TUYEN NHUNG BAI VAT LI

Trong ví dụ với mặt trăng, trường hấp dẫn đổi hướng từ điểm này sang điểm khác Nguyên lí rằng người ta luôn luôn có thể tìm một hệ quy chiếu quán tính tại mỗi điểm của không gian và thời

Tuyển những bài báo hay

Vật lí

An Minh, tháng 2 năm 2008

Tặng Admin Thanh Tâm

Mục lục

Các lực trong tự nhiên 1

Neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ 12

Giải bài toán bí ẩn neutrino còn thiếu 21

Mặt trời chiếu sáng như thế nào ? 33

Máy gia tốc và các nhà khoa học đoạt giải Nobel 48

Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ánh trong các thành tựu Nobel 77

Marie và Pierre Curie với việc khám phá ra Polonium và Radium 87

Giải thưởng Nobel vật lí: 1901-2000 105

Phương pháp chụp ảnh mang tính cách mạng của Lippmann và Gabor 130

Công nghệ và doanh nhân ở Thung lũng Silicon 138

Ông chủ tình cờ 147

Tài liệu dịch từ nobelprize.org

tự mình tác dụng lực khi chúng ta đẩy một cái gì đó và, bằng kĩ thuật, giải phóng một số năng lượng trong dầu mỏ tạo ra lực tác dụng lên bánh xe hơi làm cho nó chuyển động Từ quan điểm

vĩ mô, chúng ta có thể tưởng tượng ra nhiều loại lực khác nhau, các lực tác dụng tại chỗ tiếp xúc, nhưng cũng có lực tác dụng xuyên khoảng cách như lực hấp dẫn Dù vậy, trong vật lí, chúng ta

cố gắng hệ thống hóa và tìm càng nhiều khái niệm tổng quát càng tốt Một sự hệ thống hóa như thế là đi tìm các thành phần tối hậu của vật chất Một sự hệ thống hóa nữa là tìm ra các lực tác dụng giữa chúng Trong trường hợp thứ nhất, chúng ta đã có thể phân chia vật chất thành các nguyên tử và phân chia các nguyên tử thành hạt nhân và các electron, và rồi phân chia hạt nhân thành các proton và neutron Khi cho va chạm proton với proton hay proton với electron, các nhà vật lí hạt đã khám phá ra rằng toàn bộ vật chất có thể cấu thành từ một số quark (một khái niệm

do Murray Gell-Mann đưa ra hồi những năm 1960) và lepton (electron và các neutrino và các chị

em nặng hơn của chúng) Cũng trong quá trình này, các nhà vật lí đã phát hiện ra bốn lực cơ bản tác dụng giữa các hạt vật chất này – lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu Chỉ có hai lực đầu là có thể nhìn thấy trực tiếp trong thế giới vĩ mô, nên chúng ta hãy mô tả chúng trước

Lực hấp dẫn

Lí thuyết mang tính định lượng đầu tiên của lực hấp dẫn xây dựng trên các quan sát do Isaac Newton thiết lập vào năm 1687 trong cuốn Principia của ông Ông viết rằng lực hấp dẫn tác dụng lên mặt trời và các hành tinh phụ thuộc vào lượng vật chất mà chúng chứa Nó truyền đi

2 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

những khoảng cách xa và luôn luôn giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Công thức viết cho lực F giữa hai vật có khối lượng m1 và m2 cách nhau khoảng r là

F = Gm1m2/r2trong đó G là hằng số tỉ lệ, hay hằng số hấp dẫn Newton không hoàn toàn hài lòng với lí thuyết của ông vì nó giả sử một tương tác xuyên khoảng cách Khó khăn đã bị loại trừ khi khái niệm trường hấp dẫn được nêu ra, một trường thấm đẫm không gian Lí thuyết Newton được áp dụng rất thành công cho cơ học thiên thể trong thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19 Ví dụ, J.C Adams và U.J.J Leverrier đã có thể phỏng đoán một hành tinh nằm bên ngoài Thiên vương tinh từ sự không đều trong quỹ đạo của nó và sau đó, Hải vương tinh đã được tìm thấy Dù vậy, vẫn còn tồn đọng một vấn đề Vào năm 1845, Leverrier tính thấy quỹ đạo của Thủy tinh tiến động 35” trên thế kỉ, trái với giá trị theo thuyết Newton là bằng không Sau đó, các phép đo cho giá trị chính xác hơn là 43” (Sự tiến động quan sát thấy thật ra là 5270”/thế kỉ, nhưng khi nhẫn nại tính toán loại trừ hết nhiễu loạn từ tất cả các hành tinh khác cho giá trị 43”) Mãi cho đến năm 1915, Einstein mới có thể giải thích được sự không nhất quán này

Galilei là người đầu tiên quan sát thấy các vật dường như rơi ở tốc độ như nhau bất kể khối lượng của chúng Trong các phương trình Newton, khái niệm khối lượng xuất hiện trong hai phương trình khác nhau Định luật thứ hai phát biểu rằng lực F tác dụng lên một vật khối lượng

m cho gia tốc a tuân theo phương trình F = ma Trong định luật hấp dẫn, lực hấp dẫn F thỏa mãn

F = mg, trong đó g phụ thuộc vào các vật khác tác dụng lực lên vật (thường là trái đất, khi chúng

ta nói tới lực hấp dẫn) Trong cả hai phương trình, m là hệ số tỉ lệ (khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn) và không hề có lí do rõ ràng nào là chúng phải bằng nhau đối với hai vật khác nhau Tuy nhiên, tất cả các thí nghiệm đều xác nhận chúng là như nhau Einstein lấy thực tế này làm điểm xuất phát cho lí thuyết hấp dẫn của ông Nếu bạn không thể phân biệt khối lượng quán tính với khối lượng hấp dẫn, thì bạn không thể nào phân biệt sự hấp dẫn với sự gia tốc Một thí nghiệm tiến hành trong trường hấp dẫn có thể thay thế bằng cách tiến hành trong một thang máy đang gia tốc mà không có trường hấp dẫn Khi nhà du hành vũ trụ trong một tên lửa gia tốc ra khỏi trái đất, ông cảm thấy lực hấp dẫn lớn hơn vài lần so với trên trái đất Đa số sự hấp dẫn đó

là do sự gia tốc Nếu người ta không thể phân biệt hấp dẫn với gia tốc, người ta luôn luôn có thể thay thế lực hấp dẫn bằng cách ở trong một hệ quy chiếu đang gia tốc Một hệ quy chiếu trong đó

sự gia tốc triệt tiêu lực hấp dẫn được gọi là hệ quy chiếu quán tính Vì thế, mặt trăng quay xung quanh trái đất có thể thay thế bằng cách xét trong một hệ quy chiếu đang gia tốc Tuy nhiên, hệ

© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 3

quy chiếu này sẽ khác từ điểm này đến điểm khác vì trường hấp dẫn biến thiên (Trong ví dụ với mặt trăng, trường hấp dẫn đổi hướng từ điểm này sang điểm khác) Nguyên lí rằng người ta luôn luôn có thể tìm một hệ quy chiếu quán tính tại mỗi điểm của không gian và thời gian, trong đó nền vật lí tuân theo các định luật trong sự thiếu vắng lực hấp dẫn được gọi là nguyên lí tương đương

Thực tế lực hấp dẫn có thể xem là một hệ tọa độ khác nhau từ điểm này sang điểm khác

có nghĩa là lực hấp dẫn là một lí thuyết hình học Hệ tọa độ thật sự bao quát toàn bộ không gian

và thời gian do đó phức tạp hơn hệ tọa độ phẳng thông thường mà chúng ta sử dụng từ hình học thông thường Loại hình học này gọi là hình học phi Euclid Lực như chúng ta thấy là do tính chất của không gian và thời gian Chúng ta nói rằng không-thời gian bị cong Xét một quả cầu nằm trên một bề mặt phẳng Nó sẽ không chuyển động, hoặc nếu như không có ma sát, nó có thể chuyển động đều khi không có lực tác dụng lên nó Nếu như bề mặt bị cong, quả cầu sẽ gia tốc

và chuyển động xuống điểm thấp nhất chọn đường đi ngắn nhất Tương tự, Einstein bảo chúng ta rằng không gian và thời gian bốn chiều bị cong và một vật chuyển động trong không gian này chuyển động dọc theo một đường rãnh là hành trình ngắn nhất Einstein chỉ ra rằng trường hấp dẫn là đại lượng hình học vạch rõ cái gọi là thời gian đích thực, đó là khái niệm nhận cùng một giá trị trong mọi hệ tọa độ tương tự như khoảng cách trong không gian thông thường Ông cũng thành công trong việc xây dựng các phương trình cho trường hấp dẫn, được đặt tên là các phương trình Einstein, và với các phương trình này ông đã có thể tính được giá trị đúng cho sự tiến động đối với quỹ đạo của Thủy tinh Các phương trình đó cũng cho giá trị đo được của sự lệch của các tia sáng truyền qua mặt trời và không còn có sự nghi ngờ nào rằng các phương trình

đó cho kết quả chính xác đối với sự hấp dẫn vĩ mô Lí thuyết hấp dẫn của Einstein, hay lí thuyết tương đối, như ông tự gọi như thế, là một trong những thành tựu to lớn nhất của nền khoa học hiện đại

Lực điện từ

James Clerk Maxwell, vào năm 1865, cuối cùng đã thống nhất các khái niệm điện và từ thành một lí thuyết về điện từ Lực này được trung chuyển bởi trường điện từ Các biến thể khác nhau của trường này tương ứng dẫn tới điện trường và từ trường Dù vậy, lí thuyết này không hoàn toàn đối xứng trong điện trường và từ trường, vì nó chỉ nêu các nguồn trực tiếp cho điện trường, đó là các điện tích Một lí thuyết hoàn toàn đối xứng cũng phải nêu ra các từ tích (được lí thuyết lượng tử hiện đại tiên đoán là tồn tại nhưng có độ lớn quá khổng lồ nên các từ tích tự do phải cực kì hiếm trong vũ trụ) Đối với hai vật tĩnh có điện tích e1 và e2, lí thuyết đưa đến định luật Coulomb cho lực tác dụng giữa hai vật

4 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

F = ke1e2/r2trong đó một lần nữa k là hằng số tỉ lệ Lưu ý sự tương đồng với định luật Newton đối với lực hấp dẫn Dù vậy, vẫn có một sự khác biệt Trong khi lực hấp dẫn luôn luôn là lực hút, thì lực điện từ có thể là lực đẩy Điện tích có thể có dấu âm như đối với electron hay dấu dương như đối với proton Điều này dẫn đến thực tế là các điện tích dương và âm có xu hướng kết hợp với nhau như trong các nguyên tử và vì thế, bù trừ lẫn nhau và làm giảm trường điện từ Đa số các hạt trong trái đất bù trừ lẫn nhau theo kiểu này và trường điện từ toàn phần giảm đi rất nhiều Tuy vậy, chúng ta biết là có từ trường của trái đất Trong cơ thể của chúng ta cũng thế, đa số các điện tích bù trừ lẫn nhau sao cho có lực điện từ rất yếu giữa cơ thể và trái đất Tình huống rất khác đối với trường hấp dẫn Vì nó luôn luôn hút, nên mỗi hạt trong trái đất tương tác với từng hạt trong

cơ thể người, tạo ra một lực đúng bằng trọng lượng của chúng ta Tuy nhiên, nếu chúng ta so sánh lực điện từ và lực hấp dẫn giữa hai electron, chúng ta sẽ thấy rằng lực điện từ lớn hơn đến gần 1040 lần Đây là một con số lớn không thể tin nổi! Nó cho thấy khi chúng ta bước vào thế giới vi mô và nghiên cứu nền vật lí của các hạt cơ bản, chúng ta không cần xét đến lực hấp dẫn khi chúng ta nghiên cứu điện động lực học lượng tử, ít nhất là không phải là các năng lượng thông thường

Khi giải hệ phương trình Maxwell, người ta thấy trường điện từ truyền đi với vận tốc hữu hạn Điều này có nghĩa là định luật Coulomb chỉ đúng một khi trường điện từ có thời gian truyền giữa hai điện tích Nó là một định luật tĩnh Người ta cũng tìm thấy trường điện từ truyền đi dưới dạng sóng theo kiểu giống hệt như ánh sáng truyền đi Romer là người đã khám phá ra vận tốc của ánh sáng là hữu hạn và Newton và Huygens là những người phát hiện thấy ánh sáng truyền

đi dưới dạng sóng vào cuối thế kỉ 17, và vào cuối thế kỉ 19, vận tốc của ánh sáng đã được xác định tốt và thấy là phù hợp với vận tốc của trường điện từ Vì thế, người ta xác lập rằng ánh sáng không gì hơn chính là bức xạ điện từ Năm 1900, Max Planck đề xuất rằng ánh sáng bị lượng tử hóa để giải thích bức xạ vật đen Tuy nhiên, Albert Einstein là người đầu tiên thật sự hiểu được các hệ quả mang tính cách mạng của ý tưởng này khi ông thiết lập cơ sở của hiệu ứng quang điện Trường điện từ có thể hiểu là dòng các hạt nhỏ gọi là photon cấu thành nên trường điện từ Khía cạnh mang tính cách mạng của ý tưởng này là dòng hạt cũng có thể hành xử như một sóng

và có nhiều sự chống đối lại ý tưởng này từ phía các nhà khoa học của thời kì đó Mãi cho đến năm 1923 khi Arthur Compton chỉ ra bằng thực nghiệm rằng một lượng tử ánh sáng có thể làm

Cơ học lượng tử đã đưa đến nhiều khái niệm mang tính cách mạng Một trong những khái niệm quan trọng nhất là quan hệ bất định Heisenberg do Werner Heisenberg thiết lập năm 1927, phát biểu rằng người ta không thể đo vị trí và xung lượng, hoặc năng lượng và thời gian một cách chính xác đồng thời Đối với một hạt nhân, người ta có thể hoặc là xác định vị trí của electron và không biết gì về xung lượng của nó, hoặc là biết xung lượng của nó và không biết gì

về vị trí của nó Trong bức tranh biểu diễn trường lực giữa hai điện tích, chúng ta phải nghĩ về nó dưới dạng các photon truyền từ điện tích này tới điện tích kia Vì thế, năng lượng không thể nào xác định tốt hơn cái do quan hệ bất định cho chúng ta biết vì sai số trong việc xác định thời gian

Do đó, quan hệ tương đối đặc biệt đối với ánh sáng rằng photon không có khối lượng được chuyển thành quan hệ năng lượng2 = xung lượng2c2 phải không thỏa mãn Nếu như chúng ta đặt năng lượng và xung lượng ba chiều lại thành xung lượng bốn chiều, chúng ta thấy nó không bị gượng ép bởi điều kiện không có khối lượng, chúng ta nói rằng photon là ảo và vì thế có khối lượng (ảo) Như vậy, chúng ta có thể giải thích quá trình ở trên hoặc là một photon nhất định đi

từ hạt 1 tới hạt 2 với một xung lượng bốn chiều nhất định, hoặc là một photon đi từ hạt 2 tới hạt

1 với xung lượng bốn chiều ngược lại Khi hai điện tích cách xa nhau, quan hệ bất định cho chút

ít tự do và photon tiến gần hơn tới không có khối lượng Chúng ta biết rằng định luật Coulomb

có vẻ hợp lí ở những khoảng cách lớn nhất nên nó phải được thiết lập bởi các photon gần như không có khối lượng Nếu hai điện tích ở gần nhau thì phải có nhiều điều kiện hơn cho lực Nhân

6 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

thể, để đo vận tốc của ánh sáng, các photon phải tương tác Vì thế, có một chút bất định ở khối lượng của nó và một chút bất định ở vận tốc của nó Tuy nhiên, chúng ta luôn luôn đo được cùng một vận tốc cho ánh sáng, có nghĩa là ở các khoảng cách vĩ mô mà chúng ta đo, tính ảo và vì thế khối lượng của photon về cơ bản là bằng không đến độ chính xác rất tốt Khi đó, người ta có thể nói rằng vận tốc ánh sáng là một hằng số

Sự mô tả đầy đủ của lực điện từ giữa các hạt cơ bản được thiết lập bởi Sin-Itiro Tomonaga, Richard Feynman và Julian Schwinger trong những nghiên cứu độc lập nhau hồi thập niên 1940 Họ đã thiết lập điện động lực học lượng tử (QED) Đây là một lí thuyết xem xét trọn vẹn vật lí lượng tử và thuyết tương đối đặc biệt (đó là sự đối xứng cơ sở của hệ phương trình Maxwell) Nó thiết lập rất tao nhã cái gọi là biểu đồ Feynman, trong đó các hạt cơ bản trao đổi photon như đã mô tả ở trên và trong đó từng biểu đồ thiết lập một biểu thức toán học nhất định

có thể thu được từ một số quy luật cơ bản đối với sự truyền của các hạt ảo và từ các đỉnh tương tác Biểu đồ đơn giản nhất cho sự tương tác giữa hai electron là

Biểu đồ này thật ra đưa đến định luật Coulomb Bây giờ Feynman chỉ dẫn chúng ta rằng chúng ta có thể kết hợp bất kì đường nào cho một electron đang truyền đi (hay khi nó truyền ngược trở lại, positron) và bất kì đường nào cho một photon đang truyền đi buộc chặt với đỉnh nơi một đường electron phát ra photon tạo nên các biểu đồ mới Mỗi biểu đồ khác không giống với biểu đồ ở trên tạo nên các hiệu chỉnh lượng tử cho lực cơ bản Cái xuyên suốt nghiên cứu của

ba nhà khoa học ở trên là mỗi biểu đồ có thể làm cho có ý nghĩa mang lại câu trả lời hữu hạn Người ta nói rằng QED là có thể tái chuẩn hóa Cường độ của lực như trong định luật Coulomb

bị chi phối bởi độ lớn của đỉnh, tức là điện tích e trong QED và trong biểu đồ ở trên nó tỉ lệ với bình phương của e và là hằng số cấu trúc tinh tế α = 1/137 Vì đây là một con số nhỏ, nên có thể viết độ lớn trong chuỗi điều kiện với số mũ càng lúc càng cao của α, vì hệ số đó sẽ ngày càng nhỏ hơn đối với sự phức tạp tăng dần của biểu đồ Các điều kiện bậc càng cao thì các hiệu chỉnh lượng tử càng cao và sự mở rộng mà chúng ta đã định rõ sẽ có các điều kiện càng nhỏ hơn khi chúng ta đi tới các hiệu chỉnh lượng tử cao hơn

Lực hạt nhân

Vì chỉ có hai lực cơ bản được biết tới vào đầu thế kỉ 20, lực hấp dẫn và lực điện từ, người

ta thấy lực điện từ là nguyên nhân gây ra các lực trong nguyên tử, nên thật tự nhiên tin rằng nó cũng là nguyên nhân gây ra các lực giữ hạt nhân lại với nhau Vào thập niên 1920, người ta đã biết rằng hạt nhân chứa các proton, thật ra hạt nhân hydrogen chỉ là một proton, và không hiểu sao người ta tin rằng các electron có thể có liên quan trong việc giữ các proton lại với nhau Tuy

© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 7

nhiên, một ý tưởng giống như thế này ngay lập tức có vấn đề Đâu là sự khác nhau giữa các electron trong hạt nhân và các electron trong quỹ đạo xung quanh hạt nhân ? Đâu là hệ quả của quan hệ bất định Heisenberg nếu như các electron bị ép vào hạt nhân nhỏ xíu ? Sự ủng hộ duy nhất cho ý tưởng đó, lúc ấy người ta chưa biết đến các hạt cơ bản khác, là trong các phân hủy phóng xạ nhất định, các electron dường như phát ra từ hạt nhân Tuy nhiên, vào năm 1932, James Chadwick phát hiện ra một loại bức xạ mới có thể phát ra từ hạt nhân, một hạt nhân trung hòa và thí nghiệm của ông cho thấy thật sự có các hạt trung hòa điện bên trong hạt nhân, chúng được gọi là neutron Không lâu sau đó, Eugene Wigner giải thích hạt nhân là hệ quả của hai lực hạt nhân khác nhau Lực hạt nhân mạnh là lực hút giữa các proton và neutron giữ hạt nhân lại với nhau và lực hạt nhân yếu là nguyên nhân gây ra phân hủy phóng xạ của các hạt nhân nhất định Người ta nhận thấy độ lớn của hai lực khác nhau rất nhiều Tỉ số tiêu biểu là vào bậc 1014 ở các năng lượng thông thường

Tương tác mạnh

Một ý tưởng tự nhiên lúc này là tìm kiếm một cơ chế như cơ chế ở lực điện từ để trung chuyển lực mạnh Vào năm 1935, Hideki Yukawa đề xuất một lí thuyết trường cho tương tác mạnh trong đó hạt trung chuyển trường được gọi là meson

Tuy nhiên, có một sự khác biệt đáng kể giữa lực mạnh và lực điện từ là lực mạnh có phạm vi tác dụng rất ngắn (thường vào cỡ bán kính hạt nhân) Đây là lí do tại sao không có bản đối chiếu cổ điển và vì thế không được phát hiện trong vật lí cổ điển Yukawa giải bài toán này bằng cách để cho meson có khối lượng Một hạt như thế sau đó hình như đã được Carl Anderson tìm thấy trong tia vũ trụ Khám phá ra sự phân hạch hạt nhân vào cuối những năm 1930 đưa đến

sự hứng thú to lớn với vật lí hạt nhân và trong những năm tháng chiến tranh, đa số các nhà vật lí đều nghiên cứu vấn đề phân hạch nên mãi đến sau chiến tranh thì ý tưởng của Yukawa mới được

để ý tới trở lại Sau đó, người ta nhận ra rằng hạt do Anderson tìm ra không thể là meson của các tương tác mạnh, vì nó quá ít tương tác với vật chất, và sau đó người ta chỉ ra rằng hạt này, bây giờ gọi là muon, là chị em nặng kí của electron Tuy nhiên, meson, bây giờ định luật pion, cuối cùng đã dược Cecil Powell phát hiện trong tia vũ trụ vào năm 1947 và tính chất của nó đã được

đo Bây giờ lại xuất hiện một nan đề mới Khi các máy gia tốc khổng lồ bắt đầu hoạt động trong những năm 1950, các pion được tạo ra chứng minh cho lí thuyết Yukawa, nhưng khi lí thuyết trường của ông được xem xét cẩn thận theo các quy luật do Feynman thiết lập, nó cho thấy lí thuyết đó thật sự là có thể tái chuẩn hóa, nhưng hằng số ghép đôi quá lớn, lớn hơn 1 Điều này có nghĩa là một biểu đồ với một vài tương tác sẽ cho đóng góp lớn hơn biểu đồ chất phác với sự trao

8 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

đổi chỉ một pion, tức là người ta nghĩ điều đó mang lại bức tranh thô của sự tán xạ của hai proton

Sự mở rộng không có ý nghĩa Sự tán xạ của các proton cũng tạo ra các hạt tương tác mạnh mới ngoài pion, chúng được đặt tên là hadron Thật vậy, một lũ lâu la các hạt cơ bản đã được phát hiện, một số trong chúng có thời gian sống chừng 10-8 đến 10-10 s và một số có thời gian sống

10-23 s Vấn đề này đã được Murray Gell-Mann giải quyết khi ông đề xuất rằng tất cả các hạt tương tác mạnh thật ra là những trạng thái liên kết của các trạng thái còn cơ bản hơn nữa, đó là các quark Ý kiến này cuối cùng đã được xác nhận bằng thực nghiệm trong các thí nghiệm Stanford trong các năm 1970, dưới sự chỉ đạo của Jerome Friedman, Henry Kendall và Richard Taylor Để tìm hiểu các lực bên trong hạt nhân, người ta thật sự phải tìm hiểu lí thuyết trường cho các quark Trước khi mô tả lực giữa các quark, chúng ta phải bàn về lực hạt nhân kia, lực yếu

Tương tác yếu

Năm 1896, Henri Becquerel phát hiện thấy muối uranium phát ra một bức xạ; chúng có tính phóng xạ Nghiên cứu của ông được tiếp nối bởi Marie và Pierre Curie, họ phát hiện thấy một vài nguyên tử phân hủy bằng cách phát ra phóng xạ Với việc khám phá ra neutron, người ta nhận ra rằng hiện tượng này là một mặt khác của một lực đang hoạt động Người ta thấy neutron phân rã thành một proton và một electron và một hạt giả định khi đó do Wolfgang Pauli đề xuất, chúng được đặt tên là neutrino (thật ra là phản neutrino) Vì trong hạt nhân, khối lượng của các nucleon là ảo nên quá trình cũng có thể tiến triển theo cách khác trong đó một proton phân hủy thành một neutron, một positron và một neutrino Người đầu tiên thiết lập mô hình cho tương tác này là Enrico Fermi, trong đó đề xuất rằng sự tương tác là tức thời giữa các hạt vật chất Vào cuối những năm 1950, lí thuyết của Fermi đã được cải tiến để giải thích sự vi phạm tính chẵn lẻ bởi Marshak và Sudarsan và do Feynman và Gell-Mann Sự vi phạm tính chẵn lẻ của các tương tác yếu được đề xuất bởi Tsung-Dao Lee và Chen Ning Yang vào năm 1956 và được xác nhận bằng thực nghiệm bởi Wu và các cộng sự một năm sau đó (Các tương tác yếu có thể phân biệt giữa bên trái và bên phải)

Tuy nhiên, mô hình đưa ra có những vấn đề gay gắt Nó không phải là tái chuẩn hóa nên

nó không thật sự là một lí thuyết tổng quát Mặt khác, mô hình hoạt động cực kì tốt trong nhiều quá trình Làm thế nào người ta có thể hòa giải hai thực tế này ? Trong những năm 1960, các mô

tả lí thuyết trường mới đã được đề xuất và để hòa giải thực tế trên, người ta đưa ra các hạt trung chuyển cực kì nặng Trong các quá trình năng lượng thấp, một hạt như thế chỉ có thể truyền đi một khoảng cách rất ngắn và trong thực tế trông như thể tương tác xảy ra tại một điểm cho mô hình ở trên đối với các năng lượng ở thời gian có thể khảo sát Khuôn khổ được sử dụng, cái gọi

là “các lí thuyết chuẩn phi Abel” do Sheldon Glashow, Steven Weinberg và Abdus Salam sử dụng trong các nghiên cứu độc lập đều đề xuất một mô hình khái quát hóa mô hình ở trên Một lí thuyết trường như thế là sự khái quát hóa của QED trong đó có vài hạt trung gian cũng có khả năng tự tương tác Vào đầu thập niên 1970, khuôn khổ này của mô hình đã được Gerhard ‘tHooft

và Tini Veltman chứng minh là có thể tái chuẩn hóa được và vì thế là những lí thuyết lượng tử tốt Đầy rẫy bằng chứng thực nghiệm cho mô hình đã được thu thập trong thập niên 1970 và cuối

Một đặc điểm đáng chú ý của các thí nghiệm SLAC xác nhận sự tồn tại của các quark là

“sự chia tỉ lệ” Tiết diện đối với sự tán xạ sâu không đàn hồi của các electron lên proton phụ thuộc vào vài ba biến động học đối với các năng lượng cao hơn Các tiết diện chia tỉ lệ Hiện tượng này được đề xuất trên lí thuyết bởi James Bjorken và dữ liệu cho thấy nó rõ ràng Richard Feynman giải thích nó bằng cách giả sử rằng proton gồm các thành phần giống như chất điểm Nhằm giải thích sự chia tỉ lệ, các thành phần này phải có cường độ ghép đôi giảm theo năng lượng, ngược với trường hợp QED Đây là cái gọi là “sự tự do tiệm cận” Thật hơi khó tin rằng một lí thuyết trường lượng tử có thể là tự do tiệm cận vì sự phụ thuộc năng lượng của hằng số ghép đôi là do sự bù trừ từ các cặp hạt ảo Cơ học lượng tử tương đối tính cho phép các cặp như thế nếu như chúng không sống quá lâu Đây là do nguyên lí bất định Heisenberg và thực tế thì năng lượng tương đương với khối lượng theo công thức nổi tiếng của Einstein

Sự tự do tiệm cận phải có nghĩa là điện tích quark không bù trừ nhau, điều được cho là khó tin mà tồn tại trong một lí thuyết trường lượng tử Tuy nhiên, năm 1973, David Gross, David Politzer, và Frank Wilczek đồng thời nhận thấy đối với một lí thuyết trường chuẩn phi Abel, yêu cầu của sự tự do tiệm cận được thỏa mãn nếu có không quá nhiều quark Chìa khóa cho lời giải

là ở chỗ các hạt vector trung chuyển lực, các gluon, thật sự không bù trừ Điều này có thể hiểu vì điện tích của các quark và gluon, “tích màu” thỏa mãn các quan hệ phức tạp hơn các tích điện đơn giản Có ba màu khác nhau và phản màu của chúng Trong khi các quark có tích màu, thì các gluon có một tích màu và một tích phản màu Vì thế, các gluon ảo có thể sắp hàng với các tích

bù trừ lẫn nhau trong khi cường độ của trường tăng lên

Khám phá ra sự tự do tiệm cận đã mở ra lí thuyết trường chuẩn phi Abel cho các tương tác giữa các quark, và nó được gọi là Sắc động lực học lượng tử, QCD Theo năm tháng, lí thuyết này đã được kiểm nghiệm rất thành công tại các máy gia tốc lớn và ngày nay nó đã được thiết lập chắc chắn là một lí thuyết của các tương tác mạnh

Mô hình Chuẩn

Sự thành công của các lí thuyết chuẩn phi Abel cho thấy tất cả các tương tác có thể thống nhất trong một khuôn khổ chung Điều này dẫn tới cái gọi là Mô hình Chuẩn, trong đó tất cả các hạt vật chất được xem xét cùng nhau, tức là electron và các chị em nặng hơn của nó, muon và hạt tau và các neutrino tương ứng, chúng đều chỉ có tương tác yếu, cùng với các quark có thể có tương tác mạnh lẫn tương tác yếu Các hạt lực, tức các hạt trung chuyển, là photon đối với lực điện từ, hạt W và hạt Z đối với lực yếu và các gluon đối với lực mạnh Cho dù Mô hình Chuẩn thống nhất các tương tác, nhưng vẫn có những khác biệt về chi tiết Photon và gluon là những hạt không có khối lượng, còn hạt W và Z thì có khối lượng Photon đưa đến định luật Coulomb đối với những khoảng cách lớn, còn gluon đưa đến lực giam giữ giữa các quark Đây là thực tế do sự

10 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

tự do tiệm cận, nó cũng có thể hiểu là cường độ ghép đôi tăng lên khi năng lượng giảm, về mặt

cơ học lượng tử cũng có nghĩa là nó tăng theo khoảng cách Thực tế thì sự tăng này giống như trường hợp lò xo, các quark liên kết vĩnh viễn bên trong các hadron Dù vậy, các tính chất của gluon đã được thiết lập vững chắc bằng thực nghiệm

Thống nhất mọi tương tác

Trong mô hình chuẩn ở trên không có đề cập tới lực hấp dẫn Người ta nói rằng nó quá yếu nên chúng ta không cần phải đưa nó vào các thí nghiệm hạt Tuy nhiên, trên cơ sở khái quát, phải có một phiên bản lượng tử của lực hấp dẫn tác dụng ở những khoảng cách đủ nhỏ Nếu chúng ta thử bắt chước y hệt sự lượng tử hóa của trường điện từ dưới dạng photon, chúng ta phải lượng tử hóa trường hấp dẫn thành cái gọi là graviton Tuy nhiên, thủ tục của Feynman, Tomonaga và Schwinger không hoạt động ở đây Thuyết hấp dẫn của Einstein thì không có tính tái chuẩn hóa Vậy vấn đề là ở đâu ? Có phải lí thuyết Einstein hay cơ học lượng tử không hoàn chỉnh ? Hai cột trụ khái niệm to lớn của thế kỉ 20, Cơ học lượng tử và Thuyết tương đối rộng của Einstein đơn giản là không tương thích với nhau Einstein đã nghĩ trong suốt cuộc đời ông rằng

cơ học lượng tử thật ra không hoàn chỉnh, nhưng nhiều phép kiểm tra của nó đã được thực hiện khiến các nhà vật lí cố gắng khái quát hóa lí thuyết của Einstein Sự thành công nổi bật của Mô hình Chuẩn cũng cho thấy rằng ý tưởng thống nhất các lực là một ý tưởng đúng đắn Tại sao có bốn lực khác nhau, hay chúng có thật sự khác nhau ? Chúng thật sự khác nhau, biểu hiện dưới dạng các lực khác nhau trong những thí nghiệm do chúng ta thực hiện, nhưng Mô hình Chuẩn cho thấy lực điện từ và lực yếu được thống nhất đối với các năng lượng trên 100 GeV Tương tự,

mô hình đó cũng cho thấy lực mạnh dường như quá khác biệt, nên thống nhất với các lực kia ở năng lượng trên 1015 GeV Chẳng biết lực hấp dẫn có thể đưa vào khuôn khổ này hay không ?

Người ta có thể chỉ ra rằng ở các năng lượng vào bậc 1019 GeV, lực hấp dẫn sẽ mạnh như các lực kia, nên phải có một sự thống nhất của tất cả các lực, ít nhất là ở năng lượng đó, đó là năng lượng cao đến mức không tin nổi chỉ xuất hiện trong vũ trụ của chúng ta ở thời điểm 10-42 s sau Big Bang Tuy nhiên, vật lí học cũng phải có thể mô tả các hiện tượng xảy ra khi đó, nên phải có một bức tranh thống nhất bao gồm cả lực hấp dẫn Một khuôn khổ như thế đã được đề xuất, Mô hình Siêu dây, trong đó các hạt được mô tả bằng các đối tượng một chiều là các dây

Mô hình này thật sự mang lí thuyết Einstein vào các năng lượng thấp và có thể tương thích với

Mô hình Chuẩn ở các năng lượng nơi nó được khảo sát Nó cũng là một lí thuyết lượng tử hữu hạn, nên một lí thuyết hợp nhất cho hấp dẫn dựa trên Mô hình Siêu dây là thật sự phù hợp Hãy còn quá sớm để nói rằng đây có phải là “lí thuyết của tất cả” cuối cùng hay chưa, nhưng không

có nghịch lí hay sự mâu thuẫn nào trong mô hình đó như trước nay vẫn hiểu Cuối cùng, mô hình

đó thực hiện sự thống nhất cao độ, đó là các hạt vật chất và các hạt lực, thành chỉ một loại hạt

12 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

Neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ

Per Olof Hulth

Giới thiệu

Loài người đã nghiên cứu vũ trụ trong hàng nghìn năm bằng cách nhìn vào bầu trời đêm huyền diệu, được chỉ dẫn bởi ánh sáng nhìn thấy phát ra từ hằng hà sa số ngôi sao và những hiện tượng khác Trong thế kỉ vừa qua, những hình ảnh mới của bầu trời đêm đã được các nhà khoa học khám phá bằng các bước sóng khác nhau của ánh sáng mà mắt trần không thể nhìn thấy, ví

dụ như sóng vô tuyến, ánh sáng hồng ngoại, tia X và tia gamma Mỗi lần những cánh cửa mới trong bầu trời đêm được mở ra, thì những hiện tượng bất ngờ mới lại được khám phá, ví như nền

vi sóng từ thời Big Bang, các sao neutron, các lõi thiên hà hoạt động (AGN), các lỗ đen, các đợt bùng phát tia gamma (GRB) và các đối tượng hấp dẫn khác Ngày nay, các nhà khoa học đang bắt đầu mở ra một cánh cửa hoàn toàn mới bằng cách sử dụng một hạt cơ bản khác, hạt neutrino, thay cho photon, đó là hạt cơ bản của ánh sáng dùng để nghiên cứu vũ trụ Lĩnh vực mới này có tên gọi là thiên văn học neutrino, hi vọng sẽ vén màn những hiện tượng mới chưa biết và giúp chúng ta trả lời một vài câu hỏi mà chúng ta đang có ngày nay

Neutrino

Neutrino là một hạt cơ bản, được đưa ra vào năm 1930 bởi Wolfgang Pauli, người đoạt giải Nobel vật lí năm 1945, để giải bài toán khủng hoảng năng lượng trong vật lí hạt nhân Các nhà khoa học đã gặp khó khăn khi tìm năng lượng trong các phân rã phóng xạ và Pauli đề xuất

sự tồn tại của một hạt mà ông tin là nó đã mang khỏi phần năng lượng thiếu hụt Nhưng phải mất nhiều năm trước khi neutrino được phát hiện Clyde Cowan và Frederick Reines là những người đầu tiên phát hiện và nhận ra hạt này vào năm 1965 Cho sự đóng góp của ông, Reines đã được trao giải Nobel vật lí năm 1995

Neutrino là một hạt khó hiểu không có điện tích và chỉ tương tác với vật chất qua lực hạt nhân yếu Trong những năm gần đây, người ta đã phát hiện thấy neutrino có một khối lượng nhỏ, làm hạ bệ giả thiết trước đây rằng nó không có khối lượng Trong mặt trời, vô số neutrino được tạo ra trong quá trình nhiệt hạch khi bốn nguyên tử hydrogen chuyển hóa thành một nguyên tử helium Bất chấp số lượng lớn của neutrino, trung bình chỉ khoảng chừng một trong số này sẽ tương tác với cơ thể người trong suốt một đời người Dòng neutrino phát ra từ mặt trời tại bề mặt trái đất là 6 x 1010 neutrino/cm2/s Các neutrino phát ra từ quá trình nhiệt hạch trên mặt trời có thể đi qua vài năm ánh sáng của chất chì rắn trước khi bị vật chất hấp thụ Tuy nhiên, xác suất cho một neutrino tương tác với vật chất tăng theo năng lượng của neutrino

© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 13

Có ba loại neutrino đã được quan sát thấy: electron neutrino (νe), muon neutrino (νµ), và tau neutrino (ντ) Các neutrino này liên quan tới ba hạt tích điện là electron, muon và hạt tau Cả sáu hạt đều gọi là lepton Khi một neutrino tương tác với vật chất, nó có thể hoặc tiếp tục là neutrino sau khi tương tác (“tương tác dòng trung hòa”) hoặc tạo ra hạt tích điện tương ứng (“tương tác dòng tích điện”) Electron neutrino sinh ra electron, muon neutrino sinh ra muon, và tau neutrino sinh ra lepton tau

Một neutrino tương tác với một nguyên tử tạo ra một muon và một trận mưa các hạt có thời gian sống ngắn

Trong một tương tác neutrino năng lượng cao, lepton tích điện sẽ tiếp tục hầu như theo hướng cũ như neutrino tới Trong vật chất, một electron được tạo ra trong tương tác sẽ dừng lại sau vài mét, trong khi muon, với khối lượng lớn hơn của nó, sẽ tiếp tục đi thêm vài km tùy thuộc vào năng lượng của nó Xác định được hướng của muon sinh ra sẽ cho biết hướng của muon neutrino trong vòng vài ba độ Đây là chìa khóa để tìm hiểu thiên văn học neutrino năng lượng cao

Neutrino năng lượng cao và neutrino năng lượng thấp

Neutrino có thể chia thành hai loại, loại năng lượng cao và loại năng lượng thấp Tất nhiên, đây là một sự phân chia khá độc đoán, nhưng nó phản ánh quá trình tạo ra và cách thức chế tạo máy dò hạt

Neutrino năng lượng thấp chủ yếu sinh ra trong các quá trình hạt nhân, như các phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời hay tại tâm của sao siêu mới đang bùng nổ Neutrino năng lượng cao chủ yếu sinh ra trong các va chạm hạt năng lượng cao tạo ra các meson có thời gian sống ngắn, phân hủy thành neutrino và các hạt khác

Trong thang chia vật lí hạt, các neutrino năng lượng thấp có năng lượng trong khoảng hàng chục MeV (mega electron Volt), còn các neutrino năng lượng cao có năng lượng trên hàng chục GeV (giga electron Volt)

Các nguồn neutrino

Neutrino mặt trời

Từ trước đến nay, chỉ có hai nguồn neutrino ngoài địa cầu được quan sát thấy Cả hai đều

là nguồn neutrino năng lượng thấp Nguồn thứ nhất là mặt trời mà từ đó Raymond Davis Jr, người đoạt giải Nobel vật lí năm 2002, đã thành công trong việc bắt trung bình nửa tương tác electron neutrino mỗi ngày trong máy dò hạt của ông trong suốt 20 năm

14 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

Neutrino sao siêu mới

Nguồn thứ hai của các neutrino ngoài địa cầu được quan sát thấy trong 10 s vào năm

1987 khi một ngôi sao trong Đám mây Magellan Lớn bùng nổ dưới dạng sao siêu mới, sau này mang tên là SN1987 Các neutrino phát ra từ phần bên trong của sự co sập lại chạm đến trái đất sau hành trình 170.000 năm, một vài giờ trước khi ánh sáng tới Các neutrino có thể truyền thẳng ngay hay kém trực tiếp hơn từ trung tâm co sập ở phần bên trong của ngôi sao, nhưng tác động của vụ nổ không thể nhìn thấy ở bề mặt ngôi sao mãi cho đến sau này Khoảng 25 tương tác neutrino đã được quan sát thấy bởi các máy dò hạt tại Kamiokande (Nhật Bản), Baksan (Liên Xô)

và IMB (Mĩ) trong suốt 10 s Loại quan sát này của các neutrino phát ra từ mặt trời và sao siêu mới đã đưa ra một loại thiên văn học mới, vì neutrino cung cấp cho chúng ta thông tin về những quá trình xảy ra ở sâu bên trong các vật bị ẩn mất khi nhìn bằng ánh sáng khả kiến hay photon nói chung

Tinh vân Con cua là tàn dư của một vụ bùng nổ sao siêu mới năm 1054 Trong đợt bùng phát khủng khiếp, 99%

năng lượng được giải phóng dưới dạng các neutrino không nhìn thấy

Neutrino phát ra từ các nguồn tia vũ trụ không xác định

Một luận cứ chắc chắn cho sự tồn tại của các neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ là sự quan sát thấy các tia vũ trụ năng lượng cao

Các hạt cấu thành hạt nhân, chúng truyền qua không gian sâu thẳm trong nhiều triệu năm, liên tục bắn phá bầu khí quyển của trái đất Khi va chạm với khí quyển của trái đất, các hạt đó sinh ra những trận mưa với nhiều hạt có thời gian sống ngắn Tại bề mặt trái đất, chúng ta quan sát thấy tàn dư của các trận mưa hạt dưới dạng khoảng 100 muon/m2/s Các máy dò hạt bề mặt rất lớn ngày nay đang đo cường độ và năng lượng của các tia vũ trụ Dù cho đã khám phá ra tia

vũ trụ sớm tận năm 1912 bởi Victor Hess, người đoạt giải Nobel vật lí năm 1936, chúng ta vẫn không biết chúng đến từ đâu Chúng ta trông đợi đa số các hạt được tạo ra trong các vụ bùng nổ sao siêu mới trong thiên hà cục bộ của chúng ta, nhưng các hạt tia vũ trụ có năng lượng quan sát thấy cao nhất được cho là đến từ các nguồn không xác định bên ngoài thiên hà của chúng ta Các tia vũ trụ quan sát thấy năng lượng cao nhất có năng lượng 50 joule Quá trình gia tốc mang lại cho các hạt những năng lượng cực cao này không được rõ Cả hai nguồn đã kể đều không phải là

© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 15

nguồn phát ra các hạt này Năng lượng của các hạt tia vũ trụ cao nhất lớn hơn mười triệu lần so với cái do máy gia tốc hạt mạnh nhất của thế giới LHC (Máy Va chạm Hadron Lớn) sẽ có khả năng đạt tới khi nó bắt đầu hoạt động trong năm 2007 tại CERN, Geneva Nếu người ta muốn

“xây dựng” một máy gia tốc cho proton với cùng năng lượng như các tia vũ trụ cao nhất trên cơ

sở các nam châm siêu dẫn LHC, thì kích thước của máy gia tốc sẽ lớn hơn quỹ đạo của trái đất xung quanh mặt trời (LHC có chu vi 27 km) Vì tia vũ trụ tích điện nên chúng sẽ bị lệch hướng bởi từ trường trong không gian Điều này có nghĩa là hướng của tia vũ trụ không cho biết ngược hướng của nguồn phát Để phát hiện ra nguồn phát, người ta cần một hạt trung hòa điện như neutrino không bị ảnh hưởng bởi từ trường Tia vũ trụ với năng lượng hơn 10% cực đại năng lượng quan sát thấy sẽ tương tác với nền vi sóng từ Big Bang và sẽ không thể truyền đi những khoảng cách xa trong vũ trụ Nguồn phát ra nó phải “gần”, không xa hơn 50 triệu năm ánh sáng,

đó là khoảng cách rất “ngắn” trong vũ trụ Sự tồn tại của các tia vũ trụ năng lượng cực cao này là một bí ẩn thật sự Khi các proton va chạm với các photon nền vi sóng, các meson được tạo ra, trong sự phân hủy của chúng sẽ sản sinh ra các neutrino năng lượng cao Những hạt này được gọi

là neutrino GKZ (đặt theo tên Greisen, Zatseptin, và Kuzmin) và là nguồn bảo đảm của các neutrino năng lượng cao ngoài địa cầu

Các photon còn có xác suất bị hấp thụ bởi các photon nền vi sóng lớn hơn cả proton, điều

đó ngụ ý rằng vũ trụ không phải là trong suốt đối với các photon năng lượng rất cao

Ảnh chụp tia X Centaurus A bằng vệ tinh Chandra Cái đặc biệt với đối tượng này là lỗ đen tại tâm và dòng vật chất hướng về phía góc trên bên trái của hình Đây có phải là một nguồn phát neutrino năng lượng cao ?

Có vài ứng cử viên khả dĩ cho các nguồn phát tia vũ trụ năng lượng cao nhất Hạt nhân thiên hà hoạt động (AGN) là một thiên hà có một lỗ đen siêu trọng tại tâm Lỗ đen đó có thể có khối lượng lên tới một nghìn triệu lần khối lượng mặt trời Từ tâm của những thiên hà này, một cấu trúc dạng tia đã được quan sát thấy kéo dài hàng chục nghìn năm ánh sáng ra bên ngoài, phát

ra những lượng lớn năng lượng Tia đó được tạo ra khi vật chất trong thiên hà rơi vào trong lỗ đen Các photon năng lượng cao đã được quan sát thấy từ những vật thể này và các proton cũng được gia tốc Một nguồn khả dĩ khác là những đợt bùng phát tia gamma (GRB) là những sự kiện

kì lạ phát ra một xung ngắn tia gamma trong một phần của giây và cho tới 100 s Chúng là những

sự kiện giàu năng lượng tính nhất được quan sát thấy trong vũ trụ Khoảng hai sự kiện như thế xảy ra mỗi ngày Chúng ở rất xa, với khoảng cách lên tới 1010 năm ánh sáng Lời giải thích khả

16 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

dĩ của những sự kiện này là các sao siêu trọng co sập lại thành lỗ đen hoặc hai sao neutron rơi vào nhau Các nguồn không rõ của các tia vũ trụ năng lượng cao sẽ tạo ra neutrino khi các proton năng lượng cao được gia tốc va chạm với chất khí photon xung quanh nguồn, theo kiểu tương tự như nền vi sóng vũ trụ Các va chạm sẽ tạo ra meson, chúng phân hủy thành muon và neutrino và muon sẽ phân hủy thành electron (positron) và hai neutrino Những hạt neutrino này sẽ truyền đi, không bị ảnh hưởng bởi từ trường trong không gian và nếu phát hiện được trên trái đất, chúng sẽ chỉ ngược hướng nguồn phát ra các tia vũ trụ

Dòng neutrino vũ trụ có thể ước tính từ sự quan sát tốc độ tia vũ trụ năng lượng cao và người ta sẽ nhận thấy mình cần những máy dò hạt có kích thước hàng km3 để bắt các neutrino!

Cụm thiên hà NGC2300 với ba thiên hà và một đám mây khí Để giữ hệ thống ổn định về mặt hấp dẫn,

cần có khối lượng gấp khoảng 20 lần khối lượng quan sát thấy

Một lời giải thích phổ biến khác của vật chất tối là phần lớn loại vật chất khác lạ này gồm các hạt nặng tương tác yếu (WIMP) được tạo ra trong Big Bang đồng thời với vật chất thông

© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 17

thường của chúng ta Ngày nay, các hạt này chảy xung quanh chúng ta và cấu thành phần thống trị của vật chất trong các thiên hà của chúng ta Khi chúng đi qua mặt trời và trái đất, chúng có thể trở nên bị bắt hấp dẫn vào tâm của những vật thể này Các hạt vật chất tối ở tâm của trái đất

và mặt trời sẽ tiêu diệt hay hủy lẫn nhau khi hai trong số chúng gặp nhau và tạo ra vật chất thông thường cùng với các neutrino năng lượng cao, trong số những hạt khác Năng lượng tiêu biểu của những neutrino này cao hơn nhiều so với năng lượng của các electron neutrino tạo ra bởi quá trình nhiệt hạch trên mặt trời Khi quan sát neutrino phát ra từ tâm trái đất và/hoặc mặt trời, người ta có thể biết thêm thông tin về vật chất tối Đồng thời, đây là một khám phá rất quan trọng đối với nền vật lí hạt cơ bản

Neutrino khí quyển

Khi tia vũ trụ va chạm với bầu khí quyển, các hạt thời gian sống ngắn được tạo ra, chúng phân hủy thành muon và muon neutrino, cùng nhiều hạt khác Các muon phân tán khắp bề mặt trái đất và bị hấp thụ vài chục km vào trái đất Tuy nhiên, neutrino có thể dễ dàng đi qua toàn bộ trái đất và chúng tương ứng với một nền neutrino đối với neutrino vũ trụ Đồng thời, chúng có thể dùng cho kiểm nghiệm kính thiên văn neutrino Vì neutrino vũ trụ được trông đợi là có, về trung bình, năng lượng cao hơn neutrino khí quyển, nên phông nền này có thể làm chủ được

Việc phát hiện neutrino năng lượng cao

Có bao nhiêu neutrino được phát hiện ?

Để phát hiện neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ, người ta buộc phải xét đến cơ hội cực kì nhỏ rằng neutrino sẽ tương tác với vật chất Cách duy nhất làm được việc đó là sử dụng lượng rất lớn vật chất trong dò tìm Càng sử dụng nhiều vật chất (trong máy dò), neutrino sẽ tương tác càng nhiều Vì chi phí của máy dò hạt phải hạn chế, nên người ta chọn vật chất có sẵn trong tự nhiên, như nước và băng, làm chất dò hạt Người ta trang bị cho thể tích máy dò các bộ cảm quang đặt theo những kiểu hình học lớn và khai thác thực tế là các hạt tích điện chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong vật chất đó phát ra ánh sáng Cherenkov (đặt tên theo công trình nghiên cứu của Pavel A Cherenkov, Il’ ja M Frank và Igor Y Tamm, các nhà đoạt giải Nobel vật lí năm 1958) trong một hình nón xung quanh hạt chuyển động Vì neutrino trung hòa điện nên chúng sẽ không phát ra ánh sáng Cherenkov, nhưng các hạt tích điện do tương tác sinh

ra sẽ phát ra ánh sáng Vật chất được chọn cho môi trường máy dò hạt phải rất trong suốt đối với ánh sáng

Các bộ cảm quang trong thể tích máy dò hạt sẽ quan sát thời gian tới và cường độ của ánh sáng Cherenkov phát ra từ muon Sử dụng thông tin này, người ta có thể xác định hướng của các neutrino trong chừng vài độ Một trở ngại đối với loại kính thiên văn này là dòng muon từ các tương tác tia vũ trụ trong bầu trời phía trên kính thiên văn lớn hơn nhiều so với lượng muon trông đợi từ các tương tác neutrino Để làm giảm phông nền này, kính thiên văn đó phải đặt sâu trong nước hay tảng băng, với các bộ phận máy dò hạt nhìn xuống xuyên qua trái đất Trái đất

18 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

được sử dụng làm bộ lọc hấp thụ các muon khí quyển Chỉ những muon nào tiến đến xuyên qua trái đất mới được chấp nhận là muon đến từ các tương tác neutrino bên dưới kính thiên văn

Yêu cầu thể tích lớn của môi trường rất trong suốt và tốc độ chậm của dòng muon khí quyển dẫn đến thực tế là các kính thiên văn neutrino chỉ có thể xây dựng ở những nơi rất đặc biệt;

ở sâu dưới hồ hay đại dương, sâu cỡ 4000 m hay nằm sau dưới khối băng kếch sù ở Nam Cực

Kính thiên văn neutrino năng lượng cao

Có hai kính thiên văn neutrino năng lượng cao đang thu thập dữ liệu hiện nay – máy dò hạt Baikal ở hồ Baikal và Loạt máy dò muon và neutrino Nam Cực (AMANDA), kính thiên văn neutrino lớn nhất đặt tại Nam Cực

Một muon đến từ tương tác neutrino ở kính thiên văn AMANDA tại Nam Cực

AMANDA gồm 677 máy dò ánh sáng triển khai ở 19 lỗ sâu trong tảng băng ở nền Amundsen-Scott tại Nam Cực Lí do chọn nơi rất kì lạ này là tảng băng dày 3 km đó có lớp băng trong suốt về mặt quang học nhất trên trái đất và nước Mĩ đóng căn cứ tại Amundsen-Scott Các máy dò sáng được triển khai bằng cách cho tan chảy các lỗ trong băng, đường kính 60 cm và sâu hơn 2000 m Khi nước tràn đầy lỗ thì khoan được lấy ra và các bộ dò sáng được triển khai trước khi nước đông đặc trở lại (quá trình mất khoảng 1 tuần) Kích thước hiệu quả của kính thiên văn

là cao 400 m và đường kính 200 m Kính thiên văn AMANDA phát hiện 3-4 neutrino mỗi ngày, phù hợp với số lượng mong đợi của neutrino khí quyển

Khi phát hiện ra neutrino khí quyển, kính thiên văn neutrino Baikal và AMANDA đã chứng minh rằng kĩ thuật máy dò hạt Cherenkov cỡ lớn đã trưởng thành và sẵn sàng sử dụng cho tìm kiếm neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ AMANDA, kính thiên văn neutrino lớn nhất đang hoạt động hiện nay, có khả năng quan sát neutrino vũ trụ trong những năm tới nhưng có lẽ không đủ lớn

© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 19

Một vài dự án chế tạo kính thiên văn neutrino có kích thước như yêu cầu đang được triển khai Dự án tiên tiến nhất là IceCube, đã bắt đầu triển khai tại cùng địa điểm như AMANDA ở Nam Cực IceCube sẽ gồm 80 loạt máy dò sáng (tổng cộng 4800) sâu từ 1450 đến 2450 m tại cùng địa điểm với AMANDA Thể tích máy dò sẽ là một km khối và loạt đầu tiên đã được triển khai thành công vào tháng 1 năm 2005 Việc triển khai máy dò hạt đó sẽ mất 6 năm, nhưng dữ liệu sẽ được ghi nhận cùng với kính thiên văn AMANDA ngay từ năm đầu tiên

Ở vùng Địa Trung Hải, có ba dự án, Thiên văn học với Kính thiên văn neutrino và Nghiên cứu môi trường trong lòng trái đất (ANTARES) ngoại vi Toulou ở Pháp, Kính thiên văn neutrino tàu ngầm mở rộng với Nghiên cứu Hải dương học (NESTOR) ngoại vi Pylos ở Hi Lạp,

và Đài quan trắc neutrino Địa Trung Hải (NEMO) ngoại vi Sicily ở Italy Các máy dò hạt ANTARES và NESTOR, với những phiên bản đầu tiên, nhắm tới mục tiêu đạt được kích thước bằng kính thiên văn AMANDA tại Nam Cực Một kính thiên văn neutrino lớn ở bán cầu bắc sẽ

là một sự bổ sung rất đẹp cho kính thiên văn neutrino một km3 IceCube tại Nam Cực

Kính thiên văn neutrino ANTARES ở Địa Trung Hải

Các máy dò hạt neutrino kích thước còn lớn hơn nữa

Có những dự án khác đang triển khai nhằm phát hiện ra các tương tác neutrino năng lượng cao ở những thể tích máy dò hạt còn lớn hơn 1 km3 Mục tiêu chính là phát hiện nhiều neutrino GZK sinh ra khi các tia vũ trụ năng lượng cao nhất va chạm với nền vi sóng từ thời Big Bang Những máy dò hạt này đang ghi nhận sóng vô tuyến phát ra trong các tương tác neutrino Nguyên nhân sử dụng sóng vô tuyến thay cho ánh sáng quang Cherenkov là sóng vô tuyến có thể truyền đi lâu hơn trong vật chất mà không bị hấp thụ, cho phép thể tích máy dò hạt lớn hơn Tuy nhiên, ngưỡng năng lượng neutrino cho kĩ thuật này cao hơn nhiều đối với kính thiên văn đã nói

ở phần trên, và chúng chủ yếu nhạy với tương tác của các electron neutrino năng lượng cao

Dự án Thí nghiệm Cerenkov băng vô tuyến (RICE) đã nghiên cứu kĩ thuật sóng vô tuyến

ở Nam Cực tại địa điểm AMANDA Một dự án lí thú khác là Loạt xung lực nhất thời Nam Cực (ANITA) là một thí nghiệm khí cầu ở Nam Cực Khí cầu với các máy thu vô tuyến ANITA sẽ lưi thông ở độ cao 37 km trong vài hành trình (30 ngày) trên các tảng băng và tìm kiếm tương tác neutrino năng lượng cao trong băng “Thể tích máy dò” sẽ là hàng nghìn km khối

20 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

Tìm kiếm tương tác neutrino năng lượng cao trong băng với thí nghiệm khí cầu ANITA

Một thể tích máy dò hạt còn lớn hơn nữa được sử dụng trong dự án GLUE tìm kiếm sóng

vô tuyến phát ra từ các tương tác neutrino trên bề mặt mặt trăng Cuối cùng, có hai dự án vệ tinh, Đài quan sát không gian vũ trụ rất xa (EUSO) và Máy thu ánh sáng góc rộng quỹ đạo (OWL), được đề xuất nhằm tìm kiếm các tương tác neutrino trong bầu khí quyển với thể tích máy dò hạt vài nghìn kilomet khối

Hai phần đầu tóm tắt bí mật neutrino mặt trời và đưa ra lời giải đã được tìm thấy trong ba năm vừa qua Hai phần tiếp theo mô tả ý nghĩa của lời giải đối với vật lí học và thiên văn học Phần tiếp theo đó vạch rõ cái còn lại để làm trong nghiên cứu neutrino mặt trời và trình bày quan điểm riêng của tôi lí giải tại sao mất hơn 30 năm mới giải xong bí ẩn neutrino còn thiếu Phần cuối cùng mang lại một ấn tượng nhìn lại quá khứ của lời giải

Bí ẩn

Cảnh mở màn

Trong nửa đầu thế kỉ 20, các nhà khoa học trở nên bị thuyết phục rằng mặt trời chiếu sáng bằng cách chuyển hóa, ở sâu bên trong của nó, hydrogen thành helium Theo lí thuyết này, bốn hạt nhân hydrogen gọi là proton (p) bị biến đổi ở bên trong mặt trời thành hạt nhân helium (4He), hai phản electron (e+, electron tích điện dương) và hai hạt bí ẩn và khó nắm bắt gọi là neutrino (νe) Quá trình biến đổi hạt nhân này, hay sự nhiệt hạch hạt nhân, được tin là nguyên nhân cho ánh sáng mặt trời và do đó cho mọi sự sống trên trái đất Quá trình biến đổi, bao gồm nhiều phản ứng hạt nhân khác nhau, có thể viết thành sơ đồ như sau:

(1) Hai neutrino sinh ra mỗi khi phản ứng nhiệt hạch (1) xảy ra Vì bốn proton nặng hơn một hạt nhân helium, hai electron dương và hai neutrino, nên phản ứng (1) giải phóng rất nhiều năng

22 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

lượng đối với mặt trời cuối cùng đi tới trái đất dưới dạng ánh sáng mặt trời Phản ứng đó xảy ra rất thường xuyên Neutrino dễ dàng thoát khỏi mặt trời và năng lượng của chúng không biểu hiện dưới dạng nhiệt mặt trời hay ánh sáng mặt trời Đôi khi neutrino được tạo ra với năng lượng tương đối thấp và mặt trời cho rất nhiều nhiệt Đôi khi neutrino sinh ra với năng lượng cao hơn

và mặt trời cho ít năng lượng hơn

Các neutrino trong phương trình (1) và minh họa dưới đây là tâm điểm của bí ẩn mà chúng ta khảo sát trong bài viết này

Neutrino có điện tích bằng không, tương tác rất hiếm với vật chất và – theo các giáo trình của mô hình chuẩn của vật lí hạt cơ bản – không có khối lượng Khoảng 100 tỉ neutrino phát ra

từ mặt trời hình bóng bạn trong mỗi giây, nhưng bạn không cảm thấy chúng vì chúng tương tác quá hiếm và quá yếu với vật chất Neutrino thật sự không bị hủy diệt; hầu như không có gì xảy ra với chúng Trong mỗi trăm tỉ neutrino mặt trời truyền qua trái đất, chỉ khoảng chừng một hạt có tương tác với toàn bộ khối vật chất cấu thành nên trái đất Vì chúng quá hiếm khi tương tác, nên neutrino dễ dàng thoát ra khỏi phần bên trong mặt trời, nơi chúng sinh ra, và mang lại thông tin trực tiếp về các phản ứng nhiệt hạch mặt trời đến với chúng ta trên trái đất Có ba loại neutrino

đã biết Sự nhiệt hạch hạt nhân trong mặt trời chỉ tạo ra một loại neutrino đi cùng với electron nên gọi là electron neutrino (νe) Hai loại neutrino kia, muon neutrino (νµ) và tau neutrino (ντ) được tạo ra, ví dụ, trong các máy gia tốc phòng thí nghiệm, hoặc trong những ngôi sao đang bùng nổ, cùng với các chị em nặng hơn của electron, các hạt muon (µ) và tau (τ)

Neutrino bị thiếu

Vào năm 1964, sau nghiên cứu tiên phong của Raymond Davis Jr, ông và tôi đã đề xuất một thí nghiệm nhằm kiểm tra xem việc biến đổi hạt nhân hydrogen thành hạt nhân helium trong mặt trời có thật sự là nguồn phát của ánh sáng mặt trời, như phương trình (1) xác nhận hay không

Tôi đã tính toán cùng với các đồng sự của tôi số lượng neutrino thuộc các năng lượng khác nhau mà mặt trời tạo ra bằng một mô hình máy tính chi tiết của mặt trời và còn tính số nguyên tử argon phóng xạ (37Ar) mà những neutrino mặt trời này sẽ tạo ra trong một bể lớn chứa chất lỏng sạch gốc chlorine (C2Cl4) Mặc dù ý tưởng có vẻ viễn vông đối với nhiều chuyên gian, nhưng Ray đảm bảo rằng ông có thể trích số lượng như tiên đoán của vài nguyên tử 37Ar mỗi tháng ra khỏi bể chất lỏng sạch có kích thước khoảng chừng bằng một cái hồ bơi cỡ lớn

© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 23

Những kết quả đầu tiên của thí nghiệm của Ray được công bố trong năm 1968 Ông đã phát hiện chỉ khoảng 1/3 số lượng nguyên tử argon phóng xạ tiên đoán Sự khác nhau giữa số neutrino tiên đoán và số neutrino mà Ray đo được sớm trở nên nổi tiếng là “Bài toán neutrino mặt trời” hay, theo ngữ cảnh phổ biến hơn, “Bí ẩn neutrino còn thiếu”

Raymond Davis Jr (trái) và John Bahcall trong trang phục thợ mỏ và nón bảo hộ Ảnh chụp năm 1967, khoảng một dặm sâu dưới lòng đất trong mỏ vàng Homestake ở Lead, South Dakota, Mĩ Trong ảnh, Davis đang chỉ cho Bahcall xem cái thùng thép mới xây dựng của ông (đường kính 6m, dài 15 m) chứa một lượng lớn chất lỏng sạch (40.000 lít)

và được dùng để bắt neutrino đến từ mặt trời

Những lời giải thích khả dĩ

Ba lớp giải thích đã được đề xuất để giải thích bí ẩn đó Trước hết, có lẽ những tính toán

lí thuyết là sai lầm Điều này có thể xảy ra theo hai kiểu Hoặc là số lượng tiên đoán của neutrino không chính xác, hoặc là tốc độ sản sinh tính được của các nguyên tử argon là không đúng Thứ hai, có lẽ thí nghiệm của Ray đã sai Thứ ba, và đây là khả năng táo bạo nhất và ít được bàn cãi nhất, có lẽ các nhà vật lí không hiểu neutrino hành xử như thế nào khi chúng truyền đi những khoảng cách thiên văn lớn

Các tính toán lí thuyết đã được tinh chỉnh và kiểm nghiệm nhiều lần trong suốt hai thập

kỉ sau đó bởi tôi và bởi các nhà nghiên cứu khác Dữ liệu sử dụng trong tính toán được cải thiện

và các tiên đoán trở nên chính xác hơn Không có sai sót đáng kể nào được tìm thấy trong mô hình máy tính của mặt trời hay trong tính toán của tôi về xác suất cho thùng của Ray bắt được neutrino Đồng thời, Ray đã tăng thêm độ nhạy cho thí nghiệm của ông Ông cũng đã thực hiện một số kiểm nghiệm khác nhau của kĩ thuật của ông nhằm đảm bảo rằng không bỏ sót một neutrino nào Không có sai số đáng kể nào được tìm thấy trong phép đo Sự không nhất quán giữa lí thuyết và thực nghiệm vẫn còn đó

Còn lời giải thích khả dĩ thứ ba, một nền vật lí mới, thì sao ? Ngay trong năm 1969, Bruno Pontecorvo và Vladimir Gribov thuộc Liên Xô đã đề xuất cách giải thích thứ ba liệt kê ở trên, cụ thể là neutrino hành xử khác với các nhà vật lí giả thiết Rất ít nhà vật lí xem ý tưởng này

là nghiêm túc vào thời kì đó khi nó lần đầu tiên được đề xuất, nhưng bằng chứng ủng hộ cho khả năng này đã tăng lên theo thời gian

24 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

Bằng chứng ủng hộ nền vật lí mới

Vào năm 1989, 21 năm sau khi kết quả thực nghiệm đầu tiên được công bố, một chương trình hợp tác Nhật-Mĩ đã báo cáo kết quả của một nỗ lực “giải” bài toán neutrino mặt trời Nhóm thực nghiệm mới tên gọi là Kamiokande (đứng đầu là Masatoshi Koshiba và Yoji Totsuka) sử dụng một máy dò hạt cỡ lớn dùng nước tinh khiết để đo tốc độ electron trong nước làm tán xạ các neutrino năng lượng cao nhất phát ra từ mặt trời Máy dò hạt dùng nước rất nhạy, nhưng chỉ với các neutrino năng lượng cao được tạo ra bởi một phản ứng hạt nhân hiếm (liên quan đến sự phân hủy của hạt nhân 8B) trong chu trình sản sinh năng lượng mặt trời Thí nghiệm Davis ban

đầ với chorine là căn bản, nhưng không đủ nhạy với các neutrino năng lượng cao tương tự

Thí nghiệm Kamiokande xác nhận số lượng sự kiện neutrino quan sát thấy ít hơn tiên đoán bởi mô hình lí thuyết của mặt trời và bởi sách giáo khoa về neutrino Nhưng sự khác biệt trong máy dò hạt dùng nước có phần kém gay gắt hơn trong máy dò hạt chlorine của Ray Davis

Trong thập kỉ sau đó, ba thí nghiệm neutrino mặt trời mới đã đào sâu bí ẩn của neutrino còn thiếu Các thí nghiệm ở Italy và Nga sử dụng các máy dò hạt cỡ lớn chứa gallium cho thấy các neutrino năng lượng thấp hơn hình như cũng đang thiếu Những thí nghiệm này gọi tên là GALLEX (đứng đầu là Till Kirsten ở Heidelberg, Đức) và SAGE (đứng đầu là Vladimir Gavrin

ở Moscow, Nga) Thực tế GALLEX và SAGE nhạy với các neutrino năng lượng thấp rất quan trọng vì tôi tin rằng tôi có thể tính được số lượng neutrino năng lượng thấp chính xác hơn số lượng neutrino năng lượng cao Ngoài ra, một mẫu lớn hơn nhiều của máy dò hạt dùng nước kiểu Nhật, gọi là Super-Kamiokande (đứng đầu là Totsuka và Yochiro Suzuki) đã thực hiện những phép đo chính xác hơn về các neutrino năng lượng cao và xác nhận sự thiếu hụt ban đầu của các neutrino năng lượng cao tìm thấy bởi thí nghiệm chlorine và thí nghiệm Kamiokande Như vậy,

cả neutrino năng lượng cao lẫn thấp đều bị thiếu, mặc dù không ở tỉ lệ như nhau

Máy dò hạt Super-Kamiokande, Đại học Tokyo Máy dò hạt gồm một thể tích trong và một thể tích ngoài chứa tương ứng 32.000 và 18.000 tấn nước tinh khiết Thể tích bên ngoài che chắn cho thể tích bên trong, nơi các tương tác neutrino được nghiên cứu Thể tích bên trong được bao bọc bởi 11.000 ống nhân quang phát hiện ánh sáng

Cherenkov màu xanh mờ phát ra khi các electron bị va chạm bởi neutrino

© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 25

Bằng chứng thu được trong thập kỉ này xác nhận điều gì đó phải xảy ra với neutrino trên hành trình của chúng đến với trái đất từ phần bên trong của mặt trời Năm 1990, Hans Bethe và tôi đã chỉ ra rằng nền vật lí neutrino mới, ngoài cái đã có trong các sách giáo khoa vật lí hạt chuẩn, là cần thiết để dung hòa kết quả của thí nghiệm chlorine Davis và thí nghiệm nước Nhật-

Mĩ Kết luận của chúng tôi dựa trên một phép phân tích độ nhạy tương đối của thí nghiệm chlorine và thí nghiệm nước đối với số neutrino và năng lượng neutrino Các thí nghiệm neutrino mặt trời mới hơn ở Italy và ở Nga là tăng thêm khó khăn của việc giải thích số liệu neutrino mà không viện đến nền vật lí mới

Bằng chứng mới cũng cho thấy các tiên đoán mô hình mặt trời là xác thực Vào năm

1997, các phép đo chính xác đã được thực hiện về tốc độ âm thanh qua phần bên trong mặt trời bằng những dao động tuần hoàn quan sát thấy ở ánh sáng thông thường phát ra từ bề mặt mặt trời Tốc độ âm thanh đo được phù hợp đến độ chính xác 0,1% với tốc độ tính toán trong mô hình lí thuyết của chúng ta về mặt trời Những phép đo này đề xuất với các nhà thiên văn học rằng mô hình lí thuyết của mặt trời là chính xác đến mức mô hình cũng phải tiên đoán chính xác số lượng neutrino mặt trời

Thập niên cuối cùng của thế kỉ 20 đã mang lại bằng chứng mạnh mẽ rằng một lí thuyết tốt hơn của nền vật lí cơ sở là cần thiết để giải quyết bí ẩn neutrino còn thiếu Nhưng chúng ta vẫn cần tìm một phát súng khai màn

Giải pháp

Vào ngày 18 tháng 6 năm 2001, lúc 12:15 chiều, các nhà khoa học thuộc một chương trình hợp tác Canada, Mĩ, và Anh, đã đưa ra một công bố đầy kịch tính: họ đã giải được bải toán neutrino mặt trời Chương trình hợp tác quốc tế đó (đứng đầu là Arthur MacDonald ở Ontario, Canada) báo cáo kết quả neutrino mặt trời đầu tiên thu được với một máy dò hạt gồm 1000 tấn nước nặng (D2O) Máy dò hạt mới, đặt trong một mỏ nickel ở Sudbury, Ontario, ở Canada, có thể nghiên cứu theo một phương pháp khác, các neutrino mặt trời năng lượng cao tương đương

đã được nghiên cứu trước đó ở Nhật Bản với các máy dò hạt nước thường Kamiokande và Super-Kamiokande Máy dò hạt Canada tên gọi là SNO, viết tắt của Đài quan sát neutrino mặt trời

Những thí nghiệm dứt khoát

Trong những phép đo đầu tiên của họ, chương trình hợp tác SNO sử dụng máy dò hạt nước nặng trong một mode chỉ nhạy với các electron neutrino Các nhà khoa học SNO quan sát được gần một phần ba số lượng electron neutrino như mô hình máy tính chuẩn của mặt trời tiên đoán tạo ra ở bên trong mặt trời Máy dò hạt Super-Kamiokande, chủ yếu nhạy với electron neutrino nhưng cũng nhạy đôi chút với những loại neutrino khác, quan sát thấy khoảng chừng phân nửa số sự kiện như trông đợi

26 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

Nếu như mô hình chuẩn của nền vật lí hạt là đúng, thì tỉ lệ đo được bởi SNO và tỉ lệ đo được bởi Supe-Kamiokande phải bằng nhau Tất cả neutrino sẽ là electron neutrino Những tỉ lệ

đó khác nhau Mô hình sách vở của nền vật lí hạt đã sai

Hình minh họa cho thấy mặt cắt của Đài quan sát neutrino mặt trời Sudbury, bọc trong vỏ bọc của nó và dìm trong một mỏ khoáng Máy dò hạt bên trong chứa 1000 tấn nước nặng và được bao bọc bởi một cấu trúc thép không gỉ mang khoảng 10.000 ống nhân quang Phần bên ngoài, hộp hình ruột bò (đường kính 22 m và cao 34 m) chứa đầy

nước thường đã lọc tinh khiết nhằm chống đỡ và che chắn chống lại các hạt khác ngoài neutrino

Kết hợp các phép đo SNO và Super-Kamiokande, chương trình hợp tác SNO xác định được tổng số neutrino mặt trời thuộc mọi loại (electron, muon, và tau) cũng như số lượng của chỉ electron neutrino Tổng số neutrino thuộc mọi loại phù hợp với số lượng tiên đoán bởi mô hình máy tính của mặt trời Các electron neutrino chiếm khoảng một phần ba tổng số neutrino

Phát súng khai cuộc đã được phát hiện Phát súng khai cuộc là sự chênh lệch giữa tổng số neutrino và số lượng của chỉ electron neutrino Neutrino còn thiếu thật ra đã có mặt, nhưng ở dạng khó phát hiện hơn nhiều so với muon và tau neutrino

Kết quả lịch sử công bố vào tháng 6 năm 2001 đã được xác nhận bởi những thí nghiệm sau đó Chương trình hợp tác SNO đã thực hiện những phép đo mới độc nhất vô nhị trong đó tổng số neutrino năng lượng cao thuộc mọi loại được quan sát thấy trong máy dò hạt nước nặng Kết quả từ những phép đo SNO này đơn độc chỉ ra rằng đa số neutrino sinh ra bên trong mặt trời, tất cả chúng là electron neutrino khi chúng được tạo ra, bị biến đổi thành muon và tau neutrino vào lúc chúng đi tới trái đất

Phép đo tổng số neutrino trong máy dò hạt SNO mang lại dấu vết cho phát súng khai cuộc

Những kết quả mang tính cách mạng này đã được xác nhận độc lập trong một thành tựu phi thường bởi một chương trình hợp tác thực nghiệm Nhật-Mĩ, Kamland, chương trình nghiên cứu, thay cho neutrino mặt trời, các phản neutrino phát ra từ các lò phản ứng điện hạt nhân ở Nhật và ở các nước láng giềng Chương trình hợp tác (đứng đầu là Atsuto Suzuki, ở Sendai, Nhật Bản) quan sát thấy một sự thiếu hụt ở số lượng phát hiện được của các phản neutrino phát ra từ

lò phản ứng điện hạt nhân Sự thiếu hụt đã được tiên đoán cho thí nghiệm Kamland dựa trên các

© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 27

tính toán mô hình mặt trời, các phép đo neutrino mặt trời, và mô hình lí thuyết của hành vi neutrino, giải thích tại sao những tính toán và phép đo trước đó dường như không ăn khớp nhau Các phép đo Kamland đã cải thiện đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về những thông số đặc trưng cho neutrino

Neutrino bị thiếu là do đâu ?

Lời giải của bí ẩn neutrino mặt trời còn thiếu là neutrino thật ra không thiếu Các neutrino trước đây không đếm được đã biến đổi từ electron neutrino thành muon và tau neutrino khó phát hiện hơn Các muon và tau neutrino không được phát hiện bởi thí nghiệm Davis với chlorine; chúng không bị phát hiện bởi các thí nghiệm gallium ở Nga và Italy; và chúng không bị phát hiện bởi phép đo SNO đầu tiên Sự thiếu nhạy này với muon và tau neutrino là nguyên nhân khiến cho những thí nghiệm này có vẻ cho rằng đa số neutrino mặt trời mong đợi bị thiếu hụt Mặt khác, các thí nghiệm nước Kamionkande và Super-Kamiokande ở Nhật và sau này là các thí nghiệm nước nặng SNO có một số độ nhạy với muon và tau neutrino, ngoài sự nhạy chủ yếu của chúng với electron neutrino Các thí nghiệm dùng nước này do đó hé mở những tỉ lệ lớn hơn của neutrino mặt trời như tiên đoán

Tất cả điều này có ý nghĩa gì đối với vật lí học ?

Điều gì sai đối với neutrino ?

Neutrino mặt trời có một sự lộn xộn đa tính cách Chúng được tạo ra dưới dạng electron neutrino trong mặt trời, nhưng trên hành trình đến trái đất, chúng đã biến đổi loại của chúng Đối với neutrino, nguồn gốc của sự lộn xộn tính cách là một quá trình cơ lượng tử, gọi là “dao động neutrino”

Pontecorvo và Gribov đã có ý tưởng đúng vào năm 1969 Các neutrino mặt trời năng lượng thấp chuyển hóa từ electron neutrino sang loại khác khi chúng truyền trong chân không từ mặt trời tới trái đất Quá trình đó có thể tiến triển tới lui giữa các loại khác nhau Số biến đổi tính cách, hay số dao động, phụ thuộc vào năng lượng neutrino Ở các mức năng lượng neutrino cao, quá trình dao động được tăng cường bởi các tương tác với electron trong mặt trời hoặc trong trái đất Stas Mikheyev, Alexei Smirnov, và Lincoln Wolfenstein ban đầu đề xuất rằng các tương tác với electron trong mặt trời có thể làm tăng thêm sự lộn xộn tính cách của các neutrino, tức là sự

có mặt của vật chất có thể làm cho các neutrino dao động mãnh liệt hơn giữa các loại khác nhau

Ngay trước phép đo SNO năm 2001, các phép phân tích hiện tượng học của tất cả số liệu thực nghiệm neutrino mặt trời đã đề xuất với sự chắc chắn khá cao rằng một số cơ sở vật lí mới đang xuất hiện Các thông số neutrino được ưa chuộng từ các phép phân tích tiền SNO này phù hợp với các thông số sau này được chọn với sự tin cậy cao hơn bởi các kết quả SNO và Super-Kamiokande Nhưng, vẫn còn thiếu phát súng khai cuộc

Các kết quả SNO và Super-Kamiokande kết hợp với nhau tương đương với việc tìm thấy một phát súng khai cuộc, vì chúng quy cho các neutrino mặt trời năng lượng cao như nhau, và vì

28 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

các thí nghiệm sử dụng những kĩ thuật quen thuộc với nhiều nhà vật lí Cả hai thí nghiệm cũng bao gồm nhiều kiểm nghiệm trên các phép đo của chúng

Bruno Pontecorvo trong văn phòng của ông tại Liên viện vật lí hạt nhân ở Dubna, Nga, vào năm 1983 Pontecorvo đang bàn về vật lí với cộng sự của ông, Samoil Bilenky Cuối buổi chiều hôm đó, Pontecorvo đã tổ chức tiệc sinh

nhật lần thứ 70 của ông

Điều gì sai đối với mô hình chuẩn của vật lí hạt ?

Mô hình chuẩn của vật lí hạt giả sử các neutrino không có khối lượng Để cho các dao động neutrino xảy ra, một số neutrino phải có khối lượng Vì thế, mô hình chuẩn của vật lí phải được sửa lại

Mô hình đơn giản nhất phù hợp với mọi số liệu neutrino gợi ý rằng khối lượng của electron neutrino nhỏ hơn khoảng 100 triệu lần khối lượng của electron Nhưng số liệu sẵn có không đủ dứt khoát để loại trừ tất cả mà chỉ là một lời giải khả dĩ Cuối cùng khi chúng ta có một lời giải duy nhất, thì giá trị của các khối lượng neutrino khác nhau có thể là manh mối đưa đến việc tìm hiểu nền vật lí ngoài mô hình chuẩn của vật lí hạt

Có hai mô tả tương đương nhau của neutrino, một là biểu diễn dưới dạng khối lượng của neutrino, và một là biểu diễn dưới dạng các hạt mà với nó neutrino đi kèm (electron neutrino với electron, muon neutrino với hạt muon, hay tau neutrino với hạt tau) Mối quan hệ giữa mô tả khối lượng và mô tả hạt đi kèm bao hàm những hằng số nhất định, gọi là “góc hòa nhập” có giá trị là những manh mối tiềm tàng quan trọng có thể giúp đưa đến một lí thuyết cải tiến về cách thức hành xử của các hạt cơ bản

Nghiên cứu neutrino mặt trời cho thấy rằng neutrino có thể biến đổi tính cách hay loại của chúng Mô tả toán học của chứng tật này xác định các đại lượng chúng ta hi vọng sẽ là những manh mối hữu ích trong việc tìm kiếm một lí thuyết tổng quát hơn về cách thức các hạt cơ bản hành xử

Tất cả điều này có ý nghĩa gì đối với thiên văn học ?

Tổng số neutrino quan sát thấy trong các thí nghiệm SNO và Super-Kamiokande phù hợp với số lượng tính toán bằng mô hình máy tính chuẩn của mặt trời Điều này cho thấy chúng ta

© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 29

hiểu cách thức mặt trời chiếu sáng, câu hỏi căn bản đã khởi xướng lĩnh vực nghiên cứu neutrino mặt trời Lời giải của bí ẩn neutrino còn thiếu là một thành tựu quan trọng đối với thiên văn học Các tiên đoán mô hình mặt trời chuẩn đã được xác nhận; mô hình chuẩn của vật lí hạt phải sửa lại Cách nay bốn thập kỉ, khi thí nghiệm neutrino mặt trời đầu tiên được đề xuất, không ai đoán trước rằng kết quả sẽ đạt được bước chuyển biến sự kiện này

Để dự đoán chính xác số lượng neutrino tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân trên mặt trời, nhiều hiện tượng phức tạp phải được hiểu một cách chi tiết Ví dụ, người ta phải hiểu sự phức tạp của các phản ứng hạt nhân tại các năng lượng, nơi các phép đo khó thực hiện Người ta phải hiểu

sự chuyển hóa năng lượng ở những nhiệt độ và mật độ rất cao Người ta phải hiểu trạng thái của vật chất trên mặt trời trong những điều kiện không thể nghiên cứu trực tiếp trên trái đất Nhiệt độ tại tâm của mặt trời cao hơn khoảng 50.000 lần nhiệt độ trên trái đất vào một ngày nhiều nắng và mật độ tại tâm của mặt trời khoảng 100 lần mật độ của nước Người ta phải đo sự phong phú của các nguyên tố nặng trên bề mặt của mặt trời và sau đó tìm hiểu xem sự phong phú này thay đổi như thế nào khi đi sâu hơn vào trong mặt trời Tất cả những điều này và nhiều chi tiết nữa phải được hiểu và tính toán chính xác

Số lượng tiên đoán của neutrino mặt trời năng lượng cao có thể chỉ ra bằng một phép tính

cơ lượng tử phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tại tâm của mặt trời Sai số 1% ở nhiệt độ tương ứng với sai số khoảng 30% ở số lượng tiên đoán của neutrino; sai số 3% ở nhiệt độ mang lại sai số gấp đôi ở neutrino Nguyên nhân vật lí cho độ nhạy lớn này là năng lượng của các hạt tích điện phải va chạm để tạo ra neutrino năng lượng cao là nhỏ so với lực đẩy điện lẫn nhau của chúng Chỉ một tỉ lệ nhỏ các va chạm hạt nhân trong mặt trời thành công trong việc chiến thắng lực đẩy này và gây ra sự nhiệt hạch; tỉ lệ này rất nhạy với nhiệt độ Bất chấp độ nhạy lớn này với nhiệt

độ, mô hình lí thuyết của mặt trời là đủ chính xác để tiên đoán chính xác số lượng neutrino

Nỗ lực nghiên cứu của hàng nghìn nhà nghiên cứu ở các viện phân bố trên khắp thế giới

là cần thiết để thu được độ chính xác cần thiết Là kết quả của nỗ lực cộng đồng này trong bốn thập kỉ vừa qua, bây giờ chúng ta có sự tin tưởng vào sự hiểu biết của chúng ta về cách thức mặt trời chiếu sáng Chúng ta có thể sử dụng kiến thức này để giải thích những quan sát của các thiên

hà ở xa cũng chứa các ngôi sao Chúng ta có thể sử dụng kiến thức về cách thức ngôi sao phát sáng và tiến hóa để biết thêm về sự tiến hóa của vũ trụ

Việc còn lại để làm là gì ?

Các máy dò hạt chlorine và gallium không đo được năng lượng của các sự kiện neutrino Chỉ có máy dò hạt dùng nước (Kamiokande, Super-Kamiokande và SNO) mang lại thông tin nhất định về năng lượng của neutrino mặt trời quan sát được Tuy nhiên, các máy dò hạt dùng nước chỉ nhạy với neutrino năng lượng cao (với năng lượng > 5 triệu electron-volt)

Mô hình máy tính chuẩn của mặt trời tiên đoán rằng đa số neutrino mặt trời có năng lượng nằm dưới ngưỡng phát hiện của các máy dò hạt dùng nước Nếu như mô hình mặt trời chuẩn là đúng, thì các máy dò hạt dùng nước nhạy với chỉ khoảng 0,01% số neutrino mà mặt trời

30 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

phát ra 99,99% còn lại phải quan sát thấy trong tương lai với những máy dò hạt mới nhạy với các năng lượng tương đối thấp

Mặt trời là ngôi sao duy nhất đủ gần với trái đất để cho chúng ta quan sát neutrino tạo ra bởi các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân Điều quan trọng là quan sát các neutrino năng lượng thấp dồi dào để kiểm tra chính xác hơn lí thuyết về sự tiến hóa sao Chúng ta tin rằng chúng ta có thể tính được số lượng mong đợi của các neutrino năng lượng thấp chính xác hơn chúng ta có thể tính số lượng neutrino năng lượng cao Vì vậy, một phép đo chính xác số lượng neutrino năng lượng thấp sẽ là một phép kiểm nghiệm quan trọng mức độ chính xác của lí thuyết mặt trời của chúng ta Có thể vẫn còn đó những bất ngờ

Ở năng lượng thấp (< 2 triệu electron-volt), chúng ta tin rằng lí thuyết của Pontecorvo và Gribov mô tả tốt sự chuyển hóa trong chân không của electron neutrino thành neutrino thuộc các loại khác Ở năng lượng cao, chúng ta nghĩ rằng các tương tác với electron, như đề xuất bởi Mikheyev, Smirnov và Wolfenstein, là cần thiết để hiểu được sự chuyển hóa tăng thêm của các electron neutrino thành những loại khác của neutrino Chúng ta cần những thí nghiệm mới ở năng lượng thấp để kiểm tra, và tìm hiểu định lượng, sự biến đổi ở cơ chế chuyển hóa từ quá trình đó hoạt động ở năng lượng cao sang quá trình quan trọng nhất ở năng lượng thấp

Các thí nghiệm neutrino mặt trời ở năng lượng thấp cũng có thể mang lại những phép đo tao nhã của các thông số mô tả các dao động neutrino

Chúng ta có thể sử dụng neutrino để đo độ sáng toàn phần của mặt trời Ước tính hiện nay của độ sáng toàn phần chỉ sử dụng các hạt ánh sáng, gọi là photon Nếu như nguồn năng lượng bức xạ duy nhất là các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân như đã mô tả bằng phương trình trong phần đầu bài viết này, thì hai phép đo (với ánh sáng và với neutrino) sẽ ăn khớp nhau Chúng ta trông đợi sự phù hợp dựa trên sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về cách thức mặt trời chiếu sáng Nhưng, nếu có một nguồn năng lượng khác nữa – một số quá trình mà cho tới nay chúng ta chưa biết – thì các phép đo với neutrino và với ánh sáng sẽ khác nhau đáng kể Đó sẽ là một khám phá có tính cách mạng

Tại sao mất quá lâu mới có lời giải ?

Bí ẩn neutrino mặt trời còn thiếu lần đầu tiên được ghi nhận vào năm 1968 Số sự kiện neutrino do Ray Davis quan sát trong máy dò hạt của ông ít hơn nhiều so với giá trị tiên đoán Nhưng, mãi cho đến năm 2001 thì đa số các nhà vật lí mới bị thuyết phục rằng nguồn gốc của bí

ẩn neutrino mặt trời là một sự không thỏa đáng trong mô hình chuẩn của vật lí hạt chứ không phải sự thất bại của mô hình lí thuyết chuẩn về cách thức mặt trời chiếu sáng

“Thật đáng tiếc, sức nặng của các phản ứng nhiệt hạch đa dạng trong mặt trời, và nhiệt độ tại tâm mặt trời được biết không đầy đủ để cho phép một sự so sánh có ích về số neutrino mặt trời mong đợi và số quan sát thấy…”

Nói cách khác, sai số trong mô hình mặt trời là quá lớn nên chúng cản trở một sự giải thích hữu ích về các phép đo neutrino mặt trời Quan điểm của Bruno Pontecorvo được ủng hộ hơn hai thập kỉ sau đó khi vào năm 1990 Howard Georgi và Michael Luke viết những câu mở đầu trong một bài báo về các hiệu ứng vật lí hạt có khả năng trong những thí nghiệm neutrino mặt trời:

“Có khả năng nhất là bài toán neutrino mặt trời không có gì để làm với vật lí hạt Thật là một thành công lớn khi mà các nhà thiên văn vật lí có thể tiên đoán số neutrino 8B tới trong vòng

hệ số 2 hoặc 3…”

C.N Yang phát biểu vào hôm 11/10/2002, một vài ngày sau khi trao giải Nobel vật lí cho Ray Davis và Masatoshi Koshiba cho thành tựu lần đầu tiên phát hiện ra neutrino vũ trụ, rằng:

“Tôi không tin vào các dao động neutrino, ngay cả sau nghiên cứu nhọc nhằn của Davis

và phân tích cẩn thận của Bahcall Tôi tin rằng các dao động không thể được gọi tên như thế”

Sidney Drell viết trong một bức thư cá nhân giải thích gửi cho tôi vào tháng 1 năm 2003 rằng “… thành công của Mô hình Chuẩn (của vật lí hạt) quá đắt giá để mà từ bỏ”

Mô hình chuẩn của vật lí hạt là một lí thuyết đẹp đã được kiểm nghiệm và đưa ra được những tiên đoán chính xác trong hàng ngàn thí nghiệm trong phòng thí nghiệm Mô hình mặt trời chuẩn, mặt khác, bao hàm cơ sở vật lí phức tạp trong những điều kiện không quen thuộc và chưa được kiểm nghiệm trước đó đến độ chính xác cao Tuy nhiên, các tiên đoán của mô hình mặt trời chuẩn phụ thuộc nhiều vào các chi tiết của mô hình, ví dụ như nhiệt độ tại tâm mặt trời Không phải tự hỏi tại sao các nhà khoa học lại mất quá nhiều thời gian để đổ lỗi cho mô hình chuẩn của vật lí hạt chứ không phải mô hình chuẩn của mặt trời

Một thành tựu cộng đồng bất ngờ

Tôi thật sự ngạc nhiên khi nhìn trở lại cái đã hoàn thành trong lĩnh vực nghiên cứu neutrino mặt trời trong bốn thập kỉ vừa qua Làm việc cùng với nhau, một cộng đồng quốc tế gồm hàng ngàn nhà vật lí, nhà hóa học, nhà thiên văn học, và các kĩ sư đã chỉ ra rằng việc đếm các nguyên tử phóng xạ trong một cái hồ bơi chứa đầy chất lỏng sạch ở trong một mỏ sâu trên trái đất có thể cho chúng ta biết những điều quan trọng về tâm của mặt trời và về những tính chất

32 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

của các hạt cơ bản kì lạ gọi tên là neutrino Nếu tôi không sống qua huyền thoại neutrino mặt trời, tôi sẽ không tin điều đó là có thể

Nguyên bản: Solving the Mystery of the Missing Neutrinos (nobelprize.org)

hiepkhachquay dịch

An Minh, Xuân Mậu Tý 2008

03/02/2008, 08:23:57

Tại sao lại có quá nhiều ồn ào về nan đề khoa học này ? Nhà thiên văn học thế kỉ thứ 19 John Herschel đã miêu tả hùng hồn vai trò cơ bản của ánh sáng mặt trời trong mọi hoạt động sống của con người trong tác phẩm Chuyên luận về Thiên văn học hồi năm 1883 của ông như sau:

Các tia sáng mặt trời là nguồn gốc tối hậu của hầu như mọi chuyển động xảy ra trên bề mặt trái đất Bởi nhiệt của nó sản sinh ra các loại gió… Bởi hoạt động của chúng truyền sức sống cho thực vật tinh lọc từ các chất vô cơ, và trở nên, trong vòng quay của chúng,

là sự cấp dưỡng cho động vật và cho con người, và là nguồn gốc của những lớp trầm tích lớn có hiệu quả động học nằm sẵn cho con người sử dụng trong vỉa than của chúng ta

Ánh sáng mặt trời nuôi dưỡng sự sống trên trái đất

Trong bài viết này, chúng ta sẽ nhắc lại từ bối cảnh lịch sử của sự phát triển kiến thức của chúng ta về cách thức mặt trời (ngôi sao gần chúng ta nhất) tỏa sáng, bắt đầu trong phần tiếp theo với cuộc tranh luận thế kỉ 19 về tuổi của mặt trời Trong phần sau đó, chúng ta sẽ thấy những

34 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

khám phá dường như chẳng có kết quả gì với nhau trong vật lí cơ bản đưa đến một lí thuyết sản sinh năng lượng hạt nhân trong các ngôi sao đã giải quyết được cuộc tranh luận về tuổi của mặt trời và giải thích được nguồn gốc của bức xạ mặt trời Trong phần sau cùng trước khi tóm lược, chúng ta sẽ thảo luận xem các thí nghiệm được thiết kế như thế nào để kiểm tra lí thuyết sản sinh năng lượng hạt nhân trong các ngôi sao làm hé mở một bí ẩn mới, Bí ẩn Neutrino còn thiếu

Tuổi của mặt trời

Mặt trời bao nhiêu tuổi ? Làm thế nào mặt trời tỏa sáng được ? Những câu hỏi này là hai mặt của một đồng tiền, như chúng ta sẽ thấy

Tốc độ mặt trời phát ra bức xạ dễ dàng tính được bằng cách sử dụng tốc độ đo được mà năng lượng đi tới bề mặt trái đất và khoảng cách giữa trái đất và mặt trời Năng lượng toàn phần

do mặt trời phát ra trong quãng đời của nó khoảng chừng bằng tích của tốc độ phát năng lượng hiện nay, gọi là độ sáng của mặt trời, với tuổi của mặt trời

Mặt trời càng già thì tổng năng lượng bức xạ do mặt trời phát ra càng lớn Năng lượng phát ra càng lớn, hay tuổi của mặt trời càng lớn, thì càng khó tìm lời giải thích cho nguồn gốc của năng lượng mặt trời

Để đánh giá đúng sự khó khăn trong việc tìm một lời giải thích, chúng ta hãy xét một minh họa đặc biệt của tốc độ khổng lồ mà mặt trời phát ra năng lượng Giả sử chúng ta đặt một centimet khối băng tuyết ở ngoài trời vào một ngày mùa hè theo kiểu sao cho toàn bộ ánh sáng mặt trời bị hấp thụ bởi băng Cho dù ở khoảng cách lớn giữa trái đất và mặt trời, nhưng ánh nắng mặt trời sẽ làm tan khối băng trong khoảng 40 phút Vì hiện tượng xảy ra tại bất kì đâu trong không gian tại khoảng cách của trái đất tính từ mặt trời, nên một lớp vỏ cầu băng khổng lồ có tâm tại mặt trời và đường kính 300 triệu km (200 triệu dặm) sẽ tan ra vào khoảng thời gian trên Hay, rút cùng lượng băng trên xuống bề mặt mặt trời, chúng ta có thể tính được một diện tích gấp 10 nghìn lần diện tích bề mặt trái đất và dày khoảng nửa km (0,3 dặm) cũng sẽ tan ra trong

40 phút bởi sự trút năng lượng của mặt trời

Trong phần này, chúng ta sẽ nói về các nhà khoa học thế kỉ 19 đã cố gắng như thế nào để xác định nguồn gốc của năng lượng mặt trời, sử dụng tuổi của mặt trời làm một manh mối

Các ước tính mâu thuẫn nhau về tuổi của mặt trời

Nguồn năng lượng bức xạ mặt trời được các nhà vật lí thế kỉ 19 tin là do hấp dẫn Trong một bài giảng có sức thuyết phục vào năm 1854, Hermann von Helmholtz, vị giáo sư sinh lí học người Đức, người trở thành một nhà nghiên cứu và một giáo sư vật lí xuất sắc, đã đề xuất rằng nguồn gốc của năng lượng bức xạ khổng lồ của mặt trời là sự co hấp dẫn của một khối lượng lớn Trước đó không lâu, vào thập niên 1840, J.R Mayer (một bác sĩ người Đức khác) và J.J Waterson cũng đề xuất rằng nguồn gốc của bức xạ mặt trời là sự chuyển hóa năng lượng hấp dẫn thành nhiệt

300 triệu năm, rõ ràng đủ lâu cho sự chọn lọc tự nhiên tạo ra nhiều loài đa dạng tồn tại trên trái đất

Như Herschel nhấn mạnh, nhiệt của mặt trời là nguyên nhân cho sự sống và đa số sự tiến hóa địa chất trên trái đất Vì thế, ước tính của Darwin về tuổi tối thiểu cho hoạt động địa chất trên trái đất ngụ ý một ước tính tối thiểu cho lượng năng lượng mà mặt trời phát ra

Kiên quyết phản đối thuyết chọn lọc tự nhiên Darwin, William Thompson, sau này là ngài Kelvin, là giáo sư tại Đại học Glasgow và là một trong những nhà vật lí vĩ đại của thế kỉ 19 Ngoài nhiều đóng góp của ông cho khoa học ứng dụng và cho công nghệ, Thompson đã thiết lập định luật thứ hai của nhiệt động lực học và thiết lập thang nhiệt độ tuyệt đối, thang đo sau này đặt tên là thang đo Kelvin để ghi công của ông Định luật thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu rằng nhiệt tự nhiên truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn, không xảy ra điều ngược lại

Vì thế, Thompson nhận ra rằng mặt trời và trái đất phải ngày càng lạnh đi trừ khi có một nguồn năng lượng bên ngoài và cuối cùng trái đất sẽ trở nên quá lạnh để nuôi dưỡng cho sự sống

Kelvin, giống như Helmholtz, bị thuyết phục rằng độ sáng của mặt trời được tạo ra bởi sự chuyển hóa năng lượng hấp dẫn thành nhiệt Trong một phiên bản sớm (1854) của ý tưởng này, Kelvin cho rằng nhiệt của mặt trời phải được tạo ra liên tục do va chạm của các thiên thạch rơi vào bề mặt của nó Kelvin bị ép buộc bởi bằng chứng thiên văn học phải sửa đổi giả thuyết của ông và sau này ông tranh cãi rằng nguồn gốc chủ yếu của năng lượng có sẵn với mặt trời là năng lượng hấp dẫn của các thiên thạch nguyên thủy mà từ đó nó hình thành

Từ đó, với uy tín lớn và tài hùng biện, ngài Kelvin đã công khai vào năm 1862 rằng: Một số dạng thức của lí thuyết thiên thạch nhất định là đúng và là lời giải thích hoàn chỉnh của nhiệt mặt trời có thể chỉ vừa mới bị hoài nghi, khi những lí do sau đây được xét tới: (1) Không có lời giải thích tự nhiên nào khác, ngoại trừ bằng phản ứng hóa học, có thể thuyết phục được (2) Lí thuyết hóa học hơi không hiệu quả, vì phản ứng hóa học giàu năng lượng nhất mà chúng ta biết, xảy ra với các chất chẳng qua là toàn bộ khối lượng của mặt trời, sẽ chỉ phát ra nhiệt khoảng chừng 3000 năm (3) Không có khó khăn nào trong việc giải thích nhiệt của 22.000.000 năm bằng lí thuyết thiên thạch

Kelvin tiếp tục trực tiếp công kích ước tính của Darwin, ông hỏi một cách hoa mĩ:

Khi đó chúng ta nghĩ gì về ước tính địa chất cỡ 300.000.000 năm (của Darwin) cho “sự bóc trần Weald” ?

36 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay

Tin rằng Darwin đã sai trong ước tính của ông ta về tuổi của trái đất, Kelvin còn tin rằng Darwin đã sai khi nói về thời gian sẵn có cho sự chọn lọc tự nhiên xảy ra

Ngài Kelvin đã ước tính tuổi thọ của mặt trời, và bằng cách tương tự với trái đất, như sau Ông tính năng lượng hấp dẫn của một vật có khối lượng bằng với khối lượng của mặt trời và bán kính bằng với bán kính của mặt trời và chia kết quả đó cho tốc độ mặt trời phát ra năng lượng Cách tính này mang lại tuổi thọ chỉ khoảng 30 triệu năm Ước tính tương ứng cho tuổi mặt trời

có thể xác nhận bằng năng lượng hóa học nhỏ hơn nhiều vì các quá trình hóa học giải phóng rất

ít năng lượng

Ai đúng ?

Như chúng ta vừa thấy, vào thế kỉ 19, bạn có thể đi tới những ước tính rất khác nhau cho tuổi của mặt trời, tùy thuộc vào người mà bạn hỏi Các nhà vật lí lí thuyết có tiếng tranh luận, dựa trên các nguồn năng lượng đã biết vào lúc ấy, rằng mặt trời tối đa là vài chục triệu năm tuổi Nhiều nhà địa chất và sinh vật học kết luận rằng mặt trời đã phải chiếu sáng ít nhất là vài trăm triệu năm để giải thích cho các biến đổi địa chất và sự tiến hóa của các đối tượng sống, cả hai đều phụ thuộc nghiêm trọng vào năng lượng đến từ mặt trời Như vậy, tuổi của mặt trời, và nguồn gốc của năng lượng mặt trời, là những câu hỏi quan trọng không chỉ đối với vật lí và thiên văn học, mà còn đối với địa chất học và sinh vật học

Darwin đã bị lay chuyển mạnh trước sức mạnh phân tích của Kelvin và bởi uy tín của sự tinh thông lí thuyết của ông ta, nên trong các lần in cuối của cuốn Về nguồn gốc các loài, ông đã loại bỏ hết mọi đề cập tới các khoảng thời gian Ông viết vào năm 1869 cho Alfred Russel Wallace, người đồng khám phá ra sự chọn lọc tự nhiên, than phiền về ngài Kelvin:

Quan điểm của Thompson về tuổi của thế giới gần đây thỉnh thoảng là một trong những điều nhức nhối nhất của tôi

Ngày nay, chúng ta biết rằng ngài Kelvin đã sai và các nhà địa chất và nhà sinh học tiến hóa đã đúng Phép định tuổi phóng xạ của các thiên thạch cho thấy mặt trời 4,6 tỉ năm tuổi

Đâu là cái sai với phân tích của Kelvin ? Một sự tương tự có thể giúp trả lời Giả sử một người bạn đứng nhìn bạn sử dụng máy tính của bạn và thử suy đoán xem máy tính đã hoạt động trong bao lâu Một ước tính hợp lí có lẽ không hơn một vài giờ đồng hồ, vì đó là khoảng thời gian tối đa mà pin có thể cung cấp lượng công suất cần thiết Sự thiếu sót trong phép phân tích này là đã giả định máy tính của bạn nhất thiết được cấp nguồn bằng pin Ước tính vài giờ đồng

hồ có thể là sai nếu như máy tính của bạn hoạt động từ một ổ cắm điện ở trên tường Giả định pin cấp nguồn cho máy tính của bạn là tương tự như giả định của ngài Kelvin rằng năng lượng hấp dẫn đã cấp nguồn cho mặt trời

Vì các nhà vật lí lí thuyết thế kỉ 19 không biết về khả năng chuyển hóa khối lượng hạt nhân thành năng lượng, nên họ tính ra tuổi tối đa cho mặt trời quá ngắn Tuy nhiên, Kelvin và các đồng nghiệp của ông đã có những đóng góp lâu dài cho các khoa học thiên văn học, địa chất

Thoáng hiện câu trả lời

Điểm chuyển biến trong cuộc chiến giữa các nhà vật lí lí thuyết và các nhà địa chất học

và sinh vật học theo lối kinh nghiệm xảy ra vào năm 1896 Trong tiến trình của một thí nghiệm được thiết kế để nghiên cứu tia X do Wilhelm Röntgen phát hiện ra vào năm trước đó, Henri Becquerel đã cất một số tấm bọc uranium trong một ngăn bàn gần các tấm phim bọc trong giấy đen Do trời Paris nhiều mây trong hai ngày liền, nên Becquerel không thể “kích hoạt” các tấm phim của ông bằng cách phơi chúng dưới ánh nắng mặt trời như ông dự định Trước sự phát triển của các tấm phim, ông đã tìm thấy những hình ảnh làm ông ngạc nhiên cao độ của các tinh thể uranium của ông Ông đã khám phá ra sự phóng xạ tự nhiên, do sự chuyển hóa hạt nhân của uranium

Tầm quan trọng của phát hiện của Becquerel trở nên rõ ràng vào năm 1903, khi Pierre Curie và người phụ tá trẻ của ông, Albert Laborde, công bố rằng các muối radium liên tục giải phóng nhiệt Khía cạnh khác thường nhất của khám phá mới này là radium phát ra nhiệt mà không lạnh đi xuống nhiệt độ của môi trường xung quanh nó Bức xạ phát ra từ radium tiết lộ một nguồn năng lượng trước đây chưa biết tới William Wilson và George Darwin hầu như tức thời đề xuất rằng sự phóng xạ có thể là nguồn gốc của năng lượng bức xạ của mặt trời

Vị hoàng tử trẻ của nền vật lí thực nghiệm, Ernest Rutherford, khi đó là giáo sư vật lí tại Đại học McGill ở Montreal, đã phát hiện thấy năng lượng khổng lồ giải phóng bởi bức xạ hạt alpha phát ra từ các chất phóng xạ Năm 1904, ông công bố:

Việc khám phá ra các nguyên tố phóng xạ, mà trong sự phân hủy của chúng giải phóng lượng năng lượng khổng lồ, vì thế đã làm tăng giới hạn khả dĩ của khoảng thời gian tồn tại của sự sống trên hành tinh này, và cho phép thời gian được khẳng định bởi các nhà địa chất và sinh vật học cho quá trình tiến hóa

Khám phá ra sự phóng xạ đã mở ra khả năng năng lượng hạt nhân có thể nguồn gốc của bức xạ mặt trời Sự phát triển này đã giải phóng các nhà lí thuyết khỏi ràng buộc trong tính toán của họ với năng lượng hấp dẫn Tuy nhiên, các quan sát thiên văn sau đó cho thấy mặt trời không chứa rất nhiều chất phóng xạ, mà thay vào đấy chủ yếu là hydrogen ở dạng khí Hơn nữa, tốc độ

sự phóng xạ phân phối năng lượng không phụ thuộc vào nhiệt độ sao, trong khi các quan sát sao cho thấy lượng năng lượng do một ngôi sao phát ra thật sự phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ bên trong của sao Một thứ gì đó ngoài sự phóng xạ ra là cần thiết để giải phóng năng lượng hạt nhân bên trong một ngôi sao

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ dõi theo các bước tiến đã đưa đến cái mà ngày nay chúng ta tin là sự hiểu biết đúng đắn về cách thức mặt trời chiếu sáng