Giải Nobel vật lý 2008

Giải Nobel vật lý 2008

Phạm Xuân Yêm

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. Cùng với máy gia tốc hạt đầu tàu thế giới LHC ở CERN vừa khởi động chưa đến tháng nay¹, giải Nobel này, một trong những thành tựu tuyệt vời của vật lý lượng tử ở lĩnh vực thuộc biên giới của tri thức nhân loại đang nóng bỏng, làm nức lòng những nhà khoa học đang theo đuổi những công trình lý thuyết hạt cơ bản.

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.

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 v�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.

Makato Kobayashi	Toshihide Maskawa	Yoichiro Nambu

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 v�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 l�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 xảy 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 ray. 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 xứng 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).

-----------------

¹http://www.thesaigontimes.vn/epaper/TB-KTSG/So39-2008(927)/19902/, trong bài này, người viết có giới thiệu Nambu trong phụ chú 3, lỗi typo nhầm là Nambu có giải Nobel mà sau đó tác giả cải chính !
http://www.diendan.org/khoa-hoc-ky-thuat/co-cau-van-vat/

²http://amvc.free.fr/Damvc/Mai%20Ninh/TruyenNgan/HatDienCoDon%20-%20MN%20unicode.htm