Bản giao hưởng huyền diệu Lượng Tử Tương Đối 1- Phương trình Dirac: Spin Phản vật chất Hạt điện electron, thành phần vật chất đời tràn đầy vũ trụ từ thủa Nổ Lớn (Big Bang), hạt cô đơn mà ngày đêm giao tiếp từ ánh sáng đèn lân quang thời xa xưa đến công nghệ thông-truyền tin tân kỳ ngày với điện thoại di dộng (bốn tỷ lưu hành trái đất), máy vi tính, truyền thanh, truyền hình, phim ảnh số, iPod Có lẽ electron lúc ta cạnh ta khía cạnh sống nước với cá nên ta không ý thức hết tác động thường xuyên Ở ta thực không ngoa tế bào gen DNA da thịt người phân tử, chuỗi tập hợp nguyên tử trao đổi electron mà thành Electron sợi dây kết nối liên ngành lý, hóa sinh học đại Đề tài mênh mông, khởi đầu năm 1897 J J Thomson (1856-1940)[2] thử nghiệm ống phóng tia âm cực, phát electron với điện tích âm –e khối lượng m, hai tính chất cổ điển hạt Paul Dirac (1902-1984), thiên tài tầm cỡ Newton Einstein, kết hợp nhuần nhuyễn thuyết lượng tử với thuyết tương đối hẹp, tám mươi năm qua (1928) khám phá định luật chi phối vận hành hạt điện tất fermion khác neutrino, proton, neutron, quark Tại kết hợp? Lượng tử điều dĩ nhiên cho vật thể vi mô electron, thuyết tương đối hẹp tối cần thiết để diễn tả dao động với vận tốc cao Phương trình Dirac giao hưởng tuyệt vời hợp phối nói trên, mở hai chân trời kỳ diệu: thứ electron mang spin ћ/2, thứ hai hữu phản vật chất[3] Có vật chất có phản vật chất, thí dụ hạt phản electron hay positron mang điện tích dương +e Spin ћ/2 electron không lộ vật lý cổ điển mà đặc trưng độc đáo lượng tử Spin miêu tả tính chất quay vòng nội hạt vi mô (như trái đất quay chung quanh trục nó, spin tinh tế hơn), spin electron ћ/2 = h/4π nghĩa hạt điện phải quay hai vòng 4π trở lại vị trí ban đầu, điều không tưởng học cổ điển Ta mường tượng spin kim la bàn nhỏ xíu, momen từ tạo electron mang điện tích tự quay tròn[4] quanh trục ‘hai vòng lần’ Nhờ Faraday, Ampère, Maxwell biết điện với từ hai mà một, điện tích dao động sinh từ ngược lại Nếu điện tích –e electron gốc nguồn động mở đường cho ngành điện tử, spin ћ/2 đóng vai trò tương tự từ trường khả tích lũy ‘trí nhớ’ từ tính công nghệ Spin ћ/2 mở phạm trù cho vật lý đại, nhánh ‘spin-điện tử’ mang giải Nobel vật lý 2007 đến Albert Fert Peter Grünberg với hiệu ứng Từ trở Khổng lồ mà nhiều ứng dụng nhớ MRAM đầu đọc, đầu ghi đĩa cứng máy vi tính thời Thấu triệt phương trình phong phú Dirac, ta di chuyển, chồng chập, thao tác điều khiển electron positron theo ý mà tạo dựng nên công nghệ bán dẫn, siêu dẫn, vi điện tử, quang điện tử, spin-điện tử, vật liệu nano tinh tế ngày mà điện thoại máy vi tính di động tân kỳ tảng băng Như J A Wheeler ước tính, phần ba tổng sản lượng kinh tế cường quốc số có gốc nguồn từ ứng dụng trực tiếp công nghệ lượng tử, minh họa ứng dụng thực tiễn đời sống người hầu hết khởi đầu từ công trình nghiên cứu Nếu xúc động đến sững sờ trước thơ tiên trái tim gửi người đồng điệu phương trình Dirac sáng tạo thần kỳ trí tuệ trao tặng cho nhân loại, kết nhụy hôn phối huyền diệu lượng tử tương đối hẹp Mời bạn đọc chiêm ngưỡng phương trình (iћγμ∂μ – mc)Ψ(x) = khắc cẩm thạch đại chủng viện Westminster London, nơi đăng quang yên giấc hoàng gia vĩ nhân Anh quốc[6] Mỗi ký hiệu phương trình mang ý nghĩa đặc thù: Hằng số Planck h = 2πћ tượng trưng cho lượng tử Vận tốc ánh sáng c, thời gian t không gian ba chiều x, y, z gói ghém bốn tọa độ không-thời gian xμ (μ = 0,1,2,3), x0 = ct, x1 = x, x2 = y, x3 = z đạo hàm ∂μ ≡ ∂/∂xμ xμ, tất biểu tượng thuyết tương đối hẹp Dirac độc sáng bốn ma trận γμ để nối kết hai lý thuyết qua số toán tử d’Alembertien diễn tả lượng bình phương E2 = |k|2c2 + m2c4 = – c2(i(|k| – mc)(i|k| +mc) thuyết tương đối hẹp vào giới vi mô lượng tử[7] Trường hợp đặc biệt E = mc2 không áp dụng electron dao động với vận tốc cao[8] Bạn đọc tinh ý nhận số (i(|k| – mc) thấp thoáng phương trình (iћγμ∂μ – mc)Ψ(x) = Biến số x Ψ(x) định bốn tọa độ không-thời gian: x ≡ xμ Hệ vật lý phương trình hữu tất nhiên spin[9] hai dấu cộng trừ E = ± (|k|2c2+ m2c4)½ đường đưa đến phản vật chất, khiến bao người lần đầu tiếp cận chẳng khỏi ngỡ ngàng lạc đến đào nguyên! Nghiệm số phương trình Dirac spinor Ψ(x) mang bốn thành phần, kết đọng thông tin đặc tính lượng tử electron positron Bốn thành phần spinor đủ để diễn tả hai khía cạnh:(i) trạng thái quay vòng đối ngược chiều spin up↑ spin down↓ electron, tựa trái đất quay từ đông sang tây hay ngược lại, (ii) hạt electron phản hạt positron phải gắn kết bóng với hình Chính spin up, spin down tảng hiệu ứng Từ trở Khổng lồ theo điện trở vật liệu mang từ tính giảm tác động từ trường Còn phản vật chất từ đâu đến? Mỗi nghiệm phương trình mang lượng dương +(|k|2c2+ m2c4)½ nghiệm khác mang lượng âm –(|k|2c2+ m2c4)½ tất yếu phải kèm theo, hệ chẳng né tránh lấy E2 Đứng trước thể ‘bất đắc dĩ’ lượng âm này, thiên tài Dirac tỏa hiện, ông tiên đoán hữu hạt phản electron qua nhìn độc đáo: vật lý cổ điển ta có E > E = mc2 Trái lại giới vi mô vật lý lượng tử, lượng hạt hay nhận gói hν, ngăn cản hạt nhiều gói hν phải mang lượng âm, ngược lại hạt với E < nhận nhiều gói hν trở trạng thái lượng dương Thí dụ đại dương muôn vàn hạt electron có lượng âm điện tích âm, ta đủ sức kéo hạt đại dương ngoài, tức đại dương electron mang E < 0, –e Nhưng (tượng trưng dấu –) âm nhận dương, –(–) = +, kết cục ta thấy xuất lỗ hổng đại dương electron mang lượng âm nói trên, lỗ hổng có điện tích +e lượng E > 0, hạt phản electron hay positron Tóm lại, hạt phản hạt có lượng dương, chúng có chung khối lượng đặc tính khác (điện tích, spin, sắc tích) ngược dấu Ta có phản lepton, phản nguyên tử Như có vật chất có phản vật chất, giao tụ chúng thành trung hòa tự triệt tiêu để biến thành lượng khiết, ngược lại lượng tạo cặp vật chất-phản vật chất Hạt positron khối lượng m điện tích +e Carl Anderson khám phá năm 1932 Paul Adrien Maurice Dirac, với phương trình ông, năm sau 1933 nhận giải Nobel với Erwin Schrödinger Máy chụp hình PET (Positron Emission Tomography) dùng y học ngày ứng dụng trực tiếp positron, hòa tụ với electron sẵn có thể cặp positron-electron biến thành tia xạ tinh vi để rọi sáng chi tiết não Hơn khái niệm lỗ hổng nói sau trở thành công cụ hiệu lực để nghiên cứu sáng tạo ngành vật lý chất bán dẫn với transistor thiết bị vi điện tử Nhưng bạn tự hỏi Dirac lại lấy toán tử + (mc/ћ)2, đại diện cho lượng bình phương E2 = |k|2c2 + m2c4 thuyết tương đối hẹp Câu hỏi mà Niels Bohr - người khai sáng lý thuyết nguyên tử, vị trưởng lão trường phái Diễn giải Copenhagen học lượng tử, thủ đô xứ Đan Mạch quê hương ông trở thành ‘Thánh Địa La Mekke’ nhà vật lý thời tiền Thế chiến - đặt cho Dirac ông đến thành phố để trao đổi với Bohr năm 1927 ý định kết giao lượng tử với tương đối hẹp manh nha đầu Bohr nghĩ (nhầm) mách cho Dirac hợp phối năm trước thực thành công O Klein W.Gordon với toán tử + (mc/ћ)2 viết trên, chẳng phải lưu tâm Nhưng mà Bohr không ý thức hết mà có nhìn sâu sắc Dirac nhận ra, thuyết tương đối đòi hỏi phải có thời gian t không gian x, y, z gắn quyện thực không-thời gian bốn chiều Minkowski Chúng phải bình diện Phương trình sóng lượng tử Schrödinger[10] đồng tuyến tính nói trên, vế trái phương trình Schrödinger có đạo hàm bậc thời gian t, vế phải lại có đạo hàm bậc hai không gian x, y, z Còn phương trình Klein-Gordon giữ (đạo hàm bậc hai thời gian lẫn không gian) lại tuyến tính đạo hàm bậc thời gian t, điều mà từ thuở sơ khai học lượng tử Schrödinger, Heisenberg, Dirac dựa vào tiền đề để phát triển Đối với Dirac, quán tuý đến điều tối quan trọng, toán học giữ vai trò rường cột để suy luận Vậy cách Dirac phải lấy phương trình Klein-Gordon để có đạo hàm bậc cho thời gian lẫn không gian, điều mà ông thành công với bốn ma trận γμ Khởi đầu đòi hỏi lý trí, điều kỳ diệu mở đường cho cách mạng công nghệ ngày mà người khai phá không ngờ Ta không khỏi liên tưởng đến số ảo i, số âm (i2 = –1), sáng tạo vào kỷ 16 nhà bác học Ý Gerolamo Cardano Raphaël Bombelli, tác động số ảo lan rộng muôn ngành[11], mà i mở hàng cho phương trình Dirac! Nhà toán học Mark Kac xếp hạng nhân vật siêu phàm theo hai lớp Những anh tài mà công trình họ người bình thường khác, sau nhọc nhằn chút duyên may, bén mảng mô theo Nhưng có thiên tài nhà ảo thuật, công trình họ gây kinh ngạc, với tục Dirac thuộc lớp sau, sáng tạo huyền diệu ông tựa âm điệu Amadeus Mozart từ đâu giáng trần Một ngẫu nhiên hai thiên tài Einstein Dirac có 26 tuổi đời khám phá hai phương trình tảng vật lý đại E = mc2 (iћγμ∂μ – mc)Ψ(x) = từ phát triển sau phải dựa vào hệ hình (paradigm) khoa học nói chung để vươn lên cao Cũng học cổ điển Gallilei Newton tiếp tục tảng vật lý mà hai thuyết tương đối lượng tử dựa vào để phát triển đưa ta đến hiểu biết ngày 2- Đường lên Lượng Tử với hạt 2a- Gói lượng sơ đẳng Vào cuối kỷ thứ 19, có mâu thuẫn bên lý thuyết điện từ nhiệt động học - hai trụ cột vật lý thời - bên thực nghiệm đo lường cường độ xạ nhiệt vật đenật đen[12] Thực thế, lý thuyết đưa đến hệ phi lý tổng lượng phóng xạ vật đen phải vô hạn, nôm na ngồi trước bếp sưởi hồng, nhiệt độ cao thấp ta bị tan biến hết Max Planck hành động tuyệt vọng đưa giả thiết theo vật thể dao động với tần số ν lượng E phát phải theo ‘gói‘ rời rạc 1hν, 2hν, 3hν không tuôn chảy liên tục Kỳ lạ thay lượng phun gói chùm Cho tần số sóng ν lượng X trung bình quy định nhiệt động học cổ điển, ta cần p gói hν đủ đạt tới X rồi, p(hν) ≈ X , gói từ (p+1) hν trở lên vượt đóng góp trung bình nên bị khử mạnh làm cho tổng lượng trở thành hữu hạn Điểm then chốt mà Planck giả thiết vật vi mô tiếp nhận hay đơn vị lượng hν Einstein người dùng giả thuyết gói ánh sáng hν để diễn giải tượng quang điện Đặc tính nội rời rạc lượng tử Bohr chấp nhận để sáng tạo thuyết nguyên tử, Louis de Broglie vén mở lưỡng tính sóng-hạt vật thể vi mô, học lượng tử hình thành với nguyên lý bất định Heisenberg phương trình sóng Schrödinger Giả thuyết Planck không giả thiết mà trở thành tảng tri thức mà dấu ấn ngày in đậm sinh hoạt nguời từ khoa học, công nghệ lan rộng sang nhiều khía cạnh triết học, văn hóa Hằng số Planck h E = hν có gốc nguồn tiếng Đức chữ Hilfe (phụ trợ), chi tiết nói lên khiêm tốn nhà bác học lớn Do tính toán qua số nhỏ h mà ra, danh từ vi mô khoa học tự nhiên hiểu vật chất kích thước hay nhỏ phần tỷ mét, hay nanomét Như nguyên tử rộng dài khoảng nano-mét coi ngưỡng cửa bắt đầu sâu xuống giới vi mô bao gồm hạt nhỏ electron proton neutron, hai thành phần hạt nhân nguyên tử 2b- Hạt Ngược dòng thời gian, khái niệm hạt (nghĩa đơn vị vi mô nhỏ bé không chia cắt cho nhỏ nữa) cấu tạo nên vạn vật từ lâu tiềm ẩn ý thức nhân loại Nhưng câu hỏi hạt sơ đẳng gắn bó với lực để tạo nên vật chất? Con đường tìm kiếm định luật chi phối cấu tạo vạn vật hạt sơ đẳng trình gian lao say đắm vươn lên điển hình loài người thúc Đẹp Thật Cái hiểu hạt biến đổi với thời gian Mới cách trăm năm, phân tử coi hạt nhỏ bé vật chất, phân tử lại nhiều nguyên tử gắn bó với qua trao đổi điện tử electron chúng mà thành Sau nguyên tử hạt nhân electron dao động chung quanh tạo lập, đến hạt nhân chẳng qua phức hợp thành phần nhỏ proton neutron, cuối proton neutron tạo hai hạt gọi quark u, d (viết tắt up, down), hai quark tương tác với qua trao đổi keo (gluon) mà làm nên proton hay neutron Ðịnh luật tương tác mạnh quark để gắn kết chúng proton neutron mang tên sắc động lực học lượng tử vay mượn chữ điện động lực học lượng tử, diễn tả tuơng tác điện từ giới vi mô electron Điện động lực học lượng tử tảng cho phát triển kỳ diệu công kỹ nghệ thông-truyền tin đại với vi điện tử, quang điện tử, spin-điện tử Hai danh từ sắc điện để định hai tính chất lượng tử riêng biệt, ba sắc tích (color charge) quark điện tích −e electron Tên quark nhà vật lý giải Nobel 1969 Murray Gell-Mann - túng danh từ thông dụng - mượn câu bí ẩn ‘Ba quark cho Muster Mark’ nhà văn James Joyce để đặt tên cho ba thành phần vật chất, hạt mà GellMann tiên đoán với dụng cụ toán học nhóm đối xứng SU(3), số quark gợi cho Gell-Mann chữ quark Trong sắc động lực có gluon mang sắc tích trao đổi quark, điện động lực có photon trao đổi electron Tóm lại hạt vật chất bất động hay sinh động quark lepton, bốn không nhiều[13], hai quark u, d hai lepton electron, neutrino Ngoài sắc tích, hai quark u, d mang điện tích +(⅔)e cho u –(⅓)e cho d, electron mang điện tích –e, neutrino trung hòa, hai lepton electron neutrino photon sắc tích Là hạt kỳ lạ bốn hạt, neutrino tương tác nhỏ yếu với vật chất nên bay vũ trụ với vận tốc ánh sáng c vượt chân không, chúng xuyên suốt trái đất gần chẳng để lại dấu ấn Thực sứ giả độc đáo nối cầu giới vĩ mô vô lớn rộng thiên hà vũ trụ với giới vi mô muôn vàn nhỏ bé hạ tầng nguyên tử Neutrino nhẹ bốn hạt (khoảng phần tỷ khối lượng electron) nhiều trời đất, giây đồng hồ diện tích cm² da có chừng sáu mươi tỷ hạt neutrino từ mặt trời bay tới, không kể từ muôn vàn khác! Nếu hạt photon mà chạm tới chúng ta, hẳn người sinh tồn trạng thái hữu May thay neutrino hạt có tương tác yếu với quark u, d electron, vật thể khác ba (trong bốn) hạt quark u, d electron tạo thành Vật chất nguyên tử tạo thành, nhân lõi nguyên tử quark gắn bó lực mạnh mà ra, chúng trao đổi gluon với Với lực điện từ, electron trao đổi photon với với proton để hợp thành nguyên tử, phân tử vật liệu nói chung Lực thứ ba tự nhiên lực yếu (chi phối phóng xạ nhân lõi nguyên tử vận hành neutrino) tác động W Z Hai tương tác mạnh yếu vận hành giới vi mô.Thành phần vạn vật fermion mang spin ћ/2 gồm có quark lepton tựa viên gạch lâu đài vật chất, boson spin 1ћ (photon, gluon, W, Z) tựa hồ vữa để gắn viên gạch Boson làm trung gian mang thông điệp cho fermion tương tác với qua trao đổi photon (lực điện từ), gluon (lực mạnh), W Z (lực yếu) Ba lực lượng tử diễn tả vô chừng thoả đáng Mô hình Chuẩn (Standard Model), lý thuyết quán vượt qua tất thử thách thực nghiệm cách vẻ vang, tiên đoán suy từ Mô hình Chuẩn phù hợp xác đến ngạc nhiên với kết thực nghiệm, mang hai chục giải Nobel cho ngành vật lý hạt khoảng 30 năm gần đây, không kể năm 2008 Còn lại lực thứ tư kéo giữ mặt đất, trọng lực Các định luật trọng lực - diễn tả thuyết tương đối rộng- lượng tử không tương thích với điều kiện cực độ hai giới vi mô vĩ mô cận kề trung tâm sâu thẳm lỗ đen, trạng thái vũ trụ kỷ nguyên Planck (giây phút ban đầu Big bang với nhiệt độ kinh hoàng, không gian cực nhỏ, lượng cực lớn), máy gia tốc lượng cao Ở điều kiện cực hạn ấy, không-thời gian cong uốn trơn tru thuyết tương đối rộng lại xung đột sâu sắc với sôi động, thăng giáng lượng tử, phương trình hai thuyết kết hợp cho đáp số vô hạn, phi lý Mô hình Chuẩn giải đáp mâu thuẫn thuyết Siêu dây (Superstring) hay thuyết Màng (M theory), nguyên tắc, nhằm dung hòa mô tả quán tất bốn tương tác hai giới cực lớn vũ trụ bao la cực nhỏ hạ nguyên tử, nhằm thống điều mối Đó vấn đề hắc búa số vật lý ngày Nhưng cần nhấn mạnh có tiến ngoạn mục, nhiều khía cạnh siêu dây xa sáng tỏ chưa/không có tiên đoán chứng nghiệm gián tiếp Edward Witten - chuyên gia hàng đầu thuyết siêu dây, nhà vật lý huy chương Fields toán, không ai, kể giải Nobel, có công trình trích dẫn nhiều ông - lần tuyên bố: thuyết siêu dây phận vật lý kỷ 21 tình cờ rơi xuống kỷ 20, ngụ ý có lẽ cần năm hoàn tất! Cơ sở toán học phức tạp, chuyên gia siêu dây phải tự mò mẫm sáng tạo, không Einstein sẵn có hình học cong Riemann làm để khám phá thuyết tương đối rộng 2c- Kích thước trung mô Thế giới vi mô vận hành theo định luật vật lý lượng tử, ảnh hưởng vượt xa giới hạ nguyên tử cõi vĩ mô lớn rộng (từ thiên hà tinh tú, mặt trời, đến sinh vật, thực vật, khoáng vật trái đất) tất tạo thành hạt Những định luật lượng tử chi phối điều hành “ngầm” đặc trưng vật chất thể khí, lỏng, đặc, kim loại, cách điện, bán dẫn, siêu dẫn Ngành vật lý liên quan đến đề tài mang tên gọi vật lý thống kêont>[14] mà nhiệt động học trường hợp điển hình giới trung mô hai thái cực vô nhỏ vô lớn Đặc biệt hạt có spin ћ/2 (fermion nói chung) quark, electron, neutrino phải tuân thủ ‘nguyên lý loại trừ’ Pauli theo hai hạt fermion đồng trạng thái Khi chúng chung điểm không gian chúng phải có vận tốc chiều quay spin khác nhau; vận tốc spin chúng phải quay ngược chiều không chung vị trí Không thể có hai fermion chiếm lĩnh trạng thái xác định lượng, spin, vận tốc, vị trí, sắc tích Đó hạt có cá tính biệt lập, phân phối trạng thái hạt fermion phải tuân theo phép thống kê Fermi-Dirac mà ‘nguyên lý loại trừ’ hệ Chính ‘nguyên lý loại trừ’ hạt mang spin ћ/2 giải thích với electron thể tích mà có vật liệu cách điện, dẫn điện, quark mang sắc tích hợp thành proton, neutron chúng với electron tạo nguyên tử, nguyên tử gần electron chúng lại tách biệt mà không kéo suy sập trạng thái đông đặc ‘súp’ thuở Big Bang ban đầu Trái ngược với fermion đơn độc, boson lại ưa thích song hành, dễ dàng kết hợp hòa đồng với boson khác nhiều tốt trạng thái, tập thể chúng tuân theo phép thống kê Bose-Einstein Cũng đặc tính hòa đồng tập thể boson mà ta có laser, có tượng siêu lỏng, siêu dẫn (một công nghệ kỷ 21), có chất đông đặc Bose-Einstein tân kỳ kết hợp hàng triệu nguyên tử trạng thái mà ứng dụng công nghệ nano thí dụ Hai tính chất trái ngược fermion boson đặc trưng lượng tử mà phương trình Dirac với phép phản giao hoán[15] ma trận γμ spinor giữ vai trò chủ yếu Mối liên hệ kể spin thống kê vài định lý sâu sắc vật lý nói chung mà Wolfgang Pauli - người tiên đoán hạt ‘ma‘ neutrino, tên hạt lại Enrico Fermi đặt - chứng minh năm 1940 Ngày nhìn lại, ta chẳng khỏi sững sờ nhận thấy khoảng thời gian tương đối ngắn, mười năm Âu châu trước thời phát xít, xuất đại thụ đặt tảng cho thuyết Lượng tử đại mà dấu ấn ngày in đậm! 3- Lược thuật thuyết Tương đối Sau vòng dạo chơi giới vi mô Lượng tử, mời bạn đọc quay bước sang thăm miền đất mênh mang Tương đối, hai hải đăng giới vi mô vĩ mô hội tụ phương trình Dirac nhiều 3a- Tương đối đặc biệt (hẹp) Ai máy bay cửa sổ đóng kín không gặp bão lay động mà cảm thấy di chuyển với vận tốc khoảng ngàn số ? Khoảng bốn trăm năm trước đây, Galilei đưa thí dụ tương tự, mở đầu cho nguyên lý tương đối mang tên ông: hầm kín mít không giao tiếp với giới bên tàu thủy di chuyển đặn với vận tốc v cố định, ta quan sát bướm bay khắp phía giọt nước tí tách rơi Nay để tàu đứng yên, ta thấy bướm bay nước rơi hệt trước, chẳng có thay đổi Rồi tàu lại di chuyển đặn, với vận tốc chiều hướng khác, bướm bay nước rơi tàu dừng bến Nói cách khác: định luật miêu tả tượng thiên nhiên (bướm bay, nước rơi) không chút thay đổi tàu di chuyển đặn (bất kỳ vận tốc chiều hướng nào) kể tàu dừng bến (v = 0) Tĩnh hay động chuyện tương đối mà Galilei tóm tắt câu ’di chuyển đặn không’.Trong hai hệ quy chiếu, bên bến đứng yên (tọa độ x,y,z,t), bên tàu di động (tọa độ x’, y’, z’, t’), định luật miêu tả thiên nhiên giống hệt nhau, hay f(x,y,z,t) = f(x’,y’,z’,t’) hàm số f tượng trưng cho định luật vật lý Khi nguyên lý áp dụng cho điện-từ để diễn tả vận tốc ánh sáng c không thay đổi tất hệ quy chiếu di chuyển đặn f(x,y,z,t) ≡ (x² + y² + z²) – (ct)² Các tọa độ (x,y,z,t) (x’, y’, z’, t’) hai hệ quy chiếu phải liên hệ đại lượng s² ≡ (x² + y² + z²) – (ct)² = (x’² +y’² +z’²) - (ct’)² không thay đổi Sự bất biến s² diễn tả tượng vật lý theo vận tốc ánh sáng đo lường hai hệ quy chiếu c ~ 300000 km/s Hiện tượng Michelson Morley phát năm 1887, trái ngược với trực giác định kiến người trước năm thần kỳ 1905 họ tưởng (nhầm) vận tốc ánh sáng đo bến c vận tốc ánh sáng đo tàu phải c ± v (tùy theo ánh sáng chạy song song chiều hay ngược chiều với tàu) Cũng vậy, người tàu đo vận tốc ánh sáng thấy vận tốc phải khác với vận tốc ánh sáng truyền bến, khác biệt cho ta v mà Michelson Morley không đo lường thấy Với thời gian phổ quát Newton (t = t’) s² không bất biến làm đau đầu bao nhà khoa học Điểm then chốt thuyết tương đối hẹp vị Lorentz, Poincaré, Einstein người cách phát kiến hệ số ρ = ⁄ √(1− v² ⁄c²) ≥ chìa khoá mở đường vô quan trọng cho học tương đối tính[16] Nhưng tuyệt vời hai kho tàng mà Einstein tặng cho nhân loại, trước hết lượng khối lượng hai mà qua phương trình E = ρmc² kỷ, liên kết lượng E khổng lồ với khối lượng m nhỏ bé[17] Thông điệp thứ hai, sâu sắc kỳ lạ, chẳng có thời gian tuyệt đối phổ quát không gian biệt lập với thời gian Có muôn ức thời gian (t’ t khác hai định thời gian hai hệ quy chiếu) với nhịp độ nhanh chậm không đồng đều, khoảng cách thời gian hệ quy chiếu tùy thuộc vào vận tốc chuyển động hệ Mỗi thời-điểm phải gắn quyện với khôngđiểm thực bốn chiều gọi giới Minkowski để diễn tả kiện, ‘lúc nào’ phải với ‘ở đâu’ Khoảng cách thời gian bạn khác tôi, điểm không gian lại gắn liền đồng hồ đo thời gian với nhịp điệu tích tắc khác Sở dĩ bạn tưởng chia sẻ thời gian phổ quát, cộng nghiệp người không gian nhỏ bé so với vũ trụ, bạn đâu có xa gì, vận tốc tương đối thấm so với vận tốc ánh sáng (v²⁄c² « 1, ρ ≈ 1) Hơn mũi tên thời gian lạnh lùng trôi trực giác mà học cổ điển Newton thừa nhận, khái niệm tại, chẳng thể xác định giữ vai trò ưu tiên đặc thù hết Đã nói chi đến khứ tương lai, nội dung triết học kinh ngạc thuyết tương đối hẹp rộng nhận thức thời gian, mũi tên trôi chiều từ khứ đến tương lai mà bốn thành phần thực mang tên gọi không-thời gian chẳng cứng nhắc mà đàn hồi Diễn tả hàm súc nhận thức có lẽ nằm thư Einstein gửi cho trai Besso[18] nghe tin bạn Bức thư viết: ‘’Vậy bạn trước chút giã từ gian Điều chẳng nghĩa lý Đối với chúng ta, nhà vật lý mang xác tín, chia cách khứ, tương lai có giá trị ảo tưởng, dai dẳng đến nào’’ 3b- Tương đối tổng quát (rộng) Một ngày tháng Mười Một năm 1907 ngồi Phòng Đăng ký Bằng Sáng chế thành phố Bern, Einstein nẩy ý tưởng mà ông coi mãn nguyện đời: người rớt từ cao xuống không cảm thấy sức nặng Ngày phi hành gia lơ lửng hỏa tiễn thám hiểm vũ trụ hình ảnh quen thuộc tượng vô trọng lực Bất kỳ điểm thang máy đứt dây rơi tự coi hệ qui chiếu quán tính trọng lực bị xóa đi, phản ánh ý tuởng sung suớng đời Einstein Thêm bước nữa, ông mường tượng nơi xa lánh tất thiên hà tinh tú, không gian vắng mặt trọng trường Trong không gian vô trọng lực ấy, có hòm mà ta đẩy mạnh lên cao với gia tốc đó, ta thấy vật hòm bị đẩy rơi ngược chiều xuống thấp với gia tốc, giống bị hút xuống trọng lực, điều quen thuộc xe ta nhấn mạnh phanh, người bị kéo phía trước Vậy vận chuyển có gia tốc khác tác động trọng trường, có mối liên hệ mật thiết gia tốc sức hút trọng lực Những tác dụng trọng trường thực bị xóa bỏ hệ qui chiếu rơi tự (gia tốc ≠ 0), ta khảo sát vận chuyển có gia tốc, trọng trường ảo tạo Câu ‘’di chuyển đặn không’’ Galilei, qua ý tưởng sung sướng đời Einstein, biến thành ’’di chuyển không đặn chẳng khác tác động trọng lực’’đã mở đầu kỷ nguyên cho vật lý, nới rộng thuyết tương đối hẹp sang thuyết tương đối rộng để thay thuyết vạn vật hấp dẫn Newton, định luật cổ điển truờng hợp xấp xỉ gần thuyết tương đối rộng vô xác Hơn thêm nguyên nhân thúc đẩy Einstein mở rộng thuyết tương đối hẹp ông nhận có mâu thuẫn thuyết (vận tốc tín hiệu có hạn, kể ánh sáng) luật cổ điển vạn vật hấp dẫn (trọng lực truyền với vận tốc vô hạn để vạn vật hút tức thì) Vậy cách sửa đổi luật hấp dẫn Newton cho hòa đồng với thuyết tương đối hẹp, mâu thuẫn nói tự động giải đáp Lý thuyết tương đối rộng, hay định luật vạn vật hấp dẫn Einstein tóm tắt câu: Không-Thời gian chẳng cứng nhắc mà đàn hồi, hình học Minkowski bốn chiều phẳng lặng thuyết tương đối hẹp bị biến dạng thành cong uốn năng-khối lượng vật chất Sự phân phối lượng tạo cấu trúc cong không-thời gian để vạn vật di chuyển biểu trọng trường sức hút chúng Dưới ánh đèn huyền ảo thuyết tương đối rộng, tượng vạn vật hấp dẫn ‘cơ bắp’ Newton tỏa cảnh tượng cong uốn không gian để vạn vật rơi tìm nhau! Thuyết tương đối rộng tóm tắt sau: khối lượng áp đặt không-thời gian phải cong đi, không-thời gian chi phối bắt khối lượng phải chuyển động Sự vận hành vật chất (ánh sáng vật chất) trọng trường không lực bắp hết mà thực di chuyển lại ‘trây lười nhất’ theo đường trắc địa không-thời gian bị cong hữu phân phối vật chất Đáp lại, vật chất lượng luôn biến chuyển chúng tác động tới độ cong không-thời gian, tiếp diễn liên hồi vũ điệu học hình học Thuyết tương đối rộng kiểm chứng vô xác thực nghiệm từ năm 1919 (ánh sáng bị uốn cong mặt trời, với tượng tuế sai quỹ đạo hành tinh Thủy quay chậm 43’’ kỷ), chứng nghiệm thuyết Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) trang bị phương tiện vận tải điện thoại di động Trên vệ tinh GPS, thuyết tương đối rộng (hay hẹp) bảo cho ta đồng hồ tích tắc nhanh (hay chậm) so với mặt đất, mà xác khoảng phần ngàn tỷ giây đồng hồ điều kiện tối quan trọng cho GPS thành công Mời bạn coi thư Einstein gửi ngày mồng tháng giêng năm 1916 cho Karl Schwarzschild, nhà vật lý thiên văn Đức giải xác phương trình thuyết tương đối rộng mà Einstein công bố tháng trước: “cái đặc điểm lý thuyết không gian thời gian tự chúng chẳng có tính chất vật lý Nói đùa thôi, giả thử vạn vật đời biến mất, theo Newton ta không gian rỗng tuếch phẳng lặng mênh mang mũi tên thời gian lặng lẽ trôi, theo chẳng chi hết, không gian lẫn thời gian vật chất!” Không-thời gian chẳng sân khấu bàng quan vật chất vận hành cách độc lập, diễn viên (vật chất) sân khấu (khôngthời gian) chẳng Thực cách mạng tư mà Einstein mang đến cho nhân loại: vật chất có da thịt tâm tư người xây dựng vũ trụ Vật chất không-thời gian hai khía cạnh thể nhất, sinh kia, chẳng có Thông điệp vật lý gói ghém phương trình Einstein Rμν – (½)Rgμν= (8πG/c4)Tμν, vế trái tensơ Ricci mô tả hình học không-thời gian bốn chiều vận hành vạn vật, vế phải tensơ năng-xung lượng vật chất xây dựng nên cấu trúc cong uốn không-thời gian Nhà vật lý Nhật Yoichiro Nambu qua tranh nửa trào lộng nửa trầm tư minh họa vế trái phương trình cổng Rashomon xa xưa thoáng không gian trang nghiêm thoát bên bờ suối, vế phải bên cầu vương vấn cảnh trần khói than nhà máy phản ánh vật chất nặng nề! 3c- Vũ trụ Einstein người trước tiên nhận toàn chẳng tách biệt vật chất-lực (cái nội dung) không-thời gian (cái vỏ chứa) Tất mà ông gọi vũ trụ khoa học nghiên cứu toàn mang tên vũ trụ học mà nguyên tắc - ông xây dựng công trình đời tháng Hai năm 1917vẫn tiếp tục làm tảng rọi sáng cho đến ngày nay, thay đổi nhiều chi tiết mô hình ban đầu Trước hết ông nhận thấy phương trình thuyết tương đối rộng nghiệm số tương ứng với vũ trụ vĩnh cửu bất biến với thời gian mà định kiến ngàn xưa tin vậy, với người cấp tiến Einstein! Ông đành thêm vào vế trái phương trình số hạng Λ gμν (ông gọi Λ > số vũ trụ chẳng có hệ cục quy mô lớn hay nhỏ) để có nghiệm số diễn tả vũ trụ ấm êm tĩnh lặng, cong không gian lại phẳng (không thay đổi) với thời gian Nhưng vài năm sau đó, nhà thiên văn vật lý W de Sitter (Hà Lan), A Friedmann (Nga) G Lemaître (Bỉ) xem xét toàn diện mười thành phần phương trình Einstein chứng minh vũ trụ cong không gian mà cong với thời gian, vũ trụ giãn nở co nén không tĩnh Hỗ trợ định cho phần lý thuyết xẩy năm 1929 nhà thiên văn Mỹ E Hubble đo lường quang phổ ánh sáng thiên hà phát chúng đồng loạt có tần số sóng bị giảm so với quang phổ đo trái đất Tương tự hiệu ứng Doppler âm thanh, theo tiếng sáo phát tàu chạy xa bến người đứng yên bến nghe sáo trầm hơn, ngược lại tàu tiến gần vào bến, tiếng sáo nghe bổng hơn[19] Vì quan sát thấy tần số ánh sáng giảm, Hubble suy khoảng cách từ tới thiên hà tỷ lệ thuận với tốc độ chúng, xa vận tốc lớn Như vũ trụ không tĩnh lặng mà giãn nở bóng ta bơm vào, thực chẳng chối cãi Sự kiện thiên văn quan trọng hàng đầu ngày xác định vững vàng nhiều đo lường khác, số Λ (mà Einstein đưa tiên đề để giữ tĩnh lặng cho vũ trụ) chẳng cần thiết khiến ông coi sai lầm lớn đời Nhưng làm vũ trụ dãn nở? Ngày nhiều nhà thiên văn vật lý cho số Λ Ai ngờ sai lầm nửa kỷ trước lại trở nên thành viên chủ yếu chiếm ngự đến 74 % lượng hoàn vũ tên lượng tối để làm dãn nở vũ trụ, lượng tối đầy bí ẩn chưa biết nhiên vật chất tạo thành mà lại mang đặc tính lượng chân không[20] Việc tiên đoán dãn nở vũ trụ thực kỳ công thuyết tương đối rộng 4- Cơ cấu vạn vật hình thành hạt Higgs 4a- Mô hình Chuẩn Ba tương tác ‘phi hấp dẫn’ mang tên Sắc động lực (QCD) Điện yếu (Electroweak) Mô hình Chuẩn vật lý hạt phác họa phần 2b thành tựu tuyệt vời giao hưởng hai thuyết Lượng tử Tương đối hẹp Thuyết điện yếu thống hai lực trông khác biệt, lực điện từ quen thuộc đời sống hàng ngày lực yếu (chi phối vận hành neutrino, phân rã phóng xạ hạt nhân) Thuật ngữ yếu tưởng yếu mềm tác động, thực chủ chốt điều hành phản ứng nhiệt hạch thiên thể, mang ánh sáng cho bầu trời ban đêm Abdus Salam, người Pakistan, với hai người Mỹ Sheldon Glashow Steven Weinberg phát hai định luật điện-từ yếu có cường độ tương tác khác biệt thực chúng có nhiều đặc tính chung hòa hợp tương tác mà Salam đặt tên điện yếu Thuyết mang cho đồng tác giả Glashow, Salam, Weinberg giải Nobel năm 1979 Sở dĩ có khác biệt hai cường độ khối lượng hạt photon (tượng trưng cho điện-từ, xin nhớ electron trao đổi photon) mà khối lượng hai hạt W, Z (tượng trưng cho phân rã yếu, xin nhớ neutrino trao đổi W, Z) lại lớn Thuyết điện yếu tiên đoán khối lượng đặc tính hai hạt W, Z sau thực nghiệm kiểm chứng với độ xác tuyệt vời Sự thống hai tượng điện-từ yếu quy luật bước ngoặt vật lý cuối kỷ 20, tầm quan trọng ví Maxwell cuối kỷ 19 tổng hợp ba tượng điện, từ quang mà công nghệ đại thông-truyền tin khai thác vô mầu nhiệm Sự thống thực nhờ chế gọi Phá vỡ Tự phát tính Đối xứng (Spontaneous Breaking of Symmetry, SBS) mà người tiên phong mở đường Yoichiro Nambu, giải Nobel 2008 Peter Higgs dùng ý niệm SBS để tìm kịch mang khối lượng cho W, Z quark, lepton Chúng ta tìm hiểu SBS thuyết điện yếu qua bước chuyển tiếp sau 4b-Đối xứng Trong tiến trình khám phá định luật khoa học, phạm vi hạt bản, nhiều nhà vật lý lấy nguồn cảm hứng đẹp cân đối hài hoà thiên nhiên để quan sát, tìm tòi, suy luận, sáng tạo Cái đẹp dĩ nhiên chủ quan nghệ thuật, văn chương, hội họa, âm nhạc, khoa học khách quan, định lượng mang tên gọi đối xứng Sự tìm kiếm đối xứng vi phạm nó, xác định bất biến vật lý (dùng công cụ nhóm đối xứng toán học) phương pháp đường phổ biến hữu hiệu công khám phá[22] Đối xứng gương thí dụ Bạn hình dung đối xứng sau: tay phải (hay trái) ta có hình gương hệt tay trái (hay phải), ta gọi phía phải hay phía trái ước lệ người Không có cho ta phân biệt tượng gương hình chiếu tượng gương, hoán chuyển không gian x ↔ – x hay đối xứng gương P (Parity) không làm chúng thay đổi, chúng bất biến Một sáng nắng ấm mùa thu ngả đông với đỏ vàng Hà Nội thời xưa, tháp rùa mái cong cổ kính soi hình xuống nước vắt pha lê hồ gươm phẳng lặng, tháp bóng hồ biểu đối xứng gương toàn vẹn Hai nhà vật lý Trung Quốc Mỹ T D Lee C N.Yang (giải Nobel 1957) khám phá lực hạt nhân yếu vi phạm tối đa đối xứng gương P này, spin đóng vai trò quan trọng để giúp ta nhận vi phạm đối xứng Spin electron, neutrino hoàn toàn quay phía trái mà không quay phía phải Nếu gian tất cân xứng hoàn hảo dễ xảy phải có Louis Pasteur nói: ‘Bất đối xứng sống!’ ông nhận thấy có biệt hóa phải trái chất lên men Vậy kiếm tìm chế phá vỡ đối xứng có lẽ chẳng phần hào hứng Một thí dụ khác đối xứng vật chất-phản vật chất hay đối xứng CP, theo định luật vận hành vật phản vật phải giống hệt Chữ C CP định điện tích (charge) hay sắc tích (và tất lượng tử tính khác spin), hoán chuyển vật chất-phản vật chất thay đổi dấu chúng Trong bốn tương tác ba lực hấp dẫn, điện từ hạt nhân mạnh tuân thủ phép đối xứng P CP, lực hạt nhân yếu vi phạm chúng, tối đa với đối xứng P, đôi chút với đối xứng CP, tương tác yếu hạt phản hạt khác mực độ vừa phải Một đối xứng khác thuộc giới lượng tử siêu đối xứng (supersymmetry), hoán chuyển fermion ↔ boson, hệ thuyết Siêu dây đề cập đoạn 2b Đề tài phá vỡ siêu đối xứng thú vị thời thượng Nhưng có đối xứng ngự trị tuyệt đối, không bị vi phạm sắc động lực điện từ, đối xứng đặc trưng vật lý lượng tử, mang tên đối xứng chuẩn (gauge symmetry) Chính đối xứng mở chân trời lạ gốc nguồn cho thành công kỳ diệu Mô hình Chuẩn Ai làm quen với học lượng tử biết bình phương hàm số sóng |Ψ(x)|2 cho ta xác suất xảy đại lượng Ta thấy hoán chuyển chuẩn Ψ(x) ↔ Ψ(x) Exp[iα(x)] với hàm thực α(x) không làm thay đổi |Ψ(x)|2, không làm thay đổi định luật Mô hình Chuẩn, đại lượng vật lý phải bất biến với hoán chuyển chuẩn Chính mà đối xứng chuẩn chi phối toàn diện vận hành tương tác mạnh điện-yếu Cụ thể ta mường tượng đối xứng sau: điện trái đất triệu volt chẳng hạn hai cực điện nhà 1000000 volt 1000220 volt, máy chạy với 220 volt không trục trặc hàng triệu volt điện đất Cái quan trọng hiệu số điện thân điện không-thời điểm x Cũng α(x) hàm gì, có muôn ngàn điện khác nơi hoàn vũ, định luật chi phối vận hành chúng phải điều hòa ta trường điện từ Máy mang lên thiên thể xa xăm không bị chi phối điện tuỳ tiện lớn hay nhỏ đó, điện tích –e electron máy bất biến, hay đó, lực điện từ chi phối máy lực điện từ thiên thể Đó ý nghĩa vật lý đối xứng chuẩn Phương trình Maxwell tương tác điện-từ tuân thủ phép đối xứng chuẩn[23], đối xứng trở thành nguyên lý chủ trì cho phát triển kỳ diệu điện động học lượng tử, tính toán lý thuyết đưa nhiều tiên đoán thực nghiệm kiểm định tới độ xác cao phần tỷ (momen từ electron thí dụ) Đặc điểm đối xứng chuẩn đòi hỏi boson - làm trung gian sứ giả cho fermion tương tác với qua trao đổi boson - phải khối lượng Photon điện động học lượng tử gluon sắc động lực học lượng tử thí dụ boson khối lượng Ta gọi chúng boson chuẩn (gauge bosons) Ngay phác họa lý thuyết để diễn tả lực yếu khoảng năm đầu 1950, nhiều nhà vật lý có Fermi, Feynman, Gell-Mann, Yang, Lee, Glashow tinh ý nhận hai tương tác điện từ yếu có nhiều cấu trúc tính chất đồng nhất, chuyện đương nhiên ta sử dụng phương pháp hiệu lực đối xứng chuẩn điện từ để khám phá định luật vận hành lực yếu Nhưng khốn thay, trở ngại boson chuẩn W (làm sứ giả cho tương tác này) lại có khối lượng lớn chẳng photon điện từ Tại vậy? Vì lực yếu tác động hạt nhân nguyên tử kích thước vi mô, lực điện từ trải rộng khắp hoàn vũ, mà tầm truyền R lực lại tỷ lệ nghịch với khối lượng M boson làm trung gian cho lực truyền đi, hệ nguyên lý bất định Heisenberg theo RM ~ h Biết tầm truyền R lực yếu, ta suy boson W phải có khoảng hai trăm ngàn lần khối lượng electron, tương tác yếu đối xứng chuẩn chăng? Ôi thất vọng phương pháp hiệu lực đối xứng chuẩn - nguyên nhân cho thành công tuyệt vời lý thuyết điện từ - xem chẳng áp dụng cho tương tác yếu Nhưng chuyện ‘thần kỳ’ xẩy để làm cho lực yếu mang đối xứng chuẩn điện từ, đối xứng bị che khuất mà Câu chuyện khởi đầu từ tượng siêu dẫn điện từ ngành vật lý chất rắn kích thước trung mô xa lạ với hạt tung hoành giới vi mô Trong vật lý, nhiều môn khác, có số nhỏ nhà khoa học kiến thức xuyên ngành uyên thâm, nhìn rộng chuyên môn mình, tìm hiểu phổ quát để mang lại cho ngành luồng gió Nhà vật lý Nhật Yoichiro Nambu đại học Chicago số Chuyên gia hạt sơ đẳng ông lưu tâm có nhìn bao quát vật lý siêu dẫn khác lạ với hạt, ông nhận thấy có liên kết hai ngành - cấu trúc toán học giống vật lý lại khác biệt - tìm thấy đối xứng thực không bị phá vỡ mà bị che giấu tác động Nhưng Peter Higgs nhà nghiên cứu ‘bình thường’ xứ Scotland làm việc đại học ‘nhỏ’ Newcastle upon Tyne tìm kịch quán để áp dụng ý tưởng Nambu cho đối xứng chuẩn, mở đường cho Glashow, Salam, Weinberg kết cấu lực điện từ với lực yếu 4c-Siêu dẫn điện từ Hiện tượng siêu dẫn vật liệu nhiệt độ thấp đặc trưng vật lý lượng tử, dòng điện truyền qua dây siêu dẫn tồn hàng tỷ năm lý thuyết, ước lượng khoảng vài trăm ngàn năm đo lường, điện trở Một điện trường nhỏ đến đâu khó xâm nhập vào chất siêu dẫn bị triệt tiêu dòng điện ‘lý tưởng’ nội siêu dẫn Không điện mà từ trường Một thỏi nam châm để gần vật liệu siêu dẫn bị bật xa, thông lượng từ trường bị trục xuất phần vật siêu dẫn, hiệu ứng Meissner[24] Chính hiệu ứng nguồn cho xe lửa tương lai ‘nâng‘ lên đường rầy, không bị lực ma sát nên xe lửa có vận tốc cao Vật liệu siêu dẫn ngăn chặn tầm truyền trường điện từ, hệ thống photon tác động khoảng cách ngắn, khác với chất tự sóng điện từ truyền vô hạn Vậy photon, boson chuẩn, chuyển động vật liệu siêu dẫn bị cản trở tường chắn tác động giống có khối lượng khác Bức tường chắn lý thuyết siêu dẫn John Bardeen, Leon N Cooper John R Schrieffer (BCS), giải Nobel 1972, thể ngưng tụ muôn ngàn cặp Cooper, cặp liên kết hai electron có spin up↑ spin down↓ đối nghịch mang spin Mỗi cặp Cooper mang điện tích –2e có spin nên theo thống kê Bose-Einstein cặp hoà đồng chung sống trạng thái đông tụ Mỗi electron cô đơn có cá tính mạnh mẽ, hoàn cảnh đặc biệt (nhiệt độ thấp) kết bạn, cặp mảnh mai tụ họp đông đảo lại vận hành dòng chảy khiết muôn ngàn điện tích trở nên siêu dẫn (phụ 1) Cái đối xứng chuẩn điện từ thực không bị phá vỡ, bị che khuất cặp Cooper Đông tụ Bose nguyên tử Helium coi boson, cặp Cooper, nguồn tượng siêu lỏng, luồng thể lỏng bơi ngược thành ống nhỏ li ti Vật liệu sắt từ (ferromagnetic) thí dụ thứ ba hàng tỷ electron có spin hướng phía nhiệt độ giảm Vật liệu sắt từ đối xứng tuyệt đối, định luật sắt từ hoàn toàn đối xứng phân phối spin, chiều spin giữ ưu Trong ngôn từ giới chuyên ngành, phương trình mang phép đối xứng mà nghiệm số phương trình lại đối xứng nguyên thủy, ta gọi phá vỡ tự phát tính đối xứng (Spontaneous Breaking of Symmetry, SBS), nghĩa tính đối xứng hệ thống bị phá vỡ cách tự phát Đối xứng không bị vi phạm toàn thể, bị che khuất điểm cục trạng thái (năng lượng cực tiểu) vật chất Siêu dẫn điện từ, Siêu lỏng Sắt từ ba thí dụ SBS 4d-Thuyết Điện yếu Tính chất SBS nguồn cho phép thống hai lực điện từ yếu, chúng tưởng khác biệt mà thực tuân thủ phép đối xứng chuẩn Xin nhắc lại, để thống lực yếu với lực điện từ, ta sử dụng đối xứng chuẩn Vậy ban đầu photon điện từ, boson chuẩn W, sứ giả lực yếu, khối lượng Sau ta cần trường boson lạ (trường Higgs) để ngăn chắn tác động lực yếu mang khối lượng cho W Trường Higgs tựa ngưng tụ cặp Cooper điện từ Cặp Cooper có spin liên kết hai electron siêu dẫn điện từ thay lực yếu hạt Higgs có spin Trường Higgs tràn ngập chân không lượng tử, chân không trạng thái vũ trụ thuở Nổ Lớn (Big Bang) có lượng cực tiểu vô hạn Không mang khối lượng cho hạt W, hạt Higgs mang khối lượng cho tất hạt khác quark, lepton Chính chế SBS phổ biến chi phối nhiều ngành vật lý Nambu, suy ngẫm thuyết siêu dẫn nói trên, đề xướng Higgs áp dụng thành công vật lý hạt hai lực điện từ yếu hợp Giải Nobel 2008 tặng thưởng Nambu đề xuất chế SBS 4e- Sáu Quark vi phạm đối xứng CP Như đề cập phần 4b, lực hạt nhân yếu vi phạm đối xứng vật chất-phản vật chất (đối xứng CP), ngạc nhiên lớn ba lực khác (hấp dẫn, điện từ mạnh) tuyệt đối tuân thủ phép đối xứng Tương tác yếu hạt phản hạt khác J Cronin V Fitch hai cộng viên khám phá năm 1964 vi phạm CP, hai vị nhận giải Nobel 1980 Những năm đầu 1970, bối cảnh vật lý hạt thời với Mô hình Chuẩn buổi sơ khai, hai nhà vật lý trẻ Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa (KM) tiền phong tìm hiểu chế cho phép vi phạm Hai ông, hoàn toàn suy luận tính toán, sau nhiều vật lộn với toán học ‘ứng dụng’, chứng minh năm 1973 phải có sáu quark (đúng phải có ba ‘họ‘, họ có hai quark)[25] vi phạm đối xứng CP Vào thời buổi quark giả thiết, đề tài tế nhị, nhiều người bác kể đại thụ, chấp nhận giả thiết quark lúc người ta biết có ba quark thôi: up, down strange quark! Thực nghiệm liên tiếp chứng tỏ sau xác chế vi phạm CP mà KM đề xướng Năm 1974 quark duyên (charm) bắt đầu lộ diện, năm 1977 với quark đáy (bottom) 1994 với quark đỉnh (top) Khám phá Kobayashi Maskawa góp phần quan trọng cho hình thành Mô hình Chuẩn hạt bản, diễn tả xác vi phạm đối xứng CP thực nghiệm liên quan đến meson K mang quark kỳ (strange) meson B mang quark đáy Kỳ diệu thay duyên không cân đối giới lượng tử tiên đoán Kobayashi Maskawa mà giải Nobel 2008 vinh tặng Viễn cảnh Ngày mồng 10 tháng vừa qua, kiện khoa học nóng hổi quan trọng hàng đầu vừa xẩy Trung tâm Âu châu Nghiên cứu Hạt nhân (CERN) biên giới Pháp-Thụy sĩ cạnh thành phố Genève, kiện mà nhà vật lý thiên văn toàn cầu hồi hộp đợi chờ từ mười năm qua Hôm bắt đầu khởi động máy gia tốc hạt LHC (Large Hadron Collider) nằm sâu trăm thước lòng đất với chu vi 27 số Khắp năm châu có máy có lượng lớn làm đầu tầu giới để khám phá, đào sâu tìm hiểu, nhằm thống định luật tận vạn vật Nền tảng mô hình chuẩn dựa hữu thiết yếu hạt Higgs vô hướng, tràn ngập không gian để cung cấp khối lượng cho tất hạt khác tương tác với Tựa đại dương vô hạn tràn đầy (hạt Higgs), hạt khác dao động bị cản trở di chuyển chậm mang theo khối lượng, giống ánh sáng truyền nước bị bẻ cong Khám phá ưu tiên LHC việc săn tìm hạt Higgs này, hạt tạo khối lượng cho vạn vật, đề tài mũi nhọn, chìa khóa mở đường cho thống hoà quyện hai trụ cột vật lý đại: Lượng tử với Tương đối (hẹp rộng) Thực xin nhắc lại khối lượng nguyên khởi đầu cho xuất không gian thời gian, vật chất, vũ trụ Không có khối lượng tức lượng - thuyết tương đối hẹp, qua phương trình E = mc²1⁄√(1− v² ⁄c²) kỷ, chẳng bảo cho ta lượng khối lượng hai mà ? - chẳng có hết, kể không gian thời gian vận hành vạn vật Theo thuyết tương đối rộng phác hoạ chương 3b, toàn Không gian, Thời gian, Lực, Vật chất chẳng tách biệt, cặp không-thời gian (cái vỏ) cặp lực-vật chất (cái chứa) chồng chéo gắn kết bên nhau, cấu trúc không phẳng mà cong uốn khôngthời gian (cái vỏ) xây dựng nội dung vật chất chứa đựng vỏ Năng lượng gốc nguồn chung cho tất cả, từ vật chất, lực, không gian, thời gian tạo dựng nên Ngoài săn tìm hạt Higgs ra, bao câu hỏi thâm sâu khác đợi chờ trả lời thực nghiệm LHC, xin tạm kể: (i) Đâu phản vật chất ? Tại Có mà Không?, câu hỏi siêu hình mà Leibniz tự đặt cho Chuyển sang vật lý câu hỏi trở thành sống giới hạt mà không phản hạt? Vì số lượng vật chất phản vật chất phải nhau, chẳng nhiều thuở ban đầu hoàn vũ Từ lượng khiết, chúng hình thành theo cặp Mà vật chất nguyên tử, khí thiên thể giăng đầy vũ trụ ngày nay, phản vật chất lại chẳng thấy tăm hơi, vũ trụ ngày lại có vật chất? Đó bí ẩn mô hình Big Bang ba lực (mạnh, điện từ hấp dẫn) bốn tương tác tuân theo luật đối xứng vật chất-phản vật chất (đối xứng CP), dị biệt chúng Chỉ tương tác yếu vi phạm phép đối xứng CP Nhưng vi phạm nhỏ phép đối xứng vật chất-phản vật chất phòng thí nghiệm trái đất có giải thích mặt định lượng vũ trụ ngày nay, vật chất lại áp đảo toàn diện phản vật chất, lại biến từ trứng nước thời Big Bang, chế bí ẩn đứng sau bất cân đối vật chất-phản vật chất thuở ban đầu ? Đó đề tài nghiên cứu ưu tiên LHC với săn tìm hạt Higgs (ii) Năng lượng tối (mang tính chất đẩy ra) để làm dãn nở vũ trụ, lượng tối đầy bí ẩn chưa biết nhiên vật chất tạo thành mà lại mang đặc tính lượng chân không chiếm đến chừng 73% năngxung lượng hoàn vũ Hằng số vũ trụ Einstein đề cập đoạn 3c đóng vai trò lượng tối này? (iii) Vật chất tối (mang tính chất hút vào) nắm đến 23% khối lượng vũ trụ, không xạ mà có vai trò giữ cho thiên hà góp thành chùm không tung bay khắp phía, khác lạ với vật chất bình thường (chỉ chiếm khoảng 4% khối lượng vũ trụ) thiên hà sáng ngời mà ta quan sát được, đề tài nóng hổi vũ trụ học vật lý hạt (iv) Không gian có ba chiều ? Siêu dây thuyết vật lý xác định số D = 10 chiều không-thời gian (hay 11 chiều thuyết M) Trước Siêu dây, số chiều không-thời gian ta quen dùng định đề tiên nghiệm ta tự cho ta, cảm nhận quan sát, minh họa không-thời gian phận chẳng thể tách rời khỏi vật chất mà thuyết tương đối rộng mở cho ta thấy Những không gian lại bị tròn nhỏ để ta không quan sát đời sống hàng ngày Máy gia tốc LHC gián tiếp tìm kiếm không gian ẩn này, qua gọi tượng ‘bất bảo toàn lượng ảo’, ta chẳng đo lường phần lượng bị thu hút vào không gian ngoại vi Cơ cấu đứng sau bất cân đối vật chất-phản vật chất thuở ban đầu hoàn vũ ? Nếu vật phản vật lúc Big Bang, chúng hủy diệt thành lượng khiết Chút thặng dư mười tỷ vật chất so với phản vật chất đủ để hình thành thiên thể, hành tinh cuối sống [...]... việc săn tìm hạt cơ bản Higgs này, hạt tạo ra khối lượng cho vạn vật, đề tài mũi nhọn, chìa khóa mở đường cho sự thống nhất hoà quyện giữa hai trụ cột của vật lý hiện đại: Lượng tử với Tương đối (hẹp và rộng) Thực vậy xin nhắc lại khối lượng là căn nguyên khởi đầu cho sự xuất hiện của không gian và thời gian, của vật chất, của vũ trụ Không có khối lượng tức là năng lượng - thuyết tương đối hẹp, qua phương... điện từ và yếu có thể hợp nhất được Giải Nobel 2008 tặng thưởng Nambu đã đề xuất cái cơ chế SBS này 4e- Sáu Quark và vi phạm đối xứng CP Như đề cập ở phần 4b, lực hạt nhân yếu vi phạm đối xứng vật chất-phản vật chất (đối xứng CP), một ngạc nhiên lớn vì ba lực cơ bản khác (hấp dẫn, điện từ và mạnh) đều tuyệt đối tuân thủ phép đối xứng này Tương tác yếu của hạt và của phản hạt khác nhau J Cronin và V Fitch... siêu đối xứng rất thú vị và thời thượng Nhưng có một đối xứng ngự trị tuyệt đối, không hề bị vi phạm trong sắc động lực và điện từ, một đối xứng đặc trưng của vật lý lượng tử, nó mang tên đối xứng chuẩn (gauge symmetry) Chính cái đối xứng này đã mở ra một chân trời mới lạ và là gốc nguồn cho sự thành công kỳ diệu của Mô hình Chuẩn Ai trong chúng ta khi làm quen với cơ học lượng tử đều biết rằng bình phương... từ và hạt nhân mạnh đều tuân thủ phép đối xứng P và CP, chỉ lực hạt nhân yếu mới vi phạm chúng, tối đa với đối xứng P, đôi chút với đối xứng CP, tương tác yếu của hạt và của phản hạt khác nhau ở mực độ vừa phải Một đối xứng khác thuộc về thế giới lượng tử là siêu đối xứng (supersymmetry), đó là sự hoán chuyển fermion ↔ boson, một hệ quả của thuyết Siêu dây đề cập ở đoạn 2b Đề tài về sự phá vỡ siêu đối. .. dẫn’ mang tên Sắc động lực (QCD) và Điện yếu (Electroweak) trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt phác họa ở phần 2b là thành tựu tuyệt vời của bản giao hưởng giữa hai thuyết Lượng tử và Tương đối hẹp Thuyết điện yếu thống nhất hai lực thoạt trông rất khác biệt, đó là lực điện từ quen thuộc trong đời sống hàng ngày và lực yếu (chi phối sự vận hành của neutrino, phân rã và phóng xạ hạt nhân) Thuật ngữ yếu... với quark đáy (bottom) và 1994 với quark đỉnh (top) Khám phá của Kobayashi và Maskawa góp phần quan trọng cho sự hình thành của Mô hình Chuẩn hạt cơ bản, nó diễn tả rất chính xác sự vi phạm đối xứng CP trong các thực nghiệm liên quan đến các meson K mang quark kỳ (strange) và meson B mang quark đáy Kỳ diệu thay cái duyên không cân đối của thế giới lượng tử tiên đoán bởi Kobayashi và Maskawa mà giải Nobel... nới rộng thuyết tương đối hẹp sang thuyết tương đối rộng để thay thế thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton, định luật cổ điển này chỉ là truờng hợp xấp xỉ gần đúng của thuyết tương đối rộng vô cùng chính xác Hơn nữa còn thêm một nguyên nhân thúc đẩy Einstein mở rộng thuyết tương đối hẹp vì ông nhận ra có một mâu thuẫn giữa thuyết này (vận tốc của mọi tín hiệu đều có hạn, kể cả ánh sáng) và luật cổ điển... mô hình Big Bang vì ba lực (mạnh, điện từ và hấp dẫn) trong bốn tương tác cơ bản đều tuân theo luật đối xứng vật chất-phản vật chất (đối xứng CP), không có sự dị biệt giữa chúng Chỉ tương tác yếu mới vi phạm phép đối xứng CP Nhưng sự vi phạm nhỏ của phép đối xứng vật chất-phản vật chất trong các phòng thí nghiệm trên trái đất có giải thích nổi về mặt định lượng tại sao trong vũ trụ ngày nay, vật chất... cơ chế phá vỡ đối xứng có lẽ cũng chẳng kém phần hào hứng Một thí dụ khác là đối xứng vật chất-phản vật chất hay đối xứng CP, theo đó các định luật vận hành của vật và của phản vật phải giống hệt nhau Chữ C trong CP chỉ định điện tích (charge) hay sắc tích (và tất cả các lượng tử tính khác như spin), vì hoán chuyển vật chất-phản vật chất là thay đổi dấu của chúng Trong bốn tương tác cơ bản thì ba lực... có đối xứng tuyệt đối, mặc dầu định luật cơ bản về sắt từ hoàn toàn đối xứng trong sự phân phối spin, không có một chiều spin nào giữ ưu thế Trong ngôn từ của giới chuyên ngành, nếu phương trình cơ bản mang một phép đối xứng nào đó mà nghiệm số của phương trình ấy lại không có cái đối xứng nguyên thủy, ta gọi là sự phá vỡ tự phát tính đối xứng (Spontaneous Breaking of Symmetry, SBS), nghĩa là tính đối ... học lượng tử, diễn tả tuơng tác điện từ giới vi mô electron Điện động lực học lượng tử tảng cho phát triển kỳ diệu công kỹ nghệ thông-truyền tin đại với vi điện tử, quang điện tử, spin-điện tử. .. gian tương đối ngắn, mười năm Âu châu trước thời phát xít, xuất đại thụ đặt tảng cho thuyết Lượng tử đại mà dấu ấn ngày in đậm! 3- Lược thuật thuyết Tương đối Sau vòng dạo chơi giới vi mô Lượng tử, ... siêu đối xứng thú vị thời thượng Nhưng có đối xứng ngự trị tuyệt đối, không bị vi phạm sắc động lực điện từ, đối xứng đặc trưng vật lý lượng tử, mang tên đối xứng chuẩn (gauge symmetry) Chính đối