|
Einstein
và vật lý hiện đại
[19/03/2006]
Einstein mất vào lúc 1giờ 15 phút ngày 18
tháng 4 năm 1955, mất đi một thiên tài lớn
của nhân loại. Trong suốt cuộc đời, ông
đã sáng tạo ra những điều khó trực
cảm được trong thế giới bình
thường, nhưng đó lại là những
điều sâu thẳm nhất về bản chất
của thế giới, những điều mang lại
những ứng dụng đa dạng kỳ diệu cho
cuộc sống.
A. Những
thành tựu lớn lao của Einstein:
Năm 1905
dựa trên khái niệm lượng tử, ông giải
thích hiệu ứng quang điện (giải Nobel năm
1921), công trình này cùng với nhiều công trình khác về
lượng tử đã xếp Einstein vào những
người đặt nền móng cho cơ học
lượng tử. Cùng năm vào tháng 9 ông công bố bài
báo khai sinh lý thuyết tương đối hẹp. “
Newton, mong Ngài hãy tha thứ “ Einstein đã ngõ lời xin
lỗi như vậy khi lý thuyết tương
đối hẹp đã phá bỏ tính tuyệt đối
của không thời gian Newton vốn đã ngự trị
trong tư duy khoa học trong hơn 200 năm. Không gian và
thời gian biến thành đa tạp 4 chiều Minkowski.
Công thức nổi tiếng E = mc 2 sau đó ra
đời,mở đường cho việc sử
dụng năng lượng hạt nhân: bom nguyên tử và
điện nguyên tử.
Năm 1916 ông xây dựng lý thuyết tương
đối rộng. Nhà vật lý lý thuyết kiệt
xuất Nga Lev Landau đã nói đây là một trong những
lý thuyết đẹp đẽ nhất mà con
người có thể sáng tạo ra. Lý thuyết
tương đối rộng nối liền không
thời gian với vật chất trong phương trình
mang tên Einstein:
G mn =8pGTmn
G mn mô tả hình học của không thời gian ,Tmn mô
tả vật chất.
Sau đó ông để suốt cuộc đời còn
lại (1926-1955) để xây dựng lý thuyết
thống nhất hấp dẫn và điện từ.
Ông đã mất nhưng các ý tưởng của ông
vẫn là những kim chỉ nam cho vật lý ngày nay. Thiên
tài vĩ đại của Einstein làm cho người ta có
cảm giác như ông là một người thừa
hưởng đuợc những tư tưởng sâu xa
từ đâu đó để rồi chỉ cho chúng ta
những bước nghiên cứu trong một hai thế
kỷ.
Sau đây hãy đề cập đến một số ý
tưởng của ông có ảnh hưởng lớn
đối với vật lý.
1 / Einstein đã đưa vào phương trình nổi
tiếng của mình hằng số vũ trụ, ông
đúng hay sai?
Năm 1917, Einstein đứng trước một bài toán
đầy thách thức: cứu vãn tình huống khó khăn
do ông nghĩ rằng phương trình hấp dẫn
của ông không chấp nhận những lời giải
tĩnh (static), lời giải mà ông cho rằng phù hợp
để mô tả vũ trụ. Trong cơn tuyệt
vọng ông đã thêm vào phương trình hấp dẫn
một số hạng được gọi là hằng
số vũ trụ: Lgmn.
Năm 1922 nhà vật lý người Nga Alexander Friedman tìm ra
lời giải của phương trình Einstein (không
chứa số hằng số vũ trụ) ứng
với một vũ trụ giãn nở hoặc co lại,
nghĩa là không ở trong trạng thái tĩnh.
Mười hai năm sau nhà thiên văn người Mỹ
Edwin Huble tìm ra hiện tượng vũ trụ giãn
nở.
Trước những sự kiện đó Einstein cho
rằng việc đưa hằng số vũ trụ vào
phương trình nổi tiếng của ông là một sai
lầm đáng ân hận nhất trong đời .Như
vậy ông từ bỏ số hạng đó và loại
bỏ hẳn Lgmn trong phương trình
G mn + Lgmn =8pGTmn.
Song lại xảy ra một điều kỳ lạ:
để giải thích hiện tượng vũ trụ
giãn nở có gia tốc mà thiên văn quan trắc
được trong thời gian gần đây thì các nhà
vật lý lý thuyết phải đưa lại hằng
số vũ trụ vào phương trình của Einstein !
Vậy trực quan của Einstein đã đưa ông
đi đúng đường. Nhưng cũng phải nói
rằng số hạng vũ trụ bây giờ phải
nằm về phía bên phải của phương trình
để mô tả năng lượng chân không của
vũ trụ, nghĩa là liên quan đến tenxơ mô
tả vật chất, chứ không nằm ở bên trái
phương trình để mô tả hình học của
vũ trụ.
Như vậy là hằng số vũ trụ của
Einstein ở bên phải của phương trình gây nên
lực đẩy làm cho vũ trụ giãn nở có gia
tốc. Số hạng này có thể liên quan đến
năng lượng chân không cho nên có nguồn gốc
lượng tử .Trong lý thuyết lượng
tử chân không không phải là một môi trường không
có gì cả, mà đó là một môi trường sôi
động ở đó các hạt và phản hạt sinh và
huỷ liên hồi.Người ta có thể tính
được năng lượng chân không này và thấy
rằng năng lượng này 120 bậc lớn hơn
(10 120) năng lượng cần có. Kết quả tính
toán quá lớn, cần phải có những lý thuyết
để đưa đưa trị số của
năng lượng này về một trị số khác
không song không quá lớn như thế.
Trong vũ trụ có 4 thành phần: năng lượng
tối (dark energy) gây lực đẩy,vật chất
tối (dark matter) gây lực hút, các sao, các thiên hà và
cuối cùng là các bức xạ .Nếu vũ trụ là
phẳng thì mật độ vật chất là mật
độ tới hạn, có thể năng lượng
tối tạo ra 2/3 mật độ tới hạn
đó.Trong hai thập kỷ qua lý thuyết lạm phát
cộng với giả thuyết vật chất tối
đã là cơ sở để giải thích cấu trúc
của vũ trụ, song bây giờ phải chú ý
đến năng lượng tối mới mô tả
được hiện tượng giãn nở có gia tốc.
Nếu năng lượng này dương thì vũ
trụ giãn nở mãi, nếu nó trở nên quá lớn thì nó
xé rách các thiên hà, thái dương hệ, các hành tinh, các phân
tử, nguyên tử .Nếu năng lượng này âm thì
vũ trụ sẽ co lại.Vậy dường như
số phận của vũ trụ được
quyết định bởi năng lượng tối
này!
Năng lượng tối này có mối liên quan gì
đến năng lượng chân không ? đến
trường Higgs ? (trường Higgs là trường
giả thuyết, chưa tìm ra được, khi tác
dụng vào các hạt thì sinh ra khối lượng cho các
hạt).
Những câu hỏi đầy thách thức!
2 / Einstein với lý thuyết thống nhất, và các
chiều dư (extra dimensions) ngoài không thời gian.
Như chúng ta biết sau khi xây dựng xong lý thuyết
tương đối hẹp và lý thuyết tương
đối rộng,trong cuối đời Einstein đem
hết tâm lực vào việc thống nhất tương
đối rộng với lý thuyết điện từ
nhằm xây dựng một lý thuyết thống nhất,
trong đó hấp dẫn và điện từ là hai
mặt của một trường, lý thuyết đó phải
giải thích được sự tồn tại của
các hạt, phải suy ra được các hằng số
như điện tích của electron,tốc độ
của ánh sáng.Ông không thành công trong việc xây dựng lý
thuyết thống nhất vì chưa đến giai
đoạn để xây dựng một lý thuyết
như thế : lúc ấy người ta chưa biết
đến tương tác mạnh và tương tác
yếu. Nhưng những ý tưởng ông đưa ra là
đúng đắn và sâu sắc.
Để thống nhất hấp dẫn và điện
từ Kaluza, Klein và sau đó Einstein với Bergmann đã
đưa thêm chiều thứ 5,ngoài 4 chiều không
thời gian để mô tả điện từ, và
đồng nhất điện tích với thành phần
thứ năm của xung lượng trong không gian 5
chiều. Chiều thứ 5 không thấy được vì
nó cuộn tròn lại (người ta nói là compắc hoá
lại), chiều này ứng với nhóm U(1), mô tả
điện từ. Kích thước của những vòng
tròn này biểu hiện tỷ số tương
đối của tương tác hấp dẫn và
điện từ.Như vậy trong không gian 5 chiều
này chúng ta có thể tiếp cận đến lý thuyết
thống nhất có khả năng mô tả
được lý thuyết hấp dẫn và điện
từ trong không gian 4 chiều.
 Tư tưởng thống nhất các tương tác
của Einstein trong những năm gần đây
được các nhà vật lý lý thuyết thể
hiện trong lý thuyết siêu dây, dựa trên siêu đối
xứng là đối xứng nối liền boson và
fermion. Nhiều người hy vọng đây là lý
thuyết tối hậu có khả năng thống
nhất 4 loại tương tác của thiên nhiên: hấp
dẫn, điện từ, mạnh và yếu.Lý thuyết
siêu dây gồm nhiều nhánh đổ về một lý
thuyết chung gọi là lý thuyết M. Sở dĩ lý
thuyết này được gọi là lý thuyết M vì
người ta cho rằng nó sẽ là nơi bắt
nguồn của nhiều lý thuyết con khác (M là chữ
đầu của từ mẹ),người ta cũng cho
rằng đây là một lý thuyết đầy ma lực
(M ở đây lại là chữ đầu của ma
lực), người ta còn có thể gán cho chữ M
nhiều ý nghĩa khác.Người ta hy vọng lý
thuyết M sẽ là “lý thuyết của tất
cả “ (theory of everything – TOE). Lý thuyết siêu
dây đã khôi phục lại ý tưởng Kaluza-Klein và
Einstein về không gian có số chiều nhiều
hơn 4. Những chiều dư này cuộn tròn
lại thành những vòng tròn với kích thước
rất bé và đang thoát khỏi sự quan trắc của
những kính hiển vi siêu mạnh hiện nay. Sự
compắc hoá này thực ra có thể hình dung được
vì chính các chiều không gian vĩ mô hiện nay đang
trải dài đến vô tận vốn cũng đã có
kích thước vô cùng bé ở những thời
điểm sơ sinh của vũ trụ.
Trong lý thuyết siêu dây yếu tố cơ bản là dây,
chứ không phải là điểm.Dây là một thực
thể một chiều , những hạt cơ bản
sẽ là những trạng thái kích thích của dây. Kích
thước của dây vào cỡ độ dài Planck,
tức khoảng 10 – 33 cm, và những dây này trông như
những điểm nếu nhìn từ những kích
thước lớn hơn độ dài Planck.
Để cho các phương trình của lý thuyết
được tương hợp về mặt toán
học, các dây này phải được dao động
trong một không gian 10 chiều (hoặc 11 chiều – nhánh
siêu hấp dẫn ). Sáu chiều (hoặc 7 chiều)
dư ra bị compắc hoá thành những kích thước
quá bé để có thể quan sát được.
Các chiều dư này đóng một vai trò quyết
định trong việc thống nhất lý thuyết
hấp dẫn và cơ học lượng tử của
lý thuyết siêu dây.
Ngoài dây còn một đối tượng tôpô quan trọng
khác là màng (brane suy từ chữ membrane), có thể nói màng
là hình ảnh quỹ tích của các điểm mút của
các dây hở . Lý thuyết dây phức tạp hơn lý
thuyết Kaluza-Klein nhiều lần, song tư
tưởng chủ đạo vẫn là một: các
định luật vật lý quan sát được
phụ thuộc vào các chiều dư vốn nằm trong
trạng thái ẩn.
Điều gì quyết định hình học ? Câu trả
lời là tương tự như trong trường
hợp hấp dẫn, hình học phải thoả mãn
phương trình kiểu phương trình Einstein ! Trong lý
thuyết siêu dây lời giải không đơn
trị: nhiều hình học đều có thể là
lời giải. Nếu có một chiều dư thì
chiều này có thể cuộn thành một hình tròn, song
ở đây số chiều dư tương đối
là nhiều nên ta có thể có nhiều tôpô: hình cầu, hình
xuyến, hoặc hai hình xuyến nối với nhau thành
hai tay quai, ba hình xuyến nối với nhau
tạo raba tay quai và vân vân.
Các lời giải đó không như nhau: mỗi lời
giải có một thế năng xác định bởi
cácthông lượng, các màng, các độ cong, nói chung
bởi một số thông số.Đây chính là năng
lượng chân không vì ứng với n
ăng lượng
của không thời gian khi bốn chiều vĩ mô không
chứa vật chất hoặc các trường. Hình
học các chiều dư có khuynh hướng làm cho năng
lượng này nhỏ nhất giống như
trường hợp một quả bóng có khuynh
hướng lăn về vị trí thấp hơn.
Hiện nay dường như chúng ta đang ở vào
một cực tiểu với năng lượng chân
không dương. Vì có nhiều thông số cho nên bức
tranh năng lượng phức tạp , nếu xét 2 thông
số chúng ta có một hình vẽ với các đồi và
thung lũng như một phong cảnh, phong cảnh
của lý thuyết siêu dây. Danh từ phong cảnh do
nhà vật lý lý thuyết Leonard Susskin đưa ra.
Tại sao vũ trụ của chúng ta đã chọn
một thung lũng,còn những thung lũng khác chỉ là
những khả năng toán học ? Có thể giải
thích bằng 2 cách: thứ nhất vũ trụ có thể
không bị mắc kẹt vào một cấu hình
nào,những quá trình lượng tử cho phép vũ
trụ nhảy từ cấu hình này sang cấu hình khác,
thứ hai dựa trên lý thuyết tương đối
tổng quát của Einstein,vốn là một bộ phận
của lý thuyết siêu dây thì vũ trụ có thể giãn
nở, trở thành rất lớn và như thế
nhiều vũ trụ tồn tại song song với nhau
trong dạng những vũ trụ con,và
mỗi vũ trụ con đủ lớn để không
cảm nhận được sự tồn tại
của các vũ trụ con khác, như thế câu hỏi
tại sao vũ trụ chúng ta chỉ chọn một thung
lũng sẽ không còn nữa.
 Mỗi chân không ứng với mỗi thung lũng
được đặc trưng bởi một số
thông số,những thông số này có thể thay
đổi vì các quá trình lượng tử và ta có một
bước nhảy sang một cấu hình khác.Nếu
ở cấu hình này năng lượng chân không là
dương thì không gian laị giãn nở.Như vậy
bigbang không là gì khác ngoài một bước nhảy sang
một cấu hình mới trong bức tranh phong cảnh
của lý thuyết siêu dây. Một ngày nào đó (còn quá xa
để chúng ta phải lo lắng) vũ trụ của
chúng ta lại thực hiện một bước nhảy
mới.
Có thể xảy ra trường hợp trong vùng đang
giãn nở lai có một bước nhảy vào đấy
và hình thành một vũ trụ con giãn nở khác.Hình
ảnh giống như trong một bong bóng nàylại có một
bong bóng khác.
Như chúng ta đã thấy đối với Einstein thì
năng lượng chân không về mặt toán học là
đồng nhất với hằng số vũ
trụ.Dùng lý thuyết trường lượng tử
người ta tính thấy rằng năng lượng
chân không ứng với mật độ vào khoảng 10 94
gam / cm 3 hay một khối lượng Planck / l 3 , với
l là độ dài Planck . Ghi mật độ đó là
LPlanck.Kết quả này quá lớn và người ta cho
đây là một kết quả sai lầm nổi tiếng
trong vật lý học vì thực nghiệm quan trắc quá
trình dãn nở gia tốc của vũ trụ chỉ cho
trị số không lớn hơn 10 – 120 LPlanck, như
vậy năng lượng chân không gần bằng số
không .Trong bức tranh phong cảnh của lý thuyết dây
các trị số của năng lượng chân không
biến thiên từ + LPlanck đến - LPlanck.
Người ta đã tìm được những lời
giải với 10 500 cực tiểu với năng
lượng chân không phân bố ngẫu nhiên giữa hai
trị số trên, như vậy nếu đặt các
cực trị đó trên một trục thẳng
đứng thì khoảng cách trung bình giữa chúng là 10 – 500
LPlanck và các tác giả của lý thuyết siêu dây tính
được rằng phần lớn các trị số
nằm giữa số không và 10 – 120 LPlanck.Điều này
có nghĩa là bức tranhphong cảnh của lý thuyết
siêu dây đã đưa ra một giải thích
được trị số rất nhỏ của
năng lượng chân không.Thật ra ý
tưởng này không mới, năm 1984 nhà vật lý
người Nga Andrei Sakharov đã cho biết rằng hình
học phức tạp của các chiều dư vốn
ở trạng thái ẩn có thể tạo ra một
phổ năng lượng của chân không, phổ này có
thể chứa những trị số rất nhỏ quan
sát được trong thực nghiệm.Nhiều tác
giả khác cũng đưa ra nhiều cách giải thích
vấn đề này.
 Ngưòi ta ví nhân loại như một người lữ
khách đi tìm các cực tiểu và ở đâu thích
hợp cho quá trình phát sinh sự sống thì dừng chân
lại,đây chính là nội dung của nguyên lý vị nhân
(anthropic principle).
Lý thuyết siêu dây dường như trả lời
được nhiều câu hỏi nhưng lý thuyết này
liệu có phải là lý thuyết thống nhất tối
hậu, lý thuyết của tất cả -TOE chưa?
3 / Einstein đúng hay sai khi cho rằng cơ học
lượng tử phải dẫn đến một lý
thuyết cổ điển?
Những nhà vật lý đã có kinh nghiệm: mỗi
lần cho rằng Einstein sai lầm thì mỗi lần ông
tỏ ra là đúng vì sâu sắc hơn. Chúng ta nhớ
rằng trong cuộc cách mạng lượng tử
từ 1920 đến 1930 ông luôn có một thái độ bi
quan đối với cách đoán nhận của cơ
học lượng tử,mặc dù ông là một trong
những người đặt nền móng cho cơ
học lượng tử. Ông nói: “ Tôi chẳng bao giờ
tin rằng Chúalại chơi trò súc sắc với số
phận của Vũ trụ “.Chúng ta cũng đã
biết lý thuyết lượng tử là một lý
thuyết đẹp,cho những kết quả tuyệt
vời được kiểm nghiệm bởi thực
nghiệm với độ chính xác cao.
Song hiện nay nhiều nhà vật lý đã xét lại
vấn đề và họ nghiêng theo quan điểm
của Einstein: cơ học lượng tử là một
lý thuyết chưa hoàn chỉnh.Từ năm 1920 nhiều
nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết về
những tham số ẩn . Các hạt phải
có vị trí và xung lượng xác định theo cơ
học cổ điển, nhưng chúng ta không quan sát
được như vậy chỉ vì đã có những
tham số ẩn tác động vào.Hãy xét chuyển
động Brownian, ở đây các hạt chuyển
động dường như hỗn độn, song
như chính Einstein đã chứng minh sự hỗn
độn này đã được gây ra bởi sự tác
động của những phân tử mà ta không nhìn
thấy theo đúng các định luật của cơ
học cổ điển.Các phương trình của
cơ học lượng tử có mối tương tự
với những phương trình của lý thuyết
động học các phân tử hay nói tổng quát hơn
là của cơ học thống kê. Trong một cách nói nào đó
thì hằng số Planck chính là đại lượng
tương tự của nhiệt độ.
Gần đây ý tưởng về các tham số ẩn
được Gerard ‘ t Hooft (giải Nobel năm1999 vì hoàn
chỉnh lý thuyết điện yếu) phát triển,theo
ông thì vấn đề khác nhau giữa cơ học
cổ điển và cơ học lượng tử là
vấn đề mất thông tin. Một hệ
cổ điển chứa nhiều thông tin hơn là
một hệ lượng tử vì các biến số
cổ điển có thể lấy bất kỳ trị
số nào trong khi các biến số chỉ được
phép lấy những trị số gián đoạn.Vậy
một hệ cổ điển sẽ biến thành
một hệ lượng tử nếu thông tin bị
mất. Sự mất thông tin này do những lực
khuếch tán (dissipative) gây nên.Như vậy thiên nhiên là
cổ điển ở mức chi tiết, song
được nhìn ra như lượng tử vì sự
tồn tại các lực khuếch tán.
Berndt Muller (đại học Duke) đã đưa một
ý tưởng khác về tham số ẩn: một hệ
cổ điển trong không gian 5 chiều có thể
biến dạng thành một hệ lượng tử
trong không gian 4 chiều,chiều dư thứ năm chính
là một tham số ẩn.
Những ý tưởng của Einstein có thể là nguồn
gốc bùng nổ cho nhiều vấn đề,sau đây
là 9 vấn đề mà một số nhà vật lý đã
chọn ra và cho rằng đó là những vấn
đề lớn nhất trong thế kỷ 21 .
B . 9 vấn đề lớn của vật lý
thế kỷ 21
Có thể nói những vấn đề lớn của
vật lý thế kỷ 21 đều nhằm mục
đích thực hiên giấc mơ thống nhất
của Einstein.
Ze’ev Rosenkranz,một nhà nghiên cứu về Einstein đã
nói:
Việc tìm tòi tiếp diễn vì một” lý thuyết
của tất cả “ (TOE) là di sản lớn nhất mà
Einstein để lại cho khoa học (The on going
quest for a theory of everything is Einstein ‘s most significant legacy to
science).
Trong số 9 các vấn đề lớn, các nhà vật lý
xếp 4 vấn đề đầu tiên là phụ
thuộc trực tiếp vào giấc mơ Einstein, song
để thực hiện giấc mơ đó không
thể không xét đến 5 vấn đề tiếp theo,
cho nên giấc mơ của Einstein đều trực
tiếp hoặc gián tiếp dẫn đến 9 bài toán
lớn sau đây:
1 / Trong thiên nhiên còn tồn tại những đối
xứng nào mới, những định
luật vật lý nào mới ?
Một số đối xứng đã mất đi
từ lúc bigbang, một trong các đối xứng như
thế có thể là đối xứng mang tên siêu
đối xứng (supersymmetry). Đối xứng này là
một yếu tố cơ bản của lý thuyết siêu
dây.Các máy gia tốc sẽ kiểm nghiệm vai trò của
siêu đối xứng trong lý thuyết thống nhất
và xác định xem hạt neutralino có thuộc vật
chất tối hay không.Khối lượng các siêu hạt
có thể liên quan đến trường Higgs.
2 / Chúng ta sẽ phải giải quyết sự bí ẩn
của năng lượng tối như
thế nào ?
Những quan trắc hiện đại chỉ tỏ
rằng có một lực bí ẩn đang gia tốc quá
trình giãn nở của vũ trụ. Một nguồn
gốc khả dĩ của lực này là năng
lượng chân không.Song những phép tính đã cho một
trị số quá lớn 10 120 lần lớn hơn
trị số quan trắc được. Trong phần lý
thuyết siêu dây chúng ta đã thấy bức tranh phong
cảnh của lý thuyết siêu dây đã cho một cách
giải thích.
Rất có thể năng lượng tối này có liên quan
đến hạt Higgs. Nhiều dữ liệu thực
nghiệm cho thấy rằng năng lượng tối
có thể tương thích với hằng số vũ
trụ của Einstein. Người ta cho rằng
trường Higgs chiếm đầy khoảng chân không.
Năng lượng tối cóthể có mối liên quan
đến siêu đối xứng và trường Higgs.
3 / Tồn tại chăng những chiều dư
(extra dimensions)?
Lý thuyết siêu dây có hy vọng thực hiên giấc mơ
thống nhất của Einstein. Các siêu dây có tồn
tại hay chăng? Lý thuyết này đã đưa ra 6
đến 7 chiều dư ngoài 4 chiều không thời
gian. Vậy có bao nhiêu chiều dư ? kích thước,
hình dạng như thế nào ? Và những hạt gắn
với những chiều dư này là những hạt gì? Có
tồn tại những chiều dư vĩ mô hay không?
Chúng có liên quan gì đến những lỗ đen?
4 / Các lực trong thiên nhiên có thống nhất
được thành một lực duy nhất
hay không?
Rất có thể lực thống nhất này nối
liền quark với lepton và có khả năng biến
một loại hạt này sang một loại hat khác.
5 / Vì sao có nhiều loại hạt đến
thế?
Các nhà vật lý đã xác định được 57
loại hạt,có thể chăng các hạt này là những
nốt nhạc của siêu dây ? Chúng ta cũng đã tìm ra 3
gia đình (và tại sao chỉ 3)
quark và lepton ,vì sao khối lượng của chúng cách
biệt nhau đến như vậy.
Hạt neutrino cũng là một hiện tượng bí
ẩn, việc hạt neutrino có khối lượng nói
rằng có một vùng vật lý nằm ngoài Mô hình chuẩn
(Standard Model).
6 / Vật chất tối là gì? Có thể
chế tạo nó trong phòng thí nghiệm được
không ?Một
phần lớn vật chất trong vũ trụ là
vật chất tối, không có vật chất tối thì
không có
sao, có thiên hà có sự sống.Vật chất tối
đã giữ chặt vũ trụ lại..Chúng ta có
thể
chế tạo được vật chất tối trong
các máy gia tốc? Siêu hạt nhẹ nhất
trong siêu đối xứng,hạt nhẹ nhất
chuyển động trong các chiều dư,hạt axion
trong lý thuyết QCD, có thể thuộc về vật
chất tối?
7 / Hạt neutrino sẽ cung cấp cho chúng ta
những gì?
Hạt neutrino là một hạt bí hiểm, chúng
tương tác rất yếu với vật chất.Hàng
tỷ
tỷ neutrino đi qua cơ thể chúng ta trong mỗi giây
nhưng không để lại một dấu
vết gì. Sự tồn tại khối lượng
của neutrino có thể dẫn đến một vùng
vật lý mới
chưa biết đến, có thể thuộc lý thuyết
thống nhất.
8 / Vũ trụ đã hình thành như thế nào
?
Theo những lý thuyết hiện đại vũ trụ
được khai sinh từ một vụ nổ lớn
cách đây
chừng 14 tỷ năm, tiếp theo là một quá trình giãn
nở lạm phát. Sau đó vũ trụ
nguội dần và nhiều quá trình chuyển pha đã
xảy ra, những quá trình chuyển
pha này có thể dựng lại trong phòng thí nghiệm
nhờ những máy gia tốc năng
lượng cao. Quá trình nở lạm phát có thể
bắt nguồn với một dạng năng
lượng
tối. Dạng năng lượng này có đóng vai trò gì
trong lý thuyết thống nhất ? Có liên
quan gì với các chiều dư ?
 Quá trình chuyển pha điện yếu đã gây nên sự
bất đối xứng vật chất – phản
vật
chất. Trong quá trình chuyển pha ứng với sắc
động lực học lượng tử QCD,vật
chất baryonic ngưng tụ thành dạng plasma của
quark-gluon,người ta muốn
kiểm nghiệm tất cả các quá trình này trong phòng thí
nghiệm.
9 / Điều gì đã xảy ra với phản
vật chất ?
Tại thời điểm bigbang số lượng
hạt và phản hạt bằng nhau.Song hiện nay thì
chúng ta đang sống trong một thế giới hạt
chứ không phải phản hạt ? Điều gì
đã xảy ra với các phản hạt ? Để có
sự mất quân bình đó đối xứng CP phải
bị vi
phạm, nguồn gốc của vi phạm đối
xứng CP có thể tìm thấy trong quark hay
trong neutrino, hay trong các hạt Higgs, trong siêu đối
xứng hoặc trong các
chiều dư?
Chín bài toán lớn của vật lý trong thế kỷ 21 hy
vọng được làm sáng tỏ về mặt lý
thuyết,cũng như thực nghiệm. Để
tiến hành thực nghiệm người ta phải có
những thiết bị năng lượng cao, một sự
hợp tác quốc tế rộng lớn.
Einstein đã mất nhưng những ý tưởng
của ông (đặc biệt ý tưởngvề một
lý thuyết thống nhất, một “ lý thuyết của
tất cả “ - TOE) sẽ còn giúp chúng ta trên con
đường tìm hiểu vũ trụ. Cũng tồn
tại nhiều lý thuyết dẫn đến những vi
phạm lý thuyết Einstein,như lý thuyết vòng
lượng tử (loop quantum theory) dựa trên cơ
sở lượng tử hoá không thời gian. Song các lý
thuyết này vẫn chưa có tính thuyết phục. Trong
tương lai tới người ta tập trung vào 9
vấn đề mà các nhà vật lý đã nêu trên đây
theo dòng tư tưởng của Einstein. Liệu 9 vấn
đề đó có thể được làm sáng tỏ
trong vòng thế kỷ 21 này không ?
|
