Vật lý: từ thứ nhỏ nhất tới cả vũ trụ, cùng một bộ quy luật

Ngày xưa, sấm sét là chuyện của thần thánh. Người ta không giải thích được thì đổ cho một thế lực nào đó trên trời — vừa tiện, vừa khỏi phải nghĩ tiếp. Nhưng có những người không chịu dừng ở đó. Họ nhìn tia sét rồi hỏi: nó là gì, nó từ đâu ra, và tại sao nó lại đánh xuống đúng chỗ đó? Cứ hỏi như vậy mãi, hết câu này tới câu khác, và cuối cùng ta có vật lý: môn học đi tìm quy luật đằng sau mọi hiện tượng, từ hạt nhỏ nhất tới cả vũ trụ. Bài trước mình đã nói toán là xương sống của khoa học — vật lý là nơi cái xương sống đó bắt tay với thực tế. Toán cho vật lý ngôn ngữ để viết ra quy luật, còn vật lý bắt những quy luật đó phải đúng với những gì đo được ngoài đời thật. Một phương trình có đẹp đến mấy mà thực nghiệm bảo sai thì vẫn phải sửa. Đó là luật chơi của môn này, và cũng là điều làm nó đáng tin.

Bắt đầu từ thứ nhỏ nhất

Vật lý có một thói quen rất riêng: muốn hiểu cái gì, nó đi tìm thứ nhỏ nhất cấu tạo nên cái đó, rồi xây dần lên. Mọi thứ quanh mình — cái bàn, ly nước, chính cơ thể mình — đều làm từ nguyên tử. Nhưng nguyên tử trông thế nào? Năm 1911, Ernest Rutherford cùng hai cộng sự bắn hạt alpha vào một lá vàng rất mỏng và thấy chuyện lạ: hầu hết hạt bay xuyên qua như không có gì ở đó, chỉ một số rất ít bị bật ngược lại. Kết luận của ông: nguyên tử phần lớn là khoảng trống. Gần như toàn bộ khối lượng của nó dồn vào một cái hạt nhân tí hon ở giữa, nhỏ hơn cả nguyên tử khoảng 10.000 đến 100.000 lần. Nghĩa là nếu phóng to hạt nhân thành quả bóng đá thì nguyên tử sẽ to cỡ cả một sân vận động — và phần còn lại gần như trống không. Đi nhỏ hơn nữa thì proton và neutron trong hạt nhân cũng không phải thứ nhỏ nhất. Proton làm từ hai quark up và một quark down, neutron thì một quark up và hai quark down. Electron — phát hiện từ năm 1897 — thì là hạt cơ bản thật sự, không chia nhỏ thêm được nữa. Tới nay, bức tranh đầy đủ nhất mà vật lý có về thế giới vi mô gọi là Mô hình Chuẩn: 17 hạt cơ bản — 6 quark, 6 lepton (trong đó có electron), 4 hạt truyền lực là photon, gluon, boson W và Z, cộng thêm hạt Higgs. Điều đẹp đẽ là mọi vật chất bình thường quanh ta chủ yếu chỉ cần ba loại trong số đó: quark up, quark down và electron. Chỉ ba "viên gạch" mà xây được cả vũ trụ — từ hòn đá tới ngôi sao. Các hạt này tương tác với nhau qua bốn lực cơ bản: hấp dẫn, điện từ, hạt nhân mạnh và hạt nhân yếu. Có một chi tiết đáng nhớ: Mô hình Chuẩn mô tả được ba lực sau rất tốt, nhưng lực hấp dẫn thì vẫn đứng ngoài nó. Tức là bức tranh này tuy đầy đủ nhất hiện nay nhưng vẫn chưa hoàn chỉnh — và vật lý biết rõ điều đó.

Vật lý đứng trên hai chân: lý thuyết và thực nghiệm

Đây là điều mình thích nhất ở vật lý: nó đứng trên hai chân, thiếu một chân là ngã. Chân thứ nhất là lý thuyết. Nhà vật lý dùng toán để viết phương trình mô tả thế giới, rồi từ phương trình đó suy ra những điều chưa ai từng thấy. Lý thuyết đi trước, nó bảo: nếu vũ trụ vận hành đúng như phương trình này thì phải tồn tại một thứ như thế này, ở chỗ kia, với tính chất nọ. Chân thứ hai là thực nghiệm. Người ta xây máy móc, làm thí nghiệm, đo đạc để kiểm tra xem lời tiên đoán đó có đúng không. Đo khớp thì lý thuyết sống tiếp; đo lệch thì lý thuyết phải sửa, thậm chí bỏ. Không có thực nghiệm, lý thuyết chỉ là toán đẹp; không có lý thuyết, thực nghiệm chỉ là sưu tập số liệu rời rạc. Điểm khác biệt lớn nhất với cách giải thích bằng thần thánh nằm ở đây: một lời giải thích vật lý phải kiểm chứng được. Ai cũng có thể lặp lại phép đo và thấy cùng một kết quả. Tin hay không tin không còn là chuyện niềm tin nữa — mà là chuyện số liệu. Hai ví dụ sau đây cho thấy hai chân đó phối hợp với nhau ra sao.

Sóng hấp dẫn: dự đoán trước gần 100 năm

Năm 1916, Albert Einstein công bố thuyết tương đối rộng. Từ các phương trình của thuyết này suy ra một hệ quả lạ: khi những vật thể rất nặng chuyển động, chúng làm không-thời gian gợn sóng như mặt hồ gợn khi ta ném đá xuống. Những gợn sóng đó gọi là sóng hấp dẫn, lan truyền với tốc độ ánh sáng. Chính Einstein cũng nghi ngờ rằng con người sẽ không bao giờ đo được chúng, vì tín hiệu quá yếu. Ông sai ở chỗ đó — nhưng phải đợi gần 100 năm. Ngày 14 tháng 9 năm 2015, hai đài quan sát LIGO ở Hanford và Livingston (Mỹ) cùng bắt được một tín hiệu: sóng hấp dẫn phát ra từ vụ va chạm của hai hố đen, một cái nặng gấp 36 lần Mặt Trời, cái còn lại gấp 29 lần, cách chúng ta khoảng 1,3 tỉ năm ánh sáng. Hai hố đen xoắn vào nhau rồi hợp nhất thành một hố đen nặng 62 lần khối lượng Mặt Trời. Kết quả được công bố vào ngày 11 tháng 2 năm 2016, và giải Nobel Vật lý 2017 thuộc về Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne — những người đứng sau LIGO. Nghĩ mà xem: một phương trình viết trên giấy năm 1916, gần một thế kỷ sau máy móc mới đủ nhạy để "nghe" thấy điều nó dự đoán. Đó là lý thuyết đi trước, thực nghiệm đi sau xác nhận — đúng kịch bản đẹp nhất của vật lý.

Hạt Higgs: chờ đợi 48 năm

Ví dụ thứ hai còn kiên nhẫn hơn. Năm 1964, Peter Higgs cùng với François Englert và Robert Brout đề xuất một cơ chế giải thích vì sao các hạt lại có khối lượng: cả vũ trụ ngập trong một thứ gọi là trường Higgs, hạt nào "lì" trong trường đó thì nặng, hạt nào trượt qua dễ dàng thì nhẹ hoặc không có khối lượng. Lý thuyết này dự đoán phải tồn tại một hạt mới đi kèm với trường đó — hạt Higgs. Vấn đề là hạt này quá nặng, máy gia tốc thời đó không đủ sức tạo ra nó. Phải đợi tới ngày 4 tháng 7 năm 2012, máy gia tốc lớn nhất thế giới LHC ở CERN mới công bố phát hiện một hạt khớp với mô tả của Higgs, với khối lượng khoảng 125 GeV, được hai nhóm thí nghiệm ATLAS và CMS xác nhận độc lập. 48 năm từ dự đoán tới lúc tìm thấy. Giải Nobel Vật lý 2013 trao cho Peter Higgs và François Englert, và với hạt Higgs, Mô hình Chuẩn coi như đã đủ 17 hạt. Hai câu chuyện này nói cùng một điều: trong vật lý, một ý tưởng có thể nằm trên giấy nửa thế kỷ trước khi con người chế tạo được dụng cụ để kiểm tra nó. Lý thuyết dám đoán, thực nghiệm dám làm quan tòa — và khi cả hai khớp nhau, ta biết mình đang nắm được một mảnh sự thật.

Từ nhỏ nhất tới lớn nhất: cùng một bộ quy luật

Điều làm mình thấy vật lý "đã" nhất là tính nhất quán của nó. Cùng một định luật hấp dẫn mà Newton trình bày trong cuốn Principia năm 1687 vừa giải thích vật rơi xuống đất, vừa giải thích Mặt Trăng quay quanh Trái Đất và các hành tinh quay quanh Mặt Trời. Cái nhỏ và cái lớn không cần hai bộ luật khác nhau — chỉ một bộ thôi. Vật lý leo thang như vậy đấy: hạt nhỏ nhất kết hợp thành nguyên tử, nguyên tử thành phân tử, phân tử thành vật thể, vật thể thành hành tinh, hành tinh thành thiên hà. Mỗi tầng lại có những hiện tượng riêng của nó — và đó là lý do ta cần thêm hoá học, sinh học, những môn sẽ có bài riêng sau. Nhưng bên dưới tất cả vẫn là cùng những quy luật nền tảng đó. Dĩ nhiên, vật lý chưa xong việc. Mô hình Chuẩn chưa bao gồm lực hấp dẫn, chưa giải thích được vật chất tối và năng lượng tối. Còn nhiều câu hỏi chưa có lời đáp. Nhưng với mình, đó lại là phần hay nhất: một môn học dám nói thẳng "chỗ này tôi chưa biết", rồi đi tìm câu trả lời bằng phương trình và thí nghiệm, thay vì lấp chỗ trống bằng một thế lực siêu nhiên nào đó. Và nếu có một điều mình muốn bạn nhớ sau bài này thì đó là: thế giới này vận hành theo quy luật, quy luật đó có thể viết thành toán, và có thể kiểm tra bằng đo đạc. Từ hạt nhỏ nhất tới cả vũ trụ — cùng một bộ quy luật. Bài sau, mình sẽ nói về hoá học: khi các nguyên tử bắt đầu kết hợp với nhau, tạo thành phân tử rồi những hợp chất phức tạp hơn — và từ đó, từng bước một, tới sự sống. ---

Nguồn tham khảo

• Caltech / LIGO, "2017 Nobel Prize in Physics Awarded to LIGO Founders" — https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-2017-nobel-prize
• LIGO Scientific Collaboration, "First observation of gravitational waves" — https://en.wikipedia.org/wiki/First_observation_of_gravitational_waves
• Scientific American, "Higgs Boson Predictors Awarded the 2013 Nobel Physics Prize" — https://www.scientificamerican.com/article/nobel-physics-prize-higgs-englert/
• American Institute of Physics, "Why is the Higgs Boson So Important?" — https://www.aip.org/news/why-higgs-boson-so-important-aip-gathers-expert-commentary-and-background-info-nobel-prize
• Fermilab, "Worldwide Particle Physics Discoveries" (Standard Model: six leptons, six quarks, four force carriers and the Higgs boson) — https://www.fnal.gov/pub/science/particle-physics-101/worldwide-discoveries.html
• Encyclopædia Britannica, "Isaac Newton" (Principia, 1687; laws of motion and universal gravitation) — https://www.britannica.com/biography/Isaac-Newton
• NCERT, "Alpha-particle Scattering and Rutherford's Nuclear Model of Atom" (nucleus 10,000 to 100,000 times smaller than the atom; atom mostly empty space) — https://www.neetprep.com/notes/4180