GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2004 ppt

GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2004

Ngày 5 tháng 10 năm 2004 Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển
quyếtđịnhtrao Giải Nobel Vật lýnăm2004 choba côngdân Mỹ là DavisJ.Grosstại
Viện Vật lý lý thuyết Kavli thuộc Đại học California ở Santa Barbara (bang
California, Mỹ), H. Davis Politzer tại Viện Công nghệ California (Caltech) ở
Pasadena (bang California, Mỹ) và Frank Wilczek tại Viện Công nghệ
Massachusetts (MIT) ở Cambridge (bang Massachusetts, Mỹ) "do phát minh ra sự
tự dotiệm cận (asymptotic freedom)trong lý thuyết tươngtác mạnh".
Gross cùng với Wilczek và độc lập với họ là Politzer đã có một phát minh
quan trọng xem xét xem lực mạnh hoạt động như thế nào để liên kết các yếu tố
thànhphần gọilà cácquark của cácproton và neutron (cáchạtnày tạonêncáchạt
nhân nguyên tử). Ba lực khác của tự nhiên là lực điện từ, lực yếu và lực hấp dẫn
đều giảm cường độ theo khoảng cách. Ba nhà khoa học nói trên đã phát hiện thấy
rằng lực mạnh tăng mạnh hơn theo khoảng cách.Phát minh này gọi là "sự tự do
tiệm cận" và nó có nghĩa là việc kéo các quark ở bên trong các proton và neutron
raxa nhaulàmtăng cườngđộ củalựcliênkếtchúng. Pháthiệnnàycótácđộnglớn
đến việc thiết kế và tiến hành các thực nghiệm tại các thiết bị máy gia tốc lớntrên
thế giới vì nó cho phép các nhà vật lý tính toán được các kết quả mà các thực
nghiệm thu được. Những sai số từ các kết quả tính toán này lại cung cấp những
hiểu biết vô cùng quí giá về một lĩnh vực vật lý mới là vật lývượt ra khỏi Mô hình
chuẩn. Mặt sau (flipside)của"sự tự dotiệmcận"đã được môtả như là"nôlệ hồng
ngoại (infra-red slavery)". Do lực liên kết các quark trong các proton và neutron
tăng mạnh hơn theo khoảng cách, các proton và neutron không thể bị hủy thành
các quarkthànhphần.Phần nàycủaphátminhGross-Wilczek gọilà"sự giamcầm".
Phátminh tự do tiệm cận đưaGross và Wilczek đề xuất một lý thuyết toàndiện về
lực mạnh gọilàSắc độnglực lượngtử (QCD) mà bađiện tích màu của nó tương tự
với các điện tích dương và âm trong lý thuyết về lực điện từ gọi là Điện động lực
lượng tử (QED). Do QCD có sự tương tự toán học đáng kể so với QED và lý thuyết
về lực yếu, phát minh tự do tiệm cận mang lại cho vật lý một bước tiến gần hơn
đếnviệc thực hiệnước mơ vĩ đạilà thốngnhấttất cả các lựccủatự nhiênvào trong

mộtlýthuyết.Lýthuyếtthốngnhất này làlýthuyết chotấtcả cáchiệntượng trong
tự nhiên.
Davis J.Gross sinh năm 1941 tại Washington D. C. (Mỹ). Ông bảo vệ luận án
tiến sĩ vật lý tại Đại học California ở Berkeley năm1966 và sau đó ông làm việc tại
Harvard. Năm 1969 ông tới Princeton làm trợ lý giáo sư và ở đó ông được bổ
nhiệmlàmgiáosư vậtlýnăm1972.Sau đó,ông làgiáosư EugeneHiggins về vật lý
vàgiáosư Thomas Jones về vật lýtoán. Trongnhữngnăm1970-1974 ônglà thành
viênLiên đoànAlfred P.Sloan.ÔngđượcbầulàhộiviênHộiVậtlýMỹ (1974),viện
sĩ Viện Hànlâm Nghệ thuậtvàKhoahọcMỹ (1986), việnsĩ Viện HànlâmKhoahọc
Quốc gia Mỹ (1986) và hội viên Hiệp hội Mỹ vì sự tiến bộ khoa học (1987). Gross
đã được trao tặng Giải thưởng J. J. Sakurai (1986) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng
của Liên đoàn MacArthur (1987), Huy chương Dirac (1988), Huy chương Oscar
Klein (2000) và Giải thưởng Harvey (2000) và Giải thưởng Vật lý hạt và năng
lượng cao (2003) của Hội Vật lý châu Âu. Ông đã nhận được hai bằng tiến sĩ danh
dự. Năm 2004 David Gross đã được lựa chọn để nhận phần thưởng khoa học cao
quínhấtcủaPháplà Huy chươngvàng(GrandeMedaille D'Or) donhữngđónggóp
của ông cho việchiểu biếthiện thực vật lýcơ bản. Ông đến làm việc tại ViệnVật lý
thuyết Kavli thuộc Đại học California ở Santa Barbara từ tháng 1 năm 1997. Hiện
nay, ông là giáo sư Frederick W. Gluck về vật lýlý thuyết -một chức giáo sư riêng
(endowed chair) cho giám đốc Viện Vật lý lý thuyết Kavli thuộc Đại học California
ở Santa Barbara và được thiết lập từ năm 2002. Gross nói: "Giải Nobel ghi nhận
những cố gắng không chỉ của chúng tôi mà còn của cộng đồng vật lý năng lượng
cao. Những cuộc thám hiểm khoa học vào trong thực tại cơ bản không chỉ là lĩnh
vựccủariêng các thiêntài như Galileo,Newtonhay Einsteinmàcòn là cố gắnghợp
táccủa cộngđồngcủacác nhàkhoa học.Hàng trămcácnhà khoa họcthựcnghiệm
tạicácphòngthínghiệmmáygia tốctrênkhắpthế giới đã thiếtkế vàtiếnhànhcác
thực nghiệm mà chúng sớm cung cấp cho chúng tôi những gợi ý về cách tác động
của lực mạnh và sau đó chứng minh lý thuyết đã công bố của chúng tôi. Chúng tôi
còn nhiều vấnđề lýthuyết cầnphải nghiên cứu".
H. Davis Politzer sinh năm 1949 tại Mỹ. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ vật lýtại

Đại học Harvard năm 1974. Hiện nay, ông là giáo sư tại Phòng Vật lý, Viện Công
nghệ California (Caltech) ở Pasadena (Mỹ). Politzer nói rằng quả thực một trong
cácsuy ngẫmưa thích nhất của ông về sự nghiệp vậtlý hạtcơ bảncủamìnhlà ông
tưởng tượng mình đi đếnmộtgaxe lửaở bấtkỳ nơinào trênthế giớivà được đón
chàobởimộtngườihoàntoàn khôngquenbiết vàngười đó ngaylập tứcđốixử với
ôngnhư mộtngườibạncũ. Politzer làmvậtlý lýthuyết nhưngông coi nónhư một
nghề ký sinh (parasitic) cơ bản sống táchkhỏi laođộng củacác nhà vật lý thực.
FrankA.Wilczek sinhngày15 tháng5 năm1951tạiQueen (bangNew York,
Mỹ) . Năm 1973 ông cưới vợ là Elizabeth J. Devine và vợ chồng ông có hai con là
Amity (sinh năm 1974) và Mira (sinh năm 1982). Ông tốt nghiệp Đại học Chicago
ngành toán học năm 1970, bảo vệ luận án thạc sĩ toán học tại Đại học Princeton
năm 1972 vàbảo vệ luận án tiến sĩ vật lý tại Đại học Princeton năm 1974. Wilczek
là giáo viên hướng dẫn thực hành (từ tháng 1 năm 1974 đến tháng 6 năm 1974),
trợ lý giáo sư (từ tháng 9 năm 1974 đến tháng 6 năm 1976 và từ tháng 9 năm
1977 đến tháng 6 năm 1978), phó giáo sư (tháng 9 năm 1978 đến tháng 6 năm
1980) và giáo sư (từ tháng 7 năm 1980 đến tháng 6 naưm 1981) tại Đại học
Princeton. Ông là thực tập sinh tại Viện Cao học Princeton từ tháng 9 năm 1976
đến tháng 6 năm 1977. Ông làgíao sư Đại học California ở Santa Barbara và thành
viênViệnVậtlýlý thuyếtcủatrườngnàytừ tháng11 năm1980 đếntháng 12năm
1988.Wilczek làgiáosư thỉnhgiảngcủaĐại học Harvardtừ tháng9 năm 1987 đến
tháng 6 năm 1988. Từ tháng 1 năm 1989 đến tháng 8 năm 2000 ông là giáo sư
Trường Khoa học tự nhiên của Viện Cao học Princeton. Từ tháng 9 năm 2000 ông
là giáo sư tại Trung tâm Vật lý lý thuyết của Phòng Vật lý, Viện Công nghệ
Massachusetts ở Cambridge. Giáo sư Frank Wilczek là giảng viên danh dự của
nhiềutrườngđại họcvàtổ chứckhoahọcnhư giảngviênMorris Loeb về vậtlýcủa
Đại học Harvard (tháng 4 năm 1982), giảng viên Flint của Đại học Yale (tháng 4
năm 1986), giảng viên Hamilton của Đại học Princeton (tháng 4 năm 1988), giảng
viên Scott Hawkins của Đại học Giáo lý Phương Nam (tháng 1 năm 1992), giảng
viên Bethe của Đại học Cornell (tháng 10 năm 1992), giảng viên Anna McPherson
của Đại họcMcGill (tháng 4 năm 1993), giảng viên Rowland củaĐại học Kentucky

(tháng 12 năm 1994), giảng viên Michelson của Đại học Dự bị Tây Case (tháng 4
năm 1995), giảng viên Dashen của Đại học California ở San Diego (tháng 1 năm
1999), giảng viên H. Primakoff của Hội Vật lý Mỹ (tháng 4 năm 2001), giảng viên
Potts của Đại họcJohn Hopkins (tháng 4 năm 2001), giảng viên A. O. Williams của
Đại học Brown (tháng 4 năm 2001), giảng viên Pappalardo của Viện Công nghệ
Massachusetts (tháng 4 năm 2001), giảng viên ghi nhớ Feenberg của Đại học
Washington ở St. Louis (tháng 10 năm 2003), giảng viên Heilborn củaĐại học Tây
bắc (tháng 1 năm 2004), giảng viên ìFT của Đại học Florida (tháng 2 năm 2004),
giảng viên Marker của Đại học Quốc gia Pennsylvania (tháng 4 năm 2004), giảng
viênghonhớ J. RobertOppenheimer(tháng7 năm2004), giảngviênEnrricoFermi
tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (tháng 10 năm 2004) và giảng viên Cao
đẳngGreenthuộc ĐạihọcColumbia(tháng11 năm2004).Wilczeklàgiáosư vậtlý
vàhiệutrưởngdanh dự RobertHuttenback của ĐạihọcCaliforniaở Santa Barbara
từ tháng9năm1984 đến năm1990, cộng tácviênRegent củaĐàiThiênvănVậtlý
Smithsonian từ tháng 6 năm 1986 đến tháng 9 năm 1988, nhà khoa học nổi bật
Leland J. Haworth của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven từ tháng 9 năm
1994 đến tháng 6 năm 1997, giáo sư J. Robert Oppenheimer tại Viện Cao học từ
tháng 10 năm 1997 đến tháng 8 năm 2000, giáo sư Lorentz củaĐại học Leiden từ
tháng 4 đến tháng 6 năm 1998, giáo sư Herman Feshbach của Viện Công nghệ
Massachusettstừ tháng9năm2000đếnnay,giáosư AdjunctcủaCentrosEstudios
Cientificos từ tháng 1 năm 2002 đến nay và giáo sư Schrodinger thỉnh giảng tại
thành phố Vienna (Áo) vào tháng 6 năm 2002. Wilczek là thành viên Hội đồng cố
vấn về năng lượng cao của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (1978-1982),
thành viên Ban biên tập tạp chí “Zeitschrift fur Physik C” (tháng 11 năm 1981-
1997), thành viên Hội đồng biên tập tạp chí “Annual Reviews of Nuclear &Particle
Science” ( tháng 7 năm 1985-tháng 9 năm 1989), thành viên Hội đồng cố vấn về
vật lý năng lượng cao của D. O. E.(1986-1989), thành viên Hội đồng khoa học của
ViệnVậtlýlý thuyếtthuộcĐạihọcMinnesota(tháng1năm1987-2003), phụ trách
mục “Article Alert” trên tạp chí “The Scientists” (tháng 1 năm 1988-tháng 5 năm
1991),thànhviên Hộiđồngcố vấn củaViện Vật lýlý thuyếtở SantaBarbara (tháng

9 năm 1989-1992), thành viên Hội đồng xét học bổng nghiên cứu của Liên đoàn
Sloan (tháng 3 năm 1993-1998), thành viên Hội đồng tổng quan quốc tế đối với
các giáo sư khoa học của Tổng thống ở Santiago (Chile)(tháng 3 năm 1999-2000),
chủ biêntạp chí“Annals òPhysics”(từ tháng9năm2001đếnnay), thànhviên Hội
đồng chính sách khoa học của CERN (từ tháng 1 năm 2002 đến nay), cố vấn biên
tập cho tạp chí “Daedalus” (từ tháng 1 năm 2002 đến nay) và thành viên Hội đồng
cố vấn khoa học của Viện Vật lý lý thuyết ở Waterloo (Canada) (từ tháng 1 năm
2003 đến nay). Ông đóng góp thường xuyên cho tạp chí “Vật lý ngày nay” trong
việc giải thích các chủ đề khác nhau ở ranh giới tận cùng của vật lý. Giáo sư Frank
Wilczek đã được trao tặng Giải thưởng tìm kiếm tài năng khoa học (1967) của
Westinghouse, Phi Beta Kappa (1969), Giải thưởng J. J. Sakurai (1986) của Hội Vật
lý Mỹ, Giải thưởng và Huy chương Dirac (1994) của Trung tâm Vật lý lý thuyết
Quốc tế ở Trieste (Italia), Giải thưởng Michelson-Morley (2002) của Đại học Dự bị
Tây Case, Huy chương Lorentz (2002) của Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học
HoànggiaHàLan, GiảithưởngLilienfeld (2003) củaHộiVậtlýMỹ,Giải thưởngVật
lý năng lượng cao (2003) của Hội Vật lý châu Âu, Huy chương tưởng niệm (2003)
củaKhoatoán lýthuộcĐạihọc Charles(Prague)vàGiải thưởngNobelVật lý(2004)
của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng giaThụy Điển. Wilczek là thành viên Liên đoàn
Alfred P. Sloan (1975-1977), thành viên Liên đoàn John & Catherine MacArthur
(tháng 7 năm 1982-1987), viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (từ tháng 5
năm 1990), viện sĩ Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Mỹ (từ tháng 4 năm
1993), viện sĩ nước ngoàiViện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Hoàng gia Hà Lan
(tháng 5 năm 2000), hội viên Hiệp hội Mỹ vì sự tiến bộ khoa học (tháng 12 năm
2000). Ông là tiếnsĩ danh dự của Đại học Montrèal. Giáo sư Wilczek được coi như
một trong các nhà vật lý xuất sắc nhất thế giới hiện nay. Ông nổi tiếng do phát
minh ra sự tự do tiệm cận và phát triển sắc động lực lượng tử, phát minh ra các
axion và khám phá ra các dạng mới của thống kê lượng tử là các anyon. Khi
Wilczek mới chỉ 21 tuổi và là sinh viên của Đại học Princeton, ông đã cùng với
David Gross phát hiện ra các tính chất của các gluon màu. Nghiên cứu chính của
Wilczek gồm vật lýhạt cơ bản thuần túy, dáng điệu của vật chất ở nhiệt độ và mật

độ cựccao,ứngdụng quanniệm củavậtlýhạtcơ bảnchovũ trụ học,ứng dụngkỹ
thuậtcủa lýthuyếttrườngchovậtlýchấtđôngkết vàlýthuyếtlượngtử củacáclỗ
đen.
Các khối xây dựng nhỏ nhất trong tự nhiên là gí? Các hạt này xây dựng lên
bất kỳ cái gì chúng ta nhìn thấy xung quanh chúng tanhư thế nào? Các lực nào tác
độngtrong tự nhiên và chúng thực sự thực hiệnchức năngcủa chúng như thế nào?
Giải Nobel Vật lý năm 2004 liên quan đến các câu hỏi cơ bản nói trên. Đó là
những vấn đề quan tâm của các nhà vật lý trong suốt thế kỷ XX và chúng còn là
thách thức cho các nhà lý thuyết và thực nghiệm làm việc với các máy gia tốc hạt
cơ bản lớnhiện nay.
David Gross, David Politzer và Frank Wilczek đã tạo ra một phát minh lý
thuyết quan trọng liên quan đến lực mạnh hay còn gọi là "lực màu (colour force)".
Lực mạnh là lực chiphối trong các hạt nhân nguyên tử và tác động giữa các quark
ở bên trong proton và notron. Điều mà những người đoạt Giải Nobel phát hiện ra
làmộtcái gì đó thoạt tiên dường như hoàntoàn mâu thuẫn.Việc giảithíchkết quả
toán học của họ cho rằng các quark càng gần nhau thì "điện tích màu (colour
charge)" càng yếu. Khi các quark thực sự gần nhau, lực tương tác giữa chúng yếu
đến mức chúng gần giống như các hạttự do. Hiện tượng này được gọi là "sự tự do
tiệm cận". Điều ngược lại là đúng khi các quark chuyển động ra xa. Lực tương tác
giữacácquarkmạnhhơnkhi khoảngcách giữa chúngtănglên.Tínhchất nàygiống
như tính chất củamột đaicao su.Đai càngbị giãn thì lực càngmạnh.
Phát minh này được diễn đạt về mặt toán học vào năm 1973 vànó dẫn đến
một lý thuyết hoàn toàn mới mang tên là sắc động lực lượng tử QCD (Quantum
ChromoDynamics). Lý thuyết này là một đóng góp quan trọng cho Mô hình chuẩn
(Standard Model). Mô hình này mô tả ba loại lực cơ bản trong tự nhiên là lực điện
từ (lực nàytác động giữa các hạt tích điện), lực yếu (lực này có vai trò quan trọng
đốivớiviệcsảnsinh nănglượng củaMặt Trời) vàlực mạnh (lực này tácđộng giữa
cácquark). Nhờ cóQCD, các nhà vậtlýítracóthể giải thíchđượctạisao các quark
chỉ giống như các hạt tự do ở các năng lượng cực cao. Trong proton và notron, các
quark luôn luôn tìm thấy trongcác bộ ba (triplet).

Nhờ phát minh nói trên, David Gross, David Politzer và Frank Wilczek đã
làm cho vật lý tiến một bước gần hơn đến việc thực hiện giấc mơ lớn là xây dựng
đượcmộtlýthuyết thốngnhấtbaogồmcả bốn loạilựccơ bảntrong tự nhiên (lực
hấp dẫn, lực điện từ, lựcmạnhvà lực yếu).
Phát minh mà nó được trao Giải Nobel Vật lý năm 2004 có tầm quan trọng
quyết định đối với hiểu biết của chúng ta về lý thuyết lực mạnh. Lực này là một
trong bốn lực cơ bản của tự nhiên và tác động giữa các phần tử nhỏ nhất của vật
chất hiện nay là các quark. Gross, Politzer và Wilczek qua các đóng góp lý thuyết
của mình có khả năng hoàn chỉnh Mô hình chuẩn của vật lý hạt cơ bản. Mô hình
này mô tả các đối tượng nhỏ nhất trong tự nhiên và cách tác động giữa chúng.
Đồngthời,phát minhlàmộtbước quantrọngtrongnỗ lực nhằmđưaramộtsự mô
tả thống nhấtđốivới tấtcả cáclựccủatự nhiênkhông cầnđể ý đếnphạm vi không
gian từ các khoảng cách nhỏ nhất trong các hạt nhân nguyên tử đến các khoảng
cách khổng lồ của vũ trụ.
Tương tácmạnh(còngọi làtương tácmàu) tác độnggiữacácquark. Cáchạt
này cấu tạolên các proton, notron và hạt nhân nguyên tử. Tiến bộ trong vật lý hạt
cơ bản và sự liên quan của nó đến cuộc sống hàng ngày của chúng tađôi khi khó
hiểu đối với bất kỳ ai không có kiến thức vật lý. Tuy nhiên, khi phân tích một hiện
tượng xảy ra hàng ngày như một đồng xu quay ở trên bàn ta nhận thấy rằng các
chuyển động của đồng xu thực ra bị tác động bởi các lực cơ bản giữa các khối xây
dựng cơ bảnlàcácproton,notronvàelectron. Thựctế làkhoảng80% trọng lượng
củađồngxuphụ thuộc vào cácchuyển độngvà quátrìnhở bêntrong cácprotonvà
notron,nghĩalàphụ thuộcvàotươngtác giữacácquark.GiảiNobel năm2004xem
xét đến tương tác này.
Gross, Politzer và Wilczek đã phát minh ra một tính chất của tương tác
mạnh mà nó giải thích tại sao các quark chỉ có thể gần giống như các hạt tự do ở
các năng lượng cao. Phát minh này tạo ra cơ sở cho lý thuyết tương tác màu (tên
đầy đủ hơn là sắcđộng lực lượng tử QCD). Lý thuyết này đã được kiểm tra chi tiết
đặc biệt là trong những năm gần đây tại Phòng thí nghiệm vật lý hạt cơ bản của
Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châuÂu CERN ở Geneva.

Lực cơ bản đầu tiên trong tự nhiên là lực hấp dẫn. Lực này không chỉ làm
cho các vật rơi xuống mặt đất mà còn chi phối chuyển động của các hành tinh và
các thiên hà. Lực hấp dẫn có thể xem là lực mạnh khi xem xét chẳng hạn như các
hố lớndo cácsao chổi tạo ra khiva phải Trái Đất hoặc các tênlửakhổng lồ đòihỏi
để đưa vệ tinh vào trong không gian. Tuy nhiên, trong thế giới vi mô lực hấp dẫn
giữacác hạt như các electronvà proton làcực yếu.
Ba loại lực cơ bản khác là lực điện từ, lực mạnh vàlực yếu chi phối thế giới
vi mô và được mô tả bởi Mô hình chuẩn. Qua các đóng góp của một số người đoạt
Giải Nobel trước đây, Mô hình chuẩn có một vị trí rất quan trọng trong lý thuyết
hạt cơ bản. Điều này là do mẫu này là mô tả toán học duy nhất tính đến cả thuyết
tương đối của Einsteinvà cơ học lượng tử.
Mô hình chuẩn mô tả các quark, lepton và các hạt mang lực. Các quark xây
dựng chẳng hạn như các proton và notron của các hạt nhân nguyên tử. Các
electron mà chúng tạo ra lớp vỏ ngoài của các nguyên tử là các lepton và như
ngườitađã biếtđếntận bâygiờ không được cấutạotừ bấtcứ thành phầnnàonhỏ
hơn. Các nguyên tử kết hợp với nhau tạo thành các phân tử,các phân tử xây dựng
lên các cấu trúc và theo cách này có thể tạo thành toàn bộ vũ trụ.
Tương tác điện từ chi phối đối với một số hiện tượng chung trong thế giới
xung quanh ta như ma sát, hiện tượng từ, Tương tác điện từ mà nó liên kết một
electron và một proton trong một nguyên tử hyđro lớn gấp 10
41
lần so với ltương
tác hấp dẫn. Ngoài sự khácbiệt rất lớn về độ lớn, giữahai tương tác này có một số
sự tương tự.Độ lớn của cả hai tương tác đều giảm theo bình phương khoảng cách
và có phạm vi tác dụng xa. Cả hai loại tương tác điện từ và tương tác hấp dẫn đều
được thực hiện qua các hạt tải lực (force carrier) là graviton và photon (hạt ánh
sáng).Ngượcvớiphoton, ngườita cònchưatìmthấy graviton.Phạm vitácdụngxa
củagravitonvàphotoncóthể đượcchứngminh dựavàothựctế làchúng khôngcó
khối lượng nghỉ.Các photon từ Mặt Trời cần cho sự sống trên Trái Đất.Tuynhiên,
khi năng lượng được sinh ra từ sự tổng hợp hạt nhân ở tâm của Mặt Trời hai

tương tác khác trong Mô hình chuẩn là tương tác mạnh và tương tác yếu cũng
đóng vai trò quan trọng. Photon có một tính chất quan trọng là mặc dù nó là một
hạt trung hòavề điện nhưng nó vẫn có khả năng liên kết vớicác điệntích. Điều đó
giảithích tại sao các photon không tươngtác vớinhau.
Tương tác điện từ được mô tả bởi lý thuyết điện động lực lượng tử QED
(QuantumElectroDynamics).QED làmột trongcác lýthuyếtvật lý thành côngnhất.
Lý thuyết này phù hợp với các kết quả thực nghiệm với độ chính xác khoảng một
phần mười triệu. Nhờ lý thuyết này, Sin-tiro Tomonaga, Julian Schwinger và
Richard Feynman đã được trao Giải Nobel Vật lý năm 1965. Một trong các lý do
giải thích cho sự thành công của QED là vì phương trình trong lý thuyết này có
chứa một hằng số nhỏ gọi là hằng số cấu trúc tế vi hay hằng số liên kết. Hằng số
nàycó giá trị là1/ 137 vànhỏ hơn đáng kể so với1. Điềunày tạo rakhả năng tính
toán các hiệu ứng điện từ như là một khai triển chuỗitheo hằng số nhỏ. Đó là một
phươngpháptoán học đẹp đẽ gọi là lýthuyết nhiễu loạn do Feynmanphát triển.
Mộttínhchất quan trọngcủacơ họclượngtử trong lýthuyết QEDlà hằngsố
cấu trúc tế vi thay đổi theo năng lượng và nó tăng theo sự tăng năng lượng. Trong
cácmáygia tốchiệnnaychẳng hạn như máygiatốcLEP ở CERN, giátrị đođượclà
1/128(khácvớigiátrị 1/137)ở cácnănglượngtươngứngvớikhoảng100tỷ eV.
Nếusự phụ thuộc nănglượngcủahằngsố cấutrúctế viđược môtả bằngđồ thị thì
đườngcongbiẻu diệnsự phụ thuộc nàynghiêngnhẹ lên phíatrên. Các nhà vật lý lý
thuyết nói rằngđạo hàmhay hàmbeta là dương.
Tương tác yếu được thực hiện bởi các boson W
±
vàZ
0
.Nhữnghạt nàykhông
giống như photon và graviton và có khối lượng rất lớn (gần 100 lần khối lượng
proton). Đó là lý do tại sao tương tác yếu có phạm vi tác dụng gần. Tương tác yếu
tác động lên cả quark và lepton và chi phối đối với một số phân rã phóng xạ. Nó
liên quan chặt chẽ với tương tác điệntừ. Tương tác điện từ và tương tác yếu được

thống nhất trong tương tác điện yếu (electroweak). Tương tác điện yếu đã được
làm sáng tỏ vào những năm 1970. Gerardus 't Hooft và Martinus Veltman đã được
trao Giải Nobel Vật lýnăm 1999 cho hìnhthức luận cuối cùngcủa lý thuyết này.
Từ nhữngnăm1960người tađã biết rằngprotonvànotron có cấu tạo làcác
quark.Tuynhiên,thựckỳ lạ là khôngthể sản sinh các quarktự do.Một tính chất cơ
bản của các quark là chúng bị giam giữ. Chỉ các khối tập hợp của các quark (gồm
hai hoặc ba quark) có thể tồn tại tự do giống chẳng hạn như proton. Các quark có
các điện tích bằng một phần điện tích của proton (-1/3 hoặc +2/3) và đặc tính kỳ
lạ nàycủaquarkvẫnchưađượcgiải thích. Điệntích củaquarkcòn có một tính chất
đặcbiệtlànó bị lượngtử hóa,nghĩalànóchỉ có thể lấy cácgiátrị nàođó.Tính chất
này được gọi làđiện tích màuvì nó tươngtự như khái niệm màu sắc.
Các quark có thể mang các điện tích màu đỏ, lam hoặc lục. Đối với mỗi một
quarkcómộtphảnquark. Điềuđó cũnggiốngnhư làelectroncómộtphảnelectron
làpositron. Các phản quark có các điệntích màu phản đỏ, phản lamhoặc phảnlục.
Các khối tậphợp của các quark mà chúng có thể tồn tại tự do là trunghòa màu. Ba
quark trong proton (u, u và d) có các điện tích màu khác nhau sao cho điện tích
màu tổng cộng là trắng (hay trung hòa). Theo cùng một cách như các phân tử
trung hòa điện có thể tạo racác liên kết (qua sự hút giữa các phần dương và phần
âm củachúng)sự trao đổi lựcgiữa cácproton vànotron trong các hạt nhânxảy ra
qua các lực màu mà chúng giải phóng ra từ các quark và các hạt mang lực của
chúng.
Lực giữa các quark được thực hiện bởi các gluon (xuất phát từ từ "hồ keo
(glue)")màchúngkhôngcókhốilượnggiốngnhư cácphoton.Tuynhiên, cácgluon
ngược với photon ở chỗ chúng cũng có tính chất của điện tích màu gồm có một
màu và một phản màu. Tính chất này làm cho lực màu trở nên phức tạp và khác
với lực điệntừ.
Trong một thời gian dài, các nhà vật lý tin rằng không thể tìm được một lý
thuyết nhờ đó có thể tính được các hiệu ứng của tương tác mạnh giữa các quark
theo cùng cách thức như đối với tương tác điện từ và tương tác yếu. Chẳng hạn
như nếuxemxéttươngtácgiữahaiprotontrongmộthạtnhân cóthể thuđượccác

kết quả khá tốt bằng cách mô tả nó như là một sự trao đổi của các pi - meson. Ý
tưởng này đã đưa Hideki Yukawa đến Giải Nobel Vật lý năm 1949. Tuy nhiên, cần
có hằng số liên kết lớn hơn 1 mà điều đó có nghĩa là không thể sử dụng các tính
toán nhiễu loạn của Feynman như mô tả trên đây. Không may là cho đến nay chưa
có một phương pháp thích hợp để tính đến các hiệu ứng của tương tác mạnh như
thế.
Tìnhhìnhdườngnhư tồitệ hơnđốivớicácnănglượngcao.Nếuhàmbeta là
dương(cáchđể hằngsố liênkết thay đổitheo nănglượng),tươngtácsẽ mạnhhơn
và các tínhtoántrở nênvô lý hơn.
Nhàvậtlýlý thuyếtĐứcKurt Symanziknhậnthấyrằngcáchduynhấtđể đạt
được một lý thuyết hợp lý là đi tìm một lý thuyết với một hàm beta âm. Điều đó
cũngsẽ giải thích tạisaocácquarkđôikhicóthể xuấthiệnnhư các hạttự doở bên
trong proton. Hiệu ứng này có thể xuất hiện trong các thựcnghiệm tánxạ giữa các
electronvà proton.
Không may làtự Symanzikkhôngtìmra được một lý thuyết như thế và mặc
dùGerardus'tHooftđã tiếnrấtgầnđếnviệcphát hiệnralýthuyếtnàyvàomùahè
năm 1972, các nhà vật lý đã mất hết hi vọng vì tất cả các lý thuyết thực tế đều có
hàm beta dương. Bây giờ chúng ta biết rằng điều đó là không chính xác bởi vì vào
tháng 6 năm 1973 Gross, Politzer và Wilczek đã tìm ra lý thuyết với hàm beta âm
và công bố kết quả của họ trong hai bài báo đăng trên tạp chí "Physical Review
Letters" (một bài củaGross vàWilczek và mộtbàicủaPolitzer). Khi đó,Wilczekvà
Politzercòn rất trẻ và đang là nghiêncứu sinh.
Nhờ các lý thuyết của Gross, Politzer và Wilczek, các hạt tải lực (các gluon)
có một tính chất đặc biệt khôngai ngờ tới là chúng không chỉ tương tác với các
quark mà còn tương tác với nhau. Tính chất này có nghĩa là các quark càng gần
nhau, điện tích màu càng yếu và tương tác càng yếu. Các quark tiến lại gần nhau
khi năng lượng tăng. Vì thế, cường độ tương tác giảm theo năng lượng. Tính chất
nàygọi làsự tự do tiệm cậnvà cónghĩalàhàmbeta âm.Mặtkhác,cườngđộ tương
tác tăng theo sự tăng khoảng cách. Điều đó có nghĩa là một quark không thể thoát
khỏimộthạtnhânnguyêntử. Lý thuyếtcủaGross, Politzervà Wilczekđã được xác

nhậnbằngcácthực nghiệm.Trongcácthựcnghiệmnày, các quark bị bẫy trongcác
nhóm ba (triplet) ở bên trong proton và neutron nhưng không thể được xem như
các hạt(grain)trong các thực nghiệm thích hợp.
Sự tự dotiệmcậntạocho nókhả năngtínhđượctươngtáccủacácquark và
gluon ở khoảng cách nhỏ nếu giả thiết rằng chúng là các hạt tự do. Khicác hạt với
các nănglượngrấtcao vachạm vớinhaucóthể làmcho chúngở đủ gầnnhau.Trên
cơ sở sự tự dotiệm cận,người taxây dựng mộtlýthuyếtgọi làSắcđộng lựclượng
tử QCD (lý thuyết này cũng có nghĩa là sự tự do một cách tiệm cận) và nhờ đó lần
đầu tiênngười tathựchiện được cáctính toán phùhợp tuyệt vờivới thực nghiệm.
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số liên kết vào năng lượng theo dự
đoán của sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD là một đường cong đi xuống (hàm
beta âm)và đường congnày phùhợp rấttốt với đường congthực nghiệm.
Một chứngminhquan trọngcủa lýthuyếtQCDđượcđưara bởicác vachạm
giữa các electron và các phản hạt của chúng là các positron với động năng rất cao
khi chúng hủy lẫn nhau. Theo phương trình Einstein E = mc
2
, động năng có thể
được biến đổi thành các hạt mới chẳng hạn như các quark có khối lượng và động
năng. Các quark này được sinh ra rất mạnh trong quá trình, rất gần nhau nhưng
chuyển độngra xa nhau vớivậntốccực cao.Nhờ sự tự do tiệmcậntrong lý thuyết
QCD bây giờ có thể tính được quá trình này.
Người ta nhận thấy rằng khi các quark chuyển động ra xa nhau, chúng bị
ảnh hưởng bởi các lực mạnh ngày càng tăng lên và các lực này cuối cùng dẫn đến
phátsinh các hạtquark vàphản quarkmới.Dođó xuấthiệncơnmưa(shower) hạt
tươngứngtheohướngcủacácquarkvàphảnquark banđầu.Nhưngquátrình"ghi
nhớ" phầntự do tiệm cậnđầu tiên có thể tính được và cungcấp một giá trị đốivới
xác suất xảy racác sự kiện cơn mưa hai (two-shower) này mà nó phù hợp với các
quan sát.
Việc xảy ra cơn mưa ba (three-shower) (mưa quark, mưa phản quark và
mưa gluon) đã được phát hiện thấy trên máy gia tốc DESY tại Hamburg vào cuối

những năm1970. Điềunàytạora chứngcớ cósứcthuyếtphụchơn và cóthể được
giảithích như là một gluon phátra xa mộtquark hoặc một phảnquark.
Sự tự do tiệmcận trong lýthuyếtQCD cũng cung cấp chocác nhà vật lýmột
cách giải thích về một hiện tượng mà Friedman, Kendall và Taylor (Giải Nobel Vật
lý năm 1990) quan sát thấy trên máy gia tốc Stanford. Các thành phần tích điện
của proton có dáng điệu như các hạt tự do khi chúng va chạm với nhau với nhau
mạnhđếnmức chúng đạtđượcnănglượngcao. Bằngcách bổ sung đồng thời xung
lượng của proton mà nó tạo nên các thành phần tích điện (các quark) rõ ràng là
khoảng một nửaxung lượngcủa protonchính làcác gluon.
Ảnh hưởng lớn nhất của sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD có lẽ là nó
mở rakhả năng của sự mô tả thống nhất đốivới các lực của tự nhiên. Khikiểm tra
sự phụ thuộc năng lượng của các hằng số liên kết đối với tương tác điện từ, tương
tác yếu và tương tácmạnh, rõ rànglà chúng hầu như nhưng khôngphảihoàn toàn
đều thỏa mãn tại một điểm và có cùng giá trị tại một năng lượng rất cao. Nếu
chúngthựcsự thỏamãntại mộtđiểm,cóthể giả thiết rằngbatươngtácnóitrênđã
đượcthốngnhất. Vàgiấc mơ từ lâu củacácnhàvậtlýmuốnmôtả các địnhluậtcủa
tự nhiên bằng ngôn ngữ đơn giản nhất có khả năng trở thànhhiện thực.
Tuynhiên,Môhìnhchuẩn cần mộtsự thayđổi nàođó để giấcmơ thống nhất
các lực của tự nhiên trở thành hiện thực. Sự thay đổi đó có thể là cần đưa vào một
tập hợp các hạt mới gọi là các hạt siêu đối xứng (supersymmetric particles). Các
hạt này có thể có khối lượng đủ nhỏ và được nghiên cứu trên máy gia tốc "Bộ va
chạmhadron lớn LHD(Large HadronCollider)" tại CERN ở Gênva.
Nếu người ta phát hiện thấy sự siêuđối xứng, nó sẽ là sự trợ giúp mạnh mẽ
cho các lý thuyết dây (string theory) trong việc thống nhất tương tác hấp dẫn với
tương tác tác điện từ, tương tác yếu và tương tác mạnh. Mẫu chuẩn cũng cần thay
đổi nhằm bao hàm các tính chất của neutrino phát hiện gần đây (neutrino có khối
lượng khác không). Ngoài ra, có lẽ điều này sẽ dẫn đến một cách giải thích về một
số các bí ẩn vũ trụ khác như chất đen (dark matter) mà nó dường như chi phối
không gian. Không kể đến sự phát triển này, rõ ràng là phát minh kỳ diệu không
thể ngờ tới về sự tự dotiệmcận trong lý thuyết QCD làm thay đổi cơ bản hiểu biết

của chúng ta về các cách thức mà nhờ đó các lực cơ bản của tự nhiên tác động
trong thế giới củachúng ta.