Một chỗ trống rỗng trống rỗng hơn (An emptier emptiness)

Không gian trống rỗng chúng ta thường nói thực ra rất phức tạp. Môi trường không nhìn thấy và cũng không vượt qua được này làm thay đổi diễn biến của vật chất mà chúng ta nhìn thấy. Giống như trường hấp dẫn của Trái Đất giúp chúng ta tìm ra một hướng gọi là phía trên và như vậy về cục bộ làm giảm tính đối xứng của các phương trình vật lý cơ sở của hiện tượng, trường vũ trụ trong không gian “trống rỗng” cũng làm giảm tính đối xứng của các phương trình cơ bản này ở mọi chỗ. Mặc dầu khái niệm “ête” phá vỡ đối xứng là hết sức có kết quả (và đã được chứng minh một cách gián tiếp theo nhiều cách), việc chứng minh đến cùng sự đúng đắn của nó (làm sạch môi trường và thu hồi tính đối xứng ban sơ của các phương trình) vẫn chưa thực hiện được. Tình hình này bây giờ có lẽ đã khác rồi.

Trong một công trình năm 2004, J. Cramer và các cộng sự đã tuyên bố tìm được chứng cớ cho thấy (trong một thời gian cực ngắn ở một thể tích cực bé) các nhà thực nghiệm ở máy va chạm iôn nặng tương đối tính (RHIC) ở Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở New York đã làm bay hơi được ête phá vỡ đối xứng và đã tạo ra một chỗ trống rỗng hoàn hảo hơn. Cố gắng đầu tiên này nhằm giải mã các dữ liệu rất chi tiết từ các thí nghiệm ở RHIC vẫn có những vướng mắc và chúng ta còn phải xét xem cách giải thích mà nhóm Cramer đưa ra có thể chấp nhận được không. Dù thế nào thì nhóm này cũng đã đưa một thách thức vào chương trình nghi sự và gợi ra những cách cụ thể để giải quyết.

Tính đối xứng của tự nhiên đã bị phá vỡ bởi ête là cái gì? Nó bị phá vỡ như thế nào và có thể thu hồi được như thế nào? Tính đối xứng nói ở đây là tính tính đối xứng chiran (chiral symmetry) liên quan đến diễn biến cuả các quark.

Có thể mô tả tính đối xứng này dễ dàng hơn nếu ta lý tưởng hoá một chút các quark nhẹ nhất (quark lên u và quark xuống d) xem là không có khối lượng (tuy trên thực tế có khối lượng rất nhỏ ở thang năng lượng có liên quan). Theo sắc động lực học lượng tử (QCD) (lý thuyết mô tả các quark và tương tác của chúng qua tương tác mạnh), các biến đổi khả dĩ giữa các quark là rất hạn chế. Có một quy tắc là các quark u và các quark d giữ nguyên “vị” (flavour) của chúng, nghĩa là một u không bao giờ biến đổi thành một d, một d không bao giờ biến đổi thành một u. Ngoài ra, các quark còn có spin riêng. Nếu trục spin nằm theo hướng chuyển động thì chiều quay sẽ xác định một tính chất gọi là tính chiran (chirality), không phải là quay trái hay quay phải như cái vặn nút chai. Hai trạng thái khả dĩ của tính chiran của một quark, trái và phải, về chủ yếu giống như khái niệm phân cực (tròn) trái và phải của photon. Tương tác cơ bản giữa các quark và các gluon (ở đó chúng ta theo dõi tương tác mạnh) bảo toàn tính chiran cũng như vị. Như vậy một quark u với tính chiran quay trái (viết là u _L ) không bao giờ chuyển thành u _R quay phải, v.v... Nhưng các định luật bảo toàn dôi thêm này (suy ra từ tính đối xứng của các phương trình của QCD) là quá tốt. Trên thực tế người ta đã thấy rằng, mặc dầu quy tắc cấm thay đổi vị là đúng, không có định luật bảo toàn bổ sung thêm cho tính chiran – tính đối xứng chiran bị phá vỡ.

Cách giải thích được chấp nhận về sự không xứng đôi này đã quy lỗi cho ête. Vấn đề là ở chỗ có một tương tác hút mạnh giữa các quark u _Lvà các phản quark ū _R và cũng tương tự giữa các quark d _Lvà các phản quark _R, năng lượng thu được từ tương tác của chúng bù lại chi phí để tạo ra các hạt trong trường hợp thứ nhất. Như vậy không gian trống rỗng một cách hoàn hảo, không có các quark, là không bền vững. Ta có thể hạ thấp năng lượng cả chân không bằng cách lấp đầy nó bằng các cặp liên kết u _L– ū _Rvà d _L- _R(và các phản hạt của chúng, ū _L– u _R và _L– d _R). Quá trình này được gọi là sự tạo thành thể ngưng tụ chiran (chiral condensate). Ở trạng thái bền vững mà cuối cùng sẽ đi đến, sự bảo toàn tính chiran là không có tác dụng vì bản thân không gian đã trở thành một bể chứa có chứa thí dụ một số không xác định các quark u _L. (Vì mỗi cặp u _L– ū _R chứa vừa quark vừa phản quark cho nên sự bảo toàn vị toàn phần vẫn đúng). Bức tranh đặc biệt này có các hệ quả về thực nghiệm: các hạt tương tác mạnh nhẹ nhất, các meson π, có thể chính là ác dao động tập thể của thể ngưng tụ chiran. Nhận định này có thể là cái chìa khoá để hiểu được các tính chất và các tương tác không bình thường của các meson π, đặc biệt là khối lượng nhỏ của chúng so với khối lượng của các hạt tương tác mạnh khác.

Ở RHIC, các va chạm giữa các ion nặng - các hạt nhân vàng có chứa ở mỗi hạt nhân 197 proton và nơtron - tạo ra một quả cầu lửa trong đó nhiệt độ vượt quá 1,5 x 10 ¹²kenvin (xem hình). Chứng cớ rất ấn tượng đã thu được là có một trạng thái mới của vật chất đã được tạo ra - một plasma của các quark và các gluon kiểu như một chất lỏng (xem các công trình của 4 nhóm tác giả sẽ đăng trên “Nuclear Physics” A). Phải chăng có thể có một cái gì đó còn hấp dẫn hơn cũng đã xẩy ra - một sự thay đổi về chất trong các tính chất của không gian trống rỗng? Các tính toán lý thuyết cho thấy rằng ở nhiệt độ như vậy, các cặp tạo thành thể ngưng tụ chiran sẽ vỡ tung ra. Khi thể ngưng tụ bay hơi, tính đối xứng chiran đầy đủ của QCD sẽ có tác dụng. Sự thật thay đổi này trong các tính chất của không gian “trống rỗng” xẩy ra trong khắp vũ trụ vào những thời điểm sớm ngay sau Big Bang khi nhiệt độ cao như là nhiệt độ đã đạt được trong quả cầu lửa ở RHIC. Sự bay hơi này và những sự bay hơi tương tự khác ở nhiệt độ cao có một vai trò quan trọng trong tư duy vũ trụ học hiện đại. Một biến cố như vậy có thể, lấy thí dụ, kích thích một thời kỳ lạm phát - thời kỳ tăng gia tốc trong đó chân trời của vũ trụ nở ra, trong chốc lát, nhanh hơn cả ánh sáng rất nhiều.

Sự bay hơi của thể ngưng tụ chiran là cơ hội tốt nhất để chúng ta đạt tới sự chuyển pha của không gian trống rỗng trong một thí nghiệm được điều khiển trên Trái Đất. Khó khăn có nhiều nhưng chủ yếu không phải ở việc tạo ra các điều kiện cực đoan cần thiết mà là từ đám tro chúng ta có thể có được, dựng lại những gì đã xảy ra trong các giai đoạn ban đầu của quả cầu lửa được tạo ra trong thí nghiệm. Nhóm Cramer đã sử dụng các tương quan giữa các meson π quan sát được để dựng lại các tính chất của môi trường mà chúng đã bay qua. Các mô hình trước đây gặp khó khăn khi xét các tương quan đó, dẫn đến một vấn đề hắc búa gọi là “câu đố HBT”. Chỉ có cho rằng môi trường có khả năng làm thay đổi đáng kể các tính chất của các meson π theo cách được chờ đợi nếu môi trường không có thể ngưng tụ chiran (xem các công trình của D.T. Son và M. Stephanov, 2002) thì nhóm Cramer mới có thể làm khớp một cách thoả đáng các dữ liệu mà họ xem xét. Như vậy họ có thể giải quyết được vừa là câu đố cũ vừa là mở ra một triển vọng mới. Mô hình của họ có thể mở rộng thành công dể bao quát các hiện tượng bổ sung thêm hay không, các mô hình dựa trên các ý tưởng khác cũng có thể thành công như vậy hay không, các câu hỏi này chắc chắn sẽ được nhiều người chú ý trong thời gian sắp tới.