Trong nền vật lý cổ điển Newton, người ta cho “lực” trọng trường là một tác động từ xa và tức thời mà nguồn gốc của nó nằm trong tay Thượng đế. Trong thời kỳ đó của thế kỷ thứ 17, nhiều người đã nêu nghi vấn, làm sao có một thứ lực tác động “cách không”, làm sao không tiếp xúc với nhau và tương tác lên nhau được.
Cuối thế kỷ thứ 19, với trường điện từ của Faraday, Maxwell, người ta đến với khái niệm chung về trường. Các nhà vật lý thật rằng trường là một thực tại vật lý độc lập và phát sóng tỏa khắp không gian. Trong các thứ trường đó, các vật bị tác động trực tiếp, được thay thế. Quan trọng nhất là, trường không phải là sản phẩm của hai vật thể đang hút hay đẩy lẫn nhau mà chính nó là một thực tại riêng. Trường tồn tại xung quanh một vật thể, thậm chí có quan niệm cho rằng vật thể chỉ là điểm cô đọng nhất của trường.
Với thuyết tương đối tổng quát của Einstein, lược trọng trường bỗng nhiên được lý giải một cách hoàn toàn mới. Trong thuyết này, không gian mất tính tuyệt đối, dạng hình của nó bị vật thể quyết định. Khối lượng của một vật thể làm không gian xung quanh nó cong lại và làm thay đỗi quĩ đạo của một vật thể khác đang vận hành gần đó. “Trọng trường” trở thành một thực tại vật lý, hệ quả của nó là “ép” vật thể đang vận hành gần đó theo một đường con đường về trung tâm trường, một điều mà xưa nay ta quan niệm là vật thể hút lẫn nhau.
Với sự phát triển của cơ học lượng tử, người ta sớm nhìn trường – trọng trường hay điện từ trường – dưới một ánh sáng mới. Điện từ trường là một thực tại vật lý có tính chất sóng. Thế nhưng, theo nguyên lý lương tử, mỗi hiện tượng sóng đều được xem là tương đương với một hiện tượng hạt. Thế thì trường điện từ có những hạt gì? Đó là câu hỏi đầu tiên.
Người đi xa hơn một bước và suy ra rằng, mỗi lực đẩy hay hút đều được quan niệm là mỗi trường phát sóng, thế thì các lực đó cũng phải do “hạt đang trao đổi” mà thành. Einstein cho rằng trọng trường phải là một thực thể có dạng sóng. Thế thì liệu trọng trường có “hạt” chăng? Trong hạt nâan nguyên tử có proton cả neutron, thế thì lực gì giữ chúng lại với nhau, liệu lực đó cũng có hạt chăng. Tổng cộng có bao nhiêu loại lực trong thiên nhiên, liệu tất cả các lực đều có hạt cả không và các hạt đó có gì giống nhau, có gì khác nhau với 12 hạt trong thế giới hạ nguyên tử mà ta nói đến trong chương trước?
Tất cả những loại vấn đề này được nêu trong những lý thuyết của ngành “tường lượng tử”, một ngành vật lý hết sức thú vị mà hướng phát triển của nó còn hết sức mạnh mẽ và chứa vô số bất ngờ. Nếu giải quyết được hết những câu hỏi này, người ta hy vọng tiến đến một sự đại thống nhất giữa lý thuyết tương đối và cơ học lương tử, sẽ viết nên được công thức cuối cùng của vũ trụ. Liệu con người có bao giờ đạt được mục đích đó chăng? Thiên tài của thế kỷ hai mươi, Einstein, dành gần 30 năm cuối đời mình để nghiên cứu các luận đề này nhưng cũng không đạt đươc kết quả nào đáng kể.
Khi nghiên cứu các loại lực trong vũ trụ, từ vũ trụ cực đại đến cực tiểu, vật lý hiện đại phát hiện một điều giản đơn. Đó là tất cả các loại lực đó dường như có một cơ chế chung: tất cả đều là hệ quả của sự tương tác của cá hạt cực nhỏ. Các hạt vi mô mà ta sắp nói đến cũng tương tự như các hạt trong thế giới hạ nguyên tử và bản thân chúng cũng tác động lên các hạt hạ nguyên tử đó.
Như ta đã biết, ngày nay ta có mô hình chuẩn với 12 hạt hạ nguyên tử. Chúng được chia thành hai loại: quark và lepton, mỗi loại 6 hạt. Nếu dựa trên sức nặng của chúng thì ta chia chúng làm 3 loại I, II và III, mỗi loại có 2 hạt quark và 2 hạt lepton. Tất cả 12 hạt đó được gọi là các hạt hợp thành nguyên tử của vật chất, chúng được gọi chung là fermion.
Nền vật lý hạt cơ bản ngày nay phát hiện, ngoài 12 hạt fermion, còn một số hạt khác nữa. Các hạt này đóng vai trò “tương tác” trong các hiện tượng vật lý mà một trong những hệ qủa của sự tương tác đó là sinh ra lực. Tất cả các hạt đóng vai trò tương tác được gọi là boson. Hiện nay người ta phát hiện được 6 hạt boson.
Điều thú vị nhất trong sư phát hiện này là khi nghiên cứu các hạt tương tác, người ta không những lý giải được các hiện tượng vật lý khác như sự bức xạ, sự nhiễu xạ…, nhất là sự chuyển hóa lẫn nhau giữa các hạt, tức là tính chất của bản thân các hạt fermion và boson, tự tính của vật chất và của cả chân không. Nơi đây người ta đụng đến cánh cửa cuối cùng của vật chất, của chân không, của cái đầy và cái không, của cái hiện hữu và phi hiện hữu. Sáu hạt boson gồm có: hạt quang tử photon, hạt gluon, ba hạt W+, W-, Z0 và hạt cuối cùng là graviton. Các hạt đó tác động trong bốn loại tương tác: tương tác trọng trường, tương tác yếu, tương tác điện từ và tương tác mạnh. Trong toàn bộ vũ trụ cực đại và cực tiểu, ta chỉ có bốn loại tương tác nên trên. Đối với con người thì tương tác trọng trường là quen thuộc nhất. Ai cũng cảm thấy sức nặng của một vật khi cầm trên tay. Tương tác điện từ thì tưởng chừng như ít quen thuộc hơn, thế nhưng nó hcính là nguyên nhân làm mọi vật chất có tính cứng nhắc. Nếu không có lực điện từ thì sàn nhà của chúng ta chỉ là một khoảng không vô tận và tất cả mọi người sẽ bị lực trọng trường kéo xuống mặt đất cả. Tương tác yếu thì xa lạ với hiện tượng bức xạ. Còn tương tác mạnh thì thật ra con người không thể cảm nhận được, nó chỉ xảy ra trong hạt nhân nguyên tử và trong một phạm vi hết sức nhỏ. Thế nhưng nó chính là nguyên nhân giữ vật chất tồn tại và một khi con người phóng thích được sức mạnh của nó thì không có lực nào có thể so sánh được với mức độ của lực này.
Tại sao “lực trọng trường” bây giờ được gọi là tương tác trọng trường? Thế nào là sự tươngtác? Nhà vật lý hạt cơ bản quan niệm mọi sự vận hành là do các hạt tác động lên nhau và sự tác động đó không hề trừu tượng mà phải có những hạt “đi lại” với nhau. Những hạt đó chính là boson, chúng dường như đóng vai trò “sứ giả” giữa các hạt fermion (quark và lepton). Chúng tác động lên fermion và giữa bản thân chúng cũng có tác động lẫn nhau. Từ đó mà sinh ra lực cũng như các hiện tượng vật lý khác. Hãy tìm hiểu sơ lược về bốn loại tương tác.
Tương tác điện từ có một nguyên lý duy nhất: một hạt có điện tích (thí dụ một electron, một lepton, một quark…) tại một lúc nhất định tự phóng thích hay hấp thụ một quang tử photon và đổi hướng vận động. Quang tử photon chính là “sứ giả” của hạt nói trên. Chính quang tử này giải thích tại sao khi hai hạt electron tiến gần nhau lại bị đẩy đi. Thông thường ta cho là có một “lực đẩy” giữa hai electron. Nhưng trong vật lý hạt, chính quang tử photon l2 sứ giả trao đổi làm hai electron đối hướng.
Hạt electron phía trên phóng thích một quang tử và quay hướng ngược đi lên và đổi vận tốc. Hạt dưới hấp thụ quang tử đó và quay đầu đi xuống. Biểu đồ được gọi là biểu đố Feyman và l2 phép diễn tả sự tương tác của tất cả các hạt trong mọi tương tác. Hiển nhiên các biểu đồ Feyman khác phức tạp hơn nhiều, nhất là khi có sự tham dự của nhiều hạt khác nhau và với các đối hạt.
Hãy nhớ lại rằng tương tác điện từ làm mọi vật chất có tính cứng chắc trên mặt vĩ mô. Cục đá nặng làm ta u đầu hay kết cấu xây dựng bền bừng làm nên nhà cửa đều do tương tác điện từ mà ra cả. Thế nhưng tất cả lực đó đều do những hạt quang tử photon phi khối lượng trao đổi mà thành cả. Sự cứng chắc của vật chất có nguyên ủy từ ánh sáng! Đó là kết luận hiện nay. Ai có thể ngờ được điều đó?
Tương tác mạnh chỉ xảy ra giữa các hạt quark trong hạt nhân nguyên tử và các hạt tương tác được gọi là gluton. Các hạt gluton này “dán chặt” các quark lại với nhau và đó là lý do chúng có tên “gluon”. Hiện nay người cho rằng có 8 hạt gluton với những đặc tính khác nhau. Chính sự tương tác này làm nên lực hạt nhân nếu phóng thích chúng. Trước đây người ta tưởng lực hạt nhân là do proton và neutron trong nhân tạo nên nhưng nay vật lý đã chứng minh rằng chính các hạt quark trong proton và neutron đã tương tác với nhau khi hai loại hạt đó tiến sát với
nhau. Các hạt quark đó chỉ bắt đầu tương tác khi chúng sát nhau ở khoảng mức độ mà con người không thể tưởng tượng được, khoảng 10-15m.
Tương tác yếu xảy ra trong các tiến trình phân hủy của các hạt, mà từ đó người ta có các hiện tượng phóng xạ hay bức xạ. Các hạt bị phân hủy thường là các hạt quark và lepton nặng để trở thành các hạt quark và lepton nhẹ hơn. Khi một hạt bị phân hủy thường thường ta có hai hay nhiều hạt mới nhưng tổng số khối lượng của những hạt mới không bằng khối lượng cũ vì một số đã biến thành động năng. Loại tương tác này rất khó được quan sát vì nó hay bị các loại tương tác khác che lấp. Tương tác yếu được thực hiện bởi các hạt “sứ giả” với khối lượng lớn như W+, W- và Z0 nên phạm vi của nó nhỏ. Nó khác hẳn tương tác điện từ, nơi mà hạt quang tử photon đóng vai trò “sứ giả” thì lại không có khối lượng nên có khả năng lan ra trong phạm vi rộng.
Tương tác trọng trường được xem do một loại hạt graviton tác động. Đến nay người ta chưa phát hiện được graviton cũng như chưa xác định được sóng trọng trường. Lý do là tương tác trọng trường có trị số quá nhỏ. Theo Newton, tương tác trọng trường tỉ lệ thuận với tích số của hai khối lượng. Hãy xem hai proton tương tác trọng trường với nhau, tích số của chúng sẽ nằm ở mức độ 10-54kg2. Có lẽ vì mức độ trọng trường quá nhỏ, ngành vật lý chưa khám phá được hạt graviton, mặc dù về mặt lý thuyết phải có sự hiện diện của chúng.
Ta có thể rất ngạc nhiên về kết luận trên vì trên mặt vĩ mô, mọi vận hành của vật chất đều tuân thủ luật trọng trường một cách nghiêm nhặt. Điều đó không khó hiểu nếu ta biết rằng hệ thống vĩ mô là tập hợp của vô số những nguyên tử và qua đó khối lượng của chúng được nhân lên vô số lần. Để có hình dung về mức độ của sự tương tác, sau đây là bảng tỉ lệ của các loại tương tác, nếu ta cho tương tác mạnh một mức chuẩn là 1.
Tương tác trọng trường 10-38 Tương tác yếu 10-5
Tương tác điện từ 10-2 Tương tác mạnh 1
Những chỉ số trên cho thấy tương tác trọng trường thường bị bỏ qua trong khi ta nghiên cứu vận động của hạt trong thế giới hạ nguyên tử.
Mô hình 12 hạt cơ bản kết cấu thế giới vật chất vi mô và sáu hạt “sứ giả” (hạt graviton chưa được phát hiện) trong bốn phép tương tác để sinh ra lực là mô hình chuẩn, mô hình cuối cùng trong nền vật lý hiện đại, được thừa nhận chung của cộng đồng khoa học. Chúng lý giải rất tốt các hiện tượng xảy ra cũng như tiên đoán các kết quả thí nghiệm trong ngành vật lý hạ nguyên tử. Nhà vật lý Feynman, người ta đoạt giải Nobel vật lý năm 1965, đã nói vê mô hình này: “Mô hình chuẩn vận hành thật tốt”. Mô hình này bao gồm các hạt kết cấu vật chất lẫn các hạt đại diện cho sự tương tác của vật chất để sinh ra lực. Đây là mức độ mà hạt vừa có thể hình thành ánh sáng, vừa tạo tác nên những phần tử nhỏ nhất của vật chất.
Thế nhưng giữa nền cơ học lương tử và thuyết tương đối vẫn chưa có sự tương thích với nhau. Nhắm tiến tới một sự đại thống nhất trong ngành vật lý, người ta đang nỗ lực tìm những mô hình mới, chúng phải có khả năng bao trùm tất cảa mọi tri kiến hiện nay. Đến nay, chưa có dấu hiện nào của sự thành tựu này.
CÁC PHÁT TRIỂN MỚI
Chắm một thế kỷ đã trôi qua kể từ ngày Max Plank nêu lên tính chất phi liên tục của năng lượng nhiệt đến ngày các nhà vật lý thiết lập được mô hình chuẩn của các hạt. Trong lịch sử loài người có lẽ chưa có thế kỷ nào có sự thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý như thế kỷ 20. Trong thế kỷ này, con người đã mở rộng tầm nghiên cứu và phát hiện được những mối liên hệ trong thế giới tự nhiên từ phạm vi nhỏ nhất (khoảng 10-15m) đến phạm vi lớn nhất (hàng tỉ năm ánh sáng). Tầm hiểu biết của con người vươn rộng từ những vận động bình thường trong thế giới loài người đến những vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, từ những vật thể tí hon như các hạt hạ nguyên tử đến những đối tượng to lớn như các thiên hà mà đầu óc con người không thể tưởng tượng được.
Đến đầu thế kỷ thứ 21, con người có trong tay hai lý thuyết hoàn chỉnh, đó là thuyết tương đối và mô hình chuẩn của hạt với cơ sở chính là cơ học lượng tử. Mỗi một lý thuyết này lại bao gồm những lý thuyết nhỏ hơn, chúng có giá trị trong phạm vi chuyên môn của riêng chúng. Thế nhưng hai rường cột đó hiện nay chưa được thống nhất vào một mối. Chưa có một lý thuyết nào bao trùm cả hai, giải thích một cách nhất quán thế giới tự nhiên, từ cực tiểu đến cực đại.
Nhà vật lý luôn luôn có một niềm tin là không sớm thì muộn phải có một lý thuyết chung kết mô tả một cách trọn vẹn thế giới tự nhiên. Họ mơ ước sẽ tìm đến với “phương trình vũ trụ” đó trong vài chục năm tới đây. Niềm tin của họ có một lý do chính đáng, đó là, trong những thế kỷ qua, sự phát triển của ngành vật lý luôn luôn được một lý thuyết mới hơn bao trùm, nhiều khái niệm tưởng như độc lập với nhau cuối cùng là các mặt của một khái niệm duy nhất. Thí dụ các lý thuyết về tương tác giữa các hạt có thế lý giải tự tính của lực; hiện tượng của thế giới nguyên tử, phân tử; thống nhất vật lý và hóa học vào một ngành khoa học duy nhất; lý giải các hiện tượng quang học, bức xạ, sự tự phân hủy của các hạt.
Cũng chính vì có một phần sự thống nhất đã đạt được trong thế kỷ trước đó, các nhà vật lý của thế kỷ 21 tự hỏi: phải chăng bốn lọai tương tác được trình bày trong chương trước chẳng qua chỉ là bốn dạng của một phép tương tác? Tại sao lại có đến 12 hạt cơ bản, có các hạt “sứ giả” sinh lực cũng như các đối hạt của chúng, phải chăng chúng nằm trong một dòng họ duy nhất, phải chăng chúng chỉ là những dạng khác nhau của một thực thể khác? Tại sao lại có sự phân biệt giữa các hạt cấu thành vật chất và các hạt mang lực, phải chăng sự phân biệt đó hết sức giả tạo? Tại sao chúng ta chỉ quan sát được vật chất, còn đối vật chất hầu như không thể thấy được, mặc dù ta tin rằng vật chất và đối vật chất phải đối xứng với nhau. Tại sao mô hình chuẩn không thể lý giải: vì sao có hạt khối lượng, hạt khác thì không (thí dụ quang tử photon)?
Đó là những luận đề lớn đặt ra cho mô hình chuẩn. Các câu hỏi quan trọng khác thuộc về trọng trường cũng vẫn chưa được giải đáp: “vật chất tối” là gì, tại sao ta không thấy nó nhưng nó lại đóng vai trò quan trọng trong trọng