LƯỚI TRỜI AI DỆT?
Tiểu Luận Về Khoa Học Và Triết Học
Nguyễn Tường Bách
Nhà Xuất Bản Trẻ TP. HCM 2004

Phần thứ tư
NỀN VẬT LÝ HIỆN ĐẠI
MAX PLANCK, CON NGƯỜI NGAY THẲNG
TẤT CẢ ĐỀU TƯƠNG ĐỐI
CÁC MÔ HÌNH CỦA NGUYÊN TỬ
NHỮNG BƯỚC NHẢY LƯỢNG TỬ
DIRAC VÀ ĐỐI VẬT CHẤT
NHỮNG “HẠT CƠ BẢN” CỦA VẬT CHẤT
LỰC LÀ CÁC HẠT ĐANG “TƯƠNG TÁC”
CÁC PHÁT TRIỂN MỚI

MAX PLANCK, CON NGƯỜI NGAY THẲNG

Khoảng giữa thế kỷ thứ 19, nước Đức sản sinh một nhà khoa học lớn với một số phận cuối đời bi thảm. Đó là Max Planck.

Thuộc dòng dõi của một gia đình khoa bảng ngành luật và thần học, Max Planck sớm trở thành một học sinh xuất sắc. Trước ngưỡng cửa đại học, ông phân vân không biết nên học ngành vật lý hay không. Một vị giáo sư thời đó là Philipp Von Jolly khuyên Max Planck không nên theo học vật lý vì “phần lớn mọi kiến thức trong vật lý đã được phát hiện cả rồi”.

Quả thật, châu Âu của cuối thế kỷ thứ 19 rơi vào một quan niệm bảo thủ. Sau nhiều thế kỷ đầy những phát kiến to lớn trong mọi lĩnh vực, người ta cho rằng đã hết những cái mới và tìm cách bảo tồn những gì đang có. Thú vị thay, trong ngành vật lý, đó cũng là thời kỳ mà nguyên lý bảo toàn năng lượng đã được khám phá và được xem là đỉnh cao của trí tuệ.

Không nghe lời khuyên của Von Jolly, Max Planck cứ ghi tên theo học ngành vật lý. Năm 21 tuổi, ông hoàn thành luận án tiến sĩ vật lý với một đề tài thuộc phạm vi nhiệt động học.

Ta cần biết rằng, nhiệt động học là một phạm vi hết sức hấp dẫn cảu ngành vật lý. Chỉ cần ngẫm nghĩ một chút, ta sẽ khám phá cả một thế giới hiện tượng nằm sau bức màn của nhiệt. Toàn bộ vũ trụ của chúng ta được xây dựng trên cơ sở nhiệt lượng. Thế nhưng, một thực tế của khoa học vật lý là người ta chỉ tìm đến với ngành nhiệt sau khi đã nghiên cứu gần như cạn kiệt ngành cơ học. Thậm chí người ta tìm cách lý giải nhiệt học bằng những quan niệm của cơ học theo thói quen và định kiến của trào lưu khoa học và tiết học trong thế kỷ 19. Và bất ngờ thay, ngành nhiệt đã mở đường cho một hướng phát triển hoàn toàn mới của cơ học trong thế kỷ 20 mà chương này sẽ nói đến.

Trong thế kỷ thứ 19, ba nhà khoa học Robert Julius Mayer, Jame Prescott Joule và Hermann Helholtz đã chứng minh nhiệt là một dạng của năng lượng và không thể bị hủy hoại, nhiệt chỉ có thể được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác. Định luật này được gọi là “nguyên lý bảo toàn năng lượng” và chính là “Định luật thứ nhất” trong ngành nhiệt động học. Nó là một trong những phát hiện quan trọng nhất của loài người và sẽ còn chi phối mọi lĩnh vực khác của vật lý. Thế nhưng trong thế kỷ thứ 19, khi còn quá nghiêng về vai trò của cơ học, người ta thừa nhận nó là “tương thích với nền vật lý cơ giới”, nó hỗ trợ cho quan niệm rằng lực và chất liệu là yếu tố điều hành thế giới.

Sau “định luật thứ nhất” này, người ta phát hiện thêm một “định luật thứ hai” và trong đó, Max Planck có những đóng góp quan trọng. Trước đó, nhà khoa học người Đức Rodolf Clausius cũn thừa nhận năng lượng không thể bị hủy hoại làm chỉ có thể bị chuyển hóa. Thế nhưng Clausius nhận ra một khía cạnh mới, đó là nếu năng lượng cơ học có thể chuyển hết ra năng lượng nhiệt được thì ngược lại, năng lượng nhiệt không thể chuyển hết ra năng lượng cơ học. Trong thực tế nhiệt năng luôn luôn bị “rơi rớt”, dù tổng trị số của năng lượng được bảo toàn trên lý thuyết.

Clausius tổng quát hóa nhận thức của mình và tiến tới định luật thứ hai, đó là phát hiện cho rằng nhiệt luôn luôn có khuynh hướng đi từ một vật nóng đến một vật lạnh hơn, nhiệt luôn luôn lan tỏa trong không gian, nhiệt luôn luôn giảm thiểu mức độ “tập trung” của nó, tính chất “tán loạn” của nhiệt luôn luôn tăng trong một hệ thống khép kín. Nếu ta gọi mức độ “tán loạn” (ít tập trung) là entropy thì entropy luôn luôn bằng hay tăng trong một hệ thống. Đó là định luật thứ hai của nhiệt học.

Định luật thứ hai cho rằng sự vật luôn luôn vận động hướng đến sự phân tán, điều này mới nghe qua thật ngớ ngẩn. Dường  như nó không hề ngang tầm với định luật thứ nhất, nguyên lý bảo toàn năng lượng. Đinh luật thứ hai này xem ra nói về những điều rấ hiển nhiên mà ai cũng biết. Thí dụ một cục than hồng tỏa hơi nóng xung quanh và càng lúc càng nguội đi chứ cục than không bao giờ “hút” hơi nóng xung quanh về cho mình. Thí dụ hai chất lỏng hòa tan vào nhau sẽ càng lúc càng đồng thể với nhau để trở thành một, không thể tự nhiên mà tách rời khỏi nhau. Thí dụ một bàn viết hay một căn phòng mới đầu có thứ tự ngăn nắp thì càng ngày càng mất thứ tự nếu không có ai để mắt tới. Đó là một điều rất tự nhiên mà nói với ngôn ngữ vật lý thì quả là tính chất “tán loạn” ngày càng tăng trong tự nhiên.

Max Planck tập trung nghiên cứu định luật thứ hai của ngành nhiệt động học. ông chia mọi quá trình vật lý thành hai thể loại, một là loại đảo ngược được, hai là loại không thể đảo ngược được. Max Planck cho rằng entropy còn là một đại lượng để mô tả một quá trình vật lý. Ông thấy rằng entropy của một quá trình không thể đảo ngược thì luôn luôn tăng. Ông tìm trong các quá trình đó những mối liên hệ về sự cân bằng và phát hiện những sự cân bằng về nhiệt và hóa.

Trong những năm cuối thế kỷ 19, những công trình của Max Planck vẫn không được các nhà vật lý quan tâm. Họ thấy khái niệm entropy là một “bóng ma mơ hồ”. Bị qui định quá nặng nề bởi những khái niệm cơ học cụ thể, cộng đồng vật lý vẫn còn xa lạ với những nội dung trừu tượng.

Ngày nay chúng ta biết rằng, entropy là khái niệm cơ bản của các quá trình không thể đảo ngược và chính nó nói lên tính chất của thời gian. Trong nền cơ học cổ điển, thời gian chỉ là một biến số với hai chiều rõ rệt và đối xứng, quá khứ và tương lai. “Biết các thông số của quá khứ thì biết diễn biến của tươnglai. Biết các thông số của hiện tại thì ta có thể suy ra tình trạng của quá khứ. Thế nhưng, với entropy, ta biết rõ có những quá trình không thể đảo ngược, ta biết rõ “thời gian chỉ có một chiều và khuynh hướng của thời gian là gì”.

Xuất phát từ những công trình về trao đổi nhiệt, năm 1900 Max Planck phát hiện một định luật vô cùng quan trọng để người đời sau tôn ông là cha đẻ của ngành cơ học lượng tử.

Trong những năm cuối của thế kỷ thứ 19, nhiều nhà khoa học đi tìm công thức của bức xạ nhiệt từ một vật thể nhằm mục đích so sánh với các kết quả đo lường. Mới đầu, nhà khoa học Wien, đồng nghiệp của Planck nêu lên một lý thuyết về sự phát tán của nhiệt và được Planck cụ thể hóa trong một công thức. Về sau người ta thấy rằng công thức đó lại không phù hợp với những dạng bức xạ có độ dài sóng lớn, để rồi chúng được thể hiện trong lý thuyết của Lord Rayleigh, một nhà vật lý người Anh. Công trình vĩ đại của Max Planck là nghiệm ra được một lý thuyết mới, nó bao trùm hai công trình kia, nó xem lý thuyết của Wein lẫn của Lord Rayleigh đều là các dạng đặc biệt của bức xạ nhiệt cả. Thế nhưng, nhằm nêu lên lý thuyết của mình, Max Planck phải từ bỏ một định kiến bất di bất dịch trong ngành vật lý. Định kiến đó cho rằng sự thay đổi năng lượng – mà cụ thể của nhiệt năng – phải diễn ra một cách liên tục, phi gián đoạn.

Từ xưa đến nay người ta chỉ nghĩ, nhiệt năng phát ra từ một vật có tính chất liên tục, nó phải như một nguồn nước chảy thành dòng. Với quan niệm mới của Planck thì nước không chảy thành dòng nữa mà là từng “giọt”, từng các đơn vị tuy nhỏ nhưng có được định lượng cụ thể. Quan niệm cũ đi từ một giả định rất sâu xa, đó là sự vận hành trong thiên nhiên có tính liên tục, thiên nhiên không “nhảy cóc”. Giả định này thật ra rất hữu lý, nó bắt nguồn từ sự quan sát mọi vận hành, thí dụ của thiên thể, của sự tăng trưởng trong giới động vật cũng như thực vật. Thế nhưng trong lĩnh vực cực nhỏ của thiên nhiên, Planck là người đầu tiên phát hiện và nêu lên tính phi liên tục của sự vận động.

Để phù hợp với tất cả các kết quả thực nghiệm, Max Planck đưa ra một giả định, đó là năng lượng phát ra không hề liên tục mà ở dạng từng “bó”, từng hạt có trị số tuy nhỏ nhưng hữu hạn, từng lượng tử. Những bó năng lượng đó chỉ tùy thuộc vào tần số của bức xạ và một hằng số h mà ta gọi là hằng số Planck.

Tháng 12 năm 1900, khi Max Planck nêu lên lý thuyết này, cả ông lẫn tất cả mọi người đều không ngờ khái niệm “lượng tử” lại mở đường cho một nền cơ học mới. Mãi đến năm năm sau, Einstein mới đề nghị, khái niệm lượng tử không chỉ giới hạn trong bức xạ nhiệt mà còn được áp dụng trong mọi dạng của sóng bức xạ, kể cả ánh sáng, ánh sáng cũng có lượng tử. Từ những “lượng tử ánh sáng” hay quang tử mà sinh ra khái niệm photon của Einstein để lý giải nhiều hiện tượng của điện. Thế là Einstein khai sinh lại quan niệm hạt ánh sáng của Newton. Và quan trọng nhất là về sau, mô hình cấu tạo nguyên tử của Bohr cũng sử dụng khái niệm lượng tử đó để khái sinh nền cơ học lượng tử mà ngày nay vẫn còn trên đà phát triển.

Từ khái niệm lượng tử trong bức xạ nhiệt đến quang tử photon của Einstein và đến cơ học lượng tử, hằng số Planck đóng một vai trò trung tâm. Thế nhưng nếu trong lĩnh vực bức xạ nhiệt, phát minh của Planck chỉ giải quyết một hiện tượng vật lý, thì trong cơ học lượng tử, nó đã mở đầu một kỷ nguyên mới về nhận thức luận trong thế giới tự nhiên.

Như ta sẽ biết, với cơ học lượng tử, tính tất yếu của nền vật lý cổ điển đã được thay bằng tính xác suất, nguyên lý quyết định luận không còn rõ nét. Với nền vật lý lượng tử, loài người đã đặt lại vấn đề, phải chăng tương lai là kết quả “tất yếu” của quá khứ hay nó ngầm chứa một yếu tố của sự ngẫu nhiên thì phải chăng sự ngẫu nhiên là cơ bản trong thiên nhiên hay nó chỉ là sự biểu hiện của một cái gì mà con người chưa biết tới.

Đây là bước ngoặt về mặt triết học tự nhiên quan trọng nhất kể từ ngày Galileo khai sinh nền vật lý thực nghiệm trong thế kỷ thứ 17. Là cha đẻ của cơ học lượng tử nhưng Max Planck lại là người chống trả quyết liệt nền triết học được khai sinh từ nền vật lý đó. Đó là bi kịch của đời ông hay hậu thế lại sẽ chứng minh là ông có lý? Ông là người tin nơi quyết định luận, một qui luật nhân quả rốt ráo trong thiên nhiên, tin nơi một thế giới có thực độc lập với nhận thức của con người.

Trong các cuộc tranh cãi đó, dù có khi bất đồng ý kiến với ông, tất cả đồng nghiệp cũng như học trò của ông đều thừa nhận Max Planck là một con người trung thực khiêm tốn, một người đầy lòng hảo tâm trung hậu mà cách tư duy của ông phải làm ta quí trọng. Trong phần chấm dứt bài Die Kausalität der Natur (Tính nhân quả trong thiên nhiên), ông nói: “Hiển nhiên là tính nhân quả trong thiên hiên vừa không được minh chứng vừa không thể bị phủ nhận; thế nhưng nó là một nguyên lý để phát hiện, một bảng chỉ đường, và theo tôi là bảng chỉ đường quí báu nhất mà ta có thể thấy cái đúng trong thiên hình vạn trạng của các biến cố và nêu lên chiều hướng mà các công trình nghiên cứu khoa học phải đi theo mới đạt được kết quả. Cũng như luật nhân quả đã cắm rễ trong tâm hồn mới lớn của trẻ con, để cho chúng liên tục đặt câu hỏi “tại sao” thì luật đó cũng đi theo nhà nghiên cứu suốt cả đời và không ngừng nêu lên vấn đề mới. Vì khoa học không phải là sự yên nghỉ trong những tri kiến chắc chắn đã đạt được mà là sự lao động không phải là sự phát triển tiến lên, hướng về một mục đích, về một cái mà ta đoán biết nhưng không bao giờ hoàn toàn nắm vững được”.

Đoạn cuối đời của Max Planck mới thật sự là một bi kịch. Con trai đầu của ông tử trận trong Thế chiến Thứ nhất. Sau đó hai nàng con gái sinh đôi của ông sớm chết trên giường bệnh. Đầu năm 1945 con trai thứ của ông bị xử tử hình vì chống lại nhà độc tài Hitler. Ông đau đớn gần như muốn chết. Trong Thế chiến Thứ hai, nhà cửa và tài liệu khoa học của ông bị phá hủy hoàn toàn. Max Planck và gia đình từng phải cắm lều ngủ tạm trong rừng. Ông biết thư cầu viện với nhà vật lý người Đức Lise Meitner, người học trò nữ xuất sắc nhất của ông và ngày nay người ta còn giữa lại thư cám ơn của vợ ông: “Cô hãy tin rằng, nếu không có cô cứu viện thì ông (Max Planck) đã không qua nổi mùa đông vừa rồi”.

Hai năm sau khi đứa con trai của ông bị hành hình, Max Planck cũng từ giã thế giới, một cõi mà ông luôn luôn cho rằng có một trật tự siêu việt trên ý thức của con người mà tự tính của nó chúng ta không bao giờ nắm bắt được, nhiều nhất là chỉ cảm nhận được nó. Max Planck không bao giờ giấu giếm mình là một người có tâm hồn hồi giáo sâu sắc. Với tư cách của một nhà bác học luôn luôn trung thực với những gì mình suy nghĩ, Max Planck để lại cho hậu thế một nhân cách mà sau ông khó có người nào đạt đến.

TẤT CẢ ĐỀU TƯƠNG ĐỐI

Năm năm sau công trình to lớn của Max Planck, một nhà khoa học người Đức gốc Do Thái công bố một loạt những thành quả vĩ đại, mở đường cho nền vật lý hiện đại của thế kỷ 20. Đó là Albert Einstein.

Einstein sinh năm 1879, học trung học tại Munich (Đức) và là một học sinh kém và lơ đãng, bị thầy chê là sẽ “không ra trò trống” gì. Năm 1894, vì gia đình bị phá sản, Einstein ra khỏi trường mà chẳng có bằng cấp gì trong tay. Chàng thanh niên Einstein lúc 16 tuổi xin thi vào Viện Kỹ thuật tại Zürich (Thụy Sĩ). Chỉ khá được môn toán, các môn khác đều kém, Einstein hỏng thi, phải đợi năm sau mới được vào học. Khoảng năm 21 tuổi, sau khi bị từ chối một chân phụ tá trong đại học, Einstein xin làm trong viện bản quyền kỹ thuật tại Bern (Thụy Sĩ). Chính tại Bern, thiên tài Einstein bừng nở như một đóa hoa tới kỳ. Chỉ trong vòng vài năm từ 1902 đến 1909, Einstein viết 32 công trình khoa học, trong đó có ba phát minh lớn mà nếu chỉ một phát minh trong số đó thôi cũng đã dưa ông đi vào lịch sử của ngành vật lý.

Ba thành tựu đó là lý thuyết chuyển động của các phân tử, lý thuyết hạt của ánh sáng và thuyết tương đối. Với thuyết chuyển động của phân tử, ông lý giải các chuyển động có tính ngẫu nhiên trong lĩnh vực vi mô và có nhiều cống hiến to lớn cho ngành cơ học xác suất. Trong phát hiện thứ hai, Einstein thừa hưởng sáng tạo của Max Planck trong khái niệm “bó năng lượng” để đưa ra hình dung về ánh sáng gồm một chuỗi những hạt quang tử mà ta có thể tính năng lượng của từng hạt. Với lý thuyết hạt ánh sáng này, ngành vật lý có thể lý giải một loạt những hiện tượng chưa ai hiểu được. Thế nên Einstein cũng là một người tiên phong trong ngành cơ học lượng tử, tương tự như Max Planck. Với phát minh này, ông đoạt giải Nobel năm 1921.

Nhưng Einstein được xem là thiên tài vật lý số một của thế kỷ 20 vì lẽ ông là người sáng tạo ra thuyết tương đối.

Xuất phát từ một tính chất của vật lý thực nghiệm là ánh sáng có vận tốc bất biến trong mọi chiều hướng, độc lập với tình trạng di chuyển trong hệ qui chiếu của người quan sát, Einstein đi tới tận cùng trong lý luận toán học của mình. Khi đi đến mức chung cuộc của lý luận và khi đứng trước thực tế là vận tốc ánh sáng là một hằng số bất di bất dịch, Einstein buộc phải từ bỏ tính chất tuyệt đối của không gian và thời gian. Không gian và thời gian không hề có tính tiên thiên tuyệt đối nữa mà chúng phụ thuộc vào tình trạng di chuyển của hạt vật chất, chúng trộn lẫn với nhau vào trong một hệ qui chiếu bốn chiều.

Hệ quả này của thuyết tương đối mới nghe qua tưởng chừng như có tính toán học trừu tượng nhưng nó lật đổ hoàn toàn khái niệm thông thường về không gian và thời gian của nền cơ học cổ điển. Hơn thế nữa, nó thách thức tư duy của con người vốn luôn luôn thấy không gian thời gian có tính tuyệt đối. Vì thế, không mấy ai hiểu thuyết tương đối dù ta có thể chấp nhận hệ quả toán học của nó.

Thuyết tương đối do Einstein đề xuất năm 1905 – được gọi là thuyết tương đối đặc biệt – tuy khó hiểu nhưng lập tức được các nhà khoa học quan tâm. Nó lý giải những hiện tượng trong thế giới nguyên tử với các hạt có vận tốc cao, nó trả lời thắc mắc tại sao vật chất tăng khối lượng khi di chuyển. Einstein còn thiết lập một quan hệ bất ngờ và hết sức đơn giản giữa khối lượng và năng lượng (E=mc2). Với công thức này ta có thể quan niệm khối lượng là một dạng của năng lượng, khối lượng là năng lượng “đọng” lại. Mối quan hệ này sinh ravô số những suy luận triết học, mở đường cho một công trình đại thống nhất của các quan niệm khác nhau về vật lý. Với công thức này người ta lập tức nêu câu hỏi, thế thì “năng lượng” là gì.

Nếu năng lượng cũng là nguồn gốc của ánh sáng và khối lượng cũng là một dạng của năng lượng thì vật chất cũng có “bà con” với ánh sáng. Thế thì quan niệm của vị giám mục thời trung cổ Grosseteste, cho rằng vật chất là “ánh sáng đọng lại”có gì là sai? Nếu hiểu năng lượng là “Thượng đế” thì cả thần học Thiên chúa giáo lẫn các quan niệm về vũ trụ của phương Đông xem ra cũng có thể có lý. Nếu thay từ “Thượng đế” bằng “năng lượng” trong những phát biểu của Thomas Aquinas thì quan niệm của nhà thần học Thiên chúa giáo này không cách quá xa với hình dung của nhà vật lý.

Mười năm sau Thuyết tương đối đặc biệt, Einstein công bố Thuyết tương đối tổng quát, trong đó ông đưa lực trọng trường vào lý thuyết của mình. Lực trọng trường là một trong các lực cơ bản trong vũ trụ mà chính Newton cũng không thể giải thích nguồn gốc. Với thuyết tương đối tổng quát, Einstein minh chứng không gian và thời gian không những tương đối thôi mà chúng còn bị khối lượng gây ảnh hưởng, chúng bị “cong” khi có sự hiện diện của khối lượng. Khối lượng là tác nhân tạo nên hình thái của không gian và thời gian xung quanh mình. Nói một cách tổng quát, không gian và thời gian là “thuộc tính” của khối lượng, của vật chất.

Công trình vĩ đại của Einstein ảnh hưởng đến quan niệm về thế giới vi mô của vật lý nguyên tử và hạ nguyên tử. Đồng thời nó cũng góp phần giải thích mô hình vĩ mô của vũ trụ, của các thiên hà, của sự hình thành thế giới. Hơn thế nữa, công trình của Einstein đặt lại toàn bộ vấn đề triết học về tự nhiên mà quan trọng nhất là tự tính của không gian, của thời gian, của vật chất, của lực và của năng lượng. Vũ trụ và giới hạn của vũ trụ, người sáng tạo ra vũ trụ và tính chất vô tận của Thượng đế. Những vấn đề thuộc về nhận thức luận được nêu lên từ thời Hy Lạp, kéo dài đến ngày nay với các triết gia như Descartes, Leibniz, Kant… nay phải được phát biểu lại hoàn toàn mới.

Thuyết tương đối của Einstein là lý thuyết hoàn chỉnh nhất kể từ Newton, nó cho thấy hạn chế của nền vật lý cổ điển. Nói chính xác hơn, thuyết tương đối bao trùm nền cơ học cổ điển, nó xem nền cơ học của Newton chỉ là một dạng đặc biệt của chính mình, khi vận tốc của vật thể không đáng kể so với vận tốc của ánh sáng. Trong khuôn khổ của sự thống nhất cao độ này, thuyết tương đối chứng minh khối lượng và năng lượng chỉ là một, không gian và trọng trường chỉ là một, thời gian và không gain nằm chung trong một hệ qui chiếu duy nhất.

Nền cơ học Newton có bốn yếu tố cơ bản: vật thể, lực tác dụng, không gian và thời gian. Với Einstein, bốn yếu tố đó được thống nhất chỉ còn hai yếu tố: vật thể và trường không gian. Thuyết tương đối đặc biệt có thể được xem là sự mô tả mối quan hệ qua lại giữa vật thể và không gian, được biểu thị bằng một loại thời gian riêng tư. Thuyết tương đối tổng quát lại thống nhất vật chất và không gian với nhau, để cuối cùng chỉ còn “vật chất”.

Có người hỏi Einstein, ông đã phát hiện được những gì, điều gì là đặc biệt quan trọng nơi những phát minh của ông và yêu cầu ông trả lời chỉ bằng một câu duy nhất. Einstein trả lời: “Xưa kia người ta nghĩ rằng, nếu mọi vật trên đời biến mất thì sẽ còn lại thời gian và không gian; thế nhưng theo thuyết tương đối thì thời gian và không gian cũng biến mất theo với mọi vật”.

Câu trả lời trên của Einstein hẳn phải là cốt tủy để ta suy tư về những vấn đề triết học do Thuyết tương đối đề ra. Những vấn đề triết học này đã lập tức xuất hiện cùng một lúc với thuyết tương đối đặc biệt trong đầu thế kỷ thứ 20 và một trăm năm sau, ngày nay chúng vẫn còn là đề tài thảo luận của các hội nghị khoa học và triết học. Hiển nhiên, các luận đề triết học do thuyết tương đối nêu lên và giải đáp là vô cùng sâu xa; nhưng ở đây có lẽ điều then chốt nhất là chúng cho thấy vật thể là chủ đạo, mọi hiện tượng khác như không gian, thời gian, lực...đều là dạng xuất hiện, là thuộc tính của vật chất cả.

Nói đến vật thể, thói quen thúc ta nghĩ đến các vật có khối lượng nằm trong không gian trống rỗng. Trong nền vật lý hiện đại, ta cần quan niệm vật thể luôn luôn tạo nên một trường xung quanh mình. Chính Einstein cũng coi trường là cơ bản, coi hạt vật chất là “điểm kỳ dị” của trường. Vật chất là yếu tố tạo nên đặc tính của không gian xung quanh và trường không gain xung quanh lại tác động lên đường đi của vật chất. Vì thế giữa vật thể và trường không gian có một mối liên hệ phi tuyến tính mà cơ học Newton không hề có.

Bởi thế ta không thể nói hai yếu tố cơ bản vật chất và trường không gian là độc lập với nhau mà chúng liên hệ với nhau trong một thể chung mà ta gọi là vật chất. Thế thì, vật chất là gì?

Thế kỷ thứ 20 là thời đại mà nền vật lý vừa phát triển cao độ, vừa thống nhất cao độ. Dường như mọi nẻo đường đều qui về một mối, đó là tìm hiểu tự tính của vật chất, cấu trúc của nó và cách vận hành của các phần tử của vật chất (nếu có). Trong bước đường đó Max Planck và sau đó là Einstein đã đóng một vai trò tuyệt đối quan trọng. Sau hai nhà khoa học lớn này là một thế hệ của những nhà vật lý tài ba trong ngành vật lý lượng tử, vật lý nguyên tử và hạ nguyên tử. Càng ngày họ càng đi sâu vào những ngõ ngách bí ẩn và vi tế nhất của vật chất. Trong cuối thế kỷ 20, người ta hy vọng chỉ còn vài chục năm nữa thôi là vén mở được bức màn che bộ mặt thật của vật chất. Thế nhưng, bất ngờ thay, càng đi sâu vào thế giới đó, người ta chỉ thấy vật chất ngày càng mâu thuẫn và khó hiểu.

Trong cuộc phiêu lưu tìm đường nắm bắt vật chất, các vấn đề triết học về tự nhiên luôn luôn được đặt ra. Một trong những luận điểm đó là vấn đề về tính tất yếu và ngẫu nhiên trong tự nhiên, nó đã được bắt đầu với công trình của Max Planck. Và cũng như Max Planck, thiên tài Einstein đứng về một phía với quan điểm cho rằng sự vận hành của thế giới tuân thủ nghiêm ngặt luật nhân quả, không có chỗ cho sự ngẫu nhiên.

Thế hệ học trò của Einstein có thể không đồng tình với Einstein trong những nhận thức triết học nói trên nhưng tất cả đều thừa nhận ông là thiên tài vật lý của thế kỷ 20, vị trí của ông là ngang hàng hay hơn cả những “người khổng lồ” Galileo, Newton trong lịch sử khoa học.

CÁC MÔ HÌNH CỦA NGUYÊN TỬ

Khoảng năm thế kỷ trước công nguyên đã có người cho rằng thế giới được cấu tạo bởi những hạt nhỏ bất khả phân chia. Người ta gọi những hạt bất hoại đó là “nguyên tử” dựa trên từ Hy Lạp atomos. Dĩ nhiên, trong thời bấy giờ, ý niệm về nguyên tử chỉ hình thành trong tư tưởng, nó không hề có một cơ sở thực nghiệm nào.

Mười mấy thể kỷ trôi quan, ý niệm về nguyên tử nằm yên trong đầu óc các nhà khoa học. Dù không ai xác nhận hay bác bỏ nó, ý nhiệm về những đơn vị cơ bản làm nền tảng cho thế giới vật chất nghe qua rất dễ tin khi người ta liên tưởng đến một tòa kiến trúc to lớn được xây dựng bằng những viên gạch bé nhỏ hay toàn bộ một ngôn ngữ được hình thành bởi một số những chữ cái nhất định.

Khi Newton khai sinh nền cơ học cổ điển, khi ông lấy một chất điểm bất hoại làm cơ sở, ông đã xem chất điểm đó đại diện cho vật chất có khối lượng. Sự thành công của nền cơ học cổ điển càng làm cho ra dễ liên tưởng rằng, vật chất cuối cùng cũng sẽ do những hạt nhỏ và đặc cứng cấu tạo nên.

Thế nhưng khái niệm nguyên tử như là thành phần nhỏ nhất của vật chất vẫn chưa được khoa học nhắc nhở tới, mãi cho đến đầu thế kỷ thứ 19. Đó là khi một nhà hóa học người Anh tên là John Dalton nêu lên ý niệm về các nguyên tố hóa học cơ bản và về các phản ứng hóa học. Ông cho rằng các nguyên tố hóa học đều do nguyên tử cấu tạo nên; và mọi phản ứng hóa đều do sự liên kết hay tách lìa của nguyên tử mà sinh ra, trong đó các nguyên tử không hề thay hình đổi dạng. Một cấu trúc hóa học chính là sự giao kết của các nguyên tử của những nguyên tố khác nhau trong một tỉ lệ nhất định.

Hai trăm năm đã trôi quan kể từ hình dung đầu tiên đó đến ngày nay nhưng những nhận định của John Dalton vẫn còn giá trị. Quả thực mọi phản ứng hóa học đều là sự hoán chuyển của nguyên tử. Thực tế là hóa học và vật lý cuối cùng đều chỉ là một ngành khoa học duy nhất. Vì những lẽ đó người ta càng thấy vững tin vào ý niệm, nguyên tử phải là cấu trúc cuối cùng của vật chất, hiểu được nguyên tử là hiểu được vật chất. Và nếu có ai khai mở được bí ẩn của nguyên tử, người đó lý giải được thế giới, giải được bài toán của vũ trụ.

Nguyên tử là gì? Chúng phải là những hạt vật chất rất nhỏ và đặc cứng. Năm 1879 nhà khoa học J. Thomson phát hiện bức xạ catod thoát ra từ các phần tử được gọi là “nguyên tử” là một loạt những hạt mang điện tích âm. Ông tính toán được mối quan hệ giữa điện tích và khối lượng của các hạt đó mà ông gọi là electron.Nơi đây Thomson nêu lên một thực tế hoàn toàn mới. Đó là nguyên tử không hề là những hạt đặc cứng mà bản thân nó gồm nhiều phần tử tạo thành. Chưa ai biết các phần tử khác là gì nhưng điều chắc chắn là có một hạt nhỏ tên gọi là electron.

Năm 1888 khoa học phát hiện một số kim loại, khi chúng bị tia cực tím bắn vào thì hiều điện tích âm văng ra. Thomson xác định những điện tích âm đó cũng chính là các electron mà ông biết từ các loại nguyên tử khác. Thế là Thomson đến với một phát hiện cũng quan trọng không kém: nhiều nguyên tử khác nhau có chung một hạt electron như nhau. Sau đó Thomson đưa ra một mô hình về nguyên tử: Nguyên tử có hình cầu, có điện tích dương nhưng được trung hòa bởi các electron nằm trong nguyên tử. Đối với Thomson, electron là “như những hạt nho khô nằm trong một ổ bánh ngọt”. Electron rất nhẹ so với nguyên tử và có thể bị hút ra khỏi nguyên tử bằng một điện trường. Với những phát hiện này Thomson được trao giải Nobel năm 1906.

Năm 1911 một nhà vật lý người Anh là Rutherford đi một bước dài trong việc phát hiện cơ cấu của nguyên tử. Trong thời kỳ đó người ta chỉ mới biết tới electron là một phần tử của nguyên tử và phỏng đoán bản thân nguyên tử là một vật có khối lượng được phân bố đều. Rutherford tìm hiểu cơ cấu nguyên tử bằng cách lấy một tấm giấy đồng rất mỏng với độ dày chỉ khoảng 4 micron tấm giấy ấy. Tia alpha là một phát hiện mới trong thời đó, có đặc tính là khá “nặng” so với các nguyên tử khác và mang điện tích cao. Vì thế ông chờ đợi là tia alpha sẽ dễ dàng đục xuyên qua tấm giấy và có thể bị khuếch tán đôi chút. Kết quả làm ông kinh ngạc. Đó là tia alpha xuyên qua thực nhưng lại có một ít bị bắn ngược trở lại. Các tia dội ngược lại là điều không thể vì các hạt alpha vốn quá  nặng và tấm giấy không thể cản được sức “công phá” của tia alpha. Ông thốt lên: “Hầu như không thể tưởng tượng được, cũng như bạn bắn một trái đạn 15 inch vào một tấm giấy lụa và trái đạn dội lại trúng bạn”.

Từ thực tế đó và trên cơ sở số lượng của những tia bị dội lại, bị nghiêng qua một bên và những tia đi thẳng, Rutherford nêu lên một hình dung hoàn toàn mới về nguyên tử: Nguyên tử có một hạt nhân rất bé nhưng chứa gần như tất cả khối lượng và toàn bộ điện tích của nguyên tử. Hạt nhân chính là đối thủ tầm cỡ, đương đầu ngang sức, làm cho những tia alpha dội lại.

Toàn bộ nguyên tử hầu như rỗng không nếu ta nhớ rằng kích thước của nguyên tử gấp khoảng 100.000 lần kích thước hạt nhân. Điều đó có nghĩa nếu nguyên tử to bằng sân bóng đá thì hạt nhân chỉ là một hạt bụi nằm giữa sân. Và các electron cũng là những hạt nhỏ hơn nữa quay vòng nơi chỗ khán giả ngồi xem trận bóng đá.

Thế nên các tia alpha không hề chen lấn mệt nhọc với các nguyên tử như Rutherford tưởng mà chúng thong thả bay trong vườn không nhà trống, qua những khoảng không gian hầu như vô tận. Thính thoảng có tia alpha xui xẻo bị dội vào một vật rất nhỏ nhưng có tỉ trọng cực cao mà ta gọi là nhân nguyên tử, cuối cùng Rutherford nêu lên một mô hình nguyên tử gồm có một hạt nhân mang điện tích dương và nhiều electron mang điện tích âm quay quanh nhân với một bán kính rất lớn. Phần lớn kích thước của nguyên tử là chân không. Chân không - theo quan niệm thời bấy giờ - thì hẳn không có gì để bàn, người ta đi thêm một bước và tập trung xem xét hành tung của electron và của hạt nhân.

Năm 1911, khi Rutherford công bố kết quả nghiên cứu mô hình nguyêntử của mình thì có một sinh viên vừa hoàn thành luận án tiến sĩ vật lý. Đó là một người Đan Mạch, tên là Niels Bohr. Trong năm đó Bohr tìm đến Rutherford và xin cộng tác với ông. Hai năm sau, Bohr công bố ba công trình, nêu lên mô hình mới về nguyên tử. Mô hình này phải là sự tổng hợp hình ảnh của thái dương hệ,  trong đó các hành tinh quay quanh mặt trời của mô hình Rutherford, với phát minh của Max Planck về “bó năng lượng”, với phát hiện của Einstein về “quang tử”.

Theo Bohr, nguyên tử là một cơ cấu gồm hạt nhân nằm giữa với nhiều electron quay tròn xung quanh. Thế nhưng, ý niệm mới của Bohr là các quĩ đạo của electron không hề tùy tiện mà chúng có cấp bậc hẳn hoi, electron chỉ vận hành trong các cấp bậc đó.

Các electron có thể đổi quĩ đạo, chúng “nhảy cóc” từ quĩ đạo này qua quĩ đạo khác và mỗi quĩ đạo tượng trưng cho một mức độ năng lượng nhất định. Khi electron nằm trong quĩ đạo gần hạt nhân nhất, ta gọi đó là “tình trạng cơ bản” của electron, nơi đó nó mang ít năng lượng nhất. Nếu electron hấp thụ một ít năng lượng đủ cho nó nhẩy lên một quĩ đạo cao hơn thì nó đổi quĩ đạo. Năng lượng đó là một “quang tử” photon. Ngược lại khi một electron từ một qũi đạo cao nhảy xuống một quĩ đạo thấp hơn , nguyên tử nhả ra một photon. Mô hình này cho thấy thiên nhiên không hề liên tục trong việc hấp thụ hay phát tán năng lượng mà “nhảy” từng bước nhỏ, điều mà Max Planck đã phát hiện hơn mười năm trước đó.

Với mô hình này, Bohr lý giải thỏa đáng một loạt những hiện tượng vật lý và hóa học mà với mô hình Rutherford người ta không hiểu được. Thí dụ những vạch tròn trong quang phổ của nguyên tử hydrogen, chúng chính là dấu hiệu của photon được nhả ra khi electron nhảy từ quĩ đạo cao xuống tháp. Người ta cũng giải thích các quang phổ của các hiện tượng kim loại khác bằng mô hình của Borh hết sức dễ dàng. Ngay sau khi Bohr công bố thành tựu này, phòng thí nghiệm của Rutherford cũng minh chứng bằng thực nghiệm lý thuyết của Bohr khi đo dộ dài sóng của các quang tuyến X.

Với mô hình của mình, Bohr là người đầu tiên áp dụng thuyết lượng tử để giải thích cơ cấu của nguyên tử. Điều quan trọng nhất nơi đây là tính chất liên tục mà người ta tưởng là tính chất cơ bản của thiên nhiên nay đã bị gạt bỏ. Với Max Planck người ta biết rằng năng lượng không hề phát tán một cách liên tục mà “từng bó”.  Với Bohr, các quĩ đạo của electron không hề giống như quĩ đạo của các thiên thề quay quanh mặt trời, mà electron “nhảy” từng “bước lượng tử” từ vòng này qua vòng khác. Nơi đây ra bắt đầu thấy có một nhận thức vô cùng mới mẻ đã xuất hiện, đó là tính liên tục của thiên nhiên bị đặt lại vấn đề. Luận đề này mới nghe thì không có gì to tát nhưng nó sẽ đưa đường dẫn lối tới những khám phá vô cùng bất ngờ về sau cũng như sinh ra những nhận thức triết học mà cả những thiên tài đi tiên phong như Max Planck hay Einstein cũng choáng ngợp.

NHỮNG BƯỚC NHẢY LƯỢNG TỬ

Như ta biết, năm 1905, dựa trên khái niệm lượng tử của Max Planck, Einstein quả quyết ánh sáng cũng có tính chất hạt mà ông gọi là quang tử photon. Einstein trở lại với hình dung của Newton về hạt ánh sáng, dĩ nhiên lần này vói một quan niệm hạt có định lượng hẳn hoi và nhất là kết quả của thực nghiệm không thể bác bỏ.

Quan niệm hạt ánh sáng của Einstein không làm nhiều người ưa thích, vì ánh sáng vốn là một dạng sóng thì làm sao nó lại là hạt được. Sóng là một hiện tượng tỏa rộng trong không gian, còn hạt là một điểm cụ thể có thể xác định được, làm sao một vật vừa là sóng vừa là hạt được. Đó là một nghịch lý không thể giải thích bằng tư duy vật lý thông thường.

Thế nhưng, hai mô hình vẫn tồn tại song song với nhau. Trong một số hiện tượng nhất định, mô hình sóng lý giải thỏa đáng và tiên đoán được các tiến trình tiếp theo. Trong một số hiện tượng khác, mô hình hạt ánh sáng phải được sử dụng thì người ta mới có thể hiểu được vấn đề. Hơn thế nữa nhà vật lý có thể thiết lập mối quan hệ toán học giữa tính chất của hai mô hình sóng và hạt ánh sáng.

Về mặt toán học, sóng thì có độ dài sóng, còn hạt thìcó một “xung lượng”, tức là tích số giữa khối lượng và vận tốc của hạt. Độ dài sóng (từ đó mà suy ta tần số) là đặc trưng của hiện tượng sóng, còn xung lượng là đặc trưng của hiện tượng hạt. Nay mối liên hệ toán học giữa sóng và hạt được thiết lập giữa dộ dài sóng và xung lượng, biểu thị qua hằng số Planck, với một trị số hết sức nhỏ. Cứ mỗi sóng là ta có một xung lượng nhất định. Độ dài sóng càng ngắn, tức là tần số càng cao thì xung lượng càng mạnh. Qua cách này người ta xem sóng và hạt tương đương về mặt toán học.

Hãy trở lại với mô hình nguyên tử của Bohr. Mô hình này cho thấy electron nhảy từ quĩ đạo này qua quĩ đạo khác và khi chúng từ cao nhảy xuống thấp thì chúng lại nhả ra một quang tử photon. Mô hình của Bohr đã được thừa nhận là chính xác. Thế thì photon phải hiện hữu thật, tức là hạt ánh sáng có thực. Năm 1923 nhà khoa học Arthur Compton xác nhận tính chất lượng tử của quang tuyến X và cho thêm một bằng cớ thực nghiệm vế tính chất hạt của các bức xạ có độ dài sóng cực nhỏ. Điều đó có nghĩa là ánh sáng dứt khoát vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Không những thế, mọi loại sóng bức xạ - không riêng gì ánh sáng - phải có tính chất của hạt.

Năm 1923, một nhà khoa học người Pháp tên là Louis De Broglie có một ý nghĩ lạ khi quan sát hành tung của electron xuyên qua những cấu trúc pha lê. Ông thấy electron mà cũng có hiện tượng nhiễu xạ, một hiện tượng đặc trưng của sóng. Trong luận án tiến sĩ của mình, ông cho rằng nếu mỗi sóng có tính chất hạt thì mỗi hạt cũng có tính chất sóng – được gọi là “sóng vật chất” – và mối liên hệ toán học giữa hai dạng tồn tại này là như đã nói ở trên, tức là giữa độ dài sóng và xung lượng. Ý niệm này của De Broglie là hết sức kỳ dị, không ai có thể chấp nhận được. Giáo sư chủ nhiệm của ông là Langevin không thể quyết định được nên viết thư hỏi ý kiến của Einstein. Nhà khoa học lớn Einstein trả lời: “Dù cho ý niệm này mới xem ra có vẻ điên rồ, nhưng nó đã bắt đầu lớn mạnh”. Cuối cùng Langevin đồng ý cho De Broglie bảo vệ luận án trong tháng 12.1924. Năm năm sau, De Broglie nhận giải Nobel nhờ phát minh của mình.

Xuất phát từ ý niệm sóng vật chất, người thiết lập phương trình sóng là một nhà vật lý xuất sắc người Áo tên là Schrödinger. Electron là hạt thì nó cũng phải có tính chất sóng. Schrödinger là người đầu tiên nêu phương trình sóng của electron năm 1926 và lý giải được chính xác mọi tính chất của electron. Nền cơ học của ông được gọi là cơ học sóng và nó là một cơ sở  căn bản của nền cơ học lượng tử của thế kỷ 20.

Song song với Schrödinger, một nhà vật lý người Đức tên là Heisenberg xây dựng một phép tính toán khác về chuểyn động của electron mà điều thú vị nhất là kết quả của Schrödinger và của Heisenberg là tương thích với nhau.

Năm 1925, Heisenberg nêu lên một quan điểm thực chứng trong khoa học về cấu trúc nguyên tử bằng cách chỉ nghiên cứu mối quan hệ giữa những đại lượng “có thể quan sát được” như tần số, biên độ, độ phân tán của các bức xạ  để hình thành một phép tính toán mà không cần biết đến mô hình vận hành đích thực của electron.

Đó là thời kỳ mà Heisenberg còn là học trò của nhà vật lý Đức Max Born, Born đã đào tạo khá nhiều người về sau lãnh giải Nobel và bản thân ông cũng lãnh giải Nobel năm 1954. Born nhận ra tài năng đặc biệt của Heisenberg và nhất là phép tính mới, ông cùng Heisenberg và thêm một người thứ ba nữa là Jordan hoàn thiện phép tính này mà người ta gọi là cơ học ma trận. Trong nền cơ học này thì vị trí cũng như xung lượng của các hạt electron không còn là những con số giản đơn nữa mà là những ma trận với nhiều trị số khác nhau, diễn tả tính xác suất của các đại lượng đó. Cơ học ma trận và cơ học sóng của Schrödinger là hai cột trụ của cơ học lượng tử và chúng cho một kết quả như nhau.

Thế nhưng công lao quan trọng nhất của Born là người đầu tiên nêu lên cách giải thích các hàm số sóng của Schrödinger, ông cho rằng ta phải xem các hàm số đó nói lên “xác suất lưu trú” của electron, chúng cho biết xác suất hiện hữu của một electron tại một thời điểm nhất định. Đó là cách diễn giải đầu tiên về cơ học lượng tử, ngành cơ học này là khoa học nói về hành tung của các hạt hạ nguyên tử, nhưng không phải về “số phận” từng hạt mà nói chung về một số lượng rất lớn các hạt, trong dạng phát biểu về xác suất hay thống kê của chúng. Về sau ta sẽ làm quen với nhiều cách lý giải khác và sẽ thấy cơ học lượng tử đề ra nhiều vấn đề triết học hết sức hóc búa.

Năm 1927, Heisenberg nêu lên nguyên lý bất định của hạt điện tử, trong đó ta không thể cùng một lúc đo được chính xác vị trí và vận tố (hay chính xác hơn: xung lượng) của electron. Sự bất khả đó không xuất phát từ thiết bị đo thiếu chính xác mà nó có tính nguyên tắc: Một khi biết được chính xác vận tốc của electron thì không thể có quan niệm về một vị trí chính xác và ngược lại.

Để thấy sự khác biệt căn bản giữa cơ học cổ điển và cơ học lượng tử ở đây ta hãy nêu lên một hiện tượng. Trong cơ học cổ điển, ta có thể tính trước được vị trí, vận tốc của vật thể sau một thời gian vận động. Thí dụ một vật bay với vận tốc 1m/s, bay đến một vách tường cách đó 2m. Sau hai giây vật thể sẽ đụng vách và ta biết rõ nó sẽ gặp vách ở chỗ nào. Trong cơ học cổ điển, quĩ đạo của vật trong thời gian và không gian là được xác định rõ.

Tình hình lại không xảy ra như thế đối với một electron. Giả định electron bay từ bên trái và xuyên qua một khe thẳng đứng để gặp một vách tường ở bên phải. Hạt electron đó sẽ gặp vách tường và sinh ra một chấm đen, nhưng gặp ở chỗ nào thì ta không biết được. Quĩ đạo của nó không được xác định. Thế nhưng nếu ta bắn rất nhiều hạt electron thì dựa trên những chấm đen khác nhau mà ta biết được xác suất phân bố, tức là chỗ nào có “hy vọng” hạt electron sẽ gặp vách tường. Xác suất phân bố có hình dạng của một sóng, và nơi có biên độ cao nhất là nơi có hy vọng hạt electron sẽ bắn trúng vách tường chỗ đó.

Cơ học lượng tử mô tả đúng như kết quả của thực nghiệm, tức là nó đưa ra những lời giải của phương trình sóng Schrödinger, nhưng những sóng này là sóng xác suất, chúng diễn tả khả năng mà ta “bắt gặp” được một hạt electron trong quá trình vận động của nó. Trong quá trình đó thì vận tốc và vị trí của hạt không thể cùng lúc xác định chính xác về vận động của những hạt riêng lẻ mà chỉ có những kết luận có tính chất thống kê về một số lượng lớn các hạt. Nhờ tính thống kê về hoạt động của số lượng lớn các hạt mà các thiết bị điện tử, các phản ứng hạt nhân... lại vận hành đúng như người ta tiên đoán.

Dù thế, tính chất xác suất của sự mô tả electron cũng như nguyên lý bất định trong các trị số cơ học của chúng là hết sức khó hiểu với nền vật lý cổ điển. Thực tế là, chúng tạo nên một cuộc cách mạng trong nhận thức luận của con người về thế giới vi mô, thế giới cơ sở của vật chất và đề ra vô số vấn đề về triết học mà đến nay vẫn còn được bàn cãi ráo riết.

Hiện nay, tính chất xác suất của cơ học lương tử khi xác định số lượng lớn của các hạt cơ bản được xem là có sự thừa nhận chung của cộng đồng vật lý. Thế nhưng, cách diễn giải cơ học lượng tử để tìm hiểu “số phận” của một hạt, hay tìm hiểu sự vận động đích thực của sự vật, hay lý giải thế giới thực chất là gì thì lại vô cùng khác nhau. Một trong những kết luận cốt tủy nhất của cơ học lượng tử là, khi hai hạt có điều kiện ban đầu (vị trí và vận tốc) như nhau thì diễn biến về sau của chúng không nhất thiết phải giống nhau. Điều đó đặt vấn đề tính “nhân quả” trong ngành cơ học này. Ngoài ra cần nói thêm là điều kiện đầu của một hạt cũng không thể được xác định chính xác, cũng lại vì nguyên lý bất định.

Ngày nay người ta cho rằng có ít nhất tám phép diễn giải cơ học lượng tử. Ngoài phép diễn giải thống kê thì lý thuyết được xem như chuẩn mực là phép diễn giải Copenhagen mà những người chủ đạo là Bohr và Heisenberg. Theo quan điểm này thì sự vật đích thực không phải là hạt cũng chẳng phải là sóng. Sóng và hạt đều chỉ là dạng xuất hiện của sự vật khi người quan sát tra tìm nó theo cách này hay cách khác. Tính chất của sự vật nhờ cả sóng lẫn hạt mà được hiểu rõ, được xác định. Đó là nguyên lý bổ túc nổi tiếng của Niels Bohr.

Theo phép diễn giải Copenhagen thì sự vật nằm trong một thể “khả dĩ”, được biểu diễn bằng các hàm số sóng. Khi quan sát viên truy tìm để đo lường vật đó – thí dụ tìm vị trí của nó – với thiết bị đo lường, quan sát viên đã “ép” sự vật phải lấy một vị trí, quan sát viên đã làm “sụp đổ” dạng sóng của nó. Thế nên chính sự truy tìm của quan sát viên đã can thiệp vào sự vật và vì thế mà ta không thể tách rời người quan sát và vật bị quan sát. Còn nếu sự vật không được quan sát thì hạt nằm ở đâu, vận hành thế nào, sự vật thực chất là gì, câu hỏi đó đối với phép diễn giải Copenhagen là “vô nghĩa”. Trên nguyên tắc, ta không thể biết những điều đó và trường phái Copenhagen cũng chỉ làm việc với những đại lượng có thể quan sát được (quan niệm thực chứng). Phép lý giải này rất mới mẻ so với nền cơ học cổ điển; và chính Bohr, cha đẻ của phép này nói: “Những ai mới đầu không choáng váng với nền cơ học lượng tử thì kẻ đó chưa hiểu nó”.

Phép diễn giải này tuy không thỏa mãn được nhiều nhà vật lý nhưng hiện nay nó được thừa nhận nhiều nhất vì không có cách lý giải nào tốt hơn. Einstein cho đến cuối đời vẫn không chấp nhận tính xác suất của cơ học lượng tử, và ông từ chối phép diễn giải Copenhagen. Ông nói đầy ẩn dụ: “Thượng đế không chơi trò xúc xắc”. Einstein cho rằng sở dĩ cơ học lượng tử phải chấp nhận tính xác suất vì nó “không đầy đủ”. Thế nhưng Einstein cũng phải thừa nhận là lý thuyết cơ học lượng tử trong bản thân nó là “nhất quán”. Điều đó có nghĩa, muốn vượt lên tính xác suất của cơ học lượng tử, con người phải phát hiện một hệ thống cơ học hoàn toàn mới mẻ.

Một phép lý giải khác là quan điểm “đa thế giới” do nhà vật lý Mỹ Hugh Everett nêu lên năm 1957. Theo quan điểm này thì các hàm số sóng Schrödinger – thay  vì chỉ là thể “khả dĩ” như quan niệm của phái Copenhagen – thì mỗi sóng là một thế giới thực có. Các hàm số sóng chẳng hề “sụp đổ” gì cả mà chúng đều là một thế giới riêng biệt. Vì sự vật gồm vô số sóng giao thoa nên sự vật tồn tại thực sự cùng lúc trong vô số sóng giao thoa nên sự vật tồn tại thực sự cùng lúc trong vô số thế giới. Các thế giới này không phải là những thế giới song hành với nhau mà chúng bị chia chẻ từ một dạng đi trước nó. Mỗi lần nhà vật lý xác định hay đo lường một sự vật, tức là nắm bắt nó trong một thế giới nhất định thì lập tức sự vật có nhiều dạng biến thiên khả dĩ và mỗi dạng đó hóa hiện ngay thành một thế giới mới. Sự vật “tự tách ra” thành nhiều sự vật, cả các thiết bị đo lường lẫn người quan sát cũng bị tách ra để trở thành những thế giới với đầy đủ mọi tính chất của nó.

Theo quan điểm đa thế giới thì vũ trụ là một vũ trụ lượng tử, nó đã bị chia chẻ từ vô thủy để sinh ra vô số vũ trụ. Chúng ta là người “tình cờ” sống trong vũ trụ này và hầu như chắc chắn có những “phiên bản” của chúng ra đang sống ở những vũ trụ khác.

Phép diễn giải “đa thế giới” này nghe qua thật hết sức điên rồ và không được nhiều người thừa nhận. Thế nhưng, phải chăng phép diễn giải Copenhagen cũng “điên rồ” không kém? Thật ra những kết luận của cơ học lượng tử cũng bất ngờ và khó tính như những kết luận kỳ lạ về không gian, thời gian, khối lượng... của nền vật lý tương đối khi Einstein đề ra lần đầu.

Gần đây nhất phép diễn giải đa thế giới này lại được các nhà vật lý xuất sắc đương thời coi trọng. Người ta cho rằng, mặc dù không ai tưởng tượng được một hình ảnh đa thế giới, đa vũ trụ nhưng hệ quả toán học của cơ học lượng tử buộc ta phải chấp nhận thuyết đa thế giới, nếu ta không muốn chấp nhận vai trò của ý thức con người trong phép diễn giải Copenhagen. Vấn đề rất lớn được đặt ra về vai trò của ý thức là, trong phạm vi nhỏ của nguyên tử thì có ý thức của người quan sát thật, còn bản thân cả vũ trụ thì ai quan sát nó. Ai là kẻ đứng ngoài để quan sát vũ trụ? M.Gell-Mann thắc mắc như thế, còn K.Gödel thì cho rằng vũ trụ “tự quan sát và đo lường bản thân mình”.

Thế nên Gell-Mann và một lý thuyết gia xuất sắc khác của nền vật lý đương thời là S.Hawking đứng về phía thuyết đa thế giới. Hai ông cho rằng danh xưng “thuyết đa thế giới” là không chính xác, họ đề nghị “thuyết đa số phận”. Trong hình ảnh này, mỗi sự vật lúc bị chia chẻ, có một “số phận” riêng diễn ra trong một thế giới riêng. Ngoài hai nhà vật lý này còn có Feynman và S.Weinberg cũng chấp nhận thuyết đa thế giới.

Cả phép lý giải Copenhagen lẫn quan niệm “đa thế giới” đều đặt lại một quan niệm mới về thực tại, đó là trong trường hợp nào ta gọi thực tại là có và không có. Nền vật lý cổ điển quan niệm có một thực tại độc lập, tồn tại tự nó. Với trường phái Copenhagen, ta có thể quan niệm thực tại chỉ có khi ta quan sát và đo lường nó. Khi ta không quan sát một vật thì vật đó không tồn tại. Ngược lại, với quan niệm “đa thế giới” ta có thể nói rằng có vô số thế giới, vô số thực tại, tất cả đều có. Mỗi thế giới được xác định là vừa hiện hữu thì lập tức nó lại sinh ra nhiều thế giới khác. Ta có thể nói, hai trường phái diễn giải cơ học lượng tử đó là hai cực biên của luận đề có-không mà về sau ta sẽ trở lại và soi sáng chúng dưới một ánh sáng khác.

Như ta thấy, nền cơ học lượng tử nêu lên nhiều luận điểm hết sức hóc búa về triết học, chúng chạm đến lĩnh vực của bản thể học và thậm chí của tôn giáo. Về các luận điểm này hiện nay không có sự đồng thuận nào trong cộng đồng vật lý.

Luận đề có-không nói trên sẽ được trở lại trong các chương sau và chính nó là nội dung của sách này khi ta tìm hiểu các quan niệm triết học khác, nhất là của Phật giáo.

DIRAC VÀ ĐỐI VẬT CHẤT

Dường như ngành cơ học lượng tử chưa đủ khó hiểu, năm 1928, con người lại phát hiện ra một điều lạ lùng.

Nhà vật lý người Anh, Paul Dirac sớm tiếp thu hai phát hiện mới của thế kỷ, đó là nền vật lý tương đối và cơ học lượng tử. Chỉ trong vòng ba mươi năm, kể từ ngày Max Planck đề ra ý niệm lượng tử vào năm 1900, nền vật lý hiện đại đã phát hiện quá nhiều điều mới mẻ và khó hiểu, nó lật đổ toàn bộ nền tảng của tư duy cũ. Con người hầu như choáng ngợp trước vô số những kết quả thực nghiệm, những phát hiện trong thực tế, những lý thuyết mới và cả những phép diễn giải khác nhau về cùng một lý thuyết trên mặt khoa học và triết học.

Trong thế kỷ hai mươi, các nhà vật lý không còn thống nhất với nhau nữa khi nhận thức về thế giới và tự tính của vật chất. Đó là một điều hoàn toàn mới so với các thế kỷ trước. Con người đã đi vào những lĩnh vực nằm xa đời sống bình thường. Hoặc là chúng thuộc về lĩnh vực vĩ mô với vận tốc và năng lượng cực lớn, hoặc là lĩnh vực vi mô với kích thước thật bé nhỏ. Cả hai phía đều đem đến những kết luận mà tư duy con người – vốn bị trói buộc trong lĩnh vực của đời sống hàng ngày – không thể đạt đến nổi chỉ tính sắc bén của toán học cộng với những kết quả thực nghiệm không thể chối cãi mới buộc con người phải tin những lý thuyết đó là đúng. Thế nhưng trong thế kỷ hai mươi xuất hiện một khái niệm mới, đó là ta “diễn giải” thế nào về một lý thuyết, về một hiện tượng, về một công thức... khi chúng nói về những điều mà đầu óc thông thường của ta không quan niệm được. Bởi vậy trong thế kỷ hai mươi, nền vật lý đi tới tình trạng “phân kỳ” khi ta suy tư về “ý nghĩa” của mọi sự.

Mặc dù con người bị phân kỳ trong việc đi tìm ý nghĩa triết học của các phát hiện vật lý, một khả năng và cơ hội khác lại hiện ra làm nức lòng các nhà vật lý. Đó là khả năng thống nhất của ngành vât lý trong thời đại mới. Trong một chương trước ta đã nói, nền vật lý Newton, cho thấy nền vật lý cổ điển có thể được suy ra từ vật lý tương đối, khi vận tốc của vật thể nhỏ hơn so với vận tốc ánh sáng.

Ngành cơ học lượng tử cũng có sức thống nhất cao độ. Nó chứng minh nền cơ học thông thường trong phạm vi hàng ngày cũng có thể suy ra được từ cơ học lượng tử khi mối liên hệ bất định theo ý nghĩa của Heisenberg tại nơi đó quá nhỏ, không đáng kể.

Thế nhưng giữa vật lý tương đối và cơ học lượng tử chưa được thiết lập mối quan hệ nào cả. Và đó là đối tượng nghiên cứu của Dirac vào năm 1928. Ông tìm ra được cách “ghép” chúng lại với nhau, nhưng quan trọng hơn, ông phát hiện ra – về mặt lý thuyết – một dạng vật chất được gọi là đối vật chất.

Xuất phát từ Thuyết tương đối đặc biệt, Dirac xem khối lượng là một dạng của năng lượng, ông phát biểu lại phương trình của năng lượng và nêu lại phương trình sóng của hạt electron. Khi giải phương trình sóng này Dirac gặp hai lời giải, trong đó một lời giải cho thấy năng lượng là một số dương và trong đáp án kia, năng lượng là một số âm. Giải pháp thứ hai không thể chấp nhận được vì năng lượng không thể âm. Hãy tưởng tượng diện tích một hình vuông là 4m2, mỗi cạnh hình vuông là bao nhiêu. Về mặt toán học ta có hai lời giải, đó là mỗi cạnh hình vuông là 2m và -2m. Về mặt vật lý chỉ có lời giải thứ nhất là chấp nhận được vì trong giải pháp thức hai, cạnh hình vuông là một số âm. Đó là điều “vô lý”.

Dirac chạm trán với sự “vô lý” này với năng lượng âm của ông và chần chừ suốt một năm mới công bố đề nghị của mình. Ông cho rằng toán học đã cho giải pháp thì thực tế cũng phải như thế. Ông công bố công trình chứa một thứ năng lượng âm và điều đó dẫn tới khái niệm của một hạt electron “ngược”. Đó là một hạt có khối lượng và tính chất giống như electron nhưng  mang điện tích dương mà ông gọi là “đối electron”. Dĩ nhiên tất cả những gì đã nêu đều xuất phát từ lý thuyết, không có thực nghiệm nào chứng minh.

Kỳ lạ thay, năm 1932 một nhà khoa học tên là David Anderson phát hiện ra hạt “đối electron” thực. Ông phát hiện ra hạt này từ các tia bức xạ trong thiên nhiên. Hạt này đúng như tiên đoán của Dirac, có khối lượng và tính chất như electron, nang điện tích dương. Anderson đặt tên cho nó là positron. Năm 1933 Dirac lãnh giải Nobel vật lý nhờ phương trình của mình, còn Anderson cũng lãnh giải đó nhờ công trình phát hiện bằng thực nghiệm. Dirac còn đi xa hơn, ông quả quyết mỗi hạt trong nhân như pronton và neutron đều có đối hạt của chúng. Quả nhiên, năm 1955 và 1956 người ta lần lượt phát hiện đối hạt của proton và neutron.

Vấn đề kế tiếp là khi những đối hạt của proton và neutron gặp nhau, liệu chúng có thể kết hợp trở thành một hạt nhân, tức là một hạt nhân đối ngược với hạt nhân nguyên tử thông thường hay không. Năm 1965 hai nhóm nghiên cứu độc lập, một tại Thụy Sĩ, một tại Mỹ, thực hiện được công trình đó. Và gần đây, năm 1995, người ta đã thực hiện được một công trình ly kỳ, tạo ra một nguyên tử đối vật chất bằng cách ghép positron với hạt nhân đối vật chất.

Thế nên, về mặt nguyên tắc mỗi nguyên tử đều có một nguyên tử đối nghịch. Nhưng chúng nằm ở đâu?

Người ta không biết nhiều về lĩnh vực đối vật chất. Đến nay người ta chỉ biết rõ khi vật chất và đối vật chất gặp nhau, chúng hủy hoại lẫn nhau và biến thành năng lượng. Vậy, ta có thể nói, cả hai dạng đều do năng lượng tạo thành. Thế nhưng liệu chúng thật giống nhau hay không, người ta chưa biết rõ. Thực tế là không đâu có sẵn đối vật chất để mà nghiên cứu và thực hiện những thí nghiệm, chúng chỉ xuất hiện hết sức ngắn ngủi trong những thử nghiệm hiếm hoi. Trong thời gian gần đây, với các thiết bị gia tốc khổng lồ người ta đã có thể phân hủy quang tử photon thành hai hạt electron và posotron, tức là có thể “chế tạo” hạt đối vật chất được. Thế nhưng vận tốc của chúng rất lớn, con người cần nhiều kỹ thuật cao cấp mới “tóm” được chúng cũng như giảm thiểu vận tốc của chúng lại. Vấn đề lớn nhất là hầu như ta không thể cất chứa các hạt đối vật chất được vì lẽ, khi chúng tiếp xúc với vật chất thông thường thì sẽ phát nổ. Hai loại hạt đó gặp nhau là liền tiêu diệt lẫn nhau để sinh ra năng lượng.

Nhiều người cho rằng, vật chất và đối vật chất đều xuất hiện cùng lúc và cùng có số lượng trong vụ nổ ban đầu (Big Bang), chúng đều là dạng xuất hiện có “giá trị tương đương” của năng lượng. Thế nhưng trong vũ trụ của chúng ta chỉ có vật chất, còn đối vật chất chỉ xuất hiện khi ta khổ công tìm kiếm nó. Phải chăng đối vật chất đã hình thành một vũ trụ khác, song hành với vũ trụ chúng ta. Phải chăng mỗi một nguyên tử, mỗi một vật thể, mỗi một con người cá thể... đều có dạng đối vật chất trong vũ trụ song hành đó?

Lĩnh vực nói trên là vô cùng hấp dẫn cho các câu chuyện khoa học giả tưởng và quả thực đã có nhiều tiểu thuyết và phim ảnh được xây dựng tên đề tài này. Trong ngành vật lý cùa các nhà khoa học đạo mạo, người ta không ưa nghe những chuyện hoang đường thiếu căn cứ. Thế nhưng các hạt đối vật chất rất được các nhà vật lý coi trọng vì môt lẽ đơn giản: nó đóng một vai trò then chốt trong việc tìm hiểu sự hoạt động và chuyển hóa của các hạt cơ bản, các hạt nằm trong lòng nguyên tử, trong lĩnh vực “hạ nguyên tử”. Trong lĩnh vực đó, các đối hạt có những vai trò và tác động hẳn hoi mà chúng ta sắp nói đến trong những chương sau. Đó là lĩnh vực vi mô. Liệu các cơ cấu vĩ mô của các đối hạt – nói chung là các cơ cấu đối vật chất – sẽ được phát hiện và đóng một vai trò trong thực tại vật lý thông thường của con người hay không, hiện nay chúng ta chưa thể trả lời.

Công trình ban đầu của Dirac đã dẫn tới những phát hiện lạ lùng mà thiên tài và sự liều lĩnh của ông là dám cho rằng thiên nhiên tuân thủ những lời giải lý thuyết của toán học. Nơi đây, một câu hỏi cũ của chúng ta lại được đặt lại, tại sao thiên nhiên lại chịu tuân thủ những kết luận lý thuyết, sản phẩm của đầu óc con người?

NHỮNG “HẠT CƠ BẢN” CỦA VẬT CHẤT

Năm 1911, Rutherford đã khám phá ra nguyên tử không hề là những hạt cuối cùng của vật chất mà chỉ là một khoảng không trống rỗng gồm có một hạt nhân tí hon và một số electron vận hành xung quanh hạt nhân với một khoảng cách rất lớn. Qua đó, người ta thấy rằng bản thân nguyên tử cũng có một cơ cấu và cơ cấu đó tương tự như hệ thống các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Cho nên nguyên tử là một hệ thống gồm  những hạt nhỏ hơn tạo thành; và lĩnh vực của những hạt nhỏ đó được gọi là “hạ nguyên tử”. Trong cơ cấu hạ nguyên tử mới đầu người ta chỉ biết rõ có một thứ hạt mang tên electron với các tính chất của nó. Thế thì hạt nhân nguyên tử là một khối cứng chắc hay bản thân nó cũng gồm nhiều hạt nhỏ?

Năm 1919, Rutherford lại phát hiện trong nhân nguyên tử có các hạt mang điện tích dương nhằm trung hòa với diện tích âm của các electron mà ông gọi là proton. Năm 1921 hai nhà khoa học Chadwick và Bieler quả quyết trong nhân phải có một thứ lực rất mạnh để giữ proton lại với nhau vì proton đều có điện tích dương, lẽ ra chúng phải đẩy lẫn nhau, không thể nằm gần nhau. Thứ lực đó về sau sẽ được phát hiện là lực hạt nhân mà hiệu quả của nó sớm được các nhà chính trị sử dụng. Năm 1932 Chadwick phát hiện trong nhân có một loại hạt nữa mang tên là neutron, hạt này không mang điện tích.

Như thế khoảng năm 1932, người ta đã biết đến ba hạt: electron, proton và neutron của cơ cấu nguyên tử. Ngoài ra người ta đã biết thêm một thứ hạt thứ tư nữa, đó là hạt quang tử photon.

Khoảng từ những năm 1930 người ta bắt đầu khám phá rất nhiều hạt hạ nguyên tử khác trong khi phát hiện tính chất phóng xạ của nguyên tử. Người ta thấy rằng có nhiều hạt, nhất là các hạt không mang đện tích như hạt neotron tự phân hủy để sinh ra các hạt khác có mang điện tích với điều kiện là tổng số điện tích phải trung hòa như hạt nguyên thủy. Trong quá trình tự phân hủy đó chúng còn sinh ra những hạt khác nữa có điện tích trung hòa mà người ta gọi là neutrino. Ngoài ra có nhiều trường hợp các hạt bị “vỡ” ra không phải do sự tự phân hủy mà do các thí nghiệm trong đó các hạt va chạm nhau dữ dội, với vận tốc và năng lượng cao.

Song song người ta còn phát hiện những hạt được sinh ra do sự hoán chuểyn giữa các hạt khác. Chính sự hoán chuyển đó tạo nên các lực liên kết trong nội bộ hạt nhân nguyên tử.

Trong thiên nhiên, trên các vùng núi cao người ta cũng phát hiện nhiều loại hạt đặc biệt. Trong các tia vũ trụ các nhà khoa học cũng tìm thấy nhiều loại hạt, dường như chúng xuất phát từ những phản ứng trong các hệ hành tinh xa xôi.

Sau đây là tiến trình phát hiện các hạt cơ bản từ cuối thế kỷ trước đến khoảng 1995.

Sau khoảng 30 năm hào hứng phát hiện liên tục các hạt cơ bản từ 1930 đấn 1960, người ta đứng trước một loạt những loại hạt khác nhau với tính chất khác nhau. Kể từ đó, người ta bắt đầu tìm cách phân loại và xếp đặt chúng trong một hệ thống, tương tự như bảng phân loại tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Con số các hạt “cơ bản” được phát hiện lên tới hàng trăm, mức độ mà người ta không thể xem là “cơ bản” nữa, chúng không thể là những hạt nguyên thủy tạo nên thế giới vật chất nữa. Liệu bản thân chúng cũng do một số các hạt “cơ bản hơn” cấu tạo thành, phải chăng có một mô hình nào đó biểu diễn được cấu trúc của chúng?

Năm 1964 nhà vật lý Gell-Mann đề nghị khái niệm quark, một loại hạt nhỏ hơn nựa để xây dựng các hạt cơ bản đã được biết. Ông sử dụng ba hạt quark với ba “mùi vị” khác nhau mà ông gọi là “up”(u), “down”(d) và “strange”(s) và ba đối hạt của chúng.

Với mô hình quark thì một proton được xem là do hai hạt quark “up” và một hạt quark “down” tạo nên. Hạt Pion (p+) sẽ do một hạt quark “up” và một đối hạt của quark “down” hợp thành. Tổng quát hơn, các hạt nặng baryon do ba hạt quark hình thành, trong lúc các hạt trung bình meson do một quark và một hạt đối hạt của quark tạo nên.

Các hạt quark cho phép lý giải rất thỏa đáng những tính chất của các hạt, thậm chí mô hình này cũng cho phép tiên đoán cả sự hiện diện của một số hạt mà sau này người ta phát hiện được, thế nhưng không ai tìm được hạt quark riêng lẻ nào cả. Điều chắc chắn là thực nghiệm cho thấy proton có một cấu trúc bên trong và người ta đoán nó phải là những hạt quark và cho chúng một cái tên là các hạt quark “bị giam giữ”.

Lần lượt trong các năm 1975, 1977 và 1995 người ta phát hiện các hạt quark thứ tư, thứ năm và thứ sáu mà tên của chúng là charm (c), bottom (b) và top (t). Hiện nay người ta vẫn chưa biết, liệu cá hạt quark “có thật” hay chúng chỉ là một giả định toán học.

Song song với hạt hạt quark – vốn là các hạt xây dựng hạt nhân nguyên tử - là các hạt lepton, đó là các hạt nhẹ, ngang tầm với electron. Điều đáng ngạc nhiên nhất là nếu ta có 6 hạt quark thì ta cũng chỉ có 6 hạt lepton mà một trong 6 hạt lepton đó là electron. Ngày nay nhà vật lý hạt có tổng cộng 12 hạt cơ bản, đó là 6 hạt quark và 6 hạt lepton cùng với các đối hạt của chúng. Những hạt cơ bản này là chất liệu xây dựng toàn bộ hạt nhân, nguyên tử, tức là toàn bộ vật chất. Những hạt này được chia làm ba hạng nhẹ (I), vừa (II) và nặng (III).

Đây là mô hình cơ bản của hạt đến cuối thế kỷ thứ 20 và là mô hình cho phép lý giải thoả đáng rất nhiều hiện tượng hạ nguyên tử. Thật là lạ lùng khi nhìn các hạt cơ bản nói trên, những hạt được xem là nền tảng của thế giới vật chất, của thiên nhiên. Dường như chúng mang một tính đối xứng, dấu ấn của đầu óc suy tư lý luận của con người. Thế nhưng đó là mô hình mới nhất của vật lý, được phần lớn các nhà khoa học thừa nhận. Hiện nay mô hình này được sử dụng chung trong cộng đồng, nó là nền tảng của một ngành vật lý rất phức tạp mang tên là “hạt cơ bản”. Mặc dù tự tính của hạt quark rất khó hiểu, thế nhưng mô hình này cho phép lý giải và phân loại một cách đầy thuyết phục các hiện tượng hạ nguyên tử. Đây là một sự đồng thuận hiếm hoi của ngành vật lý hiện đại.

Trong chương này, các hạt vật chất vi tế nhất, cơ bản nhất đã được phát hiện và trình bày bằng hai biểu đồ đầu tiên. Theo quan điểm của các nhà vật lý, đó là những viên gạch lớn bé xây nên tòa lâu đài vật chất của vũ trụ. Vì số lượng các viên gạch đó quá lớn, người ta đi tìm mô hình của chấu trúc nội tại của chúng và đến với một tập hợp gồm 12 hạt nhỏ hơn. Dù chưa cô lập riêng được từng hạt của 12 hạt đó, nhưng hiện nay người ta vẫn xem chúng là có thực và là cấp bậc cuối cùng của vật chất. Tại mức độ bí nhiệm này dĩ nhiên người ta không còn “thấy” được các hạt. Phương pháp tư duy ở đây là, nêu giả định về cấu trúc nội tại của vật chất và trên cơ sở đó mà tiên đoán các hiện tượng vật lý. Và khi thực nghiệm cho thấy các tiên đoán đó là đúng thì giả định vê cấu trúc của vật chất là đúng.

Bất chấp tính chất hòa toàn trừu tượng của phép tư duy này, nền vật lý hạt vẫn có những thành công bất ngờ, nhất là nó thống nhất và lý giải những hiện tượng tưởng chừng không liên quan gì đến cấu trúc nội tại của vật chất, kể cả các hiện tượng thuộc thế giới vĩ mô.

LỰC LÀ CÁC HẠT ĐANG “TƯƠNG TÁC”

Trong nền vật lý cổ điển Newton, người ta cho “lực” trọng trường là một tác động từ xa và tức thời mà nguồn gốc của nó nằm trong tay Thượng đế. Trong thời kỳ đó của thế kỷ thứ 17, nhiều người đã nêu nghi vấn, làm sao có một thứ lực tác động “cách không”, làm sao không tiếp xúc với nhau và tương tác lên nhau được.

Cuối thế kỷ thứ 19, với trường điện từ của Faraday, Maxwell, người ta đến với khái niệm chung về trường. Các nhà vật lý thật rằng trường là một thực tại vật lý độc lập và phát sóng tỏa khắp không gian. Trong các thứ trường đó, các vật bị tác động trực tiếp, được thay thế. Quan trọng nhất là, trường không phải là sản phẩm của hai vật thể đang hút hay đẩy lẫn nhau mà chính nó là một thực tại riêng. Trường tồn tại xung quanh một vật thể, thậm chí có quan niệm cho rằng vật thể chỉ là điểm cô đọng nhất của trường.

Với thuyết tương đối tổng quát của Einstein, lược trọng trường bỗng nhiên được lý giải một cách hoàn toàn mới. Trong thuyết này, không gian mất tính tuyệt đối, dạng hình của nó bị vật thể quyết định. Khối lượng của một vật thể làm không gian xung quanh nó cong lại và làm thay đỗi quĩ đạo của một vật thể khác đang vận hành gần đó. “Trọng trường” trở thành một thực tại vật lý, hệ quả của nó là “ép” vật thể đang vận hành gần đó theo một đường con đường về trung  tâm trường, một điều mà xưa nay ta quan niệm là vật thể hút lẫn nhau.

Với sự phát triển của cơ học lượng tử, người ta sớm nhìn trường – trọng trường hay điện từ trường – dưới một ánh sáng mới. Điện từ trường là một thực tại vật lý có tính chất sóng. Thế nhưng, theo nguyên lý lương tử, mỗi hiện tượng sóng đều được xem là tương đương với một hiện tượng hạt. Thế thì trường điện từ có những hạt gì? Đó là câu hỏi đầu tiên.

Người đi xa hơn một bước và suy ra rằng, mỗi lực đẩy hay hút đều được quan niệm là mỗi trường phát sóng, thế thì các lực đó cũng phải do “hạt đang trao đổi” mà thành. Einstein cho rằng trọng trường phải là một thực thể có dạng sóng. Thế thì liệu trọng trường có “hạt” chăng? Trong hạt nâan nguyên tử có proton cả neutron, thế thì lực gì giữ chúng lại với nhau, liệu lực đó cũng có hạt chăng. Tổng cộng có bao nhiêu loại lực trong thiên nhiên, liệu tất cả các lực đều có hạt cả không và các hạt đó có gì giống nhau, có gì khác nhau với 12 hạt trong thế giới hạ nguyên tử mà ta nói đến trong chương trước?

Tất cả những loại vấn đề này được nêu trong những lý thuyết của ngành “tường lượng tử”, một ngành vật lý hết sức thú vị mà hướng phát triển của nó còn hết sức mạnh mẽ và chứa vô số bất ngờ. Nếu giải quyết được hết những câu hỏi này, người ta hy vọng tiến đến một sự đại thống nhất giữa lý thuyết tương đối và cơ học lương tử, sẽ viết nên được công thức cuối cùng của vũ trụ. Liệu con người có bao giờ đạt được mục đích đó chăng? Thiên tài của thế kỷ hai mươi, Einstein, dành gần 30 năm cuối đời mình để nghiên cứu các luận đề này nhưng cũng không đạt đươc kết quả nào đáng kể.

Khi nghiên cứu các loại lực trong vũ trụ, từ vũ trụ cực đại đến cực tiểu, vật lý hiện đại phát hiện một điều giản đơn. Đó là tất cả các loại lực đó dường như có một cơ chế chung: tất cả đều là hệ quả của sự tương tác của cá hạt cực nhỏ. Các hạt vi mô mà ta sắp nói đến cũng tương tự như các hạt trong thế giới hạ nguyên tử và bản thân chúng cũng tác động lên các hạt hạ nguyên tử đó.

Như ta đã biết, ngày nay ta có mô hình chuẩn với 12 hạt hạ nguyên tử. Chúng được chia thành hai loại: quark và lepton, mỗi loại 6 hạt. Nếu dựa trên sức nặng của chúng thì ta chia chúng làm 3 loại I, II và III, mỗi loại có 2 hạt quark và 2 hạt lepton. Tất cả 12 hạt đó được gọi là các hạt hợp thành nguyên tử của vật chất, chúng được gọi chung là fermion.

Nền vật lý hạt cơ bản ngày nay phát hiện, ngoài 12 hạt fermion, còn một số hạt khác nữa. Các hạt này đóng vai trò “tương tác” trong các hiện tượng vật lý mà một trong những hệ qủa của sự tương tác đó là sinh ra lực. Tất cả các hạt đóng vai trò tương tác được gọi là boson. Hiện nay người ta phát hiện được 6 hạt boson.

Điều thú vị nhất trong sư phát hiện này là khi nghiên cứu các hạt tương tác, người ta không những lý giải được các hiện tượng vật lý khác như sự bức xạ, sự nhiễu xạ…, nhất là sự chuyển hóa lẫn nhau giữa các hạt, tức là tính chất của bản thân các hạt fermion và boson, tự tính của vật chất và của cả chân không. Nơi đây người ta đụng đến cánh cửa cuối cùng của vật chất, của chân không, của cái đầy và cái không, của cái hiện hữu và phi hiện hữu.

Sáu hạt boson gồm có: hạt quang tử photon, hạt gluon, ba hạt W+, W-, Z0 và hạt cuối cùng là graviton. Các hạt đó tác động trong bốn loại tương tác: tương tác trọng trường, tương tác yếu, tương tác điện từ và tương tác mạnh.

Trong toàn bộ vũ trụ cực đại và cực tiểu, ta chỉ có bốn loại tương tác nên trên. Đối với con người thì tương tác trọng trường là quen thuộc nhất. Ai cũng cảm thấy sức nặng của một vật khi cầm trên tay. Tương tác điện từ thì tưởng chừng như ít quen thuộc hơn, thế nhưng nó hcính là nguyên nhân làm mọi vật chất có tính cứng nhắc. Nếu không có lực điện từ thì sàn nhà của chúng ta chỉ là một khoảng không vô tận và tất cả mọi người sẽ bị lực trọng trường kéo xuống mặt đất cả. Tương tác yếu thì xa lạ với hiện tượng bức xạ. Còn tương tác mạnh thì thật ra con người không thể cảm nhận được, nó chỉ xảy ra trong hạt nhân nguyên tử và trong một phạm vi hết sức nhỏ. Thế nhưng nó chính là nguyên nhân giữ vật chất tồn tại và một khi con người phóng thích được sức mạnh của nó thì không có lực nào có thể so sánh được với mức độ của lực này.

Tại sao “lực trọng trường” bây giờ được gọi là tương tác trọng trường? Thế nào là sự tươngtác? Nhà vật lý hạt cơ bản quan niệm mọi sự vận hành là do các hạt tác động lên nhau và sự tác động đó không hề trừu tượng mà phải có những hạt “đi lại” với nhau. Những hạt đó chính là boson, chúng dường như đóng vai trò “sứ giả” giữa các hạt fermion (quark và lepton). Chúng tác động lên fermion và giữa bản thân chúng cũng có tác động lẫn nhau. Từ đó mà sinh ra lực cũng như các hiện tượng vật lý khác. Hãy tìm hiểu sơ lược về bốn loại tương tác.

Tương tác điện từ có một nguyên lý duy nhất: một hạt có điện tích (thí dụ một electron, một lepton, một quark…) tại một lúc nhất định tự phóng thích hay hấp thụ một quang tử photon và đổi hướng vận động. Quang tử photon chính là “sứ giả” của hạt nói trên. Chính quang tử này giải thích tại sao khi hai hạt electron tiến gần nhau lại bị đẩy đi. Thông thường ta cho là có một “lực đẩy” giữa hai electron. Nhưng trong vật lý hạt, chính quang tử photon l2 sứ giả trao đổi làm hai electron đối hướng.

Hạt electron phía trên phóng thích một quang tử và quay hướng ngược đi lên và đổi vận tốc. Hạt dưới hấp thụ quang tử đó và quay đầu đi xuống. Biểu đồ được gọi là biểu đố Feyman và l2 phép diễn tả sự tương tác của tất cả các hạt trong mọi tương tác. Hiển nhiên các biểu đồ Feyman khác phức tạp hơn nhiều, nhất là khi có sự tham dự của nhiều hạt khác nhau và với các đối hạt.

Hãy nhớ lại rằng tương tác điện từ làm mọi vật chất có tính cứng chắc trên mặt vĩ mô. Cục đá nặng làm ta u đầu hay kết cấu xây dựng bền bừng làm nên nhà cửa đều do tương tác điện từ mà ra cả. Thế nhưng tất cả lực đó đều do những hạt quang tử photon phi khối lượng trao đổi mà thành cả. Sự cứng chắc của vật chất có nguyên ủy từ ánh sáng! Đó là kết luận hiện nay. Ai có thể ngờ được điều đó?

Tương tác mạnh chỉ xảy ra giữa các hạt quark trong hạt nhân nguyên tử và các hạt tương tác được gọi là gluton. Các hạt gluton này “dán chặt” các quark lại với nhau và đó là lý do chúng có tên “gluon”. Hiện nay người cho rằng có 8 hạt gluton với những đặc tính khác nhau. Chính sự tương tác này làm nên lực hạt nhân nếu phóng thích chúng. Trước đây người ta tưởng lực hạt nhân là do proton và neutron trong nhân tạo nên nhưng nay vật lý đã chứng minh rằng chính các hạt quark trong proton và neutron đã tương tác với nhau khi hai loại hạt đó tiến sát với nhau. Các hạt quark đó chỉ bắt đầu tương tác khi chúng sát nhau ở khoảng mức độ mà con người không thể tưởng tượng được, khoảng 10-15m.

Tương tác yếu xảy ra trong các tiến trình phân hủy của các hạt, mà từ đó người ta có các hiện tượng phóng xạ hay bức xạ. Các hạt bị phân hủy thường là các hạt quark và lepton nặng để trở thành các hạt quark và lepton nhẹ hơn. Khi một hạt bị phân hủy thường thường ta có hai hay nhiều hạt mới nhưng tổng số khối lượng của những hạt mới không bằng khối lượng cũ vì một số đã biến thành động năng. Loại tương tác này rất khó được quan sát vì nó hay bị các loại tương tác khác che lấp. Tương tác yếu được thực hiện bởi các hạt “sứ giả” với khối lượng lớn như W+, W- và Z0 nên phạm vi của nó nhỏ. Nó khác hẳn tương tác điện từ, nơi mà hạt quang tử photon đóng vai trò “sứ giả” thì lại không có khối lượng nên có khả năng lan ra trong phạm vi rộng.

Tương tác trọng trường được xem do một loại hạt graviton tác động. Đến nay người ta chưa phát hiện được graviton cũng như chưa xác định được sóng trọng trường. Lý do là tương tác trọng trường có trị số quá nhỏ. Theo Newton, tương tác trọng trường tỉ lệ thuận với tích số của hai khối lượng. Hãy xem hai proton tương tác trọng trường với nhau, tích số của chúng sẽ nằm ở mức độ 10-54kg2. Có lẽ vì mức độ trọng trường quá nhỏ, ngành vật lý chưa khám phá được hạt graviton, mặc dù về mặt lý thuyết phải có sự hiện diện của chúng.

Ta có thể rất ngạc nhiên về kết luận trên vì trên mặt vĩ mô, mọi vận hành của vật chất đều tuân thủ luật trọng trường một cách nghiêm nhặt. Điều đó không khó hiểu nếu ta biết rằng hệ thống vĩ mô là tập hợp của vô số những nguyên tử và qua đó khối lượng của chúng được nhân lên vô số lần. Để có hình dung về mức độ của sự tương tác, sau đây là bảng tỉ lệ của các loại tương tác, nếu ta cho tương tác mạnh một mức chuẩn là 1.

Tương tác trọng trường 10-38
Tương tác yếu 10-5
Tương tác điện từ 10-2
Tương tác mạnh 1
   
Những chỉ số trên cho thấy tương tác trọng trường thường bị bỏ qua trong khi ta nghiên cứu vận động của hạt trong thế giới hạ nguyên tử.

Mô hình 12 hạt cơ bản kết cấu thế giới vật chất vi mô và sáu hạt “sứ giả” (hạt graviton chưa được phát hiện) trong bốn phép tương tác để sinh ra lực là mô hình chuẩn, mô hình cuối cùng trong nền vật lý hiện đại, được thừa nhận chung của cộng đồng khoa học. Chúng lý giải rất tốt các hiện tượng xảy ra cũng như tiên đoán các kết quả thí nghiệm trong ngành vật lý hạ nguyên tử. Nhà vật lý Feynman, người ta đoạt giải Nobel vật lý năm 1965, đã nói vê mô hình này: “Mô hình chuẩn vận hành thật tốt”. Mô hình này bao gồm các hạt kết cấu vật chất lẫn các hạt đại diện cho sự tương tác của vật chất để sinh ra lực. Đây là mức độ mà hạt vừa có thể hình thành ánh sáng, vừa tạo tác nên những phần tử nhỏ nhất của vật chất.

Thế nhưng giữa nền cơ học lương tử và thuyết tương đối vẫn chưa có sự tương thích với nhau. Nhắm tiến tới một sự đại thống nhất trong ngành vật lý, người ta đang nỗ lực tìm những mô hình mới, chúng phải có khả năng bao trùm tất cảa mọi tri kiến hiện nay. Đến nay, chưa có dấu hiện nào của sự thành tựu này.

CÁC PHÁT TRIỂN MỚI

Chắm một thế kỷ đã trôi qua kể từ ngày Max Plank nêu lên tính chất phi liên tục của năng lượng nhiệt đến ngày các nhà vật lý thiết lập được mô hình chuẩn của các hạt. Trong lịch sử loài người có lẽ chưa có thế kỷ nào có sự thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý như thế kỷ 20. Trong thế kỷ này, con người đã mở rộng tầm nghiên cứu và phát hiện được những mối liên hệ trong thế giới tự nhiên từ phạm vi nhỏ nhất (khoảng 10-15m) đến phạm vi lớn nhất (hàng tỉ năm ánh sáng). Tầm hiểu biết của con người vươn rộng từ những vận động bình thường trong thế giới loài người đến những vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, từ những vật thể tí hon như các hạt hạ nguyên tử đến những đối tượng to lớn như các thiên hà mà đầu óc con người không thể tưởng tượng được.

Đến đầu thế kỷ thứ 21, con người có trong tay hai lý thuyết hoàn chỉnh, đó là thuyết tương đối  và mô hình chuẩn của hạt với cơ sở chính là cơ học lượng tử. Mỗi một lý thuyết này lại bao gồm những lý thuyết nhỏ hơn, chúng có giá trị trong phạm vi chuyên môn của riêng chúng. Thế nhưng hai rường cột đó hiện nay chưa được thống nhất vào một mối. Chưa có một lý thuyết nào bao trùm cả hai, giải thích một cách nhất quán thế giới tự nhiên, từ cực tiểu đến cực đại.

Nhà vật lý luôn luôn có một niềm tin là không sớm thì muộn phải có một lý thuyết chung kết mô tả một cách trọn vẹn thế giới tự nhiên. Họ mơ ước sẽ tìm đến với “phương trình vũ trụ” đó trong vài chục năm tới đây. Niềm tin của họ có một lý do chính đáng, đó là, trong những thế kỷ qua, sự phát triển của ngành vật lý luôn luôn được một lý thuyết mới hơn bao trùm, nhiều khái niệm tưởng như độc lập với nhau cuối cùng là các mặt của một khái niệm duy nhất. Thí dụ các lý thuyết về tương tác giữa các hạt có thế lý giải tự tính của lực; hiện tượng của thế giới nguyên tử, phân tử; thống nhất vật lý và hóa học vào một ngành khoa học duy nhất; lý giải các hiện tượng quang học, bức xạ, sự tự phân hủy của các hạt.

Cũng chính vì có một phần sự thống nhất đã đạt được trong thế kỷ trước đó, các nhà vật lý của thế kỷ 21 tự hỏi: phải chăng bốn lọai tương tác được trình bày trong chương trước chẳng qua chỉ là bốn dạng của một phép tương tác? Tại sao lại có đến 12 hạt cơ bản, có các hạt “sứ giả” sinh lực cũng như các đối hạt của chúng, phải chăng chúng nằm trong một dòng họ duy nhất, phải chăng chúng chỉ là những dạng khác nhau của một thực thể khác? Tại sao lại có sự phân biệt giữa các hạt cấu thành vật chất và các hạt mang lực, phải chăng sự phân biệt đó hết sức giả tạo? Tại sao chúng ta chỉ quan sát được vật chất, còn đối vật chất hầu như không thể thấy được, mặc dù ta tin rằng vật chất và đối vật chất phải đối xứng với nhau. Tại sao mô hình chuẩn không thể lý giải: vì sao có hạt khối lượng, hạt khác thì không (thí dụ quang tử photon)?

Đó là những luận đề lớn đặt ra cho mô hình chuẩn. Các câu hỏi quan trọng khác thuộc về trọng trường cũng vẫn chưa được giải đáp: “vật chất tối” là gì, tại sao ta không thấy nó nhưng nó lại đóng vai trò quan trọng trong trọng trường. Tại sao chưa ai tìm ra được hạt graviton? Tại tương tác này quá nhỏ hay có một vấn đề nguyên tắc?

Vì những lý do trên, dù ngành vật lý đạt những thành công vang dội, người ta vẫn cho rằng thế kỷ mới sẽ còn mang lại nhiều phát hiện bất ngờ hơn nữa. Các nhà vật lý – dù thuộc ngành lý thuyết hay thực nghiệm – đều miệt mài nghiên cứu các mô hình mới nhằm lý giải tốt hơn nữa các hiện tượng. Các mô hình đó một mặt phải bao trùm những gì đã có sẵn, mặt khác phải thống nhất hơn nữa các lý thuyết hiện không tương thích với nhau. Hiện nay có bốn hướng phát triển của vật lý hiện đại.

Thứ nhất, nhiều nhà vật lý tin rằng bốn loại tương tác – tương tác mạnh, tương tác điện từ, tương tác yếu và tương tác trọng trường – chỉ là các dạng khác nhau của một thứ tương tác lực duy quát GUT. Nhưng làm sao chúng có thể hợp nhất được khi trị số của chúng khác nhau một trời một vực. Thế nhưng, người ta đang hy vọng ít nhất ba loại tương tác đầu tiên có thể hợp nhất trong một loại tương tác. Lý do là khi xét các loại tương tác đó trong môi trường có năng lượng cao thì xem ra chúng đồng qui với nhau.

Tuy thế, trong tương lai dù ba loại tương tác đó được hợp nhất thì loại tương tác trọng trường vẫn là một bài toán khó giải đáp vì hai lý do: thứ nhất người ta chưa tìm ra được hạt graviton; thứ hai, trị số của tương tác trọng trường quá bé nhỏ. Ở đây có lẽ người ta phải lý giải cho được vai trò của vật chất tối.

Hướng phát triển thứ hai là lý thuyết về “siêu đối xứng”. Trong lý thuyết này, người ta cho rằng mỗi hạt cấu tạo thành vật chất (fermion) hay mỗi hạt “sứ giả” mang lực (boson) đều có một “đối tác” liên hệ với mình. Đối tác của hạt vật chất là một hạt mang lực và ngược lại đối tác của một hạt mang lực là một hạt vật chất.

Như thế vũ trụ phải có gấp đôi số hạt. Với giả định này người ta hy vọng giải quyết được một số vấn đề về “phân kỳ” mà mô hình chuẩn không giải thích được. Đến nay con người vẫn chưa phát hiện được các đối tác nói trên của mô hình siêu đối xứng. Các nhà khoa học tin rằng, sở dĩ ta chưa phát hiện được chúng trên mặt thực nghiệm là vì khối lượng của chúng quá lớn và do đó đòi hỏi năng lượng quá cao. Vì thế, họ tin rằng đó chỉ là vấn đề thời gian.

Một điều làm nhà vật lý hào hứng là câu hỏi, phải chăng các hạt đối tác này chính là chất liệu  làm nên vật chất tối. Người ta xác nhận được lực trọng trường của một thứ vật chất vô hình mang tên vật chất tối nhưng không thể thấy được loại vật chất này. Dường như nó không phải do proton, neutron và electron tạo nên, phải chăng nó được hình thành bởi các hạt đối tác siêu đối xứng này? Trong luận đề này, người ta nêu lên điều đáng ngờ là phải chăng thực tại có nhiều chiều hơn thực tại ba chiều của chúng ta, và đó là lý do tại sao vật chất tối “trốn” không cho ta thấy nó.

Hướng phát triển thứ ba là các “lý thuyết dây”. Đây là lý thuyết bắt đầu được đề cập tới từ những năm 70 của thế kỷ 20 và có nhiều triển vọng nhất. Xuất phát từ yêu cầu thống nhất thuyết tương đối tổng quát – trong đó trọng trường đóng vai trò trung tâm và hạt graviton vẫn chưa được phát hiện – với mô hình chuẩn của hạt với kích thước hết sức bé nhỏ, người ta đến với hạt là biểu hiện của những dạng kích động của một sợi dây cơ bản. Hãy nghĩ đến một sợi dây đàn. Tùy theo độ căng của nó mà dây phát ra những “tiếng trầm bổng” của một sợi dây vô cùng nhỏ bé. Độ lớn của sợi dây này liên hệ với mức độ phi liên tục được biểu diễn bởi hằng số Planck và có kích thước khoảng 10-33cm. Hiển nhiên ta không thể thấy được sợi dây đó vì nó quá nhỏ!

Sợi dây này có những kích chiều vô cùng nhỏ bé và vận động trong thời gian không gian. Nó được xem có nhiều chiều hơn không gian ba chiều của chúng ta và vì thế đây là một khái niệm hoàn toàn trừu tượng, đối với đầu óc con người thì nó chỉ là một mô hình toán học. Lý thuyết dây được sử dụng để tìm hiểu các hạt boson (hạt mang lực) cũng như các hạt fermion (hạt vật chất). Khi nó bao trùm cả hai loại hạt thì lý thuyết dây phải sử d