Các hằng số Vật lý có thể thay đổi theo không gian và thời gian pot

Các hằng số Vật lý có thể thay đổi theo
không gian và thời gian
Các phương trình vật lý cơ bản đều chứa những hằng số như c - vận tốc
ánh sáng. Từ trước đến nay, người ta vẫn cho rằng, các hằng số trong các
phương trình vật lý là những đại lượng không thay đổi theo không gian và
thời gian. Tuy nhiên mới đây, trên Tạp chí Scientific American , các tác giả
John D. Barrow, John K. Webb cùng cộng sự đã đặt vấn đề nghi ngờ điều này.
Vấn đề các hằng số hiện nay đang trở thành một bài toán lớn của vật lý hiện
đại.
Một số đại lượng được các nhà vật lý gọi là hằng số, (cáctrị số đượccho
trong hệ đơn vị SI)như:
c -vận tốc ánh sáng (= 299.792.458)
G - hằngsố hấp dẫn Newton(= 6,6723x 1
-11
)
m
e
- khối lượng electron(= 9,10938188x 10
-31
)…
Chúng làm thành cơ sở cấu trúc vật lý. Trước đây, người ta không quan tâm
đếnviệc vì sao chúnglấy nhữngtrị số như trên,điềulolắngduy nhất lànếumột số
hằng số có những trị số khác thì những tổ hợp cấu trúc nguyên tử, cũng như các
sinh thể có thể không cấu thành được và khôngtồn tại.
Trongnhữngnămgầnđây,cácnhàvậtlýhyvọng chứng minhđược rằng các
hằng số vật lý chỉ lấy nhữngtrị số logic khả dĩ.
Mong muốn giải thích các hằng số vật lý l
à
một cố gắng để xây dựng một bức tranh hoà
n
chỉnh của Lý thuyết của tất cả (Theory

of
Everything - TOE). Vấn đề các hằng số trở nê
n
phứctạpvìtrongnhững lý thuyếtnhư siêudây,l
ý
thuyết M thì ngoài các chiều không gian và thờ
i
gian phải xét đến những chiều dư
(extra
dimensions), số chiều dư này có thể lên đến
7.
Cho nên những hằng số mà chúng ta thường quan sát được chưa phải là những
hằng số thực, chúng chỉ là cái bóng bachiều củanhững hằng số đích thực.
Tronglý thuyếtdâycó khả năngtồntạiđến10
500
lời giải ứngvớingầnấy thế
giới khả dĩ. Thế giớicủachúngtachỉ làmột thể hiện củatập thế giớiđó, chỉ làmột
ốc đảo bao quanh bởi nhiều thế giới không có sự sống, ở đó những cấu trúc như
nguyêntử cacbon,cácphântử ADNkhôngcấuthànhđược.Nếu chúng ta phiêulưu
đến nhữngthể giới đó thì cuộc sốngcủa chúng ta sẽ bị chấm dứt.
Có thể danh từ hằng số không hoàn toàn thích hợp vì chúng có thể thay đổi
theo không gian và thời gian. Để không phụ thuộc vào điều kiện đo đạc, chúng ta
hãy xétnhững hằng số vô thứ nguyên. Mộthằng số như thế là:
α = e
2
/ 2 e
0
hc
(trong đó e là điện tích electron, e
0

- hằng số điện môi chân không, h - hằng
số Planck, c - vận tốc ánh sáng), đó là hằng số cấu trúc tinh tế, do Arnold
Sommerfeldđưa vào trong lýthuyết điệntừ, lần đầu tiênnăm 1916.
Hằng số α lượng hoá cường độ tương tác điện từ tương đối tính (c) của các
hạt mang điện tích trong chân không (e
0
) của lý thuyết lượng tử (h). Trị số của a
bằngsố là: 1/137,03599976hay xấpxỉ bằng1/137.
Nếu α nhỏ hơn trị số trênthìmậtđộ nguyên tử chất rắnsẽ giảmđi (theo α
3
),
các mối liên kết phân tử sẽ bị cắt đứt ở một nhiệt độ thấp hơn (theo α
2
), số lượng
các nguyêntố bên trong bảng tuần hoàn sẽ tăng lên (theo 1/α).
Nếu α lớn hơn trị số trên thì các hạt nhân
nguyêntử nhỏ khôngthể tồntạivì sức đẩygiữađiện
tích các proton sẽ thắng lực hạt nhân vốn là lực liên
kết các proton trong hạt nhân. Nếu α có trị số
khoảng 0,1 thì nguyên tử cacbon sẽ bị bắn ra từng
mảnh,nếu α lớnhơn 0,1thì phảnứngtổnghợpnhiệt
hạch cũng khó lòng xảyra.
Mứcnănglượng củaelectrontrong nguyêntử môtả quátrình hấpthụ.Năng
lượng của photon được chuyển cho electron, electron nhảy lên mức năng lượng
cao hơn. Khoảng cách giữa các mức năng lượng phụ thuộc vào tương tác giữa
electron và hạt nhân, như vậy phụ thuộc vào hằng số α. Khi α nhỏ hơn 5% trị số
hiện nay (hình 1b) thì các mức năng lượng xích gần nhau hơn và photon sẽ cần ít
năng lượnghơn để kích electron lên mức năng lượngcao hơn.
Làm thế nào để đo sự thay đổi của α ?
Các quasar được phát hiện năm 1965, đó là những quasi-star (thiên thể tựa

sao) có độ sáng lớn hơn 100 tỷ sao, ở xa quả đất khoảng 3 tỷ năm ánh sáng. Ánh
sáng từ quasar trên đường đi đến quả đất gặp phải những đám mây vật chất,
nhữngđámmây nàyhấpthụ một số bước sóngánhsáng.Cácnhàvật lýnghiêncứu
phổ hấpthụ củaánh sángtừ cácquasar đi qua các đámmây, từ đó suyra trị số của
α tại những thời điểm sớmcủa vũ trụ.
Ở hình số 2, từ trên xuống dưới ta thấy những quátrình sau:
Từ quasar ánh sáng bắt đầuhành trìnhxuống tráiđất với một phổ liên tục.
Trên đường đi, ánh sáng đi qua những đám mây vật chất. Các đám mây này
chặn lại những bước sóng nhất định tạo nên những vạch đen trên phổ. Để nghiên
cứu α, các nhà vật lýsử dụng phổ hấp thụ đối với những kimloại.
Khiánh sángđếnquả đất,cácvạch trênphổ lệchvề phía đỏ vìsự dãnnở của
vũ trụ. Khoảng cách giữa các vạch cho phép tính khoảng cáchcủa các đám mây và
do đó tính được tuổi của chúng.
Phổ hấp thụ thu được từ quasar đem so sánh với phổ hấp thụ trong phòng
thí nghiệm cho phéptìm ra sự thay đổi của a theothời gian.
Kết quả của các tác giả cho thấy rằng: α không thay đổi trong một số giai
đoạn củalịch sử vũ trụ và đã tăngtrong mộtsố giai đoạn khác (hình3).
Những hệ quả của sự thay đổi của hằng số α
Như ta đã biết, hai vật bất kỳ sẽ rơi tự do như nhau trong chân không
(nguyên lý tươngđương yếu củaGalileo).Song nếu
hằng số cấu trúc tinh vi α thay đổi thì điề
u
này không còn đúng nữa. Theo các tác giả thì
gia
tốc của những chất khác nhau có thể cách biệ
t
nhau 1/10
14
.
Người ta đang chờ đợi nhiều dữ liệu, nhiề

u
sự phân tích hơn nữa để có thể chắc chắn về s
ự
thay đốicủa hằngsố α.Nếu α thayđổi thìcáchằng số khác cũng cóthể thay đổivà
như vậy thế giới sẽ không có cấu hình kiên định như chúng ta tưởng. Những vùng
kháccủa đathế giới(multiverse) sẽ cónhữngtrị số khácnhau củacáchằngsố.Tại
những vùng đó,chúngta sẽ bắt gặpnhiều cảnhtượng siêu thực(xem hình4).
Bài toán về các hằng số là một bài toán đầy bí ẩn. Mọi phương trình mô tả
thế giớikhách quan đều chứacác hằng số, cho nên người ta thường quên mất câu
hỏi vì sao chúng lạicó nhữngtrị số quan sátđược.
Tìm nguồn gốc các trị số của các hằng số là một bài toán lớn của vật lý hiện
đại và lý thuyết thống nhất. Các hằng số quan sát được rất có thể chỉ là các trị số
bóngcủa các trị số trongmộtkhông gian nhiềuchiềuhơn của lýthuyếtthốngnhất.
Bài toán xác định các hằng số vật lý có phải là hằng số hay không là bước đầu của
một lộ trình mớitìm hiểu bộ mặt tối hậu của thế giới khách quan.