Thống nhất các tương tác - Vật lý lượng tử
Chia sẻ bởi Nguyễn Thành Lợi |
Ngày 22/10/2018 |
137
Chia sẻ tài liệu: Thống nhất các tương tác - Vật lý lượng tử thuộc Bài giảng khác
Nội dung tài liệu:
TRƯỜNG CAO ĐẲNG SƯ PHẠM TÂY NINH
KHOA TỰ NHIÊN
LỚP LÝ KT – CN 38
CHỦ ĐỀ 7:
THUYẾT THỐNG NHẤT CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN
Nhóm thực hiện:
Nguyễn Thanh Thảo
Trần Thị Trinh
Nguyễn Thị Bích Tuyền
Lê Thị Nở
Trần Hoàng Thái
I. CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN
Tương tác cơ bản hay lực cơ bản là các loại lực của tự nhiên mà tất cả mọi lực, khi xét chi tiết, đều quy về các loại lực này.
Ví dụ như các lực khi có va chạm cơ học giữa các vật thể thông dụng đều quy về lực tương tác giữa các phân tử hay nguyên tử, cụ thể là lực điện từ giữa hạt nhân và electron của chúng.
Các tương tác cơ bản trong tự nhiên
Tương tác hấp dẫn
Tương tác điện từ
Tương tác yếu
Tương tác mạnh
1.Tương tác hấp dẫn
Đây là một tương tác bao trùm mọi vật. tương tác này tồn tại giữa tất cả các vật chất nào từ các hạt vi mô đến các vật thể vĩ mô. Sự biểu hiện của tương tác này là định luật vạn vật hấp dẫn được phát hiện năm 1687 bởi nhà vật lý vĩ đại Isaac Newton. Định luật này phát biểu rằng: “Mọi vật đều hút nhau với một lực tỉ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng”. Ở đây khối lượng đóng vai trò tích hấp dẫn.
Tương tác hấp dẫn điều khiển toàn bộ mọi quá trình trong vũ trụ, nói riêng chính là tương tác hấp dẫn đã cho phép hình thành cấu trúc hệ Mặt Trời của chúng ta và giữ ổn định chuyển động của hệ.
Lực hấp dẫn của Trái Đất tác động lên các vật thể có khối lượng và làm chúng rơi xuống đất. Lực hấp dẫn cũng giúp gắn kết các vật chất để hình thành Trái Đất, Mặt Trời và các thiên thể khác; nếu không có nó các vật thể sẽ không thể liên kết với nhau và cuộc sống như chúng ta biết hiện nay sẽ không thể tồn tại.
Lực hấp dẫn cũng là lực giữ Trái Đất và các hành tinh khác ở trên quỹ đạo của chúng quanh Mặt Trời, Mặt Trăng trên quỹ đạo quanh Trái Đất, sự hình thành thủy triều, và nhiều hiện tượng thiên nhiên khác mà chúng ta quan sát được.
Một lý thuyết gần đúng của tương tác hấp dẫn là lý thuyết hấp dẫn của Newton, còn lý thuyết chính xác hơn về tương tác hấp dẫn là lý thuyết tương đối rộng do Einstein xây dựng năm 1915. Trong cơ học cổ điển, lực hấp dẫn xuất hiện như một ngoại lực tác động lên vật thể. Trong thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn là bản chất của không thời gian bị uốn cong bởi sự hiện diện của khối lượng, và không phải là một ngoại lực.
Isaac Newton
(1643 – 1727)
(
Albert Einstein
(1879 – 1955)
(
Theo quan điểm hiện đại thì sự tương tác giữa các vật được thực hiện nhờ sự trao đổi của các hạt gọi là hạt truyền tương tác. Tương tác hấp dẫn được thực hiện nhờ các hạt graviton. Hạt này có khối lượng bằng 0, có spin bằng 2. Graviton luôn chuyển động, không đứng yên và bao giờ cũng chuyển động với vận tốc cực đại có thể có được – đó là vận tốc ánh sáng trong chân không.
Mặc dù người ta tìm kiếm hạt graviton đã lâu, nhưng cho đến nay vẫn chưa phát hiện được sự tồn tại của hạt này ở bất kỳ thí nghiệm nào. Do ở những mật độ vật chất bình thường như trong điều kiện Trái Đất thì tương tác hấp dẫn cực kỳ nhỏ, kỹ thuật chưa đủ khả năng tiến hành.
2.Tương tác điện từ
Tương tác điện từ giống tương tác hấp dẫn về bản chất là một tương tác tầm xa có tác động ở những khoảng cách rất lớn. Năm 1785, kỹ sư và là nhà vật lý người Pháp Charles Augustin Coulomb (1736 – 1806) đã thiết lập được quy luật : lưc điện từ giảm dần tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai hạt mang điện. Tương tác điện từ là tương tác của hạt mang điện. Các hạt mang điện có điện tích có thể là có điện tích âm hoặc dương. Vì thế, khác với lực hấp dẫn, lực điện từ có thể là hút hoặc đẩy.
Dựa vào cấu trúc như hiện nay của mọi nguyên tử, phân tử, ta có thể nói là cấu trúc của cả thế giới xung quanh chúng ta phụ thuộc vào tương tác giữa các hạt mang điện. Tính chất vật lý và hóa học của vật chất, vật liệu đủ mọi hình dạng và ngay cả mô sống cũng đều phụ thuộc vào tương tác điện từ. Tương tác này điều khiển mọi thiết bị điện – điện tử.
Lý thuyết tương tác điện từ trong thế giới vĩ mô được là lý thuyết điện động lực học cổ điển. Trong quá trình xây dựng lý thuyết này đã có sự tham gia của rất nhiều nhà bác học của thế kỉ XVIII – XIX, song tính quyết định thuộc về nhà vật lý người Anh James Clerk Maxxwell (1831 – 1879). Chính ông là người thực hiện sự thống nhất giữa khái niệm điện và từ thành khái niệm trường điện từ thống nhất.
Theo lý thuyết điện động lực học lượng tử thì các hạt truyền tương tác là những lượng tử của trường điện từ đó là những hạt photon (còn gọi là quang tử). Hạt này không có khối lượng, có spin bằng 1 và chuyển động với vận tốc ánh sáng c. Cơ chế tương tác điện từ là sự trao đổi hạt truyền photon giữa các hạt mang điện.
Cường độ tương tác từ có giá trị bằng .
Tương tác này nhỏ hơn tương tác mạnh khoảng nghìn lần. Đó là một lý thuyết hoàn chỉnh, mẫu mực và rất phù hợp với thưc nghiệm. Người có công nhất trong xây dựng lý thuyêt này là P.Feynman.
Sơ đồ Feynman là phương pháp biểu diễn bằng hình ảnh các công thức toán học miêu tả hành xử của các hạt hạ nguyên tử (hạt cấu thành nên nguyên tử, cùng các hạt được giải phóng trong các phản ứng hạt nhân hay phản ứng phân rã và một số hạt khác)
cặp electron và positron (phản electron) hủy lẫn nhau, tạo thành một photon sau đó trở thành cặp quark – phản quark, phản quark phát ra một gluon.
3.Tương tác mạnh
Tương tác mạnh là tương tác có cường độ lớn nhất trong các loại tương tác. Lực hạt nhân tác động giữa các nucleon trong hạt nhân là biểu hiện của tương tác mạnh. Khác với tương tác hấp dẫn và tương tác điện từ, tương tác mạnh có tầm tác động ngắn.
Vì vậy, lực thuộc tương tác mạnh giảm nhanh khi tăng khoảng cách giữa các hạt. Bán kính tác động cỡ bằng kích thước nucleon, nghĩa là cỡ 10 -13 cm.
Ta có thể mô tả tương tác mạnh một cách thỏa đáng nhờ 3 tích (3 màu), hợp thành những tổ hợp phức tạp. Các hạt ứng với tương tác mạnh là các hađron (gồm các meson và barion).
Lý thuyết tương tác mạnh gọi là sắc động học lượng tử. Lý thuyết này có thể giải thích các quá trình tương tác giữa các hạt quark và gluon trong nucleon.
Theo thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang trong mình điện tích màu, ở một trong 3 dạng "đỏ", "xanh lam" hoặc "xanh lá". Đó chỉ là những tên, hoàn toàn không liên hệ gì với màu thực tế. Đối quark là các hạt như "đối đỏ", "đối xanh lam", "đối xanh lá". Cùng màu đẩy nhau, trái màu hút nhau.
proton
neutron
Các hạt chỉ tồn tại nếu như tổng màu của chúng là trung hòa.
Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa chúng càng lớn, nhưng khi chúng gần xát nhau, thì lực tương tác này bằng 0. Mỗi một cặp tương tác của quark, chúng luôn luôn thay đổi màu, nhưng tổng màu điện tích của chúng được bảo toàn.
4.Tương tác yếu
Tương tác yếu ít được biết đến hơn, nhưng không vì thế mà tương tác yếu không đóng vai trò quan trọng. Nếu không có tương tác yếu thì Mặt trời cùng nhiều sao khác đã tắt đi vì tương tác yếu đóng vai trò quan trọng trong những phản ứng gây ra hiện tượng phát sáng của những thiên thể này.
Một trong những phản ứng đó là phản ứng “cháy của proton” dẫn đến sự hình thành Đơtơri D (đó là hạt nhân đồng vị nặng cùa H), positron e+ và neutrino electron ve
Hạt nơtrinô là hạt đặc thù của tương tác yếu bởi vì ngoài tương tác hấp dẫn (mọi hạt đều tham gia) thì nơtrinô chỉ tham gia tương tác yếu.
Tương tác giữa hạt nơtrinô và vật chất yếu đến mà Trái Đất cũng chỉ như vật thể trong suốt khi nơtrinô đi qua, và trong hơn cả một tấm kính mỏng đối với vùng ánh sáng nhìn thấy được.
Hạt nơtrinô là một hạt fermion, nghĩa là một hạt có spin ½. Nơtrinô không có điện tích và cũng không có tích màu. Có 3 loại nơtrinô là nơtrinô electron (ve), nơtrinô muon (vu) và nơtrinô tau (vT).
Hiện nay, người ta vẫn chưa chắc chắn rằng hạt nơtrinô có khối lượng hay không. Theo các dữ liệu từ thực nghiệm thì có thể hạt nơtrinô electron là không có khối lượng, còn nơtrinô muon và nơtrinô tau thì chưa chắc chắn.
Tương tác yếu thuộc tương tác có tầm tác động ngắn, bán kính tác động nhỏ hơn khoảng 1000 lần bán kính tác động của lực hạt nhân.
Các lượng tử truyền tương tác yếu đã được phát hiện vào năm 1983. Đó là những boson trung gian: W+,W- và Z0 . Các hạt này có spin bằng 1,chúng rất không bền, phân rã trong khoảng 10-24 giây.
Sự phát hiện thực nghiệm các hạt boson trung gian được tiến hành với quy mô lớn. Bài báo công bố sự phát hiện của các hạt này có 138 tác giả cùng ký tên. Điều này chứng minh sự đúng đắn của lý thuyết về sự tồn tại của các hạt này, vốn đã tồn tại 15 năm trước khi chúng được tìm ra.
II. Thuyết thống nhất các lực tương tác
Lý thuyết thống nhất lớn, được hình thành trong tiến trình mở rộng mô hình chuẩn của vật lý hạt. Mô hình chuẩn của vật lý hạt là thuyết miêu tả về tương tác mạnh, tương tác yếu, lực điện từ cũng như những hạt cơ bản tạo nên vật chất.
Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970, mô hình chuẩn là một phần của lý thuyết trường lượng tử, một lý thuyết đã kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp. Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm chứng về 3 lực miêu tả bởi mô hình chuẩn đều đúng như những dự đoán của thuyết này.
Tuy nhiên, mô hình chuẩn vẫn chưa là một thuyết thống nhất các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do sự vắng mặt của lực hấp dẫn. Mô hình chuẩn đã miêu tả chính xác các quan sát thu được tính đến nay.
Nhưng nó đã bỏ ngỏ những câu hỏi mang tính chất cơ bản, một trong số đó chính là việc tại sao tự nhiên lại cần đến 4 lực cơ bản mà không phải là 1, và tại sao độ lớn, cùng các tính chất, của chúng lại khác biệt đến vậy?
Người đầu tiên thành công trong việc thống nhất lực là Maxwell, khi ông xây dựng thuyết điện từ, lực điện và lực từ chỉ là hai mặt khác nhau của một lực duy nhất là lực điện từ. Ông đã đưa ra hệ phương trình miêu tả những định luật cơ bản về điện trường và từ trường được biết đến với tên gọi phương trình Maxwell. Đây là hệ phương trình chứng minh rằng điện trường và từ trường là thành phần một trường thống nhất, điện từ trường.
Ông cũng đã chứng minh rằng trường điện từ có thể truyền đi trong không gian dưới dạng sóng với tốc độ không đổi là 3.108 m/s, và đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng là sóng điện từ.
Sau đó, lý thuyết trường của lực yếu đã được phát triển tương tự lý thuyết trường của lực điện từ. Vào năm 1979, toàn thế giới đều biết đến giải Nobel về vật lý đã trao cho các nhà vật lý Steven Weinberg, Sheldon Glashow và Abdus Salam . Trong báo cáo của Hội đồng giải thưởng Nobel có nói: Giải Nobel năm nay được trao cho các nhà vật lý trên vì những cống hiến cơ bản vào lý thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ.
Steven Weinberg Sheldon Glashow Abdus Salam .
Đầu tiên lý thuyết này do Salam và Weinberg đưa ra từ năm 1967, song chưa được công nhận rộng rãi. Lý thuyết chỉ được công nhận sau khi người ta thực hiện nhiều thí nghiệm cho phép tìm ra những hạt của lý thuyết đó tiên đoán, trong đó có quark duyên. Các hạt boson trung gian cũng được tiên đoán trong khuôn khổ lý thuyết này.
Hóa ra, tương tác điện từ và tương tác yếu có cùng một nguồn gốc là tương tác điện từ - yếu và rẽ thành hai nhánh vì một quá trình gọi là sự phá vỡ tự phát của một đối xứng nội tại. Tới năm 1983, một giải Nobel vật lí lại được trao cho công trình thực nghiệm đã minh chứng các giá trị mà lí thuyết thống nhất lực điện từ - yếu tiên đoán.
Theo Mô hình chuẩn thì tương tác điện từ và tương tác yếu sẽ thống nhất ở mức năng lượng trên 100 GeV. Nhiều nhà vật lý trong đó có G. Giorgi và S. Glashow đã đưa ra giả định khi chuyển đến mức năng lượng cao hơn có thể sáp nhập tương tác điện từ - yếu với tương tác mạnh. Sơ đồ lý thuyết này gọi là sự thống nhất lớn.
Theo tính toán thì mức năng lượng này là 1014 – 1015 GeV. Đây là mức năng lượng lớn hơn nhiều với năng lượng cực đại của các máy gia tốc trong tương lai có thể đạt được đến 10 - 11 bậc, mà còn lớn hơn cả triệu lần năng lượng có thể đạt được điều kiện Trái đất với những ý tưởng táo bạo nhất như xây dựng một máy gia tốc bao quanh Trái đất.
Tương tác mạnh
Tương tác điện từ
Tương tác yếu
100 GeV
1014 -1015 GeV
Lí thuyết thống nhất lớn này có cơ sở phù hợp với thuyết Big Bang về giai đoạn đầu sau vụ nổ:
Từ điểm Zero Big Bang đến 10-43.: các định luật vật lý như chúng ta đã biết đều không đúng ở đây.
Ở 10-43s: Nhiệt độ của vũ trụ khoảng 1023K và vũ trụ dãn nở rất nhanh. Khi đó quá trình dãn nở rất nhanh, nhiệt độ giảm đều cho tới khi đạt tới giá trị hiện nay khoảng 3 K.
Từ 10-43s đến 10-35s: trong khoảng thời gian này, các lực mạnh, lực yếu và lực điện từ tác dụng như một lực duy nhất được mô tả bởi lý thuyết Thống nhất lớn, còn lực hấp dẫn tác dụng tách rời như hiện nay.
Từ 10-35s đến 10-10:. Lực mạnh tách ra, để lại lực điện từ, lực yếu và hấp dẫn vẫn còn tác dụng như một lực duy nhất.
Từ 10-10s đến 10-5s: Tất cả bốn lực đều tách biệt ra như hiện nay.
Các nhà vật lý hi vọng có thể gộp cả tương tác hấp dẫn vào lí thuyết thống nhất lớn để tạo một lí thuyết gọi là lí thuyết về Tất cả. Khó khăn chủ yếu trong quá trình tìm kiếm một lý thuyết có khả năng thống nhất hấp dẫn với các tương tác khác là lý thuyết tương đối rộng,có nghĩa là lý thuyết này không chứa đựng nguyên lý bất định của cơ học lương tử. Nhưng các lý thuyết riêng phần khác lại phụ thuộc thiết yếu vào cơ học lượng tử.
Vì vậy bước đầu tiên cần thiết là kết hợp lý thuyết tương đối rộng với nguyên lý bất định. Nguyên lý bất định đưa đến kết quả là “chân không” cũng chứa đầy các cặp ảo hạt và phản hạt. Những cặp này có một năng lượng vô cùng lớn. Lực hút hấp dẫn của chúng ta sẽ uốn cong vũ trụ vào một kích thước vô cùng bé.
Tương tự, những đại lượng vô cùng lớn vô nghĩa cũng xuất hiện trong các lý thuyết riêng phần khác, song trong tất cả các trường hợp, những đại lượng này đều có thể loại bỏ nhờ quá trình tái chuẩn hóa. Quá trình này loại bỏ những đại lượng vô cùng lớn bằng cách đưa vào những đại lượng khác cũng lớn vô cùng.
Để đưa nguyên lý bất định vào lý thuyết tương đối rộng, chúng ta chỉ có hai đại lượng cần hiệu chỉnh: hằng số hấp dẫn và hằng số vũ trụ. Song điều chỉnh chúng cũng chưa đủ để loại trừ tất cả các đại lượng vô cùng lớn. Như vậy người ta đi đến một lý thuyết trong đó một số đại lượng, như độ cong của không - thời gian là lớn vô cùng, song chúng ta phải quan sát và đo được chúng như những đại lượng hữu hạn hoàn toàn.
Vấn đề kết hợp lý thuyết tương đối rộng với nguyên lý bất định đã bị nghi ngờ trong một thời gian nhưng cuối cùng được xác nhận nhờ những tính toán chi tiết vào năm 1972. Bốn năm sau,“siêu hấp dẫn” được đưa ra. Ý tưởng của siêu hấp dẫn là kết hợp hạt spin 2 gọi là graviton, lượng tử truyền lực hấp dẫn, với những hạt mới khác có spin 3/2, 1, 1/2 và 0.
Trong một ý nghĩa nhất định tất cả những hạt này có thể được xem là những trạng thái khác nhau của cùng một “siêu hạt”, như thế ta thống nhất được những hạt vật chất có spin 1/2 và 3/2 với những hạt truyền tương tác có spin 0, 1 và 2.
Cặp ảo hạt/phản hạt có spin 1/2 và 3/2 sẽ có năng lượng âm, và như thế sẽ triệt tiêu năng lượng của các cặp ảo hạt có spin 2, 1 và 0. Điều này loại được nhiều đại lượng lớn vô cùng, song một số đại lượng như thế có thể còn sót lại.
Nhưng những phép tính cần thiết để chứng minh rằng có còn sót lại một số đại lượng như thế hay không là quá khó và quá dài đến nỗi không ai sẵn sàng thực hiện chúng. Ngay cả với máy tính, người ta ước lượng cũng phải cần ít nhất 4 năm, và xác suất phạm một phép tính sai hoặc có thể nhiều hơn, là rất lớn.
Các nhà vật lý coi đây là con đường tốt nhất để thống nhất hấp dẫn với các tương tác. Nhưng đến năm 1984 thì ý kiến thay đổi nghiêng về cái gọi là những lý thuyết dây.
III. TÌM HIỂU LÝ THUYẾT DÂY
1. Lịch sử lý thuyết dây
Đầu tiên cuối những năm 60, lý thuyết dây được xây dựng để mô tả tương tác mạnh. Tư tưởng xuất phát là các hạt như proton và neutron có thể xem như sóng của một dây. Lực tương tác giữa các hạt sẽ được mô tả bởi những đoạn nối giữa các dây như trong một mạng nhện.
Trong khi đó sắc động lực học lượng tử dựa trên các hạt điểm đã được phát triển và những thành công vang dội của nó trong việc mô tả tương tác mạnh đã làm mờ đi lý thuyết dây.
Năm 1974, Joel Scherk ở Paris và John Schwarz ở Viện công nghệ California công bố một bài báo chỉ rằng lý thuyết dây có thể mô tả lực hấp dẫn nếu lực căng của dây lớn hơn nhiều, khoảng (1 với 39 số không) tấn. Những tiên đoán của lý thuyết dây trùng với những tiên đoán của thuyết tương đối rộng ở các độ dài bình thường, song khác nhau ở các khoảng cách cực bé, nhỏ hơn 1centimet chia cho (1 với 33 số không).
Công trình của hai tác giả trên không được sự chú ý, bởi vì vào đúng khoảng thời gian đó đa số từ bỏ lý thuyết dây của tương tác mạnh để theo đuổi lý thuyết quark và gluon vì lý thuyết sau có vẻ phù hợp với quan sát thực nghiệm.
Năm 1984, sự quan tâm đến lý thuyết dây đột ngột được tái sinh, vì hai lý do là người ta không thu được tiến bộ gì nhiều trong việc chứng minh rằng siêu hấp dẫn là hữu hạn hoặc siêu hấp dẫn có khả năng giải thích các loại hạt mà chúng ta quan sát được. Lý do thứ hai là sự ra đời bài báo của John Schwarz và Mike Green ở Đại học Nữ hoàng Mary (Anh).
Cuộc cách mạnh lý thuyết dây lần thứ nhất, các nhà vật lý nhận thầy rằng nếu hạn chế trong những phép gần đúng đó thì không đủ để trả lời cho rất nhiều vấn đề căn bản. Nhiều nhà vật lý cảm thấy thất vọng và đành quay về những hướng nghiên cứu trước kia của họ.
Năm 1995, trong bài giảng tại Hội nghị Siêu dây được tổ chức tại Đại học Nam California, một bài giảng khiến cho cử tọa ít ỏi gồm những chuyên gia hàng đầu thế giới về lý thuyết dây phải kinh ngạc, Edward Witten đã châm ngòi cho cuộc cách mạng siêu dây lần thứ hai.
Dây là khái niệm vật lý cơ bản chỉ vật thể một chiều mà các kiểu dao động khác nhau của nó hình thành các hạt cơ bản với các tính chất khác nhau. Mỗi hạt không phải như những phần tử không thể phân chia được, không có cấu trúc nội tại mà được hình dung như một vòng dây một chiều đóng kín.
Các dây này ở dưới hai dạng: dây khép kín và dây hở. . Dây hở có hai đầu không đụng nhau, còn dây khép kín là một vòng không có đầu hở. Tùy thuộc vào những cách chắp nối hay tách rời khác nhau
Trình tự nghiên cứu cấu tạo vật chất của vũ trụ:
1. Các vật thể vĩ mô (chính xác hơn, các vật thể thông thường hàng ngày quan sát được bằng mắt thường)
2. Cấu trúc phân tử
3. Cấu trúc nguyên tử với hạt nhân (proton và nơtron) với điện tử
4. Các hạt cơ bản
5. Các quark
6. Các dây
Các dây này ở dưới hai dạng: dây khép kín và dây hở. . Dây hở có hai đầu không đụng nhau, còn dây khép kín là một vòng không có đầu hở. Tùy thuộc vào những cách chắp nối hay tách rời khác nhau
Các tượng tác dựa vào khả năng của một dây chắp nối hay tách xa các đầu của nó. Bởi vì các đầu của những dây hở có thể chắp nối lại tạo thành những dây khép kín, nên bạn không thể tạo dựng một lý thuyết dây không có những dây khép kín.
Các dây khép kín có những tính chất làm cho các nhà vật lý học tin rằng chúng có thễ mô tả lực hấp dẫn . Các nhà vật lý đã bắt đầu nhận định ra rằng lý thuyết dây có đủ khả năng giải thích lực hấp dẫn và động tác của các hạt.
Sau nhiều năm, người ta đã phát hiện là lý thuyết dây đòi hỏi những vật thể khác hơn là các dây. Các vật thể này có thễ được xem như là những tấm lá hay màng. Các dây có thễ bám dính một đầu hay cả hai đầu vào các màng này.
Giống sợi dây đàn dao động sẽ tạo ra các nốt nhạc (các dao động cộng hưởng), dây hay màng dao động trong không - thời gian 11 chiều sẽ tạo ra mọi hạt cơ bản đã biết và chưa biết, cùng mọi đặc trưng vật lý của chúng (như điện tích hay khối lượng).
Tại sao không - thời gian có 11chiều?
Câu trả lời không xuất phát từ một căn nguyên vật lý sâu xa, mà chỉ thuần túy đến từ toán học. Chỉ với không - thời gian chiều, mới tránh được xác suất tìm hạt có giá trị âm - một điều vô nghĩa về vật lý
Các nhà lí thuyết dây từ trước đến nay vẫn đang vật lộn với việc đưa ra những tiên đoán mới có thể kiểm tra được. Cho nên, lí thuyết dây vẫn chỉ là như vậy: một lí thuyết Thứ hai, có quá nhiều biến thể của lí thuyết dây, không có biến thể nào có thể chính xác – và ít có cơ hội chọn giữa chúng. Để giải quyết vấn đề này, một số nhà vật lí đề xuất một khuôn khổ tổng quát hơn gọi là Lí thuyết M.
.
Nhưng lí thuyết M có những trở ngại của nó. Tùy thuộc vào cách thức bạn thiết lập nó, lí thuyết M có thể mô tả 10500 vũ trụ bất kì. Một số nhà vật lí biện hộ rằng đây là bằng chứng cho thấy có nhiều vũ trụ, nhưng những người khác thì nghĩ nó chỉ có nghĩa là lí thuyết đó không thể kiểm tra được mà thôi.
Ưu điểm lớn nhất của lý thuyết dây là bài toán thống nhất, khi mọi tương tác đều có thể thống nhất rất tự nhiên trong khuôn khổ luận lý của nó. Ưu điểm lớn khác là đóng góp trong vũ trụ luận khi nó đưa ra hai kịch bản bổ sung cho kịch bản Big Bang lạm phát tiêu chuẩn (mô hình tiền Big Bang và mô hình màng va chạm). Nó cũng giải quyết được bài toán entropy lỗ đen.
Nhược điểm căn bản của lý thuyết bao gồm:
1) thiếu nguyên lý dẫn dắt nền tảng, kiểu nguyên lý tương đương trong lý thuyết Einstein,
2) thiếu loại toán học cần thiết như hình học Euclid là cơ sở của vật lý Newton hay hình học Riemann là cơ sở của vật lý Einstein và
3) phụ thuộc nền, khi các phương trình được viết trong không - thời gian phi lượng tử có trước, nói cách khác không - thời gian không xuất hiện từ bản thân lý thuyết.
Quan niệm không - thời gian 11 chiều cũng có thể xem là một nhược điểm.
Ngoài lý thuyết dây, các nhà vật lý còn đề ra nhiều lý thuyết khác nhằm thống nhất các tương tác, như lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng, lý thuyết twistor của Penrose, hình học không giao hoán của Connes, các mô hình vi phân Regge, các mô hình dựa trên vật lý vật chất ngưng tụ… Chúng chưa đạt tới mức độ thành công như lý thuyết dây.
Theo thuyết hấp dẫn lượng tử vòng, Quan điểm cơ bản là không gian không liên tục, mà thay vào đó nó bị phá vỡ thành những mảng nhỏ xíu bề ngang 10-35 mét. Những mảng này sau đó nối lại với nhau bằng những liên kết tạo ra không gian mà chúng ta trải nghiệm. Khi những liên kết này thắt lại thành viền và nút, chúng tạo ra các hạt sơ cấp.
Theo thuyết E8
Năm 2007, nhà vật lí (và đôi khi là nhà lướt ván) Garrett Lisi đề xuất về một kiểu mẫu toán học phức 8 chiều với 248 điểm. Hạt cơ bản và lực cơ bản khác nhau mà vật lí học đã biết có thể đặt vào các điểm của mẫu E8, và nhiều tương tác của chúng xuất hiện sau đó một cách tự nhiên.
KHOA TỰ NHIÊN
LỚP LÝ KT – CN 38
CHỦ ĐỀ 7:
THUYẾT THỐNG NHẤT CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN
Nhóm thực hiện:
Nguyễn Thanh Thảo
Trần Thị Trinh
Nguyễn Thị Bích Tuyền
Lê Thị Nở
Trần Hoàng Thái
I. CÁC TƯƠNG TÁC CƠ BẢN
Tương tác cơ bản hay lực cơ bản là các loại lực của tự nhiên mà tất cả mọi lực, khi xét chi tiết, đều quy về các loại lực này.
Ví dụ như các lực khi có va chạm cơ học giữa các vật thể thông dụng đều quy về lực tương tác giữa các phân tử hay nguyên tử, cụ thể là lực điện từ giữa hạt nhân và electron của chúng.
Các tương tác cơ bản trong tự nhiên
Tương tác hấp dẫn
Tương tác điện từ
Tương tác yếu
Tương tác mạnh
1.Tương tác hấp dẫn
Đây là một tương tác bao trùm mọi vật. tương tác này tồn tại giữa tất cả các vật chất nào từ các hạt vi mô đến các vật thể vĩ mô. Sự biểu hiện của tương tác này là định luật vạn vật hấp dẫn được phát hiện năm 1687 bởi nhà vật lý vĩ đại Isaac Newton. Định luật này phát biểu rằng: “Mọi vật đều hút nhau với một lực tỉ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng”. Ở đây khối lượng đóng vai trò tích hấp dẫn.
Tương tác hấp dẫn điều khiển toàn bộ mọi quá trình trong vũ trụ, nói riêng chính là tương tác hấp dẫn đã cho phép hình thành cấu trúc hệ Mặt Trời của chúng ta và giữ ổn định chuyển động của hệ.
Lực hấp dẫn của Trái Đất tác động lên các vật thể có khối lượng và làm chúng rơi xuống đất. Lực hấp dẫn cũng giúp gắn kết các vật chất để hình thành Trái Đất, Mặt Trời và các thiên thể khác; nếu không có nó các vật thể sẽ không thể liên kết với nhau và cuộc sống như chúng ta biết hiện nay sẽ không thể tồn tại.
Lực hấp dẫn cũng là lực giữ Trái Đất và các hành tinh khác ở trên quỹ đạo của chúng quanh Mặt Trời, Mặt Trăng trên quỹ đạo quanh Trái Đất, sự hình thành thủy triều, và nhiều hiện tượng thiên nhiên khác mà chúng ta quan sát được.
Một lý thuyết gần đúng của tương tác hấp dẫn là lý thuyết hấp dẫn của Newton, còn lý thuyết chính xác hơn về tương tác hấp dẫn là lý thuyết tương đối rộng do Einstein xây dựng năm 1915. Trong cơ học cổ điển, lực hấp dẫn xuất hiện như một ngoại lực tác động lên vật thể. Trong thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn là bản chất của không thời gian bị uốn cong bởi sự hiện diện của khối lượng, và không phải là một ngoại lực.
Isaac Newton
(1643 – 1727)
(
Albert Einstein
(1879 – 1955)
(
Theo quan điểm hiện đại thì sự tương tác giữa các vật được thực hiện nhờ sự trao đổi của các hạt gọi là hạt truyền tương tác. Tương tác hấp dẫn được thực hiện nhờ các hạt graviton. Hạt này có khối lượng bằng 0, có spin bằng 2. Graviton luôn chuyển động, không đứng yên và bao giờ cũng chuyển động với vận tốc cực đại có thể có được – đó là vận tốc ánh sáng trong chân không.
Mặc dù người ta tìm kiếm hạt graviton đã lâu, nhưng cho đến nay vẫn chưa phát hiện được sự tồn tại của hạt này ở bất kỳ thí nghiệm nào. Do ở những mật độ vật chất bình thường như trong điều kiện Trái Đất thì tương tác hấp dẫn cực kỳ nhỏ, kỹ thuật chưa đủ khả năng tiến hành.
2.Tương tác điện từ
Tương tác điện từ giống tương tác hấp dẫn về bản chất là một tương tác tầm xa có tác động ở những khoảng cách rất lớn. Năm 1785, kỹ sư và là nhà vật lý người Pháp Charles Augustin Coulomb (1736 – 1806) đã thiết lập được quy luật : lưc điện từ giảm dần tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai hạt mang điện. Tương tác điện từ là tương tác của hạt mang điện. Các hạt mang điện có điện tích có thể là có điện tích âm hoặc dương. Vì thế, khác với lực hấp dẫn, lực điện từ có thể là hút hoặc đẩy.
Dựa vào cấu trúc như hiện nay của mọi nguyên tử, phân tử, ta có thể nói là cấu trúc của cả thế giới xung quanh chúng ta phụ thuộc vào tương tác giữa các hạt mang điện. Tính chất vật lý và hóa học của vật chất, vật liệu đủ mọi hình dạng và ngay cả mô sống cũng đều phụ thuộc vào tương tác điện từ. Tương tác này điều khiển mọi thiết bị điện – điện tử.
Lý thuyết tương tác điện từ trong thế giới vĩ mô được là lý thuyết điện động lực học cổ điển. Trong quá trình xây dựng lý thuyết này đã có sự tham gia của rất nhiều nhà bác học của thế kỉ XVIII – XIX, song tính quyết định thuộc về nhà vật lý người Anh James Clerk Maxxwell (1831 – 1879). Chính ông là người thực hiện sự thống nhất giữa khái niệm điện và từ thành khái niệm trường điện từ thống nhất.
Theo lý thuyết điện động lực học lượng tử thì các hạt truyền tương tác là những lượng tử của trường điện từ đó là những hạt photon (còn gọi là quang tử). Hạt này không có khối lượng, có spin bằng 1 và chuyển động với vận tốc ánh sáng c. Cơ chế tương tác điện từ là sự trao đổi hạt truyền photon giữa các hạt mang điện.
Cường độ tương tác từ có giá trị bằng .
Tương tác này nhỏ hơn tương tác mạnh khoảng nghìn lần. Đó là một lý thuyết hoàn chỉnh, mẫu mực và rất phù hợp với thưc nghiệm. Người có công nhất trong xây dựng lý thuyêt này là P.Feynman.
Sơ đồ Feynman là phương pháp biểu diễn bằng hình ảnh các công thức toán học miêu tả hành xử của các hạt hạ nguyên tử (hạt cấu thành nên nguyên tử, cùng các hạt được giải phóng trong các phản ứng hạt nhân hay phản ứng phân rã và một số hạt khác)
cặp electron và positron (phản electron) hủy lẫn nhau, tạo thành một photon sau đó trở thành cặp quark – phản quark, phản quark phát ra một gluon.
3.Tương tác mạnh
Tương tác mạnh là tương tác có cường độ lớn nhất trong các loại tương tác. Lực hạt nhân tác động giữa các nucleon trong hạt nhân là biểu hiện của tương tác mạnh. Khác với tương tác hấp dẫn và tương tác điện từ, tương tác mạnh có tầm tác động ngắn.
Vì vậy, lực thuộc tương tác mạnh giảm nhanh khi tăng khoảng cách giữa các hạt. Bán kính tác động cỡ bằng kích thước nucleon, nghĩa là cỡ 10 -13 cm.
Ta có thể mô tả tương tác mạnh một cách thỏa đáng nhờ 3 tích (3 màu), hợp thành những tổ hợp phức tạp. Các hạt ứng với tương tác mạnh là các hađron (gồm các meson và barion).
Lý thuyết tương tác mạnh gọi là sắc động học lượng tử. Lý thuyết này có thể giải thích các quá trình tương tác giữa các hạt quark và gluon trong nucleon.
Theo thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang trong mình điện tích màu, ở một trong 3 dạng "đỏ", "xanh lam" hoặc "xanh lá". Đó chỉ là những tên, hoàn toàn không liên hệ gì với màu thực tế. Đối quark là các hạt như "đối đỏ", "đối xanh lam", "đối xanh lá". Cùng màu đẩy nhau, trái màu hút nhau.
proton
neutron
Các hạt chỉ tồn tại nếu như tổng màu của chúng là trung hòa.
Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa chúng càng lớn, nhưng khi chúng gần xát nhau, thì lực tương tác này bằng 0. Mỗi một cặp tương tác của quark, chúng luôn luôn thay đổi màu, nhưng tổng màu điện tích của chúng được bảo toàn.
4.Tương tác yếu
Tương tác yếu ít được biết đến hơn, nhưng không vì thế mà tương tác yếu không đóng vai trò quan trọng. Nếu không có tương tác yếu thì Mặt trời cùng nhiều sao khác đã tắt đi vì tương tác yếu đóng vai trò quan trọng trong những phản ứng gây ra hiện tượng phát sáng của những thiên thể này.
Một trong những phản ứng đó là phản ứng “cháy của proton” dẫn đến sự hình thành Đơtơri D (đó là hạt nhân đồng vị nặng cùa H), positron e+ và neutrino electron ve
Hạt nơtrinô là hạt đặc thù của tương tác yếu bởi vì ngoài tương tác hấp dẫn (mọi hạt đều tham gia) thì nơtrinô chỉ tham gia tương tác yếu.
Tương tác giữa hạt nơtrinô và vật chất yếu đến mà Trái Đất cũng chỉ như vật thể trong suốt khi nơtrinô đi qua, và trong hơn cả một tấm kính mỏng đối với vùng ánh sáng nhìn thấy được.
Hạt nơtrinô là một hạt fermion, nghĩa là một hạt có spin ½. Nơtrinô không có điện tích và cũng không có tích màu. Có 3 loại nơtrinô là nơtrinô electron (ve), nơtrinô muon (vu) và nơtrinô tau (vT).
Hiện nay, người ta vẫn chưa chắc chắn rằng hạt nơtrinô có khối lượng hay không. Theo các dữ liệu từ thực nghiệm thì có thể hạt nơtrinô electron là không có khối lượng, còn nơtrinô muon và nơtrinô tau thì chưa chắc chắn.
Tương tác yếu thuộc tương tác có tầm tác động ngắn, bán kính tác động nhỏ hơn khoảng 1000 lần bán kính tác động của lực hạt nhân.
Các lượng tử truyền tương tác yếu đã được phát hiện vào năm 1983. Đó là những boson trung gian: W+,W- và Z0 . Các hạt này có spin bằng 1,chúng rất không bền, phân rã trong khoảng 10-24 giây.
Sự phát hiện thực nghiệm các hạt boson trung gian được tiến hành với quy mô lớn. Bài báo công bố sự phát hiện của các hạt này có 138 tác giả cùng ký tên. Điều này chứng minh sự đúng đắn của lý thuyết về sự tồn tại của các hạt này, vốn đã tồn tại 15 năm trước khi chúng được tìm ra.
II. Thuyết thống nhất các lực tương tác
Lý thuyết thống nhất lớn, được hình thành trong tiến trình mở rộng mô hình chuẩn của vật lý hạt. Mô hình chuẩn của vật lý hạt là thuyết miêu tả về tương tác mạnh, tương tác yếu, lực điện từ cũng như những hạt cơ bản tạo nên vật chất.
Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970, mô hình chuẩn là một phần của lý thuyết trường lượng tử, một lý thuyết đã kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp. Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm chứng về 3 lực miêu tả bởi mô hình chuẩn đều đúng như những dự đoán của thuyết này.
Tuy nhiên, mô hình chuẩn vẫn chưa là một thuyết thống nhất các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do sự vắng mặt của lực hấp dẫn. Mô hình chuẩn đã miêu tả chính xác các quan sát thu được tính đến nay.
Nhưng nó đã bỏ ngỏ những câu hỏi mang tính chất cơ bản, một trong số đó chính là việc tại sao tự nhiên lại cần đến 4 lực cơ bản mà không phải là 1, và tại sao độ lớn, cùng các tính chất, của chúng lại khác biệt đến vậy?
Người đầu tiên thành công trong việc thống nhất lực là Maxwell, khi ông xây dựng thuyết điện từ, lực điện và lực từ chỉ là hai mặt khác nhau của một lực duy nhất là lực điện từ. Ông đã đưa ra hệ phương trình miêu tả những định luật cơ bản về điện trường và từ trường được biết đến với tên gọi phương trình Maxwell. Đây là hệ phương trình chứng minh rằng điện trường và từ trường là thành phần một trường thống nhất, điện từ trường.
Ông cũng đã chứng minh rằng trường điện từ có thể truyền đi trong không gian dưới dạng sóng với tốc độ không đổi là 3.108 m/s, và đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng là sóng điện từ.
Sau đó, lý thuyết trường của lực yếu đã được phát triển tương tự lý thuyết trường của lực điện từ. Vào năm 1979, toàn thế giới đều biết đến giải Nobel về vật lý đã trao cho các nhà vật lý Steven Weinberg, Sheldon Glashow và Abdus Salam . Trong báo cáo của Hội đồng giải thưởng Nobel có nói: Giải Nobel năm nay được trao cho các nhà vật lý trên vì những cống hiến cơ bản vào lý thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ.
Steven Weinberg Sheldon Glashow Abdus Salam .
Đầu tiên lý thuyết này do Salam và Weinberg đưa ra từ năm 1967, song chưa được công nhận rộng rãi. Lý thuyết chỉ được công nhận sau khi người ta thực hiện nhiều thí nghiệm cho phép tìm ra những hạt của lý thuyết đó tiên đoán, trong đó có quark duyên. Các hạt boson trung gian cũng được tiên đoán trong khuôn khổ lý thuyết này.
Hóa ra, tương tác điện từ và tương tác yếu có cùng một nguồn gốc là tương tác điện từ - yếu và rẽ thành hai nhánh vì một quá trình gọi là sự phá vỡ tự phát của một đối xứng nội tại. Tới năm 1983, một giải Nobel vật lí lại được trao cho công trình thực nghiệm đã minh chứng các giá trị mà lí thuyết thống nhất lực điện từ - yếu tiên đoán.
Theo Mô hình chuẩn thì tương tác điện từ và tương tác yếu sẽ thống nhất ở mức năng lượng trên 100 GeV. Nhiều nhà vật lý trong đó có G. Giorgi và S. Glashow đã đưa ra giả định khi chuyển đến mức năng lượng cao hơn có thể sáp nhập tương tác điện từ - yếu với tương tác mạnh. Sơ đồ lý thuyết này gọi là sự thống nhất lớn.
Theo tính toán thì mức năng lượng này là 1014 – 1015 GeV. Đây là mức năng lượng lớn hơn nhiều với năng lượng cực đại của các máy gia tốc trong tương lai có thể đạt được đến 10 - 11 bậc, mà còn lớn hơn cả triệu lần năng lượng có thể đạt được điều kiện Trái đất với những ý tưởng táo bạo nhất như xây dựng một máy gia tốc bao quanh Trái đất.
Tương tác mạnh
Tương tác điện từ
Tương tác yếu
100 GeV
1014 -1015 GeV
Lí thuyết thống nhất lớn này có cơ sở phù hợp với thuyết Big Bang về giai đoạn đầu sau vụ nổ:
Từ điểm Zero Big Bang đến 10-43.: các định luật vật lý như chúng ta đã biết đều không đúng ở đây.
Ở 10-43s: Nhiệt độ của vũ trụ khoảng 1023K và vũ trụ dãn nở rất nhanh. Khi đó quá trình dãn nở rất nhanh, nhiệt độ giảm đều cho tới khi đạt tới giá trị hiện nay khoảng 3 K.
Từ 10-43s đến 10-35s: trong khoảng thời gian này, các lực mạnh, lực yếu và lực điện từ tác dụng như một lực duy nhất được mô tả bởi lý thuyết Thống nhất lớn, còn lực hấp dẫn tác dụng tách rời như hiện nay.
Từ 10-35s đến 10-10:. Lực mạnh tách ra, để lại lực điện từ, lực yếu và hấp dẫn vẫn còn tác dụng như một lực duy nhất.
Từ 10-10s đến 10-5s: Tất cả bốn lực đều tách biệt ra như hiện nay.
Các nhà vật lý hi vọng có thể gộp cả tương tác hấp dẫn vào lí thuyết thống nhất lớn để tạo một lí thuyết gọi là lí thuyết về Tất cả. Khó khăn chủ yếu trong quá trình tìm kiếm một lý thuyết có khả năng thống nhất hấp dẫn với các tương tác khác là lý thuyết tương đối rộng,có nghĩa là lý thuyết này không chứa đựng nguyên lý bất định của cơ học lương tử. Nhưng các lý thuyết riêng phần khác lại phụ thuộc thiết yếu vào cơ học lượng tử.
Vì vậy bước đầu tiên cần thiết là kết hợp lý thuyết tương đối rộng với nguyên lý bất định. Nguyên lý bất định đưa đến kết quả là “chân không” cũng chứa đầy các cặp ảo hạt và phản hạt. Những cặp này có một năng lượng vô cùng lớn. Lực hút hấp dẫn của chúng ta sẽ uốn cong vũ trụ vào một kích thước vô cùng bé.
Tương tự, những đại lượng vô cùng lớn vô nghĩa cũng xuất hiện trong các lý thuyết riêng phần khác, song trong tất cả các trường hợp, những đại lượng này đều có thể loại bỏ nhờ quá trình tái chuẩn hóa. Quá trình này loại bỏ những đại lượng vô cùng lớn bằng cách đưa vào những đại lượng khác cũng lớn vô cùng.
Để đưa nguyên lý bất định vào lý thuyết tương đối rộng, chúng ta chỉ có hai đại lượng cần hiệu chỉnh: hằng số hấp dẫn và hằng số vũ trụ. Song điều chỉnh chúng cũng chưa đủ để loại trừ tất cả các đại lượng vô cùng lớn. Như vậy người ta đi đến một lý thuyết trong đó một số đại lượng, như độ cong của không - thời gian là lớn vô cùng, song chúng ta phải quan sát và đo được chúng như những đại lượng hữu hạn hoàn toàn.
Vấn đề kết hợp lý thuyết tương đối rộng với nguyên lý bất định đã bị nghi ngờ trong một thời gian nhưng cuối cùng được xác nhận nhờ những tính toán chi tiết vào năm 1972. Bốn năm sau,“siêu hấp dẫn” được đưa ra. Ý tưởng của siêu hấp dẫn là kết hợp hạt spin 2 gọi là graviton, lượng tử truyền lực hấp dẫn, với những hạt mới khác có spin 3/2, 1, 1/2 và 0.
Trong một ý nghĩa nhất định tất cả những hạt này có thể được xem là những trạng thái khác nhau của cùng một “siêu hạt”, như thế ta thống nhất được những hạt vật chất có spin 1/2 và 3/2 với những hạt truyền tương tác có spin 0, 1 và 2.
Cặp ảo hạt/phản hạt có spin 1/2 và 3/2 sẽ có năng lượng âm, và như thế sẽ triệt tiêu năng lượng của các cặp ảo hạt có spin 2, 1 và 0. Điều này loại được nhiều đại lượng lớn vô cùng, song một số đại lượng như thế có thể còn sót lại.
Nhưng những phép tính cần thiết để chứng minh rằng có còn sót lại một số đại lượng như thế hay không là quá khó và quá dài đến nỗi không ai sẵn sàng thực hiện chúng. Ngay cả với máy tính, người ta ước lượng cũng phải cần ít nhất 4 năm, và xác suất phạm một phép tính sai hoặc có thể nhiều hơn, là rất lớn.
Các nhà vật lý coi đây là con đường tốt nhất để thống nhất hấp dẫn với các tương tác. Nhưng đến năm 1984 thì ý kiến thay đổi nghiêng về cái gọi là những lý thuyết dây.
III. TÌM HIỂU LÝ THUYẾT DÂY
1. Lịch sử lý thuyết dây
Đầu tiên cuối những năm 60, lý thuyết dây được xây dựng để mô tả tương tác mạnh. Tư tưởng xuất phát là các hạt như proton và neutron có thể xem như sóng của một dây. Lực tương tác giữa các hạt sẽ được mô tả bởi những đoạn nối giữa các dây như trong một mạng nhện.
Trong khi đó sắc động lực học lượng tử dựa trên các hạt điểm đã được phát triển và những thành công vang dội của nó trong việc mô tả tương tác mạnh đã làm mờ đi lý thuyết dây.
Năm 1974, Joel Scherk ở Paris và John Schwarz ở Viện công nghệ California công bố một bài báo chỉ rằng lý thuyết dây có thể mô tả lực hấp dẫn nếu lực căng của dây lớn hơn nhiều, khoảng (1 với 39 số không) tấn. Những tiên đoán của lý thuyết dây trùng với những tiên đoán của thuyết tương đối rộng ở các độ dài bình thường, song khác nhau ở các khoảng cách cực bé, nhỏ hơn 1centimet chia cho (1 với 33 số không).
Công trình của hai tác giả trên không được sự chú ý, bởi vì vào đúng khoảng thời gian đó đa số từ bỏ lý thuyết dây của tương tác mạnh để theo đuổi lý thuyết quark và gluon vì lý thuyết sau có vẻ phù hợp với quan sát thực nghiệm.
Năm 1984, sự quan tâm đến lý thuyết dây đột ngột được tái sinh, vì hai lý do là người ta không thu được tiến bộ gì nhiều trong việc chứng minh rằng siêu hấp dẫn là hữu hạn hoặc siêu hấp dẫn có khả năng giải thích các loại hạt mà chúng ta quan sát được. Lý do thứ hai là sự ra đời bài báo của John Schwarz và Mike Green ở Đại học Nữ hoàng Mary (Anh).
Cuộc cách mạnh lý thuyết dây lần thứ nhất, các nhà vật lý nhận thầy rằng nếu hạn chế trong những phép gần đúng đó thì không đủ để trả lời cho rất nhiều vấn đề căn bản. Nhiều nhà vật lý cảm thấy thất vọng và đành quay về những hướng nghiên cứu trước kia của họ.
Năm 1995, trong bài giảng tại Hội nghị Siêu dây được tổ chức tại Đại học Nam California, một bài giảng khiến cho cử tọa ít ỏi gồm những chuyên gia hàng đầu thế giới về lý thuyết dây phải kinh ngạc, Edward Witten đã châm ngòi cho cuộc cách mạng siêu dây lần thứ hai.
Dây là khái niệm vật lý cơ bản chỉ vật thể một chiều mà các kiểu dao động khác nhau của nó hình thành các hạt cơ bản với các tính chất khác nhau. Mỗi hạt không phải như những phần tử không thể phân chia được, không có cấu trúc nội tại mà được hình dung như một vòng dây một chiều đóng kín.
Các dây này ở dưới hai dạng: dây khép kín và dây hở. . Dây hở có hai đầu không đụng nhau, còn dây khép kín là một vòng không có đầu hở. Tùy thuộc vào những cách chắp nối hay tách rời khác nhau
Trình tự nghiên cứu cấu tạo vật chất của vũ trụ:
1. Các vật thể vĩ mô (chính xác hơn, các vật thể thông thường hàng ngày quan sát được bằng mắt thường)
2. Cấu trúc phân tử
3. Cấu trúc nguyên tử với hạt nhân (proton và nơtron) với điện tử
4. Các hạt cơ bản
5. Các quark
6. Các dây
Các dây này ở dưới hai dạng: dây khép kín và dây hở. . Dây hở có hai đầu không đụng nhau, còn dây khép kín là một vòng không có đầu hở. Tùy thuộc vào những cách chắp nối hay tách rời khác nhau
Các tượng tác dựa vào khả năng của một dây chắp nối hay tách xa các đầu của nó. Bởi vì các đầu của những dây hở có thể chắp nối lại tạo thành những dây khép kín, nên bạn không thể tạo dựng một lý thuyết dây không có những dây khép kín.
Các dây khép kín có những tính chất làm cho các nhà vật lý học tin rằng chúng có thễ mô tả lực hấp dẫn . Các nhà vật lý đã bắt đầu nhận định ra rằng lý thuyết dây có đủ khả năng giải thích lực hấp dẫn và động tác của các hạt.
Sau nhiều năm, người ta đã phát hiện là lý thuyết dây đòi hỏi những vật thể khác hơn là các dây. Các vật thể này có thễ được xem như là những tấm lá hay màng. Các dây có thễ bám dính một đầu hay cả hai đầu vào các màng này.
Giống sợi dây đàn dao động sẽ tạo ra các nốt nhạc (các dao động cộng hưởng), dây hay màng dao động trong không - thời gian 11 chiều sẽ tạo ra mọi hạt cơ bản đã biết và chưa biết, cùng mọi đặc trưng vật lý của chúng (như điện tích hay khối lượng).
Tại sao không - thời gian có 11chiều?
Câu trả lời không xuất phát từ một căn nguyên vật lý sâu xa, mà chỉ thuần túy đến từ toán học. Chỉ với không - thời gian chiều, mới tránh được xác suất tìm hạt có giá trị âm - một điều vô nghĩa về vật lý
Các nhà lí thuyết dây từ trước đến nay vẫn đang vật lộn với việc đưa ra những tiên đoán mới có thể kiểm tra được. Cho nên, lí thuyết dây vẫn chỉ là như vậy: một lí thuyết Thứ hai, có quá nhiều biến thể của lí thuyết dây, không có biến thể nào có thể chính xác – và ít có cơ hội chọn giữa chúng. Để giải quyết vấn đề này, một số nhà vật lí đề xuất một khuôn khổ tổng quát hơn gọi là Lí thuyết M.
.
Nhưng lí thuyết M có những trở ngại của nó. Tùy thuộc vào cách thức bạn thiết lập nó, lí thuyết M có thể mô tả 10500 vũ trụ bất kì. Một số nhà vật lí biện hộ rằng đây là bằng chứng cho thấy có nhiều vũ trụ, nhưng những người khác thì nghĩ nó chỉ có nghĩa là lí thuyết đó không thể kiểm tra được mà thôi.
Ưu điểm lớn nhất của lý thuyết dây là bài toán thống nhất, khi mọi tương tác đều có thể thống nhất rất tự nhiên trong khuôn khổ luận lý của nó. Ưu điểm lớn khác là đóng góp trong vũ trụ luận khi nó đưa ra hai kịch bản bổ sung cho kịch bản Big Bang lạm phát tiêu chuẩn (mô hình tiền Big Bang và mô hình màng va chạm). Nó cũng giải quyết được bài toán entropy lỗ đen.
Nhược điểm căn bản của lý thuyết bao gồm:
1) thiếu nguyên lý dẫn dắt nền tảng, kiểu nguyên lý tương đương trong lý thuyết Einstein,
2) thiếu loại toán học cần thiết như hình học Euclid là cơ sở của vật lý Newton hay hình học Riemann là cơ sở của vật lý Einstein và
3) phụ thuộc nền, khi các phương trình được viết trong không - thời gian phi lượng tử có trước, nói cách khác không - thời gian không xuất hiện từ bản thân lý thuyết.
Quan niệm không - thời gian 11 chiều cũng có thể xem là một nhược điểm.
Ngoài lý thuyết dây, các nhà vật lý còn đề ra nhiều lý thuyết khác nhằm thống nhất các tương tác, như lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng, lý thuyết twistor của Penrose, hình học không giao hoán của Connes, các mô hình vi phân Regge, các mô hình dựa trên vật lý vật chất ngưng tụ… Chúng chưa đạt tới mức độ thành công như lý thuyết dây.
Theo thuyết hấp dẫn lượng tử vòng, Quan điểm cơ bản là không gian không liên tục, mà thay vào đó nó bị phá vỡ thành những mảng nhỏ xíu bề ngang 10-35 mét. Những mảng này sau đó nối lại với nhau bằng những liên kết tạo ra không gian mà chúng ta trải nghiệm. Khi những liên kết này thắt lại thành viền và nút, chúng tạo ra các hạt sơ cấp.
Theo thuyết E8
Năm 2007, nhà vật lí (và đôi khi là nhà lướt ván) Garrett Lisi đề xuất về một kiểu mẫu toán học phức 8 chiều với 248 điểm. Hạt cơ bản và lực cơ bản khác nhau mà vật lí học đã biết có thể đặt vào các điểm của mẫu E8, và nhiều tương tác của chúng xuất hiện sau đó một cách tự nhiên.
* Một số tài liệu cũ có thể bị lỗi font khi hiển thị do dùng bộ mã không phải Unikey ...
Người chia sẻ: Nguyễn Thành Lợi
Dung lượng: |
Lượt tài: 3
Loại file:
Nguồn : Chưa rõ
(Tài liệu chưa được thẩm định)