Vật lý lý thuyết có thể là một chủ đề khó đối với hầu hết chúng ta. Nhưng một số người trong lĩnh vực vật lý thực nghiệm, như Giáo sư John Ellis, giúp phần còn lại của chúng ta hiểu thêm một chút về hoạt động của Vũ trụ và những mảnh ghép còn thiếu.
Giáo sư Ellis sẽ xuất hiện tại lễ hội HowTheLightGetsIn ở Hay-on-Wye, Thứ Bảy ngày 25 tháng 5 năm 2019.
Tạp chí BBC Sky at Night đã ngồi lại với anh ấy để tìm hiểu điều gì đó mới mẻ về Vũ trụ xung quanh chúng ta.
Chủ đề bài nói chuyện của tôi tại HowTheLightGetsIn là ‘Chúng ta là gì? Nơi nào chúng ta đến từ đâu? Chúng ta đang đi đâu vậy?’ Tôi coi đó là mục đích cơ bản của vật lý lý thuyết.
Mục đích của nó là tìm hiểu cách thức hoạt động của Vũ trụ, nó được tạo ra từ cái gì, làm thế nào nó có được trạng thái như ngày nay và điều gì sẽ xảy ra trong tương lai.
Để làm được điều đó, chúng ta phải tìm ra các quy luật cơ bản chi phối hành vi của Vũ trụ: điều gì có thể và điều gì không thể.
Công việc hàng ngày của các nhà vật lý lý thuyết là đề xuất các định luật, đề xuất các cách kiểm tra các định luật, diễn giải các thí nghiệm, tất cả trong bối cảnh những gì chúng ta hiểu và những gì chúng ta không hiểu.
Nếu bạn muốn, chúng tôi đang cố gắng hiểu cuốn sách quy tắc của Vũ trụ.
Đối với tôi, mục tiêu không chỉ là hiểu cuốn sách quy tắc, mà còn tìm ra điều gì đã xảy ra trong Vũ trụ sơ khai, nó được tạo ra từ cái gì và điều gì cuối cùng sẽ xảy ra.
Hành vi của Vũ trụ trong phạm vi rộng lớn bị chi phối bởi các phương trình của thuyết tương đối rộng của Einstein, mà tôi muốn chỉ ra rằng được phát hiện bởi một nhà vật lý lý thuyết, không phải bởi một nhà vũ trụ học!
Một nhà vũ trụ học hoặc nhà vật lý thiên văn theo dõi những gì đang xảy ra trong Vũ trụ; những gì đang xảy ra.
Nhưng họ không, ít nhất là theo suy nghĩ của tôi, đưa ra lời giải thích.
Theo các phương trình của Einstein, bạn có thể giơ cả hai tay lên và nói bên trái là lực hấp dẫn, và bên phải là tất cả vật chất trong Vũ trụ, thứ điều khiển hành vi của lực hấp dẫn.
Công việc kinh doanh của chúng ta là thứ ở bên phải: vật chất tạo ra lực hấp dẫn và được nó di chuyển xung quanh.
Các nhà vật lý thiên văn và vũ trụ học cho chúng ta biết có những đốm vật chất lớn trong Vũ trụ; thiên hà, cụm thiên hà, v.v.
Nhưng theo như họ có thể nói, không có đốm phản vật chất lớn nào.
Các nhà vật lý lý thuyết chúng tôi đã biết từ việc kết hợp lý thuyết lượng tử với thuyết tương đối đặc biệt rằng phải có thứ gọi là ‘phản vật chất’.
Nhưng sau đó, câu hỏi trở thành ‘tại sao Vũ trụ có các đốm vật chất mà không có bất kỳ đốm phản vật chất nào đáng kể?’
Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có một câu trả lời tiềm năng cho điều đó, đó là thực tế là các quy luật vật lý vi mô chi phối vật chất và phản vật chất không hoàn toàn bằng nhau và ngược lại, như suy nghĩ ban đầu.
Trong phòng thí nghiệm, chúng tôi khám phá những khác biệt vi mô rất nhỏ, và những gì các nhà vật lý lý thuyết chúng tôi cố gắng làm là kết nối những khác biệt rất nhỏ đó với sự khác biệt lớn này trong toàn bộ Vũ trụ.
Mô hình Chuẩn là một khung toán học mô tả tất cả các vật chất nhìn thấy được trong Vũ trụ.
Nếu bạn muốn biết một ngôi sao hoạt động như thế nào, cái gì giữ Trái đất lại với nhau ở mức hiểu biết cơ bản nhất của chúng ta, bạn hãy xem Mô hình Chuẩn, mô hình này cho bạn biết có những hạt nào, lực giữa chúng và sau đó bạn có thể làm việc với những hạt đó. các định luật cơ bản và tìm ra thứ gì đó như cách Mặt trời hoạt động hoặc cách Trái đất hoạt động.
Tôi có thể nói rằng không có bằng chứng thực nghiệm nào được xác nhận trong bất kỳ phòng thí nghiệm nào về điều gì đó không có trong Mô hình Chuẩn.
Tuy nhiên, chúng ta biết rằng phải có những thứ nằm ngoài Mô hình Chuẩn.
Ví dụ, hãy xem xét nguồn gốc của vật chất trong Vũ trụ và tại sao vật chất chiếm ưu thế hơn phản vật chất.
Điều đó chúng ta không thể giải thích trong Mô hình Chuẩn. Nó sẽ phải là một số hiệu ứng bổ sung mà có lẽ chúng ta có thể khám phá ra bằng các thí nghiệm của mình. Nó không thể được giải thích chỉ bằng Mô hình Chuẩn.
Với Mô hình Chuẩn, chúng ta có thể tạo ra các ngôi sao và hành tinh, nhưng không thể tạo ra các thiên hà.
Các thiên hà bao gồm rất nhiều ngôi sao, khí và bụi, được giữ lại với nhau bằng lực hấp dẫn.
Nhưng chúng cần nhiều trọng lực hơn những gì được tạo ra bởi những ngôi sao, khí và bụi đó.
Vì vậy, phải có một thứ khác tạo ra nhiều lực hấp dẫn hơn, và đó là thứ được đặt tên vào những năm 1930 là vật chất tối.
Kể từ đó, vấn đề vật chất tối đó là gì vẫn luôn là một câu đố, vì vậy các nhà vật lý lý thuyết chúng tôi đề xuất các mô hình, chúng tôi yêu cầu những người bạn thực nghiệm của mình thực hiện các thí nghiệm để thử kiểm tra các mô hình của chúng tôi.
Chúng tôi nghĩ rằng phải có một cái gì đó ngoài Mô hình Chuẩn, nhưng hiện tại chúng tôi không biết chính xác đó là gì.
Tôi thích nghĩ về nó như thế này. Bạn có thể tưởng tượng kiến thức giống như một quả bóng đang nở ra, không ngừng lớn lên.
Chúng ta càng thu được nhiều kiến thức, nó càng mở rộng ra xa hơn.
Nhưng đồng thời, khi khối lượng kiến thức tăng lên, diện tích bề mặt của các câu hỏi mở cũng tăng lên.
Tôi nghĩ ít nhiều không thể tránh khỏi việc chúng ta càng hiểu, càng biết nhiều thì càng có nhiều câu hỏi mở.
Theo như chúng tôi có thể nói, khi nhìn vào các phương trình mà chúng tôi phải mô tả hành vi rất sớm của Vũ trụ, có vẻ như không thể tránh khỏi mảnh Vũ trụ mà chúng tôi hình dung bằng kính thiên văn của mình, rằng phải có thêm những thứ vô hình : quá xa để nhìn thấy.
Chúng ta có thể xác định các định luật vật lý tồn tại trong Vũ trụ của chúng ta và chúng ta biết rằng các định luật vật lý chi phối các ngôi sao tỏa sáng 10 tỷ năm trước có độ chính xác cực cao giống như các định luật hướng dẫn các ngôi sao trong Thiên hà của chúng ta ngày nay.
Nhưng từ lý thuyết cơ bản, chúng ta không thể biết liệu những định luật đó có áp dụng cho các phần nhỏ của Vũ trụ ngoài những gì chúng ta thực sự có thể nhìn thấy hay không. Nếu bạn đi đủ xa, nó có thể rất khác.
Đó là bối cảnh mà người ta nói về đa vũ trụ và vũ trụ song song, v.v.
Tôi phải có một quan điểm hơi bảo thủ và nói rằng tôi không chắc liệu việc suy đoán về những vũ trụ song song đó hay đa vũ trụ có thực sự thú vị hay không.
Chúng ta không thể quan sát chúng; chúng ta không thể tìm ra luật chi phối hành vi của họ.
Đối với tôi, nó giống như các nhà triết học thời trung cổ tranh luận về việc có bao nhiêu thiên thần có thể đứng trên đầu một chiếc đinh ghim.
Nếu bạn không thể trả lời câu hỏi đó một cách khoa học, thì đối với tôi đó không phải là một câu hỏi quá thú vị để hỏi.
Thái độ của tôi, tất nhiên, là tạm thời. Nếu ai đó xuất hiện và nói rằng họ có một ý tưởng mới tuyệt vời về cách bạn có thể thực sự xác định liệu có tồn tại các vũ trụ song song hay không và các định luật vật lý cơ bản bên trong các vũ trụ song song đó, thì tôi sẽ vểnh tai lên và sẽ rất thích thú.
Đó chắc chắn là một quan điểm và có liên quan đến cái mà người ta gọi là nguyên tắc vị nhân.
Để chúng ta tồn tại, các hạt cơ bản và tương tác của chúng phải đơn giản như vậy.
Nếu bạn điều chỉnh cường độ tương đối của các tương tác hoặc khối lượng của các hạt, thì hành vi của vật chất sẽ hoàn toàn khác.
Và nếu bạn thay đổi nó với số lượng lớn, thì không có vấn đề gì cả và chúng tôi không tồn tại.
Một cách giải thích về điều đó có thể là, như bạn đã nói, hàng trăm hoặc có thể là hàng tỷ tỷ con khỉ đập vào máy tính xách tay của chúng, tạo ra các định luật vật lý với các hằng số cơ bản khác nhau bên trong chúng, và trong số hàng tỷ tỷ con khỉ đó, một trong số chúng chỉ tình cờ va vào nhau. trong những con số dẫn đến bạn và tôi có cuộc trò chuyện này.
Tôi thấy điều đó hơi không thỏa đáng. Tôi nghĩ rằng chúng ta không nên gán nguồn gốc của các con số trong Mô hình Chuẩn cho một đàn khỉ, vì tôi rất yêu khỉ!
Tôi nghĩ chúng ta nên cố gắng tìm kiếm một số giải thích cơ bản về nguồn gốc của những con số đó.
Tôi đã đề cập đến nguồn gốc của vật chất trong Vũ trụ. Có ý kiến cho rằng chúng ta có thể liên hệ lượng vật chất trong Vũ trụ với sự bất đối xứng cơ bản nào đó giữa hành trạng của vật chất và phản vật chất, mà chúng ta có thể hy vọng đo được trong phòng thí nghiệm.
Đó là một ý tưởng mà chưa ai nghĩ ra trước năm 1967. Trước đó, tôi nghĩ bạn sẽ phải thốt lên rằng trong số hàng nghìn tỉ con khỉ này, có một con khỉ đã đánh đúng một phần vật chất và phản vật chất, và đó là ý tưởng vũ trụ mà chúng ta đang sống.
Nhưng bây giờ ít nhất chúng ta có khả năng thiết lập một lời giải thích khoa học hơn bằng cách liên hệ sự bất đối xứng vũ trụ thô này giữa vật chất và phản vật chất với một số loại bất đối xứng vi mô mà chúng ta có thể đo được trong phòng thí nghiệm.
Điều đó cuối cùng sẽ cung cấp cho chúng tôi một số lời giải thích về cách con khỉ cụ thể đó nhấn phím cụ thể đó và có được con số cụ thể đó.
Chúng tôi đã nói làm thế nào có một Mô hình Chuẩn mô tả tất cả các vật chất nhìn thấy được trong Vũ trụ.
Nhưng trước năm 2012, có một mảnh bị thiếu.
Bạn có thể so sánh điều đó với một vòm bị thiếu một viên đá ở trên cùng. Không có viên đá đỉnh đó, vòm không đứng vững, nó chỉ sụp đổ.
Tương tự với Mô hình Chuẩn. Có một liên kết bị thiếu, mặc dù tôi không thích thuật ngữ đó.
Hạt này là thứ đã được Peter Higgs đưa ra trên cơ sở rất lý thuyết vào năm 1964.
Một số nhà lý thuyết khác cũng có những ý tưởng tương tự mặc dù họ không thực sự chỉ ra cụ thể rằng vòm cần viên đá đỉnh hạt đặc biệt có thể phát hiện được này.
Ban đầu những ý tưởng này được coi là rất suy đoán, và bạn sẽ không có thời gian trong ngày để nói chuyện với các giáo sư già tóc hoa râm nổi tiếng nếu bạn bắt đầu nói về boson Higgs.
Nhưng dần dần nó trở thành xu hướng chủ đạo và theo một nghĩa nào đó, nó đã trở thành ‘Chén thánh’ của vật lý hạt cơ bản, để tìm kiếm viên đá tảng bị mất tích này.
Vào khoảng khoảng năm 1990, một nhà vật lý thực nghiệm rất nổi tiếng tên là Leon Lederman đã viết một cuốn sách.
Đó là một cuốn sách rất hay, với rất nhiều giai thoại từ thời ông còn là một nhà vật lý thực nghiệm: nó hoàn toàn đáng đọc.
Anh ấy nói về hạt Higgs này là ‘hạt chết tiệt’ đó, và nhà xuất bản của anh ấy nói rằng “bạn không thể viết về một ‘hạt chết tiệt’!”
Vì vậy, họ gọi nó là ‘hạt của Chúa’, mà tôi nghĩ là hoàn toàn khủng khiếp. Nó không có gì để làm với Thiên Chúa. Nó chỉ là một hạt, giống như các hạt khác.
Được rồi, nó chiếm một phần cụ thể của vòm, và nếu bạn loại bỏ viên đá đỉnh thì vòm sẽ sụp đổ, nhưng cũng đúng là nếu bạn loại bỏ một trong những viên đá khác trong vòm thì nó sẽ sụp đổ.
Nó quan trọng, nhưng tôi không nghĩ người ta nên nhấn mạnh quá mức về nó, ngoại trừ theo nghĩa lịch sử ở chỗ nó là hạt cuối cùng trong Mô hình Chuẩn được phát hiện.
Đó là những gì đã cho nó tầm quan trọng. Nó chỉ là một hạt.
Nó hoàn thành mô tả của chúng ta về vật chất nhìn thấy được trong Vũ trụ.
Tuy nhiên, nó để lại cho chúng tôi rất nhiều câu hỏi khác. Đặc biệt có rất nhiều câu hỏi liên quan đến bản thân boson Higgs.
Nó thực sự là một hạt cơ bản hay nó là một hạt tổng hợp? Tại sao hạt Higgs lại có khối lượng như vậy?
Điều này quay trở lại những gì chúng ta đã nói trước đây. Ngay sau khi bạn trả lời một câu hỏi, bạn sẽ nhận được vô số câu hỏi khác!
Phần lớn những gì chúng tôi đang làm tại Máy Va chạm Hadron Lớn vào lúc này là cố gắng giải quyết những câu hỏi khác: để xem liệu boson Higgs có hành xử theo cách mà Mô hình Chuẩn đã dự đoán hay không, hay liệu có sai lệch nào đó không.
Có thể có một sai lệch liên quan đến thực tế rằng nó không thực sự là một hạt cơ bản.
Có thể có những boson Higgs khác. Có thể có một ngành vật lý khác giúp chúng ta hiểu không chỉ khối lượng của các hạt đến từ đâu mà còn tại sao chúng có những giá trị như vậy.
Chà, câu hỏi còn lại là ý của bạn về ‘bất cứ điều gì’ là gì?
Nếu ý bạn là “tại sao lại có vật chất trong Vũ trụ?” đó là một câu hỏi có rất nhiều trong chương trình nghị sự của chúng tôi.
Tại sao lại có bất kỳ ‘vật’ nào chứ không phải bất kỳ phản vật nào, hoặc lượng vật và phản vật bằng nhau?
Nhưng bạn có thể đặt câu hỏi ở mức độ sâu hơn. Tại sao có gì đó ở tất cả, chứ không phải là không có gì?
Câu trả lời trung thực cho điều đó là chúng ta không biết.
Những gì chúng ta biết là tất cả Vũ trụ mà chúng ta có thể nhìn thấy đều chứa những thứ đang mở rộng và mọi người thường nói về một vụ nổ ban đầu.
Nó không thực sự là một vụ nổ, bởi vì các vụ nổ xảy ra ở một nơi. Nó giống như một sự kiện xảy ra ở khắp mọi nơi, đồng thời, theo như chúng tôi có thể nói.
Chúng ta có thể nghĩ ra các thí nghiệm quay trở lại rất sớm sau khi sự kiện này xảy ra và chúng ta có thể nghĩ ra các lý thuyết về những gì đã xảy ra, sau đó chúng ta có thể kiểm tra trong phòng thí nghiệm, nhưng những lý thuyết đó bị phá vỡ khi chúng ta thực sự đi đến chính sự kiện đó.
Điều đó có nghĩa là các nhà lý thuyết có thể có cả ngày để suy đoán xem liệu có thực sự tồn tại thời gian bằng không hay không.
Nếu có, điều gì đã xảy ra ở đó, và điều gì đã xảy ra trong khoảng thời gian trước số không? Một lần nữa, đây là suy đoán mà tôi thấy hơi khô khan.
Một lần nữa, nó phụ thuộc vào ý nghĩa của từ ‘bất cứ điều gì’.
Chúng ta biết rằng hầu hết các hạt riêng lẻ trong Vũ trụ không phải là hạt vật chất.
Chúng không phải là electron và positron, quark và hạt nhân, v.v.
Chúng thực sự là photon – hạt ánh sáng – và neutrino.
Bạn có thể tưởng tượng một Vũ trụ chỉ có những thứ đó. Và nếu chúng là những thứ duy nhất thì sẽ không có bất kỳ thiên hà nào, sẽ không có bất kỳ hành tinh nào.
Vì vậy, câu hỏi tại sao lại có một số vật chất ngoài vô số photon và neutrino đó: điều đó đưa chúng ta trở lại câu hỏi về sự bất đối xứng nhỏ giữa vật chất và phản vật chất.
Trước hết, đó là một thành tựu công nghệ tuyệt vời, xây dựng một ăng-ten vô tuyến về cơ bản lớn bằng Trái đất!
Nó làm cho Máy Va chạm Hadron Lớn trông hơi nhỏ.
Là một nhà vật lý lý thuyết, tôi cho phép các ý tưởng của mình trôi nổi ở bất cứ đâu, và vì vậy tôi chủ yếu nghĩ về các hạt và khối lượng – những thứ ở bên phải, như chúng ta đã nói.
Tôi thỉnh thoảng cũng cho phép mình nghĩ về những điều ngang trái.
Một trong những điều mà tôi đang nghĩ đến lúc này là “những quan sát này cho chúng ta biết điều gì về lực hấp dẫn?”
Điều khiến lỗ đen trở nên ‘đen’ là nó có cái gọi là chân trời sự kiện, và khi mọi thứ rơi vào đó, chúng sẽ biến mất: biến mất mãi mãi, theo thuyết tương đối rộng.
Hawking nói với chúng ta rằng điều đó không hoàn toàn đúng, bởi vì hiệu ứng lượng tử có thể có nghĩa là một số hạt bốc hơi dưới dạng bức xạ lượng tử, mặc dù chúng ta chưa bao giờ thấy điều đó.
Nhưng người của chúng tôi thấy điều đó hơi không thỏa đáng và họ nói có lẽ câu chuyện phức tạp hơn thế một chút.
Đặc biệt, vì cơ học lượng tử không muốn mất thông tin, nên có thể có một cách nào đó những gì đang diễn ra bên trong chân trời sự kiện có thể giao tiếp với những gì đang xảy ra bên ngoài.
Điều đó có thể thay đổi bức tranh mà chúng ta có về chân trời sự kiện giống như bóng đá này.
Có thể nó hơi gồ ghề, hoặc có thể nó giãn ra và co lại. Có lẽ nó hơi biến dạng một chút, như thể Ronaldo đã đá vào nó hay gì đó.
Đây là điều mà về nguyên tắc chúng ta có thể kiểm tra bằng cách sử dụng những dữ liệu này.
Vòng dữ liệu đầu tiên phải thừa nhận là khá thô sơ và các thăm dò ban đầu về sự sai lệch này so với bức tranh chân trời sự kiện/thuyết tương đối rộng truyền thống sẽ không thể thực hiện được với bộ dữ liệu hiện tại.
Nhưng tuy nhiên đó là điều mà chúng tôi đang nghĩ đến.
John Ellis sẽ thảo luận về công trình của mình trong lĩnh vực vật lý lý thuyết tại HowTheLightGetsIn, Hay-on-Wye, Thứ Bảy ngày 25 tháng 5 năm 2019.