Chương 2: Vật lý cơ bản

2–1  Giới thiệu

Trong chương này, chúng ta sẽ xét những ý tưởng cơ bản nhất mà chúng ta có về vật lý — bản chất của sự vật như chúng ta thấy chúng ở thời điểm hiện tại. Chúng ta sẽ không bàn về lịch sử của việc làm sao chúng ta biết mọi ý tưởng này đều đúng; bạn sẽ học các chi tiết đó vào lúc thích hợp.

Những sự vật mà chúng ta quan tâm trong khoa học xuất hiện dưới muôn hình vạn trạng, và với vô số thuộc tính. Ví dụ, nếu ta đứng trên bờ biển và nhìn ra biển, ta thấy nước, sóng vỗ, bọt, chuyển động dập dềnh của nước, âm thanh, không khí, gió và mây, mặt trời và bầu trời xanh, và ánh sáng; có cát và có những tảng đá với đủ loại độ cứng và độ bền, màu sắc và kết cấu khác nhau. Có động vật và rong biển, đói khát và bệnh tật, và người quan sát trên bãi biển; thậm chí có thể có cả hạnh phúc và suy tư. Bất kỳ một nơi nào khác trong tự nhiên cũng có một sự đa dạng tương tự về sự vật và ảnh hưởng. Nó luôn phức tạp như vậy, dù ở bất cứ đâu. Tính tò mò đòi hỏi chúng ta phải đặt câu hỏi, phải cố ghép các sự vật lại với nhau và cố hiểu sự đa dạng muôn mặt này như có lẽ là kết quả của tác động của một số tương đối ít những sự vật và lực nguyên tố, tác động theo vô số cách kết hợp khác nhau.

Ví dụ: Cát có khác gì đá không? Nghĩa là, phải chăng cát chẳng qua chỉ là một số lượng lớn những viên đá rất nhỏ? Mặt trăng có phải là một tảng đá lớn không? Nếu chúng ta hiểu được đá, liệu chúng ta có hiểu được cả cát và mặt trăng không? Gió có phải là một sự dập dềnh của không khí tương tự như chuyển động dập dềnh của nước trong biển không? Các chuyển động khác nhau có những đặc điểm chung nào? Điều gì là chung cho các loại âm thanh khác nhau? Có bao nhiêu màu khác nhau? Và cứ thế. Bằng cách này, chúng ta cố gắng dần dần phân tích mọi sự vật, ghép lại những thứ thoạt nhìn có vẻ khác nhau, với hy vọng rằng chúng ta có thể giảm được số lượng những thứ khác nhau và nhờ đó hiểu chúng tốt hơn.

Cách đây vài trăm năm, một phương pháp đã được nghĩ ra để tìm những câu trả lời từng phần cho những câu hỏi như vậy. Quan sát, lý luận và thực nghiệm hợp thành cái mà ta gọi là phương pháp khoa học. Chúng ta sẽ phải giới hạn mình ở một mô tả sơ lược về quan niệm cơ bản của chúng ta về cái đôi khi được gọi là vật lý cơ bản, hay những ý tưởng cơ bản đã nảy sinh từ việc áp dụng phương pháp khoa học.

Chúng ta có ý gì khi nói “hiểu” một điều gì đó? Ta có thể tưởng tượng rằng cái mảng phức tạp gồm những sự vật đang chuyển động này, vốn tạo thành “thế giới”, giống như một ván cờ vĩ đại đang được các vị thần chơi, và chúng ta là những người quan sát ván cờ. Chúng ta không biết luật chơi là gì; tất cả những gì chúng ta được phép làm là xem cuộc chơi. Dĩ nhiên, nếu ta xem đủ lâu, cuối cùng ta có thể nắm được một vài điều luật. Các luật của ván cờ là cái mà ta có ý nói là vật lý cơ bản. Tuy nhiên, ngay cả khi ta biết mọi điều luật, ta vẫn có thể không hiểu được vì sao một nước đi cụ thể lại được thực hiện trong ván cờ, đơn giản vì nó quá phức tạp và đầu óc chúng ta có giới hạn. Nếu bạn chơi cờ, bạn hẳn biết rằng học mọi luật lệ thì dễ, nhưng chọn nước đi tốt nhất hay hiểu vì sao một kỳ thủ lại đi như vậy thì thường rất khó. Trong tự nhiên cũng vậy, chỉ có điều còn hơn thế nhiều; nhưng ít nhất ta có thể tìm ra mọi điều luật. Thực ra, hiện nay chúng ta chưa có mọi điều luật. (Thỉnh thoảng vẫn có chuyện gì đó giống như nhập thành đang diễn ra mà chúng ta vẫn chưa hiểu.) Ngoài việc chưa biết mọi điều luật, điều chúng ta thật sự có thể giải thích bằng những điều luật đó rất hạn chế, bởi vì hầu như mọi tình huống đều phức tạp khủng khiếp đến mức chúng ta không thể lần theo các nước đi của ván cờ bằng các điều luật, chứ đừng nói đến việc cho biết điều gì sẽ xảy ra tiếp theo. Do đó, chúng ta phải giới hạn mình ở câu hỏi cơ bản hơn về luật của ván cờ. Nếu ta biết luật, ta coi như ta “hiểu” thế giới.

Làm sao ta có thể biết được những điều luật mà ta “đoán” ra có thật sự đúng hay không nếu ta không thể phân tích ván cờ cho thật tốt? Nói một cách đại khái, có ba cách. Thứ nhất, có thể có những tình huống trong đó tự nhiên đã sắp xếp, hoặc chúng ta sắp xếp tự nhiên, sao cho đơn giản và chỉ có rất ít bộ phận, đến mức ta có thể dự đoán chính xác điều gì sẽ xảy ra, và nhờ đó ta có thể kiểm tra xem các điều luật của chúng ta hoạt động ra sao. (Ở một góc của bàn cờ có thể chỉ có vài quân cờ đang hoạt động, và điều đó ta có thể tính ra chính xác.)

Một cách tốt thứ hai để kiểm tra các điều luật là xét theo những điều luật kém cụ thể hơn được suy ra từ chúng. Ví dụ, luật về nước đi của quân tượng trên bàn cờ là nó chỉ di chuyển trên đường chéo. Người ta có thể suy ra rằng, dù có thực hiện bao nhiêu nước đi đi nữa, một quân tượng nào đó sẽ luôn ở trên một ô đỏ. Vậy, dù không thể lần theo các chi tiết, ta vẫn luôn có thể kiểm tra ý tưởng của mình về chuyển động của quân tượng bằng cách tìm xem nó có luôn ở trên một ô đỏ hay không. Dĩ nhiên nó sẽ như vậy, trong một thời gian dài, cho đến một hôm đột nhiên ta thấy nó ở trên một ô đen (điều đã xảy ra, dĩ nhiên, là trong lúc đó nó đã bị ăn, một quân tốt khác đi hết bàn cờ để phong hậu, và nó biến thành một quân tượng trên ô đen). Trong vật lý cũng như vậy. Trong một thời gian dài, chúng ta sẽ có một điều luật hoạt động xuất sắc về mặt tổng thể, ngay cả khi ta không thể lần theo các chi tiết, và rồi một lúc nào đó ta có thể khám phá ra một điều luật mới. Từ quan điểm của vật lý cơ bản, các hiện tượng thú vị nhất dĩ nhiên nằm ở những nơi mới, những nơi mà các điều luật không hoạt động — chứ không phải những nơi chúng hoạt động! Đó là cách chúng ta khám phá ra các điều luật mới.

Cách thứ ba để biết ý tưởng của chúng ta có đúng hay không tương đối thô sơ nhưng có lẽ là mạnh nhất trong tất cả. Đó là bằng xấp xỉ thô. Mặc dù ta có thể không nói được vì sao Alekhine lại di chuyển quân cờ cụ thể này, có lẽ ta có thể hiểu một cách đại khái rằng ông ta đang gom các quân của mình quanh vua để bảo vệ nó, ít nhiều như vậy, vì đó là điều hợp lý cần làm trong hoàn cảnh đó. Tương tự như vậy, chúng ta thường có thể hiểu tự nhiên, ít nhiều như vậy, mà không cần phải thấy từng quân cờ nhỏ đang làm gì, xét theo sự hiểu biết của chúng ta về ván cờ.

Lúc đầu, các hiện tượng của tự nhiên được chia một cách thô sơ thành các lớp, như nhiệt, điện, cơ học, từ học, các tính chất của các chất, các hiện tượng hóa học, ánh sáng hay quang học, tia X, vật lý hạt nhân, hấp dẫn, các hiện tượng meson, vân vân. Tuy nhiên, mục đích là nhìn toàn bộ tự nhiên như những mặt khác nhau của một tập hợp hiện tượng. Đó là bài toán trong vật lý lý thuyết cơ bản ngày nay — tìm ra các định luật đằng sau thực nghiệm; hợp nhất các lớp này lại. Về mặt lịch sử, chúng ta luôn có thể hợp nhất chúng, nhưng theo thời gian những thứ mới lại được tìm ra. Chúng ta đang hợp nhất rất tốt, thì đột nhiên tia X được tìm ra. Rồi chúng ta hợp nhất thêm nữa, và các meson được tìm ra. Do đó, ở bất kỳ giai đoạn nào của ván cờ, tình hình trông cũng luôn khá rối rắm. Rất nhiều thứ đã được hợp nhất, nhưng luôn có nhiều sợi dây hay sợi chỉ thò ra theo mọi hướng. Đó là tình hình ngày nay, mà chúng ta sẽ cố mô tả.

Một số ví dụ lịch sử về sự hợp nhất như sau. Trước hết, hãy xét nhiệt và cơ học. Khi các nguyên tử đang chuyển động, chuyển động càng nhiều thì hệ chứa càng nhiều nhiệt, và do đó nhiệt cùng mọi hiệu ứng nhiệt độ đều có thể được biểu diễn bằng các định luật của cơ học. Một sự hợp nhất vĩ đại khác là khám phá về mối quan hệ giữa điện, từ và ánh sáng, những thứ được phát hiện là những mặt khác nhau của cùng một thứ, mà ngày nay ta gọi là trường điện từ. Một sự hợp nhất nữa là sự thống nhất các hiện tượng hóa học, các tính chất khác nhau của các chất khác nhau, và hành vi của các hạt nguyên tử, vốn nằm trong cơ học lượng tử của hóa học.

Câu hỏi dĩ nhiên là, liệu có thể hợp nhất mọi thứ hay không, và chỉ đơn thuần khám phá ra rằng thế giới này biểu diễn những mặt khác nhau của một thứ duy nhất? Không ai biết. Tất cả những gì chúng ta biết là, trên đường đi, chúng ta thấy rằng mình có thể hợp nhất các mảnh, rồi chúng ta lại thấy một số mảnh không khớp, và chúng ta cứ tiếp tục cố ghép bức tranh xếp hình lại. Việc có một số hữu hạn các mảnh hay không, và việc bức tranh có một đường viền hay không, dĩ nhiên là chưa biết. Nó sẽ không bao giờ được biết cho đến khi chúng ta hoàn thành bức tranh, nếu có bao giờ. Điều chúng ta muốn làm ở đây là xem quá trình hợp nhất này đã tiến triển đến mức nào, và tình hình hiện nay ra sao, trong việc hiểu các hiện tượng cơ bản theo một tập hợp nguyên lý nhỏ nhất. Nói một cách đơn giản, sự vật được tạo thành từ cái gì và có bao nhiêu nguyên tố?

2–2  Vật lý trước năm 1920

Sẽ hơi khó nếu bắt đầu ngay với quan niệm hiện tại, vì vậy trước hết chúng ta sẽ xem sự vật trông như thế nào vào khoảng năm 1920 rồi sau đó lấy đi một vài thứ khỏi bức tranh đó. Trước năm 1920, bức tranh thế giới của chúng ta đại khái như thế này: “Sân khấu” mà trên đó vũ trụ diễn ra là không gian ba chiều của hình học, như được Euclid mô tả, và sự vật thay đổi trong một môi trường gọi là thời gian. Các yếu tố trên sân khấu là các hạt, ví dụ như các nguyên tử, vốn có một số tính chất. Thứ nhất, tính chất quán tính: nếu một hạt đang chuyển động, nó cứ tiếp tục đi theo cùng một hướng trừ khi có lực tác dụng lên nó. Yếu tố thứ hai, do đó, là các lực, mà lúc đó người ta cho rằng có hai loại: Thứ nhất, một loại lực tương tác cực kỳ phức tạp, chi tiết, giữ các nguyên tử khác nhau lại với nhau theo nhiều cách kết hợp phức tạp, quyết định chẳng hạn việc muối sẽ hòa tan nhanh hơn hay chậm hơn khi ta tăng nhiệt độ. Lực còn lại đã được biết là một tương tác tầm xa — một lực hút trơn tru và lặng lẽ — biến thiên nghịch đảo với bình phương khoảng cách, và được gọi là hấp dẫn. Định luật này đã được biết và rất đơn giản. Vì sao sự vật vẫn tiếp tục chuyển động khi chúng đang chuyển động, hay vì sao lại có một định luật hấp dẫn, dĩ nhiên là chưa được biết.

Điều chúng ta quan tâm ở đây là một mô tả về tự nhiên. Từ quan điểm này, một chất khí, và thật ra là mọi vật chất, là vô số hạt đang chuyển động. Như vậy, nhiều điều chúng ta thấy khi đứng ở bờ biển có thể lập tức được nối kết lại. Trước hết là áp suất: điều này đến từ các va chạm của các nguyên tử với thành bình hay bất cứ thứ gì; sự trôi dạt của các nguyên tử, nếu tính trung bình chúng đều chuyển động theo một hướng, là gió; các chuyển động nội tại ngẫu nhiên là nhiệt. Có những sóng mật độ dư thừa, nơi có quá nhiều hạt tụ lại, và khi chúng tản ra, chúng đẩy lên những đống hạt ở xa hơn nữa, và cứ thế. Sóng mật độ dư thừa này là âm thanh. Việc có thể hiểu được nhiều đến như vậy là một thành tựu to lớn. Một số điều này đã được mô tả trong chương trước.

Có những loại hạt nào? Vào thời đó người ta cho rằng có 92 loại: cuối cùng đã khám phá ra 92 loại nguyên tử khác nhau. Chúng có những tên khác nhau gắn với tính chất hóa học của chúng.

Phần tiếp theo của bài toán là, các lực tầm ngắn là gì? Vì sao carbon hút một ôxy hoặc có lẽ hai ôxy, nhưng không hút ba ôxy? Cơ chế của tương tác giữa các nguyên tử là gì? Có phải là hấp dẫn không? Câu trả lời là không. Hấp dẫn hoàn toàn quá yếu. Nhưng hãy tưởng tượng một lực tương tự như hấp dẫn, biến thiên nghịch đảo với bình phương khoảng cách, nhưng mạnh hơn khủng khiếp và có một điểm khác biệt. Trong hấp dẫn, mọi thứ hút mọi thứ khác, nhưng bây giờ hãy tưởng tượng rằng có hai loại “thứ”, và lực mới này (dĩ nhiên chính là lực điện) có tính chất là các thứ giống nhau thì đẩy nhau nhưng khác nhau thì hút nhau. Cái “thứ” mang tương tác mạnh này được gọi là điện tích.

Vậy chúng ta có gì? Giả sử ta có hai thứ khác nhau hút nhau, một dương và một âm, và chúng dính rất sát vào nhau. Giả sử ta có một điện tích khác ở cách đó một khoảng. Nó có cảm thấy lực hút nào không? Nó sẽ hầu như không cảm thấy gì cả, bởi vì nếu hai điện tích đầu tiên bằng nhau về độ lớn, lực hút đối với điện tích này và lực đẩy đối với điện tích kia sẽ cân bằng nhau. Do đó hầu như không có lực nào ở bất kỳ khoảng cách đáng kể nào. Mặt khác, nếu ta đến rất gần với điện tích thừa đó, lực hút sẽ nảy sinh, bởi vì lực đẩy giữa các điện tích giống nhau và lực hút giữa các điện tích khác nhau sẽ có xu hướng đưa các điện tích khác nhau lại gần nhau hơn và đẩy các điện tích giống nhau ra xa hơn. Khi đó lực đẩy sẽ nhỏ hơn lực hút. Đây là lý do vì sao các nguyên tử, vốn được cấu thành từ các điện tích điện dương và âm, cảm thấy rất ít lực khi chúng bị tách ra một khoảng cách đáng kể (ngoại trừ hấp dẫn). Khi chúng đến gần nhau, chúng có thể “nhìn vào bên trong” lẫn nhau và sắp xếp lại các điện tích của chúng, với kết quả là chúng có một tương tác rất mạnh. Cơ sở tối hậu của tương tác giữa các nguyên tử là điện. Vì lực này quá lớn, mọi điện tích dương và mọi điện tích âm thông thường sẽ kết hợp với nhau thành một tổ hợp thân mật nhất mà chúng có thể. Mọi vật, kể cả chính chúng ta, đều được tạo thành từ những phần dương và âm hạt mịn, tương tác với nhau cực kỳ mạnh, tất cả đều được cân bằng một cách gọn gàng. Thỉnh thoảng, một cách tình cờ, ta có thể cọ rơi đi vài điện tích âm hay vài điện tích dương (thông thường cọ rơi điện tích âm dễ hơn), và trong những hoàn cảnh đó ta thấy lực điện không cân bằng, và khi đó ta có thể thấy các hiệu ứng của những lực hút điện này.

Để hình dung điện mạnh hơn hấp dẫn đến mức nào, hãy xét hai hạt cát, mỗi hạt có đường kính một milimét, cách nhau ba mươi mét. Nếu lực giữa chúng không được cân bằng, nếu mọi thứ hút mọi thứ khác thay vì các thứ giống nhau đẩy nhau, để không có sự triệt tiêu nào, thì lực sẽ lớn đến mức nào? Sẽ có một lực ba triệu tấn giữa hai hạt cát đó! Bạn thấy đấy, chỉ cần một sự thừa hay thiếu rất, rất nhỏ trong số lượng điện tích âm hay dương là đủ để tạo ra các hiệu ứng điện đáng kể. Dĩ nhiên, đây là lý do vì sao bạn không thể thấy sự khác biệt giữa một vật tích điện và một vật không tích điện — số hạt tham gia ít đến mức chúng hầu như không tạo ra khác biệt nào về trọng lượng hay kích thước của một vật.

Với bức tranh này, các nguyên tử trở nên dễ hiểu hơn. Chúng được cho là có một “hạt nhân” ở trung tâm, mang điện dương và rất nặng, và hạt nhân được bao quanh bởi một số “electron”, rất nhẹ và mang điện âm. Bây giờ chúng ta đi hơi trước một chút trong câu chuyện để lưu ý rằng trong chính hạt nhân người ta đã tìm thấy hai loại hạt, proton và neutron, có trọng lượng gần như nhau và rất nặng. Các proton mang điện và các neutron thì trung hòa. Nếu ta có một nguyên tử với sáu proton bên trong hạt nhân của nó, và nguyên tử này được bao quanh bởi sáu electron (các hạt âm trong thế giới vật chất thông thường đều là electron, và chúng rất nhẹ so với proton và neutron vốn tạo nên hạt nhân), thì đây sẽ là nguyên tử số sáu trong bảng hóa học, và nó được gọi là carbon. Nguyên tử số tám được gọi là ôxy, vân vân, bởi vì tính chất hóa học phụ thuộc vào các electron ở bên ngoài, và trên thực tế chỉ phụ thuộc vào số electron là bao nhiêu. Vậy tính chất hóa học của một chất chỉ phụ thuộc vào một con số, số electron. (Toàn bộ danh sách các nguyên tố của các nhà hóa học thật ra đã có thể được gọi là 1, 2, 3, 4, 5, vân vân. Thay vì nói “carbon”, ta có thể nói “nguyên tố sáu”, với nghĩa sáu electron, nhưng dĩ nhiên, khi các nguyên tố mới được khám phá lần đầu, người ta không biết rằng chúng có thể được đánh số như vậy, và thứ hai, điều đó sẽ khiến mọi thứ trông khá phức tạp. Tốt hơn là có tên và ký hiệu cho những thứ này, thay vì gọi mọi thứ bằng số.)

Người ta đã khám phá thêm nhiều điều về lực điện. Cách diễn giải tự nhiên của tương tác điện là hai vật đơn giản hút nhau: dương đối với âm. Tuy nhiên, điều này được phát hiện là một ý tưởng không đầy đủ để biểu diễn nó. Một cách biểu diễn đầy đủ hơn về tình huống là nói rằng sự tồn tại của điện tích dương, theo một nghĩa nào đó, làm biến dạng, hay tạo ra một “điều kiện” trong không gian, để khi ta đặt điện tích âm vào, nó cảm thấy một lực. Khả năng tiềm tàng tạo ra một lực này được gọi là điện trường. Khi ta đặt một electron vào một điện trường, ta nói nó bị “kéo”. Khi đó ta có hai quy tắc: (a) các điện tích tạo ra một trường, và (b) các điện tích trong trường chịu lực tác dụng lên chúng và chuyển động. Lý do cho điều này sẽ trở nên rõ ràng khi chúng ta bàn về các hiện tượng sau: Nếu ta tích điện cho một vật, chẳng hạn một chiếc lược, rồi đặt một mẩu giấy tích điện ở một khoảng cách nào đó và di chuyển chiếc lược qua lại, mẩu giấy sẽ đáp lại bằng cách luôn hướng về phía chiếc lược. Nếu ta lắc nó nhanh hơn, sẽ phát hiện ra rằng mẩu giấy hơi bị trễ, có một sự chậm trễ trong tác động. (Ở giai đoạn đầu tiên, khi ta di chuyển chiếc lược khá chậm, ta thấy một sự phức tạp là từ học. Các ảnh hưởng từ có liên quan đến các điện tích trong chuyển động tương đối, vì vậy các lực từ và lực điện thật sự có thể được quy cho cùng một trường, như hai mặt khác nhau của đúng cùng một thứ. Một điện trường đang thay đổi không thể tồn tại mà không có từ tính.) Nếu ta di chuyển mẩu giấy tích điện ra xa hơn, sự chậm trễ sẽ lớn hơn. Rồi một điều thú vị được quan sát thấy. Mặc dù lực giữa hai vật tích điện phải tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, người ta thấy rằng, khi ta lắc một điện tích, ảnh hưởng trải ra xa hơn rất nhiều so với dự đoán lúc đầu. Nghĩa là, hiệu ứng giảm đi chậm hơn so với nghịch đảo bình phương.

Đây là một phép tương tự: Nếu ta đang ở trong một hồ nước và có một cái nút bần nổi ở rất gần, ta có thể di chuyển nó “trực tiếp” bằng cách đẩy nước bằng một cái nút bần khác. Nếu bạn chỉ nhìn vào hai cái nút bần, tất cả những gì bạn sẽ thấy là một cái di chuyển lập tức đáp lại chuyển động của cái kia — có một kiểu “tương tác” nào đó giữa chúng. Dĩ nhiên, điều chúng ta thật sự làm là quấy động nước; nước sau đó quấy động cái nút bần kia. Ta có thể bịa ra một “định luật” rằng nếu bạn đẩy nước một chút, một vật ở gần trong nước sẽ di chuyển. Dĩ nhiên, nếu nó ở xa hơn, cái nút bần thứ hai sẽ hầu như không di chuyển, vì ta di chuyển nước cục bộ. Mặt khác, nếu ta lúc lắc cái nút bần, một hiện tượng mới sẽ xuất hiện, trong đó chuyển động của nước làm chuyển động nước ở nơi đó, vân vân, và các sóng lan truyền ra xa, để rồi bằng cách lúc lắc, có một ảnh hưởng ở xa hơn rất nhiều, một ảnh hưởng dao động, không thể hiểu được từ tương tác trực tiếp. Do đó ý tưởng về tương tác trực tiếp phải được thay bằng sự tồn tại của nước, hay trong trường hợp điện, bằng cái mà ta gọi là trường điện từ.

Trường điện từ có thể mang các sóng; một số sóng trong đó là ánh sáng, những sóng khác được dùng trong phát thanh, nhưng tên gọi chung là sóng điện từ. Các sóng dao động này có thể có tần số khác nhau. Điều duy nhất thật sự khác nhau giữa sóng này với sóng khác là tần số dao động. Nếu ta lắc một điện tích qua lại ngày càng nhanh hơn, và nhìn vào các hiệu ứng, ta thu được cả một loạt các loại hiệu ứng khác nhau, tất cả đều được thống nhất bằng cách chỉ rõ một con số duy nhất, số dao động trong một giây. “Tín hiệu thu được” thông thường mà ta nhận từ dòng điện trong các mạch điện trên tường của một tòa nhà có tần số khoảng một trăm chu kỳ trong một giây. Nếu ta tăng tần số lên 500 hay 1000 kilôchu kỳ (1 kilôchu kỳ = 1000 chu kỳ) trong một giây, ta đang “lên sóng”, vì đây là dải tần số được dùng cho phát thanh. (Dĩ nhiên điều này chẳng có liên quan gì đến không khí cả! Ta có thể phát thanh mà không cần bất kỳ không khí nào.) Nếu ta lại tăng tần số lên nữa, ta đến dải được dùng cho FM và TV. Đi xa hơn nữa, ta dùng những sóng ngắn nào đó, ví dụ cho radar. Cao hơn nữa, và ta không cần một dụng cụ để “nhìn thấy” thứ này nữa, ta có thể thấy nó bằng mắt người. Trong dải tần số từ 5×10¹⁴ đến 10¹⁵ chu kỳ trong một giây, mắt ta sẽ thấy dao động của chiếc lược tích điện, nếu ta có thể lắc nó nhanh như vậy, dưới dạng ánh sáng đỏ, xanh lam hay tím, tùy thuộc vào tần số. Các tần số dưới dải này được gọi là hồng ngoại, và trên nó là tử ngoại. Việc chúng ta có thể nhìn thấy trong một dải tần số cụ thể khiến phần đó của phổ điện từ không ấn tượng hơn các phần còn lại chút nào theo quan điểm của một nhà vật lý, nhưng theo quan điểm của con người, dĩ nhiên, nó thú vị hơn. Nếu ta lên tới tần số còn cao hơn nữa, ta thu được tia X. Tia X chẳng là gì ngoài ánh sáng có tần số rất cao. Nếu ta đi còn cao hơn nữa, ta thu được tia gamma. Hai thuật ngữ này, tia X và tia gamma, được dùng gần như đồng nghĩa. Thông thường các tia điện từ đến từ hạt nhân được gọi là tia gamma, trong khi các tia năng lượng cao từ nguyên tử được gọi là tia X, nhưng ở cùng một tần số chúng không thể phân biệt được về mặt vật lý, bất kể nguồn gốc của chúng là gì. Nếu ta đi tới các tần số còn cao hơn nữa, chẳng hạn 10²⁴ chu kỳ trong một giây, ta thấy rằng ta có thể tạo ra những sóng đó một cách nhân tạo, ví dụ bằng máy gia tốc synchrotron ở Caltech đây. Ta có thể tìm thấy sóng điện từ với tần số cao khủng khiếp — với dao động nhanh hơn thậm chí cả nghìn lần — trong các sóng được tìm thấy ở tia vũ trụ. Những sóng này chúng ta không thể kiểm soát được.

Bảng 2–1 — Phổ điện từ

Tần số (số dao động/giây)	Tên	Hành vi, một cách thô sơ
102	Rối loạn điện	Trường
5×105 – 106	Phát thanh		Sóng
108	FM — TV
1010	Radar
5×1014 – 1015	Ánh sáng
1018	Tia X		Hạt
1021	Tia γ, từ hạt nhân
1024	Tia γ, “nhân tạo”
1027	Tia γ, trong tia vũ trụ

2–3  Vật lý lượng tử

Sau khi đã mô tả ý tưởng về trường điện từ, và trường này có thể mang các sóng, chúng ta sẽ sớm biết rằng các sóng này thật ra hành xử theo một cách lạ lùng, trông rất không giống sóng. Ở các tần số cao hơn, chúng hành xử giống các hạt hơn nhiều! Chính cơ học lượng tử, được khám phá ngay sau năm 1920, giải thích hành vi lạ lùng này. Trong những năm trước 1920, bức tranh về không gian như một không gian ba chiều, và về thời gian như một thứ tách biệt, đã bị Einstein thay đổi, trước hết thành một sự kết hợp mà ta gọi là không-thời gian, và sau đó còn xa hơn nữa thành một không-thời gian cong để biểu diễn hấp dẫn. Vậy “sân khấu” được thay đổi thành không-thời gian, và hấp dẫn có lẽ là một sự cải biến của không-thời gian. Rồi người ta cũng phát hiện ra rằng các quy tắc cho chuyển động của các hạt là không đúng. Các quy tắc cơ học về “quán tính” và “lực” là sai — các định luật của Newton là sai — trong thế giới của các nguyên tử. Thay vào đó, người ta khám phá ra rằng sự vật ở thang nhỏ hành xử không giống chút nào với sự vật ở thang lớn. Đó là điều khiến vật lý trở nên khó khăn — và rất thú vị. Nó khó vì cách sự vật hành xử ở thang nhỏ quá “không tự nhiên”; chúng ta không có kinh nghiệm trực tiếp nào với nó. Ở đây sự vật hành xử không giống bất cứ thứ gì chúng ta biết, đến mức không thể mô tả hành vi này bằng bất cứ cách nào khác ngoài các cách phân tích. Nó khó, và đòi hỏi rất nhiều trí tưởng tượng.

Cơ học lượng tử có nhiều mặt. Trước hết, ý tưởng rằng một hạt có một vị trí xác định và một tốc độ xác định không còn được phép nữa; điều đó là sai. Để cho một ví dụ về việc vật lý cổ điển sai đến mức nào, có một quy tắc trong cơ học lượng tử nói rằng người ta không thể đồng thời biết một vật ở đâu và nó đang chuyển động nhanh đến đâu. Độ bất định của động lượng và độ bất định của vị trí là bổ sung cho nhau, và tích của chúng bị chặn bởi một hằng số nhỏ. Ta có thể viết định luật như thế này: Δx Δp ≥ ħ/2, nhưng chúng ta sẽ giải thích nó chi tiết hơn sau này. Quy tắc này là lời giải thích cho một nghịch lý rất bí ẩn: nếu các nguyên tử được tạo thành từ các điện tích dương và âm, vì sao các điện tích âm không đơn giản ngồi lên trên các điện tích dương (chúng hút nhau) và tiến lại gần đến mức triệt tiêu nhau hoàn toàn? Vì sao nguyên tử lại lớn như vậy? Vì sao hạt nhân ở trung tâm còn các electron ở xung quanh nó? Lúc đầu người ta nghĩ rằng đó là vì hạt nhân rất lớn; nhưng không, hạt nhân rất nhỏ. Một nguyên tử có đường kính khoảng 10⁻⁸ cm. Hạt nhân có đường kính khoảng 10⁻¹³ cm. Nếu ta có một nguyên tử và muốn nhìn thấy hạt nhân, ta sẽ phải phóng to nó cho đến khi toàn bộ nguyên tử to bằng một căn phòng lớn, và khi đó hạt nhân sẽ là một đốm nhỏ xíu mà bạn vừa đủ có thể nhận ra bằng mắt, nhưng hầu như toàn bộ trọng lượng của nguyên tử nằm trong hạt nhân vô cùng nhỏ đó. Điều gì giữ các electron không đơn giản rơi vào trong? Nguyên lý này: Nếu chúng ở trong hạt nhân, ta sẽ biết vị trí của chúng một cách chính xác, và nguyên lý bất định khi đó sẽ đòi hỏi chúng phải có một động lượng rất lớn (nhưng bất định), tức là một động năng rất lớn. Với năng lượng này, chúng sẽ phá ra khỏi hạt nhân. Chúng thỏa hiệp: chúng chừa cho mình một chút chỗ cho sự bất định này rồi lúc lắc với một lượng chuyển động tối thiểu nào đó theo đúng quy tắc này. (Hãy nhớ rằng khi một tinh thể được làm lạnh tới độ không tuyệt đối, chúng ta đã nói rằng các nguyên tử không ngừng chuyển động, chúng vẫn lúc lắc. Vì sao? Nếu chúng ngừng chuyển động, ta sẽ biết chúng ở đâu và chúng có chuyển động bằng không, và điều đó trái với nguyên lý bất định. Chúng ta không thể biết chúng ở đâu và chúng đang chuyển động nhanh đến đâu, vì vậy chúng phải liên tục ngọ nguậy ở trong đó!)

Một thay đổi thú vị bậc nhất khác trong các ý tưởng và triết học của khoa học do cơ học lượng tử mang lại là điều này: không thể dự đoán chính xác điều gì sẽ xảy ra trong bất kỳ hoàn cảnh nào. Ví dụ, người ta có thể sắp xếp một nguyên tử sẵn sàng phát ra ánh sáng, và ta có thể đo khi nó đã phát ra ánh sáng bằng cách bắt lấy một hạt photon, mà chúng ta sẽ mô tả ngay sau đây. Tuy nhiên, ta không thể dự đoán khi nào nó sẽ phát ra ánh sáng hay, với nhiều nguyên tử, nguyên tử nào sẽ phát. Bạn có thể nói rằng đó là vì có một số “bánh xe” nội tại nào đó mà chúng ta chưa nhìn đủ kỹ. Không, không có bánh xe nội tại nào cả; tự nhiên, như chúng ta hiểu nó ngày nay, hành xử theo cách mà về cơ bản không thể đưa ra một dự đoán chính xác về đúng điều gì sẽ xảy ra trong một thí nghiệm cho trước. Đây là một điều khủng khiếp; trên thực tế, các triết gia trước đây đã nói rằng một trong những yêu cầu cơ bản của khoa học là mỗi khi bạn thiết lập cùng những điều kiện như nhau, cùng một điều phải xảy ra. Điều này đơn giản không đúng, nó không phải là một điều kiện cơ bản của khoa học. Sự thật là cùng một điều không xảy ra, rằng chúng ta chỉ có thể tìm ra, về mặt thống kê, một giá trị trung bình về điều sẽ xảy ra. Dù vậy, khoa học vẫn chưa hoàn toàn sụp đổ. Nhân tiện, các triết gia nói rất nhiều về những gì là tuyệt đối cần thiết cho khoa học, và nó luôn luôn, trong chừng mực người ta có thể thấy, khá ngây thơ, và có lẽ là sai. Ví dụ, một triết gia nào đó đã nói rằng điều cơ bản đối với nỗ lực khoa học là nếu một thí nghiệm được thực hiện ở, chẳng hạn, Stockholm, rồi cùng thí nghiệm đó được làm ở, chẳng hạn, Quito, thì cùng những kết quả như nhau phải xảy ra. Điều đó hoàn toàn sai. Điều đó không cần thiết để khoa học làm vậy; nó có thể là một sự thật của kinh nghiệm, nhưng nó không cần thiết. Ví dụ, nếu một trong các thí nghiệm là nhìn ra bầu trời và thấy cực quang phương bắc ở Stockholm, bạn sẽ không thấy nó ở Quito; đó là một hiện tượng khác. “Nhưng”, bạn nói, “đó là thứ có liên quan đến bên ngoài; bạn có thể tự nhốt mình trong một cái hộp ở Stockholm, kéo rèm xuống và có được sự khác biệt nào không?” Chắc chắn là có. Nếu ta lấy một con lắc trên một khớp vạn năng, kéo nó ra rồi thả ra, thì con lắc sẽ đung đưa gần như trong một mặt phẳng, nhưng không hoàn toàn. Mặt phẳng cứ chậm rãi thay đổi ở Stockholm, nhưng không thay đổi ở Quito. Rèm cũng đã được kéo xuống rồi đấy. Việc điều này xảy ra không mang lại sự hủy diệt của khoa học. Giả thuyết cơ bản của khoa học, triết học cơ bản, là gì? Chúng ta đã phát biểu nó trong chương đầu tiên: phép thử duy nhất cho tính đúng đắn của bất kỳ ý tưởng nào là thực nghiệm. Nếu hóa ra hầu hết các thí nghiệm cho kết quả như nhau ở Quito cũng như ở Stockholm, thì “hầu hết các thí nghiệm” đó sẽ được dùng để hình thành một định luật chung nào đó, và những thí nghiệm không cho kết quả như nhau chúng ta sẽ nói là do môi trường gần Stockholm gây ra. Chúng ta sẽ nghĩ ra cách nào đó để tóm tắt các kết quả của thí nghiệm, và chúng ta không cần phải được bảo trước cách đó sẽ trông như thế nào. Nếu chúng ta được bảo rằng cùng một thí nghiệm sẽ luôn cho cùng một kết quả, điều đó rất tốt, nhưng nếu khi ta thử, nó không như vậy, thì nó không như vậy. Chúng ta chỉ phải chấp nhận những gì chúng ta thấy, rồi hình thành mọi phần còn lại trong các ý tưởng của mình theo đúng kinh nghiệm thực tế của mình.

Quay lại với cơ học lượng tử và vật lý cơ bản, dĩ nhiên chúng ta không thể đi vào chi tiết của các nguyên lý cơ học lượng tử lúc này, bởi vì chúng khá khó hiểu. Chúng ta sẽ giả định rằng chúng có ở đó, và tiếp tục mô tả một số hệ quả là gì. Một trong các hệ quả là những thứ chúng ta từng coi là sóng cũng hành xử như các hạt, và các hạt hành xử như các sóng; trên thực tế mọi thứ đều hành xử theo cùng một cách. Không có sự phân biệt giữa một sóng và một hạt. Vậy cơ học lượng tử thống nhất ý tưởng về trường và các sóng của nó, cùng các hạt, tất cả vào làm một. Nay đúng là khi tần số thấp, mặt trường của hiện tượng rõ rệt hơn, hay hữu ích hơn như một mô tả xấp xỉ theo các kinh nghiệm hằng ngày. Nhưng khi tần số tăng lên, các mặt hạt của hiện tượng trở nên rõ rệt hơn với thiết bị mà chúng ta thường dùng để thực hiện các phép đo. Trên thực tế, mặc dù chúng ta đã nhắc đến nhiều tần số, chưa có hiện tượng nào liên quan trực tiếp đến một tần số được phát hiện ở trên khoảng 10¹² chu kỳ trong một giây. Chúng ta chỉ suy ra các tần số cao hơn từ năng lượng của các hạt, bằng một quy tắc giả định rằng ý tưởng hạt-sóng của cơ học lượng tử là đúng.

Như vậy chúng ta có một quan niệm mới về tương tác điện từ. Chúng ta có một loại hạt mới để thêm vào electron, proton và neutron. Hạt mới đó được gọi là photon. Quan niệm mới về tương tác của electron và photon — đó là lý thuyết điện từ, nhưng với mọi thứ đều đúng theo cơ học lượng tử — được gọi là điện động lực học lượng tử. Lý thuyết cơ bản này về tương tác của ánh sáng và vật chất, hay của điện trường và các điện tích, là thành công lớn nhất của chúng ta trong vật lý tính đến nay. Trong lý thuyết duy nhất này, chúng ta có các quy tắc cơ bản cho mọi hiện tượng thông thường ngoại trừ hấp dẫn và các quá trình hạt nhân. Ví dụ, từ điện động lực học lượng tử mà ra mọi định luật điện, cơ và hóa học đã biết: các định luật cho va chạm của các quả bóng bi-a, chuyển động của các dây dẫn trong từ trường, nhiệt dung riêng của carbon monoxide, màu của các biển hiệu neon, mật độ của muối, và các phản ứng của hiđrô và ôxy để tạo thành nước, tất cả đều là hệ quả của định luật duy nhất này. Mọi chi tiết này đều có thể được tính ra nếu tình huống đủ đơn giản để chúng ta thực hiện một phép xấp xỉ, điều hầu như không bao giờ xảy ra, nhưng thường thì chúng ta có thể hiểu ít nhiều điều gì đang xảy ra. Ở thời điểm hiện tại, không tìm thấy ngoại lệ nào đối với các định luật của điện động lực học lượng tử bên ngoài hạt nhân, và ở trong hạt nhân chúng ta không biết liệu có ngoại lệ hay không vì đơn giản là chúng ta không biết điều gì đang xảy ra trong hạt nhân.

Vậy, về nguyên tắc, điện động lực học lượng tử là lý thuyết của toàn bộ hóa học, và của sự sống, nếu sự sống cuối cùng được quy về hóa học và do đó chỉ là vật lý vì hóa học đã được quy rồi (phần vật lý liên quan đến hóa học đã được biết rồi). Hơn nữa, cùng một điện động lực học lượng tử đó, thứ vĩ đại này, dự đoán rất nhiều điều mới. Trước hết, nó cho biết các tính chất của các photon năng lượng rất cao, tia gamma, vân vân. Nó đã dự đoán một điều rất đáng chú ý khác: bên cạnh electron, phải có một hạt khác có cùng khối lượng, nhưng mang điện trái dấu, gọi là positron, và hai hạt này, khi gặp nhau, có thể hủy lẫn nhau với sự phát ra ánh sáng hay tia gamma. (Xét cho cùng, ánh sáng và tia gamma đều là một, chúng chỉ là những điểm khác nhau trên một thang tần số.) Việc khái quát hóa điều này, rằng đối với mỗi hạt đều có một phản hạt, hóa ra là đúng. Trong trường hợp electron, phản hạt có một tên khác — nó được gọi là positron, nhưng với hầu hết các hạt khác, nó được gọi là phản-cái-này-cái-kia, như phản proton hay phản neutron. Trong điện động lực học lượng tử, hai con số được đưa vào và hầu hết các con số khác trên thế giới được cho là sẽ đi ra từ đó. Hai con số được đưa vào được gọi là khối lượng của electron và điện tích của electron. Thật ra, điều đó không hoàn toàn đúng, vì chúng ta có cả một tập hợp các con số cho hóa học cho biết các hạt nhân nặng bao nhiêu. Điều đó dẫn chúng ta tới phần tiếp theo.

2–4  Hạt nhân và các hạt

Hạt nhân được tạo thành từ cái gì, và chúng được giữ lại với nhau như thế nào? Người ta thấy rằng các hạt nhân được giữ lại với nhau bằng những lực cực kỳ lớn. Khi những lực này được giải phóng, năng lượng giải phóng là khủng khiếp so với năng lượng hóa học, theo cùng tỉ lệ như vụ nổ bom nguyên tử so với vụ nổ TNT, bởi vì, dĩ nhiên, bom nguyên tử có liên quan đến những thay đổi bên trong hạt nhân, trong khi vụ nổ TNT có liên quan đến những thay đổi của các electron ở bên ngoài nguyên tử. Câu hỏi là, những lực nào giữ các proton và neutron lại với nhau trong hạt nhân? Cũng như tương tác điện có thể được liên kết với một hạt, một photon, Yukawa đã gợi ý rằng các lực giữa neutron và proton cũng có một loại trường nào đó, và khi trường này lúc lắc nó hành xử như một hạt. Như vậy có thể có một số hạt khác trên thế giới bên cạnh proton và neutron, và ông đã có thể suy ra các tính chất của những hạt này từ những đặc trưng đã biết của các lực hạt nhân. Ví dụ, ông dự đoán chúng phải có khối lượng bằng hai hay ba trăm lần khối lượng của một electron; và thật bất ngờ, trong tia vũ trụ người ta đã khám phá ra một hạt có khối lượng đúng như vậy! Nhưng sau đó hóa ra đó là hạt sai. Nó được gọi là meson μ, hay muon.

Tuy nhiên, một thời gian ngắn sau đó, vào năm 1947 hay 1948, một hạt khác đã được tìm thấy, meson π, hay pion, thỏa mãn tiêu chuẩn của Yukawa. Vậy bên cạnh proton và neutron, để có được các lực hạt nhân chúng ta phải thêm pion. Bây giờ, bạn nói, “Ồ tuyệt quá!, với lý thuyết này chúng ta tạo ra điện động lực học hạt nhân lượng tử dùng các pion đúng như Yukawa muốn làm, và xem nó có hoạt động không, và mọi thứ sẽ được giải thích.” Không may thay. Hóa ra các phép tính liên quan đến lý thuyết này khó đến mức chưa ai từng có thể tính ra được các hệ quả của lý thuyết là gì, hay kiểm tra nó đối chiếu với thực nghiệm, và chuyện này đã kéo dài đến nay gần hai mươi năm rồi!

Vậy chúng ta bị kẹt với một lý thuyết, và chúng ta không biết nó đúng hay sai, nhưng chúng ta biết rằng nó hơi sai một chút, hay ít nhất là chưa hoàn chỉnh. Trong khi chúng ta cứ loay hoay về mặt lý thuyết, cố tính các hệ quả của lý thuyết này, các nhà thực nghiệm vẫn đang khám phá ra một số điều. Ví dụ, họ đã khám phá ra muon này, và chúng ta vẫn chưa biết nó khớp vào đâu. Ngoài ra, trong tia vũ trụ, một số lượng lớn các hạt “thừa” khác đã được tìm thấy. Hóa ra ngày nay chúng ta có khoảng ba mươi hạt, và rất khó hiểu được mối quan hệ của mọi hạt này, và tự nhiên muốn chúng để làm gì, hay các mối liên kết từ hạt này sang hạt khác là gì. Ngày nay chúng ta không hiểu các hạt khác nhau này như những mặt khác nhau của cùng một thứ, và việc chúng ta có quá nhiều hạt không liên kết với nhau là biểu hiện của việc chúng ta có quá nhiều thông tin không liên kết mà không có một lý thuyết tốt. Sau những thành công vĩ đại của điện động lực học lượng tử, có một lượng kiến thức nào đó về vật lý hạt nhân là kiến thức thô, kiểu như nửa kinh nghiệm nửa lý thuyết, giả định một loại lực nào đó giữa proton và neutron rồi xem điều gì sẽ xảy ra, nhưng không thật sự hiểu lực đó đến từ đâu. Ngoài chuyện đó ra, chúng ta tiến triển rất ít. Chúng ta đã thu thập được một số lượng khổng lồ các nguyên tố hóa học. Trong trường hợp hóa học, đột nhiên xuất hiện một mối quan hệ giữa các nguyên tố này vốn không được kỳ vọng, và được thể hiện trong bảng tuần hoàn của Mendeleev. Ví dụ, natri và kali gần như giống nhau về tính chất hóa học và được tìm thấy trong cùng một cột trong bảng của Mendeleev. Chúng ta vẫn đang tìm kiếm một bảng kiểu Mendeleev cho các hạt mới. Một bảng như vậy về các hạt mới đã được lập một cách độc lập bởi Gell-Mann ở Hoa Kỳ và Nishijima ở Nhật Bản. Cơ sở phân loại của họ là một con số mới, giống như điện tích, có thể gán cho mỗi hạt, gọi là “độ lạ” của nó, S. Con số này được bảo toàn, giống như điện tích, trong các phản ứng diễn ra nhờ các lực hạt nhân.

Trong Bảng 2–2 là danh sách mọi hạt. Chúng ta không thể bàn nhiều về chúng ở giai đoạn này, nhưng bảng này ít nhất sẽ cho bạn thấy chúng ta chưa biết được bao nhiêu. Bên dưới mỗi hạt, khối lượng của nó được cho bằng một đơn vị nào đó, gọi là MeV. Một MeV bằng 1,783×10⁻²⁷ gam. Lý do đơn vị này được chọn là vì lịch sử, và chúng ta sẽ không đi vào chuyện đó lúc này. Các hạt nặng hơn được đặt cao hơn trên bảng; chúng ta thấy rằng một neutron và một proton có khối lượng gần như nhau. Trong các cột dọc, chúng ta đặt các hạt có cùng điện tích, mọi vật trung hòa trong một cột, mọi vật mang điện dương ở bên phải cột này, và mọi vật mang điện âm ở bên trái.

Các hạt được chỉ ra bằng một nét liền và các “cộng hưởng” bằng một nét đứt. Một số hạt đã bị lược bỏ khỏi bảng. Chúng bao gồm các hạt quan trọng có khối lượng bằng không, điện tích bằng không, là photon và graviton, vốn không rơi vào sơ đồ phân loại baryon–meson–lepton, và cả một số cộng hưởng mới hơn (K*, φ, η). Các phản hạt của các meson được liệt kê trong bảng, nhưng các phản hạt của các lepton và baryon sẽ phải được liệt kê trong một bảng khác trông đúng y như bảng này phản chiếu qua cột điện tích bằng không. Mặc dù mọi hạt ngoại trừ electron, neutrino, photon, graviton và proton đều không bền, các sản phẩm phân rã chỉ được chỉ ra cho các cộng hưởng. Việc gán độ lạ không áp dụng cho các lepton, vì chúng không tương tác mạnh với hạt nhân.

Mọi hạt ở cùng nhóm với neutron và proton đều được gọi là baryon, và các baryon sau đây tồn tại: Có một “lambda”, với khối lượng 1115 MeV, và ba hạt khác, gọi là sigma, âm, trung hòa và dương, với vài khối lượng gần như nhau. Có những nhóm hay bộ đa (multiplet) với khối lượng gần như nhau, chênh nhau trong khoảng một hay hai phần trăm. Mỗi hạt trong một bộ đa có cùng độ lạ. Bộ đa đầu tiên là bộ đôi proton–neutron, rồi có một bộ đơn (lambda), tiếp đến là bộ ba sigma, và cuối cùng là bộ đôi xi. Rất gần đây, vào năm 1961, thậm chí thêm vài hạt nữa đã được tìm thấy. Hay chúng có phải là hạt không? Chúng sống trong một thời gian ngắn đến mức chúng phân rã gần như ngay lập tức, ngay khi vừa được tạo thành, đến mức chúng ta không biết liệu chúng có nên được coi là các hạt mới, hay là một kiểu tương tác “cộng hưởng” nào đó với một năng lượng xác định nào đó giữa các sản phẩm Λ và π mà chúng phân rã thành.

Bên cạnh các baryon, các hạt khác có liên quan đến tương tác hạt nhân được gọi là meson. Trước hết có các pion, gồm ba loại, dương, âm và trung hòa; chúng tạo thành một bộ đa khác. Chúng ta cũng đã tìm thấy một số thứ mới gọi là meson K, và chúng xuất hiện dưới dạng một bộ đôi, K⁺ và K⁰. Ngoài ra, mọi hạt đều có phản hạt của nó, trừ khi một hạt là phản hạt của chính nó. Ví dụ, π⁻ và π⁺ là các phản hạt của nhau, nhưng π⁰ là phản hạt của chính nó. K⁻ và K⁺ là các phản hạt của nhau, và K⁰ và phản K⁰ cũng vậy. Thêm vào đó, vào năm 1961 chúng ta cũng tìm thấy thêm một số meson nữa, hay có lẽ là meson, vốn phân rã gần như ngay lập tức. Một thứ gọi là ω đi thành ba pion có khối lượng 780 trên thang này, và ít chắc chắn hơn một chút là một vật phân rã thành hai pion. Các hạt này, gọi là meson và baryon, và các phản hạt của các meson nằm trên cùng một bảng, nhưng các phản hạt của các baryon phải được đặt trên một bảng khác, “phản chiếu” qua cột điện tích bằng không.

Đúng như bảng của Mendeleev rất tốt, ngoại trừ việc có một số nguyên tố đất hiếm cứ thò ra lỏng lẻo khỏi nó, chúng ta cũng có một số thứ thò ra lỏng lẻo khỏi bảng này — các hạt không tương tác mạnh trong hạt nhân, không có liên quan gì đến một tương tác hạt nhân, và không có tương tác mạnh (ý tôi là loại tương tác mạnh mẽ của năng lượng hạt nhân). Chúng được gọi là lepton, và gồm các hạt sau: có electron, có khối lượng rất nhỏ trên thang này, chỉ 0,510 MeV. Rồi có hạt kia, muon, có khối lượng cao hơn nhiều, nặng gấp 206 lần một electron. Trong chừng mực chúng ta có thể nói, qua mọi thí nghiệm tính đến nay, sự khác biệt giữa electron và muon không là gì ngoài khối lượng. Mọi thứ hoạt động đúng y như nhau đối với muon cũng như đối với electron, ngoại trừ một hạt nặng hơn hạt kia. Vì sao lại có một hạt nữa nặng hơn; nó dùng để làm gì? Chúng ta không biết. Thêm vào đó, có một lepton trung hòa, gọi là neutrino, và hạt này có khối lượng bằng không. Trên thực tế, hiện nay người ta biết rằng có hai loại neutrino khác nhau, một loại liên quan đến electron và loại kia liên quan đến muon.

Cuối cùng, chúng ta có hai hạt nữa không tương tác mạnh với các hạt hạt nhân: một là photon, và có lẽ, nếu trường hấp dẫn cũng có một tương tự cơ học lượng tử (một lý thuyết lượng tử về hấp dẫn vẫn chưa được xây dựng), thì sẽ có một hạt, một graviton, sẽ có khối lượng bằng không.

Cái “khối lượng bằng không” này là gì? Các khối lượng được cho ở đây là khối lượng của các hạt khi đứng yên. Việc một hạt có khối lượng bằng không có nghĩa, theo một cách nào đó, là nó không thể đứng yên. Một photon không bao giờ đứng yên, nó luôn chuyển động với tốc độ 186.000 dặm một giây. Chúng ta sẽ hiểu rõ hơn khối lượng có nghĩa là gì khi chúng ta hiểu thuyết tương đối, điều sẽ đến vào lúc thích hợp.

Như vậy chúng ta đối mặt với một số lượng lớn các hạt, mà tất cả hợp lại dường như là các thành phần cơ bản của vật chất. May mắn thay, các hạt này không phải tất cả đều khác nhau trong các tương tác của chúng với nhau. Trên thực tế, dường như chỉ có bốn loại tương tác giữa các hạt mà, theo thứ tự độ mạnh giảm dần, là lực hạt nhân, các tương tác điện, tương tác phân rã beta, và hấp dẫn. Photon liên kết với mọi hạt tích điện và độ mạnh của tương tác được đo bằng một con số nào đó, là 1/137. Định luật chi tiết của liên kết này đã được biết, đó là điện động lực học lượng tử. Hấp dẫn liên kết với mọi năng lượng, nhưng liên kết của nó cực kỳ yếu, yếu hơn nhiều so với điện. Định luật này cũng đã được biết. Rồi có các phân rã yếu — phân rã beta, khiến neutron phân rã thành proton, electron và neutrino, một cách tương đối chậm. Định luật này chỉ được biết một phần. Cái gọi là tương tác mạnh, tương tác meson–baryon, có độ mạnh là 1 trên thang này, và định luật thì hoàn toàn chưa biết, mặc dù có một số quy tắc đã biết, chẳng hạn như số baryon không thay đổi trong bất kỳ phản ứng nào.

* “Độ mạnh” là một thước đo không thứ nguyên của hằng số liên kết liên quan trong mỗi tương tác (~ có nghĩa là “cỡ”).

Vậy đó là tình trạng khủng khiếp của vật lý của chúng ta ngày nay. Để tóm tắt nó, tôi sẽ nói thế này: bên ngoài hạt nhân, chúng ta dường như biết mọi thứ; bên trong nó, cơ học lượng tử là đúng — các nguyên lý của cơ học lượng tử chưa bị phát hiện là sai. Sân khấu mà trên đó chúng ta đặt mọi tri thức của mình, chúng ta sẽ nói, là không-thời gian tương đối tính; có lẽ hấp dẫn có liên quan đến không-thời gian. Chúng ta không biết vũ trụ đã bắt đầu như thế nào, và chúng ta chưa bao giờ làm thí nghiệm nào kiểm tra các ý tưởng của mình về không gian và thời gian một cách chính xác, ở dưới một khoảng cách nhỏ xíu nào đó, vì vậy chúng ta chỉ biết rằng các ý tưởng của mình hoạt động ở trên khoảng cách đó. Chúng ta cũng nên nói thêm rằng luật của ván cờ là các nguyên lý cơ học lượng tử, và các nguyên lý đó áp dụng, trong chừng mực chúng ta có thể nói, cho các hạt mới cũng như các hạt cũ. Nguồn gốc của các lực trong hạt nhân dẫn chúng ta tới các hạt mới, nhưng không may chúng xuất hiện với số lượng dồi dào và chúng ta thiếu một sự hiểu biết hoàn chỉnh về mối quan hệ qua lại giữa chúng, mặc dù chúng ta đã biết rằng có một số mối quan hệ rất đáng ngạc nhiên giữa chúng. Chúng ta dường như đang dần dần mò mẫm tiến tới một sự hiểu biết về thế giới của các hạt hạ nguyên tử, nhưng chúng ta thật sự không biết chúng ta còn phải đi bao xa nữa trong nhiệm vụ này.