Tích lũy chuyên môn: Bốn lực cấu tạo vũ trụ

Bốn lực cấu tạo vũ trụ !
Nhân dịp giao lưu với bác Phạm Văn Thiều, Câu lạc bộ xin gửi tới các bài bài dịch của bác về 4 lực cấu
tạo vũ trụ, với nguyên gốc của Trịnh Xuân Thuận. Hãy chú ý đến giọng văn và cách sử dụng các thuật ngữ Vật
lý của dịch giả. Một bản dịch mà ngay cả người sáng tác nguyên mẫu cũng phải hài lòng.
Màn đêm buông, Những ngọn đèn bật sáng. Rồi cơn giông tới. Những tia chớp chiếu sáng bấu trời. Gió
giật mạnh. Những chiếc lá bị gíó bứt khỏi cành lượn lờ trên không theo những đường cong ngoạn mục trước khi
đậu xuống đất. Trong cái cảnh tượng quen thuộc đó của cuộc sống thường nhật đã bộc lộ những lực tự nhiên.
Toàn bộ những biến đổi diễn ra trong thế giới xung quanh chúng ta đều được thực hiện thông qua các lực. Chỉ
có bốn lực cơ bản đã tạo ra sự cực kỳ phong phú và đa dạng của những biến đổi và chuyển động trong tự nhiên.
Lực hấp dẫn của trái đất làm cho những chiếc lá úa tàn rơi xuống đất sau khi đã lượn lờ theo gió. Lực điện từ
tạo ra ánh sáng trong các ngôi nhà và các tia chớp trên bầu trời . Lực hạt nhân gọi là "yếu" gây ra sự phân rã của
các nguyên tử và sự phóng xạ, nó cho phép các nhà máy điện hạt nhân hoạt động bình thường, cung cấp điện
năng đến từng nhà cho chúng ta. Lực hạt nhân gọi là "mạnh" cho phép sự tồn tại của hạt nhân các nguyên tử tạo
nên nhà cửa, hoa lá, cây cối và đất đai.
Lực hấp dẫn
Chất keo dính của vũ trụ
Lực hấp dẫn ngự trị trong thế giới vĩ mô. Vai trò của nó trên trái đất đã đuợc nhận ra ngay từ những tiếng bập bẹ
đầu tiên của loài nguời: tất ca các vật đều rơi từ cao xuống thấp. Trong vũ trụ của Aristote vào thế kỷ thứ 4
trước Công nguyên, chuyển động thẳng đứng này chỉ đặc trưng cho thế giới không hoàn hảo của trái đất và mặt
trăng.Thế giới hoàn hảo của các hành tinh khác, của mặt Trời và các ngôi sao có chuyển động tròn lý tưởng và
không bị lực hấp dẫn chi phối. Khái niệm hấp dẫn của vũ trụ , tức là hấp dẫn tác động đến toàn bộ vũ trụ, chỉ
xuất hiện cùng với Newton vào thế kỷ 17. Lực hấp dẫn chinh là chất "keo dính" của vũ trụ. Nó hút các vật này
về phía các vật khác. Nó giữ cho chúng ta ở trên mặt đất, giữ cho mặt Trăng quay quanh trái Đất và các hành
tinh quay xung quanh mặt Trời, giữ cho các ngôi sao ở trong thiên hà và các thiên hà trong các đám thiên hà.
Nếu loại bỏ lực hấp dẫn đi, chúng ta sẽ trở nên trôi nổi trong không gian. Mặt Trăng và các hành tinh cùng các
ngôi sao sẽ tan tác trong khoảng bao la của vũ trụ.
Không có gì có thể thoát được ành hưởng của hấp dẫn. Tất cả những gì là khối lượng hay năng lượng
đều phải tuân theo luật lệ của nó. Nhưng có điều nghịch lý là, mặc dù có ảnh hưởng rộng khắp như vậy, nhưng
lực hấp dẫn lại cực kỳ yếu. Nó là lực yếu nhất trong số bốn lực của tự nhiên. Ở mức độ của hạt sơ cấp, lực này
nhỏ không đáng kể. Nguyên tử hydrogen, nguyên tử đơn giản nhất và cũng là nguyên tử nhẹ nhất trong số tất cả
các nguyên tố của vũ trụ, gồm có một electron liên kết với một proton. Lưc hấp dẫn giữa electron và proton nhỏ

hơn lực điện giữa hai hạt đó cỡ 1040 (1 và 40 con số 0 tiếp theo) lần. Nguyên tử hydrogen cũng rất nhỏ (cỡ 10-8
cm = 0,00000001 cm) vì lực điện đủ mạnh để kéo electron lại gần proton. Nếu loại bỏ lực điện đi, và chỉ để lại
lực hấp dẫn, thì nguyên tử hydrogen sẽ phồng to cho tới khi chiếm toàn bộ vũ trụ. Lực hấp dẫn yếu tới mức
không thể hút giữ cho electron ở cách proton một khoảng nhỏ hơn vài chục tỉ năm ánh sáng
Cường độ của lực hấp dẫn phụ thuộc vào khối lượng của hai vật liên quan. Sở dĩ lực hấp dẫn giữa
proton và electron yếu cũng là do khối lượng cực kỳ nhỏ của electron (10-17 g, con số khác không đầu tiên
đứng sau 27 con số 0) và của proton, mặc dù proton lớn gấp 2000 lần electron. Do sự cực kỳ yếu và ít quan
trọng của lực hấp dẫn ở thang nguyên tử, nên chỉ còn cách áp dụng cho nó câu ngạn ngữ: "đoàn kết tạo sức
mạnh". Vì chỉ một hạt không đủ nặng để thể hiện được ảnh hưởng của mình nên nó phải thể hiện thông qua các
vật lớn hơn và có khối lượng lớn hơn, chứa một số rất lớn các hạt đó. Con số này lớn tới mức khó tưởng tượng
nổi khi người ta biết rằng 1 gam nước chứa tới khoảng 1024 hạt. Thậm chí ở thang các vật trong cuộc sống hàng
ngày của chúng ta lực hấp dẫn vẫn chưa đáng kể. Bạn (giả sử nặng 70 ký) không hề cảm nhận được lực hấp dẫn
mà người đối thoại với bạn (giả sử người đó nặng 50 ký) tác dụng lên cảm thấy bị "hút" về phía người đó thì
hoàn toàn không phải là do lực hấp dẫn mà là do một cái gì đó khác.. Khi bạn đi qua một tòa nhà lớn nặng hàng
tấn bạn cũng không hề nhận thấy nó bị hút áp vào những bức tường của nó. Cần phải có những dụng cụ cực kỳ
tinh xảo mới có thể đo được ảnh hưởng hấp dẫn của một tòa nhà lớn. Chỉ ở thang thiên văn lực hấp dẫn mới
thực sự cảm nhận được và mới có tiếng nói của nình. Khối lượng lớn của trái Đất (cỡ 6 x 1027 g) đã giữ cho
chúng ta khỏi phải nổi trôi trong không gian, như các nhà du hành trong khoang con tàu vũ trụ và giữ cho mặt
Trăng không trôi dạt ra xa trái đất. Mặt Trời (nặng 1033 g), các ngôi sao (nặng cỡ 1033 g), các thiên hà (1045
g), các cụm thiên hà (1046 g), các đám thiên hà 1048 g) và cuối cùng, vũ trụ (?) tạo nên các nấc thang tăng dần
về khối lượng và một vương quốc mở rộng mãi mãi trong đó lực hấp dẫn ngự trị với tư cách một ông chủ độc
tài.
[Isaac Newton 1642-1727: Lực hấp dẫn ] [Barnard Faraday 1791-1867: Lực điện từ] [Joyce Yukawa 1907-1981:
Lực tương tác hạt nhân mạnh] [Enrico Fermi 1901-1954: Lực tương tác hạt nhân yếu]
Lực Điện từ
Chất keo dính của các nguyên tử
Như chúng ta đã thấy, lực điện từ mạnh hơn lực hấp dẫn. Sức mạnh của lực điện từ làm cho một thanh nam
châm dễ dàng hút được một chiếc đinh bất chấp lực hấp dẫn của toàn bộ khối lượng Trái Đất tác dụng lên nó.
Lực điẹn từ tạo nên các nguyên tử bằng cách buộc các electron (mang điện tích âm)vào các hạt nhân. Một hạt
nhân nguyên tử là một tâp hợp các loại protn (mang điện dương) và các neutron (hạt có khối lượng gần bằng

proton, nhưng không mang điện, như tên của nó đã chỉ rõ) đươc liên kết với nhau bằng lực hạt nhân mạnh. Như
vậy, chỉ cần cộng các điện tích dương của proton là ta có được điện tích dương của hạt nhân.
Trong thế giới điện tử, người ta được biết khi trên danh thiếp của mình có ghi điện tích dương hoặc âm. Bởi
vì trái với lực hấp dẫn -lực tác dụng lên tất cả các khối lượng hoặc năng lượng-, lực điện từ có sự phân biệt rõ
ràng. Tất cả những hạt không có điện tích, chẳng hạn như hạt ánh sáng (photon) hoặc hạt neutron đều bị loại ra
và không thèm biết tới. Đối với những hạt mang điện, lực điện từ áp đặt cho chúng những quy tắc ứng xử rất
nghiêm ngặt: các điện tích trái dấu hút nhau và điện tích cùng dấu đẩy nhau. Một proton và một electron sẽ hút
nhau, nhưng hai proton sẽ đẩy nhau. Trái với lực hấp dẫn chỉ có hút, lực điện từ có thể hút hoặc đẩy tuỳ thuộc
vào điện tích.
Miền tác dụng của lực điện từ không chỉ ngừng lại trong thế giới nguyên tử. Nó can thiệp vào cả việc tạo
ra những cấu trúc phức tạp hơn. Nó gắn các nguyên tử lại bằng cách buộc chúng phải chia sẻ các electron của
mình để tạo nên các phân tử. Ví dụ, để tạo nên phân tử nước, lực điện từ gắn hai nguyên tử hydro với một
nguyên tử oxy. Rồi nó lại đẩy cho các phân tử kết hợp với nhau thành những chuỗi dài mà biểu hiệu cao nhất
của chúng là các chuỗi xoắn kép ADN, cho phép có sự sống và di truyền nó. Do vậy, lực điện từ -chất keo gắn
các nguyên tử- chính là nhân tố chủ yếu tạo ra sự cố kết, sự cứng rắn và vẻ đẹp của những vật xung quanh
chúng ta. Thiếu nó, Trái Đất không còn là rắn nữa, bộ xương của bạn sẽ không còn mang nổi cơ thể bạn, và bàn
tay bạn có thể dễ dàng cắt ngang qua những trang giấy của quyển sách này. Vẻ đẹp cua những hình khối điêu
khắc của Rodin, những đường con tuyệt mỹ trên cơ thể người phụ nữ hay những đường nét mảnh mai và tinh tế
của đóa hồng, biết bao những khoái cảm thẩm mỹ đó đều do lực điện từ mang đến cho chúng ta. Thiếu nó, thế
giới sẽ không còn những hình khối và trở nên tẻ nhạt. Nếu chỉ bỏ mặc cho mỗi một lực hấp dẫn thôi, thì các
nguyên tử sẽ có những kích thước khổng lồ và các ngôi sao chỉ là những hạt nhân to tướng gồm toàn các proton
hoặc neutron.
Cũng như lực hấp dẫn, lực điện từ yếu dần theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách
giữa hai hạt tích điện. Nhưng, trái lại với lực hấp dẫn -lực che đậy sự yếu ớt của mình ở thang lớn bằng cách
cộng ngày càng nhiều khối lượng- lực điện từ lại phụ thuộc vào độ lớn điện tích mà đại lượng này rất khó làm
cho tăng được. Bởi vì, nếu các điện tích dương được cộng lại và các điện tích âm bị trừ đi khiến cho đa số các
vật trong vũ trụ đều trung hòa về điện, thì chúng sẽ không có điện tích tổng cộng. Cuốn sách, cái ghế, ngôi nhà,
Mặt Trời, các ngôi sao, các thiên hàvà có thể cả vũ trụ nữa đều là trung hòa về điện. Lực điện từ không có ảnh
hưởng gì đối với chúng. Vì vậy, sức mạnh của lực điện từ nói chung chỉ giới hạn trong thế giới nguyên tử. nó để
mặc cho lực hấp dẫn cai quản cả vũ trụ bao la.

Như tên của nó đã chỉ rõ, lực điện từ có bản chất kép. Nó hút hoặc đẩy chiếc đinh dính vào nam châm
do lực từ của nó. Hai mặt này của lực điện từ liên hệ khắng khít với nhau. Mặt này không tách rời khỏi mặt kia.
Một điện tích chuyển động sinh ra một lực từ. Một từ trường biến thiên lại gây ra dòng điện. Từ trường của Trái
Đất làm cho kim la bàn của nhà thám hiểm chỉ về cực Bắc là kết quả của chuyển động các hạt tích điện (các
proton và electron) trong vùng tâm Trái Đất. Những vùng này nóng và bị nén mạnh bởi áp lực của các lớp ngoài
của vỏ Trái Đất tới mức tâm Trái Đất không còn rắn nữa mà ở trạng thái magma và dung nham lỏng trong đó
vật chất được phân tách thành các proton và electron. Cũng tương tự nhu vậy, từ trường của Mặt Trời, của các
sao hoặc của Ngân Hà đều là kết quả của những chuyển động của vật chất đã được phân tách thành các điện
tích.
Sự kết nối khắng khít giữa điện và từ đã được các nhà vật lý người scotland là James Maxwell thực hiện
vào năm 1864
Lực yếu
Lực gây phân rã
Vật chất nói chung không phải là vĩnh cửu. Trong số hàng trăm hạt "sơ cấp" tạo nên vật chất có rất ít hạt bất tử.
Xếp vào hàng những hạt bất tử hiếm hoi đó là electron, photon và một hạt trung hòa có khối lượng bằng không
hoặc cực kỳ nhỏ bé có tên là neutrino. Còn lại tất cả các hạt khác đều sống trọn cuộc đời mình rối chết. Ngay cả
proton cũng chỉ mon men tới cõi bất tử (tuy nhiên cuộc đời của nó rất dài, ít nhất cũng tới hàng ngàn tỉ tỉ tỉ năm
(1032năm). Cái chết của một hạt sơ cấp được thể hiện ở sự phân rã của nó thành các hạt khác. Quá trình này sẽ
tiếp diễn cho tới khi hoàn toàn biến hóa thành các hạt bất từ hay còn gọi là các hạt bền.
Lực điều khiển phân rã và biến hóa này là lực có biệt danh là "yếu". Như tên của nó đã chỉ rõ, lực này không
mạnh lắm. Mặc dù vẫn lớn hơn lực hấp dẫn nhiều, nhưng lực này yếu hơn lực điện từ tới 1000 lần. Miền tác
dụng của nó cũng rất nhỏ. Nó chỉ có sức mạnh trong thế giới nguyên tử, tức là trên những khoảng cách cỡ 10-16
cm. Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, lực này ẩn kín tới mức người ta phát hiện ra nó một cách tình cờ.
Vào một đêm năm 1896, nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel tình cớ đặt một tấm kính ảnh vào ngăn kéo
cạnh các tinh thể sulfat uranium. Hôm sau khi ông quay lại thì một lớp màn bí mật đã phủ lên tấm kính ảnh.
Nghiên cứu kỹ, ông phát hiện ra rằng các nguyên tử uranium đã phân rã thành các hạt khác làm đen kính ảnh.
Ông gọi quá trình phân rã là "phóng xạ".
Lực yếu chiếm một vị trí khá cách biệt trong bộ bốn lực: ngoài tính yếu của nó ra, nó còn được dùng để "gắn
kết" các hạt như các lực khác. Nó an phận làm cho vật chất chết đi bằng cách bắt phải phân rã. Nếu như lực này
biến mất thì nó cũng không khiến cho người ta cảm nhận sự thiếu vắng ngay tức khắc. Mặt Trời khi đó sẽ tắt

sau vài triệu năm (thay vì cả chục tỷ năm) bởi vì lực yếu gây ra một số phản ứng hạt nhân trong lòng Mặt Trời,
những phản ứng hạt nhân cung cấp năng lượng và tuổi thọ cho nó. Nhưng, trên hết, vật chất sẽ sống lâu hơn. Vũ
trụ khi dó sẽ nhan nhản đủ các loại hạt lạ lùng và kỳ quặc cùng chung sống với các loại hạt electron, photon và
proton quen thuộc. Một hóa học mới và xa lạ, một sự sống phức tạp khác biệt với sự sống của chúng ta (sự sống
dựa trên hóa học của carbon) có thể sẽ nảy nở và phát triển.
Lực mạnh
Chất keo dính của các hạt:
Các hạt nhân nguyên tử là tập hợp của các hạt proton và neutron. Tất cả các proton đều mang cùng một điện tích
dương. Lực điện tử ra lệnh cho chúng phải đẩy nhau, thế mà chúng vẫn ương bướng tụ tập trong các hạt nhân
nguyên tử. Cần phải có một lực mạnh hơn lực điện từ rất nhièu và chống lại lực này để giữ cho các proton hợp
lại và là chất keo dính của chúng. Đây là lực "mạnh", mạnh nhất trong bốn lực. Nó mạnh hơn lực điện từ tới 100
lần. Vương quốc của nó, cũng chính là vương quốc của lực yếu, là rất nhỏ bévà ảnh hưởng của nó chỉ có tác
dụng trên những khoảng cách trong nguyên tử, tức là cỡ 10-13 cm. Lực này cũng có tính chọn lọc, nó chỉ tác
dụng lên các hạt nặng như proton và neutron chứ không đếm xỉa tới các hạt nhẹ như electron, photon và
neutrino. Khái niệm nặng nhẹ ở đây chỉ có tính chất tương đối. Proton và neutron thực tế chẳng nặng là baọ10-
24 g) nhưng dù sao chúng cũng nặng hơn gấp 1836 lần electron. Người ta còn chưa biết chính xác khối lượng
của neutrino, nhưng chắc chắn là nó nhỏ hơn nhiều khối lượng của electron. Còn đối với photon, nó không có
khối lượng. Xứ mù anh chột làm vua mà!
Cuộc phiêu du vào hế giới vật chất của các nhà vật lý trong suốt hơn hai mươi năm qua đã tiết lộ cho họ thấy
rằng cả proton lẫn neutron đều không phải là các hạt sơ cấp không thể chia được nữa như người ta vẫn tưởng.
Thực tế chúng được tạo bởi các hạt sơ cấp hơn có tên là "quark" được đặt bởi người đã phát minh ra chúng là
nhà vật lý người Mỹ thích văn chương, Murray Gell-Mann. Ông đã nhớ tới câu "Ba quark cho Muster Mark"
trong cuốn tiểu thuyết Finnegans Wake của nhà văn, nhà sáng tạo ngp-n ngữ tuyệt vời James Joyce. Cũng như
cho "Muster Mark", ba là số quark cần thiết để tạo nên một proton hoặc một neutron. Chất keo kết dính ba hạt
này chính là lực mạnh. Nếu như lực mạnh này biến đi, chúng ta sẽ sống trong một thế giới của các quark tự do,
không còn proton cũng chẳng có neutron, không có nguyên tử cũng chẳng có phân tử, không có Trái Đất cũng
chẳng có Mặt Trời, không có các ngôi sao cũng chẳng có các thiên hà.
Sau khi chúng ta đã làm quen với bốn lực, chúng ta còn phải làm quen rộng hơn nữa với các định luật chi phối
thế giới vi mô. Sự làm quen này rất quan trọng để hiểu được sự tiến hóa của vũ trụ, bởi lẽ cái vô cùng nhỏ sẽ đẻ
cái vô cùng lớn và vũ trụ sẽ nảy ra từ cái "gần như không có gì". Lại một lần nữa, ở đây, cũng như với cặp

không-thời gian, lẽ phải thông thường lại phải chịu một thử thách cam go.