Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 11)

Làm thế nào bạn có thể tin vào ê te bất chấp các kết quả của thí nghiệm Michelson-Morley? Nhưng chúng ta đã nói thường xuyên xảy ra, người ta cố gắng bảo vệ mô hình cũ bằng cách chấp vá hoặc bổ sung đặc biệt. Một số người cho rằng trái đất kéo ê te theo cùng với nó, cho nên chúng ta không thật sự chuyển động so với nó. Nhà vật lí người Hà Lan Hendrik Antoon Lorentz và nhà vật lí người Ireland George Francis FitzGerald đề xuất rằng trong một hệ quy chiếu đang chuyển động so với ê te, có lẽ do một số hiệu ứng cơ chưa biết, nên thời gian sẽ chậm đi và khoảng cách thì co lại, vì thế người ta sẽ đo ánh sáng có tốc độ như cũ. Những nỗ lực như thế nhằm cứu lấy khái niệm ê te tiếp tục diễn ra trong gần hai mươi năm cho đến khi xuất hiện một bài báo nổi bật của một viên thư kí trẻ không tên tuổi tại một sở cấp bằng sáng chế ở Berne, tên gọi là Albert Einstein.

Vào năm 1905, Einstein mới 26 tuổi khi ông công bố bài báo của mình “Về điện động lực học của những vật đang chuyển động”. Trong bài báo đó, ông đã nêu ra giả thuyết đơn giản rằng các định luật vật lí và đặc biệt là tốc độ ánh sáng sẽ xảy ra như nhau đối với mọi nhà quan sát đang chuyển động đều. Quan niệm này, hóa ra, đã thúc đẩy một cuộc cách mạng nhận thức của chúng ta về không gian và thời gian. Để thấy nguyên do, hãy tưởng tượng hai sự kiện xảy ra tại cùng một vị trí, nhưng ở những thời điểm khác nhau, trên một máy bay phản lực. Đối với một người quan sát ở trên máy bay, sẽ có khoảng cách bằng không giữa hai sự kiện đó. Nhưng đối với một người quan sát thứ hai ở trên mặt đất, thì hai sự kiện cách nhau bằng quãng đường mà máy bay đi được trong thời gian giữa hai sự kiện đó. Điều này cho thấy hai người quan sát đang chuyển động tương đối với nhau sẽ không thống nhất về khoảng cách giữa hai sự kiện.

Bây giờ giả sử hai người quan sát cùng quan sát một xung ánh sáng truyền đi từ đuôi của máy bay đến mũi của nó. Giống như trong thí dụ trên, họ sẽ không thống nhất về quãng đường mà ánh sáng đã đi từ lúc phát ra nó tại đuôi máy bay đến lúc nó đi tới mũi máy bay. Vì tốc độ là quãng đường đi chia cho thời gian đi, cho nên điều này có nghĩa là nếu họ thống nhất về tốc độ các xung truyền đi – tốc độ ánh sáng – thì họ sẽ không thống nhất về khoảng thời gian giữa lúc phát và lúc nhận.

Máy bay phản lực

Máy bay phản lực. Nếu bạn cho bật một quả bóng trên máy bay, thì một người quan sát trên máy bay có thể xác định nó chạm sàn đúng tại chỗ cũ sau mỗi lần nảy lên, còn một người quan sát ở trên mặt đất sẽ đo được những khoảng cách lớn hơn giữa những điểm nảy lên đó.

Cái làm cho kì lạ là mặc dù hai người quan sát đo thời gian khác nhau, nhưng họ đang quan sát cùng một hiện tượng vật lí. Einstein không cố gắng xây dựng một lời giải thích nhân tạo cho hiện tượng này. Ông nêu ra kết luận hợp lí, nếu không nói là sửng sốt, rằng phép đo thời gian diễn ra, giống như phép đo quãng đường đi, phụ thuộc vào người quan sát đang thực hiện phép đo. Hiệu ứng đó là một trong những nội dung then chốt cho lí thuyết trong bài báo năm 1905 của Einstein, cái sau này trở nên nổi tiếng là thuyết tương đối đặc biệt.

Chúng ta có thể thấy phân tích này có thể ánh sáng như thế nào cho những dụng cụ đo thời gian nếu chúng ta xét hai người quan sát đang nhìn vào một cái đồng hồ. Thuyết tương đối đặc biệt cho rằng đồng hồ đó chạy nhanh hơn đối với người quan sát đang đứng yên so với đồng hồ. Đối với người quan sát không đứng yên so với đồng hồ, chiếc đồng hồ chạy chậm hơn. Nếu chúng ta ví một xung ánh sáng truyền từ đuôi đến mũi của máy bay với tiếng gõ của một đồng hồ, thì chúng ta thấy đối với một người quan sát trên mặt đất, cái đồng hồ chạy chậm đi vì chùm ánh sáng phải đi một quãng đường lớn hơn trong hệ quy chiếu đó. Nhưng hiệu ứng trên không phụ thuộc vào cơ chế hoạt động của đồng hồ; nó đúng đối với mọi đồng hồ, kể cả đồng hồ sinh học của chúng ta.

Thời gian dãn nở

Thời gian dãn nở. Đồng hồ đang chuyển động thì chạy chậm đi. Vì hiệu ứng này cũng áp dụng với đồng hồ sinh học, nên những người đang chuyển động sẽ già đi chậm hơn, nhưng bạn đừng hi vọng gì nhiều nhé - ở tốc độ hàng ngày, không có đồng hồ bình thường nào đo được sự khác biệt đó.

Công trình của Einstein cho thấy rằng, giống như khái niệm đứng yên, thời gian không thể là tuyệt đối như Newton nghĩ. Nói cách khác, không thể gán cho mỗi sự kiện một thời gian mà mọi nhà quan sát đều thống nhất. Thay vào đó, mỗi nhà quan sát có một số đo thời gian riêng của họ, và thời gian đo bởi hai nhà quan sát đang chuyển động tương đối với nhau sẽ không thống nhất. Quan niệm của Einstein đi ngược lại với trực giác của chúng ta vì những ngụ ý của chúng không thể để ý ở những tốc độ mà chúng ta gặp trong cuộc sống hàng ngày. Nhưng chúng nhiều lần được thí nghiệm xác nhận. Thí dụ, hãy tưởng tượng một đồng hồ đứng yên tại tâm của trái đất, một đồng hồ khác trên mặt đất, và một đồng hồ thứ ba đặt trên máy bay, bay cùng chiều hoặc ngược chiều quay của trái đất. Tham chiếu với đồng hồ tại tâm trái đất, đồng hồ đặt trên máy bay đang chuyển động về phía đông – theo hướng quay của trái đất – đang chuyển động nhanh hơn đồng hồ trên mặt đất, và vì thế nó chạy chậm đi. Tương tự, tham chiếu với đồng hồ tại tâm trái đất, đồng hồ đặt trên máy bay đang bay về hướng tây – ngược chiều quay của trái đất – đang chuyển động chậm hơn đồng hồ trên mặt đất, nghĩa là đồng hồ đó sẽ chạy nhanh hơn đồng hồ trên mặt đất. Và đó chính là cái đã quan sát thấy khi, trong một thí nghiệm thực hiện vào tháng 10 năm 1971, một đồng hồ nguyên tử rất chính xác bay vòng quanh thế giới. Vì thế, bạn có thể kéo dài cuộc sống của mình bằng cách liên tục bay về hướng đông vòng quanh thế giới, cho dù bạn có mệt mỏi khi phải xem hết những bộ phim chiếu trên đó. Tuy nhiên, hiệu ứng là rất nhỏ, khoảng 180 nghìn tỉ của một giây trên một vòng bay (và nó có phần nhỏ hơn tác dụng của sự chênh lệch hấp dẫn, nhưng chúng ta không cần đi sâu ở đây).

Do bài báo của Einstein, các nhà vật lí nhận ra rằng bằng cách thừa nhận tốc độ ánh sáng là như nhau trong mọi hệ quy chiếu, lí thuyết điện từ của Maxwell đòi hỏi không thể xem thời gian độc lập với ba chiều không gian. Thay vào đó, thời gian và không gian hòa quyện vào nhau. Nó có phần giống như là bổ sung thêm một chiều thứ tư quá khứ/tương lai vào các chiều thông thường trái/phải, trước/sau và trên/dưới. Các nhà vật lí gọi sự se duyên này của không gian và thời gian là “không-thời gian” và vì không-thời gian có một chiều thứ tư, nên họ gọi nó là có bốn chiều. Trong không-thời gian, thời gian không còn tách rời với ba chiều không gian và, nói đại khái, giống như việc định nghĩa trái/phải, trước/sau hoặc trên/dưới phụ thuộc vào sự định hướng của người quan sát, hướng của thời gian cũng thay đổi tùy thuộc vào tốc độ của người quan sát. Những người quan sát đang chuyển động ở những tốc độ khác nhau sẽ chọn những chiều khác nhau cho thời gian trong không-thời gian. Do đó, lí thuyết tương đối đặc biệt của Einstein là một mô hình mới, bác bỏ hoàn toàn khái niệm thời gian tuyệt đối và sự đứng yên tuyệt đối (tức là đứng yên so với ê te bất động).

Einstein sớm nhận ra rằng việc làm cho sự hấp dẫn tương thích với thuyết tương đối là một thay đổi nữa cần thiết. Theo lí thuyết hấp dẫn của Newton, tại một thời điểm bất kì cho trước, các vật bị hút vào nhau bởi một lực phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng lúc đó. Nhưng lí thuyết tương đối đã bác bỏ khái niệm thời gian tuyệt đối, nên chẳng có cách nào xác định khi nào thì nên đo khoảng cách giữa các khối lượng. Bởi vậy, lí thuyết hấp dẫn của Newton không tương thích với thuyết tương đối đặc biệt và cần phải cải tiến. Sự mâu thuẫn trên nghe như là một khó khăn kĩ thuật đơn thuần, nhưng không phải vậy. Hóa ra thì không gì có thể tiến xa hơn sự thật.

Trong 11 năm tiếp sau đó, Einstein đã phát triển một lí thuyết mới của sự hấp dẫn, cái ông gọi là thuyết tương đối tổng quát. Khái niệm hấp dẫn trong thuyết tương đối tổng quát không có chút gì giống với quan niệm Newton hết. Thay vào đó, nó xây dựng trên một đề xuất mang tính cách mạng rằng không-thời gian không phẳng, như trước đây giả định, mà bị cong và biến dạng bởi khối lượng và năng lượng có trong nó.

Một cách hay để hình dung ra sự cong là nghĩ tới bề mặt của trái đất. Mặc dù bề mặt trái đất chỉ là hai chiều (vì có hai chiều trên đó thôi, thí dụ bắc/nam và đông/tây), nhưng chúng ta sẽ dùng nó làm thí dụ vì một không gian hai chiều cong thì dễ hình dung hơn là một không gian bốn chiều cong. Hình học của không gian cong như bề mặt trái đất không phải là hình học Euclid mà chúng ta đã quen thuộc. Thí dụ, trên mặt đất, khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm – cái chúng ta gọi là đoạn thẳng trong hình học Euclid – là đường nối hai điểm đó theo cái gọi là vòng tròn lớn. (Vòng tròn lớn là vòng tròn bao trên mặt đất có tâm trùng với tâm trái đất. Đường xích đạo là một thí dụ của đường tròn lớn, và bất kì vòng tròn nào thu được bằng cách quay xích đạo xung quanh đường kính của nó cũng là một vòng tròn lớn).

Hãy tưởng tượng, nói thí dụ, bạn muốn đi từ New York tới Madrid, hai thành phố gần như ở cùng một vĩ độ. Nếu như trái đất phẳng, thì lộ trình ngắn nhất sẽ là thẳng tiến về hướng đông. Nếu đi như thế, bạn sẽ tới Madrid sau khi vượt qua 3707 dặm. Nhưng do sự cong của trái đất, nên có một đường đi trên tấm bản đồ phẳng trông như bị cong và vì thế dài hơn, nhưng thật ra đó là đường đi ngắn hơn. Bạn có thể đi tới nơi với 3605 dặm đường nếu bạn đi theo lộ trình vòng tròn lớn, trước tiên đi thẳng hướng đông bắc, sau đó từ từ rẽ sang đông, rồi sau đó đi xuống đông nam. Sự khác biệt về quãng đường giữa hai lộ trình là do sự cong của trái đất, và là một dấu hiệu của cơ sở hình học phi Euclid của nó. Các hãng hàng không biết rõ điều này, và trên thực tế luôn sắp xếp cho phi công của họ bay theo những vòng tròn lớn.

Theo các định luật chuyển động của Newton, những vật như đạn pháo, bánh sừng bò, và các hành tinh chuyển động theo đường thẳng trừ khi bị một lực tác dụng, như lực hấp dẫn chẳng hạn. Nhưng sự hấp dẫn, trong lí thuyết Einstein, không phải là một lực giống như những lực khác; mà nó là hệ quả của một thực tế là khối lượng làm méo không-thời gian, tạo ra sự cong. Trong lí thuyết Einstein, các vật chuyển động trên đường trắc đạc, đó là cái gần với đường thẳng nhất trong không gian cong. Các đường thẳng là đường trắc đạc trên mặt phẳng, và các vòng tròn lớn là đường trắc đạc trên bề mặt trái đất. Khi không có mặt vật chất, đường trắc đạc trong không-thời gian bốn chiều tương ứng với những đường thẳng trong không gian ba chiều. Nhưng khi có mặt vật chất, làm biến dạng không-thời gian, thì đường đi của các vật trong không gian ba chiều tương ứng bị cong theo kiểu trong lí thuyết của Newton giải thích bằng sự hút hấp dẫn. Khi không-thời gian không phẳng, đường đi của các vật dường như bị cong, mang lại ấn tượng có một lực đang tác dụng lên chúng.

Đường trắc đạc

Đường trắc đạc. Khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm trên bề mặt trái đất dường như bị cong khi vẽ trên một tấm bản đồ phẳng.

sóng hấp dẫn và lỗ đen. Và vì thế thuyết tương đối tổng quát đã biến vật lí thành hình học. Công nghệ hiện đại đủ nhạy để cho phép chúng ta tiến hành nhiều phép kiểm tra nhạy của thuyết tương đối tổng quát, và nó lần lượt vượt qua từng phép kiểm tra một.

Mặc dù đều làm cách mạng hóa nền vật lí học, nhưng thuyết điện từ của Maxwell và thuyết hấp dẫn của Einstein – thuyết tương đối tổng quát – đều giống như vật lí học Newton, là những lí thuyết cổ điển. Nghĩa là, chúng là những mô hình trong đó vũ trụ có một lịch sử đơn nhất. Như chúng ta đã thấy trong chương trước, ở cấp độ nguyên tử và dưới nguyên tử, những mô hình này không phù hợp với quan sát. Thay vào đó, chúng ta phải sử dụng các lí thuyết lượng tử trong đó vũ trụ có thể có mọi lịch sử bất kì, mỗi lịch sử có độ lớn hoặc biên độ xác suất riêng của nó. Với những tính toán thực tế liên quan đến thế giới hàng ngày, chúng ta có thể tiếp tục sử dụng các lí thuyết cổ điển, nhưng nếu chúng ta muốn hiểu rõ hành trạng của các nguyên tử và phân tử, chúng ta cần một phiên bản lượng tử của lí thuyết điện từ Maxwell; và nếu chúng ta muốn tìm hiểu vũ trụ sơ khai, khi toàn bộ vật chất và năng lượng trong vũ trụ co lại trong một thể tích nhỏ xíu, chúng ta phải có một phiên bản lượng tử của thuyết tương đối tổng quát. Chúng ta cũng cần những lí thuyết như thế vì nếu chúng ta đi tìm một kiến thức cơ bản của tự nhiên, thì sẽ là không hay nếu một số định luật là có tính lượng tử trong khi những định luật khác là cổ điển. Do đó, chúng ta phải đi tìm những phiên bản lượng tử của tất cả các định luật của tự nhiên. Những lí thuyết như thế được gọi là lí thuyết trường lượng tử.

Các lực đã biết của tự nhiên có thể chia thành bốn loại:

1. Lực hấp dẫn. Đây là lực yếu nhất trong bốn lực, nhưng nó là lực tầm xa và tác dụng lên mọi thứ trong vũ trụ dưới dạng lực hút. Điều này có nghĩa là đối với những vật thể lớn lực hấp dẫn có thể cộng gộp lại và trở nên lấn át so với những lực khác.

2. Lực điện từ. Đây cũng là lực tầm xa và mạnh hơn nhiều so với lực hấp dẫn, nhưng nó chỉ tác dụng lên những hạt có điện tích, là lực đẩy giữa những điện tích cùng dấu và lực hút giữa những điện tích trái dấu. Điều này có nghĩa là lực điện giữa những vật thể lớn triệt tiêu lẫn nhau, nhưng ở cấp độ nguyên tử và phân tử, chúng là lực át trội. Lực điện từ là nguyên nhân gây ra mọi hiện tượng hóa học và sinh học.

3. Lực hạt nhân yếu. Lực này gây ra sự phóng xạ và giữ vai trò thiết yếu trong sự hình thành của các nguyên tố trong các ngôi sao và vũ trụ sơ khai. Tuy nhiên, chúng ta không tiếp xúc với lực này trong cuộc sống hàng ngày của mình.

4. Lực hạt nhân mạnh. Lực này liên kết các proton và neutron bên trong hạt nhân nguyên tử lại với nhau. Nó cũng liên kết bản thân các proton và neutron, điều đó cần thiết vì chúng có cấu tạo từ những hạt nhỏ bé hơn nữa, các hạt quark chúng ta đã nói tới ở chương 3. Lực mạnh là nguồn gốc năng lượng cho mặt trời và điện hạt nhân, nhưng, giống như trường hợp lực yếu, chúng ta không tiếp xúc trực tiếp với nó.

Lực đầu tiên mà một phiên bản lượng tử đã tạo ra là lực điện từ. Lí thuyết lượng tử của trường điện từ, gọi là điện động lực học lượng tử, hay viết tắt là QED, được phát triển vào thập niên 1940 bởi Richard Feynman và những nhà khoa học khác, và đã trở thành một kiểu mẫu cho mọi lí thuyết trường lượng tử. Như chúng ta đã nói, theo các lí thuyết cổ điển, lực được truyền đi bởi các trường. Nhưng trong các lí thuyết trường lượng tử, trường lực được hình dung có cấu tạo gồm những hạt sơ cấp khác nhau gọi là boson, chúng là những hạt mang lực bay tới lui giữa các hạt vật chất, trung chuyển các lực. Những hạt vật chất đó được gọi là fermion. Electron và quark là thí dụ của fermion. Photon, hay hạt ánh sáng, là thí dụ của boson. Chính boson là hạt truyền lực điện từ. Cái diễn ra là một hạt vật chất, thí dụ một electron, phát ra một boson, hay hạt lực, và giật lùi lại, giống hệt như một khẩu đại bác giật lùi sau khi khai hỏa một quả đạn pháo. Hạt lực sau đó va chạm với một hạt vật chất khác và bị hấp thụ, làm thay đổi chuyển động của hạt đó. Theo QED, mọi tương tác giữa các hạt tích điện – các hạt chịu lực điện từ - được mô tả theo sự trao đổi photon.

Các tiên đoán của QED đã được kiểm tra và tìm thấy phù hợp với các kết quả thực nghiệm với độ chính xác cao. Nhưng việc thực hiện những phép tính toán học mà QED đòi hỏi có thể thật khó. Vấn đề là, như chúng ta sẽ thấy dưới đây, khi bạn cộng khuôn khổ trao đổi hạt ở trên thì yêu cầu lượng tử là phải tính đến mọi lịch sử mà một tương tác có thể xảy ra – thí dụ, mọi cách thức mà các hạt lực được trao đổi – các phép tính trở nên thật phức tạp. May thay, với việc phát minh ra những lịch sử thay thế - phương pháp nghĩ về những lí thuyết lượng tử đã mô tả ở chương trước – Feynman còn phát triển một phương pháp trực quan dễ hiểu tính đến những lịch sử khác đó, một phương pháp ngày nay không chỉ áp dụng cho QED mà cho mọi lí thuyết trường lượng tử.

Phương pháp hình họa của Feynman cung cấp một cách hình dung mỗi số hạng trong tổng lấy theo lịch sử. Những hình họa đó, gọi là giản đồ Feynman, là một trong những công cụ quan trọng nhất của vật lí hiện đại. Trong QED, tổng lấy theo mọi lịch sử khả dĩ có thể biểu diễn dưới dạng một tổng trên giản đồ Feynman giống như hình bên dưới, hình biểu diễn một số cách để hai electron tán xạ lên nhau qua lực điện từ. Trong những giản đồ này, những đường liền nét biểu diễn electron và những đường gợn sóng biểu diễn photon. Thời gian được hiểu là tiến triển từ dưới lên trên, và những chỗ nơi các đường giao nhau tương ứng với những photon được phát ra hoặc hấp thụ bởi một electron. Giản đồ (A) biểu diễn hai electron đang tiến đến gần nhau, trao đổi một photon, và sau đó tiếp tục hành trình của chúng. Đó là cách đơn giản nhất trong đó hai electron có thể tương tác điện từ, nhưng chúng ta phải xét đến mọi lịch sử có thể diễn ra. Vì thế, chúng ta cũng phải xét đến những giản đồ như giản đồ (B). Giản đồ đó cũng biểu diễn hai đường tiến về nhau – hai electron đang đến gần – và hai đường đi ra xa nhau – hai electron tán xạ - nhưng trong giản đồ này, các electron trao đổi hai photon trước khi bay ra xa nhau. Những giản đồ vẽ trong hình chỉ là một vài trong số những khả năng; thật ra, có vô hạn số lượng giản đồ, điều đó phải tính đến trên phương diện toán học.

Giản đồ Feynman

Giản đồ Feynman. Những giản đồ này gắn liền với một quá trình trong đó hai electron tán xạ lên nhau.

Giản đồ Feynman không chỉ là một phương pháp trực quan nhằm hình dung và phân loại những tương tác có thể xảy ra như thế nào. Giản đồ Feynman đi cùng với những quy tắc cho phép bạn đọc ra, từ các đường và các đỉnh trong mỗi giản đồ, một biểu thức toán học. Thí dụ, xác suất mà những electron tới, với một xung lượng ban đầu cho trước nào đó, cuối cùng sẽ bay ra với một xung lượng nhất định nào đó, khi đó được tính bằng cách lấy tổng những đóng góp từ mỗi giản đồ Feynman. Công việc đó có thể tốn nhiều công sức, vì như chúng ta đã nói, có một số vô hạn giản đồ. Ngoài ra, mặc dù các electron tới và electron đi ra được gán cho một năng lượng và xung lượng nhất định, nhưng những hạt trong phần khép kín ở phần trong của giản đồ có thể có năng lượng và xung lượng bất kì. Điều đó là quan trọng vì khi lấy tổng Feynman, người ta phải lấy tổng không chỉ trên mọi giản đồ mà còn trên mọi giá trị đó của năng lượng và xung lượng.

Giản đồ Feynman mang lại cho các nhà vật lí sự hỗ trợ to lớn trong việc hình dung và tính toán xác suất của những quá trình mà QED mô tả. Nhưng chúng không chữa nổi một thiếu sót quan trọng mà lí thuyết trên gánh chịu: Khi bạn cộng những đóng góp từ vô số những lịch sử khác nhau, bạn có một kết quả vô hạn. (Nếu những số hạng liên tiếp trong một tổng vô hạn giảm đủ nhanh, thì có khả năng tổng đó là hữu hạn, nhưng thật không may, điều đó không xảy ra ở đây) Đặc biệt, khi cộng hết các giản đồ Feynman, câu trả lời dường như ngụ ý rằng electron có một khối lượng và điện tích vô hạn. Điều này là vô lí, vì chúng ta có thể đo khối lượng và điện tích đó, và chúng là hữu hạn. Để xử lí những vô hạn này, một thủ thuật gọi là chuẩn hóa lại đã được phát triển.

Quá trình chuẩn hóa lại bao gồm việc trừ những đại lượng được xác định là vô hạn và âm theo một kiểu sao cho, với sự tính toán thận trọng, tổng của những giá trị âm vô hạn và những giá trị dương vô hạn phát sinh trong lí thuyết hầu như triệt tiêu nhau, để lại một kết quả nhỏ, những giá trị hữu hạn đã quan sát thấy của khối lượng và điện tích. Những thủ thuật này nghe giống như là loại công việc bạn làm ở một lớp lưu ban do học toán kém, và sự chuẩn hóa lại thật sự mơ hồ về mặt toán học. Một hệ quả là những giá trị thu được bởi phương pháp này cho khối lượng và điện tích của electron có thể là một con số hữu hạn bất kì nào đó. Cái tiện lợi là các nhà vật lí có thể chọn những vô hạn âm theo một kiểu mang lại câu trả lời hợp lí, nhưng cái bất lợi là khối lượng và điện tích của electron, do đó, không thể tiên đoán từ lí thuyết. Nhưng một khi chúng ta đã cố định khối lượng và điện tích của electron theo kiểu này, thì chúng ta có thể sử dụng QED để đưa ra nhiều tiên đoán rất chính xác khác, chúng đều cực kì phù hợp với quan sát, nên sự chuẩn hóa lại là một trong những thành phần thiết yếu của QED. Thí dụ, một thành tựu sớm của QED là sự tiên đoán rất chính xác cái gọi là độ lệch Lamb, một sự thay đổi nhỏ ở năng lượng của một trong những trạng thái của nguyên tử hydrogen đã phát hiện ra vào năm 1947.

Giản đồ Feynman

Giản đồ Feynman. Richard Feynman từng lái một chiếc xe hơi nổi tiếng với những giản đồ Feynman vẽ bên ngoài xe. Hình trang trí này được vẽ để thể hiện những sơ đồ đã nói ở trên. Mặc dù Feynman đã qua đời hồi năm 1988, nhưng chiếc xe vẫn còn – nó ở trong nhà kho gần Caltech ở Nam California.

Thành công của sự chuẩn hóa lại trong QED đã khích lệ những nỗ lực đi tìm những lí thuyết trường lượng tử mô tả ba lực còn lại của tự nhiên. Nhưng sự phân chia các lực tự nhiên thành bốn loại có lẽ mang tính nhân tạo và là một hệ quả của sự thiếu hiểu biết của chúng ta. Vì thế, người ta đi tìm một lí thuyết của tất cả sẽ thống nhất bốn nhà lực thành một định luật duy nhất tương thích với thuyết lượng tử. Đây sẽ là món chén thánh của vật lí học.

Một dấu hiệu rằng sự thống nhất là cách tiếp cận đúng đến từ lí thuyết của lực yếu. Lí thuyết trường lượng tử mô tả lực yếu theo kiểu riêng của nó không thể chuẩn hóa lại được; nghĩa là nó có những vô hạn không thể nào triệt tiêu bằng cách trừ một số vô hạn những đại lượng như khối lượng và điện tích. Tuy nhiên, vào năm 1967, Abdus Salam và Steven Weinberg, mỗi người độc lập nhau, đã đề xuất một lí thuyết trong đó lực điện từ được thống nhất với lực yếu, và nhận thấy sự thống nhất đó chữa trị được căn bệnh các vô hạn. Lực thống nhất ấy được gọi là lực điện yếu. Lí thuyết của nó có thể chuẩn hóa lại, và nó dự đoán ba hạt mới gọi là W⁺, W^- và Z⁰. Bằng chứng cho Z⁰ đã được phát hiện ra tại CERN ở Geneva hồi năm 1973, Salam và Weinberg được tặng Giải Nobel năm 1979, mặc dù hạt W và Z chưa được quan sát trực tiếp, mãi cho đến năm 1983.

Thiết kế vĩ đại
Stephen Hawking & Leonard Mlodinow
Trần Nghiêm dịch

Phần tiếp theo >>