GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2008 pdf

GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2008
Giải Nobel Vật lý năm 2008 được trao cho giáo sư người Mỹ gốc Nhật
Yoichiro Nambu (1921-) tại Viện Enrico Fermi thuộc Đại học Chicago (Mỹ) “do
phát minh cơ chế của sự phá vỡ đối xứng tự phát trong vật lý dưới nguyên tử”,
giáosư người NhậtMakoto Kobayashi (1944-) tại Tổ chức Nghiên cứuMáygia tốc
Năng lượng lượng cao (Nhật Bản) và giáo sư người Nhật Toshihide Maskawa
(1940-) tại Viện Vật lý lý thuyết Yukawa thuộc Đại học Kyoto (Nhật Bản) “do phát
minhnguồngốccủa sự phávỡ đốixứngmànódự đoánsự tồn tạicủaít nhấtbahọ
quac trong tự nhiên”.
Tại sao có một cái gì đó thay cho không có gì cả? Tại saocó nhiều hạtcơ bản
khác nhau như vậy? Những người đoạt Giải NobelVật lý năm 2008giúp chúng ta
hiểu biếtsâu hơn về những gì xảy rabên trong các khối xây dựngnhỏ nhất của vật
chất. Các định luật đối xứng củatự nhiên là trungtâm củavấnđề nàyhay đúng
hơnlà những đối xứng bị phá vỡ trong đó có những đối xứngdường như tồn tại
trong vũ trụ củachúng ta ngay từ lúcban đầuvà nhữngđối xứng tự mất đi đối
xứngban đầu ở một nơi nàođó dọc theo hành trình của vũ trụ. Thực tế là tất cả
chúng ta đều nhữngđứa con của sự phá vỡ đối xứng. Sự phá vỡ đối xứng cầnphải
xảy ra ngaylập tức sau Vụ nổ lớn (BigBang)khoảng 14tỷ nămtrước đây khicó
nhiều phản vật chất như vật chất đượcsinh ra. Cuộc gặp gỡ của vật chất và phản
vật chất là địnhmệnh không tránh được cho cả hai. Chúng hủy diệt lẫn nhauvà tất
cả nhữnggì còn lại là bức xạ. Tuynhiên, rõ ràng là vật chất đã thắngphản vật chất
vì nếu không bây giờ chúng ta sẽ khôngtồn tại. Nhưng bây giờ chúng ta tồntại và
chỉ mộtsự lệch nhỏ khỏi sự đối xứng hoàn chỉnhdườngnhư là đủ,nghĩa làmột hạt
vật chất thêm vào chomỗi một mười tỷ hạt phản vật chất là đủ để làm cho thế giới
của chúngta tồn tại. Sự dư vật chất này là mầm mốngcủa toàn bộ vũ trụ của chúng
ta được làm đầy với các thiên hà, sao,hành tinhvà cuối cùnglà sự sống.Nhưngcái
gì nằm phía sausự vi phạm đối xứng này trong vũ trụ vẫn còn làmột bí ẩn.
Trongnhiều năm,nghiên cứu vật lý tậptrung vào việc tìm kiếm các định luật
tự nhiênbị che khuất sâubên trongmột phạm vi rộngcủa cáchiện tượngmà
chúng ta nhìnthấy xungquanh chúngta. Cácđịnh luậttự nhiên cần phải là đối
xứngvà tuyệtđối một cách hoàn hảo.Chúng cầnphải có giá trị ở khắp toàn bộ vũ

trụ. Cách tiếpcận này dường như là đúng đối với hầuhết cáctrường hợpnhưng
khôngphải luôn luôn như vậy.Đó là lý do tại saonhững đối xứng bị phá vỡ thu hút
được nhiều sự quan tâm của các nhànghiên cứu như nhữngđối xứng.Trongthế
giới không cânxứng củachúng ta, sự đối xứng hoàn hảo là một sự đối xứnglý
tưởng hiếm thấy.
Nhiều loại đối xứng và đối xứng bị phávỡ khácnhau là một phần của cuộc
sống hàng ngày củachúng ta.Chữ A không thayđổi khichúng tanhìn thấy nó
trong gương tronglúc chữ Z phá vỡ đối xứngnày. Mặt khác, chữ Z vẫnnhư thế khi
bạn lộn ngược nó nhưng nếu bạn lộn ngược chữ Athì sự đối xứng bị phávỡ. Lý
thuyết hạt cơ bản mô tả banguyên lý đối xứng khácnhau là đốixứng gương,đối
xứngđiện tíchvà đối xứngthời gian.Theo thuật ngữ vật lý, đối xứng gương được
ký hiệu bằng chữ P. Đó là chữ cái đầu củatừ tiếng Anh “parity”.Đối xứngđiện tích
được ký hiệu bằng chữ C. Đó là chữ cái đầu củatừ tiếng Anh“charge”. Đối xứng
thời gian đượcký hiệu bằng chữ T.Đó là chữ cái đầu của từ tiếng Anh“time”.
Trongđốixứng gương, tất cả cácsự kiện cầnphải diễn ratheo cùng mộttrìnhtự
một cách chínhxác bất kể ở đâu người ta nhìnthấy chúng mộtcách trực tiếp hoặc
trong gương. Chúng khôngcó bất kỳ sự khác biệt nào giữa trái và phải và không có
bất kỳ ngườinào có khả năng nhận ra họ đang ở trong thế giới riêngcủa họ hayở
trong thế giới nhìn qua gương. Trong đối xứng điện tích, các hạt cần phải ứng xử
chínhxác giống như những người bạn chí cốt của chúnglà các phản hạt. Phảnhạt
có cùngtính chất nhưng ngượcdấu điện tíchvớihạt. Còntrong đối xứngthời gian,
khi lùivề quá khứ và tiến đếntương lai thì các sự kiện vật lýở mức vi mô cần phải
xảy ra như nhau.
Những sự đối xứng không chỉ có một giátrị thẩm mỹ trongvật lý. Chúng đơn
giản hóa nhiềutính toánkhôngthuận tiện và dođó đóng một vai trò quyết định
trong mô tả toán họcđối với thế giới vi mô. Mộtvấn đề thậm chí quan trọng hơn là
những đối xứng nàycó liên quanđến một số lớncác định luật bảo toàn ở mứchạt
cơ bản. Chẳng hạn như theo định luật năng lượng, năng lượngkhôngthể mất đi
trong các vachạm giữa các hạt cơ bản. Nănglượng cầnphải đượcbảo toàn trước
và sau vachạm và điềunày là hiển nhiên trong sự đốixứngcủa các phương trình

mô tả nhữngva chạm hạt. Cònđịnh luật bảo toàn điện tích liênquan đến đối xứng
trong lý thuyết điện từ.
Khoảnggiữa thế kỷ XX,sự đối xứng bị phá vỡ lần đầu tiên xuất hiệntrong
nghiêncứu về các nguyên lý cơ bản của vật chất. Lúc đó,vật lý đòi hỏi đạt được
giấc mơ lớnnhất củanó là thốngnhất các khối xây dựng nhỏ nhất vàcác lực của tự
nhiênvào trong mộtlýthuyết chunggọi làlý thuyết thốngnhất vĩ đại.Tuy nhiên,
vật lý hạt cơ bản ngày càngtrở nên phức tạphơn. Các máy giatốc mới đượclắp
đặt sauchiến tranh thế giới lần thứ IIsinh ra một dòngổn định của các hạtcơ bản
chưa từng cótrước đó. Hầu hết các số liệu do các máy giatốc cung cấp không phù
hợp với cácmôhình do các nhà vật lýđưa ra lúc đó làvật chất bao gồmcác nguyên
tử với các nơtron vàproton tronghạt nhân và các electron ở baoquanh hạt nhân.
Những nghiên cứu sâu hơn trongcác vùng ở trong cùng của vật chấtpháthiện
thấyrằng mỗi một protonhoặc nơtronlại bao hàm một bộ ba củacác quac.Người
ta chứng minhđược rằng cáchạt cơ bản đã được pháthiện cũng có cấu tạo từ các
quac.
Hiện nay,hầu như tấtcả các mảnh ghép của một bộ lắphìnhđã đượcđặt vào
đúngchỗ. Mộtmô hìnhgọi là Mẫu chuẩn cho các phần không thể chianhỏ củavật
chất baogồm ba họ hạtcơ bản. Họ thứ nhất bao gồm 2 loại leptonlà electron và
nơtrino electronvà 2 loại quaclà quac lên vàquac xuống.Họ thứ hai bao gồm2
loại leptonlà muon và nơtrino muon và 2 loại quaclà quac duyên vàquac lạ. Họ
thứ ba baogồm 2 loại leptonlà tauvà nơtrino tau và 2 loạiquac là quacđỉnh và
quac đáy. Các họ này giốngnhaunhưng chỉ cáchạt tronghọ thứ nhất nhẹ nhất là
đủ bền vững để tạo nên vũ trụ. Các hạttrong hai họ nặnghơn tồn tại trong cácđiều
kiệnrấtkhôngbền vững và phânrã ngay thành các loại hạt nhẹ hơn.
Bất kỳ cái gìđều đượcđiều khiển bởi các lực. Mẫu chuẩn cho đến thờiđiểm
hiện nayđã thống nhất ba loại lực cơ bản của tự nhiênlà lực điện từ, lực mạnh và
lực yếu. Chỉ cònmột loại lực cơ bản thứ tư củatự nhiên là lực hấp dẫn chưa được
bao hàm trong Mẫu chuẩn. Mẫu chuẩn baohàmba trong bốn loại lực cơ bảncủa tự
nhiêncùng với các hạt manglực củachúng. Các hạt manglực là các hạt mang
tương tác giữacác hạt cơ bản. Hạt manglực của lực điện từ là photon với khối

lượng không (haykhông có khối lượng).Lựcyếu tính đến sự phân rã phóng xạ và
làm cho mặt trời và các sao chiếu sángđược mangbởi các hạtbozon W và Z nặng.
Lực nặng trong hạt nhân nguyên tử được mangbởicác hạtgluon. Lựchấp dẫn giữ
chúng ta ở trên mặt đấtcòn chưa đượcbao hàm trong Mẫu chuẩn và điều này đang
là một thách thức lớn đối với các nhà vật lýhiện nay. Để hoàn chỉnh Mẫu chuẩn cần
một loại hạtmới gọi là hạtHiggs và cộng đồng vật lý hi vọngtìm thấynó trong máy
gia tốclớn nhất thế giới mang tên là máy giatốc LHCmới được đưavào vận hành
tại Trungtâm Nghiêncứu Hạt nhân châu ÂuCERN ở Geneva(Thụy Sĩ).
Ngườiđầu tiên chỉ ra vai tròcó tính quyết định của sự đốixứng bị phá vỡ đối
với nguồn gốcvũ trụ là nhà vậtlý NgaAndreiSakharov.Năm 1967ông thiết lập ba
điều kiện để phátsinh mộtthế giới giốngthế giới của chúngta không cóphản vật
chất. Điều kiện thứ nhấtlà các định luật vậtlý phân biệt giữa vật chất và phảnvật
chất. Điều này thực tế đã đượcphát hiện với đối xứng CP bị phávỡ. Điều kiện thứ
hai làvũ trụ cónguồngốc từ nhiệt của Vụ nổ lớn. Và điều kiện thứ ba là các proton
trong mỗi hạtnhân nguyên tử đều phân hủy. Điều kiện cuối cùngcó thể dẫnđến sự
tận cùng của thế giới do nó ngụ ý rằng toàn bộ vật chất cuối cùng cóthể biến mất.
Nhưng điều đó còn lâu mới có thể xảy ravì theo thực nghiệm, các proton duy trì ổn
định trong khoảng 10
33
năm. Khoảng thời giannày lớn hơn 10 ngàn tỷ tỷ lần sovới
tuổi của vũ trụ (khoảng lớn hơn 10
10
nămmột chút). Và không cómột ai biết được
chuỗi sự kiện của Sakharovxảy ra như thế nào trong vũ trụ sơ khai. Các điều kiện
của Sakhrov cuối cùngcóthể được bao hàm trong Mẫu chuẩn. Khi đó, có thể giải
thích phần dư thừa vậtchất tạo ra khi phát sinhvũ trụ.
Câu hỏi tại sao các đối xứng bị phá vỡ không được giải đáp chođến năm
1972 khihainhànghiên cứutrẻ của Đại họcKyoto tên là Kobayashivà Maskawa
nhờ các tính toán vật lý lượng tử tìm ralới giải trongmột ma trận 3 x 3. Đối xứng
bị phá vỡ kép xảy ra như thế nào? Mỗi một hạt kaon bao gồm một sự kết hợpcủa

một quacvà một phản quac.Lực yếu làm cho chúngchuyển hóa lẫn nhau:quac trở
thành một phản quactrong lúc phản quac trở thànhmột quacvà do đó biến đổi
kaon thành phản kaon của nó.Theo cách này, hạt kaonchuyển đổi giữa bản thân
nó và ngược với bảnthân nó.Nhưng nếu các điều kiệnđúng được đáp ứng, sự đối
xứnggiữa vậtchất vàphản vậtchấtsẽ bị phá vỡ.Ma trận tính toán của Kobayashi
và Maskawa chứa cácxác suất nhằm mô tả sự biến đổi của cácquac sẽ xảy ra như
thế nào.Hóa ralà các quac vàphản quac traođổi đặc tínhcho nhau trong phạm vi
họ riêngcủa chúng. Nếu sự trao đổi đặctính nàyvới đốixứng bị phá vỡ kép xảy ra
giữavậtchất và phản vật chất,cần bổ sungmột họ quacthứ ba vào haihọ quac đã
có. Đó là một quanđiểm táo bạo và Mẫu chuẩnnhận được các quacmới. Các quac
mớitheo dự đoán sau đó đã tìm thấy trong thựcnghiệm. Người ta pháthiện ra
quac duyên đầu năm 1974, quac đáynăm 1977và quacđỉnh cuối năm 1994. Lý
thuyết của Kobayashi vàMaskawa chỉ ra rằng có thể nghiên cứu một sự vi phạm
đối xứngchủ yếu trong các hạt mezon Bnặng hơn 10lần so với nhữngngườianh
em họ của chúng là các kaon.Tuy nhiên, sự đối xứng bị phá vỡ xảy racực kỳ hiếm
thấytrong các mezonB.Do đó, cần có những lượng rất lớncủacáchạt này chỉ để
tìm ramột ítsự đối xứngbị phá vỡ. Đầu năm 2001, cả haithực nghiệm độclập với
nhau trên cácmáy gia tốc SLACở Stanford (California,Mỹ) và KEKở Tsukuba
(Nhật Bản) cóthể sảnsinh hơn một triệu mezonBmỗi ngày đã xác nhận sự vi
phạm đối xứngcủa cácmezonBchínhxácnhư dự đoántrong mô hình của
Kobayashi và Maskawatừ 30 năm trước đó. Điều này có nghĩalà một sự hoàn
chỉnhMẫu chuẩn.Gần như tất cả các mảnh ghép củabộ lắp hìnhđược lắp vào đúng
chỗ nhờ có mộtdự đoántáo bạo nhấttrong số các dự đoán.
Mẫu chuẩn bao hàm tất cả cáchạt cơ bản đã biết và và ba trongtrong bốn
lực cơ bản của tự nhiên. Nhưngtại sao các lựcnày lại khác nhaunhư thế? Vàtại
sao các hạt cơ bản lại có những khốilượng khác nhau như vậy? Quac nặng nhất là
quac đỉnh nặnghơn ba trăm nghìn lần so với electron.Tại sao chúnghoàn toàn có
bất kỳ khối lượng nào? Một lần nữalực yếu lạicó vaitrò trên phương diện này. Các
hạt mang củalựcyếu là các hạt W và Z nặng hơnnhiều trong lúc bạnđồng minh
của nólà photon manglực điện từ lại hoàn toànkhông có khốilượng. Nhiều nhà

vật lý chorằng sự đốixứngbị phá vỡ tự phát khácgọi là cơ chế Higgs pháhủy đối
xứngban đầu giữa cáclực và đem lại cho các hạt các khối lượngcủa chúng trong
các giai đoạnban đầu của vũ trụ. Năm 1960, Nambulà người đầu tiênđưa sự vi
phạm đối xứngtự phát mô tả hiện tượngsiêu dẫn vàovật lý hạt cơ bản. Chúng ta
có thể chứng kiến những vi phạm đốixứng tự phát đơngiản hơn trong cuộcsống
hàng ngày. Một bút chì đặt đứng trênđầu nhọncủa nó đưa ramột trạngthái hoàn
toànđối xứngtrong đó tất cả các hướng đều bìnhđẳng như nhau.Nhưngđối xứng
này bị mất đi khinó rơi xuống và nằm trên mặt bàn. Bây giờ chỉ có một hướng
được tínhđến. Điều kiện của bút chì trở nên bềnvữnghơn. Bútchì sẽ nằm yênvì
nó đã tiến đến mức nănglượngthấp nhất của nó. Một chân không có mức năng
lượng có thể có thấp nhất trongvũ trụ. Thực tế là mộtchân không trongvật lý
chínhxác là một trạng thái với năng lượng cóthể có thấp nhất.Nhưng nó không
trống rỗngbởi bất kỳ cách nào.Xuất phát từ vật lý lượng tử,mộtchân không được
định nghĩa là sự đầy của một nồi súp sủi bọt của các hạt mà chúng phồng lên chỉ để
biến mất ngaylập tứclần nữa trong các trường lượng tử có mặt phân bố rộng
nhưng không nhìn thấy được. Chúng ta được bao quanh bởi nhiều trường lượngtử
khác nhau xuyên qua không gian. Bốn loại lực cơ bản của tự nhiên cũngđược mô
tả như các trường. Một trong số các trường nàylà trường hấp dẫn mà nó giữ chúng
ta ở trên mặt đất và xác địnhxem cái gì là lênvà cáigìlà xuống.Nambusớm nhận
ra rằng các tínhchất của một chân khônglà cần thiết cho việcnghiêncứu dối xứng
bị phá vỡ tự tự phát. Mộtchân không, nghĩalàtrạng thái năng lượng thấp nhất
khôngtương ứngvới trạng thái đốixứngcao nhất. Giống như bút chìrơi xuống,sự
đối xứngcủa trường lượng tử bị phá vỡ và chỉ một trong nhiều hướng trường có
thể cóđược lựa chọn.
Câu hỏi về khốilượng củacáchạt cơ bản cũng đã được giải đápbởi đối xứng
phá vỡ tự phátcủa trườngHiggs giả định.Theoquan niệm này,tại Vụ nổ lớn
trường là đối xứnghoàn chỉnh và tất cả các hạtcókhối lượngkhông.Nhưng
trường Higgs giống như bút chì đứng trên mũi nhọn củanó là không bền vững. Do
đó, khivũ trụ lạnh đi,trường co lại tới chân khôngriêng của nóvới mứcnăng
lượng thấp nhất của nó theođịnh nghĩa lượng tử. Sự đối xứng của nóbiến mất và

trường Higgs trở thànhmột loại nướcngọt đốivới các hạt cơ bản. Cáchạt này hấp
thụ những lượngtrường khácnhau và có các khối lượngkhác nhau. Một số hạt
như các photon không bị lối kéo bởi trường Higgs và giữ khôngcókhối lượng.
Nhưng tại sao các electron có khối lượng là một câuhỏi khácmà chưa có ai trả lời
được. Giống như các trường lượngtử khác, trườngHiggs có đại diện riêng củanó
là hạt Higgs. Các nhà vật lý đangcố gắng tìm kiếm nó trong máy giatốcmạnh nhất
thế giới là máygia tốc LHC mới được vận hànhtại CERN(Geneva, Thụy Sĩ).Có thể
có mộtvài hạtHiggs khác nhaubị phát hiện hoặc khôngcó hạtnào cả. Các nhà vật
lý đã đưara nhiều lý thuyết trongđó có lý thuyết siêu đối xứngđể mở rộng Mẫu
chuẩn.