Lực có đặc điểm gì gọi là lực cơ học năm 2024
|
Một trong những đặc trưng cơ bản trong vật l� l� sự xuất hiện c�c lực giữ vật chất lại với nhau. V� dụ, c� c�c lực giữ c�c tế b�o lại với nhau để tạo n�n cơ thể người, v� c� lực hấp dẫn giữ ch�ng ta tr�n mặt đất v� mặt trăng tr�n quỹ đạo xung quanh tr�i đất. Ch�ng ta c� thể tự m�nh t�c dụng lực khi ch�ng ta đẩy một c�i g� đ� v�, bởi c�c kĩ sư, giải ph�ng năng lượng chứa trong dầu mỏ để tạo ra lực tr�n c�c b�nh xe hơi l�m di chuyển n�. Từ quan điểm vĩ m�, ch�ng ta c� thể h�nh dung nhiều loại lực kh�c nhau, c�c lực tương t�c tiếp x�c trực tiếp, nhưng cũng c� lực t�c dụng xuy�n khoảng c�ch chẳng hạn như lực hấp dẫn. Trong vật l�, d� vậy, ch�ng ta thử hệ thống h�a v� t�m kiếm nhiều kh�i niệm tổng qu�t khả dĩ. Một sự hệ thống h�a như vậy l� t�m những th�nh phần cơ bản nhất của vật chất. Một hướng kh�c l� t�m c�c lực tương t�c giữa ch�ng. Trong trường hợp đầu, ch�ng ta c� thể ph�n chia vật chất th�nh c�c nguy�n tử v� c�c nguy�n tử th�nh hạt nh�n v� c�c electron, v� rồi chia hạt nh�n th�nh c�c proton v� c�c neutron. Bằng c�ch cho proton va chạm với proton hay proton với electron, c�c nh� vật l� hạt kh�m ph� thấy to�n bộ vật chất c� thể được x�y dựng từ một số quark (một kh�i niệm do Murray Gell-Mann đưa ra hồi thập ni�n 1960) v� lepton (electron v� neutrino c�ng những người anh em nặng hơn của ch�ng). Trong c�ng qu� tr�nh đ�, c�c nh� vật l� ph�t hiện bốn lực cơ bản tương t�c giữa c�c hạt vật chất n�y - lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nh�n mạnh v� lực hạt nh�n yếu. Chỉ c� hai loại lực đầu l� c� thể quan s�t được trực tiếp trong thế giới vĩ m�, v� vậy trước ti�n ch�ng ta h�y m� tả ch�ng. Show Lực hấp dẫnL� thuyết định lượng đầu ti�n về hấp dẫn dựa tr�n những quan s�t được Isaac Newton n�u ra năm 1687 trong t�c phẩm Nguy�n l� của �ng. �ng viết rằng lực hấp dẫn t�c dụng l�n mặt trời v� c�c h�nh tinh phụ thuộc v�o lượng vật chất m� ch�ng chứa. N� truyền qua những khoảng c�ch lớn v� lu�n lu�n giảm tỉ lệ nghịch với b�nh phương khoảng c�ch. C�ng thức cho lực F giữa hai vật thể khối lượng m1 v� m2 c�ch nhau khoảng r như sau F=Gm1m2/r2, trong đ� G l� hằng số tỉ lệ, hằng số hấp dẫn. Newton kh�ng ho�n to�n h�i l�ng với l� thuyết của �ng v� n� giả định một tương t�c xuy�n khoảng c�ch. Kh� khăn n�y đ� được dẹp bỏ khi kh�i niệm trướng hấp dẫn được n�u ra, một trường thấm đầy kh�ng gian. L� thuyết Newton �p dụng rất th�nh c�ng với cơ học thi�n thể trong thế kỉ 18 v� đầu thế kỉ 19. Chẳng hạn, J.C. Adams v� U.J.J. Leverrier c� thể phỏng đo�n một h�nh tinh b�n ngo�i Thi�n Vương tinh từ sự bất thường trong quỹ đạo của n� v� rồi th� sao Hải Vương được t�m thấy. Vẫn c�n tồn tại một vấn đề. Năm 1845, Leverrier t�nh to�n thấy quỹ đạo sao Thủy tiến động 35'' tr�n thế kỉ tr�i với gi� trị theo thuyết Newton l� bằng kh�ng. Những đo đạc sau n�y cho một gi� trị ch�nh x�c hơn, 43''. (Sự tiến động quan s�t được thật ra l� 5270''/thế kỉ, nhưng sự t�nh to�n cẩn thận loại trừ sự nhiễu loạn do c�c h�nh tinh c�n lại g�y ra cho gi� trị 43''). Vấn đề tồn tại cho đến năm 1915 khi Albert Einstein c� thể giải th�ch sự kh�ng nhất qu�n n�y. Galilei l� người đầu ti�n quan s�t thấy c�c vật dường như rơi với c�ng tốc độ, bất chấp khối lượng của ch�ng. Trong c�c phương tr�nh Newton, kh�i niệm khối lượng xuất hiện trong hai phương tr�nh kh�c nhau. Định luật 2 n�i rằng lực F t�c dụng l�n vật c� khối lượng m cho gia tốc a tu�n theo phương tr�nh F = ma. Trong định luật hấp dẫn, lực hấp dẫn F thỏa F = mg, trong đ� g phụ thuộc v�o c�c vật thể kh�c nhau t�c dụng lực l�n vật (thường th� l� tr�i đất, khi ch�ng ta n�i tới lực hấp dẫn). Trong cả hai phương tr�nh, m l� một hệ số tỉ lệ (khối lượng qu�n t�nh v� khối lượng hấp dẫn) v� kh�ng c� l� do r� r�ng cho thấy ch�ng phải c� c�ng gi� trị hai vật thể kh�c nhau. Tuy nhi�n, mọi th� nghiệm đều cho biết ch�ng bằng nhau. Einstein lấy thực tế n�y l�m điểm xuất ph�t cho l� thuyết hấp dẫn của �ng. Nếu bạn kh�ng thể ph�n biệt được khối lượng qu�n t�nh với khối lượng hấp dẫn, bạn cũng kh�ng thể ph�n biệt được sự hấp dẫn v� sự gia tốc. Một th� nghiệm thực hiện trong trường hấp dẫn c� thể thay bằng thực hiện trong một thang m�y đang gia tốc nơi kh�ng c� trường hấp dẫn. Khi nh� du h�nh vũ trụ trong phi thuyền gia tốc để bay ra ngo�i tr�i đất, �ng chịu một lực hấpdẫn gầp v�i lần tr�n tr�i đất. Phần lớn ch�ng l� do sự gia tốc. Nếu người ta kh�ng thể ph�n biệt được hấp dẫn với sự gia tốc, th� người ta lu�n lu�n c� thể thay thế lực hấp dẫn bằng một hệ thống đang gia tốc. Một hệ trong đ� sự gia tốc triệt ti�u lực hấp dẫn được gọi l� hệ qu�n t�nh. Tuy nhi�n, hệ n�y sẽ kh�c nhau từ điểm n�y sang điểm kh�c v� trường hấp dẫn thay đổi (trong v� dụ với mặt trăng th� hướng của trường hấp dẫn thay đổi từ điểm n�y sang điểm kh�c). Nguy�n l� rằng người ta lu�n t�m được một hệ qu�n t�nh ở mỗi điểm của kh�ng gian v� thời gian trong đ� vật l� học tu�n theo c�c định luật trong sự vắng mặt của hấp dẫn được gọi l� Nguy�n l� tương đương. Thật ra th� lực hấp dẫn c� thể coi như những hệ tọa độ kh�c nhau từ điểm n�y sang điểm kh�c nghĩa l� hấp dẫn l� một l� thuyết h�nh học. Hệ tọa độ ph� hợp bao qu�t to�n bộ kh�ng gian v� thời gian v� vậy l� một hệ phức tạp hơn hệ tọa độ phẳng th�ng thường m� ch�ng ta quen sử dụng trong h�nh học th�ng thường. Loại h�nh học n�y gọi l� H�nh học phi Euclide. Lực m� ch�ng ta thấy c� nguồn gốc từ c�c t�nh chất của kh�ng gian v� thời gian. Ch�ng ta n�i rằng kh�ng-thời gian bị cong. X�t một quả b�ng đang nằm tr�n một bề mặt phẳng. N� sẽ kh�ng chuyển động, hay nếu kh�ng c� ma s�t, n� c� thể chuyển động đều khi kh�ng c� lực t�c dụng l�n n�. Nếu như bề mặt bị cong đi th� quả b�ng sẽ gia tốc v� lăn xuống điểm thấp nhất bằng c�ch chọn con đường ngắn nhất. Tương tự như vậy, Einstein dạy ch�ng ta rằng kh�ng gian v� thời gian bốn chiều l� cong v� một vật đang chuyển động trong kh�ng gian cong n�y sẽ chuyển động dọc theo một geodesics l� đường đi ngắn nhất. �ng cũng đ� x�y dựng c�c phương tr�nh cho trường hấp dẫn, c�c phương tr�nh Einstein trứ danh, v� với c�c phương tr�nh n�y, �ng c� thể t�nh to�n gi� trị ch�nh x�c cho sự tiến động quỹ đạo sao Thủy. C�c phương tr�nh cũng cho gi� trị đo được của sự lệch của c�c tia s�ng truyền từ mặt trời v� kh�ng c� sự nghi ngờ n�o rằng c�c phương tr�nh đ� cho những kết quả ch�nh x�c đối với sự hấp dẫn vĩ m�. L� thuyết hấp dẫn của Einstein, hay Thuyết tương đối rộng, như tự �ng gọi, l� một trong những th�nh tựu vĩ đại nhất của khoa học hiện đại. Lực điện từSau c�ng th� năm 1865 James Clark Maxwell đ� thống nhất c�c kh�i niệm điện v� từ th�nh một l� thuyết điện từ. Lực được trung chuyển bởi trường điện từ. Biểu hiện kh�c nhau của trường n�y dẫn tới điện trường v� từ trường, ri�ng từng c�i. D� vậy, l� thuyết kh�ng ho�n to�n đối xứng trong điện trường v� từ trường, v� n� chỉ đưa ra nguồn ph�t sinh trực tiếp của điện trường l� c�c điện t�ch. Một l� thuyết đối xứng trọn vẹn cũng sẽ đưa ra c�c từ t�ch (được ti�n đo�n l� tồn tại bởi l� thuyết lượng tử hiện đại nhưng với cường độ khổng lồ như vậy th� c�c từ t�ch tự do phải cực k� hiếm trong vũ trụ của ch�ng ta). Đối với hai vật thể đứng y�n c� điện t�ch l� e1 v� e2 l� thuyết đưa tới Định luật Coulomb cho lực giữa hai vật F=ke1e2/r2, trong đ� một lần nữa k l� một hằng số tỉ lệ. Ch� � sự tương tự với định luật hấp dẫn của Newton. Mặc d� c� sự kh�c nhau. Trong khi lực hấp dẫn lu�n lu�n l� lực h�t, th� lực điện từ cũng c� thể l� lực đẩy. Điện t�ch c� thể hoặc l� �m như với electron hay l� dương như với proton. Điều n�y đưa đến thực tế l� c�c điện t�ch �m v� điện t�ch dương c� xu hướng kết hợp lại với nhau như trong c�c nguy�n tử v� do đ� che chắn lẫn nhau v� sinh ra trường điện từ. Đa số c�c hạt tr�n tr�i đất che chắn lẫn nhau theo c�ch n�y v� trường điện từ tổng hợp giảm đi rất nhiều. D� vậy. ch�ng ta biết từ trường của tr�i đất. Cũng trong cơ thể của ch�ng ta, đa số c�c hạt trung h�a lẫn nhau n�n c� một lực đện từ rất yếu giữa cơ thể v� tr�i đất. T�nh h�nh rất kh�c đối với trướng hấp dẫn. V� n� lu�n lu�n l� lực h�t, n�n mỗi hạt trong tr�i đất tương t�c với mỗi hạt trong cơ thể người tạo ra một lực bằng trọng lượng của ch�ng ta. Tuy nhi�n, nếu ch�ng ta so s�nh lực điện từ v� lực hấp dẫn giữa hai electron ch�ng ta sẽ thấy lực điện từ lớn hơn bởi một hệ số cỡ chừng 1040. Đ�y l� một con số lớn kh�ng thể tin nổi! N� cho biết khi ch�ng ta đến với thế giới vi m� v� nghi�n cứu bản chất vật l� của c�c hạt cơ bản, ch�ng ta kh�ng cần phải x�t tới hấp dẫn khi nghi�n cứu điện động lực học lượng tử, �t nhất l� ở c�c năng lượng thường. Khi giải c�c phương tr�nh Maxwell, người ta nhận thấy rằng trường điện từ truyền đi với một vận tốc hữu hạn. Điều n�y nghĩa l� Định luật Coulomb chỉ đ�ng một khi trường điện từ cần c� thời gian để truyền giữa hai điện t�ch. N� l� một định luật tĩnh học. Người ta cũng nhận thấy rằng trường điện từ truyến đi như một s�ng theo c�ch giống hệt như �nh s�ng. Đ� l� R�mer, người ph�t hiện thấy vận tốc �nh s�ng l� hữu hạn, v� Newton v� Huygens, người ph�t hiện �nh s�ng truyền như một s�ng hồi cuối thế kỉ 17, v� đến cuối thế kỉ 19 th� vận tốc �nh s�ng đ� được x�c minh r� l� ph� hợp với vận tốc của trường điện từ. Như vậy, n� x�c minh �nh s�ng kh�ng g� kh�c hơn m� ch�nh l� bức xạ điện từ. Năm 1900, Max Planck đề xuất rằng �nh s�ng bị lượng tử h�a nhằm gi�i th�ch bức xạ vật đen. Tuy nhi�n, Albert Einstein mới l� người đầu ti�n thật sự hiểu r� những hệ quả mang t�nh c�ch mạng của � tưởng n�y khi �ng thiết lập c�ng thức hiệu ứng quang điện. Trường điện từ c� thể coi l� một d�ng hạt nhỏ x�u gọi l� photon, ch�ng tạo n�n trường điện từ. Kh�a cạnh mang t�nh c�ch mạng của � tưởng n�y l� một d�ng hạt cũng c� thể xử sự như một s�ng, v� c� kh� nhiều sự phản đối từ ph�a c�c nh� khoa học đương thời. Chuyện đ� vẫn k�o d�i cho tới năm 1923, khi Arthur Compton bằng thực nghiệm chỉ ra rằng một lượng tử �nh s�ng c� thể l�m lệch hướng một electron giống hệt như một hạt nhỏ x�u l�m vậy, v� cuộc tranh luận n�y kết th�c. Nếu ch�ng ta nghĩ về lực điện giữa hai điện t�ch như một trường điện từ trung chuyển xuy�n khoảng c�ch, th� b�y giờ ta c� thể c� một bức tranh cơ bản hơn như một d�ng c�c photon ph�t ra từ một hạt v� đến va chạm với hạt kia. Đ�y l� một h�nh ảnh trực quan hơn việc một lực t�c dụng xuy�n khoảng c�ch. Bức tranh lực vĩ m� của ch�ng ta l� một c�i g� đ� tới va chạm v�o vật rồi chịu một lực. Trong thế giới vi m�, một lần nữa đ�y l� một c�ch để hiểu lực. Tuy nh�n, n� phức tạp hơn. Giả sử c� hai điện t�ch tương t�c nhau. Hạt n�o đang ph�t ra photon v� hạt n�o đang nhận photon nếu như hai hạt l� đồng nhất như cơ học lượng tử n�i với ch�ng ta như thế về c�c hạt cơ bản ? C�u trả lời phải l� một h�nh ảnh bao gồm cả hai khả năng. Việc ph�t hiện trường điện từ bị lượng tử h�a đ� khởi xướng một sự ph�t triển của cơ học lượng tử v� đưa ch�ng ta đến một thế giới vi m� x�y dựng bởi những vật giống như chất điểm v� ở đ� c�c lực xuất hiện khi hai hạt va chạm nhau. Cơ học lượng tử đưa đến nhiều kh�i niệm mang t�nh c�ch mạng. Một trong những kh�i niệm quan trọng nhất l� Quan hệ bất định Heisenberg được Heisenberg thiết lập v�o năm 1927, ph�t biểu rằng người ta kh�ng thể đo ch�nh x�c đồng thời vị tr� v� xung lượng hay năng lượng v� thời gian. Đối với một hạt nh�n, người ta c� thể hoặc x�c định được vị tr� của một electron v� kh�ng biết g� về xung lượng của n� hoặc biết xung lượng của n� v� kh�ng biết g� về vị tr� của n�. Trong h�nh ảnh m� tả trường lực giữa hai điện t�ch, bạn phải nghĩ về n� như c�c photon truyền từ hạt n�y tới hạt kia. Như vậy, năng lượng kh�ng thể được x�c định ch�nh x�c hơn c�i m� quan hệ bất định bảo với ch�ng ta, bởi v� sự bất định trong việc x�c định thời gian. Do đ�, quan hệ theo thuyết tương đối đặc biệt cho �nh s�ng l� photon kh�ng c� khối lượng v� chuyển th�nh quan hệ năng lượng2= xung lượng2c2 cần phải được thỏa m�n. Nếu ch�ng ta đặt năng lượng v� xung lượng ba chiều lại th�nh một xung lượng bốn chiều, ta thấy n� kh�ng hề bị gượng �p bởi điều kiện kh�ng c� khối lượng, ta n�i rằng photon l� ảo v� v� vậy c� một khối lượng (ảo). Như vậy, ta giải th�ch qu� tr�nh ở tr�n như sau: hoặc l� một photon ph�t ra từ hạt 1 đi tới hạt 2 với một xung lượng bốn chiều nhất định, hoặc l� một photon đi từ hạt 2 sang hạt 1 với xung lượng bốn chhiều ngược lại. Khi hai điện t�ch ở xa nhau, quan hệ bất định cho một �t tự do v� photon gần kh�ng c� khối lượng hơn. Ch�ng ta biết rằng định luật Coulomb h�nh như c� hiệu lực ở những khoảng c�ch d�i nhất v� n� phải được x�y dựng bởi c�c photon gần như kh�ng khối lượng. Nếu hai điện t�ch ở gần nhau, sẽ c� nhiều dạng lực lực hơn. Nhận thể, để đo vận tốc �nh s�ng th� c�c photon phải tương t�c. Như vậy, c� một độ bất định nhỏ trong khối lượng của n� v� một độ bất định nhỏ trong vận tốc của n�. Tuy nhi�n, ch�ng ta lu�n đo được c�ng một vận tốc cho �nh s�ng, nghĩa l� ở những khoảng c�ch vĩ m� m� ch�ng ta đo, t�nh thực v� do đ� khối lượng của photon về cơ bản l� bằng kh�ng, n�n ta c� một độ ch�nh x�c rất tốt. N� ph� hợp với việc n�i rằng vận tốc �nh s�ng l� một hằng số. Sự m� tả đầy đủ lực điện từ giữa hai hạt cơ bản được thiết lập bới Sin-Itiro Tomonaga, Richard Feynman v� Julian Schwinger, trong những c�ng tr�nh độc lập nhau, hồi những năm 1940. Họ thiết lập Điện động lực học lượng tử (QED). Đ�y l� một l� thuyết x�y dựng từ vật l� lượng tử v� thuyết tương đối hẹp (n� l� nền tảng đối xứng của c�c phương tr�nh Maxwell). N� được thiết lập rất tao nh� bởi c�i gọi l� biểu đồ Feynman, trong đ� c�c hạt cơ bản trao đổi c�c photon như đ� m� tả ở tr�n v� trong đ� mỗi biểu đồ ứng với một phương tr�nh to�n học nhất định, phương tr�nh n�y c� thể thu được từ một số quy luật cơ bản cho sự truyền c�c hạt ảo v� từ c�c đỉnh tương t�c. Biểu đồ đơn giản nhất cho tương t�c giữa hai electron l� Thật ra biểu đồ n�y đưa tới định luật Coulomb. B�y giờ Feynman chỉ cho ch�ng ta rằng ch�ng ta c� thể kết hợp bất cứ đường n�o cho một electron truyền đi (hay khi n� truyền ngược lại, positron) v� bất cứ đường n�o cho một photon truyền đi nối lại với điểm m� ở đ� một đường electron ph�t ra một photon v� tạo n�n một biểu đồ mới. Mỗi biểu đồ mới kh�c với biểu đồ ở tr�n tạo n�n sự hiểu chỉnh lượng tử cho lực cơ bản. Qua c�ng tr�nh của ba nh� khoa học kể tr�n cho thấy mỗi biểu đồ như vậy c� cảm gi�c cho những c�u trả lời hữu hạn. Người ta n�i rằng QED l� ti�u chuẩn h�a trở lại. Cường độ lực như trong định luật Coulomb bị chi phối bởi độ lớn của đỉnh l� điện t�ch e trong QED v� với biểu đồ ở tr�n, n� tỉ lệ với b�nh phương của e v� l� Hằng số cấu tr�c tinh tế Lực hạt nh�nV� v�o đầu thế kỉ 20, chỉ c� hai lực cơ bản được biết tới l� lực hấp dẫn v� lực điện từ, v� người ta thấy lực điện từ g�y ra c�c lực trong nguy�n tử, n�n tự nhi�n tin rằng n� cũng l� lực đ�ng vai tr� giữ hạt nh�n lại với nhau. Thập ni�n 1920, người ta biết hạt nh�n chứa c�c proton, thật ra th� hạt nh�n hydrogen chỉ l� một proton, v� kh�ng hiểu v� sao người ta tin rằng c�c electron c� thể cũng li�n quan đến việc giữ c�c proton lại với nhau. Tuy nhi�n, một � tưởng như thế n�y lập tức gặp rắc rối. Đ�u l� sự kh�c nhau giữa c�c electron trong hạt nh�n v� c�c electron tr�n quỹ đạo xung quanh hạt nh�n? Đ�u l� hệ quả của quan hệ bất định Heisenberg nếu như c�c electron bị n�n chặt trong hạt nh�n nhỏ b� đ�? Sự ủng hộ duy nhất cho � tưởng n�y l� trong ph�n r� ph�ng xạ beta, người ta thấy c�c electron ph�t ra từ hạt nh�n. Tuy nhi�n, năm 1932, James Chadwick ph�t hện một loại bức xạ mới c� thể ph�t ra từ hạt nh�n, một hạt trung h�a v� th� nghiệm của �ng chỉ ra rằng c� những hạt thật sự trung h�a điện b�n trong hạt nh�n, đ� l� c�c neutron. Kh�ng bao l�u sau đ�, Eugene Wigner giải th�ch hạt nh�n như một kết quả của hai lực hạt nh�n kh�c nhau. Lực hạt nh�n mạnh l� lực h�t giữa c�c proton v� neutron giữ hạt nh�n lại với nhau v� Lực hạt nh�n yếu g�y ra sự ph�n r� ph�ng xạ của hạt nh�n nhất định. Người ta nhận thấy cường độ của hai lực n�y kh�c nhau rất nhiều. Tỉ số điển h�nh l� v�o bậc 1014 ở c�c năng lượng thường. Tương t�c mạnhGiờ th� một � tưởng tư nhi�n l� t�m kiếm một cơ chế giống như cơ chế trong lực điện từ để trung chuyển lực mạnh. Ngay từ năm 1935, Hideki Yakawa đ� đưa ra l� thuyết trường cho c�c tương t�c mạnh, trong đ� c�c hạt trường trung chuyển được gọi l� meson. Tuy nhi�n, c� sự kh�c biệt đ�ng kể giữa lực mạnh v� lực điện từ, ở chỗ lực mạnh c� tầm t�c dụng rất ngắn (điển h�nh v�o cỡ b�n k�nh hạt nh�n). Đ�y l� l� do tại sao n� kh�ng c� bản đối chiếu n�o v� do đ� kh�ng được ph�t hiện trong vật l� cổ điển.Yukawa giải quyết vấn đề n�y bằng c�ch đặt cho meson c� khối lượng. Một hạt như vậy rồi th� dượng như được Carl Anderson t�m thấy từ c�c tia vũ trụ. Việc ph�t hiện ph�n hạch hạt nh�n v�o cuối những năm 1930 dẫn tới một sự thu h�t mạnh mẽ trong vật l� hạt nh�n v� trong những năm chiến tranh, đa phần c�c nh� vật l� đều nghi�n cứu vấn đề ph�n hạch, m�i đến khi chiến ranh kết th�c th� � tưởng của Yukawa mới được n�u ra lần nữa. Rồi người ta thấy rằng c�c hạt m� Anderson t�m thấy c� thể kh�ng phải l� meson của c�c tương t�c mạnh, v� n� tương t�c qu� yếu với vật chất, v� rồi người ta chỉ ra rằng hạt n�y, b�y giờ gọi l� muon, l� một họ h�ng nặng của electron. Tuy nhi�n, cuối c�ng th� meson, nay gọi l� pion, cũng được Cecil Powell ph�t hiện trong tia vũ trụ v�o năm 1947 v� c�c t�nh chất của n� đ� được x�c định. B�y giờ xuất hiện một t�nh thế tiến tho�i lưỡng nan mới. Khi c�c m�y gia tốc khổng lồ bắt đầu đi v�o hoạt động trong những năm 1950, c�c pion sinh ra x�c nhận l� thuyết của Yukawa, nhưng khi l� thuyết trường của �ng được xem x�t theo c�c quy luật do Feynman đề ra, th� thật ra l� thuyết n�y l� t�i ti�u chuẩn h�a nhưng hằng số bắt cặp l� khổng lồ, lớn hơn một. Điều n�y nghĩa l� một biểu đồ c� v�i tương t�c sẽ cho một sự đ�ng g�p rộng hơn một biểu đồ chất ph�c với việc trao đổi chỉ một pion, c�i m� người ta nghĩ rằng sẽ cho một bức tranh th� của sự t�n xạ hai proton. Sự khai triển đ�ng ngại kh�ng c�n � nghĩa nữa. Sự t�n xạ proton cũng sinh ra c�c hạt mới tương t�c mạnh mẽ b�n cạnh pion, ch�ng được gọi l� c�c hadron. Thật ra, một bầy khổng lồ c�c hạt cơ bản đ� được ph�t hiện, một số trong số ch�ng c� thời gian sống từ v�i 10-8 tới 10-10 s v� một số c� thời gian sống 10-23 s. B�i to�n n�y được Murray Gell-Mann giải quyết khi �ng đề xuất rằng tất cả c�c hạt tương t�c mạnh thật ra l� c�c trạng th�i tổ hợp của những trạng th�i c�n cơ bản hơn, đ� l� c�c quark. � tưởng n�y sau c�ng đ� được thực nghiệm x�c nhận trong c�c th� nghiệm Stanford trong những năm 1970, do Jerome Friedman, Henry Kendall v� Richard Taylor chỉ đạo. Để hiểu c�c lực b�n trong nguy�n tử, người ta phải thực sự hiểu l� thuyết trường cho c�c quark. Trước khi m� tả lực giữa c�c quark, ch�ng ta h�y thảo luận về một lực hạt nh�n nữa, đ� l� lực hạt nh�n yếu. Tương t�c yếuNăm 1896, Henri Becquerel ph�t hiện thấy muối uranium ph�t ra một bức xạ; ch�ng được gọi l� ph�ng xạ. C�ng tr�nh của �ng được theo đuổi bởi Marie v� Pierre Curie, họ l� người ph�t hiện thấy một v�i nguy�n tử tan r� bằng c�ch ph�t ra ph�ng xạ. Với việc ph�t hiện ra neutron, người ta nhận thấy hiện tượng n�y l� một biểu hiện kh�c của một lực đang t�c dụng. Người ta thấy neutron ph�n hủy th�nh một proton v� một electron v� rồi một hạt giả định do Wolfgang Pauli đưa ra, sau n�y gọi l� neutrino (thực ra l� phản neutrino). V� trong hạt nh�n, khối lượng c�c nucleon l� ảo n�n qu� tr�nh cũng c� thể diễn ra theo c�ch kh�c trong đ� một proton ph�n hủy th�nh một neutron, một positron v� một neutrino. Người đầu ti�n thiết lập m� h�nh cho tương t�c n�y l� Enrico Fermi, �ng giả định tương t�c l� tức thời giữa c�c hạt vật chất. Trong những năm 1950, l� thuyết của Fermi được sửa đổi nhằm giải th�ch cho sự vi phạm t�nh b�nh đẳng, bởi Marshak v� Sudarshan v� bởi Feynman v� Gell-Mann. Sự vi phạm t�nh b�nh đẳng của c�c tương t�c yếu được Tsung-Dao Lee v� Chen Ning Yang đưa ra năm 1956 v� được x�c nhận bằng thực nghiệm bởi Wu v� c�c cộng sự trong năm sau đ� (Tương t�c yếu c� thể ph�n biệt b�n tr�i v� b�n phải). Tuy nhi�n, m� h�nh giới thiệu c� những vấn đề gay gắt. N� l� kh�ng t�i ti�u chuẩn h�a v� n� kh�ng thể thực sự c� � nghĩa như một l� thuyết tổng qu�t. Mặt kh�c, m� h�nh hoạt động cực k� tốt cho nhiều qu� tr�nh. Vậy phải dung h�a hai thực tế n�y như thế n�o đ�y? Trong những năm 1960, c�c m� tả l� thuyết trường mới được n�u l�n v� để dung h�a c�c thực tế tr�n, người ta đưa ra những hạt trung chuyển cực k� nặng. Đối với những qu� tr�nh năng lượng thấp, một hạt như vậy chỉ c� thể truyền đi được một khoảng c�ch rất ngắn v� trong thực nghiệm n� tr�ng như thể l� tương t�c xảy ra ở một điểm cho m� h�nh tr�n cho c�c năng lượng l�c ấy c� thể thăm d� được. Sự hợp nhất, c�i gọi l� "L� thuyết chuẩn phi Abel", được sử dụng bởi sheldon Glashow, Steben Weinberg v� Abdus Salam trong những c�ng tr�nh độc lập nhau đề xuất một m� h�nh sẽ ổng qu�t h�a m� h�nh tr�n. Một l� thuyết trường như vậy l� một sự tổng qu�t h�a của QED trong đ� c� một v�i hạt trung chuyển cũng c� thể c� những tương t�c nội bộ. V�o đầu những năm 1970, sự hợp nhất n�y của c�c m� h�nh đ� được Gerhard 'tHooft v� Tini Veltman chứng minh l� t�i ti�u chuẩn h�a v� do đ� l� những l� thuyết lượng tử tốt. Bằng chứng thực nghiệm kh�ng chối c�i được cho m� h�nh được thu thập trong những năm 1970 v� cuối c�ng, v�o năm 1983, c�c hạt trung chuyển được ph�t hiện tại CERNtrong một th� nghiệm do Carlo Rubbia v� Simon van der Meer chỉ đạo. Quả thật c�c hạt trung chuyển rất nặng, hơn 100 lần khối lượng proton. M� H�nh ChuẩnSự th�nh c�ng của c�c l� thuyết chuẩn phi Abel đưa c�c nh� vật l� đến chỗ đồng � rằng những m� h�nh đ� cũng d�ng được để m� tả tương t�c giữa c�c quark. điều n�y đưa tới c�i gọi l� M� H�nh Chuẩn, trong đ� tất cả c�c hạt vật chất được xem x�t c�ng nhau, tức l� electron c�ng với những người b� con nặng hơn của n�, muon v� hạt tau v� c�c neutrino tương ứng, ch�ng đều chỉ c� tương t�c yếu, c�ng với c�c quark c� thể c� cả tương t�c mạnh v� tương t�c yếu. C�c hạt lực, tức c�c hạt trung chuyển : photon cho lực điện từ, hạt W v� Z cho tương t�c yếu v� c�c gluon cho tương t�c mạnh. Mặc d� M� H�nh Chuẩn đ� thống nhất c�c tương t�c, vẫn c� một số kh�c biệt về chi tiết. Photon v� c�c gluon l� những hạt kh�ng c� khối lượng, trong khi hạt W v� Z th� c� khối lượng. Photon đưa đến định luật Coulomb cho những khoảng c�ch lớn trong khi c�c gluon đưa tới một lực giam giữ giữa c�c quark. Thật ra, lực đ� tăng theo khoảng c�ch như lực đối với l� xo, c�n c�c quark bị cầm t� vĩnh viễn trong c�c hadron. D� vậy, t�nh chất của c�c gluon đ� được thiết lập vững chắc bằng thực nghiệm v� c� nhiều bằng chứng cho thấy m� h�nh n�y thật ra l� một m� h�nh đ�ng ở những năng lượng m� c�c m�y gia tốc hiện nay c� thể thăm d� được. Thống nhất c�c tương t�cTrong m� h�nh chuẩn ở tr�n kh�ng đề cập đến lực hấp dẫn. Người ta n�i n� yếu qu� đỗi n�n ch�ng ta kh�ng cần phải quan t�m đến n� trong c�c th� nghiệm hạt. Tuy nhi�n, n�i chung phải c� một phi�n bản lượng tử cho lực hấp dẫn t�c dụng ở những khoảng c�ch đủ nhỏ. Nếu ch�ng ta thử chỉ sao ch�p sự lượng tử h�a của trường điện từ dưới dạng photon, ch�ng ta phải lượng tử h�a trường hấp dẫn th�nh c�i gọi l� graviton. Tuy nhi�n, thủ tục của Feynman, Tomonaga v� Schwinger kh�ng hoạt động ở đ�y. Thuyết hầp dẫn của Einstein l� phi t�i ti�u chuẩn h�a. Vậy th� vấn đề nằm ở chỗ n�o? C� phải l� thuyết của Einstein hay cơ học lượng tử kh�ng ho�n thiện? Hai nền tảng l� thuyết vĩ đại của thế kỉ 20, cơ học lượng tử v� thuyết tương đối rộng của Einstein, đơn giản l� kh�ng tương th�ch với nhau. Cả đời m�nh Einstein cho rằng cơ học lượng tử thật ra kh�ng ho�n thiện, nhưng nhiều sự kiểm tra m� n� đ� trải qua cho đến hiện nay khiến c�c nh� vật l�, thay v� vậy, cố gằng tổng qu�t h�a l� thuyết của Einstein. Th�nh c�ng đ�ng ch� � với M� H�nh Chuẩn cũng cho thấy � tưởng thống nhất c�c lực l� một con đường đ�ng hướng. Tại sao lại c� bốn lực hay ch�ng c� thật sự l� kh�c nhau kh�ng? Thực tế th� ch�ng kh�c nhau, biểu hiện như c�c lực kh�c nhau trong những th� nghiệm m� ch�ng ta thực hiện, nhưng M� H�nh Chuẩn cho thấy lực điện từ v� lực yếu thống nhất với nhau ở năng lượng khoảng 100 GeV. Tương tự, m� h�nh cũng cho thấy lực mạnh tr�ng qu� kh�c biệt thống nhất với c�c lực kia ở năng lượng tr�n 1015GeV. Liệu lực hấp dẫn c� thể ăn khớp với sự hợp nhất n�y kh�ng? C� thể thấy rằng ở năng lượng v�o cỡ 1019 GeV th� lực hấp dẫn sẽ mạnh như c�c lực kh�c, do đ� phải c� sự thống nhất tất cả c�c lực �t nhất l� ở năng lượng đ�, một năng lượng cao kh�ng thể tưởng tượng nổi chỉ xuất hiện trong vũ trụ của ch�ng ta l�c 10-42 s sau Big Bang. Tuy nhi�n, vật l� cũng sẽ phải c� thể m� tả những hiện tượng xảy ra sau đ�, n�n phải c� một bức tranh thống nhất bao gồm cả hấp dẫn. Hiện nay, một sự hợp nhất như vậy đ� được đưa ra, M� h�nh Si�u d�y, trong đ� c�c hạt được m� tả như những đối tưọng một chiều, l� c�c d�y. M� h�nh n�y thực sự cho l� thuyết của Einstein cho c�c năng lượng thấp v� c� thể l�m cho ph� hợp với M� H�nh Chuẩn ở c�c năng lượng m� n� khảo s�t. N� cũng l� một l� thuyết lượng tử giới hạn, n�n l� thuyết cho hấp dẫn dựa tr�n M� h�nh Si�u d�y l� thật sự ph� hợp. H�y c�n qu� sớm để n�i rằng đ�y l� "l� thuyết của tất cả", nhưng kh�ng c� nghịch l� hay m�u thuẫn n�o trong m� h�nh n�y cả. Sau c�ng th� m� h�nh n�y tạo ra nhiều sự thống nhất hơn, ấy l� c�c hạt vật chất v� c�c hạt lực đều chỉ l� một loại hạt. Đ�y cũng l� mục ti�u tối hậu của c�c nh� vật l�, c� một lực thống nhất v� một loại hạt thống nhất m� th�i. |
