10 "hạt" có thể giúp giải thích mọi thứ trong vũ trụ

Nhân loại cùng những hiểu biết của mình về vũ trụ và thế giới xung quanh vẫn đang ngày càng phát triển. Những người Hy Lạp cổ đại lần đầu tiên đoán được sự tồn tại của các hạt gọi là nguyên tử. 1500 năm sau chúng ta đã chứng minh được sự tồn tại của nguyên tử và xem chúng là những hạt nhỏ nhất tạo nên vật chất. Sau đó không lâu chúng ta phát hiện ra proton, neutron và electron là các yếu tố tạo nên một nguyên tử. Tuy nhiên chúng vẫn chưa phải những hạt nhỏ nhất trong vũ trụ, proton và neutron được tạo thành bởi các hạt nhỏ hơn gọi là quark. Trong tương lai, chúng ta sẽ còn tìm hiểu được nhiều điều kỳ thú trong vũ trụ và thế giới xung quanh. Tuy nhiên, hiện tại các nhà khoa học đã tìm ra 10 lý thuyết hạt cơ sở và nếu những lý thuyết này được chứng minh là có thật, sẽ giúp giải thích được tất cả các hiện tượng, sự kiện xung quanh chúng ta cũng như trong vũ trụ bao la.

 

 

Hãy bắt đầu với khái niệm quen thuộc hơn, đó là hạt quark. Có tới 6 loại hạt quark, trong đó hai loại quark up và quark down là phổ biến nhất, và đây là những gì tạo nên một nguyên tử. Quark strange là loại không quá phổ biến, khi chúng kết hợp với các hạt quark up hoặc down sẽ tạo ra một phân tử gọi là Strangelet. Đây là thành phần tạo nên vật chất strange.

 

 

Strangelet được tạo thành khi một ngôi sao neutron sụp đổ vào chính lõi của nó, tạo ra lực ép rất lớn lên các electron và proton trong phần lõi của ngôi sao. Và chính điều này đã khiến các loại quark kết hợp với nhau và tạo nên vật chất strange. Sau đó chúng có thể phân tán khắp vũ trụ, bao gồm cả hệ Mặt trời của chúng ta.

 

Nếu như điều này đã từng xả ra, những hạt stranglet có thể biến đổi hạt nhân của bất kỳ nguyên tử nào thành một hạt stranglet khi chạm vào nó. Và cứ thể những hạt stranglet giống như một loại virut ăn mòn tất cả các nguyên tử khác, biến chúng thành stranglet và tạo ra phản ứng dây chuyền, cho đến khi không còn gì tồn tại ngoài các hạt stranglet này.

 

Trong thực tế, Máy gia tốc hạt lớn LHC (Large Hatdron Collider) của Tổ chức Nghiên cứu hạt nhân châu Âu CERN trong quá trình xây dựng đã bị cảnh báo. Vì các nhà khoa học lo sợ rằng LHC có thể vô tình tạo ra các hạt stranglet dẫn đến sự hủy diệt của cả thế giới.

 

 

Các nhà khoa học cho rằng các hạt tồn tại trong vũ trụ theo từng đôi, được gọi là các hạt sparticle hay các hạt siêu đối xứng. Do đó, đối với mỗi hạt quark ngoài vũ trụ, có một hạt quark song sinh đối xứng hoàn hảo với nó. Và với hơn 60 hạt cơ bản mà chúng ta biết, mỗi loại hạt đều có một sparticle đối xứng với nó. Tuy nhiên từ tước đến nay chúng ta chưa từng phát hiện bất kỳ sparticle nào.

 

 

Để giải thích điều này, có một lý thuyết trong vật lý hạt, hạt nặng hơn phân rã nhanh hơn so với các hạt nhẹ. Nếu một hạt đủ nặng, nó gần như bị phân rã ngay lập tức khi vừa mới hình thành. Do đó có một giả thuyết cho rằng các hạt sparticle là rất nặng và nó sẽ bị phân rã trong nháy mắt, trong khi các hạt đối xứng mà chúng ta có thể quan sát vẫn tồn tại. Điều này có thể giải thích tại sao chúng ta vẫn chưa thể tìm hiểu được vật chất tối, bởi sparticle có thể bao gồm vật chất tối và tồn tại trong một trạng thái mà chúng ta chưa thể quan sát được.

 

 

Có lẽ bạn đã nghe đến khái niệm phản vật chất (antimatter), và các nhà khoa học cho rằng phản vật chất được tạo thành bởi phản hạt (antiparticle). Các phản hạt có tính chất hoàn toàn giống như các hạt, chúng giống như một cặp đối xứng. Về cơ bản tất cả các vật chất và hạt đều có phản vật chất và phản hạt tương ứng, hoặc ít ra là cần phải như thế.

 

 

Tuy nhiên với máy gia tốc hạt khổng lồ Large Hadron Collider, chúng ta đã thực sự tìm thấy các phản hạt, chúng không còn là lý thuyết nữa. Một giả thuyết khác mà đã được chứng minh trong lịch sử là các phản hạt và hạt khi gặp nhau sẽ biết mất và giải phóng năng lượng.

 

Trong vụ nổ Big Bang, một giả thuyết khác cho rằng có sự tồn tại với số lượng tương đương của các hạt và phản hạt. Ý tưởng là tất cả các vật chất được tạo ra tại thời điểm đó, thì tương ứng với phản vật chất cũng dược tạo ra cùng lúc. Chúng gặp nhau và tạo nên một vụ nổ lớn nhất trong lịch sử. Một khái niệm khác được đặt ra đó là phản vũ trụ, rất có thể vũ trụ mà chúng ta đang sống chỉ là một phần rất nhỏ, song song tồn tại là một phản vũ trụ được tạo thành bởi phản vật chất và phản hạt, một thế giới song song.

 

 

Các nhà vật lý giả thuyết có hạt Graviton tồn tại vì những thành công lớn của lý thuyết trường lượng tử và mô hình hóa hành vi của tất cả các tuơng tác khác của tự nhiên là qua trung gian của các hạt cơ bản: Tương tác điện từ bởi các photon, tương tác mạnh bởi các gluon, và tương tác yếu Boson W và Boson Z . Giả thuyết này là sự tương tác hấp dẫn tương tự như vậy qua trung gian của một hạt cơ bản, nhưng chưa được khám phá - các hạt Graviton. Trong giới hạn cổ điển, lý thuyết sẽ thu về thuyết tương đối rộng và định luật hấp dẫn của Newton trong giới hạn lực hấp dẫn yếu.

 

 

Graviton là một hạt cơ bản giả thuyết có vai trò là hạt trao đổi của lực hấp dẫn trong khuôn khổ lý thuyết trường lượng tử. Nếu nó tồn tại, Graviton dự kiến sẽ không có khối lượng (vì lực hấp dẫn xuất hiện với phạm vi không giới hạn) và phải có spin là 2 (Spin là một đại lượng vật lý, có bản chất của mô men động lượng).

 

Việc tìm kiếm và chứng minh sự tồn tại của hạt graviton là rất quan trọng, nó có thể sẽ là cầu nối giữa thuyết tương đối và vật lý lượng tử. Ở mức năng lượng nhất định mà được gọi là thang Planck, tác dụng của trọng lực làm thay đổi tính chính xác của thuyết tương đối và bắt đầu áp dụng các quy tắc lượng tự. Do đó giải quyết được vấn đề này có thể là chia khóa của lý thuyết vật lý thống nhất.

 

 

 

Một lý thuyết khác về lực hấp dẫn ở cấp độ nguyên tử mà xuất phát từ thuyết Kaluza Klein, trong đó các hạt graviphoton được tạo ra khi trường hấp dẫn bị kích thích trong chiều thứ năm của không-thời gian. Theo Kaluza Klein, điện từ và lực hấp dẫn có thể hợp nhất thành một lực duy nhất trong điều kiện có nhiều hơn bốn chiều không-thời gian. Một graviphoton sẽ có những đặc điểm của một graviton, nhưng nó cũng sẽ mang các tính chất của một photon và tạo ra những gì mà các nhà vật lý gọi là "lực thứ năm" (hiện nay có bốn lực cơ bản là hấp dẫn, điện từ, lực mạnh giúp liên kết hạt nhân của nguyên từ và lực yếu).

 

6. Preon

 

Như chúng ta đã biết, hạt quark là hạt sơ cấp nhất và là thành phần tạo nên proton và neutron, tuy nhiên liệu nó có phải thành phần bé nhất trong vũ trụ? Các nhà khoa học cho rằng vẫn còn một loại hạt sơ cấp hơn cấu thành nên các hạt quark, đó là preon. Xét một hạt nhân của nguyên tử vàng có 79 ptoron, mỗi proton được tạo thành từ ba hạt quark, chiều rộng của hạt nhân nguyên tử vàng là khoảng 8 femto-met (1/8 triệu nano-met). Như vậy có thể thấy kích thước của hạt quark là vô cùng nhỏ, và preon nếu tồn tại thì chúng ta cũng chưa có đơn vị nào đủ nhỏ để đo kích thước của chúng.

 

 

Sự tồn tại và lý thuyết về hạt preon là rất quan trọng, vì từ đó có thể giúp mở ra cánh cửa cho hàng ngàn lý thuyết hạt mới. Ví dụ như giải thích sự khác biệt rất lớn giữa khối lượng và điện tích của các hạt từ electron đến các hạt quark, chứng minh sự tồn tại của vật chất tối và các hạt không thể quan sát ... và rất nhiều lý thuyết hạt khác.

 

 

Lý thuyết hạt tachyon là một hạt hạ nguyên tử có chuyển động nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng, nếu nó tồn tại thì rảo cản tốc độ ánh sáng sẽ bị phá vỡ. Trên thực tế, nếu xem tốc độ ánh sáng là điểm trung tâm, thì các hạt cơ bản có tốc độ chuyển động vô cùng chậm, tỏng khi tachyon ở phía bên kia của rào cản có tốc độ chuyển động vô cùng nhanh.

 

 

Mối quan hệ tốc độ giữa hạt cơ bản và tachyon giống như sự đối xứng qua một tấm gương là tốc độ ánh sáng. Để hiểu một cách đơn giản, các hạt cơ bản muốn tăng tốc độ chuyển động, chúng cần được cung cấp năng lượng. Để có thể vượt qua rào cản tốc độ ánh sáng, năng lượng cần cung cấp là vô hạn. Ngược lại, đối với hạt tachyon, để giảm tốc độ chuyển động, chúng cũng cần cung cấp năng lượng, giống như sự hãm phanh. Và để giảm đến tốc độ ánh sáng, năng lượng cần cung cấp cũng là vô hạn. Nhưng khi hạt tachyon tăng tốc độ di chuyển, năng lượng cần cung cấp giảm đi, cho đến khi nó không cần năng lượng để hãm chuyển động, tốc độ của nó là vô hạn.

 

 

Các hạt từ sơ cấp đến cao cấp đều là một chất điểm trong không gian, tuy nhiên lý thuyết dây (string) cho rằng các hạt không thực sự là một chất điểm mà chúng là một chuỗi với một chiều không gian. Lý thuyết dây là một thuyết hấp dẫn lượng tử, được xây dựng với mục đích thống nhất tất cả các hạt cơ bản cùng các lực cơ bản của tự nhiên, ngay cả lực hấp dẫn. Chuỗi có thể thay thế preon và là thành phần xây dựng nên các quark, ở cấp độ hạt cao hơn vẫn giữ nguyên tính chất.

 

 

Chuỗi có thể tạo thành bất cứ yếu tố nào giựa trên cách tổ chức của nó. Nếu là một chuỗi mở, nó sẽ tạo thành một photon. Nếu một chuỗi tự kết nối tạo thành một vòng, nó có thể tạo thành graviton.

 

Các nhà vật lý lý thuyết hiện đại đặt rất nhiều hy vọng vào lý thuyết này vì nó có thể giải quyết được những câu hỏi như tính đối xứng của tự nhiên, hiệu ứng lượng tử tại các lỗ đen (black hole), cũng như tại cácđiểm kỳ dị, sự tồn tại và phá vỡ siêu đối xứng... Nó đồng thời cũng mở ra những tia sáng mới cho cơ học lượng tử, không gian và thời gian. Trong lý thuyết dây, tất cả các lực và các hạt được miêu tả theo một lối hình học phong nhã, như ước mơ của Einstein về việc thiết lập vạn vật từ khung hình học của không-thời gian. Và đặc biệt lý thuyết dây sẽ góp phần chứng minh sự tồn tại của các chiều không gian khác.

 

 

Brane, thuyết M hay còn gọi là lý thuyết màng là sự mở rộng từ lý thuyết dây, theo đó các hạt có thể bao gồm nhiều chiều kích thước. Nếu là một M-0 hạt là một chất điểm tương tự như hạt quark, nếu là M-1 sẽ có dạng chuỗi, M-2 sẽ có dạng tấm phẳng. Cứ như vậy cấp càng cao thì càng có nhiều chiều kích thước, dấn đến vũ trụ là một không gian đa chiều mà chúng ta chỉ là một phần nhỏ trong đó.

 

 

Ngoại suy rộng hơn, có bao nhiêu chiều kích thước của một màng sẽ có bấy nhiêu chiều không gian trong vũ trụ. Nếu có vô hạn màng sẽ dẫn đến không gian vô hạn, từ đó hình thành lý thuyết đa vũ trụ và tuần hoàn. Lý thuyết tuần hoàn cho rằng, vũ trụ sinh ra có chu kỳ của nó, bắt đầu từ vụ nổ Big Bang, sau đó lực hấp dẫn kéo mọi thử trở lại tâm vụ nổ Big Crunch. Năng lượng nén với khối lượng vật chất khổng lồ tiếp tục tạo ra một vụ nổ Big Bang khác và vũ trụ bước vào chu kỳ tiếp theo của nó.

 

 

Hạt Higgs được gọi là "hạt của Chúa" nguyên nhân bắt nguồn từ tiếng Anh. Ban đầu hạt Higgs được gọi là "goddamn particle" tạm dịch là "hạt mắc dịch" vì nó quá khó tìm ra. Sau này được sửa lái đi một chút thành "god particle" vì lí do liên quan đến ngôn từ. Việc này dẫn đến việc nhiều người không hiểu dễ bị nhầm tưởng "god particle" có liên quan đến Chúa và do vậy liên quan đến lĩnh vực tôn giáo. Sự nhầm lẫn này càng đi xa hơn khi "god particle" được dịch một cách máy móc sang các ngôn ngữ khác, khiến cho nhiều người còn "chém gió" là do tầm quan trọng của nó nên gọi là hạt của Chúa. Hạt higg đã được tìm thấy vào tháng 3 năm 2013 nhờ có máy gia tốc hạt khổng lồ Large Hadron Collider.

 

 

 

Giả thuyết từ những năm 1960 cho rằng hạt Higg là nguồn cung cấp khối lượng cho các hạt cơ bản. Hạt Higg được tạo ra từ trường lượng tử giả thiết phổ biến, hay còn gọi là trường Higg có khả năng cung cấp động lượng cần thiết để các hạt có được khối lượng của chúng. Việc chứng minh được sự tồn tại của hạt Higg là vô cùng quan trọng vì nó chứng tỏ sự tồn tại của trường Higg và giải thích các nguồn năng lượng bên trong nó.

 

Mặc dù chưa có những chứng cứ chính xác để xác thực các lý thuyết hạt trên, tuy nhiên ai dám khẳng định là chúng không tồn tại. Những lý thuyết về hạt strangelets, graviton, lý thuyết dây hay lý thuyết màng có thể sẽ làm thay đổi tất cả những hiểu biết của chúng ta về cuộc sống và vũ trụ, đưa chúng ta đến gần hơn với bản chất của thế giới mà chúng ta đang sống.