Để Thống nhất bốn lực cơ bản trong vũ trụ

Fundamental Forces

Hạt cơ bản là những hạt vật chất được coi là nhỏ nhất cấu tạo nên vũ trụ, gồm cả những hạt trực tiếp cấu thành vật chất và những hạt truyền tương tác

Trong vũ trụ của chúng ta hiện nay con người đã tìm ra 4 loại lực cơ bản nhất đó là lực tương tác điện từ, lực tương tác yếu, lực tương tác mạnh và lực hấp dẫn

Các lực như tương tác yếu, tương tác mạnh, và tương tác điện từ đều có những hạt mang tính chất đại diện cho lực đó và đó là những loại hạt cơ bản như hình dưới đây

+Các hạt gluon, quark và phản quark thì mang trọng trách giữ các hạt nhân lại với nhau trong lực tương tác mạnh. Lực tương tác mạnh có vai trò giữ các thành phần của hạt nhân của nguyên tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton.

+Các hạt photon hay quang tử là các hạt mang trọng trách là các hạt truyền trong lực chuyền điện từ

+Các hạt boson (vecto Boson W, Boson Z) mang trọng trách là các hạt truyền tương tác trong lực tương tác yếu. Lực tương tác yếu là lực yếu nhất trong tự nhiên

Lý thuyết hiện nay vẫn thiếu một thuyết có thể bù đắp được lỗ hổng của thuyết tương đối về tương tác hấp dẫn

Điểm lại một số mốc thời gian khi con người bắt đầu tìm ra loại lực hấp dẫn:

Vào cuối những năm 1600, Isaac Newton đã nghĩ ra thuyết hấp dẫn lần đầu tiên. Ông mô tả lực hấp dẫn như một trường có thể vươn ra khoảng cách lớn và chỉ đạo đường đi của các vật thể lớn như Trái đất. Lý thuyết của Newton có hiệu quả đáng kinh ngạc, nhưng bản chất của trường hấp dẫn vẫn còn là một bí ẩn. 

Năm 1915, thuyết tương đối rộng của Albert Einstein đã mang đến cho các nhà lý thuyết cái nhìn đầu tiên của họ về vấn đề trọng lực. Những gì chúng ta gọi là trọng lực, Einstein lập luận, thực sự là sự biến dạng của không gian và thời gian. Trái đất trông giống như nó quay quanh Mặt trời theo hình elip, nhưng thực ra nó đi theo một đường thẳng xuyên qua không thời gian bị biến dạng.

Thuyết hấp dẫn của Einstein rất đúng trong việc giải thích hành vi, trạng thái của các vật thể lớn. 

Nhưng chỉ vài năm sau, các nhà vật lý đã mở ra thế giới siêu nhỏ, tiết lộ rằng các lực cơ bản khác là do sự trao đổi các hạt mang lực chuyên dụng: photon truyền điện từ, lực hạt nhân mạnh được truyền bởi gluon và lực hạt nhân yếu được truyền bởi sự chuyển động của các boson W và Z. Liệu trọng lực cũng là do một loại hạt nào đó trao đổi?

Chúng ta thực sự không biết câu trả lời cho câu hỏi đó, nhưng chúng ta có một cái tên cho hạt giả thuyết đó nếu nó thực sự tồn tại: Nó được gọi là graviton. Và mặc dù chúng ta chưa bao giờ quan sát một graviton, thì chúng ta biết rất nhiều về chúng, nếu chúng thực sự có thật. Thứ nhất, vì phạm vi của lực do trọng lực là vô hạn và lực do trọng lực suy yếu khi một trên bình phương khoảng cách giữa hai vật (tức là 1 / r ² ), graviton phải có khối lượng bằng không. Chúng ta biết điều này bởi vì nếu photon có khối lượng, nó sẽ thay đổi Số 2 theo cấp số nhân và rằng 2 2 đã được thiết lập với độ chính xác đáng kinh ngạc. Giống như các photon không khối lượng, graviton nên di chuyển đi với tốc độ ánh sáng.

Thuyết tương đối rộng cũng cho chúng ta một số hiểu biết về bản chất của graviton. Trong thuyết tương đối rộng, sự phân bố khối lượng và năng lượng trong vũ trụ được mô tả bằng ma trận bốn nhân bốn mà các nhà toán học gọi là một thang đo bậc hai. Điều này rất quan trọng bởi vì nếu tenxơ là nguồn hấp dẫn, ta có thể chỉ ra rằng graviton phải là một hạt có spin cơ học lượng tử là hai. Một điều tuyệt vời của sự tương ứng này là graviton là khối không có khối lượng duy nhất, có thể quay hai hạt. Nếu ta quan sát một hạt không có khối lượng, quay tròn hai hạt, tức là ta đã tìm thấy graviton.

Vậy tại sao không ai tìm thấy graviton? Vấn đề với việc tìm kiếm graviton là một loại lực hấp dẫn cực kỳ yếu

Chẳng hạn, lực điện từ giữa một electron và một proton trong nguyên tử hydro lớn hơn 10 mũ 39 lần so với lực hấp dẫn giữa hai hạt giống nhau.

Có lẽ một ví dụ trực quan hơn là tương tác giữa nam châm và kẹp giấy.

Một nam châm sẽ giữ một cái kẹp giấy chống lại trọng lực Trái đất.

Một nam châm nhỏ kéo cái kẹp giấy lên trên trong khi trọng lực của cả một hành tinh kéo nó xuống và nam châm lại giành chiến thắng.

Các graviton tương tác rất yếu, và chúng ta bị giữ lại trên hành tinh này vì Trái đất phát ra rất nhiều trong số chúng. Bởi vì một graviton rất yếu, chúng ta không thể phát hiện trực tiếp từng graviton.

Tuy nhiên, có những ý tưởng mới và sáng tạo về lực hấp dẫn trong đó các dạng graviton khác có thể tồn tại. Một số trong những graviton kỳ lạ này có thể được phát hiện, nhưng chúng đòi hỏi phải sửa đổi đáng kể để hiểu biết về vũ trụ của chúng ta.

Tuy nhiên, một số nhà khoa học lớn đã đề xuất ý tưởng rằng trọng lực có thể có quyền truy cập vào nhiều hơn không gian ba chiều. Trong những trường hợp đó, trọng lực có thể không thực sự yếu như chúng ta nghĩ. Nó chỉ có vẻ yếu vì không giống như các lực lượng cơ bản khác, nó có thêm các chiều không gian khác mà nó có thể lan rộng ra.

Cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng mọi hạt cũng là một sóng rung động, và người ta đã đề xuất rằng graviton có thể rung trong các kích thước phụ này, bao quanh kích thước nhỏ như vòng tay bao quanh một cổ tay mảnh khảnh.

Tuy nhiên, tính chất chu kỳ của kích thước phụ đặt ra các giới hạn về cách một graviton có thể rung.

Chỉ một số nguyên bước sóng có thể vừa khít trong chiều phụ.

Và điều này đưa chúng ta đến một vài hậu quả thú vị. Trong các lý thuyết có kích thước phụ, có thể tồn tại nhiều loại graviton.

Một cách để thấy điều đó là tưởng tượng lấy một sóng hình sin và quấn nó quanh một hình trụ.

Để nó phù hợp hoàn hảo, bạn phải sử dụng một bước sóng hoặc hai hoặc ba hoặc bất kỳ số bước sóng nguyên nào.

Mỗi trường hợp này là một graviton riêng biệt; những cái có nhiều rung động thực sự có thể có khối lượng.

Các hạt thuộc loại này được gọi là graviton Kaluza-Klein sau các nhà vật lý Theodor Kaluza và Oskar Klein, người đầu tiên đề xuất ý tưởng về các kích thước không gian nhỏ bổ sung.

Ở quy mô nhỏ, graviton Kaluza-Klein có thể có khối lượng, nhưng ở quy mô lớn hơn, chúng giảm xuống thành graviton không khối lượng quen thuộc của lý thuyết cổ điển.

Sử dụng các máy gia tốc hạt như Máy va chạm Hadron lớn, các nhà vật lý đã tìm kiếm các kích thước phụ nhỏ này, một phần bằng cách tìm kiếm các sản phẩm phân rã dự kiến ​​của các graviton lớn. Họ đã tìm thấy bất cứ thứ gì, điều đó có nghĩa là nếu tồn tại thêm kích thước, chúng phải nhỏ hơn một nghìn lần so với proton, mặc dù có nhiều điều cần chú ý về cách người ta diễn giải dữ liệu.

Trọng lực là một lực cơ bản được biết đến đã chống lại nghiên cứu trong cõi lượng tử và việc tìm ra graviton dưới bất kỳ hình thức nào sẽ là một bước tiến lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về hiện tượng này. Đưa ra một lý thuyết thành công về lực hấp dẫn lượng tử là một trong những mục tiêu lớn nhất của vật lý hiện đại và các tìm kiếm thử nghiệm liên tục về graviton sẽ đóng vai trò trung tâm.

Bài viết tổng hợp và chắt lọc,tham khảo Nova và ý kiến của người viết