GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2008
Giải Nobel Vật lý năm 2008 được trao cho giáo sưngười Mỹgốc Nhật
Yoichiro Nambu (1921-) tại Viện Enrico Fermi thuộcĐại học Chicago (Mỹ) “do
phát minh cơchếcủa sựphá vỡ đối xứng tựphát trong vật lý dưới nguyên tử”,
giáo sưngười Nhật Makoto Kobayashi (1944-) tại Tổchức Nghiên cứu Máy gia tốc
Năng lượng lượng cao (Nhật Bản) và giáo sưngười Nhật Toshihide Maskawa
(1940-) tại Viện Vật lý lý thuyết Yukawa thuộcĐại học Kyoto (Nhật Bản) “do phát
minh nguồn gốc của sựphá vỡ đối xứng mà nó dự đoán sựtồn tại của ít nhất ba họ
quac trong tựnhiên”.
Tại sao có một cái gì đó thay cho không có gì cả? Tại sao có nhiều hạt cơbản
khác nhau nhưvậy? Những ngườiđoạt Giải Nobel Vật lý năm 2008 giúp chúng ta
hiểu biết sâu hơn vềnhững gì xảy ra bên trong các khối xây dựng nhỏnhất của vật
chất. Các định luậtđối xứng của tựnhiên là trung tâm của vấnđề này hay đúng
hơn là những đối xứng bịphá vỡtrong đó có những đối xứng dường nhưtồn tại
trong vũtrụcủa chúng ta ngay từlúc ban đầu và những đối xứng tựmấtđiđối
xứng ban đầuởmột nơi nào đó dọc theo hành trình của vũtrụ. Thực tếlà tất cả
chúng ta đều những đứa con của sựphá vỡ đối xứng. Sựphá vỡ đối xứng cần phải
xảy ra ngay lập tức sau Vụnổlớn (Big Bang) khoảng 14 tỷnăm trướcđây khi có
nhiều phản vật chất nhưvật chấtđược sinh ra. Cuộc gặp gỡcủa vật chất và phản
vật chất là định mệnh không tránh được cho cảhai. Chúng hủy diệt lẫn nhau và tất
cảnhững gì còn lại là bức xạ. Tuy nhiên, rõ ràng là vật chấtđã thắng phản vật chất
vì nếu không bây giờchúng ta sẽkhông tồn tại. Nhưng bây giờchúng ta tồn tại và
chỉmột sựlệch nhỏkhỏi sự đối xứng hoàn chỉnh dường nhưlà đủ, nghĩa là một hạt
vật chất thêm vào cho mỗi một mười tỷhạt phản vật chất là đủ để làm cho thếgiới
của chúng ta tồn tại. Sựdưvật chất này là mầm mống của toàn bộvũtrụcủa chúng
ta được làm đầy với các thiên hà, sao, hành tinh và cuối cùng là sựsống. Nhưng cái
gì nằm phía sau sựvi phạmđối xứng này trong vũtrụvẫn còn là một bí ẩn.
Trong nhiều năm, nghiên cứu vật lý tập trung vào việc tìm kiếm các định luật
tựnhiên bịche khuất sâu bên trong một phạm vi rộng của các hiện tượng mà
chúng ta nhìn thấy xung quanh chúng ta. Các định luật tựnhiên cần phải là đối
xứng và tuyệtđối một cách hoàn hảo. Chúng cần phải có giá trị ở khắp toàn bộvũ
trụ. Cách tiếp cận này dường nhưlà đúng đối với hầu hết các trường hợp nhưng
không phải luôn luôn nhưvậy. Đó là lý do tại sao những đối xứng bịphá vỡthu hút
được nhiều sựquan tâm của các nhà nghiên cứu nhưnhững đối xứng. Trong thế
giới không cân xứng của chúng ta, sự đối xứng hoàn hảo là một sự đối xứng lý
tưởng hiếm thấy.
Nhiều loạiđối xứng và đối xứng bịphá vỡkhác nhau là một phần của cuộc
sống hàng ngày của chúng ta. ChữA không thay đổi khi chúng ta nhìn thấy nó
trong gương trong lúc chữZ phá vỡ đối xứng này. Mặt khác, chữZ vẫn nhưthếkhi
bạn lộn ngược nó nhưng nếu bạn lộn ngược chữA thì sự đối xứng bịphá vỡ. Lý
thuyết hạt cơbản mô tảba nguyên lý đối xứng khác nhau là đối xứng gương, đối
xứng điện tích và đối xứng thời gian. Theo thuật ngữvật lý, đối xứng gương được
ký hiệu bằng chữP. Đó là chữcái đầu của từtiếng Anh “parity”. Đối xứng điện tích
được ký hiệu bằng chữC. Đó là chữcái đầu của từtiếng Anh “charge”. Đối xứng
thời gian được ký hiệu bằng chữT. Đó là chữcái đầu của từtiếng Anh “time”.
Trong đối xứng gương, tất cảcác sựkiện cần phải diễn ra theo cùng một trình tự
một cách chính xác bất kể ở đâu người ta nhìn thấy chúng một cách trực tiếp hoặc
trong gương. Chúng không có bất kỳsựkhác biệt nào giữa trái và phải và không có
bất kỳngười nào có khảnăng nhận ra họ đang ởtrong thếgiới riêng của họhay ở
trong thếgiới nhìn qua gương. Trong đối xứng điện tích, các hạt cần phảiứng xử
chính xác giống nhưnhững người bạn chí cốt của chúng là các phản hạt. Phản hạt
có cùng tính chất nhưng ngược dấuđiện tích với hạt. Còn trong đối xứng thời gian,
khi lùi vềquá khứvà tiếnđến tương lai thì các sựkiện vật lý ởmức vi mô cần phải
xảy ra nhưnhau.
Những sự đối xứng không chỉcó một giá trịthẩm mỹtrong vật lý. Chúng đơn
giản hóa nhiều tính toán không thuận tiện và do đó đóng một vai trò quyếtđịnh
trong mô tảtoán họcđối với thếgiới vi mô. Một vấnđề thậm chí quan trọng hơn là
những đối xứng này có liên quan đến một sốlớn các định luật bảo toàn ởmức hạt
cơbản. Chẳng hạn nhưtheo định luật năng lượng, năng lượng không thểmấtđi
trong các va chạm giữa các hạt cơbản. Năng lượng cần phảiđược bảo toàn trước
và sau va chạm và điều này là hiển nhiên trong sự đối xứng của các phương trình
mô tảnhững va chạm hạt. Còn định luật bảo toàn điện tích liên quan đếnđối xứng
trong lý thuyếtđiện từ.
Khoảng giữa thếkỷXX, sự đối xứng bịphá vỡlầnđầu tiên xuất hiện trong
nghiên cứu vềcác nguyên lý cơbản của vật chất. Lúc đó, vật lý đòi hỏiđạtđược
giấc mơlớn nhất của nó là thống nhất các khối xây dựng nhỏnhất và các lực của tự
nhiên vào trong một lý thuyết chung gọi là lý thuyết thống nhất vĩ đại. Tuy nhiên,
vật lý hạt cơbản ngày càng trởnên phức tạp hơn. Các máy gia tốc mớiđược lắp
đặt sau chiến tranh thếgiới lần thứII sinh ra một dòng ổnđịnh của các hạt cơbản
chưa từng có trướcđó. Hầu hết các sốliệu do các máy gia tốc cung cấp không phù
hợp với các mô hình do các nhà vật lý đưa ra lúc đó là vật chất bao gồm các nguyên
tửvới các nơtron và proton trong hạt nhân và các electron ởbao quanh hạt nhân.
Những nghiên cứu sâu hơn trong các vùng ởtrong cùng của vật chất phát hiện
thấy rằng mỗi một proton hoặc nơtron lại bao hàm một bộba của các quac. Người
ta chứng minh được rằng các hạt cơbảnđã được phát hiện cũng có cấu tạo từcác
quac.
Hiện nay, hầu nhưtất cảcác mảnh ghép của một bộlắp hình đã đượcđặt vào
đúng chỗ. Một mô hình gọi là Mẫu chuẩn cho các phần không thểchia nhỏcủa vật
chất bao gồm ba họhạt cơbản. Họthứnhất bao gồm 2 loại lepton là electron và
nơtrino electron và 2 loại quac là quac lên và quac xuống. Họthứhai bao gồm 2
loại lepton là muon và nơtrino muon và 2 loại quac là quac duyên và quac lạ. Họ
thứba bao gồm 2 loại lepton là tau và nơtrino tau và 2 loại quac là quac đỉnh và
quac đáy. Các họnày giống nhau nhưng chỉcác hạt trong họthứnhất nhẹnhất là
đủ bền vững để tạo nên vũtrụ. Các hạt trong hai họnặng hơn tồn tại trong các điều
kiện rất không bền vững và phân rã ngay thành các loại hạt nhẹhơn.
Bất kỳcái gì đềuđượcđiều khiển bởi các lực. Mẫu chuẩn cho đến thờiđiểm
hiện nay đã thống nhất ba loại lực cơbản của tựnhiên là lựcđiện từ, lực mạnh và
lực yếu. Chỉcòn một loại lực cơbản thứtưcủa tựnhiên là lực hấp dẫn chưađược
bao hàm trong Mẫu chuẩn. Mẫu chuẩn bao hàm ba trong bốn loại lực cơbản của tự
nhiên cùng với các hạt mang lực của chúng. Các hạt mang lực là các hạt mang
tương tác giữa các hạt cơbản. Hạt mang lực của lựcđiện từlà photon với khối
lượng không (hay không có khối lượng). Lực yếu tính đến sựphân rã phóng xạvà
làm cho mặt trời và các sao chiếu sáng được mang bởi các hạt bozon W và Z nặng.
Lực nặng trong hạt nhân nguyên tử được mang bởi các hạt gluon. Lực hấp dẫn giữ
chúng ta ởtrên mặtđất còn chưađược bao hàm trong Mẫu chuẩn và điều này đang
là một thách thức lớnđối với các nhà vật lý hiện nay. Để hoàn chỉnh Mẫu chuẩn cần
một loại hạt mới gọi là hạt Higgs và cộng đồng vật lý hi vọng tìm thấy nó trong máy
gia tốc lớn nhất thếgiới mang tên là máy gia tốc LHC mớiđượcđưa vào vận hành
tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu CERN ởGeneva (Thụy Sĩ).
Ngườiđầu tiên chỉra vai trò có tính quyếtđịnh của sự đối xứng bịphá vỡ đối
với nguồn gốc vũtrụlà nhà vật lý Nga Andrei Sakharov. Năm 1967 ông thiết lập ba
điều kiệnđể phát sinh một thếgiới giống thếgiới của chúng ta không có phản vật
chất. Điều kiện thứnhất là các định luật vật lý phân biệt giữa vật chất và phản vật
chất. Điều này thực tế đã được phát hiện vớiđối xứng CP bịphá vỡ.Điều kiện thứ
hai là vũtrụcó nguồn gốc từnhiệt của Vụnổlớn. Và điều kiện thứba là các proton
trong mỗi hạt nhân nguyên tử đều phân hủy. Điều kiện cuối cùng có thểdẫnđến sự
tận cùng của thếgiới do nó ngụý rằng toàn bộvật chất cuối cùng có thểbiến mất.
Nhưng điềuđó còn lâu mới có thểxảy ra vì theo thực nghiệm, các proton duy trì ổn
định trong khoảng 1033 năm. Khoảng thời gian này lớn hơn 10 ngàn tỷtỷlần so với
tuổi của vũtrụ(khoảng lớn hơn 1010 năm một chút). Và không có một ai biếtđược
chuỗi sựkiện của Sakharov xảy ra nhưthếnào trong vũtrụsơkhai. Các điều kiện
của Sakhrov cuối cùng có thể được bao hàm trong Mẫu chuẩn. Khi đó, có thểgiải
thích phần dưthừa vật chất tạo ra khi phát sinh vũtrụ.
Câu hỏi tại sao các đối xứng bịphá vỡkhông được giảiđáp cho đến năm
1972 khi hai nhà nghiên cứu trẻcủaĐại học Kyoto tên là Kobayashi và Maskawa
nhờcác tính toán vật lý lượng tửtìm ra lới giải trong một ma trận 3 x 3. Đối xứng
bịphá vỡkép xảy ra nhưthếnào? Mỗi một hạt kaon bao gồm một sựkết hợp của
một quac và một phản quac. Lực yếu làm cho chúng chuyển hóa lẫn nhau: quac trở
thành một phản quac trong lúc phản quac trởthành một quac và do đó biếnđổi
kaon thành phản kaon của nó. Theo cách này, hạt kaon chuyểnđổi giữa bản thân
nó và ngược với bản thân nó. Nhưng nếu các điều kiệnđúng đượcđápứng, sự đối
xứng giữa vật chất và phản vật chất sẽbịphá vỡ. Ma trận tính toán của Kobayashi
và Maskawa chứa các xác suất nhằm mô tảsựbiếnđổi của các quac sẽxảy ra như
thếnào. Hóa ra là các quac và phản quac trao đổiđặc tính cho nhau trong phạm vi
họriêng của chúng. Nếu sựtrao đổiđặc tính này vớiđối xứng bịphá vỡkép xảy ra
giữa vật chất và phản vật chất, cần bổsung một họquac thứba vào hai họquac đã
có. Đó là một quan điểm táo bạo và Mẫu chuẩn nhậnđược các quac mới. Các quac
mới theo dự đoán sau đó đã tìm thấy trong thực nghiệm. Người ta phát hiện ra
quac duyên đầu năm 1974, quac đáy năm 1977 và quac đỉnh cuối năm 1994. Lý
thuyết của Kobayashi và Maskawa chỉra rằng có thểnghiên cứu một sựvi phạm
đối xứng chủyếu trong các hạt mezon B nặng hơn 10 lần so với những người anh
em họcủa chúng là các kaon. Tuy nhiên, sự đối xứng bịphá vỡxảy ra cực kỳhiếm
thấy trong các mezon B. Do đó, cần có những lượng rất lớn của các hạt này chỉ để
tìm ra một ít sự đối xứng bịphá vỡ.Đầu năm 2001, cảhai thực nghiệmđộc lập với
nhau trên các máy gia tốc SLAC ởStanford (California, Mỹ) và KEK ởTsukuba