Ngày nay, chúng ta đều biết rằng toàn bộ vũ trụ được tạo thành bởi các hạt cơ bản. Những hạt này được mô tả trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt, được xây dựng từ những năm 1960. Trong Mô hình chuẩn, các loại hạt được chia làm hai nhóm lớn: những hạt tạo thành các dạng vật chất gọi là fermion và các hạt truyền tương tác gọi là boson.
Các nhà vật lý đã xác nhận được loại hạt truyền tương tác của ba trong số bốn tương tác cơ bản, đó là tương tác điện từ (truyền bởi photon), tương tác mạnh (gluon) và tương tác yếu (W và Z boson). Loại tương tác thứ tư là tương tác hấp dẫn chưa hề được xác định loại hạt truyền.
Một số nhà vật lý đề xuất rằng có một loại hạt truyền tương tác hấp dẫn và tạm gọi nó là graviton. Tuy nhiên, thứ nhất là nó chưa từng được tìm thấy trong bất cứ thí nghiệm nào, và thứ hai là nó có vẻ mâu thuẫn với cách tiếp cận của thuyết tương đối rộng - theo đó, hấp dẫn không phải một loại lực mà là hệ quả của sự biến dạng không-thời gian do khối lượng. Vì thế, graviton chỉ là giả định, không hề có mặt trong Mô hình chuẩn (vốn bao hàm những hạt đã được xác nhận).
Higgs boson là gì?
Để trả lời cho việc tại sao một số loại hạt có khối lượng và một số khác lại không, cụ thể nhất là photon và gluon thì không khối lượng còn W và Z boson thì có (trong khi chúng cùng là boson), Peter Higgs và François Englert cùng một số cộng sự khác vào thế kỷ trước đã để xuất sự tồn tại của một thứ được gọi là trường Higgs và loại hạt sinh ra trong đó là Higgs boson (sau đây sẽ gọi tắt là hạt Higgs). Khi những hạt Higgs này va chạm với các loại hạt cơ bản, chúng sẽ gây ra hiệu ứng khối lượng cho những loại hạt đó. Nói cách khác, không có trường Higgs và hạt Higss thì không có cái gì gọi là khối lượng trong vũ trụ cả.
Đề xuất này cuối cùng đã được chứng minh bằng thực nghiệm năm 2012 và mang lại giải Nobel cho những người nêu ra nó!
Đọc tổng quát về Higgs boson trong bài "Hạt Higgs và trường Higgs: một giải thích tổng quát và dễ hiểu".
Tôi từng có một số trao đổi về đề tài này trong những bài giảng của mình (đa số ở mức độ phổ thông), và có vài lần nhận được câu hỏi liên quan tới vấn đề mà nhiều người đặt ra là: Nếu Higgs mang lại khối lượng cho vật chất, và khối lượng gây ra trường hấp dẫn, thì có thể coi Higgs chính là graviton mà các nhà vật lý hạt từng giả định hay không?
Để làm rõ việc này, chúng ta cần xét tới bản chất của loại hạt này, và thậm chí bản chất của chính khái niệm "hạt".
Higgs VS Graviton
"Hạt" là một từ khá dễ gây hiểu nhầm. Nó làm người ta liên tưởng tới những hạt nhỏ rơi ra khi bạn ăn một quả táo, hay những hạt cát trên bãi biển. Những hình vẽ mô tả cấu trúc nguyên tử và hạt nhân suốt từ thời của Niels Bohr với những khối cầu nhỏ tượng trưng cho các hạt lại càng vô tình củng cố cho tâm lý đó.
Một hạt cơ bản, nói chung, chẳng có hình dạng gì cả. Chúng chỉ đơn giản là sự cô đặc của năng lượng ở mức đủ cao để tạo thành những cái nút mà ở đó diễn ra những hiệu ứng khiến chúng ta tạm gọi chúng là "hạt". Bản thân công thức nổi tiếng E=mc² của Einstein cũng hàm ý về mối liên quan giữa khối lượng và năng lượng đó. Hiểu về điều này, bạn có thể sẽ thấy dễ hiểu hơn khi chúng ta quay lại với trường Higgs.
Tạm bỏ qua việc có mâu thuẫn với cách tiếp cận của thuyết tương đối rộng hay không, thì có hai điểm sau để chúng ta thấy rằng hạt Higgs không phải graviton, và cũng không chịu hoàn toàn trách nhiệm cho tương tác hấp dẫn.
1- Một hạt truyền tương tác là một loại hạt liên tục chuyển động và được trao đổi giữa những đối tượng tham gia tương tác. Chẳng hạn: sự trao đổi photon gây ra lực điện từ. Higgs thì không. Hạt Higgs không phải thứ đang bay qua bay lại khi bạn đang ngồi trước màn hình đọc cái này. Nếu như vậy, khối lượng của bạn đã bị biến đổi lộn xộn lên rồi. Hạt Higgs sinh ra khi trường Higgs bị kích thích đủ mạnh. Trường Higgs bao quanh chúng ta như trường điện từ. Nơi trường điện từ bị kích thích đủ mạnh, nơi đó sinh ra điện tích (nói cách khác, điện tích của electron hay proton là những cái nút của trường điện từ). Nơi trường Higgs bị kích thích đủ mạnh, hạt Higgs ra đời và nó thâm nhập vào loại hạt đã gây ra sự kích thích đó, khiến hạt đó có khối lượng. Tùy vào mức độ kích thích mà khối lượng của các loại hạt có giá trị khác nhau. Việc này xảy ra trong giai đoạn đầu của vũ trụ khi nó còn rất đặc và nóng. Hiện nay, trường Higgs vẫn còn đó, nhưng chỉ ở những điều kiện đặc biệt (ở lõi các ngôi sao, đĩa bồi tụ quanh các lỗ đen, những vụ nổ supernova, hay trong các máy gia tốc hạt) nó mới được kích thích đủ mạnh để tạo nên hiệu ứng đó. Tóm lại, không hề có sự trao đổi Higgs giữa các vật thể có khối lượng như việc photon được trao đổi giữa các điện tích. Thậm chí, có thể nói rằng hạt Higgs không thật sự tồn tại, mà chỉ có trường Higgs là thực sự tồn tại, và năng lượng của nó khi bị kích thích sẽ chuyển thành khối lượng của thứ đã kích thích nó, và cái bó năng lượng cô đặc tồn tại tạm thời trước khi chuyển hóa thành khối lượng đó là cái được gọi là hạt Higgs.
2- Như bạn đã biết, độ lớn của lực hấp dẫn không chỉ phụ thuộc vào khối lượng mà còn vào khoảng cách của các khối lượng đó. Trên bề mặt Trái Đất, bạn cảm nhận gia tốc 9,8 m/s² là vì bạn đang cách tâm của nó tới gần 6400 km. Nhưng nếu Trái Đất co lại chỉ còn bán kính chưa tới 1 cm nhưng khối lượng không đổi thì sao? Khi đó nó là một lỗ đen và nếu bạn đứng cách nó vài mét thì cái bạn cảm nhận sẽ không còn nhẹ nhàng như vậy nữa. Mặc khác, hiệu ứng hấp dẫn không nhất thiết là sự hút nhau giữa các khối lượng, mà bản thân quá trình gia tốc của một khối lượng duy nhất cũng gây ra việc đó. Như vậy, khối lượng và lực hấp dẫn có mối liên hệ không thể tách khỏi nhau, nhưng chúng không phải là một.
Hi vọng rằng những giải đáp sơ lược này có thể giúp bạn có cái nhìn rõ nét hơn. Dù vậy, tôi tự thấy đây là một vấn đề hơi trừu tượng và khó tiếp cận trong một vài đoạn ngắn. Hi vọng sẽ có dịp trao đổi nhiều hơn cùng độc giả.
(Trích lại bài đã đăng trên trang cá nhân của tác giả.)
