Bên trong vũ trụ đã mô tả ở bài học trước, ánh sáng và vạn vật biến dịch. Ánh sáng gồm các photon, các hạt ánh sáng mà Einstein đã trực giác hình dung. Vạn vật mà ta thấy được làm bởi các nguyên tử. Mỗi nguyên tử gồm một hạt nhân được vây xung quanh bởi các electron. Mỗi hạt nhân gồm các proton và neutron được đóng gói chặt. Cả proton và neutron đều được làm bằng những hạt còn nhỏ hơn mà nhà vật lí Mĩ Murray Gell-Mann đặt tên là ‘quark’, lấy cảm hứng bởi một từ tưởng chừng vô nghĩa trong một cụm từ vô nghĩa trong tác phẩm Finnegans Wake của James Joyce: ‘Ba quark cho Muster Mark!’ Mỗi thứ mà chúng ta chạm vào, do đó, được làm bởi các electron và các quark này.
Lực ‘kết dính’ các quark bên trong proton và neutron được sinh ra bởi các hạt mà các nhà vật lí, với chút ít ngữ nghĩa khôi hài, gọi là ‘gluon’.
Electron, quark, photon và gluon là các thành phần của vạn vật chiếm lĩnh không gian xung quanh chúng ta. Chúng là các ‘hạt sơ cấp’ đã được nghiên cứu trong ngành vật lí hạt. Có một vài hạt khác được bổ sung thêm vào những hạt này, ví dụ như các neutrino tràn ngập vũ trụ nhưng ít tương tác với chúng ta, và ‘boson Higgs’ mới được phát hiện gần đây tại Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN ở Geneva. Nhưng không có nhiều hạt thế này, thật ra là có chưa tới mười chủng loại. Một nhúm thành phần sơ cấp tác dụng như những viên gạch trong một bộ ghép hình Lego khổng lồ, và với chúng toàn bộ thực tại vật chất xung quanh chúng ta được xây dựng nên.
Bản chất của những hạt này, và cách chúng chuyển động, được mô tả bởi cơ học lượng tử. Các hạt này không có một thực tại kiểu đá cuội mà là ‘lượng tử’ của những trường tương ứng, giống hệt như các photon là ‘lượng tử’ của trường điện từ. Chúng là các kích thích sơ cấp của một thể nền đang chuyển động tương tự như trường của Faraday và Maxwell. Các gợn sóng lan truyền nhỏ xíu. Chúng biến mất và xuất hiện trở lại theo các định luật kì lạ của cơ học lượng tử, trong đó mọi thứ tồn tại không bao giờ bền vững, và mọi thứ chẳng là gì ngoài một bước nhảy từ tương tác này sang tương tác khác.
Cho dù chúng ta quan sát một vùng trống không nhỏ xíu của không gian, trong đó chẳng có nguyên tử nào, chúng ta vẫn phát hiện một bầy đàn bé nhỏ của những hạt này. Không có cái đại loại là một khoảng trống đích thực, một khoảng không hoàn toàn trống rỗng. Giống như mặt biển lặng gió nhìn gần vẫn thấy các nhấp nhô và xao động, tuy là hơi nhẹ, các trường tạo nên thế giới cũng chịu những thăng giáng nhỏ, và ta có thể tưởng tượng các hạt cơ bản của nó có sinh tồn ngắn ngủi và phù du, liên tục được sinh ra và phân hủy bởi những chuyển động này.
Đây là thế giới được mô tả bởi cơ học lượng tử và lí thuyết hạt. Chúng ta đã tiến rất xa khỏi thế giới cơ học của Newton và Laplace, trong đó những viên cuội nhỏ lạnh lẽo chuyển động vĩnh hằng trên những quỹ đạo dài chính xác trong không gian hình học bất biến. Cơ học lượng tử và các thí nghiệm hạt cho chúng ta biết rằng thế giới là một bầy đoàn liên tục, không ngừng nghỉ của các thứ; một sự xuất hiện và biến mất liên tục của những thực thể phù du. Một tập hợp dao động, như thể trong thế giới hippy rộ lên hồi thập niên 1960. Một thế giới của cái xảy ra, không phải thế giới của các thứ.
Các chi tiết của lí thuyết hạt được xây dựng dần trong các thập niên 1950, 1960 và 1970, bởi một số nhà vật lí vĩ đại nhất của thế kỉ như Richard Feynman và Gell-Mann. Công trường xây dựng này đưa đến một lí thuyết khó hiểu, được xây dựng trên cơ học lượng tử và mang tiêu đề không lãng mạn gì cho lắm là ‘các hạt sơ cấp của Mô hình Chuẩn’. ‘Mô hình Chuẩn’ được hoàn tất vào thập niên 1970, sau một chuỗi dài thí nghiệm xác nhận hết các tiên đoán. Sự xác nhận cuối cùng của nó diễn ra vào năm 2013 với việc khám phá boson Higgs.
Nhưng bất chấp hàng loạt thí nghiệm thành công, Mô hình Chuẩn vẫn chưa từng được các nhà vật lí xem xét nghiêm túc. Nó là một lí thuyết trông manh mún, vá chằng vá đụp, ít ra thoạt nhìn là như thế. Nó gồm các mảnh và các phương trình được lắp ghép mà không có bất cứ một trật tự rõ ràng nào. Một số nhất định trường (nhưng tại sao lại chính xác số lượng này?) đang tương tác giữa chúng với những lực nhất định (nhưng tại sao lại là những lực này?) mà mỗi tương tác được xác định bởi những hằng số nhất định (tại sao lại chính xác những giá trị này?) cho thấy những đối xứng nhất định (một lần nữa, tại sao lại là những đối xứng này?) Chúng ta đã tiến xa khỏi cái đơn giản của các phương trình thuyết tương đối tổng quát, và các phương trình của cơ học lượng tử.
Cách mà các phương trình của Mô hình Chuẩn đưa ra các tiên đoán về thế giới cũng hết sức vô lí. Được sử dụng trực tiếp, các phương trình này đưa đến những tiên đoán vô nghĩa trong đó mỗi đại lượng được tính hóa ra là lớn vô hạn. Để thu được kết quả có nghĩa cần phải tưởng tượng bản thân các tham số tham gia vào chúng là lớn vô hạn, để triệt tiêu với các kết quả vô lí và làm cho chúng hợp lí. Thủ tục rắc rối và kì cục này được đặt cho cái tên chuyên môn là ‘tái chuẩn hóa’. Trong những năm cuối của đời ông, nhà khoa học vĩ đại của thế kỉ hai mươi hậu Einstein, Paul Dirac, vị kiến trúc sư vĩ đại của cơ học lượng tử, tác giả của những phương trình đầu tiên và phương trình chủ đạo của Mô hình Chuẩn, nhiều lần thể hiện sự bất mãn của ông trước tình trạng này, ông kết luận rằng ‘chúng ta chưa từng giải quyết được vấn đề đó’.
Ngoài ra, một hạn chế nổi bật của Mô hình Chuẩn mới xuất hiện trong những năm gần đây. Xung quanh mỗi thiên hà các nhà thiên văn quan sát thấy một đám mây lớn vật liệu biểu lộ sự tồn tại của nó thông qua lực hút hấp dẫn mà nó tác dụng lên các sao, và bởi cách nó làm lệch hướng ánh sáng. Nhưng đám mây to lớn này, nhờ đó chúng ta quan sát thấy các hiệu ứng hấp dẫn, không thể nhìn thấy trực tiếp được và chúng ta không biết nó làm bằng cái gì. Vô số giả thuyết đã được đề xuất, nhưng chưa có lí thuyết nào tỏ ra suôn sẻ. Rõ ràng có cái gì đó ở ngoài kia, nhưng chúng ta không biết nó là cái gì. Ngày nay, nó được gọi là ‘vật chất tối’. Bằng chứng chỉ dấu rằng nó là thứ không được mô tả bởi Mô hình Chuẩn, bằng không chúng ta sẽ nhìn thấy nó. Cái gì đó ngoài các nguyên tử, neutrino hay photon...
Thật quá bất ngờ rằng có nhiều thứ ở trên trời và trên Trái đất, các bạn độc giả thân mến ạ, nhiều hơn cả trong triết lí của chúng ta – hay trong vật lí học của chúng ta. Chúng ta thậm chí chẳng nghi ngờ sự tồn tại của sóng vô tuyến và neutrino, chúng choán đầy vũ trụ, mãi cho đến gần đây. Mô hình Chuẩn vẫn là cái tốt nhất mà ta có hiện nay khi nói về thế giới vạn vật, các dự đoán của nó đều đã được xác nhận; và ngoài vật chất tối – và lực hấp dẫn như mô tả trong thuyết tương đối tổng quát là sự cong của không-thời gian – nó mô tả tốt mọi mặt của thế giới mà ta nhận thức được.
Các lí thuyết thay thế đã được đề xuất, chúng chỉ bị đánh đổ bởi các thí nghiệm. Thí dụ, một lí thuyết đẹp được đề xuất hồi thập niên 1970, và được đặt tên chuyên môn là SU5, thay thế các phương trình lộn xộn của Mô hình Chuẩn bằng một cấu trúc đơn giản và tao nhã hơn nhiều. Lí thuyết ấy dự đoán rằng một proton có thể phân hủy, với một xác suất nhất định, biến đổi thành electron và quark. Những cỗ máy lớn đã được xây dựng nhằm quan sát các proton phân hủy. Các nhà vật lí đã dành trọn đời họ để tìm kiếm một phân hủy proton có thể quan sát được. (Bạn không nên nhìn vào một photon mỗi lúc, vì mất rất lâu thì nó mới phân hủy. Bạn lấy hàng tấn nước và đặt xung quanh nó những detector nhạy để quan sát các hiệu ứng của sự phân hủy.) Nhưng, lạy Chúa, chưa có proton nào từng được chứng kiến phân hủy. Lí thuyết đẹp đẽ SU5, bất chấp nét đẹp tao nhã đáng kể của nó, không phải là món khoái khẩu của Chúa.
Câu chuyện có lẽ đang tự lặp lại vào lúc này với một nhóm lí thuyết gọi là ‘siêu đối xứng’, chúng dự đoán sự tồn tại của một họ hạt mới. Trong quãng đời nghiên cứu của mình, tôi nghe nói các đồng nghiệp đang chờ đợi với đầy lòng nhiệt huyết sự xuất hiện sắp tới của những hạt này. Hàng ngày, hàng tháng, hàng năm và hàng thập kỉ đã trôi qua – nhưng các hạt siêu đối xứng vẫn chưa chịu lộ diện. Vật lí học không chỉ là một lịch sử của những thành công.
Vậy cho nên, chúng ta phải tạm dừng lại với Mô hình Chuẩn. Có thể nó không tao nhã lắm, nhưng nó hoạt động tốt ở việc mô tả thế giới xung quanh chúng ta. Và ai biết được chứ? Có lẽ khi xem xét gần hơn, nó không phải là mô hình thiếu tao nhã. Có lẽ nó là cái mà chúng ta chưa biết cách nhìn nhận đúng từ góc nhìn thích hợp; một góc nhìn sẽ làm sáng tỏ cái đơn giản tiềm ẩn của nó. Hiện nay, đây là cái chúng ta biết về vật chất:
Một vài loại hạt sơ cấp, chúng dao động và thăng giáng liên tục giữa sinh tồn và không hiện hữu và chiếm ngự không gian kể cả khi trông như chẳng có gì ở đó, kết hợp với nhau đến vô hạn như các kí tự của một bảng chữ cái vũ trụ cho biết lịch sử mênh mang của các thiên hà, của vô số sao không đếm xuể, của ánh sáng mặt trời, của núi non, rừng rậm và các cánh đồng ngũ cốc, của những gương mặt tươi cười của lớp trẻ tại buổi dạ tiệc, và của bầu trời đêm khảm sao lấp lánh.
Trích Bài học thứ tư, Sách Bảy Bài học Vật lí Ngắn của Carlo Rovelli
Bản dịch của Trần Nghiêm
