Thứ Ba, 3 tháng 3, 2020

Phạm Việt Hưng - Câu chuyện “Hạt của Chúa” đã kết thúc ?

Câu chuyện
“Hạt của Chúa”
đã kết thúc ?

Abstract: The search for the ‘God particle’ is over, but the story of God particle is not! The question about Higgs boson’s existence is now answered, but new questions arise. Inspired by these questions, Physics will live forever, and the wish of discovering lives forever, too. Với sự hiện diện của hạt Higgs, bài toán thống nhất 4 lực vừa loé lên niềm hy vọng sẽ có cơ may nắm lấy “Chiếc Chén Thánh” (The Holy Grail) của vật lý. Nhưng “Chiếc Chén Thánh” ấy lập tức lại bị đẩy ra xa… Tại sao vậy? 
Theo Mô hình Chuẩn của vật lý hạt cơ bản, hạt Higgs là một boson truyền khối lượng. Sự tồn tại của nó đã được Peter Higgs dự đoán trên lý thuyết từ những năm 1960. Vai trò của nó quan trọng đến nỗi Leon Lederman, nhà vật lý đoạt giải Nobel năm 1988, đã gọi đó là “Hạt của Chúa” (God particle). Trong cuốn “The God particle” xuất bản năm 1993, Lederman thuyết phục chính phủ Mỹ cấp cho các nhà khoa học 10 tỷ USD để chế tạo một chiếc máy gia tốc đủ mạnh hòng tìm kiếm Hạt của Chúa. Ông nói quả quyết: “Hãy giao cho chúng tôi 10 tỷ dollars và các nhà vật lý sẽ giao nộp Chúa cho các ông!”[1].
Quả nhiên 19 năm sau, ngày 04.07.2012, các nhà khoa học tại CERN đã “giao nộp Chúa” cho toàn nhân loại. Tờ Daily Mail của Anh loan tin: “Cuộc săn lùng ‘Hạt của Chúa’ đã kết thúc” (The search for the ‘God particle’ is over)!
Đó là một sự kiện vĩ đại có khả năng làm thay đổi thế giới, được ví như sự kiện Christophe Colomb khám phá ra Châu Mỹ năm 1492, hoặc Neil Amstrong đặt chân lên Mặt Trăng năm 1969, hay thậm chí còn hơn thế nữa.
Suốt tháng 7 vừa qua, câu chuyện về hạt Higgs được thảo luận sôi nổi trên khắp địa cầu, từ những trao đổi cá nhân cho tới các diễn đàn quốc gia, quốc tế. Hiếm khi một sự kiện khoa học gây chấn động dư luận đến như thế. Những người không chuyên hỏi nhau “Higgs là cái gì vậy?”, còn những người yêu vật lý trên toàn thế giới thì thở phào: rốt cuộc thì loại hạt được coi là “the most elusive” – hay lảng tránh và khó nắm bắt nhất – sau mấy chục năm cũng đã lộ diện!
Mặc dù CERN thận trọng tuyên bố rằng họ chỉ mới tìm thấy một loại hạt giống như hạt Higgs, nhưng hầu hết mọi người nghĩ rằng đó chính là hạt Higgs. Higgs boson đã có mặt như một đại diện cuối cùng, bổ khuyết vào chỗ trống chưa được kiểm chứng trong Mô hình Chuẩn suốt mấy chục năm qua. Thiếu nó thì Mô hình Chuẩn giống như một ngôi nhà có cấu trúc không an toàn, có nguy cơ sụp đổ bất kỳ lúc nào. Có nó thì Mô hình Chuẩn trở thành một kỳ đài khoa học nguy nga, tráng lệ, vững chắc.
Vậy phải chăng câu chuyện về “Hạt của Chúa” đã kết thúc?
KHÔNG! Cuộc săn lùng Hạt của Chúa về căn bản đã kết thúc, nhưng câu chuyện về Hạt của Chúa không kết thúc! Nó mở ra những chương mới với những câu hỏi mới vô cùng hấp dẫn, báo hiệu một giai đoạn mới của các khám phá vĩ đại đã lấp ló ở phía chân trời.
1. Viễn cảnh vật lý sau ngày 04.07.2012:
Ngày 04 Tháng 07 năm 2012 sẽ đi vào lịch sử khoa học như một trong những ngày trọng đại nhất, khi CERN thông báo đã khám phá ra loại hạt mới giống như hạt Higgs. Khai mạc buổi lễ, Tổng giám đốc CERN, ngài Rolf-Dieter Heuer, long trọng tuyên bố: “Chúng ta đã đạt tới một cột mốc vô cùng quan trọng trong sự hiểu biết tự nhiên. Việc khám phá ra một loại hạt phù hợp với Higgs boson mở ra một con đường đi tới những nghiên cứu chi tiết hơn, đòi hỏi những thống kê lớn hơn cho phép xác định những tính chất của loại hạt mới này, và có khả năng rọi ánh sáng vào những bí mật của vũ trụ”[2].
Paul Dauncey, giáo sư vật lý hạt cơ bản tại Đại học Imperial ở London nói: “Đây là một đột phá trọng đại đối với sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Nếu loại hạt mới này đúng là hạt Higgs như chúng ta nghĩ, thì đó là một loại hạt hoàn toàn mới chưa từng thấy. Chúng ta có thể coi đây là phần cuối cùng của một thách đố, hoàn tất cái được xem như là Lý thuyết  Tiêu chuẩn. Nhưng không ai nghĩ đó là điểm kết thúc của câu chuyện, mà có thể là điểm khởi đầu cho một chương mới của vật lý – bước đầu tiên đi tới một cái nhìn căn bản hơn đối với vấn đề làm thế nào mà hình thành nên vạn vật. Đó là lý do vì sao các nhà vật lý bị kích thích; chúng ta chỉ không biết rõ điều này sẽ dẫn đến đâu mà thôi”[3].

Giáo sư Jerome Gauntlett, chủ nhiệm khoa vật lý lý thuyết cũng thuộc Đại học Imperial, nhận định: “Sự kiện khám phá ra Higgs boson thực sự là một khoảnh khắc vĩ đại của khoa học. Ý tưởng của nó bắt nguồn từ những năm 1960 với những công trình đóng góp của Peter Higgs tại Đại học Edinburgh và bởi Tom Kibble và nhà vật lý đoạt Giải Nobel Abdus Salam tại Đại học Imperial. Hơn 50 năm sau tư tưởng thâm sâu của họ đã được xác nhận một cách đầy ấn tượng và đây là thời điểm huy hoàng của nền khoa học Anh. Giống như mọi khám phá vĩ đại khác, những nghiên cứu chi tiết hơn về hạt Higgs có khả năng có một tác động vô cùng lớn đối với những câu hỏi mang tính nền tảng của khoa học trong tương lai. Tôi cho rằng nó sẽ làm sáng tỏ bản chất bí ẩn của vật chất tối đang xâm chiếm vũ trụ, cho biết liệu có tồn tại những chiều bổ sung đối với không gian 3 chiều mà chúng ta vẫn quan sát hay không, và cuối cùng là làm thế nào để thống nhất Mô hình Chuẩn của vật lý hạt cơ bản với Lý thuyết Hấp dẫn của Einstein”[4].
Nhưng muốn hiểu rõ những ý kiến nói trên, phải có một cái nhìn hệ thống và toàn cảnh đối với Higgs boson.
Nhà vật lý lý thuyết Phạm Xuân Yêm, nguyên Giám đốc nghiên cứu tại CNRS[5], Giáo sư Đại học Marie Curie ở Pháp, đã đưa ra một cái nhìn toàn cảnh và hệ thống về Higgs boson trong bài báo mới nhất của ông: “Hạt Higgs, lực cơ bản thứ năm mới lạ?”[6].
2. Lực cơ bản thứ năm, một câu hỏi thách thức:
Tiêu đề của bài báo đã lập tức gợi lên một suy ngẫm triết học mà Immanuel Kant từng nhắn nhủ: “Mỗi câu trả lời lại làm dấy lên những câu hỏi mới”.
Vâng, sự tồn tại của hạt Higgs đã được trả lời, và lập tức hàng loạt câu hỏi mới đã xuất hiện. Đó là quy trình bất diệt của nhận thức làm cho cuộc sống của chúng ta mãi mãi lý thú và hấp dẫn bởi sự thách thức và lôi cuốn của cái mới lạ.
Albert Einstein từng nói: “Cái đẹp nhất mà chúng ta có thể chiêm nghiệm là sự bí ẩn. Đó là ngọn nguồn của mọi nghệ thuật và khoa học”[7]. Hạt Higgs đã lộ diện, vì thế cái đẹp bây giờ nằm ở những câu hỏi nẩy sinh chính từ sự lộ diện đó:
“Tuy trường Higgs truyền khối lượng cho vạn vật, nhưng cái gì mang lại cho chính hạt Higgs cái khối lượng 126 Gev/c2 mà chiếc máy siêu gia tốc LHC vừa khám phá ra?”, GS Yêm chất vấn, rồi ông lưu ý: “Đừng quên là khoảng 96% năng-khối lượng trong toàn vũ  (mệnh danh là năng lượng tối và vật chất tối) hãy còn ở ngoài sự hiểu biết hiện nay của con người”.
Bài viết của GS Phạm Xuân Yêm là một bài báo “khổng lồ” với khoảng 7500 chữ và rất nhiều chi tiết học thuật làm cho người không chuyên rất khó nắm bắt, nhưng tư tưởng xuyên suốt của bài báo lại biểu lộ một cách rõ ràng và lý thú ở ngay cái tiêu đề: Hạt Higgs, lực cơ bản thứ năm mới lạ?
Đó là một câu hỏi rất lớn, bởi nó đụng tới nền tảng của vật lý, và là một câu hỏi thách thức, bởi nếu không trả lời được câu hỏi đó thì vật lý không bao giờ có thể thoả mãn được khát vọng “biết được ý Chúa” của Albert Einstein nói riêng và của các nhà vật lý nói chung.
Nhưng để cảm nhận được tầm mức sâu sắc của câu hỏi lớn nói trên, không thể không nhắc lại rằng trước sự kiện khám phá ra hạt Higgs, khoa học đã biết 4 lực cơ bản: hấp dẫn, điện từ, hạt nhân yếu, hạt nhân mạnh. Lý thuyết thống nhất vật lý hiện đại, dưới tên gọi “TOE – Theory of Everything” (Lý thuyết về mọi thứ) hoặc “The Final Theory” (Lý thuyết cuối cùng) trong hàng thập kỷ qua đã và đang dồn mọi nỗ lực vào việc thống nhất 4 lực cơ bản. Năm 1969, ba nhà khoa học là Steven Weinberg, Sheldon Glashow và Abdus Salam chia nhau Giải Nobel vì đã chứng minh được bản chất thống nhất của lực điện từ với lực hạt nhân yếu. Thành công vang dội đó làm cháy bùng lên niềm hy vọng rằng rốt cuộc rồi vật lý sẽ chứng minh được bản chất thống nhất của 4 lực – “tất cả là một, một là tất cả”.
Đó chính là lý do ra đời tên gọi “Lý thuyết về mọi thứ”, hoặc “Lý thuyết cuối cùng”, mà về mặt triết học, có thể thấy ngay rằng những tên gọi này không ổn. Cả trực giác lẫn logic đều cho thấy không thể có một túi khôn nào cho phép giải thích mọi thứ, không thể có một câu trả lời nào là cuối cùng mà không cần giải thích thêm.
Nhưng vật lý những năm 1970-1980 đã chấp nhận những tên gọi đó. Không phải do các nhà vật lý kém triết học. Đơn giản vì họ tin rằng con đường thống nhất vật lý là tất yếu, và nếu đã là tất yếu thì trước sau nó phải đi tới đích cuối cùng.
Nhưng chẳng bao lâu sau, trên con đường thống nhất vật lý, người ta gặp phải trở ngại vô cùng lớn khi cố gắng hợp nhất lực hấp dẫn vào trong khuôn khổ của vật lý hạt cơ bản. Trong bối cảnh đó, hạt Higgs càng được coi là một ứng cử viên sáng giá cho mục tiêu hợp nhất này, bởi nó là hạt truyền khối lượng cho các hạt khác, tức là nguồn gốc sâu xa tạo nên trường hấp dẫn.
Madeleine Nash, tác giả bài báo “Unfinished Symphony”[8] trên tạp chí Times ngày 31.12.1999  là một trong những người tin tưởng vào “ứng cử viên Higgs” cho một lý thuyết thống nhất, khi bà nói rằng với chiếc máy LHC bắt đầu đi vào hoạt động tại Geneve từ năm 2005, sẽ có cơ may khám phá ra Hạt của Chúa, và do đó sẽ có cơ may dẫn tới việc hoàn thành “Bản giao hưởng bỏ dở” của Einstein, tức Lý thuyết Trường Thống Nhất (Unified Field Theory) do Albert Einstein khởi xướng từ những năm 1920, mà TOE sau này chỉ là một hậu duệ nối tiếp.
Giờ phút này, có lẽ Nash đang là một trong những người phấn khởi nhất với việc khám phá ra hạt Higgs. Nhưng nếu bà được đọc bài báo của GS Phạm Xuân Yêm, “Hạt Higgs, lực cơ bản thứ năm mới lạ?”, hẳn là bà sẽ phải bình tâm suy nghĩ lại: Nếu quả thật tồn tại một loại lực mới, lực thứ năm, thì mục tiêu “biết được ý Chúa” vẫn còn xa vời lắm.
Thật vậy, khi hạt Higgs vẫn còn là một dự đoán, những môn đệ của Lý thuyết về mọi thứ vẫn thường nghĩ rằng nếu thống nhất được 4 lực trong Siêu lực (superforce) thì sứ mệnh căn bản của vật lý coi như đã được hoàn thành. Khi đó, mọi hiện tượng vật lý đều có thể giải thích được, giấc mơ của Einstein muốn “biết được ý Chúa” coi như đã trở thành hiện thực.
Nhưng thay vì hạt Higgs làm cho chúng ta tiến gần hơn tới chỗ “biết được ý Chúa”, những người sâu sắc lại sớm nhận thấy rằng mục tiêu ấy vẫn còn quá xa: hoá ra tự nhiên không chỉ có 4 lực như đã biết, mà có những 5!
Đọc câu thơ của Nguyễn Bính, “Chín năm đốt đuốc soi rừng”, mà GS Yêm lấy làm đề từ cho bài viết, tôi có cảm tưởng ông cũng chia vui và thở phào cùng cộng đồng vật lý toàn thế giới vì đã trải qua không chỉ chín năm, mà những nửa thế kỷ chờ đợi phút lộ diện của hạt Higgs. Nhưng dường như ông thuộc trong số những tâm hồn lãng mạn, không thích sự thoả mãn, nên đã ngay lập tức để tâm tới những thách đố mới, mà có lẽ theo ông, thách đố lớn nhất là sự xuất hiện của một loại lực mới: lực cơ bản thứ năm!
GS Yêm viết: “Nó[9] mở đầu một chương mới trong vật lý vì đây là lần đầu tiên con người khám phá ra một lực mới lạ, lực mang khối lượng cho vật chất, coi như lực cơ bản thứ năm của Tự nhiên, bên cạnh bốn lực cơ bản quen thuộc…”[10].
Với sự hiện diện của hạt Higgs, bài toán thống nhất 4 lực vừa loé lên niềm hy vọng sẽ có cơ may nắm lấy “Chiếc Chén Thánh”[11] (The Holy Grail) của vật lý. Nhưng “Chiếc Chén Thánh” ấy lập tức lại bị đẩy ra xa bởi nó đòi hỏi phải hợp nhất 5 lực!
Mặc dù sự xuất hiện của một loại lực mới, lực thứ năm, được GS Yêm nêu lên dưới dạng một câu hỏi nghi vấn, nhưng đó là một nghi vấn hoàn toàn thuyết phục. Một lần nữa xin nhắc lại câu hỏi chất vấn của ông:
“Tuy trường Higgs truyền khối lượng cho vạn vật, nhưng cái gì mang lại cho chính hạt Higgs cái khối lượng 126 Gev/c2mà chiếc máy siêu gia tốc LHC vừa khám phá ra?”.
Thật vậy, khối lượng của các hạt được giải thích bởi sự tương tác giữa chúng với trường Higgs, nhưng chính hạt Higgs – những lượng tử của trường Higgs – thì tương tác với “ai” để có khối lượng?
Đó là một câu hỏi không thể né tránh. Một lần nữa tư tưởng bất hủ của Kant lại được minh hoạ một cách tuyệt vời: “Mỗi câu trả lời lại làm dấy lên những câu hỏi mới”.
Đọc một bài báo với 7500 chữ, có nhiều chữ trong đó độc giả có thể quên, nhưng không thể quên câu hỏi chất vấn nói trên. Đó là câu hỏi thú vị nhất và có lẽ là duy nhất, trong số không ít những bài báo liên quan đến sự kiện khám phá ra hạt Higgs mà tôi đã đọc trong thời gian vừa qua.
Và mặc dù bài báo của GS Yêm không đả động gì đến bài toán thống nhất 5 lực, nhưng một cách tất yếu người đọc sẽ phải nghĩ tới bài toán đó: Nếu tồn tại 5 lực thì hiển nhiên là Lý thuyết thống nhất vật lý chỉ có thể thành công nếu nó chứng minh được bản chất thống nhất của 5 lực.
Vì thế, tuy Stephen Hawking bị mất 100 USD vì đã thua khi đánh cược với Gordon Kane tại Đại học Michigan rằng sẽ không thể tìm thấy hạt Higgs, nhưng ông sẽ càng có nhiều lý do hơn để củng cố quan điểm cho rằng không thể có một Lý thuyết về mọi thứ, như ông đã trình bầy trong bài báo “The Elusive Theory of Everything”[12] trên Scientific American ngày 27.09.2010.
Nếu việc khám phá ra hạt Higgs làm cho bài toán thống nhất các lực trở nên phức tạp hơn gấp bội phần, thì nó lại làm sáng tỏ nhiều khái niệm cơ bản của vật lý học mà từ xưa tới nay chúng ta tưởng rằng “biết rồi, khổ lắm, nói mãi”. Điển hình là nhận thức hoàn toàn mới về bản chất của khối lượng.
Theo GS Yêm, nguồn gốc của khối lượng là sự tương tác của vật chất với trường Higgs trong chân không lượng tử, thay vì là số đo lượng vật chất chứa trong vật thể như một thuộc tính “vốn có” của tự nhiên mà chúng ta vẫn thừa nhận một cách mơ hồ trong hàng trăm năm qua.
Thiết nghĩ đây là điểm đặc biệt đáng lưu tâm đối với các nhà viết sách giáo khoa vật lý, bởi khối lượng là một khái niệm cơ bản của vật lý, bắt buộc phải trình bầy cho học sinh từ cấp phổ thông. Các nhà cải cách giáo dục nghĩ gì khi đặt bút (gõ computer) để viết sách giáo khoa vật lý cho niên học 2012-2013, khi định nghĩa khối lượng là gì? Liệu có thể chấp nhận khái niệm mù mờ khối lượng là số đo lượng vật chất chứa trong vật thể nữa hay không? Hay khối lượng là đặc trưng vật chất quyết định tương tác hấp dẫn giữa các vật thể với nhau? Hay khối lượng là đặc trưng vật chất được quyết định bởi tương tác giữa các hạt cơ bản cấu tạo nên vật thể đó với trường Higgs? Rõ ràng định nghĩa sau cùng là đúng nhất, kể từ sau ngày 04.07.2012 – ngày hạt Higgs lộ diện. Với định nghĩa đó, chúng ta mới có thể hiểu được một tính chất vô cùng hệ trọng của vật lý hiện đại: khối lượng có thể thay đổi, tuỳ thuộc vào tương tác với trường Higgs mạnh hay yếu! Điều này đã được biết trong vật lý hạt cơ bản, ngay cả khi hạt Higgs chưa được xác nhận sự tồn tại.
Nhưng làm thế nào để nói với học sinh phổ thông, nhất là ở các lớp dưới, về những chuyện phức tạp rắc rối của trường Higgs? Đây là một thử thách đối với các nhà giáo dục, đặc biệt với các nhà viết sách giáo khoa.
Về mặt triết học nhận thức, đặc biệt là nhận thức tự nhiên, việc khám phá ra hạt Higgs là một cuộc cách mạng trong nhận thức đối với khái niệm khối lượng. Hoá ra Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton có nguồn gốc xa xôi là hạt Higgs. Hoá ra Lý thuyết hấp dẫn của Einstein, tức Thuyết tương đối Tổng quát, cũng bị chi phối bởi hạt Higgs.
Chỉ chừng ấy thôi có lẽ cũng đã quá đủ để hình dung được tầm vóc ảnh hưởng vô cùng sâu rộng của hạt Higgs đối với tương lai của vật lý, mà hiện nay ít ai có thể lường trước hết được.
Hạt Higgs quan trọng như thế đấy, nhưng trớ trêu thay, cho đến lúc này, hạt Higgs vẫn nổi tiếng hơn rất nhiều so với “nhà tiên tri” đã tiên đoán sự hiện hữu của nó. Điều này có phần tương tự như Tháp Eiffel nổi tiếng hơn rất nhiều so với cha đẻ của nó, Gustave Eiffel. Vậy sẽ là công bằng hơn nếu chúng ta dành chút thì giờ để tìm hiểu người mà hạt Higgs đã phải mang tên.
3. “Nhà tiên tri” thầm lặng:
Ngày 29.05.2012 vừa qua, Peter Higgs vừa kỷ niệm sinh nhật lần thứ 83. Ông sinh tại tại Wallsend, North Tyneside, thuộc Scotland, nước Anh. Thân phụ ông là một kỹ sư âm thanh của Đài BBC. Thời trẻ, Higgs có giai đoạn theo học tại Cotham Grammar School, nơi Paul Dirac, một trong những nhà sáng lập của Cơ học lượng tử, đã từng là một cựu học sinh. Higgs cho biết ông đã từng được truyền cảm hứng từ các công trình của Dirac ngay từ hồi còn là học sinh của trường đó.
Năm 17 tuổi, ông theo học Đại học City of London, chuyên ngành toán, rồi tiếp tục học Đại học King’s College, nơi ông đã tốt nghiệp với thành tích đứng đầu về vật lý. Cũng tại đó ông đã hoàn thành luận án thạc sĩ, rồi tiến sĩ. Sau đó trở thành hội viên nghiên cứu cao cấp tại Đại học Edinburgh, rồi đảm nhiệm nhiều chức vụ khác nhau tại Đại học College London và Đại học Imperial London, trước khi trở thành giảng viên tạm thời môn toán tại Đại học College London.
Năm 1960 ông trở lại Đại học Edinburgh và làm giảng viên tại Học viện toán lý Tait. Mãi tới 1980 ông mới được bổ nhiệm chức giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Edinburgh. Vinh quang đầu tiên đến với ông vào năm 1983 khi ông được bầu làm hội viên Hội Hoàng gia Anh. Năm sau ông được trao tặng huân chương và giải thưởng Rutherford. Năm 1991 trở thành thành viên Hội vật lý. Năm 1996 ông về hưu và trở thành giáo sư danh dự của Đại học Edinburgh. Năm 2008 ông được bầu làm giáo sư danh dự của Đại học Swansea vì những công trình về vật lý hạt cơ bản.
Tại Đại học Edinburgh, Higgs bắt đầu quan tâm đến vấn đề khối lượng của các hạt cơ bản. Ông đã phát triển một tư tưởng cho rằng vào lúc ban đầu của vũ trụ, các hạt không có khối lượng, nhưng sau một khoảnh khắc cực kỳ ngắn, chúng bắt đầu có khối lượng do tương tác với một trường đặc biệt mà sau này được gọi là trường Higgs. Ông nêu giả thuyết cho rằng trường này tràn lan khắp vũ trụ, truyền khối lượng cho tất cả các hạt cơ bản tương tác với nó.
Sẽ là thú vị nếu biết rằng tư tưởng của Higgs lấy cảm hứng từ những công trình của nhà vật lý lý thuyết Nhật Bản Yoichiro Nambu, Giáo sư Đại học Chicago, đoạt Giải Nobel vật lý năm 2008.
GS Nambu đề xuất một lý thuyết được gọi là sự phá vỡ đối xứng tự phát (spontaneous symmetry breaking), dựa trên những hiện tượng siêu dẫn. Tuy nhiên lý thuyết này dẫn tới việc tiên đoán các hạt không có khối lượng, một tiên đoán bị coi là sai (định lý Goldstone).
Năm 1964, một “ánh chớp cảm hứng” loé lên trong đầu Higgs trong khi ông đi bộ trong công viên quốc gia Cairngorms. Về tới nhà, ông viết ngay một công trình ngắn khai thác một lỗ hổng trong định lý Goldstone và cuối năm đó công trình đã được công bố trên tạp chí Physics Letters, một tạp chí Âu châu được biên tập tại CERN, Thụy sĩ.

Sau đó ông viết một công trình thứ hai mô tả một mô hình lý thuyết, nay được gọi là “cơ chế Higgs” (Higgs mechanism), nhưng công trình này bị từ chối đăng. Ban biên tập của tạp chí Physics Letters nhận xét công trình này “không có mối liên hệ rõ ràng đối với vật lý” (of no obvious relevance to physics).
Higgs liền viết một phụ lục bổ sung và gửi toàn bộ công trình tới tạp chí Physical Review Letters, một tạp chí vật lý hàng đầu khác, và tạp chí này đã công bố công trình của ông vào cuối năm đó. Chính trong công trình này, ở phần kết, lần đầu tiên Higgs đã đề cập tới sự tồn tại của một trường vô hướng mà các lượng tử của trường đó là các bosons truyền khối lượng. Steven Weinberg nhận thấy vai trò thiết yếu của các bosons này và ông gọi chúng là Higgs bosons. Và như chúng ta đã biết, Leon Lederman gọi đó là “Hạt của Chúa”, mặc dù lúc đầu ông định gọi là “Hạt chết tiệt”[13].
Khả năng “tiên tri” của Higgs thật kỳ lạ. Ánh chớp loé lên trong đầu ông khi ông đi bộ trong công viên Cairngorms đã dẫn tới việc tiên đoán sự hiện hữu của một loại boson chưa từng biết, và niềm tin ấy mạnh mẽ đến nỗi nó không hề lay chuyển và đeo đẳng ông trong suốt cuộc đời, ngay cả khi ông phải đối mặt với những thử thách như chơi đỏ đen. Thật vậy, trong đợt thí nghiệm được chuẩn bị công phu nhất, hùng mạnh nhất, khởi động từ cuối năm 2008 tại CERN, mà Higgs được mời tới chứng kiến, với dự đoán của nhiều nhà khoa học rằng đây là cuộc thí nghiệm “một mất một còn”, “được ăn cả ngã về không” với Higgs boson, thì Peter Higgs, lúc đó đã chuẩn bị bước vào tuổi 80, vẫn biểu lộ niềm tin của ông một cách rất giản dị, nhưng quả quyết: “Có nhiều khả năng là hạt này sẽ lộ diện trong chớp nhoáng … Tôi chắc chắn tới 90% rằng điều đó sẽ xẩy ra”, Higgs nói với các nhà báo.
Đó là một tiên tri nhỏ nằm trong một tiên tri lớn: Higgs boson ắt phải tồn tại! Ông chỉ đoán sai chút xíu về thời điểm phát hiện được hạt Higgs, khi nói rằng ông hy vọng thí nghiệm tại CERN cuối năm 2008 đầu 2009 sẽ phát hiện được nó trước dịp sinh nhật lần thứ 80 của ông, tức trước ngày 29.05.2009. Có thể người thân, bạn bè và đồng nghiệp của ông còn sốt ruột và mong đến dịp sinh nhật đó hơn ông, để được chúc mừng ông những lời chúc tốt đẹp nhất. Nhưng chính ông đã lường trước mọi khó khăn để kiên trì chờ đợi. “Tất cả sẽ xẩy ra quá nhanh đến nỗi sự xuất hiện của Higgs boson có thể bị che lấp trong đống dữ liệu thu thập được, và cần phải có một thời gian dài để tìm thấy nó”, Higgs nói, rồi kết luận:
“Có lẽ tôi phải uống sâm banh có đá để chờ đợi”[14].
Rốt cuộc, cái gì phải xẩy ra đã xẩy ra: hạt Higgs đã xuất hiện! Ngày 04.07.2012 là một cột mốc chói lọi trong lịch sử khoa học, khép lại Chương đầu tiên của câu chuyện “Hạt của Chúa”, mở đầu một chương mới mà chỉ những người mê đọc sách mới có thể dự đoán chuyện gì sẽ xẩy ra.
Bản thân Higgs nghĩ gì về khám phá mới này?
Ông lau nước mắt khi nghe giám đốc của CERN tuyên bố dõng dạc đã xác định được dấu vết của loại hạt mới giống như hạt Higgs. Nhưng với tính cách thầm lặng và khiêm tốn vốn có, ông cho rằng vì “tuổi thọ” của hạt Higgs quá ngắn ngủi nên nó khó có thể có ứng dụng thực tiễn. Phát biểu tại Đại học Edinburgh, Higgs giải thích: “Có lẽ đó là một phần triệu của một phần triệu của một phần triệu của một phần triệu của 1 giây. Tôi không biết làm thế nào mà ứng dụng một hạt như thế cho bất kỳ cái gì hữu ích. Tìm ứng dụng hữu ích cho những hạt cơ bản có tuổi thọ dài hơn cũng đủ khó lắm rồi. Có thể một số loại hạt có đời sống kéo dài khoảng một phần triệu của 1 giây đã được ứng dụng trong y khoa. Nhưng làm thế nào để tìm được ứng dụng cho một loại hạt quá ngắn ngủi như hạt Higgs thì tôi không biết”[15].
Có một “chuyện nhỏ” về Higgs tưởng cũng nên biết: bản thân ông là người vô thần, nên ông không hài lòng khi người ta gọi hạt Higgs là “Hạt của Chúa”. Theo ông, cách gọi này có thể xúc phạm những người có tôn giáo. Vậy tại sao người đời lại nghĩ ra tên gọi đó?
4. “Hạt của Chúa”, tại sao?
Chính Lederman đã giải thích rằng ông gọi Higgs boson là “Hạt của Chúa” vì hạt này đóng vai trò “vô cùng trọng yếu đối với vật lý hiện đại, vô cùng quyết định đối với sự hiểu biết cuối cùng của chúng ta về cấu trúc vật chất, mà đến nay (hạt này) vẫn vô cùng khó nắm bắt”[16].
Ai cũng biết, nền văn minh Tây phương vốn chịu ảnh hưởng sâu sắc của nền văn minh Thiên Chúa giáo, trong đó Chúa đóng vai trò sáng tạo ra cái ban đầu, quyết định những giá trị cốt lõi của cuộc sống, đồng thời tạo nên nền tảng của mọi cấu trúc trong vũ trụ. Nếu vậy thì Higgs boson chính là “Hạt của Chúa”, tên gọi ấy hoàn toàn phù hợp với những gì khoa học nghĩ về hạt Higgs.

Nó là cái khởi đầu của vũ trụ, vì theo Peter Higgs, lúc đầu các hạt không có khối lượng, nhưng do tương tác với trường Higgs mà nhận được khối lượng. Nó cũng là trung tâm của vật lý hiện đại, đóng vai trò quyết định đối với sự hiểu biết cuối cùng, bởi vì trước ngày 04.07.2012, Mô hình Chuẩn có 17 hạt, trong đó 16 hạt đã được thực nghiệm xác nhận, chỉ còn một hạt duy nhất chưa tìm thấy, đó là Higgs boson. Có nghĩa là nếu tìm thấy hạt Higgs thì Mô hình Chuẩn sẽ trở nên hoàn hảo, khoa học đã khám phá ra bản chất tận cùng của vật chất, và giấc mơ “biết được ý Chúa” của Einstein có cơ may trở thành hiện thực. Nhưng….
Câu hỏi lớn nêu lên trong bài báo của GS Phạm Xuân Yêm đặt chúng ta vào một tình thế trung dung, không thái quá: trong khi vui mừng vì một thắng lợi vĩ đại của khoa học vừa đạt được, chúng ta biết rằng không có lý do để lạc quan tếu – để nói rằng chúng ta đã đạt được những hiểu biết cuối cùng của cấu trúc vật chất.
Cấu trúc vật chất có nhiều tầng. Tầng vĩ mô, tầng phân tử, tầng nguyên tử, tầng hạ nguyên tử. Đối với hiểu biết hiện nay, tầng hạ nguyên tử được coi là tầng sâu nhất, nhỏ nhất. Đó là lý do để nhiều nhà vật lý nghĩ rằng nếu tìm thấy hạt Higgs thì coi như chúng ta đã đạt được những hiểu biết cuối cùng của cấu trúc vật chất, bởi khi đó tất cả 17 hạt cơ bản đều được thực nghiệm khám phá hết, không còn gì thiếu sót, như GS Yêm đã nói.
Tuy nhiên, GS Yêm không nói đó là những hiểu biết cuối cùng của cấu trúc vật chất. Ông vẫn hướng chúng ta tới những phát triển xa hơn:
“Điều này khẳng định hơn bao giờ hết sự vững chắc của Mô Hình Chuẩn, một lý thuyết nền tảng, một hệ hình mà từ đây mọi phát triển sau này đều phải dựa vào để phát triển xa hơn nữa”, GS Yêm viết.
Thật vậy, những ai đã thấm nhuần tư tưởng của Niels Bohr về hiện thực lượng tử thì hẳn sẽ không bao giờ nói đến cái cuối cùng. Con mắt triết học gợi ý cho chúng ta thấy rằng vật chất là vô cùng vô tận, thậm chí vật lý giao thoa với Phật học để giải thích những khái niệm cực kỳ khó hiểu như “sắc sắc không không” – có đấy mà hoá không, không đấy mà hoá có.
Đối với Einstein, nếu mặt trăng không tồn tại thì ông sẽ ngừng nghiên cứu vật lý. Các hạt cơ bản cũng vậy. Nhưng Bohr ngờ rằng không có một hiện thực lượng tử như ta tưởng. Đối với Bohr, thế giới hạ nguyên tử bản thân nó chứa đựng những đặc trưng hoàn toàn khác mà mọi mô tả của chúng ta đều không thể nắm bắt chính xác được, đơn giản vì ngôn ngữ chúng ta sử dụng để mô tả thế giới, bất kể ở cấp độ nào, đều là sản phẩm của đời sống vĩ mô. Vì thế, một khi đã thấm nhuần tư tưởng của Bohr, chúng ta có thể nghĩ rằng Mô hình Chuẩn là mô hình tốt nhất hiện có để mô tả thế giới lượng tử, thay vì coi đó là những hiểu biết cuối cùng. Nhưng có bao nhiêu nhà vật lý suy nghĩ như Bohr? “Các nhà vật lý ngoài miệng thì nói theo Bohr và phủ nhận Einstein, nhưng cuối cùng phần lớn trong số họ lại chẳng hiểu những gì Bohr nghĩ và rồi vẫn suy nghĩ như Einstein”, nhà vật lý Basil Hiley đã nói như vậy[17].
Hồi nhỏ học vật lý, thầy giáo dạy: “phân tử là thành phần nhỏ nhất của vật chất, các phân tử gộp lại tạo nên các vật thể như chúng ta trông thấy…”. Sang môn Hoá, thầy dạy Hoá cũng nói “nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của vật chất,…”. Cái đầu trẻ con của tôi lúc đó cảm thấy khó chịu vô cùng. Tôi không hiểu tại sao lại có nhiều cái “nhỏ nhất” khác nhau như thế. Tất nhiên đó là lỗi của người dạy học. Con búp-bê Matryoshka của Nga có con đầu và con cuối, chiếc hộp Trung Hoa (Chinese box) cũng có hộp đầu và hộp cuối, nhưng cái đầu trẻ con của tôi ngày xưa đã biết hỏi thầy dạy Sinh vật rằng “con gì tiến hoá thành con A-míp?”, bởi vì thầy dạy con A-míp là động vật đơn giản nhất, có duy nhất 1 tế bào, nó là động vật đầu tiên để tiến hoá dần dần lên thành những động vật cao cấp hơn.
Nhưng bất chấp những câu hỏi triết học, con người có xu hướng đi tìm nguyên nhân đầu tiên và kết quả cuối cùng. Không phải những người ít học mắc lỗi đó. Nhiều bộ não vĩ đại nhất cũng mắc sai lầm này. Điển hình là David Hilbert, nhà toán học lỗi lạc của thế kỷ 20, phạm sai lầm lớn khi mơ tưởng sẽ khám phá ra một hệ thống toán học cuối cùng – một hệ logic tuyệt đối phi mâu thuẫn được xây dựng trên một hệ tiên đề độc lập, đầy đủ, phi mâu thuẫn. Nhưng Kurt Godel đã chỉ ra rằng không tồn tại một hệ logic hình thức nào là đầy đủ – mọi hệ logic đều bất toàn.
Vật lý tuy không phải là một hệ logic hình thức, nhưng ngôn ngữ diễn đạt nó là toán học và ngôn ngữ thông thường. Cả hai thứ ngôn ngữ này đều bất toàn, vậy làm sao có thể có một hệ thống vật lý tuyệt đối hoàn hảo để coi là cuối cùng? Mô hình Chuẩn hôm nay được coi là đầy đủ, nhưng có thể nó sẽ không còn đầy đủ nữa nếu một ngày nào đó khoa học xác nhận sự tồn tại của loại lực thứ năm mới lạ mà GS Yêm đã chất vấn.
Nhận thức có giới hạn. Chúng ta có thể đặt câu hỏi cho cái xẩy ra trước (previous) và cái xẩy ra tiếp theo (next) chứ không thể khẳng định cái đầu tiên và cái kết thúc.
So sánh việc khám phá hạt Higgs với các sự kiện trong quá khứ, tôi có cảm giác nó cũng vĩ đại tương tự như việc khám phá ra Bảng nguyên tố tuần hoàn Mendeleev cách đây vài thế kỷ, hoặc việc khám phá ra mô hình phân tử DNA cách đây 59 năm, hoặc gần đây nhất là Bản đồ gene người, công bố năm 2000.
Nếu Bản đồ gene người quan trọng đối với sinh học, di truyền học và y học như thế nào thì có lẽ Mô hình Chuẩn của vật lý cũng quan trọng đối với vật lý như thế ấy. Khó có thể nói cái nào quan trọng hơn cái nào. Nhưng có lẽ không ai dám nói việc khám phá ra Bản đồ gene người có nghĩa là đã đạt tới hiểu biết cuối cùng về cơ chế di truyền ở con người!
Ngược lại, chính việc công bố Bản đồ gene người đã làm giới khoa học sửng sốt ngạc nhiên vì hoá ra con người cũng chỉ có khoảng hơn 3 vạn gene, xấp xỉ như loài chuột! Ngay tức khắc một hệ luận vô cùng quan trọng được rút ra: số lượng gene không quyết định mức độ phức tạp của sinh thể.
Đây là một đòn trời giáng vào những bộ óc bảo thủ quen nhìn vũ trụ bằng con mắt vật chất định lượng – sinh vật có càng nhiều gene thì càng phức tạp và ngược lại, càng phức tạp thì càng nhiều gene.
Từ chỗ biết rằng số lượng gene không nói lên tính phức tạp sinh học, gần đây di truyền học đã khám phá ra rằng đặc trưng sinh học không tương ứng 1 – 1 với gene, có nghĩa là không phải cứ mỗi gene quyết định một đặc tính sinh học. Steve Jones, giáo sư di truyền học tại Đại học London, nói: “Một từ ngữ bị hiểu sai nhiều nhất trong di truyền học là chữ ‘for’ (dành cho), như trong câu ‘gene dành cho một cái gì đó’. Chẳng có một gene dành cho bất cứ cái gì cả. Một gene chỉ là một chất hoá học mà bạn có thể nhỏ vào một ống nghiệm. Các gene chỉ biểu lộ tác động của chúng theo những tổ hợp riêng biệt, và quan trọng nhất là trong những môi trường riêng biệt. Đó là yếu tố cơ bản”[18].
Có nghĩa là mỗi đặc tính sinh học không tương ứng với một gene cá biệt, mà tương ứng với một tổ hợp gene. Thậm chí các gene trong tổ hợp lại hoạt động theo những cơ chế bật/tắt rất khó hiểu, mà hầu như hiện nay khoa học chưa biết gì về cơ chế đó. Vả lại, với 3 vạn gene, chúng ta sẽ có hàng tỉ tỉ tổ hợp, như thế thì làm sao có thể tự phụ để tuyên bố rằng khoa học đã đạt tới sự hiểu biết tận cùng về cấu trúc di truyền? Và do đó có nên nói rằng Mô hình Chuẩn là sự hiểu biết tận cùng về cấu trúc vật chất? Nếu tồn tại lực thứ năm thì cái gì ẩn đằng sau lực đó? Lại một hạt khác nào nữa chăng?
Đó là cả một câu chuyện dài không có hồi kết. Và chính vì thế mà vật lý sẽ sống mãi. Khát vọng khám phá sẽ sống mãi!
Sydney 12.08.2012
PVHg

[1] Xem “Hạt của Chúa thách thức Mô hình Tiêu chuẩn”, Phạm Việt Hưng, Tia Sáng Tháng 04.2002.
[4] Nguồn chú thích 2
[5] Centre National de la Recherche Scientifique, tức Trung tâm quốc gia về nghiên cứu khoa học của Pháp.
[7] The most beautiful thing we can experience is the mysterious. It is the source of all true art and all science
[8] “Unfinished Symphony” (Bản Giao hưởng Bỏ dở) là tên bản giao hưởng rất nổi tiếng và cuối cùng của Franz Schubert, được coi là một tuyệt tác âm nhạc. Nhiều nhạc sĩ hậu duệ tài ba muốn hoàn thành nốt nhưng không ai thành công. Thậm chí người ta đã dùng computer để giải mã “Schubert’s style” (phong cách Schubert) để theo đó mà viết tiếp, nhưng rồi cũng thất bại. Đối với Madeleine Nash, Lý thuyết Trường thống nhất của Einstein cũng là một “Bản Giao hưởng Bỏ dở”.
[9] tức sự kiện khám phá ra hạt Higgs
[10] Những chữ tô đậm do tôi (PVHg) nhấn mạnh.
[11] Một thành ngữ trong nền văn hoá Tây phương. Nghĩa đen là chiếc chén Chúa Jesus đã dùng trong “bữa tiệc ly” – bữa tiệc cuối cùng với các môn đệ trước khi Chúa bị hành hình; nghĩa bóng ám chỉ những siêu tham vọng, những kế hoạch không tưởng, khó với tới. Nền văn hoá Tây phương thường dùng thành ngữ này với nghĩa bóng.
[12] Xem “Lý thuyết về mọi thứ, một lý thuyết khó đạt được” của Stephen Hawking và Mlodinov, bản dịch của Phạm Việt Hưng trên Khoa học & Tổ quốc Tháng 03.2012, và trên mạng: http://vietsciences.free.fr/ hoặc https://viethungpham.wordpress.com/
[13] “goddamn particle”. Wikipedia, “Peter Higgs”, phần cuối. http://en.wikipedia.org/wiki/Peter_Higgs
[14] Xem “Cuộc săn lùng Hạt thần thánh” của Phạm Việt Hưng trên Khoa học & Tổ quốc Tháng 08-2008, và trên các trang mạng: http://vietsciences.free.fr/ ; https://viethungpham.wordpress.com/
[17] Xem “Từ xác định tới bất định”, David Peat, bản dịch tiếng Việt của Phạm Việt Hưng, NXB Tri Thức 2011, trang 53.
[18] Xem “Gene tội phạm, một dấu hỏi lớn” của Phạm Việt Hưng trên Khoa học & Tổ quốc Tháng 12.2011 và trên các trang mạng: http://vietsciences.free.fr/ ; https://viethungpham.wordpress.com/

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét