Toàn bộ vật chất trong vũ trụ - mọi cái chúng ta nhìn thấy, cảm nhận và ngửi được – có một cấu trúc nhất định có thể dự đoán trước, nhờ những electron nhỏ xíu đang quay tròn xung quanh hạt nhân nguyên tử của chúng trong những lớp vỏ đồng tâm hay các mức nguyên tử. Một nguyên lí cơ bản của cấu trúc có trật tự này là không có hai electron có thể chiếm giữ cùng một mức nguyên tử (trạng thái lượng tử) đồng thời – một nguyên lí gọi là nguyên lí loại trừ Pauli, xây dựng trên nền tảng thuyết tương đối rộng của Albert Einstein và thuyết lượng tử.
Tuy nhiên, một đội gồm các nhà vật lí ở trường Đại học Syracuse gần đây đã phát triển một mô hình lí thuyết mới giải thích làm thế nào nguyên lí loại trừ Pauli có thể bị vi phạm và làm thế nào, dưới những điều kiện hiếm hoi nhất định, nhiều hơn một electron có thể đồng thời chiếm giữ cùng một trạng thái lượng tử.
Các lỗ đen luôn mang trong nó nhiều bí ẩn
Mô hình của họ, công bố trên tạp chí Physical Review Letters (vol. 105) ngày 26/7, có thể giúp giải thích vật chất hành xử như thế nào tại ranh giới của các lỗ đen và góp phần vào công cuộc nghiên cứu khoa học đang diễn ra hiện nay hướng tới một lí thuyết thống nhất của sự hấp dẫn lượng tử.
“Các chuyển tiếp của electron từ một lớp vỏ nguyên tử này sang một lớp vỏ khác vi phạm nguyên lí Pauli là cái thách thức các nền tảng của vật lí học”, giáo sư A.P. Balachandran, tác giả đứng đầu nhóm nghiên cứu, phát biểu. “Vì lí do này nên có sức hút thực nghiệm mạnh mẽ trong việc tìm kiếm các chuyển tiếp đó. Cho đến nay, đã có một vài mô hình hợp lí có thể giải thích làm thế nào những chuyển tiếp như vậy có thể xảy ra. Lí thuyết của chúng tôi cung cấp một mô hình như thế”.
Phương thức ổn định mà các electron lắp đầy các mức nguyên tử mang lại sự ổn định và cấu trúc cho vật chất, đồng thời chi phối tính chất hóa học của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Cơ sở của sự ổn định này là khả năng định vị các đối tượng (electron, proton và neutron) hầu như chính xác trong không gian và thời gian. Mô hình mới thừa nhận rằng ở cấp độ mà sự hấp dẫn lượng tử là đáng kể, bức ảnh không-thời gian liên tục này bị phá vỡ, làm ảnh hưởng sâu sắc đến đối xứng quay của các nguyên tử và kích thích các chuyển tiếp electron (chuyển động từ lớp vỏ này sang lớp vỏ khác) vi phạm nguyên lí Pauli.
Theo mô hình trên, các vi phạm của nguyên lí Pauli trên lí thuyết sẽ xảy ra trong tự nhiên trong khoảng thời gian dài hơn tuổi của vũ trụ - hoặc kém thường xuyên hơn một lần “trăng xanh” như ai cũng biết [kì trăng tròn thứ hai trong cùng một tháng].
“Mặc dù hiệu ứng này là nhỏ, nhưng các nhà khoa học đang sử dụng các thiết bị chính xác cao để cố gắng quan sát hiệu ứng”, Balachandran nói. “Nếu tìm thấy, nó sẽ ảnh hưởng sâu sắc đối với các nền tảng lí thuyết vật lí cơ sở hiện nay”.
“Ngoài ra, ngành hóa học và sinh học trong một thế giới xảy ra những vi phạm như vậy cũng sẽ khác đi nhiều lắm”, đồng tác giả Padmanabhan cho biết thêm.
Thực tế nguyên lí Pauli có thể bị vi phạm có thể giúp giải thích vật chất hành xử như thế nào tại ranh giới của các lỗ đen. Joseph, một thành viên của nhóm, nói: “Trong khi chúng ta không biết cái gì xảy ra với vật chất trong một lỗ đen, thì mô hình của chúng tôi có thể mang lại những gợi ý về cách thức vật chất hành xử khi các nguyên tử co lại do sức hút hấp dẫn của các lỗ đen”.
Nguồn: PhysOrg.com
