[TGQT] Vật lí: Tìm hiểu thế giới vi mô

[Tùy Phong Khởi Vũ]

[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.

- Vi mô tạo vĩ mô, những quy luật đơn giản của thế giới nguyên tử tạo nên những quy luật phức tạp hơn của vũ trụ và sự sống mà chúng ta thấy hằng ngày.

- Nghiên cứu thế giới vi mô khó khăn nhưng cũng thú vị không kém thế giới vĩ mô. Một số hiện tượng có thể làm đảo lộn cả thế giới quan của bạn.

- Ở loạt bài này mình sẽ giới thiệu một vài nghiên mới về thế giới hạt, và các vấn đề của vật lí hiện đại liên quan tới góc nhìn vi mô. Mong nhận được sự quan tâm của mọi người.

Viết bởi: Tùy Phong Khởi Vũ - Diễn đàn Hocmai.​

Chương sau: Thành phần cơ bản của vật chất!

(Còn tiếp...)

 

[Tùy Phong Khởi Vũ]

Chương I: Thành phần cơ bản của thế giới!

- Chúng ta thường biết rằng vật chất trên thế giới được cấu tạo từ 3 loại hạt cơ bản: Proton mang điện tích dương (+), electron mang điện tích âm (-) và notron không mang điện tích. Số elcetron, số proton trong nguyên tử quyết định các tính chất vật lí của nguyên tử, từ đó tạo nên các tính chất hóa học của chất. Các chất khác nhau lại cấu tạo nên thế giới muôn hình muôn vẻ.

- Những năm gần đây (*), sự phát triển của khoa học lượng tử cộng với sự ra đời của máy gia tốc hạt, người ta phát hiện thêm hàng trăm hạt khác. Để tiện cho việc nắm bắt vai trò, vị trí các hạt mình sẽ liệt kê chúng theo nhóm: Hạt vật chất, hạt phản vật chất, hạt thông tin, hạt vật chất tối.

(*) Thực ra là mấy chục năm rồi. Tại chúng ta lạc hậu quá thôi.

1) Hạt vật chất:

+ Hạt vật chất chúng ta thường hay biết là Proton, electron, và notron. Hạt electron mang điện tích âm (-) tồn tại ở 2 dạng: sóng - hạt bao quanh nguyên tử. Hạt proton và notron tạo thành hạt nhân nguyên tử. Hạt notron đóng vai trò giúp cho nguyên tử không bị vỡ tung bởi sự xô đẩy lẫn nhau của các hạt proton (+) trong hạt nhân. Notron gắn kết chúng lại với nhau bằng lực hạt nhân mạnh. Điều thú vị ở đây là nếu nguyên tử có kích thước như 1 sân bóng đá thì hạt nhân nguyên tử chỉ bé như 1 hạt thóc trong sân bóng đá ấy. Vậy vật chất chúng ta nhìn thấy hàng ngày gần như là trống rỗng.

+ Cơn bùng nổ của những ngôi sao chết trong dải Ngân Hà mang đến Trái Đất những dòng hạt vật chất (mà người ta gọi là "tia vũ trụ"). Trong những tia vũ trụ này người ta phát hiện thêm các hạt muon, pion, tau....Trong máy gia tốc hạt cũng tạo ra được những hạt này, nhưng thời gian sống của chúng rất ngắn (chỉ 1/ triệu giây). Vậy tại sao chúng lại có thể trải qua quãng đường hàng triệu năm ánh sáng để đến được Trái Đất? Một lần nữa chúng ta nhờ vào thuyết tương đối của Anhxtanh. Theo như đó, vì các hạt này chuyển động với vận tốc ánh sáng nên thời gian riêng của chúng "ngưng đọng". Chúng chỉ mới trải qua 1/ triệu giây nhưng thế giới của chúng ta đã trải qua hàng triệu năm.

+ Trong các máy gia tốc hạt, bằng việc bắn phá các nguyên tử người ta lại tìm ra hằng hà vô số hạt vật chất "lạ" mà họ đặt tên theo bản chữ cái Hi Lạp như: hạt rô, hạt sigma, hạt omega...

Các nhà khoa học cho rằng đa số các hạt đều được cấu tạo bởi các hạt nhỏ hơn gọi là "quark", ví dụ proton được cấu tạo từ 3 quark. Mỗi quark có 2 thuộc tính khác nhau mà người ta gọi vui là "màu" và "mùi". Chính các tính chất và số lượng "quark" tạo nên sự đa dạng của các hạt và phản hạt.​

2) Phản vật chất.

+ Phản vật chất là các loại hạt tương tự như hạt vật chất nhưng lại có điện tích ngược lại. Phản proton có khối lượng bằng proton nhưng có điện tích âm (-). Phản electron (pozitron) giống elcetron nhưng mang điện tích dương (+). Phản notron không mang điện tích , được cấu tạo từ các quark đối nghịch với notron.

+ Phản vật chất kết hợp với vật chất sẽ tự biến mất và giải phóng ra năng lượng dưới dạng tia gamma. Tương tự, một tia năng lượng cao cũng có thể biến thành vật chất và phản vật chất. Các nhà khoa học đặt giả thiết rằng khi vũ trụ khai sinh, nó tạo ra đồng thời vật chất và phản vật chất. Cứ 1 tỷ hạt phản vật chất sẽ có 1 tỷ + 1 hạt vật chất. Các hạt + phản hạt kết hợp với nhau sinh ra 1 vũ trụ tràn ngập ánh sáng.

+ Phản electron (+) được ứng dụng trong chụp cắt lớp não. Người ta tuyền 1 lượng phản electron vào não, phản electron kết hợp với electron sinh ra tia bức xạ làm mất màu tấm phim chụp --> cho ra hình dạng của não.

3) Hạt thông tin.

Đó là các loại hạt như photon - hạt ánh sáng. Và photon truyền tin hay còn gọi là hạt truyền tin ma quái. Hạt photon truyền tin này mình xin phép gọi tắt là hạt photon ma để phân biệt với hạt photon ánh sáng.

+ Hạt photon chính là ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy (hoặc không nhìn thấy). Photon tồn lại ở 2 dạng: dạng sống và dạng hạt. Photon có năng lượng càng cao thì nó càng thiên về "hạt", mang tính chất của vật chất (va chạm). Ngược lại photon mang năng lượng càng thấp thì nó lại thiên về "sóng", mang tính chất của sóng (giao thoa). Sắp xếp theo thứ tự tăng dần của năng lượng photon ta được các dạng: sóng điện từ --> sóng viba ---> tia hồng ngoại ---> ánh sáng nhìn thấy ---> tia tử ngoại (cực tím) ----> tia X ---> tia gamma.

+ Hạt photon ma (cái này mình sẽ trình bày ở bài viết về sự thống nhất các lực trong tự nhiên).

4) Hạt vật chất tối.

Khi tính toán dải ngân hà, các nhà khoa học gặp vấn đề: lượng vật chất trong ngân hà không đủ để tạo ra lực hấp dẫn lớn cần thiết. Vậy nên họ cho rằng lượng vật chất chúng ta nhìn thấy kia chỉ là "bề nổi của tảng băng chìm". Có một lượng lớn vật chất nữa cấu tạo nên vũ trụ mà chúng ta không nhìn thấy được (chiếm khoảng 70%). Loại vật chất này hầu như chả tương tác gì với vật chất thông thường, không hấp thụ hay phát xạ ánh sáng. Sau nhiều năm làm thí nghiệm, cuối cùng người ta cũng tìm ra bằng chứng cho thấy sự tồn tại của chúng - hạt notrino.

+ Hạt notrino có khối lượng nhỏ, không mang điện tích. Chúng hầu như không tương tác gì với vật chất thông thường nên rất dễ dáng đi xuyên qua chúng. Trong lúc chúng ta đang ngồi đây, đọc bài viết này, mỗi giây có hàng tỷ notrino sinh ra từ thời Bigbang đi xuyên qua chúng ta.

 

[Tùy Phong Khởi Vũ]

Chương II: Thế giới vật chất liệu có tồn tại khách quan?

- Trong chương trình 12 ắt hẳn chúng ta có biết qua về thí nghiệm giao thoa I - âng. Thí nghiệm như sau:

Chiếu 1 chùm tia sáng tới 2 khe hẹp, khi đó trên màn xuất hiện các vân sáng, vân tối đan xem nhau. Từ thí nghiệm này ngu7oi2 ta kết luận ánh sáng có tính chất sóng.​

- Tương tự thí nghiệm trên, người ta thay nguồn sáng bằng một chùm tia electron và thay màn chắn bằng máy phát hiện elecron. Kết quả thật bất ngờ: trên màn chắn cũng xuất hiện các vạch có electron và không có electron đan xen nhau như các vân giao thoa. Như vậy, electron đã khoác lên mình bộ áo "sóng". Tuy nhiên đó chưa phải là điều đáng ngạc nhiên nhất.

- Khi người đặt kính quan sát (trong khoảng D - hình vẽ), electron lại khoác lên mình bộ áo "hạt" và các vân giao thoa biến mất. Khi bỏ kính quan sát, các vân giao thoa lại xuất hiện. Có vẻ như electon thậm chí đã biết trước nó sẽ được quan sát trong khoảng D nên đã chuyển từ dạng sóng sang dạng hạt từ trước khi vào 2 khe S1 và S2, vì nếu trước khi vào khe nó vẫn ở dạng sóng thì chắc chắn sẽ có giao thoa.

- Như vậy, khi chúng ta chưa quan sát, electron có dạng sóng trải dài từ A đến B. Nếu chúng ta đặt máy quan sát ở A thì sẽ thấy nó có dạng 1 hạt ở A, đặt máy ở B thì sẽ thấy nó có dạng 1 hạt ở B. Cùng lúc 1 electron có thể có mặt ở nhiều nơi trong không gian, và người quan sát đóng vai trò quyết định trong việc nó tồn tại ở đâu, và nó là sóng hay là hạt.

- Vậy, vật chất liệu có tồn tại khách quan, độc lập với ý chí của con người?

- Chính vấn đề "hack não" này đã dẫn các nhà khoa học đến giả thuyết đa vũ trụ. Khi người quan sát đứng trước 2 sự lựa chọn: quan sát tại A hoặc tại B, nếu anh ta chọn tại A thì hạt electron sẽ xuất hiện tại A và anh ta đã tạo ra 1 vũ trụ chứa hạt electron ở A tại thời điểm đó. Ngược lại nếu anh ta chọn quan sát tại B, anh ta sẽ tạo ra 1 vũ trụ song song khác có hạt electron xuất hiện tại B ở cùng thời điểm.

Quan điểm cá nhân: Các nhà làm phim khoa học viễn tưởng đã khai thác triệt để thuyết đa vũ trụ này trong các phim siêu anh hùng. Mình thì chưa tin tưởng vào thuyết này lắm.

 

[Tùy Phong Khởi Vũ]

Chương III. Quy luật của vạn vật - sự thống nhất lớn.

Hẳn những fan ruột của Vật Lí hiện đại đều nghe đến công trình dang dở của Anh - xtanh: sự thống nhất các trường lực trong tự nhiên.

Thế giới vật chất muôn hình vạn trạng, các sự vật không ngừng tương tác với nhau theo những cách thức đa dạng. Tuy nhiên, khi tìm hiểu bản chất của từng loại tương tác, các nhà khoa học lại thấy dường như chúng dẫn đến một sự thống nhất chung, một quy luật tổng quát cho cả vũ trụ.

Vào cuối thế kỉ XIX, căn cứ trên các nghiên cứu, các hình thái tương tác phân thành 2 nhánh lớn: cơ học và điện từ học.

- Cơ học bao gồm: âm học, nhiệt học, khoa học thiên thể, hấp dẫn.

+ Sự truyền âm thanh bản chất là sự lan truyền chuyển động của các phần tử môi trường.
+ Nhiệt chính là sự chuyển động hỗn độn của các phân tử - nguyên tử bên trong vật. Sự truyền nhiệt cũng là sự truyền chuyển động.
+ Các hành tinh, thiên hà chịu sự chi phối của lực hấp dẫn.

Ở cấp độ vi mô, âm và nhiệt có bản chất là sự vận động và truyền vận động do các tương tác khác mang lại. ​

- Điện từ học bao gồm: Điện, từ, quang học.

+ Điện và từ có mối quan hệ rất khăng khít. Điện có thể chuyển hóa thành từ, ngược lại, từ cũng có thể chuyển hóa thành điện.
+ Với phát hiện ánh sáng có bản chất là sóng điện từ, các loại tia sáng dù nhìn thấy được hay không nhìn thấy được cũng được đưa vào dạng tương tác điện từ.
​

Ta có thể thấy rõ 2 nhánh này đặc trưng cho 2 "thái cực" là: tương tác cơ học và tương tác điện từ. Ở cấp độ vi mô, các hạt vừa mang tính "hạt" vừa mang "tính "sóng" nên sự thống nhất giữa 2 "thái cực" này là điều hoàn toàn có thể xảy ra. Sau này, người ta còn phát hiện thêm 2 dạng tương tác mới: phóng xạ (lực hạt nhân yếu), lực hạt nhân mạnh.

Và như vậy, đã hình thành nên 4 lực lớn chi phối thế giới: Lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh. Anh - xtanh đã thất bại trong việc thống nhất 4 lực này và nhường lại cho các thế hệ sau.

(Chương này còn tiếp....)

 

[Tùy Phong Khởi Vũ]

(Tiếp chương 3)

- Theo 1 lý thuyết đang chờ được kiểm chứng, lực điện từ, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh tương tác với nhau bằng các photon truyền tin (photon ma).

(Ban đầu các nhà khoa học nghĩ chúng tương tác với nhau bằng sóng nhưng không giải thích được một số hiện tượng).​

Một electron sẽ phát ra 1 loạt các photon ma xung quanh nó. Khi một electron khác đến gần và hấp thụ photon này, nó sẽ bị đẩy ra xa. Ngược lại nếu một proton hấp thụ được photon ma của electron, nó sẽ bị kéo lại gần.

- Sở dĩ lực điện từ có phạm vi gần như vô hạn, còn lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh lại có phạm vi vô cùng hạn chế là vì các photon ma của lực điện từ có thời gian sống khá dài, trong khi đó các photon ma của lực hạt nhân mạnh và yếu thời gian sống quá ngắn nên chúng chỉ có thể tương tác ở khoảng cách rất gần.

- Các photon ma của 3 trường tương tác này đều có quan hệ với nhau. Các nhà khoa học tin rằng thời mới khai sinh ra BigBang, chúng là 1. Sau đó vũ trụ nguội dần đã khiến chúng trở nên phân hóa.

- Lý thuyết về hạt photon truyền tin giải thích được vì sao trong các cường độ của trường điện từ và trường hấp dẫn lại ỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Tất nhiên ai cũng dễ dàng nhận ra nếu các hạt photon bay theo mọi hướng trong không gian thì mật độ phân bố của chúng luôn tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Theo như thuyết này, sẽ nảy sinh ra 1 vấn đề. Ta biết ở trên, hạt proton trong hạt nhân được cấu tạo từ 3 quark. Các quark này mang điện dương sẽ phát ra photon truyền tin dương. Nếu photon của quark này vô tình bị quark kia hấp thụ, hạt nhân nguyên tử sẽ bị nổ tung do chúng tách nhau ra. Xác suất xảy ra hiện tượng này vô cùng nhỏ, các nhà khoa học đang bố trí thí nghiệm để quan sát hiện tượng này nhằm củng cố cho thuyết "hạt photon truyền tin".

- Tuy 3 trong 4 lực đã được thống nhất, lực hấp dẫn vẫn ương bướng không chịu khuất phục. Nó hiện vẫn đang theo con đường riêng của mình. Các nhà khoa học hi vọng ngày nào đó sẽ tìm được hạt truyền tin của nó và thống nhất với 3 lực kia.