Các lực trong tự nhiên

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

103
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'các lực trong tự nhiên', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Các lực trong tự nhiên

Các l c trong t nhiên Lars Brink M t trong nh ng c trưng cơ b n trong v t lí h c là s t n t i c a các l c gi v t ch t l i v i nhau. Ví d , có các l c gi t bào l i v i nhau hình thành nên cơ th con ngư i, và có l c h p d n gi chúng ta trên m t t và m t trăng trên qu o xung quanh trái t. Chúng ta có th t mình tác d ng l c khi chúng ta y m t cái gì ó và, b ng kĩ thu t, gi i phóng m t s năng lư ng trong d u m t o ra l c tác d ng lên bánh xe hơi làm cho nó chuy n ng. T quan i m vĩ mô, chúng ta có th tư ng tư ng ra nhi u lo i l c khác nhau, các l c tác d ng t i ch ti p xúc, nhưng cũng có l c tác d ng xuyên kho ng cách như l c h p d n. Dù v y, trong v t lí, chúng ta c g ng h th ng hóa và tìm càng nhi u khái ni m t ng quát càng t t. M t s h th ng hóa như th là i tìm các thành ph n t i h u c a v t ch t. M t s h th ng hóa n a là tìm ra các l c tác d ng gi a chúng. Trong trư ng h p th nh t, chúng ta ã có th phân chia v t ch t thành các nguyên t và phân chia các nguyên t thành h t nhân và các electron, và r i phân chia h t nhân thành các proton và neutron. Khi cho va ch m proton v i proton hay proton v i electron, các nhà v t lí h t ã khám phá ra r ng toàn b v t ch t có th c u thành t m t s quark (m t khái ni m do Murray Gell-Mann ưa ra h i nh ng năm 1960) và lepton (electron và các neutrino và các ch em n ng hơn c a chúng). Cũng trong quá trình này, các nhà v t lí ã phát hi n ra b n l c cơ b n tác d ng gi a các h t v t ch t này – l c h p d n, l c i n t , l c h t nhân m nh và l c h t nhân y u. Ch có hai l c u là có th nhìn th y tr c ti p trong th gi i vĩ mô, nên chúng ta hãy mô t chúng trư c. L ch pd n Lí thuy t mang tính nh lư ng u tiên c a l c h p d n xây d ng trên các quan sát do Isaac Newton thi t l p vào năm 1687 trong cu n Principia c a ông. Ông vi t r ng l c h p d n tác d ng lên m t tr i và các hành tinh ph thu c vào lư ng v t ch t mà chúng ch a. Nó truy n i © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 1
nh ng kho ng cách xa và luôn luôn gi m t l ngh ch v i bình phương kho ng cách. Công th c vi t cho l c F gi a hai v t có kh i lư ng m1 và m2 cách nhau kho ng r là F = Gm1m2/r2 trong ó G là h ng s t l , hay h ng s h p d n. Newton không hoàn toàn hài lòng v i lí thuy t c a ông vì nó gi s m t tương tác xuyên kho ng cách. Khó khăn ã b lo i tr khi khái ni m trư ng h p d n ư c nêu ra, m t trư ng th m m không gian. Lí thuy t Newton ư c áp d ng r t thành công cho cơ h c thiên th trong th k 18 và u th k 19. Ví d , J.C. Adams và U.J.J Leverrier ã có th ph ng oán m t hành tinh n m bên ngoài Thiên vương tinh t s không u trong qu o c a nó và sau ó, H i vương tinh ã ư c tìm th y. Dù v y, v n còn t n ng m t v n . Vào năm 1845, Leverrier tính th y qu o c a Th y tinh ti n ng 35” trên th k , trái v i giá tr theo thuy t Newton là b ng không. Sau ó, các phép o cho giá tr chính xác hơn là 43”. (S ti n ng quan sát th y th t ra là 5270”/th k , nhưng khi nh n n i tính toán lo i tr h t nhi u lo n t t t c các hành tinh khác cho giá tr 43”) Mãi cho n năm 1915, Einstein m i có th gi i thích ư c s không nh t quán này. Galilei là ngư i u tiên quan sát th y các v t dư ng như rơi t c như nhau b t k kh i lư ng c a chúng. Trong các phương trình Newton, khái ni m kh i lư ng xu t hi n trong hai phương trình khác nhau. nh lu t th hai phát bi u r ng l c F tác d ng lên m t v t kh i lư ng m cho gia t c a tuân theo phương trình F = ma. Trong nh lu t h p d n, l c h p d n F th a mãn F = mg, trong ó g ph thu c vào các v t khác tác d ng l c lên v t (thư ng là trái t, khi chúng ta nói t i l c h p d n). Trong c hai phương trình, m là h s t l (kh i lư ng quán tính và kh i lư ng h p d n) và không h có lí do rõ ràng nào là chúng ph i b ng nhau i v i hai v t khác nhau. Tuy nhiên, t t c các thí nghi m u xác nh n chúng là như nhau. Einstein l y th c t này làm i m xu t phát cho lí thuy t h p d n c a ông. N u b n không th phân bi t kh i lư ng quán tính v i kh i lư ng h p d n, thì b n không th nào phân bi t s h p d n v i s gia t c. M t thí nghi m ti n hành trong trư ng h p d n có th thay th b ng cách ti n hành trong m t thang máy ang gia t c mà không có trư ng h p d n. Khi nhà du hành vũ tr trong m t tên l a gia t c ra kh i trái t, ông c m th y l c h p d n l n hơn vài l n so v i trên trái t. a s s h p d n ó là do s gia t c. N u ngư i ta không th phân bi t h p d n v i gia t c, ngư i ta luôn luôn có th thay th l c h p d n b ng cách trong m t h quy chi u ang gia t c. M t h quy chi u trong ó s gia t c tri t tiêu l c h p d n ư c g i là h quy chi u quán tính. Vì th , m t trăng quay xung quanh trái t có th thay th b ng cách xét trong m t h quy chi u ang gia t c. Tuy nhiên, h 2 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
quy chi u này s khác t i m này n i m khác vì trư ng h p d n bi n thiên. (Trong ví d v i m t trăng, trư ng h p d n i hư ng t i m này sang i m khác) Nguyên lí r ng ngư i ta luôn luôn có th tìm m t h quy chi u quán tính t i m i i m c a không gian và th i gian, trong ó n n v t lí tuân theo các nh lu t trong s thi u v ng l c h p d n ư c g i là nguyên lí tương ương. Th c t l c h p d n có th xem là m t h t a khác nhau t i m này sang i m khác có nghĩa là l c h p d n là m t lí thuy t hình h c. H t a th t s bao quát toàn b không gian và th i gian do ó ph c t p hơn h t a ph ng thông thư ng mà chúng ta s d ng t hình h c thông thư ng. Lo i hình h c này g i là hình h c phi Euclid. L c như chúng ta th y là do tính ch t c a không gian và th i gian. Chúng ta nói r ng không-th i gian b cong. Xét m t qu c u n m trên m t b m t ph ng. Nó s không chuy n ng, ho c n u như không có ma sát, nó có th chuy n ng u khi không có l c tác d ng lên nó. N u như b m t b cong, qu c u s gia t c và chuy n ng xu ng i m th p nh t ch n ư ng i ng n nh t. Tương t , Einstein b o chúng ta r ng không gian và th i gian b n chi u b cong và m t v t chuy n ng trong không gian này chuy n ng d c theo m t ư ng rãnh là hành trình ng n nh t. Einstein ch ra r ng trư ng h p d n là i lư ng hình h c v ch rõ cái g i là th i gian ích th c, ó là khái ni m nh n cùng m t giá tr trong m i h t a tương t như kho ng cách trong không gian thông thư ng. Ông cũng thành công trong vi c xây d ng các phương trình cho trư ng h p d n, ư c t tên là các phương trình Einstein, và v i các phương trình này ông ã có th tính ư c giá tr úng cho s ti n ng i v i qu o c a Th y tinh. Các phương trình ó cũng cho giá tr o ư c c a s l ch c a các tia sáng truy n qua m t tr i và không còn có s nghi ng nào r ng các phương trình ó cho k t qu chính xác i v i s h p d n vĩ mô. Lí thuy t h p d n c a Einstein, hay lí thuy t tương i, như ông t g i như th , là m t trong nh ng thành t u to l n nh t c a n n khoa h c hi n i. L c i nt James Clerk Maxwell, vào năm 1865, cu i cùng ã th ng nh t các khái ni m i n và t thành m t lí thuy t v i n t . L c này ư c trung chuy n b i trư ng i n t . Các bi n th khác nhau c a trư ng này tương ng d n t i i n trư ng và t trư ng. Dù v y, lí thuy t này không hoàn toàn i x ng trong i n trư ng và t trư ng, vì nó ch nêu các ngu n tr c ti p cho i n trư ng, ó là các i n tích. M t lí thuy t hoàn toàn i x ng cũng ph i nêu ra các t tích ( ư c lí thuy t lư ng t hi n i tiên oán là t n t i nhưng có l n quá kh ng l nên các t tích t do ph i c c kì hi m trong vũ tr ). i v i hai v t tĩnh có i n tích e1 và e2, lí thuy t ưa n nh lu t Coulomb cho l c tác d ng gi a hai v t © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 3
F = ke1e2/r2 trong ó m t l n n a k là h ng s t l . Lưu ý s tương ng v i nh lu t Newton i v i l c h p d n. Dù v y, v n có m t s khác bi t. Trong khi l c h p d n luôn luôn là l c hút, thì l c i n t có th là l c y. i n tích có th có d u âm như i v i electron hay d u dương như i v i proton. i u này d n n th c t là các i n tích dương và âm có xu hư ng k t h p v i nhau như trong các nguyên t và vì th , bù tr l n nhau và làm gi m trư ng i n t . a s các h t trong trái t bù tr l n nhau theo ki u này và trư ng i n t toàn ph n gi m i r t nhi u. Tuy v y, chúng ta bi t là có t trư ng c a trái t. Trong cơ th c a chúng ta cũng th , a s các i n tích bù tr l n nhau sao cho có l c i n t r t y u gi a cơ th và trái t. Tình hu ng r t khác i v i trư ng h p d n. Vì nó luôn luôn hút, nên m i h t trong trái t tương tác v i t ng h t trong cơ th ngư i, t o ra m t l c úng b ng tr ng lư ng c a chúng ta. Tuy nhiên, n u chúng ta so sánh l c i n t và l c h p d n gi a hai electron, chúng ta s th y r ng l c i n t l n hơn n g n 1040 l n. ây là m t con s l n không th tin n i! Nó cho th y khi chúng ta bư c vào th gi i vi mô và nghiên c u n n v t lí c a các h t cơ b n, chúng ta không c n xét n l c h p d n khi chúng ta nghiên c u i n ng l c h c lư ng t , ít nh t là không ph i là các năng lư ng thông thư ng. Khi gi i h phương trình Maxwell, ngư i ta th y trư ng i n t truy n i v i v n t c h u h n. i u này có nghĩa là nh lu t Coulomb ch úng m t khi trư ng i n t có th i gian truy n gi a hai i n tích. Nó là m t nh lu t tĩnh. Ngư i ta cũng tìm th y trư ng i n t truy n i dư i d ng sóng theo ki u gi ng h t như ánh sáng truy n i. Romer là ngư i ã khám phá ra v n t c c a ánh sáng là h u h n và Newton và Huygens là nh ng ngư i phát hi n th y ánh sáng truy n i dư i d ng sóng vào cu i th k 17, và vào cu i th k 19, v n t c c a ánh sáng ã ư c xác nh t t và th y là phù h p v i v n t c c a trư ng i n t . Vì th , ngư i ta xác l p r ng ánh sáng không gì hơn chính là b c x i n t . Năm 1900, Max Planck xu t r ng ánh sáng b lư ng t hóa gi i thích b c x v t en. Tuy nhiên, Albert Einstein là ngư i u tiên th t s hi u ư c các h qu mang tính cách m ng c a ý tư ng này khi ông thi t l p cơ s c a hi u ng quang i n. Trư ng i n t có th hi u là dòng các h t nh g i là photon c u thành nên trư ng i n t . Khía c nh mang tính cách m ng c a ý tư ng này là dòng h t cũng có th hành x như m t sóng và có nhi u s ch ng i l i ý tư ng này t phía các nhà khoa h c c a th i kì ó. Mãi cho n năm 1923 khi Arthur Compton ch ra b ng th c nghi m r ng m t lư ng t ánh sáng có th làm 4 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
l ch hư ng m t electron gi ng h t như m t v t nh làm, thì cu c tranh lu n này m i i t i k t thúc. N u chúng ta nghĩ l c i n gi a hai i n tích là trư ng i n t trung chuy n nó xuyên kho ng cách, thì bây gi chúng ta có th có m t b c tranh cơ b n hơn dư i d ng m t dòng photon g i ra t h t n ch m vào h t kia. ây là b c tranh tr c quan hơn so v i l c tác d ng xuyên kho ng cách. B c tranh vĩ mô c a chúng ta v l c là cái gì ó ch m vào m t v t và r i ch u m t l c. Trong th gi i vi mô, ây l i là m t cách hi u l c. Tuy nhiên, nó ph c t p hơn. Gi s có hai h t tích i n tương tác. H t nào ang g i ra m t photon và h t nào ang nh n photon n u như hai h t là gi ng h t nhau như cơ h c lư ng t b o chúng ta th v các h t cơ b n ? Câu tr l i ph i là b c tranh bao quát c hai kh năng. Vi c phát hi n trư ng i n t b lư ng t hóa ã b t u s phát tri n c a cơ h c lư ng t và ưa chúng ta vào th gi i vi mô ch c u thành b i các v t gi ng như i m và trong ó l c xu t hi n khi hai h t va ch m nhau. Cơ h c lư ng t ã ưa n nhi u khái ni m mang tính cách m ng. M t trong nh ng khái ni m quan tr ng nh t là quan h b t nh Heisenberg do Werner Heisenberg thi t l p năm 1927, phát bi u r ng ngư i ta không th o v trí và xung lư ng, ho c năng lư ng và th i gian m t cách chính xác ng th i. i v i m t h t nhân, ngư i ta có th ho c là xác nh v trí c a electron và không bi t gì v xung lư ng c a nó, ho c là bi t xung lư ng c a nó và không bi t gì v v trí c a nó. Trong b c tranh bi u di n trư ng l c gi a hai i n tích, chúng ta ph i nghĩ v nó dư i d ng các photon truy n t i n tích này t i i n tích kia. Vì th , năng lư ng không th nào xác nh t t hơn cái do quan h b t nh cho chúng ta bi t vì sai s trong vi c xác nh th i gian. Do ó, quan h tương i c bi t i v i ánh sáng r ng photon không có kh i lư ng ư c chuy n thành quan h năng lư ng2 = xung lư ng2c2 ph i không th a mãn. N u như chúng ta t năng lư ng và xung lư ng ba chi u l i thành xung lư ng b n chi u, chúng ta th y nó không b gư ng ép b i i u ki n không có kh i lư ng, chúng ta nói r ng photon là o và vì th có kh i lư ng ( o). Như v y, chúng ta có th gi i thích quá trình trên ho c là m t photon nh t nh i t h t 1 t i h t 2 v i m t xung lư ng b n chi u nh t nh, ho c là m t photon i t h t 2 t i h t 1 v i xung lư ng b n chi u ngư c l i. Khi hai i n tích cách xa nhau, quan h b t nh cho chút ít t do và photon ti n g n hơn t i không có kh i lư ng. Chúng ta bi t r ng nh lu t Coulomb có v h p lí nh ng kho ng cách l n nh t nên nó ph i ư c thi t l p b i các photon g n như không có kh i lư ng. N u hai i n tích g n nhau thì ph i có nhi u i u ki n hơn cho l c. Nhân © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 5
th , o v n t c c a ánh sáng, các photon ph i tương tác. Vì th , có m t chút b t nh kh i lư ng c a nó và m t chút b t nh v n t c c a nó. Tuy nhiên, chúng ta luôn luôn o ư c cùng m t v n t c cho ánh sáng, có nghĩa là các kho ng cách vĩ mô mà chúng ta o, tính o và vì th kh i lư ng c a photon v cơ b n là b ng không n chính xác r t t t. Khi ó, ngư i ta có th nói r ng v n t c ánh sáng là m t h ng s . S mô t y c a l c i n t gi a các h t cơ b n ư c thi t l p b i Sin-Itiro Tomonaga, Richard Feynman và Julian Schwinger trong nh ng nghiên c u c l p nhau h i th p niên 1940. H ã thi t l p i n ng l c h c lư ng t (QED). ây là m t lí thuy t xem xét tr n v n v t lí lư ng t và thuy t tương i c bi t ( ó là s i x ng cơ s c a h phương trình Maxwell). Nó thi t l p r t tao nhã cái g i là bi u Feynman, trong ó các h t cơ b n trao i photon như ã mô t trên và trong ó t ng bi u thi t l p m t bi u th c toán h c nh t nh có th thu ư c t m t s quy lu t cơ b n i v i s truy n c a các h t o và t các nh tương tác. Bi u ơn gi n nh t cho s tương tác gi a hai electron là Bi u này th t ra ưa n nh lu t Coulomb. Bây gi Feynman ch d n chúng ta r ng chúng ta có th k t h p b t kì ư ng nào cho m t electron ang truy n i (hay khi nó truy n ngư c tr l i, positron) và b t kì ư ng nào cho m t photon ang truy n i bu c ch t v i nh nơi m t ư ng electron phát ra photon t o nên các bi u m i. M i bi u khác không gi ng v i bi u trên t o nên các hi u ch nh lư ng t cho l c cơ b n. Cái xuyên su t nghiên c u c a ba nhà khoa h c trên là m i bi u có th làm cho có ý nghĩa mang l i câu tr l i h u h n. Ngư i ta nói r ng QED là có th tái chu n hóa. Cư ng c a l c như trong nh lu t Coulomb b chi ph i b i l n c a nh, t c là i n tích e trong QED và trong bi u trên nó t l v i bình phương c a e và là h ng s c u trúc tinh t α = 1/137. Vì ây là m t con s nh , nên có th vi t l n trong chu i i u ki n v i s mũ càng lúc càng cao c a α, vì h s ó s ngày càng nh hơn i v i s ph c t p tăng d n c a bi u . Các i u ki n b c càng cao thì các hi u ch nh lư ng t càng cao và s m r ng mà chúng ta ã nh rõ s có các i u ki n càng nh hơn khi chúng ta i t i các hi u ch nh lư ng t cao hơn. L c h t nhân Vì ch có hai l c cơ b n ư c bi t t i vào u th k 20, l c h p d n và l c i n t , ngư i ta th y l c i n t là nguyên nhân gây ra các l c trong nguyên t , nên th t t nhiên tin r ng nó cũng là nguyên nhân gây ra các l c gi h t nhân l i v i nhau. Vào th p niên 1920, ngư i ta ã bi t r ng h t nhân ch a các proton, th t ra h t nhân hydrogen ch là m t proton, và không hi u sao ngư i ta tin r ng các electron có th có liên quan trong vi c gi các proton l i v i nhau. Tuy 6 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
nhiên, m t ý tư ng gi ng như th này ngay l p t c có v n . âu là s khác nhau gi a các electron trong h t nhân và các electron trong qu o xung quanh h t nhân ? âu là h qu c a quan h b t nh Heisenberg n u như các electron b ép vào h t nhân nh xíu ? S ng h duy nh t cho ý tư ng ó, lúc y ngư i ta chưa bi t n các h t cơ b n khác, là trong các phân h y phóng x nh t nh, các electron dư ng như phát ra t h t nhân. Tuy nhiên, vào năm 1932, James Chadwick phát hi n ra m t lo i b c x m i có th phát ra t h t nhân, m t h t nhân trung hòa và thí nghi m c a ông cho th y th t s có các h t trung hòa i n bên trong h t nhân, chúng ư c g i là neutron. Không lâu sau ó, Eugene Wigner gi i thích h t nhân là h qu c a hai l c h t nhân khác nhau. L c h t nhân m nh là l c hút gi a các proton và neutron gi h t nhân l i v i nhau và l c h t nhân y u là nguyên nhân gây ra phân h y phóng x c a các h t nhân nh t nh. l n c a hai l c khác nhau r t nhi u. T s tiêu bi u là vào b c 1014 các Ngư i ta nh n th y năng lư ng thông thư ng. Tương tác m nh M t ý tư ng t nhiên lúc này là tìm ki m m t cơ ch như cơ ch l c i nt trung chuy n l c m nh. Vào năm 1935, Hideki Yukawa xu t m t lí thuy t trư ng cho tương tác m nh trong ó h t trung chuy n trư ng ư c g i là meson. Tuy nhiên, có m t s khác bi t áng k gi a l c m nh và l c i n t là l c m nh có ph m vi tác d ng r t ng n (thư ng vào c bán kính h t nhân). ây là lí do t i sao không có b n i chi u c i n và vì th không ư c phát hi n trong v t lí c i n. Yukawa gi i bài toán này b ng cách cho meson có kh i lư ng. M t h t như th sau ó hình như ã ư c Carl Anderson tìm th y trong tia vũ tr . Khám phá ra s phân h ch h t nhân vào cu i nh ng năm 1930 ưa n s h ng thú to l n v i v t lí h t nhân và trong nh ng năm tháng chi n tranh, a s các nhà v t lí u nghiên c u v n phân h ch nên mãi n sau chi n tranh thì ý tư ng c a Yukawa m i ư c ý t i tr l i. Sau ó, ngư i ta nh n ra r ng h t do Anderson tìm ra không th là meson c a các tương tác m nh, vì nó quá ít tương tác v i v t ch t, và sau ó ngư i ta ch ra r ng h t này, bây gi g i là muon, là ch em n ng kí c a electron. Tuy nhiên, meson, bây gi nh lu t pion, cu i cùng ã dư c Cecil Powell phát hi n trong tia vũ tr vào năm 1947 và tính ch t c a nó ã ư c o. Bây gi l i xu t hi n m t nan m i. Khi các máy gia t c kh ng l b t u ho t ng trong nh ng năm 1950, các pion ư c t o ra ch ng minh cho lí thuy t Yukawa, nhưng khi lí thuy t trư ng c a ông ư c xem xét c n th n theo các quy lu t do Feynman thi t l p, nó cho th y lí thuy t ó th t s là có th tái chu n hóa, nhưng h ng s ghép ôi quá l n, l n hơn 1. i u này có nghĩa là m t bi u v i m t vài tương tác s cho óng góp l n hơn bi u ch t phác v i s trao © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 7
i ch m t pion, t c là ngư i ta nghĩ i u ó mang l i b c tranh thô c a s tán x c a hai proton. S m r ng không có ý nghĩa. S tán x c a các proton cũng t o ra các h t tương tác m nh m i ngoài pion, chúng ư c t tên là hadron. Th t v y, m t lũ lâu la các h t cơ b n ã ư c phát hi n, m t s trong chúng có th i gian s ng ch ng 10-8 n 10-10 s và m t s có th i gian s ng 10-23 s. V n này ã ư c Murray Gell-Mann gi i quy t khi ông xu t r ng t t c các h t tương tác m nh th t ra là nh ng tr ng thái liên k t c a các tr ng thái còn cơ b n hơn n a, ó là các quark. Ý ki n này cu i cùng ã ư c xác nh n b ng th c nghi m trong các thí nghi m Stanford trong các năm 1970, dư i s ch o c a Jerome Friedman, Henry Kendall và Richard Taylor. tìm hi u các l c bên trong h t nhân, ngư i ta th t s ph i tìm hi u lí thuy t trư ng cho các quark. Trư c khi mô t l c gi a các quark, chúng ta ph i bàn v l c h t nhân kia, l c y u. Tương tác y u Năm 1896, Henri Becquerel phát hi n th y mu i uranium phát ra m t b c x ; chúng có tính phóng x . Nghiên c u c a ông ư c ti p n i b i Marie và Pierre Curie, h phát hi n th y m t vài nguyên t phân h y b ng cách phát ra phóng x . V i vi c khám phá ra neutron, ngư i ta nh n ra r ng hi n tư ng này là m t m t khác c a m t l c ang ho t ng. Ngư i ta th y neutron phân rã thành m t proton và m t electron và m t h t gi nh khi ó do Wolfgang Pauli xu t, chúng ư c t tên là neutrino (th t ra là ph n neutrino). Vì trong h t nhân, kh i lư ng c a các nucleon là o nên quá trình cũng có th ti n tri n theo cách khác trong ó m t proton phân h y thành m t neutron, m t positron và m t neutrino. Ngư i u tiên thi t l p mô hình cho tương tác này là Enrico Fermi, trong ó xu t r ng s tương tác là t c th i gi a các h t v t ch t. Vào cu i nh ng năm 1950, lí thuy t c a Fermi ã ư c c i ti n gi i thích s vi ph m tính ch n l b i Marshak và Sudarsan và do Feynman và Gell-Mann. S vi ph m tính ch n l c a các tương tác y u ư c xu t b i Tsung-Dao Lee và Chen Ning Yang vào năm 1956 và ư c xác nh n b ng th c nghi m b i Wu và các c ng s m t năm sau ó (Các tương tác y u có th phân bi t gi a bên trái và bên ph i) Tuy nhiên, mô hình ưa ra có nh ng v n gay g t. Nó không ph i là tái chu n hóa nên nó không th t s là m t lí thuy t t ng quát. M t khác, mô hình ho t ng c c kì t t trong nhi u quá trình. Làm th nào ngư i ta có th hòa gi i hai th c t này ? Trong nh ng năm 1960, các mô t lí thuy t trư ng m i ã ư c xu t và hòa gi i th c t trên, ngư i ta ưa ra các h t trung chuy n c c kì n ng. Trong các quá trình năng lư ng th p, m t h t như th ch có th truy n i m t kho ng cách r t ng n và trong th c t trông như th tương tác x y ra t i m t i m cho mô hình trên i v i các năng lư ng th i gian có th kh o sát. Khuôn kh ư c s d ng, cái g i là “các lí thuy t chu n phi Abel” do Sheldon Glashow, Steven Weinberg và Abdus Salam s d ng trong các nghiên c u c l p u xu t m t mô hình khái quát hóa mô hình trên. M t lí thuy t trư ng như th là s khái quát hóa c a QED trong ó có vài h t trung gian cũng có kh năng t tương tác. Vào u th p niên 1970, khuôn kh này c a mô hình ã ư c Gerhard ‘tHooft và Tini Veltman ch ng minh là có th tái chu n hóa ư c và vì th là nh ng lí thuy t lư ng t t t. y r y b ng ch ng th c nghi m cho mô hình ã ư c thu th p trong th p niên 1970 và cu i 8 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
cùng vào năm 1983, các h t trung gian ã ư c phát hi n t i CERN trong m t thí nghi m do Carlo Rubbia và Simon van der Meer ch o. Th t v y, các h t trung gian r t n ng, h u như g p 100 l n kh i lư ng proton. Lí thuy t tương tác m nh M t c i m áng chú ý c a các thí nghi m SLAC xác nh n s t n t i c a các quark là “s chia t l ”. Ti t di n i v i s tán x sâu không àn h i c a các electron lên proton ph thu c vào vài ba bi n ng h c i v i các năng lư ng cao hơn. Các ti t di n chia t l . Hi n tư ng này ư c xu t trên lí thuy t b i James Bjorken và d li u cho th y nó rõ ràng. Richard Feynman gi i thích nó b ng cách gi s r ng proton g m các thành ph n gi ng như ch t i m. Nh m gi i thích s chia t l , các thành ph n này ph i có cư ng ghép ôi gi m theo năng lư ng, ngư c v i trư ng h p QED. ây là cái g i là “s t do ti m c n”. Th t hơi khó tin r ng m t lí thuy t trư ng lư ng t có th là t do ti m c n vì s ph thu c năng lư ng c a h ng s ghép ôi là do s bù tr t các c p h t o. Cơ h c lư ng t tương i tính cho phép các c p như th n u như chúng không s ng quá lâu. ây là do nguyên lí b t nh Heisenberg và th c t thì năng lư ng tương ương v i kh i lư ng theo công th c n i ti ng c a Einstein. S t do ti m c n ph i có nghĩa là i n tích quark không bù tr nhau, i u ư c cho là khó tin mà t n t i trong m t lí thuy t trư ng lư ng t . Tuy nhiên, năm 1973, David Gross, David Politzer, và Frank Wilczek ng th i nh n th y i v i m t lí thuy t trư ng chu n phi Abel, yêu c u c a s t do ti m c n ư c th a mãn n u có không quá nhi u quark. Chìa khóa cho l i gi i là ch các h t vector trung chuy n l c, các gluon, th t s không bù tr . i u này có th hi u vì i n tích c a các quark và gluon, “tích màu” th a mãn các quan h ph c t p hơn các tích i n ơn gi n. Có ba màu khác nhau và ph n màu c a chúng. Trong khi các quark có tích màu, thì các gluon có m t tích màu và m t tích ph n màu. Vì th , các gluon o có th s p hàng v i các tích bù tr l n nhau trong khi cư ng c a trư ng tăng lên. Khám phá ra s t do ti m c n ã m ra lí thuy t trư ng chu n phi Abel cho các tương tác gi a các quark, và nó ư c g i là S c ng l c h c lư ng t , QCD. Theo năm tháng, lí thuy t này ã ư c ki m nghi m r t thành công t i các máy gia t c l n và ngày nay nó ã ư c thi t l p ch c ch n là m t lí thuy t c a các tương tác m nh Mô hình Chu n S thành công c a các lí thuy t chu n phi Abel cho th y t t c các tương tác có th th ng nh t trong m t khuôn kh chung. i u này d n t i cái g i là Mô hình Chu n, trong ó t t c các h t v t ch t ư c xem xét cùng nhau, t c là electron và các ch em n ng hơn c a nó, muon và h t tau và các neutrino tương ng, chúng u ch có tương tác y u, cùng v i các quark có th có tương tác m nh l n tương tác y u. Các h t l c, t c các h t trung chuy n, là photon i v i l c i n t , h t W và h t Z i v i l c y u và các gluon i v i l c m nh. Cho dù Mô hình Chu n th ng nh t các tương tác, nhưng v n có nh ng khác bi t v chi ti t. Photon và gluon là nh ng h t không có kh i lư ng, còn h t W và Z thì có kh i lư ng. Photon ưa n nh lu t Coulomb i v i nh ng kho ng cách l n, còn gluon ưa n l c giam gi gi a các quark. ây là th c t do s © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 9
t do ti m c n, nó cũng có th hi u là cư ng ghép ôi tăng lên khi năng lư ng gi m, v m t cơ h c lư ng t cũng có nghĩa là nó tăng theo kho ng cách. Th c t thì s tăng này gi ng như trư ng h p lò xo, các quark liên k t vĩnh vi n bên trong các hadron. Dù v y, các tính ch t c a gluon ã ư c thi t l p v ng ch c b ng th c nghi m. Th ng nh t m i tương tác Trong mô hình chu n trên không có c p t i l c h p d n. Ngư i ta nói r ng nó quá y u nên chúng ta không c n ph i ưa nó vào các thí nghi m h t. Tuy nhiên, trên cơ s khái quát, ph i có m t phiên b n lư ng t c a l c h p d n tác d ng nh ng kho ng cách nh . N u chúng ta th b t chư c y h t s lư ng t hóa c a trư ng i n t dư i d ng photon, chúng ta ph i lư ng t hóa trư ng h p d n thành cái g i là graviton. Tuy nhiên, th t c c a Feynman, Tomonaga và Schwinger không ho t ng ây. Thuy t h p d n c a Einstein thì không có tính tái chu n hóa. V y v n là âu ? Có ph i lí thuy t Einstein hay cơ h c lư ng t không hoàn ch nh ? Hai c t tr khái ni m to l n c a th k 20, Cơ h c lư ng t và Thuy t tương i r ng c a Einstein ơn gi n là không tương thích v i nhau. Einstein ã nghĩ trong su t cu c i ông r ng cơ h c lư ng t th t ra không hoàn ch nh, nhưng nhi u phép ki m tra c a nó ã ư c th c hi n khi n các nhà v t lí c g ng khái quát hóa lí thuy t c a Einstein. S thành công n i b t c a Mô hình Chu n cũng cho th y r ng ý tư ng th ng nh t các l c là m t ý tư ng úng n. T i sao có b n l c khác nhau, hay chúng có th t s khác nhau ? Chúng th t s khác nhau, bi u hi n dư i d ng các l c khác nhau trong nh ng thí nghi m do chúng ta th c hi n, nhưng Mô hình Chu n cho th y l c i n t và l c y u ư c th ng nh t i v i các năng lư ng trên 100 GeV. Tương t , mô hình ó cũng cho th y l c m nh dư ng như quá khác bi t, nên th ng nh t v i các l c kia năng lư ng trên 1015 GeV. Ch ng bi t l c h p d n có th ưa vào khuôn kh này hay không ? Ngư i ta có th ch ra r ng các năng lư ng vào b c 1019 GeV, l c h p d n s m nh như các l c kia, nên ph i có m t s th ng nh t c a t t c các l c, ít nh t là năng lư ng ó, ó là năng lư ng cao n m c không tin n i ch xu t hi n trong vũ tr c a chúng ta th i i m 10-42 s sau Big Bang. Tuy nhiên, v t lí h c cũng ph i có th mô t các hi n tư ng x y ra khi ó, nên ph i có m t b c tranh th ng nh t bao g m c l c h p d n. M t khuôn kh như th ã ư c xu t, Mô hình Siêu dây, trong ó các h t ư c mô t b ng các i tư ng m t chi u là các dây. Mô hình này th t s mang lí thuy t Einstein vào các năng lư ng th p và có th tương thích v i Mô hình Chu n các năng lư ng nơi nó ư c kh o sát. Nó cũng là m t lí thuy t lư ng t h u h n, nên m t lí thuy t h p nh t cho h p d n d a trên Mô hình Siêu dây là th t s phù h p. Hãy còn quá s m nói r ng ây có ph i là “lí thuy t c a t t c ” cu i cùng hay chưa, nhưng không có ngh ch lí hay s mâu thu n nào trong mô hình ó như trư c nay v n hi u. Cu i cùng, mô hình ó th c hi n s th ng nh t cao , ó là các h t v t ch t và các h t l c, thành ch m t lo i h t 10 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
duy nh t. ây cũng là m c tiêu t i h u c a các nhà v t lí, ó là có m t lo i l c th ng nh t và m t lo i h t th ng nh t mà thôi. Nguyên b n: Forces (nobelprize.org) hiepkhachquay d ch An Minh, Xuân M u Tý 2008 30/01/2008, 20:49:49 © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 11