Vũ trụ của Galileo, Newton, Einstein,
Bohr, Heisenberg,... Hạt
của Chúa
Mặt trời và ánh sáng, giải Ngân Hà và những vì sao,... Vũ trụ
đẹp mê hồn và huyền bí, luôn là niềm cảm hứng của các tâm hồn thi ca và cũng
luôn là niềm say mê của các Nhà Khoa học, niềm hứng thú của những bộ óc sáng tạo.
Vũ trụ kỳ bí và huyền diệu, luôn luôn thu hút trí tuệ và sức lực của nhân loại.
Lịch sử phát triển Văn hóa và Khoa học của Nhân loại cũng là lịch sử tìm tòi và
khám phá Vũ trụ. Khám phá Vũ trụ với phát triển Văn hóa và Khoa học không tách
rời nhau, luôn gắn liền nhau. Lịch sử khám phá Vũ trụ là lịch sử hàng ngàn năm.
Là lịch sử của sự tìm hiểu các chiều Không gian và Thời gian, là lịch sử tìm hiểu
các Lực tương tác trong tự nhiên, là lịch sự của sự tìm hiểu Cấu tạo cơ bản của
Vật chất. Đó là ba Nội dung cơ bản nhất, ba Nội dung luôn thu hút tâm trí, tri
thức của các Nhà Khoa học.
1. Từ Newton tới Einstein.
Hãy cùng tìm hiểu ba Nội dung này, với sự bắt đầu từ Galileo
Galilei và Isaac Newton. Trên tháp nghiêng Pisa nổi tiếng, Galileo đã chứng
minh được các vật có khối lượng khác nhau đều rơi với cùng một vận tốc. Và sau
đó Newton đã có một bước nhảy vĩ đại về những Định luật Chuyển động và Thuyết
Vạn vật hấp dẫn. Lực hấp dẫn là một sự cân bằng tuyệt vời, để mô tả vật lý Trái
đất và vật lý Vũ trụ. Mọi vật đều tạo ra lực hấp dẫn và đều tác động lên các vật
khác. Cơ học Newton ra đời đặt dấu chấm hết cho ý niệm tuyệt đối về không
gian, một ý niệm đã tồn tại hàng ngàn năm trước Newton.
Nhưng rồi, trong cuốn Principia Mathematica, ông đã viết:
"Không gian tuyệt đối không có mối quan hệ với bất kỳ đối tượng ngoại vi
nào, hoàn hoàn bất biến". Ông đã cho rằng Không gian và Thời gian là thứ
Vĩnh Cửu và là hai thành phần bất biến trong việc cấu thành Vũ trụ.
Trí tuệ sáng tạo của Albert Einstein, không chịu dừng lại tại
đó. Einsten cho rằng: Không gian và Thời gian đan dệt với nhau bởi một yếu tố bất
ngờ là sự chuyển động của vật thể qua Không gian sẽ ảnh hưởng đến sự chuyển động
của nó qua Thời gian. Đó là thời điểm năm 1905, thời điểm ra đời của Thuyết
Tương đối đặc biệt. Yếu tố chủ chốt của Thuyết Tương đối đặc biệt là giới hạn tốc
độ được thiết lập bởi vận tốc ánh sáng. Không một thông tin nào được truyền đi
nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Vận tốc ánh sáng là giới hạn của mọi tốc độ. Điều
này phủ định sự truyền dẫn tức thì của Lực Hấp dẫn theo Newton.
Nếu Newton cho rằng, vì một lý do nào đấy, Mặt trời không tồn
tại, thì ngay lập tức, Trái đấy sẽ thoát khỏi Lực Hấp dẫn của Mặt trời. Trái đất
sẽ thoát khỏi quỹ đạo đang chuyển động. Einstein không đồng ý. Thuyết Tương đối
Đặc biệt của Einstein không cho kết quả như vậy. Khoảng cách từ Trái đất tới Mặt
trời là 93 triệu dặm. Ánh sáng mất 8 phút, chuyển động từ Mặt trời tới Trái đất.
Phải sau 8 phút. 8 phút sau khi Mặt trời không tồn tại, chỉ sau đó Trái đất mới
thoát ra khỏi quỹ đạo và thảm họa mới có thể xảy ra!
Không dừng ở đó, trí tuệ sáng tạo của Einstein một lần nữa lại
bừng sáng, khi vào năm 1915, ông đã đưa ra Thuyết Tương đối Tổng quát. Thay thế
quan niệm khô khan về Không và Thời gian của Newton. Thay thế Thuyết Vạn vật Hấp
dẫn bằng sự mô tả hình học và động lực học của sự Bẻ Cong Không Thời
gian. Einstein đã đan xen Lực Hấp dẫn vào kết cấu cơ bản của Vũ trụ. Thay vì được
xem như là một yếu tố phụ, Lực Hấp dẫn đã trở thành một phần quan trọng của
Vũ trụ.
Ngoài Mặt trời và Trái đất, trong và ngoài Giải Ngân hà còn
có rất nhiều các vì sao. Có những vì sao ở rất xa. Ánh sáng của các vì sao tới
trái đất, một cách thông thường và ngay cả theo Thuyết Tương đối Đặc biệt, nó sẽ
đi theo đường thẳng. Thuyết Tương đối Tổng quát không phát biểu như vậy.
Einstein cho rằng Mặt trời sẽ khiến cho Không Thời gian quanh nó bị Bẻ Cong. Sự
Bẻ Cong này đã ảnh hưởng tới đường đi của những ánh sao đó, khi nó đi qua lân cận
Mặt trời. Giống như Mặt trời tất cả các vì sao, cả Trái đất và Mặt trăng,... tất
cả đều có hiệu ứng Bẻ Cong Không Thời gian.
Sáng tạo này của Einstein, còn phải kể đến đóng góp của Nhà
Thiên văn người Đức Karl Schwarzschild, ngài Frank Dyson chỉ huy Đài Thiên văn
Greenwich, ngài Arthur Eddington thư ký Hội Thiên văn nước Anh,... Ngày 7
tháng 11 năm 1919 trên báo Times ở London, với tiêu đề: "Cuộc Cách mạng
trong Khoa học, Học thuyết mới về Vũ trụ, lật đổ những ý tưởng của
Newton." Một ngày hạnh phúc của Einstein.
Thuyết Tương đối đặc biệt và Thuyết Tương đối tổng quát đã thủ
tiêu ý niệm về Không Thời gian tuyệt đối của Newton, sau ba trăm năm thống trị.
Thời gian cũng đã trở thành một chiều chính, cùng với ba chiều của Không gian,
để tạo nên một Vũ trụ bốn chiều.
2. Lỗ đen và Big Bang.
Nếu tính Tương đối Đặc biệt được thể hiện rõ nhất khi mọi vật
chuyển động nhanh; thì tính Tương đối Tổng quát xuất hiện khi vật thể có khối
lượng lớn và sự Bẻ Cong Không Thời gian xuất hiện đáng kể tương ứng.
Thứ nhất, điều này được được biểu hiện một cách cực kỳ ấn tượng
qua khái niệm Lỗ đen. Người mở đường để đưa ra khái niệm này là Karl
Schwarzschild. Người đã chính thức xác định tên Lỗ đen là John Wheeler. Karl
Schwarzschild đã vận dụng Thuyết Tương đối Tổng quát trong tính toán của mình,
ước đoán chi tiết về sự tồn tại của Lỗ đen. Ông đã gửi tới Einstein các tính
toán của mình, từ chiến tuyến của Nga, vào năm 1916, thời điểm khốc liệt của Thế
chiến I.
Hãy tưởng tượng, một ngôi sao với khối lượng bằng Mặt trời có
bán kính khoảng 450.000 miles, sẽ trở thành một Lỗ đen khi được nén lại còn 2
miles. Tượng tự để tạo một Lỗ đen từ Trái đất, phải nén Trái đất lại thành một
khối cầu nhỏ hơn nửa inch. Một tác động lớn sẽ xảy ra. Lúc này sự Bẻ Cong Không
Thời gian sẽ là yếu tố cơ bản. Bất kỳ thứ gì, kể cả ánh sáng, đến gần Lỗ đen,
cũng không thể nào thoát khỏi Lực hút của nó. Lỗ đen, đen: vì chúng không thể
phát sáng, lỗ: vì bất kỳ thứ gì đến đủ gần chúng cũng không bao giờ có thể quay
lại.
Hiện nay, sau nhiều thập kỷ, người ta đã tìm ra được nhiều bằng
chứng thuyết phục về sự tồn tại của Lỗ đen. Ngay tại trung tâm giải Ngân hà, dường
như đang tồn tại một Lỗ đen có khối lượng rất lớn, bằng 2,5 triệu lần so với khối
lượng Mặt trời. Và có thể đây là Lỗ đen khổng lồ. Điều mà các Nhà Thiên văn tin
rằng tồn tại giữa các chuẩn tinh quang cực mạnh, xuất hiện rải rác trong toàn
Vũ trụ: các Lỗ đen có khối lượng gấp hàng tỷ lần so với khối lượng Mặt trời!
Thứ hai, tính Tương đối Tổng quát có liên quan tới sự hình
thành và phát triển của Vũ trụ. Qua các phương trình về hình học liên quan tới
Không gian bị Bẻ Cong, được trình bày bởi Nhà Toán học Georg Bernhardt Riemann,
bằng các phương trình của Thuyết Tương đối Tổng quát, Einstein đã mô tả sự phát
triển của Không gian, Thời gian và định lượng vật chất. Ông đã nhận thấy rằng:
kích cỡ tổng quát của Không gian Vũ trụ không ngừng thay đổi theo thời gian. 12
năm sau, Nhà Thiên văn học người Mỹ, Edwin Hubble, qua những kết đo lường chi
tiết về các Giải Ngân hà xa xôi, kết luận rằng Vũ trụ không ngừng mở rộng.
Ngược Thời gian, ngược về 15 tỷ năm trước, Vũ trụ có kích thước
cực nhỏ, chỉ là một điểm kỳ dị, vô cùng nóng và vô cùng đặc. Điểm kỳ dị này
có một khối lượng vô tận. Big Bang là sự nổ tung của điểm kỳ dị bị
nén chặt và sự mở rộng của nó, giống như một làn sóng vô tận, mang theo vật chất
và năng lượng tồn tại đến bây giờ. Big Bang là khởi nguồn của Vũ trụ! Big Bang
có phải là sự khởi đầu?
Sự phát hiện hiện tượng Bẻ Cong Không Thời gian và các khái
niêm Lỗ đen, Big Bang dường như là những tiền đề để những tư tưởng sáng tạo
khoa học nghĩ đến một Vũ trụ có số chiều của Không Thời gian nhiều hơn 4 (?)
3. Mũi tên Thời gian.
Khi được hỏi: Thượng đế đã làm gì, trước khi người tạo ra Thế
giới. Thánh St. Augustin đã không trả lời: Người tạo ra Địa ngục, để giam những
kẻ nào hỏi về điều đó! Mà ngài đã nói rằng, Thời gian là một tính chất của Vũ
trụ mà Thượng đế đã tạo ra, trước khi Vũ trụ hình thành Thời gian không tồn tại.
Không gian là một tính chất dễ mường tượng, Thời gian là một tính chất khó mường
tượng hơn nhiều. Newton triệt tiệu ý niệm tuyệt đối của Không gian, nhưng Thời
gian vẫn là tuyệt đối. Phải chờ ba trăm năm sau, ý niệm Thời gian tuyệt đối mới
được triệt tiêu, bởi Einstein.
Stephen Hawking, trong tác phẩm Lược sử Thời gian, đã đưa ra
ba khái niệm về Mũi tên Thời gian. Đó là, Mũi tên Nhiệt động học của
Thời gian, chỉ hướng của thời gian theo đó mức Vô trật tự hay entropy tăng lên.
Lý thuyết Entropy thể hiện mức độ hỗn độn của vật chất trong Vũ Trụ càng ngày
càng tăng lên, trật tự càng ngày càng giảm đi. Tiếp đến là Mũi tên Tâm lý học Thời
gian. Đó là hướng theo đó chúng ta cảm nhận được thời gian đang chảy. Chúng ta
chỉ có thể nhớ về Quá khứ. Chúng ta không thể có bất kỳ một kỷ niệm nào của
Tương lai! Cuối cùng, Mũi tên Vũ trụ học của Thời gian. Đó là hướng mà Vũ trụ nở
ra, chứ không co lại. Đã 15 tỷ năm Vũ trụ nở ra sau Big Bang, và đang tiếp tục
nở. Vũ trụ không thể co lại, nếu Vũ trụ co lại, 15 tỷ năm sau: Tất cả, tất cả mọi
vì sao, Mặt trời, Trái đất và các giải Ngân hà,... tất cả sẽ biến mất, biến vào
trong một Dị điểm? Điều đó là không thể.
Với giả thiết rằng Vũ trụ không có biên, Hawking đã chứng
minh được rằng, cả ba Mũi tên Thời gian chỉ cùng một hướng và tồn tại một Mũi
tên Thời gian có hướng xác định.
4. Du hành theo Thời gian.
Đi trước Khoa học, nhiều Tiểu thuyết Viễn tưởng đã mường tượng
ra những phát minh, để nhiều năm sau, nó trở thành hiện thực. Năm 1895, trong
tác phẩm Chiếc máy Thời gian, Herbert George Wells, đã phá bỏ khái niệm Kết cấu
Thời gian đã tồn tại hàng ngàn năm, cho phép con người Du hành theo Thời
gian, đến bất kỳ một điểm nào, dù là Quá khứ, dù là Tương lai.
Nửa thế ký sau, Kurt Gödel, Nhà Toán học vĩ đại, bạn của
Einstein, ông đưa ra giả thiết Vũ trụ quay. Bài toán của ông đặt ra, Nghiệm
tìm được lại không tương ứng với Vũ trụ chúng ta đang sống. Hawking nói: đơn giản
chúng ta chỉ ra rằng, Vũ trụ đó không quay. Nhưng từ ý tưởng của ông, phù hợp với
Thuyết Tương đối mở rộng, nhiều Nhà Khoa học chỉ ra rằng có những Không Thời
gian cho phép Du hành theo Thời gian. Một Không Thời gian như vậy là Không
Thời gian chứa hai Dây Vũ trụ, chuyển động đi qua nhau với vận tốc cực lớn.
Khi này nghiệm của Gödel, Không Thời gian Dây Vũ trụ ở thời điểm xuất phát bị uốn
cong mạnh đến mức khiến cho việc Du hành theo Thời gian vào Quá khứ và đến
Tương lai là hoàn toàn có thể.
Một Không Thời gian thứ hai, Không Thời gian bên trong Lỗ
sâu đục. Hãy tưởng tượng, từ Trái đất tới sao Alpha, có một khoảng cách là hai
mươi triệu triệu miles. Không Thời gian bị bẻ cong. Có thể tồn tại một Lỗ sâu đục,
dẫn từ vùng lân cần Hệ Mặt trời tới sao Alpha. Độ dài của Lỗ sâu đục cỡ gần một
triệu miles. Du hành theo Thời gian qua Lỗ sâu đục như vậy nhanh hơn nhiêu lần
khi vượt qua khoảng cách hai mươi triệu triệu miles, khoảng cách thông thường của
Trái đất tới sao Alpha.
Stephen Hawking, nói rằng: "Khả năng Du hành theo Thời
gian vẫn còn bỏ ngỏ. Nhưng tôi sẽ không cá cược về chuyện này. Vì đối thủ của
tôi có một lợi thế bất công là đã biết Tương lai". Là một Nhà Khoa học,
ông rất tỉnh táo trong chuyện cá cược!
5. Thế giới Hạ nguyên tử.
Một chiều khác, gần như là ngược lại với những Lỗ đen, Big
Bang và sự to lớn của Vũ trụ, là thế giới của vi mô, thế giới của nguyên tử. Từ
thời Hy lạp cổ đại, người ta đã có khái niệm về atom là Nguyên tử, đó là
phần vật chất nhỏ nhất, không thể phân chia. Sai lầm này trải qua hơn hai ngàn
năm. Năm 1930, nhóm các Nhà Khoa học gồm có J. J. Thomson, Ernest Rutherford,
Niels Bohr và James Chadwick đã đưa ra mô hình Nguyên tử giống như Hệ Mặt trời.
Nó được cấu thành từ Hạt nhân, gồm có hạt proton và hạt notron,
Hạt nhân này được vây quanh bởi nhiều electron chuyển động vòng
quanh.
Rồi vào năm 1968, tạt Trung tâm nghiên cứu Stanford Linear
Accelerator, các Nhà Khoa học đã thấy rằng các hạt proton và notron cũng không
phải là các hạt cơ bản. Mỗi hạt này lại chứa ba hạt nhỏ hơn, được gọi là quark.
Quark, một cái tên kỳ lạ được đặt theo cuốn Finnegans Wake của tác giả Murray
Gell-Mann, trong đó ông đã tiên đoán sự tồn tại của hạt này!
Thế rồi, cũng các Nhà Khoa học này, qua các thực nghiệm đã khẳng
định rằng, bản thân hạt quark cũng được chia làm hai loại, được đặt một cái tên
rất thiếu sáng tạo là quark trên và quark dưới(!) Như vậy, một hạt
proton được cấu tạo bởi hai hạt quark trên và một hạt quark dưới; một hạt
notron được cấu tạo bởi hai hạt quark dưới và một hạt quark trên.
Năm 1950, Frederick Reines và Clyde Cowan tìm được bằng chứng
thực nghiệm về sự tồn tại của một hạt cơ bản khác, gọi là notrino. Điều kỳ
diệu, cách đó hai mươi năm, đầu năm 1930, Wolfgang Pauli đã phỏng đoán về sự tồn
tại của hạt này! Đây là một loại hạt khá ma quái, hiếm khi tương tác với vật chất,
nó dễ dàng chuyển động xuyên qua lớp than chì dày nhiều ngàn tỷ miles, mà không
hề ảnh hưởng tới chuyển động của nó.
Một loại hạt khác, khá vô dụng, vì trong Vũ trụ không có bất
cứ thứ gì cần đến nó, đó là hạt muon. Muon nặng gấp 200 lần so với
electron. Muon do Nhà Vật lý học Isidor Isaac Rabi khám phá, ông đã chua chát
phát biểu khi nhận giải Nobel: "Muon, ai cần mày cơ chứ?" Tuy thế, nó
thực sự tồn tại!
Kỹ thuật phát triển, các Nhà Vật lý tiếp tục mở rộng danh sách
các hạt vật chất, đó là các hạt quark khác: quark hút, quark đẩy, quark
đáy và quark đỉnh; và một hạt anh em với electron nhưng có khối lượng
lớn hơn, gọi là hạt tau. Ngoài ra còn có hai loại hạt khác nữa là muon-notron và tau-notron.
Nhưng rồi câu chuyện vẫn chưa kết thúc, mỗi một trong số các
hạt kể trên có một phản hạt, có khối lượng bằng với khối lượng của hạt,
nhưng điện tích thì ngược chiều. Khi tương tác với nhau, hạt và phản hạt có thể
triệt tiêu nhau để tạo ra năng lượng. Chính vì thế trong Vũ trụ có rất ít phản
hạt tư nhiên.
Ngày nay các Nhà Vật lý đã khảo sát được kết cấu vật chất ở mức
độ một phần tỷ tỷ của một mét (!) và cho thấy rằng Vạn vật, dù tự nhiên hay nhân
tạo, đều được cấu thành từ sự kết hợp của các loại hạt, thuộc về 3 tộc hạt.
Tộc thứ nhất trong ba 3 tộc hạt này, bao gồm các hạt: electron, có khối lượng
0,00054; electron-notrino có khối lượng <10(-8); quark trên, có khối lượng
0,0047 và quark dưới, có khối lượng 0,0074. Tộc thứ hai, bao gồm các hạt: muon,
có khối lượng 0,11; muon-notrino, có khối lượng <0,0003; quark hút, có khối
lượng 1,6 và quark đẩy, có khối lượng 1,6. Tộc thứ ba, bao gồm các hạt: tau, có
khối lượng 1,9; tau-notrino, có khối lượng <0,033; quark đỉnh, có khối lượng
189 và quark đáy, có khối lượng 5,2.
Chắc rằng kết quả vẫn không dừng ở đây.
6. Các Lực trong Tự nhiên.
Vạn vật được cấu thành từ các loại hạt, bản chất của sự cấu
thành là do tương tác của các lực. Các vì sao, Mặt trời và Trái đất chuyển
động cũng là do sự tương tác của các lực. Lực tương tác trong thế giới vĩ mô
là Lực Hấp dẫn. Lực tương tác trong thế giới Hạ nguyên tử là các Lực
Điện từ, Lực yếu và Lực mạnh.
Lực Hấp dẫn là lực khá quen thuộc. Khối lượng của một vật tượng
trưng cho mức độ lực hấp dẫn tác động lên nó. Lực điện từ có trong các Trang
thiết bị hiện đại: bóng đèn, máy vi tính, truyền hình,... và tiềm ẩn trong các
cơn bão. Lực Điện từ mạnh hơn Lực Hấp dẫn (của chúng) khoảng một triệu tỷ tỷ tỷ
tỷ lần, bốn mươi hai số không sau số một! Lực mạnh, Lực yếu là hai loại Lực
nguyên tử. Lực mạnh giúp các hạt quark dính vào nhau trong hạt proton và hạt
notron; và giúp hạt proton và hạt notron ép chặt vào nhau trong Hạt nhân Nguyên
tử. Lực yếu là lực gây ra sự phân rã phóng xạ, và chi phối cũng phản ứng tổng hợp
hidro, một phản ứng quan trọng tạo ra năng lượng trong Mặt Trời. Lực mạnh mạnh
hơn một trăm lần Lực điện từ, và mạnh hơn một ngàn lần lực yếu. Lực yếu không
phải là lực yếu nhất, lực yếu nhất là Lực Hấp dẫn, nó yếu hơn các lực khác khoảng
triệu tỷ tỷ tỷ tỷ lần. Lực Hấp dẫn cực kỳ yếu.
Như vậy, Vũ trụ hiện hữu là do được cấu thành từ các loại hạt,
bản chất liên kết của sự cấu thành đó là do tương tác của các loại Lực.
7. Hạt của Chúa.
Mỗi lực trong Tự nhiên có quan hệ với một loại hạt cơ bản, để
truyền lực đó. Lực Điện từ và hạt photon. Lực mạnh và hạt gluon. Lực
yếu và hạt boson yếu. Lực hấp dẫn cũng sẽ có một hạt tương ứng với nó. Hạt
này có thể gọi là hạt graviton. Năm 1960, Nhà vật lý người Anh Peter
Higgs, đưa ra lý thuyết về Trường Higgs. Lý thuyết này, giả thiết rằng có một dạng
lưới phủ đầy Vũ trụ, trong đó tồn tại một hạt, cũng có thể là một tập hợp hạt,
mà chúng có thể tạo ra những hạt có khối lượng khác. Hạt đó, các nhà khoa học đặt
tên cho nó là hạt Higgs.
Hạt Higgs còn được gọi là hạt của Chúa, vì tầm quan trọng
của nó trong vụ nổ Big Bang cách đây 15 tỷ năm. Hạt Higgs nếu tồn tại sẽ chứng
tỏ được sự tồn tại của vật chất tối (được cho là chiếm đến 3/4 vật chất trong
vũ trụ). Vì Lực Hấp dẫn cực kỳ yếu, nên thật sự là khó khăn trong thực nghiệm để
xác định loại hạt này.
Ngày 4 tháng 7 năm 2012, các nhà vật lý học tại Tổ chức
Nghiên cứu Nguyên tử Châu Âu (CERN) đã nhận ra sự tồn tại của một hạt có những
đặc tính "thích hợp với hạt Higgs", xác suất rằng dấu hiệu không phải
do nó chỉ tới 0,00003% (tức 5 độ lệch); tuy nhiên, các nhà khoa học hạt vẫn cần
phải xác nhận rằng sự quan sát này do hạt Higgs thay vì một boson bất ngờ chưa
được khám phá.
Việc khám phá hạt Higgs, sẽ là một đóng góp to lớn, nó phủ
kín khoảng trống của Mô hình Chuẩn và hoàn thiện Lý thuyết Hạt.
8. Không chỉ Ánh sáng mà Hạt vật chất cũng là sóng.
Ánh sáng là sóng hay là hạt, chủ đề tranh luận này bắt đầu từ
Newton và đồng nghiệp người Hà Lan của ông là Christian Huygens. Nhưng phải chờ
đến thử nghiệm của Nhà Vật lý học người Anh, tên là Thomas Young, vào năm 1800,
mới rõ ràng. Sau đó quan điểm về sóng ánh sáng trở nên thịnh hành và được khảng
định bởi lý thuyết toán học của Maxwell. Tuy vậy sóng hay hạt cũng không dừng với
Ánh sáng, mà chuyển sang cả đối với các hạt vật chất.
Có lẽ phải kể đến người đầu tiên là Niel Bohr, rồi đến Louis
de Broglie. Lấy cảm hứng từ Thuyết Tương đối Đặc biệt, Broglie đề xuất rằng, lưỡng
tính sóng - hạt được áp dụng không những cho Ánh sáng mà còn cho cả vật chất.
Trong phương trình nổi tiếng của mình, Einstein đã liên kết khối lượng với năng
lượng; Planck đã liền kết năng lượng với tần số sóng; thế nên, theo Broglie khối
lượng cũng phải chứa thứ giống như sóng. Thật là lãng mạn. Einstein lập tức đồng
ý với ý tưởng của Broglie, vì nó là sự đóng góp đẹp đẽ và tao nhã về mối quan hệ
của Thuyết Tương đối với Lượng tử. Thực ra, giữa năm 1920, Clinton Davisson và
Lester Germer đã có những thí nghiệm bắn tia electron, kết quả chứng tỏ rằng mỗi
hạt electron đều mang đặc tính giống như sóng kết hợp với đặc tính giống như hạt!
Thí nghiệm này thực hiện bằng cách bắn chùm hạt electron, hoặc bắn từng hạt qua
một màn chắn có hai khe hở, hướng vào một màn chắn mạ photpho. Họ cũng nhận được
hiện tượng giao thoa, như thí nghiệm của Young đối với Ánh sáng.
Nhưng Sóng là gì? Nhà Vật lý người Áo, tên là Erwin
Schrodinger đề xuất: sóng xảy ra sau khi các hạt electron bị đập vỡ. Giả thiết
này nhiều người thấy rằng không ổn, Einstein là một trong số đó. Sau đó
Schrodinger, Broglie và Bohr đã đưa khái niệm Ngẫu nhiên vào trong đặc tính giống
như sóng. Tuy vậy Richard Freynman, Nhà Vật lý lý thuyết, người luôn ủng hộ yếu
tố Ngẫu nhiên của Cơ học Lượng tử, lại vẫn thiên về đặc tính giống như hạt và
ông đưa ra một lối suy nghĩ mới về Học thuyết này. Đó là phương pháp tiếp cận Tổng
hướng Cơ học Lượng tử. Một hạt electron đồng thời chuyển động theo nhiều hướng!
Nghe như rất vô lý. Nhưng thực nghiệm và tính toán lý thuyết cho ra kết quả giống
nhau. Chính Freynman cũng phải phát biểu rằng: "Cơ học Lượng tử mô tả thế
giới tự nhiên một cách vô lý so với kết quả thông thường. Nhưng nó hoàn toàn
phù hợp với thực nghiệm. Mong rằng chúng ta hãy chấp nhận Tự nhiên theo đúng sự
thật về nó, dù nó ngớ ngẩn và vô lý". Thật là một kết luận duyên dáng.
9. Sự huyền bí và lãng mạn của Cơ học Lượng tử.
Nếu như Thuyết Tương đối Đặc biệt và Thuyết Tương đối Tổng
quát đã buộc Nhân loại phải thay đổi quan điểm khi mọi vật chuyển động nhanh và
có khối lượng lớn; thì Cơ học Lượng tử cho thấy rằng Vũ trụ có những đặc tính kỳ
lạ, khi chúng ta tìm hiểu về thế giới Hạ nguyên tử. Thực tế đã cho thấy, trong
mức độ Nguyên tử và Hạ nguyên tử, Vũ trụ đã vận hành theo những cách thức kỳ lạ,
mà tư duy logic của con người, nhiều khi đã không thể hiểu thấu hoàn toàn về những
điều đang thực sự xảy ra. Trong Cơ học lượng tử, có những khái niệm cơ bản mà
chúng ta luôn quan niệm là đúng, nhưng khi áp dụng vào thế giới của Hạ nguyên tử,
thì lại trở thành vô nghĩa và ngớ ngẩn!
Cốt lõi của Cơ học Lượng tử là Nguyên lý Bất định, hay
còn gọi là Nguyên lý Ngẫu nhiên, được khám phá bởi Nhà Vật lý người Đức, tên là
Werner Heisenberg. Cũng là người Đức, Nhà Vật lý học có tên là Max Planck, người
đưa tia sáng đầu tiên vào Cơ học Lượng tử, và cũng đặt ra giới hạn cho nó, đó
là một thông số vô cùng quan trọng: Hằng số Planck.
Trong Vũ trụ, chúng ta đã thường nghĩ: Vật thể có hai yếu tố
rất cơ bản: Vị trí xác định và Vận tốc xác định. Nguyên lý Bất định cho rằng
không phải như vậy, đó là hai yếu tố giả tạo, không thể xác định được chính xác
cùng lúc hai yếu tố cơ bản này. Hằng số Planck, hệ số này kiểm soát sức mạnh của
Hiệu ứng Lượng tử và sự yếu ớt của Lực Hấp dẫn, đã dẫn đến một giá trị, là Bức
tường Planck, hay còn gọi là Độ dài Planck. Vấn đề là, độ dài này nhỏ bé đến mức
vượt ngoài trí tưởng tượng của con người, một phần triệu của một phần tỷ của một
phần tỷ centimet, tức là có 33 số 0 sau dấu phẩy đứng trước số 1. Nó đã thực sự
trở thành Bức tường.
Bất định và Ngẫu nhiên là thuộc tính, vô cùng bé của Hằng số
Planck là Bức tường giới hạn. Điều đó đã dẫn đến xung đột lớn nhất, khi những
hiểu biết cơ bản về Lượng tử được áp dụng vào cho Kết cấu Không Thời gian đã
không thể hoàn thiện được Bức tranh Vũ trụ, khi xét đến Lực Hấp dẫn. Đó cũng
chính là mẫu thuẫn lớn nhất giữa Thuyết Tương đối Đặc biệt và Thuyết Tương đối
Tổng quát với Học thuyết Cơ học Lượng tử.
10. Học thuyết Chuỗi, Không Thời gian Đa chiều.
Hơn ai hết, Einstein là người hiểu rõ nhất sự Bất đồng về lý
thuyết và cả thực nghiệm giữa Thế giới Vĩ mô và Thế giới Hạ Nguyên tử. Ông đã
có một ước mơ lãng mạn khác: Học thuyết Hợp nhất các Trường. Ông đã dành cho
hơn ba mươi năm để thực hiện ước mơ này. Nhưng ông đã dang dở. Ngày nay, hơn nửa
thế kỷ sau, nhiều Nhà Khoa học tin rằng Chén Thánh của Vật lý học hiện đại đã
xuất hiện, để hợp nhất các Trường: Học thuyết Chuỗi. Năm 1986, Nhà Vật
lý trẻ, Gabriele Veneziano, dùng hàm số beta Euler, mô tả đặc tính của hạt
tương tác mạnh. Một công thức không có lời giải thích. Sau đó 1970, Yoichiro
Nambu, Holger Nielsen va Leonard Susskind đã tìm ra bí mật ẩn sau công thức
này. Các Nhà Vật lý đã cho thấy rằng, nếu lập mô hình các hạt cơ bản như các
Chuỗi một chiều, chiều cực nhỏ và dao động, thì tương tác hạt nhân giữa chúng
có thể mô tả chính xác bởi hàm Euler. Năm 1974, Schwarz và Joel Scherk, thuộc
Viện Nghiên cứu Ecole Normale Superieure, sau khi nghiên cứu mô hình giống như
hạt đưa tin của Chuỗi dao động, họ thấy rằng các đặc tính của nó phù hợp với hạt graviton,
hạt giả định của Lực Hấp dẫn.
Năm 1984 Nhà Vật lý Michael Green và John Schwarz đã cung cấp
bằng chứng thuyết phục chứng minh rằng Lý Thuyết Chuỗi có thể giải quyết được
xung đột giữa Cơ học Lượng tử và Thuyết Tương đối. Họ cho rằng học thuyết này
có khả năng xử lý được tất cả 4 loại lực và mọi loại Vật chất.
Năm 1995, Edward Witten đã có một bài thuyêt trình gây choáng
váng cho giới Vật lý, tại đại học Nam California. Khi ông chứng minh rằng số
chiều Không Thời gian, theo Lý thuyết Chuỗi, là con số 11!
Quan niệm cơ bản đầu tiên của Học thuyết Chuỗi, là: Các hạt
cơ bản chưa phải là cơ bản. Nếu có thể khảo sát các hạt này ở mức độ chi tiết
hơn, mức độ chi tiết vượt ra ngoài khả năng của công nghệ hiện đại ngày nay, hạt
cơ bản sẽ không phải là một chấm, mà là một Chuỗi. Chuỗi này, có thể là một
vòng nhỏ một chiều và luôn luôn dao động.
Dù là hạt muon, hạt quart, hạt electron,... tất cả các loại hạt,
mỗi hạt có một số thông số nhất định, có một số thuộc tính nhất định. Những
thông số này, những thuộc tính này, được phản ánh qua phương cách của Chuỗi;
phương cách của Chuỗi được phản ánh qua các đặc trưng của dao động. Các hạt có:
các Lực trong tự nhiên, điện tích, khối lượng,... được phản ánh qua phương cách
của Chuỗi, qua các đặc trưng của dao động. Mở rộng ra, Kết cấu Vi mô của Vũ trụ
sẽ là một mê cung Đa chiều xoắn. Trong đó các Chuỗi không ngừng dao động và quấn
lại với nhau. Vũ trụ được vận hành nhịp nhàng từ các dao động của Chuỗi. Các đặc
trưng của dao động bao gồm: Tần số (Chu kỳ là biểu diễn khác của tần số), Biên
độ dao động và các mode dao động cơ bản,...
Quan điểm cơ bản thứ hai là việc phát triển Hình học Lượng
tử. Hình học Reimann, do Georg Bernhardt Reimann phát triển từ thế kỷ 19, là
Hình học thoát ly khỏi những khái niệm phẳng của Hình học Euclide. Einstein đã
nhận thấy rằng Toán học trong hình học Reimann tương thích hoàn toàn với Vật lý
Hấp dẫn. Nhưng với độ dài Planck thì điều tương thích này không còn. Năm 1919,
một Nhà Toán học người Balan, Theodor Kaluza đề xuất Vũ trụ không chỉ có 3 chiều
Không gian, có thể có nhiều hơn thế. Năm 1929, Nhà Toán học người Thụy điển,
Oskar Klein, phát biểu rằng Kết cấu Không gian Vũ trụ có thể vừa có những chiều
mở rộng vừa có những chiều xoắn. Các chiều xoắn thường có kích thước nhỏ hơn rất,
rất nhiều lần so với các chiều mở. Vũ trụ dường như có nhiều chiều hơn so với
những gì mắt con người có thể nhìn thấy.
Hình học các chiều Không gian bị xoắn, hay gọi là Không gian
Phụ quyết định thuộc tính Vật lý cơ bản, chẳng hạn: khối lượng hạt, điện tích hạt
mà đã quan sát được trong Không gian ba chiều thông thường. Đó chính là Ý nghĩa
Vật lý của các chiều Không gian Phụ.
11. Học Thuyết M, Học thuyết Tối thượng?
Giữa năm 1990, Edward Witten bằng những tính toán của mình,
và kết hợp các công trình nghiên cứu của Michael Duff (đại học Texas A&M),
của Chris Hull và Paul Townsend (đại học Cambridge), đã kết luận rằng có thể mô
tả Vũ trụ bằng 10 chiều Không gian và 1 chiều Thời gian. Trong đó có 3 chiều
Không gian mở và 7 chiều Không gian bị xoắn. Năm 1995 tại Đại học Nam
California, ông đã công cố kết quả này. Một cột mốc của lịch sử phát triển Vật
lý hiện đại.
Mười một chiều, Không Thời gian mười một chiều. Witten tạm thời
đặt tên nó là Học thuyết M. Có thể hiểu nó là Học thuyết Bí ẩn (Mystery), Học
thuyết Mẹ (Mother), Học thuyêt Màng (Membrane) hoặc Học thuyết Ma trận
(Matrix).
Dù đến nay, vẫn chưa có thể hiểu hết những đặc điểm cơ bản của
nó. Nhũng nó có hai điều cơ bản. Thứ nhất, Học thuyết M có mười một chiều, 10
chiều Không gian và 1 chiều Thời gian. Trong đó có 3 chiều Không gian mở và 7
chiều Không gian bị xoắn. Thứ hai, cấu trúc cơ bản của vật chất không phải là
các Hạt cơ bản, mà nhỏ hơn nữa. Thành phần nhỏ hơn nữa này, có thể là những Chuỗi
(một chiều) đặc trưng bởi dao động. Thành phần nhỏ hơn này, cũng có thể là Màng
hai chiều, hoặc yếu tố ba chiều và nhiều thành phần khác. Tất cả các thành phần
nhỏ hơn này, các thuộc tính của nó được phản ánh qua các đặc trưng của dao động.
12. Kết.
Các chiều của không - thời gian, các lực trong tự nhiên, Cấu
trúc cơ bản của vật chất, đó là ba nội dung lớn nhất, ba chủ đề quan trọng nhất.
Trên đây, là tất cả những gì cơ bản nhất, hàng ngàn năm qua, thế giới nhận thức
của nhân loại đã tích tụ được. Dãy núi tri thức này, dãy núi trí tuệ này, sẽ
không dừng ở đây, sẽ còn nhiều đỉnh núi sáng tạo nữa xuất hiện. Thế giới nhận
thức sẽ còn phát triển. Thế giới nhận thức của nhân loại chỉ hoàn thiện khi
toàn thể nhân loại đi vào niết bàn, hoặc vũ trụ bước vào thời điểm tận thế.
Không, Thế giới thực tại vô cùng huyền bí, vô cùng linh thiêng; Thế giới nhận
thức sẽ còn rất đẹp và rất lãng mạn. Chưa thể, chưa thể có một học thuyết nào gọi
là tối thượng. Nó có thể là tối thượng hôm nay, nhưng không thể là tối thượng
vào ngày mai. Ngày mai, sẽ có những học thuyết tối thượng hơn.
Xin đa tạ tất cả những con người khổng lồ, xin đa tạ tất cả
những bộ óc vĩ đại, xin đa tạ những tâm hồn lãng mạn, xin đa tạ những ý tưởng
sáng tạo. Những thành quả khoa học và công nghệ đã không chỉ mang đến một cuộc
sống phồn thịnh của ngày hôm nay; mà nó còn mang đến sự tao nhã, sự hấp dẫn và
những cung bậc nhiều chiều,... trong mắt của mỗi người khi nhìn lên bầu trời,
khi ngắm cảnh Hoàng hôn, khi thưởng thức làn hương thoang thoảng của bông hoa
ven đường... Cuộc sống màu sắc hơn, hương vị hơn,... khi hiểu về những gì trước
đó, về những gì sẽ sau đó, về những gì nó chuyển động, về những gì nó tương
tác,... Tôi, bạn, tất cả chúng ta, tất cả nhân loại xin cúi đầu biết ơn.
Việc tóm tắt và giới thiệu những đỉnh núi sáng tạo và những
con người khổng lồ, không chỉ dừng lại ở việc ngợi ca, không chỉ dừng lại ở việc
chiêm ngưỡng sự hùng vĩ; không, không chỉ như vậy. Tôi còn rất muốn từ đó, cùng
bạn và chúng ta đi vào một chiều kích khác. Thám hiểm những đỉnh núi khác và những
con người Khổng lồ có thể là bạn, là tôi, là tất cả chúng ta. Một chiều kích linh thiêng.
7/7/2012
Minh Đạt
Minh Đạt
Theo http://www.daophatngaynay.com/
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét