Các hằng số Vật lý có thể thay đổi theo không gian và thời gian

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

107
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các phương trình vật lý cơ bản đều chứa những hằng số như c - vận tốc ánh sáng. Từ trước đến nay, người ta vẫn cho rằng, các hằng số trong các phương trình vật lý là những đại lượng không thay đổi theo không gian và thời gian.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các hằng số Vật lý có thể thay đổi theo không gian và thời gian

Các hằng số Vật lý có thể thay đổi theo không gian và thời gian Các phương trình vật lý cơ bản đều chứa những hằng số như c - vận tốc ánh sáng. Từ trước đến nay, người ta vẫn cho rằng, các hằng số trong các phương trình vật lý là những đại lượng không thay đổi theo không gian và thời gian. Tuy nhiên mới đây, trên Tạp chí Scientific American , các tác giả John D. Barrow, John K. Webb cùng cộng sự đã đặt vấn đề nghi ngờ điều này. Vấn đề các hằng số hiện nay đang trở thành một bài toán lớn của vật lý hiện đại. Một số đại lượng được các nhà vật lý gọi là hằng số, (các trị số được cho trong hệ đơn vị SI) như: c - vận tốc ánh sáng (= 299.792.458) G - hằng số hấp dẫn Newton (= 6,6723 x 1-11) me - khối lượng electron (= 9,10938188 x 10-31)… Chúng làm thành cơ sở cấu trúc vật lý. Trước đây, người ta không quan tâm đến việc vì sao chúng lấy những trị số như trên, điều lo lắng duy nhất là nếu một số
hằng số có những trị số khác thì những tổ hợp cấu trúc nguyên tử, cũng như các sinh thể có thể không cấu thành được và không tồn tại. Trong những năm gần đây, các nhà vật lý hy vọng chứng minh được rằng các hằng số vật lý chỉ lấy những trị số logic khả dĩ. Mong muốn giải thích các hằng số vật lý là một cố gắng để xây dựng một bức tranh hoàn chỉnh của Lý thuyết của tất cả (Theory of Everything - TOE). Vấn đề các hằng số trở nên phức tạp vì trong những lý thuyết như siêu dây, lý thuyết M thì ngoài các chiều không gian và thời gian phải xét đến những chiều dư (extra dimensions), số chiều dư này có thể lên đến 7. Cho nên những hằng số mà chúng ta thường quan sát được chưa phải là những hằng số thực, chúng chỉ là cái bóng ba chiều của những hằng số đích thực. Trong lý thuyết dây có khả năng tồn tại đến 10500 lời giải ứng với ngần ấy thế giới khả dĩ. Thế giới của chúng ta chỉ là một thể hiện của tập thế giới đó, chỉ là một ốc đảo bao quanh bởi nhiều thế giới không có sự sống, ở đó những cấu trúc như nguyên tử cacbon, các phân tử ADN không cấu thành được. Nếu chúng ta phiêu lưu đến những thể giới đó thì cuộc sống của chúng ta sẽ bị chấm dứt. Có thể danh từ hằng số không hoàn toàn thích hợp vì chúng có thể thay đổi theo không gian và thời gian. Để không phụ thuộc vào điều kiện đo đạc, chúng ta hãy xét những hằng số vô thứ nguyên. Một hằng số như thế là: α = e2 / 2 e0 hc
(trong đó e là điện tích electron, e0 - hằng số điện môi chân không, h - hằng số Planck, c - vận tốc ánh sáng), đó là hằng số cấu trúc tinh tế, do Arnold Sommerfeld đưa vào trong lý thuyết điện từ, lần đầu tiên năm 1916. Hằng số α lượng hoá cường độ tương tác điện từ tương đối tính (c) của các hạt mang điện tích trong chân không (e0) của lý thuyết lượng tử (h). Trị số của a bằng số là: 1/137,03599976 hay xấp xỉ bằng 1/137. Nếu α nhỏ hơn trị số trên thì mật độ nguyên tử chất rắn sẽ giảm đi (theo α3), các mối liên kết phân tử sẽ bị cắt đứt ở một nhiệt độ thấp hơn (theo α2), số lượng các nguyên tố bên trong bảng tuần hoàn sẽ tăng lên (theo 1/α). Nếu α lớn hơn trị số trên thì các hạt nhân nguyên tử nhỏ không thể tồn tại vì sức đẩy giữa điện tích các proton sẽ thắng lực hạt nhân vốn là lực liên kết các proton trong hạt nhân. Nếu α có trị số khoảng 0,1 thì nguyên tử cacbon sẽ bị bắn ra từng mảnh, nếu α lớn hơn 0,1 thì phản ứng tổng hợp nhiệt hạch cũng khó lòng xảy ra. Mức năng lượng của electron trong nguyên tử mô tả quá trình hấp thụ. Năng lượng của photon được chuyển cho electron, electron nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Khoảng cách giữa các mức năng lượng phụ thuộc vào tương tác giữa electron và hạt nhân, như vậy phụ thuộc vào hằng số α. Khi α nhỏ hơn 5% trị số hiện nay (hình 1b) thì các mức năng lượng xích gần nhau hơn và photon sẽ cần ít năng lượng hơn để kích electron lên mức năng lượng cao hơn. Làm thế nào để đo sự thay đổi của α ?
Các quasar được phát hiện năm 1965, đó là những quasi-star (thiên thể tựa sao) có độ sáng lớn hơn 100 tỷ sao, ở xa quả đất khoảng 3 tỷ năm ánh sáng. Ánh sáng từ quasar trên đường đi đến quả đất gặp phải những đám mây vật chất, những đám mây này hấp thụ một số bước sóng ánh sáng. Các nhà vật lý nghiên cứu phổ hấp thụ của ánh sáng từ các quasar đi qua các đám mây, từ đó suy ra trị số của α tại những thời điểm sớm của vũ trụ. Ở hình số 2, từ trên xuống dưới ta thấy những quá trình sau: Từ quasar ánh sáng bắt đầu hành trình xuống trái đất với một phổ liên tục. Trên đường đi, ánh sáng đi qua những đám mây vật chất. Các đám mây này chặn lại những bước sóng nhất định tạo nên những vạch đen trên phổ. Để nghiên cứu α, các nhà vật lý sử dụng phổ hấp thụ đối với những kim loại. Khi ánh sáng đến quả đất, các vạch trên phổ lệch về phía đỏ vì sự dãn nở của vũ trụ. Khoảng cách giữa các vạch cho phép tính khoảng cách của các đám mây và do đó tính được tuổi của chúng. Phổ hấp thụ thu được từ quasar đem so sánh với phổ hấp thụ trong phòng thí nghiệm cho phép tìm ra sự thay đổi của a theo thời gian. Kết quả của các tác giả cho thấy rằng: α không thay đổi trong một số giai đoạn của lịch sử vũ trụ và đã tăng trong một số giai đoạn khác (hình 3). Những hệ quả của sự thay đổi của hằng số α
Như ta đã biết, hai vật bất kỳ sẽ rơi tự do như nhau trong chân không (nguyên lý tương đương yếu của Galileo). Song nếu hằng số cấu trúc tinh vi α thay đổi thì điều này không còn đúng nữa. Theo các tác giả thì gia tốc của những chất khác nhau có thể cách biệt nhau 1/1014. Người ta đang chờ đợi nhiều dữ liệu, nhiều sự phân tích hơn nữa để có thể chắc chắn về sự thay đối của hằng số α. Nếu α thay đổi thì các hằng số khác cũng có thể thay đổi và như vậy thế giới sẽ không có cấu hình kiên định như chúng ta tưởng. Những vùng khác của đa thế giới (multiverse) sẽ có những trị số khác nhau của các hằng số. Tại những vùng đó, chúng ta sẽ bắt gặp nhiều cảnh tượng siêu thực (xem hình 4). Bài toán về các hằng số là một bài toán đầy bí ẩn. Mọi phương trình mô tả thế giới khách quan đều chứa các hằng số, cho nên người ta thường quên mất câu hỏi vì sao chúng lại có những trị số quan sát được. Tìm nguồn gốc các trị số của các hằng số là một bài toán lớn của vật lý hiện đại và lý thuyết thống nhất. Các hằng số quan sát được rất có thể chỉ là các trị số bóng của các trị số trong một không gian nhiều chiều hơn của lý thuyết thống nhất. Bài toán xác định các hằng số vật lý có phải là hằng số hay không là bước đầu của một lộ trình mới tìm hiểu bộ mặt tối hậu của thế giới khách quan.