CHUYẾN THÁM HIỂM I
Đứng cho vững, đừng say sóng
Một con thuyền, nó làm bằng gì chứ – Hải âu, cá heo và nhiễu động – Một bài học từ hoa tiêu – Một số thủy thủ hoài nghi, không kiên nhẫn giong buồm – Hoa tiêu vẫn đi tới, cùng với laser – Các thủy thủ bị thuyết phục – Không phải loại lĩnh vực quen thuộc của bạn – Khoảng cách ngắn, năng lượng cao và mối liên hệ giữa chúng – Tầm quan trọng của việc bạn chọn đường đi
1
Căng buồm
Đã có một con tàu nhỏ nhưng chịu được sóng gió, với một thủy thủ đoàn lộn xộn gồm các nhà vật lí chuyên nghiệp và những kẻ nghiệp dư hiếu kì, chúng ta căng buồm thôi. Khoang tàu chứa đầy nhu yếu phẩm, một mớ lộn xộn gồm trang thiết bị khoa học lẫn đàn ghita. Ta đã có một số lí thuyết để kiểm tra, và ta cần dữ liệu. Giống như Darwin trên chuyến đi của con tàu Beagle, ta hi vọng tìm thấy bản thân mình sẽ được tiến bộ bởi chuyến đi đến những đất nước xa xôi.
Ta tiến vào vùng biển bí ẩn của cái vô cùng nhỏ từ phía tây. Trên bản đồ của chúng ta, những đường nét ở phía tây là những vật ở cấp độ con người. Khi ta giong buồm đông tiến, ta sẽ thu mình nhỏ dần, nhìn từ cột buồm trên tàu của chúng ta vào trái tim của vật chất, lập bản đồ cái vô hình.
Phần lớn mọi thứ được làm bằng những thứ nhỏ hơn. Con tàu của chúng ta được làm bằng gỗ, kim loại, sợi thủy tinh. Chẳng cần tốn sức cũng thấy được bản thân những vật liệu này được làm bằng chất liệu nhỏ hơn: những thớ gỗ, sợi thủy tinh, plastic. Sợi thủy tinh, bề dày bằng sợi cotton, được làm bằng silica. Mỗi một sợi trong số này được làm bằng các nguyên tử silicon liên kết với các nguyên tử oxygen, với hai nguyên tử oxygen ứng với mỗi nguyên tử silicon – silicon dioxide. Một nguyên tử silicon nhỏ hơn một tỉ lần so với bề dày của sợi thủy tinh. Nếu mỗi nguyên tử silicon có kích cỡ bằng một hạt đậu trong gian bếp của con tàu, thì sợi thủy tinh sẽ có đường kính gần bằng Trái Đất.
Mỗi nguyên tử silicon gồm một hạt nhân với mười bốn electron vây xung quanh, mỗi electron mang điện tích âm. Hạt nhân silicon có điện tích dương bằng mười bốn lần điện tích electron, vì thế mà có mười bốn electron bám lấy nó. Đó là một loại cấu hình quen thuộc. Hệ Mặt Trời có tám hành tinh (cùng một số thiên thạch và vẩn thạch) quay xung quanh Mặt Trời ở giữa. Cũng thú vị nếu bạn hình dung nguyên tử silicon như một Hệ Mặt Trời nhỏ xíu, với mười bốn hành tinh-electron nhỏ bé quay xung quanh hạt nhân. Nhưng như chúng ta sẽ khám phá, các electron không phải những hành tinh nhỏ bé, chúng thực sự là cái gì đó khá mới mẻ và khác biệt.
Khi tàu của chúng ta căng buồm đông tiến, và chúng ta thu nhỏ kích cỡ dần dần, thế giới xung quanh chúng ta biến đổi. Phần lớn những định luật có thể dự báo chi phối những vùng đất mà chúng ta đi qua hóa ra chỉ được tuân thủ ở mức trung bình, electron và những vật thể khác mà chúng ta gặp phải đều khác hoàn toàn với những thứ nổi bật mà ta đã quen thuộc ở phía tây.
Vì những lí do liên quan đến chuyện này, ở những mặt sẽ được làm rõ hơn trong chuyến đi, khả năng nhìn thấy những mảnh càng lúc càng nhỏ hơn của vật chất đòi hỏi những chùm hạt – tương đương như kính hiển vi – có năng lượng càng lúc càng cao hơn. Điều này có nghĩa là tiền phương của cái rất nhỏ cũng trở thành tiền phương của năng lượng cao. Điểm quan trọng của năng lượng trong vật lí hạt là sự tập trung năng lượng vào một không gian nhỏ, hay tương đương, vào một số lượng nhỏ hạt. Do vậy, một bản đồ về năng lượng cao và khoảng cách ngắn cũng cho ta biết về nền vật lí của vũ trụ rất xa xưa: những thời khắc nóng bỏng, dày đặc ngay sau Big Bang. Trong vài thời khắc đầu tiên đó, năng lượng trong một thể tích cho trước bất kì của không gian cao đến mức những thành phần nhỏ nhất của vật chất cũng phải nằm phơi thây trơ trẽn.
Để hiểu được toàn bộ câu chuyện đó, trước tiên ta cần tìm xem cái gì cư trú trong thế giới mới lạ này. Ta có thể tìm thấy gì bên trong một nguyên tử? Hiện nay, toàn bộ những gì chúng ta biết là những thứ mà ta tìm thấy sẽ rất nhỏ, và ta cần rất nhiều năng lượng để truy xuất chúng. Nhưng ta sắp đi đâu đây? Ta đang đi tới những vùng biển lạ nào, và những định luật nào áp dụng được, nếu có thể? Nơi bắt đầu chuyến thám hiểm đầu tiên của chúng ta nằm trong hải cảng đầu tiên khá an toàn mà ta nhận ra từ xa – Cảng Electron, trên bờ biển lạ của một hòn đảo chưa biết tên.
Bản đồ Miền đất Vô hình - Jon Butterworth
Bản dịch của Thư Viện Vật Lý
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
