Lịch sử vật lí thế kỉ 20 – Phần 57

Kết luận:
Các thách thức mang tính toàn cầu và vũ trụ trong thế kỉ 21

Mặc dù con số 100 không có tầm quan trọng đặc biệt gì trong tự nhiên, nhưng loài người với bàn tay 10 ngón vốn xem những thế kỉ mới và những lễ kỉ niệm trăm năm là những sự kiện hứa hẹn, là những thời điểm hợp lí để nhìn lại quá khứ và hướng tới tương lai. Điều đó luôn luôn là tốt đẹp, vì việc tìm hiểu quá khứ mang lại những cái nhìn sâu sắc, mới mẻ cho tương lai. Những thế kỉ mới và những lễ kỉ niệm trăm năm thường dẫn tới những quyển sách như quyển này, hoặc những quyển sách khác trong bộ sách Nền khoa học Thế kỉ Hai mươi. Năm 2005 được ghi nhớ đặc biệt cho các nhà vật lí. Các hiệp hội khoa học chính đã chọn năm 2005 là “Năm Vật lí Quốc tế” để kỉ niệm sự kiện 100 năm trước đó một nhân viên thuộc sở cấp bằng sáng chế tên gọi là Albert Einstein đã công bố ba bài báo trọng yếu làm chấn động các nền tảng của ngành vật lí học. Kiến thức của nhân loại về không gian, thời gian, vật chất và năng lượng đã thay đổi về căn bản và dẫn tới một cuộc cách mạng về khoa học và công nghệ vẫn tiếp diễn cho đến ngày nay.

Lúc bắt đầu thế kỉ 20, lí thuyết vật lí xây dựng trên các định luật Newton của chuyển động và hấp dẫn, hệ phương trình điện từ học Maxwell, và bản chất nguyên tử của vật chất dường như đã mang lại sự hiểu biết gần như hoàn chỉnh về tự nhiên. Những lí thuyết đó giải thích hầu như mọi thứ, ngoại trừ một vài hiện tượng mới như tia X, sự phóng xạ, công cụ toán học của Planck gọi là lượng tử, các “tiểu thể” hạ nguyên tử cấu tạo nên tia cathode, và các thí nghiệm đều thất bại trước việc phát hiện ra chất ê te thấm đẫm toàn vũ trụ. Tuy nhiên, chẳng ai trông đợi bất kì hiện tượng nào trong số đó đòi hỏi sự thay đổi căn bản trong bản thân nền vật lí. Đa số các nhà vật lí cảm thấy họ và ngành khoa học của họ có một nền tảng lí thuyết chắc chắn và đang khép lại các lí thuyết cho tất cả vạn vật.

Ngày nay, các nền tảng mới của vật lí học là thuyết tương đối, thuyết lượng tử, và mô hình chuẩn của ngành vật lí hạ nguyên tử. Những lí thuyết này đã thành công rực rỡ trong việc mô tả và tiên đoán đa số các hiện tượng tự nhiên, mang lại những phép đo và những dụng cụ có khả năng sản sinh ra những chi tiết mà trước đó người ta không thể tưởng tượng nổi. Giờ thì các nhà vật lí nghĩ rằng một “lí thuyết của tất cả” có thể đã ở trong tầm với của họ. Lí thuyết đó sẽ kết hợp thế giới lượng tử rời rạc với không thời gian trơn tru của thuyết tương đối, và nó sẽ thống nhất thế giới hạ nguyên tử với vũ trụ mênh mông bởi việc hợp nhất cả ba lực cơ bản – lực hấp dẫn, lực tương tác điện yếu (lực điện từ cộng với lực hạt nhân yếu), và lực hạt nhân mạnh – thành một lực. Nhưng có một sự khác biệt to lớn giữa các nhà vật lí đương đại đang đi tìm một lí thuyết của tất cả với các đồng nghiệp của họ hồi đầu thế kỉ 20, những người từng nghĩ rằng vật lí học đã đạt tới các lí thuyết cho tất cả vạn vật. Sự khác biệt đó là lịch sử được kể lại chi tiết trong quyển sách này. Nhìn ngược về những phát triển đáng kinh ngạc trong ngành vật lí học thế kỉ 20, một vài nhà vật lí sẽ bất ngờ nếu như một sự cơ cấu lại các nền tảng của ngành khoa học của họ lại nằm ở phía trước, trong thế kỉ thứ 21. Những năm đầu của thế kỉ mới này đã chứng minh các nhà vật lí đã học được rất nhiều về vũ trụ, tuy vậy họ vẫn chưa hiểu nổi rất nhiều thứ khác.

Bản chất của vật chất được xét lại

Kể từ năm 2000, phần nhiều trong số những kết quả mới nổi bật nhất trong ngành vật lí học lại đến từ các quan sát thiên văn. Những chiếc kính thiên văn mới đặt trên quỹ đạo đã cho phép các nhà thiên văn quan sát vũ trụ trong những vùng phổ điện từ mà trước đây không thể thâm nhập do sự hấp thụ xảy ra trong khí quyển. Ngay cả trong những vùng phổ mà thiên văn học truyền thống đã nghiên cứu, nay các nhà thiên văn cũng thu thập được vô số dữ liệu và hình ảnh mới từ những chiếc kính thiên văn mặt đất lớn hơn, với năng suất được cải thiện bởi sự truyền thông hiện đại tốc độ cao và các kĩ thuật quan trắc tiên tiến. Các dự án như Tàu thăm dò Vi sóng Phi đẳng hướng Wilkinson (WMAP) và Chương trình Bầu trời Số Sloan (SDSS), đã mô tả trong chương trước, đã đưa các nhà vật lí đến với những câu hỏi mới về vật chất. Trái lại, nền thiên văn học neutrino đã hóa giải các bí ẩn của chúng rằng thế hệ quark và lepton thứ ba đã hoàn tất mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản.

Như đã lưu ý trong chương cuối, các nhà vật lí lí thuyết bắt đầu xem các neutrino electron, muon và tau không phải là những hạt riêng biệt mà là những mốt khác nhau của cùng một hạt. Theo các lí thuyết của họ, các neutrino do Mặt trời phát ra xuất phát dưới dạng các neutrino electron, nhưng sẽ dao động giữa các mốt trên hành trình của chúng đi đến Trái đất. Khi chúng đi tới máy dò neutrino đặt trong mỏ vàng Homestake, chỉ một phần ba trong số chúng là neutrino electron, phần còn lại là neutrino muon và neutrino tau, với số lượng ngang nhau. Máy dò hạt ở Homestake chỉ nhạy với các neutrino electron, thành ra nó chỉ ghi nhận được một phần ba số neutrino đến so với khi không có dao động mốt. Kết quả đó đã xác nhận chắc chắn hơn khi các nhà vật lí hiệu chỉnh lí thuyết phản ứng nhiệt hạt nhân của mặt trời. Trong khi đó, máy dò neutrino Super Kamiokande ở Nhật Bản thì có phần nhạy với các neutrino muon. Điều đó giải thích cho số lượng sự kiện phát hiện nhiều hơn của nó. Các nhà vật lí cần có thêm dữ liệu để xác nhận sự dao động neutrino, và kết quả đó xuất hiện vào năm 2001 từ Đài thiên văn Neutrino Sudbury ở Canada, nơi các nhà khoa học đã thiết kế và xây dựng một máy dò neutrino nhạy với cả ba mốt neutrino. Mô hình chuẩn đã thật sự hoàn chỉnh với ba thế hệ quark và lepton.

{loadposition article}

Mô hình có vẻ đã hoàn chỉnh, nhưng liệu có khả năng là có những họ vật chất hoàn toàn chưa được khám phá ra trong vũ trụ, mỗi họ có một tập hợp hạt sơ cấp riêng của nó, hay không? Câu hỏi đó có vẻ hơi gượng gạo, nhưng nhiều nhà vật lí đang xem xét nó một cách nghiêm túc. Các lí giải của nó đến từ lí thuyết lẫn quan sát. Lí thuyết đó là lí thuyết dây. Vì nó hình dung ra các chiều dư, nên nó còn cho phép các đối xứng khác nữa, mang đến những khả năng lí thuyết gọi là vật chất gương và siêu vật chất. Các quan sát phần lớn đến từ WMAP và SDSS và cái họ nói về lượng khối lượng trong vũ trụ, nhưng những ý kiến thảo luận sớm nhất có từ một bài báo mang tính bước ngoặc của các nhà thiên văn Vera Rubin (1928– ) và William K. Ford vào năm 1970. Quan sát tốc độ quay của một thiên hà ở gần, họ có thể ước tính ra lực hút hấp dẫn cần thiết để tác dụng lên các ngôi phía ngoài của nó. Từ giá trị gia tốc đó, họ có thể xác định khối lượng của thiên hà. Sau đó, bằng cách điều tra tổng số ngôi sao trong thiên hà đó, họ có thể ước tính khối lượng đó tỏa sáng bao nhiêu. Trước sự bất ngờ của họ, khối lượng của các ngôi sao chiếm chỉ hơn 10% tổng khối lượng một chút. Gần 90% là vật chất tối thuộc một thành phần chưa biết. Hàng thập kỉ đã đi qua kể từ kết quả của Rubin/Ford, vật chất tối dường như là một thành phần của mỗi thiên hà mà tốc độ quay có thể đo được.

Mặc dù thật hợp lí nếu giả định rằng phần nhiều vật chất tối cấu tạo gồm các hạt sơ cấp của mô hình chuẩn, nhưng cho đến nay chẳng ai kiểm tra được giả thuyết đó. Nó có thể là cái gì đó kì lạ hơn. Khả năng đó còn đáng tin hơn nữa trong ánh sáng của những kết luận gần đây từ dữ liệu WMAP và SDSS. Ngay khi các nhà khoa học nhận ra rằng vũ trụ đang giãn nở, họ đã bắt đầu nghi vấn số phận cuối cùng của nó sẽ đi về đâu. Khi các thiên hà tách ra xa nhau, lực hút hấp dẫn lẫn nhau của chúng sẽ giảm yếu dần. Có ba kịch bản khả dĩ, tùy thuộc vào tổng khối lượng của vũ trụ. Có thể hiểu các kịch bản đó bằng cách so sánh chúng với số phận khả dĩ của một quả đạn pháo phóng thẳng lên từ bề mặt Trái đất. Nếu quả đạn pháo chuyển động chưa tới tốc độ thoát (khoảng 40 000 km/h khi phóng lên từ mặt đất), thì cuối cùng nó sẽ ngừng chuyển động đi lên và rơi trở xuống mặt đất. Nếu nó chuyển động nhanh hơn vận tốc thoát, thì nó sẽ chuyển động chậm dần đến một vận tốc tối thiểu nhất định và tiếp tục chuyển động ra xa mãi mãi. Nếu nó chuyển động đúng bằng tốc độ thoát, thì nó không rơi trở xuống nhưng tốc độ của nó giảm dần về zero. Vận tốc thoát phụ thuộc vào khối lượng và kích cỡ của Trái đất. Nếu hành tinh chúng ta có kích cỡ bằng như vậy nhưng khối lượng lớn hơn, thì quả đạn pháo cần được phóng lên ở tốc độ cao hơn mới thoát ra ngoài được.

Điều tương tự đúng đối với vũ trụ. Không biết khối lượng của nó có đủ lớn để đảo ngược sự giãn nở bắt đầu với vụ nổ lớn và dẫn tới một vụ co lớn (vũ trụ “đóng kín”) hay không? Khối lượng của nó có quá nhỏ nên sự giãn nở sẽ tiếp tục mà không bị hạn chế (vũ trụ mở) hay không? Hay khối lượng của nó đúng vừa vặn, cái gọi là vũ trụ Goldilocks hay vũ trụ phẳng, cho nên nó sẽ đạt tới một trạng thái gần như ổn định? Khi thế kỉ 20 kết thúc, các phép đo tốt nhất cho thấy vũ trụ không có khả năng gần với phẳng, và dữ liệu WMAP dường như xác nhận kết luận đó. Có thể có một định luật vạn vật nào đó mà chúng ta chưa biết chắc hẳn dẫn tới một vũ trụ phẳng chứ không đóng kín hoặc mở hay không?

Đài thiên văn Neutrino Sudbury, nơi xác nhận hiện tượng dao động mốt neutrino hồi năm 2001. Để ước định kích cỡ, hãy để ý những người đang đứng tại lối đi bên dưới. (Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Ernest Orlando Lawrence Berkeley)

Tuy nhiên, một số phép đo SDSS của các sao siêu mới ở xa đề xuất một kết luận khác hoàn toàn. Thay vì đang chậm đi, tốc độ giãn nở của vũ trụ dường như đang tăng lên! Nếu đúng như vậy, thì còn có cái gì đó, ngoài lực hấp dẫn ra, đang tác dụng. Có lẽ có một dạng vật chất nào đó chưa biết, không nhìn thấy, tạo ra một lực đẩy hay một hiệu ứng phản hấp dẫn, cái các nhà khoa học đang gọi là năng lượng tối. Có lẽ sự giãn nở kì lạ như trên là do hằng số vũ trụ của thuyết tương đối tổng quát Einstein. Ông đã từng gọi hằng số đó là sai lầm ngớ ngẩn nhất của mình một khi sự giãn nở của vũ trụ được phát hiện ra, nhưng có lẽ sự sai lầm đó là việc quá nhanh chóng gạt bỏ hằng số đó ra khỏi các phương trình của ông. Có lẽ còn có những hiệu ứng vật lí chưa biết đang dẫn tới sự hiểu không đúng dữ liệu. Rõ ràng lí thuyết đó có một số đầu mối lỏng lẻo. Người ta sẽ còn khám phá ra điều gì nữa khi họ cố gắng đưa vào những manh mối đó những cách tiếp cận mới và các phép đo mới? Rõ ràng lịch sử không kết thúc tại điểm kết của một thế kỉ!

Trần Nghiêm dịch