Đi tìm đối xứng đã mất
Nhân vật trong bộ tiểu thuyết đó sống với nội tâm, với ký ức, hiến mình cho công việc đi tìm cái khó nắm bắt nhất, khó diễn đạt nhất, đó là thời gian đã mất. Bộ tiểu thuyết của Proust là một đỉnh cao trong nền văn học hiện đại và có ảnh hưởng rộng rãi tới các hoạt động trí thức của con người thời hiện đại. Có lẽ cảm hứng từ nhan đề của bộ tiểu thuyết, Frank Wilczek đã viết bài báo “Đi tìm đối xứng đã mất” cho tạp chí “Nature” nhân số đặc biệt về Năm Vật lý Quốc tế, kỷ niệm 100 năm những công trình vĩ đại của Albert Einsteit(1). Theo bước chân của Frank Wilczek, chúng ta sẽ đi trên con đường mà Wilczek đã vạch ra trong bài viết của mình để tìm hiểu về đối xứng đã mất, các đối xứng thật sự phải có của tự nhiên. Bài viết này trình bày một số ý trong bài của Wilczek có bổ sung thêm một số diễn giải của người viết.
Các nguyên lý đối xứng từng hướng dẫn các nhà vật lý truy tìm và hiểu biết sâu sắc hơn những định luật căn bản của tự nhiên. Giá trị căn bản của đối xứng trong vật lý trước hết ở chỗ mỗi một phép biến đổi đối xứng liên tục tương ứng với định luật bảo toàn một đại lượng vật lý liên quan tới phép đối xứng đấy. Chẳng hạn bảo toàn năng lượng là do tính đồng nhất của thời gian. Bên cạnh mối liên quan tới các định luật bảo toàn, trung tâm điểm của các nguyên lý đối xứng là khái niệm đối xứng phá vỡ tự phát. Khái niệm về đối xứng bị phá vỡ có từ rất lâu. Ít nhất nó xuất hiện ngay từ thuở bình minh của vật lý hiện đại khi Newton phát biểu các định luật cơ bản của cơ học mang đầy đủ tính đối xứng ba chiều của không gian, mặc dù trong thực tế con người phân biệt rất rõ ràng chiều lên, chiều xuống. Tất nhiên Newton vạch ra sự mất đối xứng đó là do có sự hấp dẫn cảu Trái Đất. Thế kỷ 20 mở màn với một năm kỳ diệu, năm 1905 khi Albert Einstein công bố 5 công trình làm rung chuyển thế giới. Những phát kiến của Einstein đã tạo ra nền tảng cho hai trụ cột của vật lý hiện đại: lý thuyết lượng tử và lý thuyết tương đối. Tiếp nối theo năm kỳ diệu, trên con đường tìm hiểu bản chất của các lực trong tự nhiên, một lý thuyết tuyệt vời và thành công, lý thuyết về tương tác yếu đã hình thành [2-5]. Trung tâm điểm của lý thuyết này chính là khái niệm đối xứng cỡ (gauge) phá vỡ tự phát, mà theo đó các phương trình cơ bản của vật lý có nhiều đối xứng hơn thế giới vật lý trên thực tế quan sát thấy. Trong khuôn khổ của lý thuyết tương tác yếu, các nhà vật lý hiện đại đã đưa ra định đề là thế giới vật lý được miêu tả bằng một nghiệm mà trong đó toàn bộ không gian, cả thế giới mà hiện nay chúng ta quan sát được, bị tràn ngập bằng một hay nhiều trường lượng tử, những trường làm hỏng đối xứng đầy đủ của các phương trình nguyên thuỷ đó đã bị phá vỡ mà thế giới vật lý trên thực tế đã không thấy trực tiếp cái đối xứng đó. Đó chính là đối xứng đã mất của tự nhiên. Đièu này còn có nghĩa là cái mà chúng ta đã nhận thức là chân không thực ra là một môi trường có cấu trúc cao. Giả thuyết này mặc dù thoạt nghe có vẻ viễn tưởng, nhưng có thể kiểm chứng được. Các trường phá vỡ đối xứng khi bị kích thích thích hợp phải sinh ra các hạt đặc trưng: lượng tử của các trường đó. Từ đó lý thuyết đã tiên đoán phải tồn tại một loại hạt mới rất đáng chú ý, đó là các hạt Higgs [6]. Hơn nữa, người ta còn đưa ra giả thiết là loại hạt Higgs này không chỉ là một hạt đơn lẻ, mà là tổ hợp của các hạt liên quan, cụ thể hơn là có tới 5 hạt Higgs [7]. Mặc dù mục đích nguyên thuỷ của vật lý cơ bản là khám phá các khái niệm sâu sắc để rọi sáng sự hiểu biết bản chất của tự nhiên và công việc phát hiện các hạt mới chỉ đóng vai trò thứ cấp, nhưng các nhà vật lý lại thường thấy rằng những khái niệm sâu sắc của họ được phản ánh ở sự tồn tại của các hạt mới. Thế nhưng cho đến nay vẫn chưa có một hạt Higgs nào được phát hiện. Điều này có vẻ như tạo ra một khủng hoảng trong lý thuyết. Nhưng điều đó không hẳn đúng. Các hạt Higgs quá nặng, đặc biệt các hạt có khối lượng vượt quá 114 GeV, là giới hạn liên kết dưới hiện nay, đòi hỏi phải có các máy gia tốc mạnh hơn các máy gia tốc mà hiện nay thế giới có. Bên cạnh đó đã có những bằng chứng tuy gián tiếp nhưng rất quan trọng là có ít nhất một hạt Higgs có khối lượng dưới 250 GeV tồn tại [8]. Vậy con đường đi tìm đối xứng đã mất trở thành con đường đi tìm hạt Higgs. Việc tìm ra hạt Higgs có vai trò rất quan trọng, là chiếc chìa khoá mở ra chân trời khoa học, đem lại kết luận chắc chắn cho một vấn đề sâu sắc của vật lý hiện đại. Đi tìm hạt Higgs không chỉ là điểm đến mà còn là cánh cửa mở ra những hiểu biết về bản chất của tự nhiên.
Có thể nói rằng sự hiểu biết của chúng ta về các định luật vật lý cơ bản được tổng kết qua các mô hình cơ bản. Hiện nay có ba mô hình cơ bản mô tả nền tảng vật lý cơ bản: hệ cỡ, hệ hấp dẫn và hệ Higgs. Mỗi một hệ đó liên quan tới tương tác của một loại hạt đặc biệt: boson cỡ, graviton và hạt Higgs. Tất cả mọi thứ mà chúng ta có thể biết được về các định luật cơ bản của tự nhiên có thể được giải thích thông qua việc một hay các hạt đó tương tác với các dạng tồn tại khác của vật chất. Hệ cỡ được cấu thành như một biểu hiện của các đối xứng liên quan tới các biến đổi giữa các bậc tự do “màu”. Màu ở đây được sử dụng không theo nghĩa màu sắc quang học thông thường, mà là một dạng tổng quát của khái niệm tích điện từ. Sắc động lực học lượng tử, lý thuyết của tương tác mạnh, làm việc với ba tích màu. Tương tác yếu cần hai tích màu khác, và tương tác điện từ cần một tích khác. Do đó đối xứng của hệ cỡ được mô tả qua ngôn ngữ của lý thuyết nhóm là SU(3) x SU(2) x U(1). Đối xứng cỡ đòi hỏi phải tồn tại các hạt boson cỡ tương thích và ngược lại. Hệ cỡ đã đưa ra các tiên đoán chính xác, khớp rất chính xác với các thí nghiệm được tiến hành cẩn trọng cho nhiều hiện tượng khác nhau của tương tác mạnh, tương tác yếu và tương tác điện từ. Hệ hấp dẫn về cơ bản chính là lý thuyết tương đối rộng của Einstein. Đôi khi người ta cho rằng lý thuyết tương đối rộng không thể kết hợp được với cơ học lượng tử, và do dó có một khủng hoảng trong lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Nhưng sự thật là lý thuyết hấp dẫn tương thích với các nguyên lý của cơ học lượng tử và cho thấy các kết quả của lý thuyết thoả mãn tất cả các quan sát vật lý và thiên văn. Đó là lý thuyết hấp dẫn lượng tử, dạng lý thuyết trường lượng tử cho tương đối rộng. Tuy thế lý thuyết hấp dẫn lượng tử không thể tiên đoán được các quá trình có sự tham gia của các hạt có năng lượng cực cao, nhưng các năng lượng cao này lại quá lớn, lớn hơn rất nhiều những năng lượng mà chúng ta có thể quan sát được. Cũng giống như hệ cỡ, hệ hấp dẫn được cấu thành như một biểu hiện của nguyên lý đối xứng rất mạnh, hiệp biến tổng quát Einstein (Einstein’s general covariance). Hiệp biến tổng quát đòi hỏi sự tồn tại của hạt graviton và chế ngự chặt chẽ các tính chất của hạt này. Lý thuyết tương đối rộng lượng tử đã ghi được nhiều thành tựu, từ cơ sở cho lý thuyết Vụ Nổ lớn của vũ trụ, vật lý lỗ đen đến tiên đoán chính xác tiếng động của hành tinh Sao Thuỷ hay mức biến đổi thời gian của tần số punxa đôi. Hệ thứ ba là hệ có các hạt Higgs và tương tác của chúng với các dạng cư trú vật chất khác. Các hạt Higgs có liên quan đến các hạt boson W và Z của tương tác yếu. Các hạt boson này truyền tương tác yếu giống như photon truyền tương tác điện từ. Tất cả các hạt này đều có spin bằng 1. Photon có khối lượng nghỉ bằng không và chỉ thu được khối lượng khi ở trong chất siêu dẫn. Đó chính là nguyên nhân của hiệu ứng Meissner, hiệu ứng từ trường bị trục xuất ra khỏi chất siêu dẫn. Do photon có khối lượng trong chất siêu dẫn cho nên trường điện từ trở thành trường có khối lượng. Vì thế chất siêu dẫn đẩy từ trường có khối lượng bị ngăn cản vì không có lợi về mặt năng lượng. Vì thế chất siêu dẫn đẩy từ trường ra khỏi chúng. Sở dĩ photon có khối lượng trong chất siêu dẫn vì đối xứng cỡ của chất siêu dẫn bị phá vỡ tự phát [9]. Đây chính là ý tưởng chính dẫn đến công việc kiến thiết hệ Higgs. Khác với photon, các hạt W và Z là các hạt có khối lượng ngay cả trong chân không. Các nguyên thuỷ tiên đoán sự tồn tại của các hạt boson đó, nhưng đòi hỏi khối lượng của chúng phải bằng không. Do đó để các hạt W và Z có khối lượng, chúng ta cần phải nhận thức rằng chân không thực ra là một dạng mới của siêu dẫn, tuy không phải là cho trường điện từ mà là cho tương tác cỡ. Như vậy chân không không phải đã là một môi trường trống rỗng mà là một môi trường có cấu trúc cao. Đó là môi trường bị lấp đầy bởi các ngưng tụ của các hạt Higgs, tương tự như sự ngưng tụ của các cặp Cooper trong chất siêu dẫn thông thường. Dẫu vậy hệ Higgs của vật lý cơ bản vẫn là phần it được hiểu biết vừa ý nhất.
Như vậy khối lượng của các hạt boson W và Z và cả của các hạt quark và lepton có được là do tương tác của các hạt ấy với sự ngưng tụ của các hạt Higgs tràn ngập khắp nơi. Đó cũng chính là lý do tại sao người ta còn gọi các hạt Higgs là nguồn gốc của khối lượng hay thậm chí là “hạt của Chúa”. Ở đây có điểm cần lưu ý là nguồn gốc khối lượng này hoàn toàn khác với nguồn gốc khối lượng của các vật chất thông thường, khối lượng chủ yếu tập trung ở các nuclon. Khối lượng của các nuclon là do các năng lượng tương ứng với các chuyển động của các hạt quark và lepton cấu tạo nên các nuclon ấy. Xuất phát đó là từ chính công thức nổi tiếng của Einstein m = E/c 2ra đời trong Năm Kỳ diệu cách đây vừa đúng một thế kỷ [10]. Ở đây cũng không có những liên hệ cần thiết giữa khối lượng và quán tính với bất cứ trường Higgs nào và các trường Higgs cũng không có ý nghĩa để giải thích chính khối lượng của chúng. Ý nghĩa đích thực của các trường Higgs chính là chúng biểu hiện cho khái niệm phá vỡ đối xứng và tạo ra cái nhìn hiển thực với một chất siêu dẫn vũ trụ phổ quát. Ngay ở lúc vừa mới ban đầu của vũ trụ, khi nhiệt độ cao hơn rất nhiều, ngưng tụ Higgs mà hiện nay tràn ngập khắp toàn không gian đã không thể duy trì sự liên kết của chúng qua toàn bộ khoảng cách. Nói cách khác, chúng tan ra, như chất siêu dẫn bị làm nóng lên ở trên nhiệt độ chuyển pha và chuyển sang trạng thái bình thường, và khi đó vũ trụ có thể ở một pha hoàn toàn khác, pha đối xứng hơn. Trong pha này các boson W và Z có khối lượng bằng không. Như vậy ở ngay lúc vừa mới ban đầu của quá trình tiến hoá của vũ trụ, ở đấy có sự thay đổi kịch tính các tính chất của vật chất. Bản chất vật lý cụ thể của các biến đổi này như thế nào chúng ta vẫn chưa biết. Có thể đó là sự chuyển pha đột ngột như trong nhiệt động học, và cũng có thể là sự thay đổi từ từ. Chuyển pha vũ trụ như thế sẽ phải kèm theo các hiện tượng vật lý bị vi phạm hay bất thường và để lại các hệ quả lâu dài. Một hệ quả có thể chính là sự mất cân bằng hiện nay giữa lượng vật chất và phản vật chất khi ngưng tụ Higgs bị đóng băng. Như vậy, con đường đi tìm đối xứng đã mất vừa sâu sắc, lạ lùng, lại vừa tuyệt đẹp, và quan trọng hơn cả đó là con đường đích thực dẫn đến Chân Lý.
________________
Tài liệu: 1. F. Wilczek, “In search of summetry lost”, Nature 433, 239 (2005).
2. S. Glashow, “Partial symmetries of weak interactions”, Nucl. Phys. 22, 579 (1961).
3. S.Weinberg, “A model of leptons”, Phys. Rev Lett. 19, 1264 (1967).
4. A. Salam, trong “Elementary Particle Physics”, Nobel Symp. 8, 367 (1968).
5. G. ‘t Hooft & M. Veltman, “Regularization and renormalization of gauge fields”, Nucl. Phys. B 44, 189 (1972).
6. P. Higgs, “Broken symmetries and the mass of gauge vector bosons”, Phys. Rev. Left. 13, 508 (1964).
7. J. Wess & B. Zumino, “A Lagrangian model invariant under supergauge transformations”, Phys. Lett. B 49, 52 (1974).
8. LEP Electroweak Working Group (lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG) (2004).
9. P. Anderson, “Plasmons, gauge invariance, and mass”, Phys. Rev. 130, 439 (1963).
10. A. Einstein, “Does the inertia of a body depend upon its energy content?, Ann. Phys. 18, 639 (1905).
Nguồn: T/c Vật lý ngày nay, số 5, 10/2005, tr.18
