VƯỢT RA NGOÀI GIỚI HẠN CỦA LHC
LHC đã tạo ra nhiều tiêu đề nóng, bao gồm cả việc khám phá ra boson Higgs vốn rất rất khó nắm bắt, thứ mang lại giải Nobel cho hai nhà vật lý, Peter Higgs và Francois Englert. Một trong những mục đích chính của LHC là hoàn thành mảnh ghép cuối cùng, được gọi là [Mô hình chuẩn của các hạt – the Standard Model of particles], là phiên bản tiên tiến nhất của lý thuyết lượng tử và cho chúng ta một sự giải thích hoàn chỉnh về vũ trụ ở các năng lượng thấp.
[Mô hình chuẩn] đôi khi được gọi là "lý thuyết gần như cho mọi thứ", bởi vì nó mô tả một cách chính xác vũ trụ năng lượng thấp mà chúng ta thấy xung quanh chúng ta. Nhưng nó không thể là lý thuyết cuối cùng, vì nhiều lý do:
1. Nó không đề cập đến hấp dẫn. Tồi tệ hơn, khi chúng ta kết hợp Mô hình Chuẩn với lý thuyết hấp dẫn của Einstein, lý thuyết lai thổi lên ấy, cho chúng ta thứ vô nghĩa (tính toán trở nên vô hạn, có nghĩa là lý thuyết là vô ích).
2. Nó có một bộ sưu tập kỳ lạ của các hạt có vẻ khá giả tạo. Nó có ba mươi sáu quark và phản quark, một loạt các gluon Yang-Mills, lepton (electron và muon), và boson Higgs.
3. Nó có mười chín thông số tự do (khối lượng và khớp nối của các hạt) thứ phải được đưa vào bằng tay. Những khối lượng và khớp nối này không được xác định bởi chính lý thuyết này; không ai biết tại sao chúng có những giá trị thuộc về số má này.
Thật khó để tin rằng Mô hình Chuẩn, với bộ sưu tập sặc sỡ của nó về các hạt hạ nguyên tử, là lý thuyết cuối cùng của tự nhiên. Nó giống như lấy băng đính hiệu Scotch và gói lên một con thú mỏ vịt, con lợn aardvark, và cá voi rồi gọi nó là sáng tạo tốt nhất của Mẹ Thiên nhiên, sản phẩm cuối cùng của hàng triệu năm tiến hóa.
Tiếp theo máy gia tốc hạt lớn hiện đang nằm trong giai đoạn quy hoạch là Gia Tốc Thẳng Quốc Tế (ILC – International Linear Collider), bao gồm một ống thẳng dài khoảng ba mươi dặm, trong đó chùm tia electron và phản electron sẽ va chạm. Kế hoạch hiện tại là nó sẽ được đặt tại núi Kitakami của Nhật Bản và dự kiến sẽ có giá khoảng 20 tỷ USD, trong đó một nửa sẽ được đầu tư bởi chính phủ Nhật Bản.
Mặc dù năng lượng tối đa của ILC sẽ chỉ là một nghìn tỷ electron volts, hiểu theo nhiều cách thì nó sẽ vượt trội hơn LHC. Khi đập các proton vào nhau, va chạm ấy thì cực kỳ khó phân tích bởi vì proton có cấu trúc phức tạp. Nó chứa ba quark, được đính chặt lại với nhau bởi các hạt gọi là "gluons". Tuy nhiên, electron thì chưa có cấu trúc nào đã được đã cả. Nó trông giống như một hạt điểm. Do đó, khi electron va chạm với một phản electron, nó là một tương tác sạch và đơn giản.
Ngay cả với những hiểu biết và thí nghiệm tiến bộ như vừa mô tả trong vật lý, nền văn minh Loại 0 của chúng ta không thể trực tiếp thăm dò năng lượng Planck. Nhưng điều này nằm trong vương quốc của nền văn minh Loại III. Xây dựng các máy gia tốc như ILC có thể là một bước quan trọng để một ngày kia có thể kiểm tra không.thời gian ổn định như thế nào và xác định xem chúng ta có thể tạo ra các lối tắt đi xuyên qua nó hay không.
MÁY GIA TỐC TRONG VÀNH ĐAI TIỂU HÀNH TINH
Cuối cùng, một nền văn minh tiên tiến có thể xây dựng một máy gia tốc hạt kích thước của vành đai tiểu hành tinh. Một chùm proton xoay tròn sẽ được gửi quanh vành đai, được hướng dẫn bởi các nam châm khổng lồ. Trên Trái đất, các hạt được gửi bên trong một ống tròn lớn chứa chân không. Nhưng vì chân không của không gian bên ngoài tốt hơn bất kỳ chân không nào trên Trái Đất, nên máy gia tốc này không cần một ống nào cả.
Tất cả những gì nó cần là một loạt các trạm từ tính khổng lồ được đặt một cách chiến lược xung quanh vành đai, tạo ra một đường tròn cho chùm proton. Nó giống như một cuộc đua tiếp sức. Mỗi lần các proton đi ngang qua một trạm, một sự tăng đột biến của năng lượng điện cung cấp năng lượng bởi các nam châm, cái sẽ kích/phóng chùm proton để nó di chuyển đến trạm tiếp theo ở một góc chuẩn xác. Mỗi khi chùm proton đi qua một trạm từ tính, nhiều năng lượng được bơm vào chùm tia dưới dạng năng lượng laser, cho đến khi nó dần dần đạt tới năng lượng Planck.
Một khi máy gia tốc đạt được năng lượng này, nó có thể tập trung năng lượng đó vào một điểm duy nhất. Một lỗ sâu wormhole có thể sẽ mở ra ở đó. Sau đó nó sẽ được tiêm đủ năng lượng âm để ổn định nó và như thế nó không sụp đổ.
Chuyến đi qua lỗ sâu trông như thế nào? Không ai biết, nhưng một dự đoán có nghiên cứu cấp cao được thực hiện bởi nhà vật lý Kip Thorne của Caltech khi ông giúp tư vấn cho các đạo diễn của bộ phim "Interstellar". Thorne sử dụng một chương trình máy tính để theo dõi những con đường của chùm ánh sáng khi chúng đi qua một lỗ sâu như thế, để bạn có thể có được một cảm giác hình ảnh cho những gì chuyến đi này có thể trông như thế nào. Không giống như các đại diện điện ảnh thông thường, đây là nỗ lực khắt khe nhất để hình dung cuộc hành trình này trên phim.
(Trong phim, khi bạn tiếp cận một hố đen, bạn sẽ thấy một quả cầu khổng lồ màu đen, được gọi là chân trời sự kiện. Khi bạn đi qua chân trời sự kiện, bạn vượt qua điểm không trở lại. Bên trong quả cầu đen nằm chính lỗ đen, một điểm nhỏ bé của mật độ và trọng lực phi thường.)
Ngoài việc xây dựng máy gia tốc hạt khổng lồ, có một số cách khác mà các nhà vật lý đã xem xét khai thác những lỗ sâu. Một khả năng là sự kiện BigBang đã bùng nổ lớn đến nỗi nó có thể đã thổi phồng những lỗ sâu nhỏ đã tồn tại trong vũ trụ lúc sơ sinh khoảng 13,8 tỷ năm trước. Khi vũ trụ bắt đầu mở rộng theo cấp số nhân, những lỗ sâu này có thể đã mở rộng với nó. Điều này có nghĩa rằng, mặc dù hiện tại không có đối tượng nào từng có vẻ như là một trong số ấy, chúng có thể là một hiện tượng tự nhiên. Một số nhà vật lý đã suy đoán về cách tìm kiếm một lỗ sâu như thế trong không gian. (Để tìm một hố sâu tự nhiên, là chủ đề của một vài tập trong phim StarTrek, người ta sẽ tìm kiếm một vật thể làm biến dạng ánh sáng sao theo một cách đặc biệt, có lẽ nó giống như một quả cầu hay một chiếc nhẫn.)
Khi tàu vũ trụ đi vào lỗ sâu, nó phải chịu được bức xạ cường độ cao do lượng tử biến động. Về nguyên lý, chỉ có lý thuyết dây mới có khả năng tính toán các dao động, vì vậy bạn có thể xác định xem bạn sẽ sống sót.
Một khả năng khác, cũng được khám phá bởi Kip Thorne và các cộng tác viên của ông, là tìm một cái (lỗ) nhỏ trong chân không (vacuum) và sau đó mở rộng nó. Sự hiểu biết mới nhất của chúng ta về không gian là nó có thể là bọt với những lỗ sâu nhỏ như các vũ trụ rơi vào sự tồn tại và sau đó biến mất một lần nữa. Vì vậy, nếu bạn có đủ năng lượng, bạn có thể thao tác một lỗ sâu từ trước và thổi phồng nó.
Tuy nhiên, có một vấn đề với tất cả các đề xuất này. Lỗ sâu được bao quanh bởi các hạt hấp dẫn, được gọi là gravitons. Khi bạn chuẩn bị vượt qua nó, bạn sẽ gặp phải những hiệu chỉnh lượng tử dưới dạng bức xạ hấp dẫn. Thông thường, hiệu chỉnh lượng tử nhỏ và có thể bỏ qua. Nhưng tính toán cho thấy rằng những hiệu chỉnh (corrections) này là vô hạn khi bạn đi qua một lỗ sâu, do đó bức xạ có thể sẽ gây ra sự chết. Ngoài ra, mức độ bức xạ quá mạnh đến nỗi lỗ sâu có thể đóng lại, làm cho một chuyến đi qua đó không thể. Có cuộc tranh luận giữa các nhà vật lí hôm nay về việc nguy hiểm đến mức nào khi đi qua một lỗ sâu.
Thuyết tương đối của Einstein không còn sử dụng khi chúng ta đi vào hố sâu. Hiệu ứng lượng tử quá lớn đến mức chúng ta cần một lý thuyết cao hơn để đưa chúng ta qua. Hiện tại, người duy nhất có khả năng làm điều này là lý thuyết dây, là một trong những lý thuyết kỳ lạ nhất từng được đề xuất trong vật lý.
CÁI CHẾNH CHOÁNG HAY SỰ ẢO LƯỢNG TỬ - QUANTUM FUZZINESS
Lý thuyết nào có thể thống nhất thuyết tương đối rộng và lý thuyết lượng tử ở năng lượng Planck? Einstein đã dành ba mươi năm cuối đời để theo đuổi một "lý thuyết về mọi thứ" có thể cho phép ông "đọc được suy nghĩ của Thượng đế", nhưng ông đã thất bại. Đây vẫn là một trong những câu hỏi lớn nhất đối mặt với vật lý hiện đại. Giải pháp ấy sẽ tiết lộ một số bí mật quan trọng nhất của vũ trụ, và, sử dụng nó, chúng ta có thể khám phá việc du hành thời gian, các lỗ sâu, các chiều không gian cao hơn, vũ trụ song song, ngay cả những gì đã xảy ra trước BigBang. Hơn nữa, câu trả lời ấy sẽ xác định xem nhân loại có thể du hành vũ trụ với vận tốc nhanh hơn ánh sáng hay không.
Để hiểu điều này, chúng ta phải hiểu cơ sở hay nền tảng căn bản của lý thuyết lượng tử, nguyên lý bất định Heisenberg – the Heisenberg Uncertainty Principle. Nguyên với tiếng nói thật thà này chỉ ra rằng: bất kể các dụng cụ của bạn nhạy cảm đến mức nào, bạn không bao giờ có thể biết cả vận tốc và vị trí của bất kỳ hạt hạ nguyên tử nào, lấy ví dụ là một electron. Luôn luôn có một "sự mờ ảo – sự chuếnh choáng – fuzziness" lượng tử. Vì vậy, một bức tranh đầy ngạc nhiên xuất hiện. Một electron thực sự là một tập hợp các trạng thái khác nhau, với mỗi trạng thái mô tả một electron ở vị trí khác nhau với vận tốc khác nhau. (Einstein đã rất ghét nguyên lý này, Ông ấy tin vào "thực tại khách quan – hay object reality", đó là khái niệm của cảm thức thông thường (commonsense) thường nói rằng các đối tượng tồn tại trong các trạng thái xác định, được xác định rõ ràng, và bạn có thể xác định vị trí và vận tốc chính xác của bất kỳ hạt nào.)
Nhưng lý thuyết lượng tử nói với một sự khôn ngoan khác (Otherwise in this case should be understand like that). Khi bạn nhìn vào gương, bạn không thực sự nhìn thấy chính mình đâu. Bạn được tạo thành từ một bộ sưu tập khổng lồ của những rung động hay làn sóng. Vì vậy, hình ảnh bạn nhìn thấy trong gương thực ra là bình quân của số làn sóng ấy mà thôi, một hỗn hợp của tất cả những con sóng này. Thậm chí có một xác suất nhỏ mà một số sóng này có thể lan ra khắp phòng của bạn và vào không gian. Trong thực tế, một số sóng của bạn thậm chí có thể lan ra tận sao Hỏa hoặc xa hơn nữa. (Một vấn đề các giáo sư vật lý cung cấp cho sinh viên tiến sĩ của chúng ta là tính toán xác suất cho một số sóng của bạn lan truyền đến sao Hỏa và rằng một ngày nào đó bạn sẽ ra khỏi giường và thức dậy trên hành tinh đỏ.)
Những sóng này được gọi là "hiệu chỉnh lượng tử - quantumcorrections" hoặc "biến động lượng tử - quantumfluctuations". Thông thường, những hiệu chỉnh này là nhỏ, vì vậy khái niệm thông thường về mọi thứ xung quanh là hoàn toàn tốt đẹp, vì chúng ta là một tập hợp các nguyên tử và chỉ có thể thấy (nhận thức thông thường) các trung bình của nó mà thôi. Nhưng ở cấp độ hạ nguyên tử, những hiệu chỉnh lượng tử này có thể lớn, thế nên các electron có thể là vài nơi cùng một lúc và tồn tại ở trạng thái song song. (Newton sẽ bị sốc nếu bạn giải thích cho ông ấy cách mà các electron trong các transitors có thể tồn tại ở các trạng thái song song). Những hiệu chỉnh này làm cho các thiết bị điện tử hiện đại mà chúng ta đang sử dụng hôm nay trở nên hiện thực. Thế nên, bằng cách nào đó chúng ta “tắt” chế độ “mờ ảo lượng tử” này đi, thì tất cả những kì diệu của công nghệ sẽ dừng hoạt động, và xã hội loài người sẽ bị ném lùi lại gần một trăm năm vào quá khứ, trước thời đại của điện.)
May mắn thay, các nhà vật lý có thể tính toán những hiệu chỉnh lượng tử này cho các hạt hạ nguyên tử và làm các dự đoán cho chúng, một số trong đó có giá trị với độ chính xác đáng kinh ngạc, một phần trên mười nghìn tỷ. Trong thực tế, lý thuyết lượng tử rất đỗi chính xác đến mức nó có lẽ là lý thuyết thành công nhất mọi thời đại. Không gì khác có thể phù hợp với độ chính xác của nó khi được áp dụng cho vật chất thông thường. Nó có thể là lý thuyết kỳ lạ nhất từng được đề xuất trong lịch sử (Einstein đã từng nói rằng lý thuyết lượng tử càng thành công, thì càng có những thứ lạ lẫm xuất hiện – the more successful the quantum theory becomes, the stranger it becomes), nhưng nó có một điều bé nhỏ cứ mà thành: nó chính xác một cách không thể chối bỏ được.
Do đó nguyên tắc bất định Heisenberg buộc chúng ta phải đánh giá lại những gì chúng ta biết về thực tại. Một kết quả là lỗ đen không thể thực sự là đen. Lý thuyết lượng tử nói rằng phải có sự hiệu chỉnh lượng tử thành màu đen tinh khiết – pure black, thế hóa ra các lỗ đen thực sự là màu xám. (Và chúng phát ra một bức xạ yếu được gọi là bức xạ Hawking.) Nhiều sách giáo khoa nói rằng ở trung tâm của một lỗ đen, hoặc vào lúc bắt đầu của thời gian, có một "điểm kỳ dị", một điểm với hấp dẫn vô hạn. Nhưng lực hấp dẫn vô hạn vi phạm nguyên lý bất định. (Nói cách khác, không có thứ gì là một " kỳ dị" cả, nó đơn giản là một từ mà chúng ta phát minh hay chế ra để che giấu sự thiếu hiểu biết của chúng ta về những gì xảy ra khi các phương trình đi vào ngõ cụt. Trong lý thuyết lượng tử, không có điểm kì zị bởi vì đó là một một sự mờ ảo thứ ngăn chặn việc biết vị trí chính xác của lỗ đen.) Tương tự như vậy, người ta thường nói rằng chân không thuần khiết – pure vacuum là trạng thái của hư vô thuần khiết – pure nothingness. Khái niệm "không – zero" vi phạm nguyên tắc bất định, do đó không có thứ gì như là hư vô thuần khiết. (Thay vào đó, chân không là một vạc của vật chất ảo – virtual matter và các hạt phản vật chất – anti matter liên tục mọc [vào và ra] của cái gọi là tồn tại). Và không có thứ như tuyệt đối bằng không, nhiệt độ mà tại đó tất cả chuyển động dừng lại. (Ngay cả khi chúng ta tiếp cận nó, các nguyên tử tiếp tục di chuyển một chút, được gọi là năng lượng điểm không – zero-point energy.)
Khi chúng ta cố gắng xây dựng một lý thuyết lượng tử về hấp dẫn, tuy nhiên một vấn đề xảy ra. Sự hiệu chỉnh lượng tử đối với lý thuyết của Einstein được mô tả bởi các hạt mà chúng ta gọi là "gravitons". Cũng giống như một photon là một hạt ánh sáng, một graviton là một hạt hấp dẫn, hay hạt trọng lực – the particle of gravity. Gravitons khó nắm bắt đến mức chúng chưa bao giờ được nhìn thấy trong phòng thí nghiệm. Nhưng các nhà vật lý tự tin rằng chúng tồn tại, vì chúng rất cần thiết cho bất kỳ lý thuyết lượng tử nào về lực hấp dẫn. Thế nhưng, khi chúng ta cố tính toán với các graviton này, chúng ta thấy rằng hiệu chỉnh lượng tử là vô hạn. Lực hấp dẫn lượng tử bị thủng quá nhiều lỗ với những hiệu chỉnh mà thổi bay các phương trình. Một số những tâm trí vĩ đại nhất trong vật lý đã cố gắng giải quyết vấn đề này, nhưng tất cả đều thất bại.
Vì vậy, đây là một mục tiêu của vật lý hiện đại: hòng tạo ra một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn trong đó việc hiệu chỉnh lượng tử là hữu hạn và tính toán được. Nói cách khác, lý thuyết hấp dẫn của Einstein cho phép hình thành các lỗ sâu, một ngày nào đó có thể cung cấp cho chúng ta các lối đi tắt thông qua các thiên hà .. Nhưng lý thuyết của Einstein lại không thể cho chúng ta biết liệu các hố sâu này ổn định hay không. Để tính toán các hiệu chỉnh lượng tử này, chúng ta cần một lý thuyết kết hợp thuyết tương đối với lý thuyết lượng tử.
TƯƠNG LAI NHÂN LOẠI - MICHIO KAKU
Bản dịch của ĐỖ BÁ HUY
Phần tiếp theo >>
