…..
Fritjof Capra
ĐẠO CỦA VẬT LÝ
THE TAO of PHYSICS
Dịch Giả: Nguyễn Tường Bách
Thế giới hạ nguyên tử là một thế giới của nhịp điệu,vận hành và biến dịch liên tục. Thế nhưng nó không tùy tiện và hỗn loạn mà luôn giữ một dạng nhất định và rõ ràng. Trước hết là tất cả các hạt của một loại đều giống nhau, chúng có một khối lượng như nhau, điện tích như nhau và các tính chất đặc trưng khác cũng giống nhau. Hơn thế nữa, các hạt mang điện tích đều có đúng điện tích của một electron (hay có dấu ngược lại), hoặc có điện tích gấp đôi của electron. Điều này cũng đúng với các đại lượng mang tính chất khác, những trị số đó không tùy tiện mà được giới hạn trong một số lượng có hạn. Qua đó ta có thể xếp loại các hạt trong một số ít loại nhất định hay những họ. Điều này dẫn đến câu hỏi, thế thì những cấu trúc nhất định này làm sao có thể sinh thành trong một thế giới động và liên tục thay đổi được.
Sự xuất hiện các dạng nhất định trong cấu trúc của vật chất thật ra không phải là hiện tượng mới, người ta đã thấy nó trong thế giới nguyên tử. Cũng như các hạt hạ nguyên tử, các nguyên tử của cùng một loại thì hoàn toàn giống nhau và những nguyên tử khác nhau của các yếu tố hóa tính được xếp loại trong những nhóm của bảng phân loại tuần hoàn. Ngày nay ta hiểu rõ sự phân loại này, nó dựa trên số lượng của proton và neutron trong nhân nguyên tử và trên sự phân bố của electron trong các vân đạo. Tính chất sóng của electron qui định các vân đạo đó cách xa bao nhiêu và độ quay của một electron trên một vân đạo cho sẵn. Tính chất sóng đó hạn chế các đại lượng này trong vài con số nhất định, chúng liên hệ với sự dao động nhất định của sóng electron. Thế nên trong cấu trúc nguyên tử chỉ có một số mẫu hình nhất định, chúng được qui định bởi một nhóm số lượng tử, mẫu hình đó thể hiện bởi các dạng dao động của sóng electron trong các vân đạo. Những dao động này quyết định các tình trạng tương tự của một nguyên tử và vì thế mà hai nguyên tử hoàn toàn giống nhau nếu chúng cùng ở trong trạng thái cơ bản hay trạng thái kích thích như nhau.
Cấu trúc của các hạt cơ bản cho thấy sự tương đồng lớn với cấu trúc của nguyên tử, thí dụ phần lớn các hạt đều quay quanh trục của mình như một con vụ. Độ quay nội tại Spin của nó được hạn chế trên các đại lượng nhất định, chúng được diễn tả bằng những số nguyên của một đơn vị gốc. Thí dụ spin của baryon có thể là, 3/2, 5/20…, trong lúc đó thì spin của menson là 0, 1, 2… Điều này nhắc ta nhớ nhiều đến các độ quay của các electron trên vân đạo của chúng, các độ quay đó cũng được hạn chế bởi các trị số được biểu diễn bằng số nguyên.
Tính tương tự với các cấu trúc nguyên tử càng rõ hơn với thực tế là, các hạt có tương tác mạnh hay hadron có thể được xếp họ chung với nhau mà các thành viên có tính chất như nhau, không kể khối lượng và spin của chúng. Các thành viên cao của những họ này là những hạt cơ bản sống hết sức ngắn ngủi, ta gọi chúng là resonance và được phát hiện rất nhiều trong vài chục năm qua. Khối lượng spin của các resonance tăng dần theo một cách có qui định trong các họ và xem ra sẽ tiến tới vô cực. Tính chất có qui luật này làm ta nhớ đến các mức độ của những tình trạng kích thích các nguyên tử và làm cho nhà vật lý tiến đến cách nhìn, là các thành viên cao (khối lượng nặng) của hadron không hề là những hạt gì khác, mà chẳng qua chính là thành viên có khối lượng thấp nhưng ở dạng bị kích thích. Cũng như một nguyên tử, một hadron có thể lưu trú trong những dạng bị kích thích, và sống rất ngắn ngủi, dạng kích thích đó được biểu diễn bằng spin cao hơn hay năng lượng (chính là khối lượng )cao hơn.
Sự tương tự giữa những tình trạng lượng tử của nguyên tử và những hạt hadron cho thấy, bản thân hadron cũng có thể là những vật thể được tạo thành bởi cấu trúc nội tại, cấu trúc đó có thể bị kích thích, tức là chúng hấp thụ năng lượng để làm thành một cấu trúc khác. Tuy nhiên hiện nay ta chưa hiểu được các cấu trúc đó hình thành như thế nào. Trong vật lý nguyên tử, ta có thể lý giải chúng dựa trên tính chất và sự tương tác với các hạt cấu thành nguyên tử (proton, neutron, và electron), nhưng trong nền vật lý hạt thì chưa lý giải được. Các cấu trúc tìm thấy được trong thế giới hạt chỉ được xác định và phân loại một cách thuần tịnh thực nghiệm chứ chưa được suy luận từ các chi tiết của cấu trúc hạt.
Khó khăn chủ yếu mà nhà vật lý hạt gặp phải là khái niệm của vật thể do các phần tử khác tạo thành khái niệm đó không còn ứng dụng được trong hạt hạ nguyên tử nữa. Khả năng duy nhất để tìm phần tử tạo thành của một hạt cơ bản là phá vỡ nó bằng tiến trình va chạm với năng lượng cao. Thế nhưng các hạt vỡ ra đó lại không hề nhỏ hơn hạt cơ bản ban đầu. Thí dụ hai hạt proton va chạm với nhau với vận tốc lớn sẽ sinh ra một loạt các mảnh, thế nhưng không có mảnh nào có thể được gọi là mảnh vỡ của proton. Các mảnh đó luôn luôn đều là hadron toàn vẹn, chúng được sinh ra từ động năng và khối lượng của các proton ban đầu. Vì thế mà việc tách một hạt để tìm phần tử cấu thành của nó là điều rất không rõ ràng, vì chúng tùy thuộc nơi năng lượng tham gia trong các tiến trình va chạm. Nơi đây ta có tình trạng của tương đối, trong đó một cấu trúc năng lượng biến mất, một cấu trúc khác sinh ra và khái niệm tĩnh tại về vật thể do nhiều phần tử hợp thành không còn áp dụng được nữa trong những cấu trúc đó. Cấu trúc của một hạt chỉ có thể hiểu theo nghĩa động: đó là tiến trình và sự tương tác.
Khi hạt bị vỡ thành những mảnh trong tiến trình va chạm, điều đó có qui định nhất định và vì các mảnh lại là các hạt cùng loại nên ta có thể dùng các qui luật đó để mô tả những tính chất nhất định được quan sát trong thế giới hạt. Trong những năm sáu mươi, khi phần lớn các hạt ngày nay ta biết đến được phát hiện và các họ của các hạt bắt đầu xuất hiện thì phần lớn các nhà vật lý đều tìm hiểu các tính chất nói trên, số ít khác lại tìm hiểu vấn đề khó khăn do nguyên nhân động của cấu trúc hạt sinh ra. Với cách làm như thế họ rất thành công.
Khái niệm của đối xứng đóng một vai trò quan trọng trong những nghiên cứu này. Nhà vật lý tổng quát hóa nó lên và cho nó một ý nghĩa trừu tượng và qua đó mà khái niệm này trở thành hữu dụng khi phân loại các hạt. Trong đời sống hàng ngày, sự đối xứng trục là trường hợp thông thường nhất của đối xứng. Một dạng hình là đối xứng trục khi ta có thể vẽ một đường thẳng và chia hình ra hai phần như nhau.
Loại đối xứng cao cấp hơn là dạng hình, trong đó có nhiều trục đối xứng như hình dưới đây của một biểu tượng Phật giáo. Tuy nhiên sự phản chiều không phải là cách duy nhất liên quan tới đối xứng. Một dạng hình cũng có thể gọi là đối xứng sau khi quay một góc nhất định, nó sẽ trở về vị trí cũ. Thí dụ đồ hình âm dương của Trung quốc dựa trên loại đối xứng quay này.
Trong vật lý hạt, tính đối xứng, ngoài loại phản chiếu và quay, còn có mối liên hệ với nhiều phương pháp khác và chúng không những chỉ xảy ra trong không gian bình thường (và trong thời gian) mà cả trong không gian toán học trừu tượng. Chúng được áp dụng cho hạt và nhóm các hạt , và vì tính chất hạt không thể tách rời khỏi sự tương tác lẫn nhau giữa chúng, nên tính đối xứng cũng có thể áp dụng cho sự tương tác, tức là cho những tiến trình có hạt tham dự. Các tính đối xứng này hữu ích, vì lẽ chúng liên hệ chặt chẽ với qui luật bảo toàn. Một khi một tiến trình trong phạm vi hạt có một sự đối xứng thì nơi đó có một đại lượng đo được, đại lượng đó được bảo toàn, tức là một đại lượng bất biến trong suốt quá trình. Những đại lượng này cho ta những yếu tố bất biến trong quá trình chuyển biến phức tạp của hạt vật chất hạ nguyên tử và chúng phù hợp một cách lý tưởng cho việc mô tả sự tương tác các hạt. Một số đại lượng thì bất biến xuyên qua mọi tương tác, một số khác chỉ bất biến qua một số tương tác, thế nên mỗi tiến trình tương tác đều được liên hệ với một nhóm đại lượng bảo toàn nhất định. Do đó tính đối xứng hiện ra trong tính chất của hạt với tính cách là qui luật bảo toàn trong liên hệ tương tác của chúng. Trong ngôn ngữ của nhà vật lý thì hai khái niệm này hoán chuyển được. Trong một số trường hợp, ta gọi là sự đối xứng của tiến trình, trường hợp khác ta gọi là luật bảo toàn, tùy theo lúc nào hữu ích hơn.
Có bốn luật bảo toàn cơ bản, chúng được quan sát trong tất cả mọi tiến trình. Trong số đó thì đã có ba loại liên hệ với điều kiện đối xứng đơn giản trong không gian thông thường và thời gian thông thường.
Tất cả mọi tương tác giữa hạt đều đối xứng trong không gian – chúng giống hệt nhau, dù chúng xảy ra ở London hay New York, về mặt thời gian thì chúng cũng đối xứng, tức là chúng xảy ra bất kỳ, dù ngày thứ hai hay ngày thứ tư trong tuần. Tính đối xứng đầu tiên liên hệ với sự bảo toàn năng lượng. Điều đó có nghĩa là toàn bộ xung lực của các hạt tham gia vào một quá trình tương tác và toàn bộ năng lượng của chúng (kể cả khối lượng) không thay đổi trước và sau tiến trình. Tính đối xứng cơ bản thứ ba nói về định hướng trong không gian. Thí dụ trong một tiến trình va chạm thì bất kỳ, dù các hạt va chạm nhau có chuyển động theo trục tung hay hoành. Kết quả của tính đối xứng này là tổng trị số của xung lượng quay (kể cả spin của các hạt) được bảo toàn trong một tiến trình. Cuối cùng là sự bảo toàn của điện tích. Điều này liên hệ với một điều kiện đối xứng phức tạp, nhưng nếu phát biểu như tính bảo toàn thì nó rất đơn giản, đó là tổng số điện tích của mọi hạt trong một tương tác được bảo toàn. Ngoài ra còn có vài luật bảo toàn khác nữa, chúng được phát biểu bằng tính đối xứng trong không gian toán học trừu tượng như trường hợp của bảo toàn điện tích. Đến nay ta biết, một vài luật trong đó có giá trị cho tất cả mọi tương tác, một số khác chỉ có giá tị trong một số tương tác (thí dụ chỉ đúng cho tương tác yếu). Những đại lượng bảo toàn liên hệ có thể được gọi là điện tích ảo của hạt. Vì chúng là những số nguyên (± 1, ± 2…) hay có số chia đôi (± 1/2, ± 3/2, ± 5/2…), nên người ta gọi nó là số lượng tử, tương tự như số lượng tử trong vật lý nguyên tử. Mỗi hạt như thế được chỉ định bởi một nhóm số lượng, nhóm số này cùng với khối lượng của hạt xác định toàn bộ tính chất của hạt.
Thí dụ hadron có những trị số rõ rệt “Isospin” và “Hypercharge” hai trị số lượng tử, chúng không thay đổi trong các tương tác mạnh. khi tám menson của bảng trình bày trong chương trước được xếp theo hai trị số lượng tử này, chúng tạo ra một cấu trúc có hình bát giác cân đối, được gọi là “Menson octet”. Hình này cho thấy một sự đối xứng rõ rệt, thí dụ, những hạt và đối hạt giữ các vị trí đối nghịch trong hình bát giác, hai hạt ở trung tâm lại chính là đối hạt của bản thân mình.
Tám hạt baryon nhẹ nhất cũng tạo nên cấu trúc như thế, nó được gọi là “Baryon octet”. Thế nhưng lần này, các đối hạt không còn được chứa đựng trong hình bát giác, mà chúng tạo nên một “Đối octet” có dạng như vậy.
Các baryon còn lại trong bảng các hạt, các omega thì thuộc về cấu trúc khác mang tên là “Baryon decuplet”, đứng chung với chín resonance.
Tất cả các hạt nằm trong một cấu trúc đối xứng nhất định đều có những trị số lượng tử như nhau, chỉ trừ isospin và hypercharge là những số cho chúng các vị trí khác nhau trong cấu trúc. Thí dụ, tất cả mọi menson trong đó octet đều có spin bằng không (tức chúng không quay gì cả); những baryon trong octet thì có spin bằng 1/2 và các baryon trong decuplet có spin bằng 3/2.
Thế nên, các trị số lượng tử vốn được sử dụng để xếp hạt trong họ của chúng, tạo nên những cấu trúc đối xứng rõ ràng, chúng cũng chỉ định vị trí của các hạt riêng lẻ trong mỗi cấu trúc đồng thời cũng phân loại các tương tác khác nhau của hạt đúng theo luật bảo toàn. Nhờ thế mà hai tính chất liên hệ giữa đối xứng và bảo toàn được xem là hết sức hữu ích nhằm trình bày có tính qui luật trong thế giới hạt.
Điều đáng ngạc nhiên là phần lớn các qui luật này lại được diễn tả một cách rất đơn giản, nếu ta giả định rằng tất cả hadron được tạo bởi một số ít những đơn vị, đơn vị đó hiện nay chưa phát hiện được.
Những đơn vị (hay hạt) đó được Murray Gell-Mann gọi bằng một cái tên giả tưởng là “Quark”, là người đã lấy những dòng của James Joyce trong tác phẩm Finnergarn’s Wake, khi ông giả định chúng hiện hữu. Gell-Mann thành công trong việc suy ra một loạt các cấu trúc hadron, như các octet hay decuplet nói trên, bằng cách cho những trị số lượng tử phù hợp gắn vào ba hạt quark và ba đối hạt antiquark, rồi ông biết để những viên gạch đó ở những vị trí tương quan với nhau để tạo nên baryon và menson, trong đó các trị số lượng tử của chúng chỉ do các trị số của các hạt quark cộng lại. Với nghĩa này thì baryon được gọi gồm có ba quark, có ba đối hạt antiquark và menson gồm một quark và một antiquark.
Tính đơn giản và hữu dụng của mô hình này thì thật đáng kinh ngạc, thế nhưng nó sẽ mang lại khó khăn trầm trọng nếu quark thật sự được xem là thành phần vật chất của hadron. Tới nay, chưa hadron nào được phá vỡ mà thành ra các quark cả, mặc dù ta bắn phá chúng với các nguồn năng lượng lớn nhất có thể có, điều đó có nghĩa là các quark phải được giữ chặt với nhau bằng những lực liên kết cực mạnh. Theo hiểu biết hiện nay của chúng ta về hạt và tương tác của chúng thì những lực này phải bao gồm luôn cả những hạt khác và như thế quark cũng phải có những cấu trúc, cũng như tất cả các hạt có tương tác mạnh khác.
Thế mà mô hình quark chủ yếu gồm các điểm, phi cơ cấu. Vì sự khó khăn cơ bản này, tới nay không thể phát biểu mô hình quark dưới dạng động để phù hợp với đối xứng và các lực liên kết.
Về mặt thực nghiệm, trong những thập niên qua người ta có những cuộc săn lùng kiếm quark quyết liệt nhưng không thành công. Nếu các quark thật sự hiện hữu thì nó phải dễ thấy vì mô hình Gell-Mann cho chúng những tính chất rất bất thường, như điện tích bằng 1/3 và 2/3 điện tích electron, điều không đâu có trong thế giới hạt. Tới nay người ta không quan sát hạt nào có tính chất đó mặc dù có những nỗ lực rất lớn. Vì thực nghiệm không phát hiện ra chúng, cộng thêm những phản đối lý thuyết về thực tại của chúng, tất cả những điều đó làm sự hiện hữu của quark rất đáng nghi ngờ.
Mặt khác, mô hình quark vẫn rất thành công nếu tính thêm những qui luật được phát hiện trong thế giới hạt, mặc dù mô hình đó không còn được sử dụng một cách đơn giản nữa. Trong mô hình Gell-Mann nguyên thủy, tất cả hadron có thể được xây dựng bằng ba loại quark và ba đối hạt antiquark. Nhưng trong thời gian qua, nhà vật lý giả định rằng có thêm những hạt khác để đáp ứng nhiều dạng khác nhau của cấu hadron. Ba hạt quark nguyên thủy được tạm đặt tên là u, d và s, viết tắt của up, down và strange. Sự mở rộng đầu tiên của mô hình quark trên toàn bộ thông tin có được của hạt, là đòi mỗi quark phải xuất hiện trong ba cách khác nhau, hay ba màu. Từ màu được sử dụng nơi đây một cách tùy tiện, không liên hệ gì với màu sắc bình thường. Dựa trên mô hình quark có màu, baryon gồm có ba quark có màu khác nhau, trong lúc đó thì menson gồm có một quark và một đối hạt cùng một màu.
Việc sử dụng các màu đã nâng số lượng của quark lên chín(ba màu của ba loại u, d, s), và trong thời gian gần đây người ta giả định có thêm một quark, nó cũng xuất hiện trong ba màu. Với khuynh hướng ưa đặt tên giả tưởng của nhà vật lý, hạt quark mới này mang tên c, viết tắt của “charm”. Điều này mang tổng số các hạt lên mười hai, gồm có bốn loại, mỗi loại xuất hiện trong ba màu. Để phân biệt các loại quark với các màu khác nhau, nhà vật lý đưa từ vị và ngày nay người ta nói về những quark có màu và vị khác nhau.
Các qui luật nói trên được mô tả bằng mười hai quark này một cách hùng hồn. Không còn nghi ngờ nữa, hadron cho thấy một sự đối xứng quark. Mặc dù hiểu biết đến nay của chúng ta về hạt và sự tương tác của chúng loại bỏ sự hiện diện một hạt quark vật chất, hadron vẫn thường có tính chất hầu như nó gồm có những phần tử điểm tạo thành. Tính chất nghịch lý này của mô hình quark làm ta nhớ đến những ngày đầu tiên của vật lý nguyên tử khi những mâu thuẫn kỳ lạ đã dẫn nhà vật lý đến sự bừng tỉnh lớn lao để hiểu được nguyên tử. Những hạt quark có tất cả tính chất của một công án mới, mà ngày nay đến phiên nó, có thể dẫn đến một sự bừng tỉnh để hiểu hạt hạ nguyên tử. Thực tế là sự bừng tỉnh này đã trên đường đi đến, và chúng ta sẽ thấy chúng trong những chương sau. Một số ít nhà vật lý đang tìm cách đưa lời giải cho công án quark, mà họ được cảm hứng, gợi mở ra những tư tưởng mới về tự tính của thực tại vật lý.
Sự khám phá ra cấu trúc đối xứng trong thế giới hạt đã làm cho nhiều nhà vật lý nghĩ rằng, những cấu trúc đó phản ánh qui luật cơ bản của thiên nhiên. Trong năm mươi năm qua, con người đã nỗ lực để đi tìm mộ cái đối xứng uyên nguyên nhằm kết hợp mọi hạt đã biết và nhờ đó mà lý giải cơ cấu của vật chất. Mục đích này phản ánh một thái độ triết học đã được đề ra bởi các nhà Hy Lạp cổ đại và đã được quan tâm suốt nhiều thế kỷ. Tính đối xứng, cùng với hình học, đã đóng mội vai trò quan trọng trong khoa học, triết học và nghệ thuật Hy Lạp, nó đồng nghĩa với thiện mỹ, tương hòa và hoàn hảo. Cho nên những người theo phái Phythagoras xem những cơ cấu đối xứng là then chốt của mọi sự vật. Platon tin rằng nguyên tử của bốn yếu tố tạo nên dạng của mọi vật thể rắn và phần lớn các nhà thiên văn Hy Lạp nghĩ rằng các thiên thể vận động trong hình tròn vì vòng tròn là hình ảnh hình học có mức đối xứng cao nhất.
Thái độ của triết lý phương Đông về tính đối xứng là hoàn toàn ngược lại với thái độ triết lý Hy Lạp cổ đại. Các truyền thống đạo học Viễn Đông hay dùng cấu trúc đối xứng như một biểu tượng hay phương tiện thiền định. Ngoài ra, phép đối xứng xem ra không đóng một vai trò quan trọng gì trong triết lý của họ. Cũng như hình học,nó được cho rằng cũng chỉ do đầu óc tạo ra hơn là một tính chất của tự nhiên, vì thế không có tầm quan trọng cơ bản. Theo đó, nhiều nghệ thuật phương Đông thường chuộng tính bất đối xứng và hay tránh mọi qui định về hình thể. Các bức họa mang nặng tính thiền của Trung quốc hay tranh của Nhật thường được diễn tả bằng hướng một góc hay cách xếp đặt không theo qui luật của kiến trúc vườn Nhật Bản, minh họa rõ khía cạnh này của nghệ thuật Viễn Đông.
Hình như việc đi tìm kiếm một phép đối xứng cơ bản trong thế giới hạt là một phần của gia tài để lại của người Hy Lạp, điều này khong thể tương thích được với thế giới quan đang hình thành từ khoa học hiện đại. Sự nhấn mạnh về tính đối xứng, tuy thế không phải là khía cạnh duy nhất của vật lý hạt. Ngược lại với quan điểm đối xứng, luôn luôn có một trường phái tư tưởng động, họ không xem cấu trúc hạt là tính chất then chốt của tự nhiên, mà hiểu chúng chỉ là mặt xuất hiện của một thế giới tự nhiên năng động và của những tương tác trong thế giới đó. Hai chương còn lại sau đây sẽ trình bày những trường phái tư tưởng đó, trong những thập niên qua, đã hình thành những quan điểm khác hẳn về đối xứng và qui luật của tự nhiên, chúng hòa hợp với thế giới quan của nền vật lý hiện đại tới nay được biết và chúng cũng phù hợp một cách hoàn hảo với triết lý phương Đông.
Hết: Cấu Trúc Đối Xứng Quark – Một Công Án Mới, Xem tiếp: Các Mẫu Hình Biến Dịch
