Các hằng sốVật lý có thểthay đổi theo
không gian và thời gian
Các phương trình vật lý cơbảnđều chứa những hằng sốnhưc - vận tốc
ánh sáng. Từtrướcđến nay, người ta vẫn cho rằng, các hằng sốtrong các
phương trình vật lý là những đại lượng không thay đổi theo không gian và
thời gian. Tuy nhiên mớiđây, trên Tạp chí Scientific American , các tác giả
John D. Barrow, John K. Webb cùng cộng sự đã đặt vấnđề nghi ngờ điều này.
Vấnđề các hằng sốhiện nay đang trởthành một bài toán lớn của vật lý hiện
đại.
Một số đại lượng được các nhà vật lý gọi là hằng số, (các trịsố được cho
trong hệ đơn vịSI) như:
c - vận tốc ánh sáng (= 299.792.458)
G - hằng sốhấp dẫn Newton (= 6,6723 x 1-11)
me- khối lượng electron (= 9,10938188 x 10-31)…
Chúng làm thành cơsởcấu trúc vật lý. Trướcđây, người ta không quan tâm
đến việc vì sao chúng lấy những trịsốnhưtrên, điều lo lắng duy nhất là nếu một số
hằng sốcó những trịsốkhác thì những tổhợp cấu trúc nguyên tử, cũng nhưcác
sinh thểcó thểkhông cấu thành được và không tồn tại.
Trong những năm gầnđây, các nhà vật lý hy vọng chứng minh được rằng các
hằng sốvật lý chỉlấy những trịsốlogic khảdĩ.
Mong muốn giải thích các hằng sốvật lý l
à
một cốgắng để xây dựng một bức tranh hoà
n
chỉnh của Lý thuyết của tất cả(Theory
of
Everything - TOE). Vấnđề các hằng sốtrởnê
n
phức tạp vì trong những lý thuyết nhưsiêu dây, l
ý
thuyết M thì ngoài các chiều không gian và thờ
i
gian phải xét đến những chiều dư
(extra
dimensions), sốchiều dưnày có thểlên đến
7.
Cho nên những hằng sốmà chúng ta thường quan sát được chưa phải là những
hằng sốthực, chúng chỉlà cái bóng ba chiều của những hằng số đích thực.
Trong lý thuyết dây có khảnăng tồn tạiđến 10500 lời giảiứng với ngầnấy thế
giới khảdĩ. Thếgiới của chúng ta chỉlà một thểhiện của tập thếgiớiđó, chỉlà một
ốcđảo bao quanh bởi nhiều thếgiới không có sựsống, ở đó những cấu trúc như
nguyên tửcacbon, các phân tửADN không cấu thành được. Nếu chúng ta phiêu lưu
đến những thểgiớiđó thì cuộc sống của chúng ta sẽbịchấm dứt.
Có thểdanh từhằng sốkhông hoàn toàn thích hợp vì chúng có thểthay đổi
theo không gian và thời gian. Để không phụthuộc vào điều kiệnđođạc, chúng ta
hãy xét những hằng sốvô thứnguyên. Một hằng sốnhưthếlà:
α= e2/ 2 e0hc
(trong đó elàđiện tích electron, e0- hằng số điện môi chân không, h - hằng
sốPlanck, c - vận tốc ánh sáng), đó là hằng sốcấu trúc tinh tế, do Arnold
Sommerfeld đưa vào trong lý thuyếtđiện từ, lầnđầu tiên năm 1916.
Hằng số α lượng hoá cường độ tương tác điện từtương đối tính (c) của các
hạt mang điện tích trong chân không (e0) của lý thuyết lượng tử(h). Trịsốcủa a
bằng sốlà: 1/137,03599976 hay xấp xỉbằng 1/137.
Nếuαnhỏhơn trịsốtrên thì mậtđộ nguyên tửchất rắn sẽgiảmđi (theo α3),
các mối liên kết phân tửsẽbịcắtđứtởmột nhiệtđộ thấp hơn (theo α2), sốlượng
các nguyên tốbên trong bảng tuần hoàn sẽtăng lên (theo 1/α).
Nếuαlớn hơn trịsốtrên thì các hạt nhân
nguyên tửnhỏkhông thểtồn tại vì sứcđẩy giữađiện
tích các proton sẽthắng lực hạt nhân vốn là lực liên
kết các proton trong hạt nhân. Nếuαcó trịsố
khoảng 0,1 thì nguyên tửcacbon sẽbịbắn ra từng
mảnh, nếuαlớn hơn 0,1 thì phảnứng tổng hợp nhiệt
hạch cũng khó lòng xảy ra.
Mức năng lượng của electron trong nguyên tửmô tảquá 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 phụthuộc vào tương tác giữa
electron và hạt nhân, nhưvậy phụthuộc vào hằng số α. Khi αnhỏhơn 5% trịsố
hiện nay (hình 1b) thì các mức năng lượng xích gần nhau hơn và photon sẽcần ít
năng lượng hơnđể kích electron lên mức năng lượng cao hơn.
Làm thếnào để đo sựthay đổi củaα?
Các quasar được phát hiện năm 1965, đó là những quasi-star (thiên thểtựa
sao) có độ sáng lớn hơn 100 tỷsao, ởxa quả đất khoảng 3 tỷnăm ánh sáng. Ánh
sáng từquasar trên đường điđến quả đất gặp phải những đám mây vật chất,
những đám mây này hấp thụmột sốbước sóng ánh sáng. Các nhà vật lý nghiên cứu
phổhấp thụcủa ánh sáng từcác quasar đi qua các đám mây, từ đó suy ra trịsốcủa
αtại những thờiđiểm sớm của vũtrụ.
Ởhình số2, từtrên xuống dưới ta thấy những quá trình sau:
Từquasar ánh sáng bắtđầu hành trình xuống trái đất với một phổliên tục.
Trên đường đi, ánh sáng đi qua những đám mây vật chất. Các đám mây này
chặn lại những bước sóng nhấtđịnh tạo nên những vạch đen trên phổ.Để nghiên
cứuα, các nhà vật lý sửdụng phổhấp thụ đối với những kim loại.
Khi ánh sáng đến quả đất, các vạch trên phổlệch vềphía đỏ vì sựdãn nởcủa
vũtrụ. Khoảng cách giữa các vạch cho phép tính khoảng cách của các đám mây và
do đó tính được tuổi của chúng.
Phổhấp thụthu được từquasar đem so sánh với phổhấp thụtrong phòng
thí nghiệm cho phép tìm ra sựthay đổi của a theo thời gian.
Kết quảcủa các tác giảcho thấy rằng: αkhông thay đổi trong một sốgiai
đoạn của lịch sửvũtrụvà đã tăng trong một sốgiai đoạn khác (hình 3).
Những hệquảcủa sựthay đổi của hằng số α
Nhưta đã biết, hai vật bất kỳsẽrơi tựdo nhưnhau trong chân không
(nguyên lý tương đương yếu của Galileo). Song nếu
hằng sốcấu trúc tinh vi αthay đổi thì điề
u
này không còn đúng nữa. Theo các tác giảthì
tốc của những chất khác nhau có thểcách biệ
t
nhau 1/1014.
Người ta đang chờ đợi nhiều dữliệu, nhiề
u
sựphân tích hơn nữađể có thểchắc chắn vềs
ự
thay đối của hằng số α. Nếuαthay đổi thì các hằng sốkhác cũng có thểthay đổi và
nhưvậy thếgiới sẽkhông có cấu hình kiên định nhưchúng ta tưởng. Những vùng
khác củađa thếgiới (multiverse) sẽcó những trịsốkhác nhau của các hằng số. Tại
những vùng đó, chúng ta sẽbắt gặp nhiều cảnh tượng siêu thực (xem hình 4).
Bài toán vềcác hằng sốlà một bài toán đầy bí ẩn. Mọi phương trình mô tả
thếgiới khách quan đều chứa các hằng số, cho nên người ta thường quên mất câu
hỏi vì sao chúng lại có những trịsốquan sát được.
Tìm nguồn gốc các trịsốcủa các hằng sốlà một bài toán lớn của vật lý hiện
đại và lý thuyết thống nhất. Các hằng sốquan sát được rất có thểchỉlà các trịsố
bóng của các trịsốtrong một không gian nhiều chiều hơn của lý thuyết thống nhất.
Bài toán xác định các hằng sốvật lý có phải là hằng sốhay không là bướcđầu của
một lộtrình mới tìm hiểu bộmặt tối hậu của thếgiới khách quan.