Các lực trong tự nhiên ppt

Các lực trongtự nhiên
Một trong những đặc trưng cơ bản trong vật lí học là sự tồn tại của cáclực
giữ vật chấtlại với nhau.Thídụ, có các lực giữ tế bào lại với nhauhình thành nên
cơ thể con người, và có lực hấp dẫn giữ chúng ta trên mặt đất vàmặt trăng trên
quỹ đạo xungquanhtrái đất. Chúng ta có thể tự mình tác dụnglực khi chúngta đẩy
một cái gì đó và, bằngkĩ thuật, giải phóng mộtsố năng lượng trongdầu mỏ tạo ra
lực tácdụng lên bánh xe hơilàm cho nó chuyển động. Từ quan điểmvĩ mô,chúng
ta có thể tưởng tượng ranhiều loạilực khác nhau, các lực tác dụng tại chỗ tiếp xúc,
nhưng cũng cólực tác dụng xuyên khoảng cách như lực hấp dẫn. Dù vậy, trongvật
lí, chúngta cố gắng hệ thốnghóa và tìm càngnhiều khái niệm tổng quát càng tốt.
Một sự hệ thống hóa như thế làđi tìm các thành phầntối hậu của vật chất. Một sự
hệ thốnghóanữa là tìm ra cáclựctác dụnggiữa chúng.Trong trườnghợp thứ nhất,
chúng ta đã có thể phân chiavật chất thành cácnguyêntử và phân chia các nguyên
tử thành hạt nhân và các electron,vàrồi phân chia hạtnhânthànhcác protonvà
neutron. Khi chova chạm proton vớiproton hayprotonvới electron, các nhàvật lí
hạt đã khám phára rằng toàn bộ vật chất có thể cấuthành từ một số quark(một
khái niệm do Murray Gell-Mannđưa ra hồi những năm 1960) và lepton(electron
và các neutrino và cácchị em nặng hơn củachúng). Cũngtrong quá trình này, các
nhà vật lí đã phát hiện ra bốnlực cơ bản tácdụng giữa các hạt vậtchất này – lực
hấp dẫn, lực điện từ, lựchạt nhân mạnhvà lựchạt nhân yếu.Chỉ có hailực đầu là
có thể nhìnthấy trực tiếp trongthế giới vĩ mô, nên chúng ta hãymô tả chúngtrước.
Lực hấp dẫn
Lí thuyết mang tính địnhlượng đầu tiên của lựchấp dẫn xây dựng trêncác
quan sát do IsaacNewton thiết lập vàonăm 1687trongcuốnPrincipia của ông.
Ông viếtrằnglực hấpdẫn tácdụng lên mặttrời và các hành tinh phụ thuộc vào
lượng vật chấtmà chúng chứa.Nó truyền đi những khoảng cách xa vàluôn luôn
giảm tỉ lệ nghịch với bình phươngkhoảng cách. Công thứcviết cholựcF giữa hai
vật có khối lượng m
1
và m
2

cách nhaukhoảng r là
F = Gm
1
m
2
/r
2
trong đó G là hằng số tỉ lệ, hay hằng số hấpdẫn.Newton không hoàn toàn hài
lòng với lí thuyết của ôngvì nó giả sử mộttươngtác xuyên khoảng cách. Khókhăn
đã bị loại trừ khi khái niệm trường hấp dẫn đượcnêura, một trườngthấm đẫm
khônggian. Lí thuyếtNewton đượcáp dụng rất thành công chocơ học thiên thể
trong thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19. Vídụ, J.C. Adams vàU.J.J Leverrierđã có thể phỏng
đoán một hànhtinh nằm bên ngoài Thiên vương tinh từ sự không đều trongquỹ
đạo của nó và sauđó,Hải vươngtinhđã đượctìm thấy.Dù vậy, vẫn còntồn đọng
một vấn đề. Vào năm 1845, Leverrier tínhthấyquỹ đạo của Thủy tinhtiến động
35” trên thế kỉ, trái với giá trị theo thuyết Newton là bằng không. Sau đó, các phép
đo chogiá trị chính xáchơnlà 43”. (Sự tiến động quansát thấy thậtra là 5270”/thế
kỉ, nhưng khinhẫn nại tính toán loại trừ hết nhiễu loạn từ tất cả các hành tinhkhác
cho giá trị 43”) Mãi cho đến năm 1915, Einstein mới có thể giải thích được sự
khôngnhất quán này.
Galilei làngười đầu tiên quan sát thấy các vật dường như rơi ở tốc độ như
nhau bất kể khối lượng củachúng. Trong các phươngtrình Newton, khái niệm
khối lượng xuất hiện trong haiphương trình khác nhau. Định luật thứ hai phát
biểurằng lực F tác dụng lên một vậtkhối lượng m chogia tốcatuân theo phương
trìnhF = ma. Trong địnhluật hấp dẫn, lựchấp dẫn F thỏa mãn F = mg, trong
đó gphụ thuộc vào các vật khác tácdụng lực lên vật (thường là trái đất, khi chúng
ta nói tới lực hấp dẫn). Trongcả hai phương trình, m làhệ số tỉ lệ (khối lượng quán
tính và khối lượnghấp dẫn) vàkhônghề có lí do rõràng nào là chúng phải bằng
nhau đối với haivật khác nhau. Tuynhiên, tấtcả các thí nghiệm đều xác nhận
chúng lànhư nhau.Einsteinlấy thực tế này làm điểmxuất phát cho lí thuyết hấp

dẫn củaông.Nếu bạnkhôngthể phân biệtkhối lượngquántính với khối lượng
hấp dẫn, thì bạn khôngthể nào phânbiệt sự hấp dẫn với sự gia tốc. Một thí nghiệm
tiến hànhtrongtrườnghấp dẫn có thể thay thế bằng cách tiến hành trong một
thangmáy đanggia tốc mà không có trường hấp dẫn. Khinhà duhành vũ trụ trong
một tênlửa giatốc ra khỏi trái đất, ôngcảmthấy lựchấp dẫn lớn hơn vài lần so với
trên trái đất. Đasố sự hấpdẫn đó là do sự gia tốc. Nếu người ta không thể phân
biệt hấp dẫn với gia tốc, người ta luôn luôn có thể thay thế lực hấp dẫn bằng cách ở
trong một hệ quy chiếu đanggia tốc. Một hệ quy chiếutrong đó sự gia tốc triệttiêu
lực hấpdẫn được gọi là hệ quy chiếuquán tính. Vì thế, mặt trăngquayxung quanh
trái đấtcó thể thay thế bằng cách xét trong một hệ quy chiếuđang gia tốc. Tuy
nhiên,hệ quy chiếu này sẽ khác từ điểm này đến điểm khác vì trườnghấp dẫnbiến
thiên. (Trong vídụ với mặt trăng,trường hấp dẫn đổihướng từ điểmnày sang
điểm khác) Nguyên lí rằng người ta luôn luôn có thể tìm một hệ quy chiếu quán
tính tại mỗi điểm của không gianvà thời gian, trongđó nền vật lí tuân theo các
định luật trong sự thiếu vắng lựchấp dẫn được gọi là nguyên lí tương đương.
Thựctế lực hấp dẫncó thể xemlà mộthệ tọa độ khác nhautừ điểm này sang
điểm khác có nghĩa là lực hấpdẫn là một lí thuyết hìnhhọc. Hệ tọa độ thật sự bao
quát toàn bộ không gianvà thời gian dođó phức tạp hơnhệ tọa độ phẳng thông
thường mà chúngta sử dụng từ hìnhhọc thông thường. Loại hìnhhọc nàygọi
là hình học phi Euclid. Lực như chúngta thấy là dotính chất của khônggian và thời
gian. Chúng ta nói rằng không-thời gian bị cong. Xét một quả cầu nằm trên một bề
mặtphẳng. Nó sẽ không chuyển động,hoặc nếu như không có masát, nó có thể
chuyển động đều khikhông có lực tácdụng lên nó. Nếu như bề mặt bị cong, quả
cầu sẽ gia tốc và chuyển động xuống điểm thấpnhất chọnđường đi ngắn nhất.
Tương tự, Einsteinbảo chúngta rằng khônggian và thời gian bốn chiều bị cong và
một vật chuyển động trongkhônggian này chuyển độngdọc theomộtđường
rãnh làhànhtrìnhngắn nhất. Einsteinchỉ ra rằng trường hấp dẫnlà đại lượng hình
học vạch rõ cáigọi làthời gian đích thực, đó là khái niệmnhận cùng một giá trị
trong mọi hệ tọa độ tương tự như khoảng cáchtrong không gian thôngthường.
Ông cũng thành công trongviệc xây dựng cácphươngtrìnhcho trườnghấp dẫn,

được đặt tên là các phương trình Einstein,và vớicác phương trình này ôngđã có
thể tính được giá trị đúng chosự tiến động đối với quỹ đạo của Thủytinh. Các
phươngtrìnhđó cũng cho giá trị đođược của sự lệch của các tia sáng truyền qua
mặttrời và không còn có sự nghi ngờ nào rằngcác phương trìnhđó cho kếtquả
chínhxác đối với sự hấp dẫn vĩ mô. Lí thuyết hấp dẫn của Einstein,hay lí thuyết
tương đối, như ông tự gọi như thế, là một trong những thành tựu tolớn nhất của
nền khoahọc hiện đại.
Lực điện từ
James Clerk Maxwell, vào năm 1865, cuối cùng đã thống nhất các khái niệm
điện và từ thànhmột lí thuyếtvề điện từ. Lực này được trungchuyển bởi trường
điện từ. Các biến thể khác nhaucủa trường này tươngứng dẫn tới điệntrường và
từ trường. Dùvậy, lí thuyết này khônghoàntoàn đối xứng trongđiệntrường và từ
trường, vì nó chỉ nêu các nguồn trực tiếp cho điện trường, đó là các điện tích. Một
lí thuyết hoàntoàn đối xứng cũngphảinêura các từ tích(được lí thuyếtlượng tử
hiện đạitiên đoán là tồn tại nhưng có độ lớn quá khổng lồ nên các từ tích tự do
phải cựckì hiếmtrong vũ trụ). Đối với hai vậttĩnh cóđiện tích e
1
và e
2
, lí thuyết
đưa đến định luật Coulomb cholực tác dụng giữa haivật
F = ke
1
e
2
/r
2
trong đó một lần nữa klà hằngsố tỉ lệ. Lưu ý sự tương đồngvới định luật
Newton đối với lực hấp dẫn. Dù vậy, vẫn có mộtsự khácbiệt. Trong khilực hấp
dẫn luônluôn là lực hút, thì lực điện từ cóthể là lựcđẩy. Điện tích cóthể có dấu âm

như đối với electron hay dấu dương như đốivới proton. Điều này dẫn đếnthực tế
là các điện tích dương vàâmcó xu hướng kếthợp với nhaunhư trong các nguyên
tử và vì thế, bù trừ lẫn nhau và làm giảm trường điện từ.Đa số các hạt trong trái
đất bù trừ lẫn nhautheo kiểunày và trường điện từ toàn phầngiảmđi rất nhiều.
Tuy vậy, chúngta biết là có từ trường của trái đất. Trongcơ thể của chúng ta cũng
thế, đa số cácđiện tíchbù trừ lẫn nhausao chocó lực điện từ rất yếugiữa cơ thể và
trái đất. Tình huống rấtkhác đối vớitrường hấp dẫn. Vì nó luôn luôn hút, nên mỗi
hạt trongtrái đất tương tác với từng hạt trong cơ thể người, tạo ra một lực đúng
bằngtrọng lượng của chúngta. Tuynhiên, nếuchúng ta so sánhlựcđiện từ và lực
hấp dẫn giữa haielectron, chúngta sẽ thấy rằnglực điện từ lớn hơn đến gần
10
40
lần. Đây làmột con số lớn không thể tin nổi! Nócho thấy khi chúngta bước
vào thế giới vi mô và nghiên cứunềnvật lí của các hạt cơ bản, chúngta không cần
xét đến lực hấp dẫn khi chúng tanghiên cứu điện động lực họclượng tử, ít nhất là
khôngphải là các năng lượngthông thường.
Khi giải hệ phương trìnhMaxwell, người ta thấy trường điện từ truyềnđi với
vận tốchữu hạn. Điều này cónghĩa làđịnh luậtCoulomb chỉ đúng mộtkhi trường
điện từ có thời gian truyền giữahai điệntích.Nó là một định luật tĩnh. Ngườita
cũng tìm thấy trườngđiện từ truyền đidưới dạng sóngtheo kiểu giống hệt như
ánh sáng truyền đi. Romer là người đã khám phá ra vậntốc của ánh sáng là hữu
hạn vàNewton và Huygens là những người phát hiện thấy ánh sáng truyền đi dưới
dạng sóngvàocuối thế kỉ 17, và vàocuối thế kỉ 19, vận tốc củaánh sángđã được
xác định tốt và thấy là phù hợp với vận tốc củatrườngđiện từ. Vì thế,người ta xác
lập rằng ánhsáng khônggì hơnchính làbức xạ điện từ. Năm1900,Max Planckđề
xuấtrằng ánh sáng bị lượng tử hóa để giải thích bứcxạ vật đen. Tuynhiên,Albert
Einsteinlà người đầu tiên thậtsự hiểu được các hệ quả mang tính cách mạng của ý
tưởng này khi ôngthiết lập cơ sở của hiệu ứng quang điện. Trườngđiện từ có thể
hiểu là dòngcác hạtnhỏ gọi là photon cấu thành nêntrường điện từ.Khía cạnh
mang tính cách mạng của ý tưởngnàylà dòng hạt cũngcó thể hànhxử như một

sóng và có nhiều sự chống đối lại ý tưởngnày từ phía các nhàkhoa họccủa thời kì
đó. Mãi cho đến năm1923 khi ArthurComptonchỉ ra bằng thựcnghiệm rằng một
lượng tử ánh sáng cóthể làm lệch hướng một electrongiống hệt như một vậtnhỏ
làm,thì cuộc tranh luận này mới đi tớikết thúc.
Nếu chúngta nghĩ lực điện giữa hai điện tích là trườngđiện từ trungchuyển
nó xuyên khoảngcách, thì bây giờ chúng ta cóthể có một bức tranh cơ bảnhơn
dướidạng mộtdòng photongửi ra từ hạt đến chạm vào hạt kia. Đây làbức tranh
trực quan hơn sovới lực tác dụng xuyên khoảng cách. Bức tranh vĩ mô của chúng
ta về lực là cái gì đó chạm vào một vậtvà rồichịu một lực. Trong thế giới vi mô,
đây lại làmộtcách để hiểu lực.Tuy nhiên, nó phứctạp hơn.Giả sử có hai hạt tích
điện tươngtác. Hạtnào đang gửi ra một photonvà hạtnào đang nhận photon nếu
như hai hạt là giống hệt nhaunhư cơ học lượngtử bảo chúng ta thế về các hạtcơ
bản ? Câu trả lời phải là bức tranhbao quát cả hai khả năng. Việc phát hiện trường
điện từ bị lượng tử hóa đã bắt đầusự pháttriển của cơ học lượngtử và đưa chúng
ta vàothế giới vi môchỉ cấu thànhbởicác vật giống như điểmvà trongđó lực xuất
hiện khihai hạtva chạm nhau.
Cơ học lượngtử đã đưa đếnnhiều khái niệmmang tínhcách mạng. Một
trong những khái niệm quantrọng nhất là quan hệ bất định Heisenbergdo Werner
Heisenberg thiết lập năm 1927, phát biểu rằng người ta không thể đovị trí và xung
lượng, hoặc nănglượngvà thời gianmột cách chính xác đồng thời. Đối với một hạt
nhân, người ta có thể hoặc là xác địnhvị trí của electron và không biết gì về xung
lượng của nó, hoặc là biết xunglượngcủa nó và không biết gì về vị trí của nó.
Trongbức tranh biểu diễn trường lực giữa hai điện tích, chúngta phải nghĩ về nó
dướidạng cácphoton truyềntừ điện tích này tới điện tích kia.Vì thế, nănglượng
khôngthể nào xác định tốt hơn cáido quanhệ bấtđịnh cho chúngta biết vì saisố
trong việc xác định thờigian. Do đó, quan hệ tương đối đặcbiệtđối với ánh sáng
rằng photon khôngcó khối lượng được chuyểnthànhquan hệ năng lượng
2
= xung
lượng

2
c
2
phải không thỏa mãn.Nếu như chúng ta đặt năng lượng vàxunglượngba
chiềulại thànhxunglượng bốn chiều,chúng ta thấy nó không bị gượng ép bởiđiều
kiệnkhông có khối lượng,chúngta nói rằng photon là ảo và vì thế có khối lượng
(ảo). Như vậy, chúng ta có thể giải thích quá trình ở trên hoặc làmộtphoton nhất
định đitừ hạt 1 tới hạt2 với một xunglượng bốn chiều nhất định, hoặc là một
photonđi từ hạt 2tới hạt 1với xunglượng bốn chiều ngược lại. Khi haiđiện tích
cách xa nhau,quan hệ bất định cho chútít tự do và photontiến gầnhơn tớikhông
có khối lượng.Chúng ta biết rằng định luật Coulombcóvẻ hợp lí ở những khoảng
cách lớn nhất nên nóphải được thiết lập bởi các photon gần như không có khối
lượng. Nếu hai điện tích ở gần nhau thì phải cónhiều điều kiện hơn cho lực. Nhân
thể, để đo vận tốc củaánh sáng,các photonphải tương tác. Vì thế, có một chútbất
định ở khối lượng của nó và một chút bất định ở vận tốccủa nó. Tuy nhiên, chúng
ta luôn luôn đođược cùng mộtvận tốc cho ánhsáng,có nghĩa là ở các khoảng cách
vĩ mô mà chúng ta đo, tính ảo vàvì thế khối lượngcủa photonvề cơ bản là bằng
khôngđến độ chính xác rất tốt. Khi đó,người ta có thể nói rằngvận tốc ánh sáng là
một hằng số.
Sự mô tả đầy đủ của lực điện từ giữa các hạt cơ bản được thiết lập bởiSin-
Itiro Tomonaga,RichardFeynmanvà Julian Schwinger trong những nghiên cứu
độc lậpnhauhồi thậpniên 1940.Họ đã thiết lập điện động lực học lượng tử (QED).
Đây làmột líthuyết xemxét trọn vẹn vật lí lượngtử và thuyết tươngđốiđặc biệt
(đó là sự đối xứng cơ sở của hệ phương trình Maxwell). Nó thiết lập rấttao nhã cái
gọi là biểu đồ Feynman,trongđó các hạt cơ bản trao đổi photonnhư đã mô tả ở
trên và trong đó từng biểu đồ thiết lậpmộtbiểu thức toán học nhất định có thể thu
được từ một số quy luật cơ bản đối với sự truyền của các hạtảo và từ các đỉnh
tương tác. Biểu đồ đơn giản nhất chosự tương tác giữahai electronlà
Biểu đồ này thật ra đưa đến địnhluậtCoulomb.Bây giờ Feynmanchỉ dẫn
chúng ta rằng chúngta có thể kết hợp bất kì đường nào chomột electron đang

truyền đi (hay khinó truyền ngược trở lại, positron) và bất kì đường nào cho một
photonđangtruyền đi buộc chặt với đỉnhnơi một đường electronphátra photon
tạo nên các biểu đồ mới. Mỗi biểu đồ khác không giống với biểu đồ ở trên tạonên
các hiệu chỉnh lượngtử cho lực cơ bản. Cái xuyên suốt nghiêncứu của ba nhàkhoa
học ở trên là mỗi biểuđồ có thể làm chocóý nghĩa mang lại câu trả lời hữu hạn.
Ngườita nóirằng QED là có thể tái chuẩn hóa. Cườngđộ của lực như trong định
luật Coulomb bị chi phối bởiđộ lớn của đỉnh, tứclà điện tích e trong QED và trong
biểuđồ ở trên nó tỉ lệ với bìnhphương của e và làhằng số cấu trúc tinhtế a =
1/137.Vì đây là một con số nhỏ,nên cóthể viết độ lớn trong chuỗi điều kiện với số
mũ càng lúccàng cao của a,vì hệ số đó sẽ ngày càngnhỏ hơn đối với sự phức tạp
tăng dần của biểu đồ.Các điều kiện bậc càng cao thì các hiệu chỉnhlượng tử càng
cao vàsự mở rộngmà chúngta đã định rõ sẽ có các điều kiện càngnhỏ hơn khi
chúng ta đi tới các hiệu chỉnh lượng tử cao hơn.
Lực hạt nhân
Vì chỉ có hailực cơ bản đượcbiết tới vào đầu thế kỉ 20, lực hấp dẫn và lực
điện từ, người ta thấy lực điện từ là nguyên nhân gây ra các lựctrong nguyên tử,
nên thật tự nhiên tin rằng nó cũng là nguyên nhân gây ra các lực giữ hạt nhân lại
với nhau.Vào thập niên 1920, người ta đã biết rằng hạt nhân chứa các proton,thật
ra hạtnhân hydrogen chỉ là một proton,vàkhông hiểu saongười tatin rằngcác
electroncó thể có liên quan trong việcgiữ các proton lại với nhau. Tuy nhiên, một
ý tưởng giốngnhư thế này ngay lập tức có vấn đề. Đâu là sự khác nhaugiữa các
electrontronghạt nhân và các electrontrongquỹ đạo xungquanhhạt nhân? Đâu
là hệ quả của quan hệ bất địnhHeisenberg nếu như các electron bị ép vào hạt nhân
nhỏ xíu ? Sự ủng hộ duy nhất cho ýtưởng đó,lúc ấy người ta chưa biết đến các hạt
cơ bản khác, là trong các phânhủy phóng xạ nhất định, các electrondường như
phátra từ hạt nhân. Tuynhiên,vào năm 1932, James Chadwick phát hiện ra một
loại bức xạ mới có thể phát ra từ hạt nhân, mộthạt nhântrung hòa và thínghiệm
của ông cho thấy thậtsự cócác hạt trung hòa điện bêntronghạt nhân, chúngđược
gọi là neutron. Không lâu sau đó, Eugene Wigner giải thích hạt nhân làhệ quả của
hai lực hạt nhân khác nhau. Lựchạt nhân mạnh là lực hútgiữacác protonvà

neutron giữ hạt nhân lại với nhauvà lực hạt nhân yếulà nguyên nhân gây ra phân
hủy phóngxạ của các hạt nhânnhấtđịnh. Người ta nhận thấy độ lớn củahai lực
khác nhau rất nhiều. Tỉ số tiêu biểu làvào bậc 10
14
ở các năng lượngthông thường.
Tương tác mạnh
Một ý tưởngtự nhiên lúcnày là tìm kiếm một cơ chế như cơ chế ở lực điện
từ để trung chuyển lựcmạnh.Vào năm 1935,Hideki Yukawa đề xuất một lí thuyết
trường cho tươngtác mạnh trong đó hạt trungchuyểntrường đượcgọi làmeson.
Tuy nhiên, có một sự khác biệt đáng kể giữa lực mạnhvà lực điện từ là lực
mạnhcó phạmvi tácdụng rấtngắn (thườngvào cỡ bán kính hạtnhân). Đây là lí do
tại saokhôngcó bản đối chiếucổ điển và vì thế không được pháthiện trong vậtlí
cổ điển. Yukawagiảibài toánnày bằng cách để cho meson cókhốilượng. Mộthạt
như thế sauđó hình như đã đượcCarl Anderson tìm thấy trong tia vũ trụ. Khám
phá ra sự phân hạch hạt nhân vào cuối những năm 1930đưa đến sự hứng thú to
lớn vớivật lí hạt nhânvà trong nhữngnăm tháng chiến tranh,đa số cácnhà vật lí
đều nghiên cứu vấn đề phân hạch nên mãi đến sauchiếntranhthì ý tưởng của
Yukawamớiđược để ý tới trở lại. Sauđó, người ta nhận ra rằng hạtdo Anderson
tìm rakhôngthể là meson củacác tương tácmạnh, vì nó quá ít tương tác vớivật
chất, vàsau đó người ta chỉ ra rằng hạt này, bây giờ gọi là muon,làchị em nặng kí
của electron.Tuynhiên,meson,bây giờ địnhluật pion,cuối cùng đã dược Cecil
Powell phát hiện trong tia vũ trụ vào năm 1947và tính chất của nó đã được đo.
Bây giờ lại xuất hiện một nanđề mới.Khi cácmáy gia tốc khổnglồ bắt đầu hoạt
độngtrong những năm 1950, các pion được tạo ra chứng minhcho lí thuyết
Yukawa, nhưng khilí thuyếttrường của ông được xemxét cẩn thận theocác quy
luật do Feynman thiếtlập, nócho thấy lí thuyết đó thật sự là có thể tái chuẩnhóa,
nhưng hằng số ghép đôi quá lớn,lớn hơn 1. Điều này cónghĩa là một biểu đồ với
một vài tương tác sẽ cho đónggóp lớn hơnbiểu đồ chất phácvới sự trao đổi chỉ
một pion, tứclà người ta nghĩ điều đó manglại bức tranh thô của sự tán xạ của hai
proton. Sự mở rộng không cóý nghĩa. Sự tán xạ củacác protoncũng tạo racác hạt

tương tác mạnh mới ngoài pion,chúng đượcđặt tênlà hadron. Thật vậy, một lũ lâu
la các hạt cơ bản đã được phát hiện, một số trong chúngcó thời gian sống chừng
10
-8
đến 10
-10
s và mộtsố có thời giansống
10
-23
s. Vấn đề này đã được MurrayGell-Mann giải quyết khi ôngđề xuất rằngtất
cả các hạt tươngtác mạnh thật ra là nhữngtrạng thái liênkết của các trạngthái
còn cơ bản hơn nữa, đó là các quark. Ýkiến này cuối cùngđã được xác nhận bằng
thực nghiệm trongcác thí nghiệmStanford trong các năm1970,dưới sự chỉ đạo
của JeromeFriedman, HenryKendall vàRichardTaylor.Để tìm hiểu cáclựcbên
trong hạt nhân, ngườita thậtsự phải tìm hiểu lí thuyết trườngcho cácquark.
Trướckhi môtả lực giữa các quark, chúngta phải bàn về lực hạt nhânkia, lực yếu.
Tương tác yếu
Năm 1896,Henri Becquerelphát hiện thấy muối uraniumphát ra một bức
xạ; chúng có tính phóngxạ. Nghiên cứu của ôngđược tiếp nối bởiMarievà Pierre
Curie,họ phát hiện thấy một vài nguyên tử phân hủy bằngcách phát raphóng xạ.
Với việckhám phá ra neutron, người ta nhậnra rằng hiện tượngnày là một mặt
khác của một lực đanghoạt động.Người ta thấy neutronphân rãthành mộtproton
và mộtelectronvà một hạtgiả địnhkhiđó do WolfgangPauliđề xuất, chúngđược
đặt tên là neutrino(thật ra làphản neutrino). Vì trong hạt nhân, khối lượngcủa các
nucleonlà ảonên quá trình cũng có thể tiếntriển theo cách khác trongđó một
protonphân hủy thànhmột neutron, một positronvà một neutrino.Người đầu
tiên thiết lậpmô hìnhcho tương tácnày là Enrico Fermi, trong đó đề xuất rằngsự
tương tác là tứcthờigiữa các hạt vậtchất. Vào cuối những năm 1950, lí thuyết của
Fermiđã được cải tiến để giải thích sự vi phạmtính chẵn lẻ bởi Marshakvà
Sudarsanvà doFeynmanvàGell-Mann. Sự vi phạm tính chẵn lẻ của các tươngtác

yếu được đề xuất bởi Tsung-DaoLeevà Chen NingYang vào năm 1956và được
xác nhậnbằng thực nghiệm bởi Wu vàcác cộngsự một năm sau đó (Các tương tác
yếu có thể phân biệt giữa bêntrái và bên phải)
Tuy nhiên, mô hình đưa racó những vấnđề gay gắt. Nó không phải làtái
chuẩn hóa nênnó khôngthật sự làmộtlí thuyết tổng quát. Mặt khác,mô hìnhhoạt
độngcực kì tốt trong nhiều quá trình.Làm thế nào người ta có thể hòa giảihai thực
tế này ? Trongnhững năm 1960, các mô tả lí thuyết trường mới đã được đề xuất và
để hòa giải thực tế trên, ngườita đưa racác hạt trungchuyển cực kìnặng. Trong
các quá trình năng lượng thấp, một hạtnhư thế chỉ có thể truyền đi một khoảng
cách rất ngắn và trong thực tế trông như thể tương tác xảy ratại một điểm cho mô
hình ở trênđối với các năng lượngở thời gian có thể khảo sát. Khuônkhổ được sử
dụng,cái gọi là “các líthuyết chuẩn phiAbel” doSheldonGlashow,Steven
Weinbergvà Abdus Salam sử dụng trong cácnghiên cứuđộc lập đềuđề xuấtmột
mô hình kháiquát hóa mô hìnhở trên. Một lí thuyếttrường như thế là sự khái quát
hóa củaQED trong đó có vài hạt trung gian cũngcó khả năng tự tương tác. Vào đầu
thậpniên 1970, khuônkhổ này của môhình đã được Gerhard ‘tHooft vàTini
Veltmanchứngminh làcó thể tái chuẩn hóa được và vì thế là những lí thuyết
lượng tử tốt. Đầy rẫy bằng chứng thựcnghiệm cho mô hình đã được thu thập trong
thậpniên 1970 và cuốicùng vào năm 1983, cáchạt trunggian đã đượcphát hiện
tại CERN trongmộtthí nghiệm doCarlo Rubbiavà Simonvan derMeer chỉ đạo.
Thật vậy, cáchạt trung gian rất nặng,hầu như gấp 100 lần khối lượng proton.
Lí thuyết tương tác mạnh
Một đặc điểm đáng chúý của các thí nghiệm SLACxác nhận sự tồn tại của các
quark là “sự chia tỉ lệ”. Tiết diện đối với sự tán xạ sâu khôngđàn hồi của các
electronlên protonphụ thuộc vào vàiba biến động học đối với các năng lượngcao
hơn. Các tiết diện chia tỉ lệ.Hiện tượng nàyđượcđề xuất trên lí thuyết bởi James
Bjorkenvà dữ liệucho thấy nó rõ ràng.RichardFeynmangiải thích nóbằngcách
giả sử rằng protongồm các thành phần giốngnhư chất điểm. Nhằm giải thích sự
chia tỉ lệ, các thành phần này phải cócường độ ghépđôi giảm theo nănglượng,
ngược với trườnghợp QED.Đây là cái gọi là “sự tự do tiệm cận”. Thậthơi khó tin

rằng mộtlí thuyết trườnglượng tử có thể là tự do tiệm cận vì sự phụ thuộc năng
lượng của hằngsố ghép đôilà do sự bù trừ từ các cặp hạtảo. Cơ học lượngtử
tương đối tính cho phép các cặp như thế nếu như chúng không sống quálâu. Đây là
do nguyên lí bất định Heisenbergvà thực tế thì năng lượng tươngđươngvới khối
lượng theocông thức nổi tiếng của Einstein.
Sự tự dotiệm cận phải có nghĩa là điện tích quark không bù trừ nhau, điều
được cholà khó tin mà tồn tại trong một lí thuyết trườnglượngtử. Tuy nhiên, năm
1973, David Gross,David Politzer,và FrankWilczek đồng thời nhận thấyđối với
một lí thuyếttrường chuẩn phiAbel, yêu cầu của sự tự dotiệm cận được thỏamãn
nếu có khôngquá nhiều quark.Chìa khóa cho lời giải là ở chỗ các hạt vector trung
chuyển lực, các gluon, thật sự không bù trừ. Điều này có thể hiểu vì điện tích của
các quarkvàgluon, “tích màu” thỏamãn cácquan hệ phức tạp hơn các tích điện
đơn giản. Có ba màu khác nhauvà phảnmàu của chúng. Trong khicácquark có
tích màu, thì các gluoncó một tích màuvà mộttíchphản màu. Vì thế, các gluonảo
có thể sắp hàngvới cáctích bù trừ lẫn nhau trong khi cường độ của trường tăng
lên.
Khámphá ra sự tự do tiệm cậnđã mở ra lí thuyết trường chuẩn phiAbel cho
các tương tácgiữacác quark, và nó được gọi là Sắc độnglực học lượngtử, QCD.
Theo năm tháng,lí thuyết này đã đượckiểm nghiệm rấtthành công tại các máy gia
tốc lớn và ngày naynó đã được thiết lập chắc chắn làmột lí thuyết của các tương
tác mạnh
Mô hình Chuẩn
Sự thành côngcủa cáclí thuyết chuẩn phi Abelcho thấy tấtcả các tương tác
có thể thống nhất trong một khuôn khổ chung.Điều nàydẫn tới cái gọi là Mô hình
Chuẩn, trong đó tất cả các hạt vật chất được xemxét cùng nhau, tức là electronvà
các chị em nặnghơn củanó, muonvà hạt tau và các neutrino tươngứng,chúng
đều chỉ cótươngtác yếu, cùng với các quark có thể có tương tácmạnhlẫn tương
tác yếu. Cáchạt lực, tức các hạt trung chuyển,là photonđối với lực điện từ, hạt W
và hạtZ đốivới lực yếu và các gluon đối với lựcmạnh. Cho dù Mô hình Chuẩn
thống nhất cáctương tác, nhưng vẫn cónhữngkhác biệt về chi tiết.Photon và

gluon là những hạt không cókhối lượng,cònhạt W và Z thì cókhốilượng. Photon
đưa đến định luật Coulomb đối với nhữngkhoảng cách lớn, còn gluonđưa đếnlực
giam giữ giữa các quark.Đây là thực tế dosự tự do tiệm cận, nó cũngcó thể hiểu là
cường độ ghép đôi tănglên khi nănglượng giảm, về mặt cơ học lượng tử cũng có
nghĩa là nó tăngtheo khoảngcách. Thực tế thì sự tăng này giốngnhư trường hợp
lò xo,các quarkliên kết vĩnh viễn bêntrongcác hadron.Dù vậy, các tínhchấtcủa
gluon đã được thiết lập vững chắc bằng thực nghiệm.
Thốngnhất mọi tươngtác
Trongmô hình chuẩn ở trên không có đề cập tới lực hấp dẫn. Người ta nói
rằng nó quá yếu nên chúng ta không cần phải đưa nó vàocác thí nghiệm hạt. Tuy
nhiên,trên cơ sở khái quát, phải có một phiênbảnlượng tử của lựchấp dẫn tác
dụngở những khoảng cách đủ nhỏ. Nếu chúngta thử bắt chướcy hệt sự lượngtử
hóa củatrườngđiện từ dưới dạng photon,chúng ta phải lượngtử hóa trườnghấp
dẫn thành cái gọilà graviton.Tuy nhiên, thủ tục của Feynman, Tomonagavà
Schwinger không hoạt động ở đây. Thuyết hấp dẫn của Einsteinthì khôngcó tính
tái chuẩn hóa.Vậy vấn đề là ở đâu ? Có phải lí thuyết Einstein haycơ học lượng tử
khônghoàn chỉnh ? Haicột trụ khái niệmto lớncủa thế kỉ 20, Cơ học lượng tử và
Thuyết tươngđối rộng của Einsteinđơngiản làkhông tươngthích với nhau.
Einsteinđã nghĩ trongsuốt cuộcđời ôngrằng cơ học lượngtử thật ra khônghoàn
chỉnh,nhưng nhiều phép kiểm tracủa nó đã được thựchiện khiến cácnhà vật lí cố
gắngkhái quáthóalí thuyết của Einstein.Sự thành công nổibật của Mô hình
Chuẩn cũng chothấyrằng ý tưởng thống nhấtcác lực là mộtý tưởng đúng đắn. Tại
sao cóbốn lựckhác nhau, haychúng có thậtsự khác nhau ? Chúng thậtsự khác
nhau, biểu hiện dưới dạng cáclực khác nhautrong những thí nghiệm dochúngta
thực hiện, nhưng Mô hìnhChuẩnchothấy lựcđiện từ và lựcyếu đượcthốngnhất
đối với các nănglượng trên 100GeV.Tương tự, mô hìnhđó cũng cho thấy lực
mạnhdường như quákhácbiệt, nên thống nhất với các lực kiaở năng lượngtrên
10
15
GeV. Chẳng biết lực hấp dẫn có thể đưa vàokhuôn khổ này haykhông ?

Ngườita có thể chỉ ra rằng ở các năng lượng vào bậc10
19
GeV, lựchấp dẫn
sẽ mạnh như các lực kia, nên phải cómột sự thống nhất của tất cả các lực, ít nhất là
ở năng lượng đó, đó là năng lượng caođến mức khôngtin nổi chỉ xuất hiệntrong
vũ trụ của chúng ta ở thời điểm 10
-42
s sau BigBang. Tuynhiên, vậtlí học cũng
phải cóthể mô tả các hiện tượngxảyra khiđó, nên phải có mộtbứctranh thống
nhất bao gồm cả lựchấp dẫn. Một khuônkhổ như thế đã được đề xuất, Mô hình
Siêu dây, trongđó các hạt đượcmô tả bằng các đối tượng một chiều là các dây. Mô
hình này thật sự manglí thuyết Einstein vào các năng lượng thấp và có thể tương
thích vớiMôhình Chuẩn ở các nănglượng nơi nó đượckhảo sát. Nócũng là một lí
thuyết lượng tử hữu hạn, nênmột lí thuyết hợp nhấtcho hấp dẫn dựatrên Mô
hình Siêudây là thật sự phù hợp. Hãy còn quá sớmđể nói rằngđây có phải là“lí
thuyết của tấtcả” cuối cùnghay chưa, nhưng không có nghịch lí haysự mâu thuẫn
nào trong mô hình đó như trước nayvẫnhiểu.Cuối cùng,mô hìnhđó thực hiện sự
thống nhất caođộ, đó là các hạt vật chất vàcác hạtlực, thành chỉ một loại hạtduy
nhất.Đây cũng là mụctiêu tối hậu của các nhà vật lí, đó là có một loại lực thống
nhất vàmộtloại hạt thống nhất mà thôi.