Carlo Rovelli
(Seven Brief Lessons on
Physics)
BÀI GIẢNG THỨ BA
Kiến trúc của Cosmos
Trong nửa đầu thế kỷ XX, Einstein đã mô tả những cách thức hoạt động của không gian và thời gian, trong khi Niels Bohr và những học trò trẻ tuổi của ông đã chụp bắt trong những phương trình được bản chất quantum lạ lùng của vật chất. Trong nửa sau của thế kỷ, những nhà vật lý đã xây dựng dựa trên những nền tảng này, sau khi áp dụng hai lý thuyết mới vào những lĩnh vực lớn rộng khác nhau của Tự nhiên: từ cấu trúc macro của vũ trụ đến cấu trúc micro của những particle cơ bản. Tôi nói về cấu trúc trước trong bài này và cấu trúc sau trong bài tiếp.
Bài giảng này hầu hết làm bằng những hình
vẽ đơn giản. Lý do của việc này là trước những thí nghiệm, đo lường,
toán học và những diễn dịch nghiêm ngặt, khoa học trên hết là về những tầm
nhìn xa rộng. Khoa học bắt đầu với một tầm nhìn. Tư tưởng khoa học
được nuôi dưỡng bằng khả năng để ‘nhìn thấy’ những sự vật việc một cách khác
biệt với chúng trước đây được nhìn thấy. Tôi muốn đem lại ở đây một
phác thảo ngắn gọn, khiêm tốn của một hành trình giữa những tầm nhìn.
Hình vẽ này trình bày cosmos,[1] đã được khái niệm như
thế nào trong hàng nghìn năm: Trái đất ở dưới, bầu trời ở trên. Cuộc
cách mạng khoa học lớn đầu tiên, Anaximander đã thành tựu hai mươi sáu thế
kỷ trước, khi cố gắng để hình dung ra có thể như thế nào mặt trời, mặt trăng và
những sao xoay quanh chúng ta, đã thay thế hình vẽ trên của cosmos với hình
vẽ này:
Bây giờ bầu trời thì tất cả xung quanh
trái Đất, không chỉ ở bên trên nó, và trái Đất là một khối đá lớn vốn nổi bềnh
bồng trong không gian, nhưng không rơi. Chẳng bao lâu, một ai đó (có lẽ
là Parmenides, có lẽ là Pythagoras) đã nhận ra rằng khối cầu là hình thể hợp
lý nhất cho trái đất đang bay này vốn tất cả phương hướng đều ngang bằng
nhau – và Aristotle đã đưa ra những lập luận khoa học thuyết phục để xác
nhận bản chất khối cầu của cả Trái Đất và vòm trời xung quanh nó, nơi
những vật thể trên vòm trời chạy theo lối của chúng. Đây là hình ảnh
kết quả của cosmos:
Và cosmos này, như Aristotle đã mô tả
trong tác phẩm Về Vòm Trời của ông, là
hình ảnh của thế giới vẫn còn giữ như tính chất tiêu biểu đặc biệt của những
nền văn minh Mediterranean suốt cho đến cuối Trung cổ. Đó là hình ảnh
của thế giới vốn Dante và Shakespeare đã học trong trường.
Bước nhảy vọt tiếp theo đã được
Copernicus hoàn thành, khai mở những gì đã đi đến gọi là cuộc cách mạng
khoa học vĩ đại. Thế giới, với Copernicus, thì trông không khác biệt lắm so với
Aristotle:
Nhưng thực ra có một sự khác biệt then
chốt. Tiếp nhận một ý tưởng đã được xem xét trong thời cổ, Copernicus
đã hiểu và cho thấy rằng trái Đất của chúng ta thì không ở trung tâm của vũ
điệu của những hành tinh, nhưng chỗ ở giữa đó là của mặt trời. Hành tinh
của chúng ta trở thành một giữa những hành tinh khác, quay với vận tốc
nhanh, quanh trục của nó và quanh mặt trời.
Sự phát triển của kiến thức chúng ta đã
tiếp tục và với những dụng cụ tốt hơn, đã sớm học được rằng hệ mặt trời tự nó
là chỉ một trong số rất nhiều những hệ hành tinh khác, và mặt trời thì
không gì khác hơn là ‘một ông sao sáng’ như những ‘hai ông sáng sao, ba ông sao
sáng …’ khác. Một đốm cực nhỏ trong một đám mây rộng lớn vô cùng của
một trăm tỷ ngôi sao – Galaxy [2]
Tuy nhiên, trong những năm 1930, những đo
lường chính xác bởi những nhà thiên văn về nebulae – những đám mây nhỏ, màu như trắng, giữa những vì sao – cho
thấy rằng Galaxy tự nó thì là một hạt
bụi trong một đám mây không lồ của những galaxy, trải dài mút mắt đến vô
cùng, dù dùng những kính viễn vọng mạnh nhất của chúng ta. Thế giới bây
giờ đã trở thành một mở rộng đồng dạng và vô biên.
Minh họa dưới đây không phải là bản
vẽ; đó là một photo do kính
thiên văn Hubble, bay trên quỹ đạo của nó, đã chụp được, cho thấy một hình ảnh xa
thẳm hơn của bầu trời, sâu thẳm hơn bất kỳ hình ảnh nào từng được thấy
trước đây với những kính viễn vọng mạnh nhất của chúng ta: nhìn bằng mắt
thường, nó là một mảnh nhỏ bé của vòm trời cực kỳ tối đen. Qua kính viễn
vọng Hubble, một đám bụi của những dấu chấm bao la xa thẳm hiện ra. Mỗi
chấm đen trong hình ảnh là một galaxy chứa một trăm tỷ mặt trời tương
tự như của chúng ta. Trong vài năm trở lại đây, đã quan sát thấy được rằng
phần lớn những mặt trời này đều có những hành tinh bay quanh. Do đó, trong
vũ trụ có hàng ngàn tỷ tỷ tỷ những hành tinh như Trái đất. Và theo
mọi hướng nhìn của chúng ta, đây là những gì hiện ra:
Nhưng sự đồng dạng vô tận này, đến
phiên, thì không là những gì như nó dường như hiện ra. Như tôi đã giải
thích trong bài đầu tiên, không gian thì không
phẳng nhưng bị cong. Chúng ta phải tưởng tượng mặt đan kết của
vũ trụ, với những tung tán của những galaxy của nó, đương di chuyển bởi những
sóng tương tự như của biển, đôi khi quá lay động như tạo ra những khoảng
trống về phần những hố đen. Vì vậy, chúng ta hãy quay lại để vẽ một
hình ảnh, hầu trình bày vũ trụ này với những đường nhăn bởi những sóng
lớn:
Và cuối cùng, bây giờ chúng ta biết
rằng cosmos đàn hồi bao la vô cùng này, chạm gắn với những galaxy và làm thành
trong mười lăm tỷ năm, đã nổi lên từ một đám mây nhỏ, cực kỳ nóng và dày
đặc. Để trình bày tầm nhìn này, chúng ta thôi không cần vẽ
vũ trụ nữa, nhưng vẽ toàn bộ lịch sử của nó. Đây là sơ đồ:
Vũ trụ đã đã bắt đầu như một quả bóng
nhỏ và sau đó nổ bùng cho đến những kích thước hiện nay của cosmos. Đây
là hình ảnh hiện nay của chúng ta về vũ trụ, trên quy mô lớn nhất mà chúng
ta biết.
Có gì nào khác không? Đã có gì
trước đó? Có lẽ, Đúng. Tôi sẽ nói về nó sau một vài bài giảng. Có
tồn tại những vũ trụ tương tự không, hay những vũ trụ khác nhau? Chúng ta
không biết.
BÀI GIẢNG THỨ TƯ
Những Particle
Bên trong vũ trụ đã mô tả trong bài trước,
ánh sáng và những sự vật di động. Ánh sáng tạo bởi những photon, những particle của ánh sáng Einstein đã trực giác. Những sự vật chúng
ta thấy đều tạo bởi những atom. Mỗi
atom gồm một nucleus, có những electron
bao quanh. Mỗi nucleus gồm những
proton và neutron nêm chặt. Những proton lẫn neutron đều tạo bởi những particle lại còn nhỏ hơn, vốn nhà vật lý
US Murray Gell-Mann đã đặt tên là những ‘quark’, lấy hứng từ một từ xem có vẻ vô nghĩa trong một câu
văn vô nghĩa trong quyển Finnegans Wake
của James Joyce: ‘Ba quark cho Muster Mark!’ Như thế, tất cả những gì
chúng ta chạm vào đều tạo bởi những electron
và những quark này.
Lực “dán chặt” những quark bên trong những
proton và neutron do những particle gây
ra, vốn những nhà vật lý, với một chút ý buồn cười, gọi là những ‘gluon’.
Những electron, quark, photon và gluon
là những tạo phần của tất cả mọi sự vật vốn chúng ‘rúng động’ trong không
gian quanh chúng ta. Chúng là ‘những
particle cơ bản’ được nghiên cứu trong vật
lý particle. Với những particle cơ bản này, một số particle khác mới
thêm vào, chẳng hạn như những neutrino bơi
đầy trong vũ trụ, nhưng ít có tác động qua lại với chúng ta, và những ‘bosons Higgs’ tìm ra được mới đây ở
Geneva, trong Máy Hadron Đâm Vào Nhau Lớn
của trung tâm nghiên cứu CERN. Nhưng không có nhiều những particle này,
thực tế có chỉ ít hơn mười loại. Một số ít chỉ đầy nắm tay những nguyên
liệu cơ bản, chúng hoạt động như những viên gạch trong bộ đồ chơi Lego khổng lồ
và với chúng toàn thể thực tại vật chất quanh chúng ta được xây dựng.
Bản chất của những particle này, và
cách chúng di chuyển, được cơ học quantum mô tả. Những particle này không giống
như viên sỏi trong thực tại, nhưng đúng hơn là ‘quanta’ của những trường tương ứng, giống đúng như những photon
là ‘quantum’ của trường điện từ. Chúng là những kích động cơ bản của
một tầng-dưới-vật-chất (substratum) di
động, tương tự như trường của
Faraday và Maxwell. Nhũng gợn sóng nhỏ lăn tăn di chuyển. Chúng biến
mất và xuất hiện trở lại theo như những luật lạ lùng của cơ học quantum,
nơi mọi sự vật việc hiện hữu không bao giờ bền vững, và là không là gì khác
nhưng chỉ là một nhảy từ một tác động qua lại này sang một tác động qua
lại khác.
Ngay cả nếu chúng ta quan sát một vùng
nhỏ trống rỗng của không gian, trong đó không có những atom, chúng ta vẫn dò
thấy một chen chúc cực nhỏ của những particle này. Không có gì như một
khoảng trống thực sự, một khoảng không hoàn toàn trống rỗng. Cũng
giống như biển yên tĩnh nhất nhìn thật gần thì chao đảo và rúng động, dù
chỉ rất nhẹ đến đâu, do đó những trường vốn hình thành thế giới đều là đối
tượng của những nghiêng ngả cực nhỏ, và có thể tưởng tượng được những particle
cơ bản của nó có những tồn tại ngắn ngủi và thoáng qua, liên tục được tạo ra rồi
bị phá hủy bởi những chuyển động này.
Đây là thế giới được cơ học quantum
và lý thuyết particle mô tả. Chúng ta đã đi rất xa khỏi thế giới cơ
khí của Newton và Laplace, chốn có những viên đá cực nhỏ lạnh lẽo đã du
hành vĩnh cửu trên những đường phóng dài chính xác trong không gian hình học
không thay đổi. Cơ học quantum và những thí nghiệm trên những particle đã
dạy chúng ta rằng thế giới là một chen chúc đông đảo của những sự
vật liên tục, không ngừng nghỉ; một liên tục đến ánh sáng và sự biến mất
của những thực thể phù du. Một set của những rung động, như trong thế giới
hippy bật-tỉnh-dậy của những năm 1960. Một thế giới của những-đang-xảy-ra,
không phải của những sự vật (xác định).
Những chi tiết về lý thuyết particle
được xây dựng dần dần vào những năm 1950, 1960 và 1970, bởi một số nhà vật
lý vĩ đại nhất thế kỷ như Richard Feynman và Gell-Mann. Công
trình xây dựng này dẫn đến một lý thuyết phức tạp, dựa trên cơ học
quantum và mang tựa đề không phải rất lãng mạn của ‘Mô hình Phổ biến’ [3] của những particle
cơ bản’. Mô hình Phổ biến đã được hoàn tất vào những năm 1970, sau một loạt
dài những thí nghiệm, chúng xác nhận tất cả những tiên đoán. Xác nhận cuối cùng
của nó xảy ra vào năm 2013 với sự khám phá ra boson Higgs. [4]
Nhưng dù có những chuỗi dài những thí
nghiệm thành công, Mô hình Phổ biến chưa bao giờ được những nhà vật
lý nghiêm chỉnh tiếp nhận hoàn toàn thực sự. Đó là một lý thuyết mà trông,
ít nhất trong cái nhìn đầu tiên, thì từng mảnh và chắp vá với nhau. Nó
được tạo thành từ những mảnh và những phương trình khác
nhau được lắp ráp nhưng không theo bất kỳ thứ tự nào rõ ràng. Một số trường nào đó nhất định (nhưng
tại sao những trường này, đúng thế?) Tác
động qua lại giữa chúng với những lực
nào đó nhất định (nhưng tại sao những lực này?)
mỗi (lực) được xác định bởi những hằng số nào đó nhất định (nhưng tại sao
chính xác là những số giá trị này?)
Cho thấy một số những đối xứng nào đó (nhưng lại nữa, tại sao những đối xứng này?). Chúng ta thì rất xa với sự đơn
giản của những phương trình của thuyết về tương đối rộng, và của cơ học quantum.
Chính cách thức trong đó những phương
trình của Mô hình Phổ biến làm những
tiên đoán về thế giới thì cũng phức tạp một cách vô lý. Được dùng trực
tiếp, những phương trình này dẫn đến những tiên đoán vô nghĩa, trong đó mỗi số
lượng được tính hóa ra là vô cùng lớn. Để có được kết quả có ý nghĩa, cần
phải tưởng tượng rằng những parameter đưa vào chúng đều chính chúng lớn vô
cùng, để làm ngang bằng với kết quả vô lý và làm cho chúng thành hợp
lý. Thủ tục phức tạp và kỳ cục này được gán cho thuật ngữ ‘sự tái chuẩn hóa’ [5]. Nó hoạt động trong
thực tiễn, nhưng để lại một vị chat đắng trong miệng của bất cứ ai mong
muốn sự đơn giản của Tự nhiên. Trong những năm cuối đời, nhà khoa học vĩ
đại nhất của thế kỷ hai mươi sau Einstein, Paul Dirac, kiến trúc sư vĩ
đại của cơ học quantum và là tác giả của những phương trình đầu tiên
và chính của Mô hình Phổ biến, đã liên tục bày tỏ sự không hài
lòng của ông về trạng thái này, của sự việc, sau khi kết luận rằng ‘chúng
ta vẫn chưa giải quyết vấn đề’.
Thêm nữa, một giới hạn nổi bật của Mô
hình Phổ biến đã xuất hiện trong những năm gần đây. Xung quanh mọi
galaxy, những nhà thiên văn theo dõi được một đám mây lớn của vật chất, hé mở cho
thấy hiện hữu của nó bằng đường của lực hấp dẫn vốn nó tác động trên những
sao, và bằng cách nó làm lệch hướng ánh sáng. Nhưng đám mây lớn này, chúng
ta theo dõi những tác động lực hấp dẫn của nó, không thể thấy trực tiếp và
chúng ta không biết nó làm bằng gì. Nhiều giả thuyết đã đưa ra nhưng không
giả thuyết nào có vẻ đem làm việc được. Rõ ràng là có một gì đó ở đó, nhưng chúng ta không
biết nó là gì. Ngày nay nó được gọi là ‘vật chất tối’. [6] Bằng chứng chỉ ra
rằng nó là một gì đó Mô hình Phổ biến không mô tả, nếu không, chúng ta tất đã đoán/thấy
nó. Một gì đó khác không phải những atom, neutrino hay photon…
Thật không có gì ngạc nhiên cho lắm,
rằng có những sự vật trên trời và dưới đất, bạn đọc thân yêu của tôi ơi,
nhiều hơn là từng được mơ đến trong triết học của chúng ta – hay
trong vật lý của chúng ta. Cho đến gần đây thậm chí chúng đã không nghi ngờ rằng
có sóng vô tuyến và neutrino, dù
chúng đầy trong vũ trụ. Ngày hôm nay, Mô hình Phổ biến vẫn là tốt nhất vốn
chúng ta có khi nói về thế giới của sự vật, những tiên đoán của
nó đã được xác nhận; và nếu không kể vật chất tối – và lực hấp
dẫn đã mô tả trong thuyết tương đối tổng quát như độ cong của không-thời gian –
mô tả rất hay về mọi phương diện của thế giới nhận thức.
Những lý thuyết thay thế đã được đưa ra,
chỉ để bị những thí nghiệm hủy bỏ. Một lý thuyết tốt được đưa ra trong
những năm 1970, và được đặt tên kỹ thuật là SU5, thí dụ, thay thế những phương trình rối loạn của Mô hình Phổ
biến với cấu trúc đơn giản hơn và thanh lịch hơn nhiều. Lý thuyết tiên
đoán rằng một proton có thể tan rã, với một xác suất nào đó,
biến thành những electron và quark. Những máy lớn được chế tạo
để quan sát những proton tan rã. những nhà vật lý đã dành trọn đời vào
việc tìm kiếm một sự phân rã proton quan sát được. (Bạn không nhìn
vào một proton tại một thời điểm, vì phải mất quá nhiều thời
gian để tan rã. Bạn lấy hàng tấn nước và bao quanh nó với những máy
dò rất nhạy, để quan sát những tác động của sự tan rã.) Nhưng hỡi ơi,
không có proton nào đã từng bị phân hủy. Lý thuyết đẹp, SU5, mặc dù
sự thanh nhã ghi nhận của nó, đã không thuận với ý thích của đấng Tạo hóa.
Câu chuyện có lẽ chính nó bây giờ lặp
lại với một nhóm những lý thuyết được gọi là ‘siêu đối xứng’, [7] nó tiên đoán sự hiện
hữu của một lớp particle mới. Trong suốt đời làm việc của tôi, tôi
đã lắng nghe những đồng nghiệp đang chờ đợi với sự tự tin hoàn toàn về sự
xuất hiện sắp xảy ra của những particle này. Những ngày, tháng,
năm và nhiều chục năm trôi qua – nhưng những particle siêu đối xứng vẫn
chưa tự thể hiện được. Vật lý không chỉ là một lịch sử của những thành
công.
Như thế, giờ đây, chúng
ta phải ở lại với Mô hình Phổ biến. Nó có thể không là rất thanh
lịch, nhưng nó làm được việc khá tốt trong sự mô tả thế giới quanh chúng
ta. Và ai biết được? Có lẽ khi xem xét kỹ lưỡng hơn, nó không là mô hình thiếu
thanh lịch. Có lẽ đó là chúng ta vẫn chưa học được cách để nhìn nó
từ chỉ góc độ đúng của cái nhìn; một cái nhìn sẽ hé lộ sự đơn
giản còn ẩn dấu của nó. Lúc này, đây là những gì chúng ta biết về vật
chất:
Một số đầy nắm tay những loại của những
particle cơ bản, chúng dao động và chao đảo không ngừng giữa là-có và không
là-có, và lúc nhúc đông đảo trong không gian ngay cả khi có vẻ rằng không có
gì ở đó, kết hợp với nhau đến vô tận giống như những chữ cái của một bảng
chữ cái vũ trụ, để kể lịch sử bao la của những galaxy, của vô hạn những
chòm sao, của ánh sáng mặt trời, của núi, rừng và những đồng lúa, của
những khuôn mặt tươi cười thời tuổi trẻ quanh những bàn tiệc, và của bầu
trời đêm lấp lánh sao như những hạt kim cương đính vào vòm tối.
Lê Dọn Bàn tạm dịch – bản nháp thứ nhất
(Dec/2018)
[1] cosmos: vũ trụ (universe) được xem như một toàn thể hài hòa, được sắp xếp trật
tự (trật tự này, tôi nhấn mạnh, do chúng ta tưởng tượng, nên có thể sai lầm và
thay đổi), vũ trụ (universe) chỉ tất cả vật chất và không gian hiện có được coi
là một tổng thể; cosmos. Tác giả dùng cosmos
với ý này – vũ trụ như sắp xếp trật tự
như chúng ta hiểu.
[2] Đường Sữa (gốc: French galaxie
< Late Latin galaxias “the Milky
Way” trong via lactea hay circulus lacteus < Greek galaxias (adj.), trong galaxias kyklos = “milky circle,” < gala (genitive galaktos) =“milk”. Nguyên
chỉ có nghĩa, người Greece thời cổ, cũng như người Tàu, Việt gọi là ‘giải Ngân
hà’, ‘sông Ngân’, hệ thống sao chính chúng ta ở trong đó, nhưng nay từ này dùng để chỉ và hiểu là một hệ thống những sao, sao vỡ, gas, bụi vũ trụ và cả vật chất
tối, vô hình (dark matter) trong đó. Ngày nay chúng ta biết có rất nhiều những
galaxy khác ngoài galaxy của chúng ta. Theo ước tính hiện nay trong vũ trụ quan
sát được (bằng kính viễn vọng, dĩ nhiên) có khoảng 200 billion đến 2 trillion
những galaxy, và con số này ngày căng tăng với những kính viễn vọng, ngày càng
tân tiến phóng vào không gian.
[3] The
Standard Model: Mô hình Phổ biến (vẫn đã
dịch/gọi là Mô Hình Chuẩn) – một lý thuyết dựa trên những phản ứng qua lại của
những leptons, quarks, và bosons, lý thuyết này được dùng để cắt nghĩa cấu trúc
cơ bản của vật chất, điện, điện từ, phóng xạ, …nhưng trừ lực hấp dẫn. Mô hình
Phổ biến là một lý thuyết tốt – được phổ biến trong giới vật
lý – để làm việc, đưa ra một khung dựng cho sự hiểu biết hiện tại
của chúng ta về những particle cơ bản và những lực của Tự nhiên. (Nhưng lý
thuyết, trình bày trong mô hình này, không là chuẩn). Những thí
nghiệm đã chứng minh những tiến đoán của nó đúng với mức chính xác kinh ngạc,
và tất cả những particle do thuyết này tiên đoán đã tìm thấy. Nhưng nó không
giải thích được tất cả. Thí dụ, lực hấp dẫn không gồm trong Mô Hình về Vật chất
này, và xem dường đã không tiên đoán, nên không bao gồm vật chất
tối (tối chứ không đen vì nó không
phản chiếu ánh sáng), một dạng vật chất còn trong giả thuyết (dark
matter) của năng lượng tối, vô hình (dark energy).
[4] Khoa học thường gặp khó khăn nếu muốn dành lấy dư luận khỏi chính trị và
màn ảnh cho những hàng tít lớn, nhưng câu chuyện về boson Higgs đã thu hút được một số chú ý nghiêm trọng. Đó đúng là
những gì đã xảy ra vào ngày 04 tháng 7 năm 2012, khi những nhà khoa học tại
trung tâm CERN báo rằng họ đã tìm thấy một particle hoạt động theo cách mà họ
mong đợi boson Higgs hoạt động. Có lẽ biệt danh lớn và nhiều tranh cãi, đã đặt
cho boson này, “Hạt của Chúa, hạt của Thượng đế (sic)”, đã giữ sự sôi động cho
một số những phương tiện truyền thông. Sau đó, lại nữa, khả năng khá hấp dẫn
rằng boson Higgs là ‘nguyên nhân cho tất cả khối lượng trong vũ trụ’ đã bắt chụp
được óc tưởng tượng con người tò mò về khoa học (và của những người phản khoa
học muốn lợi dụng cơ hội này để đưa ra bào chữa về ‘sự huyền bí’ của một Gót
Kitô, như truyền thống qui những gì con người không/chưa biết về một “Gót”
tưởng tượng – theo kiểu ‘thấy chưa, con người với khoa học đâu có thể biết hết
được tất cả, vũ trụ còn những bí ẩn không thể biết, làm sao vượt được Chúa, hay
Gót – toàn năng, toàn tri, toàn thiện !...). Nhưng có lẽ phần đông chúng ta đơn
giản chỉ vui mừng để hiểu thêm về thế giới chúng ta, và biết rằng nếu boson
Higgs tồn tại thực sự như tiên đoán, khoa học sẽ làm sáng tỏ thêm những bí ẩn
được hơn một chút [boson Higgs không
liên quan gì đến Chúa hay Gót. Nó chỉ đơn giản là một tên gọi ‘nghe bắt tai’ để
minh họa hiệu ứng có mặt khắp nơi của trường Higgs và sự quan trọng của nó
trong việc xác định khối lượng. Tên gọi cho kêu này, với Gót hay Chúa, do một người
viết tiểu thuyết đặt ra.]
Tuy nhiên, để thực sự
hiểu boson Higgs là gì, chúng ta cần xem xét một trong những lý thuyết nổi bật
nhất mô tả cách vũ trụ hoạt động: Mô Hình Phổ Biến. Mô hình này đưa
ra khi những nhà vật lý muốn thu giảm vũ trụ phức tạp của chúng ta vào thành
những khối xây dựng cơ bản nhất của nó. Đó là một thách thức trong nhiều thế
kỷ, và khoa học đã thực hiện được nhiều tiến bộ. Đầu tiên đã tìm được những
atom, sau đó đến những proton, neutron và electron, và cuối cùng là những quark
và lepton. Nhưng vũ trụ không chứa đựng chỉ vật chất; nó cũng chứa những lực
tác động lên vật chất đó. Mô hình phổ biến đã cho chúng ta một cái nhìn sâu và
đầy đủ về những loại của lực và của vật chất, hơn bất kỳ lý thuyết vật lý nào trước
đây. Đây là thực chất của mô hình phổ biến, phát triển vào đầu những năm 1970:
Toàn bộ vũ trụ của chúng ta tạo thành từ 12 particle vật chất và 4 lực
khác nhau. Trong số 12 particle đó, có 6 quark và 6 lepton. Quark tạo nên
proton và neutron, trong khi những thành viên của chúng, những lepton gồm
electron và electron neutrino, đối tác trung tính của nó. Những nhà khoa học
nghĩ rằng lepton và quark thì không thể phân chia được; không thể tách chúng
thành những particle nhỏ hơn nữa. Cùng với tất cả những particle đó, mô hình
phổ biến cũng thừa nhận 4 lực: điện từ, lực mạnh và yếu, và lực hấp dẫn. Trên
lý thuyết, mô hình phổ biến đã rất hiệu quả, chỉ trừ việc không giải thích được
(lý do của) lực hấp dẫn. Trang bị với nó, những nhà vật lý đã tiên đoán được sự
hiện hữu của những particle nhất định trong nhiều năm, trước khi chúng thực sự được
chứng minh thực nghiệm. Nhưng mô hình này vẫn còn còn thiếu một particle – boson
Higgs. Nó là gì, và tại sao nó cần thiết cho vũ trụ mô tả trong mô hình phổ
biến, để làm việc? Như đã thành ra, những nhà vật lý nghĩ rằng mỗi một trong 4
lực cơ bản đó đều có một particle chuyên chở tương ứng, hay boson,
vốn tác động trên vật chất. Đó là một khái niệm khó hiểu. Chúng ta có khuynh
hướng nghĩ về những lực như những gì nhất thời, thoáng qua, nằm giữa ranh giới
của hiện hữu và không hiện hữu, nhưng trong thực tế, chúng vẫn đều là thực như
bản thân vật chất.
Một số nhà vật lý đã
mô tả boson như những trọng lượng được ‘neo’ bởi những dải cao su bí ẩn với
những particle vật chất tạo ra chúng. Dùng tương tự này, chúng ta có thể nghĩ
rằng những particle liên tục tách ra khỏi hiện hữu ngay lập tức và cũng có khả
năng để vướng mắc với những dải cao su khác gắn với những boson khác (và truyền
tải lực trong tiến trình). Những nhà khoa học nghĩ rằng mỗi loại lực cơ bản có
những boson riêng của nó. Ví dụ, những từ trường điện từ tùy thuộc vào photon
để chuyên chở lực điện từ đến vật chất. Những nhà vật lí nghĩ rằng boson Higgs
có thể có một chức năng tương tự – nhưng chuyên chở bản thân khối lượng.
Câu hỏi – liệu vật
chất không thể tự có khối lượng nếu không có boson Higgs – thì khó hiểu? Theo Mô
hình Phổ biến câu trả lời là không, nhưng những nhà vật lý đã tìm được một giải
pháp. Điều gì sẽ xảy ra nếu tất cả những particle vốn không có khối lượng,
nhưng thay vào đó, sẽ có khối lượng bằng cách đi qua một trường? Trường này,
được gọi là trường Higgs, có thể tác
động đến những particle khác nhau theo những cách khác nhau. Những photon có
thể trượt qua không bị ảnh hưởng, trong khi những boson W và Z sẽ bị sa lầy với
khối lượng. Trong thực tế, giả sử boson Higgs hiện hữu, mọi thứ có khối lượng
đã nhận được khối lượng bằng tác động qua lại với trường Higgs đầy năng lượng,
vốn có khắp trong vũ trụ. Giống như những trường khác được Mô hình Phổ biến bao
gồm, trường Higgs sẽ cần một particle chuyên chở nó, để tác động đến những
particle khác, và particle đó được gọi là boson Higgs.Vào ngày 4
tháng 7 năm 2012, những nhà khoa học làm việc với máy Large Hadron Collider
(LHC) đã công bố phát hiện của họ về một particle hoạt động theo cách mà boson
Higgs hoạt động. Kết quả, trong khi loan báo với một mức độ chắc chắn khá cao,
vẫn còn là sơ khởi. Một số nhà nghiên cứu gọi particle này là giống như
Higgs (Higgslike) cho đến khi tìm được – và dữ liệu – đứng vững với
xem xét kỹ lưỡng hơn. Dù sao đi nữa, sau 50 năm tìm kiếm, Higgs boson – hay ít
nhất, một particle giống như the Higgs trong lý thuyết, đã hoàn tất Mô hình Phổ
biến của Vật lý Particle. Sau đó, những nhà khoa học làm việc ở Large
Electron–Positron Collider (LEP), Fermilab’s Tevatron và LHC đã đo được khối lượng
của particle này. Giải Nobel Prize Vật lý 2013 đã trao cho hai nhà vật lý – François
Englert and Peter W. Higgs – về ‘sự khám phá lý thuyết về một cơ cấu góp phần
vào sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc khối lượng của những particle
dưới-atom’. Khám phá quan trọng này mở ra một giai đoạn phát kiến nhanh chóng
về vũ trụ của chúng ta.
Sở dĩ tôi dài dòng
nhân đây để gạt bỏ những biện luận phản khoa học, loại như: ‘… khoa học chứng
minh thế này… hay chứng minh, trực tiếp hay gián tiếp, điều kia, ...’
Khoa học, trong đó có vật lý toán học (lý thuyết) thực sự không chứng minh gì
cả, nếu những gì đó nói đến đó không là đối tượng nghiên cứu của nó. Điển hình,
trong lĩnh vực vật lý lý thuyết, những nhà khoa học chỉ đưa ra những giả thuyết
để làm việc, dù vững chắc đến đâu nhưng đều ngầm giả định rằng những giả thuyết
này có thể sai lầm, và đều sẵn sàng chờ đợi những gì mới để cho thấy sai lầm,
nhưng khi đó, sẽ có sửa đổi, bổ túc, hay giả thuyết mới khác tốt hơn thay thế,
và để tiếp tục. Chúng ta đi trên một con đường hướng đến chân lý, hiểu như
những sự thật để giải thích thế giới và con người trong thế giới đó. Nhưng đang
đi và dĩ nhiên vẫn chưa đến, và có lẽ còn lâu, hay ngay cả cũng có thể không
bao giờ đến đích cuối, nhưng chúng ta chắc chắn đang đi đúng hướng, trên con
đường duy nhất của lý trí và thực nghiệm, cho đến nay, không có con đường nào khác.
Cũng nên nhắc Karl Popper với quan điểm nổi tiếng – nhấn mạnh sự quan trong
không thể thiếu của phản chứng (to falsify a theory) trong lý thuyết kiến thức khoa
học. Những gì không thể phản chứng, hay không mở lối cho phản nghiệm, đều chỉ
là giả-khoa-học (pseudo science).
[5] renormalization
[6] Dark Matter, Dark Energy và Dark Fluid: tôi tạm dịch là Vật chất Tối, Năng lượng Tối, và Chất Lỏng Tối
[7] supersymmetric
