HẤP DẪN & VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN GẶP NHAU

 

Khi lý thuyết hấp dẫn

và vật lý các hạt cơ bản gặp nhau

 

                                                  David Kaiser

 

Tạp chí Scientific American số tháng 6 năm 2007 có đăng  bài viết  của tác giả  David Kaiser về vũ trụ học các hạt cơ bản (particle cosmology), một ngành vật lý mới,  có thể được xem như kết quả tổng hợp của vũ trụ học và vật lý các hạt cơ bản, có khả năng cung cấp nhiều thông tin về vũ trụ,về các hạt cơ bản và góp phần xây dựng một lý thuyết thống nhất trong vật lý. Xin trân trọng giới thiệu bài viết trên cùng bạn đọc.

  

Vũ trụ học các hạt cơ bản là một vấn đề nóng trong vật lý hiện nay. Tại Mỹ hướng nghiên cứu này được cung cấp một kinh phí khoảng 1/2  tỷ USD từ DOE (Department of Energy), NSF (National Science Foundation) và NASA.

Trước 1975 vật lý các hạt cơ bản và vũ trụ học là hai hướng nghiên cứu hầu như riêng biệt, người ta chưa thiết lập được mối liên hệ giữa hai hướng nghiên cứu này. Vào giữa những năm 1970 các nhà vật lý cũng đã hiểu rằng vũ trụ lúc sơ sinh có những điều kiện cho phép nghiên cứu các hạt cơ bản ở năng lượng cao, những điều kiện này chúng ta chưa thể tạo ra được trên mặt đất trong các phòng thí nghiệm.

Một khâu cơ bản nhất trong việc thống nhất hai hướng nghiên cứu: hạt cơ bản & vũ trụ học thành hướng  Vũ trụ học các hạt cơ bản là việc phát hiện mối liên hệ giữa lý thuyết Brans-Dicke và lý thuyết trường Higgs.

 Lý thuyết Brans-Dicke (vũ trụ học)

Khối lượng là một bản chất sâu kín của vật chất. Nhà vật lý và triết gia Mach người Áo  đưa ra nguyên lý, sau được gọi là nguyên lý Mach, theo đó khối lượng là độ đo quán tính của vật chất đối với các nguyên nhân gây ra chuyển động và là kết quả của sự tương tác của vật thể đang xét với tất cả vật chất còn lại của vũ trụ.

Như vậy phải tồn tại  một trưòng vô hướng để chuyển tải tương tác hấp dẫn giữa mọi dạng vật chất. Trên cơ sở ý tưởng  đó Carl Brans và Robert H.Dicke (đại học Princeton) xây dựng lý thuyết Brans-Dicke. Trong lý thuyết Einstein cường độ tương tác hấp dẫn xác định bởi hằng số Newton ký hiệu là G, hằng số này không thay đổi theo theo không gian và thời gian.  Brans-Dicke  đưa vào lý thuyết một trường vô hướng  f T  1/G, trường này biến đổi theo không gian và thời gian . Trong lý thuyết Brans-Dicke vật chất sẽ biến động tùy thuộc vào độ cong của không thời gian như trong lý thuyết Einstein và  vào sự thay đổi của cường độ hấp dẫn từng nơi. Trường  f choáng đầy không gian và tham gia quyết định chuyển động của vật chất trong không thời gian.

Lý thuyết Einstein  nối liền không thời gian với vật chất trong phương trình mang tên Einstein  : 

                                                G _ab   =8pGT_ab   

G _ab   mô tả hình học của không thời gian  ,T_ab mô tả vật chất    .

Trong lý thuyết Brans-Dicke vế phải của phương trình trên biến thành

       

              8pGT_ab + các số hạng chứa trường f  và  tham số  w

 

(xem hình 1 & chú thích [1] ).

Tham số  w à một tham số không thứ nguyên, khi w ®   ¥  ta sẽ có lại lý thuyết Einstein.

Sau đây f trong lý thuyết Brans-Dicke sẽ được ghi là  f  _BRANS-DICKE .

 

Lý thuyết trường Higgs (vật lý các hạt cơ bản)

 

Đối với các nhà vật lý các hạt cơ bản thì khối lượng xuất hiện theo một cách khác. Họ xếp các lý thuyết hạt cơ bản theo những đối xứng toán học. Ví dụ trong lý thuyết điện yếu (lý thuyết thống nhất hai tương tác điện từ và tương tác yếu ) các hạt W và Z phải là những hạt không có  khối lượng mới bảo đảm lý thuyết không vi phạm đối xứng, song trong thực tại hai hạt này có khối lượng.

Trong những năm 1961 và 1964  Jeffrey Goldstone (đại học Cambridge) và Peter Higgs đưa vào trường vô hướng f với thế năng V (f) có hai điểm cực tiểu  tại –v & +v (xem hình 1). Khối lượng sẽ xuất hiện trong quá trình hạt tương tác với  f ,  lúc f tiến đến –v hoặc +v thì  hạt thu được khối lượng và do đó  đối xứng bị phá vỡ (đối xứng phải chứa cả -v lẫn +v). Nhờ lý thuyết phá vỡ đối xứng tự phát này mà W & Z trở thành những hạt có khối lượng như  thực nghiệm đòi hỏi. Sự tồn tại của trường  Higgs là  một yếu tố quan trọng của mô hình chuẩn ( Standard model ) , mô hình này đã đưa ra những hệ quả được kiểm nghiệm trong thực nghiệm [2].

 

Sau đây f trong lý thuyết Higgs sẽ được ghi là f _HIGGS  .

 

                                                Hình 1 (xem bản dịch & chú thích hình 1 ở phía dưới )

 

 Mối liên quan giữa hai lý thuyết Brans-Dicke & Higgs

  

Các công trình của Brans-Dicke & Higgs được công bố gần như một lúc trên tạp chí uy tín là Physical Review. Các công trình này là những công trình được tham chiếu nhiều nhất trong mọi thời điểm.

Các nhà vật lý dần dần thấy mối liên quan giữa hai lý thuyết trên vào giữa những năm 1970. Phải chăng hai trường

 

                     f  _BRANS-DICKE  và f _HIGGS có cùng một bản chất vật lý?

 

Nhiều hiện tượng chỉ có thể nghiên cứu được ở năng lượng cao ví dụ trong lý thuyết GUT (Grand Unification Theory- lý thuyết thống nhất các tương tác mạnh+yếu+điện từ) cường độ tương tác của ba loại tương tác sẽ hội tụ về cùng một trị số tại vùng năng lượng 10 ²⁴ eV, như vậy các nhà vật lý phải nghiên cứu vũ trụ học tại những giai đoạn sơ sinh để có những điều kiện của năng lượng cao. Điều này cùng với mối liên quan giữa hai lý thuyết nói trên đã phôi sinh ra ngành vật lý mới : vũ trụ học các hạt cơ bản (particle cosmology).

Anthony Zee (đại học Pennsylvania) và Lee Smolin (đại học Harvard đã xây dựng lý thuyết tổng hợp lý thuyết Brans-Dicke với lý thuyết Goldstone-Higgs. Trong lý thuyết này hằng số tương tác hấp dẫn G T  1/  f² và biến đồi theo không gian và thời gian, sau  giai đoạn bigbang   f  ® +v hoặc –v và vì v lớn cho nên hằng số hấp dẫn rất nhỏ.

Năm 1981 Alan Guth (đại học MIT)  đưa ra lý thuyết giãn nở lạm phát  để giải thích một số hiện tượng như độ phẳng quan sát được của vũ trụ, lý thuyết này dẫn đến trường inflaton (tựa trường Higgs) [3]. Như thế vũ trụ học các hạt cơ bản sẽ có các cơ sở lý thuyết Brans-Dicke, Higgs và Guth (hình 2).

 

                                             Hình 2 (xem bản dịch & chú thích hình 2 ở phía dưới )

  

 Hướng nghiên cứu tổng hợp  vũ trụ học các hạt cơ bản (particle cosmology) là hướng nghiên cứu vật lý hiện đại sẽ góp phần quan trọng vào việc xây dựng lý thuyết thống nhất  của vật lý học.

 

                                                                                             CC. biên dịch

 

Tài liệu tham khảo và chú thích

[1]  Các phương trình trong lý thuyết  Brans-Dicke là

           G _ab  = 8 pT _ab /f  + w ( ¶ _af ¶ _bf - ẵ g _ab¶ _cf ¶ ^cf )/f ²

                          + ( ∇?_a∇?_bf  - g _ab□f )/ f

        □f = 8  pT /(3 +2 w)  , T = vết của tensor T _ab

[2] Cao Chi,  Einstein và vũ trụ lượng tử, trong tuyển tập Einstein với khoa học & công

       nghệ hiện đại -  Hội vật lý thành phố Hồ Chí Minh, 2005

[3] Trường inflaton trong một phép chuyển pha đã giải phóng thế năng và bức xạ để rơi về trạng thái cực                               tiểu về  năng lượng. Quá trình này gây một lực đẩy làm vũ trụ giãn nở cực mạnh trong giai đoạn                              10 – 35 đến  10 -34 giây sau bigbang.

Sau đây là bản dịch & chú thích cho các hình 1 và 2  

                                                                                   

CÁC QUAN ĐIỂM KHÁC NHAU VỀ KHỐI LƯỢNG

Sau đây là những quan điểm khác nhau về khối lượng của các nhà vật lý trong những năm 1960. Mặc dầu xây dựng những lý thuyết đồng dạng nhưng ít người phát hiện được mối liên quan giữa hai hướng nghiên cứu.

----------------------------------------------------------------------------------------------

Vũ trụ học: Lý thuyết hấp dẫn Brans-Dicke

Carl Brans   Robert Dicke        

Năm 1961 Carl Brans  &  Robert Dicke đưa vào lý thuyết trường vô hướng  f tạo khả năng cho hằng số hấp dẫn G biến đổi theo không gian và thời gian. Một vật  (xem bên trái hình) có khối lượng nhỏ  vì hằng số G địa phương nhỏ- không thời gian ở đấy  ít bị cong vì hấp dẫn. Vật khác (xem bên phải hình) có khối lượng lớn hơn vì G lớn hơn và không thời gian tại đó bị cong nhiều hơn vì hấp dẫn.

                                    Sự biến đổi của không thời gian

                                   Hai vật hình cầu như nhau

                                                  Trị số địa phương

                                             của hằng số hấp dẫn

  ----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Vật lý các hạt cơ bản: Trường Higgs

 Jeffrey      Peter Higgs

Goldstone

Năm 1961 Jeffrey Goldstone đưa vào trường  f với thế năng V( f ) có hai điểm cực tiểu tại các trị số –v và +v. Ba năm sau Peter Higgs sử dụng trường đó để giải thích sự xuất hiện khối lượng. Các hạt có khối lượng bằng không khi f biến đổi (xem bên trái hình), chúng thu được khối lượng khi f rơi vào một điểm cực tiểu (xem bên phải hình).

       TRẠNG THÁI BAN ĐẦU               TRẠNG THÁI CUỐI

        Mật độ thế năng trường Higgs           Mật độ thế năng trường Higgs

                       V( f )                                            V( f )

       Trường Higgs                                     Trường Higgs

       đang biến đổi                                      rơi vào một cực tiểu

                   Các trị số của trường Higgs  f                             Các trị số của trường Higgs  f

 

                                                           Hình 1

 

THIẾT LẬP MỐI LIÊN QUAN

 Cuối những năm 1970  các nhà vật lý đã thiết lập được mối liên quan giữa hai hướng nghiên cứu: vũ trụ học & vật lý các hạt cơ bản

ANTHONY ZEE

 Zee làm việc với John Wheeler tại đại học Princeton trong lĩnh vực hấp dẫn,sau đó nghiên cứu vật lý các hạt cơ bản.

 LEE SMOLIN

Trong những năm 1970 Smolin nghiên cứu đồng thời vũ trụ học và vật lý các hạt cơ bản tại đại học Harvard sau đó cộng tác cùng Stanley Deser, một chuyên gia về hấp dẫn lượng tử tại đại học Brandeis.

 ALAN GUTH

Guth nghiên cứu vật lý các hạt cơ bản tại MIT (Massachusetts Institute of Technology), rồi chuyển sang nghiên cứu vũ trụ học sau khi nghe một số bài  giảng của Dicke  vào năm 1970.

 Phông sóng vi ba vũ trụ                                                           Năng lượng tối làm gia tốc

                                             Các giai đoạn tối                                         quá trình giãn nở

  Giãn nở lạm phát

   Các sao đầu tiên

                                                   13,7 tỷ năm

 Trong những công trình công bố độc lập vào năm 1979, Zee và Smolin đã thiết lập mối liên  quan giữa các phương trình hấp dẫn của Brans-Dicke với lý thuyết phá vỡ đối xứng tự phát sử dụng  thế Goldstone-Higgs. Năm 1981 Guth đưa vào  trường inflaton trên cơ sở trường Higgs để xây dựng lý thuyết  lạm phát mô tả quá trình giãn nở cực nhanh của vũ trụ trong giai đoạn  sơ sinh. 

                                                       Hình 2