Tiểu Luận Về Khoa Học Và Triết Học Nguyễn Tường Bách Nhà Xuất Bản Trẻ tp. Hcm 2004

NHỮNG “HẠT CƠ BẢN” CỦA VẬT CHẤT

Năm 1919, Rutherford lại phát hiện trong nhân nguyên tử có các hạt mang điện tích dương nhằm trung hòa với diện tích âm của các electron mà ông gọi là proton. Năm 1921 hai nhà khoa học Chadwick và Bieler quả quyết trong nhân phải có một thứ lực rất mạnh để giữ proton lại với nhau vì proton đều có điện tích dương, lẽ ra chúng phải đẩy lẫn nhau, không thể nằm gần nhau. Thứ lực đó về sau sẽ được phát hiện là lực hạt nhân mà hiệu quả của nó sớm được các nhà chính trị sử dụng. Năm 1932 Chadwick phát hiện trong nhân có một loại hạt nữa mang tên là neutron, hạt này không mang điện tích.

Như thế khoảng năm 1932, người ta đã biết đến ba hạt: electron, proton và neutron của cơ cấu nguyên tử. Ngoài ra người ta đã biết thêm một thứ hạt thứ tư nữa, đó là hạt quang tử photon.

Khoảng từ những năm 1930 người ta bắt đầu khám phá rất nhiều hạt hạ nguyên tử khác trong khi phát hiện tính chất phóng xạ của nguyên tử. Người ta thấy rằng có nhiều hạt, nhất là các hạt không mang đện tích như hạt neotron tự phân hủy để sinh ra các hạt khác có mang điện tích với điều kiện là tổng số điện tích phải trung hòa như hạt nguyên thủy. Trong quá trình tự phân hủy đó chúng còn sinh ra những hạt khác nữa có điện tích trung hòa mà người ta gọi là neutrino. Ngoài ra có nhiều trường hợp các hạt bị “vỡ” ra không phải do sự tự phân hủy mà do các thí nghiệm trong đó các hạt va chạm nhau dữ dội, với vận tốc và năng lượng cao.

Song song người ta còn phát hiện những hạt được sinh ra do sự hoán chuểyn giữa các hạt khác. Chính sự hoán chuyển đó tạo nên các lực liên kết trong nội bộ hạt nhân nguyên tử.

Trong thiên nhiên, trên các vùng núi cao người ta cũng phát hiện nhiều loại hạt đặc biệt. Trong các tia vũ trụ các nhà khoa học cũng tìm thấy nhiều loại hạt, dường như chúng xuất phát từ những phản ứng trong các hệ hành tinh xa xôi.

Sau đây là tiến trình phát hiện các hạt cơ bản từ cuối thế kỷ trước đến khoảng 1995.

Sau khoảng 30 năm hào hứng phát hiện liên tục các hạt cơ bản từ 1930 đấn 1960, người ta đứng trước một loạt những loại hạt khác nhau với tính chất khác nhau. Kể từ đó, người ta bắt đầu tìm cách phân loại và xếp đặt chúng trong một hệ thống, tương tự như bảng phân loại tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Con số các hạt “cơ bản” được phát hiện lên tới hàng trăm, mức độ mà người ta không thể xem là “cơ bản” nữa, chúng không thể là những hạt nguyên thủy tạo nên thế giới vật chất nữa. Liệu bản thân chúng cũng do một số các hạt “cơ bản hơn” cấu tạo thành, phải chăng có một mô hình nào đó biểu diễn được cấu trúc của chúng?

Năm 1964 nhà vật lý Gell-Mann đề nghị khái niệm quark, một loại hạt nhỏ hơn nựa để xây dựng các hạt cơ bản đã được biết. Ông sử dụng ba hạt quark với ba “mùi vị” khác nhau mà ông gọi là “up”(u), “down”(d) và “strange”(s) và ba đối hạt của chúng.

Với mô hình quark thì một proton được xem là do hai hạt quark “up” và một hạt quark “down” tạo nên. Hạt Pion (p+) sẽ do một hạt quark “up” và một đối hạt của quark “down” hợp thành. Tổng quát hơn, các hạt nặng baryon do ba hạt quark hình thành, trong lúc các hạt trung bình meson do một quark và một hạt đối hạt của quark tạo nên.

Các hạt quark cho phép lý giải rất thỏa đáng những tính chất của các hạt, thậm chí mô hình này cũng cho phép tiên đoán cả sự hiện diện của một số hạt mà sau này người ta phát hiện được, thế nhưng không ai tìm được hạt quark riêng lẻ nào cả. Điều chắc chắn là thực nghiệm cho thấy proton có một cấu trúc bên trong và người ta đoán nó phải là những hạt quark và cho chúng một cái tên là các hạt quark “bị giam giữ”.

Lần lượt trong các năm 1975, 1977 và 1995 người ta phát hiện các hạt quark thứ tư, thứ năm và thứ sáu mà tên của chúng là charm (c), bottom (b) và top (t). Hiện nay người ta vẫn chưa biết, liệu cá hạt quark “có thật” hay chúng chỉ là một giả định toán học.

Song song với hạt hạt quark – vốn là các hạt xây dựng hạt nhân nguyên tử - là các hạt lepton, đó là các hạt nhẹ, ngang tầm với electron. Điều đáng ngạc nhiên nhất là nếu ta có 6 hạt quark thì ta cũng chỉ có 6 hạt lepton mà một trong 6 hạt lepton đó là electron. Ngày nay nhà vật lý hạt có tổng cộng 12 hạt cơ bản, đó là 6 hạt quark và 6 hạt lepton cùng với các đối hạt của chúng. Những hạt cơ bản này là chất liệu xây dựng toàn bộ hạt nhân, nguyên tử, tức là toàn bộ vật chất. Những hạt này được chia làm ba hạng nhẹ (I), vừa (II) và nặng (III).

Đây là mô hình cơ bản của hạt đến cuối thế kỷ thứ 20 và là mô hình cho phép lý giải thoả đáng rất nhiều hiện tượng hạ nguyên tử. Thật là lạ lùng khi nhìn các hạt cơ bản nói trên, những hạt được xem là nền tảng của thế giới vật chất, của thiên nhiên. Dường như chúng mang một tính đối xứng, dấu ấn của đầu óc suy tư lý luận của con người. Thế nhưng đó là mô hình mới nhất của vật lý, được phần lớn các nhà khoa học thừa nhận. Hiện nay mô hình này được sử dụng chung trong cộng đồng, nó là nền tảng của một ngành vật lý rất phức tạp mang tên là “hạt cơ bản”. Mặc dù tự tính của hạt quark rất khó hiểu, thế nhưng mô hình này cho phép lý giải và phân loại một cách đầy thuyết phục các hiện tượng hạ nguyên tử. Đây là một sự đồng thuận hiếm hoi của ngành vật lý hiện đại.

Trong chương này, các hạt vật chất vi tế nhất, cơ bản nhất đã được phát hiện và trình bày bằng hai biểu đồ đầu tiên. Theo quan điểm của các nhà vật lý, đó là những viên gạch lớn bé xây nên tòa lâu đài vật chất của vũ trụ. Vì số lượng các viên gạch đó quá lớn, người ta đi tìm mô hình của chấu trúc nội tại của chúng và đến với một tập hợp gồm 12 hạt nhỏ hơn. Dù chưa cô lập riêng được từng hạt của 12 hạt đó, nhưng hiện nay người ta vẫn xem chúng là có thực và là cấp bậc cuối cùng của vật chất. Tại mức độ bí nhiệm này dĩ nhiên người ta không còn “thấy” được các hạt. Phương pháp tư duy ở đây là, nêu giả định về cấu trúc nội tại của vật chất và trên cơ sở đó mà tiên đoán các hiện tượng vật lý. Và khi thực nghiệm cho thấy các tiên đoán đó là đúng thì giả định vê cấu trúc của vật chất là đúng.

Bất chấp tính chất hòa toàn trừu tượng của phép tư duy này, nền vật lý hạt vẫn có những thành công bất ngờ, nhất là nó thống nhất và lý giải những hiện tượng tưởng chừng không liên quan gì đến cấu trúc nội tại của vật chất, kể cả các hiện tượng thuộc thế giới vĩ mô.

---o0o---

LỰC LÀ CÁC HẠT ĐANG “TƯƠNG TÁC”

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.

---o0o---