Bốn lực cấu tạo vũ trụ pptx

Bốn lực cấu tạo vũ trụ



Phạm Văn Thiều chuyển ngữ

Màn đêm buông, Những ngọn đèn bật sáng. Rồi cơn giông
tới. Những tia chớp chiếu sáng bấu trời. Gió giật mạnh.
Những chiếc lá bị gíó bứt khỏi cành lượn lờ trên không
theo những đường cong ngoạn mục trước khi đậu xuống
đất. Trong cái cảnh tượng quen thuộc đó của cuộc sống
thường nhật đã bộc lộ những lực tự nhiên. Toàn bộ những
biến đổi diễn ra trong thế giới xung quanh chúng ta đều
được thực hiện thông qua các lực. Chỉ có bốn lực cơ bản đã
tạo ra sự cực kỳ phong phú và đa dạng của những biến đổi
và chuyển động trong tự nhiên. Lực hấp dẫn của trái đất
làm cho những chiếc lá úa tàn rơi xuống đất sau khi đã lượn
lờ theo gió. Lực điện từ tạo ra ánh sáng trong các ngôi nhà
và các tia chớp trên bầu trời . Lực hạt nhân gọi là "yếu" gây
ra sự phân rã của các nguyên tử và sự phóng xạ, nó cho
phép các nhà máy điện hạt nhân hoạt động bình thường,
cung cấp điện năng đến từng nhà cho chúng ta. Lực hạt
nhân gọi là "mạnh" cho phép sự tồn tại của hạt nhân các
nguyên tử tạo nên nhà cửa, hoa lá, cây cối và đất đai.
Lực hấp dẫn
Chất keo dính của vũ trụ

Lực hấp dẫn ngự trị trong thế giới vĩ mô. Vai trò của nó
trên trái đất đã đuợc nhận ra ngay từ những tiếng bập bẹ
đầu tiên của loài nguời: tất ca các vật đều rơi từ cao xuống
thấp. Trong vũ trụ của Aristote vào thế kỷ thứ 4 trước Công

nguyên, chuyển động thẳng đứng này chỉ đặc trưng cho thế
giới không hoàn hảo của trái đất và mặt trăng.Thế giới hoàn
hảo của các hành tinh khác, của mặt Trời và các ngôi sao
có chuyển động tròn lý tưởng và không bị lực hấp dẫn chi
phối. Khái niệm hấp dẫn của vũ trụ , tức là hấp dẫn tác
động đến toàn bộ vũ trụ, chỉ xuất hiện cùng với Newton
vào thế kỷ 17. Lực hấp dẫn chinh là chất "keo dính" của vũ
trụ. Nó hút các vật này về phía các vật khác. Nó giữ cho
chúng ta ở trên mặt đất, giữ cho mặt Trăng quay quanh trái
Đất và các hành tinh quay xung quanh mặt Trời, giữ cho
các ngôi sao ở trong thiên hà và các thiên hà trong các đám
thiên hà. Nếu loại bỏ lực hấp dẫn đi, chúng ta sẽ trở nên
trôi nổi trong không gian. Mặt Trăng và các hành tinh cùng
các ngôi sao sẽ tan tác trong khoảng bao la của vũ trụ.

Không có gì có thể thoát được ành hưởng của hấp dẫn. Tất
cả những gì là khối lượng hay năng lượng đều phải tuân
theo luật lệ của nó. Nhưng có điều nghịch lý là, mặc dù có
ảnh hưởng rộng khắp như vậy, nhưng lực hấp dẫn lại cực
kỳ yếu. Nó là lực yếu nhất trong số bốn lực của tự nhiên. Ở
mức độ của hạt sơ cấp, lực này nhỏ không đáng kể. Nguyên
tử hydrogen, nguyên tử đơn giản nhất và cũng là nguyên tử
nhẹ nhất trong số tất cả các nguyên tố của vũ trụ, gồm có
một electron liên kết với một proton. Lưc hấp dẫn giữa
electron và proton nhỏ hơn lực điện giữa hai hạt đó cỡ 1040
(1 và 40 con số 0 tiếp theo) lần. Nguyên tử hydrogen cũng
rất nhỏ (cỡ 10-8 cm = 0,00000001 cm) vì lực điện đủ mạnh
để kéo electron lại gần proton. Nếu loại bỏ lực điện đi, và
chỉ để lại lực hấp dẫn, thì nguyên tử hydrogen sẽ phồng to
cho tới khi chiếm toàn bộ vũ trụ. Lực hấp dẫn yếu tới mức

không thể hút giữ cho electron ở cách proton một khoảng
nhỏ hơn vài chục tỉ năm ánh sáng

Cường độ của lực hấp dẫn phụ thuộc vào khối lượng của
hai vật liên quan. Sở dĩ lực hấp dẫn giữa proton và electron
yếu cũng là do khối lượng cực kỳ nhỏ của electron (10-17
g, con số khác không đầu tiên đứng sau 27 con số 0) và của
proton, mặc dù proton lớn gấp 2000 lần electron. Do sự cực
kỳ yếu và ít quan trọng của lực hấp dẫn ở thang nguyên tử,
nên chỉ còn cách áp dụng cho nó câu ngạn ngữ: "đoàn kết
tạo sức mạnh". Vì chỉ một hạt không đủ nặng để thể hiện
được ảnh hưởng của mình nên nó phải thể hiện thông qua
các vật lớn hơn và có khối lượng lớn hơn, chứa một số rất
lớn các hạt đó. Con số này lớn tới mức khó tưởng tượng nổi
khi người ta biết rằng 1 gam nước chứa tới khoảng 1024
hạt. Thậm chí ở thang các vật trong cuộc sống hàng ngày
của chúng ta lực hấp dẫn vẫn chưa đáng kể. Bạn (giả sử
nặng 70 ký) không hề cảm nhận được lực hấp dẫn mà
người đối thoại với bạn (giả sử người đó nặng 50 ký) tác
dụng lên cảm thấy bị "hút" về phía người đó thì hoàn toàn
không phải là do lực hấp dẫn mà là do một cái gì đó khác
Khi bạn đi qua một tòa nhà lớn nặng hàng tấn bạn cũng
không hề nhận thấy nó bị hút áp vào những bức tường của
nó. Cần phải có những dụng cụ cực kỳ tinh xảo mới có thể
đo được ảnh hưởng hấp dẫn của một tòa nhà lớn. Chỉ ở
thang thiên văn lực hấp dẫn mới thực sự cảm nhận được và
mới có tiếng nói của nình. Khối lượng lớn của trái Đất (cỡ
6 x 1027 g) đã giữ cho chúng ta khỏi phải nổi trôi trong
không gian, như các nhà du hành trong khoang con tàu vũ
trụ và giữ cho mặt Trăng không trôi dạt ra xa trái đất. Mặt

Trời (nặng 1033 g), các ngôi sao (nặng cỡ 1033 g), các
thiên hà (1045 g), các cụm thiên hà (1046 g), các đám thiên
hà 1048 g) và cuối cùng, vũ trụ (?) tạo nên các nấc thang
tăng dần về khối lượng và một vương quốc mở rộng mãi
mãi trong đó lực hấp dẫn ngự trị với tư cách một ông chủ
độc tài.
[Isaac Newton 1642-1727: Lực hấp dẫn ] [Barnard Faraday
1791-1867: Lực điện từ] [Joyce Yukawa 1907-1981: Lực
tương tác hạt nhân mạnh] [Enrico Fermi 1901-1954: Lực
tương tác hạt nhân yếu]


Lực Điện từ
Chất keo dính của các nguyên tử

Như chúng ta đã thấy, lực điện từ mạnh hơn lực hấp dẫn.
Sức mạnh của lực điện từ làm cho một thanh nam châm dễ
dàng hút được một chiếc đinh bất chấp lực hấp dẫn của
toàn bộ khối lượng Trái Đất tác dụng lên nó. Lực điẹn từ
tạo nên các nguyên tử bằng cách buộc các electron (mang
điện tích âm)vào các hạt nhân. Một hạt nhân nguyên tử là
một tâp hợp các loại protn (mang điện dương) và các
neutron (hạt có khối lượng gần bằng proton, nhưng không
mang điện, như tên của nó đã chỉ rõ) đươc liên kết với nhau
bằng lực hạt nhân mạnh. Như vậy, chỉ cần cộng các điện
tích dương của proton là ta có được điện tích dương của hạt
nhân.

Trong thế giới điện tử, người ta được biết khi trên danh
thiếp của mình có ghi điện tích dương hoặc âm. Bởi vì trái

với lực hấp dẫn -lực tác dụng lên tất cả các khối lượng hoặc
năng lượng-, lực điện từ có sự phân biệt rõ ràng. Tất cả
những hạt không có điện tích, chẳng hạn như hạt ánh sáng
(photon) hoặc hạt neutron đều bị loại ra và không thèm biết
tới. Đối với những hạt mang điện, lực điện từ áp đặt cho
chúng những quy tắc ứng xử rất nghiêm ngặt: các điện tích
trái dấu hút nhau và điện tích cùng dấu đẩy nhau. Một
proton và một electron sẽ hút nhau, nhưng hai proton sẽ
đẩy nhau. Trái với lực hấp dẫn chỉ có hút, lực điện từ có thể
hút hoặc đẩy tuỳ thuộc vào điện tích.

Miền tác dụng của lực điện từ không chỉ ngừng lại trong
thế giới nguyên tử. Nó can thiệp vào cả việc tạo ra những
cấu trúc phức tạp hơn. Nó gắn các nguyên tử lại bằng cách
buộc chúng phải chia sẻ các electron của mình để tạo nên
các phân tử. Ví dụ, để tạo nên phân tử nước, lực điện từ gắn
hai nguyên tử hydro với một nguyên tử oxy. Rồi nó lại đẩy
cho các phân tử kết hợp với nhau thành những chuỗi dài mà
biểu hiệu cao nhất của chúng là các chuỗi xoắn kép ADN,
cho phép có sự sống và di truyền nó. Do vậy, lực điện từ -
chất keo gắn các nguyên tử- chính là nhân tố chủ yếu tạo ra
sự cố kết, sự cứng rắn và vẻ đẹp của những vật xung quanh
chúng ta. Thiếu nó, Trái Đất không còn là rắn nữa, bộ
xương của bạn sẽ không còn mang nổi cơ thể bạn, và bàn
tay bạn có thể dễ dàng cắt ngang qua những trang giấy của
quyển sách này. Vẻ đẹp cua những hình khối điêu khắc của
Rodin, những đường con tuyệt mỹ trên cơ thể người phụ nữ
hay những đường nét mảnh mai và tinh tế của đóa hồng,
biết bao những khoái cảm thẩm mỹ đó đều do lực điện từ
mang đến cho chúng ta. Thiếu nó, thế giới sẽ không còn

những hình khối và trở nên tẻ nhạt. Nếu chỉ bỏ mặc cho
mỗi một lực hấp dẫn thôi, thì các nguyên tử sẽ có những
kích thước khổng lồ và các ngôi sao chỉ là những hạt nhân
to tướng gồm toàn các proton hoặc neutron.

Cũng như lực hấp dẫn, lực điện từ yếu dần theo quy luật tỷ
lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai hạt tích
điện. Nhưng, trái lại với lực hấp dẫn -lực che đậy sự yếu ớt
của mình ở thang lớn bằng cách cộng ngày càng nhiều khối
lượng- lực điện từ lại phụ thuộc vào độ lớn điện tích mà đại
lượng này rất khó làm cho tăng được. Bởi vì, nếu các điện
tích dương được cộng lại và các điện tích âm bị trừ đi khiến
cho đa số các vật trong vũ trụ đều trung hòa về điện, thì
chúng sẽ không có điện tích tổng cộng. Cuốn sách, cái ghế,
ngôi nhà, Mặt Trời, các ngôi sao, các thiên hàvà có thể cả
vũ trụ nữa đều là trung hòa về điện. Lực điện từ không có
ảnh hưởng gì đối với chúng. Vì vậy, sức mạnh của lực điện
từ nói chung chỉ giới hạn trong thế giới nguyên tử. nó để
mặc cho lực hấp dẫn cai quản cả vũ trụ bao la.

Như tên của nó đã chỉ rõ, lực điện từ có bản chất kép. Nó
hút hoặc đẩy chiếc đinh dính vào nam châm do lực từ của
nó. Hai mặt này của lực điện từ liên hệ khắng khít với
nhau. Mặt này không tách rời khỏi mặt kia. Một điện tích
chuyển động sinh ra một lực từ. Một từ trường biến thiên
lại gây ra dòng điện. Từ trường của Trái Đất làm cho kim la
bàn của nhà thám hiểm chỉ về cực Bắc là kết quả của
chuyển động các hạt tích điện (các proton và electron)
trong vùng tâm Trái Đất. Những vùng này nóng và bị nén
mạnh bởi áp lực của các lớp ngoài của vỏ Trái Đất tới mức

tâm Trái Đất không còn rắn nữa mà ở trạng thái magma và
dung nham lỏng trong đó vật chất được phân tách thành các
proton và electron. Cũng tương tự nhu vậy, từ trường của
Mặt Trời, của các sao hoặc của Ngân Hà đều là kết quả của
những chuyển động của vật chất đã được phân tách thành
các điện tích.

Sự kết nối khắng khít giữa điện và từ đã được các nhà vật
lý người scotland là James Maxwell thực hiện vào năm
1864
Lực yếu
Lực gây phân rã

Vật chất nói chung không phải là vĩnh cửu. Trong số hàng
trăm hạt "sơ cấp" tạo nên vật chất có rất ít hạt bất tử. Xếp
vào hàng những hạt bất tử hiếm hoi đó là electron, photon
và một hạt trung hòa có khối lượng bằng không hoặc cực
kỳ nhỏ bé có tên là neutrino. Còn lại tất cả các hạt khác đều
sống trọn cuộc đời mình rối chết. Ngay cả proton cũng chỉ
mon men tới cõi bất tử (tuy nhiên cuộc đời của nó rất dài, ít
nhất cũng tới hàng ngàn tỉ tỉ tỉ năm (1032năm). Cái chết
của một hạt sơ cấp được thể hiện ở sự phân rã của nó thành
các hạt khác. Quá trình này sẽ tiếp diễn cho tới khi hoàn
toàn biến hóa thành các hạt bất từ hay còn gọi là các hạt
bền.

Lực điều khiển phân rã và biến hóa này là lực có biệt danh
là "yếu". Như tên của nó đã chỉ rõ, lực này không mạnh
lắm. Mặc dù vẫn lớn hơn lực hấp dẫn nhiều, nhưng lực này
yếu hơn lực điện từ tới 1000 lần. Miền tác dụng của nó

cũng rất nhỏ. Nó chỉ có sức mạnh trong thế giới nguyên tử,
tức là trên những khoảng cách cỡ 10-16 cm. Trong cuộc
sống hàng ngày của chúng ta, lực này ẩn kín tới mức người
ta phát hiện ra nó một cách tình cờ. Vào một đêm năm
1896, nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel tình cớ đặt
một tấm kính ảnh vào ngăn kéo cạnh các tinh thể sulfat
uranium. Hôm sau khi ông quay lại thì một lớp màn bí mật
đã phủ lên tấm kính ảnh. Nghiên cứu kỹ, ông phát hiện ra
rằng các nguyên tử uranium đã phân rã thành các hạt khác
làm đen kính ảnh. Ông gọi quá trình phân rã là "phóng xạ".

Lực yếu chiếm một vị trí khá cách biệt trong bộ bốn lực:
ngoài tính yếu của nó ra, nó còn được dùng để "gắn kết"
các hạt như các lực khác. Nó an phận làm cho vật chất chết
đi bằng cách bắt phải phân rã. Nếu như lực này biến mất thì
nó cũng không khiến cho người ta cảm nhận sự thiếu vắng
ngay tức khắc. Mặt Trời khi đó sẽ tắt sau vài triệu năm
(thay vì cả chục tỷ năm) bởi vì lực yếu gây ra một số phản
ứng hạt nhân trong lòng Mặt Trời, những phản ứng hạt
nhân cung cấp năng lượng và tuổi thọ cho nó. Nhưng, trên
hết, vật chất sẽ sống lâu hơn. Vũ trụ khi dó sẽ nhan nhản đủ
các loại hạt lạ lùng và kỳ quặc cùng chung sống với các
loại hạt electron, photon và proton quen thuộc. Một hóa học
mới và xa lạ, một sự sống phức tạp khác biệt với sự sống
của chúng ta (sự sống dựa trên hóa học của carbon) có thể
sẽ nảy nở và phát triển.
Lực mạnh
Chất keo dính của các hạt:

Các hạt nhân nguyên tử là tập hợp của các hạt proton và

neutron. Tất cả các proton đều mang cùng một điện tích
dương. Lực điện tử ra lệnh cho chúng phải đẩy nhau, thế
mà chúng vẫn ương bướng tụ tập trong các hạt nhân
nguyên tử. Cần phải có một lực mạnh hơn lực điện từ rất
nhièu và chống lại lực này để giữ cho các proton hợp lại và
là chất keo dính của chúng. Đây là lực "mạnh", mạnh nhất
trong bốn lực. Nó mạnh hơn lực điện từ tới 100 lần. Vương
quốc của nó, cũng chính là vương quốc của lực yếu, là rất
nhỏ bévà ảnh hưởng của nó chỉ có tác dụng trên những
khoảng cách trong nguyên tử, tức là cỡ 10-13 cm. Lực này
cũng có tính chọn lọc, nó chỉ tác dụng lên các hạt nặng như
proton và neutron chứ không đếm xỉa tới các hạt nhẹ như
electron, photon và neutrino. Khái niệm nặng nhẹ ở đây chỉ
có tính chất tương đối. Proton và neutron thực tế chẳng
nặng là baọ10-24 g) nhưng dù sao chúng cũng nặng hơn
gấp 1836 lần electron. Người ta còn chưa biết chính xác
khối lượng của neutrino, nhưng chắc chắn là nó nhỏ hơn
nhiều khối lượng của electron. Còn đối với photon, nó
không có khối lượng. Xứ mù anh chột làm vua mà!

Cuộc phiêu du vào hế giới vật chất của các nhà vật lý trong
suốt hơn hai mươi năm qua đã tiết lộ cho họ thấy rằng cả
proton lẫn neutron đều không phải là các hạt sơ cấp không
thể chia được nữa như người ta vẫn tưởng. Thực tế chúng
được tạo bởi các hạt sơ cấp hơn có tên là "quark" được đặt
bởi người đã phát minh ra chúng là nhà vật lý người Mỹ
thích văn chương, Murray Gell-Mann. Ông đã nhớ tới câu
"Ba quark cho Muster Mark" trong cuốn tiểu thuyết
Finnegans Wake của nhà văn, nhà sáng tạo ngp-n ngữ tuyệt
vời James Joyce. Cũng như cho "Muster Mark", ba là số

quark cần thiết để tạo nên một proton hoặc một neutron.
Chất keo kết dính ba hạt này chính là lực mạnh. Nếu như
lực mạnh này biến đi, chúng ta sẽ sống trong một thế giới
của các quark tự do, không còn proton cũng chẳng có
neutron, không có nguyên tử cũng chẳng có phân tử, không
có Trái Đất cũng chẳng có Mặt Trời, không có các ngôi sao
cũng chẳng có các thiên hà.

Sau khi chúng ta đã làm quen với bốn lực, chúng ta còn
phải làm quen rộng hơn nữa với các định luật chi phối thế
giới vi mô. Sự làm quen này rất quan trọng để hiểu được sự
tiến hóa của vũ trụ, bởi lẽ cái vô cùng nhỏ sẽ đẻ cái vô cùng
lớn và vũ trụ sẽ nảy ra từ cái "gần như không có gì". Lại
một lần nữa, ở đây, cũng như với cặp không-thời gian, lẽ
phải thông thường lại phải chịu một thử thách cam go.

P&YClub (Theo vietscience)