Vật Lý Học Lượng Tử Và Phật Giáo


LTS : Giáo sư Phạm Xuân Yêm, nhà vật lý học, Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Pháp CNRS, hiện là Giáo sư Vật lý tại Đại học Paris 6, tác giả của hàng trăm công trình nghiên cứu, viết bằng tiếng Anh và tiếng Pháp, những năm gần đây, ông thường về quê nhà công tác tại các trung tâm nghiên cứu khoa học. Tiếp sau phát biểu của Giáo sư Thiên văn học Nguyễn Quang Riệu, VHPG trân trọng giới thiệu đến quý bạn đọc phát biểu của ông trong thảo luận bàn tròn: Thế giới quan của Vật lý học hiện đại và của Phật giáo” .

Trước hết xin cảm tạ thầy Thích Thiện Quang, Thích Thiện Niệm trụ trì Phật đường Khuông Việt, anh Cao Huy Thuần  Trịnh Đình Hỷ, Nguyễn Tường Bách đã cho tôi đến với khung cảnh thanh trang của chùa, được tiếp xúc với tất cả quý anh chị trong cử tọa đông đủ hôm nay, tôi rất lấy làm sung sướng. Đọc Lưới trời ai dệt của anh Bách, tôi học được rất nhiều. Đầu tiên những khái niệm, những danh từ và cách diễn giải sáng sủa của anh. Hai chương cuối tôi vui thú đọc đi đọc lại mấy lần.

Tiếp theo anh Nguyễn Quang Riệu về thiên văn, tôi cũng xin trình bày đôi chút về hạt cơ bản, những thành phần vi mô cấu tạo nên vật chất, sinh động cũng như bất động. Cũng như lần lượt trong văn chương, âm nhạc và hội họa, hạt cơ bản của từ ngữ là 26 mẫu tự abc …; của âm thanh là 7 nốt đô , rê , mi …; và của màu sắc là xanh vàng đỏ …; thì trong thiên nhiên , hạt cơ bản của vạn vật là quark và lepton. Thực là một bước nhảy vọt vĩ đại trong kiến thức của loài người ở đầu thiên niên kỷ thứ ba này! Chúng tương tác, gắn kết để tạo thành vật chất, hơn nữa còn dựng nên cấu trúc cong xoắn của không –thời gian trong vũ trụ, vì theo thuyết tương đối rộng , vật chất và không – thời gian được thống nhất, cái trước tạo nên (và là) cái sau. Như một lần Einstein khi được yêu cầu gói ghém trong một câu thôi những công trình khoa học của ông, đã khúc chiết trả lời: Xưa kia người ta nghĩ rằng nếu mọi vật trên đời biến mất thì sẽ còn lại thời gian và không gian, nhưng theo thuyết tương đối rộng thì không – thời gian cũng biến mất theo vật chất mà thôi.

Có bốn hạt cơ bản thôi, hai quark u và d và hai lepton electron, neutrino để cấu tạo nên vật chất. Electron đóng vai trò quan trọng như thế nào trong đời sống hàng ngày của chúng ta, ai cũng thấy. Các hạt cơ bản gắn kết thành các nguyên tử, phân tử, đại phân tử của vạn vật trong thế giới vĩ mô, từ thiên hà tinh tú cho đến những khoáng,thực, sinh vật trên trái đất chúng mình. Các hiện tượng thiên nhiên vận hành qua bốn lực tương tác cơ bản, hấp dẫn điện từ yếu và mạnh (hai cái cuối chỉ ở trong thế giới vi mô của hạt nhân nguyên tử thôi ). Thế giới vi mô tuân theo những định luật của vật lý lượng tử. Trong ngành này, chúng tôi gọi “trường” mà ít khi gọi “hạt”, hay “dây” nữa. “Dây” và “hạt” là trạng thái cô đọng trong không gian và thời gian của “trường” (trường lượng tử). Khái niệm này dù đã được cảm nhận từ thời Faraday hơn trăm năm rồi ( lúc đó là trường điện từ cổ điển thôi và sau này tiếp tục với trường lượng tử ) nhưng vẫn là một khái niệm quan trọng của vật lý hiện đại.

Vậy “trường” là gì ? Từ lúc còn trung học, chúng ta biết rằng giữa những hạt có khối lượng M và m đặt xa nhau một khoảng cách r, thì hai vật đó hút nhau qua một lực F theo luật Newton:

F  =  hằng số G x m x m / r 2

Hằng số G cho ta cường độ mạnh hay yếu của lực hấp dẫn, không ai cò thể tính được G, người ta chỉ xác định được nó bằng thực nghiệm, người ta đo lường được sức hút F bao nhiêu thì biết được hằng số tương tác hấp dẫn G là bấy nhiêu. Trong công thức trên nếu m = 0  thì F = 0, nghĩa là không có lực chăng ? Ta thấy nếu bỏ khối lượng m đi, không tài nào nhận ra tác động của F cả, lực như bị biến đi ? Thực ra lúc nào cũng có F qua sự hiện hữu thường xuyên của trường hấp dẫn ( trọng trường ) ở bất cứ vị trí nào trong vũ trụ. Chúng ta có thể tưởng tượng m là một cậu bé con ngồi trên một cành bưởi, thì có hay không có cậu bé ở đó, m lớn hay nhỏ thậm chí m = 0, lúc nào cũng có một cái gì đó rình rập kéo em xuống. Em ở đây hay không, trọng trường lúc nào cũng có mặt ở đó  cành bưởi chỉ giữ em hay bất cứ ai cho khỏi rơi thôi. Ở bất cứ một điểm nào trong không gian và bất cứ một lúc nào trong thời gian cũng có một cái gì đó , một thế nào đó, một trọng trường hút mình. Cái tác động của trường đó thực ra không tùy thuộc vào  riêng M hay m. Vì hiện giờ chỉ có quả đất khối lượng khổng lồ M= 10 25 kg ( số 1 theo sau 25 số không kilogam ) cách cậu bé 6.400 cây số ở trung tâm trái đất lôi kéo em. Nhưng nào chỉ có riêng quả đất thôi đâu mà chính ngay em, mọi người thân yêu của em, môi trường thiên nhiên của em, mặt trời muôn tỷ thiên hà, lỗ đen, vũ trụ vạn vật đều tham gia vào sự thu hút cậu bé đó. Em ở đấy hay không thì cái trọng trường đó , sự hiện diện của thế hút đó vẫn có. Vì trái đất quay, vũ trụ giãn nở , tinh tú chuyển động không ngừng theo thời gian, nên tương tác hấp dẫn không những thay đổi với không gian ( x , y , z ) lại còn thay đổi với thời gian (t ), nên không có gì lạ nếu ta hiểu trọng trường là một hàm của không – thời gian ( x,y,z ) tác động lên mọi khối lượng. Lực hút F chỉ diễn tả tác động của trọng trường, đặt bất cứ một khối lượng m ở bất cứ một vị trí nào thì F xuất hiện ở đấy thôi , chứ khái niệm trường mới cơ bản hơn lực. Cũng lý luận như vậy đối với hiện tượng điện từ , ta thay lực hấp dẫn Newton bởi lực điện tĩnh Coulomb , hai khối lượng M , m bởi hai điện tích Q , q , hằng số hấp dẫn G bởi hằng số điện tử e , thì sẽ thấy sự hiện diện của trường điện từ . Cũng như muôn vàn khối lượng tạo ra trọng trường, muôn vàn điện tich chuyển động trong vũ trụ tạo ra điện từ trường hiện diện khắp nơi. Maxwell bảo cho ta là điện từ trường dao động như sóng. Hertz đã chứng minh điều đó bằng thực nghiệm, và dao động tuần hoàn của sóng điện từ đó được diễn tả bởi tần số ½, tức là số vòng dao động trong một đơn vị thời gian. Ánh sáng mà mắt ta nhìn thấy chính là điện từ trường dao động với tần số hàng trăm tỷ lần trong một giây đồng hồ, và dạng hạt của sóng điện từ trường được gọi là quang tử hay Photon không có khối lượng và di chuyển với vận tốc c = 300 ngàn cây số trong một giây.

Trường điện, trường từ hoặc trường hấp dẫn là ba thí dụ về trường rõ rệt . Cũng vậy có trường quark, trường electron , trường neutrino, và cái mà chúng tôi gọi là hạt electron chẳng qua chỉ là sự cô đọng trong không gian và thời gia  của trường lượng tử electron mà thôi , trường đó cũng dao động như trường điện từ , mỗi trường vận hành theo những phương trình riêng của nó.

Như chúng ta biết, trong mỗi nguyên tử có hạt nhân rất nhỏ do hai thành phần proton va neutron tạo nên . Xung quanh hạt nhân nguyên tử có electron dao động không ngừng, đi từ trạng thái này sang trạng thái khác , electron phát ra photon đó chính là hạt laser được ứng dụng trong y khoa. Định luật tương tác mạnh của quark để gắn bó chúng trong proton và neutron mang tên Sắc động lực học lượng tử ( quantum chromodynamics, QCD ) vay mượn danh từ Điện động lực học lượng tử ( quantum electrodynamics QED ), cái này diễn tả tương tác điện từ trong thế giới quy mô của electron . Hai chữ sắc và điện để chỉ hai đặc tính lượng tử của vật chất sắc tính của quark và điện tích của electron. Trong Sắc động lực học lượng tử có keo (gluon) manh sắc tích trao đổi giữa quark u , d để gắn bó chúng trong proton và neutron ; cũng như trong Điện động lực học lượng tử có photon trao đổi giữa electron để diễn tả mọi hiện tượng điện tử.

Ngoài ra một khám phá có tính cách quyết định , đó là phản vật chất ( antimatter ) vì nó sẽ liên hệ chặt chẽ đến khái niệm không trong lượng tử mà tôi muốn đề cập ở phần cuối.

               E  =  m2 c4 hay vật chất và phản vật chất , hạt ảo

Trong thuyết tương đối hẹp , phương trình chính xác nối kết năng lượng E với khối lượng m  của vật chất ( hạt) là  E2 = m2 c4 khi hạt đứng yên, công thức trên là chùm năng lượng hv của thuyết lượng tử ( h là hằng hà sa số Planck và v là tần số dao động tuần hoàn của hạt cơ bản, điều then chốt là năng lượng trao đổi giữa các hạt cơ bản không liên tục , phải theo từng đơn vị 1hv , 2hv, 3hv…nhv , n là một số nguyên ) là điểm khởi đầu mà Dirac kết hợp được để khám phá một chân trời mới: sự xuất hiện của phản hạt có cùng khối lượng với hạt , nhưng tất cả các đặc trưng khác ( điện tích , spin , sắc trong quark ) của hạt và phản hạt đều ngược dấu. Sự thống nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp là điếu tối cần thiết vì thế giới vi mô của lượng tử luôn dao động với vận tốc rất cao , mà trường hợp này chỉ thuyết tương đối hẹp mới diễn tả được chính xác . Để chứng minh phản hạt , Dirac đi từ nhận xét sau đây : vì E =  -+ mc2  với một vật bất động , trong vật lý cổ điển , hiển nhiên năng lượng E là một số dương nên ta chỉ có E = mc2  thôi . Trái lại , trong thế giới vi mô của vật lý lượng tử , năng lượng của một hạt có thể mất đi hay nhận được những gói hv , vậy không có gì ngăn cản hạt khi mất đi quá nhiều gói hv có thể  mang năng lượng âm ,  hay ngược lại  một hạt với năng lượng âm khi nhận được nhiều gói hv có thể trở về trạng thái bình thường với năng lượng dương . Thí dụ trong đại dương của muôn vàn hạt electron ( điện tích âm –e ) mang năng lượng âm , nếu ta có đủ năng lượng để kéo một hạt ra ngoài , tức là đại dương ấy mất đi một electro  (-e ) mang năng lượng âm . Nhưng mất đi ( tượng trưng bằng dấu – ) cái âm thì cũng như nhận được cái dương – (-) = + , vậy kết cục là ta thấy xuất hiện một hạt có điện tích dương +e và mang năng lượng dương . Đó là phản electron hay positron . Một trong những ứng dụng mới đây của positron là máy chụp hình cơ thể PET ( positron emission tomography ) , người ta bắn hạt positron vào trong tế bào để theo dõi sự biến chuyển tức thì của nó .Tóm lại , hạt và phản hạt đều có năng lượng dương . Chúng có chung khối lượng nhưng mọi đặc trưng khác ( điện , tích , sắc ) đều ngược dấu . Ta có phản quark , phản lepton , phản nguyên tử . Như vậy có vật chất thì cũng có phản vật chất , khi giao hội chúng tự hủy để biến thành năng lượng , và ngược lại nếu cung cấp đủ năng lượng thì các cặp vật chất được tạo ra , đó là những chuyện thường xuyên trong những trung tâm nghiên cứu hạt cơ bản ở Genève ( Âu ) , Stranford ( Mỹ ) , Tsukuba ( Á). Sự tương trùng giữa năng lượng với cặp vật chất – phản vật chất đưa đến khái niệm vật ảo trong lượng tử , đó là những hạt mà năng lượng E và xung lượng k (vec-tơ được in đậm , như k, x ) không tuân yheo phương trình nối kết E , | k |  và m của vật thực nữa . Khối lượng của hạt ảo này thay đổi liên tục chứ không giới hạn trong một vài trị số m nhất định của hạt thực . Thí dụ sau đây cho ta rõ proton ảo là gì . Như ta biết , khi electron chuyển động nó phát ra photon . Để một electron và positron đi ngược chiều a chạm nhau , xung lượng của chúng là + k  và –k , mỗi hạt có năng lượng bằng E , gặp nhau chúng phát ra một photon ảo . Sinh ra bởi electron và positron tụ họp nên năng lượng S và ( xung lượng K ) của photon ảo này là tổng năng lượng và ( tổng xung lượng ) của chúng , S = 2 E , K= + kk  = 0 . Vậy photon ảo có khối lượng 2E / c2 khác 0 . Cũng có thể  ta có quark , lepton , gluon ảo . Tương tác điện từ của electron được diễn tả qua sự trao đổi photon ảo giữa những electron với nhau , cũng như tương tác mạnh của quark là do sự trao đồi giữa gluon ảo giữa quark , tương tác yếu của meutrino qua sự trao đổi các boson ảo W2 .Z0 , giữa neutrino . Những photon , gluon , W2 , Z0 ảo theo thứ tự chính là những sứ giả truyền tin làm trung gian cho các tương tác điện từ , mạnh , yếu để tạo ra các lực thích ứng .

Pages: 1 2

Comments are closed.