Hạt cơ bản vũ trụ siêu thế giới đầy bí ẩn

vũ THANH KHIẾT
SIÊU THẾ GIỚI ĐẨY BÍ ẨN
( Tải bản lần thứ nhất )
NHÀ YTTÂT BẢN GIÁO DUG - 9nnn
LỜI NÓI ĐẦU
CÓ biết bao điểu bí ẩn trong thế giới quanh ta - từ vũ trụ bao
la vô tận đến các hạt cơ bản nhỏ xíu cấu thành nên thế giới vật
chất của chúng ta. Trong nhiều năm qua các nhà bác học trên
toàn thế giới đã thu được những thành tựu khoa học vĩ đại, góp
phần làm sáng tỏ một phần những điều bí ẩn đó. Trong cuốn sách
này chúng tôi cố gắng dùng cách trình bày đơn giản, bằng ngôn
ngữ "đời thường" (do đó có đồi chỗ chưa thật hoàn toàn chặt chẽ,
theo cách nói của các nhà khoa học), để diễn đạt nhiều kiến thức,
khái niệm ít nhiều còn "xa lạ" đối với nhiều người, nhằm giới thiệu
với các giáo viên, học sinh, sinh viên và những người ham thích
tìm hiểu khoa học tự nhiên, một số thành tựu khoa học vĩ đại đó.
Để tăng phân minh họa cho nội dung trình bày, chúng tôi có sử
dụng nhiều tư liệu môi và ảnh chụp trong một số cuốn sách
chuyên khảo liệt kê ở cuối sách. Chúng tôi hi vọng, sau khi đọc
xong cuốn sách, độc giả hình dung được khái quát thế giới vật
chất quanh ta với bao điều bí ẩn mà ta muốn biết!
Tác giả
II. "BA THẾ GIỚI" CỦA
VẬT LÍ HỌC HIỆN ĐẠI
Vật lí học hiện đại nghiên cứu ba thế giới khác nhau, mỗi thế
giới tuân theo những quy luật riêng của mình.
Đầu tiên con người nghiên cứu thế giới tự nhiên xung quanh
mình chỉ bằng bàn tay và các giác quan của mình. Vì thế, con người
chỉ khám phá được phần thế giới có thể so sánh được với thân thể
mình - đó là Thế giới Vĩ mô, trong đó độ dài được đo bằng centimét

hay kilômét, thời gian đo bằng giây hay bằng năm, còn vận tốc đo
bằng mét trong một giây. Ta có thể phân biệt phần thê giới này bằng
mắt thường, không cần công cụ phức tạp; nó có những quy luật riêng
của nó, chủ yếu là những quy luật đơn giản về cơ học và quang học sơ
cấp, mà đã từ lâu con người nghiên cứu những biểu hiện đặc thù của
chúng, đó là vật lí học cổ điển.
Nhưng sự phát triển của khoa học kĩ thuật đã tạo cho con
người những khả năng mới để vượt ra ngoài phần thế giới này. Con
người đã hướng công cuộc nghiên cứu của mình vào hai hướng tương
phản nhau. Một mặt nghiên cứu việc đo những độ dài khoảng hàng
phần nghìn triệu centimét, mặt khác, nghiên cứu việc đo những độ dài
khoảng hàng nghìn triệu km! Con người đã nghiên cứu và tính được
những khoảng thời gian bằng phần nghìn triệu giây, nhưng đồng thời
cũng đo những khoảng thời gian hàng nghìn triệu năm, đã nghiên cứu
phân biệt những vận tốc hàng triệu lần bé hơn vận tốc con ôc sên,
nhưng đồng thời cũng nghiên cứu những vận tốc vượt quá vận tốc
máy bay phản lực hàng triệu lần!
I. MỞ ĐẦU
Với lòng ham thích và sự quan tâm đến thế giới trong đó ta
đang sống, chúng ta có thể đặt ra biết bao câu hỏi.
Vũ trụ của chúng ta được câu tạo như thế nào? Có cái gì ngoài
Mặt Trăng, Mặt Trời, các vì sao? Các chất và vật chất có thể chia đến
một "mức độ nhỏ" như thế nào? Tại sao trong tự nhiên mọi vật lại
được cấu tạo như thế này mà không như thế khác?
Vật chất nguyên thủy, tức là “chất liệu ban đầu” mà từ đó
thiên nhiên xây dựng nên những "viên gạch" nhỏ nhất - những hạt cơ
bản - là gì? vân vân và vân vân.
Các câu hỏi và các vấn đề đó đều hấp dẫn, lí thú, "nóng hổi",
nhưng đều khó giải đáp. Con người đang đứng trước ngưỡng cửa của
thế giới vẫn còn rất nhiều điều bí ẩn và đang tìm cách giải quyết

những vấn đề đó.
Đối với con người ở các thế kỉ trước, thì hình như, “thế giới bí
ẩn” chỉ ẩn náu ở các lục địa xa xôi, những miền đất lạ, ở những miền
địa cực bao la đầy băng tuyết, trên những đỉnh núi cao hiểm trở và
trong những hoang mạc không có sự sống. Nhưng ngày nay con người
lại nhận thấy rằng nhiều điều bí ẩn sâu xa lại ở rất gần chúng ta.
Chúng ở trong các hiện tượng xảy ra trong phạm vi hạt nhân nguyên
tử và ở trong tính chất của các hạt chuyển động với những vận tốc gần
bằng vận tốc ánh sáng và trong các thuộc tính kì lạ của các "Thếgiới"
vật lí mới được khám phá trong mấy chục năm gần đây.
Đi vào các "Thế giới" đó, không phải là những đoàn thuyền,
những đoàn thám hiểm vòng quanh lục địa, những đoàn du lịch hay
những đoàn người leo núi. Những điều bí ẩn của các thế giới đó được
5
khám phá hàng ngày nhờ công lao của các nhà bác học trong các

phòng thí nghiệm, các đài thiên văn trên toàn thế giới.
Siêu thế giới và phản thế giới, bản chất trường hấp dẫn, "lỗ
đen", "vi phạm đốì xứng", "hạt quark" Biết hao nhiêu danh từ, khái
niệm và những vấn đề mới xuất hiện trong vật lí học hiện đại! Chúng
không tách rời sự tiến bộ của khoa học. Hiểu được những vân đề đó
tức là tiến gần đến biên giới của khoa học, tức là có một khái niệm về
các vấn đề mà hiện nay các nhà bác học phải băn khoăn suy nghĩ.
Thế nhưng, làm được việc đó không phải là dễ. Nhà toán học Pháp
H.Poincaré có một câu nói nổi tiếng, có phần nào "bông đùa": "Các
phương trình còn thông minh hơn cả những người tìm ra chúng". Câu
đó có ý là tìm một công thức còn dễ hơn là hiểu được nó. Trong thực
tê, con người đã tìm ra được nhiều phương trình mô tả đúng đắn các
quy luật của các quá trình tự nhiên, nhưng để hiểu nó, cần phải có
những kiến thức đặc biệt và căng thẳng ở trình độ cao của những môn

khoa học chuyên biệt. Thông thường, điều đó đã xảy ra khi những
công thức phản ảnh những hiện tượng mà trước đây chưa từng xảy ra
trong đời sống hằng ngày của con người, khi nhà nghiên cứu đi vào
những miền "xa lạ” của tự nhiên.
Đó là Siêu thế giới - miền "sâu xa" vô tận ở ngoài giới hạn
của phần thế giới mà chúng ta quan sát được bằng các dụng cụ thí
nghiệm và kính thiên văn hiện đại. Trong lòng vô đáy của nó có mặt
tất cả các hạt và các nguyên tô"h(5a học. Trong đó, một sô"định luật đã
biết của "Thế giới chung ta" có phần nào thay đổi. Có lẽ ở một nơi
nào đây, có những "phán Thê" giới", "phản Thiên hà" đang chuyển
động, chúng tạo nên bởi các khối vật chất có điện tích ngược dấu với
điện tích của các chất bao quanh ta. Các định luật của Siêu thế giới
như thế nào? Cấu trúc của nó ra sao? Cho đến nay chưa ai trả lời được
những câu hỏi đó. Ngày nay, đó là Thế giới đầy bí ẩn mà ta muốn
biết rõ!
II. "BA THẾ GIỚI" CỦA
VẬT LÍ HỌC HIỆN ĐẠI
Vật lí học hiện đại nghiên cứu ba the giới khác nhau, mỗi thế
giới tuân theo những quy luật riêng của mình.
Đầu tiên con người nghiên cứu thế giới tự nhiên xung quanh
mình chỉ bằng bàn tay và các giác quan của mình. Vì thế, con người
chỉ khám phá được phần thế giới có thể so sánh được với thân thế
mình - đó là Thế giới Vĩ mô, trong đố độ dài được do bằng centime!
hay kilômét, thời gian đo bằng giây hay bằng năm, còn vận tốc đo
bằng mét trong một giây. Ta có the phân biệt phần thế giới này bằng
mắt thường, không cần công cụ phức tạp; nó có những qui luật riêng
của nó, chủ yếu là những quy luạt đơn giản về cơ học và quang học sơ
cấp, mà dã từ lâu con ngươi nghiên cứu những biểu hiện đặc thù của
chúng, dó là vật lí học cổ điển.
Nhưng sự phái triển của khoa học kĩ thuật đã tạo cho con

người những khả năng mới để vượt ra ngoài phần the giới nay. Con
người dã hướng công cuộc nghiên cứu của mình vào hai hướng tương
phản nhau. Một mặt nghiên cớu việc đo những độ dai khoảng hàng
phần ngàn triệu centimet, mặt khác, nghiên cứu việc do những độ dài
khoảng hàng nghìn triệu km! Con ngươi đã nghiên cứu và tính được
những khoảng thơi gian bằng phần nghìn triệu giây, nhưng đồng thời
cũng đo những khoảng thời gian hàng nghìn triệu nam, đã nghiên cứu
phân biệt những vần tốc hàng triệu lần bé hơn vận tốc con ốc sên,
nhưng đồng thơi cung nghiên cứu những vạn tốc vượt qua vận tốc
máy bay phan lực hàng triện lần!
Có thể nói rằng, những hoạt động hàng ngày của con người
gần như nằm giữa hai thế giới này: Thế giới Vi mô và thế giới Siêu vĩ
mô. Thế giới của electron (hạt điện tử) tức là Thế giới Vi mô và th-
giới của Thiên hà, của những Tinh vân ngoài Thiên hà, tức là Thế giới
Siêu vĩ mô.
Một mẩu vật chất bé nhất mà con người có thể nhận biết bằng
giác quan của mình hoặc có thể di chuyển không cần công cụ đặc
biệt, gồm hàng triệu triệu hạt nhỏ bé (gọi là hạt vi mô, như electron).
Còn nếu quay về thế giới kia thì hành tinh của chúng ta - Trái Đất -
lại gồm hàng triệu triệu mẩu vật chất lớn nhất mà con người không
thể di chuyển được nếu không nhờ đến máy móc.
Thành thử nhờ công cuộc lao động sáng tạo không ngừng của
con người sự hiểu biết thế giới vật chất chung quanh ta ngày càng mở
rộng ra trước mắt loài người.
Archimède
Hiện nay .
Hình 1. Sự mở rộng, khoảng hiểu biết từ
thời Archimède đến nay
(r
e

là bán kính electron; R là bán kính hệ siêu vĩ mô)
Trong tác phẩm "đếm các hạt cát" ("Pơxamit") của mình, nhà
toán học và cơ học vĩ dại Ihdi cổ Hi lạp là Archimède đã tính ra rằng,
Vũ trụ - mà đường kính của nó ông đã lấy bằng 10
10
stađi (1 stađi -
= 100 mét ), nghĩa là bằng 10
14
cm co chứa 10
63
hạt cát. Đối với
chúng ta, những con người chuẩn bị bước sang thế kỉ XXI, giới hạn
các khoảng cách trong phạm vi mà chúng ta đã biết về thế giới siêu vĩ
mô đo bằng hàng tỉ năm ánh sáng (nghĩa là cỡ 10
27
cm) - những Tinh
vân ngoài Thiên hà, mà chúng ta có thể biết được bằng quan sát, cách
xa chúng ta biết chừng nào. Còn giới hạn mà chúng ta đã đi sâu vào
thế giới vi mô là những khoảng cách cỡ 10
-13
cm. Do đó ngày nay tỉ số
các thể tích của thế giới siêu vĩ mô và thế giới vi mô đã biết là 10
l20

nghĩa là 10
57
lần lớn hơn tỉ số đó của Archimède (Hình 1). Qua
khoảng hơn 2200 năm giới hạn hiểu biết của chúng ta về thế giới vật
chất đã mở rộng đến như vậy đó!
III. CUỘC TIẾN CÔNG VÀO

THẾ GIỚI VI MÔ
Trong khi tìm cách hiểu sâu về cấu tạo vật chất, con ngườị
phát hiện được thế giới vi mô. Hệ thống "thế giới vi mô" có liên quan

đến các vật không nhìn thấy được bằng mắt thường. Các hạt cơ bản
(như là electron) và các hạt nhân nguyên tử - những cư dân của “thế
giới kì lạ” đó được gọi chung là hạt vi mô - mà chúng ta không thể
nhận thức được một cách cụ thể bằng giác quan của mình . Kích thước
của các hạt đó được đo bằng hàng phần chục triệu triệu cm, và trong
nhiều trường hợp, các quá trình ở đó xảy ra trong khoảng những phần
giây nhỏ đến nỗi muốn viết những phần giây đó thì với một tử số là
con số 1, ở mẫu số sau con số 1 ta phải viết tiếp hơn hai chục con số
0? Các đối tượng của thế giới vi mô chỉ nặng bằng một phần triệu
triệu đồng xu! Định luật của thế giới vi mô khác hẳn với các định luật
của thê giới thực tiễn hàng ngày của chúng ta — thế giới vĩ mô. Chính
vì - vậy các định luật của cơ học Newton đã mất hiệu lực một khi
chúng ta đi vào thê giới vi mô (xem mục VI).
Nhà toán học người Nga N.Lobasepxki, trong tác phẩm
"Những tiên đề mới của hình học" xuất bản năm 1835, đã viết
rằng:"Sự sai lệch của các định luật đối với các khái niệm quen thuộc
xảy ra, hoặc ở ngoài giới hạn của thế giới trông thấy được” (nghĩa
ở ngoài giới hạn quan sát được của thiên văn học) tức là thế giới siêu
vĩ mô, “hoặc là ở trong hình cầu chật hẹp của lực hút phân tử", nghĩa
là trong thế giới vi mô. Nhà vật lí P.Laimevin người Pháp đã nhận xét
một cách tinh vi rằng "Thiên nhiên hoàn toàn không giống như những
"búp hê" bằng gỗ, con nọ cổ thể lắp được vào trong con kia và chỉ
10
khác nhau về độ lớn. Sự thực, khi đi từ thế giới vĩ mô sang thế giới vi
mô, nhiều định luật và khái niệm vật lí phải thay đổi " Người ta đã
tìm thấy rằng trong thế giới vi mô phải ứng dụng các định luật của cơ

học lượng tử (định luật chuyển động của các hạt vi mô, sẽ trình bày rõ
hơn ở các phần sau)
(1)
.
Ở đây diễn ra quá trình biến đổi kì lạ của những hạt vi mô
này thành các hạt vi mô khác và người ta đã khám phá được nhiều
hiện tượng trong thế giới đó mà đến nay chưa giải thích được. Người
ta thấy có nhiều hạt vi mô có tính "đối xứng điện tích", chúng tương
ứng với các “phản hạt” v.v Sự nghiên cứu "tính đốỉ xứng của các
hạt cơ bản " dẫn đến tư tưởng về "tính đối xứng" phổ biên tồn tại
trong tự nhiên. "Tính đối xứng của thế giới" liên hệ chặt chẽ với các
định luật cơ bản của vật lí học - các định luật bảo toàn động lượng
(hay xung lượng) , năng lượng v.v Thế nhưng lại xảy ra một điều
bất ngờ thú vị là, người ta lại phát hiện rằng , không phải bao giờ
sự "bảo toàn đối xứng" cũng đúng !!!
(2)
Điều đó có nghĩa là, hoặc
"chân không" có "bên phải tuyệt đốĩ" và "bên trái tuyệt đối"
H
, hoặc các
hạt cơ bản không đối xứng. Nhưng liệu có thể như thế được không?
Thế giới vật chất của chúng ta có phương "ưu tiên" không? Trước mặt
, chúng ta còn một the giới bí ẩn mà các nhà bác học đang cố gắng tìm
cách đoán nhận.
Trong khi cố gắng phát hiện nguồn gốc của tính đối xứng,
chúng ta không tránh khỏi cau hỏi: Cái gì “cơ bản” hơn những hạt cơ
bản nhất? Có thể tìm được một loại hạt đơn giản nhất của vật chất, từ
đó mọi hạt vi mô đã biết được tạo thành từ hạt đơn giản đó hay
không? Tìm cái bản chất vật chất, từ đó phát sinh ra các hạt cơ bản, -
tức là tìm "vật chất nguyên thủy " hay "tiền vật chất", có lẽ ở đây ẩn

náu một thế giới bí ẩn hấp dẫn nhất của vật lí học hiện nay.
(1)
Xem mục VI, VII, VIII, IX.
(2)
Xem mục XV
Trường hấp dẫn - gắn liền với lực vạn vật hấp dẫn - có nên
xếp ra ngoài những trường vật chất đã biết (như trường điện từ quen
thuộc) hay không? Nhiều nhà hác học tin rằng có tồn tại những sóng
hấp dẫn - những hạt graviton (giống như đã có tồn tại sóng điện từ
mà chúng ta đã sử dụng vào mục đích thông tin lien lạc). Và theo họ
các hạt graviton này, trong những điều kiện xác định, có thể biến hóa
thành các electron, các proton và ngược lại. Ai sẽ đoán nhận được thế
giới bí ẩn đó? Các nhà bác học sẽ giái quyết bài toán bí hiểm của
trường hấp dẫn như thế nào?
Tất cả các vấn đề đã nêu ở trên đều hoàn toàn là những vấn
đề mang tính lí thuyết trừu tượng. Nhưng giữa các vấn đề đó và đời
sống hàng ngày của chúng ta lại có những mối quan hệ chặt chẽ. Hơn
nữa, nhiều vấn đề trong số các vấn đề đó đang được minh họa bằng
thực nghiệm và trong đời sống. Chúng ta khẳng định rằng, trong khoa
học có một định luật quan trọng tác động một cách có hiệu lực nhất,
định luật đó là: Dù hiện tượng nghiên cứu có xa rời những hình ảnh
của thực tiễn sống đến chừng nào, dù lí thuyết mô tả đúng đắn hiện
tượng đó có trừu tượng đến đâu, thì lí thuyết đó cũng nhất định phải
được thực tiễn xác nhận và những tài liệu thực nghiệm của nó cũng
phải hoàn toàn hiển nhiên.
Đây là một thí dụ. Cái gì sẽ có thể phức tạp hơn và trừu tượng
hơn những luận điểm của cơ học lượng tử - một trong các học thuyết
vĩ đại nhất của thế kỉ xx?
(3)
Đó là một thuyết hoàn toàn thiếu tính

chất cụ thể. Khi các nhà khoa học phát biểu những định luật của cơ
học lượng tử, họ hình dung mơ hồ không biết những định luật đó có
thể ứng dụng ở đâu trong đời sống hàng ngày? Nhưng giờ đây, các
nhà máy điện nguyên tử đang hoạt động ở nhiều nước. Nhờ các thiết
bị như máy gia tốc hạt cơ bản người ta nghiên cứu cấu trúc của hạt
(3)
Xem mục VI, VII, VIII.
nhân và giải quyết nhiều vấn đề quan trọng khác của vật lí học.
Những chất đồng vị phóng xạ phục vụ cho con người trong đời sống
hòa bình. Tất cả các điều đó không được đề xuất và giải quyết, nếu
các nhà vật lí học đã không khám phá ra các định luật chuyển động
của các hạt vi mô và đã không phát biểu các nguyên lí của cơ học
lượng tử. Mối liên hệ vững chắc giữa những kết quả lí thuyết của Vật
lí học hiện đại và những thành tựu thực tiễn đã chứng tỏ ràng tính
chân lí của những quan niệm của loài người về toàn bộ thế giới vật
chất và về các bộ phận của thế giới đó đang được kiểm nghiệm trong
thực tiễn.
IV.ĐIỀU "BÌNH THƯỜNG"
CỦA THẾ GIỚI VI MÔ
Cluing ta hay Bước vào thế giới Vi mô và quan sát các "cư
dân" ở đó - các hạt cơ bản. Thế giới vi mô - thế giới của các hạt cơ
bản - theo một nghĩa nào đó, cũng giống như " thế giới kì lạ" trong
các truyện cổ tích. Ở đó cũng xảy ra những quá trình biến đổi lạ
thường.Và ở đó cũng không ít những điều “ kì dị” theo quan điếm của
những người chỉ quen thuộc với thực tế xung quanh - cái mà, nói một
cách hình ảnh, ta có thổ "sờ mó bằng tay được". Nhưng trước hết phải
nổi rằng ngay ở trong thế giới vi mô, không phải tất cả cái gì cũng là
kì dị cả. Các hạt cơ bản triệt để tuân theo các quy luật riêng và không
bao giờ vi phạm các quy luật đó. Ngoài ra, không phải tất cả cái gì
trong thế giới vi mô đều là "không bình thường" cả. Có những thuộc

tính có sẵn trong các vật thể lớn, đơn giản , cũng tồn tại trong các hạt
của thế giới vi mô: các electron, proton, nơtron, V.V
1• Trước khi nói đến những điều "bình thường" của thế giới
các hạt cơ bản ta hãy điểm qua một cách khái quát sự phát hiện ra
các "cư dân" đầu tiên của thế giới hạt cơ hân.
Bản thân chữ "cơ bản" hay ở gốc chữ La tinh, có nghĩa là "đơn
giản nhất". Nó phán ánh sự cố gắng xác định giới hạn phân chia được
của các chất, trái với quan niệm của Aristotle cho rằng người ta
không bao giờ đi tới một hạt vật chất mà không thể phân chia được
nữa. Vào thế kỉ XVIII và đầu thế kỉ XIX các phần tử được xem la các
hạt cơ bản nhất. Sau đó cái vinh dự được coi là "các viên gạch của vũ
trụ" chuyển sang các nguyên tử ("atom" theo tiếng Hi Lạp có nghĩa
là "không thể phân chia được nữa"), do là các phần hợp thành của
14
phân tử. Nhưng rồi san đó cũng đã có những nghi ngờ đố với giả
thuyết cho rằng các nguyên tử là không thể phân chia được. Năm
1897 Nhà bác học J.J.Thomson đã chứng minh được sự tồn tại của
một hạt vật chất mà ông gọi là electron - một hạt có khối lượng nhỏ
hơn khối lượng hạt nhân nguyên tử hiđro 1836 lần. Ông đã dùng một
dụng cụ khá giống với chiếc đèn hình của một máy thu hình hiện đại:
một sợi kim loại nóng đỏ phát ra các hạt electron và bởi vì các hạt
này mang điện âm nên có thể dùng một điện trường để gia tốc chúng
hướng vào một màn phủ photpho; khi các hạt này đập vào màn,
chúng sẽ gây ra những chớp sáng. Chẳng bao lâu sau người ta thấy
rằng các hạt electron đó bắn ra từ chính bên trong các nguyên tử và
vào năm 1911 nhà vật lí người Anh E.Rutherford cuối cùng đã chứng
tỏ được rằng các nguyên tử có cấu trúc phức tạp: chúng tạo bởi một
hạt nhân cực kì nhỏ mang điện dương, nơi tập trung hầu hết khối
lượng của nguyên tử và nằm ở tâm của nguyên tử và các electron
quay quanh hạt nhân.

Vào đầu thế ki XX người ta đã xác nhận rằng chùm sáng được
cấu tạo bởi dòng các hạt đặc biệt tức là các photon hay lượng tử ánh
sáng (xem mục V)
Năm 1919 E. Rutherford, bằng cách dùng các hạt anpha (là
các hạt nhân của nguyên tử hêli) bắn phá các hạt nhân nguyên tử, đã
khám phá ra rằng có thể đánh bật hạt nhân đơn giản nhất - hạt nhân
của nguyên tử hiđro còn gọi là hạt proton - ra khỏi mục tiêu ấy.
Thoạt đầu người ta nghĩ rằng hạt nhân nguyên tử được tạo bởi
electron và proton (theo tiếng Hi Lạp proton có nghĩa là "đầu tiên", vì
người ta nghĩ rằng nó là đơn nguyên cơ bản tạo nên vật chất). Sau đổ
hai nhà vật lí học người Pháp - hai vợ chồng Irene Curie, Frederic
Joliot Curie - đã thấv rằng khi bắn hạt anpha vào hạt nhân beri có
xuất hiện một bức xạ trung hòa điện, bức xạ này có thể tương tác với
các hạt proton. Vào đầu năm 1932 nhà vật lí học ngươi Anh là
J.Chad wick đã chỉ ra rằng, bức xạ mới này gồm các hạt trung hòa
(không mang điện tích), khối lượng của chúng gần băng khối lượng
của proton; ông gọi các hạt đó là các nơtron. Như vậy trong hạt nhân
nguyên tử, ngoài proton còn có nơtron.
Như vậy dần dần người ta đã lân lượt khám pha được bốn "cư
dân" đầu tiên trong thế giới hạt cơ bản, đó là bốn hạt cơ bản cơ sở":
electron, photon, proton, nơtron.
2. Bây giờ ta hãy xem xét các đặc trưng "bình thường" của
hạt cơ bản
- Đặc trưng “bình thường" thứ nhất của các hạt cơ bản
là kích thước
Các hạt cơ bản nhỏ một cách kì lạ. Bằng thí nghiệm trực
tiếp người ta đã tìm thấy đứờng kính của proton vào khoảng
10'
13
cm, tức là một phần mười triệu triệu cm. Đại lượng này nói

chung rất đặc trưng cho thế giới các hạt cơ bản. Nó được gọi là
"độ dài hạt nhân đặc trưng" và được dùng làm đơn vị chiều dài trong
lĩnh vực vật lí hạt nhân; đôi khi người ta còn gọi nó là "fermi" để kỉ
niệm nhà vật lí Italia nổi tiếng E.Fermi. Đường kính hạt nhân nguyên
tử vào khoảng từ 1,4 đến 9 fermi. So sánh với kích thước của nguyên
tử, mà ta xem một cách thô sơ là đường kính của quỹ đạo chuyển
động của electron quanh hạt nhân, thì đại lượng trên là cực kì nhỏ. Có
thể hình dung đại thể như sau: nếu ta "tăng" kích thước của nguyên tử
đến kích thước của quảng trường Ba Đình ở thủ đô Hà Nội thì hạt
nhân còn chưa bằng một hạt lúa.
- Đặc trưng "bình thường" thứ hai của các hạt cơ bản là
khối lượng
Electron - "cư dân" được phát hiện đầu tiên trong thê giới các
hạt cơ bản - có khối lượng vào khoảng 9.10'
28
g. Nếu như một người
thợ kim hoàn tinh xảo nhất chế tạo được một vòng hạt đeo cổ gồm
10 tỉ tỉ tỉ (10
28
) electron, thì khối lượng của vòng hạt đó tất cả chỉ có
9g, nhưng mà vòng đó dài tới 20 tỉ km, tức là khoảng gấp rưỡi đường
kính của toàn bộ Hệ Mặt Trời của chúng ta. Khối lượng của electron
khi nó đứng yên (còn gọi là khối lượng nghỉ
(4)
) được lấy làm đơn vị
để đo khối lương của các hạt cơ bản và được kí hiệu bằng m
e
. Khối
lượng của proton và nơtron tính theo đơn vị đó, lần lượt bằng
1836,lm

e
và 1838,6m
e
.
- Đặc trưng "bình thường" thứ ba của hạt cơ bản là điện
tích.
Electron có điện tích âm, bằng -1,6.10
-19
C. Ngươi ta nhận
thấy rằng trong thiên nhiên tất cả các điện tích xét về
giá
trị tuyệt đối,
đều bằng một số nguyên lần điện tích của một electron; vì vậy đại
lượng e=16.10
-19
C được gọi là điện tích nguyên tố
(5).
Proton có điện
tích
dương,
bằng + e = +1,6.10
-19
c, Phần lớn các hạt cơ bán đều tích
điện
dương
hoặc âm, và về trị số tuyệt đối, điện tích của các hạt đố
đều hoàn toàn bằng nhau và bằng điộn tích nguyên tố. Chỉ có một
số hạt cơ bản không mang điện tích (như nơtron): các hạt đó trung
hòa về điện. Có một điều đáng chú ý là, ứng với một số hạt cơ bản
tích

đỉệ n dương
lại có những hạt trùng với các hạt đó
về
mọi dấu hiệu
(như có
cùng khối lượng chẳng hạn) nhưng chỉ khác là tích điện âm,
hoặc
ngược
lại; đó là các phản hạt. Nhưng không phải là chỉ các hạt
tích điện mới có phản hạt. Người ta đa thấy rằng các hạt trung hòa
như
nơtron cũng có phản hạt.
của vật, e là vận tốc ánh sáng trong chân không (c=3,10
8
m/s),
(5)
Điện tích nguyên tố rất nhỏ. Chẳng hạn, ỏ một bóng đèn điện 100W thông
thường có khoảng 10 tỉ tỉ diện tích nguyên tố đi vào và đi ra khỏi bóng đèn
mỗi giây
3. Trạng thái năng lượng của hạt cơ bản cũng là một đặc
trưng của nó
Những "cư dân" của thế giới vi mô có năng lượng bao
nhiêu? Trong thế giới vi mô, năng lượng được đo bằng đơn vị gọi là
electron-vôn kí hiệu là eV. Một electron-vôn là động năng của một
electron khi nos được gia tốc bởi một hiệu điện thế có giá trị bằng một
vôn (1V) và 1 eV = 1,6.10
-19
J. Nếu chúng ta để ý rằng, công mà
người ta phải tiêu tốn để chớp mắt một cái vào cỡ 10
-7

J - nghĩa là đã
tới khoảng 600 ti eV thì chúng ta sẽ hiểu electron-vôn nhỏ bé như thế
nào. Muốn cho một electron bay ra khỏi nguyên tử hiđro chỉ cần
cung cấp cho nó một năng lượng cỡ 13,6 eV. Khi nghiên cứu các vấn
đề có liên quan đến các lớp vỏ electron của các nguyên tử (trong lĩnh
vực hóa học) chúng ta đều gặp các năng lượng nhỏ, vào khoảng hàng
trăm hay hàng ngàn electron-vôn. Nhưng khi các nhà nghiên cứu bắt
đầu đột nhập vào miền bí ẩn của hạt nhân nguyên tử thì họ đã gặp
phải các năng lượng bằng hàng triệu elcctron-vôn, còn nếu muốn
nghiên cứu cấu trúc của các hạt cơ bản, người ta phải tạo ra các máy
gia tốc các hạt mang điện, có khả năng đưa năng lượng của chúng tới
hàng tỉ electron-vôn. Ta có thể hình dung các máy gia tốc đó như
những cỗ súng khổng lồ, chúng "nuốt' các hạt cơ bản vào trong "ruột"
hình tròn của chúng và làm tăng tốc các hạt đó đến các vận tốc lớn
kinh khủng, đôi khi chỉ kém vận tốc ánh sáng chút ít. Kết quả là các
hạt cơ bản được phóng ra sẽ biến thành những "viên đạn" đặc biệt có
sức công phá rất mạnh. Chúng "nghiền nát", "phá vỡ" những hạt nhân
nguyên tử gặp trên đường đi của chứng. Nghiên cứu các "mảnh vỡ"
của của hạt nhân nguyên tử, người ta tìm được nhiều hạt cơ bản mới
và các tương tác mới của chúng.
Hiện nay người ta biết được khoảng 500 hạt cơ bản, kể cả
những hạt gọi là các "cộng hưởng", đó là những "hạt" mà thời gian tồn
tại - "đời sống" -của chúng rất ngắn (vào bậc 10
-23
s), đến nỗi người
ta không phát hiện dược chúng bằng những biện pháp thông thường.
Phần lớn các hạt cơ bản đó đều được khám phá nhờ máy gia tốc, còn
một số hạt khác được tìm thấy ở trong các tia đi từ những miền vô tận
của Vũ trụ tới Trái Đất (những tia này được gọi là tia vũ trụ).
Vì số loại "cư dân" trong thế giới vi mô nhiều như vậy, nên

trong thực tế tất nhiên nảy ra sự cần thiết phải xếp loại các hạt cơ
bản đã phát hiện được và phân các hạt đó thành nhóm cùng họ dựa
theo quy tắc này hay quy tắc khác.
Các nhà vật lí học đã xếp loại các hạt cơ bản dựa theo giá trị
của khối lượng nghỉ của chúng; khối lượng nghỉ này được tính theo
đơn vị m
e
(khốii lượng nghỉ của elcctron)
{6)
. Khi đó ta thu được bốn
nhóm:
- Các hạt nhẹ nhất được xếp vào một nhóm và gọi là các
lepton
- Các hạt có khối lượng trung bình được xếp vào nhóm thứ hai
và gọi là các mezon;
- Các hạt nặng xếp vào một nhóm gọi là các nuclon;
- Các hạt siêu nặng xếp vảo nhóm cuối cùng và gọi là các
hiperon.
- Hạt photon đứng riêng rẽ, khối lượng nghỉ của nó bằng
không; đôi khi người ta xếp nó vào nhóm “không".
Trong nhóm lepton có các hạt: nơtrino, phản nơtrino, electron,
pozitron và cả các hạt muy-mezon âm và dương nữa. Bốn hạt đầu
’’sống lâu" vô hạn (thời gian tồn tại của chúng dài vô hạn), ít nhất
cũng không kém 10
20
năm, nếu không có sự tác động của các hạt khác.
Người ta nói các hạt đó "bền", nghĩa là không bị biến đổi thành các
hạt khác khi không có tác động từ bên ngoài. Còn các hạt
(6)
Hoặc xếp loại dựa theo giá trị của năng lưong nghĩ E

0
của hạt, tính theo
công thức Einstein E
0
=m
0
c
2
, với m
0
là khối lượng nghỉ của hạt. c là vận tốc
ánh sáng trong chân không. Năng lượng nghỉ cua hạt dược tính ra MeV
(1MeV=l0
6
eV=1,6.10
-19
J).
muy-mezon lại là những hạt không bền, có "thời gian sống" rất nhỏ
không đáng kể, chỉ khoảng 2 phần triệu giây, nghĩa là chúng chỉ vừa
kịp sinh ra" thì đã lại bị "phân hủy" ngay. Chẳng hạn, hạt muy-mezon
biến thành hạt electron, nơtrino và phản nơtrino. Khối lượng nghỉ của
nơtrino và phản nơtrino coi như xấp xỉ bằng 0 (nhỏ hơn 0,0005 m
e
)
Pozitron là phản hạt của electron - mang điện tích +e và "nặng" bằng
electron. Các hạt muy-mezon âm và muy-mezon dương (là phản hat
của muy-mezon âm) có khối lượng bằng 206,7 m
e
.
Các hạt thuộc nhóm mezon có số lượng đông đảo. Đó là các

hạt pi-mezon và phản pi-mezon dương, âm và trung hoà (còn gọi là
các pion); các K-mezon và phản K-mezon dương, âm và trung hòa
(còn gọi là các kaon). Tất cả các hạt của các nhóm mezon đều không
"sống lâu". "Thời gian sống" của chúng chỉ vào khoảng từ 4.10
-16

giây đến 10
-8
giây. Khối lượng nghỉ của chúng vào khoảng từ 264 m
e


đến 968 m
e
.
Nhóm nuclon gồm các hạt proton và phản proton, nơtlron và
phản nơtron. Proton và phản proton được coi là hạt bền, khối lượng
của chúng bằng 1836,1m
e
; . Còn nơtron và phản nơtron là các hạt
"không bền", nhưng chúng "sống" tương đối lâu, hơn 17 phút ; khối
lượng của chúng bằng 1838,6m
e
.Các hạt proton và nơtron được gọi là
các nuclon vì chúng tham gia cấu tạo hạt nhân, theo tiếng La tinh chữ
"hạt nhân" là "nucleus", còn các hạt khác, ngoài proton và nơtron,
đều không tham gia cái) tạo hạt nhân. (Một cách tương ứng, phản
proton và phản nơtron có thể được gọi là các phản nuclon).
Nhóm các hiperon bắt đầu được phát hiện vào những năm 60
của thế kỉ XX, gồm một nhóm lớn các hạt, mà để gọi tên chúng người

ta đã dùng các chữ Hi Lạp "lăm đa" (λ), "xích ma" (£) , và "kxi"(Ξ).
Tất cả các hiperon đều không "sống lâu": thời gian "sống" của chúng
chỉ vào khoảng 10
-10
- 10
-11
giây. Khối lượng của các hiperon vào
khoảng từ 2183m
e
đến 2585m
e
. Đôi khi người ta gộp các hiperon và
nuclon vào cùng một họ (nhóm), gọi là barion.
20
V. ĐẶC TÍNH "HAI MẶT"
CỦA ÁNH SÁNG
Ánh sáng có một đặc tính "không bình thường", đó là lưỡng
tính sóng - hạt.
1. "Hạt" và "sóng" là hai khái niệm quen thuộc trong thế giới
vĩ mô của chúng ta và trong vật lí học cổ điển.
Chữ "hạt" gợi ra cho ta một nơi tập trung vật chất nhỏ xíu có
thể truyền năng lượng, có hình dạng, kích thước và vị trí xác định
trong không gian theo thời gian. Trong thế giới vĩ mô quanh ta, chúng
ta đã gặp và khảo sát các hạt như hạt cát, hạt bụi, hạt mưa, hạt nước,
hạt sương mù, tinh trùng, trứng "Hạt" cũng nói lên tính gián đoạn
của cấu trúc vật chất.
Chữ "sóng" lại gợi cho ta cái đối lập với hạt, cụ thể là một sự
phân bổ rộng rãi và liên tục của năng lượng, chứa đầy khoảng không
gian mà nó đi qua. Ta đã quan sát thấy sóng nước trong các khối
nước, từ đại dương cho đến một cái bồn tắm. Ta cũng đã khẳng định

(và nhiều khi "nghe" thấy) có sóng âm thanh trong không khí và
trong nước, và sóng địa chấn trong vỏ Trái Đất. Tuy không nhìn thây
được trực tiếp bằng mắt thường nhưng ai cũng khẳng định được sự
tồn tại của sóng điện từ làm cho máy thu thanh và máy thu hình
của ta hoạt động. Và biết bao sự kiện tương tự như thế về sóng
trong thế giới vĩ mô.
Trong thế mới vĩ mô, chuyển động của một hạt có đặc tính
như sau: Nếu chúng ta biết vị trí và vận tốc ( hay động lượng mv, m là
khốii lượng của hạt, v là vận tốc của nó) của hạt ở một thời đĩểm thi
chúng ta có thể dùng các định luật của cơ học Newton tính được trạng
thái của hạt (vị trí, động lượng) ở bất kì thời điểm nào; nói cách khác,
vị trí và vận tốc của hạt chuyển động có giá trị hoàn toàn xác định.
Còn sóng thì được đặc trưng bởi tần số (hay chu kì), bước
sóng, vận tốc truyền sóng, năng lượng (hay biên độ) của sóng
(7)
Mỗi
loại sóng mà ta biết (như sóng nước ,sóng âm thanh, sóng vô tuyến
điện ) cò tần số, bước sóng và vận tốc truyền sóng khác nhau. Chẳng
hạn sóng FM của đài Tiếng nói Việt Nam có tần sô 100 MHz
(megahéc) tương ứng với bước sóng 3m. Quá trình truyền sóng là
một dạng chuyển động đặc biệt. Tròng quá trình truyền sóng có xảy ra
những hiện tượng đặc biệt như phản xạ, nhiễu xạ, giao thoa Âm
thanh bị phản xạ ở một bức tường lớn hay vách núi sẽ tạo nên tiếng
vang. Nếu sóng gặp vật cản, thì nó có thể vòng qua, đi về phía sau
vật (nhiễu xạ); chẳng hạn tai ta có thể nghe được âm thanh phát ra từ
một máy thu thanh ở phía bên kia bức tường hay ngôi nhà (vật cách
âm). Khi có hai sóng cùng loại gặp nhau trong một miền không gian
thì chúng có thể sẽ hợp lại với nhau (giao thoa) tạo nên trong miền đó
những chỗ cố định ở đó biên độ sóng là cực đại, và có những chỗ cố
định khác ở đó biên độ sóng là cực tiểu thậm chí biên độ sóng bằng

không (các chỗ cố định đó được gọi là vân giao thoa).
Hình 2 là ảnh chụp các vân giao thoa của sóng nước, tạo nên
do sự gặp nhau của hai sóng nước (có dạng vòng tròn) truyền đi từ hai
nguồn sóng. Các vân giao thoa là các vạch· trắng (vân cực đại) và đen
(vân cực tiểu) xen kẽ. Các hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa là đặc thù
của qua trình truyền sóng: ở đâu có xảy ra nhiễu xạ và giao thoa thì ở\
đó có quá trình truyền sóng.
(7)
Bước sóng là quãng đường mà sóng truyền đi trong một khoảng thời gian
bằng chu kì sóng (λ=νΤ). Đối với sóng trên mặt nước chẳng hạn, có thể hình
dung bước sóng là khoáng cách giữa hai đĩnh sóng (cho nhô cao nhất) cạnh
nhau.
Hình 2. Hình ảnh giao thoa của sóng nước
2· Ánh sáng là sóng điện từ
Việc tìm hiểu Về bản chất của ánh sáng đã bắt đầu từ cổ xưa,
nhưng những nghiên cứu có tính chất khoa học thì chỉ mới xuất hiện
từ cuối thế kỉ XVII. Khi đó có hai quan niệm khác nhau về bản chất
ánh sáng.
Nhà bác học I.Newton cho rằng, ánh sáng là các dòng hạt,
riêng rẽ, đặc biệt bé phát ra từ các vật sáng bay theo đường thẳng.
Màu của ánh sáng được xác định bởi kích thước của hạt: hạt màu đỏ
(ánh sáng dỏ) có kích thước lớn hơn hạt màu tím (ánh sáng tím)
Nhưng các kết quá thực nghiệm đã chứng tỏ rằng quan niệm như trên
là không đúng.
Một số nhà bác học khác, như Huyghens, Fresnel, lại
cho rằng ánh sáng là sóng đàn hồi truyền trong môi trường đặc biệt
gọi là ete, ete thấm vào mọi vật và chiếm đầy khoảng không gian.
Thí nghiệm của Young (thực hiện năm 1801 đã cho phép quan sát
được hiện tượng giao thoa anh sáng (Trên hình 3 là ảnh chụp các vân
giao thoa ánh sáng, là các vòng tròn, sáng và tối xen kẽ nhau). Chắc

bạn cũng đã biết hiện tượng sau đây: trong một căn phòng mà các cửa
đều đóng kín, nếu bạn đứng mộl lúc cho mắt "thích nghi" với bóng
tối, bạn trông thấy rất rõ các kẽ hở, hoặc lỗ nhỏ trẽn cánh cửa. Dù
đứng ở vị trí chếch khá nhiều so với phương truyền thẳng của ánh
sáng từ bên ngoài đi qua lỗ, bạn vẫn trông thấy lỗ đó, như một chấm
sáng. Điều đó chứng tỏ rằng , có những tia sáng đi từ lỗ đó đến mắt
bạn. Nghĩa là ánh sáng từ bên ngoài đi qua lỗ, đã đi quành ra phía sau
mép lỗ, để tới mắt bạn. Như vậy là bạn đã quan sát thấy hiện tượng
nhiễu xạ ánh sáng. Chiếu một chùm sáng đi qua lỗ nhỏ s thì trên màn
quan sát E (có thể đặt tại đó một tấm kính ảnh để chụp) ta sẽ thấy
hình ảnh nhiễu xạ (Hình 4.a); sự phân bố các chỗ sáng, tối (vân sáng,
vân tối) trên màn E được chỉ rõ trên hình 4.b. Hình 4.c là ảnh chụp sự
nhiễu xạ ánh sáng bởi đĩa tròn. Các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ
ánh sáng đã khẳng định ánh súng là sóng. Nhiều thí nghiệm tiếp theo,
vào những năm 1846-1856 đã chứng minh luận điểm của Maxwell
nói rằng ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng ngắn (khác với sóng
vô tuyến điện dùng trong thông tin liên lạc).
Ánh sáng có các "màu sắc" khác nhau (ánh sáng đơn sắc) mà
mắt ta cảm nhận được - còn gọi là ánh sáng trông thấy - có bước
sóng từ 0,40 μm (ánh sáng tím) đến 0,76 μm (ánh sáng đỏ sẫm) (1 μm
= 0,001 mm). Ánh sáng Mặt Trời, ánh sáng đèn là tập hợp của nhiều
ánh sáng đơn sắc, có màu biến thiên liên tục từ màu đỏ đến màu tím.
ở ngoài miền ánh sáng trông thấy còn có những loại ánh sáng (bứt
xạ) không nhìn thấy được (mắt ta không cảm nhận được), đó là tia
hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X và tia gamma.
Tia hồng ngoại là sóng điện từ có bước sóng lớn hơn bước
sóng của ánh sáng đỏ và nhỏ hơn bước sóng của sóng vô tuyến điện.
Mọi vật, dù ở nhiệt độ thấp, đều phát ra tia hồng ngoại. Như thân thể
chúng ta chẳng hạn (thường ỏ nhiệt độ 37°C) cũng phát ra các tia
hồng ngoại trong đó mạnh nhất là các bức xạ có bước sóng cỡ 9μm.

Mọi vật hấp thụ tia hồng ngoại sẽ nóng lên.