Cơ học cổ điển đã được xây dựng trong một quá trình kéo dài nhiều thế kỉ. Trái lại, công cụ toán học của cơ học lượng tử được hình thành trong một thời gian rất ngắn, từ công thức Plank đến phương trình Schrödinger chỉ chưa đầy ba chục năm. Trong hoàn cảnh đó, mặc dù công cụ toán học của nó đã tỏ ra có hiệu lực, đã giải quyết tốt được nhiều bài toán của vật lí nguyên tử, nhưng ý nghĩa của lí thuyết mới vẫn là chưa rõ ràng và đầy mâu thuẫn.
Born (1882 – 1970) (Bonơ) đề nghị một ý nghĩa khác của hàm sóng ψ. Ông cho rằng không thể xác định được chính xác vị trí và quỹ đạo của hạt mà chỉ có thể xác định được xác suất tìm thấy nó tại những điểm nhất định trong nguyên tử. Cách giải thích này được các nhà khoa học chấp nhận và nó nêu lên được ý nghĩa thống kê của hàm sóng.
Trong khi DeBroglie và Schrödinger chủ trương rằng sóng là cái có thật thì phái Copenhagen với Borh, Heisenberg, Born lại coi vi hạt là cái có thật, có tính toàn vẹn và tính bền vững, nhưng hành vi của vi hạt khác hẳn hành vi của các hạt thông thường trong cơ học cổ điển. Khi phân tích khả năng đo được các đại lượng trong cơ học lượng tử, Heisenberg đã phát biểu nguyên lí bất định, một nguyên lí có ý nghĩa hết sức quan trọng nêu lên một cách hiểu mới về các vi hạt. Heisenberg chi rằng nguyên lí bất định thể hiện cụ thể cái bí ẩn của quy tắc lượng tử hóa và là cơ sở cho việc giải thích cơ học lượng tử về mặt vật lí.
Borh đánh giá cao những công trình của Heisenberg và cũng phát biểu một nguyên lí tổng quát mà ông gọi là “nguyên lí bổ sung”: Ánh sáng và vật chất lúc thì có những tính chất giống như những sóng liên tục, lúc lại có tính chất như những hạt gián đoạn. Nguyên nhân của lưỡng tính sóng – hạt là do các đối tượng vi mô khác hẳn các đối tượng vĩ mô, chúng không phải là sóng nhưng cũng không phải là hạt. Vì ta không có sẵn một khái niệm mô tả được thật khớp các đối tượng vi mô nên các khái niệm vĩ mô sóng và hạt cho ta những hình ảnh bổ sung lẫn nhau để giúp ta nhận thức thế giới vi mô.
Tất cả các cách giải thích ý nghĩa của cơ học lượng tử đều chưa có tính thuyết phục cao. Trong quá trình tranh luận, thỉnh thoảng lại nảy sinh ra một nguyên lí mới, xuất hiện có vẻ tùy tiện. Càng ngày các nhà vật lí càng đi xa các nguyên tắc cổ điển.
Nguyên lí bất định và các định luật của cơ học lượng tử được mọi nhà vật lí coi là những định luật cơ bản của thiên nhiên. Vật lí học hiện đại đang phát triển trong sự phối hợp ngày càng mật thiết giữa lí thuyết tương đối và lí thuyết lượng tử.
Các nhà vật lí đã hiểu rằng tính thống kê là đặc tính của thế giới vi mô, và các định luật thống kê là các định luật của các số lớn. Trong thế giới vi mô, quyết định luận thống kê đã thay thế quyết định luận cổ điển của thế giới vĩ mô. Đó là quyết định luận được áp dụng cho một lượng lớn các hạt nhưng không áp dụng được cho từng hạt riêng rẽ.
Nguyên tử luận của Démocrite ra đời từ thế kỉ V TCN vậy mà phải tới cuối thế kỉ XIX nó mới được kiểm tra, khẳng định và phát triển. Nếu muốn nghiên cứu cấu trúc của vi hạt lớn thì phải áp dụng phương pháp của Rutherford: dùng một vi hạt khác có động năng lớn hơn ΔE làm viên đạn để bắn vào vi hạt lớn, phá vỡ nó và giải phóng các vi hạt thành phần.
Trong thí nghiệm năm 1910, Rutherford đã dùng những hạt α do một nguồn phóng xạ tự nhiên phát ra. Chúng có năng lượng tối đa khoảng 8MeV, có thể xuyên qua lớp vỏ electron của nguyên tử nhưng bị hạt nhân đánh bật trở lại. Khả năng nghiên cứu thế giới vi mô tùy thuộc vào khả năng tạo ra những chùm vi hạt có năng lượng rất lớn.
Để tạo ra những chùm hạt đó, các nhà vật lí đã chế tạo ra các máy gia tốc. Năm 1929, chiếc máy gia tốc tuyến tính đầu tiên đã ra đời. Tới năm 1956, người ta đã chế tạo được một máy gia tốc tuyến tính dài 3km tạo ra một chùm electron có năng lượng 20 – 50 GeV. Năm 1931 chiếc máy gia tốc tròn đầu tiên là máy Xiclotron đã ra đời. Để tăng thêm hiệu quả của máy gia tốc tròn, người ta cải tiến chúng thành các máy gia tốc va đập, chiếc máy gia tốc va đập đầu tiên được chế tạo năm 1950. Tới 1989, máy gia tốc va đập electron – pozitron ở phòng thí nghiệm CERN đã đạt tới năng lượng 50 GeV, và ít lâu sau được nâng lên 100 GeV. Cũng tại CERN, máy gia tốc va đập proton – phản proton SppS tạo ra năng lượng 630 GeV. Tại Chicago (Mĩ),
máy gia tốc va đập proton – phản proton Tevatron chế tạo theo mẫu SppS nhưng có các nam
châm điện quấn bằng dây siêu dẫn đã đạt tới năng lượng 2 TeV.
Với những máy gia tốc ngày càng mạnh như vậy, vật lí học ngày càng đi sâu hơn vào hạt nhân nguyên tử, ngày càng phát hiện được nhiều vi hạt nhỏ hơn. Tới 1932, vật lí học đã phát hiện được 5 vi hạt, chúng được xếp trong một bảng gọi là bảng các hạt cơ bản.
Các nhà vật lí học nhìn thấy ở bảng này một hình ảnh đẹp đẽ và hoàn chỉnh về cấu trúc của vật chất. Hai barion là hai hạt nặng, chúng tạo thành hạt nhân của mọi nguyên tố đã biết. Hai lepton là hai hạt nhẹ. Barion và lepton tạo thành các nguyên tử. Barion và lepton được gọi là hạt vật chất, là hạt mang tính sóng, photon được gọi là hạt bức xạ, là sóng mang tính hạt. Có vẻ như vấn đề cấu trúc của vật chất đã được sáng tỏ. Tuy nhiên khi nói về các hạt vật chất và hạt bức xạ, có nhà vật lí coi chúng là như nhau, không phân biệt, nhưng cũng có người coi hạt vật chất là hạt thật còn hạt bức xạ chỉ là giả hạt, nhưng đó không phải là một vấn đề lớn.
Vấn đề được các nhà vật lí học quan tâm là bản chất các lực gắn bó các proton và neutron trong hạt nhân. Đó là những lực rất lớn, thuộc lĩnh vực các tương tác mạnh mà vật lí học chưa hề biết đến.Năm 1932, người ta phát hiện được trong thực nghiệm hạt pozitron mà Dirac đã tiên đoán bằng lí thuyết năm 1928. Người ta gọi pozitron là phản hạt của electron. Sau đó người ta lại thấy được rằng nói chung mỗi vi hạt đều có phản hạt của nó, chỉ trừ photon không có phản hạt (hay hạt và phản hạt của nó trùng nhau). Vấn đề các hạt cơ bản đã mất đi vẻ đẹp đơn giản của nó năm 1932.
Năm 1946 – 1947, với những phương tiện nghiên cứu mới chính xác và hoàn hảo,người ta lại phát hiện thêm một số các mezon và hadron khác, chúng nảy sinh trong các phản ứng khi các hạt có năng lượng cao va chạm nhau rồi bản thân chúng lại tự phân rã thành các hạt khác. Cũng trong thời gian này, người ta lại phát hiện được một số hạt có hành vi lạ lùng, trái với những định luật đã biết mà các hạt khác đều tuân theo. Các nhà vật lí gọi chúng là những hạt lạ và gắn cho chúng một lượng tử số gọi là tính lạ, kí hiệu là s. Tính lạ được bảo toàn trong các phản ứng.
Tình hình trở nên rối ren và khó hiểu. Bảng các hạt cơ bản năm 1960 đã bao gồm 15 hạt và 15 phản hạt (không kể photon là hạt bức xạ), tất cả các hạt mới phát hiện đều là hạt không bền,
có thời gian sống trung bình từ 10-6 đến 10-16 s. Sau 1960 với những máy gia tốc rất mạnh, số lượng các hạt cơ bản tăng lên rất nhanh tới hơn 200, rồi 300 hạt…Tình hình càng rối vì đã có quá nhiều các hạt cơ bản, được phân loại dựa trên những đặc tính cơ bản là khối lượng.
Từ năm 1961, Gell Mann (Ghenman) (1929) đề xuất một lí thuyết mới cho rằng các hadron đều tuân theo một phép đối xứng đặc thù gọi là đối xứng SU. Với phép đối xứng đó, người ta có thể chia các mezon và barion thành từng nhóm nhỏ, mỗi nhóm chứa một số hạt nhất định. Khi phân tích các nhóm đó, Gell Mann nêu lên rằng có một nhóm còn thiếu một hạt, ông tính toán và dự báo những đặc tính của hạt đó và gọi nó là Ω-. Năm 1964 hạt Ω- được tìm thấy trong thực nghiệm với những đặc tính như Gell Mann đã thông báo. Dựa vào hiệu quả của phép đối xứng SU, ông Gell Mann tiến thêm một bước nữa và năm 1964 cùng với Zweig (Xvai) đề ra giả thuyết về các hạt quark. Theo giả thuyết đó, tất cả các hadron đều có cấu trúc, chúng được tạo thành bởi ba hạt nhỏ hơn gọi là quark, có điện tích nhỏ hơn điện tích của electron và có spin bằng 1/2. Người ta đã tìm cách phát hiện các hạt quark trong thực nghiệm nhưng cho đến nay vẫn chưa thành công. Bằng thực nghiệm người ta đã thấy ở bên trong các hadron có những hạt có kích thước 10-18m và những đặc điểm của quark, và coi rằng đã chứng minh được sự tồn tại của các quark.
Các phép tính lí thuyết và các phép đo thực nghiệm cho phép khẳng định rằng chỉ có 3 thế hệ quark và lepton, không thể có thế hệ thứ 4. Bên cạnh 12 hạt thuộc hạt vật chất còn có các hạt bức xạ là lượng tử của các trường truyền tương tác giữa các hạt vật chất với nhau.
8.5. Sự nghiên cứu vũ trụ
Năm 1917, một năm sau khi công bố thuyết tương đối rộng, Einsten đã dựa vào các phương trình của thuyết đó để đưa ra phép tính độ cong trung bình của vũ trụ và đề xuất một mô hình vũ trụ khác với mô hình vũ trụ phẳng của cơ học Newton. Theo ông, vũ trụ là một không gian ba chiều khép kín, một siêu diện cầu ba chiều có thể tích hữu hạn không biến đổi theo thời gian. Để kiểm ra xem nó có đúng không thì cần phải thực nghiệm những phép đo trong vũ trụ để xác định độ cong của vũ trụ và mật độ trung bình của vũ trụ. Điều này hiện nay không thể thực hiện được.
Năm 1922, Freedman (Fritman) chứng minh rằng các phương trình của thuyết tương đối rộng có thể có 3 nghiệm khác nhau, dẫn đến 3 mô hình vũ trụ khác nhau: Vũ trụ có thể là một không gian ba chiều phẳng nở ra mãi, hoặc là một siêu diện cầu ba chiều nở ra rồi co lại hoặc là một siêu diện cầu ba chiều nở ra vô hạn. Muốn chọn mô hình nào thì phải xác định mật độ trung bình của vũ trụ.
Khi nêu lên những mô hình lí thuyết trên, Einsten hay Freedman không hay biết rằng vào lúc đó đã có những quan sát thiên văn cho phép kiểm tra lí thuyết của mình. Sự lệch về phía đỏ của quang phổ của ánh sáng do các thiên hà truyền tới. Hiện tượng này ít được biết đến và các số đo lúc đó cũng thiếu chính xác. Năm 1929 Hubble (Hơbơn) (1889 – 1953) thực hiện những phép đo chính xác và nêu lên lí thuyết giải thích sự lệch về phía đỏ bằng hiệu ứng Dopple. Các thiên hà trong vũ trụ đang di chuyển ra xa Trái Đất, và các vạch phổ trong quang phổ của chúng bị lệch về phía đỏ là phía tần số thấp (bước sóng dài. Hubble đã thấy rằng các thiên hà không những bay ra xa Trái Đất mà nói chung đều bay ra xa nhau và các thiên hà càng ở xa thì vận tốc di chuyển của chúng càng lớn. Sự lệch về phía đỏ chứng tỏ vũ trụ đang nở rộng. Nếu vậy thì trước đây thể tích của vũ trụ phải nhỏ hơn bây giờ và có thể là vào một “lúc ban đầu” nào đó thể tích của vũ trụ phải rất nhỏ và do đó nhiệt độ của nó phải rất lớn.
Năm 1960 các kính thiên văn vô tuyến cho phép phát hiện được những thiên hà vô tuyến. Năm 1965, người ta lại phát hiện được các quasar (giả sao), giống như những ngôi sao nhỏ nhưng có bức xạ vô tuyến cực mạnh, hơn hẳn các thiên hà đã biết. Người ta đã quan sát được những quasar cách chúng ta 8 tỉ năm ánh sáng, tức là đã biết được những thông tin từ vũ trụ cách đây 8 tỉ năm.
Các lập luận lí thuyết nêu lên rằng ở giai đoạn ban đầu, khi nhiệt độ là hết sức lớn thì vũ trụ nằm ở trạng thái plasma. Những lập luận lí thuyết cho phép ước lượng nhiệt độ của bức xạ tàn dư hiện nay là khoảng 3 – 4K. Bức xạ tàn dư đã được phát hiện một cách tình cờ năm 1965. Hiện nay phép đo chính xác hơn cho phép xác định nhiệt độ của nó là 2,7K.
Từ đầu những năm 70, trên cơ sở những kết quả quan sát thiên văn đã tích lũy được và những tính chất của các hạt cơ bản đã được nghiên cứu, với sự đóng góp của nhiều nhà khoa học, người ta đã từng bước xây dựng và từng bước chính xác hóa một mô hình vũ trụ mang tên mô hình Big Bang (vụ nổ lớn) đáng tin cậy và được đông đảo các nhà khoa học chấp nhận. Có thể tóm tắt trình tự đó như sau:
- Ở thời điểm t = 0: Thể tích vũ trụ là vô cùng nhỏ, nhiệt độ vô cùng lớn. Sau vụ nổ, thể tích tăng nhanh, nhiệt độ giảm nhanh. Thể tích vô cùng nhỏ và nhiệt độ vô cùng lớn chỉ là cách nói ước lệ.
- Ở thời điểm t = 10-32s: T = 1027K, vũ trụ gồm các quark, electron, neutrino, photon và các phản hạt của chúng, va đập nhau mãnh liệt. Các quá trình sinh cặp và hủy cặp liên tiếp xảy ra nhưng hủy cặp là chủ yếu. Cứ một tỉ hạt và phản hạt bị hủy cặp lại có một hạt dôi ra. Không hiểu vì sao có sự không đối xứng này nhưng có nó mới có vũ trụ ngày nay.
- Ở thời điểm t = 10-6s: T=1013K. Các quark liên kết với nhau tạo thành proton và neutron. - Ở thời điểm t = 3 phút: T = 108K. Các proton và neutron liên kết với nhau, tạo thành các hạt nhân hidro và heli. Như vậy là trong 3 phút đầu tiên các vật liệu để dựng nên thế giới vật chất đã được tạo thành.
- Ở thời điểm t = 300.000 năm: T = 10.000K. Các electron kết hợp với các hạt nhân H và He để tạo thành các nguyên tử H và He. Các electron bị cầm chân trong các nguyên tử, không còn cản trở sự di chuyển của các photon nữa. Các photon bay tản ra theo mọi phía và tạo thành bức xạ nền của vũ trụ đang nở. Lực hấp dẫn tập hợp các nguyên tử lại để tạo thành các thiên hà. Nhờ có lực hấp dẫn, các thiên hà không nở ra và không nguội đi, trong khi toàn bộ vũ trụ vẫn nở và nguội dần.
- Ở thời điểm t = 2 tỉ năm: T = 100K. Lực hấp dẫn tiếp tục tập hợp các nguyên tử lại đông đặc hơn, tạo thành các sao. Sự va dập dữ dội của các nguyên tử khi đó làm cho các sao có nhiệt độ rất cao, trong khi bức xạ nền chỉ có nhiệt độ 100K. Sau đó là Mặt Trời và các hành tinh ra đời tạo ra hệ Mặt Trời.
- Ở thời điểm t = 15 tỉ năm: T = 2,7K. Đó là vũ trụ hiện nay. Lực hấp dẫn tiếp tục giữ cho các thiên hà và các sao có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nền của vũ trụ.
Quá trình xây dựng và sự ra đời của thuyết Big Bang đã gây ra nhiều sự tranh luận. “Thời điểm ban đầu” chỉ mang tính quy ước, khoa học hiện nay không biết được trạng thái của vật chất, không gian, thời gian ở thời điểm ban đầu và trước thời điểm ban đầu là như thế nào và