VỀ QUYỂN SÁCH
Vũ trụ thật ra được làm bằng gì? Làm thế nào chúng ta biết được? Hãy theo dõi bản đồ thế giới vô hình đề tìm câu trả lời...
Trong hơn sáu mươi năm qua, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã cùng nhau khảo sát những thành phần cơ bản của vật chất, và các lực chi phối hành trạng của chúng. Kết quả, cho đến nay, là ‘Mô hình Chuẩn’ của vật lí hạt: một bản đồ lí thuyết của những viên gạch cấu trúc cơ bản của vũ trụ. Với khám phá boson Higgs vào năm 2012, bản đồ mà chúng ta biết đã hoàn chỉnh, nhưng nó cũng mở rộng vào một vùng đất mới kì lạ.
Bản đồ Miền đất Vô hình là một cẩm nang của nhà thám hiểm đến với Mô hình Chuẩn và những vùng đất đặc biệt của vật lí hạt. Sau khi thu nhỏ chúng ta xuống kích cỡ của một hạt hạ nguyên tử, nhà vật lí tiên phong Jon Butterworth đưa chúng ta lên con thuyền nghiên cứu của ông trong hành trình tìm kiếm các nguyên tử và các quark, electron và neutrino, và các lực định hình nên vũ trụ. Từng bước một, chúng ta tiến vào thế giới không nhìn thấy, khám phá những hiện tượng vừa kì lạ vừa tuyệt diệu, từ các nguyên tử đến lỗ đen và vật chất tối, và xa hơn nữa, đến những ranh giới ngoài cùng của vũ trụ và tiền phương của kiến thức nhân loại.
Được minh họa thật đẹp, với những bản đồ mở ra dần dần đem lại một chú giải hình ảnh mang tính sáng tạo khi hành trình tiếp diễn, Bản đồ Miền đất Vô hình cung cấp một giới thiệu cơ bản về thế giới của chúng ta, và về vật lí hạt. Nó là một tác phẩm bước ngoặt của một trong những nhà khoa học và nhà văn khoa học vĩ đại ngày nay.
VỀ TÁC GIẢ
Jon Butterworth hiện là Trưởng khoa Vật lí và Thiên văn tại UCL và làm việc với Thí nghiệm ATLAS tại Máy Va chạm Hadron Lớn ở CERN. Ông học tại Đại học Oxford, lấy bằng tiến sĩ vật lí hạt năm 1992. Ông còn là tác giả của quyển Vật lí học Va chạm, và blog ‘Life and Physics’ cho tờ Guardian. Ông sống ở London.
LƯU Ý VỀ CÁC BẢN ĐỒ
Các bản đồ trong quyển sách này nên được xem là một trợ giúp để ghi nhớ, chứ không phải một biểu diễn chi tiết của vật lí hạt. Đại khái có sự tăng năng lượng (và giảm kích cỡ) từ tây sang đông, và tăng sự phức tạp từ nam lên bắc, nhưng có những khu vực xám màu và mơ hồ. Thỉnh thoảng cấp năng lượng là năng lượng liên kết, thỉnh thoảng khối lượng, và cũng có những bất cập không thể tránh được. Ví dụ, photon thuộc về xứ sở Bosonia ở phía đông, mặc dù sự hiện diện của nó được cảm nhận từ xa phía tây. Tau và muon còn xa về phía đông hơn cả quark lên, quark xuống và quark lạ, dựa trên khối lượng của chúng, mặc dù người ta thật sự phải băng qua Lambda QCD để đến với các quark. Ngụ ngôn và sự tương tự có thể giúp bạn hiểu, nhưng bạn sẽ hiểu sai nếu đi quá đà. Hãy thưởng thức chuyến đi của bạn và hãy bảo trọng.
LỜI NÓI ĐẦU
Hành trình xuất phát
Hãy xét một thí nghiệm tưởng tượng: lấy một quả táo và xẻ nó làm đôi, sau đó xẻ nó làm đôi lần nữa, và lần nữa, và cứ làm thế. Bạn sẽ thu được cái gì?
Hoặc, ít mang tính phá hoại hơn, hãy nhìn xuyên thấu càng lúc càng sâu vào một quả táo: cấu trúc nào lộ ra? Phải chăng mọi thứ được làm bằng một tập hợp nhỏ của những thành phần chung – gọi chúng là nguyên tố, hay nguyên tử - sắp xếp theo những cách khác nhau? Nếu vậy, thì điều gì xảy ra nếu tôi nhìn kĩ hơn vào những thành phần đó? Phải chăng chúng được làm bằng thứ còn nhỏ hơn nữa?
Cái cuối cùng lộ ra là một cảnh quan. Cư trú trong cảnh quan đó là những hạt kì lạ và tuyệt vời. Trong cảnh quan này là những hòn đảo phức tạp kết nối với nhau bởi những mạng lưới truyền thông, hiện lên từ đại dương thiếu hiểu biết của chúng ta. Cảnh quan đó bắt đầu từ cuộc sống thường ngày, với một quả táo, chẳng hạn, và trải rộng đến tiền phương hoang dã của cái nhỏ bé hầu như không tưởng.
Để đi từ quả táo đến cái nhỏ không tưởng, ta sẽ cần giong buồm. Ta sẽ cần một con thuyền, một con tàu sẽ tượng trưng cho kính hiển vi, máy gia tốc và các máy móc khác mở rộng tầm nhìn của chúng ta vượt ngoài khả năng của mắt trần và tiến vào trái tim của nguyên tử và hơn nữa. Ta có thể giong buồm bao xa? Có một điểm kết cho thế giới vô hình này hay không? Có hay không những hạt không thể chia nhỏ, từ đó vạn vật khác được làm ra, hay chúng ta có thể tiếp tục mãi mãi, tìm thấy chất liệu càng ngày càng nhỏ hơn, giong buồm xa tít mù về hướng đông? Những câu hỏi này đã được bàn luận trong hàng thiên niên kỉ, và giải quyết chúng là một trong những mục tiêu của vật lí học. Câu trả lời, trong chừng mực mà chúng ta biết, được tìm thấy ở cảnh quan kì lạ, vô hình mà chúng ta sẽ thám hiểm và lập bản đồ trong quyển sách này.
Tên của Trò chơi
Khoa học của những thứ rất nhỏ thường được gọi là ‘vật lí hạt’. Không có tên gọi nào là hoàn hảo cả, và tên gọi này đang gây phiền hà ở một số mặt.
Từ ‘hạt’ có khả năng bị hiểu sai. Nhà vật lí nghiên cứu các hạt cát, hạt chất ô nhiễm, hạt bụi – trong không gian và trong khí quyển – và những mớ nhỏ chất liệu khác, chúng chẳng can hệ gì với những thành phần tối hậu của vật chất.
Thỉnh thoảng vật lí hạt được gọi là ‘vật lí hạt sơ cấp’ để phân biệt nó với việc nghiên cứu những phức hạt này. Nhưng tên gọi này chẳng giúp gì nhiều, bởi vì proton và neutron – những hạt quan trọng, nhỏ xíu là cái nổi bật thiết yếu trong cảnh quan của lĩnh vực đang nói – không phải là sơ cấp. Đôi khi chúng ta còn tìm thấy những hạt cơ bản của các lí thuyết hiện nay của chúng ta cũng chẳng phải sơ cấp, mặc dù việc nghiên cứu chúng dứt khoát thuộc về ‘vật lí hạt’. Vật lí hạt sơ cấp cũng không được ưa chọn làm tên cho nhóm nghiên cứu hay khóa học ở trường đại học vì nó khiến môn học nghe quá dễ ăn. Một sinh viên ghi danh vào lớp ‘Vật lí Hạt Sơ cấp’ có thể bị sốc khi đối mặt trước các phương trình liên quan đến những hạt mà chúng ta sẽ tìm kiếm.
Vật lí năng lượng cao là một tên gọi thay thế được sử dụng phổ biến, và quả thật cách tiếp cận trực tiếp với vật lí hạt – về cơ bản, cho các thứ đâm vào nhau trong máy va chạm đồ sộ để xem chuyện gì xảy ra – liên quan đến rất nhiều năng lượng. Nhưng một số thí nghiệm then chốt thật ra lại dựa trên những hạt năng lượng rất thấp và rất, rất hiếm. Nhà vật lí giấu các detector của họ ở sâu dưới lòng đất để cố gắng loại trừ tín hiệu nhiễu, và mỗi cú hích năng lượng cực thấp là cái gây phiền toái hoặc hào hứng. Những thí nghiệm này gián tiếp cho chúng ta biết đôi điều về cái diễn ra ở năng lượng cao, nhưng gọi chúng là ‘vật lí năng lượng cao’ thì có chút gì đó không thích hợp.
Một vấn đề nữa với tên gọi ‘vật lí năng lượng cao’ là các nhà vật lí hạt nhân, nhà thiên văn vật lí, nhà vật lí plasma và nhiều nhà vật lí khác đều làm việc với những năng lượng cao hơn nhiều so với năng lượng dùng để khảo sát các giới hạn của vật lí hạt. Năng lượng của một va chạm trong Máy Va chạm Hadron Lớn, cỗ máy va chạm hạt năng lượng cao nhất từng được chế tạo tại lúc viết bài này, là hết sức nhỏ so với năng lượng giải phóng trong một lò phản ứng hạt nhân đang vận hành, và đến lượt năng lượng lại này chẳng thấm vào đâu so với một ngôi sao đang nổ.
Cho dù chúng ta gọi nó bằng tên gì, nghiên cứu vật lí hạt là hoạt động thực tiễn, nó thay thế triết học suy đoán bằng thí nghiệm, bắt đầu với đôi mắt của con người, rồi đến kính hiển vi, và tiếp tục đến các máy gia tốc hạt đầy sức mạnh và các thiết bị chính xác khác. Mỗi thế hệ thí nghiệm mới mở ra cho con người những diện mạo mới về cái rất nhỏ, và giúp chúng ta lập bản đồ chỉ dẫn tiến sâu hơn vào trái tim của vật chất.
Nhưng tóm lại, câu hỏi đặt ra vẫn như cũ, ngày trước cũng như ngày nay: vũ trụ thật sự được làm bằng cái gì khi bạn chia nhỏ nó ra?
Mô hình Chuẩn
Câu trả lời hiện nay được gói gọn trong một lí thuyết mang cái tên không đúng sự thật (nói thẳng thắn là ngốc nghếch) là ‘Mô hình Chuẩn’, nó tóm tắt hiện trạng kiến thức của chúng ta về các lực sơ cấp và các thành phần của vật chất – lĩnh vực khoa học thường được gọi là vật lí hạt. Đây là một lí thuyết (nó thật sự mang tính lí thuyết hơn là một mô hình, mặc dù hai thuật ngữ có ý nghĩa khác nhau đối với những người khác nhau), nó là sản phẩm của nhiều thập niên lao động và nghiên cứu, và nó mô tả thành công phạm vi rộng hiện tượng vật lí.
Lúc mới lớn tôi thường thấy các nhà hàng Ấn Độ hay Pakistan tự gọi họ là “Chuẩn”, như trong Tandoori Chuẩn hay Lâu đài Balti Chuẩn. Biết rằng tôi sinh trưởng ở Manchester, xứ sở của con đường ‘Curry Mile’ ở Rusholme, ‘tiêu chuẩn’ là cực kì cao, và là thứ gì đó mà một nhà hàng mới mở sẽ khao khát. Tôi nghĩ Mô hình Chuẩn nên được nhìn nhận theo kiểu giống như vậy. Tên gọi khiêm tốn là một dấu hiệu của chất lượng. Bất kì lí thuyết mới nào có thể xuất hiện đều có một tiêu chuẩn cao phải đáp ứng.
Một ví dụ về sức mạnh của Mô hình Chuẩn là sự thành công mà nó thu được trong năm 2012 với việc khám phá boson Higgs đã được dự đoán từ lâu. Đây là một loại đối tượng mới, chưa có tiền lệ trong tự nhiên, và nó thiết yếu cho sự nhất quán toán học của lí thuyết.
Nhưng hiện nay thời gian đã đủ chín muồi để nói rằng khám phá boson Higgs là một biện hộ bất ngờ cho những ý tưởng ẩn sau lí thuyết ấy. Thật đáng chú ý, nay ta đã có một lí thuyết tự nhất quán trong đó những vật nhỏ nhất thật sự vô cùng nhỏ. Lí thuyết này có thể mô tả các hiện tượng trên một phạm vi rộng năng lượng và khoảng cách, một phạm vi đã được mở rộng kịch tính bởi việc khám phá boson Higgs.
Những ý tưởng ẩn sau Mô hình Chuẩn thật đẹp và mang tính toán học, và xét phạm vi mênh mông của những quan sát mà nó có thể mô tả, thì nó hết sức gọn gàng và đơn giản. Mỗi ý tưởng riêng lẻ đưa vào trong nó là có thể hiểu được, ít nhất là ở vẻ ngoài, bởi bất kì ai. Nhưng có một vài ý tưởng quan trọng và không quen thuộc, và việc dựng lên bức tranh tổng thể, cách thức mà nó khớp hết với nhau, hiện đang là thách thức.
Mô hình Chuẩn nhất thiết là động. Nó có thể cần sửa đổi khi dữ liệu mới xuất hiện. Tuy nhiên, sự linh hoạt đó không làm thay đổi thực tế nó là một lí thuyết hiệu quả, mô tả thật đẹp một ma trận dữ liệu mênh mông. Nó chứa đựng chân lí – chứ chưa phải toàn bộ chân lí.
Quyển sách này một sự tìm kiếm chân lí. Hay một sự tìm kiếm càng nhiều càng tốt những chân lí mà chúng ta biết.
Nó sẽ đưa bạn đi qua tám, có lẽ là tám rưỡi, chuyến thám hiểm sâu vào trái tim của vũ trụ chất liệu. Những chuyến thám hiểm này sẽ cùng nhau vén màn và khai phá những thành phần nhỏ nhất của vật chất, khảo sát xem chúng hành xử như thế nào (chúng thường hành xử khá lạ lùng) và nhận ra các lực liên kết và phá vỡ chúng. Đây là một câu chuyện về thế giới của chúng ta, và thật vậy về vũ trụ của chúng ta. Chính từ những viên gạch cấu trúc này mà các phân tử và các chất liệu của cuộc sống thường ngày, và các sao và thiên hà ngoài kia, được hình thành.
Khi chúng ta thám hiểm lãnh thổ mới trên biên giới của kiến thức vật lí, những miền đất chúng ta khám phá sẽ được đặt tên, và được định vị gắn kết với nhau. Quark, boson, hadron và phần còn lại sẽ được đặt vào cái nói chung là một chú giải có minh họa, nó cũng sẽ cung cấp một khuôn khổ trong đó các ý tưởng của Mô hình Chuẩn có thể đặt vào. Những điểm nổi bật mà chúng ta gặp phải thỉnh thoảng trông có chút tùy tiện, nhưng chúng phản ánh bằng chứng tốt nhất mà ta có tính cho đến nay. Và – trong chừng mực mà chúng ta biết – trong khi một số điểm nổi bật của Mô hình Chuẩn thật sự tùy tiện, thì những điểm khác có những lí giải sâu sắc, và toàn bộ cấu trúc có mức cao của cái đẹp và tiết kiệm, ít nhất là so với bất kì lí thuyết nào trước đó.
Trước khi dấn thân vào hành trình của chúng ta, bạn cũng nên lưu ý rằng đây chỉ là một hành trình khả dĩ đến với các tiền phương của khoa học. Nó là một cách tiếp cận suy giản luận, và chúng ta biết nó sẽ không làm rõ toàn bộ câu chuyện, theo nghĩa là, cho dù nó để lộ một cái gọi là ‘lí thuyết của tất cả’ (có thể hoặc không thể vừa trên một áo sơ mi), nhưng nó vẫn để lại rất nhiều cái chưa biết. Cho dù những thành phần nhỏ xíu mà vật lí hạt vén màn là gì đi nữa, thì chúng ta đã biết các tương tấc của chúng – và cách thức chúng hành xử ở số lượng lớn – làm sáng tỏ những nguyên lí nền tảng sâu sắc và những hành trạng phức tạp không nhất thiết hiển hiện từ cái gọi là các gọi là các định luật ‘cơ bản’. Có nền vật lí mới – không đề cập đến hóa học, sinh học và những ngành còn lại – được tìm thấy ở đây. Tuy nhiên, kiến thức về cấu trúc của vật chất ở những khoảng cách nhỏ nhất có thể truy xuất là quan trọng, và chắc chắn là một trong những tiền phương sôi động nhất của khoa học, và đó là nơi chúng ta đang tiến tới. Những bản đồ mà chúng ta lập cũng sẽ cho thấy một số nguyên lí gây sửng sốt và tươi đẹp đó dường như áp dụng được xa rộng cho toàn cõi thiên nhiên.
Và, giống như bất kì bản đồ của nhà thám hiểm xa xưa nào, sẽ có đường biên giới. Mô hình Chuẩn có thể là hoàn thiện, nhưng sự hiểu biết của chúng ta về vật lí học thì không. Chuyến đi cuối cùng sẽ đưa chúng ta vào vùng đất chưa biết, hãy cảnh giác với quái vật biển và tiếng kêu gây xao lãng của còi báo động, tìm kiếm nhiều câu trả lời hơn.
Bản đồ Miền đất Vô hình - Jon Butterworth
Bản dịch của Thư Viện Vật Lý
| Phần tiếp theo >>
