VẬT CHẤT CÒN LẠI PHẢN VẬT CHẤT BIẾN ĐI ĐÂU ?
Vật chất còn lại,
phản vật chất biến đi
đâu?
Theo
mô hình chuẩn của vũ trụ vật chất và phản
vật chất đã được tạo nên với số lượng bằng nhau vào lúc ban đầu của vũ trụ. Có
phải hiện nay đối xứng đó đã bị phá vỡ?
Sau
dây là bài phỏng vấn nhà vật lý Gabriel Chardin thực hiên bởi Hélène Le Meur đăng trên tạp chí
La Recherche, số tháng 3 năm 2011. Gabriel Chardin đã đề ra một mô hình vũ trụ
mới gắn liền với lý thuyết môi trường đông đặc, theo mô hình này vũ trụ có đối
xứng vật chất-phản vật chất cao hơn chúng
ta tưởng.
Hình
1.Gabriel Chardin (Giám đốc Trung tâm phổ hạt nhân và phổ khối lượng, Đại học
Sau đây là nội
dung bài phỏng vấn.
LR
(La Recherche): Trong kịch bản mô tả bởi các mô hình vũ trụ hiện nay, khi nào
thì xảy ra hiện tượng mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất [1]?
GC(Gabriel
Chardin): Theo mô hình chuẩn của vũ trụ bắt đầu với Bigbang vào thời điểm ban
sơ thì hạt và phản hạt đều có số lượng
như nhau đến mãi thời điểm 3.10 – 5 giây nghĩa là vào thời điểm khoảng
vài trăm phần nghìn giây. Lúc bấy giờ vũ trụ là một hỗn hợp của quark [2] và
gluon [3], trong đó số quark và phản quark bằng nhau. Sau đó các proton và
neutron hình thành. Một bất đối xứng rất mạnh đã xuất hiện: sau
quá trình hủy (annihilation)vật chất và phản vật chất chỉ còn lại vật chất. Tại
sao? Đó là một câu hỏi bí ẩn nhất của vật lý.
LR:
Điều gì đã quyết định sự đối xứng ban đầu?
GC: Đó là mô
hình chuẩn của vật lý các hạt cơ bản và đặc biệt là định lý CPT[4] mà mọi lý
thuyết phải tuân thủ. Các phương trình mô tả động học của các hạt cơ bản dẫn đến
hai lời giải đối xứng ứng với các điện tích và năng lượng đối nhau. Năm 1928
Paul Dirac đã có một phát hiện lớn dẫn đến khái niệm hạt và phản hạt. Theo định
lý CPT, thì đối xứng không dừng tại đó. Hạt và phản hạt có khối lượng, trị số
điện tích, moment từ và thời gian sống là như nhau.
LR:
Ta không quan sát được trực tiếp sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất
xung quanh ta. Người ta biết về sự phá vỡ đối xứng đó qua những hiện tượng gì?
GC: Người ta đã
biết nhiều khía cạnh của sự phá vỡ đối xứng đó.Ví dụ, người ta đã quan sát được
sự mất đối xứng giữa vật chất-phản vật chất,
sự mất cân bằng trong quá trình phân rã các meson trung tính là K và B.
Nhưng người ta cũng không thật sự hiểu biết tường tận các hiện tượng đó. Trong
khuôn khổ mô hình chuẩn của vật lý những bất đối xứng đó là khả dĩ song mô hình
không tiên đoán được mức độ bất đối xứng. Hiện nay những điều ta biết về bất đối
xứng giữa vật chất và phản vật chất không cho phép giải thích phần vật chất sống
sót sau giai đoạn xảy ra quá trình hủy (annihilation).
LR:
Đâu là những khả năng để giải thích nguồn gốc sự bất đối xứng đó?
GC: Những nhà vật
lý cho rằng sự bất đối xứng đó có thể đã xảy ra trong một quá trình chuyển pha quan
trọng của vũ trụ. Họ hình dung 3 khả năng .
Theo khả năng thứ
nhất trong mô hình chuẩn tồn tại giai đoạn gọi là giai đoạn thống nhất lớn xảy
ra vào khoảng 10 -38 giây. Trong giai đoạn này tất cả tương tác cơ bản,
trừ hấp dẫn, đang còn quyện với nhau làm một. Thật ra người ta cũng không biết
chắc rằng giai đoạn này có tồn tại hay
chăng. Song một pha làm xuất hiện bất đối
xứng có thể cho phép proton phân rã thành positron-phản hạt của electron-và
một số hạt vật chất và phản vật chất khác. Hiện nay con đường này dường như bị
bỏ quên bởi vì phải cần đến một sự mất cân bằng nhiệt động học mới có thể đẩy
vũ trụ vào lợi thế vật chất.
Hinh2.
Trong mô hình chuẩn của vũ trụ, sự biến mất của phản vật chất (các vòng tròn trống
trên hình vẽ) đã xảy ra nhanh (3.10-5 giây) sau Bigbang. Vào thời điểm
mà các quark (vòng tròn đầy màu xanh) tổng
hợp với nhau để làm nên chất hạt nhân, hầu như tất cả những phản quark biến mất
(vòng tròn trống màu xanh). Những quá trình này lại diễn biến nhiều lần chậm
hơn trong một mô hình khác của vũ trụ (mô hình của Gabriel Chardin), chứa các
khối lượng dương và âm bằng nhau.
LR:
Khả năng thứ hai là gì?
GC: Đấy là chuyển
pha điện yếu, là thời điểm mà lực điện yếu bị phân thành hai lực tương tác, lực
yếu và lực điện từ. Trong mô hình chuẩn điều này xảy ra vào thời điểm 10 -10
giây. Quá trình chuyển pha này có thể gây nên một bất đối xứng mạnh giữa
neutrino và phản neutrino, đó là những hạt đi kèm electron và positron và có thể
đóng những vai trò cơ bản quan trọng trong vật lý các hạt cơ bản . Một bất đối
xứng như vậy chưa được đo đạc chính xác song vẫn là đề tài cho nhiều dự án đầy
tham vọng mà người ta gọi là dự án các “nhà máy neutrino”. Các thí nghiệm này sẽ
cho phép so sánh các tính chất của neutrino và phản neutrino. Nếu quả có một bất
đối xứng như thế thì bất đối xứng này có thể lan truyền xuống vùng năng lượng
thấp hơn. Đây là một bất đối xứng tiềm
năng. Hiện nay cơ chế này chưa được hoàn thiện nhưng đó là một có chế gây nên
nhiều sự quan tâm của các nhà vật lý.
LR:
Ông có nói đến khả năng thứ ba...
GC: Ý tưởng về
khả năng thứ ba này được đưa ra vào những năm 1960 và là một khả năng gây nhiều ấn tượng. Vào thời điểm khoảng 3.10-5
giây các proton và neutron được hình thành. Trước chuyển pha này ta có thể hình
dung vũ trụ gần giống như một sao neutron: mật độ đang còn là rất lớn. Quá
trình chuyển pha dẫn đến một vũ trụ gần như không có chất hạt nhân. Như thế cần
kiểm tra rằng không có một cơ chế phân rã nào có khả năng dẫn đến những túi phản vật chất
trong vũ trụ đã xuất hiện vào thời điểm đó. Giả thuyết về các túi phản vật chất
đã dẫn đến nhiều công trình công bố về tổng
hợp hạt nhân. Song hiện nay người ta
nghĩ rằng những giọt phản vật chất hình thành vào thời điểm 10 -30 giây
không có kích thước đủ lớn để cho phép chúng thoát khỏi hiện tượng hủy
(annihilation).
LR:Tất
cả những điều ông nói nằm trong phạm vi các mô hình chuẩn của vũ trụ. Song ông
đã phát triển một lý thuyết hoàn toàn mới. Vì sao lại cần một lý thuyết mới?
GC: Xin nhắc lại
rằng năm 1998 mô hình chuẩn của vũ trụ đã đối diện với nhiều phê phán. Sự phát
hiện hiện tượng giãn nở có gia tốc của vũ trụ đã gây nên một sự ngạc nhiên lớn.
Muốn giải thích hiện tượng này cần phải đưa vào mô hình một giả thuyết về áp suất
âm, một “năng lượng tối”. Vậy cần sự có mặt của hằng số vũ trụ, năng lượng của
chân không . Thành phần này tác động như một lực đẩy hấp dẫn, nghĩa là một
lực trái với lực hút hấp dẫn: dưới tác động của lực này các thiên hà sẽ rời xa
nhau với gia tốc. Giả thuyết này không thuyết phục được các nhà vật lý vào lúc
ban đầu song hiện nay họ đều tin tưởng vào điều đó. Tuy cũng có vài điều còn
nghi ngờ. Song một điều chắc chắn chúng ta không sống trong một vũ trụ nằm ở trạng
thái đang co lại hay nói cách khác là quá trình giãn nở của vũ trụ đang chậm lại
như Einsstein và de Sitter đã giả định.
LR:
Điều gì đã làm ông suy nghĩ về một mô hình mới?
GC: Tôi suy nghĩ về một mô hình mới. Từ lúc người ta
sẵn sàng đưa vào một áp suất âm, tôi tự hỏi hay là chúng ta nằm trong một vũ trụ
hoàn toàn đối xứng như Dirac đã từng nghĩ, trong đó vật chất và phản vật chất
song song tồn tại, vật chất ứng với khối lượng dương còn phản vật chất ứng với
khới lượng âm.
LR:
Thế nào là khối lượng âm?
GC: Hãy hình
dung một chất bán dẫn với hạt và lỗ trống. Một điện tử tương ứng với một mật độ
thừa trong bán dẫn còn lỗ trống tương ứng
với một mật độ thiếu. Đối với một môi trường trung bình-chất bán dẫn – thì
electrron có khối lượng dương còn lỗ trống có khối lượng âm. Nếu chúng ta chuyển
hình ảnh đó vào vũ trụ thì chân không chính là một chất bán dẫn còn hạt và phản
hạt sẽ ứng với electron và lỗ trống. Người ta có thể xem chân không có mật độ bằng
không chứa đây các hạt với khối lượng dương và phản hạt với khối lượng âm. Dưới
tác động của trường hấp dẫn ta có thể hình dung rằng vật chất rơi xuống còn phản
vật chất trồi lên, dường như các lỗ trống
khi có trường hấp dẫn lại chịu một ảnh hưởng phản hấp dẫn tương tự như hiện tượng xảy ra trong chất bán dẫn. Theo thời
gian thì các khối lượng âm tản rộng ra trong khi các khối lượng dương tụ lại thành những thiên
hà. Đây là một cách nhìn mới mẻ song hoàn toàn có thể chấp nhân được. Như vậy
ta có thể xây dựng một mô hình vũ trụ hoàn toàn đối xứng đối với vật chất và phản
vậy chất. Đó chính là mô hình mà chúng tôi đang phát triển cùng với cộng sự.
LR:
Đâu là ưu thế của mô hình này ?
GC: Trong mô
hình này chúng ta không cần vật chất tối lẫn năng lượng tối nữa. Và cũng không
cần hiểu vì sao hai thành phần này lại tiến triển theo những cách khác nhau như
vậy trong thời gian và tại sao năng lượng tối vốn không đáng kể trong nhiều tỷ
năm trước lại đột nhiên trở thành quan trọng như vậy trong hiện tại.
LR:
Theo mô hình của ông thì vũ trụ không giãn nở có gia tốc nữa?
GC: Với hai lượng
bằng nhau của vật chất và phản vật chất thì vũ trụ không co lại cũng không giãn
nở. Tưởng tượng như vũ trụ đang dừng lại
như một con tàu đang neo sau khi tắt động cơ. Sự giản nỡ chỉ xảy ra một cách nhẹ
nhàng. Cũng từ đó có thể hiểu rằng những pha ban đầu đã kéo dài nhiều hơn. Ví dụ
ba phút đầu tiên của vũ trụ cần thiết cho giai đoạn hình thành các hạt nhân nhẹ
biến thành ba mươi năm trong mô hình của chúng tôi.
LR:
Quả là một mô hình rất ấn tượng, người ta đã đón nhận mô hình này như thế nào?
GC: Mô hình được
xem là một mô hình mới lạ và được ít người hiểu. Song chúng tôi đã tiếp xúc với
nhiều đồng nghiệp thuộc lĩnh vực môi trương đông đặc (matière de l’état condensé)
để nghiên cứu hấp dẫn trong khuôn khổ mô
hình này. Dần dần ý tưởng được hình thành rõ hơn, xem hấp dẫn như một hiện tượng
đột sinh gắn liền với một môi trường gọi là chân không. Hấp dẫn trong cách nhìn
đó có thể xem là một phản ứng của chân không, một quá trình phân cực gây nên bởi
những đối tượng có khối lượng dương đang tụ họp lại và những khối lượng âm đang
tản xa ra. Và đó không phải là một lực tự thân.
Cao Chi biên dịch và chú thích
Các chú thích
[1] Phản vật chất cấu tạo bằng những phản hạt có
số lượng tử nội tại (số baryon, số lepton, số lạ, điện tích, siêu tích, ...)
với dấu ngược lại với dấu của số lượng tử các hạt
[2] Đầu những
năm 60 Gell-Mann đưa ra sơ đồ SU(3),
theo sơ đồ này, các hạt hadron (tiếng Hy
lạp adroz có nghĩa
là nặng) đều được cấu tạo bởi ba hạt sơ cấp có tên là quark
(từ quark, tác giả Gell-Mann lấy từ tiểu thuyết Finnegan’s Wake của nhà văn Ái
nhĩ lan Jame Joyce với nghĩa là điều khó hiểu, điều bí ẩn).
[3] Gluon là những lượng tử chuyển tải màu sắc) kết dính
các hạt quark lại trong các hadron (tiếng Anh glue có nghĩa là keo dán).
[4]
CPT đối xứng là đối xứng cơ bản của vật lý dưới tác động của đảo nghịch điện
tích (charge), chẵn lẻ(parity) và thời gian cùng một lúc.
Nhận xét
Đăng nhận xét