Thống nhất các tương tác - Vật lý lượng tử

TRƯỜNG CAO ĐẲNG SƯ PHẠM TÂY NINH
KHOA TỰ NHIÊN
LỚP LÝ KT – CN 38

CHỦ ĐỀ 7:

THUYẾT THỐNG NHẤT CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN
Nhóm thực hiện:
-Nguyễn Thanh Thảo
-Trần Thị Trinh
-Nguyễn Thị Bích Tuyền
-Lê Thị Nở
-Trần Hoàng Thái


I. CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN

Tương tác cơ bản hay lực cơ bản là các
loại lực của tự nhiên mà tất cả mọi lực, khi xét
chi tiết, đều quy về các loại lực này.
Ví dụ như các lực khi có va chạm cơ học giữa
các vật thể thông dụng đều quy về lực tương
tác giữa các phân tử hay nguyên tử, cụ thể
là lực điện từ giữa hạt nhân và electron của
chúng.


Các tương tác cơ bản trong tự nhiên

Tương tác
hấp dẫn

Tương tác
điện từ

Tương tác
yếu

Tương tác
mạnh


1.Tương tác hấp dẫn

Đây là một tương tác bao trùm mọi vật. tương tác này
tồn tại giữa tất cả các vật chất nào từ các hạt vi mô đến
các vật thể vĩ mô. Sự biểu hiện của tương tác này là định
luật vạn vật hấp dẫn được phát hiện năm 1687 bởi nhà
vật lý vĩ đại Isaac Newton. Định luật này phát biểu rằng:
“Mọi vật đều hút nhau với một lực tỉ lệ thuận với khối
lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa
chúng”. Ở đây khối lượng đóng vai trò tích hấp dẫn.


Tương tác hấp dẫn điều khiển toàn bộ mọi quá trình
trong vũ trụ, nói riêng chính là tương tác hấp dẫn đã cho
phép hình thành cấu trúc hệ Mặt Trời của chúng ta và giữ
ổn định chuyển động của hệ.
Lực hấp dẫn của Trái Đất tác động lên các vật thể
có khối lượng và làm chúng rơi xuống đất. Lực hấp dẫn
cũng giúp gắn kết các vật chất để hình thành Trái

Đất, Mặt Trời và các thiên thể khác; nếu không có nó các
vật thể sẽ không thể liên kết với nhau và cuộc sống như
chúng ta biết hiện nay sẽ không thể tồn tại.


Lực hấp dẫn cũng là lực giữ Trái Đất và các hành tinh khác ở
trên quỹ đạo của chúng quanh Mặt Trời, Mặt Trăng trên quỹ
đạo quanh Trái Đất, sự hình thành thủy triều, và nhiều hiện
tượng thiên nhiên khác mà chúng ta quan sát được.


Một lý thuyết gần đúng của tương tác hấp dẫn là lý thuyết hấp
dẫn của Newton, còn lý thuyết chính xác hơn về tương tác hấp
dẫn là lý thuyết tương đối rộng do Einstein xây dựng năm
1915. Trong cơ học cổ điển, lực hấp dẫn xuất hiện như một
ngoại lực tác động lên vật thể. Trong thuyết tương đối rộng,
lực hấp dẫn là bản chất của không thời gian bị uốn cong bởi
sự hiện diện của khối lượng, và không phải là một ngoại lực.

Isaac Newton
(1643 – 1727)

Albert Einstein
(1879 – 1955)

(

(

Theo quan điểm hiện đại thì sự tương tác giữa các
vật được thực hiện nhờ sự trao đổi của các hạt gọi là hạt
truyền tương tác. Tương tác hấp dẫn được thực hiện nhờ
các hạt graviton. Hạt này có khối lượng bằng 0, có spin
bằng 2. Graviton luôn chuyển động, không đứng yên và
bao giờ cũng chuyển động với vận tốc cực đại có thể có
được – đó là vận tốc ánh sáng trong chân không.
Mặc dù người ta tìm kiếm hạt graviton đã lâu, nhưng
cho đến nay vẫn chưa phát hiện được sự tồn tại của hạt này
ở bất kỳ thí nghiệm nào. Do ở những mật độ vật chất bình
thường như trong điều kiện Trái Đất thì tương tác hấp dẫn
cực kỳ nhỏ, kỹ thuật chưa đủ khả năng tiến hành.


2.Tương tác điện từ
Tương tác điện từ giống tương tác hấp dẫn về bản chất
là một tương tác tầm xa có tác động ở những khoảng
cách rất lớn. Năm 1785, kỹ sư và là nhà vật lý người
Pháp Charles Augustin Coulomb (1736 – 1806) đã thiết
lập được quy luật : lưc điện từ giảm dần tỉ lệ nghịch với
bình phương khoảng cách giữa hai hạt mang điện. Tương
tác điện từ là tương tác của hạt mang điện. Các hạt mang
điện có điện tích có thể là có điện tích âm hoặc dương. Vì
thế, khác với lực hấp dẫn, lực điện từ có thể là hút hoặc
đẩy.


Dựa vào cấu trúc như hiện nay của mọi nguyên
tử, phân tử, ta có thể nói là cấu trúc của cả thế giới
xung quanh chúng ta phụ thuộc vào tương tác giữa các

hạt mang điện. Tính chất vật lý và hóa học của vật chất,
vật liệu đủ mọi hình dạng và ngay cả mô sống cũng
đều phụ thuộc vào tương tác điện từ. Tương tác này
điều khiển mọi thiết bị điện – điện tử.


Lý thuyết tương tác điện từ trong thế giới vĩ mô được là lý
thuyết điện động lực học cổ điển. Trong quá trình xây dựng lý
thuyết này đã có sự tham gia của rất nhiều nhà bác học của thế
kỉ XVIII – XIX, song tính quyết định thuộc về nhà vật lý người
Anh James Clerk Maxxwell (1831 – 1879). Chính ông là người
thực hiện sự thống nhất giữa khái niệm điện và từ thành khái
niệm trường điện từ thống nhất.


Theo lý thuyết điện động lực học lượng tử thì các hạt
truyền tương tác là những lượng tử của trường điện từ đó là
những hạt photon (còn gọi là quang tử). Hạt này không có
khối lượng, có spin bằng 1 và chuyển động với vận tốc ánh
sáng c. Cơ chế tương tác điện từ là sự trao đổi hạt truyền
photon giữa các hạt mang điện.
e2 1
Cường độ tương tác từ có giá trị bằng α =
.
≈

h.c 137

Tương tác này nhỏ hơn tương tác mạnh khoảng nghìn lần.
Đó là một lý thuyết hoàn chỉnh, mẫu mực và rất phù hợp

với thưc nghiệm. Người có công nhất trong xây dựng lý
thuyêt này là P.Feynman.


Sơ đồ Feynman là phương pháp biểu diễn bằng
hình ảnh các công thức toán học miêu tả hành xử của
các hạt hạ nguyên tử (hạt cấu thành nên nguyên tử, cùng
các hạt được giải phóng trong các phản ứng hạt nhân hay
phản ứng phân rã và một số hạt khác)

cặp electron và positron (phản electron)  hủy lẫn nhau, tạo
thành một photon sau đó trở thành cặp quark – phản quark,
phản quark phát ra một gluon.


3.Tương tác mạnh
Tương tác mạnh là tương tác có cường độ lớn nhất
trong các loại tương tác. Lực hạt nhân tác động giữa
các nucleon trong hạt nhân là biểu hiện của tương tác
mạnh. Khác với tương tác hấp dẫn và tương tác điện
từ, tương tác mạnh có tầm tác động ngắn.
Vì vậy, lực thuộc tương tác mạnh giảm nhanh khi
tăng khoảng cách giữa các hạt. Bán kính tác động cỡ
bằng kích thước nucleon, nghĩa là cỡ 10 -13 cm.
Ta có thể mô tả tương tác mạnh một cách thỏa đáng
nhờ 3 tích (3 màu), hợp thành những tổ hợp phức tạp.
Các hạt ứng với tương tác mạnh là các hađron (gồm
các meson và barion).

Lý thuyết tương tác mạnh gọi là sắc động học lượng tử. Lý
thuyết này có thể giải thích các quá trình tương tác giữa các hạt
quark và gluon trong nucleon.
Theo thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang
trong mình điện tích màu, ở một trong 3 dạng "đỏ", "xanh lam"
hoặc "xanh lá". Đó chỉ là những tên, hoàn toàn không liên hệ gì
với màu thực tế. Đối quark là các hạt như "đối đỏ", "đối xanh
lam", "đối xanh lá". Cùng màu đẩy nhau, trái màu hút nhau.

proton

neutron


Các hạt chỉ tồn tại nếu như tổng màu của chúng là trung hòa.


Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa
chúng càng lớn, nhưng khi chúng gần xát nhau, thì lực
tương tác này bằng 0. Mỗi một cặp tương tác của quark,
chúng luôn luôn thay đổi màu, nhưng tổng màu điện tích
của chúng được bảo toàn.


4.Tương tác yếu
Tương tác yếu ít được biết đến hơn, nhưng không vì thế
mà tương tác yếu không đóng vai trò quan trọng. Nếu
không có tương tác yếu thì Mặt trời cùng nhiều sao khác
đã tắt đi vì tương tác yếu đóng vai trò quan trọng trong
những phản ứng gây ra hiện tượng phát sáng của những

thiên thể này.


Một trong những phản ứng đó là phản ứng “cháy của
proton” dẫn đến sự hình thành Đơtơri D (đó là hạt nhân
đồng vị nặng cùa H), positron e+ và neutrino electron ve

p + p → D + e + + ve
Hạt nơtrinô là hạt đặc thù của tương tác yếu bởi vì ngoài
tương tác hấp dẫn (mọi hạt đều tham gia) thì nơtrinô chỉ
tham gia tương tác yếu.
Tương tác giữa hạt nơtrinô và vật chất yếu đến mà Trái
Đất cũng chỉ như vật thể trong suốt khi nơtrinô đi qua, và
trong hơn cả một tấm kính mỏng đối với vùng ánh sáng
nhìn thấy được.


Hạt nơtrinô là một hạt fermion, nghĩa là một hạt có
spin ½. Nơtrinô không có điện tích và cũng không có tích
màu. Có 3 loại nơtrinô là nơtrinô electron (ve), nơtrinô
muon (vu) và nơtrinô tau (vT).
Hiện nay, người ta vẫn chưa chắc chắn rằng hạt
nơtrinô có khối lượng hay không. Theo các dữ liệu từ
thực nghiệm thì có thể hạt nơtrinô electron là không có
khối lượng, còn nơtrinô muon và nơtrinô tau thì chưa
chắc chắn.
Tương tác yếu thuộc tương tác có tầm tác động ngắn,
bán kính tác động nhỏ hơn khoảng 1000 lần bán kính tác
động của lực hạt nhân.

Các lượng tử truyền tương tác yếu đã được phát hiện
vào năm 1983. Đó là những boson trung gian: W+,W- và
Z0 . Các hạt này có spin bằng 1,chúng rất không bền, phân
rã trong khoảng 10-24 giây.
Sự phát hiện thực nghiệm các hạt boson trung gian
được tiến hành với quy mô lớn. Bài báo công bố sự phát
hiện của các hạt này có 138 tác giả cùng ký tên. Điều này
chứng minh sự đúng đắn của lý thuyết về sự tồn tại của
các hạt này, vốn đã tồn tại 15 năm trước khi chúng được
tìm ra.


Tương
tác

Mạnh

Lượng
tử của
trường

Gluon

Khối
lượng
của
lượng
tử
(MeV)

Bán
kính
tác
dụng
(m)

Nguồn

≤ 10−15 Tích

0

màu

Điện từ
Yếu
Hấp
dẫn

Photon
Boson
Graviton

0
82,93
0

∞
10

−18

∞

Điện
tích
Tích
yếu
Khối
lượng

Hằng số liên kết
không thứ
nguyên

1 khi r lớn
<1 khi r nhỏ
e2
1
=
 c 137

( Mc /  ) 2 .G = 1,02.10− 5
c

GN .M 2
= 0,53.10 − 38
c

II. Thuyết thống nhất các lực tương tác
Lý thuyết thống nhất lớn, được hình thành trong tiến
trình mở rộng mô hình chuẩn của vật lý hạt. Mô hình
chuẩn của vật lý hạt là thuyết miêu tả về tương tác
mạnh, tương tác yếu, lực điện từ cũng như những hạt cơ
bản tạo nên vật chất.
Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970,
mô hình chuẩn là một phần của lý thuyết trường lượng tử,
một lý thuyết đã kết hợp cơ học lượng tử với thuyết
tương đối hẹp. Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm
chứng về 3 lực miêu tả bởi mô hình chuẩn đều đúng như
những dự đoán của thuyết này.


Tuy nhiên, mô hình chuẩn vẫn chưa là một thuyết thống
nhất các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do sự vắng mặt
của lực hấp dẫn. Mô hình chuẩn đã miêu tả chính xác các
quan sát thu được tính đến nay.
Nhưng nó đã bỏ ngỏ những câu hỏi mang tính chất cơ
bản, một trong số đó chính là việc tại sao tự nhiên lại cần
đến 4 lực cơ bản mà không phải là 1, và tại sao độ lớn,
cùng các tính chất, của chúng lại khác biệt đến vậy?


Người đầu tiên thành công trong việc thống nhất lực là
Maxwell, khi ông xây dựng thuyết điện từ, lực điện và lực từ
chỉ là hai mặt khác nhau của một lực duy nhất là lực điện từ.
Ông đã đưa ra hệ phương trình miêu tả những định luật cơ
bản về điện trường và từ trường được biết đến với tên gọi

phương trình Maxwell. Đây là hệ phương trình chứng minh
rằng điện trường và từ trường là thành phần một trường
thống nhất, điện từ trường.
Ông cũng đã chứng minh rằng trường điện từ có thể truyền
đi trong không gian dưới dạng sóng với tốc độ không đổi là
3.108 m/s, và đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng là sóng điện từ.