GIẢI NOBEL VẬT LÝ 1999
Giải Nobel Vật lý năm 1999 được trao cho giáo sưngười Hà Lan Gerardus 't
Hooft tạiĐại học Utrecht ởUtrecht (Hà Lan) và giáo sưdanh dựngười Hà Lan
Martinus J. G. Veltman tạiĐại học Michigan (Mỹ) và ởBithoven (Hà Lan) "do làm
sáng tỏcấu trúc lượng tửcủa các tương tác điện yếu trong vật lý".
Hai nhà nghiên cứu nói trên được trao tặng Giải Nobel vì họ đã đưa ra một
cơsởtoán học vững chắc hơn cho lý thuyết vật lý hạt cơbản. Đặc biệt họ đã chỉra
lý thuyết này có thể được sửdụng cho các tính toán chính xác đối với các đại lượng
vật lý nhưthếnào. Các thực nghiệm trên các máy gia tốcởchâu Âu và Mỹgầnđây
đã xác nhận nhiều kết quảtính toán.
Thales từ2 600 năm trướcđây nói rằng: "Bất cứcái gì đềuđược tạo ra từ
nước". Nhưng Thales nói bằng ngôn ngữcủa các nhà triết học. Thay cho câu nói
này, nhà khoa học tựnhiên của thờiđại chúng ta nói rằng: "Bất cứcái gì đềuđược
tạo ra từcác hạt cơbản". Các hạt cơbản là các viên gạch xây dựng nhỏnhất của tự
nhiên và là căn nguyên của mọi thứquanh ta.
Các đối tượng trong thếgiới xung quanh chúng ta đềuđược xây dựng từcác
nguyên tửmà chúng bao gồm các electron và hạt nhân nguyên tử. Các hạt nhân
gồm các proton và neutron và các hạt này đến lượt chúng được cấu thành từcác
quark. Để nghiên cứu vật chấtởmức trong cùng cần có các máy gia tốc lớn. Các
máy gia tốcđầu tiên được chếtạo từnhững năm 1950 và chúng đánh dấu sựra đời
của vật lý hạt hiệnđại. Lầnđầu tiên có thểnghiên cứu sựphát sinh của các hạt mới
và các lực tác động giữa chúng.
Trong tựnhiêncó bốn loại tương tác là tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ,
tương tác mạnh và tương tác yếu. Tương tác điện từlà tương tác có trách nhiệm
chẳng hạnđối với sựtồn tại của các nguyên tử. Diễn viên chính ở đây là photon
(lượng tửánh sáng). Không có photon thì không có các hiện tượng điện từ. Tương
tác yếu có các tác nhân của nó là ba hạt W+, W-và Z0. Các hạt này cực kỳquan trọng.
Chẳng hạn nhưhạt W-. Chúng ta biết rằng Mặt Trời giống nhưmột lò sưởi. Cái gì
tạo ra lửaở đó?Đó chính là hạt W-. Không có tương tác yếu thì Mặt Trời không thể
chiếu sáng. Hóa ra photon và các hạt W và Z có nguồn gốc chung.
Lý thuyết hạt hiệnđạiđược hình thành từkhoảng giữa những năm 1950.
Nhiều năm nghiên cứuđã đưađến mô hình chuẩn (Standard Model) của vật lý hạt.
Mô hình này gộp tất cảcác hạt cơbản vào ba họcủa các quark và lepton mà chúng
tương tác với nhau nhờmột sốcác hạt trao đổi của các lực mạnh và lựcđiện
yếu.Theo mô hình chuẩn, các hạt cơbản của vật chất là 6 lepton và 6 quark. Lực
giữa các hạt này được mô tảbởi các lý thuyết trường lượng tửvà các lý thuyết này
đều là loại lý thuyết chuẩn không Abel (non-abelian gauge theory). Lựcđiện yếu
được dàn xếp bởi 4 hạt trao đổi. Các hạt trao đổi gồm photon không có khối lượng
(gamma) và 3 hạt trường W+, W-và Z0. Lực mạnh được truyềnđi bởi 8 gluon g
không có khối lượng. Ngoài 12 hạt trao đổi nói trên, mô hình chuẩn dự đoán một
hạt rất nặng là hạt Higg H0. Trường của hạt Higg tạo ra tất cảcác khối lượng hạt.
Cơsởlý thuyết của mô hình chuẩn lúc đầu không hoàn chỉnh và đặc biệt là
nó không rõ ràng chút nào trong việc sửdụng cho các tính toán chi tiếtđối với các
đại lượng vật lý. Garardus 't Hooft và Martinus J. G. Veltman đã đưa ra một cơsở
toán học vững chắc hơn cho mô hình chuẩn. Nghiên cứu của họcung cấp cho các
nhà nghiên cứu một "cơcấu máy lý thuyết (theoretical machinery)" có chức năng
tốt nhằm có thểsửdụng nó chẳng hạn cho việc dự đoán các tính chất của các hạt
mới.
Các lý thuyết sửdụng hiện nay trong mô hình chuẩn của vật lý hạt nhằm mô
tảcác tương tác của các hạtđều là các lý thuyết chuẩn (gauge theory). Thuật ngữ
"chuẩn" liên quan đến mộtđặc tính của các lý thuyết này là đối xứng chuẩn (gauge
symmetry). Nhiều nhà nghiên cứu xem nó nhưmột trong các đặc tính cơbản nhất
của vật lý. Vào những năm 1860, nhà vật lý người Xcốtlen James Clerk Maxwell đã
đưa ra lý thuyếtđiện từ. Lý thuyết này là một lý thuyết chuẩn trong thuật ngữhiện
đại hiện nay. Lý thuyết của Maxwell thống nhấtđiện học với từhọc và dự đoán
chẳng hạn nhưsựtồn tại của các sóng vô tuyến.
Chúng ta có thểminh họa khái niệm lý thuyết chuẩn nhưsau. Các điện
trường và từtrường có thể được biểu diễn bằng các hàm thế. Các hàm này có thể
được trao đổi (biếnđổi chuẩn (gauge-transformed)) theo một qui tắc nào đó mà
không làm thay đổi các trường. Phép biếnđổiđơn giản nhất là thêm một hằng số
vào điện thế. Vềmặt vật lý, điều này minh họa cho một thực tếrõ ràng là điện thế
có thể được tính từmộtđiểm không tùy ý do chỉcác khác biệt thếmới có ý nghĩa.
Điều này giải thích tại sao một con sóc có thể đi dọc theo một dây điện cao thếmà
không bị điện giật. Các nhà vật lý cho việcđiểm không có thể được di chuyển theo
cách này là một sự đối xứng trong lý thuyết và đối xứng này là mộtđối xứng chuẩn.
Tr ật tựmà trong đó người ta tiến hành hai phép biếnđổi chuẩn là không
quan trọng. Chúng ta thường nói rằng lý thuyếtđiện từlà một lý thuyết chuẩn Abel.
Abel là tên của nhà toán học người Na uy Niels Henrik Abel (1802-1829). Một ví dụ
vềmột nhóm của các phép biếnđổi Abel là phép quay trong mặt phẳng. Chúng ta
đặt một bút chì trên mặt bàn, quay nó một góc 900ngược chiều kim đồng hồvà sau
đó quay nó một lần nữa một góc 1800cũng theo chiều nhưthế. Lần thứhai chúng
ta cũng quay bút chì ngược chiều kim đồng hồnhưng đảo thứtựthực hiện hai
phép quay. Chúng ta đặt bút chì ởvịtrí xuất phát nhưlần thứnhất, lúc đầu quay nó
một góc 1800và sau đó quay nó một góc 900. Kết quảcủa lần quay thứnhất và lần
quay thứhai là nhưnhau. Vì thếphép quay trong mặt phẳng là một phép biếnđổi
Abel. Một ví dụvềmột nhóm của các phép biếnđổi không Abel là phép quay trong
không gian ba chiều. Chúng ta sẽthực hiện quay bút chì hai lần. Lần thứnhất
chúng ta đặt bút chì trong mặt phẳng nằm ngang sao cho đầu nhọn của nó hướng
vềphía bên phải, quay nó một góc 900sao cho đầu nhọn của nó hướng xuống dưới
và vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. Sau đó, chúng ta quay nó một lần nữa một
góc 1800sao cho đầu nhọn của nó hướng lên phía trên và vuông góc với mặt phẳng
nằm ngang. Lần thứhai chúng ta cũng quay bút chì nhưlần thứnhất nhưng đảo
thứtựthực hiện hai phép quay. Chúng ta đặt bút chì ởvịtrí xuất phát nhưlần thứ
nhất và lúc đầu quay nó một góc 1800. Mặc dù bút chì quay một nửa vòng tròn
nhưng nó vẫn giữa nguyên vịtrí nhưlúc xuất phát, nghĩa là bút ởtrong mặt phẳng
nằm ngang sao cho đầu nhọn của nó hướng vềbên phải. Sau đó chúng ta thực hiện
phép quay thứhai là quay bút một góc 900từvịtr í của bút sau phép quay thứnhất.
Sau hai phép quay của lần thứhai, bút ởvịtrí sao cho đầu nhọn của nó hướng
xuống dưới và vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. Còn sau hai phép quay của lần
thứnhất, bút ởvịtrí sao cho đầu nhọn của nó hướng lên trên và vuông góc với mặt
phẳng nằm ngang. Nhưvậy, kết quảcủa lần thứnhất khác với kết quảcủa lần thú
hai. Vì thế, phép quay trong không gian ba chiều không phải là phép biếnđổi Abel.
Sau khi cơhọc lượng tửhình thành vào khoảng năm 1925, các nhà nghiên
cứu cốgắng thống nhất các hàm sóng của cơhọc lượng tửvà các trường điện từ
thành lý thuyết trường lượng tử. Khi đó nảy sinh ra nhiều vấnđề.Điệnđộng lực
lượng tửmới trởnên phức tạp và các tính toán thường cho cacs kết quảkhông
hợp lý. Một lý do là lý thuyết lượng tửdự đoán rằng các trường điện từgần với
một electron hoặc một proton có thểtựphát sinh ra các lượng hạt và phản hạt có
thời gian sống rất ngắn gọi là các hạtảo (virtual particle). Theo lý thuyết trường
lượng tử, một hạt "vật lý" thực có cấu tạo từmột hạt trung tâm "trơtrụi (naked)" ở
trong mộtđám mây của những hạt "ảo" có thời gian sống rất ngắn. Một hệchỉcó
một electron bỗng dưng trởthành một bài toán nhiều hạt.
Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard Feynman (Giải Nobel Vật
lý năm 1965) đã giải quyếtđược vấnđề nảy sinh nói trên vào những năm 1940. Họ
đã đưa ra một phương pháp gọi là phương pháp tái chuẩn hóa (renormalization)
trong đó các hạt riêng lẻcó thểxem như"một cái gì đó tại một khoảng cách
(somewhat at a distance)". Theo cách này, không cần xem xét riêng các cặp hạtảo.
"Đám mây" của các hạtảo có thể được phép che hạt gốc trung tâm. Bằng cách đó,
hạt gốc có mộtđiện tích mới và một hạt mới. Theo thuật ngữhiệnđại, Tomonaga,
Schwinger và Feynman đã tái chuẩn hóa mọt lý thuyết chuẩn Abel.
Điệnđộng lực lượng tử đã được kiểm tra vớiđộ chính xác cao hơn bất cứlý
thuyết nào khác trong vật lý. Vì thếchẳng hạn Hans Dehmelt (Giải Nobel Vật lý
năm 1989) đã thành công trong việcđo từtính của electron trong một bẫy ion với
độ chính xác đến 12 con số. 10 con số đầu tiên phù hợp ngay lập tức với các kết
quảtính toán.
Phát minh và nghiên cứu tính phóng xạcùng với sựphát triển sau đó của vật
lý nguyên tửtrong nửađầu của thếkỷXX đã sinh ra các khái niệm tương tác mạnh
và tương tác yếu. Tương tác mạnh liên kết các hạt nhân nguyên tửvới nhau. Còn
tương tác yếu cho phép một hạt nhân nào đó phân r ã phóng xạ. Vào những năm
1930, các nhà nghiên cứuđưa ra lý thuyết trường lượng tử đầu tiên đối với tương
tác yếu. Lý thuyết này làm nảy sinh các vấnđề thậm chí tệhơn các vấnđề do điện
động lực nảy sinh và không tệhơn các vấnđề mà phương pháp tái chuẩn hóa của
Tomonaga, Schwinger và Feynman có thểgiải quyết.
Vào giữa những năm 1950 các nhà nghiên cứu Chen Ning Yang và Robert L.
Mills đã tìm ra một ví dụ đầu tiên vềmột lý thuyết trường lượng tửvới các đặc tính
mới gọi là lý thuyết chuẩn không Abel. Trái với lý thuyết chuẩn Abel mà trong đó
các phép biếnđổi chuẩn có thể được thực hiện theo bất kỳtrật tựnào, kết quảcủa
lý thuyết chuẩn không Abel phụthuộc vào trật tự.Điều này không chỉ đem lại cho
lý thuyết một cấu trúc toán học phức tạp hơn mà còn mởra các khảnăng mới. Các