THUYẾT TƯƠNG TÁC VẬT CHẤT – NĂNG LƯỢNG TỔNG QUÁT
Tác giả: Đỗ Đức Lương
Các đề mụcA. Thuyết tương tác vật chất – năng lượng tổng quát I. Một số giả thiết
II. Các dạng tương tác vi mô & vĩ mô
B. Một số hệ quả I. Xác định kích thước của các hạt vật chất vi mô
II. Bản chất của hiện tượng quán tính
III. Giải thích nguyên lý cấu tạo chất
IV. Giải thích nguyên nhân quỹ đạo elip của các hành tinh quanh ngôi sao
V. Bản chất của hạt neutrino
VI. Dự đoán thành phần vật chất của vật chất tối
VII. Giải thích nguyên nhân tăng tốc giãn nở của vũ trụ qua đó bác bỏ sự tồn tại của năng lượng tối*****
Toàn bộ nội dung của bài viết này chia làm hai phần; phần đầu nói về nội dung của thuyết tương tác vật chất – năng lượng tổng quát, phần sau là một số hệ quả rút ra từ thuyết đó.
A. Thuyết tương tác vật chất – năng lượng tổng quát( Tạm thời viết tắt là thuyết TVN, lấy chữ cái đầu của các cụm từ: Tương tác Vật chất Năng lượng)
I. Một số giả thiết Thông thường; khi xây dựng một mô hình, một học thuyết hay một định luật nào đó mang tính cách mạng; các tác giả thường đưa ra những giả thiết ban đầu - nó thực sự là những viên gạch nền móng để kiến tạo nên những công trình đồ sộ. Thuyết TVN cũng cần một nền móng như thế - đó là những giả thiết vừa mới mẻ vừa cực kỳ quan trọng. Giả thiết đưa ra có thể là một khái niệm, một quy tắc hoặc một điều kiện nào đó. Ở đây chúng ta cần làm quen với các khái niệm mới và những suy diễn ban đầu.
1. Phần tử vật chất cơ bản Kiến thức khoa học về cấu tạo vật chất cho chúng ta biết rằng: các vật thể được cấu tạo bởi những phân tử; phân tử do các nguyên tử hợp thành; nguyên tử có cấu trúc dạng hệ hành tình trong đó có hạt nhân nằm ở tâm và các điện tử (electron) quay xung quanh; hạt nhân nguyên tử gồm các hạt proton và neutron; mỗi hạt proton (hay neutron) được tạo bởi 3 hạt quark; các hạt quark và electron được xếp vào nhóm những hạt cơ bản - nghĩa là những hạt cơ sở không thể phân chia.
Thuyết TVN nhất quán với phần lớn nội dung câu chữ ở trên nhưng không đồng thuận với đoạn cuối cùng. Theo thuyết TVN thì các electron và quark là những hạt có cấu tạo rất rõ ràng và tinh vi - đây là một quan điểm táo bạo nhưng không điên rồ mà được suy diễn hoàn toàn có cơ sở. Chỉ cần nêu ra một ví dụ làm minh chứng: nếu các quark là không thể phân chia thì tại sao một hạt neutron (cấu tạo bởi 3 quark là u-d-d) lại có thể phân rã thành hạt proton ( cấu tạo bởi ba quark là u-u-d) + electron + phản neutrino electron ?
Theo nhận định của thuyết TVN thì ở tâm của mỗi hạt quark hay electron sẽ có một thành phần vật chất cơ bản, dĩ nhiên là nó có kích thước rất nhỏ. Thành phần vật chất tinh túy này mang thông tin xác định điện tích và khối lượng của hạt. Thành phần vật chất cơ bản được cấu tạo bởi các phần tử vật chất cơ bản - đây có lẽ được xem là phần tử vật chất cơ sở.
Phần tử vật chất cơ bản được chia làm hai loại, một loại mang thông tin xác định điện tích ≈ + 1⁄3e và khối lượng ≈ me/3 , một loại mang thông tin xác định điện tích ≈ −1⁄3 e và khối lượng ≈ me/3.
Thành phần vật chất cơ bản mang thông tin điện tích và khối lượng nên nó có thể tạo ra trường điện từ vi mô và trường hấp dẫn vi mô. Các trường này chỉ có tầm ảnh hưởng trong khoảng cách nhỏ tương đương kích thước nguyên tử và cũng góp phần quan trọng vào việc kiến tạo nên mô hình nguyên tử. Các trường vi mô này có những tính chất riêng không giống như trường điện từ vĩ mô và trường hấp dẫn vĩ mô mà chúng ta vẫn thường biết. Trường hấp dẫn và điện từ ở cấp độ vĩ mô là sự khuếch đại của các trường vi mô theo một cơ chế hoàn hảo bằng cách sử dụng các lượng tử tương tác – nội dung này sẽ được đề cập chi tiết ở phần sau. Ở khoảng cách cực nhỏ thì các thành phần vật chất cơ bản mang điện tích âm hay dương không hút hay đẩy nhau theo cách mà chúng ta vẫn thường biết như ở cấp độ các hạt vật chất mà chúng có xu hướng hợp tác với nhau sao cho cùng tạo ra một trường điện từ vi mô và trường hấp dẫn vi mô hài hòa và thống nhất theo hướng có trọng tâm chung. Những trường hợp không có khả năng kết hợp được với nhau theo hướng cộng hưởng thì chúng sẽ tách ra để chuyển hóa thành những hạt riêng.
Khi các phần tử vật chất cơ bản ( hoặc các thành phần vật chất cơ bản) liên kết lại với nhau theo một quy tắc nhất định thì điện tích và khối lượng tổng hợp của chúng không phải lúc nào cũng bằng tổng đại số của điện tích hay khối lượng của các phần tử riêng rẽ hợp thành. Khi một hạt vật chất chuyển động thì sự liên kết trong thành phần vật chất cơ bản cũng thay đổi theo để luôn đảm bảo sự thống nhất hài hòa của trường điện từ vi mô và trường hấp hẫn vi mô, do đó khi hạt vật chất chuyển động thì khối lượng và điện tích của hạt có thể thay đổi theo.
Từ nhận định trên chúng ta suy ra: thành phần vật chất cơ bản ở tâm electron (có thể gọi là nhân của electron) được tạo bởi 3 phần tử vật chất cơ bản mang điện tích âm. Nhân của phản electron (positron) được tạo bởi 3 phần tử vật chất cơ bản mang điện tích dương. Nhân của một hạt quark được tạo bởi nhiều phần tử vật chất cơ bản bao gồm cả loại mang điện tích âm và loại mang điện tích dương, số lượng cụ thể từng loại là bao nhiêu phụ thuộc vào điện tích và khối lượng của hạt quark đó. Ví dụ: một quark có khối lượng 6me và điện tích + 2⁄3e thì nhân của nó bao gồm 8 phần từ vật chất cơ bản mang điện tích âm và 10 phần tử vật chất cơ bản mang điện tích dương.
Nhân của electron được tạo bởi 3 phần tử vật chất cơ bản mang điện tích âm và dĩ nhiên chúng phải sắp xếp hợp lý để thống nhất hài hòa các trường hấp dẫn vi mô và trường điện từ vi mô nên electron tồn tại độc lập, bền vững, phổ biến trong thực tế.
Nhân của các hạt quark gồm nhiều phần tử vật chất cơ bản bao gồm loại mang điện tích dương và loại mang điện tích âm nên chúng khó hợp tác với nhau để tạo ra một trường hấp dẫn vi mô và trường điện từ vi mô hài hòa thống nhất do đó hạt quark khó có khả năng tồn tại độc lập trong thực tế. Tuy nhiên các hạt quark lại có thể kết hợp với nhau để tạo ra một hạt lớn hơn như proton hay neutron chẳng hạn. Việc này là do khi vài hạt quark hợp tác cùng nhau theo một quy chế chặt chẽ có thể tạo ra một trường hấp dẫn vi mô và trường điện từ vi mô hài hòa thống nhất, vì thế mà các hạt proton và neutron tồn tại phổ biến trong thực tế. Ít khi ở đâu mà câu tục ngữ: một cây làm chẳng nên non, ba cây chụm lại nên hòn núi cao lại có ý nghĩa tuyệt vời như thế này!
2. Phần tử vật chất trung gian Theo quan điểm của thuyết TVN thì phần tử vật chất trung gian tồn tại phổ biến trong vũ trụ. Mỗi phần tử có kích thước rất nhỏ; chúng hiện diện khắp nơi quanh chúng ta, trong từng tế bào, từng nguyên tử... nhưng quá khó để xác định bằng các dụng cụ khoa học hiện tại. Theo TVN thì không có khái niệm không gian trống rỗng mà chỉ có không gian được tạo thành từ vô số các phần tử vật chất trung gian, sắp xếp dày đặc hình thành một mạng lưới liên kết phủ khắp vũ trụ tổng thể. Vũ trụ mà con người quan sát được chỉ bao gồm tập hợp các thiên thể ( ngôi sao, hành tinh, đám khí, ...) liên kết với nhau tạo thành - nó là một phần của vũ trụ tổng thể. Phần tử vật chất trung gian chiếm tỷ lệ lớn trong mật độ vật chất - năng lượng của vũ trụ tổng thể. Vẫn theo quan điểm này, các phần tử vật chất trung gian mang năng lượng rất nhỏ và có thể chuyển động trong không gian, các phần tử vật chất trung gian bị hút bởi trường hấp dẫn vi mô do các thành phần vật chất cơ bản tạo ra còn bản thân các phần tử vật chất trung gian lại đẩy nhau để tạo ra một không gian tương đối đồng đều và rộng khắp. Do bị thu hút bởi trường hấp dẫn vi mô, nên ở những nơi nào tồn tại thành phần vật chất cơ bản thì ở đó mật độ phần tử vật chất trung gian cũng cao hơn.
Mô phỏng mạng lưới phần tử vật chất trung gian trong chân không
Mô phỏng mạng lưới phần tử vật chất trung gian trong không gian xung quanh hạt vật chất
Do ảnh hưởng của trường hấp dẫn vi mô nên một vật thể chuyển động trong không gian thì những phần tử vật chất trung gian nằm ở trong và xung quanh vật thể đó cũng chuyển động theo. Chẳng hạn như khí quyển trái đất chuyển động cùng với trái đất thì toàn bộ phần tử vật chất trung gian trong khí quyển cũng bị cuốn theo chuyển động đó. Như vậy là không gian vật chất – năng lượng theo quan điểm của thuyết TVN có nhiều điểm khác so với “không gian Ether” đã từng thống trị trong vật lý học trong khoảng thời gian trước thể kỷ XX.
Do không gian là một mạng lưới vật chất – năng lượng nên bất kỳ một hạt vật chất, một vật thể hay hạt photon… khi chuyển động trong đó đều tạo ra sóng. Sóng đó được sinh ra từ sự dao động của các phần tử vật chất trung gian. Như vậy là bất kỳ một hạt vật chất – năng lượng nào chuyển động trong không gian cũng đều ít nhiều bị cản trở bởi các phần tử vật chất trung gian nên tốc độ di chuyển không thể vô hạn mà lớn nhất cũng chỉ tương đương tốc độ ánh sáng hiện tại, ở nơi nào mật độ các phần tử vật chất trung gian càng lớn thì tốc độ chuyển động tối đa càng nhỏ. Nếu như có một dạng không gian khác, chẳng hạn như một không gian mà không có các phần tử vật chất trung gian thì chắc chắn rằng tốc độ di chuyển tối đa của các hạt vật chất – năng lượng sẽ lớn hơn c (tốc độ ánh sáng hiện tại) nhiều lần.
3. Lượng tử vật chất tương tác Phần tử vật chất trung gian tuy không đóng vai trò quan trọng như phần tử vật chất cơ bản, nhưng trong những điều kiện phù hợp chúng lại được kích hoạt theo một hướng khác để biến thành lượng tử vật chất tương tác. Theo quan điểm của thuyết TVN, khi một phần tử vật chất trung gian tiến gần đến vùng tâm của trường hấp dẫn vi mô tạo bởi các hạt vật chất thì chúng bị nhiễm tương tác hấp dẫn, khi chúng tiến gần đến vùng tâm của trường điện từ vi mô thì chúng bị nhiễm tương tác điện từ, còn khi chúng tiến gần đến vùng tâm của trường hấp dẫn vi mô kết hợp hài hòa với trường điện từ vi mô thì chúng vừa bị nhiễm tương tác hấp dẫn vừa bị nhiễm tương tác điện từ. Cách “lây nhiễm” này cũng có thể so sánh tương tự như vật liệu sắt từ bị nhiễm từ khi ở gần từ trường đủ lớn. Trong tất cả các trường hợp đó, phần tử vật chất trung gian trở thành lượng tử vật chất tương tác. Lượng tử vật chất tương tác chỉ chịu ảnh hưởng của các trường hấp dẫn và điện từ vi mô theo một cách riêng chứ chúng không biến thành phần tử mang thông tin xác định điện tích và khối lương như các phần tử vật chất cơ bản. Khi đã là lượng tử vật chất tương tác thì chúng luôn mang thông tin về các trường đã sản sinh ra nó và có thể tương tác với các trường hấp dẫn vi mô và điện từ vi mô ở nơi khác trong những điều kiện thích hợp.
4. Phần tử năng lượng động Theo một cách hiểu đơn giản nhất thì năng lượng là thứ, dù được dự trữ ở dạng nào, khi được chuyển đổi phù hợp chúng đều có thể tạo ra chuyển động cho vật thể. Năng lượng được dự trữ nhiều nhất trong các hạt vật chất, ở đó năng lượng được xác định bằng hệ thức: E = mc2 . Một phần năng lượng khác lại tồn tại ở dạng động như bức xạ điện từ: ánh sáng, sóng vô tuyến, bức xạ nhiệt...
Thuyết TVN phân chia năng lượng trong một hạt vật chất thành 2 loại: năng lượng điều khiển và giá trị năng lượng toàn phần. Để dễ hình dung về 2 loại năng lượng này chúng ta lấy ví dụ về một hạt vật chất tĩnh (đứng yên tuyệt đôi), khi đó năng lượng điều khiển của nó bằng 0 còn giá trị năng lượng toàn phần của nó vẫn được xác định theo hệ thức: E = mc2 .
Năng lượng điều khiển của một hạt vật chất là năng lượng tổng hợp có hướng của tất cả các phần tử năng lượng động tác động lên hạt vật chất đó. Điều đó có nghĩa là năng lượng cũng bao gồm một tập hợp các thành phần năng lượng cực kỳ nhỏ và có hướng xác định - được gọi là phần tử năng lượng động. Chúng ta hình dung phần tử năng lượng động như một mũi tên năng lượng vô cùng nhỏ bé và có hướng xác định - nó được biểu diễn bằng một vector. Nếu ở trạng thái tự do, phần tử năng lượng động sẽ chuyển động với vận tốc rất lớn theo hướng xác định. Nếu vì một lý do nào đó mà phần tử năng lượng động bị đổi hướng thì hướng chuyển động của nó cũng thay đổi theo đúng như thế - mũi tên năng lượng phải chuyển động đúng theo chiều mũi tên. Photon ánh sáng bao gồm nhiều phần tử năng lượng động có cùng hướng. Phần tử năng lượng động có một giá trị năng lượng xác định- nó rất nhỏ - đặc trưng cho độ lớn của nó. Giá trị này có đơn vị tính rất quen thuộc là Joule (J).
Trong một hạt vật chất, các phần tử năng lượng động - dù có hướng khác nhau, thậm chí là hướng ngược nhau - nhưng cùng tồn tại song song với nhau chứ không hủy diệt hay loại trừ nhau. Năng lượng điều khiển của một nhóm các phần tử năng lượng động được xác định tương tự như phép cộng vector trong toán học.
Khi một hạt vật chất đang đứng yên mà chịu một lực tác động có độ lớn và chiều nhất định thì một số các phần tử năng lượng động trong hạt vật chất bị đảo chiều để dịch chuyển hạt vật chất theo hướng của lực tác dụng.
Khi một hạt vật chất đang đứng yên mà được hấp thụ một chùm phần tử năng lượng động đủ lớn có cùng hướng thì năng lượng tương tác này chuyển thành năng lượng điều khiển và đẩy hạt vật chất chuyển động theo hướng trùng với hướng của phần tử năng lượng động đó. Năng lượng điều khiển có giá trị càng lớn thì hạt vật chất chuyển động càng nhanh. Ở đây chúng ta thấy năng lượng điều khiển hoạt động giống như một lực đẩy tác động lên hạt vật chất và làm nó chuyển động. Năng lượng điều khiển biểu hiện ra bên ngoài bằng động năng.
Giá trị năng lượng toàn phần của một hạt vật chất là tổng giá trị năng lượng của tất cả các phần tử năng lượng động tác động lên hạt vật chất đó. Năng lượng toàn phần của hạt vật chất không đề cập đến hướng của phần tử năng lượng động.
5. Giả thiết về cấu tạo của một hạt vật chất. Theo quan điểm của thuyết TVN thì các hạt vật chất, dù nhỏ bé như electron, đều có cấu tạo đặc trưng.
a. Cấu tạo của electron Electron có dạng hình cầu được cấu tạo gồm ba phần :
(1). Nhân của electron nằm ở tâm là thành phần vật chất cơ bản mang thông tin xác định điện tích -e và khối lượng me.
(2). Vùng năng lượng của electron nằm ở giữa, vùng này bao gồm nhiều phần tử năng lượng động và có giá trị năng lượng toàn phần được xác định theo hệ thức: E = mc2 .
(3). Vành đai lượng tử vật chất tương tác nằm ở phía ngoài cùng bao bọc lấy toàn bộ phần bên trong. Ở phía ngoài vành đai này là vùng đệm không gian, trong đó mật độ các phần tử vật chất trung gian phân bố theo hướng giảm dần khi khoảng cách càng xa so với tâm electron.
+ Giải thích cấu tạo của electron:
Do nhân của electron mang thông tin xác định khối lượng me nên nó thu hút một năng lượng tương ứng vây xung quanh. Nhờ có trường hấp dẫn vi mô nên các phần tử vật chất trung gian bị thu hút lại gần vùng nhân electron và biến thành lượng tử vật chất tương tác. Sự thống nhất hài hòa giữa trường hấp dẫn vi mô và trường điện từ vi mô của electron điều khiển lượng tử vật chất tương tác tạo ra vành đai bao quanh vùng năng lượng.
Tất cả các hạt vật chất đơn nhân khác (chỉ có 1 nhân ở giữa) cũng có cấu tạo tương tự như electron.
b. Cấu tạo của proton Proton có dạng hình cầu được hợp thành từ sự liên kết chặt chẽ của 3 hạt quark, do đó cấu tạo của nó cũng có sự khác biệt chút ít so với electron.
(1) Ba nhân quark được liên kết chặt chẽ để tạo ra sự thống nhất hài hòa các trường hấp dẫn vi mô và trường điện từ vi mô.
(2) Mỗi nhân quark thu hút xung quanh một năng lượng nhất định, giá trị năng lượng này tương ứng với khối lượng của hạt quark.
(3) Phần năng lượng dùng chung của các quark. Tổng giá trị của phần năng lượng dùng chung và ba phần năng lượng dùng riêng của các quark đúng bằng giá trị năng lượng toàn phần của proton xác định theo hệ thức E = mc2 .
(4) Vành đai lượng tử vật chất tương tác nằm ở phía ngoài cùng bao bọc lấy toàn bộ phần bên trong. Ở phía ngoài vành đai này là vùng đệm không gian, trong đó mật độ các phần tử vật chất trung gian phân bố theo hướng giảm dần khi khoảng cách càng xa so với tâm hạt proton.
Cấu tạo của các hạt vật chất đa nhân khác cũng suy diễn tương tự như hạt proton.
II. Các dạng tương tác vi mô & vĩ mô Theo thuyết TVN thì cơ chế truyền tương tác giữa các hạt vật chất chỉ có thể diễn ra theo một trong ba hướng sau:
(1) hạt vật chất A truyền cho hạt vật chất B một lượng tử mang năng lượng xác định, khi hạt B hấp thụ thêm năng lượng mới thì năng lượng điều khiển trong hạt B thay đổi dẫn đến việc thay đổi trạng thái chuyển động của hạt B.
(2) hạt vật chất A truyền lực tương tác trực tiếp hoặc gián tiếp đến hạt vật chất B dẫn đến làm đảo chiều (hoặc xoay chiều) một số lượng nhất định các phần tử năng lượng động trong hạt vật chất B theo hướng xác định, từ đó làm thay đổi năng lượng điều khiển trong hạt B.
(3) hạt vật chất A truyền tương tác trực tiếp hoặc gián tiếp đến hạt vật chất B, kích thích hạt vật chất B hấp thu hoặc phát xạ một lượng tử năng lượng nào đó dẫn đến làm thay đổi năng lượng điều khiển trong hạt B.
1. Tương tác hấp dẫn vi mô & tương tác điện từ vi mô Theo thuyết TVN thì phải tồn tại các tương tác hấp dẫn vi mô và tương tác điện từ vi mô, mặc dù về độ lớn của nó thì chưa biết được chính xác, nhưng các tương tác này đóng vai trò quan trọng kiến tạo nên mô hình nguyên tử.
Tương tác hấp dẫn vi mô là tương tác giữa các hạt mang khối lượng (proton, neutron, electron...) với nhau và giữa các hạt mang khối lượng với các phần từ vật chất trung gian diễn ra trong vùng kích thước nguyên tử. Lực hấp dẫn vi mô giữa các hạt là lực hút tác động trực tiếp lên nhau, với cừờng độ tùy thuộc vào khối lượng và khoảng cách - khối lượng càng lớn khả năng tương tác càng mạnh, khoảng cách tương tác càng nhỏ lực hấp dẫn càng lớn.
Tương tác điện từ vi mô là tương tác giữa các hạt mang điện tích ( proton, electron...) với nhau diễn ra trong vùng kích thước nguyên tử. Lực điện từ vi mô giữa các hạt là lực tác động trực tiếp lên nhau với cường độ và hướng tùy thuộc vào độ lớn và dấu của các điện tích tương tác cũng như khoảng cách giữa chúng.
Các tương tác hấp dẫn vi mô và điện từ vi mô không độc lập hoàn toàn với nhau mà chúng luôn có xu hướng hợp tác để tạo ra các liên kết vật chất hợp lý trong mỗi hạt đơn (proton, neutron, electron...), trong hạt nhân nguyên tử và trong mô hình nguyên tử
2. Tương tác hấp dẫn vĩ mô & tương tác điện từ vĩ mô Tương tác hấp dẫn vĩ mô tạo ra lực hấp dẫn vĩ mô. Tương tác điện từ vĩ mô tạo ra lực điện từ vĩ mô.
Thuyết tương tác vật chất - năng lượng tổng quát (TVN) cho rằng, các lực hấp dẫn và lực điện từ vĩ mô phát sinh giữa các hạt vật chất mang khối lượng và điện tích là do sự truyền tương tác thông qua lượng tử vật chất tương tác. Chúng ta xét ví dụ về hiện tượng truyền tương tác giữa hai hạt là proton và electron để minh họa cho quá trình phức tạp này.
Do tác dụng của trường hấp dẫn vi mô nên các lượng tử vật chất tương tác của electron tiến dần về phía tâm. Các lượng tử này đã bị nhiễm các đặc trưng của trường hấp dẫn vi mô và trường điện từ vi mô của electron. Các lượng tử vật chất tương tác ở phía trong vành đai sẽ trao đổi năng lượng với electron và bị đẩy bung ra phía ngoài electron về mọi hướng. Quá trình này diễn ra với tần suất khá cao, có thể đến hàng triệu chu kỳ một giây. Các lượng tử vật chất tương tác bung ra chuyển động thẳng (trong một không gian ổn định) với vận tốc tương đương vận tốc ánh sáng ( không loại trừ trường hợp vận tốc của các lượng tử vật chất tương tác lớn hơn c ). Do kích thước cực nhỏ và khối lượng bằng 0 nên chúng có khả năng xuyên thấu rất cao.
Chúng ta hãy lưu ý rằng, các lượng tử vật chất tương tác phát ra từ electron tuy không mang điện và mang khối lượng nhưng lại bị nhiễm điện từ và nhiễm tính hấp dẫn theo một cách riêng. Còn hạt proton, do có nhân mang thông tin điện tích và khối lượng nên chúng tạo ra trường hấp dẫn và trường điện từ vi mô. Khi một lượng tử vật chất tương tác có nguồn gốc từ electron xuyên qua hạt proton thì nó gây ra tương tác hấp dẫn bằng cách làm đảo chiều một số nhất định các phần tử năng lượng động trong hạt proton để tạo ra lực hút về phía hạt electron theo chiều ngược với hướng di chuyển của lượng tử vật chất tương tác. Lực hút gây ra bởi từng lượng tử vật chất tương tác tùy thuộc vào mức độ nhiễm tương tác hấp dẫn của lượng tử vật chất tương tác đến từ electron cũng như độ lớn của trường hấp dẫn vi mô tại hạt proton, hay nói một cách dễ hiểu là lực đó tùy thuộc vào khối lượng của electron và proton. Tương tác điện từ cũng diễn ra tức thì bằng cách làm đảo chiều một số nhất định nào đó các "mũi tên năng lượng". Hướng của lực điện từ còn tùy thuộc vào điện tích cùng dấu hay trái dấu của hai hạt vật chất tương tác cũng như tương quan chuyển động giữa các hạt. Các hạt điện tích trái dấu thì hút nhau còn cùng dấu thì đẩy nhau.
Do có độ xuyên thấu cao nên các lượng tử vật chất tương tác gây ảnh hưởng tới mọi hạt vật chất trên đường di chuyển của nó, chính vì thế mà lực hấp dẫn và lực điện từ có vùng hoạt động rộng khắp trong không gian.
Theo thuyết TVN thì về cơ bản, giá trị của lực hấp dẫn phù hợp với định luật hấp dẫn Newton, giá trị của lực điện từ phù hợp với lực điện từ Lorentz. Tuy nhiên do quan điểm về không gian trong thuyết TVN là không gian vật chất - năng lượng dao động và các tương tác hấp dẫn và tương tác điện từ là tương tác lượng tử nên trong công thức tính các lực này cần bổ sung thêm hệ số phụ thuộc không gian xảy ra tương tác. Ngoài ra cũng phải xét đến ảnh hưởng do trạng thái chuyển động của các vật tham gia tương tác. Chẳng hạn như với không gian tương tác mà các phần tử vật chất trung gian trong đó luôn ổn định vị trí thì hệ số không gian tương tác bằng 1. Theo thuyết TVN, một vài thông số liên quan đến tương tác hấp dẫn và điện từ vĩ mô như sau: tần suất phát xạ các lượng tử vật chất tương tác của mọi hạt vật chất là như nhau. Mật độ phát xạ giống nhau trên bề mặt từng hạt và giữa các hạt vật chất. Đường kính của các hạt vật chất tỷ lệ thuận với căn bậc hai của khối lượng. Mức độ nhiễm tương tác hấp dẫn ( hoặc tương tác điện từ ) của các lượng tử vật chất tương tác tỷ lệ thuận với khối lượng ( hoặc điện tích ) và tỷ lệ nghịch với bình phương bán kính của hạt. Khả năng "truyền lực" của một lượng tử vật chất tương tác không thay đổi theo khoảng cách: điều này có nghĩa là, các lượng tử vật chất tương tác không bị "biến tính" khi di chuyển qua nhiều môi trường khác nhau. Sở dĩ như vậy là do các lượng tử vật chất tương tác di chuyển nhanh còn kích thước các hạt thì quá nhỏ nên thời gian xuyên qua hạt quá ngắn, chỉ đủ để diễn ra quá trình truyền tương tác, không đủ thời gian để tạo ra những thay đổi về thông tin dự trữ ban đầu.
3. Tương tác giữa các phần tử vật chất trung gian Các phần tử vật chât trung gian tồn tại phổ biến trong không gian, chúng luôn đẩy nhau trực tiếp trong vùng bán kính nhỏ. Độ lớn của lực đẩy này cũng tùy thuộc vào khoảng cách, khoảng cách càng gần thì lực đẩy càng lớn còn càng xa nhau thì lực đẩy yếu dần đi. Các lượng tử vật chất tương tác có nguồn gốc từ các phần tử vật chất trung gian nên chúng cũng tham gia vào quá trình tương tác này.
4. Tương tác giữa các quark trong hạt nucleon Tương tác giữa các quark trong một hạt vật chất còn được gọi là tương tác mạnh. Theo thuyết TVN thì tương tác mạnh là một dạng đặc biệt của sự kết hợp giữa các tương tác hấp dẫn vi mô và điện từ vi mô trong phạm vi một hạt vật chất. Nhiệm vụ của các quark trong hạt vật chất đa nhân là phải thường xuyên điều chỉnh khoảng cách giữa chúng để làm sao tạo ra sự thống nhất của trường hấp dẫn vi mô và trường điện từ vi mô chung của hạt. Do có nhiều nguồn năng lượng tác động từ bên ngoài đến hạt nucleon gây ảnh hưởng đến các quark làm chúng chuyển động ra xa nhau hoặc lệch nhau làm mất cân bằng các trường vi mô. Để trở về vị trí cân bằng, một hạt quark có thể trao đổi năng lượng riêng của nó với phần năng lượng dùng chung trong hạt nucleon nhằm thay đổi năng lượng điều khiển của hạt quark và đưa nó về vị trí phù hợp trong mối tương quan thống nhất với các quark còn lại.
5.Tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân nguyên tử Ngoại trừ hạt nhân của nguyên tử hydro thông thường chỉ gồm 1 hạt proton còn hạt nhân của các nguyên tử khác bao gồm cả 2 loại là proton mang điện tích +e và neutron trung hòa về điện. Các nucleon trong hạt nhân liên kết với nhau theo một quy tắc nhất định nhằm tạo ra một trường hấp dẫn và trường điện từ cân bằng làm cơ sở cho chuyển động quay tương đối ổn định của các electron trên các lớp quỹ đạo. Giữa các nucleon có ba dạng liên kết là proton - proton, proton - neutron, neutron - neutron. Đồng thời giữa các nucleon có các loại tương tác bao gồm: tương tác hấp dẫn vi mô, tương tác hấp dẫn vĩ mô, tương tác điện từ vi mô, tương tác điện từ vĩ mô. Ngoài ra, do sức hút hấp dẫn vi mô nên trong khoảng không gian hẹp gữa các nucleon và xung quanh hạt nhân còn có các phần tử vật chất trung gian với mật độ khá cao. Lực hút hấp dẫn giữa các nucleon cùng với lực đẩy từ các phần tử vật chất trung gian xung quanh hạt nhân tác động lên lớp vỏ của các nucleon đóng vai trò quan trọng trong việc gắn kết các nucleon lại với nhau nhằm chống lại các tương tác điện từ ( lực đẩy ) rất mạnh giữa các proton.
Không phải hạt nhân nguyên tử nào cũng có tính bền vững như nhau mà còn tùy thuộc vào số lượng và thành phần các nucleon liên kết tạo thành. Những hạt nhân nguyên tử có liên kết thiếu bền vững dễ bị phân rã thành nhóm các hạt vật chất nhỏ hơn nhưng có tính ổn định cao (hiện tượng phân rã hạt nhân Urani là một ví dụ điển hình). Đối với các hạt vật chất đơn lẻ cũng vậy, hạt vật chất nào có cấu tạo thiếu bền vững dễ bị phân rã thành nhóm hạt riêng rẽ có tính bền vững cao hơn. Hạt vật chất dễ bị phân rã là hạt mà thành phần vật chất cơ bản ở tâm của nó có cấu tạo thiếu bền vững nên dễ bị tác động bởi ảnh hưởng của môi trường bên ngoài. Chẳng hạn như khi so sánh hai hạt proton và neutron chúng ta biết rằng, trong điều kiện bình thường thì proton có tính bền vững cao hơn so với neutron. Hạt neutron dễ bị phân rã thành proton + electron + phản neutrino electron.
6. Tương tác giữa electron và hạt nhân nguyên tử Như chúng ta đã biết, mỗi nguyên tử đều có hạt nhân mang điện tích dương nằm ở tâm và xung quanh là các lớp quỹ đạo điện tử chuyển động, số electron của nguyên tử tương ứng với điện tích dương của hạt nhân nên về tổng thể thì nguyên tử trung hòa về điện tích.
Theo thuyết TVN, tương tác vật chất - năng lượng xảy ra bên trong nguyên tử bao gồm: tương tác hấp dẫn vi mô và vĩ mô, tương tác điện từ vi mô và vĩ mô, tương tác giữa các hạt vật chất với các phần tử vật chất trung gian và cuối cùng là tương tác giữa các phần tử vật chất trung gian với nhau.
Do lực hấp dẫn vi mô tập trung chủ yếu ở hạt nhân nguyên tử nên mật độ các phần tử vật chất trung gian trong nguyên tử phân bố không đều: càng gần hạt nhân mật độ càng cao, càng xa hạt nhân thì mật độ các phần tử vật chất trung gian càng giảm. Nhìn vào cấu trúc hạt nhân nguyên tử, chúng ta thấy: hạt nhân có điện tích dương càng lớn thì khối lượng cũng tăng với tỷ lệ tương ứng với sự tăng lên của điện tích. Vì vậy, hạt nhân có điện tích dương càng lớn (cũng kèm theo khối lượng càng lớn) thì mật độ các phần tử vật chất trung gian ở xung quanh cũng cao hơn.
+ Tương tác giữa các electron trong nguyên tử: nhìn vào cấu tạo của các điện tử đã trình bày ở phần trước, chúng ta thấy rằng giữa chúng có đầy đủ các dạng tương tác như liệt kê ở trên. Tuy nhiên do electron có khối lượng nhỏ nên các tương tác điện từ vi mô và vĩ mô là quan trong nhất, vì vậy các điện tử đẩy nhau khá mạnh do đó chúng thường nằm ở những vị trí xa nhau một khoảng cách tối thiểu hợp lý.
+ Tương tác giữa hạt nhân và electron: giữa hạt nhân và electron cũng có đầy đủ các dạng tương tác đã liệt kê ở trên. Chúng ta chia các tương tác ấy thành hai bộ phận là lực hút và lực đẩy. Lực hút bao gồm: tương tác hấp dẫn vi mô và vĩ mô, tương tác điện từ vi mô và vĩ mô. Lực đẩy xảy ra chủ yếu giữa các phần tử vật chất trung gian ở quanh hạt nhân tác động lên lớp vỏ lượng tử vật chất tương tác của điện tử. Ở khoảng cách xa nhau (tương đương bán kính nguyên tử), lực hút giữa electron với hạt nhân lớn hơn lực đẩy tác động lên electron, do đó electron không bị văng ra ngoài nguyên tử. Khi các electron càng tiến gần tâm thì lực hút giữa chúng và hạt nhân tăng lên nhưng lực đẩy từ các phần tử vật chất trung gian lên điện tử còn tăng nhanh hơn, đến một khoảng cách nào đó thì lực đẩy lớn hơn lực hút; do đó các electron chỉ có thể chuyển động ở những lớp quỹ đạo cách xa hạt nhân một khoảng nào đó chứ không thể bị hút chặt vào hạt nhân được.
B. Một số hệ quả Chắc chắn là sẽ có nhiều hệ quả rút ra từ thuyết tương tác vật chất năng - lượng tổng quát, ở đây chúng ta xem xét một số hệ quả.
I. Xác định kích thước của các hạt vật chất vi mô Theo thuyết TVN thì các hạt vật chất vi mô độc lập có dạng hình cầu và các hạt khác nhau có đường kính tỉ lệ theo căn bậc hai của khối lượng. Như vậy nếu biết khối lượng của hai hạt và đường kính của hạt lớn ta có thể tính được đường kính của hạt nhỏ.
Chẳng hạn như ta có thể tính được bán kính của electron khi biết khối lượng của nó cùng với khối lượng của hạt proton và bán kính hạt proton. Giả sử khối lượng của proton bằng 1836 me, bán kính của nó là 0,8768 fm ta suy ra bán kính của electron là 0,02046 fm ( 1fm = 10−15 m).
II. Bản chất của hiện tượng quán tính Trong cơ học, khối lượng của vật đặc trưng cho mức độ quán tính của vật đó - tức là vật có khối lượng càng lớn thì "sức ì" càng lớn và cần lực tác dụng mạnh hơn để làm thay đổi trạng thái chuyển động theo ý muốn. Mối quan hệ giữa lực và gia tốc chuyển động của vật được nêu ra trong định luật II Newton: {\vec F}=m{\vec a}.
Bây giờ chúng ta vận dụng thuyết TVN để tìm hiểu bản chất của hiện tượng quán tính. Như đã biết, một vật thể được cấu tạo từ vô số các hạt vi mô như proton, electron và neutron, khối lượng của vật thể bằng tổng khối lượng của tất cả các hạt cấu tạo thành. Theo thuyết TVN thì đường kính hạt vi mô tỷ lệ với căn bậc hai của khối lượng hạt, do đó diện tích bề mặt hạt và diện tích mặt cắt của hạt đều tỷ lệ với khối lượng của hạt. Nhìn vào sơ đồ cấu tạo hạt vi mô, chúng ta thấy lớp vỏ ngoài của hạt là vành đai lượng tử tương tác. Các lượng tử tương tác này chính là các phần tử vật chất trung gian biến đổi mà thành nên chúng cũng tương tác đẩy qua lại với những phần tử trung gian của không gian xung quanh. Như vậy rõ ràng là có một áp suất không gian tác động đều lên bề mặt hạt vi mô, nó có xu hướng giữ ổn định trạng thái của hạt - tạo ra sức ỳ quán tính, hạt có khối lượng càng lớn thì sức ì càng lớn. Muốn cho hạt thay đổi trạng thái chuyển động theo ý muốn cần cung cấp cho nó năng lượng hoặc tác động nên nó một lực có độ lớn nhất định, mối quan hệ giữa gia tốc - khối lượng - lực tác dụng tuân theo quy tắc: gia tốc chuyển động của hạt tỷ lệ thuận với lực tác dụng và tỷ lệ nghịch với khối lượng của hạt.
(còn tiếp)
