by Nói một cách chặt chẽ thì những điều tôi định trình bày trong bài giảng này không thể gọi là đặc tính của các định luật vật lý. Khi bàn luận về đặc tính các định luật vật lý thì ít nhất chúng ta cũng có thể giả thiết là chúng ta nói về chính giới tự nhiên. Nhưng bây giờ tôi muốn nói về mối liên hệ của chúng ta với giới tự nhiên nhiều hơn là nói về giới tự nhiên. Tôi muốn kể với các bạn về những điều hôm nay chúng ta coi là đã biết, về những điều mà chúng ta còn phải dự đoán và về cách phỏng đoán các định luật vật lý. Có một bạn nào đó đã đề nghị với tôi là tốt nhất thì tôi giải thích dần dần từng ít một về việc phỏng đoán các định luật, rồi cuối cùng thì tôi khám phá cho các bạn một định luật mới, tôi không biết là tôi có làm được điều đó hay không.
Trước hết tôi muốn kể với các bạn về tình trạng hiện nay của vật lý học. Các bạn có thế nghĩ bằng tất cả những điều đó tôi đã nói rồi, vì rằng trong những bài giảng trước tôi đã trình bày cho các bạn tất cả những định luật cơ bản đã biết. Nhưng tất cả các định luật phải là định luật đối với một cái gì đó: định luật bảo toàn năng lượng nói về năng lượng của một cái gì đó, những Tịnh luật của cơ học lượng tử - đó là những định luật cơ học lượng tử của một vật nào đó - và tất ả những định luật đó gộp chung lại cũng chưa nói được cho chúng ta giới tự nhiên là như thế ào, mà ở đây chúng ta đang nói về giới tự nhiên. Vì thế tôi muốn kể với các bạn một ít về vật hất mà chuyển động của nó tuân theo tất cả các định uật đó. Trước hết chúng ta không lạ gì ất cả các vật chất đều đồng nhất. Ta đã biết rằng vật chất tạo thành các ngôi sao, cũng giống như vật chất tạo thành quả đất. Đặc trưng của ánh sáng phát ra bởi các sao cho ta những tài liệu giống như dấu vân tay để khẳng định rằng những nguyên tử trên các sao cũng cùng thuộc loại như trên Trái đất. Giới sinh vật và vô sinh cũng được cấu thành từ những nguyên tử cùng loại như nhau. Con ếch cũng được cấu tạo bởi cùng một loại vật chất như hòn đá, chỉ khác là để cấu tạo thành con ếch thì vật chất được sử dụng không giống như trong hòn đá. Tất cả những diều đó làm cho vấn đề của chúng ta đơn giản đi. Chúng ta có các nguyên tử, ngoài ra không có cái gì khác nữa, các nguyên tử thì cùng loại và ở khắp nơi đều như nhau. Các nguyên tử rõ ràng có cấu trúc như nhau. Trong nguyên tử có hạt nhân và có electron bao quanh hạt nhân. Có thể lập ra một bảng các hạt mà (theo như chúng ta nghĩ) từ đó tạo hành vũ trụ và chúng ta cho rằng mình đã biết về các hạt đó.
Trong bảng trên trước hết có electron là hạt tạo thành lớp vỏ bên ngoài của nguyên tử. Sau đó là hạt nhân, nhưng hạt nhân lại gồm nhiều hạt thuộc hai loại khác nhau gọi là nơtrôn và proton. Và đây các bạn còn thấy thêm hai hạt nữa. Nếu nhìn lên các sao thì các bạn thấy những nguyên tử, chúng phát ra ánh sáng, mà chính ánh sáng lại được tạo từ các hạt gọi là photon. Ngay từ bài giảng đầu tôi đã nói về lực hấp dẫn và nếu lý thuyết lượng tử là đúng thì trường hấp dẫn phải là một loại sóng nào đó và sóng này cũng có tính chất hạt (như sóng ánh sáng). Các hạt đó gọi là graviton. Còn nếu các bạn không tin vào sự tồn tại của hạt ấy thì cứ gọi nó một cách đơn giản là sự hấp dẫn. Trên kia tôi đã nói đến sự phân rã bêta, trong đó hạt nơtron có thể phân rã thành hạt proton, electron và nơtrinô. Ngoài các hạt nói trên thì còn có những phản hạt tương ứng. Điều tương ứng đó đã làm tăng số hạt của chúng ta biết lên hai lần.
Nhờ các hạt vừa được kể ra ở trên chúng ta có thể giải thích được tất cả các hiện tượng xảy ra ở năng lượng thấp và cả những hiện tượng thông thường xảy ra ở bất cứ phần nào của vũ trụ. Nhưng khi nào có sự tham gia của các hạt năng lượng cao thì điều đó không còn đúng nữa và Trong điều kiện của phòng thí nghiệm, chúng ta đã tạo ra được một vài hiện tượng rất lạ. Nếu bỏ qua những trường hợp ngoại lệ như vậy thì tất cả các hiện tượng thông thường có thể giải thích bằng tương tác và chuyển động của các hạt đã kể. Chẳng hạn như chính sự sống, theo ý kiến chung, về nguyên tắc, có thể giải thích bằng những chuyển động của các nguyên tử, và những nguyên tử đó gồm các nơtron, proton và electron. Tôi cũng phải rào trước ngay là khi nói rằng một cái gì đó về nguyên tắc có thể được giải thích bằng một cách nào đó là muốn nói như sau: nếu chúng ta nắm được mọi vấn đề đến cùng thì để hiểu được các hiện tượng của giới sinh vật không cần phải phát minh ra một định luật vật lý nào nữa.
Ta lại xét thêm một thí dụ nữa. Hiện tượng phát ra năng lượng của các sao hay là của Mặt trời cũng có thể giải thích bằng phản ứng hạt nhân giữa các hạt đó, ít nhất thì người ta cũng cho rằng như vậy. Nhờ có mô hình ấy mà có thể mô tả một cách đúng đắn mọi loại chi tiết về tính chất của nguyên tử mà hiện nay chúng ta đã biết. Thậm chí tôi có thể khẳng định rằng trong số các hiện tượng được biết hiện nay chúng ta tin rằng không có một hiện tượng nào mà không thể giải thích được bằng một cách tương tự như thế, hoặc là sự giải thích đó liên quan tới việc giải quyết một điều dự đoán sâu xa nào đó.
Nhưng không phải bao giờ cũng vậy. Thí dụ như hiện tượng siêu dẫn, đó là hiện tượng kim loại ở nhiệt độ thấp , dẫn điện mà không có điện trở. Thoạt nhìn thì thấy hiện tượng ấy không mấy hiển nhiên là hệ quả của các định luật đã biết. Nhưng ngày nay sau khi đã nghiên cứu khá kĩ thì thấy rằng hiện tượng siêu dẫn hoàn toàn có thể giải thích được bằng các định luật vật lý đã biết. Bậy giờ chúng ta hãy xét những định luật khác, chẳng hạn như hiện tượng thần giao cách cảm là hiện tượng mà chúng ta không thể giải thích được bằng các kiến thức vật lý đã biết. Tuy bây giờ chưa xác minh được một cách đáng tin cậy rằng có hiện tượng này và chúng ta không thể đảm bảo về sự tồn tại của nó. Nhưng nếu bằng thực nghiệm người ta chứng minh được là có hiện tượng này thì môn vật lý của chúng ta là không hoàn chỉnh, vì thế các nhà vật lý phải quan tâm đến việc giải thích xem hiện tượng như vậy có thể có được hay không. Bây giờ thì nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ rằng hiện tượng đó là không có. Đối với môn chiêm tinh học cũng có tình trạng tương tự. Nếu như việc đi đến thấy thuốc chữa răng vào ngày nào tốt phụ thuộc vào các ngôi sao - các nhà chiêm tinh học cho là như vậy - thì những quan niệm của chúng ta về vật lý sẽ không hình dung được cách giải thích hiện tượng đó trên cơ sở tương tác của các hạt nói trên. Mối hoài nghi của các nhà khoa học đối với các lý thuyết tương tự cũng được giải thích đúng như vậy.
Sự thực trong trường hợp thôi miên thì mới nhìn người ta tưởng rằng không thể giải thích được. Nhưng điều đó chỉ đúng khi hiện tượng này chưa được nghiên cứu đầy đủ. Bây giờ thì chúng ta đã biết nhiều hơn nhiều về thôi miên và hoàn toàn có khả năng giải thích hiện tượng đó bằng các quá trình sinh lý học thông thường, mặc dù hiện nay ta chưa biết các quá trình đó. Dĩ nhiên để giải thích hiện tượng thôi miên không cần phải có một loại lực mới nào.
Hôm nay, trong khi mà lý thuyết chúng ta về những hiện tượng xảy ra bên ngoài hạt nhân nguyên tử tỏ ra chính xác và hoàn chỉnh, đã cho phép ta tính - dù có thể là không tính được ngay - tất cả các đại lượng với độ chính xác cỡ độ chính xác của phép đo, thì về các lực tương tác giữa các nơtron và proton hợp thành hạt nhân chúng ta biết ít hơn nhiều và hiểu chưa đủ về những đặc trưng của những lực ấy. Tôi muốn nói rằng hiện nay chúng ta hiểu về đặc trưng của lực tương tác giữa các nơtron và proton chưa đủ tốt để tôi có thể, nếu các bạn yêu cầu, với thời gian và số máy tính đầy đủ, xác định một cách chính xác tất cả các mức năng lượng của hạt nhân cacbon hoặc giải một bài toán khác cùng loại. Chúng ta biết cách giải bài toán một cách tương tự đối với những mức năng luợng của electron bên ngoài của nguyên tử, còn đối với hạt nhân thì chưa biết, vì rằng chúng ta hiểu chưa đầy đủ về bản chất của các lực bên trong hạt nhân.
Để có thể hiểu tốt hơn về những lực đó người ta cần làm những thí nghiệm đặc biệt, nghiên cứu các hiện tượng ở năng lượng rất cao. Nội dung chủ yếu của các thí nghiệm ấy là thực hiện sự va chạm giữa các nơtron và proton ở năng lượng rất cao và quan sát những hiện tượng khác thường xảy ra trong quá trình va chạm đó. Chúng ta hi vọng rằng việc nghiên cứu những hiện tượng khác thường đó sẽ cho chúng ta hiểu rõ hơn về tương tác giữa các proton và nơtron.
Mặc dù chúng ta chỉ muốn hiểu được nhiều hơn về đặc trưng của các lực tác dụng giữa notron và proton, nhưng khi cho các hạt đó va chạm với nhau thì chúng ta lại phát hiện ra một loạt hạt mới. Trong khi cố gắng để hiểu kĩ hơn về các lực bên trong hạt nhân chúng ta đã thu được khoảng bốn chục hạt mới mà chúng ta có thể đặt vào cùng một cột với nơtrôn và proton (xem bảng dưới) vì chúng tương tác với các hạt đó và có liên quan với tương tác giữa các hạt đó.
Ngoài ra trong bảng trên bây giờ còn có một cặp hạt không có liên quan gì tới vấn đề lực bên trong hạt nhân. Một hạt trong cặp ấy gọi là µ-mêzôn hay là muyên, còn hạt kia là nơtrinô-µ, đồng thời hạt thứ hai luôn đi kèm với hạt thứ nhất. Như vậy, có hai loại nơtrinô: một loại thì luôn đi kèm theo electron còn loại kia thì đi kèm theo µ-mêzôn. Các định luật về tính chất của cặp µ- mêzôn và nơtrino-µ bây giờ đã được nghiên cứu đầy đủ đến mức độ hiện đại của kĩ thuật thực nghiệm và có một điều rất đáng ngạc nhiên là các tính chất đó giống hệt như tính chất của cặp electron và nơtrinô, chỉ khác nhau ở một tính chất: khối lượng µ-mêzôn lớn hơn khối lượng electron 207 lần. Nhưng đó là sự khác nhau duy nhất giữa chúng và điều đó kể cũng thật lạ lùng. Bốn chục hạt mới hợp thành một danh sách đáng sợ, ấy là còn phải nhớ đến các phản hạt nữa. Các hạt mới có những tên khác nhau: mêzôn, piôn, kaôn, lamđa, xichma... Những cái tên đó không nói lên được điều gì với các bạn, đối với bốn chục hạt mới bạn phải ngôi nghĩ ra không ít tên gọi mới ! Nhưng các hạt đó lại hợp thành những họ, và điều đó làm cho công việc của ta nhẹ bớt đi. Thực ra thời gian sống của một số hạt nhỏ đến nỗi hiện nay còn có những tranh luận về vấn đề có thể xác lập được sự tồn tại của các hạt đó trong thực tế hay không. Nhưng tôi không muốn trình bày về sự tranh luận đó ở đây.
Để các bạn có được một khái niệm về họ các hạt cơ bản, chúng ta hãy xét trường hợp nơtron và proton. Nơtron và proton có khối lượng bằng nhau với độ chính xác đến vài phần nghìn hay vào khoảng như vậy. Nơtron nặng hơn electron 1836 lần, còn proton thì nặng hơn electron 1839 lần. Còn một điều đáng chú ý hơn là các lực bên trong hạt nhân giữa hai proton thì cũng giống như giữa nơtron và proton hoặc giữa hai nơtron. Nói cách khác, nếu chỉ nghiên cứu lực tương tác mạnh bên trong hạt nhân thì không thể phân biệt được proton và nơtron. Thế là ta có thêm một định luật đối xứng mới: nơtron có thể thay thế bằng proton và không có gì thay đổi nếu chỉ xét tới lực tương tác mạnh. Thế nhưng nếu nơtron thực sự được thay thế bằng proton thì sự khác nhau sẽ rất lớn vì rằng proton mang điện tích, còn nơtrôn thì không. Bằng những phép đo điện các bạn có thể phát hiện ra ngay sự khác nhau giữa proton và nơtrôn, vì thế sự đối xứng cho phép thay thế proton bằng nơtron thực ra chỉ là một sự đối xứng gần đúng. Nó tồn tại thực sự đối với tương tác hạt nhân mạnh, nhưng với ý nghĩa vật lý sâu sắc thì sự đối xứng đó không có, vì rằng nó không bao trùm được các hiện tượng điện. Tính quy luật như vậy gọi là đối xứng yếu và chúng ta cần tìm hiểu về các đối xứng này.
Hiện nay khi mà các họ hạt cơ bản đã lập xong, chúng ta biết được rằng những phép thay thế thuộc loại như thay thế nơtron bằng proton là có thể đối với cả một số hạt rộng lớn hơn. Nhưng sự khác biệt trong phép thay thế đó lại rất lớn. Điều khẳng định rằng nơtron luôn luôn có thể thay thế bởi proton chỉ là gần đúng, và nó sẽ là sai theo quan điểm lý thuyết về điện, nhưng một loạt phép thay thế khả dĩ khác còn cho một sự đối xứng xấu hơn nữa. Tuy vậy, tất cả các phép đối xứng yếu đó cho phép ta sắp xếp các hạt cơ bản trong những họ riêng biệt và nhờ thế tìm được chỗ cho những hạt chưa được sắp xếp và phát minh ra một số hạt mới.
Một trò chơi thuộc loại như vậy - tức là phỏng đoán một cách thô sơ những mối liên hệ xác định trong một họ nào đó là phương pháp đặc trưng trong những trận tấn công đầu tiên vào tự nhiên, chuẩn bị cho việc phát minh một định luật nào đó thật sâu sắc và rất là quan trọng. Quá khứ của khoa học đã nhiều lần chứng minh như vậy. Chính bằng một trò chơi loại đó mà Mendeleev đã phát minh ra bảng tuần hoàn các nguyên tố. Đó mới chỉ là bước khởi đầu. Sau một thời gian khá lâu nữa nhờ có những lý thuyết về nguyên tử người ta mới hiểu được một cách đầy đủ nguyên nhân của cấu trúc như thế của bảng tuần hoàn. Cũng đúng như vậy, những hiểu biết của chúng ta về mức năng lượng hạt nhân đã được Maria Mayer và Jensen sắp xếp trong mẫu vỏ của hạt nhân cách đây không lâu. Toàn bộ vật lý học nói chung, trong đó để cho dơn giản ta đã dùng những giả thuyết và những cách tính gần đúng, thực chất cũng là một trò chơi loại đó.
Ngoài tất cả những hạt nói trên chúng ta còn có những nguyên lý mà tôi đã nói đến trước đây: nguyên lý đối xứng và nguyên lý tương đối, nguyên lý cho rằng tất cả đều phải tuân theo các định luật của cơ học lượng tử, kể cả những lập luận suy ra tính định xứ của các định luật bảo toàn từ thuyết tương đối.
Nhưng nếu tập hợp tất cả các nguyên lý đó lại thì chúng ta thấy rằng chúng nhiều quá, mà tại không phù hợp với nhau. Nếu xét cơ học lượng tử, tính tương đối, cụ thể là khẳng định rằng tất cả phải định xứ và một vài giả thuyết mà ta mặc nhận nữa thì chúng ta sẽ đi tới mâu thuẫn, vì rằng khi tính một vài đại lượng chúng ta sẽ thu được kết quả vô cùng lớn. Mà ai có thể khẳng định được lượng vô cùng lớn đó phù hợp với thực tế của tự nhiên? Còn về những giả thuyết được mặc nhận mà tôi đã nhắc đến ở trên thì do chúng ta đã quá quen thuộc với chúng đến nỗi chúng ta không muốn hiểu hoặc không hiểu được ý nghĩa thực của chúng. Đây là một ví dụ. Nếu bạn tính xác suất của một loạt sự kiện xảy ra độc lập với nhau, chẳng hạn 50% để xảy ra điều này, 25% để xảy ra điều nọ... thì tính tổng số xác suất đó phải bằng 1. Tức là chúng ta cho rằng nếu cộng tất cả các xác suất thì phải có được xác suất 100%. Điều đó có vẻ hợp lý, nhưng chính bắt đầu từ cái hợp lý đó mà xảy ra các tai hoạ của chúng ta.
Một thí dụ khác: giả thiết cho rằng năng lượng luôn luôn phải là dương và không thể là âm. Và còn một giả thiết nữa mà chắc là còn được thừa nhận cho đến khi gặp mâu thuẫn, đó là nguyên lý nhân quả, theo nguyên lý này thì, nói một cách thô sơ, kết quả không thể đi trước nguyên nhân. Bây giờ thì chưa có ai thử xây dựng một lý thuyết trong đó không có giả thiết về xác suất toàn phần, hoặc là không tuân theo nguyên lý nhân quả mà lại phù hợp với cơ học lượng tử, thuyết tương đối, nguyên lý định xứ... Vì vậy chúng ta không biết do từ giả thuyết nào trong số các giả thiết trên mà nảy sinh ra những khó khăn và làm cho chúng ta thu được những giá trị vô cùng lớn. Đó chính là bài toán hiện nay của chúng ta! Thực ra thì nhờ những phương pháp thô sơ tất cả những đại lượng vô cùng lớn đó có thể tạm thời được “cất dấu dưới thảm", vì vậy chúng ta còn phải sẵn sàng làm những tính toán cần thiết.
Đó tình trạng hiện nay là như vậy. Còn bây giờ tôi sẽ cố gắng nói về việc phát minh ra các định luật mới như thế nào. (Xem tiếp trong bài này)
0 Comments: