GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2004

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

70
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

 Ngày 5 tháng 10 năm 2004 Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển quyết định trao Giải Nobel Vật lý năm 2004 cho ba công dân Mỹ là Davis J. Gross tại Viện Vật lý lý thuyết Kavli thuộc Đại học California ở Santa Barbara (bang California, Mỹ), H. Davis Politzer tại Viện Công nghệ California (Caltech) ở Pasadena (bang California, Mỹ) và Frank Wilczek tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Cambridge (bang Massachusetts, Mỹ) "do phát minh ra sự tự do tiệm cận (asymptotic freedom) trong lý thuyết tương tác mạnh"...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2004

GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2004  Ngày 5 tháng 10 năm 2004 Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển quyết định trao Giải Nobel Vật lý năm 2004 cho ba công dân Mỹ là Davis J. Gross tại Viện Vật lý lý thuyết Kavli thuộc Đại học California ở Santa Barbara (bang California, Mỹ), H. Davis Politzer tại Viện Công nghệ California (Caltech) ở Pasadena (bang California, Mỹ) và Frank Wilczek tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Cambridge (bang Massachusetts, Mỹ) "do phát minh ra sự tự do tiệm cận (asymptotic freedom) trong lý thuyết tương tác mạnh". Gross cùng với Wilczek và độc lập với họ là Politzer đã có một phát minh quan trọng xem xét xem lực mạnh hoạt động như thế nào để liên kết các yếu tố thành phần gọi là các quark của các proton và neutron (các hạt này tạo nên các hạt nhân nguyên tử). Ba lực khác của tự nhiên là lực điện từ, lực yếu và lực hấp dẫn đều giảm cường độ theo khoảng cách. Ba nhà khoa học nói trên đã phát hiện thấy
rằng lực mạnh tăng mạnh hơn theo khoảng cách.Phát minh này gọi là "sự tự do tiệm cận" và nó có nghĩa là việc kéo các quark ở bên trong các proton và neutron ra xa nhau làm tăng cường độ của lực liên kết chúng. Phát hiện này có tác động lớn đến việc thiết kế và tiến hành các thực nghiệm tại các thiết bị máy gia tốc lớn trên thế giới vì nó cho phép các nhà vật lý tính toán được các kết quả mà các thực nghiệm thu được. Những sai số từ các kết quả tính toán này lại cung cấp những hiểu biết vô cùng quí giá về một lĩnh vực vật lý mới là vật lý vượt ra khỏi Mô hình chuẩn. Mặt sau (flip side) của "sự tự do tiệm cận" đã được mô tả như là "nô lệ hồng ngoại (infra-red slavery)". Do lực liên kết các quark trong các proton và neutron tăng mạnh hơn theo khoảng cách, các proton và neutron không thể bị hủy thành các quark thành phần. Phần này của phát minh Gross-Wilczek gọi là "sự giam cầm". Phát minh tự do tiệm cận đưa Gross và Wilczek đề xuất một lý thuyết toàn diện về lực mạnh gọi là Sắc động lực lượng tử (QCD) mà ba điện tích màu của nó tương tự với các điện tích dương và âm trong lý thuyết về lực điện từ gọi là Điện động lực lượng tử (QED). Do QCD có sự tương tự toán học đáng kể so với QED và lý thuyết về lực yếu, phát minh tự do tiệm cận mang lại cho vật lý một bước tiến gần hơn đến việc thực hiện ước mơ vĩ đại là thống nhất tất cả các lực của tự nhiên vào trong một lý thuyết. Lý thuyết thống nhất này là lý thuyết cho tất cả các hiện tượng trong tự nhiên. Davis J. Gross sinh năm 1941 tại Washington D. C. (Mỹ). Ông bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý tại Đại học California ở Berkeley năm 1966 và sau đó ông làm việc tại Harvard. Năm 1969 ông tới Princeton làm trợ lý giáo sư và ở đó ông được bổ nhiệm làm giáo sư vật lý năm 1972. Sau đó, ông là giáo sư Eugene Higgins về vật lý và giáo sư Thomas Jones về vật lý toán. Trong những năm 1970-1974 ông là thành viên Liên đoàn Alfred P. Sloan. Ông được bầu là hội viên Hội Vật lý Mỹ (1974), viện sĩ Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Mỹ (1986), viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ (1986) và hội viên Hiệp hội Mỹ vì sự tiến bộ khoa học (1987). Gross đã được trao tặng Giải thưởng J. J. Sakurai (1986) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng của Liên đoàn MacArthur (1987), Huy chương Dirac (1988), Huy chương Oscar Klein (2000) và Giải thưởng Harvey (2000) và Giải thưởng Vật lý hạt và năng lượng cao (2003) của Hội Vật lý châu Âu. Ông đã nhận được hai bằng tiến sĩ danh
dự. Năm 2004 David Gross đã được lựa chọn để nhận phần thưởng khoa học cao quí nhất của Pháp là Huy chương vàng (Grande Medaille D'Or ) do những đóng góp của ông cho việc hiểu biết hiện thực vật lý cơ bản. Ông đến làm việc tại Viện Vật lý thuyết Kavli thuộc Đại học California ở Santa Barbara từ tháng 1 năm 1997. Hiện nay, ông là giáo sư Frederick W. Gluck về vật lý lý thuyết - một chức giáo sư riêng (endowed chair) cho giám đốc Viện Vật lý lý thuyết Kavli thuộc Đại học California ở Santa Barbara và được thiết lập từ năm 2002. Gross nói: "Giải Nobel ghi nhận những cố gắng không chỉ của chúng tôi mà còn của cộng đồng vật lý năng lượng cao. Những cuộc thám hiểm khoa học vào trong thực tại cơ bản không chỉ là lĩnh vực của riêng các thiên tài như Galileo, Newton hay Einstein mà còn là cố gắng hợp tác của cộng đồng của các nhà khoa học. Hàng trăm các nhà khoa học thực nghiệm tại các phòng thí nghiệm máy gia tốc trên khắp thế giới đã thiết kế và tiến hành các thực nghiệm mà chúng sớm cung cấp cho chúng tôi những gợi ý về cách tác động của lực mạnh và sau đó chứng minh lý thuyết đã công bố của chúng tôi. Chúng tôi còn nhiều vấn đề lý thuyết cần phải nghiên cứu". H. Davis Politzer sinh năm 1949 tại Mỹ. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý tại Đại học Harvard năm 1974. Hiện nay, ông là giáo sư tại Phòng Vật lý, Viện Công nghệ California (Caltech) ở Pasadena (Mỹ). Politzer nói rằng quả thực một trong các suy ngẫm ưa thích nhất của ông về sự nghiệp vật lý hạt cơ bản của mình là ông tưởng tượng mình đi đến một ga xe lửa ở bất kỳ nơi nào trên thế giới và được đón chào bởi một người hoàn toàn không quen biết và người đó ngay lập tức đối xử với ông như một người bạn cũ. Politzer làm vật lý lý thuyết nhưng ông coi nó như một nghề ký sinh (parasitic) cơ bản sống tách khỏi lao động của các nhà vật lý thực. Frank A.Wilczek sinh ngày 15 tháng 5 năm 1951 tại Queen (bang New York, Mỹ) . Năm 1973 ông cưới vợ là Elizabeth J. Devine và vợ chồng ông có hai con là Amity (sinh năm 1974) và Mira (sinh năm 1982). Ông tốt nghiệp Đại học Chicago ngành toán học năm 1970, bảo vệ luận án thạc sĩ toán học tại Đại học Princeton năm 1972 và bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý tại Đại học Princeton năm 1974. Wilczek là giáo viên hướng dẫn thực hành (từ tháng 1 năm 1974 đến tháng 6 năm 1974), trợ lý giáo sư (từ tháng 9 năm 1974 đến tháng 6 năm 1976 và từ tháng 9 năm 1977 đến tháng 6 năm 1978), phó giáo sư (tháng 9 năm 1978 đến tháng 6 năm
1980) và giáo sư (từ tháng 7 năm 1980 đến tháng 6 naưm 1981) tại Đại học Princeton. Ông là thực tập sinh tại Viện Cao học Princeton từ tháng 9 năm 1976 đến tháng 6 năm 1977. Ông là gíao sư Đại học California ở Santa Barbara và thành viên Viện Vật lý lý thuyết của trường này từ tháng 11 năm 1980 đến tháng 12 năm 1988. Wilczek là giáo sư thỉnh giảng của Đại học Harvard từ tháng 9 năm 1987 đến tháng 6 năm 1988. Từ tháng 1 năm 1989 đến tháng 8 năm 2000 ông là giáo sư Trường Khoa học tự nhiên của Viện Cao học Princeton. Từ tháng 9 năm 2000 ông là giáo sư tại Trung tâm Vật lý lý thuyết của Phòng Vật lý, Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge. Giáo sư Frank Wilczek là giảng viên danh dự của nhiều trường đại học và tổ chức khoa học như giảng viên Morris Loeb về vật lý của Đại học Harvard (tháng 4 năm 1982), giảng viên Flint của Đại học Yale (tháng 4 năm 1986), giảng viên Hamilton của Đại học Princeton (tháng 4 năm 1988), giảng viên Scott Hawkins của Đại học Giáo lý Phương Nam (tháng 1 năm 1992), giảng viên Bethe của Đại học Cornell (tháng 10 năm 1992), giảng viên Anna McPherson của Đại học McGill (tháng 4 năm 1993), giảng viên Rowland của Đại học Kentucky (tháng 12 năm 1994), giảng viên Michelson của Đại học Dự bị Tây Case (tháng 4 năm 1995), giảng viên Dashen của Đại học California ở San Diego (tháng 1 năm 1999), giảng viên H. Primakoff của Hội Vật lý Mỹ (tháng 4 năm 2001), giảng viên Potts của Đại học John Hopkins (tháng 4 năm 2001), giảng viên A. O. Williams của Đại học Brown (tháng 4 năm 2001), giảng viên Pappalardo của Viện Công nghệ Massachusetts (tháng 4 năm 2001), giảng viên ghi nhớ Feenberg của Đại học Washington ở St. Louis (tháng 10 năm 2003), giảng viên Heilborn của Đại học Tây bắc (tháng 1 năm 2004), giảng viên ìFT của Đại học Florida (tháng 2 năm 2004), giảng viên Marker của Đại học Quốc gia Pennsylvania (tháng 4 năm 2004), giảng viên gho nhớ J. Robert Oppenheimer (tháng 7 năm 2004), giảng viên Enrrico Fermi tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (tháng 10 năm 2004) và giảng viên Cao đẳng Green thuộc Đại học Columbia (tháng 11 năm 2004). Wilczek là giáo sư vật lý và hiệu trưởng danh dự Robert Huttenback của Đại học California ở Santa Barbara từ tháng 9 năm 1984 đến năm 1990, cộng tác viên Regent của Đài Thiên văn Vật lý Smithsonian từ tháng 6 năm 1986 đến tháng 9 năm 1988, nhà khoa học nổi bật Leland J. Haworth của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven từ tháng 9 năm
1994 đến tháng 6 năm 1997, giáo sư J. Robert Oppenheimer tại Viện Cao học từ tháng 10 năm 1997 đến tháng 8 năm 2000, giáo sư Lorentz của Đại học Leiden từ tháng 4 đến tháng 6 năm 1998, giáo sư Herman Feshbach của Viện Công nghệ Massachusetts từ tháng 9 năm 2000 đến nay, giáo sư Adjunct của Centros Estudios Cientificos từ tháng 1 năm 2002 đến nay và giáo sư Schrodinger thỉnh giảng tại thành phố Vienna (Áo) vào tháng 6 năm 2002. Wilczek là thành viên Hội đồng cố vấn về năng lượng cao của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (1978-1982), thành viên Ban biên tập tạp chí “Zeitschrift fur Physik C” (tháng 11 năm 1981- 1997), thành viên Hội đồng biên tập tạp chí “Annual Reviews of Nuclear &Particle Science” ( tháng 7 năm 1985-tháng 9 năm 1989), thành viên Hội đồng cố vấn về vật lý năng lượng cao của D. O. E.(1986-1989), thành viên Hội đồng khoa học của Viện Vật lý lý thuyết thuộc Đại học Minnesota (tháng 1 năm 1987-2003), phụ trách mục “Article Alert” trên tạp chí “The Scientists” (tháng 1 năm 1988-tháng 5 năm 1991), thành viên Hội đồng cố vấn của Viện Vật lý lý thuyết ở Santa Barbara (tháng 9 năm 1989-1992), thành viên Hội đồng xét học bổng nghiên cứu của Liên đoàn Sloan (tháng 3 năm 1993-1998), thành viên Hội đồng tổng quan quốc tế đối với các giáo sư khoa học của Tổng thống ở Santiago (Chile) (tháng 3 năm 1999-2000), chủ biên tạp chí “Annals ò Physics” (từ tháng 9 năm 2001 đến nay), thành viên Hội đồng chính sách khoa học của CERN (từ tháng 1 năm 2002 đến nay), cố vấn biên tập cho tạp chí “Daedalus” (từ tháng 1 năm 2002 đến nay) và thành viên Hội đồng cố vấn khoa học của Viện Vật lý lý thuyết ở Waterloo (Canada) (từ tháng 1 năm 2003 đến nay). Ông đóng góp thường xuyên cho tạp chí “Vật lý ngày nay” trong việc giải thích các chủ đề khác nhau ở ranh giới tận cùng của vật lý. Giáo sư Frank Wilczek đã được trao tặng Giải thưởng tìm kiếm tài năng khoa học (1967) của Westinghouse, Phi Beta Kappa (1969), Giải thưởng J. J. Sakurai (1986) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng và Huy chương Dirac (1994) của Trung tâm Vật lý lý thuyết Quốc tế ở Trieste (Italia), Giải thưởng Michelson-Morley (2002) của Đại học Dự bị Tây Case, Huy chương Lorentz (2002) của Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Hoàng gia Hà Lan, Giải thưởng Lilienfeld (2003) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng Vật lý năng lượng cao (2003) của Hội Vật lý châu Âu, Huy chương tưởng niệm (2003) của Khoa toán lý thuộc Đại học Charles (Prague) và Giải thưởng Nobel Vật lý (2004)
của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển. Wilczek là thành viên Liên đoàn Alfred P. Sloan (1975-1977), thành viên Liên đoàn John & Catherine MacArthur (tháng 7 năm 1982-1987), viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (từ tháng 5 năm 1990), viện sĩ Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Mỹ (từ tháng 4 năm 1993), viện sĩ nước ngoài Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Hoàng gia Hà Lan (tháng 5 năm 2000), hội viên Hiệp hội Mỹ vì sự tiến bộ khoa học (tháng 12 năm 2000). Ông là tiến sĩ danh dự của Đại học Montrèal. Giáo sư Wilczek được coi như một trong các nhà vật lý xuất sắc nhất thế giới hiện nay. Ông nổi tiếng do phát minh ra sự tự do tiệm cận và phát triển sắc động lực lượng tử, phát minh ra các axion và khám phá ra các dạng mới của thống kê lượng tử là các anyon. Khi Wilczek mới chỉ 21 tuổi và là sinh viên của Đại học Princeton, ông đã cùng với David Gross phát hiện ra các tính chất của các gluon màu. Nghiên cứu chính của Wilczek gồm vật lý hạt cơ bản thuần túy, dáng điệu của vật chất ở nhiệt độ và mật độ cực cao, ứng dụng quan niệm của vật lý hạt cơ bản cho vũ trụ học, ứng dụng kỹ thuật của lý thuyết trường cho vật lý chất đông kết và lý thuyết lượng tử của các lỗ đen. Các khối xây dựng nhỏ nhất trong tự nhiên là gí? Các hạt này xây dựng lên bất kỳ cái gì chúng ta nhìn thấy xung quanh chúng ta như thế nào? Các lực nào tác động trong tự nhiên và chúng thực sự thực hiện chức năng của chúng như thế nào? Giải Nobel Vật lý năm 2004 liên quan đến các câu hỏi cơ bản nói trên. Đó là những vấn đề quan tâm của các nhà vật lý trong suốt thế kỷ XX và chúng còn là thách thức cho các nhà lý thuyết và thực nghiệm làm việc với các máy gia tốc hạt cơ bản lớn hiện nay. David Gross, David Politzer và Frank Wilczek đã tạo ra một phát minh lý thuyết quan trọng liên quan đến lực mạnh hay còn gọi là "lực màu (colour force)". Lực mạnh là lực chi phối trong các hạt nhân nguyên tử và tác động giữa các quark ở bên trong proton và notron. Điều mà những người đoạt Giải Nobel phát hiện ra là một cái gì đó thoạt tiên dường như hoàn toàn mâu thuẫn. Việc giải thích kết quả toán học của họ cho rằng các quark càng gần nhau thì "điện tích màu (colour charge)" càng yếu. Khi các quark thực sự gần nhau, lực tương tác giữa chúng yếu
đến mức chúng gần giống như các hạt tự do. Hiện tượng này được gọi là "sự tự do tiệm cận". Điều ngược lại là đúng khi các quark chuyển động ra xa. Lực tương tác giữa các quark mạnh hơn khi khoảng cách giữa chúng tăng lên. Tính chất này giống như tính chất của một đai cao su. Đai càng bị giãn thì lực càng mạnh. Phát minh này được diễn đạt về mặt toán học vào năm 1973 và nó dẫn đến một lý thuyết hoàn toàn mới mang tên là sắc động lực lượng tử QCD (Quantum ChromoDynamics). Lý thuyết này là một đóng góp quan trọng cho Mô hình chuẩn (Standard Model). Mô hình này mô tả ba loại lực cơ bản trong tự nhiên là lực điện từ (lực này tác động giữa các hạt tích điện), lực yếu (lực này có vai trò quan trọng đối với việc sản sinh năng lượng của Mặt Trời) và lực mạnh (lực này tác động giữa các quark). Nhờ có QCD, các nhà vật lý ít ra có thể giải thích được tại sao các quark chỉ giống như các hạt tự do ở các năng lượng cực cao. Trong proton và notron, các quark luôn luôn tìm thấy trong các bộ ba (triplet). Nhờ phát minh nói trên, David Gross, David Politzer và Frank Wilczek đã làm cho vật lý tiến một bước gần hơn đến việc thực hiện giấc mơ lớn là xây dựng được một lý thuyết thống nhất bao gồm cả bốn loại lực cơ bản trong tự nhiên (lực hấp dẫn, lực điện từ, lực mạnh và lực yếu). Phát minh mà nó được trao Giải Nobel Vật lý năm 2004 có tầm quan trọng quyết định đối với hiểu biết của chúng ta về lý thuyết lực mạnh. Lực này là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên và tác động giữa các phần tử nhỏ nhất của vật chất hiện nay là các quark. Gross, Politzer và Wilczek qua các đóng góp lý thuyết của mình có khả năng hoàn chỉnh Mô hình chuẩn của vật lý hạt cơ bản. Mô hình này mô tả các đối tượng nhỏ nhất trong tự nhiên và cách tác động giữa chúng. Đồng thời, phát minh là một bước quan trọng trong nỗ lực nhằm đưa ra một sự mô tả thống nhất đối với tất cả các lực của tự nhiên không cần để ý đến phạm vi không gian từ các khoảng cách nhỏ nhất trong các hạt nhân nguyên tử đến các khoảng cách khổng lồ của vũ trụ. Tương tác mạnh (còn gọi là tương tác màu) tác động giữa các quark. Các hạt này cấu tạo lên các proton, notron và hạt nhân nguyên tử. Tiến bộ trong vật lý hạt cơ bản và sự liên quan của nó đến cuộc sống hàng ngày của chúng tađôi khi khó
hiểu đối với bất kỳ ai không có kiến thức vật lý. Tuy nhiên, khi phân tích một hiện tượng xảy ra hàng ngày như một đồng xu quay ở trên bàn ta nhận thấy rằng các chuyển động của đồng xu thực ra bị tác động bởi các lực cơ bản giữa các khối xây dựng cơ bản là các proton, notron và electron. Thực tế là khoảng 80% trọng lượng của đồng xu phụ thuộc vào các chuyển động và quá trình ở bên trong các proton và notron, nghĩa là phụ thuộc vào tương tác giữa các quark. Giải Nobel năm 2004 xem xét đến tương tác này. Gross, Politzer và Wilczek đã phát minh ra một tính chất của tương tác mạnh mà nó giải thích tại sao các quark chỉ có thể gần giống như các hạt tự do ở các năng lượng cao. Phát minh này tạo ra cơ sở cho lý thuyết tương tác màu (tên đầy đủ hơn là sắc động lực lượng tử QCD). Lý thuyết này đã được kiểm tra chi tiết đặc biệt là trong những năm gần đây tại Phòng thí nghiệm vật lý hạt cơ bản của Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu CERN ở Geneva. Lực cơ bản đầu tiên trong tự nhiên là lực hấp dẫn. Lực này không chỉ làm cho các vật rơi xuống mặt đất mà còn chi phối chuyển động của các hành tinh và các thiên hà. Lực hấp dẫn có thể xem là lực mạnh khi xem xét chẳng hạn như các hố lớn do các sao chổi tạo ra khi va phải Trái Đất hoặc các tên lửa khổng lồ đòi hỏi để đưa vệ tinh vào trong không gian. Tuy nhiên, trong thế giới vi mô lực hấp dẫn giữa các hạt như các electron và proton là cực yếu. Ba loại lực cơ bản khác là lực điện từ, lực mạnh và lực yếu chi phối thế giới vi mô và được mô tả bởi Mô hình chuẩn. Qua các đóng góp của một số người đoạt Giải Nobel trước đây, Mô hình chuẩn có một vị trí rất quan trọng trong lý thuyết hạt cơ bản. Điều này là do mẫu này là mô tả toán học duy nhất tính đến cả thuyết tương đối của Einstein và cơ học lượng tử. Mô hình chuẩn mô tả các quark, lepton và các hạt mang lực. Các quark xây dựng chẳng hạn như các proton và notron của các hạt nhân nguyên tử. Các electron mà chúng tạo ra lớp vỏ ngoài của các nguyên tử là các lepton và như người ta đã biết đến tận bây giờ không được cấu tạo từ bất cứ thành phần nào nhỏ hơn. Các nguyên tử kết hợp với nhau tạo thành các phân tử, các phân tử xây dựng lên các cấu trúc và theo cách này có thể tạo thành toàn bộ vũ trụ.
Tương tác điện từ chi phối đối với một số hiện tượng chung trong thế giới xung quanh ta như ma sát, hiện tượng từ,... Tương tác điện từ mà nó liên kết một electron và một proton trong một nguyên tử hyđro lớn gấp 1041lần so với ltương tác hấp dẫn. Ngoài sự khác biệt rất lớn về độ lớn, giữa hai tương tác này có một số sự tương tự. Độ lớn của cả hai tương tác đều giảm theo bình phương khoảng cách và có phạm vi tác dụng xa. Cả hai loại tương tác điện từ và tương tác hấp dẫn đều được thực hiện qua các hạt tải lực (force carrier) là graviton và photon (hạt ánh sáng). Ngược với photon, người ta còn chưa tìm thấy graviton. Phạm vi tác dụng xa của graviton và photon có thể được chứng minh dựa vào thực tế là chúng không có khối lượng nghỉ. Các photon từ Mặt Trời cần cho sự sống trên Trái Đất. Tuy nhiên, khi năng lượng được sinh ra từ sự tổng hợp hạt nhân ở tâm của Mặt Trời hai tương tác khác trong Mô hình chuẩn là tương tác mạnh và tương tác yếu cũng đóng vai trò quan trọng. Photon có một tính chất quan trọng là mặc dù nó là một hạt trung hòa về điện nhưng nó vẫn có khả năng liên kết với các điện tích. Điều đó giải thích tại sao các photon không tương tác với nhau. Tương tác điện từ được mô tả bởi lý thuyết điện động lực lượng tử QED (Quantum ElectroDynamics). QED là một trong các lý thuyết vật lý thành công nhất. Lý thuyết này phù hợp với các kết quả thực nghiệm với độ chính xác khoảng một phần mười triệu. Nhờ lý thuyết này, Sin-tiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard Feynman đã được trao Giải Nobel Vật lý năm 1965. Một trong các lý do giải thích cho sự thành công của QED là vì phương trình trong lý thuyết này có chứa một hằng số nhỏ gọi là hằng số cấu trúc tế vi hay hằng số liên kết. Hằng số này có giá trị là 1/ 137 và nhỏ hơn đáng kể so với 1. Điều này tạo ra khả năng tính toán các hiệu ứng điện từ như là một khai triển chuỗi theo hằng số nhỏ. Đó là một phương pháp toán học đẹp đẽ gọi là lý thuyết nhiễu loạn do Feynman phát triển. Một tính chất quan trọng của cơ học lượng tử trong lý thuyết QED là hằng số cấu trúc tế vi thay đổi theo năng lượng và nó tăng theo sự tăng năng lượng. Trong các máy gia tốc hiện nay chẳng hạn như máy gia tốc LEP ở CERN, giá trị đo được là 1/ 128 (khác với giá trị 1/ 137) ở các năng lượng tương ứng với khoảng 100 tỷ eV. Nếu sự phụ thuộc năng lượng của hằng số cấu trúc tế vi được mô tả bằng đồ thị thì
đường cong biẻu diện sự phụ thuộc này nghiêng nhẹ lên phía trên. Các nhà vật lý lý thuyết nói rằng đạo hàm hay hàm beta là dương. Tương tác yếu được thực hiện bởi các boson W±và Z0. Những hạt này không giống như photon và graviton và có khối lượng rất lớn (gần 100 lần khối lượng proton). Đó là lý do tại sao tương tác yếu có phạm vi tác dụng gần. Tương tác yếu tác động lên cả quark và lepton và chi phối đối với một số phân rã phóng xạ. Nó liên quan chặt chẽ với tương tác điện từ. Tương tác điện từ và tương tác yếu được thống nhất trong tương tác điện yếu (electroweak). Tương tác điện yếu đã được làm sáng tỏ vào những năm 1970. Gerardus 't Hooft và Martinus Veltman đã được trao Giải Nobel Vật lý năm 1999 cho hình thức luận cuối cùng của lý thuyết này. Từ những năm 1960 người ta đã biết rằng proton và notron có cấu tạo là các quark. Tuy nhiên, thực kỳ lạ là không thể sản sinh các quark tự do. Một tính chất cơ bản của các quark là chúng bị giam giữ. Chỉ các khối tập hợp của các quark (gồm hai hoặc ba quark) có thể tồn tại tự do giống chẳng hạn như proton. Các quark có các điện tích bằng một phần điện tích của proton (-1/3 hoặc +2/3) và đặc tính kỳ lạ này của quark vẫn chưa được giải thích. Điện tích của quark còn có một tính chất đặc biệt là nó bị lượng tử hóa, nghĩa là nó chỉ có thể lấy các giá trị nào đó. Tính chất này được gọi là điện tích màu vì nó tương tự như khái niệm màu sắc. Các quark có thể mang các điện tích màu đỏ, lam hoặc lục. Đối với mỗi một quark có một phản quark. Điều đó cũng giống như là electron có một phản electron là positron. Các phản quark có các điện tích màu phản đỏ, phản lam hoặc phản lục. Các khối tập hợp của các quark mà chúng có thể tồn tại tự do là trung hòa màu. Ba quark trong proton (u, u và d) có các điện tích màu khác nhau sao cho điện tích màu tổng cộng là trắng (hay trung hòa). Theo cùng một cách như các phân tử trung hòa điện có thể tạo ra các liên kết (qua sự hút giữa các phần dương và phần âm của chúng) sự trao đổi lực giữa các proton và notron trong các hạt nhân xảy ra qua các lực màu mà chúng giải phóng ra từ các quark và các hạt mang lực của chúng. Lực giữa các quark được thực hiện bởi các gluon (xuất phát từ từ "hồ keo (glue)") mà chúng không có khối lượng giống như các photon. Tuy nhiên, các gluon
ngược với photon ở chỗ chúng cũng có tính chất của điện tích màu gồm có một màu và một phản màu. Tính chất này làm cho lực màu trở nên phức tạp và khác với lực điện từ. Trong một thời gian dài, các nhà vật lý tin rằng không thể tìm được một lý thuyết nhờ đó có thể tính được các hiệu ứng của tương tác mạnh giữa các quark theo cùng cách thức như đối với tương tác điện từ và tương tác yếu. Chẳng hạn như nếu xem xét tương tác giữa hai proton trong một hạt nhân có thể thu được các kết quả khá tốt bằng cách mô tả nó như là một sự trao đổi của các pi - meson. Ý tưởng này đã đưa Hideki Yukawa đến Giải Nobel Vật lý năm 1949. Tuy nhiên, cần có hằng số liên kết lớn hơn 1 mà điều đó có nghĩa là không thể sử dụng các tính toán nhiễu loạn của Feynman như mô tả trên đây. Không may là cho đến nay chưa có một phương pháp thích hợp để tính đến các hiệu ứng của tương tác mạnh như thế. Tình hình dường như tồi tệ hơn đối với các năng lượng cao. Nếu hàm beta là dương (cách để hằng số liên kết thay đổi theo năng lượng), tương tác sẽ mạnh hơn và các tính toán trở nên vô lý hơn. Nhà vật lý lý thuyết Đức Kurt Symanzik nhận thấy rằng cách duy nhất để đạt được một lý thuyết hợp lý là đi tìm một lý thuyết với một hàm beta âm. Điều đó cũng sẽ giải thích tại sao các quark đôi khi có thể xuất hiện như các hạt tự do ở bên trong proton. Hiệu ứng này có thể xuất hiện trong các thực nghiệm tán xạ giữa các electron và proton. Không may là tự Symanzik không tìm ra được một lý thuyết như thế và mặc dù Gerardus 't Hooft đã tiến rất gần đến việc phát hiện ra lý thuyết này vào mùa hè năm 1972, các nhà vật lý đã mất hết hi vọng vì tất cả các lý thuyết thực tế đều có hàm beta dương. Bây giờ chúng ta biết rằng điều đó là không chính xác bởi vì vào tháng 6 năm 1973 Gross, Politzer và Wilczek đã tìm ra lý thuyết với hàm beta âm và công bố kết quả của họ trong hai bài báo đăng trên tạp chí "Physical Review Letters" (một bài của Gross và Wilczek và một bài của Politzer). Khi đó, Wilczek và Politzer còn rất trẻ và đang là nghiên cứu sinh.
Nhờ các lý thuyết của Gross, Politzer và Wilczek, các hạt tải lực (các gluon) có một tính chất đặc biệt khôngai ngờ tới là chúng không chỉ tương tác với các quark mà còn tương tác với nhau. Tính chất này có nghĩa là các quark càng gần nhau, điện tích màu càng yếu và tương tác càng yếu. Các quark tiến lại gần nhau khi năng lượng tăng. Vì thế, cường độ tương tác giảm theo năng lượng. Tính chất này gọi là sự tự do tiệm cận và có nghĩa là hàm beta âm. Mặt khác, cường độ tương tác tăng theo sự tăng khoảng cách. Điều đó có nghĩa là một quark không thể thoát khỏi một hạt nhân nguyên tử. Lý thuyết của Gross, Politzer và Wilczek đã được xác nhận bằng các thực nghiệm. Trong các thực nghiệm này, các quark bị bẫy trong các nhóm ba (triplet) ở bên trong proton và neutron nhưng không thể được xem như các hạt (grain) trong các thực nghiệm thích hợp. Sự tự do tiệm cận tạo cho nó khả năng tính được tương tác của các quark và gluon ở khoảng cách nhỏ nếu giả thiết rằng chúng là các hạt tự do. Khi các hạt với các năng lượng rất cao va chạm với nhau có thể làm cho chúng ở đủ gần nhau. Trên cơ sở sự tự do tiệm cận, người ta xây dựng một lý thuyết gọi là Sắc động lực lượng tử QCD (lý thuyết này cũng có nghĩa là sự tự do một cách tiệm cận) và nhờ đó lần đầu tiên người ta thực hiện được các tính toán phù hợp tuyệt vời với thực nghiệm. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số liên kết vào năng lượng theo dự đoán của sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD là một đường cong đi xuống (hàm beta âm) và đường cong này phù hợp rất tốt với đường cong thực nghiệm. Một chứng minh quan trọng của lý thuyết QCD được đưa ra bởi các va chạm giữa các electron và các phản hạt của chúng là các positron với động năng rất cao khi chúng hủy lẫn nhau. Theo phương trình Einstein E = mc2, động năng có thể được biến đổi thành các hạt mới chẳng hạn như các quark có khối lượng và động năng. Các quark này được sinh ra rất mạnh trong quá trình, rất gần nhau nhưng chuyển động ra xa nhau với vận tốc cực cao. Nhờ sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD bây giờ có thể tính được quá trình này. Người ta nhận thấy rằng khi các quark chuyển động ra xa nhau, chúng bị ảnh hưởng bởi các lực mạnh ngày càng tăng lên và các lực này cuối cùng dẫn đến phát sinh các hạt quark và phản quark mới. Do đó xuất hiện cơn mưa (shower) hạt
tương ứng theo hướng của các quark và phản quark ban đầu. Nhưng quá trình "ghi nhớ" phần tự do tiệm cận đầu tiên có thể tính được và cung cấp một giá trị đối với xác suất xảy ra các sự kiện cơn mưa hai (two-shower) này mà nó phù hợp với các quan sát. Việc xảy ra cơn mưa ba (three-shower) (mưa quark, mưa phản quark và mưa gluon) đã được phát hiện thấy trên máy gia tốc DESY tại Hamburg vào cuối những năm 1970. Điều này tạo ra chứng cớ có sức thuyết phục hơn và có thể được giải thích như là một gluon phát ra xa một quark hoặc một phản quark. Sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD cũng cung cấp cho các nhà vật lý một cách giải thích về một hiện tượng mà Friedman, Kendall và Taylor (Gi ải Nobel Vật lý năm 1990) quan sát thấy trên máy gia tốc Stanford. Các thành phần tích điện của proton có dáng điệu như các hạt tự do khi chúng va chạm với nhau với nhau mạnh đến mức chúng đạt được năng lượng cao. Bằng cách bổ sung đồng thời xung lượng của proton mà nó tạo nên các thành phần tích điện (các quark) rõ ràng là khoảng một nửa xung lượng của proton chính là các gluon. Ảnh hưởng lớn nhất của sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD có lẽ là nó mở ra khả năng của sự mô tả thống nhất đối với các lực của tự nhiên. Khi kiểm tra sự phụ thuộc năng lượng của các hằng số liên kết đối với tương tác điện từ, tương tác yếu và tương tác mạnh, rõ ràng là chúng hầu như nhưng không phải hoàn toàn đều thỏa mãn tại một điểm và có cùng giá trị tại một năng lượng rất cao. Nếu chúng thực sự thỏa mãn tại một điểm, có thể giả thiết rằng ba tương tác nói trên đã được thống nhất. Và giấc mơ từ lâu của các nhà vật lý muốn mô tả các định luật của tự nhiên bằng ngôn ngữ đơn giản nhất có khả năng trở thành hiện thực. Tuy nhiên, Mô hình chuẩn cần một sự thay đổi nào đó để giấc mơ thống nhất các lực của tự nhiên trở thành hiện thực. Sự thay đổi đó có thể là cần đưa vào một tập hợp các hạt mới gọi là các hạt siêu đối xứng (supersymmetric particles). Các hạt này có thể có khối lượng đủ nhỏ và được nghiên cứu trên máy gia tốc "Bộ va chạm hadron lớn LHD (Large Hadron Collider)" tại CERN ở Gênva. Nếu người ta phát hiện thấy sự siêu đối xứng, nó sẽ là sự trợ giúp mạnh mẽ cho các lý thuyết dây (string theory) trong việc thống nhất tương tác hấp dẫn với
tương tác tác điện từ, tương tác yếu và tương tác mạnh. Mẫu chuẩn cũng cần thay đổi nhằm bao hàm các tính chất của neutrino phát hiện gần đây (neutrino có khối lượng khác không). Ngoài ra, có lẽ điều này sẽ dẫn đến một cách giải thích về một số các bí ẩn vũ trụ khác như chất đen (dark matter) mà nó dường như chi phối không gian. Không kể đến sự phát triển này, rõ ràng là phát minh kỳ diệu không thể ngờ tới về sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD làm thay đổi cơ bản hiểu biết của chúng ta về các cách thức mà nhờ đó các lực cơ bản của tự nhiên tác động trong thế giới của chúng ta.