Về các lực tương tác

Chia sẻ: Nguyễn Xuân Quang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu trình bày các lực tương tác thông qua khái niệm nguyên tử; tìm hiểu hạt truyền tương tác, bản chất của boson; lực hấp dẫn chất keo dính của vũ trụ; lực điện từ chất keo dính các nguyên tử; lực yếu lực và lực mạnh.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Về các lực tương tác

Về các lực tương tác ... Tất cả những tương tác giữa vật chất khác nhau đều có thể quy về những phức hợp của bốn lực tương tác cơ bản. Đó là tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ và hai lực tương tác hạt nhân mạnh và yếu... 1. khái niệm nguyên tử Các nhà triết học cổ Hy Lạp cho rằng Vũ trụ được cấu thành từ những phần tử nhỏ bé không thể “cắt nhỏ” được và họ gọi là các nguyên tử. Họ đã quan niệm rằng các đối tượng vật chất đều được tạo thành từ tổ hợp của một số ít các viên gạch sơ cấp đó. Vào đầu những năm 1930, những công trình tập thể của Joseph John Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr và James Chadwick đã cho ra đời một mô hình nguyên tử giống như hệ mặt trời. Trong mô hình này, nguyên tử không phải là thành phần sơ cấp nhất của vật chất mà là được tạo thành từ một hạt nhân chứa proton và nơtron với đám mây các electron bao quanh. Có một thời, nhiều nhà vật lý đã tưởng rằng proton, nơtron và các electron chính là các “nguyên tử” theo định nghĩa của người cổ Hy Lạp. Nhưng vào năm 1968, những thí nghiệm được tiến hành trên máy gia tốc đã cho thấy rằng các proton và nơtron cũng không phải là các hạt cơ bản nhất, chúng lại được cấu tạo bởi ba hạt nhỏ hơn, đó là các hạt quark. Thực nghiệm cũng khẳng định sự tồn tại của hai loại quark: quark u (up) và quark d (down). Proton được tạo bởi hai quark u và một quark d, còn nơtron bởi hai quark d và một quark u. Tất cả mọi vật mà ta thấy trong thế giới ở mặt đất cũng như trên trời đều được tạo từ tổ hợp các electron, các quark u và các quark d. Chưa có một bằng chứng thực nghiệm nào chỉ ra rằng các hạt này không phải là sơ cấp nhất, tức là được cấu tạo nên từ các hạt khác nhỏ hơn. Nhưng cũng có rất nhiều bằng chứng cho thấy Vũ trụ còn có những hạt sơ cấp khác nữa. Vào giữa những năm 1950, Frederick Reines và Clyde Cowan đã tìm được một bằng chứng thực nghiệm xác thực cho loại hạt cơ bản thứ tư gọi là hạt nơtrinô mà Wolfgang Pauli đã tiên đoán sự tồn tại của nó vào đầu những năm 1930. Nơtrinô là những hạt rất khó phát hiện vì chúng tương tác quả là yếu với các hạt vật chất khác: Một nơtrinô có năng lượng trung bình có thể đi qua một tấm chì dày hàng ngàn kilômét mà chuyển động của nó không mảy may chịu một ảnh hưởng nào. Hàng tỷ nơtrinô do Mặt Trời phóng vào không gian đang xuyên qua cơ thể chúng ta và xuyên qua cả Trái Đất nữa, như một phần trong hành trình đơn độc của chúng trong Vũ trụ. Một hạt cơ bản khác có tên là muon đã được phát hiện vào cuối những năm 30, từ những trận mưa hạt tới từ không gian Vũ trụ vốn thường xuyên tới bắn phá Trái Đất. Muon rất giống electron chỉ có điều khối lượng của nó lớn hơn cỡ 200 lần. Muon hiện diện như một thách thức và chúng ta vẫn sẽ còn chưa hết ngạc nhiên về nó. 1
Nhờ những công nghệ ngày càng mạnh hơn, các nhà vật lý bắn phá các khối vật chất với năng lượng ngày càng cao hơn, và bằng cách đó, có lúc, họ đã tạo lại được những điều kiện chưa từng thấy kể từ Big Bang. Họ đã đào bới, tìm kiếm những hạt cơ bản mới để thêm vào danh sách ngày càng dài của các hạt. Họ đã phát hiện thêm 4 hạt quark mới, đó là quark c (charm), quark s (strange), quark b (bottom), quark t (top) và hạt họ hàng thứ hai của electron có tên là hạt tau còn nặng hơn cả muon cùng với hai hạt khác nữa tương tự như hạt nơtrinô (mà người ta gọi là nơtrino-mu và nơtrino-tau để phân biệt với nơtrino đầu tiên có tên là nơtrino-e hay nơtrino-electron). Tất cả những hạt được tạo ra trong những va chạm ở năng lượng cao này đều rất phù du và không thuộc số những thành phần tạo nên vật chất của thế giới xung quanh chúng ta. Tuy nhiên, chúng ta vẫn còn chưa hoàn toàn ở tận cùng của bản danh sách, bởi vì ứng với mỗi một hạt còn có một phản – hạt, có cùng khối lượng với hạt, nhưng một số đặc tính khác của nó thì ngược lại, chẳng hạn như điện tích hay một số tích khác tương ứng với các lực khác mà chúng ta sẽ giới thiệu ngay dưới đây. Ví dụ, phản-hạt của electron gọi là positron, nó có khối lượng đúng như electron, nhưng diện tích của nó là +1 thay vì là -1 như electron. Khi vật chất gặp phản vật chất, chúng sẽ huỷ nhau để chỉ tạo ra năng lượng thuần tuý, chính vì lẽ đó mà chỉ có rất ít phản vật chất có trong tự nhiên của thế giới bao quanh chúng ta. Các nhà vật lý cũng đã phát hiện được một loại sơ đồ sắp xếp các hạt: các thành phần cấu tạo nên vật chất được tổ chức thành ba nhóm hay thường được gọi là ba họ . Mỗi họ đều chứa hai quark, một electron hay một trong số hai hạt họ hàng của nó cùng với nơtrino gắn với chúng. Các loại hạt tương ứng trong cả ba họ đều có tính chất như nhau, chỉ có điều khối lượng của chúng lớn dần từ họ thứ nhất tới họ thứ ba. Kết quả là, hiện nay các nhà vật lý đã thăm dò được cấu trúc của vật chất tới các thang nano và chứng tỏ được rằng mọi thứ mà ta gặp – dù là có trong tự nhiên hay được con người tạo ra từ những máy va chạm nguyên tử khổng lồ - đều được tạo thành chỉ từ một tổ hợp nào đó của các hạt trong ba họ đó và các phản-hạt của chúng  Tại sao lại có nhiều hạt cơ bản đến thế, nhất là khi hầu hết các vật trong thế giới xung quanh chúng ta lại chỉ được tạo bởi electron, quark u và quark d?  Tại sao lại cần tới những ba họ chứ không phải là một?  Tại sao lại không phải là bốn họ hay bất cứ một số họ nào khác?  Tại sao khối lượng của các hạt lại có vẻ như được gán cho một cách ngẫu nhiên như vậy?  Tại sao hạt tau lại nặng hơn electron tới 3520 lần? Và tại sao quark t lại nặng hơn hạt đồng loại với nó là quark u tới 40200 lần ? Đó là những con số thật lạ lùng và dường như khá ngẫu nhiên. Liệu chúng có phải kết quả của sự ngẫu nhiên hay có một cách giải thích khoa học có thể hiểu được đối với tất cả những đặc điểm cơ bản đó của Vũ trụ chúng ta. 2. Hạt truyền tương tác - Bản chất của boson 2
Mọi chuyện trở nên phức tạp hơn khi chúng ta xét tới các lực của tự nhiên. Trong thế kỷ 20, các nhà khoa học đã có được nhiều bằng chứng cho thấy sự tương tác giữa các vật, cũng như hàng triệu tương tác khác mà chúng ta gặp hằng ngày, đều có thể quy về tổ hợp của bốn lực cơ bản. Đó là lực hấp dẫn, lực điện từ và hai lực tương tác mạnh và yếu. Khối lượng của một vật là thước đo lực hấp dẫn mà nó có thể tác dụng cũng như lực hấp dẫn mà nó có thể bị tác dụng. Lực điện từ cũng là nền tảng của những tiện nghi trong đời sống hiện đại qua các thiết bị điện-điện tử. Sấm sét cũng là một minh họa. Điện tích của hạt đóng vai trò đối với lực điện từ như là khối lượng đối với lực hấp dẫn. Các lực tương tác mạnh và yếu thì ít quen thuộc hơn, cường độ của chúng giảm rất nhanh khi ra ngoài thang hạ nguyên tử. Vì vậy mà rất gần đây, các người ta mới phát hiện ra chúng. Nhờ lực tương tác mạnh mà các quark dính chặt với nhau ở bên trong các proton và nơtron cũng như giữ chặt chính các hạt này bên trong hạt nhân nguyên tử. Còn lực tương tác yếu là lực gây ra sự phân rã phóng xạ của một số đồng vị phóng xạ ... Tồn tại hai điểm chung của tất cả các lực cơ bản.  Thứ nhất, ở mức vi mô, mỗi một lực đều tương ứng với một loại hạt mà ta có thể hiểu như là một tia nhỏ nhất của lực đó. Chùm hạt photon – những boson và là tia nhỏ nhất của tương tác điện từ. Tương tự, các lực tương tác yếu và mạnh có các tia sơ cấp tương ứng là các hạt boson yếu và các hạt gluon. Gluon là "hạt keo” (glue) đảm bảo sự gắn kết của các hạt nhân nguyên tử. Từ năm 1984, các nhà thực nghiệm đã xác lập được sự tồn tại cũng như tính chất của ba loại “hạt tương tác” là những boson kể trên. Duy chỉ còn graviton – hạt tương tác gắn với lực hấp dẫn, mặc dù còn chưa có những khẳng định bằng thực nghiệm, nhưng các nhà vật lý hầu như đã tin vào sự tồn tại của chúng?! 1) Thứ hai của tất cả các lực cơ bản liên quan tới các “tích lực”: Tương tự như khối lượng của các hạt do tác dụng của lực hấp dẫn lên vật, điện tích sẽ xác định cường độ của lực điện từ tác dụng lên hạt. Các hạt mang “tích yếu” hoặc “tích mạnh” là những tính xác định cường độ của các lực yếu và lực mạnh tương ứng tác dụng lên hạt đó. Điện tích và khối lượng đã được các nhà vật lý thực nghiệm đo đạc rất chính xác, nhưng câu hỏi: "Tại sao Vũ trụ của chúng ta lại tạo bởi những hạt mang đúng những giá trị khối lượng và điện tích đó?" vẫn chưa có câu trả lời thấu đáo. Cũng như vậy, tuy có nhiều điểm chung, nhưng việc xem xét bốn lực cơ bản lại đặt ra nhiều câu hỏi mới. 1) Trước hết, tại sao lại là bốn lực? 2) Tại sao không phải là năm, là ba hay thậm chí chỉ là một lực duy nhất? 3) Tại sao các lực lại thể hiện những tính chất rất khác nhau như vậy? 6) Tại sao các lực tương tác mạnh và yếu lại bị buộc chỉ đứng hoạt động ở mức 3
vi mô, trong khi các lực hấp dẫn và điện từ lại có tầm tác dụng vô hạn? 5) Và tại sao cường độ của bốn lực đó lại khác biệt nhiều như vậy? Lực điện từ mạnh hơn lực hấp dẫn 1042 lần. Lý do để giải thích tại sao lực điện từ không lấn át lực hấp dẫn trong thế giới bao quanh chúng ta là bởi vì hầu hết vật chất được tạo bởi lượng điện tích dương và âm cân bằng nhau, do đó hầu như lực điện từ bị triệt tiêu lẫn nhau. Trong khi đó, lực hấp dẫn chỉ là hút, nên không có sự triệt tiêu như thế: càng có nhiều vật chất thì lực hấp dẫn chỉ càng mạnh thêm. Về bản chất lực hấp dẫn là một lực cực yếu. Có thể điều này giải thích tại sao khẳng định bằng thực nghiệm sự tồn tại của graviton là một việc cực kỳ khó khăn. Tiếp đến thực nghiệm cho biết lực tương tác mạnh lớn gấp một trăm lần lực điện từ và lớn gấp một ngàn lần lực tương tác yếu. Và ở đây, một câu hỏi được đặt ra là: Tại sao Vũ trụ lại có những đặc điểm đó ? Đây không phải là câu hỏi về chi tiết. Vấn đề là ở chỗ Vũ trụ sẽ khác đi rất nhiều nếu ta làm thay đổi, dù chỉ là rất nhỏ, những tính chất của vật chất và các hạt truyền tương tác. Ví dụ, sự tồn tại của các hạt nhân bền vững để tạo nên hơn một trăm nguyên tố trong Bảng phân loại tuần hoàn các nguyên tố hóa học phụ thuộc vào tỷ số giữa cường độ của lực tương tác mạnh và cường độ của lực tương tác điện từ. Thực vậy, lực điện từ giữa các proton bị giam bên trong hạt nhân làm cho chúng đẩy nhau, trong khi lực tương tác mạnh có tác dụng giúp cho các hạt quark thắng lực đẩy điện từ này và trên thực tế đã giữ chặt các proton lại với nhau. Nhưng chỉ cần một thay đổi nhỏ trong tỉ lệ cường độ của hai lực đó sẽ làm cho sự cân bằng giữa chúng sẽ bị phá vỡ và sẽ làm cho phần lớn các hạt nhân nguyên tử bị phân rã. Một ví dụ khác: nếu khối lượng của electron lớn hơn một chút, các electron và proton sẽ tăng xu hướng kết hợp với nhau để tạo thành nơtron, kết quả thì nguyên tử hiđrô sẽ biến mất và do đó làm cho quá trình sản xuất ra các nguyên tố phức tạp hơn, lớn hơn sẽ ngừng trệ. Các ngôi sao chỉ tồn tại được là nhờ vào năng lượng có được từ sự tổng hợp các hạt nhân trong lòng của chúng nên nếu điều này xảy ra thì sẽ không còn các ngôi sao nữa. Tương tự, độ lớn của lực hấp dẫn cũng đóng vai trò quan trọng. Mật độ lớn của vật chất trong nhân của các ngôi sao có tác dụng duy trì phản ứng hạt nhân trong đó và dẫn tới sự phát sáng của các ngôi sao. Nếu như lực hấp dẫn mạnh hơn một chút, lõi của các ngôi sao sẽ hút mạnh hơn và do đó sẽ làm tăng nhịp độ diễn ra các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Kết quả các ngôi sao như Mặt Trời của chúng ta sẽ tắt nhanh hơn và do đó việc tạo thành sự sống như chúng ta đã biết sẽ gặp rắc rối to. Trái lại, nếu lực hấp dẫn yếu hơn một chút, vật chất sẽ bị khuếch tán, không tập trung được và do đó sẽ không có các ngôi sao hay các thiên hà... Những ví dụ như vậy có rất nhiều, nhưng ý tưởng đã đủ rõ ràng: "Vũ trụ của chúng ta như hiện nay là do vật chất và các tương tác của chúng có những tính chất như chúng hiện đang có". Nhưng liệu có một giải thích khoa học cho câu hỏi: Tại sao chúng lại như vậy?... 4
3. Lực hấp dẫn - Chất keo dính của vũ trụ Lực hấp dẫn ngự trị trong thế giới vĩ mô. Vai trò của nó trên trái đất đã đuợc nhận ra ngay từ những tiếng bập bẹ đầu tiên của loài nguời: tất ca các vật đều rơi từ cao xuống thấp. Trong vũ trụ của Aristote vào thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên, chuyển động thẳng đứng này chỉ đặc trưng cho thế giới không hoàn hảo của trái đất và mặt trăng.Thế giới hoàn hảo của các hành tinh khác, của mặt Trời và các ngôi sao có chuyển động tròn lý tưởng và không bị lực hấp dẫn chi phối. Khái niệm hấp dẫn của vũ trụ , tức là hấp dẫn tác động đến toàn bộ vũ trụ, chỉ xuất hiện cùng với Newton vào thế kỷ 17. Lực hấp dẫn chinh là chất "keo dính" của vũ trụ. Nó hút các vật này về phía các vật khác. Nó giữ cho chúng ta ở trên mặt đất, giữ cho mặt Trăng quay quanh trái Đất và các hành tinh quay xung quanh mặt Trời, giữ cho các ngôi sao ở trong thiên hà và các thiên hà trong các đám thiên hà. Nếu loại bỏ lực hấp dẫn đi, chúng ta sẽ trở nên trôi nổi trong không gian. Mặt Trăng và các hành tinh cùng các ngôi sao sẽ tan tác trong khoảng bao la của vũ trụ. Không có gì có thể thoát được ành hưởng của hấp dẫn. Tất cả những gì là khối lượng hay năng lượng đều phải tuân theo luật lệ của nó. Nhưng có điều nghịch lý là, mặc dù có ảnh hưởng rộng khắp như vậy, nhưng lực hấp dẫn lại cực kỳ yếu. Nó là lực yếu nhất trong số bốn lực của tự nhiên. Ở mức độ của hạt sơ cấp, lực này nhỏ không đáng kể. Nguyên tử hydrogen, nguyên tử đơn giản nhất và cũng là nguyên tử nhẹ nhất trong số tất cả các nguyên tố của vũ trụ, gồm có một electron liên kết với một proton. Lưc hấp dẫn giữa electron và proton nhỏ hơn lực điện giữa hai hạt đó cỡ 1040 lần. Nguyên tử hydrogen cũng rất nhỏ (cỡ10-8 cm = 0,00000001 cm) vì lực điện đủ mạnh để kéo electron lại gần proton. Nếu loại bỏ lực điện đi, và chỉ để lại lực hấp dẫn, thì nguyên tử hydrogen sẽ phồng to cho tới khi chiếm toàn bộ vũ trụ. Lực hấp dẫn yếu tới mức không thể hút giữ cho electron ở cách proton một khoảng nhỏ hơn vài chục tỉ năm ánh sáng Cường độ của lực hấp dẫn phụ thuộc vào khối lượng của hai vật liên quan. Sở dĩ lực hấp dẫn giữa proton và electron yếu cũng là do khối lượng cực kỳ nhỏ của electron (10-27 g, ) và của proton, mặc dù proton lớn gấp gần 6Pi5 (1836,15) lần electron. Do sự cực kỳ yếu và ít quan trọng của lực hấp dẫn ở thang nguyên tử, nên chỉ còn cách áp dụng cho nó câu ngạn ngữ: "đoàn kết tạo sức mạnh". Vì chỉ một hạt không đủ nặng để thể hiện được ảnh hưởng của mình nên nó phải thể hiện thông qua các vật lớn hơn và có khối lượng lớn hơn, chứa một số rất lớn các hạt đó. Con số này lớn tới mức khó tưởng tượng nổi khi người ta biết rằng 1 gam nước chứa tới khoảng 1024 hạt. Thậm chí ở thang các vật trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta lực hấp dẫn vẫn chưa đáng kể. Bạn (giả sử nặng 70 ký) không hề cảm nhận được lực hấp dẫn mà người đối thoại với bạn (giả sử người đó nặng 50 ký) tác dụng lên cảm thấy bị "hút" về phía người đó thì hoàn toàn không phải là do lực hấp dẫn mà là do một cái gì đó khác.. Khi bạn đi qua một tòa nhà lớn nặng hàng tấn bạn cũng không hề nhận thấy nó bị hút áp vào những bức tường của nó. Cần phải có những dụng cụ cực kỳ tinh xảo mới có thể đo được ảnh 5
hưởng hấp dẫn của một tòa nhà lớn. Chỉ ở thang thiên văn lực hấp dẫn mới thực sự cảm nhận được và mới có tiếng nói của nình. Khối lượng lớn của trái Đất (cỡ 6 1027 g) đã giữ cho chúng ta khỏi phải nổi trôi trong không gian, như các nhà du hành trong khoang con tàu vũ trụ và giữ cho mặt Trăng không trôi dạt ra xa trái đất. Mặt Trời (nặng 1033 g), các ngôi sao (nặng cỡ 1033 g), các thiên hà (1045 g), các cụm thiên hà (1046 g), các đám thiên hà 1048 g) và cuối cùng, vũ trụ (?) tạo nên các nấc thang tăng dần về khối lượng và một vương quốc mở rộng mãi mãi trong đó lực hấp dẫn ngự trị với tư cách một ông chủ độc tài. 4. Lực Điện từ - Chất keo dính của các nguyên tử Như chúng ta đã thấy, lực điện từ mạnh hơn lực hấp dẫn. Sức mạnh của lực điện từ làm cho một thanh nam châm dễ dàng hút được một chiếc đinh bất chấp lực hấp dẫn của toàn bộ khối lượng Trái Đất tác dụng lên nó. Lực điẹn từ tạo nên các nguyên tử bằng cách buộc các electron (mang điện tích âm)vào các hạt nhân. Một hạt nhân nguyên tử là một tâp hợp các loại protn (mang điện dương) và các neutron (hạt có khối lượng gần bằng proton, nhưng không mang điện, như tên của nó đã chỉ rõ) đươc liên kết với nhau bằng lực hạt nhân mạnh. Như vậy, chỉ cần cộng các điện tích dương của proton là ta có được điện tích dương của hạt nhân. Trong thế giới điện tử, người ta được biết khi trên danh thiếp của mình có ghi điện tích dương hoặc âm. Bởi vì trái với lực hấp dẫn -lực tác dụng lên tất cả các khối lượng hoặc năng lượng-, lực điện từ có sự phân biệt rõ ràng. Tất cả những hạt không có điện tích, chẳng hạn như hạt ánh sáng (photon) hoặc hạt neutron đều bị loại ra và không thèm biết tới. Đối với những hạt mang điện, lực điện từ áp đặt cho chúng những quy tắc ứng xử rất nghiêm ngặt: các điện tích trái dấu hút nhau và điện tích cùng dấu đẩy nhau. Một proton và một electron sẽ hút nhau, nhưng hai proton sẽ đẩy nhau. Trái với lực hấp dẫn chỉ có hút, lực điện từ có thể hút hoặc đẩy tuỳ thuộc vào điện tích. Miền tác dụng của lực điện từ không chỉ ngừng lại trong thế giới nguyên tử. Nó can thiệp vào cả việc tạo ra những cấu trúc phức tạp hơn. Nó gắn các nguyên tử lại bằng cách buộc chúng phải chia sẻ các electron của mình để tạo nên các phân tử. Ví dụ, để tạo nên phân tử nước, lực điện từ gắn hai nguyên tử hydro với một nguyên tử oxy. Rồi nó lại đẩy cho các phân tử kết hợp với nhau thành những chuỗi dài mà biểu hiệu cao nhất của chúng là các chuỗi xoắn kép ADN, cho phép có sự sống và di truyền nó. Do vậy, lực điện từ -chất keo gắn các nguyên tử- chính là nhân tố chủ yếu tạo ra sự cố kết, sự cứng rắn và vẻ đẹp của những vật xung quanh chúng ta. Thiếu nó, Trái Đất không còn là rắn nữa, bộ xương của bạn sẽ không còn mang nổi cơ thể bạn, và bàn tay bạn có thể dễ dàng cắt ngang qua những trang giấy của quyển sách này. Vẻ đẹp cua những hình khối điêu khắc của Rodin, những đường con tuyệt mỹ trên cơ thể người phụ nữ hay những đường nét mảnh mai và tinh tế của đóa hồng, biết bao những khoái cảm thẩm mỹ đó đều do lực điện từ mang đến cho chúng ta. Thiếu nó, thế giới sẽ không còn những hình 6
khối và trở nên tẻ nhạt. Nếu chỉ bỏ mặc cho mỗi một lực hấp dẫn thôi, thì các nguyên tử sẽ có những kích thước khổng lồ và các ngôi sao chỉ là những hạt nhân to tướng gồm toàn các proton hoặc neutron. Cũng như lực hấp dẫn, lực điện từ yếu dần theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai hạt tích điện. Nhưng, trái lại với lực hấp dẫn -lực che đậy sự yếu ớt của mình ở thang lớn bằng cách cộng ngày càng nhiều khối lượng- lực điện từ lại phụ thuộc vào độ lớn điện tích mà đại lượng này rất khó làm cho tăng được. Bởi vì, nếu các điện tích dương được cộng lại và các điện tích âm bị trừ đi khiến cho đa số các vật trong vũ trụ đều trung hòa về điện, thì chúng sẽ không có điện tích tổng cộng. Cuốn sách, cái ghế, ngôi nhà, Mặt Trời, các ngôi sao, các thiên hàvà có thể cả vũ trụ nữa đều là trung hòa về điện. Lực điện từ không có ảnh hưởng gì đối với chúng. Vì vậy, sức mạnh của lực điện từ nói chung chỉ giới hạn trong thế giới nguyên tử. nó để mặc cho lực hấp dẫn cai quản cả vũ trụ bao la. Như tên của nó đã chỉ rõ, lực điện từ có bản chất kép. Nó hút hoặc đẩy chiếc đinh dính vào nam châm do lực từ của nó. Hai mặt này của lực điện từ liên hệ khắng khít với nhau. Mặt này không tách rời khỏi mặt kia. Một điện tích chuyển động sinh ra một lực từ. Một từ trường biến thiên lại gây ra dòng điện. Từ trường của Trái Đất làm cho kim la bàn của nhà thám hiểm chỉ về cực Bắc là kết quả của chuyển động các hạt tích điện (các proton và electron) trong vùng tâm Trái Đất. Những vùng này nóng và bị nén mạnh bởi áp lực của các lớp ngoài của vỏ Trái Đất tới mức tâm Trái Đất không còn rắn nữa mà ở trạng thái magma và dung nham lỏng trong đó vật chất được phân tách thành các proton và electron. Cũng tương tự nhu vậy, từ trường của Mặt Trời, của các sao hoặc của Ngân Hà đều là kết quả của những chuyển động của vật chất đã được phân tách thành các điện tích. Sự kết nối khắng khít giữa điện và từ đã được các nhà vật lý người scotland là James Maxwell thực hiện vào năm 1864 5. Lực yếu - Lực gây phân rã Vật chất nói chung không phải là vĩnh cửu. Trong số hàng trăm hạt "sơ cấp" tạo nên vật chất có rất ít hạt bất tử. Xếp vào hàng những hạt bất tử hiếm hoi đó là electron, photon và một hạt trung hòa có khối lượng bằng không hoặc cực kỳ nhỏ bé có tên là neutrino. Còn lại tất cả các hạt khác đều sống trọn cuộc đời mình rối chết. Ngay cả proton cũng chỉ mon men tới cõi bất tử (tuy nhiên cuộc đời của nó rất dài, ít nhất cũng tới hàng ngàn tỉ tỉ tỉ năm (1032năm). Cái chết của một hạt sơ cấp được thể hiện ở sự phân rã của nó thành các hạt khác. Quá trình này sẽ tiếp diễn cho tới khi hoàn toàn biến hóa thành các hạt bất từ hay còn gọi là các hạt bền. 7
Lực điều khiển phân rã và biến hóa này là lực có biệt danh là "yếu". Như tên của nó đã chỉ rõ, lực này không mạnh lắm. Mặc dù vẫn lớn hơn lực hấp dẫn nhiều, nhưng lực này yếu hơn lực điện từ tới 1000 lần. Miền tác dụng của nó cũng rất nhỏ. Nó chỉ có sức mạnh trong thế giới nguyên tử, tức là trên những khoảng cách cỡ 10-16 cm. Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, lực này ẩn kín tới mức người ta phát hiện ra nó một cách tình cờ. Vào một đêm năm 1896, nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel tình cớ đặt một tấm kính ảnh vào ngăn kéo cạnh các tinh thể sulfat uranium. Hôm sau khi ông quay lại thì một lớp màn bí mật đã phủ lên tấm kính ảnh. Nghiên cứu kỹ, ông phát hiện ra rằng các nguyên tử uranium đã phân rã thành các hạt khác làm đen kính ảnh. Ông gọi quá trình phân rã là "phóng xạ". Lực yếu chiếm một vị trí khá cách biệt trong bộ bốn lực: ngoài tính yếu của nó ra, nó còn được dùng để "gắn kết" các hạt như các lực khác. Nó an phận làm cho vật chất chết đi bằng cách bắt phải phân rã. Nếu như lực này biến mất thì nó cũng không khiến cho người ta cảm nhận sự thiếu vắng ngay tức khắc. Mặt Trời khi đó sẽ tắt sau vài triệu năm (thay vì cả chục tỷ năm) bởi vì lực yếu gây ra một số phản ứng hạt nhân trong lòng Mặt Trời, những phản ứng hạt nhân cung cấp năng lượng và tuổi thọ cho nó. Nhưng, trên hết, vật chất sẽ sống lâu hơn. Vũ trụ khi dó sẽ nhan nhản đủ các loại hạt lạ lùng và kỳ quặc cùng chung sống với các loại hạt electron, photon và proton quen thuộc. Một hóa học mới và xa lạ, một sự sống phức tạp khác biệt với sự sống của chúng ta (sự sống dựa trên hóa học của carbon) có thể sẽ nảy nở và phát triển. 6. Lực mạnh - Chất keo dính của các hạt: Các hạt nhân nguyên tử là tập hợp của các hạt proton và neutron. Tất cả các proton đều mang cùng một điện tích dương. Lực điện tử ra lệnh cho chúng phải đẩy nhau, thế mà chúng vẫn ương bướng tụ tập trong các hạt nhân nguyên tử. Cần phải có một lực mạnh hơn lực điện từ rất nhièu và chống lại lực này để giữ cho các proton hợp lại và là chất keo dính của chúng. Đây là lực "mạnh", mạnh nhất trong bốn lực. Nó mạnh hơn lực điện từ tới 100 lần. Vương quốc của nó, cũng chính là vương quốc của lực yếu, là rất nhỏ bévà ảnh hưởng của nó chỉ có tác dụng trên những khoảng cách trong nguyên tử, tức là cỡ 10-13 cm. Lực này cũng có tính chọn lọc, nó chỉ tác dụng lên các hạt nặng như proton và neutron chứ không đếm xỉa tới các hạt nhẹ như electron, photon và neutrino. Khái niệm nặng nhẹ ở đây chỉ có tính chất tương đối. Proton và neutron thực tế chẳng nặng là baọ 10-24 g) nhưng dù sao chúng cũng nặng hơn gấp 1836.15 lần electron. Người ta còn chưa biết chính xác khối lượng của neutrino, nhưng chắc chắn là nó nhỏ hơn nhiều khối lượng của electron. Còn đối với photon, nó không có khối lượng. Cuộc phiêu du vào hế giới vật chất của các nhà vật lý trong suốt hơn hai mươi năm qua đã tiết lộ cho họ thấy rằng cả proton lẫn neutron đều không phải là các hạt sơ cấp không thể chia được nữa như người ta vẫn tưởng. Thực tế chúng được 8
tạo bởi các hạt sơ cấp hơn có tên là "quark" được đặt bởi người đã phát minh ra chúng là nhà vật lý người Mỹ thích văn chương, Murray Gell-Mann. Ông đã nhớ tới câu "Ba quark cho Muster Mark" trong cuốn tiểu thuyết Finnegans Wake của nhà văn, nhà sáng tạo ngp-n ngữ tuyệt vời James Joyce. Cũng như cho "Muster Mark", ba là số quark cần thiết để tạo nên một proton hoặc một neutron. Chất keo kết dính ba hạt này chính là lực mạnh. Nếu như lực mạnh này biến đi, chúng ta sẽ sống trong một thế giới của các quark tự do, không còn proton cũng chẳng có neutron, không có nguyên tử cũng chẳng có phân tử, không có Trái Đất cũng chẳng có Mặt Trời, không có các ngôi sao cũng chẳng có các thiên hà. Sau khi chúng ta đã làm quen với bốn lực, chúng ta còn phải làm quen rộng hơn nữa với các định luật chi phối thế giới vi mô. Sự làm quen này rất quan trọng để hiểu được sự tiến hóa của vũ trụ, bởi lẽ cái vô cùng nhỏ sẽ đẻ cái vô cùng lớn và vũ trụ sẽ nảy ra từ cái "gần như không có gì". Lại một lần nữa, ở đây, cũng như với cặp không-thời gian, lẽ phải thông thường lại phải chịu một thử thách cam go. 7. Tóm tắt 1) Lực hấp dẫn: - Trọng lực, thủy triều - Gắn kết các hành tinh, sao, thiên hà lại với nhau - Sự bành trướng vũ trụ 2) Lực điện từ: - Điện, từ tính, ánh sáng - Phản ứng hóa học và sinh học - Hàn gắn các nguyên tử và phân tử lại với nhau - Tầm ảnh hưởng đến cấu trúc các đại phân tử 3) Lực hạt nhân mạnh: - Hàn gắn nhân các nguyên tử - Tầm ảnh hưởng trong khoảng cách vô cùng nhỏ (10^-13m) 4) Lực hạt nhân yếu: 9
- Phóng xạ bêta - Giữ cho mặt trời sáng 5) Nguyên tắc hàn gắn: - Khi kết hợp hai nguyên tố lại với nhau, lực sẽ biến đổi ra năng lượng và bị mất một phần khối lượng của chúng - Năng lượng này , gọi là lực nối, sẽ phát ra trong không gian, thường là dưới dạng photon -Hệ thống vừa tạo thành có khối lượng nhỏ hơn khối lượng của hai nguyên tố ban đầu và phức tạp hơn. - Các photon mang theo chúng năng lượng để tạo ra những hệ thống càng phức tạp hơn NGUYỄN XUÂN QUANG -2008 Quangnx_ltd@yahoo.com 10