TGQT Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

WindyTA

Học sinh tiến bộ
Thành viên
26 Tháng tư 2017
746
1,453
204
20
Bắc Ninh
Galaxy
[TẶNG BẠN] TRỌN BỘ Bí kíp học tốt 08 môn
Chắc suất Đại học top - Giữ chỗ ngay!!

ĐĂNG BÀI NGAY để cùng trao đổi với các thành viên siêu nhiệt tình & dễ thương trên diễn đàn.

Việc biết rằng toàn bộ kiến thức của loài người và khoa học chỉ liên quan đến 5% vũ trụ mà chúng ta gọi là “vật chất bình thường” có thể đưa đến một vài phản ứng. Nó có thể:
a. Khiến bạn cảm thấy nhỏ bé, thấp kém, và có chút sợ hãi.
b. Làm bạn bất mãn, bất mãn và trời ơi bất mãn.
c. Đánh thức sự hứng khởi của bạn với mọi thứ ta có thể học về vũ trụ.
d. Khích lệ bạn tiếp tục đọc quyển sách này.
Nếu phản ứng của bạn là cảm thấy thấp kém và sợ hãi, thì chúng tôi có tin tốt cho bạn đây. Ta sẽ dành phần lớn thời gian của chương này nói về vật chất bình thường. Tiện thể, nếu vật chất tối thật sự có nền vật lí tối, hóa học tối, sinh học tối và, suy diễn tiếp, những nhà vật lí làm bằng vật chất tối, thì có lẽ họ sẽ cho rằng vật chất của họ là “bình thường”. Có lẽ bạn nên cảm thấy có chút thấp kém.
Chúng tôi cũng có tin xấu dành cho bạn đây. Chúng ta chẳng biết hết mọi thứ để biết về 5% mà chúng ta biết.


Điều này có lẽ khiến bạn rất bất ngờ. Xét cho cùng, chúng ta chỉ mới hiện diện chừng vài trăm nghìn năm, và chúng ta đã làm rất tốt cho chính mình dưới dạng khoa học. Thật vậy, bạn có thể liều lĩnh nói rằng chúng ta đã làm chủ được góc nhỏ của mình trong vũ trụ. Chúng ta có quá nhiều công nghệ tối tân trong thời đại trên đầu ngón tay của mình, cho nên bạn nghĩ chúng ta đã nắm bắt rất tốt về khoa học của vật chất thường ngày. Ta có thể xem những chương trình ti vi dở ẹc bất cứ ở đâu và bất cứ khi nào. Chắc chắn đó là một mốc son trong bất kì nền văn minh nào.
Thú vị làm sao, ý tưởng này vừa đúng vừa không đúng (ý tưởng rằng chúng ta đã có một nắm bắt tốt về thực tại, không phải chuyện chúng ta có thể xem truyền hình trực tiếp 24/7 trên màn hình của mình).
Đúng là chúng ta biết rất nhiều về vật chất thường ngày. Nhưng cũng đúng là có rất nhiều thứ chúng ta không biết về vật chất thường ngày. Đáng chú ý nhất, chúng ta chẳng biết một số hạt (chút xíu của vật chất) thậm chí dùng để làm gì. Đây là chỗ đứng của chúng ta: trong công việc khám phá vật lí thường ngày, ta đã khám phá mười hai hạt vật chất. Sáu hạt trong số đó ta gọi là “quark” và sáu hạt kia ta gọi là “lepton”.

Nhưng bạn chỉ cần ba trong số mười hai hạt đó để làm nên mọi thứ xung quanh mình: quark lên (up), quark xuống (down), và electron (một trong các lepton).
Hãy nhớ rằng với quark lên và quark xuống, bạn có thể làm ra proton và neutron, và cùng với electron, bạn có thể làm nên bất kì nguyên tử nào. Vậy thì chín hạt kia dùng để làm gì? Tại sao lại có chúng? Chúng ta chẳng biết.
Sao lại khó hiểu như vậy chứ? Vâng, hãy tưởng tượng bạn làm ra chiếc bánh vĩ đại này và sau khi nướng và trang trí cho nó, và nếm thử nó (tiện thể mới nói, nó nếm ngon tuyệt; bạn là một tay thợ làm bánh giỏi), bạn phát hiện thấy bạn có chín thành phần khác mà mình thậm chí chẳng có thêm vào. Ai đã bỏ những thành phần đó vào? Chúng được dùng để làm gì? Dù gì đi nữa thì ai đã đi tới công thức này?
Sự thật là sự thiếu hiểu biết của chúng ta về vật chất thường ngày (5%) còn sâu nặng hơn cả chiếc bánh ngọt hạt.

Nhắc lại, ta hiểu làm thế nào ba hạt (quark lên, quark xuống, và electron) có thể kết hợp để tạo ra bất kì loại nguyên tử nào. Và ta biết làm thế nào dùng các nguyên tử để tạo ra các phân tử, và làm thế nào các phân tử có thể tạo nên những thứ phức tạp như bánh ngọt và con voi. Nhưng toàn bộ chỉ là làm thế nào: ta biết làm thế nào các thứ đến với nhau, và ta biết làm thế nào đặt chúng lại với nhau. Ta biết điều này tốt đến mức ta có thể làm ra mọi thứ từ chiếc quần lót hút mồ hôi cho đến kính thiên văn vũ trụ. Chúng ta thật tuyệt, phải không nào?
Cái chúng ta không biết nhiều lắm là tại sao như vậy: Tại sao các thứ được đặt với nhau theo kiểu như thế? Tại sao chúng không được đặt với nhau theo một kiểu nào khác? Phải chăng đây là phiên bản duy nhất của một vũ trụ tự-tương thích, hay có 10500 phiên bản khác nhau như các nhà lí thuyết dây đề xuất?
Chúng ta vẫn chưa biết ở một cấp độ cơ bản lí do vì sao mọi mảnh ghép trong vũ trụ lại khớp với nhau. Tựa như âm nhạc vậy: chúng ta biết làm thế nào tạo ra âm nhạc, chúng ta nhảy nhót cùng nó, mọi người hát ca cùng nó, nhưng chúng ta không biết tại sao nó mê hoặc chúng ta. Với vũ trụ cũng thế: chúng ta biết nó vận hành, nhưng chúng ta không biết tại sao nó vận hành.
Một số người có thể cho rằng một lời giải thích như thế là không có, hoặc dù có đi nữa thì có lẽ chúng ta không bao giờ biết được, ít nhiều lĩnh hội được nó. Ta sẽ dành phần bàn luận đó lại cho chương 16, nhưng điểm mấu chốt là chắc chắn chúng ta không có được kiến thức như thế trong thời đại ngày nay.
Bây giờ, giả sử bạn là một người hiếu kì và hăm hở muốn biết lí do của vạn vật, bạn có thể đang tự hỏi làm thế nào trả lời được câu hỏi này, và phải làm gì với các hạt vô dụng mà chúng ta đã tìm thấy.
Vâng, nếu chúng ta muốn tìm hiểu “lí do” cơ bản của vũ trụ, thì điều trước tiên ta cần làm là hãy chỉ rõ vũ trụ trông giống cái gì ở cấp độ sâu sắc nhất, cơ bản nhất của nó. Điều này có nghĩa là chia nhỏ vũ trụ xuống cho đến khi ta không còn chia nhỏ được nữa. Miếng nhỏ nhất, cơ bản nhất của thực tại là gì? Nếu miếng đó là một hạt, thì ta muốn tìm những hạt tạo nên những hạt tạo nên những hạt đó, vân vân, cho đến vô cùng tận (hay vô cùng ngán ngẫm, tùy cái nào đến trước).
Một khi bạn tìm thấy những hạt sơ cấp như thế, bạn có thể khảo sát chúng và có lẽ chỉ ra được tại sao vạn vật vận hành theo kiểu vốn như thế. Nó sẽ tựa như việc tìm thấy những mảnh ghép Lego nhỏ nhất trong một vũ trụ Lego. Nếu bạn tìm thấy những mảnh ghép đó, bạn sẽ biết hệ thống cơ bản nào được dùng cho mọi thứ khóa trong với những thứ khác. Bạn sẽ biết được cái gì đó sâu sắc và đúng đắn về thực tại, bao gồm cả vật chất tối và năng lượng tối (chúng ta hi vọng thế).

Ngay lúc này, chúng ta không chắc liệu chúng ta đã biết vũ trụ đến kích cỡ khả dĩ nhỏ nhất của nó hay chưa. Hoặc nếu chúng ta biết, thì chúng ta chưa chắc những mảnh ghép Lego mà chúng ta tìm thấy được làm bằng cái gì? Nhưng điều thú vị là chúng ta có trong tay một bản đồ. Chúng ta có một trò chơi ô chữ chưa hoàn chỉnh của vũ trụ, và trò chơi ô chữ này trông na ná như thứ chúng ta đã thấy trước đây: nó trông giống một bảng tuần hoàn.
Bảng tuần hoàn các hạt sơ cấp
Sau một thế kỉ cho mọi thứ đâm sầm vào nhau, các nhà vật lí đã tìm thấy mười hai hạt vật chất sơ cấp có thể sắp xếp thành một bảng trông đại loại như sau:

Hãy dành một chút thời gian đánh giá ý nghĩa mà chúng ta có được cho đến đây. Hãy nhớ rằng lí thuyết ban đầu về vũ trụ của các nhà vật lí thời tiền sử Ook và Groog là như sau:
LÍ THUYẾT VỀ VŨ TRỤ
Của Ook và Groog

- Ook và Groog
- Cục đá yêu thích của Ook
- Con lạc đà cưng của Groog
- Yadda, Yadda, Yadda
Đây là một bức tranh hoàn chỉnh, nhưng nó chẳng giúp ích được gì vì nó không cho ta biết bất cứ điều gì cơ bản hay thấu đáo; nó là một phát biểu hiển nhiên. Về sau, người Hi Lạp có ý tưởng rằng vạn vật được làm bởi bốn nguyên tố: nước, đất, không khí, và lửa. Ý tưởng này hết sức sai lầm, nhưng ít nhất nó là một bước theo hướng đi đúng bởi vì nó cố gắng đơn giản hóa sự mô tả về thế giới.
Rồi chúng ta khám phá các nguyên tố và rằng đá và đất và nước và lạc đà đều được làm bằng một tập hợp nhỏ những loại nguyên tử khác nhau. Về sau, chúng ta thấy rằng đến lượt nguyên tử cũng được làm bằng những hạt nhỏ hơn, và một số hạt trong số đó được làm bằng những hạt còn nhỏ hơn nữa (các quark). Bài học quan trọng nhất mà chúng ta thu được từ toàn bộ câu chuyện này là rằng các nguyên tử và lạc đà không phải là những đơn vị sơ cấp của vũ trụ. Nếu có một phương trình cơ bản của vũ trụ – cho dù nó như thế nào – thì ta có thể chắc chắn nó không có một biến gọi là Nlạc đà bởi vì lạc đà, giống như nguyên tử, không phải là nguyên tố sơ cấp của vũ trụ. Chúng không vạch rõ bản chất thiết yếu của chúng; chúng chỉ là kết quả tổng thể (hiện tượng phái sinh) của thực tại sâu sắc hơn (xin lỗi các chú lạc đà nhé), theo kiểu giống như lốc xoáy là hiện tượng phái sinh của gió, hay các ngôi sao là hiện tượng phái sinh của chất khí và lực hấp dẫn.

Tổ chức cái chúng ta biết (và không biết) thành bảng giúp chúng ta để ý xem có những kiểu và những mảnh ghép còn thiếu hay không. Hãy tưởng tượng một chút rằng bạn là một nhà khoa học hồi thế kỉ mười chín (vâng, bạn có thể tưởng tượng đang đeo những chiếc kính mắt lố lăng), và bạn không biết các nguyên tử thật ra được làm bằng những hạt nhỏ hơn gọi là electron, proton và neutron. Nếu bạn tổ chức cái bạn đã biết thành một bảng tuần hoàn các nguyên tố, thì bạn sẽ để ý thấy một số thứ thú vị.

Bạn sẽ để ý thấy rằng các nguyên tố ở một phía của bảng tuần hoàn rất hoạt tính trong khi các nguyên tố ở phía bên kia gần như hoàn toàn trơ ì – và rằng các nhóm nguyên tố liền kề có các tính chất giống nhau, ví dụ như các kim loại, và rằng một số nguyên tố thì khó tìm thấy hơn các nguyên tố khác.
Toàn bộ những kiểu hiếu kì này sẽ đem lại cho bạn các manh mối rằng bảng tuần hoàn không phải là mô tả căn bản của vũ trụ. Chúng ngụ ý rằng cái gì đó sâu sắc hơn đang diễn ra. Nó tựa như việc gặp gỡ một nhóm họ hàng và để ý thấy những điểm tương đồng nhất định trong số họ. Mặc dù họ đều khác nhau, nhưng bạn có thể cho rằng họ có chung bố mẹ bởi diện mạo hay hành động của họ. Theo kiểu giống như vậy, các nhà khoa học nhìn vào những phiên bản xa xưa của bảng tuần hoàn, để ý thấy các kiểu hình, và tự hỏi, Chúng ta đang thiếu thứ gì đó chăng?
Ngày nay chúng ta biết rằng các kiểu hình trong bảng tuần hoàn là do sự sắp xếp các orbital electron, và chúng ta biết rằng có một nguyên tố cho mỗi ô và một số nguyên tố thì hiếm hơn những nguyên tố khác bởi lẽ chúng phân hủy phóng xạ. Chỉ mỗi việc kết hợp cho đúng số lượng neutron, proton và electron để thu được mỗi nguyên tố.
Điểm mấu chốt là chúng ta đã tổ chức kiến thức mình có vào lúc ấy và chúng ta nghiên cứu nó tỉ mỉ. Sau đó, ta bắt đầu để ý các kiểu hình và những mảnh còn thiếu, và như vậy khiến chúng ta nêu được những câu hỏi thích hợp, đưa chúng ta đến hiểu biết sâu sắc hơn về cách thức vũ trụ vận hành.

Phần lớn thế kỉ hai mươi được dành để thiết lập bảng các hạt vật chất sơ cấp (bảng liệt kê quark và lepton). Chúng ta gọi những hạt này là “sơ cấp” không phải vì chúng vui nhộn (chúng hoàn toàn vui nhộn đấy) mà bởi vì cho đến nay ta chưa thấy chúng được làm bằng những hạt nào nhỏ hơn nữa. Thật ra ta chẳng có bằng chứng nào rằng chúng là những viên gạch cấu trúc cơ bản nhất trong vũ trụ, nhưng chúng là những mảnh vật chất nhỏ nhất mà chúng ta từng thấy (cho đến nay).
Nếu bạn nghiên cứu bảng các hạt ở đây, bạn sẽ để ý thấy nó cũng có một số kiểu hình thú vị. Trước tiên, bạn sẽ để ý thấy có hai loại hạt vật chất: quark và lepton. Ta biết chúng khác nhau bởi vì quark chịu lực hạt nhân mạnh, còn lepton thì không. Sau đó, bạn có thể để ý rằng các hạt tạo nên vật chất thường ngày đều nằm ở cột thứ nhất: quark lên, quark xuống, và electron. Có một hạt thứ tư ở trong cột thứ nhất đó gọi là neutrino electron (ne), và nó lao đi trong vũ trụ tựa như ma quỷ, thật sự chẳng tương tác gì nhiều với bất cứ thứ gì.

Nhưng hãy khoan, còn nữa! Có những hạt khác ngoài bốn hạt này và chúng cũng đều xếp vào thành cột. Mỗi cột trông y hệt như cột đầu tiên (với các tính chất giống nhau như điện tích và tương tác lực), ngoại trừ là các hạt trong chúng có khối lượng lớn hơn. Ta gọi mỗi cột này là một “thế hệ”, và ta đã khám phá ba thế hệ như vậy.
Có thể bạn sẽ lập tức có một số câu hỏi về bảng các hạt của chúng ta:
  • Phải chăng nó xuất hiện theo họ?
  • Tất cả những hạt này dùng để làm gì?
  • Khối lượng của các hạt có kiểu như thế nào?
  • Điều gì xảy ra với các điện tích 1/3 đó?
  • Còn có những hạt khác hay không?
Đây đều là những câu hỏi tự nhiên được nêu ra. Và trong khi toàn bộ bí ẩn này có thể khiến một số người lo sợ, điều quan trọng là hãy hít thở thật sâu. Hãy nhớ rằng chiến lược của chúng ta là tổ chức cái ta biết rồi sau đó tìm kiếm các kiểu và chỗ trống mà ta có thể dùng để nêu lên những câu hỏi thích hợp. Việc nêu những câu hỏi đúng hi vọng sẽ dẫn dắt chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn về cái đang diễn ra.
Hàng thập kỉ trước đây, bảng hạt sơ cấp này chưa hoàn chỉnh. Một vài quark và lepton vẫn chưa được khám phá. Nhưng các nhà vật lí đã nhìn vào các kiểu trong bảng và dùng chúng để tìm kiếm những hạt còn thiếu. Chẳng hạn, nhiều năm trước đây các nhà khoa học biết rằng phải có một quark thứ sáu bởi vì có một chỗ trống trong bảng. Mặc dù nó vẫn chưa được tìm thấy, nhưng người ta chắc chắn về sự tồn tại của nó đến mức nó được đưa vào trong các giáo trình cùng với khối lượng theo dự đoán của nó. Sau hai mươi năm, quark đỉnh (top) cuối cùng đã được tìm thấy (khối lượng của nó cao hơn trông đợi nhiều lần, thành ra phải lâu như vậy người ta mới tìm thấy nó, và như thế nghĩa là toàn bộ các giáo trình phải được viết lại).
Và vì thế các nhà vật lí đã tiếp tục đi theo hướng này để lấp đầy và nghiên cứu các kiểu trong bảng hạt quan trọng này. Trong vài thập niên vừa qua, ta đã chắp ghép được một số câu trả lời và, trong một số trường hợp, nhiều câu hỏi nữa.
Tất cả những hạt này dùng để làm gì?
Có một thứ chúng ta thật sự biết là chỉ có ba thế hệ hạt. Sự tồn tại của một thế hệ thứ tư đã bị bác bỏ bởi việc khám phá boson Higgs (xem chương 5 để biết về boson Higgs). Nhưng điều đó có ý nghĩa gì? 3 là một con số cơ bản trong vũ trụ hay chăng? Nếu cuối cùng bạn lập được một phương trình mô tả mọi thứ trong vũ trụ, thì có số 3 trong nó hay không? Người Công giáo ưa chuộng số 3, nhưng nhà toán học và nhà lí thuyết không ưa chuộng cho lắm; họ thích những con số như zero, 1, p, và có lẽ e. Còn số 3 ư? Họ chẳng thấy điều gì đặc biệt ở nó cả.
Nguồn thuvienvatly.com
 

Angeliaa

Tiềm năng thiên văn học
Hội viên CLB Ngôn từ
Thành viên
9 Tháng mười một 2017
1,314
1,699
244
19
Quảng Nam
THCS Phan Đình Phùng
Việc biết rằng toàn bộ kiến thức của loài người và khoa học chỉ liên quan đến 5% vũ trụ mà chúng ta gọi là “vật chất bình thường” có thể đưa đến một vài phản ứng. Nó có thể:
a. Khiến bạn cảm thấy nhỏ bé, thấp kém, và có chút sợ hãi.
b. Làm bạn bất mãn, bất mãn và trời ơi bất mãn.
c. Đánh thức sự hứng khởi của bạn với mọi thứ ta có thể học về vũ trụ.
d. Khích lệ bạn tiếp tục đọc quyển sách này.
Nếu phản ứng của bạn là cảm thấy thấp kém và sợ hãi, thì chúng tôi có tin tốt cho bạn đây. Ta sẽ dành phần lớn thời gian của chương này nói về vật chất bình thường. Tiện thể, nếu vật chất tối thật sự có nền vật lí tối, hóa học tối, sinh học tối và, suy diễn tiếp, những nhà vật lí làm bằng vật chất tối, thì có lẽ họ sẽ cho rằng vật chất của họ là “bình thường”. Có lẽ bạn nên cảm thấy có chút thấp kém.
Chúng tôi cũng có tin xấu dành cho bạn đây. Chúng ta chẳng biết hết mọi thứ để biết về 5% mà chúng ta biết.


Điều này có lẽ khiến bạn rất bất ngờ. Xét cho cùng, chúng ta chỉ mới hiện diện chừng vài trăm nghìn năm, và chúng ta đã làm rất tốt cho chính mình dưới dạng khoa học. Thật vậy, bạn có thể liều lĩnh nói rằng chúng ta đã làm chủ được góc nhỏ của mình trong vũ trụ. Chúng ta có quá nhiều công nghệ tối tân trong thời đại trên đầu ngón tay của mình, cho nên bạn nghĩ chúng ta đã nắm bắt rất tốt về khoa học của vật chất thường ngày. Ta có thể xem những chương trình ti vi dở ẹc bất cứ ở đâu và bất cứ khi nào. Chắc chắn đó là một mốc son trong bất kì nền văn minh nào.
Thú vị làm sao, ý tưởng này vừa đúng vừa không đúng (ý tưởng rằng chúng ta đã có một nắm bắt tốt về thực tại, không phải chuyện chúng ta có thể xem truyền hình trực tiếp 24/7 trên màn hình của mình).
Đúng là chúng ta biết rất nhiều về vật chất thường ngày. Nhưng cũng đúng là có rất nhiều thứ chúng ta không biết về vật chất thường ngày. Đáng chú ý nhất, chúng ta chẳng biết một số hạt (chút xíu của vật chất) thậm chí dùng để làm gì. Đây là chỗ đứng của chúng ta: trong công việc khám phá vật lí thường ngày, ta đã khám phá mười hai hạt vật chất. Sáu hạt trong số đó ta gọi là “quark” và sáu hạt kia ta gọi là “lepton”.

Nhưng bạn chỉ cần ba trong số mười hai hạt đó để làm nên mọi thứ xung quanh mình: quark lên (up), quark xuống (down), và electron (một trong các lepton).
Hãy nhớ rằng với quark lên và quark xuống, bạn có thể làm ra proton và neutron, và cùng với electron, bạn có thể làm nên bất kì nguyên tử nào. Vậy thì chín hạt kia dùng để làm gì? Tại sao lại có chúng? Chúng ta chẳng biết.
Sao lại khó hiểu như vậy chứ? Vâng, hãy tưởng tượng bạn làm ra chiếc bánh vĩ đại này và sau khi nướng và trang trí cho nó, và nếm thử nó (tiện thể mới nói, nó nếm ngon tuyệt; bạn là một tay thợ làm bánh giỏi), bạn phát hiện thấy bạn có chín thành phần khác mà mình thậm chí chẳng có thêm vào. Ai đã bỏ những thành phần đó vào? Chúng được dùng để làm gì? Dù gì đi nữa thì ai đã đi tới công thức này?
Sự thật là sự thiếu hiểu biết của chúng ta về vật chất thường ngày (5%) còn sâu nặng hơn cả chiếc bánh ngọt hạt.

Nhắc lại, ta hiểu làm thế nào ba hạt (quark lên, quark xuống, và electron) có thể kết hợp để tạo ra bất kì loại nguyên tử nào. Và ta biết làm thế nào dùng các nguyên tử để tạo ra các phân tử, và làm thế nào các phân tử có thể tạo nên những thứ phức tạp như bánh ngọt và con voi. Nhưng toàn bộ chỉ là làm thế nào: ta biết làm thế nào các thứ đến với nhau, và ta biết làm thế nào đặt chúng lại với nhau. Ta biết điều này tốt đến mức ta có thể làm ra mọi thứ từ chiếc quần lót hút mồ hôi cho đến kính thiên văn vũ trụ. Chúng ta thật tuyệt, phải không nào?
Cái chúng ta không biết nhiều lắm là tại sao như vậy: Tại sao các thứ được đặt với nhau theo kiểu như thế? Tại sao chúng không được đặt với nhau theo một kiểu nào khác? Phải chăng đây là phiên bản duy nhất của một vũ trụ tự-tương thích, hay có 10500 phiên bản khác nhau như các nhà lí thuyết dây đề xuất?
Chúng ta vẫn chưa biết ở một cấp độ cơ bản lí do vì sao mọi mảnh ghép trong vũ trụ lại khớp với nhau. Tựa như âm nhạc vậy: chúng ta biết làm thế nào tạo ra âm nhạc, chúng ta nhảy nhót cùng nó, mọi người hát ca cùng nó, nhưng chúng ta không biết tại sao nó mê hoặc chúng ta. Với vũ trụ cũng thế: chúng ta biết nó vận hành, nhưng chúng ta không biết tại sao nó vận hành.
Một số người có thể cho rằng một lời giải thích như thế là không có, hoặc dù có đi nữa thì có lẽ chúng ta không bao giờ biết được, ít nhiều lĩnh hội được nó. Ta sẽ dành phần bàn luận đó lại cho chương 16, nhưng điểm mấu chốt là chắc chắn chúng ta không có được kiến thức như thế trong thời đại ngày nay.
Bây giờ, giả sử bạn là một người hiếu kì và hăm hở muốn biết lí do của vạn vật, bạn có thể đang tự hỏi làm thế nào trả lời được câu hỏi này, và phải làm gì với các hạt vô dụng mà chúng ta đã tìm thấy.
Vâng, nếu chúng ta muốn tìm hiểu “lí do” cơ bản của vũ trụ, thì điều trước tiên ta cần làm là hãy chỉ rõ vũ trụ trông giống cái gì ở cấp độ sâu sắc nhất, cơ bản nhất của nó. Điều này có nghĩa là chia nhỏ vũ trụ xuống cho đến khi ta không còn chia nhỏ được nữa. Miếng nhỏ nhất, cơ bản nhất của thực tại là gì? Nếu miếng đó là một hạt, thì ta muốn tìm những hạt tạo nên những hạt tạo nên những hạt đó, vân vân, cho đến vô cùng tận (hay vô cùng ngán ngẫm, tùy cái nào đến trước).
Một khi bạn tìm thấy những hạt sơ cấp như thế, bạn có thể khảo sát chúng và có lẽ chỉ ra được tại sao vạn vật vận hành theo kiểu vốn như thế. Nó sẽ tựa như việc tìm thấy những mảnh ghép Lego nhỏ nhất trong một vũ trụ Lego. Nếu bạn tìm thấy những mảnh ghép đó, bạn sẽ biết hệ thống cơ bản nào được dùng cho mọi thứ khóa trong với những thứ khác. Bạn sẽ biết được cái gì đó sâu sắc và đúng đắn về thực tại, bao gồm cả vật chất tối và năng lượng tối (chúng ta hi vọng thế).

Ngay lúc này, chúng ta không chắc liệu chúng ta đã biết vũ trụ đến kích cỡ khả dĩ nhỏ nhất của nó hay chưa. Hoặc nếu chúng ta biết, thì chúng ta chưa chắc những mảnh ghép Lego mà chúng ta tìm thấy được làm bằng cái gì? Nhưng điều thú vị là chúng ta có trong tay một bản đồ. Chúng ta có một trò chơi ô chữ chưa hoàn chỉnh của vũ trụ, và trò chơi ô chữ này trông na ná như thứ chúng ta đã thấy trước đây: nó trông giống một bảng tuần hoàn.
Bảng tuần hoàn các hạt sơ cấp
Sau một thế kỉ cho mọi thứ đâm sầm vào nhau, các nhà vật lí đã tìm thấy mười hai hạt vật chất sơ cấp có thể sắp xếp thành một bảng trông đại loại như sau:

Hãy dành một chút thời gian đánh giá ý nghĩa mà chúng ta có được cho đến đây. Hãy nhớ rằng lí thuyết ban đầu về vũ trụ của các nhà vật lí thời tiền sử Ook và Groog là như sau:
LÍ THUYẾT VỀ VŨ TRỤ
Của Ook và Groog

- Ook và Groog
- Cục đá yêu thích của Ook
- Con lạc đà cưng của Groog
- Yadda, Yadda, Yadda
Đây là một bức tranh hoàn chỉnh, nhưng nó chẳng giúp ích được gì vì nó không cho ta biết bất cứ điều gì cơ bản hay thấu đáo; nó là một phát biểu hiển nhiên. Về sau, người Hi Lạp có ý tưởng rằng vạn vật được làm bởi bốn nguyên tố: nước, đất, không khí, và lửa. Ý tưởng này hết sức sai lầm, nhưng ít nhất nó là một bước theo hướng đi đúng bởi vì nó cố gắng đơn giản hóa sự mô tả về thế giới.
Rồi chúng ta khám phá các nguyên tố và rằng đá và đất và nước và lạc đà đều được làm bằng một tập hợp nhỏ những loại nguyên tử khác nhau. Về sau, chúng ta thấy rằng đến lượt nguyên tử cũng được làm bằng những hạt nhỏ hơn, và một số hạt trong số đó được làm bằng những hạt còn nhỏ hơn nữa (các quark). Bài học quan trọng nhất mà chúng ta thu được từ toàn bộ câu chuyện này là rằng các nguyên tử và lạc đà không phải là những đơn vị sơ cấp của vũ trụ. Nếu có một phương trình cơ bản của vũ trụ – cho dù nó như thế nào – thì ta có thể chắc chắn nó không có một biến gọi là Nlạc đà bởi vì lạc đà, giống như nguyên tử, không phải là nguyên tố sơ cấp của vũ trụ. Chúng không vạch rõ bản chất thiết yếu của chúng; chúng chỉ là kết quả tổng thể (hiện tượng phái sinh) của thực tại sâu sắc hơn (xin lỗi các chú lạc đà nhé), theo kiểu giống như lốc xoáy là hiện tượng phái sinh của gió, hay các ngôi sao là hiện tượng phái sinh của chất khí và lực hấp dẫn.

Tổ chức cái chúng ta biết (và không biết) thành bảng giúp chúng ta để ý xem có những kiểu và những mảnh ghép còn thiếu hay không. Hãy tưởng tượng một chút rằng bạn là một nhà khoa học hồi thế kỉ mười chín (vâng, bạn có thể tưởng tượng đang đeo những chiếc kính mắt lố lăng), và bạn không biết các nguyên tử thật ra được làm bằng những hạt nhỏ hơn gọi là electron, proton và neutron. Nếu bạn tổ chức cái bạn đã biết thành một bảng tuần hoàn các nguyên tố, thì bạn sẽ để ý thấy một số thứ thú vị.

Bạn sẽ để ý thấy rằng các nguyên tố ở một phía của bảng tuần hoàn rất hoạt tính trong khi các nguyên tố ở phía bên kia gần như hoàn toàn trơ ì – và rằng các nhóm nguyên tố liền kề có các tính chất giống nhau, ví dụ như các kim loại, và rằng một số nguyên tố thì khó tìm thấy hơn các nguyên tố khác.
Toàn bộ những kiểu hiếu kì này sẽ đem lại cho bạn các manh mối rằng bảng tuần hoàn không phải là mô tả căn bản của vũ trụ. Chúng ngụ ý rằng cái gì đó sâu sắc hơn đang diễn ra. Nó tựa như việc gặp gỡ một nhóm họ hàng và để ý thấy những điểm tương đồng nhất định trong số họ. Mặc dù họ đều khác nhau, nhưng bạn có thể cho rằng họ có chung bố mẹ bởi diện mạo hay hành động của họ. Theo kiểu giống như vậy, các nhà khoa học nhìn vào những phiên bản xa xưa của bảng tuần hoàn, để ý thấy các kiểu hình, và tự hỏi, Chúng ta đang thiếu thứ gì đó chăng?
Ngày nay chúng ta biết rằng các kiểu hình trong bảng tuần hoàn là do sự sắp xếp các orbital electron, và chúng ta biết rằng có một nguyên tố cho mỗi ô và một số nguyên tố thì hiếm hơn những nguyên tố khác bởi lẽ chúng phân hủy phóng xạ. Chỉ mỗi việc kết hợp cho đúng số lượng neutron, proton và electron để thu được mỗi nguyên tố.
Điểm mấu chốt là chúng ta đã tổ chức kiến thức mình có vào lúc ấy và chúng ta nghiên cứu nó tỉ mỉ. Sau đó, ta bắt đầu để ý các kiểu hình và những mảnh còn thiếu, và như vậy khiến chúng ta nêu được những câu hỏi thích hợp, đưa chúng ta đến hiểu biết sâu sắc hơn về cách thức vũ trụ vận hành.

Phần lớn thế kỉ hai mươi được dành để thiết lập bảng các hạt vật chất sơ cấp (bảng liệt kê quark và lepton). Chúng ta gọi những hạt này là “sơ cấp” không phải vì chúng vui nhộn (chúng hoàn toàn vui nhộn đấy) mà bởi vì cho đến nay ta chưa thấy chúng được làm bằng những hạt nào nhỏ hơn nữa. Thật ra ta chẳng có bằng chứng nào rằng chúng là những viên gạch cấu trúc cơ bản nhất trong vũ trụ, nhưng chúng là những mảnh vật chất nhỏ nhất mà chúng ta từng thấy (cho đến nay).
Nếu bạn nghiên cứu bảng các hạt ở đây, bạn sẽ để ý thấy nó cũng có một số kiểu hình thú vị. Trước tiên, bạn sẽ để ý thấy có hai loại hạt vật chất: quark và lepton. Ta biết chúng khác nhau bởi vì quark chịu lực hạt nhân mạnh, còn lepton thì không. Sau đó, bạn có thể để ý rằng các hạt tạo nên vật chất thường ngày đều nằm ở cột thứ nhất: quark lên, quark xuống, và electron. Có một hạt thứ tư ở trong cột thứ nhất đó gọi là neutrino electron (ne), và nó lao đi trong vũ trụ tựa như ma quỷ, thật sự chẳng tương tác gì nhiều với bất cứ thứ gì.

Nhưng hãy khoan, còn nữa! Có những hạt khác ngoài bốn hạt này và chúng cũng đều xếp vào thành cột. Mỗi cột trông y hệt như cột đầu tiên (với các tính chất giống nhau như điện tích và tương tác lực), ngoại trừ là các hạt trong chúng có khối lượng lớn hơn. Ta gọi mỗi cột này là một “thế hệ”, và ta đã khám phá ba thế hệ như vậy.
Có thể bạn sẽ lập tức có một số câu hỏi về bảng các hạt của chúng ta:
  • Phải chăng nó xuất hiện theo họ?
  • Tất cả những hạt này dùng để làm gì?
  • Khối lượng của các hạt có kiểu như thế nào?
  • Điều gì xảy ra với các điện tích 1/3 đó?
  • Còn có những hạt khác hay không?
Đây đều là những câu hỏi tự nhiên được nêu ra. Và trong khi toàn bộ bí ẩn này có thể khiến một số người lo sợ, điều quan trọng là hãy hít thở thật sâu. Hãy nhớ rằng chiến lược của chúng ta là tổ chức cái ta biết rồi sau đó tìm kiếm các kiểu và chỗ trống mà ta có thể dùng để nêu lên những câu hỏi thích hợp. Việc nêu những câu hỏi đúng hi vọng sẽ dẫn dắt chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn về cái đang diễn ra.
Hàng thập kỉ trước đây, bảng hạt sơ cấp này chưa hoàn chỉnh. Một vài quark và lepton vẫn chưa được khám phá. Nhưng các nhà vật lí đã nhìn vào các kiểu trong bảng và dùng chúng để tìm kiếm những hạt còn thiếu. Chẳng hạn, nhiều năm trước đây các nhà khoa học biết rằng phải có một quark thứ sáu bởi vì có một chỗ trống trong bảng. Mặc dù nó vẫn chưa được tìm thấy, nhưng người ta chắc chắn về sự tồn tại của nó đến mức nó được đưa vào trong các giáo trình cùng với khối lượng theo dự đoán của nó. Sau hai mươi năm, quark đỉnh (top) cuối cùng đã được tìm thấy (khối lượng của nó cao hơn trông đợi nhiều lần, thành ra phải lâu như vậy người ta mới tìm thấy nó, và như thế nghĩa là toàn bộ các giáo trình phải được viết lại).
Và vì thế các nhà vật lí đã tiếp tục đi theo hướng này để lấp đầy và nghiên cứu các kiểu trong bảng hạt quan trọng này. Trong vài thập niên vừa qua, ta đã chắp ghép được một số câu trả lời và, trong một số trường hợp, nhiều câu hỏi nữa.
Tất cả những hạt này dùng để làm gì?
Có một thứ chúng ta thật sự biết là chỉ có ba thế hệ hạt. Sự tồn tại của một thế hệ thứ tư đã bị bác bỏ bởi việc khám phá boson Higgs (xem chương 5 để biết về boson Higgs). Nhưng điều đó có ý nghĩa gì? 3 là một con số cơ bản trong vũ trụ hay chăng? Nếu cuối cùng bạn lập được một phương trình mô tả mọi thứ trong vũ trụ, thì có số 3 trong nó hay không? Người Công giáo ưa chuộng số 3, nhưng nhà toán học và nhà lí thuyết không ưa chuộng cho lắm; họ thích những con số như zero, 1, p, và có lẽ e. Còn số 3 ư? Họ chẳng thấy điều gì đặc biệt ở nó cả.
Nguồn thuvienvatly.com
Bây giờ thì mình đã hiểu rõ hơn về vũ trụ của chúng ta rồi.
 
  • Like
Reactions: WindyTA
Top Bottom