Giải Nobel vật lý 2008

Đối với những ai ở trong ngành, tin này không gây ngạc nhiên mà chỉ làm cho họ phấn khởi trên con đường học hỏi sáng tạo, nhất là máy gia tốc hạt đầu tầu thế giới LHC ở CERN vừa khởi động chưa đến tháng nay (1). Chương trình ưu tiên số một của LHC là săn tìm hạt cơ bản Higgs, hạt tạo nên khối lượng cho vật chất. Ưu tiên số hai là câu hỏi đâu rồi phản vật chất trong hoàn vũ bao la. Cái thứ nhất liên quan mật thiết đến Nambu (công trình của Peter Higgs không thể tách rời khỏi sáng kiến của Nambu như Higgs xác nhận) và cái thứ hai đến Kobayashi và Maskawa. Tiên đoán của hai ông về sự hiện hữu tất yếu của hai quark top và bottom để giải thích sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất trong Mô hình Chuẩn (Standard Model, xem phụ chú 1) đều được thực nghiệm kiểm chứng với độ chính xác đáng kinh ngạc. Người viết ước mong cùng bạn đọc tìm hiểu con đường đưa đến giải Nobel này, một trong những thành tựu tuyệt vời của vật lý lượng tử ở lãnh vực thuộc biên giới của tri thức nhân loại đang nóng bỏng.

1- Đối xứng

1a- Đối xứng P và CP.

Makoto Kobayashi

Hai nhà vật lý Trung Quốc ở  Mỹ T. D. Lee và C. N.Yang (giải Nobel 1957) khám phá ra là lực hạt nhân yếuvi phạm tối đa cái đối xứng gương Pnày, trong đó spin đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Spin của electron, của neutrino đềuhoàn toàn quay về phía tráimà không quay về phía phải.

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 phản vật phải giống hệt nhau. Chữ Ctrong CPchỉ điện tích (charge) vì  hoán chuyển vật chất-phản vật chất là trước tiên thay đổi dấu của điện tích – e↔ + e. Trong bốn tương tác cơ bản thì ba lực hấp dẫn, điện từ và hạt nhân mạnhđều tuân thủ phép đối xứng Pvà CP, chỉ lực hạt nhân yếumới 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.

1b- Đối xứng chuẩn.

Nhưng có một đối xứng không hề bị vi phạm, nó ngự trị tuyệt đối trong Sắc động lực học lượng tử (QCD) và Điện-Yếu (Electro weak), 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 của hàm số sóng |Ψ(x)| ² cho ta xác suất xảy ra đối với một đại lượng nào đó. Ta thấy ngay hoán chuyển chuẩn Ψ(x) ↔ Ψ(x) Exp[iα(x)] với bất kỳ hàm thực α(x) nào không làm thay đổi |Ψ(x)| ², cũng vậy nó không làm thay đổi các định luật của Mô hình Chuẩn, các đại lượng vật lý phải bất biến với hoán chuyển chuẩn. Chính vì vậy mà đối xứng chuẩn chi phối toàn diện sự vận hành của các tương tác mạnhvà điện-yếu. Cụ thể ta mường tượng đối xứng này như sau: điện thế của trái đất là một triệu volt và hai cực điện trong nhà là 1000000 volt và 1000220 volt, nhưng máy của chúng ta chạy với 220 volt không hề trục trặc mặc dầu hàng triệu volt điện thế của quả đất. Cũng như α(x) là bất kỳ hàm gì, có muôn ngàn điện thế khác nhau ở mọi nơi trong hoàn vũ, nhưng định luật chi phối sự vận hành của chúng phải điều hòa ra sao để cho ta một trường điện từ duy nhất. Máy của chúng ta mang lên các thiên thể xa xăm không bị chi phối bởi điện thế tuỳ tiện lớn hay nhỏ trên đó, điện tích – ecủa electron trong máy bao giờ cũng bất biến, ở đây hay ở đó, lực điện từ chi phối máy của chúng ta cũng là lực điện từ trên các thiên thể. Đó là ý nghĩa vật lý của đối xứng chuẩn. Phương trình Maxwell của tương tác điện-từ tuân thủ phép đối xứng chuẩn, đối xứng này trở thành nguyên lý chủ trì cho sự phát triển kỳ diệu của Điện động lực học lượng tử (QED), những tính toán trong lý thuyết này đưa ra nhiều tiên đoán được thực nghiệm kiểm định tới độ chính xác cao hơn một phần tỷ (momen từ của electron là một thí dụ). Đặc điểm của đối xứng chuẩn là nó đòi hỏi các boson - làm trung gian sứ giả cho fermion tương tác với nhau qua trao đổi các boson này - phải không có khối lượng. Hạt quang tử photon trong điện động lực học lượng tử (QED) cũng như gluon trong sắc động lực học lượng tử (QCD) là thí dụ của boson không có khối lượng. Ta gọi chúng là boson chuẩn(gauge bosons).

Yoichiro Nambu

Nhưng một chuyện ‘thần kỳ’ đã xẩy ra để làm cho lực yếu cũng có đối xứng chuẩnnhư điện từ, chuyện khởi đầu từ hiện tượng siêu dẫn của ngành vật lý chất rắn ở kích thước trung mô xa lạ với hạt cơ bản tung hoành trong thế giới vi mô. Trong vật lý, cũng như trong nhiều môn khác, có một số nhỏ nhà khoa học kiến thức xuyên ngành uyên thâm, nhìn rộng ra ngoài cái chuyên của mình, tìm hiểu những gì phổ quát để mang lại cho ngành mình một luồng gió mới. Nhà vật lý Nhật bản Yoichiro Nambu ở đại học Chicago là một trong số đó. Chuyên gia về hạt sơ đẳng nhưng ông cũng lưu tâm và có cái nhìn bao quát về vật lý siêu dẫn khác lạ với hạt, ông nhận thấy có cái gì liên kết hai ngành - cấu trúc toán học thì rất giống nhau nhưng vật lý thì lại khác biệt - và phác họa ra ý tưởng làm sao cho lực yếu cũng mang đối xứngchuẩn. Nhưng chính Peter Higgs một nhà nghiên cứu ‘bình thường’ của xứ Scotland làm việc tại một đại học ‘nhỏ’ Newcastle upon Tyne đã tìm ra một kịch bản nhất quán dẫn đến sự thống nhất Điện-Yếu của Glashow, Salam, Weinberg với giải Nobel 1979.

1c- Siêu dẫn điện từ.

Hiện tượng siêu dẫn của vật liệu ở nhiệt độ thấp là một đặc trưng của vật lý lượng tử, dòng điện truyền qua một dây siêu dẫn có thể tồn tại hàng tỷ năm trên lý thuyết, ước lượng khoảng vài trăm ngàn năm bởi đo lường, nó không có điện trở. Một điện trường dẫu nhỏ đến đâu cũng khó xâm nhập được vào trong chất siêu dẫn vì nó bị triệt tiêu bởi dòng điện ‘lý tưởng’ nội tại của siêu dẫn. Không những điện mà cả từ trường cũng vậy. Một thỏi nam châm để gần một vật liệu siêu dẫn bị bật ra xa, thông lượng từ trường bị trục xuất một phần ra ngoài vật siêu dẫn, đó là hiệu ứng Meissner. Chính hiệu ứng này là ngọn nguồn cho xe lửa trong tương lai được ‘nâng‘ lên trên đường rầy, không bị lực ma sát nên có vận tốc rất cao. Vật liệu siêu dẫn ngăn chặn tầm truyền của trường điện từ, nó là một hệ thống trong đó điện từ chỉ có thể tác động trong một khoảng cách ngắn, khác với bản chất tự tại của sóng điện từ có thể truyền đi vô hạn. Vậy photon, cái bosonchuẩn, khi chuyển động trong vật liệu siêu dẫn bị cản trở bởi một bức tường chắn gì đó và nó tác động giống như có một khối lượng khác 0.Bức tường chắn đó trong lý thuyết siêu dẫn của J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer (BCS), giải Nobel 1972, chính là thể ngưng tụ của muôn ngàn cặp Cooper, cặp liên kết hai electron có spin up↑ spin down↓ đối nghịch. Mỗi cặp mang điện tích –2 enhưng vì có spin 0 nên theo thống kê Bose-Einstein những cặp này có thể hoà đồng chung sống trong cùng một trạng thái đông tụ. Mỗi electron cô đơn và có cá tính mạnh mẽ, nhưng kỳ lạ thay ở một hoàn cảnh đặc biệt nào đó (nhiệt độ thấp) khi kết bạn, mỗi cặp tuy rất mảnh mai nhưng khi tụ họp quá đông đảo lại vận hành như một dòng chảy thuần khiết đều đặn của muôn ngàn điện tích và trở nên siêu dẫn (2).

Cái đông tụ Bose của nguyên tử Helium 4 coi như boson cũng là ngọn nguồn của hiện tượng siêu lỏng, luồng thể lỏng bơi ngược trên thành ống nhỏ li ti. Vật liệu sắt từ (ferromagnetic) là thí dụ thứ ba trong đó hàng tỷ electron có spin cùng hướng về một phía duy nhất do tác động của một từ trường ngoài. Vật liệu sắt từ như vậy không có đối xứng tuyệt đối, mặc dầu định luật cơ bản về sắt từ của Heisenberg 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, phương trình cơ bản mang một phép đối xứng, trong khi nghiệm số của phương trình ấy lại không có cái đối xứng nguyên thủy, ta gọi hệ thống đó tự phát bẻ gẫy đối xứng(SBS). Đối xứng không bị vi phạm trong toàn thể, nó chỉ bị che khuất đi ở một điểm cục bộ nào trong trạng thái cơ bản (năng lượng cực tiểu) của vật chất, hay chân không. Siêu dẫn điện từ, Siêu lỏng và Từ sắt là ba thí dụ của SBS.

1d-Thuyết Điện-Yếu.

Tính chất SBS là ngọn nguồn cho phép thống nhất được hai lực điện từ và yếu, chúng tưởng như khác biệt mà thực ra cùng chia sẻ phép đối xứng chuẩn. Xin nhắc lại, để thống nhất lực yếu với lực điện từ, ta sử dụng đối xứng chuẩn. Vậy ban đầu cũng như photon của điện từ, boson chuẩn W, sứ giả của lực yếu, không có khối lượng. Sau đó ta cần một trường boson mới lạ nào đó (trường Higgs) để ngăn chắn tác động của lực yếu và mang khối lượng cho W. Trường Higgs tựa như ngưng tụ của cặp Cooper trong điện từ. Cặp Cooper có spin 0 liên kết hai electron trong siêu dẫn điện từ được thay thế trong lực yếu bởi hạt Higgs cũng có spin 0. Trường Higgs tràn ngập chân không lượng tử, chân không này là trạng thái của vũ trụ thuở Nổ Lớn (Big Bang) có năng lượng cực tiểu nhưng vô hạn. Không những mang khối lượng cho hạt W, hạt Higgs còn mang khối lượng cho tất cả các hạt khác như quark, lepton. Chính cái cơ cấu SBS phổ biến và chi phối nhiều ngành vật lý do Nambu, khi suy ngẫm về thuyết siêu dẫn nói trên, đã đề xướng ra và Peter Higgs áp dụng thành công trong vật lý hạt cơ bản để thống nhất hai lực điện từ và yếu. Giải Nobel 2008 tặng thưởng Nambu đã sáng tạo cái cơ chế SBS này. Ngoài ra Nambu cũng đã đưa ra ra ý niệm theo đó thành phần cơ bản cấu tạo nên proton, neutron (quark theo ngôn từ hiện đại) phải mang ba đặc tính lượng tử. Ba đặc tính này ngày nay ta gọi là sắc tích (color), và lực mạnh gắn kết quark trong hạt nhân gọi là sắc động lực học lượng tử (QCD). Cũng là người đã gợi ra ý niệm dây để thay thế hạt nhiều năm trước thuyết Siêu dây thời thượng ngày nay, Nambu quả là một nhà vật lý lý thuyết có cái nhìn xa, uyên thâm, đa ngành và sâu sắc, làm tiên phong sáng tạo nhiều ý tưởng mới.

2- Ba họ, sáu Quark và vi phạm đối xứng CP

Sự hiện hữu của phản vật chất là hệ quả sâu sắc nhất của bản giao hưởng tuyệt vời giữa hai thuyết Tương đối hẹp và Cơ học lượng tử do Paul Dirac, một thiên tài của thế kỷ tầm cỡ Newton và Einstein, chứng minh năm 1928 khi ông chưa đến 26 tuổi. Máy chụp hình nổi PET (Positron Emission Tomography) dùng trong y học ngày nay là một ứng dụng trực tiếp của positron, phản hạt của electron. Khi positron hòa tụ với electron sẵn có trong cơ thể thì cặp positron-electron biến thành tia bức xạ cực kỳ tinh vi để rọi sáng chi tiết trong não bộ.

Như đề cập ở phần 1a, lực hạt nhân yếuvi 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 cùng hai cộng sự viên khám phá ra năm 1964 sự vi phạm CP, và hai vị đã nhận giải Nobel 1980. Những năm đầu 1970, trong bối cảnh của vật lý hạt thời ấy với Mô hình Chuẩn đang ở buổi sơ khai, hai nhà vật lý trẻ Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa tiền phong đi tìm hiểu cơ chế nào cho phép sự vi phạm này. Hai ông, hoàn toàn do suy luận và tính toán, sau nhiều cuộc vật lộn với toán học ‘ứng dụng’, đã tìm ra năm 1973 là ít nhất phải có sáu quark (đúng ra là phải có ba ‘họ‘, mỗi họ có hai quark)(3).mới vi phạm được đối xứng CP. Thật là cả một phiêu lưu vô cùng kinh ngạc vì vào thời buổi ấy quark hãy còn là một giả thuyết, một đề tài tế nhị, nhiều người bài bác kể cả những cây đại thụ, và ngay cả nếu chấp nhận giả thuyết quark thì lúc ấy người ta chỉ biết có ba quark thôi: quark trên(up), dưới(down) và kỳ(strange). Thực nghiệm liên tiếp chứng tỏ sau đó sự chính xác của cơ chế vi phạm CPmà Kobayashi và Maskawa (KM) đề xướng. Năm 1974 quark duyên(charm) bắt đầu lộ diện, năm 1977 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, một lý thuyết mô tả chính xác tuyệt vời ba lực ‘phi hấp dẫn’ cơ bản của thiên nhiên, nó đã vượt qua tất cả các thử thách thực nghiệm một cách vẻ vang. Kỳ diệu thay cái duyên không cân đối của thế giới lượng tử mà giải Nobel 2008 vinh tặngKobayashi và Maskawa!!

______

(1)Xem bài Tìm hiểu cơ cấu vạn vật hình thành của tác giả

(2)Đọc truyện ngắn "Hạt Điện Cô Đơn" của Mai Ninh

(3) Kobayashi và Maskawa rất khác biệt về cá tính và phương pháp tìm tòi khoa học, Kobayashi thiên về thực nghiệm và trực giác, Maskawa thiên về toán học, hai vị bổ túc cho nhau. Họ chứng minh là nếu có N họ, mỗi họ có hai quark, thì sự vi phạm CPchỉ xảy ta nếu  (N–1)(N–2) > 0. Ba họ, sáu quark là ở đó.