TiaSang
Thứ 6, Ngày 3 tháng 12 năm 2021
Khoa học và Công nghệ

Vai diễn trọn vẹn của Steven Weinberg

20/08/2021 07:00 - Pierre Darriulat

“…nếu một bộ phim duy nhất mà chúng ta đóng vai là bộ phim mà chúng ta đang tạo ra khi sống, thì có lẽ cũng không hẳn là điều tồi tệ khi đối mặt với thế giới thờ ơ, vô cảm, chúng ta tạo ra một hòn đảo nhỏ với sự ấm áp, với tình yêu, với khoa học và với nghệ thuật cho chính mình. Đó là một vai diễn không hề tầm thường”.


Steven Weinberg (1933-2021). Ảnh: The economist.


Lại một người khổng lồ nữa của vật lý thế kỷ XX đã qua đời vào tháng bảy vừa qua: Steven Weinberg, người có đóng góp quan trọng xây dựng nên lý thuyết mà ngày nay chúng ta gọi là Mô hình Chuẩn của các hạt cơ bản.


Tôi sẽ không mô tả chi tiết về Mô hình Chuẩn nhưng sẽ điểm qua một vài điểm chính. Lý thuyết trường lượng tử mô tả đặc trưng của các tương tác, tính chất của chúng và tương tác giữa các hạt cơ bản nhờ những hạt trung gian truyền tương tác. Vào những năm 50, tương tác điện từ đã được mô tả thành công theo cách này, với photon là hạt trung gian truyền tương tác. Lý thuyết này được gọi là Điện Động lực học Lượng tử (QED) với Feynman, Schwinger và Tomonaga được trao giải Nobel năm 1965 cho những đóng góp xây dựng nên QED. Về cơ bản, toàn bộ thuyết điện từ có thể được tóm gọn bởi tương tác của một điện tử với một photon: một photon biến đổi thành một cặp electron-positron, hoặc ngược lại; một cặp electron-positron chuyển thành một photon; hay một điện tử phát ra một photon (hiệu ứng bremsstrahlung) hoặc một photon bị hấp thụ bởi một điện tử. Từ đó, bất kỳ tương tác điện từ nào cũng có thể được mô tả theo một trong những cách như vậy: ví dụ, tán xạ electron-positron có thể được mô tả là electron phát ra một photon sau đó photon này được hấp thụ bởi positron hoặc cặp electron-positron biến đổi thành một photon sau đó photon biến đổi trở lại thành một cặp electron-positron.


Mô tả trên của QED thành công đến mức người ta đã cố gắng sử dụng nó để mở rộng ra cho các dạng tương tác khác: yếu (phân rã beta), mạnh (lực hạt nhân) và hấp dẫn. Theo cách tiếp cận đó, Mô hình Chuẩn của các hạt cơ bản đã thành công với tương tác yếu và mạnh, còn tương tác hấp dẫn thì được mô tả tốt bởi thuyết tương đối rộng, mặc dù mô tả tương tác này một cách đầy đủ vẫn đang là một thách thức của khoa học. Weinberg nổi tiếng nhất với những đóng góp trong việc thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu thành một lý thuyết dựa vào mô hình QED. Lý thuyết thống nhất này gọi là lý thuyết Điện Yếu. Phân rã beta, với sản phẩm là cặp electron-phản neutrino (hay positron-neutrino), đòi hỏi các hạt trung gian truyền tương tác, W+ và W-, phải là các hạt tích điện và có khối lượng. Nhiều thí nghiệm đã được thực nghiệm để tìm kiếm những hạt này nhưng không thành công. Một cách độc lập, Glashow vào năm 1959, Salam và Ward vào năm 1964 đã viết nên một lý thuyết mới dựa trên đối xứng giữa tương tác điện từ và tương tác yếu; nhưng để xây dựng thành công lý thuyết này họ buộc phải công nhận sự tồn tại của một hạt trung gian truyền tương tác thứ ba trung hòa về điện, đó là W0. Nỗ lực tìm kiếm các hạt W đều dẫn đến thất bại. Kết quả là, cho đến tận năm 1973, những ý tưởng về W không được quan tâm nhiều và các hạt truyền tương tác yếu này bị coi là những phát kiến phi thực tế.

Năm 1967, khi đang là giáo sư thỉnh giảng tại MIT, Weinberg đã đăng một công trình nghiên cứu nổi tiếng với tựa đề “Mô hình của các hạt Lepton1, giải quyết thành công những thách thức chính trong thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu. Đó là những vấn đề liên quan đến hạt boson W có khối lượng, cách thức tương tác của W và của photon, sự tồn tại ngoài mong muốn của các hạt boson Goldstone không khối lượng sinh ra khi đối xứng bị phá vỡ. Trong mô hình của Weinberg, đối xứng giữa tương tác điện từ và tương tác yếu bị phá vỡ một cách tự nhiên, còn các boson Goldstone được tránh bằng cách biến photon và W thành các hạt truyền tương tác. Đây là khởi nguồn cho sự phát triển nhanh chóng của lý thuyết thống nhất điện yếu; và Glashow, Weinberg và Salam đã được trao giải Nobel năm 1979 cho thành tựu thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu.


Về mặt thực nghiệm, chỉ đến năm 1973, khi sự tồn tại của W0 trung hòa được tìm ra, lý thuyết thống nhất tương tấc điện yếu mới được coi trọng. Tôi nhớ như in buổi hội thảo tại CERN, khi khám phá W0 lần đầu tiên được trình bày. Thí nghiệm phát hiện W0, sản phẩm tương tác của chùm neutrino trong buồng bọt chất lỏng nặng (propan hoặc freon), gọi là Gargamelle. Khi tương tác xảy ra với sự có mặt của hạt tích điện W thì một lepton tích điện (electron hoặc muon) cũng phải có mặt trong số các sản phẩm của tương tác. Khi tương tác được truyền bởi W0 trung hòa, dấu hiệu thực nghiệm cần tìm là sự vắng mặt của các lepton tích điện, tương tác này được gọi là dòng trung hòa. Tuy nhiên, rất khó để có thể xác định được sự vắng mặt của các lepton tích điện bằng thực nghiệm, chứng tỏ sự hiện diện của chúng thì dễ hơn. Lúc đó tôi là điều phối viên vật lý, chịu trách nhiệm phân bổ thời gian cho các thí nghiệm khác nhau trên hệ Proton Synchrotron của CERN. Gargamelle là một trong số những thí nghiệm đó; hoạt động của chùm neutrino mà thí nghiệm sử làm ảnh hưởng lớn tới việc lên lịch cho các thí nghiệm khác. Gargamelle giảm áp suất chất lỏng từ 20 bar xuống 10 bar trong 60 mili giây, cứ 1,4 giây việc đó lại diễn ra một lần và được đồng bộ với sự xuất hiện của chùm tia mới, để tạo ra bọt bong bóng dọc theo các vệt ion hóa; để thực hiện điều này, Gargamelle sử dụng một màng lớn, có nhược điểm là thường xuyên xuất hiện các vết nứt: buồng phải được làm sạch, thay màng mới… và tôi phải sắp xếp lại lịch chiếu tia cho những thí nghiệm khác.



Steven Weinberg thuyết trình tại Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) năm 1979. Ảnh: cern


Khám phá ra dòng trung hòa đã thay đổi nhận thức của chúng ta về lý thuyết thống nhất điện yếu: khi đó lý thuyết này không những được coi trọng mà nó còn trở thành phương tiện xác định hướng đi mới cho các thí nghiệm tương lai. Các thí nghiệm với neutrino đã có sự tiến bộ ngoạn mục về cả chất lượng và số lượng. Rubbia và Van der Meer đã khởi động việc chế tạo máy gia tốc đối chùm proton-phản proton, giúp các thí nghiệm UA1 và UA2 phát hiện ra bộ ba boson yếu được lý thuyết dự đoán năm 1983 (boson trung hòa, được gọi là Z, thực tế là hỗn hợp của W0 với photon). Hai người đã được trao giải Nobel năm 1984.


Việc thống nhất các lực điện từ, yếu và mạnh thành một lý thuyết duy nhất dựa trên những nguyên lý cơ bản (đối xứng nhóm và bất biến gauge) là một thành công lớn có thể so sánh với sự thống nhất đã được thực hiện trước đó với thuyết điện từ bởi Maxwell và thuyết hấp dẫn bởi Newton. So sánh hơn thua đóng góp của những tên tuổi làm nên những lý thuyết này là vô nghĩa. Đó là kết quả của nỗ lực tập thể, không theo nghĩa của một số người làm việc cùng nhau trong một nhóm mà là đóng góp của nhiều cá nhân, mỗi đóng góp đều hết sức quan trọng cho sự ổn định và vững chắc của công trình.

Weinberg kiệt xuất bởi những đóng góp không ngừng nghỉ, bởi sự quan tâm rộng đến nhiều lĩnh vực và bởi tài năng trong truyền đạt kiến ​​thức của mình tới sinh viên và công chúng. Ông nổi tiếng với kỹ năng giảng dạy và với loạt sách đưa khoa học đương đại đến với công chúng một cách đặc biệt rõ ràng, chính xác và dễ hiểu. Weinberg có mối quan tâm với vũ trụ học từ khi còn trẻ và, cũng như nhiều đồng nghiệp của mình, tôi đã đọc “Ba phút đầu tiên: một cái nhìn hiện đại về nguồn gốc của Vũ trụ” ngay sau khi nó được xuất bản, vào cuối những năm 70: đây là lý do tôi quan tâm đến vật lý thiên văn, lĩnh vực mà tôi đã làm việc trong hơn hai mươi năm nay.



Steven Weinberg đến thăm phòng thí nghiệm ATLAS tại CERN năm 2009. Ảnh: Cern.

Vào năm 1980, sau khi giảng dạy tại các trường đại học danh tiếng nhất của Hoa Kỳ như Columbia, Harvard, Berkeley, MIT, Weinberg định cư tại Austin (Texas), ở đó ông đã xây dựng nên một nhóm nghiên cứu vật lý lý thuyết. Nói một cách công bằng thì Texas không được biết đến như một thành phố có đời sống tri thức đặc biệt sôi động và hấp dẫn; bốn năm qua đã cho thấy người Texas có xu hướng tin vào các thuyết âm mưu như Q-anon và sẵn sàng tin tưởng bất kỳ lời nói dối nào tình cờ được đăng lên mạng xã hội và các tài khoản twitter ưa thích của họ. Những người theo đạo Tin Lành da trắng cho thấy một hình ảnh về tôn giáo khá xa lạ với những gì thường được coi là giá trị của Cơ đốc giáo. Trong bối cảnh như vậy, Weinberg đã là một chiến binh không mệt mỏi chống lại mê tín dị đoan và bất cứ điều gì trái với suy nghĩ thuần túy duy lý, “Bất cứ điều gì mà các nhà khoa học chúng tôi có thể làm để đẩy lùi sự cản trở của tín ngưỡng”, ông nói, “đều nên làm và cuối cùng đó có thể là đóng góp lớn nhất của chúng tôi cho văn minh nhân loại”. Đây là phương châm nổi bật của ông đóng góp vào cái mà giới truyền thông coi là triết học. Nhưng ông không quan tâm nhiều, xem xét bản chất là siêu hình hơn hay bản thể học hơn, quan điểm của ông được tóm tắt rõ ràng trong trích dẫn sau: “Vũ trụ càng có vẻ dễ hiểu, thì nó càng có vẻ vô nghĩa […] Nếu không có điểm nào trong vũ trụ mà chúng ta có thể khám phá được bằng phương pháp khoa học, thì có một điểm, đó là, chúng ta có thể coi vũ trụ là cách chúng ta sống, yêu thương, khám phá tự nhiên, tạo ra các tác phẩm nghệ thuật. Và điều đó - theo một cách nào đó, mặc dù chúng ta không phải là những diễn viên trong một bộ phim vũ trụ, nhưng nếu một bộ phim duy nhất mà chúng ta đóng vai là bộ phim mà chúng ta kiến tạo khi đang sống, thì có lẽ cũng không hẳn là điều tội tệ khi đối mặt với một thế giới thờ ơ, vô cảm, chúng ta tạo ra một hòn đảo nhỏ với sự ấm áp, với tình yêu, với khoa học và với nghệ thuật cho chính mình. Đó là một vai diễn không hề tầm thường”. Quan điểm của ông khiến tôi nhớ đến David Hume, người mà, sau khi kể về nỗi sợ hãi vô chừng trước sự cô độc trong triết lý của mình, đã ngay lập tức an ủi chúng ta mà nói thêm rằng “May mắn thay, điều đó xảy ra, vì lý trí không thể xua tan được những đám mây này, chính tự nhiên lại đủ để giải quyết việc này, nó giải thoát cho tôi khỏi sự u sầu và mê sảng triết học, bằng cách thư giãn tâm trí héo mòn, hoặc bằng những hứng thú và ấn tượng sống động thỏa mãn các giác quan, thứ sẽ xóa bỏ tất cả những ảo tưởng. Tôi ăn tối, tôi chơi cờ, tôi trò chuyện và vui vẻ với bạn bè...


Lần lượt từng người một, những người khổng lồ làm nên khoa học của thế kỷ XX đang rời bỏ chúng ta. Thế giới mà tôi đã và đang sống đang dần tan biến trong sương mù.□

 

Phạm Ngọc Điệp dịch

------

1 https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.19.1264

Tags: