Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất là gì?

Trong phần này, bạn sẽ thấy chúng ta hiểu biết ít ỏi như thế nào về những thứ nhỏ nhoi nhất mà chúng ta thấy

Việc biết rằng toàn bộ kiến thức của loài người và khoa học chỉ liên quan đến 5% vũ trụ mà chúng ta gọi là “vật chất bình thường” có thể đưa đến một vài phản ứng. Nó có thể:

a. Khiến bạn cảm thấy nhỏ bé, thấp kém, và có chút sợ hãi.

b. Làm bạn bất mãn, bất mãn và trời ơi bất mãn.

c. Đánh thức sự hứng khởi của bạn với mọi thứ ta có thể học về vũ trụ.

d. Khích lệ bạn tiếp tục đọc quyển sách này.

Nếu phản ứng của bạn là cảm thấy thấp kém và sợ hãi, thì chúng tôi có tin tốt cho bạn đây. Ta sẽ dành phần lớn thời gian của chương này nói về vật chất bình thường. Tiện thể, nếu vật chất tối thật sự có nền vật lí tối, hóa học tối, sinh học tối và, suy diễn tiếp, những nhà vật lí làm bằng vật chất tối, thì có lẽ họ sẽ cho rằng vật chất của họ là “bình thường”. Có lẽ bạn nên cảm thấy có chút thấp kém.

Chúng tôi cũng có tin xấu dành cho bạn đây. Chúng ta chẳng biết hết mọi thứ để biết về 5% mà chúng ta biết.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất
                                                                                                           

Điều này có lẽ khiến bạn rất bất ngờ. Xét cho cùng, chúng ta chỉ mới hiện diện chừng vài trăm nghìn năm, và chúng ta đã làm rất tốt cho chính mình dưới dạng khoa học. Thật vậy, bạn có thể liều lĩnh nói rằng chúng ta đã làm chủ được góc nhỏ của mình trong vũ trụ. Chúng ta có quá nhiều công nghệ tối tân trong thời đại trên đầu ngón tay của mình, cho nên bạn nghĩ chúng ta đã nắm bắt rất tốt về khoa học của vật chất thường ngày. Ta có thể xem những chương trình ti vi dở ẹc bất cứ ở đâu và bất cứ khi nào. Chắc chắn đó là một mốc son trong bất kì nền văn minh nào.

Thú vị làm sao, ý tưởng này vừa đúng vừa không đúng (ý tưởng rằng chúng ta đã có một nắm bắt tốt về thực tại, không phải chuyện chúng ta có thể xem truyền hình trực tiếp 24/7 trên màn hình của mình).

Đúng là chúng ta biết rất nhiều về vật chất thường ngày. Nhưng cũng đúng là có rất nhiều thứ chúng ta không biết về vật chất thường ngày. Đáng chú ý nhất, chúng ta chẳng biết một số hạt (chút xíu của vật chất) thậm chí dùng để làm gì. Đây là chỗ đứng của chúng ta: trong công việc khám phá vật lí thường ngày, ta đã khám phá mười hai hạt vật chất. Sáu hạt trong số đó ta gọi là “quark” và sáu hạt kia ta gọi là “lepton”.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Nhưng bạn chỉ cần ba trong số mười hai hạt đó để làm nên mọi thứ xung quanh mình: quark lên (up), quark xuống (down), và electron (một trong các lepton).

Hãy nhớ rằng với quark lên và quark xuống, bạn có thể làm ra proton và neutron, và cùng với electron, bạn có thể làm nên bất kì nguyên tử nào. Vậy thì chín hạt kia dùng để làm gì? Tại sao lại có chúng? Chúng ta chẳng biết.

Sao lại khó hiểu như vậy chứ? Vâng, hãy tưởng tượng bạn làm ra chiếc bánh vĩ đại này và sau khi nướng và trang trí cho nó, và nếm thử nó (tiện thể mới nói, nó nếm ngon tuyệt; bạn là một tay thợ làm bánh giỏi), bạn phát hiện thấy bạn có chín thành phần khác mà mình thậm chí chẳng có thêm vào. Ai đã bỏ những thành phần đó vào? Chúng được dùng để làm gì? Dù gì đi nữa thì ai đã đi tới công thức này?

Sự thật là sự thiếu hiểu biết của chúng ta về vật chất thường ngày (5%) còn sâu nặng hơn cả chiếc bánh ngọt hạt.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Nhắc lại, ta hiểu làm thế nào ba hạt (quark lên, quark xuống, và electron) có thể kết hợp để tạo ra bất kì loại nguyên tử nào. Và ta biết làm thế nào dùng các nguyên tử để tạo ra các phân tử, và làm thế nào các phân tử có thể tạo nên những thứ phức tạp như bánh ngọt và con voi. Nhưng toàn bộ chỉ là làm thế nào: ta biết làm thế nào các thứ đến với nhau, và ta biết làm thế nào đặt chúng lại với nhau. Ta biết điều này tốt đến mức ta có thể làm ra mọi thứ từ chiếc quần lót hút mồ hôi cho đến kính thiên văn vũ trụ. Chúng ta thật tuyệt, phải không nào?

Cái chúng ta không biết nhiều lắm là tại sao như vậy: Tại sao các thứ được đặt với nhau theo kiểu như thế? Tại sao chúng không được đặt với nhau theo một kiểu nào khác? Phải chăng đây là phiên bản duy nhất của một vũ trụ tự-tương thích, hay có 10500 phiên bản khác nhau như các nhà lí thuyết dây đề xuất?

Chúng ta vẫn chưa biết ở một cấp độ cơ bản lí do vì sao mọi mảnh ghép trong vũ trụ lại khớp với nhau. Tựa như âm nhạc vậy: chúng ta biết làm thế nào tạo ra âm nhạc, chúng ta nhảy nhót cùng nó, mọi người hát ca cùng nó, nhưng chúng ta không biết tại sao nó mê hoặc chúng ta. Với vũ trụ cũng thế: chúng ta biết nó vận hành, nhưng chúng ta không biết tại sao nó vận hành.

Một số người có thể cho rằng một lời giải thích như thế là không có, hoặc dù có đi nữa thì có lẽ chúng ta không bao giờ biết được, ít nhiều lĩnh hội được nó. Ta sẽ dành phần bàn luận đó lại cho chương 16, nhưng điểm mấu chốt là chắc chắn chúng ta không có được kiến thức như thế trong thời đại ngày nay.

Bây giờ, giả sử bạn là một người hiếu kì và hăm hở muốn biết lí do của vạn vật, bạn có thể đang tự hỏi làm thế nào trả lời được câu hỏi này, và phải làm gì với các hạt vô dụng mà chúng ta đã tìm thấy.

Vâng, nếu chúng ta muốn tìm hiểu “lí do” cơ bản của vũ trụ, thì điều trước tiên ta cần làm là hãy chỉ rõ vũ trụ trông giống cái gì ở cấp độ sâu sắc nhất, cơ bản nhất của nó. Điều này có nghĩa là chia nhỏ vũ trụ xuống cho đến khi ta không còn chia nhỏ được nữa. Miếng nhỏ nhất, cơ bản nhất của thực tại là gì? Nếu miếng đó là một hạt, thì ta muốn tìm những hạt tạo nên những hạt tạo nên những hạt đó, vân vân, cho đến vô cùng tận (hay vô cùng ngán ngẫm, tùy cái nào đến trước).

Một khi bạn tìm thấy những hạt sơ cấp như thế, bạn có thể khảo sát chúng và có lẽ chỉ ra được tại sao vạn vật vận hành theo kiểu vốn như thế. Nó sẽ tựa như việc tìm thấy những mảnh ghép Lego nhỏ nhất trong một vũ trụ Lego. Nếu bạn tìm thấy những mảnh ghép đó, bạn sẽ biết hệ thống cơ bản nào được dùng cho mọi thứ khóa trong với những thứ khác. Bạn sẽ biết được cái gì đó sâu sắc và đúng đắn về thực tại, bao gồm cả vật chất tối và năng lượng tối (chúng ta hi vọng thế).

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Ngay lúc này, chúng ta không chắc liệu chúng ta đã biết vũ trụ đến kích cỡ khả dĩ nhỏ nhất của nó hay chưa. Hoặc nếu chúng ta biết, thì chúng ta chưa chắc những mảnh ghép Lego mà chúng ta tìm thấy được làm bằng cái gì? Nhưng điều thú vị là chúng ta có trong tay một bản đồ. Chúng ta có một trò chơi ô chữ chưa hoàn chỉnh của vũ trụ, và trò chơi ô chữ này trông na ná như thứ chúng ta đã thấy trước đây: nó trông giống một bảng tuần hoàn.

Bảng tuần hoàn các hạt sơ cấp

Sau một thế kỉ cho mọi thứ đâm sầm vào nhau, các nhà vật lí đã tìm thấy mười hai hạt vật chất sơ cấp có thể sắp xếp thành một bảng trông đại loại như sau:

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Hãy dành một chút thời gian đánh giá ý nghĩa mà chúng ta có được cho đến đây. Hãy nhớ rằng lí thuyết ban đầu về vũ trụ của các nhà vật lí thời tiền sử Ook và Groog là như sau:

LÍ THUYẾT VỀ VŨ TRỤ
Của Ook và Groog

- Ook và Groog

- Cục đá yêu thích của Ook

- Con lạc đà cưng của Groog

- Yadda, Yadda, Yadda

Đây là một bức tranh hoàn chỉnh, nhưng nó chẳng giúp ích được gì vì nó không cho ta biết bất cứ điều gì cơ bản hay thấu đáo; nó là một phát biểu hiển nhiên. Về sau, người Hi Lạp có ý tưởng rằng vạn vật được làm bởi bốn nguyên tố: nước, đất, không khí, và lửa. Ý tưởng này hết sức sai lầm, nhưng ít nhất nó là một bước theo hướng đi đúng bởi vì nó cố gắng đơn giản hóa sự mô tả về thế giới.

Rồi chúng ta khám phá các nguyên tố và rằng đá và đất và nước và lạc đà đều được làm bằng một tập hợp nhỏ những loại nguyên tử khác nhau. Về sau, chúng ta thấy rằng đến lượt nguyên tử cũng được làm bằng những hạt nhỏ hơn, và một số hạt trong số đó được làm bằng những hạt còn nhỏ hơn nữa (các quark). Bài học quan trọng nhất mà chúng ta thu được từ toàn bộ câu chuyện này là rằng các nguyên tử và lạc đà không phải là những đơn vị sơ cấp của vũ trụ. Nếu có một phương trình cơ bản của vũ trụ – cho dù nó như thế nào – thì ta có thể chắc chắn nó không có một biến gọi là N­lạc đà bởi vì lạc đà, giống như nguyên tử, không phải là nguyên tố sơ cấp của vũ trụ. Chúng không vạch rõ bản chất thiết yếu của chúng; chúng chỉ là kết quả tổng thể (hiện tượng phái sinh) của thực tại sâu sắc hơn (xin lỗi các chú lạc đà nhé), theo kiểu giống như lốc xoáy là hiện tượng phái sinh của gió, hay các ngôi sao là hiện tượng phái sinh của chất khí và lực hấp dẫn.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Tổ chức cái chúng ta biết (và không biết) thành bảng giúp chúng ta để ý xem có những kiểu và những mảnh ghép còn thiếu hay không. Hãy tưởng tượng một chút rằng bạn là một nhà khoa học hồi thế kỉ mười chín (vâng, bạn có thể tưởng tượng đang đeo những chiếc kính mắt lố lăng), và bạn không biết các nguyên tử thật ra được làm bằng những hạt nhỏ hơn gọi là electron, proton và neutron. Nếu bạn tổ chức cái bạn đã biết thành một bảng tuần hoàn các nguyên tố, thì bạn sẽ để ý thấy một số thứ thú vị.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Bạn sẽ để ý thấy rằng các nguyên tố ở một phía của bảng tuần hoàn rất hoạt tính trong khi các nguyên tố ở phía bên kia gần như hoàn toàn trơ ì – và rằng các nhóm nguyên tố liền kề có các tính chất giống nhau, ví dụ như các kim loại, và rằng một số nguyên tố thì khó tìm thấy hơn các nguyên tố khác.

Toàn bộ những kiểu hiếu kì này sẽ đem lại cho bạn các manh mối rằng bảng tuần hoàn không phải là mô tả căn bản của vũ trụ. Chúng ngụ ý rằng cái gì đó sâu sắc hơn đang diễn ra. Nó tựa như việc gặp gỡ một nhóm họ hàng và để ý thấy những điểm tương đồng nhất định trong số họ. Mặc dù họ đều khác nhau, nhưng bạn có thể cho rằng họ có chung bố mẹ bởi diện mạo hay hành động của họ. Theo kiểu giống như vậy, các nhà khoa học nhìn vào những phiên bản xa xưa của bảng tuần hoàn, để ý thấy các kiểu hình, và tự hỏi, Chúng ta đang thiếu thứ gì đó chăng?

Ngày nay chúng ta biết rằng các kiểu hình trong bảng tuần hoàn là do sự sắp xếp các orbital electron, và chúng ta biết rằng có một nguyên tố cho mỗi ô và một số nguyên tố thì hiếm hơn những nguyên tố khác bởi lẽ chúng phân hủy phóng xạ. Chỉ mỗi việc kết hợp cho đúng số lượng neutron, proton và electron để thu được mỗi nguyên tố.

Điểm mấu chốt là chúng ta đã tổ chức kiến thức mình có vào lúc ấy và chúng ta nghiên cứu nó tỉ mỉ. Sau đó, ta bắt đầu để ý các kiểu hình và những mảnh còn thiếu, và như vậy khiến chúng ta nêu được những câu hỏi thích hợp, đưa chúng ta đến hiểu biết sâu sắc hơn về cách thức vũ trụ vận hành.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Phần lớn thế kỉ hai mươi được dành để thiết lập bảng các hạt vật chất sơ cấp (bảng liệt kê quark và lepton). Chúng ta gọi những hạt này là “sơ cấp” không phải vì chúng vui nhộn (chúng hoàn toàn vui nhộn đấy) mà bởi vì cho đến nay ta chưa thấy chúng được làm bằng những hạt nào nhỏ hơn nữa. Thật ra ta chẳng có bằng chứng nào rằng chúng là những viên gạch cấu trúc cơ bản nhất trong vũ trụ, nhưng chúng là những mảnh vật chất nhỏ nhất mà chúng ta từng thấy (cho đến nay).

Nếu bạn nghiên cứu bảng các hạt ở đây, bạn sẽ để ý thấy nó cũng có một số kiểu hình thú vị. Trước tiên, bạn sẽ để ý thấy có hai loại hạt vật chất: quark và lepton. Ta biết chúng khác nhau bởi vì quark chịu lực hạt nhân mạnh, còn lepton thì không. Sau đó, bạn có thể để ý rằng các hạt tạo nên vật chất thường ngày đều nằm ở cột thứ nhất: quark lên, quark xuống, và electron. Có một hạt thứ tư ở trong cột thứ nhất đó gọi là neutrino electron (ne), và nó lao đi trong vũ trụ tựa như ma quỷ, thật sự chẳng tương tác gì nhiều với bất cứ thứ gì.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Nhưng hãy khoan, còn nữa! Có những hạt khác ngoài bốn hạt này và chúng cũng đều xếp vào thành cột. Mỗi cột trông y hệt như cột đầu tiên (với các tính chất giống nhau như điện tích và tương tác lực), ngoại trừ là các hạt trong chúng có khối lượng lớn hơn. Ta gọi mỗi cột này là một “thế hệ”, và ta đã khám phá ba thế hệ như vậy.

Có thể bạn sẽ lập tức có một số câu hỏi về bảng các hạt của chúng ta:

  • Phải chăng nó xuất hiện theo họ?
  • Tất cả những hạt này dùng để làm gì?
  • Khối lượng của các hạt có kiểu như thế nào?
  • Điều gì xảy ra với các điện tích 1/3 đó?
  • Còn có những hạt khác hay không?

Đây đều là những câu hỏi tự nhiên được nêu ra. Và trong khi toàn bộ bí ẩn này có thể khiến một số người lo sợ, điều quan trọng là hãy hít thở thật sâu. Hãy nhớ rằng chiến lược của chúng ta là tổ chức cái ta biết rồi sau đó tìm kiếm các kiểu và chỗ trống mà ta có thể dùng để nêu lên những câu hỏi thích hợp. Việc nêu những câu hỏi đúng hi vọng sẽ dẫn dắt chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn về cái đang diễn ra.

Hàng thập kỉ trước đây, bảng hạt sơ cấp này chưa hoàn chỉnh. Một vài quark và lepton vẫn chưa được khám phá. Nhưng các nhà vật lí đã nhìn vào các kiểu trong bảng và dùng chúng để tìm kiếm những hạt còn thiếu. Chẳng hạn, nhiều năm trước đây các nhà khoa học biết rằng phải có một quark thứ sáu bởi vì có một chỗ trống trong bảng. Mặc dù nó vẫn chưa được tìm thấy, nhưng người ta chắc chắn về sự tồn tại của nó đến mức nó được đưa vào trong các giáo trình cùng với khối lượng theo dự đoán của nó. Sau hai mươi năm, quark đỉnh (top) cuối cùng đã được tìm thấy (khối lượng của nó cao hơn trông đợi nhiều lần, thành ra phải lâu như vậy người ta mới tìm thấy nó, và như thế nghĩa là toàn bộ các giáo trình phải được viết lại).

Và vì thế các nhà vật lí đã tiếp tục đi theo hướng này để lấp đầy và nghiên cứu các kiểu trong bảng hạt quan trọng này. Trong vài thập niên vừa qua, ta đã chắp ghép được một số câu trả lời và, trong một số trường hợp, nhiều câu hỏi nữa.

Tất cả những hạt này dùng để làm gì?

Có một thứ chúng ta thật sự biết là chỉ có ba thế hệ hạt. Sự tồn tại của một thế hệ thứ tư đã bị bác bỏ bởi việc khám phá boson Higgs (xem chương 5 để biết về boson Higgs). Nhưng điều đó có ý nghĩa gì? 3 là một con số cơ bản trong vũ trụ hay chăng? Nếu cuối cùng bạn lập được một phương trình mô tả mọi thứ trong vũ trụ, thì có số 3 trong nó hay không? Người Công giáo ưa chuộng số 3, nhưng nhà toán học và nhà lí thuyết không ưa chuộng cho lắm; họ thích những con số như zero, 1, p, và có lẽ e. Còn số 3 ư? Họ chẳng thấy điều gì đặc biệt ở nó cả.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Vậy nó có thể mang ý nghĩa gì? Chúng ta chẳng có ý tưởng nào. Chúng ta chẳng có ý tưởng hay ho nào, đúng theo nghĩa đen. Chẳng có lí giải cạnh tranh hay ho nào cho số lượng thế hệ hạt. Có khả năng nó là một hiện tượng phái sinh của một số quy luật sâu sắc hơn về tự nhiên, giống hệt như các kiểu của bảng tuần hoàn các nguyên tố. Các nhà khoa học hàng trăm năm sau có thể nghĩ rằng chúng ta đã có những manh mối sờ sờ trước mặt, rằng nó hiển hiện rành rành, nhưng hiện nay nó là một bí ẩn.25 Nếu bạn có thể giải thích nó, thì hãy tìm nhà lí thuyết hạt ở địa phương bạn và gõ cửa nhà bà ta.

Khối lượng của các hạt có kiểu như thế nào?

Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố, khối lượng của các nguyên tử và kiểu mà chúng tạo ra là một manh mối quan trọng để xác định điều gì đang diễn ra. Từ kiểu của khối lượng, ta suy ra mỗi nguyên tố có một số lượng proton và neutron riêng trong hạt nhân (số nguyên tử, đo bởi điện tích dương của hạt nhân).

Thật không may, chẳng có kiểu nào rõ ràng đối với khối lượng của các hạt sơ cấp. Dưới đây là giá trị khối lượng của từng hạt này.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Ngoài một xu hướng chung là thế hệ bậc cao hơn có khối lượng lớn hơn, ta chẳng thể xác định bất kì kiểu nào đối với những giá trị này. Có thể có gì đó phải làm với boson Higgs (xem chương 5), nhưng cho đến nay chưa có câu trả lời rõ ràng nào. Và hãy nhìn vào quark đỉnh siêu khối lượng. Nó cân nặng bằng 175 proton, nặng tương đương với hạt nhân của một nguyên tử vàng.26 Phạm vi khối lượng trải rộng trên mười ba bậc độ lớn. Tại sao như vậy? Chúng ta chẳng biết gì. Chúng ta vừa không có các manh mối vừa bị các manh mối bao vây.

Có chuyện gì với các điện tích 1/3 đó?

Quark không giống lepton ở chỗ chúng chịu lực hạt nhân mạnh và chúng có điện tích phân số (+2/3 và -1/3). Nếu bạn trộn quark lên và quark xuống theo cách thích hợp, bạn có thể làm ra proton (hai quark lên và một quark xuống, với điện tích bằng 2/3 + 2/3 -1/3 = +1) và neutron (một quark lên và hai quark xuống, với điện tích 2/3 -1/3 -1/3 = 0). Điều đó cực kì quan trọng (và may mắn) bởi vì điện tích của electron vừa vặn bằng -1. Nếu quark có điện tích lớn hơn (hoặc nhỏ hơn), thì điện tích của proton sẽ không cân bằng chính xác với điện tích âm của electron và bạn không thể làm ra các nguyên tử trung hòa bền. Không có những điện tích -1/3 và +2/3 hoàn hảo đó, ta đã chẳng có mặt nơi đây. Sẽ chẳng có hóa học, chẳng có sinh học, và chẳng có sự sống.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Điều này thật sự thú vị (hoặc đáng sợ, tùy thuộc vào mức độ hoang tưởng của bạn) bởi vì, theo lí thuyết hiện nay của chúng ta, các hạt có thể có bất kì điện tích nào; lí thuyết vận hành suôn sẻ với bất kì giá trị điện tích nào và thực tế chúng cân bằng hoàn hảo như thế, trong chừng mực mà chúng ta biết, là một sự trùng hợp ngẫu nhiên hết sức và may mắn.

Thỉnh thoảng trong khoa học sự trùng hợp ngẫu nhiên thật sự xảy ra. Mặt Trăng và Mặt Trời khác nhau rất nhiều về kích cỡ, nhưng bởi sự tình cờ vũ trụ (đây là một trong những lần hiếm hoi bạn có thể viết “tình cờ vũ trụ” mà vẫn mang tính khoa học), chúng xuất hiện với kích cỡ gần như bằng nhau trên bầu trời của chúng ta, cho phép xảy ra nhật nguyệt thực đầy ngoạn mục. Đối với các nhà thiên văn thời xưa, điều đó phải có chút khó hiểu và khêu gợi. Có lẽ nó đã khiến nhiều người trong số họ đi sai đường cố hiểu xem Mặt Trời và Mặt Trăng có liên hệ với nhau theo một cách nào đó hay không. Nhưng nó không phải là một sự tình cờ hoàn hảo. Kích cỡ của Mặt Trăng và Mặt Trời trên bầu trời chênh lệch khoảng 1%.

Vâng, trong trường hợp các hạt sơ cấp, proton và electron có điện tích chính xác bằng nhau (nhưng trái dấu), và chúng ta chẳng biết vì sao. Theo lí thuyết tốt nhất của chúng ta, những con số này có thể là bất kì. Đây là một sự trùng hợp ngẫu nhiên không sai một li. Nó nói lên điều gì về mối liên hệ giữa electron và quark? Ta chẳng biết, nhưng nó kêu gọi một lời giải thích đơn giản hơn. Nếu bạn làm mất 2000$ vào đúng cái ngày láng giềng của bạn tìm thấy 2000$, thì bạn có cho rằng đó là một sự trùng hợp ngẫu nhiên hay không? Có lẽ chỉ sau khi bạn đã cạn kiệt nhiều lời giải thích đơn giản hơn.27

Có khả năng sự ăn khớp chính xác như thế này của điện tích thật ra là một dấu hiệu khác cho thấy có những thành phần sâu sắc hơn ẩn dưới những hạt này. Hoặc có lẽ hai loại hạt này thật ra là hai mặt của một đồng xu hoặc được xây dựng từ một bộ mảnh ghép Lego hạt vô cùng nhỏ chung.

Còn có những hạt khác hay không?

Ngoài mười hai hạt vật chất (ta không đếm các hạt phản vật chất là những hạt riêng) – sáu quark và sáu lepton – còn có những hạt trung chuyển lực. Thí dụ, tương tác điện từ được trung chuyển thông qua photon. Khi hai electron đẩy nhau, thật ra chúng đang trao đổi một photon. Không chính xác về mặt toán học cho lắm, nhưng bạn có thể hình dung một electron đẩy electron kia ra xa bằng cách bắn một photon vào nó.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Chúng ta biết năm hạt mang lực.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Kết hợp với mười hai hạt vật chất trước đây của chúng ta, đây là danh sách đầy đủ của những hạt mà chúng ta đã khám phá, nhưng ta không biết liệu nó có là danh sách hoàn chỉnh của các hạt hay chưa. Không có giới hạn lí thuyết nào về số lượng hạt có thể tồn tại. Có thể chỉ có mười bảy hạt, hoặc có thể là 100, 1000 hoặc 10.000.000. Chúng ta biết chẳng có thế hệ nào nữa của quark và lepton, nhưng chắc chắn có thể có những loại hạt khác. Có bao nhiêu hạt? Chúng ta chẳng biết.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất là gì?

Vậy thì tất cả những hạt này dùng để làm gì? Vì sao một số hạt trong số chúng lại vô dụng nếu tất cả những gì chúng ta cần cho vật chất thường ngày chỉ là ba hạt đầu tiên (quark lên, quark xuống, và electron)? Vâng, dưới đây là một vài câu trả lời khả dĩ:

  • Ai mà biết, nhưng đây chính là nó.
  • Vài ba người biết, và đây không phải là nó.
  • “Vô dụng” là một từ tương đối.

Có lẽ vũ trụ chính là như thế: những hạt này không phải những đối tượng cơ bản nhất trong vũ trụ, và đúng là vũ trụ có một loại danh sách dài gồm mười đến hai mươi bộ phận cơ bản chẳng vì lí do gì cả. Có lẽ có những vũ trụ khác ở ngoài kia có một danh sách khác gồm mười đến hai mươi bộ phận cơ bản, nhưng có lẽ chúng ta chẳng bao giờ nhìn thấy chúng đâu.

Hoặc có khả năng những hạt này không phải những đối tượng cơ bản nhất trong vũ trụ, mà chúng được làm bằng một tập hợp còn đơn giản hơn nữa của những hạt cơ bản hơn mà đến nay chúng ta chưa khám phá được. Điều này có nghĩa là những hạt mà chúng ta biết chỉ là kết quả của sự kết hợp của những hạt cơ bản hơn này. Điều này sẽ giải thích vì sao có những gợi ý về kiểu và sự trùng hợp ngẫu nhiên trong bảng hạt hiện nay của chúng ta. Câu trả lời này có lẽ đúng, nhưng chúng ta không có (chưa có) bằng chứng.

Hoặ có khả năng các hạt nặng là “vô dụng” chỉ bởi vì không thể dùng chúng để tạo ra proton, neutron, và electron, đó là dạng bền của hạt nhẹ nhất mà thôi. Nhưng vũ trụ chủ yếu được làm bằng những hạt nhẹ nhất này chỉ bởi vì nó quá lạnh lẽo và đồ sộ. Nếu vũ trụ nhỏ hơn và nóng hơn và đặc hơn, thì chúng ta có nhiều hạt nặng hơn và chúng sẽ không còn trông “vô dụng” nữa (nhưng mọi thứ sẽ rất khác đi).

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Bài học chính rút ra từ toàn bộ câu chuyện này là chúng ta vẫn đang cố tìm hiểu xem 5% vũ trụ mà chúng ta quen thuộc vận hành như thế nào. Ta đã tiến một chặng đường dài, nhưng ta chưa đạt tới sự hiểu biết hoàn toàn căn bản về lí do vì sao vạn vật hành xử theo kiểu như chúng vốn như thế. Ta đã có một danh sách của những thứ mà ta nghĩ làm nên vũ trụ này, nhưng ta chưa dám chắc 100% đây là một danh sách đầy đủ rồi.

Cái thú vị là chúng ta đã có một nền tảng chắc chắn để khảo cứu câu hỏi này. Bảng các hạt sơ cấp (nhà vật lí gọi nó là Mô hình Chuẩn) có thể có mọi kiểu chưa được giải thích này và các hạt “vô dụng”, nhưng nó được xây dựng trên những quan sát thực tế, và ta có thể dùng nó như một bản đồ để khám phá sự vận hành nội tại thực chất của vũ trụ. Sẽ hết sức hào hứng khi khám phá những hạt mới (dù chúng không được dùng trong vật chất thường ngày) bởi vì nó có nghĩa là ta đã mở rộng bản đồ của chúng ta về vũ trụ.

Chẳng hạn, hãy tưởng tượng vật chất tối được làm bằng hạt, những hạt mà chúng ta vẫn chưa khám phá. Nó sẽ mở mang hiểu biết của chúng ta về vũ trụ lên thêm 27%. Thật vậy, việc khám phá vật chất tối chỉ được làm bằng một loại hạt (một loại tương tác rất yếu với loại vật chất của chúng ta) có khả năng là kịch bản vật chất tối nhàm chán nhất. Bạn sẽ không hào hứng hơn hay sao nếu như vật chất tối được làm bằng rất nhiều loại hạt điên khùng hoặc thậm chí bằng một loại hoàn toàn khác của vật chất phi-hạt?

Điểm mấu chốt là để trả lời những câu hỏi cơ bản về vũ trụ, ta phải đào càng sâu càng tốt vào cấu tạo của vật chất thường ngày. Và tiện thể, ta có thể đào thêm các hạt hay các hiện tượng chẳng có vai trò rõ ràng trong vật chất thường ngày. Nhưng ta cũng biết rằng những thứ không thể lí giải này là bộ phận của vũ trụ, cho nên chúng phải giữ các manh mối cho biết vì sao vạn vật hành xử như chúng vốn như thế. Việc trả lời những câu hỏi này sẽ làm thay đổi căn bản cách chúng ta nhìn nhận về chính mình. Nói cách khác, ta có thể có một chiếc bánh (vũ trụ) của mình và cũng có thể ăn nó.

Nguyên tố cơ bản nhất của vật chất

Trích “We have no idea – A guide to unknown universe” của Jorge Cham và Daniel Whiteson

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 4)
22/10/2018
Câu hỏi lớn trong vũ trụ học hồi đầu thập niên 1960 là vũ trụ đã ra đời như thế nào? Nhiều nhà khoa học vốn phản đối
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 20)
22/10/2018
Hiệu ứng Zeeman Khái niệm spin electron nảy sinh thường xuyên trong vật lí lượng tử (ví dụ, trong các phần thảo luận của
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 3)
21/10/2018
Chúng tôi trải qua vài ngày sau đó tại Tabriz, trong lúc tôi hồi phục sức khỏe từ chứng kiết lị trầm trọng và do một xương
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 2)
21/10/2018
Tôi từng viết về cuộc đời mình trước đây rồi nhưng một phần trải nghiệm của tôi xưa kia đáng để lặp lại khi tôi
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 1)
21/10/2018
“Brief Anwers to the Big Questions” là quyển sách cuối cùng của Stephen Hawking. Quyển sách được xuất bản năm 2018, sau khi Hawking
Yuval Noah Harari: Cộng đồng
20/10/2018
CỘNG ĐỒNG Con người có các tổ chức Bang California đã quen với động đất, nhưng những rung chấn chính trị của đợt
Vén màn bí ẩn vũ trụ qua 10 vật thể (Phần 10)
19/10/2018
10. Vũ trụ Nó là cái gì? Mọi thứ Nó ở đâu? Mọi nơi BÍ ẨN: VẠN VẬT HIỆN HỮU RỐT CUỘC LÀ DO ĐÂU? Có nhiều tiến
Vén màn bí ẩn vũ trụ qua 10 vật thể (Phần 9)
19/10/2018
9. Trái Đất Nó là gì? Một thế giới chủ yếu gồm silicate quay xung quanh một sao loại G Nó ở đâu? Ngay dưới chân

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com