“Hạt” là gì?

Vật lí lượng tử phát biểu rằng vạn vật được cấu tạo bởi các hạt, nhưng hạt thật sự có nghĩa là gì?

Chúng ta học được trong nhà trường rằng vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử và nguyên tử được cấu tạo bởi những thành phần nhỏ hơn: proton, neutron và electron. Proton và neutron được cấu tạo bởi các quark, còn electron thì không. Trong chừng mực mà chúng ta biết, các quark và electron là hạt sơ cấp, chúng không được cấu tạo bởi cái gì nhỏ hơn nữa.

Vì vậy người ta nói vạn vật được cấu tạo bởi các hạt, nhưng hạt là gì? Và nói một hạt là “sơ cấp” thì nghĩa là gì? Hạt được cấu tạo bởi cái gì, nếu chúng không được cấu tạo bởi những đơn vị nhỏ hơn?

“Hiểu theo nghĩa rộng nhất thì ‘hạt’ là thực thể vật chất mà ta có thể đếm được,” phát biểu của nhà vật lí và nhà văn khoa học viễn tưởng Greg Gbur tại Đại học North Carolina ở Charlotte. Bạn không thể có nửa quark hay một phần ba electron. Và tất cả các hạt thuộc một loại đã cho thì giống hệt nhau: chúng không xuất hiện màu sắc hay có tấm bằng tấm vé gì để mà phân biệt. Hai electron bất kì sẽ gây ra kết quả giống nhau trong một detector, và đó là cái khiến chúng mang tính sơ cấp: Chúng không hiển hiện trong một gói đa dạng.

Không chỉ riêng vật chất mới thế: ánh sáng cũng được cấu tạo bởi các hạt gọi là photon. Trong phần lớn thời gian, chẳng ai chú ý đến từng hạt photon, nhưng các nhà du hành vũ trụ tường thuật việc nhìn thấy các lóe sáng ngay cả khi họ đã nhắm mắt, do một photon tia gamma độc thân đi qua thủy dịch bên trong nhãn cầu. Tương tác của nó với các hạt trong thủy dịch tạo ra các photon ánh sáng lam gọi là ánh sáng Cherenkov – đủ để kích thích võng mạc, cơ quan có thể nhìn thấy một photon độc thân (mặc dù cần nhiều photon hơn thì mới tạo ra được hình ảnh của cái gì đó).

Các trường hạt vĩnh hằng

Tuy nhiên, đó chưa phải là toàn bộ câu chuyện: Chúng ta có thể đếm các hạt, nhưng chúng có thể được tạo ra hoặc phân hủy, và thậm chí biến hình trong một số trường hợp. Trong một loại phản ứng hạt nhân gọi là phân rã beta, một hạt nhân nhả ra một electron và một hạt sơ cấp gọi là phản neutrino đồng thời một neutron bên trong hạt nhân biến đổi thành một proton. Nếu một electron gặp một positron ở vận tốc thấp thì chúng hủy nhau, chỉ để lại tia gamma; còn gặp ở vận tốc cao thì va chạm đó tạo ra cả một bầy đoàn hạt mới.

Mọi người đều nghe nói đến phương trình nổi tiếng của Einstein E = mc². Một phần ý nghĩa của nó là một hạt có năng lượng tỉ lệ với khối lượng của nó. Các neutrino, với khối lượng rất thấp, là dễ tạo ra; các electron có một ngưỡng tạo cao hơn, các các boson Higgs nặng nề cần một năng lượng khổng lồ. Photon là hạt dễ tạo ra nhất, vì chúng không có khối lượng hay điện tích, cho nên không có ngưỡng năng lượng nào cần vượt qua.

Nhưng để tạo ra hạt mới không phải chỉ cần có năng lượng. Bạn có thể tạo ra các photon bằng cách cho electron gia tốc trong từ trường, nhưng bạn không thể tạo ra neutrino hay electron theo cách đó. Vấn đề là những hạt đó tương tác như thế nào bằng ba lực cơ bản của tự nhiên: lực điện từ, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh. Tuy nhiên, theo thuyết lượng tử thì các lực đó cũng được mô tả bằng các hạt: lực điện từ được mang bởi photon, lực hạt nhân yếu được chi phối bởi boson W và boson Z, còn lực hạt nhân mạnh liên quan đến gluon.

Toàn bộ những điều này được mô tả chung bởi một ý tưởng gọi là “lí thuyết trường lượng tử”.

“Lí thuyết trường chứa đựng cơ học lượng tử, và cơ học lượng tử chứa đựng phần còn lại của vật lí học,” phát biểu của nhà vật lí Anthony Zee tại Viện Vật lí Lí thuyết Kavli và Đại học California, Santa Barbara. Zee từng viết một số giáo trình về lí thuyết lượng tử dành cho dân chuyên lẫn dân không chuyên. Ông thừa nhận “Nếu bạn ép một nhà vật lí phải nói trường là cái gì, thì họ sẽ nói trường là trường thế thôi.”

Bất chấp sự mơ màng của khái niệm, các trường vẫn mô tả được vạn vật. Hai electron tiến đến gần nhau và chúng gây ra một trường điện từ, tạo ra các photon giống như các gợn sóng trên hồ nước. Các photon đó khi ấy đẩy hai electron ra xa nhau.

Còn sóng thì sao?

Sóng là phép ẩn dụ tốt nhất để hiểu được hạt và trường. Các electron, ngoài việc là hạt, đồng thời còn là sóng trong “trường electron”. Các quark là sóng trong “trường quark” (và vì có sáu loại quark, nên có sáu trường quark), và vân vân. Các photon thì giống như các gợn sóng nước: chúng có thể to hoặc nhỏ, dữ dội hoặc dịu êm. Các trường mô tả hạt vật chất giống với sóng chạy trên dây đàn ghita. Nếu bạn không gảy đàn đủ mạnh, thì bạn không thu được âm nào: Bạn cần năng lượng ngưỡng tương ứng với một khối lượng electron để tạo ra một electron. Nếu có đủ năng lượng thì bạn có được họa âm đầu tiên, đó là một nốt rõ (đối với dây đàn) hay một electron (đối với trường).

Theo cách nghĩ lượng tử như vậy, thì việc xem hạt giống như những quả cầu nhỏ xíu thường chẳng mang lại ích lợi gì.

“Photon [và các hạt vật chất] chuyển động tự do trong không gian giống như sóng,” Gbur nói, mặc dù chúng có thể được đếm như thể chúng là những quả cầu nhỏ.

Phép ẩn dụ trên là không hoàn hảo: Các trường cho electron, lực điện từ hay bất cứ cái gì khác thì lấp đầu toàn bộ không-thời gian, chứ không giống như một sợi dây hai chiều hay một mặt nước hai chiều. Như Zee phát biểu, “Cái gì đang nhấp nhô khi một sóng điện từ truyền qua không gian? Chẳng có gì đang nhấp nhô cả! Không nhất thiết cần có nước như với trường hợp sóng nước.”

Và tất nhiên, chúng ta vẫn còn lại câu hỏi: Nếu các hạt có xuất xứ từ các trường, thì bản thân các trường đó có là sơ cấp, hay còn yếu tố vật lí nào sâu sắc hơn nữa? Cho đến khi lí thuyết đi tới cái tốt hơn, thì mô tả hạt của vật chất và các lực là cái mà chúng ta có thể đếm được.

Nguồn: Symmetry Magazine