Nghiên cứu tính chất từ và hiệu ứng gmi trong vật liệu từ vô định hình và nano tinh thể ứng dụng làm cảm biến dòng đIện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------

NGUYỄN QUỐC HỒN

MỘT SỐ NGHIỆM SOLITON CỦA CÁC
PHƯƠNG TRÌNH YANG-MILLS VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------

NGUYỄN QUỐC HỒN

MỘT SỐ NGHIỆM SOLITON CỦA CÁC
PHƯƠNG TRÌNH YANG-MILLS VÀ ỨNG DỤNG
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán
Mã số:

62440103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TSKH. NGUYỄN VIỄN THỌ

Hà Nội – 2014


Lời cam đoan

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác. Mọi bài báo đều được các đồng tác giả cho phép sử dụng.

Hà Nội, tháng 5 năm 2014
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận án

GS.TSKH. Nguyễn Viễn Thọ

Nguyễn Quốc Hoàn

i


Lời cảm ơn

Nhìn lại một khoảng dài, với hơn 5 năm trên trục thời gian. Thời khoảng
mà tôi đã nhận được những tình cảm tốt đẹp nhất từ các thầy cơ giáo, đồng
nghiệp, bạn bè và gia đình.
Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng tơn kính và sự biết ơn của tôi đến
GS.TSKH. Nguyễn Viễn Thọ - Một nhà khoa học nghiêm túc, thầy đã tận
tình dạy bảo và giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.

Tơi xin tỏ lịng biết ơn đến thầy giáo Tơ Bá Hạ, thầy đã nhiệt tình giúp
đỡ và động viên tơi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Bản luận án của tôi là lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong Viện
Vật lý Kỹ thuật, đặc biệt là các thầy, cô và các bạn ở Bộ môn Vật lý Lý
thuyết, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Những bản nhận xét rất tỉ mỉ của các thầy (cô) phản biện đã giúp tơi
hồn thiện cuốn luận án này. Cá nhân tơi coi đó là những bài học q báu
trong học tập và nghiên cứu. Tôi xin được gửi tới các thầy (cô) phản biện lời
cảm ơn chân thành nhất.
Nhân dịp này, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp thuộc Sở
Giáo dục và Đào tạo Hà Giang - nơi tôi công tác, về những quan tâm, ủng hộ
và giúp đỡ quý báu.
Gia đình là điểm tựa vững chắc cho tơi, là nơi mà tơi có thể bày tỏ mọi
cảm xúc. Xin được gửi tới gia đình tơi lịng biết ơn sâu nặng và những tình
cảm khơng thể nói bằng lời.
Tác giả luận án

Nguyễn Quốc Hồn

ii


Mục lục

Lời cam đoan .................................................................................................... i
Lời cảm ơn .......................................................................................................ii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ..........................................................vi
Danh mục các hình vẽ và đồ thị.....................................................................vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1 Lý do chọn đề tài ...................................................................................... 1

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................ 4
3 Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 5
4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án............................................... 5
5 Bố cục của luận án .................................................................................... 6
1 SOLITON TOPO TRONG CÁC HỆ TRƯỜNG GAUGE ABEL VÀ PHI
ABEL ........................................................................................................... 8
1.1 Hệ Yang-Mills khơng có trường Higgs: Nghiệm Wu-Yang ............... 11
1.2 Hệ Yang-Mills-Higgs: Nghiệm monopole ’t Hooft-Polyakov và dyon
Julia – Zee ............................................................................................ 16
1.2.1 Nghiệm monopole 't Hooft-Polyakov ................................... 16
1.2.2 Nghiệm dyon Julia – Zee....................................................... 19
1.3 Nghiệm soliton tới hạn, nghiệm Bogomolny-Prasad-Sommerfield
(BPS) .................................................................................................... 21
1.3.1 Nghiệm soliton tới hạn .......................................................... 21
1.3.2 Nghiệm Bogomolny-Prasad-Sommerfield (BPS) ................. 23
1.4 Trường Yang-Mills trong không gian Euclide và nghiệm instanton ... 23
iii


1.5 Kết luận chương 1 ................................................................................ 25
2 NGHIỆM SOLITON CỦA HỆ YANG-MILLS VỚI NGUỒN NGOÀI
ĐỐI XỨNG TRỤC .................................................................................... 27
2.1 Nguồn đối xứng xuyên tâm và đối xứng trục ...................................... 27
2.1.1 Nguồn đối xứng xuyên tâm ................................................... 28
2.1.2 Nguồn ngoài đối xứng trục .................................................... 31
2.2 Phương pháp số tìm nghiệm của các phương trình trường cân bằng .. 32
2.3 Nghiệm phương trình Yang-Mills với hai nguồn điểm và chỉ số topo
cao ........................................................................................................ 34
2.3.1 Phương trình trường và các ansatz đối xứng trục ................. 34
2.3.2 Gián đoạn hóa hệ trường liên tục .......................................... 35

2.3.3 Mô phỏng các nghiệm trường [III, IV] ................................. 37
2.3.4 Sự phân bố không gian của vector điện, từ trường phi Abel
[IV] ........................................................................................ 39
2.3.5 Sự phân bố không gian của mật độ năng lượng trường phi
Abel [III, IV] ......................................................................... 41
2.4 Nghiệm dạng dây vortex: Nghiệm số và nghiệm giải tích .................. 42
2.4.1 Giới thiệu về phương trình Yang-Mills với nguồn ngồi dạng
sợi dây.................................................................................... 43
2.4.2 Nghiệm tĩnh của phương trình .............................................. 44
2.4.3 Nghiệm sóng của phương trình [VI] ..................................... 52
2.5 Kết luận chương 2 ................................................................................ 56
3 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT MÀU TRONG
TRƯỜNG CHUẨN ................................................................................... 58
3.1 Hạt màu trong trường chuẩn

- Phương trình Wong ................. 59

3.2 Suy rộng phương trình Wong cho trường chuẩn
và
[V] ........................................................................................................ 65

iv


3.3 Đối xứng Lorentz địa phương và bài toán hạt trong trường hấp dẫn .. 74
3.4 Kết luận chương 3 ................................................................................ 76
4 THẾ HIỆU DỤNG VÀ QUỸ ĐẠO HẠT TRONG TRƯỜNG CHUẨN . 77
4.1 Hạt trong trường Wu-Yang .................................................................. 77
4.2 Hạt trong trường đơn cực 'tHooft-Polyakov và trường soliton BPS ... 84
4.2.1 Hạt trong trường gauge 'tHooft ............................................. 84

4.2.2 Hạt trong trường soliton BPS ................................................ 88
4.3 Chuyển động của hạt trong trường hấp dẫn với tiếp cận Yang-Mills . 92
4.3.1 Thế hiệu dụng trong chuyển động của hạt [V] ...................... 92
4.3.2 Quỹ đạo chuyển động của hạt [II, V] .................................... 98
4.4 Kết luận chương 4 ................................................................................ 98
KẾT LUẬN .................................................................................................. 100
Danh mục các cơng trình khoa học của tác giả có liên quan đến luận án ... 102
Tài liệu tham khảo ....................................................................................... 103
Phụ lục......................................................................................................... 110

v


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:

:

Mật độ Lagrangian
Tensor cường độ trường Yang-Mills dạng ma trận
Tensor cường độ trường Yang-Mills dạng thành phần
Thế Yang-Mills
Tensor cường độ trường gauge dạng thành phần
Vector màu
Đạo hàm hiệp biến
Đạo hàm phản biến
Mật độ dịng nguồn ngồi
Điện trường phi abel dạng thành phần
Từ trường phi abel dạng thành phần
Số topo
Mật độ năng lượng trường phi abel
4-xung lượng chính tắc
Spin đồng vị của hạt
Các vi tử phản Hermit của nhóm Lorentz

:
:
:
:

Hằng số cấu trúc của nhóm Lorentz
Cường độ trường của trường gauge Lorentz
Ma trận của phép quay các thông số không gian
Hàm ma trận của

vi

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Hình 2.1

Thế phi Abel

với nguồn ngồi kỳ dị

38

Hình 2.2

Thế phi Abel

với nguồn ngồi kỳ dị

38

Hình 2.3

Sự phân bố khơng gian của điện trường phi Abel

Hình 2.4

Sự phân bố của đường từ trường phi Abel của vector
nguồn ngồi kỳ dị

với 40

Hình 2.5

Sự phân bố khơng gian của mật độ năng lượng trường
nguồn ngồi kỳ dị

với 41

Hình 2.6

Sự biến thiên của năng lượng trường tổng cộng theo giá trị của tích 42
màu với nguồn ngồi kỳ dị

Hình 2.7

Thế phi Abel

với nguồn ngồi dạng sợi dây

46

Hình 2.8

Thế phi Abel

với nguồn ngồi dạng sợi dây

47

Hình 2.9

Sự phân bố khơng gian của mật độ năng lượng trường
nguồn ngồi dạng sợi dây

Hình 2.10

Các hàm profile vortex tĩnh
và
; Mật độ tích màu
mật độ năng lượng
với nguồn ngồi dạng sợi dây

Hình 2.11

Sự biến thiên của năng lượng tổng cộng
Abel với nguồn ngồi dạng sợi dây

Hình 4.1

Đường biểu diễn tổng moment quỹ đạo tồn phần

Hình 4.2

Đường biểu diễn thế hiệu dụng Schwarzschild-like

Hình 4.3

Đường cong thế hiệu dụng Yang-Mills tựa Schwarzschild, thế hiệu 97
dụng trong giới hạn Newton và thế hiệu dụng trong lý thuyết tổng
quát của Einstein theo

vii

40

với 47
và 49

vào tổng điện tích phi 52
theo
theo

96
96


MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài
Lý thuyết trường gauge do Yang-Mills [1] đề xướng vào năm 1954. Ý
tưởng này dựa trên yêu cầu xây dựng các Lagrangian bất biến đối với các
phép biến đổi đối xứng nội tại. Đầu tiên là sự khám phá của Glashow vào
năm 1960 về cách thức để thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu [2],
với việc sử dụng mơ hình

nhưng chưa hồn chỉnh về mặt vật

lý vì các lượng tử của trường này đều khơng có khối lượng. Năm 1967,
Weinberg [3] và Salam [4] đã kết hợp cơ chế Higgs [5, 6, 7] vào trong lý
thuyết của Glashow giúp cho việc sinh khối lượng các boson gauge, kết quả

là đã xây dựng thành cơng mơ hình thống nhất tương tác điện - yếu, gọi là
mơ hình Weinberg-Salam và cơ chế Higgs được cho là nguyên nhân tạo nên
khối lượng cho các hạt cơ bản. Sự thành công này đã thuyết phục hầu hết các
nhà Vật lý rằng lý thuyết gauge phi Abel về tương tác điện - yếu là một lý
thuyết vật lý khá hồn hảo. Đặc biệt, sau khi tìm thấy dòng yếu trung hòa
gây bởi sự trao đổi

boson ở CERN năm 1973 [8, 9, 10], lý thuyết điện -

yếu đã được chấp nhận một cách rộng rãi và Glashow, Weinberg, Salam đã
được trao giải Nobel Vật lý năm 1979. Tiếp đó là những cơng trình xây dựng
sắc động lực học lượng tử (viết tắt là QCD) là lý thuyết về tương tác mạnh
dựa trên sự bất biến của phép biến đổi gauge đối với nhóm

.

Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm chứng về ba lực miêu tả bởi mơ
hình chuẩn đều đúng như những dự đốn của thuyết này. Tuy nhiên, mơ 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.
Mơ hình chuẩn chứa cả hai loại hạt cơ bản là fermion và boson. Fermion
là những hạt có spin bán nguyên và tuân thủ theo nguyên lý loại trừ của

1


Wolfgang Pauli, ngun lý cho rằng khơng có hai fermion nào có cùng trạng
thái lượng tử với nhau. Các hạt boson có spin ngun và khơng tn theo
ngun lý Pauli. Khái qt hóa, fermion là những hạt vật chất cịn boson là
những hạt truyền tương tác.

Trong mơ hình chuẩn, thuyết điện từ - yếu (bao gồm cả tương tác yếu lẫn
lực điện từ) được kết hợp với thuyết sắc động lực học lượng tử. Tất cả những
thuyết này đều là lý thuyết gauge, trong đó đưa vào các boson trung gian như
là hạt truyền tương tác giữa các fermion. Hệ Lagrangian của mỗi tập hợp hạt
boson trung gian bất biến dưới một phép biến đổi gọi là biến đổi gauge, vì
thế các boson này cịn được gọi là gauge boson.
Mơ hình chuẩn và rất nhiều hướng mở rộng khác nhau đã cho phép mô
tả hiện tượng luận phong phú của tương tác hạt cơ bản. Cùng với việc khai
thác các ứng dụng hiện tượng luận về tương tác dựa trên các mơ hình chuẩn,
một hướng nghiên cứu thu hút sự quan tâm lớn, đó là nghiên cứu các tính
chất cơ bản của lý thuyết Yang-Mills như là các hệ động lực học phi tuyến.
Vật lý toán phi tuyến là lĩnh vực được phát triển rất mạnh mẽ trong thời
gian gần đây. Các phương trình vật lý tốn phi tuyến có nhiều tính chất rất
khác so với các phương trình vật lý tốn tuyến tính thơng thường. Một trong
những đặc điểm quan trọng là sự tồn tại các nghiệm soliton, có thể mơ tả như
các sóng đơn lẻ dạng như bó sóng hoặc xung. Soliton bảo tồn dạng theo
thời gian và sự bảo toàn này liên quan đến bản chất topo của nghiệm, nghĩa
là các nghiệm được phân thành những lớp có topo khác nhau và đặc trưng
topo (chỉ số topo) của nghiệm là tích phân chuyển động.
Soliton là đối tượng được các nhà Vật lý thuộc nhiều lĩnh vực quan tâm:
Quang học phi tuyến, Vật lý hạt, Vũ trụ học và Vật lý chất rắn. Đối với lý
thuyết trường của các hạt cơ bản, điều hấp dẫn nhất là, ngay ở mức độ cổ
điển (chưa lượng tử hóa), hoặc ở gần đúng chuẩn cổ điển, các soliton của các
phương trình trường phi tuyến đã có dạng gần đúng như các hạt: Mật độ
năng lượng trường là hữu hạn, tập trung trong miền không gian và dịch
chuyển theo thời gian. Các nghiệm soliton của các lý thuyết trường phi tuyến
được nghiên cứu nhiều và có nhiều ứng dụng vật lý nhất phải kể đến là các
soliton của lý thuyết Skyrme (skyrmion), của lý thuyết Yang-Mills (nghiệm
2

Wu-Yang), Yang-Mills trong không gian Euclid (instanton), lý thuyết YangMills-Higgs (monopole ’t Hooft-Polyakov, soliton Bogomolny-PrasadSommerfield), …. Các nghiên cứu theo hướng này hiện hiện vẫn đang được
tiếp tục phát triển và thu hút được sự quan tâm rộng rãi của các nhà Vật lý lý
thuyết. Tuy nhiên chúng là những nghiệm của các phương trình trường phi
tuyến nên hầu như khơng có phương pháp giải tổng qt mà phải sử dụng
các tính chất đối xứng của hệ vật lý và đưa vào các ansatz riêng để tìm
nghiệm cho từng trường hợp.
Trên thế giới, một số trung tâm mạnh về các vấn đề này có thể kể đến là
Đại học Princeton (Mỹ), Massachusetts (Mỹ), Viện Vật lý lý thuyết và thực
nghiệm (Nga), Cambridge (Anh), Durham (Anh), v.v...
Các lý thuyết Yang-Mills, Yang-Mills-Higgs, lý thuyết hiện đang được
thừa nhận là sơ đồ khung nhất quán cho lý thuyết các hạt cơ bản. Liên quan
đến các lý thuyết này, còn được gọi là lý thuyết chuẩn (gauge theories), trong
nước có các nhóm nghiên cứu về các mở rộng khác nhau của mơ hình chuẩn
và các hệ quả đối với hạt cơ bản theo hướng hiện tượng luận và đã có nhiều
kết quả mới được công bố. Gần nhất với hướng nghiên cứu của đề tài luận án
này – Nghiên cứu về nghiệm của các phương trình Yang-Mills – có tác giả
Nguyễn Văn Thuận với đề tài luận án tiến sỹ “Nghiên cứu nghiệm của các
phương trình trường chuẩn Yang-Mills và ứng dụng vật lý của chúng”. Trong
đó, tác giả đã nghiên cứu về các nghiệm tĩnh với đối xứng cầu của các phương
trình Yang-Mills cổ điển với nhóm chuẩn

và từ đó nghiên cứu về các

ứng dụng có thể của các nghiệm cổ điển trong các bài tốn lượng tử.
Trong luận án này chúng tơi chọn đề tài “Một số nghiệm soliton của các
phương trình Yang-Mills và ứng dụng”. Nhằm nghiên cứu sâu hơn các
nghiệm soliton của các lý thuyết Yang-Mills và cả Yang-Mills-Higgs, tìm
thêm một số nghiệm mới và các ứng dụng mới. Các kết quả và nội dung mới
của chúng tôi về nghiên cứu nghiệm của các phương trình Yang-Mills so với

các kết quả của các tác giả đã cơng bố có thể nêu vắn tắt như sau:
(i) Chúng tôi nghiên cứu để tìm nghiệm của các phương trình YangMills cho bài tốn có tính đối xứng trục - khi đó các hàm trường phụ thuộc
vào hai biến không gian là và (trường hợp đối xứng cầu thì các hàm
3


trường chỉ phụ thuộc một biến không gian, biến ). Đối với bài tốn này
chúng tơi đã tìm được cả nghiệm số và nghiệm giải tích, đồng thời xây dựng
được bộ chương trình Fotran cho phép giải được các bài tốn tương tự;
(ii) Tiếp theo, chúng tơi khảo sát tính chất các nghiệm thuộc các lớp với
chỉ số topo cao (
);
(iii) Cùng với lý thuyết Yang-Mills đối với nhóm
, xét lý thuyết
Yang-Mills đối với nhóm Lorentz
, cũng là của
– nhóm
đẳng cấu địa phương
– và đề xuất tiệm cận Yang-Mills đối với bài
tốn hạt trong trường hấp dẫn.
Tóm lại, trong lĩnh vực vật lý hạt cơ bản mà công cụ nghiên cứu là Lý
thuyết trường Yang-Mills, việc tìm nghiệm của các phương trình Yang-Mills
và phương trình Wong cũng như phương trình Wong tổng quát là lĩnh vực
còn nhiều vấn đề đang mở phải tiếp tục giải quyết. Với đề tài nghiên cứu đặt
ra, có thể nói đã tiếp cận được các vấn đề thời sự của lý thuyết trường lượng
tử hiện đại và hy vọng có đóng góp vào sự phát triển của hướng nghiên cứu
đã chọn.
2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a) Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu một số vấn đề lý thuyết của các hệ trường Yang-Mills như

các hệ động lực học phi tuyến, cụ thể là các nghiệm soliton của lý thuyết
Yang-Mills và Yang-Mills-Higgs thu được nhờ các ansatz khác nhau, nghiên
cứu các đặc trưng topo của nghiệm, tìm thêm một số nghiệm số và nghiệm giải
tích mới. Ứng dụng các nghiệm để khảo sát tương tác của hạt với trường
gauge bằng phương pháp chuẩn cổ điển, mở rộng các lý thuyết trường chuẩn
đối với các nhóm Unita để áp dụng vào các đối xứng không-thời gian và ứng
dụng để xây dựng cách tiếp cận Yang-Mills cho bài toán hạt trong trường
hấp dẫn.
b) Đối tượng nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu về các lớp nghiệm của các phương trình Yang-Mills,
Yang-Mills-Higgs và nghiên cứu chuyển động của hạt trong trường YangMills trong gần đúng cổ điển.
4


c) Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các đối tượng trên trong phạm vi của nhóm đối xứng
và nhóm đối xứng khơng-thời gian (nhóm Lorentz).

3 Phương pháp nghiên cứu
Trong lý thuyết trường lượng tử hiện đại, song song với kỹ thuật nhiễu loạn
và giản đồ Feynmann, tồn tại chiến lược giải khác, thay thế bài toán của lý
thuyết trường bằng một phiếm hàm Lagrangian hiệu dụng, rồi tìm nghiệm của
hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng đó bằng cách suy ra từ phiếm hàm này.
Sử dụng các ansatz, xây dựng mơ hình tìm nghiệm, mơ phỏng các
nghiệm tìm được về đặc điểm của trường Yang-Mills với một số dạng nguồn
ngoài ứng với các chỉ số topo khác nhau. Các bài tốn lý thuyết trường nói
chung là dẫn đến các phương trình phi tuyến khá phức tạp. Tuy nhiên, bằng
cách khai thác triệt để tính đối xứng của các hệ vật lý và sử dụng phương
pháp số hoá để giải các phương trình, chúng tơi đã thu được một số kết quả
mới trong việc tìm và ứng dụng các nghiệm để làm sáng tỏ một số vấn đề

động lực học của các tương tác.
Tiếp theo, chúng tôi sử dụng ngôn ngữ tốn học bó thớ cùng với việc
tham số hóa vector đối với nhóm
và tham số hóa vector phức đối với
nhóm Lorentz, từ đó xây dựng phương trình Wong tổng qt, rồi tìm nghiệm
của phương trình này để mơ tả chuyển động của hạt trong trường hấp dẫn.

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Luận án nghiên cứu một số vấn đề lý thuyết của một số hệ trường YangMills xem như là hệ động lực học phi tuyến: các soliton topo của hệ YangMills, Yang-Mills-Higgs, Yang-Mills với các nguồn màu ngoài, tương tác
của hạt với các đối tượng này. Những kết quả với ý nghĩa khoa học và thực
tiễn của luận án có thể tóm tắt như sau:
Chúng tơi đã xây dựng được thuật tốn và lập chương trình giải phương
trình Yang-Mills

với nguồn ngồi dạng điểm, dạng sợi dây. Chương

trình cho phép tìm được nghiệm với chỉ số topo tùy ý. Với các nghiệm tìm
5


được, chúng tơi đã tính tốn và vẽ tường minh điện trường, từ trường phi
Abel cũng như mật độ năng lượng với các chỉ số topo khác nhau. Từ đó giúp
ta hiểu rõ hơn về bức tranh tương tác của các hạt cơ bản.
Tìm được lớp nghiệm giải tích dạng vortex cho nguồn ngoài dạng sợi
dây. Đối với trường hợp nghiệm tĩnh đã chứng minh được hiện tượng rẽ
nhánh của đồ thị năng lượng phụ thuộc độ lớn tích màu. Tìm được nghiệm
phụ thuộc thời gian dạng sóng trụ và mang các đặc điểm như: có sự truyền
tải năng xung lượng, nhưng khơng phát xạ màu, do đó tích màu tổng cộng
của nguồn không đổi theo thời gian. Những nghiệm vortex này có thể giúp
cho việc nghiên cứu các loại vật liệu mới.

Đã đề xuất hệ phương trình Wong mở rộng cho trường hợp hạt chuyển
động trong trường Yang-Mills của các nhóm

và

. Dựa trên

phương trình này nghiên cứu bài tốn chuyển động của hạt điểm trong
trường gauge đối với nhóm Lorentz, như là tiếp cận Yang-Mills cho bài toán
hạt trong trường hấp dẫn. Sự đóng góp này của luận án giúp cho việc liên kết
giữa lý thuyết Yang-Mills và lý thuyết hấp dẫn của Einstein, trong đó có so
sánh với lý thuyết hấp dẫn của Newton để đóng góp cho lý thuyết về sự
thống nhất các tương tác.
Các kết quả trên góp phần làm phong phú hơn các hiểu biết về cấu trúc
lý thuyết Yang-Mills, mà hiện nay đang được thừa nhận là lý thuyết đóng vai
trị nền tảng để xây dựng các mơ hình lý thuyết mơ tả các tương tác cơ bản
của tự nhiên.

5 Bố cục của luận án
Luận án gồm 4 chương, phần mở đầu, kết luận, danh mục các cơng trình
và phần phụ lục. Nội dung 4 chương cơ bản như sau:
 Chương 1. Soliton topo trong các hệ trường gauge Abel và phi Abel: Trong
chương này chúng tơi trình bày tổng quan về lý thuyết trường Yang-Mills
. Trong đó, giới thiệu các soliton topo là các nghiệm của các phương
trình Yang-Mills và Yang-Mills-Higgs như: Nghiệm Wu-Yang trong hệ
Yang-Mills khơng có trường Higgs; Với hệ Yang-Mills-Higgs, giới thiệu

6

nghiệm monopole ’t Hooft-Polyakov và nghiệm dyon Julia-Zee; Nghiệm
soliton tới hạn, nghiệm Bogomolny-Prasad-Sommerfield (BPS); Trường
Yang-Mills trong không gian Euclide và nghiệm instanton.
 Chương 2. Nghiệm soliton của hệ Yang-Mills với nguồn ngồi đối xứng
trục: Trong chương này chúng tơi trình bày về nguồn đối xứng xuyên tâm
và đối xứng trục, nghiên cứu về các ansatz để tìm nghiệm đồng thời giới
thiệu một số kết quả mới đã được công bố theo hướng nghiên cứu này;
Trình bày phương pháp mà chúng tơi đã áp dụng để tìm nghiệm và mơ
phỏng một số kết quả mới đã tìm được từ phương pháp này cho bài tốn về
nghiệm của phương trình Yang-Mills với hai nguồn điểm và nguồn ngoài
dạng sợi dây với nghiệm vortex.
 Chương 3. Phương trình chuyển động của hạt màu trong trường chuẩn:
Trong chương này chúng tôi chỉ ra cách suy ra phương trình chuyển động
của hạt màu trong trường chuẩn từ phương trình chuyển động của điện tích
trong trường điện từ của điện động lực cổ điển – phương trình Wong; Suy
rộng phương trình Wong cho trường chuẩn
và
; Nghiên
cứu bài toán chuyển động của hạt trong trường hấp dẫn đối với đối xứng
Lorentz địa phương; Sử dụng hình thức luận bó thớ để nghiên cứu động
lực học Lagrangian của hạt màu trong trường chuẩn
.
 Chương 4. Thế hiệu dụng và quỹ đạo của hạt trong trường chuẩn: Trong
chương này chúng tơi trình bày việc nghiên cứu các kết quả đã được cơng
bố của một số tác giả. Đó là, bài toán về hạt trong trường Wu-Yang, bài
toán về hạt trong trường đơn cực ’t Hooft-Polyakov và trường soliton BPS.
Từ đó, giải bài tốn về chuyển động của hạt trong trường hấp dẫn và so
sánh cách tiếp cận hấp dẫn của lý thuyết Yang-Mills với lý thuyết hấp dẫn
của Einstein và Newton.

7


Chương 1

1 SOLITON TOPO TRONG CÁC HỆ TRƯỜNG GAUGE
ABEL VÀ PHI ABEL

Đối xứng chuẩn định xứ khẳng định tính bất biến của định luật điện-từ
bởi những chuyển dời của điện tích từ điểm này đến điểm kia của khơng-thời
gian. Cũng thế, đối với lực mạnh của hạt nhân nguyên tử thì hai hạt proton
và neutron đều hồn tồn bình đẳng, định luật tương tác mạnh của hạt nhân
cũng không thay đổi bởi sự hoán chuyển proton ↔ neutron ở bất kỳ điểm
nào trong không-thời gian.
Định luật tương tác điện-từ giữa electron với photon cũng có thể xây
dựng theo cách đó. Ban đầu chỉ có một trường electron
, với điều kiện
là hốn chuyển

khơng làm biến đổi dạng của hàm

Lagrange
của electron. Địi hỏi này đưa tới hệ
quả là phải tồn tại một trường 4-vector
. Thực vậy, đạo hàm
áp đặt lên
hữu để triệt tiêu hệ

bó buộc một trường

nào đó phải hiện

và góp phần cho hàm Lagrange bất biến bởi

số

hoán chuyển

. Hơn

nữa, trường

và tensor liên đới

lại tn thủ phương trình Maxwell, vậy
chính là trường photon. Kết quả cuối cùng để cho hàm Lagrange bất biến là
cả hai trường electron
và photon
phải gắn kết với nhau dưới
dạng

,

mà cơng thức này chính là định luật tương tác

điện-từ (QED).
Cũng theo cách lập luận như trên, ta sẽ đi từ đối xứng giữa proton và
neutron trong các quá trình của hạt nhân nguyên tử để phát hiện ra định luật
tương tác của chúng, định luật này là phiên bản đầu tiên của lý thuyết chuẩn
Yang-Mills. Thực thế neutron giống hệt như proton trong những tác động

8


của chúng ở lĩnh vực hạt nhân nguyên tử, vậy phép đối xứng định xứ giữa
hai thành phần proton và neutron của nucleon (ở bất kỳ một điểm nào của
không-thời gian) đòi hỏi tương tác mạnh phải được diễn tả dưới dạng của
một phương trình cụ thể nào đó. Chen Ning Yang cùng đồng nghiệp Robert
Mills (Yang-Mills) bàn luận về tính bất biến của lực mạnh dưới sự hốn
chuyển proton ↔ neutron và đã tìm ra định luật tương tác đáp ứng phép đối
xứng này. Cơng trình cực kỳ phong phú đó gọi là lý thuyết chuẩn YangMills với nhóm đối xứng
giữa hai đối tượng là proton và neutron. Lý
thuyết Yang-Mills mở rộng thuyết điện-từ bởi sự thay thế electron bằng 2
thành phần của nucleon là proton và neutron, nhóm đối xứng
của điệntừ được thay thế bởi nhóm
của Yang-Mills. Có thể tóm lược như sau:
(i) Hốn chuyển giữa proton ⇔ neutron được thực hiện bởi nhóm đối
xứng
với 3 ma trận 2 x 2 của Pauli
viết tắt là vector
ma trận . chuyển thành , chuyển thành ,
giữ nguyên vẹn
và . Đồng hành với vector ma trận là hàm vector
cũng có 3 thành
phần
để cho tích số
của hai vector và
là
một lượng vơ hướng. Lượng

và

và

thay thế, theo thứ tự,

của phép hoán chuyển chuẩn
trong điện-từ.
Với nhóm
, ta có 3 ma trận Pauli nói riêng và với nhóm
ta có
ma trận nói chung.
(ii) Mở đầu là trường nucleon

(có 2 thành phần proton và neutron)

với điều kiện là phép hốn chuyển chuẩn

khơng

làm biến đổi dạng của hàm Lagrange

)

của

nucleon. Đòi hỏi này đưa tới hệ quả là phải hiện hữu 3 tứ-vector

, viết

gọn là

(

, đó là 3 boson chuẩn của nhóm SU(2). Tính tốn ma trận cho
thay thế tensor

ta tensor

của điện-từ. Chính sự hiện hữu của tích số vector

, đặc trưng

của lý thuyết Yang-Mills, là do tính khơng giao hốn của các ma trận Pauli.
(iii) Từ nhóm
ban đầu, ta mở rộng sang các nhóm đối xứng
khác. Boson chuẩn của điện từ (photon) được thay thế bởi
boson chuẩn mở rộng . Các boson chuẩn Yang-Mills trực tiếp tác động
với nhau qua số hạng được mở rộng

với
9

thành phần.


Mô phỏng phương pháp này vào trường hợp của quark mang tích màu
(sắc tích) bằng cách thay thế nhóm đối xứng
giữa proton và neutron
bởi nhóm đối xứng
giữa 3 sắc tích của quark, thuyết Yang-Mills xây

dựng với
do đó mang tên Sắc động lực học lượng tử và boson chuẩn
của nó là 8 gluon. Đối xứng chuẩn định xứ giữa ba tích màu của quark diễn
tả tính bất biến của QCD bởi những chuyển rời của sắc tích từ một điểm
khơng-thời gian này đến một điểm không-thời gian kia.
Bằng cách lựa chọn nhóm chuẩn
, các nhà vật lý lý
thuyết đã xây dựng được lý thuyết thống nhất cho tương tác điện từ - yếu (mơ
hình Weinberg - Salam), cịn nếu chọn nhóm chuẩn là
, ta sẽ được lý thuyết thống nhất điện từ - yếu - mạnh (mơ hình chuẩn
– Standard Model). Nếu thay nhóm chuẩn của mơ hình chuẩn bằng nhóm
ta sẽ được lý thuyết thống nhất lớn (Grand Unified Theory).
Như vậy, mặc dù có tới bốn tương tác cơ bản, nhưng trừ tương tác hấp
dẫn, các tương tác còn lại đều được diễn tả thông qua một ngôn ngữ duy
nhất, đó là ngơn ngữ trường chuẩn. Do tính phổ qt của lý thuyết YangMills trong nghiên cứu vật lý hạt cơ bản mà dẫn đến việc tìm nghiệm của
phương trình này trong những mơ hình vật lý khác nhau ln là đề tài hấp
dẫn các nhà vật lý. Trong phần này ta sẽ điểm qua một số kết quả đã được
cơng bố của các tác giả về việc tìm nghiệm soliton của các phương trình
Yang-Mills và Yang-Mills-Higgs.
Soliton là những nghiệm của các phương trình trường cổ điển phi tuyến.
Chúng được cho là định xứ, có năng lượng hữu hạn và cấu trúc ổn định
giống như những đối tượng hạt thông thường. Những soliton và những đa
soliton (multi-solitons) sở dĩ có cấu trúc ổn định là do chúng mang tích topo
, đó là số nguyên đặc trưng cho hạt và chúng là đại lượng được bảo tồn.
Sự bảo tồn của khơng phải do định lý Noether mà do cấu trúc topo của
soliton. Mỗi soliton được mô tả bởi tập hợp các tọa độ trong mơ hình. Tập
hợp các tọa độ được coi như không gian moduli.
Bogomolny [11] đã chỉ ra rằng, trong các lý thuyết trường thì năng
lượng của soliton bị chặn dưới bởi một đa tích topo và dấu đẳng thức chỉ xảy
nếu như trường thỏa mãn trật tự đầu tiên PDE. Bởi vì phương trình

Bogomolny khơng chứa thời gian, những nghiệm của nó là những nghiệm
tĩnh. Hơn nữa, chúng là những nghiệm ổn định trong cấu trúc topo chúng có
năng lượng cực tiểu.
10


Nếu một đơn soliton có tập hợp tọa độ thì soliton sẽ có một khơng gian
moduli với
chiều. Đa tạp
chiều này có cấu trúc một ma trận, nó mơ tả
những sự tương tác của các soliton. Đôi khi thế của trường cũng được định
nghĩa trên không gian moduli. Trong trường hợp khơng tồn tại thế, khơng có
lực tương tác giữa các soliton tĩnh và các tương tác bị chi phối bởi dạng hình
học của khơng gian moduli thì năng lượng tỉ lệ với số lượng các soliton.
Những thí dụ về các soliton được các nhà vật lý quan tâm nhiều:
 Kinks với một chiều;
 Vortices trong lý thuyết gauge với trường Higgs của trường hợp
hai chiều [12];
 Lumps trong những lý thuyết trường vô hướng phi tuyến ( models) với hai chiều [13];
 Monopoles trong ba chiều của những lý thuyết Gauge/Higgs [14,
15];
 Solitons trong ba chiều -models (được biết đến như những
Skyrmion) [16, 17];
 Instantons trong những lý thuyết thuần gauge của bốn chiều [18]

1.1 Hệ Yang-Mills khơng có trường Higgs: Nghiệm Wu-Yang
Phần này ta sẽ xem xét các nghiệm của phương trình Yang-Mills trong
khơng gian Minkowski. Phương trình chuyển động của lý thuyết thuần gauge
có dạng
(1.1)

trong đó là hằng số tương tác của trường gauge trong lý thuyết
;
các ký tự Latin và Hy lạp tương ứng chạy từ
và
, tensor metric
được chọn là
; thế gauge và tensor cường độ trường lần lượt
được xác đinh bởi
,
[
]
còn tensor cường độ trường dạng thành phần
. Phương trình (1.1) bất biến dưới phép biến đổi của nhóm gauge
. Các nghiệm của phương trình này được biết đến đó là: nghiệm sóng
phẳng phi Abel [19], nghiệm monopole phi Abel, và một số các lớp nghiệm
phức thu được từ các lớp ansatz. Một nghiệm thực tiêu biểu trong không
11


gian Minkowski đó là cặp meron-phản meron. Hầu hết các nghiệm này đều
mang tính thuần túy tốn học mà ít có ý nghĩa vật lý thực tế. Tuy vậy cũng
có những nghiệm quan trọng với ý nghĩa vật lý nhất định như nghiệm
monopole Wu-Yang, nó được coi là một dây các monopole tự do trong
trường hợp phi Abel.
Nghiệm monopole Wu-Yang là nghiệm monopole tự do của lý thuyết
thuần
. Nghiệm này đã được tìm ra đầu tiên bởi Wu và Yang [20] với
trường hợp
(sau đó được Jualia và Zee [21], Hsu và Mac [22] mở
rộng cho trường hợp

) bằng cách đưa vào ansatz sau (gọi là ansatz
Wu-Yang)
[

]

(1.2)

Thế các ansatz này vào (1.1), ta được hệ phương trình sau
(

(1.3)

)

Phương trình (1.3) có hai nghiệm hằng là

và

, chúng là những nghiệm vacuum với
nghiệm thứ nhất, còn đối với nghiệm thứ hai

đối với

(

là thế gauge thuần). Nghiệm

hằng số khơng tầm thường là
(1.4)

, thì

Khi
hằng số. Với

, ta có

trong đó

thế gauge khơng triệt tiêu tại vơ cùng

là những
̂

Dù

có sự đóng góp này của thế gauge nhưng nó có thể thay đổi bởi phép biến
đổi gauge. Vì vậy, với sự tương đương gauge, phương trình (1.4) chỉ cịn lại
.
Để có cách nhìn tổng thể và thuận lợi cho việc so sánh các nghiệm của
Wu-Yang trong hệ Yang-Mills khơng có trường Higgs này, ta hãy chỉ ra đây
một tam tuyến Higgs mà Lagrangian của nó trong lý thuyết gauge
được cho bởi

12


(1.5)
ở đây
(1.6)

(1.7)
và thế Higgs là
(
là chỉ số

chỉ số
, còn cả

và

(1.8)

)
và

bất biến dưới phép biến đổi cục bộ

biến đổi như các biểu diễn phó. Mặt khác, thế Higgs

phải khơng triệt tiêu tại vơ cùng cịn thế năng phải triệt tiêu tại đó. Do vậy,
bất kể nghiệm vật lý nào cũng phải thỏa mãn
̂
)
(1.9)
√
Điều này giống như việc phá vỡ đối xứng trong lý thuyết lượng tử, mà ở đó
mong muốn rằng vacuum có giá trị khác khơng 〈 〉
.
(

Bây giờ, ta sẽ nghiên cứu một Lagrangian của thế gauge thuần YangMills, có dạng
(

)

(1.10)
(1.11)

Để thế năng tại vơ cùng phải triệt tiêu, địi hỏi
(1.12)
Từ sự tương ứng Julia-Zee [21], nếu chọn
(1.13)
thì nghiệm của lý thuyết thuần Yang-Mills (1.10) và nghiệm của lý thuyết
Yang-Mills-Higgs (1.5) sẽ giống nhau về mặt toán học.

13


Trở lại với vấn đề nghiệm Wu-Yang. Phương trình (1.13) cho ta thấy
rằng, bất kể nghiệm tĩnh nào của lý thuyết thuần
cũng có thể coi như
nghiệm của lý thuyết (1.5) mở rộng trong giới hạn nói trên. Do vậy mà
phương trình (1.4) cũng gợi ý một nghiệm tương tự như lý thuyết đó. Ansatz
thích hợp cho sự tương ứng này của phương trình (1.2) là

[

(1.14)

]

Phương trình chuyển động thu được từ Lagrangian (1.5) có dạng là
[

(
(

)

]
(1.15)

)

Sử dụng các ansatz (1.14) ta được phương trình rút gọn của (1.15) thành
(

)

(

(1.16)

)

phương trình này có dạng hồn tồn tương tự như (1.3) khi

.

Cịn đối với trường hợp

thì phương trình này khơng cịn
nghiệm hằng số nữa. Từ (1.16) ta tìm được

[

]

ở đây, ta sử dụng các ký hiệu

Với (1.15), phương trình thứ nhất ứng với trường hợp tầm thường khi
cịn khi

thì nó trở thành
[

( )

]

14

,


và phương trình thứ hai của (1.15) trở thành
[

( )

]

Từ (1.16) ta thu được

Xuất phát từ phương trình (1.2) và (1.14) nên đơi khi người ta dùng thuật
ngữ “bán kính gauge”. Sự tương ứng mà ta đã chỉ ra ở đây là điều rất thuận
lợi cho việc tìm nghiệm của các phương trình chuyển động (1.3) và (1.16)
trong trường hợp thuần gauge.
Một loại gauge khác mà được gọi là “string gauge” hay “unitary gauge”,
với dạng biến đổi cục bộ

(

ký hiệu ̂

)

(1.17)

là vector phương vị trong không gian gauge (được xác

định như hướng trong không gian ba chiều), tức là trên trục
mỗi điểm là ̂

thì tọa độ của

. Phép biến đổi này là khơng liên tục dọc theo phía âm

của trục . Những thế gauge unita

thu được từ ansatz (1.2) hay (1.14) bởi

phép biến đổi (1.17) là

(

)

[̂

̂

]
(1.18)

(

[ ̂

)
(

)

̂

]

[ ̂]

ở đây ̂ và ̂ là vector đơn vị trực giao với góc cực

và

gian. Những thế

. Khi có phá vỡ đối

và

được xác định bởi hàm
15

trong 3-không


xứng tự phát thì

là thành phần khối lượng của trường gauge. Nhưng

thì khơng phụ thuộc vào

mà nó được xác định bởi dạng của

hay

ansatz (1.2).
Trở lại với nghiệm (1.4) ở trên, trong trường hợp string gauge nó trở
thành

(1.19)

(

)

[ ̂]

đây là nghiệm đầu tiên được tìm ra bởi Wu và Yang vào năm

Với

1968 [20] và đó chính là nghiệm monopole. Cịn đối với
như là nghiệm dyon với điện tích

thì có thể coi

trong lý thuyết

thuần

gauge.

1.2 Hệ Yang-Mills-Higgs: Nghiệm monopole ’t Hooft-Polyakov và
dyon Julia – Zee
Trong phần này ta sẽ xem xét một số nghiệm của lý thuyết gauge
tương ứng với sự phá vỡ đối xứng gauge

. Một trong số nghiệm nổi

tiếng thuộc lĩnh vực này của lý thuyết trường lượng tử là nghiệm monopole
của ’t Hooft-Polyakov.

1.2.1 Nghiệm monopole 't Hooft-Polyakov

’t Hooft [15] và Polyakov [23, 24] đã tìm ra (một cách độc lập) nghiệm
monopole của lý thuyết gauge với tam tuyến Higgs. Đây là nghiệm khơng kỳ
dị và có năng lượng hữu hạn. Nó biểu diễn những trạng thái định xứ, mở
rộng và bền về topo.

16