Tác giả: Sưu Tầm

Thể loại: Khoa Học

Giới thiệu:

Ba Phút đầu tiên
Câu chuyện của ta về ba phút đầu tiên ở chương V không thể bắt đầu vào thời điểm bắt đầu của vũ trụ. Thay vào đó ta bắt đầu ở cảnh một khi nhiệt độ vũ trụ đã nguội xuống một trăm nghìn triệu độ Kelvin, và những hạt có mặt lúc đó với số lượng lớn chỉ là photon, electron, neutrino và những phản hạt tương ứng của chúng. Nếu chúng quả thực là những loại hạt duy nhất trong tự nhiên, thì có lẽ có thể ngoại suy sự dãn nở vũ trụ lùi về quá khứ và cho rằng đã phải có một lúc bắt đầu thực sự, một trạng thái nhiệt độ và mật độ vô cùng lớn, xảy ra 0,0108 giây trước cảnh một của chúng ta.
Tuy nhiên có nhiều loại hạt khác mà vật lý thiên văn hiện đại biết: muon, meson pi, proton, nơtron, v. v… Khi ta nhìn lùi về những thời gian ngày càng xa, ta gặp những nhiệt độ và mật độ cao đến mức tất cả các hạt đó có thể có mặt với số lượng lớn ở cân bằng nhiệt và tất cả ở một trạng thái tương tác liên tục. Vì những lý do mà tôi mong sẽ làm sáng tỏ, ta quả là vẫn không biết đủ về vật lý hạt cơ bản để có thể tính toán các tính chất của một hỗn hợp như vậy với một sự tin tưởng nào đáng kể. Như vậy sự kém cỏi của chúng ta về vật lý vi mô như là một bức màn che mất hướng nhìn của ta về lúc đầu tiên thực sự.
Cố nhiên ta rất muốn nhìn được sau bức màn đó. Sự cám dỗ đó đặc biệt mạnh đối với những nhà lý thuyết như tôi, làm việc ở lĩnh vực vật lý hạt cơ bản nhiều hơn vật lý thiên văn. Nhiều ý tưởng hấp dẫn trong vật lý các hạt hiện nay có những hệ quả tinh tế đến mức chúng rất khó mà được thử nghiệm trong các phòng thí nghiệm ngày nay, nhưng những hệ quả của chúng sẽ rất sâu sắc khi các ý tưởng này được áp dụng cho vũ trụ rất sơ khai.
Vấn đề đầu tiên mà ta gặp phải khi nhìn lùi về những nhiệt độ trên trăm nghìn triệu độ là do những tương tác mạnh của những hạt cơ bản. Những tương tác mạnh là những lực giữ nơtron và proton với nhau trong hạt nhân nguyên tử. Chúng không quen thuộc trong đời sống bình thường theo kiểu các lực điện, từ và hấp dẫn bởi vì tầm tác dụng của chúng là hết sức ngắn, khoảng một phần mười triệu centimet (10 mũ âm 13 cm). Kể cả trong các phân tử mà hạt nhân cách nhau thường vào khoảng vài phần trăm triệu centimet (10 mũ âm 8 cm) những tương tác mạnh giữa các hạt nhân khác nhau hầu như không có tác dụng. Tuy nhiên, như tên của chúng chỉ rõ, các tương tác mạnh là rất mạnh. Khi hai proton được đẩy đến đủ gần nhau, tương tác mạnh của chúng khoảng một trăm lần lớn hơn lực đẩy điện, đây là lý do tại sao các tương tác mạnh có thể giữ vững các hạt nhận nguyên tử chống lại lực đẩy điện của gần một trăm proton. Sự nổ của một bom khinh khí được gây nên bởi sự phân bố lại nơtron và proton, nó cho phép chúng liên kết với nhau mạnh mẽ hơn bởi các tương tác mạnh; năng lượng của quả bom đúng là năng lượng thừa do sự phân bố lại đó tạo nên.
Chính sức mạnh của các tương tác mạnh làm cho ta khó giải quyết chúng bằng toán học hơn là những tương tác điện từ. Chẳng hạn khi ta tính xác suất tán xạ của hai electron do lực đẩy điện từ giữa chúng gây nên, ta phải cộng một số vô hạn các đóng góp, mỗi đóng góp ứng với một chuỗi bức xạ và hấp thụ đặc biệt các photon và những cặp electron - pôzitron được mô tả tượng trưng bằng giản đồ Feynman giống như các giản đồ ở hình 10.
Hình 10. Vài giản đồ Feynman. Ở đây vẽ vài giản đồ Feynman đơn giản cho quá trình tán xạ electron - electron. Những đường thẳng chỉ electron hoặc pôzitron; đường lượn sóng chỉ photon. Mỗi giản đồ chỉ một đại lượng hằng số nào đó phụ thuộc vào xung lượng và spin của các electron vào và ra; xác suất của quá trình tán xạ là bình phương của tổng các đại lượng đó, kết hợp với mọi giản đồ Feynman. Phần đóng góp của mỗi giản đồ cho tổng này là tỷ lệ với số nhân số 1/137 (hằng số cấu trúc tinh tế) được cho bởi số đường photon. Giản đồ a biểu diễn sự trao đổi một electron riêng lẻ và cho đóng góp chính, tỷ lệ với 1/137. Các giản đồ (b), (c), (d) và (e) biểu diễn mọi kiểu giản đồ hợp thành các hiệu chính bức xạ chủ yếu cho (a); tất cả chúng cho đóng góp khoảng (1/137) mũ 2. Giản đồ (f) cho một đóng góp còn bé hơn nữa, tỷ lệ với (1/137) mũ 3.
(Phương pháp tính toán dùng các giản đồ được Richard Feynman, lúc đó ở Cornell vạch ra trong cuối những năm 1940. Nói chặt chẽ ra, xác suất của quá trình tán xạ được cho bằng bình phương của một tổng các đóng góp, mỗi cái ứng với một giản đồ.) Thêm một đường nội tại nữa vào cho một giản đồ bất kỳ sẽ làm giảm phần đóng góp của giản đồ một số lần bằng một thừa số xấp xỉ bằng một hằng số cơ bản của tự nhiên, gọi là hằng số cấu trúc tinh tế . Hằng số này rất là bé khoảng 1/137,036. Những giản đồ phức tạp do đó cho những đóng góp bé, và ta có thể tính toán xác suất của quá trình tán xạ với mật độ gần đúng thích hợp bằng cách cộng những đóng góp chỉ từ một số ít giản đồ đơn giản. (Đó là lý do tại sao ta tin tưởng rằng ta có thể tiên đoán các phổ nguyên tử với độ chính xác hầu như không giới hạn.) Tuy nhiên, với các tương tác mạnh hằng số đóng vai trò của hằng số cấu trúc tinh tế xấp xỉ bằng một, chứ không phải là 1/137,036, và những giản đồ phức tạp khi đó cho một đóng góp cũng lớn như những giản đồ đơn giản. Vấn đề này, sự khó tính toán các xác suất cho các quá trình bao hàm tương tác mạnh đã là trở ngại lớn nhất duy nhất cho sự tiến bộ trong vật lý hạt cơ bản trong một phần tư thế kỷ qua.
Không phải mọi quá trình đều bao hàm tương tác mạnh. Những tương tác mạnh chỉ ảnh hưởng đến một loại hạt gọi là hađron chúng bao gồm những hạt hạt nhân và các meson pi, và những hạt không bền khác gọi là meson eta, các hyperon lamđa, hyperon xích ma, v. v… Những hađron thường là nặng hơn lepton (tên lepton là từ chữ Hy Lạp có nghĩa là nhẹ), nhưng sự khác nhau thực sự quan trọng giữa chúng là các hađron chịu ảnh hưởng của những tương tác mạnh trong khi các lepton - neutrino, electron, và muon thì không. Sự việc electron không cảm thấy lực hạt nhân là vô cùng quan trọng - cùng với việc khối lượng của electron rất bé, nó là nguyên nhân gây nên sự kiện là đám mây electron trong một nguyên tử hoặc phân tử là khoảng một trăm nghìn lần lớn hơn hạt nhân nguyên tử và cả sự kiện là các lực hóa học giữ các nguyên tử với nhau trong các phân tử là hàng triệu lần yếu hơn các lực giữa nơtron và proton với nhau trong các hạt nhân. Nếu những electron trong các nguyên tử và phân tử cảm thấy các lực hạt nhân, thì sẽ không có hóa học hoặc tinh thể học hoặc sinh học- mà chỉ có vật lý hạt nhân.