Lực, hay tương tác, là biểu hiện cơ bản và có vai trò sống còn của vũ trụ. Nếu vũ trụ tràn ngập vật chất nhưng không có tương tác giữa chúng (mà như sẽ nói dưới đây là do tác dụng của các hạt gọi chung là boson) thì không có sự tạo thành các hạt nhân, nguyên tử, phân tử, ... và các thiên hà, sao và hành tinh. Khái niệm lực đã rất quen thuộc hàng ngày, và có rất nhiều tên gọi cho nhiều kiểu tương tác. Tuy nhiên trên thực tế vũ trụ chỉ có bốn loại lực và chúng đóng tất cả các vai trò mà chúng ta đã biết.
Lực là một khái niệm có thể nói là rất lâu đời, từ những ngày đầu của nền văn minh nhân loại, người ta đã dùng khái niệm này để chỉ mọi tương tác diễn ra hàng ngày. Tuy nhiên chúng ta sẽ không đi sâu vào lịch sử của văn minh nhân loại hay ngôn ngữ học ở đây mà chỉ quan tâm tới một ý. Đó là trong suốt lịch sử phát triển của nền văn minh mà nền tảng chính là các nghiên cứu khoa học, các lực trong tự nhiên ngày càng tỏ ra phong phú khi ngày càng có nhiều hiện tượng được quan sát trong tự nhiên cũng như trong các dụng cụ và thiết bị mà chính con người sáng tạo ra. Dựa vào biểu hiện của các lực mà chúng được đặt tên: lực đàn hồi của lò so, lực căng của dây, lực ma sát trong cọ sát các vật thể, lực đẩy Archimedes trong chất lỏng, lực hấp dẫn giữa các thiên thể, lực điện giữa các cực nam châm, ... Tất nhiên, trong một thời gian dài các lực này được coi là độc lập hay ít ra là rất ít liên quan tới nhau, và tới tận bây giờ có lẽ đa số nhân loại thuộc phần ít tìm hiểu khoa học cũng vẫn tin như vậy.
Nhưng thực tế (chúng ta sẽ lại bỏ qua lịch sử vì nó không cần thiết ở đây) thì vật lý ngày nay đã xác nhận rằng trong vũ trụ chỉ có bốn loại lực, hay bốn loại tương tác cơ bản. Các tương tác này đều có vai trò sống còn đối với sự tồn tại của bản thân vật chất và các cấu trúc trong vũ trụ. Các loại tương tác khác mà bạn có thể nghe tên hàng ngày thực ra chỉ là những phương thức biểu hiện khác nhau của một trong các tương tác cơ bản.
Trước khi đi riêng vào từng loại lực (tương tác) cơ bản, có một lưu ý nhỏ, đó là theo vật lý hiện đại, các tương tác không phải là một tính chất thuần túy của vật chất và được truyền tự do trong không gian với vận tốc vô hạn (như Newton từng tự mô tả lực hấp dẫn sau khi ông viết phương trình của nó). Các tương tác được gây ra bởi một loại hạt truyền được gọi chung là boson, các boson này khác nhau đối với các tương tác cơ bản khác nhau và sự trao đổi hay hấp thụ, phát xạ chúng gây ra các tương tác (Đọc bài "Thế giới hạt cơ bản"). Với cơ chế chung cơ bản như vậy, chúng ta sẽ đi sâu vào bốn loại tương tác, hay bốn loại lực cơ bản của tự nhiên.
Các tương tác cơ bản của tự nhiên
Tương tác điện từ (hay lực điện từ): Tương tác giữa các hạt mang điện, chẳng hạn các proton có cùng điện tích dương nên đẩy lẫn nhau, nhưng lại hút các electron do electron có điện tích âm. Tương tác này không chỉ là chuyện hút hay đẩy nhau của các cực nam châm do thừa hay thiếu electron mà điều quan trọng nhất là ở chỗ chính tính chất hút nhau của proton và electron này nên electron mới giữ được quĩ đạo quanh hạt nhân nguyên tử, và vì thế mới có các nguyên tử, phân tử và tổng quát hơn là toàn bộ vật chất chúng ta thấy hàng ngày, tạo nên chúng ta.
Tương tác điện từ được truyền bởi loại boson gọi là photon, hay chúng ta vẫn biết là loại hạt truyền ánh sáng. Chính xác ánh sáng chính là một sóng điện từ có bước sóng phù hợp để gây ra sự tạo ảnh trên võng mạc mắt của con người. Bản thân hạt photon không có khối lượng, cũng không có điện tích, nó chỉ đóng vai trò truyền tương tác điện từ (lưu ý rằng khác với truyền/dẫn điện) thông qua tần số dao động của nó.
Điện từ là tương tác hết sức quen thuộc không phải chỉ bởi cái tên của nó không còn xa lạ gì mà còn bởi trên thực tế, nó xuất hiện khắp mọi nơi trong đời sống hàng ngày, và chắc chắn là nó có nhiều tên gọi nhất. Lực ma sát sinh ra khi một vật trượt trên vật khác là do tương tác điện từ của các nguyên tử ở bề mặt tiếp xúc, lực đàn hồi của lò so hay lực căng của sợi dây cũng là tương tác điện từ do sự thay đổi khoảng cách của các nguyên tử với nhau dẫn tới thay đổi độ lớn của tương tác so với trạng thái ổn định ban đầu, lực do cơ bắp sinh ra khi bạn nâng một vật nặng hay bất cứ cử động gì khác là đàn hồi của các bó cơ nên tất nhiên cũng là tương tác điện từ, ...
Bạn có thể làm việc này là nhờ tương tác điện từ
Tương tác mạnh (hay còn gọi là lực hạt nhân mạnh): Tương tác gây ra bởi loại boson tên là gluon - một loại hạt không khối lượng và không điện tích. Đây là tương tác liên kết giữa các hạt quark, thành phần chính của hai loại baryon là proton và neutron, mà như chúng ta biết là các hạt tạo thành hạt nhân nguyên tử. Chính nhờ loại tương tác này nên các baryon mới hình thành và cũng chính nó liên kết các proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử với nhau (proton mang điện cùng dấu nên phát sinh lực điện từ đẩy lẫn nhau, nhờ có sợ có mặt các neutron nên hạt nhân nguyên tử mới tồn tại được).
Tương tác mạnh là loại tương tác mạnh nhất trong các tương tác cơ bản của tự nhiên, nhưng nó cũng có phạm vi tác dụng ngắn nhất. Ngoài phạm vi bán kính của hạt nhân nguyên tử thì tương tác mạnh không phát huy tác dụng, và tất nhiên đó cũng là lí do vật chất có thể tồn tại như ngày nay vì với độ lớn của tương tác này mà nó có thể tác dụng xa như đối với tương tác điện từ thì sẽ không có sự tồn tại các nguyên tử với lớp vỏ electron do chúng sẽ bị nghiền nát bởi lực hút giữa chính các hạt nhân với nhau (vì lực này mạnh hơn rất nhiều lực đẩy điện từ giữa các hạt nhân).
Tương tác yếu (hay lực hạt nhân yếu): Tương tác đóng vai trò gây ra phân rã beta của neutron, qua đó gây ra hiện tượng phân rã hạt nhân như phóng xạ, phân hạch. Bản thân các neutron không bền khi đứng độc lập, chúng chỉ bền khi liên kết với proton. Khi đứng độc lập, neutron có thể hấp thụ hoặc phát xạ boson W hoặc Z (thường gọi chung là boson yếu/weak boson) và bị phân rã beta tạo thành một proton, một electron và một phản neutrino.
Hạt nhân các nguyên tố nặng có nhiều proton và tương ứng cần nhiều neutron để giữ cho các proton không đẩy lẫn nhau. Nhưng đồng thời khi nhiều neutron, sẽ có những neutron bị cách ly khỏi proton, thoát khỏi tầm tác dụng của tương tác mạnh. Khi đó tương tác yếu làm chúng bị phân rã và khiến hạt nhân trở nên không bền. Những nguyên tố mà hạt nhân có hiện tượng này được gọi là nguyên tố phóng xạ. Hạt nhân càng nặng càng không bền, và do đó tương tác yếu chính là thứ giữ cho số lượng nguyên tố trong vũ trụ là hữu hạn chứ không phải vô hạn. (Đọc bài "Bảng tuần hoàn hóa học liệu có dài mãi?")
Mô hình chuẩn của vật lý hạt
Ba loại tương tác vừa nêu ngày nay đã được mô tả thống nhất trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Theo Mô hình chuẩn, ở điều kiện năng lượng đủ cao, các tương tác này thống nhất với nhau, mặc dù như nội dung đã nêu thì dường như chúng rất khác nhau về cơ chế. Trong mô hình vũ trụ học lấy thuyết Big Bang làm cơ sở thì giai đoạn đầu tiên của vũ trụ từ khi tuổi vũ trụ là 10-43s tới thời điểm 10-36s, vũ trụ trải qua giai đoạn được gọi là kỷ nguyên thống nhất lớn, trong đó ba loại tương tác vừa nêu chưa được tách khỏi nhau (trước 10-43s được gọi là kỷ nguyên Planck, không thể được mô tả do nó nằm dưới giới hạn lượng tử). Ngay sau kỷ nguyên thông nhất lớn là kỷ nguyên điện yếu, khi đó tương tác mạnh đã tách ra nhưng hai tương tác còn lại vẫn thống nhất với nhau, được gọi là tương tác điện yếu (tương tác điện từ và tương tác yếu cùng tồn tại, không phải là tương tác điện ở mức độ yếu). Tới kỷ nguyên quark, khi tuổi của vũ trụ là 10-12s, vũ trụ mới đủ nguội để tương tác điện từ và tương tác yếu tách ra khỏi nhau.
Sau đây, chúng ta sẽ tới với loại tương tác cuối cùng, mặc dù thông thường thì người ta sẽ kể tên nó đầu tiên khi bạn đọc ở bất cứ tài liệu nào về vật lý. Đó là tương tác hấp dẫn.
Tương tác hấp dẫn (hay lực hấp dẫn): tương tác có xu hướng kéo các vật thể và hạt có khối lượng về phía nhau. Đây là tương tác yếu nhất trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên nếu xét trên cùng một đối tượng nhất định, nhưng nó lại là tương tác có phạm vi tác dụng xa nhất. Chính vì vậy nó đóng vai trò chính trong việc tạo thành các cấu trúc lớn của vũ trụ, từ các sao, hành tinh, tiểu hành tinh, vệ tinh... cho tới các thiên hà, cụm và siêu cụm thiên hà. Trái Đất và các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời cũng do tác dụng của loại tương tác này. Mặc dù là lực yếu nhất, nhưng hấp dẫn không chỉ có phạm vi dài nhất mà còn là lực không thể bị cản lại, tất cả mọi môi trường không trọng lượng nhân tạo hay tấm vật liệu cách ly với hấp dẫn mà bạn có thể thấy trong các bộ phim viễn tưởng đều là phản khoa học, nó không thể xảy ra không phải do công nghệ mà do nguyên lý chung của vũ trụ. Cũng vì lí do này, hấp dẫn đồng thời là loại lực gây ra những hiện tượng dữ dội nhất trong vũ trụ mà điển hình là sự sụp đổ vật chất tạo thành các sao neutron hay các lỗ đen và lỗ đen siêu nặng. Trong hiện tượng này, nhờ lượng vật chất quá lớn nên lực hấp dẫn đủ để thắng được lực điện từ và tương tác mạnh (tương tác mạnh không được tăng thêm khi lượng vật chất tăng lên vì đơn giản là tầm tác dụng của nó không vượt ra xa hơn được) khiến cho cấu trúc vật chất bị phá hủy.
Lực hấp dẫn rất phổ biến đối với đời sống hàng ngày như việc chúng ta có thể đứng trên mặt đất và các vật được tung lên cao đều rơi xuống đều là do lực hấp dẫn. Một số biểu hiện được gọi tên là lực chẳng hạn như lực cản của mặt đất khi bạn đứng trên đó, hay lực đẩy Archimedes trong chất lỏng, chẳng qua chỉ là những biểu hiện gián tiếp của lực hấp dẫn.
Lý do mà loại lực hết sức phổ biến này được tôi nhắc tới sau cùng trong bài viết này là bởi nó là loại tương tác duy nhất trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên không được đưa vào Mô hình chuẩn, mặc dù các nhà vật lý cũng đặt tên cho một loại boson lý thuyết truyền tương tác này là graviton. Tất nhiên, graviton chưa bao giờ được tìm thấy trong thực nghiệm, dù chỉ là gián tiếp.
Theo thuyết tương đối rộng của Einstein thì hấp dẫn thực ra không phải một loại lực mà chỉ là hệ quả của sự biến dạng không-thời gian. Theo mô tả của thuyết tương đối rộng, sự có mặt của khối lượng làm không gian bị uốn cong tạo thành trường hấp dẫn khiến đường đi của mọi thứ, kể cả ánh sáng bị uốn theo khi nằm trong vùng chịu ảnh hưởng mạnh của trường hấp dẫn.
Mâu thuẫn về cơ chế hoạt động của tương tác hấp dẫn đối với các tương tác khác chính là nguyên nhân cơ bản khiến cho chưa có cách nào để thống nhất được hấp dẫn vào ba loại tương tác còn lại trong một mô hình chung mà các nhà vật lý gọi là thuyết về mọi thứ. Một ý tưởng được đề xuất và khá nhiều người theo đuổi là thuyết dây, trong đó cho rằng "dây" là một đối tượng cơ bản mà các dao động dưới những dạng khác nhau của nó tạo ra biểu hiện được quan sát thấy là các hạt và các tương tác. Tuy nhiên đây vẫn chỉ là một giả định chưa được kiểm chứng và có lẽ khoa học sẽ còn tiếp tục đợi khá lâu nữa để thực sự tìm ra thuyết về mọi thứ.
Có tương tác cơ bản thứ năm hay không?
Việc tồn tại một tương tác thứ năm của tự nhiên vẫn được nhiều nhà khoa học tin tưởng, nhất là từ khi sự có mặt của vật chất tối được xác nhận. Tới nay đã có một số thí nghiệm cho thấy sự tham gia của một biến thiên lạ mà được cho rằng có thể là một tương tác quá nhỏ chưa từng được biết tới. Nhưng tới hiện tại, tương tác thứ năm chưa có bất cứ mô tả cụ thể nào chứ chưa nói tới xác nhận chính thức, và như vậy số lượng tương tác cơ bản của tự nhiên vẫn chỉ là bốn, với ba tương tác thống nhất trong Mô hình chuẩn và tương tác hấp dẫn đứng độc lập với chúng.
Tháng 6 năm 2016
Đặng Vũ Tuấn Sơn
