Khối lượng hạt đặc biệt khó hiểu
Nếu đầu óc bạn vẫn chưa lùng bùng khi biết rằng vật lí học thật sự chẳng thể giải thích nỗi những thứ căn bản đại loại như quán tính, vậy hãy sẵn sàng cho một khám phá lớn khác nữa nhé: ngay cả khối lượng mà chúng ta gán cho các hạt cơ bản như quark hay electron thật ra cũng chẳng phải “chất liệu” gì hết. Thật vậy, chẳng có thứ gì đại loại như “chất liệu”. Nó không tồn tại trong hình thức vật lí học của chúng ta.
Các hạt – trong lí thuyết hiện nay của chúng ta – thật ra là những điểm không thể chia nhỏ trong không gian. Điều đó có nghĩa là trên lí thuyết chúng chiếm thể tích zero và chúng nằm đúng tại một vị trí vô cùng nhỏ trong không gian ba chiều. Thật sự chẳng có kích cỡ nào cho chúng cả. Và bởi vì bạn được làm bởi các hạt, nên điều đó nghĩa là không phải bạn gồm chủ yếu là không gian trống rỗng, mà bạn là không gian hoàn toàn trống rỗng!
Hãy nghĩ một chút xem điều đó khiến khái niệm khối lượng mất hết bao nhiêu ý nghĩa. Hãy nhớ rằng một số hạt có khối lượng bé xíu gần như zero và một số khác có khối lượng cực lớn. Ví dụ, đây là một câu hỏi ít có ý nghĩa: Khối lượng riêng của một electron là bao nhiêu? Mỗi electron có khối lượng khác zero và nó tồn tại trong một thể tích zero, vậy nên khối lượng riêng (khối lượng chia cho thể tích) thật ra là… không xác định chăng? Không có nghĩa lí gì cả.
Hay xét hai hạt y hệt nhau ở mọi phương diện trừ khối lượng, ví dụ quark top và quark up. Quark top trông giống như họ hàng siêu béo của quark up; nó có cùng điện tích, cùng spin, và các tương tác giống hệt. Chúng đều được cho là những hạt điểm cơ bản, song quark top có khối lượng gấp 75.000 lần. Thế nhưng chúng chiếm lượng không gian bằng nhau (zero) và hành xử hầu như y hệt nhau. Vậy làm thế nào một trong số chúng lại có khối lượng lớn hơn hạt kia mà không có thêm “chất liệu” gì cho nó?
Lí do khiến điều này vô nghĩa là vì các hạt không hề giống với bất cứ thứ gì bạn trải nghiệm trong thế giới ngày-qua-ngày của mình. Lẽ tự nhiên thôi khi chúng ta cố tìm hiểu thứ gì đó mới chúng ta sử dụng các mô hình dựa trên những điều chúng ta biết. Liệu chúng ta có thể làm gì khác được? Giống như việc giải thích cho đứa trẻ ba tuổi biết con hổ là gì. Bạn có thể nói “đó chỉ là một bé mèo kitty bự”, thế nhưng lí giải đó chỉ có tác dụng cho đến một hôm nọ đứa bé ba tuổi đến sở thú chơi và thử thọc tay vào chuồng hổ và vợ/chồng của bạn hét vào mặt bạn rằng bạn là người bố người mẹ tồi vì đã sử dụng một ví von không hoàn hảo chút nào. Những mô hình tinh thần này có ích, song bạn phải luôn nhớ trong đầu rằng chúng có các giới hạn của chúng.
Chúng ta thích nghĩ tới các hạt như những quả cầu chất liệu bé xíu. Cách nghĩ như thế hoạt động được cho rất nhiều thí nghiệm giả tưởng dù rằng các hạt chẳng phải các quả cầu bé xíu. Một chút cũng không phải. Theo cơ học lượng tử, chúng là những thăng giáng nhỏ siêu kì quái trong các trường thấm đẫm toàn bộ vũ trụ. Điều đó có nghĩa là chúng tuân theo các quy tắc ít có ý nghĩa gì trong mô hình quả-cầu-bé-nhỏ. Ví dụ, lúc này chúng có thể bên này của một hàng rào không thể xuyên thủng và rồi lúc khác chúng xuất hiện ở bên kia – mà không xuyên qua hàng rào. Các hạt lượng tử có thể làm những thứ trông như phi lí nếu bạn nghĩ về chúng theo những điều bạn biết vì chúng không giống bất cứ thứ gì bạn từng trải nghiệm.
Các mô hình trong đầu chúng ta có thể hữu ích trong việc đem lại trực giác cho chúng ta hoặc giúp chúng ta hình dung, song điều quan trọng nên nhớ rằng chúng chỉ là các mô hình và chúng có thể sụp đổ. Đó là cái xảy ra trong đầu bạn khi bạn nghĩ tới khối lượng của các hạt điểm.
Xét một thái cực khác: Làm thế nào có chút ý nghĩa gì cho một hạt có khối lượng zero? Ví dụ, photon có khối lượng đúng bằng zero. Nếu một hạt không có khối lượng, thì nó là hạt của cái gì? Giả sử bạn đòi hỏi khối lượng bằng với chất liệu, thì bạn phải kết luận rằng một hạt không khối lượng chẳng có gì bên trong nó hết, theo nghĩa đen.
Thay vì nghĩ tới khối lượng hạt là bao nhiêu chất liệu mà nó nhồi nhét vào một quả cầu siêu bé, bạn chỉ việc nghĩ nó là một nhãn mác mà chúng ta dán cho một đối tượng lượng tử vô cùng nhỏ.
Có lẽ bạn không nhận ra, nhưng bạn đã nghĩ như vậy rồi khi xét điện tích của một hạt. Chúng ta đều biết rằng các electron có điện tích âm, song khi bạn nghĩ về điều đó, bạn có bao giờ tự hỏi mình: Điện tích nằm ở đâu bên trong electron? Chất liệu nào đem lại điện tích cho nó, và có chỗ nào trong electron cho lượng chất liệu ấy hay không? Những câu hỏi như thế trông thật ngớ ngẩn vì chúng ta nghĩ điện tích là thứ gì đó mà một hạt có là có thôi. Nó là một nhãn mác, và nó có thể có rất nhiều giá trị: 0, -1, 2/3, vân vân. Hãy thử nghĩ tới khối lượng theo kiểu như vậy, và nó sẽ có thêm chút ý nghĩa nào đó thôi.
Thế nếu điện tích có nghĩa là một hạt có thể chịu lực điện (như bị đẩy bởi các electron khác), thì khối lượng có ý nghĩa gì đối với một hạt? Khối lượng là cái đem lại quán tính (mức cản trở chuyển động) cho một hạt. Song cái chúng ta vẫn chưa hiểu là: Vì sao các vật lại có quán tính? Nó từ đâu mà có? Nó có ý nghĩa gì? Ai sẽ giúp chúng ta lúc cần hỗ trợ? Câu trả lời là: boson Higgs.
Vào năm 2012, các nhà vật lí hạt công bố đã tìm thấy boson Higgs trước sự tung hô ầm ĩ của toàn thế giới. Hầu như chẳng ai hiểu boson Higgs là cái quái gì, nhưng rất nhiều người đã hào hứng lắm. Tờ New York Times viết rằng khám phá ấy “tiêu biểu cho điều tốt đẹp nhất mà tiến trình khoa học có thể đem lại cho nền văn minh hiện đại”. Đúng thôi, boson Higgs hiển nhiên tốt hơn máy vi tính, nhà vệ sinh có vòi xịt, và truyền hình thực tế.
Vậy boson Higgs là thứ gì? Sau đây là một câu trắc nghiệm kiểm tra kiến thức của bạn. Hãy trả lời nó ngay bây giờ và trả lời lại sau khi bạn đọc hết chương này. Chúng tôi hi vọng chí ít thì điểm số của bạn sẽ không giảm.
1. Trước khi được dùng lại làm tên gọi của một hạt, “boson Higgs” nổi tiếng là
a. Một chú hề được trẻ em yêu thích trên ti vi.
b. Bí danh của một điệp viên nguy hiểm nhất CIA.
c. Người bạn thời niên thiếu của Luke Skywalker trong Star Wars.
d. Nhân vật Dungeons & Dragons của bạn của bạn.
2. Đúng hay sai: nếu nhai trực tiếp thì boson Higgs còn gây nghiện hơn cả Hot Cheetos của Flamin.
3. Đúng hay sai: boson Higgs là một hạt được dự đoán bởi hai nhà lí thuyết tên là Higgs và Boson.
Hãy kiểm tra đáp án của bạn trong phần ghi chú ở cuối sách xem bạn biết được bao nhiêu nhé.
Nghiêm túc mà nói, việc tìm thấy boson Higgs là một thắng lợi của khoa học. Nó là một minh chứng cho thấy việc tìm kiếm các khuôn mẫu là một chỉ dẫn tốt để hiểu được vũ trụ.
Ý tưởng là boson Higgs có thể hiện hữu từ việc nghiên cứu các khuôn mẫu của các hạt truyền lực – photon, boson W và boson Z – và nghi vấn về khối lượng của chúng. Các nhà vật lí đã hỏi: Vì sao một số hạt trong số chúng là không khối lượng (photon) trong khi những hạt khác (W và Z) thì rất nặng? Trong trường hợp đặc biệt này, nhãn mác lạ mà ta gọi là khối lượng là vô nghĩa khi nó bằng không với một hạt lực và khác không với những hạt kia.
Peter Higgs và một vài nhà vật lí hạt khác từng săm soi vấn đề này cho đến khi họ tìm ra lời giải: cứ dùng lại chất liệu. Theo nghĩa đen. Họ thừa nhận rằng nếu bạn thêm một hạt nữa (boson Higgs) và trường của nó (trường Higgs) vào các phương trình thì khối lượng là một nhãn hạt – và vì sao một số hạt có khối lượng lớn hơn những hạt kia – bắt đầu có ý nghĩa.
Đại khái, lí thuyết ấy như thế này: hãy tưởng tượng một trường thấm đẫm toàn bộ vũ trụ. Trường này làm một việc mà không trường nào khác làm: thay vì hút hay đẩy cái gì đó, nó làm cho các hạt khó chuyển động, hay chuyển động chậm lại. Tác dụng của trường này là giống hệt với tác dụng của việc có khối lượng quán tính.
Trường Higgs tương tác với một hạt càng mạnh, thì hạt đó biểu hiện quán tính càng lớn – hay khối lượng của nó càng lớn. Lí thuyết ấy tiến thêm một bước nữa và đề xuất rằng quán tính được tạo ra bởi một hạt đang tương tác với trường này chính là khối lượng của hạt. Đó là ý nghĩa của việc nói nó có khối lượng. Một số hạt chịu tác dụng của trường này rất mạnh, nghĩa là chúng cần lực rất lớn để tăng tốc hoặc giảm tốc; những hạt này có khối lượng lớn. Những hạt khác ít chịu tác dụng của trường này nên chúng cần lực be bé để tăng tốc hoặc giảm tốc; những hạt này hầu như không có khối lượng. Theo lí thuyết Higgs, khối lượng nghĩa là như thế.
Hãy dành một chút thời gian thưởng ngoạn. Nó vừa là một nhận thức làm thay đổi học thuyết vừa là một nhận định hoàn toàn tầm thường.
Nó làm thay đổi học thuyết bởi vì nó đem lại cho bạn một ý niệm khác về khối lượng là gì. Đó là một vấn đề lớn.
Nó cũng tầm thường bởi vì, một khi bạn chấp nhận rằng khối lượng là một nhãn mác lượng tử bí ẩn gán cho một hạt chứ không phải lượng chất liệu chứa bên trong nó, việc biết được cỡ của nhãn khối lượng đó xuất xứ từ một trường bí ẩn tràn ngập vũ trụ chẳng giúp bạn hiểu được khối lượng là gì.
Thật vậy, nó chẳng làm được gì trước câu hỏi lớn: Vì sao các hạt vật chất có khối lượng khác nhau? Lí thuyết Higgs nói rằng lí do là vì chúng chịu tác dụng của trường Higgs khác nhau. Vì thế toàn bộ những gì lí thuyết ấy làm được là biến câu hỏi này thành một câu hỏi khác: Vì sao tất cả các hạt vật chất chịu tác dụng của trường Higgs không giống nhau?
Theo lí thuyết Higgs, khối lượng của các hạt vật chất chẳng có nghĩa lí gì hết. Cứ như thể chúng được chọn lọc ngẫu nhiên và chúng cứ tùy ý nhận những giá trị hoàn toàn khác nhau. Sẽ không nội dung nào trong lí thuyết của chúng ta sụp đổ nếu bạn thay đổi khối lượng. Các định luật vật lí y hệt như chúng ta có hiện nay vẫn sẽ hoạt động suôn sẻ. Tất nhiên, việc khiến một số hạt có khối lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn sẽ có những tác động lớn lên những thứ khác, ví dụ như các proton, neutron và electron mà chúng ta đếm khi làm các món latte theo mùa đắt đỏ của mình (tổng quát hơn, với hóa học và sinh học). Nhưng theo lí thuyết hiện nay, khối lượng của các hạt vật chất là những tham số tùy ý, tự do ấn định giá trị bất kì.
Lí thuyết Higgs thật sự giải thích được vì sao một số hạt lực (photon, W và Z) có khối lượng như chúng vốn có, song nói chung nó không giải thích được vì sao các hạt vật chất có khối lượng khác nhau (vì sao một số hạt tương tác nhiều với trường Higgs còn một số hạt khác thì không). Khả năng có một khuôn mẫu cho khối lượng, nhưng trước nay nó còn lẩn trốn chúng ta. Mức biện minh của chúng ta chỉ mới y hệt như của Ook và Groog thôi, họ giải thích vạn vật bằng cách liệt kê chúng. Theo kiểu y hệt, lí thuyết tốt nhất của chúng ta về vũ trụ chỉ mới liệt kê khối lượng của các hạt vật chất là những con số tùy ý.
Có lẽ một nhà khoa học tương lai nào đó sẽ nhìn vào danh sách của chúng ta và tròn xoe mắt vì sự ngu dốt của chúng ta khi cô viết ra một lí thuyết đơn giản hơn trong đó giá trị của những khối lượng này không phải là những tham số tùy ý mà là kết quả của một mô tả đẹp hơn, sâu sắc hơn về tự nhiên. Chúng ta vẫn chẳng biết gì.
Trích từ We Have No Idea (Jorge Cham & Daniel Whiteson)
