lại biện chứng với nhau: Năng lượng phần tăng lên lượng phần giảm nhiêu ngược lại 1b Về nội dung: Việc “nằm phụ thuộc lẫn nhau” có nguyên nhân nội “sự tương tác”; TTVL tương tác với – đơn giản “anh tơi mà tơi anh”, khơng có chuyện “tương tác khoảng cách cả” để phải cần tới “hạt mang lực” Mỗi TTVL ví với “con bạch tuộc” với phần đầu nhìn thấy được, với “xúc tu” vơ hình vươn xa tới vô cùng; “xúc tu” lại bám vào đầu bạch tuộc khác; có vơ số “xúc tu” Và đến lượt mình, bạch tuộc lại bị xúc tu vô số bạch tuộc khác bám vào, thế… thế… 1c Về cách thức biểu hiện: Cả hình thức lẫn nội dung dẫn đến cách thức biểu chung cho TTVL mà (bằng nhận thức chủ quan mình) ta gọi “khối lượng” với hai loại khác chất có quan hệ nhân với là: “Khối lượng hấp dẫn” (ta ký hiệu chữ viết hoa Mi), hay trường hợp chung “khối lượng tương tác”, đặc trưng cho khả tương tác TTVL, “khối lượng quán tính” (ta ký hiệu chữ thường mik) đặc trưng cho quán tính chuyển động TTVL có khối lượng hấp dẫn Mi trường lực TTVL khác có khối lượng hấp dẫn Mk Ví dụ, quan tâm tới quan hệ TTVL có khối lượng hấp dẫn M1 M2 khối lượng qn tính m chúng liên quan với khối lượng hấp dẫn theo cơng thức tác giả chứng minh [3]: m12 = Created by Vu Huy Toan F12 F M 1M = m21 = 21 = =m a12 a21 M + M 2 (1) 12/2012 KHÁM PHÁ BẢN CHẤT “VẬT CHẤT TỐI” - đây, F12 a12 – tương ứng lực hấp dẫn vật thể M1 tác động lên vật thể M2 gia tốc chuyển động tương đối của vật thể M2 so với vật thể M1; F21 a21 – tương ứng lực hấp dẫn vật thể M2 tác động lên vật thể M1 gia tốc chuyển động tương đối của vật thể M1 so với vật thể M2 Từ (1) thấy rõ tồn phụ thuộc lẫn thể cách định lượng nào: Chỉ cần khối lượng hấp dẫn mà TTVL bị coi cô lập, thường xem xét vật lý hành, khơng quán tính nữa, tức khối lượng quán tính = Hay nói cách khác, TTVL chuyển động không tương tác với TTVL khác, khối lượng qn tính = Trong thực tế, điều thường xảy điện tích trái dấu kết hợp với trở nên vật thể trung hồ, ví dụ ngun tử hay phân tử chẳng hạn, chúng khơng tương tác điện với điện tích khác nên điện trường, khối lượng quán tính điện trường chúng 0, tương tác hấp dẫn nên có khối lượng hấp dẫn Cũng từ (1), M1 >> M2, ta có m12 = m21 ≈ M Giả sử M1 Trái đất, M2 vật Trái đất, ta có khối lượng hấp dẫn vật ln khối lượng qn tính thí nghiệm, điều dẫn đến kết luận sai lầm gọi nguyên lý tương đương mà thực gần đúng, vật thể thí nghiệm nhỏ nhiều so với khối lượng Trái đất Định đề 2: Hạt Hạt hạt bị phân chia thành hạt khác, vậy, tất TTVL cấu tạo từ chúng Tác giả chấp nhận định đề sau: Electron positron hạt đó, tác động positron chủ động – quy ước gọi “mang điện tích dương (+)” tác động electron bị động – quy ước gọi “mang điện tích âm (–)”; hạt có tương tác điện, khơng có tương tác hấp dẫn Có số chứng thực nghiệm ủng hộ cho định đề + Thứ nhất, tất va chạm lượng cao biết đến, có hạt hồn tồn khơng thấy bị phân chia Các hạt quark huyền thoại có tồn bên hadron, khơng dạng tự để ghi nhận Thứ nữa, hạt e- e+ “biến mất” cách bí hiểm thành gọi “năng lượng” (của “chẳng cả!”) – tượng “hủy hạt”, kết hợp với số hạt sơ cấp để trở thành hạt sơ cấp khác, không để lại dù “mảnh vỡ” + Thứ hai, khối lượng electron (e-) positron (e+) xác định thực nghiệm: me + = me − = me ≈ 9,109548 × 10 −31 kg (2) theo cách sử dụng tượng qn tính trường điện từ, mà có nghĩa xác định khối lượng quán tính khối lượng hấp dẫn chúng! + Thứ ba, thân gọi “khối lượng hấp dẫn” có (?) có lẽ gây nên tương tác “hấp dẫn” chúng tính theo định luật vạn vật hấp dẫn bằng: FN = γM 1M / R = 6,67 x10 −11 × 6,67 × 10 −11 × 9,12 × 10 −62 / R ≈ 5,28 × 10 −69 / R (N) (3) Trong đó, tương tác điện tính theo định luật Coulomb với điện tích qe+ = qe-≈ 1,6× 10-19 C bằng: Created by Vu Huy Toan 12/2012 KHÁM PHÁ BẢN CHẤT “VẬT CHẤT TỐI” - FC = k C qe+ qe− R = x10 9.1,6 × 10 −38 R ≈ 2,3 × 10 −28 R (N) (4) Có nghĩa tương tác điện lớn gấp FC/FN ≈ 4×1040 lần tương tác hấp dẫn chúng (nếu có) nên bỏ qua tương tác hấp dẫn với sai số (nếu có) khơng vượt q 10-40 + Thứ tư, khối lượng quán tính e- e+ nhỏ tất khối lượng quán tính hạt sơ cấp đo thực nghiệm Việc khối lượng neutrino có giá trị Rs bằng: Created by Vu Huy Toan 12/2012 KHÁM PHÁ BẢN CHẤT “VẬT CHẤT TỐI” - M sR = M + π Rs3 ρ s + ∑ ( Ri3+1 − Ri3 ) ρ si +1 i =1 (17) Ngoài ra, ta giả thiết mật độ photon ρps = const bán kính Rs, ngồi bán kính giảm theo quy luật hàm mũ theo khoảng cách tới tâm thiên hà từ giá trị ρps ≈ 2x10–22kg/m3 nói trên: ρ pR = ρ p (1 + Ae −b ( R − R s ) / Rs ) (18) A = (ρps – ρp0)/ρp0 với ρp0 – mật độ photon không gian thiên hà; b – số Trong phạm vi thiên hà tập trung chủ yếu bụi vũ trụ (< Rs), photon có mật độ cao so với ngồi khơng gian thiên hà chúng sinh từ giảm dần cường độ theo khoảng cách Trên Hình 5, biểu diễn phân bố mật độ vật chất photon 7E-22 Density (kg/m3) 6E-22 5E-22 Density of matter Density of photons 4E-22 3E-22 Hình Sự phân bố mật độ vật chất photon thiên hà 2E-22 1E-22 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 Relative distance to the galaxy center (Rx/Ro) Khi đó, tương tự dạng vật chất vừa xét trên, ta có khối lượng hấp dẫn photon chứa hình cầu bán kính r < Rs dạng: bán kính Rs là: πr ρ ps , = πRs3 ρ ps M ps = (19) M ps (20) Ở phạm vi bán kính Rs, ta làm tương tự dạng vật chất khác vậy, khối lượng photon hình cầu bán kính R là: M pR = π Rs ρ ps + ∑ ( Ri3+1 − Ri3 ) ρ psi +1 i =1 (21) Khi đó, tính tổng lượng vật chất photon hình cầu bán kính R lực hướng tâm tổng khối lượng tác động lên khối lượng M: a) Ở khoảng cách r < Rs - Từ (13) (19), ta có tổng khối lượng: M rΣ = M s + M ps = M + πr (ρ s + ρ ps ), MM rΣ - Lực hướng tâm Fhtr: Fhtr = γ r2 Created by Vu Huy Toan (22) (23) 12/2012 KHÁM PHÁ BẢN CHẤT “VẬT CHẤT TỐI” - - Lực ly tâm Fly : Flyr = MVr2 r (24) - Từ điều kiện cân lực hướng tâm Fhtr (23) lực ly tâm Flyr (24), ta rút tốc độ quay Vr bán kính r đó: Vr = γ M rΣ γ = M + πr ( ρ s + ρ ps ) r r (25) b) Ở khoảng cách R > Rs - Từ (17) (21), tương tự ta có tổng khối lượng: M RΣ = M sR + M pR = M + π Rs3 ( ρ s + ρ ps ) + ∑ ( Ri3+1 − Ri3 )( ρ si +1 + ρ psi+1 ) i =1 M tốc độ quay: V R = γ RΣ R (26) (27) Các kết tính tốn tốc độ quay thiên hà thực chương trình Excel máy tính điện tử trường hợp khơng tính đến khối lượng photon (VA) có tính đến khối lượng đó, với mức phân bố mật độ vật chất photon khác tất thơng số khác ta có: - VB ứng với trường hợp a = 3; b = 0,04; - VC ứng với trường hợp a = 1,5; b = 0,02 Trên Hình 6, biểu diễn phụ thuộc tốc độ vào khoảng cách tới tâm thiên hà Từ cho thấy tính tốn lý thuyết có tính đến khối lượng hấp dẫn photon hoàn toàn phù hợp với kết quan sát thực tế thiên văn học: Hình dáng đường VB trùng với hình dáng đường B Hình 1a, hình dáng đường VC trùng với hình dáng đường B Hình 1b 400 350 Tốc độ quay (km/s) 300 250 VA VB VC 200 150 100 Hình Đồ thị biểu diễn tốc độ quay thiên hà phụ thuộc vào khoảng cách 50 10 11 12 13 14 15 16 Khoảng cách tới tâm thiên hà (5 kps) III KẾT LUẬN 1- Cần phải chấp nhận định đề: Created by Vu Huy Toan 12/2012 KHÁM PHÁ BẢN CHẤT “VẬT CHẤT TỐI” - - Mọi thực thể vật lý tồn phụ thuộc lẫn tồn biểu qua hình thức cấu trúc “vật thể-trường”, qua nội dung “tương tác” qua đặc tính động lực học “khối lượng” với hai loại khác nhau, có quan hệ nhân với nhau, “khối lượng hấp dẫn”, hay “khối lượng tương tác”, “khối lượng quán tính” - Hai hạt electron positron hạt có tương tác điện, khơng có tương tác hấp dẫn 2- Cái gọi vật chất tối lộ diện: Đó biển photon tràn ngập vũ trụ khiến thiên hà quay nhanh cách lạ thường với cách thức khác phụ thuộc vào đặc điểm phân bố vật chất photon thiên hà 3- Kết lần khẳng định hướng đắn mà “Con đường vật lý học” (CĐM) sở tảng cho vật lý học hướng tới thống quy mô vũ trụ: Từ vi mô tới vĩ mô, cụ thể giúp loại bỏ 22% gọi “vật chất tối” tồn đọng 80 năm nhận thức nhân loại LỜI CẢM ƠN Tác giả chân thành cảm ơn Gs Ts Nguyễn Đại Hưng, Viện trưởng Viện Vật lý, Viện Hàn lâm khoa học Việt nam giúp đỡ quý báu động viên chân thành để tác giả hồn thành cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Goddard universe flight center (NASA) Hidden mass http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/teachers/galaxies/imagine/hidden_mass.html [2] Discovering the dark matter fibre Khoahoc.com online http://www.khoahoc.com.vn/khampha/vu-tru/40433_Phat-hien-soi-vat-chat-toi.aspx [3] Vũ Huy Toàn Con đường vật lý học NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2007 [4] Эйнштейн A Собрание научных трудов T Москва Издательство Наука 1965 [5] Vu Huy Toan Structure of photon Proccedings: “Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications VI, 2011” http://vuhuytoan.wordpress.com/2010/12/25/c%E1%BA%A5u-trucc%E1%BB%A7a-photon/cau_truc_photon_bc_hnvl_en_18-6_final/ [6] Л А Бессонов Теоретические основы электротехники Москва Издательство Высшая школа 1973 [7] Vũ Huy Toàn Khối lượng photon 2012 http://vuhuytoan.files.wordpress.com/2012/09/27_khoi-luong-cua-photon.pdf [8] Новиков И.Д Эволюция вселенной Москва “Науки” 1990 Created by Vu Huy Toan 12/2012 ... http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/teachers/galaxies/imagine/hidden_mass.html [2] Discovering the dark matter fibre Khoahoc.com online http://www.khoahoc.com.vn/khampha/vu-tru/40433_Phat-hien-soi-vat-chat-toi.aspx [3] Vũ Huy Toàn Con đường vật lý học NXB Khoa học Kỹ... Quang phổ toàn quốc lần thứ VI, 2010 Hà nội, đăng Tuyển tập: “Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications VI, 2011” [5], tác giả số thí nghiệm, ví dụ tượng phân rã photon hay hình... lượng toàn phần” vật thể Einstein xác định theo công thức ti ng: (5) E = mc Tuy nhiên, chẳng biết vơ tình hay cố ý mà người ta quên chi ti t quan trọng chứng minh công thức (5), Einstein phải