Hạt Higgs – Con đường phát minh và khám phá “Hạt của Chúa”

by , under Giới thiệu sách, Uncategorized

 

HẠT HIGGS − CON ĐƯỜNG PHÁT MINH VÀ

KHÁM PHÁ “HẠT CỦA CHÚA”

 

Lời nói đầu. Hạt Higgs sau nửa thế kỷ đã được tìm thấy bởi máy gia tốc LHC, Large Hadron Collider, ở CERN, một khám phá đầy cảm xúc và sự náo động. “Hạt của Chúa”, thông qua cơ chế được gọi cơ chế BEH, tên viết tắt của ba người công bố đầu tiên về cơ chế này là Brout, Englert và Higgs, chính hạt đã tạo khối lượng cho vũ trụ vật chất, và cho bản thân chúng ta, giờ đã “nhìn thấy ánh sáng”. Ngày tìm ra nó là 4 tháng 7, 2012, ít ra theo thông báo chính thức, đúng ngày phá ngục Bastille. Nhưng ở đây, đó là sự phá “Ngục bí mật” sâu thẳm bao quanh hạt tạo vật chất của vũ trụ. Cỗ máy khổng lồ LHC cuối cùng đã “rung” được trường Higgs để đánh bật được hạt Higgs của nó ra. Nó xuất hiện cực kỳ ngắn ngủi nhưng đã để lại các dấu vết mà các máy dò có thể phát hiện được, cũng như sự phân tích đống gạch vụn được để lại giúp tìm ra khối lượng của nó. Hạt Higgs, nếu biết nói, có thể nói với các hạt anh em quark và lepton của mình rằng: “Thân thể của anh em đâu phải là của riêng mình nữa, vì anh em đã được đưa đến đây với một cái giá. Cho nên hãy tôn vinh (Hạt) Thiên Chúa nơi thân xác anh em” như kinh Côrintô do tông đồ Phaolô gửi tín hữu ở Côrintô viết.

Quyển sách Hạt HIGGS của Jim Baggott dưới đây là một trong những quyển sách súc tích nhất mô tả cuộc hành trình kỳ thú của hạt Higgs và cuộc truy tìm đầy kịch tính ở những giờ phút cuối cùng trước khi kết thúc. Chúng tôi, Nguyễn Trọng Hiền, Phạm Xuân Yêm và Nguyễn Xuân Xanh đã chủ trì quyển sách, hiệu đính và viết lời tựa cho nó, ra mắt tháng 1 năm 2014 tại nhà xuất bản TRẺ. Dưới đây xin giới thiệu lời tựa. Xin tìm đọc thêm Kỷ yếu HẠT HIGGS và MÔ HÌNH CHUẨN − CUỘC PHIÊU LƯU KỲ THÚ CỦA KHOA HỌC”, nhà xuất bản Tri Thức, 2014, do Chu Hảo, Pierre Darriulat, Nguyễn Xuân Xanh và Phạm Xuân Yêm làm chủ biên, một tác phẩm rất công phu. NXX (Nov2017)

 

MỘT NHU CẦU HIỆN SINH

Người vô minh nhất ngày nay sống trong một môi trường được xây dựng bởi khoa học, và tiếp nhận ảnh hưởng của nó một cách không ý thức. Chính khoa học đã tạo cho những giấc mơ của họ một nội dung mà nếu sống trong những thế kỷ khác nó sẽ hoàn toàn khác đi.

HENRI POINCARÉ

Thật là một cuộc phiêu lưu vĩ đại nhất, bền bỉ nhất của lịch sử nhân loại − cuộc tìm kiếm này để hiểu vũ trụ, nó hoạt động thế nào, và nó từ đâu đến. Thật khó tưởng tượng nổi rằng một nhóm nhỏ cư dân của một hành tinh nhỏ bé xoay quanh một vì sao tầm thường trong một thiên hà nhỏ lại có một sự hiểu biết toàn diện như mục đích của họ về toàn bộ vũ trụ, một đốm nhỏ của tạo hóa lại thật sự tin rằng họ có thể hiểu được cái toàn thể.

MURRAY GELL-MANN

Chúng tôi rất vui mừng cho ra mắt quyển sách Hạt HIGGS của tác giả Jim Baggott, nhà xuất bản Đại học Oxford, bằng tiếng Việt, để đưa đến công chúng lịch sử cuộc phát minh và khám phá hạt Higgs của nửa thế kỷ qua. Với quyển sách này, những tín hiệu gây dư luận mạnh mẽ nhất của khoa học từ lâu lắm rồi được truyền đến tay bạn đọc, cùng với lịch sử cuộc săn lùng hạt Higgs, sự hình thành của cái được gọi là Mô hình Chuẩn mà hạt Higgs là viên ngọc trong đó. Càng hiểu về lịch sử vật lý thế kỷ 20, và sự hình thành Mô hình Chuẩn và hạt Higgs, càng thấy thú vị.

Tác giả Baggott là một cây bút uy tín về vật lý hiện đại, với nhiều đầu sách có giá trị. Quyển sách này xuất bản đầu tiên cuối năm 2012 lúc hạt Higgs vừa được tìm thấy tháng 7 năm 2012, rất kịp thời phục vụ độc giả thế giới để hiểu rõ sự hình thành các ý tưởng dẫn đến cơ chế Higgs1 và sự tìm ra hạt Higgs. Cơ chế Higgs chính là cơ chế tạo khối lượng của các hạt vật chất. Các hạt này tự nó, nguyên thủy, không có khối lượng, như các hạt photon của ánh sáng. Nếu các hạt vật chất không có khối lượng, thì sẽ không có trái đất, thiên hà, vũ trụ, và chúng ta, tất cả sẽ là một thế giới ‘hư không’ của các hạt quark và plasma lỏng lẻo.

Anh bia 1 Hat Higgs

Nhà xuất bản TRẺ, 2014

Chính nhờ cơ chế Higgs, xuất hiện trong vũ trụ vào một thời điểm nhất định của thuyết tiến hóa Big Bang khi nhiệt độ vũ trụ giảm dần, mà các hạt vật chất như electron, quark mới có khối lượng, bằng cách tương tác với trường Higgs. Hạt Higgs chính là hạt của trường Higgs, tương tự như hạt photon là hạt của trường điện từ, cho nên sự khám phá nó vào mùa hè 2012 chính là sự xác nhận cuối cùng và trọn vẹn sự tồn tại của trường và cơ chế Higgs mà các nhà vật lý hạt như Glashow, Salam và Weinberg đã từng sử dụng 45 năm trước cho lý thuyết của mình để hiểu tính thống nhất của hai lực điện từ và lực yếu. Sự sử dụng thành công này mặc nhiên giả định trường Higgs là tồn tại trong vũ trụ. Nhưng cần phải gần nửa thế kỷ Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu, CERN, mới ‘lôi’ ra được chứng tích là hạt Higgs của trường này, với bao nhiêu tốn kém và công sức của một đạo quân khoa học, kỹ sư chuyên nghiệp của thế giới.

Vật lý hạt của thập niên 1960 là ‘sơ khai’ và một mớ hỗn độn. Lúc đó người ta chỉ mới biết cấu tạo của nguyên tử là electron vòng ngoài, và hai loại hạt proton và neutron là các thành viên cấu tạo nhân nguyên tử. Ngoài ra, người ta lại khám phá từ các tia bức xạ vũ trụ trên trời và trong các máy gia tốc đầu tiên ngày càng nhiều hạt lạ không biết sắp xếp chúng vào đâu. Loại nào là những hạt cơ bản, loại nào là hạt hỗn hợp? Và tự nhiên được cấu tạo theo những định luật nào? Có nhiều hạt được khám phá đến nỗi nhà vật lý học Enrico Fermi bảo “Nếu tôi biết tên hết các hạt lạ, tôi sẽ trở thành nhà thực vật học mất”, hay như nhà vật lý giải Nobel Willis Lamb nói đùa trong bài diễn văn nhận giải rằng, bây giờ ai phát hiện ra hạt mới nữa không những không được giải Nobel mà phải bị phạt 10.000 đô la Mỹ!

Những năm 60 của thế kỷ trước là thời kỳ rối rắm và khủng hoảng trên sân khấu vật lý hạt, cũng như trên sân khấu chính trị thế giới. Sau một thời gian hồ hởi với sự thành công tuyệt vời của thuyết điện động học lượng tử QED, điều đã đem lại giải Nobel cho những người đã xây dựng nó là Schwinger, Feynman và Tomonoga, thị trường của trường lượng tử (Quantum Field Theory) sụp đổ, giới vật lý từ Tây sang Đông nản lòng, thuyết ‘dân chủ hạt nhân lên ngôi’, trừ một số ít kiên trì tiếp tục. Lý do: một khó khăn không thể vượt qua là các thừa số vô cực xuất hiện trong các phép tính, khiến không thể tính toán được nếu đi xa hơn QED. Các thuyết trường lượng tử là những công cụ diễn tả thế giới vi mô chính xác nhất và phù hợp nhất. Cho nên đó là một sự thất vọng lớn.

Thuyết trường chuẩn Yang-Mills, vốn được xây dựng như một sự mở rộng của thuyết QED để ứng dụng cho các lực mạnh trong nhân nguyên tử đang được tìm kiếm lại có điểm yếu khiến nó không ứng dụng được. Đó là các hạt boson truyền lực của thuyết Yang-Mills lại không có khối lượng, giống như trường hợp của photon là hạt truyền lực không khối lượng của lực điện từ. Điều này không thể đúng với thực tế. Lực hạt nhân phải là rất mạnh so với lực điện từ, để giữ được các hạt proton và neutron ở lại trong nhân của nguyên tử, do đó các hạt truyền lực phải có khối lượng, lớn nữa là khác. Theo Yukawa, các lực tương tác bằng cách truyền các hạt tải lực. Hơn nữa, những khó khăn trong tính toán khi gặp những thừa số vô cực chưa được biết xử lý cách nào bằng kỹ thuật được biết dưới tên ‘tái chuẩn hóa’.2 “Tái chuẩn hóa” là “tiếng kèn gọi chiến đấu” cho những tài năng đang được chờ đợi để giải phóng thuyết trường lượng tử. Dòng suối mát mẻ đã chảy và mời gọi, nhưng chưa ai tắm được, mà chỉ để ngắm nhìn.

Tiếng vang của sấm sét từ thí nghiệm của Bà Chien Shiung Wu năm 1956, một năm sau khi Einstein mất, dựa theo ý tưởng của hai nhà khoa học trẻ gốc Trung Hoa L.D. Lee và C.N. Yang, cho thấy ‘Chúa thuận tay trái’, không hề theo ý muốn chủ quan của những nhà vật lý học, kể cả những tên tuổi như Wolfgang Pauli, Julian Schwinger hay Richard Feynman. Sự đối xứng đã bị phá vỡ, tạo ra một không khí khủng hoảng, tác động vào não trạng của giới vật lý toàn thế giới, tạo ra thời kỳ ‘hậu hiện đại’ của vật lý. Nhưng “nếu đối xứng là cái vĩ đại, thì bất đối xứng tỏ ra là cái vĩ đại không kém”, như nhà vật lý học nữ đương đại Lisa Randall của Đại học Harvard nói. Bất đối xứng sẽ tỏ ra là ‘bà mụ’ của vật chất trong vũ trụ. Không có bất đối xứng, không có chúng ta.

Nhưng ở đâu có nguy cơ, ở đó xuất hiện sự cứu rỗi, như nhà thơ Đức Hölderlin nói. Chính trong thập kỷ đầy rối rắm 1960 xuất hiện những ý tưởng cứu rỗi. Đó là Mô hình quark của Murray Gell-Mann và George Zweig (Mỹ, độc lập nhau). Mô hình nói quark mới là các hạt cơ bản. Các proton, neutron là các tổ hợp của 3 quark. Tất cả các hạt quan sát trong ‘vườn thú hạt’ cũng thế, là tổ hợp của 3 (baryon) hay 2 quark (meson), tùy theo loại hạt (được gọi chung là các hadron, từ đó có tên Large Hadron Collider, LHC, máy gia tốc chùm hạt hadron).

Năm 1964, sáu nhà vật lý học đưa ra ‘cơ chế Higgs’ (xem chú thích 1) nhưng duy nhất Peter Higgs lần đầu tiên đề cập sự hiện hữu của một hạt sau này được ‘rửa tội’ thành “hạt boson Higgs” trong ngôn ngữ thông dụng.

Cơ chế BEH sau đó được đưa vào thuyết thống nhất lực điện từ và lực yếu của Salam và Weinberg. Thế giới vi mô được chi phối bởi 3 lực căn bản: lực điện từ, lực yếu (gây ra sự phân rã beta của hạt nhân nguyên tử), và lực mạnh gắn kết các quark. Còn lực căn bản thứ tư là lực hấp dẫn có tác dụng không đáng kể ở thế giới vi mô này. Hai lực điện từ và yếu nguyên thủy vốn là xuất hiện một thời gian sau Big Bang.

Nhưng khi nhiệt độ hạ xuống, một trường Higgs hình thành chiếm ngự cả không gian, có tác dụng tách hai lực đó ra, bằng cách các hạt truyền lực yếu (W+, W−, và Z0) tương tác với trường Higgs và trở nên có khối lượng, trong khi hạt photon của ánh sáng thì không tương tác với trường Higgs, do đó không có khối lượng, đó là hạt của ánh sáng. Hạt Higgs có thể nói đã tách hai lực điện từ và yếu ra, làm một cuộc ‘phá vỡ đối xứng tự phát’ của lực điện-yếu. Về mặt toán học, thuyết điện-yếu được dựa trên thuyết Yang-Mills và cơ chế Higgs/BEH. Với sự kết hợp này, các boson của Yang-Mills đã trở nên có khối lượng, một khó khăn đã vượt qua. Nhưng khó khăn chưa hết, vì thuyết điện-yếu chưa chứng minh được ‘tái chuẩn hóa’, vấn đề hóc búa nói ở trên.

Tất cả những ý tưởng nói trên, thuyết Yang-Mills của Chen Ning Yang và Robert Mills (cả hai Mỹ, Yang gốc Trung Hoa); mô hình quark; cơ chế Higgs hay BEH; thuyết thống nhất lực điện-yếu của Glashow, Salam và Weinberg (Mỹ, Pakistan và Mỹ), đều không được dư luận chấp nhận từ đầu, nhưng từng bước những khó khăn được khắc phục.

Bước vào thập niên 1970, tính đúng đắn của của các thuyết trên dần dần được các phòng thí nghiệm quốc tế xác nhận. Các hạt vật chất, gọi là fermion, gồm quark và lepton, lần lược được tìm thấy ở Hoa Kỳ, bao gồm các hạt quark từng bị chống đối. Sự khám phá chứng tích của quark duyên một cách thuyết phục năm 1974 bởi Samuel Ting (Mỹ gốc Trung Hoa) ở phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven và Burton Richter (Mỹ) ở máy gia tốc SLAC là “cuộc cách mạng tháng Mười một” dập tắt mọi sự nghi ngờ về quark.

Trong khi đó, như một sự phân chia có tính định mệnh, các hạt truyền lực, gọi là boson, được tìm thấy ở châu Âu, gồm có các hạt truyền lực yếu W+, W−, và Z0 được khám phá tại CERN. Đầu những năm 1970 thuyết lực mạnh, còn gọi là sắc động học lượng tử (QCD), được xây dựng, dựa trên mô hình quark và thuyết Yang-Mills, giống như thuyết lực điện-yếu. Năm 1971, đùng một cái, thuyết lực thống nhất điện-yếu được người sinh viên trẻ Gerardus ‘t Hooft và thầy mình Martinus J.G. Veltman chứng minh tái chuẩn hóa được một cách tài tình ngoài sự tưởng tượng của mọi người. Giới vật lý quay lại thuyết trường lượng tử sau khi đã từ bỏ nó ở thập niên trước.

Những mảnh zig-zag của một bức tranh về một thế giới quan mới lần được đưa vào đúng vị trí của chúng, tạo thành cái nay được gọi là Mô hình Chuẩn. Một năm sau khi chiến cuộc Việt Nam chấm dứt, thì Glashow viết trên The New York Times Magazine tháng bảy 1976, rằng Mô hình Chuẩn đã trở thành triết học chính thống mới của vật lý hạt, chấm dứt giai đoạn ‘loạn sứ quân’ của thời 50 và 60, lúc mọi người chống lại mọi người. Giai đoạn vinh quang đó có thể được gọi là thời ‘hậu chiến’, lúc các nhà vật lý hạt không còn phải vất vả chiến đấu nữa. Thực nghiệm xác nhận chính xác tất cả những tiên đoán của Mô hình Chuẩn và mọi hiện tượng cấp dưới nguyên tử được giải thích. Các hạt lực W+, W−, và Z0 của lực yếu mãi đến năm 1983 mới được tìm thấy ở CERN, bởi nhà vật lý Ý Carlo Rubbia và nhà thiết kế Hà Lan Simon van der Meer, trong khi các hạt lực gluon của lực mạnh được tìm thấy ở trung tâm gia tốc Đức DESY, Hamburg. Những năm 1980 và 1990 là giai đoạn hoàn chỉnh và củng cố. Không còn những ‘tiếng sét ngang tai’ nào nữa xuất hiện không tương thích với Mô hình Chuẩn như từng xảy ra những năm 1950/60. Không có kết quả thí nghiệm nào, hay lý thuyết nào có thể thách đố Mô hình Chuẩn.

Chỉ còn một hạt duy nhất vẫn mất dạng. Leon Lederman gọi nó là ‘hạt trời đánh’, bởi khó tìm quá, trọng lượng của nó lớn, nên tìm nó rất tốn kém. Nhà xuất bản sách của Lederman đổi tên lại từ ‘Hạt trời đánh’ sang “Hạt của Chúa”. Cuối cùng, tháng 7, 2012, cỗ máy LHC của CERN phát hiện được qua những cách phân rã của nó, một phương pháp phổ biến trong các máy gia tốc để ‘nhìn’ thấy các hạt bí ẩn nhất của thế giới vi mô. Quark không bao giờ phát hiện được dạng tự do như electron, vì nó bị nhốt vĩnh viễn trong nhà tù hồng ngoại bởi các gluon, hạt truyền lực mạnh, những kẻ canh tù nghiêm ngặt. Ở trong thế giới đó, các quark được hưởng chế độ tự do tiệm cận, đi lại bình thường khi chúng ở gần nhau. Nhưng chúng không thể thoát ra những cái vỏ chứa nó là các proton và neutron, hay những hadron khác. Người ta ‘thấy’ nó qua vết của nó để lại trong các mốt phân rã có thể có. Cuộc cách mạng tháng Mười một cũng đã nhìn thấy quark duyên như thế, không phải qua những tấm màn che, mà qua dấu vết gián tiếp để lại trong các ‘đống gạch vụn’ của các sự va chạm và phân rã ở năng lượng cao.

Con người đã đạt đến một đỉnh rất cao của tri thức.
Bức tranh Người đi dạo trên biển sương mù của
danh hoạ Đức Caspar David Friedrich (1818), có thể minh hoạ
sự nhận thức toàn cảnh tương đối của con người.

Vật lý hạt vào nửa sau của thế kỷ 20 đã trở thành vật lý năng lượng cao, do các hạt có khối lượng lớn chỉ tìm được ở những vùng năng lượng cao, đòi hỏi các máy gia tốc phải cung cấp được. Việc đi tìm hạt Higgs minh họa nổi bật cái được gọi ‘Big science’ ở qui mô chưa từng thấy. Không có sự hợp tác của hàng vạn khoa học gia, kỹ sư, chuyên viên, quản lý, từ hàng chục quốc gia trên thế giới, không có những công nghệ tinh vi nhất thế giới để xây dựng cỗ máy gia tốc LHC và các cỗ máy dò như ATLAS và CMS thì không thể tìm ra hạt Higgs. Quyển sách Hạt Higgs sẽ đem lại cho độc giả cảm giác về sự lớn lao của trí tuệ và những sản phẩm công nghệ của nó trong cuộc truy tìm ‘hạt của Chúa’. Nhưng LHC không chỉ có nhiệm vụ đó, mà còn thăm dò những lãnh vực tiếp theo của sự hình thành Big Bang và của các thuyết thống nhất đang nhắm tới. Con người đã chơi bài poker với Thượng đế mà không biết trước các luật chơi, như Isaac Isamov nói, nhưng từng bước đã hiểu được luật chơi của Ngài.

Giả thuyết nguyên tử của Leucippus và Democritus, theo đó vật chất được cấu tạo bằng các nguyên tử không chia cắt được nằm trong chân không, sau 25 thế kỷ được cắt nghĩa trọn vẹn. Một bước đi ‘khổng lồ’ của sự ‘chinh phục’ bằng trí tuệ con người. Quá trình hiểu biết các quy luật tự nhiên luôn thay đổi và tinh tế. Cấu tạo vật chất đi từ phân tử thế kỷ 18, 19, xuống nguyên tử đầu thế kỷ 20, với electron và các hạt thô như proton và neutron, rồi cuối cùng đến các quark mấy thập niên sau đó. Khái niệm khối lượng của Newton trong Principia, xuất hiện trong định luật thứ nhất của chuyển động F = ma,3 sau ba trăm năm nay được Mô hình Chuẩn giải mã. Khối lượng của vật chất là không tự có, mà phải ‘vay mượn’ từ tương tác của các hạt vật chất fermion với trường Higgs, và từ những tương tác của các quark với các gluon của lực mạnh gìn giữ chúng. Chính lực mạnh, hay sắc động học lượng tử QCD, để giữ các hạt quark làm thành nhân nguyên tử, đã tạo ra phần lớn năng lượng chúng ta nhìn thấy trong vũ trụ. Lạ lùng và huyền diệu làm sao.

Hệ hình của khoa học đã luôn thay đổi: hệ hình lực hấp dẫn của Newton thế kỷ 17 được thay thế bằng hệ hình thuyết tương đối rộng Einstein đầu thế kỷ 20; hệ hình thuyết điện từ của Maxwell thế kỷ 19 được thay thế bằng hệ hình thuyết điện động học lượng tử QED của những năm giữa thế kỷ 20 cho phù hợp với thuyết tương đối hẹp của Einstein để mô tả tương tác giữa photon và vật chất. Sau đó, QED được thay thế bằng hệ hình Yang-Mills rộng hơn cho các hạt dưới nguyên tử, từ đó thuyết điện-yếu thống nhất và sắc động học lượng tử QCD, các cột trụ của Mô hình Chuẩn.

Vật lý đã chứng minh, chúng ta phải nhìn, và học cách nhìn thế giới bằng con mắt luôn luôn khác. Các thành kiến phải nhường bước cho những cách tiếp cận khác. Những gì không thể tiếp cận được hôm nay, như nguyên tử thế kỷ 19, có thể được tiếp cận được ngày mai (Jean Perrin).

Từ Mô hình Chuẩn như một bàn đạp vững chắc, con người sẽ nhìn xa hơn về các khả năng thống nhất các lực, với những cái tên như Đại thống nhất (GUT), Siêu Đối Xứng (Supersymmetry), Lý thuyết Dây (String theory). Lực mạnh chưa được thống nhất với lực điện-yếu. Lực hấp dẫn cũng còn lơ lửng. Thuở tạo thiên lập địa, người ta tin, có một lực chung là nguồn gốc của tất cả các lực. Cái gì Chúa đã tách ra, con người đang tìm cách ghép lại. Được hay không, đó là chuyện khác.

Với Mô hình Chuẩn và hạt Higgs chúng ta đang đứng ở đâu? Cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất xảy ra với Galilei, Kepler và Newton, thế kỷ 17 với những nghiên cứu về chuyển động, lực và vật chất, đặt nền tảng cho phương pháp khoa học hiện đại. Cuộc cách mạng thứ hai đầu thế kỷ 20, với thuyết tương đối, lượng tử và sự khám phá phóng xạ, có thể được xem là một cuộc cách mạng lớn trong khoa học, và vật lý được xem như một ‘vật lý mới’. Cuộc cách mạng này ảnh hưởng đến toàn bộ diễn tiến khoa học và công nghệ của thế kỷ 20, và đem lại sự thay đổi lớn lao của bộ mặt thế giới. Nếu không có cuộc cách mạng khoa học đó, khó hình dung cuộc sống ngày nay với những phúc lợi và tiện nghi từ hàng gia dụng điện tử, phương tiện nghe nhìn như đầu đĩa CD, DVD, thông tin như iPhone, iPad, xe hơi có hệ thống định vị GPS, đến máy tính điện tử, khám chữa bệnh với thiết bị y khoa chẩn đoán hình ảnh hiện đại, vân vân. Như C.P. Snow viết trong Hai nền văn hóa: “Cuộc cách mạng khoa học là con đường duy nhất mà trên đó đa số con người có thể đạt đến những phúc lợi cơ bản (cuộc sống lâu, đầy đủ thực phẩm, con cái lành mạnh), những phúc lợi mà chúng ta nhận lấy một cách đương nhiên, nhưng lại là những phúc lợi trong thực tế chỉ được mang lại cho chúng ta chỉ vì cách đây không lâu chúng ta đã có cuộc cách mạng khoa học. Phần lớn con người đã hối hả lao vào cuộc cách mạng đó như cơ hội cho phép họ.”

Mô hình Chuẩn có thể nói là một phần quan trọng của một cuộc ‘cách mạng thứ ba’ đang diễn ra. Cuối thế kỷ 20, tầm quan trọng và ảnh hưởng đầy đủ của cuộc cách mạng khoa học đầu thế kỷ 20 mới được hiểu hết. Vật lý học đã ‘quét’ một vùng quang phổ rộng lớn từ những kích thước khổng lồ như vũ trụ của Newton đến những kích thước vô cùng nhỏ như thế giới quark của Gell-Mann và đang nhắm tới những vùng trời khác, xa hơn. Thiên văn vật lý, Vũ trụ học là những nối tiếp tức thời của Vật lý hạt mà hạt neutrino là chiếc cầu nối. Năng lượng tối và vật chất tối còn huyền bí. Sự thống nhất của Lượng tử và Tương đối rộng vẫn còn trên bàn nghị sự. Vân vân.

“Nhiều nhà khoa học cao tuổi nhìn lại một cách hoài cổ ba mươi năm đầu của thế kỷ 20, và gọi đó là thời đại vàng son của vật lý. Tuy nhiên các nhà sử học có thể nhìn những năm đó như buổi bình minh của ngành ‘Vật lý mới’. Những sự kiện mà thuyết tương đối và lượng tử đã gây chuyển động chỉ bây giờ mới tác động đầy đủ lên khoa học, và nhiều nhà vật lý tin rằng thời đại vàng son chỉ là sự bắt đầu của cuộc cách mạng.” (Paul Davies)

Tìm kiếm nguồn gốc của vật chất, vũ trụ và con người, từ đâu đến và sẽ đi về đâu, luôn là nhu cầu hiện sinh đích thực con người để thỏa mãn các khát vọng tri thức về mình, và, như Henri Poincaré nói, “kể lại lịch sử của vũ trụ và tái tạo sự tiến hóa đã qua của nó”. Sự hiểu biết khoa học giúp tạo nên Weltanschauung, thế giới quan, một cách nhìn toàn diện về vũ trụ và quan hệ của nhân loại với nó. Con người không phải luôn luôn lấy sự lợi lộc vật chất trước mắt làm thước đo, mà lấy sự tò mò trí tuệ, và tri thức có tính triết học để làm hướng đạo. Con người muốn đặt mình vào sự hài hòa với vũ trụ. Từ nghìn xưa như thế. Đó gần như một nhu cầu có tính ‘tôn giáo’ không cần đến thần linh, hay một ‘tín ngưỡng vũ trụ’ của Einstein, hoặc một “pre-established harmony” của Leibniz.

Chúng tôi hy vọng với quyển sách này gửi gắm đến quý độc giả, nhất là các bạn trẻ, những cảm hứng nóng hổi của cuộc phiêu lưu kỳ thú của khoa học thế kỳ 20. Khoa học góp phần làm cho văn hóa phong phú, có những nhân tố sáng tạo hơn cho tư duy của cư dân trong đó. Con đường hiểu biết Trời vận hành ra sao không phải lúc nào cũng bằng phẳng, nhìn là thấy, cho nên đòi hỏi sự tìm hiểu kiên nhẫn của người đọc. Chương 10 của quyển sách cho thấy sự nỗ lực thông minh phi thường của các nhà khoa học trước những vấn đề hóc búa trong cuộc truy tìm hạt Higgs. Đó là chương gây hồi hộp nhất trước khi đến cao điểm của niềm vui ‘chiến thắng’. Chúng ta sẽ đánh giá được những thành quả khoa học của nhân loại nhiều hơn, khi chúng ta kiên nhẫn để hiểu chúng chi tiết hơn. Thượng đế cũng có mặt trong các chi tiết khó khăn nhất mà con người phải thông minh vượt qua để nhìn thấy trọn vẹn tác phẩm của Ngài. Hiểu những khó khăn lớn lao, về lý thuyết cũng như thực nghiệm, chúng ta mới trân trọng thêm trí tuệ của con người. Nó vĩ đại làm sao, theo cái vĩ đại của Tạo hóa.

Chắc chắn phần dịch thuật này không tránh khỏi những sơ sót và bất cập, như tất cả các cuộc dịch thuật khác. Chúng tôi hoan nghênh ý kiến xây dựng của bạn đọc. Tác phẩm này đã được dịch ra nhiều ngôn ngữ khác như Pháp, Ý, có cả tiếng Hoa. Chúng tôi và nhà xuất bản TRẺ rất vui đã có hành động kịp thời để sớm có phiên bản Việt Nam phục vụ bạn đọc. Ngoài ra, bạn đọc có thể tham khảo thêm Kỷ yếu “Hạt Higgs và Mô hình Chuẩn. Cuộc Phiêu Lưu Kỳ Thú Của Khoa Học”, nxb Tri Thức, của nhóm chủ biên Cao Chi−Chu Hảo−Pierre Darriulat−Nguyễn Xuân Xanh và Phạm Xuân Yêm, một công trình công phu về cuộc phiêu lưu kỳ thú của khoa học.

Trân trọng cám ơn, và xin mời quý đọc giả bắt đầu cuộc hành trình kỳ thú của thế kỷ.

Nguyễn Trọng Hiền

Nguyễn Xuân Xanh

Phạm Xuân Yêm


Chú giải:

1. Danh từ “Cơ chế Higgs” mà chúng tôi dùng ở đây thật ra không chính xác lắm, nhưng do thói quen. Bởi đó là cơ chế được 6 người hiền tìm ra trong cùng một năm 1964. Ba vị đầu là Robert Brout, François Englert (một nhóm) và Peter Higgs; ba vị sau là Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen và Tom Kibble (một nhóm). Cơ chế đó ngày nay được đồng thuận gọi là cơ chế BEH của ba vị đầu. Giải Nobel Vật lý 2013 có lẽ được chọn phát cho ba vị đầu, nhưng vì Robert Brout đã mất, nên giải chỉ dành cho hai vị thôi. Người ta có thể gọi cơ chế của cả 6 vị là BEHGHK. Đó là vẫn chưa tính đến các vị đỡ đầu Philip Anderson, và Yoichiro Nambu, những người đã có những ý tưởng đầu tiên có tính ‘đánh tiếng chuông’, nhưng họ không nghiên cứu tiếp. Xin xem thêm kỷ yếu “Hạt Higgs và Mô hình Chuẩn” được nhắc dưới đây.

2. Ngoài khó khăn tái chuẩn hóa ra nhằm giải quyết thoả đáng các phân kỳ, còn một khó khăn lớn nữa là, thuyết Yukawa tuy cũng tái chuẩn hóa được như QED nhưng hằng số tương tác của lực mạnh Yukawa lại lớn hơn 1 nên phép tính toán nhiễu loạn (perturbative method) không áp dụng được, trong khi QED dùng perturbative method được vì hằng số tương tác điện từ = 1/137, nhỏ hơn 1. Sở dĩ sắc động học lượng tử QCD lên ngôi là vì hằng số tương tác của QCD nhỏ hơn 1 do tính chất tự do tiệm cận (asymptotic freedom) của các hạt quark. Các thuyết trường lượng tử, kể cả thuyết siêu dây, đều phải sử dụng phương pháp nhiễu loạn và  người ta chỉ  biết duy nhất có phép tính toán này thôi.

3. Lực = khối lượng nhân với gia tốc