LƯỢC SỬ THỜI GIAN
(A Brief History of Time)
Tác Giả:-Steven Hawking - Dịch Giả:-Thích Viên Lý
Viện Triết Lý Việt Nam và Triết Học Thế Giới, USA

CHƯƠNG 5
NHỮNG HẠT CƠ BẢN VÀ CÁC LỰC THIÊN NHIÊN

Aristotle tin rằng mọi vật chất trong vũ trụ được tạo thành bởi bốn thành phần căn bản là đất, không khí, lửa, và nước. Những thành phần này bị tác động bởi hai lực: hấp lực, là khuynh hướng khiến đất và nước chìm xuống, và phù lực, là khuynh hướng khiến không khí và lửa bay lên. Sự phân chia các thành phần của vũ trụ thành vật chất và các lực vẫn còn được sử dụng ngày nay.

Aristotle tin rằng vật chất có tính cách liên tục, nghĩa là, người ta có thể chia một mẩu vật chất thành những mẩu càng ngày càng nhỏ hơn mà không có một giới hạn nào: người ta không bao giờ đi tới một hạt vật chất mà không thể phân chia được nữa. Tuy nhiên, một vài người Hy Lạp, như Democritus, cho rằng vật chất tự nó là hạt và rằng mọi vật được tạo thành bởi những con số lớn lao các loại nguyên tử khác nhau. (Trong tiếng Hy Lạp chữ nguyên tử có nghĩa là "không thể phân chia.") Trong bao nhiêu thế kỷ, sự tranh luận tiếp tục mà không có bằng chứng thực sự nào ở mọi phe, nhưng năm 1803 nhà hóa học kiêm vật lý người Anh, John Dalton, đã vạch ra rằng sự kiện các chất tổng hợp hóa học luôn luôn kết hợp theo những tỉ lệ nào đó có thể được giải thích bằng cách gom những nguyên tử lại để làm thành những đơn vị gọi là phân tử. Tuy nhiên, cuộc tranh luận giữa hai trường phái tư tưởng đã không được giải quyết dứt khoát nghiêng về những người theo thuyết nguyên tử cho tới những năm đầu của thế kỷ 20. Một trong những công trình quan trọng về bằng chứng vật lý đã được cung cấp bởi Einstein. Trong một tài liệu được viết vào năm 1905, một vài tuần trước khi có tài liệu nổi tiếng về thuyết tương đối đặc biệt, Einstein đã vạch ra rằng điều được gọi là chuyển động Brown – chuyển động không đều, bất kỳ của những hạt bụi nhỏ lơ lửng trong một chất lỏng – có thể được giải thích như hậu quả của các nguyên tử của chất lỏng đụng chạm với các hạt bụi.

Vào lúc này đã có những nghi ngờ rằng những nguyên tử này rốt cuộc không phải là không phân chia được. Vài năm trước đó, J. J. Thomson, một giáo sư vật lý của trường Trinity College, Cambridge, đã chứng minh sự hiện hữu của một hạt vật chất, gọi là điện tử, có một khối lượng chưa tới một phần ngàn khối lượng của nguyên tử nhẹ nhất. Ông đã sử dụng một thiết bị hơi giống như một đèn hình TV ngày này: một sợi kim loại nóng đỏ phát ra các điện tử, và bởi vì những điện tử này có một điện tích âm, một điện trường có thể được sử dụng để gia tốc chúng về phía một tấm màn phủ lưu huỳnh. Khi chúng chạm vào màn, những chớp sáng đã được phát ra. Chẳng bao lâu người ta nhận thức rằng những điện tử này phải xuất phát từ bên trong chính các nguyên tử, và trong năm 1911 vật lý gia người Anh Ernest Rutherford cuối cùng đã chứng tỏ rằng những nguyên tử vật chất quả thật có một cơ cấu bên trong: chúng được cấu tạo bởi một cái nhân cực kỳ nhỏ bé, mang điện dương, quay chung quanh nhân là một số các điện tử. Ông đã suy luận ra điều này bằng cách phân tích đường lối trong đó các hạt ?, là những hạt mang điện tích dương phát ra bởi các nguyên tử có tính phát xạ, bị lệch đi khi chúng chạm vào các nguyên tử.

Lúc đầu người ta đã nghĩ rằng nhân của nguyên tử được cấu tạo bởi các điện tử và những con số khác nhau các hạt mang điện tích dương gọi là proton (chất tử), gốc tiếng Hy Lạp có nghĩa là "đầu tiên," bởi vì người ta tin rằng nó phải là đơn vị căn bản từ đó vật chất được cấu tạo. Tuy nhiên, trong năm 1932 một đồng nghiệp của Rutherford ở Cambridge, James Chadwick, khám phá ra rằng nguyên tử chứa một hạt khác, gọi là trung hòa tử, hầu như có cùng khối lượng với một proton nhưng không mang điện tích. Chadwick đã nhận được giải Nobel nhờ khám phá của ông, và được bầu làm viện trưởng Phân Khoa Gonville & Caius của Đại Học Cambridge (đây là phân khoa mà hiện nay tôi là một thành viên). Sau này ông đã từ chức viện trưởng vì những bất đồng ý kiến với các thành viên. Hồi đó đã có những tranh cãi gay gắt trong phân khoa kể từ khi một nhóm các thành viên trẻ hồi hương sau Đệ Nhị Thế Chiến đã bỏ phiếu loại trừ nhiều thành viên ra khỏi những chức vụ trong phân khoa mà họ đã giữ từ lâu. Điều này xẩy ra trước thời của tôi; tôi gia nhập phân khoa năm 1965 vào lúc sắp chấm dứt cuộc tranh chấp cay đắng, khi những bất đồng ý kiến đã buộc một viện trưởng được giải Nobel khác, Sir Nevill Mott, phải từ chức.

Cho tới hai mươi năm về trước, người ta đã nghĩ rằng các proton và trung hòa tử là những hạt "cơ bản," nhưng những thực nghiệm trong đó các proton được cho đụng chạm với với proton khác hoặc với các âm điện tử ở tốc độ cao cho thấy rằng thực ra chúng được cấu tạo bởi những hạt nhỏ hơn nữa. Những hạt này được gọi là quark bởi nhà vật lý Murray Gell-Mann của trường Caltech, người đã đoạt giải Nobel năm 1969 do công trình nghiên cứu của ông về những hạt này. Nguồn gốc của cái tên này là một câu trích dẫn khó hiểu từ tác phẩm của James Joyce: "Three quarks for Muster Mark!" Chữ quark đúng ra phải được phát âm giống như chữ "quart" (nhưng tận cùng bằng chữ k thay vì chữ t), nhưng người ta thường phát âm chữ này cùng một vần với chữ "lark."

Có một số những thay đổi khác nhau về các quark, người ta nghĩ có ít nhất sáu "mùi vị" mà chúng ta gọi là lên, xuống, kỳ lạ, mê hoặc, đáy, và đỉnh. Mỗi vị có ba "mầu" là đỏ, xanh lá cây và xanh dương. (Cũng nên nhấn mạnh rằng những từ ngữ này chỉ là những cái "nhãn hiệu": các quark nhỏ hơn nhiều so với độ dài sóng của ánh sáng nhìn thấy được và do đó không có màu nào cả trong ý nghĩa thông thường. Chỉ vì các nhà vật lý hiện đại dường như có nhiều phương cách giầu tưởng tượng hơn để đặt tên cho những hạt và những hiện tượng mới – họ không còn tự giới hạn vào tiếng Hy Lạp!) Một proton hoặc trung hòa tử được cấu tạo bởi 3 quark, mỗi quark có một màu. Một proton chứa hai quark lên và một quark xuống; một trung hòa tử chứa hai xuống và một lên. Chúng ta có thể tạo ra những hạt được cấu tạo bởi những quark kia (kỳ lạ, mê hoặc, đáy, và đỉnh), nhưng những hạt này có một khối lượng lớn hơn nhiều và sẽ hủy hoại rất nhanh thành các proton và các trung hòa tử.

Hiện chúng ta biết rằng cả các nguyên tử lẫn các proton và các trung hòa tử bên trong các nguyên tử đều có thể phân chia được. Do đó câu hỏi là: Cái gì thật sự là những hạt cơ bản, những viên gạch xây dựng căn bản từ đó mọi vật được cấu tạo? Bởi vì độ dài sóng của ánh sáng lớn hơn nhiều so với cỡ của một nguyên tử, chúng ta không thể hy vọng sẽ "nhìn" vào những thành phần của một nguyên tử theo cách thông thường. Chúng ta cần sử dụng một cái gì đó với một độ dài sóng nhỏ hơn nhiều. Như chúng ta đã thấy trong chương vừa rồi, cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng mọi hạt thực ra là những sóng, và rằng năng lượng của một hạt càng cao, độ dài sóng của sóng tương ứng càng nhỏ. Do đó câu trả lời tốt nhất mà chúng ta có thể đưa ra cho câu hỏi của chúng ta tùy thuộc vào chuyện chúng ta có trong tay một năng lượng hạt cao đến mức nào, bởi vì điều này quyết định chuyện một chiều dài nhỏ tới mức nào đểø chúng ta có thể nhìn. Các năng lượng hạt thường được đo bằng các đơn vị gọi là electron volt (điện tử thái). (Trong các thí nghiệm của Thomson với các điện tử, chúng ta đã thấy rằng ông sử dụng một điện trường để gia tốc các điện tử. Năng lượng mà một điện tử (electron) nhận được từ một điện trường 1 volt được gọi là một electron volt.) Trong thế kỷ 19, khi những năng lượng hạt duy nhất mà người ta biết cách sử dụng là những năng lượng thấp chừng một vài electron volt phát ra bởi những phản ứng hóa học như sự cháy. Người ta đã nghĩ rằng nguyên tử là đơn vị nhỏ nhất. Trong thí nghiệm của Rutherford, các hạt ? có năng lượng hàng triệu electron volt. Mới đây hơn, chúng ta đã biết cách sử dụng các điện từ trường để khiến cho các hạt có những năng lượng lúc đầu hàng triệu và rồi hàng ngàn triệu electron volt. Và do đó chúng ta biết rằng những hạt từng được cho là "cơ bản" hai mươi năm về trước thực ra được làm thành bởi những hạt nhỏ hơn. Liệu có thể những hạt này, khi chúng ta đạt tới những năng lượng còn cao hơn nữa, rồi ra cũng được thấy là được cấu tạo bởi những hạt còn nhỏ hơn nữa? Điều này đương nhiên có thể, nhưng chúng ta quả thật có vài lý do về lý thuyết để tin rằng chúng ta có, hoặc rất gần đạt tới, một sự hiểu biết về những viên gạch xây dựng tối hậu của thiên nhiên.

Sử dụng sự lưỡng tính sóng/hạt được thảo luận trong chương vừa rồi, mọi vật trong vũ trụ, kể cả ánh sáng và trọng lực, có thể được mô tả bằng các hạt. Những hạt này có một đặc tính gọi là số quay. Một cách để nghĩ về số quay là tưởng tượng những hạt như những con quay bông vụ nhỏ quay quanh một trục. Tuy nhiên, điều này có thể gây hiểu lầm, bởi vì cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng các hạt không có một trục được xác định rõ. Những gì số quay của một hạt thực sự cho ta biết là hạt trông giống như cái gì từ những hướng khác nhau. Một hạt có số quay 0 giống như một cái chấm: nó trông giống nhau từ mọi hướng (H. 5.1-i). Mặt khác, một hạt có số quay 1 giống như một mũi tên: nó trông khác nhau từ những hướng khác (H. 5.1-ii). Chỉ khi người ta quay tròn nó trọn một vòng (360 độ) hạt mới trông giống. Một hạt có số quay 2 giống như một mũi tên có hai đầu (H. 5.1-iii): nó trông giống nhau nếu người ta quay tròn nó nửa vòng (180 độ). Tương tự, những hạt có số quay cao hơn trông giống nhau nếu người ta quay chúng theo những phân số của một vòng trọn vẹn. Tất cả điều này có vẻ khá dễ hiểu, nhưng sự kiện quan trọng là có những hạt không trông giống nhau nếu người ta quay chúng đúng một vòng: bạn phải quay chúng đủ hai vòng! Những hạt như vậy được gọi là có số quay 1/2.

Mọi hạt đã được biết trong vũ trụ có thể được phân chia thành hai nhóm: những hạt có số quay 1/2, làm thành vật chất trong vũ trụ, và những hạt có số quay 0, 1, và 2, như chúng ta sẽ thấy, gây ra các lực giữa những hạt vật chất. Những hạt vật chất tuân theo điều được gọi là nguyên tắc loại trừ của Pauli. Nguyên tắc này được khám phá vào năm 1925 bởi một vật lý gia người Áo, Wolfgang Pauli -- nhờ đó ông đã nhận được giải Nobel trong năm 1945. Ông là vật lý gia lý thuyết tiêu biểu: người ta đồn về ông rằng ngay sự có mặt của ông trong thành phố cũng làm cho các thực nghiệm trở thành sai lạc! Nguyên tắc loại trừ của Pauli nói rằng hai hạt tương tự không thể hiện hữu ở cùng trạng thái, nghĩa là, chúng không thể cùng có vị trí và tốc độ, bên trong các giới hạn theo nguyên tắc bất định. Nguyên tắc loại trừ rất quan trọng bởi vì nó giải thích tại sao các hạt vật chất không co rút lại thành một trạng thái có mật độ rất cao dưới ảnh hưởng của các lực gây ra bởi các hạt có số quay 0, 1, và 2: nếu các hạt vật chất gần như có cùng vị trí, chúng phải có những tốc độ khác nhau, có nghĩa là chúng sẽ không duy trì lâu ở cùng vị trí. Nếu thế giới đã được tạo ra mà không có nguyên tắc loại trừ, các quark sẽ không làm thành các proton, trung hòa tử riêng biệt. Những hạt này, cùng với các điện tử, cũng sẽ không hợp thành các nguyên tử được xác định rõ. Chúng sẽ đều suy sụp để thành một món "súp" khá đồng nhất, đậm đặc.

Một sự hiểu biết đúng đắn về các điện tử và những hạt có số quay 1/2 khác đã không đạt được cho tới năm 1928, khi một lý thuyết được đưa ra bởi Paul Dirac, người sau này đã được bầu vào chức vụ Giáo Sư Toán Học Hàm Lucasian tại Đại Học Cambridge (chức vụ mà Newton từng giữ và hiện tôi đang giữ). Lý thuyết của Dirac là loại lý thuyết đầu tiên phù hợp với cả cơ học lượng tử lẫn thuyết tương đối đặc biệt. Nó giải thích trên phương diện toán học tại sao điện tử đã có số quay 1/2, nghĩa là, tại sao nó đã không trông giống nhau nếu bạn chỉ quay nó một vòng, nhưng nó trông như cũ nếu bạn quay nó đủ hai vòng. Nó cũng tiên đoán rằng điện tử phải có một đồng bạn: một phản điện tử, hay positron (dương điện tử). Sự khám phá ra phản điện tử vào năm 1932 đã xác nhận thuyết của Dirac và đưa tới việc ông được tặng giải Nobel về vật lý năm 1933. Hiện giờ chúng ta biết rằng mọi hạt đều có một phản hạt, nếu hợp lại chúng triệt tiêu lẫn nhau. (Trong trường hợp những hạt mang lực, các phản hạt cũng chính là những hạt.) Có thể có những phản thế giới và phản con người trọn vẹn được cấu tạo bởi các phản hạt. Tuy nhiên, nếu bạn có gặp phản ngã của bạn, đừng bắt tay! Cả hai sẽ biến mất trong chớp mắt. Vấn đề tại sao có vẻ có nhiều hạt như vậy so với các phản hạt chung quanh chúng ta là điều vô cùng quan trọng, và tôi sẽ trở lại vấn đề này vào cuối chương.

Trong cơ học lượng tử, các lực hoặc các tương tác giữa các hạt vật chất tất cả đều được coi như được mang bởi những hạt có số quay là số nguyên -- 0, 1, hoặc 2. Điều phát sinh là một hạt vật chất, như một điện tử hoặc một quark, phóng ra một hạt mang lực. Sức giật lùi do sự phóng đi này thay đổi tốc độ của hạt vật chất. Hạt mang lực sau đó va chạm với một hạt vật chất khác và bị hấp thụ. Sự va chạm thay đổi tốc độ của hạt thứ nhì, như thể đã có một lực giữa hai hạt vật chất.

Đó là một tính chất quan trọng của các hạt mang lực khiến chúng không tuân theo nguyên tắc loại trừ. Điều này có nghĩa là không có giới hạn đối với con số có thể được trao đổi, và do đó chúng không thể làm phát sinh một lực mạnh. Tuy nhiên, nếu các hạt mang lực có một khối lượng cao, sẽ khó sản xuất và trao đổi chúng đối với những khoảng cách lớn. Như vậy các lực mà chúng mang sẽ chỉ có một tầm ngắn. Mặt khác, nếu các hạt mang lực không có khối lượng của chính nó, các lực sẽ có tầm xa. Các hạt mang lực được trao đổi giữa những hạt vật chất được coi như những hạt ảo bởi vì, không như những hạt "thật" chúng không thể được phát hiện trực tiếp bởi các dụng cụ phát hiện hạt. Tuy nhiên, chúng ta biết chúng hiện hữu, chúng quả thật có một hiệu ứng có thể đo được: chúng làm phát sinh những lực giữa những hạt vật chất. Các hạt có số quay 0, 1, hoặc 2 cũng hiện hữu trong vài trường hợp như những hạt thật, khi chúng có thể được phát hiện trực tiếp. Khi đó đối với chúng ta chúng có vẻ như là cái mà một vật lý gia cổ điển sẽ gọi là sóng, như sóng ánh sáng hoặc sóng trọng lực. Đôi khi chúng có thể được phát ra khi các hạt vật chất tương tác với nhau bằng cách trao đổi các hạt ảo mang lực. (Chẳng hạn, lực đẩy về điện giữa hai điện tử là do sự trao đổi giữa hai quang tử ảo, nó không bao giờ có thể được phát hiện trực tiếp; nhưng nếu một điện tử di chuyển ngang một điện tử khác, những quang tử thật có thể được phát ra, mà chúng ta phát hiện như những sóng ánh sáng.)

Những hạt mang lực có thể được xếp vào bốn loại tùy theo sức mạnh của lực mà chúng mang và những hạt mà chúng tương tác. Cũng nên nhấn mạnh rằng sự phân chia thành bốn loại chỉ có tính cách nhân tạo, thuận tiện để xây dựng các lý thuyết từng phần, nhưng nó có thể không phù hợp với bất cứ lý thuyết nào đi xa hơn. Cuối cùng, hầu hết các vật lý gia hy vọng tìm ra một lý thuyết thống nhất sẽ giải thích cả bốn loại lực như những hình thức khác nhau của một lực duy nhất. Thật vậy, nhiều người sẽ nói đây là mục tiêu chính của vật lý học ngày nay. Mới đây, người ta đã thành công trong những cố gắng để thống nhất ba trong số bốn loại lực -- và tôi sẽ mô tả những cố gắng đó trong chương này. Vấn đề thống nhất loại lực còn lại là trọng lực chúng ta sẽ để lại sau.

Loại thứ nhất là trọng lực. Loại lực này có tính cách phổ quát, nghĩa là, mọi hạt đều chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn, tùy theo khối lượng hay năng lượng của nó. Trọng lực là lực yếu nhất trong bốn loại lực; nó yếu đến độ chúng ta sẽ không nhận thấy nó nếu không nhờ hai tính chất đặc biệt mà nó có: nó có thể tác động trên những khoảng cách lớn, và nó luôn luôn thu hút. Điều này có nghĩa là những lực hấp dẫn rất yếu giữa những hạt riêng rẽ ở hai vật thể lớn, như trái đất và mặt trời, có thể cộng tất cả lại để sinh ra một lực đáng kể. Ba lực kia thì hoặc là có tầm ngắn, hoặc đôi khi hút đôi khi đẩy, do đó chúng có khuynh hướng triệt tiêu lẫn nhau. Trong cách nhìn của cơ học lượng tử đối với trọng trường, lực giữa hai hạt vật chất được hình dung như mang bởi một hạt có số quay 2 được gọi là graviton. Hạt này không có khối lượng riêng của nó, do đó lực nó mang có tầm xa. Trọng lực giữa mặt trời và trái đất được cho là gây ra sự trao đổi các graviton giữa những hạt làm thành hai vật thể này. Mặc dù những hạt được trao đổi là ảo, chúng chắc chắn có sinh ra một hiệu ứng có thể đo được -- chúng làm trái đất quay chung quanh mặt trời! Những graviton thật làm thành cái mà các vật lý gia cổ điển sẽ gọi là sóng trọng lực, chúng rất yếu -- và do đó khó được phát hiện đến độ chúng chưa bao giờ được quan sát.

Loại kế tiếp là lực điện từ, tương tác với những hạt mang điện tích như điện tử và quark, nhưng không tương tác với những hạt không mang điện như các graviton. Nó mạnh hơn nhiều so với trọng lực: lực điện từ giữa hai điện tử lớn hơn vào khoảng một triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu (số 1 với bốn mươi hai số 0 phía sau) lần so với trọng lực. Tuy nhiên, có hai loại điện tích, dương và âm. Lực giữa hai điện tích dương thì đẩy nhau, cũng như lực giữa hai điện tích âm, nhưng lực là một lực hút giữa một điện tích dương và một điện tích âm. Một vật thể lớn, như trái đất hoặc mặt trời, chứa những con số gần bằng nhau các điện tích dương và điện tích âm. Do đó các lực hút và đẩy giữa những hạt riêng biệt gần như triệt tiêu lẫn nhau, và có rất ít lực điện từ thuần. Tuy nhiên, trên những tầm mức nhỏ của các nguyên tử và các phân tử, các lực điện từ vượt trội lên. Sự hấp dẫn điện từ giữa các điện tử mang điện tích âm và các proton ở trong nhân mang điện tích dương khiến các điện tử quay chung quanh nhân của nguyên tử, giống như sự hấp dẫn của trọng lực khiến trái đất quay chung quanh mặt trời. Sự hấp dẫn về điện từ được hình dung như gây ra bởi sự trao đổi với con số lớn các hạt ảo không có khối lượng có số quay 1 gọi là các quang tử (photon). Một lần nữa, các quang tử được trao đổi là những hạt ảo. Tuy nhiên, khi một điện tử thay đổi từ một quỹ đạo cho phép tới một quỹ đạo khác gần với nhân hơn, năng lượng được phóng thích và một quang tử thật được phát ra -- có thể được quan sát như ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được, nếu nó có độ dài sóng thích hợp, hoặc bởi một dụng cụ phát hiện quang tử như phim chụp ảnh. Cũng vậy, nếu một quang tử thật va chạm với một nguyên tử, nó có thể đẩy một điện tử từ một quỹ đạo gần nhân tới một quỹ đạo xa hơn. Hiện tượng này tiêu thụ hết năng lượng của quang tử, do đó nó bị hấp thụ.

Loại thứ ba được gọi là "lực hạt nhân yếu," chịu trách nhiệm về sự phát xạ và tác động lên mọi hạt vật chất có số quay 1/2, nhưng không tác động lên các hạt có số quay 0, 1, hoặc 2, như các quang tử và graviton. Lực hạt nhân yếu đã không được biết rõ cho tới năm 1967, khi Abdus Salam tại trường Imperial College, Luân Đôn, và Steven Weinberg tại Harvard đều đưa ra các lý thuyết kết hợp sự tương tác này với lực điện từ, giống như Maxwell đã kết hợp điện và từ khoảng một trăm năm trước. Họ cho rằng cộng thêm với quang tử, có ba hạt có số quay 1 khác, được biết một cách tập thể như là các hạt boson (pha sắc tử), mang lực yếu. Những hạt này được gọi là W+ (đọc là W cộng), W- (đọc là W trừ), và Z? (đọc là W không), và mỗi boson có một khối lượng khoảng 100 GeV (GeV viết tắt của giga electron volt, hay một ngàn triệu electron volt). Thuyết Weinberg-Salam chứng tỏ một đặc tính được biết như là sự phá vỡ cân đối tức thì. Điều này có nghĩa là những gì có vẻ như một số những hạt hoàn toàn khác nhau ở năng lượng thấp thực ra tất cả đều thuộc về một loại hạt, chỉ là ở những trạng thái khác nhau. Ở năng lượng cao tất cả những hạt này tác động tương tự nhau. Hiệu quả hơi giống như trái banh ru-lét trên một bàn quay ru-lét. Ở các năng lượng cao (khi bàn quay quay nhanh) trái banh xử sự chính yếu chỉ theo một cách -- nó quay tròn, quay tròn. Nhưng khi bàn quay chậm lại, năng lượng của trái banh giảm, và cuối cùng trái banh rơi vào một trong 37 lỗ trên bàn quay. Nói cách khác, ở các năng lượng thấp có 37 tình huống khác nhau trong đó trái banh có thể có. Nếu, vì lý do nào đó, chúng ta chỉ có thể quan sát trái banh ở các năng lượng thấp, khi đó chúng ta sẽ nghĩ rằng có 37 loại banh khác nhau!

Trong lý thuyết Weinberg-Salam, ở những năng lượng lớn hơn 100 GeV, ba hạt mới và quang tử sẽ phản ứng một cách tương tự. Nhưng ở những năng lượng hạt thấp hơn xảy ra trong hầu hết các tình huống bình thường, sự đối xứng này giữa các hạt sẽ bị phá vỡ, W+, W-, và Z? sẽ nhận được những khối lượng lớn, khiến những lực mà chúng mang có một tầm rất ngắn. Vào thời Salam và Weinberg đưa ra lý thuyết của họ, ít có ai tin họ, và những máy gia tốc hạt đã không đủ mạnh để đạt tới những năng lượng tới 100 GeV cần thiết để sinh ra những hạt thật là W+, W-, hoặc Z?. Tuy nhiên, trong khoảng mười năm kế tiếp, những tiên đoán khác của lý thuyết ở các năng lượng thấp hơn đã phù hợp với thực nghiệm đến độ trong năm 1979, Salam và Weinberg đã được tặng giải Nobel vật lý, cùng với Sheldon Glashow, cũng ở Harvard, người đã đề xuất những lý thuyết thống nhất tương tự về các lực điện từ và hạt nhân yếu. Ủy ban Nobel đã tránh được sự bối rối là đã phạm sai lầm nhờ sự khám phá trong năm 1983 tại Trung Tâm Nghiên Cứu Hạt Nhân Âu Châu (CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) về 3 đồng bạn khổng lồ của quang tử, với những khối lượng và những đặc tính khác được tiên đoán đúng. Carlo Rubbia, người cầm đầu toán vài trăm vật lý gia thực hiện vụ khám phá, đã nhận được giải Nobel năm 1984, cùng với Simon van der Meer, kỹ sư tại CERN người đã phát triển hệ thống chứa phản vật chất đã được sử dụng. (Thật khó mà ghi được một thành tích trong ngành vật lý thực nghiệm ngày nay trừ phi bạn đã thuộc những người đứng hàng đầu!)

Loại thứ tư là "lực hạt nhân mạnh," giữ các quark lại với nhau trong proton (chất tử) và trung hòa tử, và giữ các proton và trung hòa tử với nhau trong nhân của một nguyên tử. Người ta tin rằng lực này được mang bởi một hạt có số quay 1 khác, gọi là gluon, chỉ tương tác với chính nó và với các quark. Lực hạt nhân mạnh có một đặc tính kỳ lạ gọi là giam giữ: nó luôn luôn kết hợp các hạt với nhau thành những tổ hợp không có màu. Người ta không thể có một quark duy nhất đứng riêng rẽ bởi vì nó sẽ có một màu (đỏ, xanh lá cây, hoặc xanh dương). Thay vào đó, một quark màu đỏ phải kết hợp với một quark màu xanh lá cây và một quark màu xanh dương bởi một "sợi dây" các gluon (đỏ + xanh lá cây + xanh dương = trắng). Một bộ ba như vậy hợp thành một proton hoặc một trung hòa tử. Một khả dĩ khác là một cặp gồm có một quark và một phản quark (đỏ + phản đỏ, hoặc xanh lá cây + phản xanh lá cây, hoặc xanh dương + phản xanh dương = trắng). Những tổ hợp như vậy làm thành những hạt được biết như là những meson (giới tử), là những hạt không bền bởi vì quark và phản quark có thể triệt tiêu lẫn nhau, tạo ra những điện tử và những hạt khác. Tương tự, sự giam hãm ngăn cản người ta có một gluon duy nhất đứng riêng rẽ, bởi vì các gluon cũng có màu. Thay vào đó, người ta có thể có một tập hợp những gluon có các màu cộng lại thành màu trắng. Một tập hợp như vậy từ một hạt không bền gọi là một glueball (trái banh keo).

Sự kiện rằng sự giam hãm ngăn cản người ta quan sát một quark hoặc gluon riêng rẽ có vẻ khiến toàn thể ý niệm về quark và gluon như những hạt phần nào có tính cách siêu hình. Tuy nhiên, có một tính chất khác của lực hạt nhân mạnh, được gọi là tự do tiệm cận, làm cho ý niệm về các quark và gluon được xác định rõ rệt. Ở những năng lượng bình thường, lực hạt nhân mạnh quả thật mạnh, và nó kết hợp các quark với nhau thật chặt. Tuy nhiên, những thí nghiệm với những máy gia tốc hạt lớn cho thấy rằng ở những năng lượng cao lực mạnh trở nên yếu hơn nhiều, và các quark và gluon phản ứng hầu như giống các hạt tự do. Hình 5.2 cho thấy một bức ảnh về một vụ va chạm giữa một proton năng lượng cao và phản proton. Vài quark hầu như tự do được sinh ra và phát sinh những "tia" đường đi như được thấy trong hình.

Thành công của sự thống nhất các lực điện từ và lực hạt nhân yếu đã đưa tới một số các cố gắng để phối hợp hai lực này với lực hạt nhân mạnh thành cái được gọi là một lý thuyết thống nhất lớn (grand unified theory, hay GUT). Cái tên này hơi phóng đại: các lý thuyết rút từ đó ra không phải đều lớn như thế, chúng cũng không phải hoàn toàn thống nhất, vì chúng không bao gồm trọng lực. Chúng cũng không phải thực sự hoàn toàn, bởi vì chúng chứa một số các thông số có các giá trị không thể tiên đoán được từ lý thuyết mà phải được lựa chọn để thích hợp với thực nghiệm. Tuy nhiên, chúng có thể là một bước tiến tới một lý thuyết thống nhất đầy đủ, hoàn toàn. Ý niệm căn bản của GUT như sau: như được đề cập ở trên, lực hạt nhân mạnh trở nên yếu hơn ở các năng lượng cao. Mặt khác, các lực điện từ và yếu không phải không tiệm cận, trở nên mạnh hơn ở các năng lượng cao. Ở một năng lượng thật cao nào đó, được gọi là năng lượng thống nhất lớn, ba lực này sẽ có cùng sức mạnh và do đó chỉ là những phương diện khác nhau của một lực duy nhất. Thuyết thống nhất lớn cũng tiên đoán rằng ở mức năng lượng này, những hạt vật chất có số quay 1/2 khác nhau, như các quark và các điện tử, cũng sẽ đều giống nhau về căn bản, như vậy là đạt được một sự thống nhất khác.

Trị giá của năng lượng thống nhất lớn không được biết tới nhiều, nhưng nó có thể phải ít nhất một ngàn triệu triệu GeV. Thế hệ hiện nay của các máy gia tốc hạt có thể làm va chạm các hạt ở các mức năng lượng khoảng một trăm GeV, và các máy đang được dự trù sẽ nâng tới vài ngàn GeV. Nhưng một máy đủ mạnh để gia tốc các hạt tới năng lượng thống nhất lớn sẽ phải lớn bằng Thái Dương Hệ -- và khó có thể được tài trợ trong không khí kinh tế hiện nay. Do đó không thể nào thí nghiệm các lý thuyết thống nhất lớn trực tiếp trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, cũng như trong trường hợp lý thuyết thống nhất điện từ và yếu, có những hậu quả ở mức năng lượng thấp của lý thuyết có thể thí nghiệm được.

Điều đáng lưu ý nhất của những hậu quả này là sự tiên đoán rằng các proton, làm thành phần lớn khối lượng của vật chất bình thường, có thể tức thì phân rã thành những hạt nhẹ hơn như các phản điện tử. Lý do khiến điều này có thể xảy ra là ở năng lượng thống nhất lớn không có sự khác biệt chính yếu giữa một quark và một phản điện tử. Ba quark bên trong một proton bình thường không có đủ năng lượng để biến thành các phản điện tử, nhưng trong trường hợp rất hiếm hoi một trong số chúng có thể nhận được đủ năng lượng để thực hiện việc chuyển tiếp bởi vì nguyên tắc bất định có nghĩa rằng năng lượng của các quark bên trong proton không thể hoàn toàn cố định. Proton khi đó sẽ suy đồi. Xác xuất để một quark nhận thêm đủ năng lượng thấp đến độ người ta có thể phải chờ đợi ít nhất một triệu triệu triệu triệu triệu năm (số 1 theo sau bởi ba mươi số không). Thời gian này dài hơn nhiều so với thời gian từ vụ nổ lớn, chỉ vào khoảng 10 ngàn triệu năm (số 1 theo sau bởi mười số không). Do đó người ta có thể nghĩ rằng sự khả dĩ xảy ra sự phân rã proton tức thì không thể được thử bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, người ta có thể gia tăng các cơ may phát hiện một sự phân rã bằng cách quan sát một số lượng lớn vật chất chứa một con số rất lớn các proton. (Nếu, chẳng hạn, người ta quan sát một số proton bằng 1 theo sau bởi 31 số không trong thời gian một năm, người ta sẽ hy vọng, theo thuyết thống nhất lớn đơn giản nhất, sẽ quan sát được hơn một proton phân rã.)

Một số những thí nghiệm như vậy đã được thực hiện, nhưng không có thí nghiệm nào cho bằng chứng rõ rệt là proton hoặc trung hòa tử phân rã. Một thí nghiệm đã sử dụng tám ngàn tấn nước và được thực hiện ở mỏ muối Morton ở Ohio (để tránh những sự kiện khác phát sinh, gây ra bởi những tia vũ trụ, có thể bị lầm với sự phân rã proton). Bởi vì không có sự phân rã proton tức thì nào đã được quan sát trong thí nghiệm, người ta có thể tính toán rằng đời sống có thể của proton phải lớn hơn mười triệu triệu triệu triệu triệu năm (số 1 với ba mươi số không). Thời gian này dài hơn đời sống tiên đoán bởi lý thuyết thống nhất lớn đơn giản nhất, nhưng có những lý thuyết phức tạp hơn trong đó đời sống tiên đoán dài hơn. Tuy vậy những thí nghiệm tinh vi hơn liên quan tới những lượng vật chất lớn lao hơn sẽ cần tới để thử nghiệm chúng.

Mặc dù rất khó quan sát sự phân rã proton tức khắc, có thể rằng chính sự hiện hữu của chúng ta là một hậu quả của tiến trình đảo ngược, sự sản xuất các proton, hay giản dị hơn, các quark, từ một tình trạng sơ khởi trong đó không có nhiều quark hơn phản quark, là phương cách tự nhiên nhất để tưởng tượng vũ trụ ra đời. Vật chất trên trái đất được cấu tạo chính yếu bởi các proton và trung hòa tử, chính những hạt này lại được cấu tạo bởi các quark. Không có các phản proton hoặc phản trung hòa tử, được làm thành từ các phản quark, trừ một số ít mà các vật lý gia sản xuất trong những máy gia tốc hạt cỡ lớn. Chúng ta có bằng chứng từ các tia vũ trụ rằng điều đó cũng đúng đối với mọi vật chất trong thiên hà của chúng ta: không có các phản proton hoặc phản trung hòa tử ngoài một số nhỏ được sản xuất như những cặp hạt/phản hạt trong những va chạm ở năng lượng cao. Nếu có những vùng rộng lớn gồm phản vật chất trong thiên hà của chúng ta, chúng ta sẽ trông đợi quan sát được những số lượng lớn sự phát xạ từ những biên giới giữa những vùng vật chất và phản vật chất, nơi nhiều hạt sẽ va chạm với những phản hạt của chúng, triệt tiêu lẫn nhau và phát ra những bức xạ năng lượng cao.

Chúng ta không có bằng chứng trực tiếp là liệu vật chất ở những thiên hà khác có được cấu tạo bởi các proton và trung hòa tử hoặc phản proton và phản trung hòa tử hay không, nhưng nó phải là loại này hay loại kia: không thể có một hỗn hợp trong một thiên hà duy nhất bởi vì trong trường hợp đó chúng ta sẽ lại quan sát được nhiều sự phát xạ và diệt trừ lẫn nhau. Do đó chúng ta tin rằng mọi thiên hà bao gồm những quark thay vì phản quark; có vẻ không thể có vài thiên hà bao gồm vật chất và một ít phản vật chất.

Vậy thì tại sao có nhiều quark như vậy so với phản quark? Tại sao mỗi loại không có những con số đồng đều? Chắc chắn may mắn cho chúng ta là những con số không bằng nhau bởi vì, nếu chúng giống nhau, gần như tất cả các quark và phản quark sẽ triệt tiêu lẫn nhau trong vũ trụ thời đầu và để lại một vũ trụ đầy những bức xạ mà khó có vật chất nào. Khi đó sẽ không có các thiên hà, các ngôi sao, hoặc những hành tinh trên đó đời sống con người có thể phát triển. May mắn thay, các lý thuyết thống nhất lớn có thể cung cấp một sự giải thích về chuyện tại sao vũ trụ hiện nay phải chứa nhiều quark hơn là phản quark, cho dù nó đã khởi đầu với những con số bằng nhau. Như chúng ta đã thấy, các thuyết thống nhất lớn cho phép các quark biến thành các phản điện tử ở năng lượng cao. Chúng cũng cho phép những tiến trình đảo ngược, phản quark biến thành điện tử, và các điện tử và phản điện tử biến thành phản quark và quark. Có một lúc ngay đúng lúc khởi thủy vũ trụ khi nhiệt độ nóng đến độ các năng lượng hạt sẽ đủ cao để những biến đổi này diễn ra. Nhưng tại sao lại đưa tới nhiều quark hơn là phản quark? Lý do là những định luật vật lý không hoàn toàn giống nhau đối với các hạt và phản hạt.

Cho tới năm 1956 người ta tin rằng các định luật vật lý tuân theo mỗi trong ba sự đối xứng riêng biệt gọi là C, P, và T. Sự đối xứng C có nghĩa là các định luật giống nhau đối với các hạt và phản hạt. Đối xứng P có nghĩa các định luật giống nhau đối với bất cứ tình trạng nào mà hình ảnh phản chiếu của nó (hình ảnh phản chiếu của một hạt quay theo chiều phải là một hình ảnh quay theo chiều trái). Đối xứng T có nghĩa là nếu bạn đảo ngược chiều chuyển động của tất cả các hạt và phản hạt, hệ thống sẽ trở lại tình trạng lúc đầu, nói cách khác, các định luật giống nhau trong các chiều đi tới và đi lui của thời gian.

Năm 1956 hai vật lý gia người Mỹ, Lý Chánh Đạo (Lee Tsung-Dao) và Dương Chấn Ninh (Yang Chen Ning), cho rằng lực yếu thực ra không tuân theo đối xứng P. Nói cách khác, lực yếu sẽ làm cho vũ trụ phát triển theo một hướng khác với chiều hướng trong đó hình ảnh phản chiếu của vũ trụ sẽ phát triển. Cũng trong năm đó, một đồng nghiệp, Chien-Shiung Wu, đã chứng tỏ sự tiên đoán của họ là đúng. Bà đã thực hiện điều này bằng cách xếp hàng các nhân của các nguyên tử phóng xạ trong một từ trường, để chúng tất cả đều quay theo một hướng, và đã chứng tỏ rằng các điện tử đã được phát ra theo một chiều này nhiều hơn theo chiều kia. Năm sau, Lee và Yang đã nhận được giải Nobel nhờ ý tưởng của họ. Người ta cũng đã thấy rằng lực yếu không tuân theo đối xứng C. Nghĩa là, nó sẽ làm cho một vũ trụ gồm những phản hạt cư xử khác so với vũ trụ của chúng ta. Tuy nhiên, có vẻ như lực yếu quả thật tuân theo đối xứng tổng hợp CP. Nghĩa là, vũ trụ sẽ phát triển giống như hình ảnh phản chiếu của nó nếu, thêm vào đó, mọi hạt đều được bọc bằng những phản hạt của chúng! Tuy nhiên, trong năm 1964, thêm hai người Mỹ, J. W. Cronin và Val Fitch, đã khám phá rằng trong sự phân rã một số hạt gọi là K-meson, ngay cả đối xứng CP cũng không được tuân theo. Năm 1980 Cronin và Fitch đã nhận được giải Nobel cho công trình của họ. (Nhiều giải đã được ban thưởng vì chứng tỏ rằng vũ trụ không phải đơn giản như chúng ta có thể đã nghĩ!)

Có một định lý toán học nói rằng bất cứ lý thuyết nào tuân theo cơ học lượng tử và thuyết tương đối cũng phải luôn luôn tuân theo sự đối xứng tổng hợp CPT. Nói khác đi, vũ trụ sẽ phải phản ứng như nhau nếu người ta thay thế các hạt bằng các phản hạt, dùng hình ảnh phản chiếu, và cũng đảo ngược chiều thời gian. Nhưng Cronin và Fitch đã chứng tỏ rằng nếu người ta thay thế các hạt bằng các phản hạt và dùng hình ảnh phản chiếu, nhưng không đảo ngược chiều thời gian, khi đó vũ trụ không phản ứng như cũ. Các định luật vật lý, do đó, phải thay đổi nếu người ta đảo ngược chiều thời gian -- chúng không tuân theo đối xứng T.

Đương nhiên vũ trụ sơ khai không tuân theo đối xứng T: khi thời gian tiến tới thì vũ trụ bành trướng -- nếu nó chạy ngược chiều thì vũ trụ sẽ co rút. Và bởi vì có những lực không tuân theo đối xứng T, ta suy ra rằng khi vũ trụ bành trướng, những lực này có thể khiến các phản điện tử biến thành quark nhiều hơn các điện tử biến thành phản-quark. Sau đó, khi vũ trụ bành trướng và nguội lại, các phản-quark sẽ triệt tiêu với các quark, nhưng bởi vì sẽ có nhiều quark hơn phản-quark, sẽ còn một lượng nhỏ các quark dư lại. Chính các quark này tạo thành vật chất mà chúng ta thấy ngày nay và từ đó chính chúng ta được tạo thành. Như vậy chính sự hiện hữu của chúng ta có thể được coi như một sự xác nhận của các thuyết thống nhất lớn, mặc dù chỉ là một sự xác nhận về giá trị; những bất trắc là người ta không thể tiên đoán những con số các quark còn lại sau khi có sự triệt tiêu, hoặc ngay cả đến việc tiên đoán liệu sẽ còn lại các quark hay phản-quark. (Tuy nhiên, nếu đã có một sự thặng dư các phản quark, chúng ta chỉ việc gọi các phản-quark là quark, và các quark là phản-quark.)

Các lý thuyết thống nhất lớn không bao gồm lực hấp dẫn. Điều này không quan trọng lắm, bởi vì trọng lực là một lực yếu đến độ các ảnh hưởng của nó có thể thường được bỏ qua khi chúng ta bàn tới những hạt cơ bản hoặc nguyên tử. Tuy nhiên, sự kiện nó vừa có tầm xa vừa luôn luôn thu hút có nghĩa rằng các ảnh hưởng của nó cộng cả lại. Do đó đối với một con số đủ lớn các hạt vật chất, trọng lực có thể vượt trội hơn mọi lực khác. Đây là lý do tại sao chính trọng lực là cái quyết định sự tiến hóa của vũ trụ. Ngay cả đối với những vật cỡ các ngôi sao, lực hấp dẫn của trọng lực có thể thắng được mọi lực khác và khiến ngôi sao bị suy sụp. Công trình của tôi trong thập niên 1970 chú trọng vào các hố đen có thể phát sinh từ sự suy sụp tinh tú như vậy và các trọng trường mạnh xung quanh chúng. Chính điều này đã đưa tới những chỉ dẫn đầu tiên về chuyện các thuyết cơ học lượng tử và thuyết tương đối có thể ảnh hưởng lẫn nhau như thế nào -- một cái nhìn sơ qua về sự phác họa của một thuyết hấp dẫn lượng tử trong tương lai. 
 

TVHS