Giải Nobel vật lý 2008
Sáng nay mồng 7 tháng Mười, giải Nobel 2008 vinh tặng ba nhà vật lý
Nhật bản ngành lý thuyết hạt cơ bản, các giáo sư Yoichiro Nambu (1921) một
‘Nhật kiều’ ở Đại học Chicago, Makato Kobayashi (1944) ở Trung tâm Quốc
gia Vật lý năng lượng cao ở Tsukuba và Toshihide Maskawa (1940) ở Đại học
Kyoto. Cho những ai ở trong ngành, tin này không gây ngạc nhiên mà chỉ làm
phấn khởi họ trên con đường học hỏi sáng tạo, nhất là máy gia tốc hạt đầu
tầu thế giới LHC ở CERN vừa khởi động chưa đến tháng nay.
Chương trình ưu tiên số một của LHC là săn tìm hạt cơ bản Higgs, hạt
tạo nên khối lượng cho vật chất. Ưu tiên số hai là câu hỏi đâu rồi phản vật
chất trong hoàn vũ bao la. Cái thứ nhất liên quan mật thiết đến Nambu (công
trình của Peter Higgs không thể tách rời khỏi sáng kiến của Nambu như
chính Higgs xác nhận trong nhiều bài viết) và cái thứ hai đến Kobayashi và
Maskawa. Tiên đoán của hai ông về sự hiện hữu tất yếu của hai quark top và
bottom để giải thích sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất trong Mô hình
Chuẩn (Standard Model, xem phụ chú 1) đều được thực nghiệm xác định với
độ chính xác đáng kinh ngạc. Người viết ước mong cùng bạn đọc tìm hiểu con
đường đưa đến giải Nobel này, một trong những thành tựu tuyệt vời của vật
lý lượng tử ở lãnh vực thuộc biên giới của tri thức nhân loại đang nóng bỏng
1- Đối xứng.
1a-Đối xứngP vàCP.Trongtiếntrìnhtìmhiểuvà khám phácácđịnhluậtkhoahọc,
ít nhấtlà trong phạm vihạt cơ bản, nhiều nhà vật lý lấy nguồn cảm hứng trongcái
đẹp cânđối hài hoà củathiên nhiên để tìm tòi, suy luận, sáng tạo.Cái đẹpđó dĩ
nhiênchủ quan trongnghệ thuật, văn chương,hội họa, âm nhạc, nhưng trong khoa
học nó khách quan, định lượngvà mang tên gọiđối xứng. Sự tìm kiếm những đối
xứngvà sự vi phạmnó xảy ra như thế nào, cũngnhư tìm kiếm những gì bất biến
trong vật lý(dùngcông cụ nhóm đối xứngtrongtoán học) là phương pháp chỉ
đườnghữu hiệu trongcông cuộc khám phá. Đối xứng gương là một thí dụ.Tay
phải (trái) của ta có hìnhtrong gương hệt như tay trái (phải), vàcái ta gọi là phía
phải hayphía trái chỉ là mộtước lệ giữa conngười. Khôngcó gì cho taphân biệt
được mọi hiện tượng ở ngoài gương và hìnhchiếucủa hiện tượngđó trong gương,

hoán chuyển không gianx ↔ – x (đối xứng P)không làm chúngthay đổi,chúng bất
biến. Một sáng nắng ấm mùa thu ngả đông với cây đỏ lá vàng củaHà Nội thời xưa,
tháprùa mái cong cổ kính soi hình xuống nước trong vắt phalê của hồ gươm
phẳng lặng, tháp và hình là biểu hiện củađối xứng gương toànvẹn. Trongvật lý
hạt cơ bản, hai nhà vật lý Trung Quốc ở Mỹ T. D. Lee và C. N.Yang (giải Nobel1957)
khámphá ra là lựchạt nhânyếu (chi phối phóngxạ hạt nhânvà sự vận hành của
neutrino)vi phạmtối đa cái đối xứnggương P này, spin của electron, củaneutrino
đều hoàn toàn quayvề trái mà không về phải. Một thí dụ khác làđối xứng vật chất-
phản vật chấthay đối xứng CP, theo đó các định luật vận hành củaelectron và của
phản hạt positronphải giống hệt nhau.Trong bốntương táccơ bản của thiên
nhiênthì ba lực hấp dẫn, điện từ và hạt nhân mạnhđều tuân theophép đốixứng P
và CP, chỉ lực hạt nhân yếu mới vi phạm chúng,vi phạm tối đa với đối xứngP, đôi
chútvới đối xứng CP, tươngtác yếu của hạtvà của phản hạt khác nhau ở mựcđộ
vừa phải.
1b- Đối xứng chuẩn. Có mộtđối xứng ngự trị tuyệt đối trong lựcđiện từ và lực
mạnhcủa hạt nhânnguyêntử, một đối xứngđặc trưngcủa vật lý lượngtử, nó
mang tên đối xứng chuẩn (gaugesymmetry) không hề bị vi phạm. Chính cáiđối
xứngnày đã mở ra một chân trời mới lạ và là gốc nguồn cho sự thành công kỳ diệu
của Mô hìnhChuẩn để diễn tả ba lực lượng tử cơ bản mạnh, điện từ và yếu. Ai
trong chúng ta khilàm quenvới cơ học lượng tử đều biếtrằng bìnhphương của
hàm số sóng |Ψ(x)|2cho ta xác suất xảy ra đối với một đại lượngnào đó. Ta thấy
ngay hoán chuyểnchuẩn Ψ(x) ↔ Ψ(x) Exp[iα(x)] với bất kỳ hàm α(x) nào cũng
khônglàm thay đổi |Ψ(x)|2. Cũng vậynó không làm thayđổi các định luật của Mô
hình Chuẩn, các đại lượng vật lýphải bất biếnvới hoán chuyểnchuẩn. Chính vì vậy
mà đối xứng chuẩn chi phối toàn diệnsự vận hành củacác tươngtác mạnh và điện
từ. Cụ thể ta mường tượng đối xứng này như sau: điện thế của trái đất làmột triệu
volt và haicực điện trong nhà là 1000000volt và 1000220 volt, nhưng máy truyền
hình của chúngta chạy với 220 voltkhông hề trục trặc mặc dầu hàngtriệu volt
điện thế của quả đấttrên đó nó tácđộng. Cũng như α(x) là bất kỳ hàm gì, có muôn
ngàn điện thế khác nhauở mọi nơi trong hoàn vũ, nhưngđịnh luậtchi phối sự vận

hành củachúng phải được điều hòa ra saođể cho ta một trường điện từ duy nhất.
Địnhluậtđiện từ trên máy tính nhỏ bé của chúng ta cũng chi phối lực điện từ trên
các thiên thể xa xăm, đó là ý nghĩa vật lý của đối xứng chuẩn. Phương trình
Maxwellcủa tương tácđiện từ tuân theo phép đối xứngchuẩn, đối xứngnày trở
thành nguyênlý chủ trì cho sự phát triển kỳ diệu củaĐiện động họclượng tử
(QED),những tính toán trong lý thuyếtnày đưa ra nhiều tiên đoánđược thực
nghiệmkiểm định tới độ chínhxác cao hơnmột phần tỷ (momentừ của electron là
một thídụ). Đặcđiểm của đối xứng chuẩn lànó đòi hỏi tuyệt đối các boson -làm
trung giansứ giả cho fermion tương tácvới nhauqua trao đổi các bosonnày - phải
tuyệt đối khôngcó khối lượng. Hạt photontrong Điện độnghọc lượngtử cũng như
gluon trong Sắc độnglực học lượngtử (QCD)làthídụ của bosonkhôngcó khối
lượng. Tagọi chúng là bosonchuẩn (gaugebosons). Ngaytừ thời trứng nước của
thuyết tươngtácyếu chi phốihiện tượngphóng xạ hạt nhân,nhiều nhà vật lý
trong đó có Fermi, Feynman,Gell-Mann,Yang, Lee,Glashowđã tinh ý nhận ra là
giữahai tương tác điện từ và yếu cónhiều cấutrúc và tínhchất rất giống nhau,vậy
hầu như là chuyện đươngnhiên nếu ta sử dụng phương pháprất hiệu lực củađối
xứngchuẩn trongđiện từ để khám phánhững định luậtvận hànhcủa lựcyếu.
Nhưng khốnthay, cái trở ngại cho lực yếu làboson chuẩnW (làm sứ giả cho lực
này) lại có khối lượngrất lớn chứ chẳng bằng 0như photontrong điệntừ. Tại sao
vậy? Vìlực yếu chỉ tác động trong hạt nhânnguyên tử ở kích thước vi mô, trong
khi lựcđiện từ trải rộng khắp hoàn vũ, mà tầm truyền Rcủalực lại tỷ lệ nghịchvới
khối lượng M củaboson làm trunggian cholực truyềnđi, một hệ quả của nguyên
lý bất định Heisenberg theo đó RM ~ h.Biết tầm truyền R củalực yếu, ta suy ra là
boson Wphải cókhoảng haitrăm ngànlần khối lượngcủa electron,như vậy tương
tác yếu có vẻ như không có đối xứng chuẩn. Ôi biết bao thất vọngnếu phương
pháp diệu kỳ của đối xứngchuẩn - nguyênnhân cho sự thành công tuyệtvời của lý
thuyết điện từ -xem rachẳng saoáp dụng được cho tương tácyếu. Nhưngmột
chuyện ‘thần kỳ’ đã xẩy ra để làm cho lực yếu cũng mang đối xứng chuẩn như điện
từ. Trong vật lý, cũng như trongnhiều bộ môn khác, cómột số nhỏ nhà khoahọc
có kiến thức xuyên ngànhuyênthâm, nhìnrộng ra ngoài cái chuyên của mình, tìm

hiểu những gì phổ quátđể manglại cho ngành mình một luồng gió mới. Yoichiro
Nambulà một trong số đó. Chuyên giavề hạt sơ đẳngnhưng ông cũng lưu tâm và
có cáinhìn bao quát về vật lý siêudẫnxa lạ với hạt, ôngnhận thấy có cái gì liên kết
hai ngành (cấu trúc toán họcthì rất giốngnhau nhưngvật lý thìkhác biệt) và phác
họa raý tưởng làm cho lực yếu cũngmang đốixứng chuẩn. Nhưngchính Peter
Higgsmột nhà nghiên cứu ‘bình thường’của xứ Scotland làm việc tại mộtđại học
‘nhỏ’ NewcastleuponTyne đã tìmra một kịchbản nhất quán để thực hiện ý tưởng
Nambu.Ngoài ra Nambucòn khai sáng ra ýniệm theođó thànhphần cơ bản cấu
tạo nên proton,neutron (quarktheo ngôn từ hiện đại) phải mangba đặc tính
lượng tử. Ba đặc tính này ngày nayta gọi là sắc tích,và lực mạnhgắn kết quark
trong hạt nhân gọi làSắc độnglực học lượngtử (QuantumChromoDynamics,QCD).
Cũng là người khai sáng raý niệm dâythay thế hạt nhiều nămtrước thuyết Siêu
dây thời thượng ngàynay, ông quả là mộtnhà vật lý lý thuyếtcó cái nhìn xa,uyên
thâm,đa ngành và sâu sắc, làm tiên phongsáng tạo nhiềuý tưởng mới.
1c- Siêu dẫn điện từ. Hiện tượng siêu dẫn của vật liệu ở nhiệtđộ thấp là mộtđặc
trưng củavật lý lượngtử, dòng điện truyềnqua một dây siêu dẫn có thể tồn tại
hàng tỷ năm trên lý thuyết, trong thựctế vài trăm ngàn năm,nó không có điện trở.
Bất kỳ một điện thế dẫu nhỏ đến đâu cũng không áp đặt được vào trongchất siêu
dẫn vì nó bị triệt tiêu bởi dòng điện ‘lý tưởng’nội tại của siêu dẫn.Không những
điện mà cả từ trườngcũng vậy. Một thỏi nam châm để gần mộtvật liệu siêu dẫn bị
kéo bật ra xa,thông lượngtừ trường bị trục xuất một phần rangoài vật siêu dẫn,
đó là hiệu ứng Meissner. Chính hiệu ứng này làgốc nguồn cho xe lửa trongtương
lai ‘nhẹ bay’ làmcho nó chạy nhanh, không bị cản trở bởi masát của đường rầy.
Vật liệu siêudẫn ngăn chặntầm truyền của trường điện từ, nó là một hệ thống
trong đó điện từ chỉ có thể tác độngtrong mộtkhoảng cách ngắn, khác với bản
chất tự tại của sóng điện từ có thể truyền đi vôhạn. Vậyphoton, cáiboson chuẩn,
khi chuyển độngtrong vật liệu siêu dẫnnhư bị cản trở bởi một bức tường chắn gì
đó và nó tác độnggiống như mang một khối lượng khác0. Bức tường chắn đó
trong lý thuyết siêudẫn của J. Bardeen,L. N. Cooper,J. R. Schrieffer(BCS) chính là
thể ngưng tụ của muôn ngàn cặp Cooper,cặp liên kếthai electroncó spin up↑ spin

down↓ đối nghịch. Mỗi cặp mang điện tích –2e nhưngvì có spin0 nên theo thống
kê Bose-Einsteinnhững cặp nàycó thể hoà đồng chungsống trong cùng một trạng
thái đông tụ.Mỗi electroncô đơn và có cá tính mạnhmẽ, nhưngkỳ lạ thay ở một
hoàn cảnh đặc biệt nàođó (nhiệt độ thấp) khikết bạn, mỗi cặp tuy rất mảnhmai
nhưng khitụ họp quáđông đảo lại vậnhànhnhư một dòngchảy thuần khiết đều
đặn khiến chovật liệu trở nênsiêu dẫn2. Cái đông tụ Bose của muôn ngànnguyên
tử Helium4 coi như boson cũng làgốc nguồncủa hiện tượngsiêu lỏng, luồngthể
lỏng bơi ngược trên thành ống nhỏ li ti. Vật liệu sắt từ (ferromagnetic) làthí dụ thứ
ba trongđó hàng tỷ electroncó spincùng hướngvề một phía duynhất do tác động
của một từ trường ngoài.Vật liệu sắt từ như vậy không đối xứngtuyệt đối trong
khônggian, mặc dầu địnhluật cơ bản phân phối spin của nóhoàn toàn đối xứng
với sự sắp đặt spin,không có một chiều spin nào giữ ưu thế. Trong ngôntừ của
giới chuyên ngành, phương trình của một sự kiện nàođó mangmột phépđối xứng,
trong khinghiệmcủa phươngtrình ấy lại khôngcó cái đối xứngnguyên thủy,ta
gọi hệ thống đó tự phát vi phạm đối xứng(spontaneousbreakingof symmetry,
SBS).
1d- Thuyết Điện-Yếu thống nhất điệntừ và lực hạt nhân yếu. Tính chất SBSlà gốc
nguồncho phép thống nhất được hai lựcđiện từ và yếu,chúng tưởng như khác
biệt mà thực ra cùng chiasẻ phépđối xứng chuẩn.Sự thống nhất hailực điện-từ và
yếu thành mộtquy luật chungduynhất là cả một bước ngoặt của vật lýở cuối thế
kỷ 20, tầm quantrọng của nó có thể ví như Maxwellở cuối thế kỷ 19 đã tổng hợp
ba hiện tượng điện, từ và quangmà công nghệ hiện đại thông-truyền tin khaithác
vô cùng mầu nhiệm. Xinnhắc lại, để thống nhất lực yếu với lực điện từ, ta sử dụng
đối xứngchuẩn. Vậy banđầu cũng như photoncủa điện từ,boson chuẩn W, sứ giả
của lựcyếu, không có khốilượng. Sauđó ta cần mộttrường boson mới lạ nào đó
(trườngHiggs) để chắn tác độngcủa lựcyếu và mang khối lượng choW, tựa như
ngưngtụ của cặpCooper trong điện từ. Cặp Cooper spin0 liên kết haielectron
trong siêu dẫn điệntừ đượcthay thế bởitrường Higgs cũngspin 0 trong lực yếu.
Trường Higgs tràn đầy chânkhông lượngtử, chânkhông này là trạngthái của vũ
trụ thuở Nổ Bùng(Big Bang) có nănglượng cựctiểu nhưng vô hạn.Không những

mang khối lượngcho hạt W, hạt Higgs còn mang khối lượngcho tất cả các hạt khác
như quark, lepton.Chính cái cơ cấu SBS phổ biến và chi phối nhiều ngànhvật lý là
do Nambu,khi suy ngẫm về thuyếtsiêu dẫn nói trên, đã đề xướng ra và Higgs áp
dụngthành côngtrong vật lý hạt cơ bản.Giải Nobel2008 để tặng thưởng Nambu
đã sángtạo cái cơ cấu SBSnày.
2- Sáu Quark và Vật chất-Phản vật chất
Sự hiện hữu của phản vật chất là hệ quả sâu sắc nhất của bản giao hưởng tuyệt vời
giữahai thuyết Tương đối hẹp và Cơ họclượng tử do Paul Dirac,một thiên tàicủa
thế kỷ tầm cỡ Newton và Einstein,chứngminhnăm 1928khiôngchưa đến 26tuổi.
Máy chụphình nổi PET(PositronEmission Tomography)dùng trong y họcngày
nay là mộtứng dụng trực tiếp củapositron,hạt phản electron.Khi positronhòa tụ
với electronsẵn có trongcơ thể thì cặp positron-electronbiến thành tia bức xạ cực
kỳ tinh viđể rọi sáng chi tiết trong não bộ.
Như đề cập sơ qua ở phần1a, lực hạt nhân yếu vi phạm đối xứng vật chất-phản vật
chất (đốixứng CP), một ngạc nhiên lớn vì ba lực cơ bảnkhác (hấp dẫn, điện từ và
mạnh)tuyệt đốituân theo phép đối x ứng này. Tươngtác yếu của hạtvà của phản
hạt khácnhau. J. Cronin vàV. Fitch cùng haicộngsự viên khám phá ra năm 1964
sự vi phạm CP, vàhai vị này nhậngiải Nobel1980. Nhữngnăm đầu 1970,trong bối
cảnh của vậtlý hạt thờiấy với Mô hình Chuẩn đang ở buổi sơ khai, hainhà vật lý
trẻ Kobayashi và Maskawatiền phong đi tìm hiểu cơ cấu nàocho phép sự vi phạm
này. Haiông, hoàn toàndo suy luận và tính toán, saunhiều vậtlộn với toánhọc
‘ứng dụng thôi’,đã tìm ra năm 1973là ít nhấtphải có sáu quark (đúng ralà phải có
ba ‘họ‘,mỗi họ có haiquark) mới vi phạmđược đối xứng CP. Vào thời buổi ấy
quark hãy còn là một giả thiết, một đề tài tế nhị, nhiều ngườibài bác kể cả những
cây đại thụ, và ngay cả nếu chấp nhậngiả thiết quark thì lúcấy người ta chỉ biết có
ba quarkthôi: up, downvà strange quark!Kỳ diệu thay cái tiên đoán của
Kobayashi và Maskawa(KM). Thựcnghiệmliên tiếp chứngtỏ sau đó sự chính xác
của cơ chế vi phạm CP màKM đề xướng. Năm 1974quark charm bắtđầu lộ diện,
năm 1977với quarkbottomvà 1994với quarktop. Khámphá của Kobayashi và
Maskawagóp phần quan trọng chosự hình thành củaMô hình Chuẩn hạt cơ bản,

nó diễntả rất chínhxác sự vi phạm đối xứng vật chất-phảnvật chất trong cácthực
nghiệmliên quan đếncác mesonK (mangstrange quark)và B (mang bottom
quark).