Sự phá vỡ tự phát của tính đối xứng

Hãy lấy thí dụ cụ thể về định luật vạn vật hấp dẫn cổ điển Newton áp dụng vào hệ thống Mặt trời và Trái đất để minh họa.

Định luật hấp dẫn tuân thủ phép đối xứng quay trong không gian ba chiều với bất kỳ một góc nào chung quanh Mặt trời, luật đó bảo cho ta là quỹ đạo hình bầu dục của Trái đất có thể nằm trong bất kỳ một mặt phẳng xích đạo nào của quả cầu có tâm là Mặt trời.

Nhưng hệ thống Mặt trời và Trái đất, nghĩa là nghiệm số của phương trình hấp dẫn, chỉ chọn một quỹ đạo duy nhất trong muôn vàn quỹ đạo có thể.

Định luật thì có đối xứng quay trong không gian ba chiều của hình cầu, trong khi trạng thái thì chỉ có đối xứng quay bị thu hẹp lại trong không gian hai chiều của mặt phẳng.

Nằm trên quỹ đạo phẳng đó ta có thể nhầm tưởng là tính đối xứng quay nói trên bị phá vỡ, nhưng thực ra không thế, nó chỉ bị che khuất trong mặt phẳng.

Tìm ra phương trình là một chuyện, nhưng giải phương trình để có nghiệm số thỏa mãn điều kiện ban đầu nào đó lại là một chuyện khác. Ở đây ta giới hạn điều kiện ban đầu là năng lượng cực tiểu và nghiệm số tương ứng gọi là trạng thái căn bản hay chân không.

Do vật chất (và năng lượng) được đặt vào chân không nên mọi sự trở nên đa dạng, phức tạp trong vũ trụ. Vì được coi là trạng thái đối xứng hoàn hảo nhất, nó bất biến bởi mọi chuyển đổi và do đó ta có thể nghĩ rằng chỉ có duy nhất một chân không (nơi vật chất vắng mặt).

Nhưng có nhiều trường hợp không phải như vậy, có thể có muôn vàn trạng thái căn bản tương đương nhau, chẳng sao phân biệt, ta phải chọn cụ thể một trạng thái nhất định nào đó để xác định chân không. Tính đối xứng không bị phá vỡ trong toàn thể, nhưng về cục bộ thì nó bị che khuất trong chân không, đó là SBS minh họa bởi Hình 3.

Hình 3- Minh họa hiện tượng SBS: Thế giới hoàn toàn đối xứng chung quanh trục thẳng đứng, khi cậu nhỏ nhìn từ đỉnh cao chót (nhưng bấp bênh) của nón. Sàn dưới (trạng thái căn bản) vững chắc nhưng nghiêng xa trục thẳng đứng, đối xứng vẫn còn nhưng chỉ cục bộ đâu đó trong vìa nón thôi.

Hiện tượng SBS khá phổ biến trong vật lý mà vật liệu sắt-từ (kim loại sắt hay kền) là một thí dụ. Định luật cơ bản chi phối chất sắt-từ thì hoàn toàn đối xứng trong sự phân phối spin (coi như những la bàn nhỏ xíu) của các nguyên tử kền.

Spin song song của chúng không có một chiều hướng nào giữ ưu thế trong toàn thể không gian ba chiều. Nhưng trong một thỏi nam châm của vật liệu sắt-từ, nghĩa là trong trạng thái căn bản của các nguyên tử kền, thì chiều spin song song của các nguyên tử này lại chỉ có một chiều nhất định bắc nam thôi, vậy trạng thái đó chỉ còn có một đối xứng thu hẹp trong mặt phẳng.

Cũng vậy, siêu dẫn điện-từ minh họa hiện tượng SBS. Tính siêu dẫn của một số vật liệu ở nhiệt độ thấp là một đặc trưng của vật lý lượng tử, nó không có điện trở, vì thế nó trục xuất bất kỳ một điện trường lớn nhỏ ở ngoài áp đặt vào nó.

Hơn nữa, để gần vật liệu siêu dẫn thì thỏi nam châm bị đẩy ra ngoài, từ trường bị trục xuất ra khỏi vật liệu siêu dẫn, đó là hiệu ứng Meissner- Ochsenfeld. Hiệu ứng này có thể là cội nguồn cho xe lửa trong tương lai được nâng lên trên đường ray, không bị lực ma sát nên xe lửa chạy nhanh (phụ chú 3e).

Như vậy vật liệu siêu dẫn ngăn chặn tầm truyền của trường điện từ, nó là một hệ thống trong đó photon chỉ có thể tác động trong một khoảng cách ngắn, khác với bản chất tự tại của sóng điện từ có thể truyền đi vô hạn.

Khi chuyển động trong vật liệu siêu dẫn thì photon, boson chuẩn của điện từ, bị cản trở bởi một bức tường chắn và như vậy photon tác động giống như mang một khối lượng, mặc dầu phương trình điện từ Maxwell của nó vẫn tuân theo đối xứng chuẩn.

Bức tường chắn đó trong thuyết siêu dẫn BCS là trạng thái căn bản của muôn ngàn cặp Cooper, cặp liên kết hai electron có spin đối nghịch và như vậy cặp này mang spin 0.

Mỗi cặp Cooper mang điện tích -2e nhưng vì có spin 0 nên những cặp này có thể hòa đồng chung sống tựa như một đông tụ Bose-Einstein. Mỗi electron thì cô đơn và có cá tính mạnh mẽ, nhưng kỳ lạ thay ở một hoàn cảnh đặc biệt nào đó (nhiệt độ thấp) chúng lại dễ kết cặp với nhau, mỗi cặp tuy mảnh mai nhưng khi tụ họp đông đảo lại hòa đồng để vận hành như một dòng chảy thuần khiết của muôn ngàn điện tích và trở nên siêu dẫn.

Mặc dù photon có khối lượng khác 0, đối xứng chuẩn trong siêu dẫn điện từ không hề bị phá vỡ, nó chỉ bị che khuất đi bởi các cặp Cooper ở trạng thái căn bản, hiện tượng siêu dẫn là một biểu hiện sự phá vỡ tự phát của tính đối xứng chuẩn.

Sắt-từ, Siêu dẫn điện từ là hai thí dụ của SBS.

Hiện tượng SBS giúp ta hiểu tại sao boson chuẩn photon, trên nguyên tắc phải không có khối lượng, cuối cùng lại hóa ra có khối lượng trong hiện tượng siêu dẫn. Nó quả là một diệu pháp khiến cho hai boson chuẩn không khối lượng của lực yếu W, Z dựa vào để có khối lượng.

Nhưng mang khối lượng cho boson chuẩn chưa đủ, hãy còn một vướng mắc cuối phải vượt qua để cho cơ chế BEH được nhất quán và chính xác trên nguyên tắc.

Thực thế, một định lý do J. Goldstone khám phá ra, theo đó thì hậu quả tất yếu của SBS là phải xuất hiện một hạt không khối lượng, không spin, được gọi là boson Nambu–Goldstone (NG). Ta có thể cảm nhận bằng trực giác định lý Goldstone khi quan sát cậu nhỏ trên vành nón.

Cậu chẳng cần mất một chút năng lượng nào mà vẫn có thể di chuyển dễ dàng suốt quanh vành nón vì bất kỳ trạng thái căn bản nào trên vành nón cũng đều giống hệt nhau. Không cần một chút năng lượng nào để biến chuyển thì cũng tựa như dựa vào tác động của một hạt nhạt phèo, không khối lượng, không spin, đó chính là boson NG mà thực nghiệm có thể dễ dàng phát hiện, nếu có thật. Nhưng phiền toái thay, chẳng ai thấy bóng vía của boson NG hiện ra bao giờ cả, nó thực là một di sản cồng kềnh của SBS cần phải loại bỏ.

P. Higgs và đồng nghiệp đã thành công trong cách chứng minh được sự triệt tiêu này. Ta có thể tóm tắt nôm na là họ đạt hai đích với một mũi tên qua hình ảnh boson chuẩn khởi đầu nhẹ tênh (không khối lượng) đã nuốt chửng boson NG để cuối cùng trở thành W, Z nặng nề của lực yếu.

Không những mang khối lượng cho W, Z, trường Higgs cũng mang khối lượng cho quark và lepton với đặc điểm là khối lượng của chúng tỷ lệ thuận với lực tương tác với boson Higgs. Với trường Higgs thì quark top tác động mạnh mẽ nhất, neutrino hay electron lại quá hững hờ, còn photon thì hoàn toàn vô cảm.

Ý nghĩa của hiện tượng Higgs như lời tạm kết

Nếu hiện tượng vừa khám phá ở CERN được kiểm chứng sau này phù hợp với những đặc tính của boson Higgs (spin 0, những kiểu phân rã và sản xuất đúng như tiên đoán của Mô Hình Chuẩn) thì chúng ta đang chứng kiến một chương cũ sắp khép và một trang sử mới đang ló dạng trong vật lý.

Khép chương cũ vì đã hoàn tất một đoạn đường dài là tất cả 17 hạt cơ bản trong Hình 1 đều được thực nghiệm khám phá hết cả, không còn gì thiếu sót. 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.

Chương mới, vì cơ chế BEH thực sự lên ngôi, nó nhất quán, chính xác trên lý thuyết lại được thực nghiệm khẳng định. Cơ chế BEH này có thể ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều ngành khác, nó được sinh ra qua một hôn phối đặc biệt giữa hai ngành xa lạ: vật lý chất đông đặc (siêu dẫn) và vật lý hạt (lực yếu của neutrino), boson Higgs là hình ảnh của cặp Cooper liên kết hai electron.

Cách tiếp cận quy giản của các nhà vật lý hạt qua sự tìm kiếm phương trình cơ bản, đã huởng thụ cách tiếp cận mở, hiệu dụng thiên về tìm kiếm xấp xỉ những nghiệm số của phương trình Maxwell đã biết sẵn, quả là một bài học phong phú của phương pháp luận.

Chương mới, vì đây là lần đầu xuất hiện một hạt cơ bản duy nhất có spin 0 mang khối lượng cho vạn vật. Các hạt khác đều có spin khác 0: vật chất tượng trưng bởi quark và lepton có spin ½, boson chuẩn (lực nối kết và truyền tải thông tin để cho các viên gạch cơ bản của vật chất tương tác với nhau) có spin 1.

Trường vô hướng Higgs tràn ngập trạng thái chân không của vũ trụ ngay từ thủa sơ khai Big Bang, tương tác đặc biệt của nó với vật chất là để cung cấp khối lượng cho chúng.

Càng tương tác mạnh bao nhiêu với trường Higgs, vật chất lại càng được tăng khối lượng bấy nhiêu, tựa như người không biết bơi, càng vùng vẫy mạnh càng nặng thêm mà chìm xuống, càng bất động im hơi càng nổi bềnh bồng.

Quan điểm về khối lượng có thể đổi khác từ nay, sự tương tác trao đổi trong chân không lượng tử, một vũ đài náo nhiệt, mới chính là gốc nguồn của khối lượng và năng lượng.

Một câu hỏi để tạm kết: Tuy trường Higgs mang khối lượng cho vạn vật, nhưng cái gì mang lại cho chính boson Higgs cái khối lượng 126 Gev/ c2 mà LHC vừa khám phá ra?

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.

Một chân trời mới “hậu Mô hình chuẩn” đầy triển vọng đang đón chờ đóng góp, giải đáp bởi thế hệ trẻ.

Theo Tia Sáng