Giải Nobel vật lý 2008
Sáng nay mồng 7 tháng Mười, giải Nobel 2008 vinh tặng ba nhà vật lý
Nhật bản ngành lý thuyết hạt cơ bản, các giáo sư Yoichiro Nambu (1921) một
‘Nhật kiều’ ở Đại học Chicago, Makato Kobayashi (1944) ở Trung tâm Quốc
gia Vật lý năng lượng cao ở Tsukuba và Toshihide Maskawa (1940) ở Đại học
Kyoto. Cho những ai ở trong ngành, tin này không gây ngạc nhiên mà chỉ làm
phấn khởi họ trên con đường học hỏi sáng tạo, nhất là máy gia tốc hạt đầu
tầu thế giới LHC ở CERN vừa khởi động chưa đến tháng nay.
Chương trình ưu tiên số một của LHC là săn tìm hạt cơ bản Higgs, hạt
tạo nên khối lượng cho vật chất. Ưu tiên số hai là câu hỏi đâu rồi phản vật
chất trong hoàn vũ bao la. Cái thứ nhất liên quan mật thiết đến Nambu (công
trình của Peter Higgs không thể tách rời khỏi sáng kiến của Nambu như
chính Higgs xác nhận trong nhiều bài viết) và cái thứ hai đến Kobayashi và
Maskawa. Tiên đoán của hai ông về sự hiện hữu tất yếu của hai quark top và
bottom để giải thích sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất trong Mô hình
Chuẩn (Standard Model, xem phụ chú 1) đều được thực nghiệm xác định với
độ chính xác đáng kinh ngạc. Người viết ước mong cùng bạn đọc tìm hiểu con
đường đưa đến giải Nobel này, một trong những thành tựu tuyệt vời của vật
lý lượng tử ở lãnh vực thuộc biên giới của tri thức nhân loại đang nóng bỏng
1- Đối xứng.
1a- Đối xứng P và CP. Trong tiến trình tìm hiểu và khám phá các định luật khoa học,
ít nhất là trong phạm vi hạt cơ bản, nhiều nhà vật lý lấy nguồn cảm hứng trong cái
đẹp cân đối hài hoà của thiên nhiên để tìm tòi, suy luận, sáng tạo. Cái đẹp đó dĩ
nhiên chủ quan trong nghệ thuật, văn chương, hội họa, âm nhạc, nhưng trong khoa
học nó khách quan, định lượng và mang tên gọi đối xứng. Sự tìm kiếm những đối
xứng và sự vi phạm nó xảy ra như thế nào, cũng như tìm kiếm những gì bất biến
trong vật lý (dùng công cụ nhóm đối xứng trong toán học) là phương pháp chỉ
đường hữu hiệu trong công cuộc khám phá. Đối xứng gương là một thí dụ. Tay
phải (trái) của ta có hình trong gương hệt như tay trái (phải), và cái ta gọi là phía
phải hay phía trái chỉ là một ước lệ giữa con người. Không có gì cho ta phân biệt
được mọi hiện tượng ở ngoài gương và hình chiếu của hiện tượng đó trong gương,
hoán chuyển không gian x ↔ – x (đối xứng P) không làm chúng thay đổi, chúng bất
biến. Một sáng nắng ấm mùa thu ngả đông với cây đỏ lá vàng của Hà Nội thời xưa,
tháp rùa mái cong cổ kính soi hình xuống nước trong vắt pha lê của hồ gươm
phẳng lặng, tháp và hình là biểu hiện của đối xứng gương toàn vẹn. Trong vật lý
hạt cơ bản, hai nhà vật lý Trung Quốc ở Mỹ T. D. Lee và C. N.Yang (giải Nobel 1957)
khám phá ra là lực hạt nhân yếu (chi phối phóng xạ hạt nhân và sự vận hành của
neutrino) vi phạm tối đa cái đối xứng gương P này, spin của electron, của neutrino
đều hoàn toàn quay về trái mà không về phải. Một thí dụ khác là đối xứng vật chất-
phản vật chất hay đối xứng CP, theo đó các định luật vận hành của electron và của
phản hạt positron phải giống hệt nhau. Trong bốn tương tác cơ bản của thiên
nhiên thì ba lực hấp dẫn, điện từ và hạt nhân mạnh đều tuân theo phép đối xứng P
và CP, chỉ lực hạt nhân yếu mới vi phạm chúng, vi phạm tối đa với đối xứng P, đôi
chút với đối xứng CP, tương tác yếu của hạt và của phản hạt khác nhau ở mực độ
vừa phải.
1b- Đối xứng chuẩn. Có một đối xứng ngự trị tuyệt đối trong lực điện từ và lực
mạnh của hạt nhân nguyên tử, một đối xứng đặc trưng của vật lý lượng tử, nó
mang tên đối xứng chuẩn (gauge symmetry) không hề bị vi phạm. Chính cái đối
xứng này đã mở ra một chân trời mới lạ và là gốc nguồn cho sự thành công kỳ diệu
của Mô hình Chuẩn để diễn tả ba lực lượng tử cơ bản mạnh, điện từ và yếu. Ai
trong chúng ta khi làm quen với cơ học lượng tử đều biết rằng bình phương của
hàm số sóng |Ψ(x)|2 cho ta xác suất xảy ra đối với một đại lượng nào đó. Ta thấy
ngay hoán chuyển chuẩn Ψ(x) ↔ Ψ(x) Exp[iα(x)] với bất kỳ hàm α(x) nào cũng
không làm thay đổi |Ψ(x)|2. Cũng vậy nó không làm thay đổi các định luật của Mô
hình Chuẩn, các đại lượng vật lý phải bất biến với hoán chuyển chuẩn. Chính vì vậy
mà đối xứng chuẩn chi phối toàn diện sự vận hành của các tương tác mạnh và điện
từ. Cụ thể ta mường tượng đối xứng này như sau: điện thế của trái đất là một triệu
volt và hai cực điện trong nhà là 1000000 volt và 1000220 volt, nhưng máy truyền
hình của chúng ta chạy với 220 volt không hề trục trặc mặc dầu hàng triệu volt
điện thế của quả đất trên đó nó tác động. Cũng như α(x) là bất kỳ hàm gì, có muôn
ngàn điện thế khác nhau ở mọi nơi trong hoàn vũ, nhưng định luật chi phối sự vận
hành của chúng phải được điều hòa ra sao để cho ta một trường điện từ duy nhất.
Định luật điện từ trên máy tính nhỏ bé của chúng ta cũng chi phối lực điện từ trên
các thiên thể xa xăm, đó là ý nghĩa vật lý của đối xứng chuẩn. Phương trình
Maxwell của tương tác điện từ tuân theo phép đối xứng chuẩn, đối xứng này trở
thành nguyên lý chủ trì cho sự phát triển kỳ diệu của Điện động học lượng tử
(QED), những tính toán trong lý thuyết này đưa ra nhiều tiên đoán được thực
nghiệm kiểm định tới độ chính xác cao hơn một phần tỷ (momen từ của electron là
một thí dụ). Đặc điểm của đối xứng chuẩn là nó đòi hỏi tuyệt đối các boson - làm
trung gian sứ giả cho fermion tương tác với nhau qua trao đổi các boson này - phải
tuyệt đối không có khối lượng. Hạt photon trong Điện động học lượng tử cũng như
gluon trong Sắc động lực học lượng tử (QCD) là thí dụ của boson không có khối
lượng. Ta gọi chúng là boson chuẩn (gauge bosons). Ngay từ thời trứng nước của
thuyết tương tác yếu chi phối hiện tượng phóng xạ hạt nhân, nhiều nhà vật lý
trong đó có Fermi, Feynman, Gell-Mann, Yang, Lee, Glashow đã tinh ý nhận ra là
giữa hai tương tác điện từ và yếu có nhiều cấu trúc và tính chất rất giống nhau, vậy
hầu như là chuyện đương nhiên nếu ta sử dụng phương pháp rất hiệu lực của đối
xứng chuẩn trong điện từ để khám phá những định luật vận hành của lực yếu.
Nhưng khốn thay, cái trở ngại cho lực yếu là boson chuẩn W (làm sứ giả cho lực
này) lại có khối lượng rất lớn chứ chẳng bằng 0 như photon trong điện từ. Tại sao
vậy? Vì lực yếu chỉ tác động trong hạt nhân nguyên tử ở kích thước vi mô, trong
khi lực điện từ trải rộng khắp hoàn vũ, mà tầm truyền R của lực lại tỷ lệ nghịch với
khối lượng M của boson làm trung gian cho lực truyền đi, một hệ quả của nguyên
lý bất định Heisenberg theo đó RM ~ h. Biết tầm truyền R của lực yếu, ta suy ra là
boson W phải có khoảng hai trăm ngàn lần khối lượng của electron, như vậy tương
tác yếu có vẻ như không có đối xứng chuẩn. Ôi biết bao thất vọng nếu phương
pháp diệu kỳ của đối xứng chuẩn - nguyên nhân cho sự thành công tuyệt vời của lý
thuyết điện từ - xem ra chẳng sao áp dụng được cho tương tác yếu. Nhưng một
chuyện ‘thần kỳ’ đã xẩy ra để làm cho lực yếu cũng mang đối xứng chuẩn như điện
từ. Trong vật lý, cũng như trong nhiều bộ môn khác, có một số nhỏ nhà khoa học
có kiến thức xuyên ngành uyên thâm, nhìn rộng ra ngoài cái chuyên của mình, tìm
hiểu những gì phổ quát để mang lại cho ngành mình một luồng gió mới. Yoichiro
Nambu là một trong số đó. Chuyên gia về hạt sơ đẳng nhưng ông cũng lưu tâm và
có cái nhìn bao quát về vật lý siêu dẫn xa lạ với hạt, ông nhận thấy có cái gì liên kết
hai ngành (cấu trúc toán học thì rất giống nhau nhưng vật lý thì khác biệt) và phác
họa ra ý tưởng làm cho lực yếu cũng mang đối xứng chuẩn. Nhưng chính Peter
Higgs một nhà nghiên cứu ‘bình thường’ của xứ Scotland làm việc tại một đại học
‘nhỏ’ Newcastle upon Tyne đã tìm ra một kịch bản nhất quán để thực hiện ý tưởng
Nambu. Ngoài ra Nambu còn khai sáng ra ý niệm theo đó thành phần cơ bản cấu
tạo nên proton, neutron (quark theo ngôn từ hiện đại) phải mang ba đặc tính
lượng tử. Ba đặc tính này ngày nay ta gọi là sắc tích, và lực mạnh gắn kết quark
trong hạt nhân gọi là Sắc động lực học lượng tử (Quantum ChromoDynamics, QCD).
Cũng là người khai sáng ra ý niệm dây thay thế hạt nhiều năm trước thuyết Siêu
dây thời thượng ngày nay, ông quả là một nhà vật lý lý thuyết có cái nhìn xa, uyên
thâm, đa ngành và sâu sắc, làm tiên phong sáng tạo nhiều ý tưởng mới.
1c- Siêu dẫn điện từ. Hiện tượng siêu dẫn của vật liệu ở nhiệt độ thấp là một đặc
trưng của vật lý lượng tử, dòng điện truyền qua một dây siêu dẫn có thể tồn tại
hàng tỷ năm trên lý thuyết, trong thực tế vài trăm ngàn năm, nó không có điện trở.
Bất kỳ một điện thế dẫu nhỏ đến đâu cũng không áp đặt được vào trong chất siêu
dẫn vì nó bị triệt tiêu bởi dòng điện ‘lý tưởng’ nội tại của siêu dẫn. Không những
điện mà cả từ trường cũng vậy. Một thỏi nam châm để gần một vật liệu siêu dẫn bị
kéo bật ra xa, thông lượng từ trường bị trục xuất một phần ra ngoài vật siêu dẫn,
đó là hiệu ứng Meissner. Chính hiệu ứng này là gốc nguồn cho xe lửa trong tương
lai ‘nhẹ bay’ làm cho nó chạy nhanh, không bị cản trở bởi ma sát của đường rầy.
Vật liệu siêu dẫn ngăn chặn tầm truyền của trường điện từ, nó là một hệ thống
trong đó điện từ chỉ có thể tác động trong một khoảng cách ngắn, khác với bản
chất tự tại của sóng điện từ có thể truyền đi vô hạn. Vậy photon, cái boson chuẩn,
khi chuyển động trong vật liệu siêu dẫn như bị cản trở bởi một bức tường chắn gì
đó và nó tác động giống như mang một khối lượng khác 0. Bức tường chắn đó
trong lý thuyết siêu dẫn của J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer (BCS) chính là
thể ngưng tụ của muôn ngàn cặp Cooper, cặp liên kết hai electron có spin up↑ spin
down↓ đối nghịch. Mỗi cặp mang điện tích –2e nhưng vì có spin 0 nên theo thống
kê Bose-Einstein những cặp này có thể hoà đồng chung sống trong cùng một trạng
thái đông tụ. Mỗi electron cô đơn và có cá tính mạnh mẽ, nhưng kỳ lạ thay ở một
hoàn cảnh đặc biệt nào đó (nhiệt độ thấp) khi kết bạn, mỗi cặp tuy rất mảnh mai
nhưng khi tụ họp quá đông đảo lại vận hành như một dòng chảy thuần khiết đều
đặn khiến cho vật liệu trở nên siêu dẫn2. Cái đông tụ Bose của muôn ngàn nguyên
tử Helium 4 coi như boson cũng là gốc nguồn của hiện tượng siêu lỏng, luồng thể
lỏng bơi ngược trên thành ống nhỏ li ti. Vật liệu sắt từ (ferromagnetic) là thí dụ thứ
ba trong đó hàng tỷ electron có spin cùng hướng về một phía duy nhất do tác động
của một từ trường ngoài. Vật liệu sắt từ như vậy không đối xứng tuyệt đối trong
không gian, mặc dầu định luật cơ bản phân phối spin của nó hoàn toàn đối xứng
với sự sắp đặt spin, không có một chiều spin nào giữ ưu thế. Trong ngôn từ của
giới chuyên ngành, phương trình của một sự kiện nào đó mang một phép đối xứng,
trong khi nghiệm của phương trình ấy lại không có cái đối xứng nguyên thủy, ta
gọi hệ thống đó tự phát vi phạm đối xứng (spontaneous breaking of symmetry,
SBS).
1d- Thuyết Điện-Yếu thống nhất điện từ và lực hạt nhân yếu. Tính chất SBS là gốc
nguồn cho phép thống nhất được hai lực điện từ và yếu, chúng tưởng như khác
biệt mà thực ra cùng chia sẻ phép đối xứng chuẩn. Sự thống nhất hai lực điện-từ và
yếu thành một quy luật chung duy nhất là cả một bước ngoặt của vật lý ở cuối thế
kỷ 20, tầm quan trọng của nó có thể ví như Maxwell ở cuối thế kỷ 19 đã tổng hợp
ba hiện tượng điện, từ và quang mà công nghệ hiện đại thông-truyền tin khai thác
vô cùng mầu nhiệm. Xin nhắc lại, để thống nhất lực yếu với lực điện từ, ta sử dụng
đối xứng chuẩn. Vậy ban đầu cũng như photon của điện từ, boson chuẩn W, sứ giả
của lực yếu, không có khối lượng. Sau đó ta cần một trường boson mới lạ nào đó
(trường Higgs) để chắn tác động của lực yếu và mang khối lượng cho W, tựa như
ngưng tụ của cặp Cooper trong điện từ. Cặp Cooper spin 0 liên kết hai electron
trong siêu dẫn điện từ được thay thế bởi trường Higgs cũng spin 0 trong lực yếu.
Trường Higgs tràn đầy chân không lượng tử, chân không này là trạng thái của vũ
trụ thuở Nổ Bùng (Big Bang) có năng lượng cực tiểu nhưng vô hạn. Không những
mang khối lượng cho hạt W, hạt Higgs còn mang khối lượng cho tất cả các hạt khác
như quark, lepton. Chính cái cơ cấu SBS phổ biến và chi phối nhiều ngành vật lý là
do Nambu, khi suy ngẫm về thuyết siêu dẫn nói trên, đã đề xướng ra và Higgs áp
dụng thành công trong vật lý hạt cơ bản. Giải Nobel 2008 để tặng thưởng Nambu
đã sáng tạo cái cơ cấu SBS này.
2- Sáu Quark và Vật chất-Phản vật chất
Sự hiện hữu của phản vật chất là hệ quả sâu sắc nhất của bản giao hưởng tuyệt vời
giữa hai thuyết Tương đối hẹp và Cơ học lượng tử do Paul Dirac, một thiên tài của
thế kỷ tầm cỡ Newton và Einstein, chứng minh năm 1928 khi ông chưa đến 26 tuổi.
Máy chụp hình nổi PET (Positron Emission Tomography) dùng trong y học ngày
nay là một ứng dụng trực tiếp của positron, hạt phản electron. Khi positron hòa tụ
với electron sẵn có trong cơ thể thì cặp positron-electron biến thành tia bức xạ cực
kỳ tinh vi để rọi sáng chi tiết trong não bộ.
Như đề cập sơ qua ở phần 1a, lực hạt nhân yếu vi phạm đối xứng vật chất-phản vật
chất (đối xứng CP), một ngạc nhiên lớn vì ba lực cơ bản khác (hấp dẫn, điện từ và
mạnh) tuyệt đối tuân theo phép đối x ứng này. Tương tác yếu của hạt và của phản
hạt khác nhau. J. Cronin và V. Fitch cùng hai cộng sự viên khám phá ra năm 1964
sự vi phạm CP, và hai vị này nhận giải Nobel 1980. Những năm đầu 1970, trong bối
cảnh của vật lý hạt thời ấy với Mô hình Chuẩn đang ở buổi sơ khai, hai nhà vật lý
trẻ Kobayashi và Maskawa tiền phong đi tìm hiểu cơ cấu nào cho phép sự vi phạm
này. Hai ông, hoàn toàn do suy luận và tính toán, sau nhiều vật lộn với toán học
‘ứng dụng thôi’, đã tìm ra năm 1973 là ít nhất phải có sáu quark (đúng ra là phải có
ba ‘họ‘, mỗi họ có hai quark) mới vi phạm được đối xứng CP. Vào thời buổi ấy
quark hãy còn là một giả thiết, một đề tài tế nhị, nhiều người bài bác kể cả những
cây đại thụ, và ngay cả nếu chấp nhận giả thiết quark thì lúc ấy người ta chỉ biết có
ba quark thôi: up, down và strange quark! Kỳ diệu thay cái tiên đoán của
Kobayashi và Maskawa (KM). Thực nghiệm liên tiếp chứng tỏ sau đó sự chính xác
của cơ chế vi phạm CP mà KM đề xướng. Năm 1974 quark charm bắt đầu lộ diện,
năm 1977 với quark bottom và 1994 với quark top. Khám phá của Kobayashi và
Maskawa góp phần quan trọng cho sự hình thành của Mô hình Chuẩn hạt cơ bản,
nó diễn tả rất chính xác sự vi phạm đối xứng vật chất-phản vật chất trong các thực
nghiệm liên quan đến các meson K (mang strange quark) và B (mang bottom
quark).
