Tìm hiểu cơ cấu hình thành vạn vật

Phạm Xuân Yêm

Ngày mồng 10 tháng 9 vừa qua, một tin khoa học nóng hổi và quan trọng hàng đầu vừa xẩy ra ở Trung tâm Âu châu Nghiên cứu Hạt nhân (CERN) đặt ở biên giới Pháp-Thụy sĩ cạnh thành phố Genève, một sự kiện mà các nhà vật lý và thiên văn toàn cầu hồi hộp đợi chờ từ hơn mười năm qua. Hôm ấy bắt đầu khởi động máy gia tốc hạt LHC (Large Hadron Collider) nằm sâu hơn trăm thước trong lòng đất với chu vi 27 cây số. Khắp năm châu duy nhất chỉ có máy này làm đầu tầu thế giới - trong đó các hạt nhân nguyên tử proton (hadron) đạt tới năng lượng cực cao (large) va chạm nhau (collider) - để khám phá, đào sâu tìm hiểu, thống nhất các định luật cơ bản tận cùng của vạn vật, gói ghém trong một ngôn từ ngắn gọn gọi là Mô hình Chuẩn của các hạt cơ bản¹. Nền tảng của mô hình chuẩn dựa trên sự hiện hữu thiết yếu của hạt Higgs² vô hướng, tràn ngập không gian để cung cấp khối lượng cho tất cả các hạt khác khi tương tác với nó. Tựa như một đại dương vô hạn tràn đầy một cái gì (hạt Higgs), ở trong đó khi các hạt cơ bản khác (như electron, proton) dao động sẽ bị cản trở và di chuyển chậm đi như mang theo một khối lượng. Khám phá ưu tiên của LHC là việc săn tìm hạt cơ bản Higgs³ này, hạt tạo ra khối lượng cho vạn vật, đề tài mũi nhọn, chìa khóa mở đường cho sự thống nhất hoà quyện giữa hai trụ cột của vật lý hiện đại, Lượng tử với Tương đối (hẹp và rộng). Thực vậy xin nhắc lại khối lượng là căn nguyên khởi đầu cho sự xuất hiện của không gian và thời gian, của vật chất, của vũ trụ. Không có khối lượng tức là năng lượng - thuyết tương đối hẹp, qua phương trình E = mc² của thế kỷ, chẳng bảo cho ta là năng lượng và khối lượng tuy hai mà một sao ? - thì chẳng có gì hết, kể cả không gian và thời gian trong đó vận hành vạn vật, bạn cùng tôi. Khối lượng tạo ra không gian và thời gian ư? Vâng thuyết tương đối rộng bảo ta thế, toàn bộ Không gian, Thời gian, Lực, Vật chất chẳng sao tách biệt, cặp không-thời gian (cái vỏ chứa) và cặp lực-vật chất (cái được chứa) chồng chéo gắn kết bên nhau, cấu trúc không phẳng mà cong uốn của không-thời gian (cái vỏ) được xây dựng bởi chính cái nội dung vật chất chứa đựng trong vỏ. Năng lượng là gốc nguồn chung cho tất cả, từ đó vật chất, lực, không gian, thời gian được tạo dựng nên⁴. Thuyết tương đối rộng đã được kiểm chứng vô cùng chính xác bằng thực nghiệm ngay từ năm 1919 (ánh sáng bị uốn cong bởi mặt trời, cùng với hiện tượng tuế sai của quỹ đạo hành tinh Thủy quay chậm 43’’ trong một thế kỷ), chứng nghiệm mới đây nhất của thuyết này là Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) trang bị các phương tiện vận tải trên trời dưới biển, kể cả điện thoại di động và iPod. Trên vệ tinh GPS, thuyết tương đối rộng (hẹp) bảo cho ta đồng hồ tích tắc nhanh (chậm) hơn so với mặt đất, mà sự chính xác khoảng một phần ngàn tỷ giây của nhịp độ đồng hồ là điều kiện tối quan trọng cho GPS thành công⁵. Sự co dãn thời gian của các vật chuyển động khác nhau, tiên đoán bởi thuyết tương đối, đã được thực nghiệm kiểm chứng nhiều lần với độ chính xác cực kỳ. Còn lượng tử, trụ cột thứ hai của vật lý ? xin nhắc rằng một phần ba tổng sản lượng kinh tế của cường quốc số một thế giới hiện nay có gốc nguồn từ những ứng dụng trực tiếp của công nghệ lượng tử với vi điện tử, quang điện tử, spin-điện tử mà điện thoại và máy vi tính di động tân kỳ chỉ là tảng băng nổi. Tất cả minh họa biết bao ứng dụng thực tiễn trong đời sống con người hầu hết khởi đầu từ những công trình nghiên cứu thuần cơ bản. Ngoài hạt Higgs ra, còn bao câu hỏi thâm sâu khác đang đợi chờ câu trả lời bởi thực nghiệm ở LHC, trong đó xin tạm kể:

(i) Đâu rồi phản vật chất ? Sự hiện hữu của phản vật chất là hệ quả sâu sắc nhất của bản giao hưởng tuyệt vời giữa tương đối hẹp và lượng tử. Máy chụp hình nổi PET (Positron Emission Tomography) trong y học ngày nay là một ứng dụng trực tiếp của hạt positron (phản electron) để rọi sáng chi tiết vi mô trong não bộ. Số lượng vật chất và phản vật chất phải bằng nhau, chẳng cái nào nhiều hơn cái nào vì vài phút sau Big Bang từ năng lượng thuần khiết ban đầu, chúng đều được hình thành theo từng cặp. Mà vật chất chính là nguyên tử, khí và thiên thể giăng đầy vũ trụ ngày nay, còn phản vật chất lại chẳng thấy tăm hơi, tại sao vũ trụ ngày nay lại chỉ có vật chất? Đó là một bí ẩn của mô hình Big Bang vì ba lực (mạnh, điện từ và hấp dẫn) trong bốn tương tác cơ bản đều tuân theo luật đối xứng vật chất-phản vật chất (đối xứng CP) không có sự dị biệt giữa chúng. Chỉ tương tác yếu mới vi phạm phép đối xứng CP, theo đó tương tác yếu của phản vật chất và của vật chất không giống y hệt nhau mà khác đôi chút. Sự khác biệt đó được diễn giải hoàn hảo trong mô hình chuẩn hạt cơ bản và được kiểm chứng vô cùng chính xác bằng thực nghiệm. Nhưng sự vi phạm nhỏ của phép đối xứng vật chất-phản vật chất trong các phòng thí nghiệm trên trái đất không giải thích nổi về mặt định lượng tại sao trong vũ trụ ngày nay, vật chất lại áp đảo toàn diện phản vật chất, tại sao cái này lại biến đi ngay từ trong trứng nước thời Big Bang ? Tại sao mô hình chuẩn hạt cơ bản thành công mà mô hình chuẩn vũ trụ Big Bang lại thất bại trong cách diễn giải sự vi phạm đối xứng CP ? Đó là đề tài nghiên cứu ưu tiên của LHC cùng với sự săn tìm hạt cơ bản Higgs.

(ii) Năng lượng tối (mang tính chất đẩy ra) để làm dãn nở vũ trụ, cái năng lượng tối đầy bí ẩn này chưa ai biết là gì tuy nhiên nó chẳng phải do vật chất tạo thành mà lại mang đặc tính năng lượng của chân không và chiếm đến chừng 73% năng-xung lượng trong hoàn vũ.

(iii) Vật chất tối (mang tính chất hút vào) nắm đến 23% khối lượng trong vũ trụ, nó không bức xạ mà chỉ có vai trò giữ cho các thiên hà góp thành chùm chứ không tung bay khắp phía, khác lạ với vật chất bình thường (chỉ chiếm khoảng 4% khối lượng vũ trụ) của những thiên hà sáng ngời mà ta quan sát được, một đề tài nóng hổi của vũ trụ học và vật lý hạt cơ bản.

(iv) Không gian chỉ có ba chiều sao ? Siêu dây là thuyết duy nhất đầu tiên trong vật lý xác định được con số D = 10 chiều của không-thời gian (trước siêu dây, số chiều 4 của không-thời gian ta quen dùng chỉ là một định đề tiên nghiệm ta tự cho ta, do cảm nhận và quan sát) minh họa không-thời gian là bộ phận chẳng thể tách rời khỏi vật chất mà thuyết tương đối rộng đã hé mở cho ta thấy. Sáu không gian còn lại bị cuốn tròn quá nhỏ để ta không quan sát được trong đời sống hàng ngày. Máy gia tốc LHC tìm kiếm gián tiếp không gian ẩn này, qua cái gọi là hiện tượng ‘bất bảo toàn năng lượng ảo’, vì ta chẳng đo lường nổi một phần năng lượng bị thu hút vào cái không gian ngoại vi đó.

Dẫu mang quá khứ huy hoàng, hoạt động khoa học và nghiên cứu ở Âu châu - quê hương của Lượng tử và Tương đối mà hơn ai hết Max Plank và Albert Einstein đã đóng góp vào - bị lu mờ phần nào trong nửa thế kỷ sau Đệ nhị Đại thế Chiến 1939-1945 thảm khốc và phân hoá Đông-Tây. Năm nay 2008 mở đầu một bước ngoặt đánh dấu sự phục hưng của nền vật lý ở châu lục này mà sự nghiệp xây dựng nên CERN quả là một bài học vượt xa đối tượng khoa học thuần tuý. Trên cánh đồng hoang ở Ferney-Voltaire biên giới Pháp-Thụy sĩ, ngay sau Thế chiến này nhiều nhà vật lý Âu châu di tản khắp nơi vì nạn phát xít đã trở về cố hương cùng đồng nghiệp ở lại xây dựng nên Trung tâm Âu châu Nghiên cứu Hạt nhân. Vì hòa bình và phát triển qua nghiên cứu cơ bản, với sự hỗ trợ tích cực của một số chính khách Pháp, Đức, Anh có tầm nhìn xa, họ đã chung sức mở đường cho sự hồi sinh và hoà giải của các nước Âu châu. Vì mỗi nước riêng lẻ không sao đủ nhân sự và phương tiện để hoàn thành sứ mạng, nguyên tắc tổ chức của CERN - tập hợp đóng góp tài năng, ngân quỹ từ nhiều nước châu Âu - đã tiên phong làm mô hình cho nhiều ngành hoạt động khác phỏng theo từ thiên văn, sinh học, thậm chí cả kinh tế, chính trị (CERN ra đời nhiều năm trước Liên hiệp Âu châu). Mạng lưới toàn cầu (world wide web) của internet ra đời ở CERN khoảng năm 1990 là một trong nhiều thành công kỳ diệu từ nghiên cứu cơ bản sang ứng dụng của cơ quan này, máy chụp hình scanner trong y học, kỹ thuật siêu dẫn điện từ dùng trong máy LHC là vài thí dụ khác. Năm 1992 (đúng 500 năm sau khi Columbus khám phá ra châu Mỹ) máy gia tốc hạt SSC (Superconducting SuperCollider) đầu tầu thế giới về vật lý hạt cơ bản đang được xây ở Dallas, Texas (Mỹ) bị cắt đứt hỗ trợ. May thay CERN được sự đồng tình ủng hộ của các chính quyền Âu châu, quyết tâm thay thế sự hẫng hụt này và trong mười năm xây dựng nên LHC (http://public.web.cern.ch/Public/) để mở đầu chu kỳ thăng trầm rời Mỹ sang Âu của ngành vật lý hạt mũi nhọn này. Hơn nữa CERN còn giang tay đón mời sự cộng tác của những tài năng đến từ khắp mọi miền trên trái đất, đặc biệt những nước đang phát triển để tận mắt tận tay học hỏi rồi sáng tạo. Một cơ hội ngàn vàng đối với Việt Nam. Nếu tham gia vào đề án khổng lồ này, với những đóng góp khiêm tốn của mình, Việt Nam sẽ có một chứng minh hùng hồn và thuyết phục trước thế giới về một chính sách Đổi Mới quan trọng trong Nghiên cứu Khoa học. Hàn quốc thời xa xưa khi còn hàn vi cũng tham gia vào CERN. Sự tham gia đó sẽ mở ra triển vọng lớn để các tài năng trẻ Việt Nam tiếp cận nghiên cứu quốc tế trong chương trình cực kỳ quan trọng LHC này, ở những lãnh vực thuộc biên giới của tri thức nhân loại đang nóng bỏng. Đó chẳng phải là quốc sách để nâng vị trí khoa học của Việt Nam trong cộng đồng khoa học quốc tế hay sao? Chẳng phải nó sẽ cổ vũ thế hệ trẻ xung phong lên phía trước trên mặt trận khoa học hay sao?

Phạm Xuân Yêm

Sơ đồ LHC và các phòng thí nghiệm (ảnh CERN)

Một đoạn đường hầm của LHC (ảnh CERN)

Chú thích