Phạm Quang Hưng (1950-2024), hưởng thọ 74 tuổi
P.Q. Hung Ph.D., 1978, UCLA
Giáo sư Phạm Quang Hưng sinh năm 1950, quê gốc ở Ninh Bình. Từ nhỏ, ông đã cùng gia đình di cư vào Sài Gòn sinh sống. Năm 18 tuổi, ông sang Canada, sau đó đến Mỹ để theo đuổi đam mê vật lý tại Học viện Công nghệ Illinois và lấy bằng tiến sĩ tại Đại học UCLA (University of California).
Năm 1982, khi 32 tuổi, ông được mời đến làm việc, nghiên cứu tại Đại học Virginia – trường đại học được thành lập năm 1819 bởi “cha đẻ” của bản Tuyên ngôn Độc lập Mỹ – ông Thomas Jefferson. Tại Virginia, giáo sư Hưng lấy bằng phó giáo sư ở tuổi 38 và trở thành giáo sư chính thức ở tuổi 45.
Đến nay, giáo sư Phạm Quang Hưng đã có gần 120 bài báo, công trình nghiên cứu quan trọng. Nhiều nghiên cứu, phát hiện của ông gây tiếng vang lớn, trong đó thuyết hợp nhất nhỏ giữa 3 lực (yếu, mạnh và điện từ) của ông tiên đoán về sự tồn tại của những hạt cơ bản chưa tìm thấy, có giá trị thực nghiệm rất cao.
Lời nói đầu
Giáo sư Phạm Quang Hưng vừa mất chiều 7-10 tại Virginia (Mỹ) tức ngày sáng ngày 8/10/2024 giờ Việt Nam, hưởng thọ 74 tuổi. Đây là một mất mát to lớn cho cộng đồng khoa học, vật lý, và cho Việt Nam. GS Hưng là một nhà vật lý hạt thành đạt và dấn thân cho các hoạt động vật lý cho Việt Nam, cho giáo dục, cho hướng dẫn nghiên cứu sinh Việt Nam.
Anh có trong diễn đàn edu-sci của chúng tôi từ thập niên 2000, tham gia vào số Kỷ yếu Max Planck 2008. Dưới đây tôi xin đăng lại bài của Anh, để tưởng nhớ Anh.
Sau Cao Huy Thuần, Chu Phạm Ngọc Sơn, Võ Tòng Xuân và nhiều người “lính già” kiên cường khác trên mặt trận khoa học, học thuật, đến lượt Phạm Quang Hưng ra đi. Làm sao nói hết nỗi thương tiếc các anh? Các anh là những chiến sĩ, các anh không chết, mà chỉ phai nhạt dần. Xin Anh hãy bình yên ở cõi Vĩnh Hằng. Việt Nam sẽ vẫn tưởng nhớ đến Anh, cùng các bạn chiến đấu thế hệ trước, cho một nước Việt Nam phát triển, tươi sáng và hạnh phúc.
Nguyễn Xuân Xanh
Abstract. The invention of Quantum Theory and the Theory of Relativity at the beginning of the 20th century have led to the most important revolution in physics which is continuing to influence the way we understand the structure of matter at its deepest level and the universe from its infancy to its far-distant future. The startling discovery in 1998 of an expansion of our universe which is accelerating instead slowing down as earlier expected reveals the “presence” of an unknown form of energy, the so-called Dark Energy, which could have a profound impact on our understanding of the physical universe. In this article, we will present the development of crucial ideas from Quantum Theory and the Theory of Relativity to the Standard Model of Elementary Particles which successfully describes the interactions of the building blocks of matter, and finally to the mystery of the Dark Energy and its implications.
I/ Mở đầu
Nhìn lên bầu trời đêm, chúng ta không chỉ thấy dải Ngân Hà, thiên hà của chúng ta, mà còn thấy một số thiên hà khác nữa. Ngân Hà và các thiên hà lân cận tạo thành một cụm thiên hà, và nhóm này được các nhà thiên văn học gọi là “Cụm Thiên Hà Địa Phương” (Local Group). Qua một kính thiên văn tốt, chúng ta còn có thể thấy thêm nhiều nhóm và cụm thiên hà khác trải rộng trên bầu trời. Các quan sát cho thấy các nhóm và cụm thiên hà càng xa chúng ta thì chuyển động ra xa chúng ta càng nhanh. “Vũ trụ không chỉ bao gồm rất nhiều thiên hà mà vũ trụ còn đang tự giãn nở!” – Đó chính là khám phá cực kỳ uyên thâm của Edwin Hubble vào cuối thập kỷ 20 của thế kỷ trước.
Trong một khoảng thời gian dài mọi người đã cho rằng tốc độ giãn nở của vũ trụ sẽ giảm dần do lực hấp dẫn giữa các thiên hà, và nhìn chung, bầu trời đêm sẽ vẫn giống như hiện nay cho tới tận “ngày tận thế”. Tuy nhiên, một khám phá quan trọng vào năm 1998 đã xoay chuyển cách nhìn của chúng ta về vũ trụ và số phận của nó. Khám phá này cho thấy tốc độ tự giãn nở của vũ trụ ngày càng tăng – “vũ trụ tăng tốc” – thay vì ngày càng giảm như những dự đoán trước đây. Trong một tương lai xa (vài tỷ năm hoặc nhiều hơn nữa), Ngân Hà sẽ trở thành một thiên hà đứng lẻ loi, xung quanh là khoảng 30 thiên hà “hàng xóm” cùng thuộc Cụm Địa Phương. Tất cả các nhóm và cụm thiên hà khác đang hiện hữu trên bầu trời đêm, về cơ bản, sẽ biến mất khỏi tầm nhìn của chúng ta và sẽ tiến ra xa chúng ta ngày càng nhanh hơn.
Tại sao vũ trụ đang giãn nở? Tại sao tốc độ giãn nở của vũ trụ đang tăng lên? Để hiểu được sự giãn nở của vũ trụ cũng như để cảm nhận được những thách thức phải đối mặt trên còn đường tìm kiếm lời giải thích cho sự tăng tốc của vũ trụ, chúng ta cần ngược thời gian trở về những năm đầu thế kỷ 20 khi mà nền móng của cuộc cách mạng trong vật lý bắt đầu được tạo dựng bởi hai nhà khoa học vĩ đạị nhất trong lịch sử thế giới hiện đại: Max Planck and Albert Einstein. Hành trình khám phá của chúng ta sẽ đi theo từng hướng phát triển như sau: đi từ Giả thuyết Lượng tử của Planck đến Cơ học lượng tử, và đích đến là Lý thuyết Trường Lượng Tử – lý thuyết cơ sở để mô tả các quá trình vật lý của các hạt cơ bản; đi từ Thuyết Tương Đối Hẹp đến Thuyết Tương Đối Rộng, và đích là Vũ Trụ Học. Độc giả sẽ thấy sự phát triển theo hai hướng này được hòa quyện vào nhau như thế nào trong việc mô tả quá khứ, hiện tại và số phận cuối cùng của vũ trụ.
II. Từ giả thuyết lượng tử tới lý thuyết trường lượng tử và mô hình chuẩn của các hạt cơ bản
Sự nghiệp của Max Planck và Albert Einstein có quãng trùng lên nhau một cách cực kỳ thú vị, và những quãng trùng trong sự nghiệp của hai ông đều liên hệ đến hai sự phát triển khoa học cơ bản nhất thời kỳ đó, hai phát minh vẫn vang dội ngay cả trong thế kỷ 21 này. Hai phát minh đó là gì và chúng có liên hệ gì với thuật ngữ đầy huyền bí “Năng lượng tối” (Dark Energy) – Trả lời cho hai câu hỏi này sẽ là mục tiêu chính của bài báo. Tuy nhiên, để nắm được những ý tưởng quan trọng liên quan đến hai khám phá này, chúng ta sẽ bắt đầu bằng việc tìm hiểu một chút về khía cạnh lịch sử. (Do tính sơ lược của phần này, việc bỏ qua một một số sự kiện quan trọng đã đóng góp cho những phát minh này là điều không thể tránh khỏi).
Một điều không phải bàn cãi rằng thuyết Lượng tử chính là một trong hai cuộc cách mạng khoa học lớn nhất của thế kỷ 20. Thuyết lượng tử lần đầu tiên được Max Planck đề cập đến vào năm 1900. Để giải quyết “tai biến tử ngoại” trong lý thuyết cổ điển về bức xạ của vật đen tuyệt đối, Max Planck đã cho rằng bức xạ gồm những “bó” năng lượng gián đoạn. Giả thuyết này rất phù hợp với phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối tại cả vùng sóng dài (vùng nghiệm đúng định luật Rayleigh –Jeans) và vùng sóng ngắn (vùng mà định luật Rayleigh –Jeans không giải thích nổi). Tuy nhiên ý nghĩa vật lý của giả thuyết này đã không được nhận ra cho tới tận năm 1905, khi Einstein viết một bài báo để giải thích hiệu ứng quang điện (hiệu ứng xảy ra khi ánh sáng chiếu tới một bề mặt làm electron bắn ra khỏi bề mặt đó) – đây chính là một trong bài báo đã cách mạng hóa toàn nền vật lý.
Điều quan trọng là Einstein đã tiến một bước xa hơn Max Planck khi ông cho rằng phép lượng tử hóa năng lượng Planck không đơn thuần là một mô hình giả tưởng toán học mà đó chính là một thực tại vật lý với việc nhìn nhận năng lượng ánh sáng như những lượng tử mang năng lượng gián đoạn hf (h là hằng số Planck và f là tần số của ánh sáng). Mỗi lượng tử ánh sáng này được gọi là photon. Photon là một khái niệm mang tính đột phá cao vì thông thường ánh sáng vẫn được mô tả dưới dạng sóng với đầy đủ các hiên tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng quan sát được trong quang học. Với quan niệm mới này ánh sáng được nhìn nhận như chùm các hạt photon, và hiệu ứng quang điện được giải thích một cách thỏa đáng trên cơ sở cho rằng một photon đã va chạm với một electron trên bề mặt và truyền toàn bộ năng lượng của mình cho photon đó. Khái niệm photon cũng cho phép giải thích hiện tượng năng lượng tia X bị giảm sau khi tán xạ trên các loại bề mặt khác nhau (hiệu ứng Compton).
Cuộc cách mạng về quan niệm tiếp theo được thực hiện bởi Louis de Broglie, người đã đặt ra những câu hỏi: Nếu sóng điện từ có thể nhìn nhận như các hạt (photon), thì liệu các hạt –chẳng hạn như electron- có thể được nhìn nhận như một sóng không? Nếu giả thuyết này được chấp nhận thì mỗi hạt còn có thể được mô tả dưới dáng sóng với bước sóng là bước sóng de Broglie. Nếu electron đôi khi thể hiện tính chất sóng thì việc quan sát được những hiện tượng đặc trưng của sóng electron, chẳng hạn như nhiễu xạ electron, phải là khả thi. Quả thực, lưỡng tính sóng-hạt đã được kiểm nghiệm thành công bằng hai thí nghiệm quan trọng của C.J. Davisson, L. H. Germer và G. P. Thomson.
Ý tưởng về lượng tử năng lượng của Max Planck đã tạo cơ sở cho sự phát triển hàng loạt những quan niệm mới như đã nêu ở trên. Chính sự phát triển này đã dựng nền tảng cho một trong hai phát minh khoa học cơ bản nhất của thế kỷ hai mươi: Cơ học lượng tử. Những thành công ban đầu của giả thuyết lượng tử trong việc mô tả một số hiện tượng vật lý như hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton đã mở rộng những cánh cửa cho một cách nhìn hoàn toàn mới về bản chất của vật chất. Trong một thời gian dài, quang phổ nguyên tử chỉ được “giải thích” bằng những công thức đúc kết từ kinh nghiệm (Balmer, Lyman và Paschen). Mãi cho đến năm 1912, những công thức này được xây dựng lại trên cơ sở lý thuyết lượng tử mới đề xuất bởi Niels Bohr. Trong lý thuyết lượng tử mới, nguyên tử hydro được mô tả như một hệ thống bao gồm một electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh proton mang điện tích dương. Tuy nhiên, lý thuyết điện động lực học cổ điển đã tiên đoán rằng một hệ thống như vậy là hoàn toàn không bền vì chuyển động có gia tốc của electron xung quanh proton sẽ làm electron mất dần năng lượng và cuối cùng sẽ rơi vào proton. Để tránh được mâu thuẫn này và xây dựng lại được chuỗi Balmer và Paschen, Bohr cho rằng electron chuyển động trên các quỹ đạo tròn bền vững và độ lớn của mô men xung lượng của electron trên các quỹ đạo này không liên tục như trong cơ học cổ điển mà chỉ có những giá trị gián đoạn tỷ lệ với hằng số Planck. Hơn nữa, electron có thể “nhảy” từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác bằng cách hấp thụ hoặc bức xạ một photon có năng lượng hf bằng hiệu số giữa hai mức năng lượng của hai quỹ đạo. Mặc dù hoàn toàn phù hợp cho nguyên tử hydro, mẫu nguyên tử Bohr vẫn tồn tại hai hạn chế lớn: tính khiên cưỡng của việc lượng tử hóa mô men xung lượng và không thể tổng quát hóa mô hình này để áp dụng cho những nguyên tử phức tạp hơn.
Tuy nhiên, nếu cho rằng electron trên quỹ đạo kín có tính chất sóng thì sự lượng tử hóa mô men xung lượng sẽ được giải thích thỏa đáng trong khuôn khổ lưỡng tính sóng hạt của de Broglie. Đây chính là điểm khởi đầu cho một trong những phát triển thành công nhất trong vật lý hiện đại : Cơ học lượng tử (hoặc Cơ học sóng). Nếu các lượng tử ánh sáng có thể được xem như sóng điện từ với các tính chất được mô tả bởi phương trình sóng quen thuộc thì liệu electron có thể có “phương trình” sóng riêng của nó không? Erwin Schrödinger đã có câu trả lời vào năm 1925 khi ông đưa ra phương trình Schrödinger -một trong những phương trình nổi tiếng nhất trong vật lý. (Cùng thời gian này, một phương trình tương tự của cơ học lượng tử cũng được trình bày bởi Werner Heisenberg). Phương trình Schrödinger không chỉ dẫn đến sự lượng tử hóa năng lượng như đã gặp trong thuyết lượng tử trước đây mà còn dự đoán một số hiện tượng thường bị cấm trong lý thuyết cổ điển (chẳng hạn như sự tồn tại của “đường hầm lượng tử” từ trạng thái này tới một trạng thái khác phân cách bằng một hàng rào thế cao). Một điều rất ấn tượng là đã 80 năm qua kể từ khi phương trình Schrödinger xuất hiện lần đầu tiên, nhưng phương trình này hiện vẫn được áp dụng rộng rãi để mô tả nhiều hiện tượng vi mô.
Bên cạnh những thành công nổi bật của mình, phương trình Schrödinger cũng có những hạn chế riêng: phương trình này không thể áp dụng cho những hạt chuyển động với vận tốc gần vận tốc ánh sáng cũng như không thể mô tả hạt có spin. Như chúng ta sẽ thấy dưới đây, để nghiên cứu các hạt chuyển động với vận tốc cao như vậy chúng ta phải áp dụng thuyết tương đối của Albert Einstein. Một câu hỏi có thể đặt ra cho chúng ta lúc này là: lý thuyết tương đối có ảnh hưởng gì đến Cơ học lượng tử? Sự thật thì sự kết hợp giữa lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử đã cho ra đời một trong những lý thuyết thành công nhất, có thể mô tả vật chất ở mức độ sâu nhất: Lý thuyết Trường lượng tử.
Nói một cách công bằng, không một ai khác ngoài Paul. A. M. Dirac- một trong những nhà Vật lý quan trọng nhất của thế kỷ 20- đã sáng lập ra lý thuyết Trường lượng tử. Bên cạnh những đóng góp to lớn trong lĩnh vực Cơ học lượng tử, những gì Dirac viết ra chính là những viên gạch để dựng thành lý thuyết Trường lượng tử. Phương trình Dirac chính là phương trình sóng tương đối tính cho electron, hay nói một cách tổng quát, cho bất cứ hạt nào có spin bằng ½. Ký hiệu spin bằng ½ cho electron đưa ra bởi Pauli vào năm 1924 được suy ra trực tiếp từ phương trình Dirac. Vẻ đẹp của phương trình Dirac là ở chỗ nó thể hiện được các nguyên lý của cả cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối hẹp, đồng thời phương trình Dirac đưa đến tiên đoán đầu tiên về sự tồn tại của các phản hạt: electron mang điện âm có phản hạt của mình là positron mang điện dương với khối lượng bằng khối lượng của electron. Positron đã được tìm thấy ngay sau đó (1932) bởi Carl Anderson.
Sự tiên đoán về sự tồn tại của positron cùng với việc tìm thấy positron bằng thực nghiệm đã dẫn tới việc xây dựng lý thuyết trường lượng tử thành một công cụ tương đối tính hoàn hảo để mô tả các hạt sơ cấp và tương tác giữa chúng. Sự phát triển này xuất phát từ thực tế rằng nếu chỉ có riêng phương trình Dirac thì chỉ có thể mô tả được một hạt riêng biệt, giống như trường hợp của phương trình Schrödinger. Hơn nữa, phương trình Dirac còn nghiệm đúng với cả các giá trị năng lượng âm, và thông qua “lý thuyết lỗ trống” hạt với năng lượng âm được hiểu thành phản hạt với năng lượng dương. Những hiện tượng như sinh cặp hoặc hủy cặp electron – positron là không thể giải thích được nếu phương trình sóng Dirac chỉ đại diện cho một hạt. Việc nâng hàm sóng thành một khái niệm của trường, với trường điện từ là một ví dụ quen thuộc, đã giải quyết được vấn đề này một cách tốt đẹp. Một ví dụ từ điện động lực học cổ điển có thể minh họa cho cách tiếp cận này. Chúng ta biết rằng trường điện từ bên trong một hốc trống có thể được phân tách thành những “mode” chuẩn, và ta có thế xem các “mode” chuẩn này như các dao động điều hòa. Sự lượng tử hóa của dao động điều hòa là kết quả quen thuộc trong cơ học lượng tử. Liệu ta có thể liên hệ hai kết quả này với nhau?
Trong cơ học lượng tử phi tương đối tính với biểu diễn Heisenberg, các quy tắc thông thường của phép nhân không được áp dụng: a nhân b không giống như b nhân a. Trong trường hợp đặc biệt, vị trí nhân với xung lượng (cả hai đều là “toán tử” theo cách gọi của toán học cao cấp) trừ đi phép nhân đảo ngược (còn gọi là giao hoán tử của xung lượng và tọa độ) có kết quả tỷ lệ với hằng số Planck! (Chính mối quan hệ này đã dẫn tới nguyên lý bất định Heisenberg nổi tiếng). Ý tưởng trung tâm trong Lý thuyết Trường Lượng tử là áp đặt mối quan hệ giao hoán giống như trên cho trường (có vai trò như vị trí) và liên hợp phức của nó (có vai trò như xung lượng). Áp dụng cho ví dụ ở trên, điều này dẫn đến việc các dao động điều hòa bị lượng tử hóa. Từ đó ta có thế thấy rằng hạt có thể được sinh ra hoặc bị hủy đi: Trường đã trở thành trường lượng tử! Sự thấu hiểu sâu sắc này là điều cốt yếu trong bước phát triển tiếp theo của lý thuyết hiện đại về vật chất và tương tác của chúng, với khởi đầu là phiên bản lượng tử của điện động lực học cổ điển: Điện động lực học lượng tử (QED). Trong phiên bản đầu tiên của Dirac, QED đã gặp trục trặc nghiêm trọng với một số tính toán khi đưa đến những kết quả vô lý (chẳng hạn như vô hạn). Những trục trặc này đã được giải quyết vào cuối thập kỷ 40 trong công trình đột phá của Richard Feynman, Julian Schwinger và Shin-itiro Tomonaga có tên là Tái chuẩn hóa. Nói một cách ngắn gọn, tất cả những vô hạn đã được trao đổi thành một số đại lượng hữu hạn có thể đo được bằng thực nghiệm, chẳng hạn như khối lượng và hằng số liên kết điện từ của electron. Một trường lượng tử có tính chất này được gọi là một trường chuẩn. Những tính toán tiếp theo sẽ được biểu diễn qua những thông số hữu hạn này. Ngay sau sự ra đời của khái niệm tái chuẩn hóa, một vài đại lượng vật lý trong QED đã được tính toán bằng phương pháp này và cho kết quả rất phù hợp với thực nghiệm.
Những hiểu biết về lý thuyết trường lượng tử, chẳng hạn như QED, đã dẫn đến một thống nhất chung là bất cứ một lý thuyết nào thành công trong việc mô tả các hạt cơ bản và tương tác của chúng đều phải thỏa mãn tiêu chuẩn Tái chuẩn hóa. Vào khoảng giữa thập kỷ 30, Enrico Fermi đã đưa ra một lý thuyết đơn giãn để giải thích phân rã phóng xạ beta (β), trong đó ông đã sử dụng những gợi ý của Wolfgang Pauli về sự tồn tại của một loại hạt mới không mang điện: neutrino. Đây chính là sự xuất hiện sớm nhất của một loại tương tác có tên là tương tác yếu. Nói một cách đơn giản, quá trình này mô tả sự phân rã của một neutron thành một proton, một electron và một phản neutrino và sự phân rã này xảy ra ở cùng một điểm trong không-thời gian 4 chiều. Thực ra lý thuyết của Fermi chỉ đúng trong trường hợp đơn giản. Ngay ở phép gần đúng trên phép gần đúng thấp nhất, lý thuyết này đã phải đối mặt với những vô hạn vô lý như đã đề cập đến ở phần trên: lý thuyết Fermi là lý thuyết không chuẩn hóa được.
Một phần trong lý thuyết Fermi làm chúng ta nhớ lại bài học về QED. Tuy nhiên trong trường lượng tử tồn tại một toán tử có tên là toán tử chẵn lẻ (parity), dưới tác dụng của toán tử này các tọa độ không gian sẽ đổi dấu. Một lý thuyết được gọi là bất biến chẵn lẻ (parity invariant) nếu nó không thay đổi dưới tác dụng của toán tử này. Mặc dù rõ ràng rằng tương tác điện từ bất biến đối với phép nghịch đảo không gian, chúng ta không có có lý do gì để cho rằng điều này cũng xảy ra với tương tác yếu. Vào năm 1957, C. N. Yang và T. D. Lee đã đưa ra hàng loạt các phép thử xem tương tác yếu có vi phạm phép nghịch đảo không gian hay không. Ngay sau đó, dưới sự gợi ý của Lee và Yang, Mme C. S. Wu đã khám phá ra rằng tính chẵn lẻ đã bị vi phạm trong tương tác yếu. Tiếp theo, bản chất không thời gian trong tương tác yếu đã được xác định qua những công trình của Richard Feynman, Murray Gell-Mann, Robert Marshak, E. Sudarshan và J. J. Sakurai. Sau đó, lý thuyết tương tác yếu đã trở nên gần như hoàn hảo ngoại trừ việc nó vẫn bị quấy rầy bởi căn bệnh “vô hạn”.
Ngôn ngữ của lý thuyết trường lượng tử đã đưa đến một cách nhìn tượng hình về tương tác giữa các electron với nhau: một electron bức xạ một photon và photon này bị hấp thụ bởi electron kia. Do lực tương tác điện từ giữa hai electron có thể tác động trong một khoảng cách vô hạn (lực tương tác xa) nên photon -hạt mang của lực điện từ – có khối lượng bằng không. Tương tự với điện từ trường, Lee và Yang cho rằng vì tương tác yếu là lực tương tác gần nên tương tác yếu có trung gian là các hạt nặng và tương tự như photon, những hạt này được gọi là bozon vectơ trung gian W. Giả thuyết này đã làm giảm bớt phần nào vấn đề “vô hạn” của lý thuyết Fermi, nhưng như thế vẫn chưa đủ thỏa đáng. Chúng ta cần một ý tưởng mới.
Ý tưởng mới đó chính là khái niệm về lý thuyết trường gauge được đưa ra vào năm 1918 bởi Herman Weyl. Herman Weyl đã cho rằng việc các trường điện từ liên kết với điện tử chẳng hạn được sinh ra một cách tự phát từ điều kiện rằng ta có thể gán pha cho hàm sóng của điện tử một cách độc lập tại mỗi điểm trong không-thời gian. Đây là một ví dụ đầu tiên của lý thuyết gauge mà trong đó trường gauge là photon. Khái niệm trường gauge sau đó được tổng quát hóa bởi C. N. Yang và R. Mills vào năm 1954 thành một đối xứng chi phối các tương tác mạnh giữa proton và neutron. Một cách tổng quát, sự bất biến của lý thuyết dưới tác dụng của đối xứng ngẫu nhiên một cách độc lập ở mỗi điểm không-thời gian đòi hỏi sự tồn tại một tập hợp các “trường gauge” được gọi là các trường Yang-Mills, tương tự như trường hợp của photon trong trường điện từ. Trong thực tế, J. J. Sakurai đã áp dụng quan điểm này để “tiên đoán” sự tồn tại của các meson.
Vào năm 1962, Sheldon Glashow đã xây dựng một mô hình quan trọng lần đầu tiên thống nhất được trường điện từ với các tương tác yếu dựa trên lý thuyết trường gauge. Mô hình này đã tiên đoán một điều rất mới mẻ tại thời điểm đó: một tương tác yếu không làm thay đổi điện tích của hạt tương tác sẽ không giống như quá trình vật lý trong phân rã hạt beta. Tương tác “dòng trung hòa” này được trung gian bởi một hạt có khối lượng tương tự như W nhưng không có điện tích, đó chính là boson Z. Cho tới tận năm 1973, dòng trung hòa này mới được phát hiện ra bằng thực nghiệm.
Một lý thuyết gauge của tương tác điện từ và tương tác yếu áp dụng cho cả các hạt có khối lượng W và Z (và tất nhiên photon không có khối lượng) được xem như không phù hợp. Sự xuất hiện của khối lượng phá vỡ tính bất biến gauge của lý thuyết. Hơn nữa, một lý thuyết như vậy sẽ không thể tái chuẩn hóa và do đó không thể đưa vào tính toán. Ý tưởng sau đây có lẽ một trong những phát minh lý thuyết lớn lao nhất trong vật lý hạt cơ bản: ý tưởng về sự phá vỡ tự phát đối xứng (SSB), phát minh đã đưa về cho Yoichiro Nambu giải thưởng Nobel Vật lý 2008. Về cơ bản, ý tưởng này đi đôi với việc cho rằng mặc dù lý thuyết đầy đủ chứa một đối xứng nào đó, nó có thể bị “che lấp” bởi trạng thái cơ bản – trạng thái có năng lượng thấp nhất. Khi điều này được mở rộng ra cho lý thuyết gauge, cơ chế phá vỡ tự phát đối xứng này làm xuất hiện các boson trường gauge có khối lượng theo như cách diễn giải trong các nghiên cứu của Robert Brout, Francois Englert, Peter Higgs, Gerald Guralnik, C. R. Hagen và Tom Kibble. Điều này ngày nay được biết đến như cơ chế Higgs. Ý tưởng mới mẻ này đã đưa đến những hệ quả sâu sắc và khó giải quyết trong vũ trụ học như chúng ta sẽ thấy.
Steven Weinberg and Abdus Salam sử dụng ý tưởng về phá vỡ tự phát đối xứng của lý thuyết trường gauge cho các tương tác yếu và đã đưa ra một kết quả đáng kinh ngạc rằng lý thuyết trường gauge có thể áp dụng cho các hạt có khối lượng W and Z trong khi vẫn bảo toàn được tính chất bất biến cần thiết. Hiện nay, mô hình của Glashow, Weinberg và Salam được biết tới như Mô hình chuẩn. Mô hình này mô tả các tương tác của các khối cơ bản cấu tạo nên vật chất, các hạt quark và các lepton, với các boson yếu và photon. Dòng trung hòa được tìm thấy là có cấu trúc như được tiên đoán bởi Mô hình chuẩn. Các boson W và Z cũng được phát hiện bằng thực nghiệm tại các năng lượng tiên đoán. Một miếng ghép cực kỳ quan trọng vẫn bị thiếu khuyết trong bức tranh Mô hình chuẩn chính là hạt boson Higgs, nguyên do của phá vỡ tự phát đối xứng. Người ta đang rất kỳ vọng rằng hệ thống va chạm hadron lớn ở Geneva (Thụy sỹ) sẽ nhanh chóng phát hiện ra các boson Higgs khi hệ thống này được đưa vào hoạt động.
Điều quan trọng đáng lưu ý nhất rút ra từ những bàn luận trên đây chính là khái niệm về phá vỡ tự phát đối xứng, được cho là tối quan trọng cho sự thành công của Mô hình chuẩn của các tương tác yếu và điện từ. SSB còn xuất hiện trong lý thuyết của các tương tác mạnh mô tả sự kết hợp của các quark (nhưng không phải các lepton) để tạo thành các neutron và proton (và những hạt khác gọi là “hadron”). Người ta tin rằng các tương tác mạnh của quark có thể được mô tả bởi một lý thuyết trường gauge gọi là Sắc động học lượng tử (QCD), hay còn gọi là lý thuyết mầu lượng tử của quark. Hiện trạng của lý thuyết QCD như chúng ta biết đến ngày nay được viết bởi David Gross, Frank Wilczek, và David Politzer, những người đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2004. Do sự hạn chế về độ dài của bài viết, chúng ta sẽ không đi vào những chi tiết của lịch sử phát triển của các tương tác mạnh. Thay vào đó, chúng ta sẽ tập trung lên các tính chất động học thú vị xuất hiện trong lý thuyết QCD, đặc biệt là những tính chất thích hợp với vấn đề năng lượng tối. Bên cạnh đối xứng gauge, QCD còn có một đối xứng tổng quát khác được gọi là đối xứng “chiral”, nó bị phá vỡ một cách tự phát bởi sự ngưng tụ của các quark. Sự ngưng tụ này đóng vai trò tương tự như việc “ngưng tụ Higgs” phá vỡ tự phát đối xứng gauge của Mô hình chuẩn. Mức năng lượng liên quan đến việc phá vỡ đối xứng Mô hình chuẩn khoảng một ngàn lần lớn hơn năng lượng phá vỡ đối xứng chiral trong QCD. Các ngưng tụ này đóng góp vào mật độ năng lượng của chân không (trong thế giới lượng tử, chân không không hề trống rỗng như chúng ta từng biết). Theo đúng nghĩa của nó, Mô hình chuẩn của các tương tác yếu và điện từ và QCD cấu thành nên một lý thuyết thành công nhất (cho đến nay) trong việc mô tả các nền tảng cơ bản tạo nên vật chất và các tương tác giữa chúng. Do đó, thuật ngữ Mô hình chuẩn cũng đồng nghĩa với việc mô tả tất cả các tương tác đó.
Tóm lại, ý tưởng mang tính cách mạng về các năng lượng lượng tử của Max Planck đã dẫn đến một số đột phá trong Vật lý của thế kỷ 20, đạt tới đỉnh cao trong một mô hình mô tả một cách hữu hiệu các hiện tượng vật lý quan sát được ở mức độ vi mô, đó là Mô hình chuẩn. Nhìn chung, mặc dù Mô hình chuẩn được coi là cực kỳ thành công, nó vẫn chưa thực sự hoàn thiện do còn khá nhiều bí ẩn chưa được khám phá. Có lẽ cần có một cuộc cách mạng khoa học mới tương đương với sự ra đời của lý thuyết lượng tử để tạo ra sự phát triển xa hơn? Trong lúc đó, một khía cạnh vô cùng quan trọng của Mô hình chuẩn chính là ý tưởng về sự phá vỡ tự phát đối xứng trong mô hình tương tác yếu và điện từ và trong QCD. Như chúng ta đã thảo luận ở trên, cơ chế này làm xuất hiện các mật độ năng lượng chân không. Trong lý thuyết trường lượng tử trong không gian phẳng, năng lượng chân không này không liên quan tới các tính toán số cho các đại lượng vật lý có thể quan sát được. Tuy nhiên, khi chúng ta xem xét vũ trụ một cách tổng thể, trường hấp dẫn được thấy là rất nhạy với năng lượng chân không và điều này dẫn đến một trong những điều bí ẩn nhất trong vũ trụ học: tại sao năng lượng chân không lại quá bé mặc dù đúng ra nó phải là rất lớn theo như quy tắc của Mô hình chuẩn? Điều bí ẩn này cũng như một số vấn đề khác đều có liên hệ một cách nội tại với sự bí ẩn của hiện tượng giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ.
Mô hình Chuẩn, dù rất thành công, vẫn được cho là chưa hoàn toàn đầy đủ bởi vì vẫn còn tồn tại nhiều bí ẩn cần phải được giải thích. Có lẽ cần phải có một cuộc cách mạng khoa học mới, tương tự như lý thuyết lượng tử, để tiến xa hơn. Trong khi đó, một khía cạnh rất quan trọng mang ý nghĩa sống còn của Mô hình Chuẩn là ý tưởng phá vỡ tự phát đối xứng trong Điện từ -Yếu (Electro-Weak) và Sắc Động lực học Lượng tử (QCD). Như đã nói trước đây, cơ chế này gây nên các mật độ năng lượng chân không. Trong lý thuyết trường lượng tử trong không gian phẳng, năng lượng chân không này không có liên quan gì đến việc tính toán các đại lượng vật lý có thể quan sát được. Tuy vậy, khi xét đến cả toàn bộ vũ trụ, người ta thấy rằng lực hấp dẫn rất nhạy cảm với năng lượng chân không. Điều này dẫn đến một trong những bí ẩn nhất của vũ trụ học: tại sao năng lượng chân không này lại rất bé thay vì phải thật lớn như Mô hình Chuẩn đã tiên đoán? Vấn đề năng lượng chân không cũng như một số vấn đề khác có liên hệ nội tại đến điều bí ẩn là tại sao vũ trụ hiện tại đang tăng tốc.
III. Từ Lý Thuyết Tương Đối đến Vũ Trụ Tăng Tốc
Để hiểu được vũ trụ từ buổi ban đầu, cái gọi là Vụ Nổ Lớn, cho đến điểm tận cùng của nó, cần phải có một quan niệm mới về không gian và thời gian. Đây là nơi Einstein đã có những cống hiến vô cùng quan trọng và sâu sắc không những cho vật lý của thế kỷ thứ 20 mà còn cho toàn bộ nền vật lý nói chung. Điều đó bắt đầu khi Einstein công bố bài báo về Lý thuyết Tương đối Hẹp vào năm 1905. Thật đáng kinh ngạc rằng, chỉ với hai tiên đề: 1) Các định luật vật lý đều giống nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính (hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc không đổi) ; 2) Vận tốc của ánh sáng trong chân không là không đổi trong mọi hệ quy chiếu quán tính, toàn thể khái niệm của Newton về không gian và thời gian đều bị đảo lộn. Đặc biệt là, thời gian không còn là tuyệt đối như Cơ học Newton đã quan niệm! Lý thuyết Tương đối hẹp đã mang đến các khái niệm “ khác thường” chẳng hạn như sự giãn nở của thời gian và sự thu nhỏ của kích thước. Điều này có thể được hiểu như là kết quả của phép biến đổi giữa các hệ tọa độ, phép biến đổi Lorentz, thế nào để không gian và thời gian hòa lẫn với nhau. Mặc dù trông có vẻ kỳ dị, các khái niệm này được kiểm chứng thành công về mặt thực nghiệm. Việc mô tả Lý thuyết Tương đối hẹp một cách chi tiết sẽ vượt ra khỏi phạm vi của bài báo này. Tuy vậy, sẽ đầy đủ khi nói rằng một trong những tiêu chuẩn quan trọng khi xây dựng mô hình trong vật lý hạt cơ bản là tính bất biến Lorentz. Mô hình Chuẩn được đưa ra dưới dạng bất biến Lorentz một cách tường minh.
Khi xây dựng các lý thuyết vật lý tương tự như Mô hình Chuẩn, lực hấp dẫn thường bị bỏ qua một phần bởi vì nó rất nhỏ so với các tương tác khác đã biết và cũng vì nó không có liên quan gì mấy đến các tính toán thiết thực của nhiều quá trình khác nhau. Vậy thì lực hấp dẫn từ đâu đến? Với định luật vạn vật hấp dẫn nổi tiếng của Newton, từ lâu chúng ta đã biết rằng nguồn gốc của sự hút hấp dẫn là khối lượng của vật thể. Điều này đã được kiểm chứng trong nhiều quá trình vật lý. Tuy vậy, định luật của Newton không chứa đựng lý thuyết tương đối và chỉ có thể được xem như là giới hạn phi tương đối tính của một lý thuyết nào đó sâu sắc hơn.
Một khía cạnh quan trọng của Lý thuyết Tương đối hẹp là khái niệm về sự không đổi trong mọi hệ quy chiếu của yếu tố đường tách biệt hai sự kiện trong không-thời gian. Ở đây, đại lượng đóng vai trò chủ yếu là một đối tượng hình học gọi là “metric tensor”. Trong không gian phẳng (hay không gian Minkowski), dạng của metric tensor này rất đơn giản. Nếu chúng ta tổng quát hóa khái niệm này cho không gian cong, dạng của metric tensor có thể trở nên rất phức tạp. Dạng của metric tensor, về cơ bản, đặc trưng hóa loại không gian cong mà chúng ta gặp phải. Sự đóng góp sâu sắc của Einstein là ở chỗ ông phát hiện ra sự hấp dẫn là biểu hiện độ cong của không-thời gian. Hơn thế nữa, nguồn gốc của độ cong của không-thời gian chính là vật chất. Minh họa hình ảnh của phát biểu này là tưởng tượng kéo căng một tấm cao su và đặt một trái banh vào ở giữạ phần của tấm cao su, nơi có trái banh sẽ bị lõm xuống trong khi ở nơi xa trái banh, tấm cao su vẫn phẳng. Một vật thể nào đó được thả về phía trái banh sẽ bị rơi vào chỗ lõm. Điều này minh họa lực hút hấp dẫn gây nên bởi độ cong của không-thời gian. Phương trình Einstein thể hiện một khía cạnh rất hình học. Phía bên trái của phương trình là một “tensor” (mang tên Einstein) được tạo nên bởi “metric tensor” và dùng để mô tả độ cong của không-thời gian. Phía bên phải của phương trình là một tensor (“tensor năng-xung lượng”) mô tả sự đóng góp của vật chất và để biểu hiện nguồn gốc của độ cong của không-thời gian. Phương trình này được xem như là Lý thuyết Tương đối Tổng quát. Một điểm quan trong là phương trình Einstein có giới hạn Newton một cách chính xác. Nó còn đi xa hơn định luật vạn vật hấp dẫn của Newton khi tiên đoán một số hiện tượng kinh ngạc chẳng hạn như sự uốn cong của ánh sáng khi đến gần thiên thể có khối lượng rất lớn, sự tiến động của điểm cận nhật của sao Thủy, v. v.. Sự thành công của Lý Tương đối Tổng quát trong việc mô tả các hiện tượng mới trong vật lý thiên văn đảm bảo nó là ứng cử viên lỗi lạc nhất, nếu không phải là duy nhất, cho lý thuyết hấp dẫn từ khoảng cách rất lớn cho đến khoảng cách chỉ cỡ một phần của một milimet.
Do sự hấp dẫn chi phối vũ trụ ở quy mô lớn và ảnh hưởng không chỉ giới hạn trong chuyển động của hành tinh, việc ứng dụng phương trình Einstein để nghiên cứu cả toàn bộ vũ trụ là một bước đi hợp lý. Tuy vậy, khoa học không đơn thuần chỉ là y’ tưởng mà còn phải phù hợp với quan sát thực nghiệm. Khi Ly’ thuyết Tương đối Tổng quát được phát minh, định kiến về vũ trụ vào thời điểm đó cho rằng vũ trụ chỉ là dải Ngân Hà và không dịch chuyển. Quan niệm như thế phần lớn cũng bởi vì thời ấy không có kính thiên văn hiện đạị. Sự thiết lập đầu tiên của phương trình Einstein không chấp nhận lời giải tỉnh. Điều này buộc Einstein phải thêm vào vế bên trái của phương trình một hằng số, hằng số vũ trụ học nổi tiếng, để phương trình có nghiệm tỉnh, dùng để mô tả vũ trụ vào thời bấy giờ. Đến năm 1929, khi Hubble và Humason khám phá rằng các thiên hà rời xa nhau càng nhanh khi chúng càng xa nhau, cái gọi là định luật Hubble (kết quả quan sát này phù hợp với sự giãn nở của vũ trụ), Einstein đã loại bỏ hằng số vũ trụ học và gọi nó là sai lầm lớn nhất trong cuộc đời của ông. Thật đáng kinh ngạc khi biết rằng cái “sai lầm” này sẽ lại xuất hiện sau gần 70 năm trong một vấn đề hóc búa nhất.
(Courtesy of NSAS-A. Riess)
Trong gần 70 năm, một mô hình chuẩn của vũ trụ học dựa trên phương trình Einstein không chứa hằng số vũ trụ, là mô hình trong đó vũ trụ ở quy mô lớn là đồng nhất và đẳng hướng. Đồng nhất có nghĩa là vũ trụ giống nhau ở mọi nơi, không có người quan sát nào là ưu tiên. Đẳng hướng có nghĩa là vũ trụ giống nhau ở mọi hướng, tức không có hướng nào là ưu tiên. Tính chất này gọi là “Nguyên lý Vũ trụ học”. Mô hình Vũ trụ học Chuẩn thỏa mãn tính chất đó được phát triển bởi một số nhà vũ trụ học: Le Maitre, Friedman, Robertson, Walker, và nhiều người khác, thường được gọi là vũ trụ Friedman-Robertson-Walker (FRW). Mô hình vũ trụ này đã và đang rất thành công trong việc truy lại lịch sử của vũ trụ từ lúc bắt đầu cho đến ngày hôm nay. Lời giải của phương trình Einstein trong mô hình vũ trụ FRW là thế nào đó để thang độ giữa hai điểm tọa độ tăng theo thời gian. (Hãy tưởng tượng khoảng cách giữa hai điểm trên một cái bong bóng. Hai điểm này sẽ cách xa nhau hơn khi cái bong bóng được thổi lớn lên). Điều này cũng có nghĩa là vũ trụ bắt đầu từ một điểm và vì lý do nào đó vũ trụ nở lên đến kích thước chúng ta quan sát ngày nay: đây là cái gọi là lý thuyết Vụ Nổ Lớn.
Trong bức tranh nói trên, vũ trụ ở buổi sơ khai được tắm trong một “nồi cháo “ các hạt cơ bản. Năng lượng của các hạt này, về thứ tự độ lớn, là từ mười bảy bậc hay hơn thế nữa cao hơn mức năng lượng của máy gia tốc hiện nay. Bởi vậy, vũ trụ buổi sơ khai được xem như là một phòng thí nghiệm lý tưởng để kiểm nghiệm các mô hình vật lý của các hạt cơ bản ở năng lượng cao chưa từng thấy ở trên quả đất. Sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa thế giới lượng tử của các hạt cơ bản và vũ trụ học là một trong những khía cạnh tuyệt vời của khoa học hiện đại. Quá khứ và tương lai vũ trụ của chúng ta có thể hoàn toàn phụ thuộc vào lý thuyết sau cùng của vật lý hạt cơ bản. Việc thảo luận quá sâu vào các thành tựu của Mô hình Chuẩn và xa hơn nhằm giúp hiểu biết nhiều phương diện của vũ trụ học sẽ đi quá phạm vi của bài nàỵ
Vũ trụ ‘nguội đi’ khi giãn nở. Trong vật lý, các hệ thống có thể trải qua một sự chuyển dời từ một trạng thái này sang một trạng thái khác, sự dịch chuyển pha, khi nhiệt độ của hệ thống đạt đến một gía trị tới hạn nào đó để cho điều đó xảy ra. Ở vũ trụ buổi sơ khai, có ít nhất hai sự chuyển pha xảy ra khi vũ trụ đang nguội dần đi: một chuyển pha ở nhiệt độ vào khoảng 1011 eV (hay 100 GeV) – mức thang phá vỡ đối xứng điện từ-yếu và một chuyển pha khác ở nhiệt độ vào khoảng 108 eV (hay 100 MeV) – mức thang phá vỡ đối xứng QCD chiral. (cũng có thể xảy ra các chuyển pha khác ở nhiệt độ cao hơn gần với nhiệt độ của Vụ Nổ Lớn). Kết quả của điều này là các mức năng lượng chân không với các giá trị chẳng hạn như 1044 (eV)4, 1032 (eV)4, … (đơn vị dùng bởi các nhà vật lý hạt cơ bản). Cần phải chú ý là sự thăng giáng lượng tử trong lý thuyết trường lượng tử tự nó cảm ứng một năng lượng chân không vào khoảng 10112 (eV)4 nếu chúng ta sử dụng năng lượng Planck (1028 eV) như là mức giới hạn của lý thuyết trường lượng tử. Đối với lý thuyết trường lượng tử trong không gian phẳng, ta chỉ cần bỏ đi các mức năng lượng chân không này vì chúng không liên quan gì đến động học của hạt cơ bản. Tuy vậy, khi xét đến toàn bộ vũ trụ với không gian cong, do hấp dẫn liên kết với loại năng lượng nào đó, ta không thể bỏ qua các năng lượng chân không này được nữa. Sự ràng buộc của vũ trụ lên các năng lượng chân không này có thể là gì? Điều đặc biệt là dáng điệu lời giải của phương trình Einstein phụ thuộc vào sự so sánh giữa mật độ năng lượng của vật chất và mật độ năng lượng của năng lượng chân không.
Chúng ta hãy nhảy đến năm 1998, năm có một khám phá rất quan trọng trong Thiên Văn học: vũ trụ đang tăng tốc! Khám phá này được thực hiện bởi hai nhóm, Đề án Vũ trụ học Vụ Nổ Sao và Sự tìm kiếm Vụ Nổ Sao với Z lớn. Hai nhóm này đã nghiên cứu vũ trụ giãn nở như thế nào qua việc tìm kiếm Vụ Nổ Sao Loại I được xem như là những cây ‘nến chuẩn’ để xác định các khoảng cách vũ trụ bởi vì “độ sáng” của chúng đã được biết. Người ta phát hiện ra rằng các vụ nổ sao này lại mờ hơn độ sáng thông thường chúng phải có. Điều này chứng tỏ rằng vũ trụ đang tăng tốc. Nếu vũ trụ bi giảm tốc, các vụ nổ sao này sẽ sáng hơn độ sáng phải có thông thường của chúng. Khi các số liệu được sử dụng để mô tả vũ trụ tăng tốc này, người ta tìm thấy rằng mô hình tốt nhất là mô hình trong đó vào khoảng 73% mật độ năng lượng của vũ trụ thuộc về một dạng chưa biết đến gọi là ‘Năng lượng Tối’. Chừng khoảng 23% năng lượng thuộc về một loại vật chất chưa biết đến gọi là ‘Vật chất Tối’. Trong khi đó, loại ‘vật chất thông thường’ (loai vật chất tạo nên chúng ta) chỉ đóng góp cỡ 4%. Sư thống trị của dạng năng lượng tối là nguyên nhân tạo nên sự tăng tốc của vũ trụ ngày nay như có thể thấy từ phương trình Einstein.
Trong khoa học, đôi khi chỉ một mẫu bằng chứng sẽ không đủ sức thuyết phục chúng ta rằng hiện tượng mà chúng ta quan sát là có thực hay không. Trong số các kiểm tra chéo khoa học đáng kể nhất, sự nghiên cứu hoàn toàn độc lập về bức xạ nền vũ trụ (bức xạ còn lại kể từ Vụ Nổ Lớn) về cơ bản xác nhận sự khám phá liên quan đến số năng lượng tối của các nhóm nghiên cứu về vụ nổ sao. Sự việc diễn tiến như sau. Trong vũ trụ học, người ta thường so sánh mật độ năng lượng của mỗi thành phần tạo nên toàn bộ vũ trụ với cái gọi là mật độ năng lượng tới hạn dẫn xuất từ giá trị đo được của hằng số Hubble. Từ vật chất phát sáng, các nhà vũ trụ học đã suy ra rằng tỷ số của mật độ năng lượng của nó với mật độ năng lượng tới hạn vào khoảng 4%. Hơn nữa, sự quan sát chuyển động của sao trong một dải ngân hà và sự chuyển động của các ngân hà trong một chùm các ngân hà cho thấy rằng có một dạng chưa biết đến của vật chất – Vật chất Tối – chỉ tương tác qua lực hấp dẫn với các vật chất thông thường. Tỷ số mật độ năng lượng của vật chất tối với mật độ tới hạn vào khoảng 23%. Các tiến bộ kỹ thuật với công cụ tinh tế gắn trên một vệ tinh đã và đang cho phép các nhà thiên văn học thăm dò các chi tiết của bức xạ nền vũ trụ. Kết quả gần đây của đề án WMAP đã xác nhận rằng tỷ số mật độ năng lượng toàn phần của vũ trụ với mật độ tới hạn bằng một, tức là 100% với độ chính xác cao. Kết quả đáng kinh ngạc này có hai hệ quả quan trọng. Thứ nhất, trong cấu trúc của vũ trụ FRW ở các quy mô lớn, vũ trụ có dạng phẳng. (Nếu tỷ số nói trên nhỏ hơn một, hình học của vũ trụ sẽ là hình cầu; còn nếu tỷ số lớn hơn một, hình học của vũ trụ sẽ là hyperbole). Thứ hai, vũ trụ được lấp đều bởi dạng năng lượng chưa biết nào đó, Năng lượng Tối, chiếm tới 73% năng lượng của vũ trụ. Đây cũng là loại năng lượng tối đang làm vũ trụ hiện tại tăng tốc. Hơn thế nữa, điều này có nghĩa là vũ trụ hiện nay đang bị thống trị bởi năng lượng tối. Người ta biết rằng mật độ vật chất (cả sáng lẫn tối) sẽ giảm đi khi vũ trụ giãn nở. Nếu mật độ năng lượng tối vẫn không đổi trong tương lai, vũ trụ sẽ giãn nở càng lúc càng nhanh hơn và vũ trụ của chúng ta sẽ giống như cái vũ trụ được mô tả ở phần đầu của bài nàỵ Cả hai loại đo đạc này hiện tại phù hợp với mô hình của vũ trụ có hằng số vũ trụ học được Einstein phát minh và sau đó bỏ đi. Dưới đây, người viết sẽ bình luận về ý nghĩa của khả năng này.
VI. Kết luận
Sự khám phá kinh ngạc về vũ trụ tăng tốc có ý nghĩa vô cùng sâu sắc đối với sự phát triển của một lý thuyết vật lý nền tảng và hoàn thiện hơn trong thế kỷ thứ 21. Khi chúng ta đề cập đến 73% giá trị của năng lượng tối nói ở trên, điều đó hàm ý rằng mật độ năng lượng tối có giá trị vào khoảng 10-12 (eV)4 . Chúng ta có thể đặt câu hỏi có tính căn bản nhất: Điều gì đã xảy đến cho các loại năng lượng chân không khác xuất phát từ lý thuyết trường lượng tử. Và từ Mô hình Chuẩn và xa hơn? Như chúng ta đã thấy ở trên, các loại năng lượng chân không này là khoảng 10112 (eV)4 (thăng giáng lượng tử), 1044 (eV)4 (phá vỡ đối xứng điện từ-yếu), và 1032 (eV)4 (có thể nhiều hơn). Các năng lượng chân không này có thể được cảm thấy bởi lực hấp dẫn trong quá trình giãn nở của vũ trụ. Các giá trị này nếu tồn tại sẽ ảnh hưởng ngược đến sự tiến triển của vũ trụ xuất phát từ Vụ Nổ Lớn và, nếu quả như vậy thì chúng ta sẽ không có mặt tại đây để thảo luận về nó. Bởi vậy, trong một thời gian dài, người ta đã tin rằng một cơ chế chưa được biết đến nào đó sẽ làm chúng đồng thời biến mất. Vấn đề này đã được gọi là bài toán ‘hằng số vũ trụ học’. Với sự khám phá của vũ trụ tăng tốc, vấn đề này càng trở nên trầm trọng không chỉ bởi vì hằng số vũ trụ học không bị mất đi mà còn vì giá trị của nó rất nhỏ và không biến mất như ám chỉ bởi ‘quan sát thực nghiệm’! Vì lý do này, hiện nay người ta nhắc đến nó như là bài toán hằng số vũ trụ học mới, đối nghịch với cũ như đã nói trước đây.
Vấn đề nêu trên tạo nên sự thách thức khắc nghiệt cho việc tìm kiếm một lý thuyết nền tảng của thế giới vật lý. Cái gọi là trung tâm đối với một lý thuyết nền tảng của thế giới vi mô chính là sự hiểu biết về chân không , một tính chất của lý thuyết lượng tử. Chỉ cho đến khi chúng ta biết chân không thực sự là gì, bức tranh của chúng ta về thế giới vật lý vẫn còn chưa hoàn thiện, mặc dù sự thật là chúng ta đã có một lý thuyết thành công nhất cho đến nay, Mô hình Chuẩn. Vẫn có người cố cho rằng vũ trụ tăng tốc không phải là do một dạng chưa biết đến của năng lượng tối mà có lẽ là do sư biến đổi của hấp dẫn ở những quy mô vô cùng lớn. Dù lập luận này không thể bị loại bỏ vào thời điểm hiện nay, tồn tại các điều kiện ràng buộc hết sức chặt chẽ cần phải được thỏa mãn để có thể bỏ đi Lý thuyết Tương đối Tổng quát đã và đang giải thích thành công nhiều hiện tượng trong một miền khoảng cách vô cùng rộng lớn. Hoặc phải chăng vũ trụ tăng tốc được gây nên bởi một năng lượng tối không phải là hằng sô’ vũ trụ căn bản mà chỉ hơi giống nó? Và phải chăng giá trị năng lượng chân không 10-12 (eV)4 là biểu hiện của một thang năng lượng mới, thực trong vật lý giống như thang phá vỡ đối xứng điện từ-yếu hoặc là thang QCD? Có thể lý do khiến vũ trụ hiện nay bị thống trị bởi một hằng số vũ trụ học là bởi vì chúng ta bị kẹt trong một chân không sai mà mật độ năng lượng của nó được xác định như ở trên và trong tương lai mật độ năng lượng của vũ trụ sẽ hoàn toàn bị ngự trị bởi cái năng lượng chân không sai nàỵ Chúng tôi đã đề xuất một mô hình thuộc loại này trong đó một khu vực hạt (hoàn toàn khác với khu vực hạt của Mô hình Chuẩn) có tương tác phát triển mạnh ở thang năng lượng xấp xỉ 10-3 eV và tạo nên mật độ năng lượng đã nói. Như một mô hình vật lý hạt cơ bản, cái ‘khu vực bóng tối’ này về nguyên tắc hoàn toàn có thể được kiểm tra về mặt thực nghiệm ở máy gia tốc LHC. Trong mô hình do chúng tôi đề xuất, vũ trụ của chúng ta bị kẹt trong một chân không sai trong một thời gian rất dài cho đến khi nó chuyển dời đến một chân không thật. Tuy vậy, cần phải chờ đợi xem mô hình này cũng như nhiều đề xuất khác về năng lượng tối có thể tồn tại với thử thách của thời gian. Dù kết quả thế nào đi nữa, chúng ta đừng quên biết ơn sự liên hệ sâu sắc giữa thế giới vi mô lượng tử và vũ trụ ở quy mô vô cùng lớn.
Phạm Quang Hưng 2008
Tác giả cám ơn các bạn Nguyễn Thị Hương, Đào Nam và Hà Đại Phước đã chuyển ngữ sang tiếng Việt và anh Phạm Xuân Yêm xem lại. |
