ChúngTa.com

Phương trình P.Đirắc và các khái niệm phản hạt, phản vật chất

Nói đến cơ học lượng tử, đặc biệt là nói đến các vấn đề thuộc phản hạt, phản vật chất,người ta không thể không nhắc tới P.Đirắc - nhà vật lý học người Anh, một trong những người sáng lập ra cơ học lượng tử Viện sỹ thông tấn Viện hàn lâm khoa học Liên Xô trước đây (1931), người đã bằng phương trình nổi tiếng của mình đoạt giải Nobel về vật lý học vi mô (1933) cùng với E.Schrôđingơ (Schrodinger).

Vào năm 1928, khi giải bài toán cơ học lượng tử về sự vận động của electron, ở P.Đirắc đã nảy sinh một ý tưởng vĩ đại. Theo ông, thuyết lượng tử và thuyết tương đối - hai cơ sở lớn của vật lý học hiện đại, trong bản chất của nó, phải ăn nhập với nhau, phải hài hòa với nhau, chí ít thì cũng phải không mâu thuẫn với nhau. Từ ý tưởng này, P.Đirắc đã mở rộng phương trình lượng tử của electron để có thể áp dụng cho cả những hạt vận động với tốc độ lớn, những hạt có spin 1/2.

P.Đirắc đã tìm ra một phương trình hoàn mỹ, một phương trình trong khi thỏa mãn những yêu cầu của bản thân cơ học lượng tử đã đồng thời thỏa mân một cách trọn vẹn những yêu cầucủa thuyết tương đối đặc biệt (còn gọi là thuyết tương đối hẹp do A.Einstein phát hiện 1905). Phương trình này về sau mang tên ông phương trình P.Đirắc.

Trước khi có phương trình P.Đirắc, trong vật lý học vi mô người ta không thể hiểu được tại sao electron lại khác với chính nó khi nó được quay đủ trọn một vòng, còn khi quay hai vòng (2 x 360^o) thì trạng thái ban đầu của nó mới được thiết lập trở lại. Hiện tượng này (epin l/2) hóa ra được mô tả chính xác trong phương trình P.Đirắc.

Phương trình Pđirắc có hai nghiệm, tức là sự vận động của những hạt có spin ½ phải chấp nhận hai đáp án. Một nghiệm tương ứng hoàn toàn với electron mà người ta đã biết. Còn nghiệm kia tương ứng với một hạt mang năng lượng âm.

Vào cuối những năm 20 của thế kỷ nảy, việc tưởng tượng có một loại electron mang năng lượng âm là điều cực kỳ khó hiểu, thậm chí điên rồ. Bởi lẽ, nếu có tồn tại năng lượng âm, vật chất sẽ phải sụp đổ ngược với chiều bình thường. Hơn thế nữa, nếu hạt có năng lượng âm thì sóng của nó cũng phải có tần số âm. Điều này có nghĩa là hạt mang năng lượng âm sẽ đi theo thời gian ngược: từ tương lai đến quá khứ, từ kết quả đến nguyên nhân...

Không chịu khuất phục trước các mâu thuẫn đó, P.Đirắc vẫn tìm cách hiểu đúng thế giới vi mô qua phương trình của mình. Ông giải thích hiện tượng năng lượng âm theo cách khác: Hạt có năng lượng âm sẽ là một hạt khác tương đương với hạt có cùng khối lượng, nhưng mang điện tích trái dấu. Đó là electron có điện tích dương, chứ không phải có điện tích âm như vẫn được quan sát bằng thực nghiệm.

Như vậy, theo phương trình P.Đirắc, đối lập với electron là một hạt giống hệt nó về các đặc trưng nội tại - khối lượng, spin... chỉ có khác là mang điện tích trái dấu - hạt positron, nghĩa là, phương trình P.Đirắc đã dự báo về sự tồn tại của phản electron(positron sau này thường được gọi là phản electron).

Phản vật chất bắt đầu từ trí tưởng tượng của con người ở những năm 1930, về một loại "chất lạ" được sử dụng giống như nhiên liệu với năng lượng cao để đấy những chiếc tàu không gian đi nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng. Năm 1928, nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã đặt ra một vấn đề: rằng mọi hạt đều có "đối hạt" của nó, cùng với những tính chất tương đồng, duy chỉ có sự đối lập về mặt điện tích. Và giống như proton, neutron và electron hình thành nên các nguyên tử và vật chất, các phản proton, phản neutron, phản electron (còn được gọi là positron) hình thành nên phản nguyên tử và phản vật chất. Nghiên cứu của ông dẫn đến một suy đoán rằng có thể tồn tại một vũ trụ ảo tạo bởi các phản vật chất này.

Bốn năm sau, khi quan sát những hiệu ứng từ sự va chạm của tia vũ trụ với các nguyên tử pb, K.Andersơn, nhà vật lý học người Mỹ đã nhận thấy trên ảnh có dấu vết của một hạt lạ. Quỹ đạo của hạt này trong từ trường chứng tỏ là nó mang điện tích dương, nhưng có khối lượng và kích thước đúng bằng electron. Đây chính là positron hay phản electron.

Thực ra, positron phát sinh từ bức xạ vũ trụ. Khi va chạm với các nguyên tử của bầu khí quyển, nó đã chuyển hóa một phần năng lượng thành một cặp electron-positron,những phản hạt tự nhiên mà người ta quan sát thấy một cách ít ỏi đều là các sản phẩm phát sinh của những hạt vũ trụ.

Sau đó, khi mở rộng phương trình củamình, P.Đirắc hình dung rằng mọi hạt vi mô đều có phản hạt của nó. Vật chất buộc phải có hình ảnh đối xứng và đối xứng hạt- phản hạtchỉ là một trong 3 hình thức của sự đối xứng đó. Ngay cả nơtron hóa ra cũng có phản nơtron, bởi lẽ, mặc dù trung tính, song phản nơtron có momen từ ngược với momen từ của nơtron. Như vậy, chỉ trừ photon và các momen trung hòa, như π⁰ (nó là phản hạt của chính nó), các hạt còn lại đều tuân theo nguyên tắc đối xứng này.

Phải hơn 20 năm sau khi phát hiện positron, các nhà vật lý học mới tìm ra được (thực chất là chế ngư được) phản protontrên máy gia tốc Benkley-synchroton. Vai trò của các máy gia tốc trong nghiên cứu hạt vi mô, trên thực tế, có ý nghĩa đặc biệt to lớn. Mọi lý thuyết, mọi ý tưởng vĩ đại về phản hạt sẽ mãi mãi chỉ nằm trên giấy nếu không có các máy gia tốc tương ứng. Vao năm 1956, người ta tìm ra phản nơtron.Đây là hạt trung hòa, nó cũng không có điện tích như nơtron. Chỉ có khác là momen từ của hạt này quay ngược với momen từ của nơtron.Vào năm 1983, nhờ máy gia tốc tạo ra các va chạm proton - protoncủa trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (CERN), các hạt boson W (W+ và W ) và hạt Z (Z trung tính) được phát hiện. Đây là các hạt có spin 1, có khối lượng khoảng 100 giữa electron-von (GEV). Phát hiện này có ý nghĩa rất đặc biệt đối với lý thuyết phá vãđối xứng tự phát.Do vậy, C.Rubbia, người chỉ đạo thực hiện phát minh này đã nhận giải Nobel năm 1984. Cho đến nay, bên cạnh các hạt electron, protron và nguồn, người ta đã tìm thấy 13 phản hạt của 13 hạt cơ bản tương ứng.

Điều đáng lưu ý là trong thế giới vi mô, sự gặp nhau giữa các hạt và phàn hạt sẽ sinh ra hiện tượng hủy cặp: Các hạt và phản hạt sẽ ngay lập tức hủy nhau để tạo ra năng lượng hoặc tạo ra hạt mới. Chẳng hạn, một positron khi gặp electron sẽ sinh ra hai pho ton (e⁺ + e^- → γ + γ) , hay, các hạt proton khi gặp phàn proton sẽ sinh ra một số meson (p +p --> 2π⁺ +π^-+ π⁰) ...Đây là một đặc tính quan trọng của thế giới vi mô, một đặc tính có ý nghĩa đối với việc duy trì những đối xứng khách quan của thế giới vật chất.

Vấn đề là ở chỗ, thế giới xung quanh ta được tạo nên chỉ từ các hạt, nghĩa là ở đó không có mặt các phản hạt để tạo ra hủy cặp hoặc nếu có thì chúng cũng đã bị hủy ngay để tạo ra năng lượng và đồng thời tạo ra các hạt khác. Tại sao lại. có hiện tượng như vậy?

Câu hỏi này đã làm nảy sinh các giả thuyết vẽ phản nguyên tử, phản vật thể (hay thường gọi là phản vật chất).

Từ chỗ khám phá ra các phản hạt và về nguyên tắc, người ta biết rằng mỗi hạt đều có một phản hạt tương ứng, cho nên, lẽ đương nhiên, người ta phải đặt vấn đề : nếu các nguyên tử chỉ được tạo thành từ các hạt thì các phản hạt của nó (tồn tại ở đâu đó bên ngoài và đối xứng với các hạt) có thể kết hợp được với nhau - theo các quy luật mà các hạt đã kết hợp - để tạo ra các phản nguyên từ hay không?

Điều thú vị là ngay từ khí phản electron được phát hiện năm 1932, sự hoàn hảo của lý thuyết P.Đirắc đã kích thích các nhà khoa học săn lùng phản nguyên tử. Rất nhiều máy gia tốc hạt đã được xây dựng ở các trung tâm nghiên cứu vật lý để tiến hành cuộc săn lùng này. Và, người ta hy vọng rằng, nếu như thực nghiệm chứng minh được có sự tồn tại của phản nguyên tử, thì điều đó có nghĩa là, sự tồn tại của phản vật thể, phản sinh vật, phản hành tinh, phản vũ trụ... đã bước đầu được chứng minh. Nói một cách khác, nếu con người khám phá ra phản nguyên tử thì về mặt lý thuyết, người ta buộc phải công nhận có sự tồn tại của các phản vật thể trong sự đối xứng với các vật thể mà hàng ngày con người có thể nhận biết được qua các giác quan. Thật thú vị khi hình dung rằng, cùng với sự tồn tại của một trái táo hiện thực trước mặt chúng ta, còn có một phản trái táoấy tồn tại ở đâu đó trong thế giới này.

Tháng 9/1995, cánh cửa đầu tiên của thế giới ấy, thế giới phản vật chấtđã hé mở,loài người đã tạo ra được 9 phản nguyên tử đầu tiên.

Giơnevơ, tháng 9/1995: 9 phản nguyên tử đầu tiên

Thực ra, thành công của thí nghiệm tạo ra 9 phản nguyên tử đầu tiên được công bố ngày 5/01/1996 chứ không phải tháng 9/1995. Các nhà khoa học với tác phong chín chắn của mình đã cố tình im lặng suốt mấy tháng trời để kiểm tra kết quả mà họ đã đạt được vào tháng ènăm 1995 ở Giơnevơ.

Đây là công lao của 23 nhà vật lý Italia và Đức do MarioMacri, nhà vật lý Italia chỉ đạo. Họ làm việc tại trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (CERN), nơi có những máy gia tốc hạt vào loại lớn và hiện đại nhất của thế giới (máy LEAR có cạnh dài tới 20m đủ cho hàng tỷ phản proton chuyển động 3 triệu vòng mỗi giây).Tuy vậy, nhóm nghiên cứu của Mario Macri, nghe nói, đã sử dụng máy gia tốc hạt vào loại không mấy tăn tiến để tiến hành thí nghiệm của mình.

Ý đồ thí nghiệm của nhóm M.Macri nảy sinh vào năm 1993: Một chùm proton được bắn vào một lá chắn có chứa các proton khác để tạo ra các proton (P) và các phản proton (P). Sau đó các phản proton được tách ra phóng thanh chùm vào ống xuyến của máy gia tốc. Ở đây, chúng được tích tụ và được gia tốc đến cực đại. Tiếp đó, các phản proton (P) được phóng với nhịp độ 3 triệu lần/giây vào một luồng khí xenon có đường kính 40μ,áp suất 12at, và ở nhiệt độ -35^o. Một số phản proton khi va chạm với hạt nguyên tử xenon đã tạo ra electron (e^-) và positron (e⁺). Khi khoảng cách tương đối giữa vặn tốc của positron và phản proton đủ nhỏ, chúng liên kết với nhau để tạo ra phản nguyên tử hydro. Ở khoảng cách 10m và 40 phần tỷ giây trong máy gia tốc, các phản nguyên tử đó được va vào một tấm silicium và tiêu hủy ngay lập tức. Hàng tỷ vụ va chạm trong suốt ba tuần lễ ở CERN đã tạo ra cho loài người chín phản nguyên tử đầu tiên.

Cần phải nói thêm rằng, để đi tới thành trong tháng 9/1995 ở Giơnevơ, M. Macri và các đồng sự của ông đã phải trải qua thất bại trước đó không ít hơn một lần.

Cố nhiên, 9 phản nguyên tử chưa phải là 9 tỷ hay 90 tỷ phản nguyên tử. Hơn thế nữa, khoảng cách nhỏ hơn 10m và thời gian ít hơn 40 phần tỷ giây chưa phải là không - thời gian của những phản nguyên tử bền vững. Thế nhưng, nếu vào năm 1932 với sự có mặt của phản electron, con người đã có quyền hình dung về sự tồn tại của một thể giới phản vật chất,thì rõ ràng là với sự xuất hiện của 9 phản nguyên tử hydro, con người đã mở được cánh cửa đầu tiên của thế giới phản vật chất này.

Thé giới phản vật chất, ý nghĩa triết học của vấn đề

Loài người đón nhận tin này với thái độ vừa hào hứng, cuồng nhiệt lại vừa dè dặt, hoài nghi. Xtanilav Lem, một nhà văn nổi tiếng thế giới chuyên viết về những viễn tưởng trong khoa học khi trả lời phỏng vấn của tạp chí "Tấm gương" (Spigel, CHLB Đức) đã nói: "Điều đã xảy ra ở Giơnevơ trước hết là khúc khải hoàn cho triết lý của khoa học. Cái mà các nhả vật lý đã tiên định từ lâu về vật lý lý thuyết và rất muốn được nhìn thấy tận mắt, giờ đã trở thành hiện thực và chỉ riêng điều này cũng đã đủ khẳng định rằng bức chân dung tự họa của khoa học quả là rất tuyệt". Tuy nhiên, chính X.Lem cũng khẳng định: "Có những người tin vào thiên đường và các thiên thần, nhưng vì sao đấy mà chẳng ai lại tin vào cái thế giới của những phản vật chất".

Còn ở Giơnevơ, mặt dù ca ngợi hết lời những thành công của nhóm M.Macri, song chỉnh trung tâm nghiên cứu Châu Âu cũng đã quyết định ngừng hoạt động máy gia tốc hạt nghiên cứu các phản proton có năng lượng thấp vào cuối năm nay (1996) để dành kinh phí cho những nghiên cứu thiết thực hơn.

Người ta giải thích: Những mong muốn của con người lớn hơn rất nhiêu so với những khả năng thực tế mà khoa học đã đạt được. Hóa ra câu chuyện giờ đây vẫn tạm dừng ở những hoài nghi: 9phản nguyên tử quà là vẫn quá ít ỏi để con người có thể rút ra được một kết luận có sức thuyết phục về phản vật thể, phản thế giới. Hy vọng nồng nhiệt nhất có lẽ hiện đang thuộcvề trường Đại học Harvard. G.Gabnels, giáo sư trường này tuyên bố, ông đã bảo quản được những phản prơton ở nhiệt độ -269^oC trông bẫy tư trường suốt nhiều tuần lễ. Ông cũng đã biết cách duy trì được sự tồn tại của phản electron. Trong tương lai không la, ông sẽ chuyển được sự tồn tại của phảnelectron từ môi trường này sang môi trường khác.

Như vậy, trên phương diện vật lý thì vấn đề đặt rà xung quanh đề tải phản vật chất vẫn chưa vượt qua khẳng định nổi tiếng từ lâu của A.Sakharov: Vật chất vốn có tính đối xứng, song sự vi phạm tính đối xứng ấy lại chính là điều kiện để cho vật chất chiếm ưu thể so với phản vật chất trong vũ trụ. Sự kiện Giơnevơ 9/1995 dẫu sao cũng mới chỉ cho phép con người đột phá vào một bí mật trong vê số những bí mật bất tận của lâu đài vật chất: Tại sao sau vụ nổ lớn Bigbang vật chất lại tách khỏi phản vật chất và phản vật chất còn tồn tại ở đâu nữa ngoài 9 phản nguyên tử ở Giơnevơ tháng 9/1995?

Tuy nhiên, trên phương diện triết học, mà đặc biệt là triết học duy vật biện chứng, thì việc phát hiện ra 9 phản nguyên tử đầu tiên là một sự kiện đặc biệt có ý nghĩa.

Trước hết, thành tự của M.Macri và các đồng sự của ông, một làn nữa khẳng định khả năng to lớn của con người trong việc nhận thức thế giới nói chung. Tính khả thi của nhận thức con người rõ ràng không phải là điều bia đặt của một đầu óc chủ quan nào đấy. Nó càng ngày cảng được chứng minh một cách hùng hồn bởi sự tiến triển của khoa học hiện đại.

Cố nhiên, khả tri không có nghĩa là trong nhận thức sẽ bớt dần nhũng điều đáng phải hoài nghi. Trái lại, những điều cần phải hoài nghi có thể sẽ vẫn rất lớn trong khi những điều từng hoài nghi được dần đần sáng tỏ. Sự hoài nghi của X.Lem và một số nhà khoa học ở CERN, trên thực tế, là sự hoài nghi dựa trên một trình độ khoa học rất cao, nó chứng minh khả năng nhận thức vô tận của con người.

Với sự phát hiện 9 phản nguyên tử đầu tiên, các nhà khoa học đã có thêm một cơ sở để tin vào giá trị to lớn của định nghĩa vật chấttrong triết học Mác-Lênin. Phản nguyên tử cũng là "thực tại khách quan" "tồn tại bên ngoài và độc lập với ý thức con người". Con người nhờ sự trợ giúp của phương tiện hiện đại có thể nhận thức được các phản nguyên tử, chế ngự được sự vận động của chúng dựa vào các quy luật khách quan của thế giới vật chất.

Đinh nghĩa vật chất nói trên đã thỏa mãn một cách trọn vẹn đối với các phản nguyên tử.Nổi một cách khác, các phản nguyên tử nói riêng và phản vật chấtnói chung, trên thực tế, không phải là phi vật chấtmà cũng chỉ là vật chất.Chúng là một dạng của vật chất.

Điều đáng chú ý là, lâu nay, trên khắp thế giới, phản vật chất là thuật ngữ đã quen sử dụng. Thuật ngữ này, cả tiếng ngôn ngữ khoa học lẫn trong ngôn ngữ thông thường cũng đều được hiểu với nghĩa là một dạng,dạng đặc biệt của vật chất trong vũ trụ chúng ta. Mặc dù gọi là phản vật chấtsong không ai hiểu đó là một cái gì phi vật chất. Hầu hết những người có quan tâm ít nhiều đến phản vật chất, kể cả những người hoạt động trong và ngoài giới khoa học, đều hiểu rằng, cái gọi là phản vật chất mà loài người đã từng chế ngự được, cho đến nay, mới chỉ bao gồm positron, hơn 10 phản hạt khác và 9 phản nguyên tử đầu tiên. Đó là những phân vật thể,một dạng của vật chất.

Rõ ràng là định nghĩa của VI.Lênin về vật chất cùng với sự khẳng định của ông về sự vô cùng tận của thế giới vimô, trên thực tế vẫn là một nguyên tắc phương pháp luận hết sức có ýnghĩa để con người chinh phục thế giới bí ẩn của phản vật chất. Thế giới được tạo thành và vận động theo những quy luật khách quan của nó. Chính khẳng đinh này đã làm nền cho những nghiên cứu về sự tồn tại của phản hạt và sự kết hợp của nó thành những phản nguyên tử.

Có một số vấn đề đáng lưu tâm là, hiện thời một số tác giả không tán thành việc sử dụng thuật ngữ phản vật chất.Điều này không phải là không có lý.

Nói tóm lại, việc chinh phục được sự vận động của các phản nguyên tử thêm một lần nữa chứng minh rằng, chính là nhờ những quy luật đang chi phối thể giới vật chất xung quanh ta mà con người khám phá được những bí mật của phản thế giới. Nói một cách khác, phản thế giớichi là một cáchgọi, còn thực, chất nó vẫn không phải là cái gì khác nằm ngoài thể giới mà trong đó chúng ta đang sống. Phản thế giới chẳng qua cũng là một bộ phận của thế giới hiện thực. Sự vận động của nó cũng tuân theo những quy luật vận động của thể giới chúng ta.

Có thể là trong vũ trụ vẫn thường xảy ra những vụ va chạm giữa khu vực vật chất và khu vực phản vật chất. Chẳng phải ngẫu nhiên mà con người đã từng được biết tới những vùng cực sáng khổng lồ có phát ra những năng lượng bức xạ cực lớn trong quan sát qua kính thiên văn. Trong tương lai, biết đâu con người sẽ sử dụng được những năng lượng do sự va chạm của vật chất với phản vật chất. Lúc đó, chắc chắn rằng để bay được với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng cũng chẳng phải là điêu lạ lùng. Và, con người sẽ đi qua những cánh cửa tiếp theo của thế giới phản vật chất huyền bí này.