Lực cơ bản thứ năm: Khoa học hay viễn tưởng?

• Don Lincoln, giáo sư vật lí tại Đại học Notre Dame và Fermilab

Khoa học và internet có mối liên hệ thật không đơn giản: Khoa học có xu hướng tiến về phía trước thông qua sự đánh giá số liệu và lí thuyết một cách thận trọng và chặt chẽ, và sự tiến bộ có thể mất hàng năm mới hoàn tất. Trái lại, cộng đồng internet thường hay chú ý đến Dory, con cá đãng trí trong bộ phim “Đi tìm Nemo” (và bây giờ là “Đi tìm Dory”) – nơi thì trào lưu thời thượng, nơi thì hình ảnh nổi tiếng – vâng, toàn trò vui tiêu khiển cả.

Vì thế, nhưng người quan tâm đến khoa học một cách nghiêm túc sẽ hết sức cảnh giác khi họ đọc một câu chuyện trực tuyến nói về một khám phá khoa học mang tính bước ngoặc nào đó. Một thí dụ mới đây là người ta đang đề xuất rằng một lực mới của tự nhiên có lẽ đã được khám phá. Nếu đúng vậy, thì điều đó có nghĩa là chúng ta phải viết lại toàn bộ các sách giáo khoa.

Phải chăng một phòng thí nghiệm ở Hungary đã thật sự tìm thấy bằng chứng của một lực thứ năm của tự nhiên? Ảnh: Jurik Peter/Shutterstock.com

Lực thứ năm

Vậy cái gì đã được khẳng định?

Trong một bài báo đăng ngày 7 tháng 4 năm 2015 trên kho bản thảo vật lí arXiv, một nhóm tác giả Hungary báo cáo một nghiên cứu trong đó họ chiếu một chùm mạnh proton (các hạt tìm thấy tại tâm nguyên tử) vào bia lithium mỏng. Các va chạm đã tạo ra các hạt nhân beryllium-8 kích thích, chúng phân hủy thành beryllium-8 thường và các cặp hạt electron-positron. (Positron là tương đương phản vật chất của electron.)

Họ khẳng định dữ liệu của họ không thể giải thích được bởi các hiện tượng vật lí đã biết trong Mô hình Chuẩn, mô hình đang trị vì của ngành vật lí hạt sơ cấp. Nhưng, họ trình bày, họ có thể giải thích được dữ liệu nếu có tồn tại một hạt mới với khối lượng xấp xỉ 17 triệu electron volt, tức là gấp 32,7 lần khối lượng electron và chỉ bằng 2% khối lượng của proton. Những hạt xuất hiện ở vùng năng lượng này, xét theo chuẩn hiện đại là tương đối thấp, đã được nghiên cứu kĩ lưỡng. Vì vậy, sẽ rất bất ngờ nếu một hạt mới được tìm thấy trong vùng năng lượng này.

Tuy nhiên, số liệu đo lường đã vượt qua được sự kiểm tra phản biện và được công bố hôm 26 tháng 1 năm 2016, trên tạp chí Physical Review Letters, một trong những tạp chí vật lí danh giá nhất thế giới. Trong bài báo này, các nhà nghiên cứu, và nghiên cứu này, đã san bằng một trở ngại lớn.

Phép đo của họ ít được chú ý tới trước khi một nhóm nhà vật lí lí thuyết tại trường Đại học California, Irvine (UCI), quan tâm đến nó. Như các nhà lí thuyết vẫn thường hay làm đối với một phép đo vật lí gây tranh cãi, đội khoa học đã so sánh nó với các công trình nghiên cứu trong thế kỉ qua để xem dữ liệu mới phù hợp hay không phù hợp với khối kiến thức hiện nay. Trong trường hợp này, họ nhìn vào khoảng một tá nghiên cứu đã công bố.

Cái họ tìm thấy là mặc dù phép đo trên không mâu thuẫn với bất kì nghiên cứu nào trước đây, nhưng nó dường như là cái gì đó mới mẻ chưa từng được quan sát thấy trước đây – và là cái gì đó không thể giải thích bằng Mô hình Chuẩn.

Nền tảng lí thuyết mới

Để lí giải phép đo Hungary, nhóm lí thuyết UCI nay đã phát minh một lí thuyết mới.

Lí thuyết mà nhóm Irvine phát minh thật sự khá kì cục. Họ bắt đầu với giả thuyết rất hợp lí rằng hạt mới là cái chưa được mô tả bởi lí thuyết hiện có. Điều này có nghĩa bởi vì hạt mới có khối lượng rất thấp và sẽ được khám phá trước đây nếu nó bị chi phối bởi cơ sở vật lí đã biết. Nếu đây là một hạt mới bị chi phối bởi nền vật lí mới, thì có lẽ liên quan đến một lực mới. Vì các nhà vật lí thường nói về bốn lực cơ bản đã biết (lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu), cho nên lực mới giả thuyết này được đặt tên là “lực thứ năm”.

Các lí thuyết và khám phá của một lực thứ năm có một lịch sử đầy sóng gió, bắt đầu hàng thập niên trước đây, với các phép đo và ý tưởng phát sinh rồi biến mất cùng với dữ liệu mới. Mặt khác, có những bí ẩn không lí giải được bởi vật lí học thông thường, chẳng hạn như vật chất tối. Trong khi vật chất tối về mặt lịch sử đã được lập mô hình là một dạng hạt bền và khối lượng lớn chịu tương tác hấp dẫn và không chịu ba lực còn lại kia, thì chẳng có lí do gì để vật chất tối không chịu những lực mà vật chất bình thường không chịu. Nói chung, vật chất bình thường chịu những lực mà vật chất tối không chịu, thành ra giả thuyết trên không hẳn là ngớ ngẩn.

Chẳng có lí do gì để vật chất tối không chịu những lực mà vật chất bình thường không chịu. Ở đây, trong đám thiên hà Abell 3827, người ta thấy vật chất tối đang tương tác với chính nó trong một va chạm thiên hà. Ảnh: ESO

Có nhiều quan điểm về các lực chỉ ảnh hưởng đến vật chất tối và tên gọi cho quan điểm căn bản này gọi là “vật chất tối phức”. Một quan điểm phổ biến là có một photon tối tương tác với một điện tích tối chỉ mang bởi vật chất tối. Hạt này là một tương đương vật chất tối của photon của vật chất bình thường tương tác với điện tích quen thuộc, với một ngoại lệ: Một số lí thuyết của vật chất tối phức mô tả các photon tối có khối lượng, trái ngược với photon bình thường.

Nếu các photon tối có tồn tại, thì chúng có thể kết hợp với vật chất bình thường (và các photon bình thường) và phân hủy thành các cặp electron-positron, đó là cái mà nhóm người Hungary đang nghiên cứu. Vì photon tối không tương tác với điện tích bình thường, nên sự kết hợp này chỉ có thể xảy ra do các bất thường của cơ học lượng tử. Nhưng nếu các nhà khoa học bắt đầu nhìn thấy một sự tăng số lượng cặp electron-positron, thì điều đó có thể có nghĩa là họ đang quan sát thấy một photon tối.

Nhóm Irvine tìm được một mô hình bao gồm một hạt “kị proton” và không bị bác bỏ bởi các phép đo trước đây và sẽ giải thích được kết quả Hungary. Các hạt là “kị proton”, theo nghĩa đen là “sợ proton”, hiếm khi hoặc không bao giờ tương tác với proton mà có thể tương tác với neutron (ưa neutron).

Hạt mà nhóm Irvine đề xuất chịu một lực thứ năm và chưa biết, nó thuộc vùng 12 femto mét (fm), hay lớn hơn proton chừng 12 lần. Hạt đó kị proton và ưa neutron. Hạt đề xuất có khối lượng 17 triệu electron volt và có thể phân hủy thành các cặp electron-positron. Ngoài việc giải thích phép đo Hungary, một hạt như thế sẽ giúp giải thích một số cái không nhất quán mà các thí nghiệm khác tìm thấy. Hệ quả sau cùng này khiến quan điểm thêm nặng kí.

Một lực bước ngoặc chăng?

Tình hình là như thế.

Khả năng nào là đúng? Hiển nhiên dữ liệu là vua. Các thí nghiệm khác sẽ cần xác nhận hoặc bác bỏ phép đo trên. Không có gì khác thật sự quan trọng hơn. Nhưng sẽ mất một năm hay ngần ấy thời gian và có một số quan điểm trước đó có thể đúng. Cách tốt nhất để ước tính khả năng kết quả có thật hay không là nhìn vào tên tuổi của các nhà nghiên cứu tham gia. Đây rõ ràng là một cách làm khoa học không hay, nhưng nó sẽ giúp làm rõ các kì vọng của bạn.

Vậy hãy bắt đầu với nhóm Irvine. Nhiều người trong số họ (thường là có thâm niên) là nhân vật được trọng vọng và có tên tuổi đã được khẳng định trong lĩnh vực, với những bài báo trọng yếu và nặng kí trước đây. Nhóm Irvine bao gồm nhiều độ tuổi khác nhau, cả thành viên lão làng lẫn thành viên mới. Nói cho rõ thì tôi có biết một vài người trong số họ và, thật vậy, hai người trong số họ từng đọc dò bản thảo phần lí thuyết của các sách mà tôi viết cho công chúng nhằm đảm bảo rằng tôi chẳng nói cái gì ngu ngốc. (Nhân tiện, họ chẳng tìm thấy lỗi nào hết, nhưng chắc chắn họ đã giúp làm sáng tỏ những điểm nhất định.) Điều đó có nghĩa là tôi rất kính trọng các thành viên thuộc nhóm Irvine, nhưng đó là quan điểm của riêng tôi mà thôi. Theo đánh giá của tôi, họ hầu như chắc chắn đã tiến hành một cách chuyên nghiệp và tỉ mỉ công việc so sánh mô hình của họ với dữ liệu hiện có. Họ tìm thấy một vùng nhỏ và chưa được khai phá của các lí thuyết khả dĩ có thể tồn tại.

Mặt khác, lí thuyết của họ về mặt suy biện thì đẹp nhưng rất không chắc chắn. Đây không phải là cáo trạng... tất cả những lí thuyết đã đề xuất đều có thể quy chụp theo kiểu này. Xét cho cùng, Mô hình Chuẩn, lí thuyết chi phối ngành vật lí hạt, đã gần nửa thế kỉ tuổi và đã được khảo sát tỉ mỉ. Ngoài ra, TẤT CẢ các quan điểm lí thuyết mới đều mang tính suy biện và không chắc chắn, và gần như toàn bộ chúng đều sai. Đây cũng không phải là cáo trạng. Có nhiều cách để đưa thêm các cải tiến khả dĩ vào các lí thuyết hiện có để giải thích những hiện tượng mới. Chúng không thể đều đúng hết được. Thỉnh thoảng, chẳng có quan điểm được đề xuất nào là đúng cả.

Tuy nhiên, ta có thể kết luận từ danh tiếng của các thành viên nhóm nghiên cứu rằng họ đã nêu ra một quan điểm mới và đã so sánh nó với toàn bộ dữ liệu có tương quan hiện có. Thực tế họ cho công bố mô hình của họ có nghĩa là nó đã qua được các kiểm tra của họ và do đó nó vẫn là một khả năng đáng tin cậy, dẫu không chắc chắn.

Còn nhóm nghiên cứu người Hungary thì sao? Tôi chưa từng gặp ai trong số họ, nhưng bài báo được công bố trên tạp chí Physical Review Letters – một tạp chí có uy tín. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu còn công bố hai bài báo trước đó, trong đó các dị thường có thể so sánh đã được quan sát thấy, bao gồm một hạt khả dĩ với khối lượng 12 triệu electron volt và một bài báo thứ hai khẳng định việc khám phá một hạt với khối lượng khoảng 14 triệu electron volt. Cả hai khẳng định này sau đó đã bị bác bỏ bởi các thí nghiệm khác.

Hơn nữa, nhóm Hungary chưa từng làm rõ được do sai sót gì mà đưa đến những khẳng định sai lầm này. Một thẻ đỏ khác nữa là nhóm hiếm khi công bố các dữ liệu không khẳng định các dị thường. Đó là cái không thể. Trong sự nghiệp nghiên cứu của tôi, đa số các công bố là xác nhận các lí thuyết hiện có. Các dị thường có tồn tại là rất, rất hiếm.

Vậy tóm lại thì sao? Bạn có nên hào hứng trước khám phá khả dĩ mới này không? Vâng... chắc chắn... các khám phá thì luôn luôn hào hứng. Mô hình Chuẩn đã trụ vững qua phép thử của thời gian gần nửa thế kỉ, nhưng có nhiều bí ẩn chưa được lí giải và cộng đồng khoa học luôn luôn tìm kiếm sự khám phá hướng chúng ta đến một lí thuyết mới và cải tiến. Nhưng liệu phép đo này và lí thuyết có dẫn cộng đồng khoa học tới chấp nhận một lực mới với ngưỡng tác dụng 12 fm và một hạt kị proton hay không? Tôi không lạc quan cho lắm với kết cục này.

Tất nhiên, quan điểm của tôi chỉ là... một quan điểm thôi. Các thí nghiệm khác cũng sẽ tìm kiếm photon tối bởi vì, cho dù phép đo Hungary không qua lọt khâu thẩm tra, nhưng vẫn còn đó trở ngại thật sự với vật chất tối. Nhiều thí nghiệm tìm kiếm photon tối sẽ khảo sát không gian tham số (tức năng lượng, khối lượng, và các mode phân hủy) giống như không gian tham số mà trong đó nhóm nghiên cứu Hungary khẳng định đã tìm thấy dị thường. Chúng ta sẽ sớm biết dị thường này có là một khám phá hay chỉ là một cực đại khác trong dữ liệu tạm thời gây sự chú ý của cộng đồng, nhưng khi có dữ liệu tốt hơn thì bị bác bỏ. Và, cho dù kết cục ra sao, thì kết quả cuối cùng vẫn là một nền khoa học chất lượng hơn và chính xác hơn.

Nguồn: LiveScience