Phương trình của Chúa, Chapter 13: BẢN CHẤT VẬT CHẤT

Neutrinos, they are very small

They have no charge and have no mass

And do not interact at all

The Earth is just a silly ball

To them, through which they simply pass

Like dust maids down a drafty hall

John Updike 1960

Neutrinos là những hạt rất nhỏ,

Tích điện không và khối lượng cũng không

Chẳng tương tác với những gì hết thẩy

Trái Đất chỉ là quả cầu ngớ ngẩn

Để cho chúng dễ dàng xuyên thông

Như bụi bay qua gian phòng trống không

(Lược dịch: VHg 2003)

Một trong các vấn đề quan trọng nhất mà các nhà khoa học phải đối diện khi tìm hiểu bản chất của vũ trụ là câu hỏi về kết cấu của vật chất. Vật chất là gì ? Phải chăng vũ trụ bị thống trị bởi vật chất, hoặc có những thành phần khác đóng một vai trò chủ yếu trong sự tiến hoá và tính chất của vũ trụ ? Trong bối cảnh của thuyết tương đối tổng quát, vấn đề vật chất xác định kết cấu của tensor động lượng của Einstein, T. Vật chất ứng xử khác nhau bên trong cơ cấu của hai lý thuyết vật lý quan trọng của thế kỷ 20: thuyết tương đối tổng quát và lý thuyết lượng tử. Thuyết tương đối tổng quát xác định các tính chất của vật chất trong phạm vi kích thước lớn (không gian và thời gian), trong khi lý thuyết lượng tử xác định các tính chất của vật chất trong phạm vi nhỏ. Lý thuyết thứ nhất là một lý thuyết xác định hoàn hảo, trong khi lý thuyết thứ hai thể hiện bản chất xác suất của tự nhiên: trả lời các câu hỏi bên trong thế giới lượng tử bằng những thuật ngữ phân bổ xác suất, thay vì bằng những số liệu chính xác. Một trong số rất nhiều thắng lợi vĩ đại của lý thuyết lượng tử là việc khám phá ra những hạt cơ bản trước đây chưa từng được biết của vật chất.

Khi lý thuyết lượng tử mới được khám phá lần đầu tiên trong thế kỷ 20, các nhà vật lý chỉ biết neutrons, protons, và electrons. Sau đó một dạng đặc biệt của phóng xạ được khám phá, ở đó một neutron giải phóng một electron và một proton. Năm 1930, bằng cách so sánh mức năng lượng tổng cộng thể hiện trước và sau phản ứng phóng xạ đó, Wolfgang Pauli nêu lên giả thuyết rằng tồn tại một hạt chưa hề biết cũng được giải phóng trong phản ứng này. Một năm sau nhà vật lý Mỹ gốc Ý Einrico Fermi đặt tên cho loại hạt đang nghiên cứu đó là neutrino (trong tiếng Ý nghĩa là “neutron nhỏ”). Neutrino được tin là mang theo một năng lượng đúng bằng số năng lượng biến mất trong hiện tượng phóng xạ.

Neutrino được coi là một hạt không tích điện, và đến tận tháng 6-1998 vẫn được coi là không có khối lượng. Ít nhất là đến lúc đó không có một khối lượng nào của neutrino đã được đo. Năm 1956, Fred Reines và Clyde Cowan phát hiện thấy neutrinos phát ra từ một lò hạt nhân trên sông Savannah. Năm 1995, sau khi Cowan mất, Reines được tặng giải Nobel vì khám phá ra loại hạt được tiên đoán từ một phần tư thế kỷ trước. Như vậy, một hạt mà sự tồn tại của nó được “sáng tạo” bởi các nhà khoa học nhằm mục đích bù đắp năng lượng biến mất một cách bí mật từ những sản phẩm cuối cùng của một phản ứng hạt nhân nay đã được tìm thấy trong thực tế. Câu chuyện về neutrino cho thấy lý thuyết và toán học có thể được sử dụng như thế nào trong việc phát triển hiểu biết, và cho thấy niềm tự tin mà những nhà lý thuyết giỏi giữ vững trong quá trình nghiên cứu sáng tạo có thể được đền đáp ra sao trong những kết quả thí nghiệm tương lai. Nhưng câu chuyện về neutrino chỉ mới bắt đầu.

Vào khoảng thời gian đó (những năm 1950, N.D.), sự xuất hiện kiến thức về cơ chế của năng lượng tổng hợp hạt nhân đã thuyết phục các nhà khoa học rằng loại phản ứng hạt nhân này phải đốt nóng các ngôi sao. Và nếu những ngọn lửa bên trong một ngôi sao là năng lượng tổng hợp hạt nhân, giải phóng một năng lượng khổng lồ, thì neutrinos phải được phát ra từ các ngôi sao, bao gồm Mặt Trời của chúng ta. Các nhà khoa học tin rằng những hạt cơ bản vô cùng nhỏ bé này, không tích điện và có khối lượng bằng 0 hoặc gần bằng 0, sẽ thường xuyên đi đến Trái Đất từ Mặt Trời, nhưng vì kích thước quá nhỏ của chúng, chúng đi xuyên qua Trái Đất như là không có Trái Đất ở đó. Làm thế nào mà các nhà khoa học phát hiện được những hạt cơ bản này đến từ Mặt Trời ?

Cách duy nhất để phát hiện neutrinos từ không gian được biết hiện nay là đặt những bể lớn chứa các chất lỏng khác nhau vào những nơi rất sâu như hầm mỏ, ở đó những bể này có thể được bảo vệ để tránh các nguồn bức xạ khác, và để tìm kiếm những tương tác cực kỳ hiếm của neutrinos với những phân tử nước hoặc những chất lỏng khác trong bể. Những thí nghiệm này đã được triển khai ở nhiều nơi trên Trái Đất. Năm 1965, những hạt neutrinos đầu tiên mà nguồn của chúng từ ngoài Trái Đất đã được phát hiện bởi Fred Reines và các cộng sự của ông tại một mỏ vàng ở Nam Phi. Trong lúc đó, một dạng khác của neutrino là muon-neutrino đã được phát hiện như một sản phẩm phụ của phản ứng hạt nhân triển khai tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven. Một dạng khác nữa của neutrino được tiên đoán tồn tại sau khi Trung tâm máy gia tốc tuyến tính Stanford (gọi tắt là SLAC) khám phá ra hạt tau. Nhưng tất cả những thí nghiệm tìm kiếm neutrinos của Mặt Trời tại các thùng chứa ở các mỏ muối đều chỉ phát hiện được một số lượng neutrinos đến Trái Đất quá ít so với số lượng được dự đoán bởi lý thuyết, làm các chuyên gia sững sờ không hiểu tại sao.

Nhưng cũng tại đây lý thuyết đã đi trước kết quả thí nghiệm. Cuối những năm 1950, các lý thuyết được phát triển bởi các nhà vật lý cho thấy rằng neutrino có thể có những tính chất bất ngờ: nó có thể thay đổi dạng. Các nhà vật lý sử dụng từ oscillate (dao động) để mô tả hiện tượng này. Thật vậy một electron-neutrino có thể biến thành một muon-neutrino hoặc một tau-neutrino (mỗi cái tên này tương ứng với sự kết hợp của neutrino với hạt nặng hơn, hoặc là electron, hoặc muon, hoặc tau). Trong các dạng kết hợp đó, có dạng dễ phát hiện hơn, trong khi những dạng khác thì cực kỳ khó phát hiện. Do đó các nhà khoa học kết luận rằng một số neutrinos đến từ Mặt Trời có thể đã biến đổi dạng của nó và tránh được sự phát hiện.

Trong những năm 1980, những bể phát hiện khổng lồ được xây dựng tại Mỹ (dự án Irvine-Michigan-Brookhaven tại một mỏ ở Ohio) và tại Đài quan sát neutrino Kamioka ở Nhật Bản, định vị tại một mỏ thiếc trong vùng Japan Alps cách Takayama 30 dặm về phía bắc. Bể chứa tại trung tâm ở Nhật bản được đặt dưới mặt đất và chứa 12,5 triệu gallons nước siêu sạch (ultra-pure water), bao quanh bởi những máy thăm dò ánh sáng cực mạnh mà mục đích của chúng là phát hiện những bức xạ đơn của một tia sáng phát ra từ một va đập của một neutrino với một nguyên tử trong phân tử nước. Trong năm 1987, cả hai dự án phát hiện neutrino khổng lồ đều tìm thấy neutrinos sinh ra từ một vụ nổ của siêu tân tinh trong không gian, siêu tân tinh này nằm trong Đám Mây Magellan Lớn và được quan sát từ Nam Bán Cầu. Các hạt neutrinos đã làm một cuộc hành trình xuyên qua Trái Đất để tới cả hai trung tâm phát hiện nói trên.  Đây là những neutrinos đầu tiên xác nhận đã đến Trái Đất từ bên ngoài hệ Mặt Trời, và sự phát hiện ra chúng đã báo trước sự khởi đầu của thiên văn học neutrino.

Ngày 5 tháng 6 năm 1998, một thông báo gây kinh ngạc đã được thực hiện tại cuộc họp báo ở Takayama, Nhật Bản. Nhóm 120 nhà vật lý Mỹ-Nhật làm việc tại đài quan sát neutrino Kamioka đã có thể xác định bằng thực nghiệm rằng hạt neutrino hay lảng tránh thực ra có khối lượng. Khám phá này có những hệ quả sâu xa, ảnh hưởng đến sự hiểu biết của chúng ta về bản chất của vật chất, về sự hình thành và số phận của vũ trụ. Nhóm cộng tác Mỹ-Nhật đi đến kết luận neutrino có khối lượng vì trong thực nghiệm họ đã xác định được rằng neutrino thực sự thay đổi dạng kết hợp từ electron-neutrino thành muon hoặc tau-neutrino. Theo lý thuyết lượng tử, bất kỳ hạt nào có thể thay đổi từ dạng này sang dạng khác thì ắt phải có khối lượng. Khối lượng thực tế của neutrino có thể chưa biết chính xác. Nhưng vấn đề neutrino có khối lượng có ý nghĩa là một số “khối lượng mất tích” trong vũ trụ đã vừa mới được tìm thấy. “Khối lượng mất tích” là cái gì ?

Các sao co cụm lại với nhau trong các thiên hà. Đó là nhờ lực hút hấp dẫn tác động lẫn nhau giữa các sao đó. Khi chúng ta nhìn sâu hơn và sâu hơn nữa vào không gian, chúng ta khám phá ra rằng các thiên hà không định vị một cách ngẫu nhiên trong không gian như chúng ta vẫn tưởng. Đúng hơn, có một cấu trúc. Nhiều năm trước đây, Benoit Mandelbrot tại Trung tâm nghiên cứu IBM và Đại học Yale đã chỉ ra rằng cấu trúc của các thiên hà giống như một fractal – một hình sắp xếp phức tạp nhưng ngay ngắn trật tự và đối xứng, thể hiện rõ ràng tính phi ngẫu nhiên, nếu nhìn nó từ một điểm ở một vị trí thuận lợi. Giữa các cụm thiên hà là những phần không gian trống rỗng, với kích thước cỡ hàng triệu năm ánh sáng.

Trong những năm 1930, các nhà thiên văn bắt đầu chú ý đến sự kết cấu thành khối của vũ trụ – đặc tính sắp xếp thành cụm của các thiên hà. Qua nhiều năm, thông tin về sự phân bố vật chất trong vũ trụ ngày càng tích luỹ được nhiều hơn với những chân trời ngày càng rộng hơn. Năm 1986, Margaret Geller, John Huchra, và Velerie de Lapparent tại Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian đã xây dựng được một bản đồ gồm 6000 thiên hà trên một góc của bầu trời bắc bán cầu. Bản đồ giống như một miếng bánh hình dẻ quạt lấy Trái Đất làm tâm – đỉnh của “miếng bánh” – và mở rộng tới một kích thước 650 triệu năm ánh sáng. Tính không đồng nhất của cấu trúc thể hiện rõ trên bản đồ, và thậm chí chúng ta có thể nhìn thấy ở đó một vũ trụ fractal. Cấu trúc này có nguồn gốc từ đâu ?

(Hình 13-1: Bản đồ 6000 thiên hà cho thấy cấu trúc fractal của vũ trụ)

Các nhà khoa học cho rằng những dao động lượng tử trong những khoảnh khắc đầu tiên ngay sau khi vũ trụ ra đời đã tạo ra những bọt vật chất ngày càng lan rộng khi vũ trụ giãn nở. Lực hấp dẫn làm cho vật chất trong vũ trụ hút lẫn nhau, co cụm lại với nhau, tạo ra các bức tường thiên hà như ngày nay ta quan sát được. Nhưng khi các nhà khoa học cố gắng giải thích những hiệu ứng hấp dẫn bên trong các thiên hà – lực giữ các thiên hà lại với nhau – thì họ bị choáng váng bởi một sự bất hợp lý bí hiểm.

Trong mọi thiên hà mà các nhà vật lý thiên văn đã nghiên cứu, vật chất nhìn thấy (sao hoặc các đám mây gas hoặc bụi) chiếm một khối lượng quá nhỏ so với khối lượng cần thiết mà các tính toán lý thuyết đã chỉ ra rằng cần phải hiện diện để đảm bảo sao cho thiên hà vẫn gắn kết nhờ lực hấp dẫn. Do đó một suy luận không thể né tránh là trong các thiên hà còn phải có một dạng vật chất có khối lượng nào khác, bổ xung cho phần khối lượng thiếu hụt lên tới 90% khối lượng toàn bộ thiên hà. Dạng vật chất này – vật chất có khối lượng bí mật, không nhìn thấy, nhưng có thể cảm nhận được – gọi là “vật chất tối”. Vật chất này phải nằm trong một dạng mà khoa học chưa hề biết. Một trong những bí mật lớn nhất của thiên văn học hiện nay là bản chất của vật chất tối.

Vấn đề bản chất vật chất đóng vai trò chủ yếu trong lý thuyết vũ trụ học. Phải chăng vũ trụ của chúng ta bị thống trị bởi vật chất, hoặc bởi một cái gì đó khác với vật chất nhưng  có thể còn quan trọng hơn cả vật chất khi cần phải xác định cả quá khứ lẫn tương lai của vũ trụ ? Đây là một trong những câu hỏi lớn nhất đang thách thức vũ trụ học. Một số nhà vũ trụ học tìm cách phát hiện ra cái mà họ tin là “vật chất mất tích” của vũ trụ, để bổ xung vào vật chất tối mà chúng ta có thể nhận thấy bởi hiệu ứng của nó trong các thiên hà. Những nhà vũ trụ học này tin rằng “vật chất mất tích” phải tồn tại bởi vì họ tin rằng vũ trụ là phẳng, nghĩa là, có tính chất Euclid. Để xẩy ra điều này, phải có một số lượng lớn vật chất trong vũ trụ nhiều hơn chúng ta có thể nhìn thấy hoặc tính toán được từ những nghiên cứu lực hấp dẫn giữa các thiên hà. Các mô hình hình-học-vũ-trụ-phẳng của lý thuyết về lạm phát và các lý thuyết liên quan đến vũ trụ học được xây dựng trên giả thiết cho rằng có một mật độ khối lượng tới hạn đối với vũ trụ, và rằng nếu mật độ khối lượng trung bình hiện nay trong vũ trụ ngang bằng mật độ khối lượng tới hạn thì hình học của vũ trụ tổng thể phải là phẳng.

Các nhà lý thuyết say mê những quan điểm này đang tìm kiếm khối lượng mất tích. Khi khối lượng của neutrino được khám phá, cuộc tìm kiếm dấy lên niềm hy vọng rằng neutrino có thể nắm giữ chiếc chià khoá đối với khối lượng mất tích. Tuy nhiên, ngay cả khi neutrino thực sự có khối lượng – và có rất nhiều neutrino trong vũ trụ – thì khối lượng bổ xung vẫn còn quá ít so với thành phần biến mất. Hoặc phải có những nguồn khối lượng khổng lồ khác ẩn trốn trong vũ trụ, hoặc mật độ khối lượng trong vũ trụ quá nhỏ. Nếu mật độ này nhỏ hơn mật độ khối lượng tới hạn, thì vũ trụ được dự đoán là sẽ giãn nở mãi mãi. Chỉ khi mật độ khối lượng lớn hơn mật độ tới hạn thì vũ trụ mới có thể bị co lại bởi lực hấp dẫn và sẽ tạo ra một vụ co lớn, có thể dẫn tới một vũ trụ mới từ một big bang khác nối tiếp sau đó.

Những câu hỏi về mật độ khối lượng của vũ trụ, liệu vũ trụ bị thống trị bởi vật chất có khối lượng hay bởi một cái gì khác nữa, và liệu khối lượng mất tích có hiện diện hay không, tất cả đều dẫn tới một khái niệm quan trọng: hình học tổng thể của vũ trụ. Einstein đã giả thiết trong phương trình trường ban đầu rằng vũ trụ bị thống trị bởi khối lượng. Tuy nhiên, khi hằng số vũ trụ được đưa vào phương trình, cánh cửa được mở ra với một khả năng khác. Mô hình mới có thể giải thích cả hiệu ứng của khối lượng và hấp dẫn lẫn hiệu ứng của một cái gì khác nữa – một lực không nhìn thấy chống lại lực hấp dẫn, một năng lượng bí mật nào đó của chân không. Những phương trình của Einstein có quan hệ chặt chẽ với bản chất của không gian: hình học của nó.

//