Alfred B. Bortz
Các lí thuyết thống nhất lớn
Sự khám phá ra quark duyên là bằng chứng thực nghiệm mà các nhà lí thuyết, như Sheldon Glashow và các đồng nghiệp của ông (xem chương trước) cần đến để ủng hộ cho sự thống nhất của họ đối với lực điện từ và lực yếu. Chi tiết cụ thể của lí thuyết điện yếu của họ quá tiến bộ so với quyển sách này nhưng có thể mô tả một cách khái quát. Giống như lí thuyết lực mạnh của Gell-Mann, lí thuyết ấy thống nhất lực điện từ và lực hạt nhân yếu dựa trên sự đối xứng toán học. Đối với các nhà toán lí, thành công đó đã đưa họ đến chỗ tìm kiếm một sự đối xứng còn sâu sắc hơn nữa bao hàm cả lực hạt nhân mạnh. Họ gọi mục tiêu đó là Lí thuyết Thống nhất Lớn, hay GUT.
Glashow và nhiều người khác đã đề xuất một số phương pháp khác nhau để đạt tới một GUT, nhưng không một đề xuất nào tỏ ra thành công. Một số công thức dường như phức tạp không cần thiết và đưa ra các tiên đoán không thể nào kiểm tra trên thực nghiệm. Một nỗ lực rất hấp dẫn – và có thể kiểm tra – hướng tới GUT đưa các nhà vật lí đến với một loạt thí nghiệm trong đó họ sử dụng các máy dò neutrino để tìm kiếm các phân hủy proton. Trước khi lí thuyết đó được phát triển, các nhà vật lí xem proton là bền vững mãi mãi, nhưng giờ thì một số người tự hỏi không biết proton có phân hủy trong những dịp cực kì hiếm hay không – hiếm đến mức có lẽ một proton trong cơ thể người sẽ phân hủy trong thời gian ngang ngửa với một đời người. Các máy dò neutrino cỡ lớn sẽ làm sáng tỏ những sự kiện hiếm như vậy, nhưng sau một số thí nghiệm chủ chốt, không có sự phân hủy proton độc thân nào được xác nhận.
Các nỗ lực GUT không hoàn toàn bị bỏ rơi. Thật ra, một phương pháp đã đưa đến một vài thập niên nghiên cứu lí thuyết và vì thế đáng được nhắc tới ở đây và trong những chương sau. Dưới sự chỉ đạo của John H. Schwarz (1941– ), làm việc tại khoa vật lí ở Caltech sau khi hoàn thành luận án tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley, phương pháp ấy được gọi là lí thuyết dây. Lí thuyết đó mô tả các hạt sơ cấp bằng một sự tương đương toán học với một sợi dây, một đối tượng một chiều có thể dao động trong không gian ba chiều. Các phiên bản ban đầu của lí thuyết dây có 10 chiều (9 chiều không gian cộng với 1 chiều thời gian), và nó tiên đoán các hạt hạ nguyên tử là một tập hợp những dao động được phép của sợi dây đó.
Lí thuyết dây mô tả các hạt hạ nguyên tử là các cộng hưởng trên một sợi dây nhiều chiều, giống hệt như một sợi dây đàn có thể dao động theo nhiều mốt để tạo ra các nốt khác nhau. Các mốt của sợi dây một chiều biểu diễn ở đây đều có các nút (các điểm cố định) tại hai đầu dây, nhưng bước sóng của dao động có thể biến thiên. Nốt cơ bản trên cùng cộng hưởng với một đoạn lên-xuống trên sợi dây. Nốt bội thứ hai, nằm ngay bên dưới với hai đoạn, có bước sóng dài bằng phân nửa nốt cơ bản. Các nốt bội khác có hai, ba, bốn, ..., chín và nhiều đoạn hơn. Một cách tiếp cận toán học tương tự với nhiều chiều mang lại các tính chất của các hạt hạ nguyên tử, ví dụ như proton và neutron, và các cộng hưởng của chúng, ví dụ như các hạt delta đã trình bày ở chương 7.
Đặc biệt, sợi dây ấy có thể dao động theo nhiều mốt và tạo ra các âm khác nhau – nốt cơ bản cộng với một loạt nốt bội (xem giản đồ hình trên). Tương tự, mỗi một trong 9 chiều của lí thuyết dây tương ứng với một tính chất của vật chất, và các mốt dao động được phép tương ứng với các hạt hạ nguyên tử khác nhau. Một lí do chính cho sự hấp dẫn cao độ của lí thuyết dây là nó không chỉ bao hàm các tương tác điện yếu và tương tác mạnh, mà còn bao hàm cả tương tác hấp dẫn.
Schwarz công bố bài báo đầu tiên của ông về lí thuyết dây vào năm 1971, nhưng nó cần có sự chấp nhận rộng rãi của cơ học lượng tử hay thuyết tương đối. Lí thuyết dây khi ấy và hiện nay vẫn ở trong giai đoạn trung gian giữa đề xuất và xác nhận thực nghiệm. Nó giống như lượng tử Planck trước khi có công trình của Einstein về hiệu ứng quang điện, hay tiên đoán của Dirac về phản vật chất trước khi khám phá ra positron. Các kết quả toán học của nó dường như áp dụng được cho vật lí, nhưng không có hiện tượng thực nghiệm nào có thể ràng buộc nó một cách trực tiếp.
Sự vướng víu lượng tử
Năm 1969, John F. Clauser (1942– ) ở Đại học Columbia cùng với các đồng nghiệp ở Đại học Boston và Harvard, đã đề xuất một phương pháp sử dụng ánh sáng phân cực để kiểm tra một trong các tiên đoán bất thường và gây tranh cãi nhất của cơ học lượng tử, đó là hiện tượng vướng víu. Albert Einstein có một tên gọi khác cho nó, “tác dụng ma quỷ từ xa”. Thật ra, nó là chỉ trích chính yếu của ông đối với thuyết lượng tử, ngoài câu nói nổi tiếng của ông, “Chúa không chơi xúc xắc”(xem chương 5). Sự vướng víu được hiểu tốt nhất bằng cách khảo sát một thí dụ đặc biệt. Đây không phải là thí nghiệm mà Clauser đề xuất, vì để giải thích điều đó sẽ cần dành một đoạn giải thích ánh sáng phân cực và spin của các photon. Thí dụ này miêu tả sự vướng víu của các hạt spin –1/2, ví dụ như proton, neutron, hay electron. Giả sử hai hạt, đi qua cùng một điểm trong khi đang chuyển động theo hai hướng ngược nhau, tương tác sao cho spin của chúng hướng ngược chiều nhau, một hướng sang đông và một hướng sang tây. Một thời gian sau, mỗi hạt trong chúng đi qua một máy dò hạt đo spin theo hướng bắc-nam.
Theo cơ học lượng tử, hàm sóng hạt độc thân cho mỗi hạt là sự pha trộn ngang nhau của các trạng thái spin bắc và spin nam. Do đó, mỗi máy dò có khả năng ghi nhận một spin hướng về bắc bằng với khả năng ghi nhận một spin hướng về nam. Spin của hạt theo hướng bắc-nam không được xác định cho đến khi các phép đo xảy ra. Vì hai hạt bây giờ phân cách nhau trong không gian nhưng spin của chúng được đo đồng thời, nên không có cách nào cho một máy dò spin bắc-nam ảnh hưởng đến máy kia. Như vậy, sử dụng các hàm sóng hạt độc thân, phân tích mang lại khả năng ngang nhau cho hai phép đo spin là cùng chiều (bắc hết hoặc nam hết) hoặc ngược chiều (một bắc, một nam).
Nhưng khi thực hiện phân tích sử dụng hàm sóng hai hạt, kết quả là các spin vẫn ngược chiều. Trước khi các hạt đi vào máy dò tương ứng của chúng, không có hạt nào có một hướng ưu tiên bắc-nam đặc biệt hết. Nhưng việc phát hiện một spin là hướng bắc buộc spin kia là hướng nam. Các hạt đó, mặc dù cách xa nhau, có spin của chúng bị vướng víu vĩnh viễn. Với Einstein, tác dụng này là “ma quỷ” vì không có thời gian để truyền thông tin từ hạt này xuyên khoảng cách đến hạt kia, nhưng hạt kia vẫn phản ứng tức thì trước phép đo của hạt này. Năm 1974, Clauser và đội của ông đã xây dựng một thiết bị mà ông và các đồng nghiệp Harvard và Boston của mình đề xuất hồi năm 1969. Họ hi vọng bác bỏ sự vướng víu lượng tử, vì nó dường như vi phạm các quy luật tương đối tính của sự nhân quả, nhưng thay vì thế, họ phát hiện ra nó là một hiện tượng có thật.
Cho đến ngày nay, một số nhà vật lí vẫn tranh luận rằng thí nghiệm trên là không hoàn thiện, nhưng khi mỗi sự phê bình được xử lí, thì hiện tượng vướng víu lượng tử vẫn tồn tại. Khám phá đó đã mở ra một số khả năng công nghệ quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực ngày nay gọi là điện toán lượng tử.
Sự vướng víu lượng tử, cái Einstein gọi là “tác dụng ma quỷ từ xa”, đã được xác nhận trong các thí nghiệm như thí nghiệm này. Nếu như một tính chất của hai hạt có thể đưa vào một mối liên hệ đặc biệt khi các hạt tương tác, thí dụ như sự sắp thẳng hàng hướng spin của chúng ngược nhau theo chiều đông tây, thì sự vướng víu lượng tử phát biểu rằng mối liên hệ đó vẫn tiếp tục ngay cả khi hai hạt ở cách xa nhau. Thí dụ, nếu spin của một hạt sau đó được đo theo hướng bắc-nam, thì cơ học lượng tử tiên đoán rằng nó có khả năng ngang nhau hướng theo chiều bắc hoặc chiều nam. Nếu hàm sóng lượng tử của các hạt là độc lập, thì các spin bắc-nam của chúng sẽ có khả năng hướng theo hai chiều là ngang nhau. Nhưng hóa ra spin của các hạt bị vướng víu qua một hàm sóng lượng tử hai hạt. Do đó, việc đo một hạt là hướng bắc buộc hạt kia là hướng nam, mặc dù không có đủ thời gian để gửi thông tin từ hạt này đến hạt kia ở tốc độ ánh sáng.
Trần Nghiêm dịch
Còn tiếp...
