Nobel Vật lí 2008



Giải Nobel Vật lý năm 2008 được trao cho giáo sư người Mỹ gốc Nhật Yoichiro Nambu (1921-) tại Viện Enrico Fermi thuộc Đại học Chicago (Mỹ) “do phát minh cơ chế của sự phá vỡ đối xứng tự phát trong vật lý dưới nguyên tử”, giáo sư người Nhật Makoto Kobayashi (1944-) tại Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng lượng cao (Nhật Bản) và giáo sư người Nhật Toshihide Maskawa (1940-) tại Viện Vật lý lý thuyết Yukawa thuộc Đại học Kyoto (Nhật Bản) “do phát minh nguồn gốc của sự phá vỡ đối xứng mà nó dự đoán sự tồn tại của ít nhất ba họ quac trong tự nhiên”.

Tại sao có một cái gì đó thay cho không có gì cả? Tại sao có nhiều hạt cơ bản khác nhau như vậy? Những người đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2008 giúp chúng ta hiểu biết sâu hơn về những gì xảy ra bên trong các khối xây dựng nhỏ nhất của vật chất. Các định luật đối xứng của tự nhiên là trung tâm của vấn đề này hay đúng hơn là những đối xứng bị phá vỡ trong đó có những đối xứng dường như tồn tại trong vũ trụ của chúng ta ngay từ lúc ban đầu và những đối xứng tự mất đi đối xứng ban đầu ở một nơi nào đó dọc theo hành trình của vũ trụ. Thực tế là tất cả chúng ta đều những đứa con của sự phá vỡ đối xứng. Sự phá vỡ đối xứng cần phải xảy ra ngay lập tức sau Vụ nổ lớn (Big Bang) khoảng 14 tỷ năm trước đây khi có nhiều phản vật chất như vật chất được sinh ra. Cuộc gặp gỡ của vật chất và phản vật chất là định mệnh không tránh được cho cả hai. Chúng hủy diệt lẫn nhau và tất cả những gì còn lại là bức xạ. Tuy nhiên, rõ ràng là vật chất đã thắng phản vật chất vì nếu không bây giờ chúng ta sẽ không tồn tại. Nhưng bây giờ chúng ta tồn tại và chỉ một sự lệch nhỏ khỏi sự đối xứng hoàn chỉnh dường như là đủ, nghĩa là một hạt vật chất thêm vào cho mỗi một mười tỷ hạt phản vật chất là đủ để làm cho thế giới của chúng ta tồn tại. Sự dư vật chất này là mầm mống của toàn bộ vũ trụ của chúng ta được làm đầy với các thiên hà, sao, hành tinh và cuối cùng là sự sống. Nhưng cái gì nằm phía sau sự vi phạm đối xứng này trong vũ trụ vẫn còn là một bí ẩn.

Trong nhiều năm, nghiên cứu vật lý tập trung vào việc tìm kiếm các định luật tự nhiên bị che khuất sâu bên trong một phạm vi rộng của các hiện tượng mà chúng ta nhìn thấy xung quanh chúng ta. Các định luật tự nhiên cần phải là đối xứng và tuyệt đối một cách hoàn hảo. Chúng cần phải có giá trị ở khắp toàn bộ vũ trụ. Cách tiếp cận này dường như là đúng đối với hầu hết các trường hợp nhưng không phải luôn luôn như vậy. Đó là lý do tại sao những đối xứng bị phá vỡ thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu như những đối xứng. Trong thế giới không cân xứng của chúng ta, sự đối xứng hoàn hảo là một sự đối xứng lý tưởng hiếm thấy.

Nhiều loại đối xứng và đối xứng bị phá vỡ khác nhau là một phần của cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Chữ A không thay đổi khi chúng ta nhìn thấy nó trong gương trong lúc chữ Z phá vỡ đối xứng này. Mặt khác, chữ Z vẫn như thế khi bạn lộn ngược nó nhưng nếu bạn lộn ngược chữ A thì sự đối xứng bị phá vỡ. Lý thuyết hạt cơ bản mô tả ba nguyên lý đối xứng khác nhau là đối xứng gương, đối xứng điện tích và đối xứng thời gian. Theo thuật ngữ vật lý, đối xứng gương được ký hiệu bằng chữ P. Đó là chữ cái đầu của từ tiếng Anh “parity”. Đối xứng điện tích được ký hiệu bằng chữ C. Đó là chữ cái đầu của từ tiếng Anh “charge”. Đối xứng thời gian được ký hiệu bằng chữ T. Đó là chữ cái đầu của từ tiếng Anh “time”. Trong đối xứng gương, tất cả các sự kiện cần phải diễn ra theo cùng một trình tự một cách chính xác bất kể ở đâu người ta nhìn thấy chúng một cách trực tiếp hoặc trong gương. Chúng không có bất kỳ sự khác biệt nào giữa trái và phải và không có bất kỳ người nào có khả năng nhận ra họ đang ở trong thế giới riêng của họ hay ở trong thế giới nhìn qua gương. Trong đối xứng điện tích, các hạt cần phải ứng xử chính xác giống như những người bạn chí cốt của chúng là các phản hạt. Phản hạt có cùng tính chất nhưng ngược dấu điện tích với hạt. Còn trong đối xứng thời gian, khi lùi về quá khứ và tiến đến tương lai thì các sự kiện vật lý ở mức vi mô cần phải xảy ra như nhau.

Những sự đối xứng không chỉ có một giá trị thẩm mỹ trong vật lý. Chúng đơn giản hóa nhiều tính toán không thuận tiện và do đó đóng một vai trò quyết định trong mô tả toán học đối với thế giới vi mô. Một vấn đề thậm chí quan trọng hơn là những đối xứng này có liên quan đến một số lớn các định luật bảo toàn ở mức hạt cơ bản. Chẳng hạn như theo định luật năng lượng, năng lượng không thể mất đi trong các va chạm giữa các hạt cơ bản. Năng lượng cần phải được bảo toàn trước và sau va chạm và điều này là hiển nhiên trong sự đối xứng của các phương trình mô tả những va chạm hạt. Còn định luật bảo toàn điện tích liên quan đến đối xứng trong lý thuyết điện từ.

Khoảng giữa thế kỷ XX, sự đối xứng bị phá vỡ lần đầu tiên xuất hiện trong nghiên cứu về các nguyên lý cơ bản của vật chất. Lúc đó, vật lý đòi hỏi đạt được giấc mơ lớn nhất của nó là thống nhất các khối xây dựng nhỏ nhất và các lực của tự nhiên vào trong một lý thuyết chung gọi là lý thuyết thống nhất vĩ đại. Tuy nhiên, vật lý hạt cơ bản ngày càng trở nên phức tạp hơn. Các máy gia tốc mới được lắp đặt sau chiến tranh thế giới lần thứ II sinh ra một dòng ổn định của các hạt cơ bản chưa từng có trước đó. Hầu hết các số liệu do các máy gia tốc cung cấp không phù hợp với các mô hình do các nhà vật lý đưa ra lúc đó là vật chất bao gồm các nguyên tử với các nơtron và proton trong hạt nhân và các electron ở bao quanh hạt nhân. Những nghiên cứu sâu hơn trong các vùng ở trong cùng của vật chất phát hiện thấy rằng mỗi một proton hoặc nơtron lại bao hàm một bộ ba của các quac. Người ta chứng minh được rằng các hạt cơ bản đã được phát hiện cũng có cấu tạo từ các quac.

Hiện nay, hầu như tất cả các mảnh ghép của một bộ lắp hình đã được đặt vào đúng chỗ. Một mô hình gọi là Mẫu chuẩn cho các phần không thể chia nhỏ của vật chất bao gồm ba họ hạt cơ bản. Họ thứ nhất bao gồm 2 loại lepton là electron và nơtrino electron và 2 loại quac là quac lên và quac xuống. Họ thứ hai bao gồm 2 loại lepton là muon và nơtrino muon và 2 loại quac là quac duyên và quac lạ. Họ thứ ba bao gồm 2 loại lepton là tau và nơtrino tau và 2 loại quac là quac đỉnh và quac đáy. Các họ này giống nhau nhưng chỉ các hạt trong họ thứ nhất nhẹ nhất là đủ bền vững để tạo nên vũ trụ. Các hạt trong hai họ nặng hơn tồn tại trong các điều kiện rất không bền vững và phân rã ngay thành các loại hạt nhẹ hơn.

Bất kỳ cái gì đều được điều khiển bởi các lực. Mẫu chuẩn cho đến thời điểm hiện nay đã thống nhất ba loại lực cơ bản của tự nhiên là lực điện từ, lực mạnh và lực yếu. Chỉ còn một loại lực cơ bản thứ tư của tự nhiên là lực hấp dẫn chưa được bao hàm trong Mẫu chuẩn. Mẫu chuẩn bao hàm ba trong bốn loại lực cơ bản của tự nhiên cùng với các hạt mang lực của chúng. Các hạt mang lực là các hạt mang tương tác giữa các hạt cơ bản. Hạt mang lực của lực điện từ là photon với khối lượng không (hay không có khối lượng). Lực yếu tính đến sự phân rã phóng xạ và làm cho mặt trời và các sao chiếu sáng được mang bởi các hạt bozon W và Z nặng. Lực nặng trong hạt nhân nguyên tử được mang bởi các hạt gluon. Lực hấp dẫn giữ chúng ta ở trên mặt đất còn chưa được bao hàm trong Mẫu chuẩn và điều này đang là một thách thức lớn đối với các nhà vật lý hiện nay. Để hoàn chỉnh Mẫu chuẩn cần một loại hạt mới gọi là hạt Higgs và cộng đồng vật lý hi vọng tìm thấy nó trong máy gia tốc lớn nhất thế giới mang tên là máy gia tốc LHC mới được đưa vào vận hành tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu CERN ở Geneva (Thụy Sĩ).

Người đầu tiên chỉ ra vai trò có tính quyết định của sự đối xứng bị phá vỡ đối với nguồn gốc vũ trụ là nhà vật lý Nga Andrei Sakharov. Năm 1967 ông thiết lập ba điều kiện để phát sinh một thế giới giống thế giới của chúng ta không có phản vật chất. Điều kiện thứ nhất là các định luật vật lý phân biệt giữa vật chất và phản vật chất. Điều này thực tế đã được phát hiện với đối xứng CP bị phá vỡ. Điều kiện thứ hai là vũ trụ có nguồn gốc từ nhiệt của Vụ nổ lớn. Và điều kiện thứ ba là các proton trong mỗi hạt nhân nguyên tử đều phân hủy. Điều kiện cuối cùng có thể dẫn đến sự tận cùng của thế giới do nó ngụ ý rằng toàn bộ vật chất cuối cùng có thể biến mất. Nhưng điều đó còn lâu mới có thể xảy ra vì theo thực nghiệm, các proton duy trì ổn định trong khoảng 1033 năm. Khoảng thời gian này lớn hơn 10 ngàn tỷ tỷ lần so với tuổi của vũ trụ (khoảng lớn hơn 1010 năm một chút). Và không có một ai biết được chuỗi sự kiện của Sakharov xảy ra như thế nào trong vũ trụ sơ khai. Các điều kiện của Sakhrov cuối cùng có thể được bao hàm trong Mẫu chuẩn. Khi đó, có thể giải thích phần dư thừa vật chất tạo ra khi phát sinh vũ trụ.

Câu hỏi tại sao các đối xứng bị phá vỡ không được giải đáp cho đến năm 1972 khi hai nhà nghiên cứu trẻ của Đại học Kyoto tên là Kobayashi và Maskawa nhờ các tính toán vật lý lượng tử tìm ra lới giải trong một ma trận 3 x 3. Đối xứng bị phá vỡ kép xảy ra như thế nào? Mỗi một hạt kaon bao gồm một sự kết hợp của một quac và một phản quac. Lực yếu làm cho chúng chuyển hóa lẫn nhau: quac trở thành một phản quac trong lúc phản quac trở thành một quac và do đó biến đổi kaon thành phản kaon của nó. Theo cách này, hạt kaon chuyển đổi giữa bản thân nó và ngược với bản thân nó. Nhưng nếu các điều kiện đúng được đáp ứng, sự đối xứng giữa vật chất và phản vật chất sẽ bị phá vỡ. Ma trận tính toán của Kobayashi và Maskawa chứa các xác suất nhằm mô tả sự biến đổi của các quac sẽ xảy ra như thế nào. Hóa ra là các quac và phản quac trao đổi đặc tính cho nhau trong phạm vi họ riêng của chúng. Nếu sự trao đổi đặc tính này với đối xứng bị phá vỡ kép xảy ra giữa vật chất và phản vật chất, cần bổ sung một họ quac thứ ba vào hai họ quac đã có. Đó là một quan điểm táo bạo và Mẫu chuẩn nhận được các quac mới. Các quac mới theo dự đoán sau đó đã tìm thấy trong thực nghiệm. Người ta phát hiện ra quac duyên đầu năm 1974, quac đáy năm 1977 và quac đỉnh cuối năm 1994. Lý thuyết của Kobayashi và Maskawa chỉ ra rằng có thể nghiên cứu một sự vi phạm đối xứng chủ yếu trong các hạt mezon B nặng hơn 10 lần so với những người anh em họ của chúng là các kaon. Tuy nhiên, sự đối xứng bị phá vỡ xảy ra cực kỳ hiếm thấy trong các mezon B. Do đó, cần có những lượng rất lớn của các hạt này chỉ để tìm ra một ít sự đối xứng bị phá vỡ. Đầu năm 2001, cả hai thực nghiệm độc lập với nhau trên các máy gia tốc SLAC ở Stanford (California, Mỹ) và KEK ở Tsukuba (Nhật Bản) có thể sản sinh hơn một triệu mezon B mỗi ngày đã xác nhận sự vi phạm đối xứng của các mezon B chính xác như dự đoán trong mô hình của Kobayashi và Maskawa từ 30 năm trước đó. Điều này có nghĩa là một sự hoàn chỉnh Mẫu chuẩn. Gần như tất cả các mảnh ghép của bộ lắp hình được lắp vào đúng chỗ nhờ có một dự đoán táo bạo nhất trong số các dự đoán.

Mẫu chuẩn bao hàm tất cả các hạt cơ bản đã biết và và ba trong trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Nhưng tại sao các lực này lại khác nhau như thế? Và tại sao các hạt cơ bản lại có những khối lượng khác nhau như vậy? Quac nặng nhất là quac đỉnh nặng hơn ba trăm nghìn lần so với electron. Tại sao chúng hoàn toàn có bất kỳ khối lượng nào? Một lần nữa lực yếu lại có vai trò trên phương diện này. Các hạt mang của lực yếu là các hạt W và Z nặng hơn nhiều trong lúc bạn đồng minh của nó là photon mang lực điện từ lại hoàn toàn không có khối lượng. Nhiều nhà vật lý cho rằng sự đối xứng bị phá vỡ tự phát khác gọi là cơ chế Higgs phá hủy đối xứng ban đầu giữa các lực và đem lại cho các hạt các khối lượng của chúng trong các giai đoạn ban đầu của vũ trụ. Năm 1960, Nambu là người đầu tiên đưa sự vi phạm đối xứng tự phát mô tả hiện tượng siêu dẫn vào vật lý hạt cơ bản. Chúng ta có thể chứng kiến những vi phạm đối xứng tự phát đơn giản hơn trong cuộc sống hàng ngày. Một bút chì đặt đứng trên đầu nhọn của nó đưa ra một trạng thái hoàn toàn đối xứng trong đó tất cả các hướng đều bình đẳng như nhau. Nhưng đối xứng này bị mất đi khi nó rơi xuống và nằm trên mặt bàn. Bây giờ chỉ có một hướng được tính đến. Điều kiện của bút chì trở nên bền vững hơn. Bút chì sẽ nằm yên vì nó đã tiến đến mức năng lượng thấp nhất của nó. Một chân không có mức năng lượng có thể có thấp nhất trong vũ trụ. Thực tế là một chân không trong vật lý chính xác là một trạng thái với năng lượng có thể có thấp nhất. Nhưng nó không trống rỗng bởi bất kỳ cách nào. Xuất phát từ vật lý lượng tử, một chân không được định nghĩa là sự đầy của một nồi súp sủi bọt của các hạt mà chúng phồng lên chỉ để biến mất ngay lập tức lần nữa trong các trường lượng tử có mặt phân bố rộng nhưng không nhìn thấy được. Chúng ta được bao quanh bởi nhiều trường lượng tử khác nhau xuyên qua không gian. Bốn loại lực cơ bản của tự nhiên cũng được mô tả như các trường. Một trong số các trường này là trường hấp dẫn mà nó giữ chúng ta ở trên mặt đất và xác định xem cái gì là lên và cái gì là xuống. Nambu sớm nhận ra rằng các tính chất của một chân không là cần thiết cho việc nghiên cứu dối xứng bị phá vỡ tự tự phát. Một chân không, nghĩa là trạng thái năng lượng thấp nhất không tương ứng với trạng thái đối xứng cao nhất. Giống như bút chì rơi xuống, sự đối xứng của trường lượng tử bị phá vỡ và chỉ một trong nhiều hướng trường có thể có được lựa chọn.

Câu hỏi về khối lượng của các hạt cơ bản cũng đã được giải đáp bởi đối xứng phá vỡ tự phát của trường Higgs giả định. Theo quan niệm này, tại Vụ nổ lớn trường là đối xứng hoàn chỉnh và tất cả các hạt có khối lượng không. Nhưng trường Higgs giống như bút chì đứng trên mũi nhọn của nó là không bền vững. Do đó, khi vũ trụ lạnh đi, trường co lại tới chân không riêng của nó với mức năng lượng thấp nhất của nó theo định nghĩa lượng tử. Sự đối xứng của nó biến mất và trường Higgs trở thành một loại nước ngọt đối với các hạt cơ bản. Các hạt này hấp thụ những lượng trường khác nhau và có các khối lượng khác nhau. Một số hạt như các photon không bị lối kéo bởi trường Higgs và giữ không có khối lượng. Nhưng tại sao các electron có khối lượng là một câu hỏi khác mà chưa có ai trả lời được. Giống như các trường lượng tử khác, trường Higgs có đại diện riêng của nó là hạt Higgs. Các nhà vật lý đang cố gắng tìm kiếm nó trong máy gia tốc mạnh nhất thế giới là máy gia tốc LHC mới được vận hành tại CERN (Geneva, Thụy Sĩ). Có thể có một vài hạt Higgs khác nhau bị phát hiện hoặc không có hạt nào cả. Các nhà vật lý đã đưa ra nhiều lý thuyết trong đó có lý thuyết siêu đối xứng để mở rộng Mẫu chuẩn.

Tác giả Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 viết: PGS, TS Nguyễn Quang Học
Nguồn phys.hnue.edu.vn
 

Quảng cáo

Top