Liên hệ quark với vũ trụ: 11 câu hỏi

khoa học cho thế kỷ mới

(Báo cáo của Uỷ ban Vật lý Vũ trụ trong tổng quan

"Vật lý học trong kỷ nguyên mới" của PSOC/NRC )

Ðặng Mộng Lân giới thiệu

1. Vật chất tối là gì ?

2. Khối lượng của nơtrinô là như thế nào, và chúng đã tạo nên sự tiến hóa của vũ trụ như thế nào ?

3. Không - thời gian có thêm chiều nào không ?

4. Bản chất của năng lượng tối

5. Prôtôn có phải là không bền vững ?

6. Vũ trụ bắt đầu như thế nào ?

7. Có phải Einstein đã nói lời cuối cùng về hấp dẫn ?

8. Các máy gia tốc vũ trụ hoạt động như thế nào và chúng gia tốc cái gì?

9. Có những trạng thái vật chất ở mật độ và nhiệt độ cực kỳ cao không ?

10. Phải chăng một lý thuyết mới về vật chất và ánh sáng cần đến năng lượng cao ?

11. Các nguyên tố từ sắt đến urani hình thành như thế nào ?

Trong thời gian 1994-1999, Uỷ ban Tổng Quan Vật lý (PSOC) của Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Mỹ (NRC) đã công bố tổng quan "Physics in a New Era" (Vật lý học trong kỷ nguyên mới) gồm nhiều tập (xem "Vật lý Ngày nay" số tháng 2-2002, trang 28). Sau đó, năm 2001, PSOC lại công bố một số tập bổ sung, trong số đó có tập "Overview" (Nhìn chung) chúng tôi đã giới thiệu trong "Vật lý Ngày nay" các số tháng 2 và tháng 4-2002. Bài sau đây sẽ giới thiệu tập bổ sung thứ hai "Connecting Quarks with the Cosmos" do Uỷ ban Vật lý Vũ trụ (Committee on the Physics of the Universe) biên soạn.

Trong phần tóm tắt, để mở đầu, báo cáo viết: "Chúng ta đang ở một thời điểm đặc biệt trong cuộc hành trình tìm hiểu vũ trụ và các định luật vật lý chi phối nó. Hơn bao giờ hết, các khám phá thiên văn đang đẩy xa các biên giới của vật lý cơ bản; và hơn bao giờ hết, kiến thức của chúng ta về vật lý cơ bản đang đẩy xa sự hiểu biết về vũ trụ và những gì chứa trong đó. Uỷ ban Vật lý Vũ trụ đã được triệu tập chính là để nhận ra những mối liên hệ sâu xa giữa các hạt quark và vũ trụ".

Các mối liên hệ đó là những gì ? Ðể tìm ra những mối liên hệ đó, theo các tác giả của báo cáo, các nhà nghiên cứu có thể tập trung vào 11 câu hỏi lớn sau đây.

1. Vật chất tối là gì ?

Các nhà thiên văn đã chỉ ra rằng các vật thể trong vũ trụ từ các thiên hà bé hơn Thiên Hà của chúng ta hàng triệu lần cho đến các cụm thiên hà lớn nhất đều được duy trì bằng một dạng vật chất không phải là loại vật chất cấu tạo nên chúng ta và không phát ra ánh sáng. Loại vật chất đó có lẽ gồm các hạt cơ bản hiện vẫn chưa phát hiện được và những tích tụ của chúng tạo ra một lực kéo dẫn đến sự hình thành các thiên hà và các cấu trúc quy mô lớn trong vũ trụ. Ðồng thời, các hạt này có thể đang đi qua các phòng thí nghiệm của chúng ta trên Trái Ðất.

2. Khối lượng của nơtrinô là như thế nào, và chúng đã tạo nên sự tiến hóa của vũ trụ như thế nào ?

Vũ trụ học cho chúng ta biết rằng nơtrinô phải có rất nhiều trong vũ trụ hiện nay. Các nhà vật lý đã tìm thấy ngày càng nhiều chứng cớ rằng nơtrinô là có khối lượng tuy nhỏ. Thậm chí, có thể còn có những dạng nơtrinô khác với ba dạng đã biết trong các mô hình chuẩn hiện nay.

3. Không - thời gian có thêm chiều nào không ?

Ðể mở rộng lý thuyết của Einstein và để hiểu về bản chất của hấp dẫn lượng tử, các nhà vật lý hạt đã cho rằng phải có những chiều không - thời gian ngoài những chiều chúng ta đã biết. Sự tồn tại của các chiều này có thể ảnh hưởng đến sự sinh ra và sự tiến hóa của vũ trụ, đến các tương tác của các hạt cơ bản, và làm thay đổi lực hấp dẫn ở khoảng cách nhỏ.

4. Bản chất của năng lượng tối là gì ?

Những kết quả đo gần đây đã cho thấy sự nở của vũ trụ đang ngày càng nhanh lên chứ không phải chậm đi. Kết luận này ngược với ý tưởng cơ bản theo đó sự hấp dẫn có tính hút. Nếu các kết quả đo này quả là đúng thì chúng phải cần đến sự có mặt của một dạng vật chất gọi là "năng lượng tối" mà sự hấp dẫn của nó là đẩy chứ không phải hút.

5. Prôtôn có phải là không bền vững ?

Vật chất tạo ra chúng ta là phần còn lại nhỏ bé của quá trình hủy vật chất và phản vật chất đã xuất hiện từ vũ trụ rất sớm với những lượng không bằng nhau. Sự không cân đối này có thể có liên quan mật thiết với sự không bền vững được giả định của prôtôn - dạng đơn giản nhất của vật chất, và với sự hơi thiên vị khi tạo ra vật chất so với phản vật chất được đưa vào các định luật của vật lý.

Hình ảnh các điểm nóng và lạnh trên bầu trời phông vi ba vũ trụ đối với vũ trụ đóng, mật độ cao (hình dưới, bên trái); vũ trụ phẳng, mật độ bằng mật độ tới hạn (hình dưới, ở giữa); vũ trụ mở, mật độ thấp (hình dưới, bên phải); và vũ trụ thực (hình trên) thu được trong thí nghiệm BOOMERANG (dùng khinh khí cầu). Các thay đổi nhỏ về nhiệt độ chỉ phân bố vật chất 500.000 năm sau Vụ Nổ Lớn; kích thước góc của chúng được xác định bởi dạng của vũ trụ. Kết quả của thí nghiệm BOOMERANG cho thấy chúng ta đang sống trong một vũ trụ phẳng.

6. Vũ trụ bắt đầu như thế nào ?

Có chứng cớ là vào những thời điểm sớm nhất, vũ trụ đã phải chịu một sự bùng nổ khủng khiếp với một độ nở được thêm vào gọi là lạm phát, do đó những vật thể lớn nhất trong vũ trụ là có nguồn gốc từ những vật lượng tử nhỏ bé dưới nguyên tử. Nguyên nhân vật lý của sự lạm phát này vẫn còn là một điều bí mật.

7. Có phải Einstein đã nói lời cuối cùng về hấp dẫn ?

Lỗ đen có khắp nơi trong vũ trụ và sự hấp dẫn mạnh của nó có thể được khai thác. Các hiệu ứng hấp dẫn mạnh trong vũ trụ sớm đã có những hậu quả có thể quan sát được. Lý thuyết của Einstein cần phải hoạt động tốt trong các tình trạng này như là nó đã hoạt động có kết quả trong Hệ Mặt Trời. Một lý thuyết hấp dẫn đầy đủ cần phải có chứa các hiệu ứng lượng tử - lý thuyết hấp dẫn của Einstein không làm được hoặc phải giải thích vì sao chúng không có liên quan.

8. Các máy gia tốc vũ trụ hoạt động như thế nào và chúng gia tốc cái gì?

Các nhà vật lý đã phát hiện ra rất nhiều hiện tượng năng lượng cao trong vũ trụ, trong đó có các chùm hạt có năng lượng cao một cách bất ngờ nhưng nguồn gốc thì chưa biết. Trong các máy gia tốc trong các phòng thí nghiệm, chúng ta có thể tạo ra các chùm hạt năng lượng cao, song năng lượng của các chùm hạt vũ trụ thì cao hơn năng lượng được tạo ra trên Trái Ðất rất nhiều.

9. Có những trạng thái vật chất ở mật độ và nhiệt độ cực kỳ cao không ?

Lý thuyết về sự tạo thành các hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố hóa học từ prôtôn và nơtrôn đã rất phát triển. Ở MẬT ÐỘ CAO, CÁC NƠTRÔN VÀ PRÔTÔN có thể "tan ra" thành một loại "cháo" quark và gluôn không còn phân biệt được; loại cháo này có thể thăm dò trong các máy gia tốc iôn nặng. Những mật độ và nhiệt độ còn cao hơn có thể xẩy ra và có thể được thăm dò trong các sao nơtrôn và vũ trụ sớm.

10. Phải chăng một lý thuyết mới về vật chất và ánh sáng cần đến năng lượng cao ?

Vật chất và bức xạ trong phòng thí nghiệm được mô tả cực kỳ tốt bằng các định luật của cơ học lượng tử, điện từ học và sự thống nhất của chúng - điện động lực học lượng tử. Vũ trụ giới thiệu cho chúng ta những chỗ và những vật thể như các cao nơtrôn và các nguồn bùng nổ tia gamma ở đó năng lượng là cực kỳ lớn, lớn hơn rất nhiều bất kể năng lượng nào chúng ta có thể sản sinh ra trên Trái Ðất để thử nghiệm các lý thuyết cơ sở đó.

11. Các nguyên tố từ sắt đến urani hình thành như thế nào ?

Sự hiểu biết của các nhà khoa học về sự sản sinh các nguyên tố cho đến sắt trong các sao và các sao siêu mới đã khá đầy đủ. Song nguồn gốc chính xác của các nguyên tố nặng hơn từ sắt đến urani thì vẫn còn là điều bí mật.

Mỗi vấn đề nêu trên đều vạch ra mối quan hệ lẫn nhau giữa việc khám phá các định luật vật lý chi phối vũ trụ và việc hiểu biết về sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ và các vật thể trong đó. Toàn bộ mỗi vấn đề đều lớn hơn tổng của phần thiên văn và phần vật lý mà nó bao gồm. Xét trên viễn cảnh bao gồm cả thiên văn học lẫn vật lý học thì các vấn đề này cấp bách hơn và quan trọng hơn.

Nhìn tổng thể, các vấn đề đề cập một mô hình vũ trụ liên hệ vật lý cơ bản ở các quy mô vi mô nhất với các tính chất của vũ trụ và những gì chứa trong nó trên những quy mô vật lý lớn nhất. Sự xây dựng này dựa trên việc ngoại suy vật lý học đã được thử nghiệm ngày nay trong phòng thí nghiệm và trong phạm vi Hệ Mặt Trời sang những vật thể thiên văn lạ nhất và đến những thời điểm đầu tiên của vũ trụ. Công trình ngoại suy đầy tham vọng này có đúng không ? Chúng ta có thể có được một mô hình liên kết hay không ? Nó có nhất quán hay không ? Bằng cách đo các tính chất cơ sở của vũ trụ, của lỗ đen, của các hạt cơ bản, theo những cách rất khác nhau, chúng ta có thể hoặc là bác bỏ quan điểm đầy tham vọng này về vũ trụ hoặc là thiết lập được mô hình này như là phần trung tâm trong quan điểm khoa học của chúng ta.

Khoa học, với sự phong phú của nó, đang vượt qua những biên giới cổ

truyền của thiên văn học và vật lý học. Nó đang đưa lại gần nhau trận tuyến hàng đầu của những nghiên cứu về bản chất của không gian là thời gian và trận tuyến hàng đầu về những nghiên cứu về nguồn gốc và giai đoạn tiến hóa sớm nhất của vũ trụ và các vật thể lạ nhất trong đó. Với những cơ hội tuyệt diệu trong tay, chúng ta cần phải có một cách tiếp cận mới vượt ra ngoài quan điểm xem khoa học là thiên văn học hay vật lý học và cùng sử dụng các kỹ thuật của thiên văn học cũng như của vật lý học - kính thiên văn và máy gia tốc, các dụng cụ trên Trái Ðất và các dụng cụ đặt trong không gian vũ trụ. Mục tiêu do đó phải là tạo ra một chiến lược mới, khắc phục những trở ngại đôi khi là về phân ngành, đôi khi là về tổ chức và thể chế, vì khoa học không nằm ở các ngành hay các tổ chức khác nhau, mà là ở giao diện của hai ngành lớn là thiên văn học và vật lý học và xuyên qua biên giới của các cơ quan tài trợ.

Uỷ ban Vật lý Vũ trụ sẽ biên soạn tập thứ hai bàn về chiến lược này, biến các vấn đề đặt ra thành một chương trình hành động.