Các Lực Trong Tự Nhiên - Angelfire

Các lực trong tự nhiên

Các lực trong tự nhiên

Một trong những đặc trưng cơ bản trong vật lí là sự xuất hiện các lực giữ vật chất lại với nhau. Ví dụ, có các lực giữ các tế bào lại với nhau để tạo nên cơ thể người, và có lực hấp dẫn giữ chúng ta trên mặt đất và mặt trăng trên quỹ đạo xung quanh trái đất. Chúng ta có thể tự mình tác dụng lực khi chúng ta đẩy một cái gì đó và, bởi các kĩ sư, giải phóng năng lượng chứa trong dầu mỏ để tạo ra lực trên các bánh xe hơi làm di chuyển nó. Từ quan điểm vĩ mô, chúng ta có thể hình dung nhiều loại lực khác nhau, các lực tương tác tiếp xúc trực tiếp, nhưng cũng có lực tác dụng xuyên khoảng cách chẳng hạn như lực hấp dẫn. Trong vật lí, dù vậy, chúng ta thử hệ thống hóa và tìm kiếm nhiều khái niệm tổng quát khả dĩ. Một sự hệ thống hóa như vậy là tìm những thành phần cơ bản nhất của vật chất. Một hướng khác là tìm các lực tương tác giữa chúng. Trong trường hợp đầu, chúng ta có thể phân chia vật chất thành các nguyên tử và các nguyên tử thành hạt nhân và các electron, và rồi chia hạt nhân thành các proton và các neutron. Bằng cách cho proton va chạm với proton hay proton với electron, các nhà vật lí hạt khám phá thấy toàn bộ vật chất có thể được xây dựng từ một số quark (một khái niệm do Murray Gell-Mann đưa ra hồi thập niên 1960) và lepton (electron và neutrino cùng những người anh em nặng hơn của chúng). Trong cùng quá trình đó, các nhà vật lí phát hiện bốn lực cơ bản tương tác giữa các hạt vật chất này - lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Chỉ có hai loại lực đầu là có thể quan sát được trực tiếp trong thế giới vĩ mô, vì vậy trước tiên chúng ta hãy mô tả chúng.

Lực hấp dẫn

Lí thuyết định lượng đầu tiên về hấp dẫn dựa trên những quan sát được Isaac Newton nêu ra năm 1687 trong tác phẩm Nguyên lí của ông. Ông viết rằng lực hấp dẫn tác dụng lên mặt trời và các hành tinh phụ thuộc vào lượng vật chất mà chúng chứa. Nó truyền qua những khoảng cách lớn và luôn luôn giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Công thức cho lực F giữa hai vật thể khối lượng m1 và m2 cách nhau khoảng r như sau

F=Gm1m2/r2,

trong đó G là hằng số tỉ lệ, hằng số hấp dẫn. Newton không hoàn toàn hài lòng với lí thuyết của ông vì nó giả định một tương tác xuyên khoảng cách. Khó khăn này đã được dẹp bỏ khi khái niệm trướng hấp dẫn được nêu ra, một trường thấm đầy không gian. Lí thuyết Newton áp dụng rất thành công với cơ học thiên thể trong thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19. Chẳng hạn, J.C. Adams và U.J.J. Leverrier có thể phỏng đoán một hành tinh bên ngoài Thiên Vương tinh từ sự bất thường trong quỹ đạo của nó và rồi thì sao Hải Vương được tìm thấy. Vẫn còn tồn tại một vấn đề. Năm 1845, Leverrier tính toán thấy quỹ đạo sao Thủy tiến động 35'' trên thế kỉ trái với giá trị theo thuyết Newton là bằng không. Những đo đạc sau này cho một giá trị chính xác hơn, 43''. (Sự tiến động quan sát được thật ra là 5270''/thế kỉ, nhưng sự tính toán cẩn thận loại trừ sự nhiễu loạn do các hành tinh còn lại gây ra cho giá trị 43''). Vấn đề tồn tại cho đến năm 1915 khi Albert Einstein có thể giải thích sự không nhất quán này.

Galilei là người đầu tiên quan sát thấy các vật dường như rơi với cùng tốc độ, bất chấp khối lượng của chúng. Trong các phương trình Newton, khái niệm khối lượng xuất hiện trong hai phương trình khác nhau. Định luật 2 nói rằng lực F tác dụng lên vật có khối lượng m cho gia tốc a tuân theo phương trình F = ma. Trong định luật hấp dẫn, lực hấp dẫn F thỏa F = mg, trong đó g phụ thuộc vào các vật thể khác nhau tác dụng lực lên vật (thường thì là trái đất, khi chúng ta nói tới lực hấp dẫn). Trong cả hai phương trình, m là một hệ số tỉ lệ (khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn) và không có lí do rõ ràng cho thấy chúng phải có cùng giá trị hai vật thể khác nhau. Tuy nhiên, mọi thí nghiệm đều cho biết chúng bằng nhau. Einstein lấy thực tế này làm điểm xuất phát cho lí thuyết hấp dẫn của ông. Nếu bạn không thể phân biệt được khối lượng quán tính với khối lượng hấp dẫn, bạn cũng không thể phân biệt được sự hấp dẫn và sự gia tốc. Một thí nghiệm thực hiện trong trường hấp dẫn có thể thay bằng thực hiện trong một thang máy đang gia tốc nơi không có trường hấp dẫn. Khi nhà du hành vũ trụ trong phi thuyền gia tốc để bay ra ngoài trái đất, ông chịu một lực hấpdẫn gầp vài lần trên trái đất. Phần lớn chúng là do sự gia tốc. Nếu người ta không thể phân biệt được hấp dẫn với sự gia tốc, thì người ta luôn luôn có thể thay thế lực hấp dẫn bằng một hệ thống đang gia tốc. Một hệ trong đó sự gia tốc triệt tiêu lực hấp dẫn được gọi là hệ quán tính. Tuy nhiên, hệ này sẽ khác nhau từ điểm này sang điểm khác vì trường hấp dẫn thay đổi (trong ví dụ với mặt trăng thì hướng của trường hấp dẫn thay đổi từ điểm này sang điểm khác). Nguyên lí rằng người ta luôn tìm được một hệ quán tính ở mỗi điểm của không gian và thời gian trong đó vật lí học tuân theo các định luật trong sự vắng mặt của hấp dẫn được gọi là Nguyên lí tương đương.

Thật ra thì lực hấp dẫn có thể coi như những hệ tọa độ khác nhau từ điểm này sang điểm khác nghĩa là hấp dẫn là một lí thuyết hình học. Hệ tọa độ phù hợp bao quát toàn bộ không gian và thời gian vì vậy là một hệ phức tạp hơn hệ tọa độ phẳng thông thường mà chúng ta quen sử dụng trong hình học thông thường. Loại hình học này gọi là Hình học phi Euclide. Lực mà chúng ta thấy có nguồn gốc từ các tính chất của không gian và thời gian. Chúng ta nói rằng không-thời gian bị cong. Xét một quả bóng đang nằm trên một bề mặt phẳng. Nó sẽ không chuyển động, hay nếu không có ma sát, nó có thể chuyển động đều khi không có lực tác dụng lên nó. Nếu như bề mặt bị cong đi thì quả bóng sẽ gia tốc và lăn xuống điểm thấp nhất bằng cách chọn con đường ngắn nhất. Tương tự như vậy, Einstein dạy chúng ta rằng không gian và thời gian bốn chiều là cong và một vật đang chuyển động trong không gian cong này sẽ chuyển động dọc theo một geodesics là đường đi ngắn nhất. Ông cũng đã xây dựng các phương trình cho trường hấp dẫn, các phương trình Einstein trứ danh, và với các phương trình này, ông có thể tính toán giá trị chính xác cho sự tiến động quỹ đạo sao Thủy. Các phương trình cũng cho giá trị đo được của sự lệch của các tia sáng truyền từ mặt trời và không có sự nghi ngờ nào rằng các phương trình đó cho những kết quả chính xác đối với sự hấp dẫn vĩ mô. Lí thuyết hấp dẫn của Einstein, hay Thuyết tương đối rộng, như tự ông gọi, là một trong những thành tựu vĩ đại nhất của khoa học hiện đại.

Lực điện từ

Sau cùng thì năm 1865 James Clark Maxwell đã thống nhất các khái niệm điện và từ thành một lí thuyết điện từ. Lực được trung chuyển bởi trường điện từ. Biểu hiện khác nhau của trường này dẫn tới điện trường và từ trường, riêng từng cái. Dù vậy, lí thuyết không hoàn toàn đối xứng trong điện trường và từ trường, vì nó chỉ đưa ra nguồn phát sinh trực tiếp của điện trường là các điện tích. Một lí thuyết đối xứng trọn vẹn cũng sẽ đưa ra các từ tích (được tiên đoán là tồn tại bởi lí thuyết lượng tử hiện đại nhưng với cường độ khổng lồ như vậy thì các từ tích tự do phải cực kì hiếm trong vũ trụ của chúng ta). Đối với hai vật thể đứng yên có điện tích là e1 và e2 lí thuyết đưa tới Định luật Coulomb cho lực giữa hai vật

F=ke1e2/r2,

trong đó một lần nữa k là một hằng số tỉ lệ. Chú ý sự tương tự với định luật hấp dẫn của Newton. Mặc dù có sự khác nhau. Trong khi lực hấp dẫn luôn luôn là lực hút, thì lực điện từ cũng có thể là lực đẩy. Điện tích có thể hoặc là âm như với electron hay là dương như với proton. Điều này đưa đến thực tế là các điện tích âm và điện tích dương có xu hướng kết hợp lại với nhau như trong các nguyên tử và do đó che chắn lẫn nhau và sinh ra trường điện từ. Đa số các hạt trên trái đất che chắn lẫn nhau theo cách này và trường điện từ tổng hợp giảm đi rất nhiều. Dù vậy. chúng ta biết từ trường của trái đất. Cũng trong cơ thể của chúng ta, đa số các hạt trung hòa lẫn nhau nên có một lực đện từ rất yếu giữa cơ thể và trái đất. Tình hình rất khác đối với trướng hấp dẫn. Vì nó luôn luôn là lực hút, nên mỗi hạt trong trái đất tương tác với mỗi hạt trong cơ thể người tạo ra một lực bằng trọng lượng của chúng ta. Tuy nhiên, nếu chúng ta so sánh lực điện từ và lực hấp dẫn giữa hai electron chúng ta sẽ thấy lực điện từ lớn hơn bởi một hệ số cỡ chừng 1040. Đây là một con số lớn không thể tin nổi! Nó cho biết khi chúng ta đến với thế giới vi mô và nghiên cứu bản chất vật lí của các hạt cơ bản, chúng ta không cần phải xét tới hấp dẫn khi nghiên cứu điện động lực học lượng tử, ít nhất là ở các năng lượng thường.

Khi giải các phương trình Maxwell, người ta nhận thấy rằng trường điện từ truyền đi với một vận tốc hữu hạn. Điều này nghĩa là Định luật Coulomb chỉ đúng một khi trường điện từ cần có thời gian để truyền giữa hai điện tích. Nó là một định luật tĩnh học. Người ta cũng nhận thấy rằng trường điện từ truyến đi như một sóng theo cách giống hệt như ánh sáng. Đó là Rømer, người phát hiện thấy vận tốc ánh sáng là hữu hạn, và Newton và Huygens, người phát hiện ánh sáng truyền như một sóng hồi cuối thế kỉ 17, và đến cuối thế kỉ 19 thì vận tốc ánh sáng đã được xác minh rõ là phù hợp với vận tốc của trường điện từ. Như vậy, nó xác minh ánh sàng không gì khác hơn mà chính là bức xạ điện từ. Năm 1900, Max Planck đề xuất rằng ánh sáng bị lượng tử hóa nhằm giái thích bức xạ vật đen. Tuy nhiên, Albert Einstein mới là người đầu tiên thật sự hiểu rõ những hệ quả mang tính cách mạng của ý tưởng này khi ông thiết lập công thức hiệu ứng quang điện. Trường điện từ có thể coi là một dòng hạt nhỏ xíu gọi là photon, chúng tạo nên trường điện từ. Khía cạnh mang tính cách mạng của ý tưởng này là một dòng hạt cũng có thể xử sự như một sóng, và có khá nhiều sự phản đối từ phía các nhà khoa học đương thời. Chuyện đó vẫn kéo dài cho tới năm 1923, khi Arthur Compton bằng thực nghiệm chỉ ra rằng một lượng tử ánh sáng có thể làm lệch hướng một electron giống hệt như một hạt nhỏ xíu làm vậy, và cuộc tranh luận này kết thúc.

Nếu chúng ta nghĩ về lực điện giữa hai điện tích như một trường điện từ trung chuyển xuyên khoảng cách, thì bây giờ ta có thể có một bức tranh cơ bản hơn như một dòng các photon phát ra từ một hạt và đến va chạm với hạt kia. Đây là một hình ảnh trực quan hơn việc một lực tác dụng xuyên khoảng cách. Bức tranh lực vĩ mô của chúng ta là một cái gì đó tới va chạm vào vật rồi chịu một lực. Trong thế giới vi mô, một lần nữa đây là một cách để hiểu lực. Tuy nhên, nó phức tạp hơn. Giả sử có hai điện tích tương tác nhau. Hạt nào đang phát ra photon và hạt nào đang nhận photon nếu như hai hạt là đồng nhất như cơ học lượng tử nói với chúng ta như thế về các hạt cơ bản ? Câu trả lời phải là một hình ảnh bao gồm cả hai khả năng. Việc phát hiện trường điện từ bị lượng tử hóa đã khởi xướng một sự phát triển của cơ học lượng tử và đưa chúng ta đến một thế giới vi mô xây dựng bởi những vật giống như chất điểm và ở đó các lực xuất hiện khi hai hạt va chạm nhau.

Cơ học lượng tử đưa đến nhiều khái niệm mang tính cách mạng. Một trong những khái niệm quan trọng nhất là Quan hệ bất định Heisenberg được Heisenberg thiết lập vào năm 1927, phát biểu rằng người ta không thể đo chính xác đồng thời vị trí và xung lượng hay năng lượng và thời gian. Đối với một hạt nhân, người ta có thể hoặc xác định được vị trí của một electron và không biết gì về xung lượng của nó hoặc biết xung lượng của nó và không biết gì về vị trí của nó. Trong hình ảnh mô tả trường lực giữa hai điện tích, bạn phải nghĩ về nó như các photon truyền từ hạt này tới hạt kia. Như vậy, năng lượng không thể được xác định chính xác hơn cái mà quan hệ bất định bảo với chúng ta, bởi vì sự bất định trong việc xác định thời gian. Do đó, quan hệ theo thuyết tương đối đặc biệt cho ánh sáng là photon không có khối lượng và chuyển thành quan hệ năng lượng2= xung lượng2c2 cần phải được thỏa mãn. Nếu chúng ta đặt năng lượng và xung lượng ba chiều lại thành một xung lượng bốn chiều, ta thấy nó không hề bị gượng ép bởi điều kiện không có khối lượng, ta nói rằng photon là ảo và vì vậy có một khối lượng (ảo). Như vậy, ta giải thích quá trình ở trên như sau: hoặc là một photon phát ra từ hạt 1 đi tới hạt 2 với một xung lượng bốn chiều nhất định, hoặc là một photon đi từ hạt 2 sang hạt 1 với xung lượng bốn chhiều ngược lại. Khi hai điện tích ở xa nhau, quan hệ bất định cho một ít tự do và photon gần không có khối lượng hơn. Chúng ta biết rằng định luật Coulomb hình như có hiệu lực ở những khoảng cách dài nhất vì nó phải được xây dựng bởi các photon gần như không khối lượng. Nếu hai điện tích ở gần nhau, sẽ có nhiều dạng lực lực hơn. Nhận thể, để đo vận tốc ánh sáng thì các photon phải tương tác. Như vậy, có một độ bất định nhỏ trong khối lượng của nó và một độ bất định nhỏ trong vận tốc của nó. Tuy nhiên, chúng ta luôn đo được cùng một vận tốc cho ánh sáng, nghĩa là ở những khoảng cách vĩ mô mà chúng ta đo, tính thực và do đó khối lượng của photon về cơ bản là bằng không, nên ta có một độ chính xác rất tốt. Nó phù hợp với việc nói rằng vận tốc ánh sáng là một hằng số.

Sự mô tả đầy đủ lực điện từ giữa hai hạt cơ bản được thiết lập bới Sin-Itiro Tomonaga, Richard Feynman và Julian Schwinger, trong những công trình độc lập nhau, hồi những năm 1940. Họ thiết lập Điện động lực học lượng tử (QED). Đây là một lí thuyết xây dựng từ vật lí lượng tử và thuyết tương đối hẹp (nó là nền tảng đối xứng của các phương trình Maxwell). Nó được thiết lập rất tao nhã bởi cái gọi là biểu đồ Feynman, trong đó các hạt cơ bản trao đổi các photon như đã mô tả ở trên và trong đó mỗi biểu đồ ứng với một phương trình toán học nhất định, phương trình này có thể thu được từ một số quy luật cơ bản cho sự truyền các hạt ảo và từ các đỉnh tương tác. Biểu đồ đơn giản nhất cho tương tác giữa hai electron là

Thật ra biểu đồ này đưa tới định luật Coulomb. Bây giờ Feynman chỉ cho chúng ta rằng chúng ta có thể kết hợp bất cứ đường nào cho một electron truyền đi (hay khi nó truyền ngược lại, positron) và bất cứ đường nào cho một photon truyền đi nối lại với điểm mà ở đó một đường electron phát ra một photon và tạo nên một biểu đồ mới. Mỗi biểu đồ mới khác với biểu đồ ở trên tạo nên sự hiểu chỉnh lượng tử cho lực cơ bản. Qua công trình của ba nhà khoa học kể trên cho thấy mỗi biểu đồ như vậy có cảm giác cho những câu trả lời hữu hạn. Người ta nói rằng QED là tiêu chuẩn hóa trở lại. Cường độ lực như trong định luật Coulomb bị chi phối bởi độ lớn của đỉnh là điện tích e trong QED và với biểu đồ ở trên, nó tỉ lệ với bình phương của e và là Hằng số cấu trúc tinh tế = 1/137. Vì đây là một con số nhỏ, nó khiến ta có cảm giác viết độ lớn trong một chuỗi các lũy thừa càng lúc càng cao của thì hệ số sẽ càng lúc càng nhỏ cho mỗi sự gia tăng độ phức tạp của biểu đồ. Dạng bậc càng cao thì các hiệu chỉnh lượng tử càng lớn và sự mở rộng đáng ngại mà chúng ta định nghĩa sẽ càng lúc càng nhỏ khi chúng ta tiến đến các hiệu chỉnh lượng tử cao hơn.

Lực hạt nhân

Vì vào đầu thế kỉ 20, chỉ có hai lực cơ bản được biết tới là lực hấp dẫn và lực điện từ, và người ta thấy lực điện từ gây ra các lực trong nguyên tử, nên tự nhiên tin rằng nó cũng là lực đóng vai trò giữ hạt nhân lại với nhau. Thập niên 1920, người ta biết hạt nhân chứa các proton, thật ra thì hạt nhân hydrogen chỉ là một proton, và không hiểu vì sao người ta tin rằng các electron có thể cũng liên quan đến việc giữ các proton lại với nhau. Tuy nhiên, một ý tưởng như thế này lập tức gặp rắc rối. Đâu là sự khác nhau giữa các electron trong hạt nhân và các electron trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân? Đâu là hệ quả của quan hệ bất định Heisenberg nếu như các electron bị nén chặt trong hạt nhân nhỏ bé đó? Sự ủng hộ duy nhất cho ý tưởng này là trong phân rã phóng xạ beta, người ta thấy các electron phát ra từ hạt nhân. Tuy nhiên, năm 1932, James Chadwick phát hện một loại bức xạ mới có thể phát ra từ hạt nhân, một hạt trung hòa và thí nghiệm của ông chỉ ra rằng có những hạt thật sự trung hòa điện bên trong hạt nhân, đó là các neutron. Không bao lâu sau đó, Eugene Wigner giải thích hạt nhân như một kết quả của hai lực hạt nhân khác nhau. Lực hạt nhân mạnh là lực hút giữa các proton và neutron giữ hạt nhân lại với nhau và Lực hạt nhân yếu gây ra sự phân rã phóng xạ của hạt nhân nhất định. Người ta nhận thấy cường độ của hai lực này khác nhau rất nhiều. Tỉ số điển hình là vào bậc 1014 ở các năng lượng thường.

Tương tác mạnh

Giờ thì một ý tưởng tư nhiên là tìm kiếm một cơ chế giống như cơ chế trong lực điện từ để trung chuyển lực mạnh. Ngay từ năm 1935, Hideki Yakawa đã đưa ra lí thuyết trường cho các tương tác mạnh, trong đó các hạt trường trung chuyển được gọi là meson.

Tuy nhiên, có sự khác biệt đáng kể giữa lực mạnh và lực điện từ, ở chỗ lực mạnh có tầm tác dụng rất ngắn (điển hình vào cỡ bán kính hạt nhân). Đây là lí do tại sao nó không có bản đối chiếu nào và do đó không được phát hiện trong vật lí cổ điển.Yukawa giải quyết vấn đề này bằng cách đặt cho meson có khối lượng. Một hạt như vậy rồi thì dượng như được Carl Anderson tìm thấy từ các tia vũ trụ. Việc phát hiện phân hạch hạt nhân vào cuối những năm 1930 dẫn tới một sự thu hút mạnh mẽ trong vật lí hạt nhân và trong những năm chiến tranh, đa phần các nhà vật lí đều nghiên cứu vấn đề phân hạch, mãi đến khi chiến ranh kết thúc thì ý tưởng của Yukawa mới được nêu ra lần nữa. Rồi người ta thấy rằng các hạt mà Anderson tìm thấy có thể không phải là meson của các tương tác mạnh, vì nó tương tác quá yếu với vật chất, và rồi người ta chỉ ra rằng hạt này, bây giờ gọi là muon, là một họ hàng nặng của electron. Tuy nhiên, cuối cùng thì meson, nay gọi là pion, cũng được Cecil Powell phát hiện trong tia vũ trụ vào năm 1947 và các tính chất của nó đã được xác định. Bây giờ xuất hiện một tình thế tiến thoái lưỡng nan mới. Khi các máy gia tốc khổng lồ bắt đầu đi vào hoạt động trong những năm 1950, các pion sinh ra xác nhận lí thuyết của Yukawa, nhưng khi lí thuyết trường của ông được xem xét theo các quy luật do Feynman đề ra, thì thật ra lí thuyết này là tái tiêu chuẩn hóa nhưng hằng số bắt cặp là khổng lồ, lớn hơn một. Điều này nghĩa là một biểu đồ có vài tương tác sẽ cho một sự đóng góp rộng hơn một biểu đồ chất phác với việc trao đổi chỉ một pion, cái mà người ta nghĩ rằng sẽ cho một bức tranh thô của sự tán xạ hai proton. Sự khai triển đáng ngại không còn ý nghĩa nữa. Sự tán xạ proton cũng sinh ra các hạt mới tương tác mạnh mẽ bên cạnh pion, chúng được gọi là các hadron. Thật ra, một bầy khổng lồ các hạt cơ bản đã được phát hiện, một số trong số chúng có thời gian sống từ vài 10-8 tới 10-10 s và một số có thời gian sống 10-23 s. Bài toán này được Murray Gell-Mann giải quyết khi ông đề xuất rằng tất cả các hạt tương tác mạnh thật ra là các trạng thái tổ hợp của những trạng thái còn cơ bản hơn, đó là các quark. Ý tưởng này sau cùng đã được thực nghiệm xác nhận trong các thí nghiệm Stanford trong những năm 1970, do Jerome Friedman, Henry Kendall và Richard Taylor chỉ đạo. Để hiểu các lực bên trong nguyên tử, người ta phải thực sự hiểu lí thuyết trường cho các quark. Trước khi mô tả lực giữa các quark, chúng ta hãy thảo luận về một lực hạt nhân nữa, đó là lực hạt nhân yếu.

Tương tác yếu

Năm 1896, Henri Becquerel phát hiện thấy muối uranium phát ra một bức xạ; chúng được gọi là phóng xạ. Công trình của ông được theo đuổi bởi Marie và Pierre Curie, họ là người phát hiện thấy một vài nguyên tử tan rã bằng cách phát ra phóng xạ. Với việc phát hiện ra neutron, người ta nhận thấy hiện tượng này là một biểu hiện khác của một lực đang tác dụng. Người ta thấy neutron phân hủy thành một proton và một electron và rồi một hạt giả định do Wolfgang Pauli đưa ra, sau này gọi là neutrino (thực ra là phản neutrino). Vì trong hạt nhân, khối lượng các nucleon là ảo nên quá trình cũng có thể diễn ra theo cách khác trong đó một proton phân hủy thành một neutron, một positron và một neutrino. Người đầu tiên thiết lập mô hình cho tương tác này là Enrico Fermi, ông giả định tương tác là tức thời giữa các hạt vật chất. Trong những năm 1950, lí thuyết của Fermi được sửa đổi nhằm giải thích cho sự vi phạm tính bình đẳng, bởi Marshak và Sudarshan và bởi Feynman và Gell-Mann. Sự vi phạm tính bình đẳng của các tương tác yếu được Tsung-Dao Lee và Chen Ning Yang đưa ra năm 1956 và được xác nhận bằng thực nghiệm bởi Wu và các cộng sự trong năm sau đó (Tương tác yếu có thể phân biệt bên trái và bên phải).

Tuy nhiên, mô hình giới thiệu có những vấn đề gay gắt. Nó là không tái tiêu chuẩn hóa vì nó không thể thực sự có ý nghĩa như một lí thuyết tổng quát. Mặt khác, mô hình hoạt động cực kì tốt cho nhiều quá trình. Vậy phải dung hòa hai thực tế này như thế nào đây? Trong những năm 1960, các mô tả lí thuyết trường mới được nêu lên và để dung hòa các thực tế trên, người ta đưa ra những hạt trung chuyển cực kì nặng. Đối với những quá trình năng lượng thấp, một hạt như vậy chỉ có thể truyền đi được một khoảng cách rất ngắn và trong thực nghiệm nó trông như thể là tương tác xảy ra ở một điểm cho mô hình trên cho các năng lượng lúc ấy có thể thăm dò được. Sự hợp nhất, cái gọi là "Lí thuyết chuẩn phi Abel", được sử dụng bởi sheldon Glashow, Steben Weinberg và Abdus Salam trong những công trình độc lập nhau đề xuất một mô hình sẽ ổng quát hóa mô hình trên. Một lí thuyết trường như vậy là một sự tổng quát hóa của QED trong đó có một vài hạt trung chuyển cũng có thể có những tương tác nội bộ. Vào đầu những năm 1970, sự hợp nhất này của các mô hình đã được Gerhard 'tHooft và Tini Veltman chứng minh là tái tiêu chuẩn hóa và do đó là những lí thuyết lượng tử tốt. Bằng chứng thực nghiệm không chối cãi được cho mô hình được thu thập trong những năm 1970 và cuối cùng, vào năm 1983, các hạt trung chuyển được phát hiện tại CERNtrong một thí nghiệm do Carlo Rubbia và Simon van der Meer chỉ đạo. Quả thật các hạt trung chuyển rất nặng, hơn 100 lần khối lượng proton.

Mô Hình Chuẩn

Sự thành công của các lí thuyết chuẩn phi Abel đưa các nhà vật lí đến chỗ đồng ý rằng những mô hònh đó cũng dùng được để mô tả tương tác giữa các quark. điều này đưa tới cái gọi là Mô Hình Chuẩn, trong đó tất cả các hạt vật chất được xem xét cùng nhau, tức là electron cùng với những người bà con nặng hơn của nó, muon và hạt tau và các neutrino tương ứng, chúng đều chỉ có tương tác yếu, cùng với các quark có thể có cả tương tác mạnh và tương tác yếu. Các hạt lực, tức các hạt trung chuyển : photon cho lực điện từ, hạt W và Z cho tương tác yếu và các gluon cho tương tác mạnh. Mặc dù Mô Hình Chuẩn đã thống nhất các tương tác, vẫn có một số khác biệt về chi tiết. Photon và các gluon là những hạt không có khối lượng, trong khi hạt W và Z thì có khối lượng. Photon đưa đến định luật Coulomb cho những khoảng cách lớn trong khi các gluon đưa tới một lực giam giữ giữa các quark. Thật ra, lực đó tăng theo khoảng cách như lực đối với lò xo, còn các quark bị cầm tù vĩnh viễn trong các hadron. Dù vậy, tính chất của các gluon đã được thiết lập vững chắc bằng thực nghiệm và có nhiều bằng chứng cho thấy mô hình này thật ra là một mô hình đúng ở những năng lượng mà các máy gia tốc hiện nay có thể thăm dò được.

Thống nhất các tương tác

Trong mô hình chuẩn ở trên không đề cập đến lực hấp dẫn. Người ta nói nó yếu quá đỗi nên chúng ta không cần phải quan tâm đến nó trong các thí nghiệm hạt. Tuy nhiên, nói chung phải có một phiên bản lượng tử cho lực hấp dẫn tác dụng ở những khoảng cách đủ nhỏ. Nếu chúng ta thử chỉ sao chép sự lượng tử hóa của trường điện từ dưới dạng photon, chúng ta phải lượng tử hóa trường hấp dẫn thành cái gọi là graviton. Tuy nhiên, thủ tục của Feynman, Tomonaga và Schwinger không hoạt động ở đây. Thuyết hầp dẫn của Einstein là phi tái tiêu chuẩn hóa. Vậy thì vấn đề nằm ở chỗ nào? Có phải lí thuyết của Einstein hay cơ học lượng tử không hoàn thiện? Hai nền tảng lí thuyết vĩ đại của thế kỉ 20, cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng của Einstein, đơn giản là không tương thích với nhau. Cả đời mình Einstein cho rằng cơ học lượng tử thật ra không hoàn thiện, nhưng nhiều sự kiểm tra mà nó đã trải qua cho đến hiện nay khiến các nhà vật lí, thay vì vậy, cố gằng tổng quát hóa lí thuyết của Einstein. Thành công đáng chú ý với Mô Hình Chuẩn cũng cho thấy ý tưởng thống nhất các lực là một con đường đúng hướng. Tại sao lại có bốn lực hay chúng có thật sự là khác nhau không? Thực tế thì chúng khác nhau, biểu hiện như các lực khác nhau trong những thí nghiệm mà chúng ta thực hiện, nhưng Mô Hình Chuẩn cho thấy lực điện từ và lực yếu thống nhất với nhau ở năng lượng khoảng 100 GeV. Tương tự, mô hình cũng cho thấy lực mạnh trông quá khác biệt thống nhất với các lực kia ở năng lượng trên 1015GeV. Liệu lực hấp dẫn có thể ăn khớp với sự hợp nhất này không?

Có thể thấy rằng ở năng lượng vào cỡ 1019 GeV thì lực hấp dẫn sẽ mạnh như các lực khác, do đó phải có sự thống nhất tất cả các lực ít nhất là ở năng lượng đó, một năng lượng cao không thể tưởng tượng nổi chỉ xuất hiện trong vũ trụ của chúng ta lúc 10-42 s sau Big Bang. Tuy nhiên, vật lí cũng sẽ phải có thể mô tả những hiện tượng xảy ra sau đó, nên phải có một bức tranh thống nhất bao gồm cả hấp dẫn. Hiện nay, một sự hợp nhất như vậy đã được đưa ra, Mô hình Siêu dây, trong đó các hạt được mô tả như những đối tưọng một chiều, là các dây. Mô hình này thực sự cho lí thuyết của Einstein cho các năng lượng thấp và có thể làm cho phù hợp với Mô Hình Chuẩn ở các năng lượng mà nó khảo sát. Nó cũng là một lí thuyết lượng tử giới hạn, nên lí thuyết cho hấp dẫn dựa trên Mô hình Siêu dây là thật sự phù hợp. Hãy còn quá sớm để nói rằng đây là "lí thuyết của tất cả", nhưng không có nghịch lí hay mâu thuẫn nào trong mô hình này cả. Sau cùng thì mô hình này tạo ra nhiều sự thống nhất hơn, ấy là các hạt vật chất và các hạt lực đều chỉ là một loại hạt. Đây cũng là mục tiêu tối hậu của các nhà vật lí, có một lực thống nhất và một loại hạt thống nhất mà thôi.

(Tác giả : Lars Brink) (Hoài Nghiêm dịch, theo Nobel e-Museum for Physics)

[ Trở về ]