Vụ trụ lượng tử

HEPAP đã thành lập một Uỷ ban gồm 17 nhà khoa học để thực hiện yêu cầu trên. Và sau đây là tóm tắt báo cáo do Uỷ ban đó soạn thảo.

I- Mở đầu

Bản chất vũ trụ là gì và nó được cấu tạo từ cái gì? Vật chất, năng lượng, không gian, thời gian là gì? Chúng ta xuất hiện ở đây như thế nào và đang đi đâu?

Việc cố gắng trả lời các câu hỏi cơ bản về vũ trụ đã đạt đến bước ngoặt. Vào những năm đầu thế kỷ XXI, các nhà vật lý đã nắm vững được tính chất các hạt và các lực đặc trưng cho vật chất thông thường xung quanh chúng ta. Mặt khác, các quan sát vật lý thiên văn và vũ trụ bằng các trạm không gian lại cho thấy bức tranh đó của vũ trụ là không đầy đủ, vì 95% thành phần vũ trụ lại không phải là cấu tạo từ vật chất thông thường, mà từ một cái gì khác còn bí ẩn: đó là vật chất tối và năng lượng tối. Như vậy chúng ta đã nhận thức được là thực tế ta không biết gì về đại bộ phận những gì tạo nên vũ trụ.

Để hiểu được vũ trụ “mới” còn chưa biết đó, ta cần những phát hiện mới của vật lý hạt. Các quan sát thiên văn giúp ta khảo sát các tham số vũ trụ, các máy gia tốc giúp ta xây dựng một lời giải lượng tử cho các tham số đó. Năng lượng đạt được ở các máy gia tốc ngày nay đã đến gần các điều kiện ở những giây phút đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn, là công cụ sẽ giúp ta phát hiện ra vật chất tối, năng lượng tối là gì, thực hiện cuộc cách mạng về nhận thức vật lý hạt cơ bản và vũ trụ.

Chưa lúc nào như lúc này, hai cách tiếp cận từ quan sát vũ trụ và từ thí nghiệm với máy gia tốc lại song hành hỗ trợ nhau mật thiết đến như vậy.

II- Bản chất cơ bản của vật chất và năng lượng, không gian và thời gian

Các thí nghiệm đang tiến hành cũng như dự kiến tiến hành của vật lý hạt cơ bản ở các phòng thí nghiệm khắp nơi trên thế giới sẽ cho ta khả năng nêu lên chín câu hỏi về các định luật vật lý cơ sở đang chi phối vũ trụ. Các câu hỏi này vừa rất quen thuộc nhưng đồng thời có tính cách mạng sâu sắc, xác định hướng đi của vật lý hạt cơ bản trong thế kỷ XXI.

Chín câu hỏi này ta có thể gọn lại theo 3 nội dung lớn như sau:

Giấc mơ Einstein về các lực hợp nhất

Giấc mơ này có thể nói đã được thực hiện khá tốt trong phạm vi vi mô, lượng tử (Mô hình tiêu chuẩn – Standard Model SM). Tuy nhiên các ý tưởng lượng tử đó lại không áp dụng được cho các phạm vi vũ trụ. Có thể còn thiếu một vài thành tố nào đó; trường hấp dẫn, vật chất tối, năng lượng tối phải có một cách diễn giải lượng tử. Phải có một lý thuyết gì đó bao quát được cả SM và thuyết tương đối tổng quát, đồng thời giải quyết được bí ẩn của năng lượng tối.

Câu hỏi 1. Có hay không những nguyên lý của tự nhiên mà ta chưa phát hiện ra: những đối xứng mới, những định luật vật lý mới?

Công cuộc nghiên cứu của chúng ta từ trước tới nay về các định luật cơ bản của tự nhiên đã giúp ta nhận thức được là các định luật vật lý và các hạt vật chất bị chi phối, tồn tại là do các đối xứng của tự nhiên làm nền tảng, một số trong các đối xứng này đã mất đi ngay từ Vụ Nổ Lớn. Một trong những đối xứng bị mất đó có thể là siêu đối xứng. Siêu đối xứng dự kiến là đi cặp với mỗi hạt thông thường luôn luôn có một hạt đồng hành siêu đối xứng. Lý thuyết siêu đối xứng - phần cốt lõi của lý thuyết dây, hé mở khả năng một trong những hạt đồng hành này, hạt neutralino, là ứng viên cho vật chất tối, cũng như mối liên quan có thể giữa siêu đối xứng và năng lượng tối.

Việc phát hiện ra siêu đối xứng rõ ràng là một thách thức thực nghiệm đối với vật lý hạt cơ bản, chưa nói đến việc khảo sát chi tiết cấu trúc và tính chất các hạt đồng hành siêu đối xứng.

Câu hỏi 2. Ta giải quyết bí ẩn của năng lượng tối như thế nào?

Các đo đạc gần đây bằng kính thiên văn cũng như các trạm không gian cho thấy là có một lực bí ẩn – năng lượng tối - lấp đầy vacuum của không gian trống rỗng, thúc đẩy tăng tốc sự dãn nở của vũ trụ. Ta không biết năng lượng tối là gì, và tồn tại để làm gì. Mặt khác lý thuyết hạt cơ bản cho ta biết là ở mức độ vi mô, ngay cả một vacuum hoàn hảo cũng chứa đầy các cặp hạt lượng tử, có thể là nguồn gốc tự nhiên của năng lượng tối. Tuy nhiên, tính toán sơ bộ năng lượng tối sinh bởi vacuum đó lại cho một giá trị 10 ¹²⁰lần lớn hơn giá trị quan sát. Như vậy phải có một quá trình vật lý gì đó, chưa biết để khử hầu hết năng lượng vacuum đó, chỉ chừa lại đủ để gia tốc sự dãn nở vũ trụ như đã thấy. Cần thiết một lý thuyết mới của vật lý hạt cơ bản để giải thích quá trình này.

Các số liệu thực nghiệm lại dẫn đến một thành phần bí ẩn khác của không gian trống rỗng, đó là trường Higgs, trường này “cung cấp” khối lượng cho các hạt. Nếu không có trường Higgs thì các electron sẽ chuyển động với vận tốc ánh sáng, và các nguyên tử sẽ phân rã tức thời. Năng lượng tối và trường Higgs có liên quan gì với nhau không? Việc phát hiện ra siêu đối xứng có thể sẽ cho thấy mối liên quan đó, có thể sẽ giải thích được giá trị nhỏ, nhưng hữu hạn của năng lượng tối.

Câu hỏi 3. Có hay không những chiều dư (extra) của không gian?

Ý tưởng có tính cách mạng của lý thuyết dây là việc thực hiện rõ ràng giấc mơ của Einstein về một phương cách giải thích cốt lõi nhất của tất cả mọi vật, từ lượng tử nhỏ nhất của vật lý hạt đến toàn bộ vũ trụ. Lý thuyết dây hợp nhất toàn bộ vật lý với việc diễn tả mọi lực và mọi hạt như là các dao động khác nhau của chỉ một đối tượng duy nhất gọi là siêu dây (dây siêu đối xứng).

Các siêu dây có tồn tại không? Bản thân dây có thể là quá nhỏ để ta quan sát trực tiếp được, nhưng lý thuyết dây lại có một số tiên đoán có thể kiểm nghiệm được. Lý thuyết này đòi hỏi siêu đối xứng và tiên đoán sự tồn tại của bảy (7) chiều không gian cho đến nay chưa phát hiện ra, những chiều dư này là nguyên nhân cho phần lớn độ phức tạp của bức tranh vật lý hạt. Kiểm nghiệm tính đúng đắn của lý thuyết dây chính là phải tìm cho ra các chiều dư đó của không gian. Có bao nhiêu chiều dư tất cả? Dáng vẻ và kích thước chúng ra sao? Tại sao chúng lại ẩn? Có hạt mới nào gắn liền với các chiều dư đó không?

Câu hỏi 4. Tất cả các lực rồi có trở thành một không?

Ở mức cơ bản nhất các hạt và lực có thể hội tụ lại nhau, hoặc thông qua các nguyên tắc ẩn như thống nhất lớn, hoặc thông qua vật lý mới như siêu dây.

Thế giới hạt

Các nhà vật lý đã tìm được nhiều loại hạt cơ bản, và xác định được khá chi tiết các tính chất của từng hạt. Vai trò của chúng là gì? Làm sao biết được khi nào ta tìm được hết tất cả các loại hạt?

Câu hỏi 5. Vì sao có nhiều loại hạt như vậy?

Chúng ta đã phát hiện được 3 họ quark và lepton – các phần tử cơ bản nhất, ba họ này chỉ khác nhau về khối lượng, từ dưới một phần triệu khối lượng electron cho đến khối lượng của một nguyên tử vàng. Tương tự như cơ lượng tử giúp ta giải thích cách sắp sếp bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học, ngày nay chúng ta đang tìm kiếm các lý thuyết mới giải thích tính chất các hạt cơ bản. Tại sao tồn tại ba họ hạt, và tại sao khối lượng chúng lại khác nhau đến như vậy? Tại sao tính chất các quark và lepton lại hoàn toàn khác nhau?

Câu hỏi 6. Vật chất tối là gì? Làm thế nào có chúng trong phòng thí nghiệm?

Phần lớn vật chất trong vũ trụ là tối. Nếu không có vật chất tối thì các ngôi sao, các thiên hà đã không hình thành được, và đã không có sự sống ngày nay. Vật chất tối gắn kết vũ trụ lại với nhau. Nó là gì?

Tuy rằng sự tồn tại của vật chất tối đã được đề xuất từ những năm 1930, nhưng chỉ ở 10-15 năm cuối này, các nhà khoa học mới đạt được bước tiến đáng kể trong việc hiểu biết các tính chất của nó, phần lớn là xác định những gì không phải là nó. Các quan sát gần đây về ảnh hưởng của vật chất tối lên cấu trúc vũ trụ cho thấy là nó không giống bất kỳ dạng vật chất nào mà ta đã biết hoặc đã đo được trong phòng thí nghiệm. Đồng thời cũng xuất hiện nhiều lý thuyết để giải thích vật chất tối là gì, chẳng hạn lý thuyết siêu đối xứng tiên đoán những họ hạt mới, tương tác rất yếu với vật chất thông thường, mà hạt nhẹ nhất trong số đó có thể chính là hạt vật chất tối.

Câu hỏi 7. Các hạt neutrino nói với ta điều gì?

Neutrino là hạt bí ẩn nhất trong số các hạt mà ta biết được trong vũ trụ. Nó luôn cho ta nhiều bất ngờ. Nó tương tác với các hạt khác yếu tới mức cả tỷ Neutrino mỗi giây xuyên qua cơ thể ta mà không để lại dấu vết gì. Mặt trời cũng bức xạ vô số neutrino, sinh ra trong các phản ứng nhiệt hạch trong lòng của mình. Các neutrino này được sinh ra chỉ một loại, nhưng trong quá trình di chuyển đến trái đất, chúng lại biến qua hai loại kia một cách bí ẩn. Các neutrino có khối lượng, nhưng hạt neutrino nặng nhất cũng chỉ bằng một phần triệu khối lượng của hạt tích điện nhẹ nhất.

Việc neutrino có khối lượng nhỏ như vậy có thể là do chúng nhận được khối lượng từ một quy luật vật lý còn chưa biết, có thể liên quan đến lực thống nhất. Việc khảo sát chi tiết các tính chất hạt neutrino - khối lượng, cách thức chúng biến từ loại này qua loại kia, và chúng có phải là phản hạt của chính mình không v.v.. sẽ cho ta biết neutrino có phải là hạt vật chất thông thường không, hay lại là cái gì khác.

Sự xuất hiện vũ trụ

Cái gì khởi động Vụ Nổ Lớn? Làm thế nào không gian, thời gian, vật chất và năng lượng có được hình dạng như ta thấy hiện giờ? Ta có thể nào đi ngược lại lịch sử vũ trụ không?

Những quá trình ở giai đoạn đầu đã xảy ra ở nhiệt độ và mật độ vật chất vô cùng lớn, đã quyết định những tính chất cơ bản của vật lý hạt. Những quá trình đó đã được điều chỉnh tinh vi sao cho có thể xuất hiện được các thiên hà, các ngôi sao và hành tinh. Có hay không những định luật vật lý mà ta chưa biết, chúng quyết định sự tồn tại của con người?

Câu hỏi 8. Vũ trụ đã hình thành như thế nào?

Theo lý thuyết hiện nay thì vũ trụ đã bắt đầu bằng một vụ nổ kỳ lạ, tiếp theo là sự giãn nở bột phát cực kỳ nhanh (lạm phát). Để hiểu được hiện tượng giãn nở lạm phát, cần phải có những đột phá trong hiểu biết của chúng ta về vật lý cơ sở, về hấp dẫn lượng tử và về lý thuyết hợp nhất các tương tác. Tuy rằng các điều kiện giản nở lạm phát tương ứng năng lượng quá cao không thể tạo lại trên trái đất, ta vẫn có thể quan sát thấy dấu ấn của nó qua nền bức xạ vi ba vũ trụ tàn dư hiện nay.

Ngay sau vụ giãn nở lạm phát, các điều kiện vật lý là cực kỳ đặc biệt nên có thể tổ hợp các hạt cơ bản lại thành một pha mới của vật chất. Trong quá trình vũ trụ dãn nở và nguội đi, đó chính là hiện tượng chuyển pha, giống như hơi nước ngưng tụ thành nước, và các hiện tượng này còn để lại tàn dư quan sát được hiện nay.

Hiện tượng chuyển pha vũ trụ có thể tái lập lại trong các thí nghiệm ở máy gia tốc năng lượng cao.

Câu hỏi 9. Phản vật chất đi đâu hết?

Vụ Nổ Lớn gần như chắc chắn tạo ra các hạt và phản hạt với số lượng bằng nhau. Tuy vậy, mọi quan sát trong phạm vi vũ trụ quan sát được lại cho thấy là ta đang sống trong một vũ trụ của vật chất, chứ không phải của phản vật chất.

Cái gì đã xảy ra với phản vật chất? Có thể ngay từ đầu đã có một sự mất cân bằng nhỏ giữa vật chất và phản vật chất, hoặc phản vật chất đã bị huỷ hết thành photon và neutrino. Ngày nay, các nhà vật lý quan sát thấy trong phòng thí nghiệm một sự bất đối xứng rất nhỏ giữa vật chất và phản vật chất, tuy nhiên việc hiểu các bất đối xứng đó là không đầy đủ, không đủ để giải thích sự thống trị của vật chất trong vũ trụ.

Phải chăng có một hiện tượng gì đó còn bí ẩn, gây ra diễn tiến khác nhau giữa vật chất và phản vật chất. Nguồn gốc hiện tượng này phải chăng liên quan với boson Higgs, hoặc với siêu đối xứng, hoặc với các chiều dư của không gian?

Chín câu hỏi nêu trên xác định phương hướng tương lai của vật lý hạt cơ bản. Trả lời những câu hỏi đó là mục tiêu của một chương trình nghiên cứu toàn cầu, định hướng các thí nghiệm đang và sẽ tiến hành cũng như thiết kế các thiết bị nghiên cứu vô tiền khoán hậu.