Minh Đạt
Thuyết Tương đối đặc biệt và Thuyết Tương đối tổng quát đã thủ tiêu ý niệm về Không Thời gian tuyệt đối của Newton, sau ba trăm năm thống trị. Thời gian cũng đã trở thành một chiều chính, cùng với ba chiều của Không gian, để tạo nên một Vũ trụ bốn chiều.
London, UK, ngày 7/7/2012.
Mặt trời và ánh sáng, giải Ngân Hà và những vì sao,... Vũ trụ đẹp mê hồn và huyền bí, luôn là niềm cảm hứng của các Tâm hồn thi ca và cũng luôn là niềm say mê của các Nhà Khoa học, niềm hứng thú của những bộ óc sáng tạo. Vũ trụ kỳ bí và huyền diệu, luôn luôn thu hút trí tuệ và sức lực của nhân loại. Lịch sử phát triển Văn hoá và Khoa học của Nhân loại cũng là lịch sử tìm tòi và khám phá Vũ trụ. Khám phá Vũ trụ với phát triển Văn hoá và Khoa học không tách rời nhau, luôn gắn liền nhau. Lịch sử khám phá Vũ trụ là lịch sử hàng ngàn năm. Là lịch sử của sự tìm hiểu các chiều Không gian và Thời gian, là lịch sử tìm hiểu các Lực tương tác trong tự nhiên, là lịch sự của sự tìm hiểu Cấu tạo cơ bản của Vật chất. Đó là ba Nội dung cơ bản nhất, ba Nội dung luôn thu hút tâm trí, tri thức của các Nhà Khoa học.
1. Từ Newton tới Einstein.
Hãy cùng tìm hiểu ba Nội dung này, với sự bắt đầu từ Galileo Galilei và Isaac Newton. Trên tháp nghiêng Pisa nổi tiếng, Galileo đã chứng minh được các vật có khối lượng khác nhau đều rơi với cùng một vận tốc. Và sau đó Newton đã có một bước nhảy vĩ đại về những Định luật Chuyển động và Thuyết Vạn vật hấp dẫn. Lực hấp dẫn là một sự cân bằng tuyệt vời, để mô tả vật lý Trái đất và vật lý Vũ trụ. Mọi vật đều tạo ra lực hấp dẫn và đều tác động lên các vật khác. Cơ học Newton ra đời đặt dấu chấm hết cho ý niệm tuyệt đối về không gian, một ý niệm đã tồn tại hàng ngàn năm trước Newton.
Nhưng rồi, trong cuốn Principia Mathematica, ông đã viết: "Không gian tuyệt đối không có mối quan hệ với bất kỳ đối tượng ngoại vi nào, hoàn hoàn bất biến". Ông đã cho rằng Không gian và Thời gian là thứ Vĩnh Cửu và là hai thành phần bất biến trong việc cấu thành Vũ trụ.
Trí tuệ sáng tạo của Albert Einstein, không chịu dừng lại tại đó. Einsten cho rằng: Không gian và Thời gian đan dệt với nhau bởi một yếu tố bất ngờ là sự chuyển động của vật thể qua Không gian sẽ ảnh hưởng đến sự chuyển động của nó qua Thời gian. Đó là thời điểm năm 1905, thời điểm ra đời củaThuyết Tương đối đặc biệt. Yếu tố chủ chốt của Thuyết Tương đối đặc biệt là giới hạn tốc độ được thiết lập bởi vận tốc ánh sáng. Không một thông tin nào được truyền đi nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Vận tốc ánh sáng là giới hạn của mọi tốc độ. Điều này phủ định sự truyền dẫn tức thì của Lực Hấp dẫn theo Newton.
Nếu Newton cho rằng, vì một lý do nào đấy, Mặt trời không tồn tại, thì ngay lập tức, Trái đấy sẽ thoát khỏi Lực Hấp dẫn của Mặt trời. Trái đất sẽ thoát khỏi quỹ đạo đang chuyển động. Einstein không đồng ý. Thuyết Tương đối Đặc biệt của Einstein không cho kết quả như vậy. Khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời là 93 triệu dặm. Ánh sáng mất 8 phút, chuyển động từ Mặt trời tới Trái đất. Phải sau 8 phút. 8 phút sau khi Mặt trời không tồn tại, chỉ sau đó Trái đất mới thoát ra khỏi quỹ đạo và thảm họa mới có thể xảy ra!
Không dừng ở đó, trí tuệ sáng tạo của Einstein một lần nữa lại bừng sáng, khi vào năm 1915, ông đã đưa ra Thuyết Tương đối Tổng quát. Thay thế quan niệm khô khan về Không và Thời gian của Newton. Thay thế Thuyết Vạn vật Hấp dẫn bằng sự mô tả hình học và động lực học của sự Bẻ Cong Không Thời gian. Einstein đã đan xen Lực Hấp dẫn vào kết cấu cơ bản của Vũ trụ. Thay vì được xem như là một yếu tố phụ, Lực Hấp dẫn đã trở thành một phần quan trọng của Vũ trụ.
Ngoài Mặt trời và Trái đất, trong và ngoài Giải Ngân hà còn có rất nhiều các vì sao. Có những vì sao ở rất xa. Ánh sáng của các vì sao tới trái đất, một cách thông thường và ngay cả theo Thuyết Tương đối Đặc biệt, nó sẽ đi theo đường thẳng. Thuyết Tương đối Tổng quát không phát biểu như vậy. Einstein cho rằng Mặt trời sẽ khiến cho Không Thời gian quanh nó bị Bẻ Cong. Sự Bẻ Cong này đã ảnh hưởng tới đường đi của những ánh sao đó, khi nó đi qua lân cận Mặt trời. Giống như Mặt trời tất cả các vì sao, cả Trái đất và Mặt trăng,... tất cả đều có hiệu ứng Bẻ Cong Không Thời gian.
Sáng tạo này của Einstein, còn phải kể đến đóng góp của Nhà Thiên văn người Đức Karl Schwarzschild, ngài Frank Dyson chỉ huy Đài Thiên văn Greenwich, ngài Arthur Eddington thư ký Hội Thiên văn nước Anh,... Ngày 7 tháng 11 năm 1919 trên báo Times ở London, với tiêu đề: "Cuộc Cách mạng trong Khoa học, Học thuyết mới về Vũ trụ, lật đổ những ý tưởng của Newton." Một ngày hạnh phúc của Einstein.
Thuyết Tương đối đặc biệt và Thuyết Tương đối tổng quát đã thủ tiêu ý niệm về Không Thời gian tuyệt đối của Newton, sau ba trăm năm thống trị. Thời gian cũng đã trở thành một chiều chính, cùng với ba chiều của Không gian, để tạo nên một Vũ trụ bốn chiều.
2. Lỗ đen và Big Bang.
Nếu tính Tương đối Đặc biệt được thể hiện rõ nhất khi mọi vật chuyển động nhanh; thì tính Tương đối Tổng quát xuất hiện khi vật thể có khối lượng lớn và sự Bẻ Cong Không Thời gian xuất hiện đáng kể tương ứng.
Thứ nhất, điều này được được biểu hiện một cách cực kỳ ấn tượng qua khái niệm Lỗ đen. Người mở đường để đưa ra khái niệm này là Karl Schwarzschild. Người đã chính thức xác định tên Lỗ đen là John Wheeler. Karl Schwarzschild đã vận dụng Thuyết Tương đối Tổng quát trong tính toán của mình, ước đoán chi tiết về sự tồn tại của Lỗ đen. Ông đã gửi tới Einstein các tính toán của mình, từ chiến tuyến của Nga, vào năm 1916, thời điểm khốc liệt của Thế chiến I.
Hãy tưởng tượng, một ngôi sao với khối lượng bằng Mặt trời có bán kính khoảng 450.000 miles, sẽ trở thành một Lỗ đen khi được nén lại còn 2 miles. Tượng tự để tạo một Lỗ đen từ Trái đất, phải nén Trái đất lại thành một khối cầu nhỏ hơn nửa inch. Một tác động lớn sẽ xảy ra. Lúc này sự Bẻ Cong Không Thời gian sẽ là yếu tố cơ bản. Bất kỳ thứ gì, kể cả ánh sáng, đến gần Lỗ đen, cũng không thể nào thoát khỏi Lực hút của nó. Lỗ đen, đen: vì chúng không thể phát sáng, lỗ: vì bất kỳ thứ gì đến đủ gần chúng cũng không bao giờ có thể quay lại.
Hiện nay, sau nhiều thập kỷ, người ta đã tìm ra được nhiều bằng chứng thuyết phục về sự tồn tại của Lỗ đen. Ngay tại trung tâm giải Ngân hà, dường như đang tồn tại một Lỗ đen có khối lượng rất lớn, bằng 2,5 triệu lần so với khối lượng Mặt trời. Và có thể đây là Lỗ đen khổng lồ. Điều mà các Nhà Thiên văn tin rằng tồn tại giữa các chuẩn tinh quang cực mạnh, xuất hiện rải rác trong toàn Vũ trụ: các Lỗ đen có khối lượng gấp hàng tỷ lần so với khối lượng Mặt trời!
Thứ hai, tính Tương đối Tổng quát có liên quan tới sự hình thành và phát triển của Vũ trụ. Qua các phương trình về hình học liên quan tới Không gian bị Bẻ Cong, được trình bày bởi Nhà Toán học Georg Bernhardt Riemann, bằng các phương trình của Thuyết Tương đối Tổng quát, Einstein đã mô tả sự phát triển của Không gian, Thời gian và định lượng vật chất. Ông đã nhận thấy rằng: kích cỡ tổng quát của Không gian Vũ trụ không ngừng thay đổi theo thời gian. 12 năm sau, Nhà Thiên văn học người Mỹ, Edwin Hubble, qua những kết đo lường chi tiết về các Giải Ngân hà xa xôi, kết luận rằng Vũ trụ không ngừng mở rộng.
Ngược Thời gian, ngược về 15 tỷ năm trước, Vũ trụ có kích thước cực nhỏ, chỉ là một điểm kỳ dị, vô cùng nóng và vô cùng đặc. Điểm kỳ dị này có một khối lượng vô tận. Big Bang là sự nổ tung của điểm kỳ dị bị nén chặt và sự mở rộng của nó, giống như một làn sóng vô tận, mang theo vật chất và năng lượng tồn tại đến bây giờ. Big Bang là khởi nguồn của Vũ trụ! Big Bang có phải là sự khởi đầu?
Sự phát hiện hiện tượng Bẻ Cong Không Thời gian và các khái niêm Lỗ đen, Big Bang dường như là những tiền đề để những tư tưởng sáng tạo khoa học nghĩ đến một Vũ trụ có số chiều của Không Thời gian nhiều hơn 4(?)
3. Mũi tên Thời gian.
Khi được hỏi: Thượng đế đã làm gì, trước khi người tạo ra Thế giới. Thánh St. Augustin đã không trả lời: Người tạo ra Địa ngục, để giam những kẻ nào hỏi về điều đó! Mà ngài đã nói rằng, Thời gian là một tính chất của Vũ trụ mà Thượng đế đã tạo ra, trước khi Vũ trụ hình thành Thời gian không tồn tại. Không gian là một tính chất dễ mường tượng, Thời gian là một tính chất khó mường tượng hơn nhiều. Newton triệt tiệu ý niệm tuyệt đối của Không gian, nhưng Thời gian vẫn là tuyệt đối. Phải chờ ba trăm năm sau, ý niệm Thời gian tuyệt đối mới được triệt tiêu, bởi Einstein.
Stephen Hawking, trong tác phẩm Lược sử Thời gian, đã đưa ra ba khái niệm về Mũi tên Thời gian. Đó là, Mũi tên Nhiệt động học của Thời gian, chỉ hướng của thời gian theo đó mức Vô trật tự hay entropy tăng lên. Lý thuyết Entropy thể hiện mức độ hỗn độn của vật chất trong Vũ Trụ càng ngày càng tăng lên, trật tự càng ngày càng giảm đi. Tiếp đến là Mũi tên Tâm lý học Thời gian. Đó là hướng theo đó chúng ta cảm nhận được thời gian đang chảy. Chúng ta chỉ có thể nhớ về Quá khứ. Chúng ta không thể có bất kỳ một kỷ niệm nào của Tương lai! Cuối cùng, Mũi tên Vũ trụ học của Thời gian. Đó là hướng mà Vũ trụ nở ra, chứ không co lại. Đã 15 tỷ năm Vũ trụ nở ra sau Big Bang, và đang tiếp tục nở. Vũ trụ không thể co lại, nếu Vũ trụ co lại, 15 tỷ năm sau: Tất cả, tất cả mọi vì sao, Mặt trời, Trái đất và các giải Ngân hà,... tất cả sẽ biến mất, biến vào trong một Dị điểm? Điều đó là không thể.
Với giả thiết rằng Vũ trụ không có biên, Hawking đã chứng minh được rằng, cả ba Mũi tên Thời gian chỉ cùng một hướng và tồn tại một Mũi tên Thời gian có hướng xác định.
4. Du hành theo Thời gian.
Đi trước Khoa học, nhiều Tiểu thuyết Viễn tưởng đã mường tượng ra những phát minh, để nhiều năm sau, nó trở thành hiện thực. Năm 1895, trong tác phẩm Chiếc máy Thời gian, Herbert George Wells, đã phá bỏ khái niệm Kết cấu Thời gian đã tồn tại hàng ngàn năm, cho phép con người Du hành theo Thời gian, đến bất kỳ một điểm nào, dù là Quá khứ, dù là Tương lai.
Nửa thế ký sau, Kurt Gödel, Nhà Toán học vĩ đại, bạn của Einstein, ông đưa ra giả thiết Vũ trụ quay. Bài toán của ông đặt ra, Nghiệm tìm được lại không tương ứng với Vũ trụ chúng ta đang sống. Hawking nói: đơn giản chúng ta chỉ ra rằng, Vũ trụ đó không quay. Nhưng từ ý tưởng của ông, phù hợp với Thuyết Tương đối mở rộng, nhiều Nhà Khoa học chỉ ra rằng có những Không Thời gian cho phép Du hành theo Thời gian. Một Không Thời gian như vậy là Không Thời gian chứa hai Dây Vũ trụ, chuyển động đi qua nhau với vận tốc cực lớn. Khi này nghiệm của Gödel, Không Thời gian Dây Vũ trụ ở thời điểm xuất phát bị uốn cong mạnh đến mức khiến cho việc Du hành theo Thời gian vào Quá khứ và đến Tương lai là hoàn toàn có thể.
Một Không Thời gian thứ hai, Không Thời gian bên trong Lỗ sâu đục. Hãy tưởng tượng, từ Trái đất tới sao Alpha, có một khoảng cách là hai mươi triệu triệu miles. Không Thời gian bị bẻ cong. Có thể tồn tại một Lỗ sâu đục, dẫn từ vùng lân cần Hệ Mặt trời tới sao Alpha. Độ dài của Lỗ sâu đục cỡ gần một triệu miles. Du hành theo Thời gian qua Lỗ sâu đục như vậy nhanh hơn nhiêu lần khi vượt qua khoảng cách hai mươi triệu triệu miles, khoảng cách thông thường của Trái đất tới sao Alpha.
Stephen Hawking, nói rằng: "Khả năng Du hành theo Thời gian vẫn còn bỏ ngỏ. Nhưng tôi sẽ không cá cược về chuyện này. Vì đối thủ của tôi có một lợi thế bất công là đã biết Tương lai". Là một Nhà Khoa học, ông rất tỉnh táo trong chuyện cá cược!
5. Thế giới Hạ nguyên tử.
Một chiều khác, gần như là ngược lại với những Lỗ đen, Big Bang và sự to lớn của Vũ trụ, là thế giới của vi mô, thế giới của nguyên tử. Từ thời Hy lạp cổ đại, người ta đã có khái niệm về atom là Nguyên tử, đó là phần vật chất nhỏ nhất, không thể phân chia. Sai lầm này trải qua hơn hai ngàn năm. Năm 1930, nhóm các Nhà Khoa học gồm có J. J. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr và James Chadwick đã đưa ra mô hình Nguyên tử giống như Hệ Mặt trời. Nó được cấu thành từ Hạt nhân, gồm có hạt proton và hạt notron, Hạt nhân này được vây quanh bởi nhiều electron chuyển động vòng quanh.
Rồi vào năm 1968, tạt Trung tâm nghiên cứu Stanford Linear Accelerator, các Nhà Khoa học đã thấy rằng các hạt proton và notron cũng không phải là các hạt cơ bản. Mỗi hạt này lại chứa ba hạt nhỏ hơn, được gọi là quark. Quark, một cái tên kỳ lạ được đặt theo cuốn Finnegans Wake của tác giả Murray Gell-Mann, trong đó ông đã tiên đoán sự tồn tại của hạt này!
Thế rồi, cũng các Nhà Khoa học này, qua các thực nghiệm đã khẳng định rằng, bản thân hạt quark cũng được chia làm hai loại, được đặt một cái tên rất thiếu sáng tạo là quark trên và quark dưới(!) Như vậy, một hạt proton được cấu tạo bởi hai hạt quark trên và một hạt quark dưới; một hạt notron được cấu tạo bởi hai hạt quark dưới và một hạt quark trên.
Năm 1950, Frederick Reines và Clyde Cowan tìm được bằng chứng thực nghiệm về sự tồn tại của một hạt cơ bản khác, gọi là notrino. Điều kỳ diệu, cách đó hai mươi năm, đầu năm 1930, Wolfgang Pauli đã phỏng đoán về sự tồn tại của hạt này! Đây là một loại hạt khá ma quái, hiếm khi tương tác với vật chất, nó dễ dàng chuyển động xuyên qua lớp than chì dày nhiều ngàn tỷ miles, mà không hề ảnh hưởng tới chuyển động của nó.
Một loại hạt khác, khá vô dụng, vì trong Vũ trụ không có bất cứ thứ gì cần đến nó, đó là hạt muon. Muon nặng gấp 200 lần so với electron. Muon do Nhà Vật lý học Isidor Isaac Rabi khám phá, ông đã chua chát phát biểu khi nhận giải Nobel: "Muon, ai cần mày cơ chứ?" Tuy thế, nó thực sự tồn tại!
Kỹ thuật phát triển, các Nhà Vật lý tiếp tục mở rộng danh sách các hạt vật chất, đó là các hạt quark khác: quark hút, quark đẩy, quark đáy và quark đỉnh; và một hạt anh em với electron nhưng có khối lượng lớn hơn, gọi là hạt tau. Ngoài ra còn có hai loại hạt khác nữa là muon-notron và tau-notron.
Nhưng rồi câu chuyện vẫn chưa kết thúc, mỗi một trong số các hạt kể trên có một phản hạt, có khối lượng bằng với khối lượng của hạt, nhưng điện tích thì ngược chiều. Khi tương tác với nhau, hạt và phản hạt có thể triệt tiêu nhau để tạo ra năng lượng. Chính vì thế trong Vũ trụ có rất ít phản hạt tư nhiên.
Ngày nay các Nhà Vật lý đã khảo sát được kết cấu vật chất ở mức độ một phần tỷ tỷ của một mét(!) và cho thấy rằng Vạn vật, dù tự nhiên hay nhân tạo, đều được cấu thành từ sự kết hợp của các loại hạt, thuộc về 3 tộc hạt. Tộc thứ nhất trong ba 3 tộc hạt này, bao gồm các hạt: electron, có khối lượng 0,00054; electron-notrino có khối lượng <10(-8); quark trên, có khối lượng 0,0047 và quark dưới, có khối lượng 0,0074. Tộc thứ hai, bao gồm các hạt: muon, có khối lượng 0,11; muon-notrino, có khối lượng <0,0003; quark hút, có khối lượng 1,6 và quark đẩy, có khối lượng 1,6. Tộc thứ ba, bao gồm các hạt: tau, có khối lượng 1,9; tau-notrino, có khối lượng <0,033; quark đỉnh, có khối lượng 189 và quark đáy, có khối lượng 5,2.
Chắc rằng kết quả vẫn không dừng ở đây.
6. Các Lực trong Tự nhiên.
Vạn vật được cấu thành từ các loại hạt, bản chất của sự cấu thành là do tương tác của các lực. Các vì sao, Mặt trời và Trái đất chuyển động cũng là do sự tương tác của các lực. Lực tương tác trong thế giới vĩ mô là Lực Hấp dẫn. Lực tương tác trong thế giới Hạ nguyên tử là các Lực Điện từ, Lực yếu và Lực mạnh.
Lực Hấp dẫn là lực khá quen thuộc. Khối lượng của một vật tượng trưng cho mức độ lực hấp dẫn tác động lên nó. Lực điện từ có trong các Trang thiết bị hiện đại: bóng đèn, máy vi tính, truyền hình,... và tiềm ẩn trong các cơn bão. Lực Điện từ mạnh hơn Lực Hấp dẫn (của chúng) khoảng một triệu tỷ tỷ tỷ tỷ lần, bốn mươi hai số không sau số một! Lực mạnh, Lực yếu là hai loại Lực nguyên tử. Lực mạnh giúp các hạt quark dính vào nhau trong hạt proton và hạt notron; và giúp hạt proton và hạt notron ép chặt vào nhau trong Hạt nhân Nguyên tử. Lực yếu là lực gây ra sự phân rã phóng xạ, và chi phối cũng phản ứng tổng hợp hidro, một phản ứng quan trọng tạo ra năng lượng trong Mặt Trời. Lực mạnh mạnh hơn một trăm lần Lực điện từ, và mạnh hơn một ngàn lần lực yếu. Lực yếu không phải là lực yếu nhất, lực yếu nhất là Lực Hấp dẫn, nó yếu hơn các lực khác khoảng triệu tỷ tỷ tỷ tỷ lần. Lực Hấp dẫn cực kỳ yếu.
Như vậy, Vũ trụ hiện hữu là do được cấu thành từ các loại hạt, bản chất liên kết của sự cấu thành đó là do tương tác của các loại Lực.
7. Hạt của Chúa.
Mỗi lực trong Tự nhiên có quan hệ với một loại hạt cơ bản, để truyền lực đó. Lực Điện từ và hạt photon. Lực mạnh và hạt gluon. Lực yếu và hạt boson yếu. Lực hấp dẫn cũng sẽ có một hạt tương ứng với nó. Hạt này có thể gọi là hạt graviton. Năm 1960, Nhà vật lý người Anh Peter Higgs, đưa ra lý thuyết về Trường Higgs. Lý thuyết này, giả thiết rằng có một dạng lưới phủ đầy Vũ trụ, trong đó tồn tại một hạt, cũng có thể là một tập hợp hạt, mà chúng có thể tạo ra những hạt có khối lượng khác. Hạt đó, các nhà khoa học đặt tên cho nó là hạt Higgs.
Hạt Higgs còn được gọi là hạt của Chúa, vì tầm quan trọng của nó trong vụ nổ Big Bang cách đây 15 tỷ năm. Hạt Higgs nếu tồn tại sẽ chứng tỏ được sự tồn tại của vật chất tối (được cho là chiếm đến 3/4 vật chất trong vũ trụ). Vì Lực Hấp dẫn cực kỳ yếu, nên thật sự là khó khăn trong thực nghiệm để xác định loại hạt này.
Ngày 4 tháng 7 năm 2012, các nhà vật lý học tại Tổ chức Nghiên cứu Nguyên tử Châu Âu (CERN) đã nhận ra sự tồn tại của một hạt có những đặc tính "thích hợp với hạt Higgs", xác suất rằng dấu hiệu không phải do nó chỉ tới 0,00003% (tức 5 độ lệch); tuy nhiên, các nhà khoa học hạt vẫn cần phải xác nhận rằng sự quan sát này do hạt Higgs thay vì một boson bất ngờ chưa được khám phá.
Việc khám phá hạt Higgs, sẽ là một đóng góp to lớn, nó phủ kín khoảng trống của Mô hình Chuẩn và hoàn thiện Lý thuyết Hạt.
8. Không chỉ Ánh sáng mà Hạt vật chất cũng là sóng.
Ánh sáng là sóng hay là hạt, chủ đề tranh luận này bắt đầu từ Newton và đồng nghiệp người Hà Lan của ông là Christian Huygens. Nhưng phải chờ đến thử nghiệm của Nhà Vật lý học người Anh, tên là Thomas Young, vào năm 1800, mới rõ ràng. Sau đó quan điểm về sóng ánh sáng trở nên thịnh hành và được khảng định bởi lý thuyết toán học của Maxwell. Tuy vậy sóng hay hạt cũng không dừng với Ánh sáng, mà chuyển sang cả đối với các hạt vật chất.
Có lẽ phải kể đến người đầu tiên là Niel Bohr, rồi đến Louis de Broglie. Lấy cảm hứng từ Thuyết Tương đối Đặc biệt, Broglie đề xuất rằng, lưỡng tính sóng - hạt được áp dụng không những cho Ánh sáng mà còn cho cả vật chất. Trong phương trình nổi tiếng của mình, Einstein đã liên kết khối lượng với năng lượng; Planck đã liền kết năng lượng với tần số sóng; thế nên, theo Broglie khối lượng cũng phải chứa thứ giống như sóng. Thật là lãng mạn. Einstein lập tức đồng ý với ý tưởng của Broglie, vì nó là sự đóng góp đẹp đẽ và tao nhã về mối quan hệ của Thuyết Tương đối với Lượng tử. Thực ra, giữa năm 1920, Clinton Davisson và Lester Germer đã có những thí nghiệm bắn tia electron, kết quả chứng tỏ rằng mỗi hạt electron đều mang đặc tính giống như sóng kết hợp với đặc tính giống như hạt! Thí nghiệm này thực hiện bằng cách bắn chùm hạt electron, hoặc bắn từng hạt qua một màn chắn có hai khe hở, hướng vào một màn chắn mạ photpho. Họ cũng nhận được hiện tượng giao thoa, như thí nghiệm của Young đối với Ánh sáng.
Nhưng Sóng là gì? Nhà Vật lý người Áo, tên là Erwin Schrodinger đề xuất: sóng xảy ra sau khi các hạt electron bị đập vỡ. Giả thiết này nhiều người thấy rằng không ổn, Einstein là một trong số đó. Sau đó Schrodinger, Broglie và Bohr đã đưa khái niệm Ngẫu nhiên vào trong đặc tính giống như sóng. Tuy vậy Richard Freynman, Nhà Vật lý lý thuyết, người luôn ủng hộ yếu tố Ngẫu nhiên của Cơ học Lượng tử, lại vẫn thiên về đặc tính giống như hạt và ông đưa ra một lối suy nghĩ mới về Học thuyết này. Đó là phương pháp tiếp cận Tổng hướng Cơ học Lượng tử. Một hạt electron đồng thời chuyển động theo nhiều hướng! Nghe như rất vô lý. Nhưng thực nghiệm và tính toán lý thuyết cho ra kết quả giống nhau. Chính Freynman cũng phải phát biểu rằng: "Cơ học Lượng tử mô tả thế giới tự nhiên một cách vô lý so với kết quả thông thường. Nhưng nó hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm. Mong rằng chúng ta hãy chấp nhận Tự nhiên theo đúng sự thật về nó, dù nó ngớ ngẩn và vô lý". Thật là một kết luận duyên dáng.
9. Sự huyền bí và lãng mạn của Cơ học Lượng tử.
Nếu như Thuyết Tương đối Đặc biết và Thuyết Tương đối Tổng quát đã buộc Nhân loại phải thay đổi quan điểm khi mọi vật chuyển động nhanh và có khối lượng lớn; thì Cơ học Lượng tử cho thấy rằng Vũ trụ có những đặc tính kỳ lạ, khi chúng ta tìm hiểu về thế giới Hạ nguyên tử. Thực tế đã cho thấy, trong mức độ Nguyên tử và Hạ nguyên tử, Vũ trụ đã vận hành theo những cách thức kỳ lạ, mà tư duy logic của con người, nhiều khi đã không thể hiểu thấu hoàn toàn về những điều đang thực sự xảy ra. Trong Cơ học lượng tử, có những khái niệm cơ bản mà chúng ta luôn quan niệm là đúng, nhưng khi áp dụng vào thế giới của Hạ nguyên tử, thì lại trở thành vô nghĩa và ngớ ngẩn!
Cốt lõi của Cơ học Lượng tử là Nguyên lý Bất định, hay còn gọi là Nguyên lý Ngẫu nhiên, được khám phá bởi Nhà Vật lý người Đức, tên là Werner Heisenberg. Cũng là người Đức, Nhà Vật lý học có tên là Max Planck, người đưa tia sáng đầu tiên vào Cơ học Lượng tử, và cũng đặt ra giới hạn cho nó, đó là một thông số vô cùng quan trọng: Hằng số Planck.
Trong Vũ trụ, chúng ta đã thường nghĩ: Vật thể có hai yếu tố rất cơ bản: Vị trí xác định và Vận tốc xác định. Nguyên lý Bất định cho rằng không phải như vậy, đó là hai yếu tố giả tạo, không thể xác định được chính xác cùng lúc hai yếu tố cơ bản này. Hằng số Planck, hệ số này kiểm soát sức mạnh của Hiệu ứng Lượng tử và sự yếu ớt của Lực Hấp dẫn, đã dẫn đến một giá trị, là Bức tường Planck, hay còn gọi là Độ dài Planck. Vấn đề là, độ dài này nhỏ bé đến mức vượt ngoài trí tưởng tượng của con người, một phần triệu của một phần tỷ của một phần tỷ centimet, tức là có 33 số 0 sau dấu phẩy đứng trước số 1. Nó đã thực sự trở thành Bức tường.
Bất định và Ngẫu nhiên là thuộc tính, vô cùng bé của Hằng số Planck là Bức tường giới hạn. Điều đó đã dẫn đến xung đột lớn nhất, khi những hiểu biết cơ bản về Lượng tử được áp dụng vào cho Kết cấu Không Thời gian đã không thể hoàn thiện được Bức tranh Vũ trụ, khi xét đến Lực Hấp dẫn. Đó cũng chính là mẫu thuẫn lớn nhất giữa Thuyết Tương đối Đặc biệt và Thuyết Tương đối Tổng quát với Học thuyết Cơ học Lượng tử.
10. Học thuyết Chuỗi, Không Thời gian Đa chiều.
Hơn ai hết, Einstein là người hiểu rõ nhất sự Bất đồng về lý thuyết và cả thực nghiệm giữa Thế giới Vĩ mô và Thế giới Hạ Nguyên tử. Ông đã có một ước mơ lãng mạn khác: Học thuyết Hợp nhất các Trường. Ông đã dành cho hơn ba mươi năm để thực hiện ước mơ này. Nhưng ông đã dang dở. Ngày nay, hơn nửa thế kỷ sau, nhiều Nhà Khoa học tin rằng Chén Thánh của Vật lý học hiện đại đã xuất hiện, để hợp nhất các Trường: Học thuyết Chuỗi. Năm 1986, Nhà Vật lý trẻ, Gabriele Veneziano, dùng hàm số beta Euler, mô tả đặc tính của hạt tương tác mạnh. Một công thức không có lời giải thích. Sau đó 1970, Yoichiro Nambu, Holger Nielsen va Leonard Susskind đã tìm ra bí mật ẩn sau công thức này. Các Nhà Vật lý đã cho thấy rằng, nếu lập mô hình các hạt cơ bản như các Chuỗi một chiều, chiều cực nhỏ và dao động, thì tương tác hạt nhân giữa chúng có thể mô tả chính xác bởi hàm Euler. Năm 1974, Schwarz và Joel Scherk, thuộc Viện Nghiên cứu Ecole Normale Superieure, sau khi nghiên cứu mô hình giống như hạt đưa tin của Chuỗi dao động, họ thấy rằng các đặc tính của nó phù hợp với hạt graviton, hạt giả định của Lực Hâp dẫn.
Năm 1984 Nhà Vật lý Michael Green và John Schwarz đã cung cấp bằng chứng thuyết phục chứng minh rằng Lý Thuyết Chuỗi có thể giải quyết được xung đột giữa Cơ học Lượng tử và Thuyết Tương đối. Họ cho rằng học thuyết này có khả năng xử lý được tất cả 4 loại lực và mọi loại Vật chất.
Năm 1995, Edward Witten đã có một bài thuyêt trình gây choáng váng cho giới Vật lý, tại đại học Nam California. Khi ông chứng minh rằng số chiều Không Thời gian, theo Lý thuyết Chuỗi, là con số 11!
Quan niệm cơ bản đầu tiên của Học thuyết Chuỗi, là: Các hạt cơ bản chưa phải là cơ bản. Nếu có thể khảo sát các hạt này ở mức độ chi tiết hơn, mức độ chi tiết vượt ra ngoài khả năng của công nghệ hiện đại ngày nay, hạt cơ bản sẽ không phải là một chấm, mà là một Chuỗi. Chuỗi này, có thể là một vòng nhỏ một chiều và luôn luôn dao động.
Dù là hạt muon, hạt quart, hạt electron,... tất cả các loại hạt, mỗi hạt có một số thông số nhất định, có một số thuộc tính nhất định. Những thông số này, những thuộc tính này, được phản ánh qua phương cách của Chuỗi; phương cách của Chuỗi được phản ánh qua các đặc trưng của dao động. Các hạt có: các Lực trong tự nhiên, điện tích, khối lượng,... được phản ánh qua phương cách của Chuỗi, qua các đặc trưng của dao động. Mở rộng ra, Kết cấu Vi mô của Vũ trụ sẽ là một mê cung Đa chiều xoắn. Trong đó các Chuỗi không ngừng dao động và quấn lại với nhau. Vũ trụ được vận hành nhịp nhàng từ các dao động của Chuỗi. Các đặc trưng của dao động bao gồm: Tần số (Chu kỳ là biểu diễn khác của tần số), Biên độ dao động và các mode dao động cơ bản,...
Quan điểm cơ bản thứ hai là việc phát triển Hình học Lượng tử. Hình học Reimann, do Georg Bernhardt Reimann phát triển từ thế kỷ 19, là Hình học thoát ly khỏi những khái niệm phẳng của Hình học Euclide. Einstein đã nhận thấy rằng Toán học trong hình học Reimann tương thích hoàn toàn với Vật lý Hấp dẫn. Nhưng với độ dài Planck thì điều tương thích này không còn. Năm 1919, một Nhà Toán học người Balan, Theodor Kaluza đề xuất Vũ trụ không chỉ có 3 chiều Không gian, có thể có nhiều hơn thế. Năm 1929, Nhà Toán học người Thụy điển, Oskar Klein, phát biểu rằng Kết cấu Không gian Vũ trụ có thể vừa có những chiều mở rộng vừa có những chiều xoắn. Các chiều xoắn thường có kích thước nhỏ hơn rất, rất nhiều lần so với các chiều mở. Vũ trụ dường như có nhiều chiều hơn so với những gì mắt con người có thể nhìn thấy.
Hình học các chiều Không gian bị xoắn, hay gọi là Không gian Phụ quyết định thuộc tính Vật lý cơ bản, chẳng hạn: khối lượng hạt, điện tích hạt mà đã quan sát được trong Không gian ba chiều thông thường. Đó chính là Ý nghĩa Vật lý của các chiều Không gian Phụ.
11. Học Thuyết M, Học thuyết Tối thượng?
Giữa năm 1990, Edward Witten bằng những tính toán của mình, và kết hợp các công trình nghiên cứu của Michael Duff (đại học Texas A&M), của Chris Hull và Paul Townsend (đại học Cambridge), đã kết luận rằng có thể mô tả Vũ trụ bằng 10 chiều Không gian và 1 chiều Thời gian. Trong đó có 3 chiều Không gian mở và 7 chiều Không gian bị xoắn. Năm 1995 tại Đại học Nam California, ông đã công cố kết quả này. Một cột mốc của lịch sử phát triển Vật lý hiện đại.
Mười một chiều, Không Thời gian mười một chiều. Witten tạm thời đặt tên nó là Học thuyết M. Có thể hiểu nó là Học thuyết Bí ẩn (Mystery), Học thuyết Mẹ (Mother), Học thuyêt Màng (Membrane) hoặc Học thuyết Ma trận (Matrix).
Dù đến nay, vẫn chưa có thể hiểu hết những đặc điểm cơ bản của nó. Nhũng nó có hai điều cơ bản. Thứ nhất, Học thuyết M có mười một chiều, 10 chiều Không gian và 1 chiều Thời gian. Trong đó có 3 chiều Không gian mở và 7 chiều Không gian bị xoắn. Thứ hai, cấu trúc cơ bản của vật chất không phải là các Hạt cơ bản, mà nhỏ hơn nữa. Thành phần nhỏ hơn nữa này, có thể là những Chuỗi (một chiều) đặc trưng bởi dao động. Thành phần nhỏ hơn này, cũng có thể là Màng hai chiều, hoặc yếu tố ba chiều và nhiều thành phần khác. Tất cả các thành phần nhỏ hơn này, các thuộc tính của nó được phản ánh qua các đặc trưng của dao động.
12. Kết.
Các chiều của Không Thời gian, các Lực trong Tự nhiên, Cấu trúc cơ bản của Vật chất, đó là ba nội dung lớn nhất, ba chủ đề quan trọng nhất. Trên đây, là tất cả những gì cơ bản nhất, hàng ngàn năm qua, Thế giới Nhận thức của Nhân loại đã tích tụ được. Dãy núi Tri thức này, dãy núi Trí tuệ này, sẽ không dừng ở đây, sẽ còn nhiều Đỉnh núi Sáng tạo nữa xuất hiện. Thế giới Nhận thức sẽ còn phát triển. Thế giới Nhận thức của Nhân loại chỉ hoàn thiện khi toàn thể Nhân loại đi vào Niết bàn, hoặc Vũ trụ bước vào thời điểm Tận thế. Không, Thế giới Thực tại vô cùng huyền bí, vô cùng Linh thiêng; Thế giới Nhận thức sẽ còn rất đẹp và rất lãng mạn. Chưa thể, chưa thể có một học thuyết nào gọi là Tối thượng. Nó có thể là Tối thượng hôm nay, nhưng không thể là Tối thượng vào ngày mai. Ngày mai, sẽ có những học thuyết Tối thượng hơn.
Xin đa tạ tất cả những Con người khổng lồ, xin đa tạ tất cả những Bộ óc Vĩ đại, xin đa tạ những Tâm hồn lãng mạn, xin đa tạ những Ý tưởng sáng tạo. Những thành quả Khoa học và Công nghệ đã không chỉ mang đến một cuộc sống phồn thịnh của ngày hôm nay; mà nó còn mang đến sự tao nhã, sự hấp dẫn và những cung bậc nhiều chiều,... trong mắt của mỗi người khi nhìn lên bầu trời, khi ngắm cảnh Hoàng hôn, khi thưởng thức làn hương thoang thoảng của Bông Hoa ven đường... Cuộc sống màu sắc hơn, hương vị hơn,... khi hiểu về những gì trước đó, về những gì sẽ sau đó, về những gì nó chuyển động, về những gì nó tương tác,... Tôi, bạn, tất cả chúng ta, tất cả Nhân loại xin cúi đầu biết ơn.
Việc tóm tắt và giới thiệu những đỉnh núi sáng tạo và những con người khổng lồ, không chỉ dừng lại ở việc ngợi ca, không chỉ dừng lại ở việc chiêm ngưỡng sự hùng vĩ; không, không chỉ như vậy. Tôi còn rất muốn từ đó, cùng bạn và chúng ta đi vào một chiều kích khác. Thám hiểm những đỉnh núi khác và những con người Khổng lồ có thể là bạn, là tôi, là tất cả chúng ta. Một chiều kích Linh thiêng.
Và xin bày tỏ lòng biết ơn tới tất cả những Tác giả và Dịch giả của các bài viết, bài nói mà chúng tôi đã sử dụng để làm tư liệu và cảm xúc để viết bài này; xin chân thành hồi hướng công đức nhỏ bé của mình tới Quý vi. Nam mô Bổn sư Thích Ca Mâu Ni Phật. Nam mô Chứng minh sư Bồ Tát Ma ha tát.
Tincaytinhyeu@yahoo.com
http://www.daophatngaynay.com/vn/pg-nganh/khoa-hoc/11400-Vu-Tru-cua-Galileo-Newton-Einstein-Bohr-Heisenberg-Hat-cua-Chua.html
