‘Hạt của Chúa’: Hành trình tìm kiếm bản nguyên của vật chất, nguồn gốc của vạn sự vạn vật trong vũ trụ

Năm 2012, Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu CERN tuyên bố tìm ra hạt Higgs, được mệnh danh “Hạt của Chúa”, loại hạt mới và nhỏ nhất làm hoàn chỉnh “Mô hình Chuẩn” mô tả thế giới vi mô lẫn vũ trụ bao la.

Nhiều thế kỷ qua, các nhà khoa học đã đưa ra rất nhiều giả thuyết nhằm tìm kiếm lời giải cho câu hỏi: Vạn vật từ đâu mà đến? Vũ trụ hình thành như thế nào? Điều gì đang chi phối các dạng vật chất và năng lượng? Trong vũ trụ bao la với vô số các tinh cầu ngự trong đó, ai hay một điều gì đó tạo ra chúng và khiến chúng chuyển động không ngừng?

Có một trường lực vô hình trong vũ trụ tạo ra vạn vật?

Với rất nhiều giả thuyết và lập luận, giờ đây những câu hỏi này đang trở thành đối tượng nghiên cứu chủ yếu trong ngành vật lý lượng tử. Nhiều định luật đúc rút từ những công trình khám phá vũ trụ đã hé lộ một chút xíu nhỏ nhoi hiểu biết của nhân loại về vạn vật, và cô đọng lại thành “Thuyết vạn vật”, nhưng bản thân nó cũng là một tham vọng trên lý thuyết nhằm giải thích tất cả các khía cạnh vật lý của vũ trụ chúng ta.

Một trong những điều cốt lõi liên quan đến “Thuyết vạn vật” là làm thế nào để khám phá ra “Hạt của Chúa”. Vào những năm 1950, thuyết Tương đối của Einstein ra đời. Nó đã bổ sung cho thuyết Vạn vật hấp dẫn của Newton khi áp dụng vào những hệ quy chiếu với vận tốc cao hơn thông thường (thậm chí tiệm cận vận tốc ánh sáng, khi thời gian trở nên tương đối và khác biệt, không còn tuyệt đối như khi áp dụng thuyết Newton ở mức vận tốc thông thường). Tuy nhiên, thuyết tương đối không nhằm chỉnh sửa đôi chút định luật nghịch đảo bình phương mà loại bỏ khái niệm cơ bản cho rằng, hấp dẫn là lực hút một vật thể bởi các vật thể khác.

Nhưng khi Mô hình chuẩn của vật lý ra đời, nó đã tạo ra một cuộc cách mạng với mục tiêu nhằm khám phá, tìm hiểu và tiên đoán những đặc tính cũng như những định luật chi phối sự vận hành của các thành phần sơ cấp cấu tạo nên thành phần vật chất trong toàn vũ trụ.

Mô hình Chuẩn của vật lý hạt được chấp nhận rộng rãi nhất bởi nó đã đưa ra được một lời giải thích hợp lý diễn tả toàn vẹn và nhất quán về hệ thống của tất cả các dạng vật chất và năng lượng trong vũ trụ, đặc biệt là sự tương tác của các hạt cơ bản với ba trong bốn lực cơ bản tồn tại trong tự nhiên: Lực điện từ, Lực hạt nhân mạnh và Lực hạt nhân yếu để từ đó vạn vật hình thành và biến hóa.

Theo Mô hình Chuẩn thì có hai loại hạt cơ bản là hạt hạ nguyên tử – là thứ tạo nên vật chất và hạt thứ nguyên tử – là loại mang theo lực. Những hạt cơ bản này được xác định và sắp xếp dựa trên một vài thuộc tính, một trong số đó là khối lượng. Điều bí ẩn xung quanh các hạt cơ bản này là trong khi khối lượng của chúng có thể đo được, thì các nhà khoa học vẫn không thể khẳng định chính xác khối lượng của chúng bắt nguồn từ đâu, và tại sao chúng lại có khối lượng như vậy ngay từ đầu.

Và để quy cho “trách nhiệm” cung cấp khối lượng cho các hạt này, có một giả thiết được chấp nhận rộng rãi, đó là có tồn tại một trường lượng tử. Trường này có tên gọi là trường Higgs. Nó là hệ quả của lưỡng tính sóng-hạt trong cơ học lượng tử và tất cả các trường lượng tử đều có một hạt cơ bản đi kèm. Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay boson Higgs.

Trường Higg là một trường lực giả thuyết không thể nhìn thấy nhưng lại tồn tại khắp mọi nơi trong vũ trụ. Trường này cũng tạo ra khối lượng các các đơn tử căn bản như hạt quark và electron. Theo mô hình của Higgs, các hạt cơ bản có khối lượng nhờ tương tác với với trường Higgs, và càng tương tác với trường vô hình này nhiều bao nhiêu, thì các hạt càng có khối lượng lớn.

Để những người “ngoại đạo” khoa học dễ hình dung về trường Higg, hãy tưởng tượng một nữ minh tinh màn bạc nổi tiếng Hollywood bước ra khỏi chiếc máy bay một mình. Tại thời điểm này, bạn coi cô ấy như không có khối lượng. Nhưng khi nữ minh tinh này di chuyển qua sân bay (được coi là trường Higgs) sẽ có một đám đông quy tụ, vây quanh cô ấy để xin chụp ảnh và chữ ký lưu niệm. Đám đông hâm mộ này làm cho cô ấy có một khối lượng. Nữ minh tinh càng thu hút được nhiều fan hâm mộ, những người hiếu kỳ và đoàn tùy tùng bao quanh cô (tức là các hạt Higgs), thì cô càng trở thành lớn hơn.

Nếu không có trường Higgs này thì không có khối lượng cho vật chất cũng như lực gắn kết chúng để tạo nên vạn vật. Có nghĩa là sẽ Không Tinh cầu, Không Trái Đất, Không con người, Không động thực vật…. Nhưng làm thế nào để chúng ta biết rằng trường Higgs này thực sự tồn tại?

Nhiều nhà vật lý tin rằng, trong số những mảnh ghép bị thất lạc cuối cùng của một bức tranh khổng lồ bí ẩn, thì “Hạt Higg” hay còn gọi là “Hạt của Chúa” – loại hạt mang theo lực của vũ trụ sẽ là mảnh ghép có thể chứng minh sự tồn tại của trường vô hình này. Vậy “Hạt của Chúa” là gì?

Bí ẩn “Hạt của Chúa”

Cái tên “Hạt của Chúa” là do nhà vật lý học Leon Lederman vô tình đặt tên cho boson Higgs (hạt Higgs) vào những năm 1990 bởi ông cho rằng con người quá khó khăn để tìm ra nó. Cái tên đặc biệt này đã thu hút sự chú ý của dư luận và tại sao nó lại quan trọng đến vậy trong việc chứng minh sự tồn tại của trường Higgs?

“Hạt của Chúa” hay còn gọi là Hạt Higgs đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích sự tồn tại của khối lượng, sự đa dạng và cuộc sống trong vũ trụ. Hạt Higgs được đặt theo tên của nhà vật lý người Scotland Peter Higgs (đoạt giải Nobel năm 2013) và nó hỗ trợ cho giả thuyết về một trường vô hình tràn ngập trong toàn vũ trụ. Điều này có nghĩa là, chìa khóa để xác nhận sự tồn tại của Trường Higgs quyết định ở việc tìm thấy hạt Higgs. Tuy nhiên để truy tìm hạt Higgs, đối với các khoa học gia, đây quả là bài toán hóc búa.

Một số các nhà vật lý học cho rằng, việc khám phá ra sự tồn tại của hạt Higgs không thể thực hiện được bằng công nghệ hiện đại của nhân loại hiện nay, vì đơn tử này lướt với tốc độ ‘chóng mặt”, chỉ có thể xác định chúng bằng cách phân rã.

Vậy nên, việc tìm kiếm hạt Higgs – vốn được coi là “sứ mệnh bất khả thi” đã trở thành động lực để Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) xây dựng Máy gia tốc hạt lớn nhất trên thế giới hiện nay. Có giá trị lên tới 10 tỉ đôla, cỗ máy này gia tốc các hạt proton quanh một đường hầm dài 29 km nằm dưới biên giới của Pháp và Thụy Sĩ với tốc độ nhanh gần bằng tốc độ ánh sáng (99%). Khoảng 9.000 thanh nam châm siêu dẫn được lắp đặt xung quanh đường hầm, gia tốc cho dòng proton dày đặc di chuyển từ cả 2 hướng, chúng sẽ va chạm và vỡ ra, và từ đó cho phép các nhà khoa học tìm kiếm hạt mới và các lực tự nhiên.

Các proton di chuyển xuyên qua đường hầm với tốc độ khoảng 11.000 lần/giây và va chạm với nhau cả triệu lần chỉ trong cái chớp mắt. Những tia sáng được sinh ra từ sự va chạm proton và những mảnh vỡ của chúng được máy tính ghi lại và phân tích với hy vọng tìm thấy hạt Higgs. Nhưng vì hạt này được cho là không ổn định nên các nhà khoa học cho rằng, chỉ chưa đến một giây là Hạt của Chúa đã phân rã thành những đơn tử khác nên họ sẽ truy tìm dấu vết của nó qua của sự phân rã.

Atlas và CMS là hai nhóm nghiên cứu với hơn 3.000 nhà vật lý ở mỗi nhóm được giao nhiệm vụ phát hiện và phân loại mọi thứ đến từ vi mẫu của những va chạm nhằm xác định khối lượng nơi hạt Higgs có thể tồn tại. Nên nhớ rằng hai nhóm nghiên cứu này làm việc độc lập, không bên nào trao đổi với nhau, nhưng đến cuối năm 2011, cả hai nhóm cùng phát hiện những tín hiệu trùng hợp trong dữ liệu của LHC và đều nghi rằng đó là hạt Higgs với khối lượng dao động từ 125 đến 126 tỷ điện eV. Cả hai cuộc thử nghiệm đều đạt mức sai số 5 sigma, là mức tiêu chuẩn được chấp nhận trong vật lý hạt trước khi muốn công bố chính thức một khám phá nào đó.

Tháng 3/2013, phải mất 6 tháng nghiên cứu chuyên sâu hơn, CERN mới dám xác nhận rằng hạt đơn tử mới mà họ khám phá có thể là hạt Higgs. Tháng 6/2015, sau hai năm ngừng hoạt động, các nhà vật lý của CERN tái khởi động máy gia tốc với mức năng lượng gần gấp đôi giá trị dùng để phát hiện ra hạt Higgs.

Tuy nhiên đến thời điểm này, các nhà khoa học vẫn chưa dám khẳng định chắc chắn rằng đó có phải là hạt Higgs hay không, bởi khả năng thấu hiểu vũ trụ của chúng ta vẫn còn rất hạn chế. Và ngay cả khi chúng ta phát hiện ra nó đúng là “Hạt của Chúa”, thì đây cũng chỉ là điểm khởi đầu của việc nhân loại đang mày mò tìm kiếm nguồn gốc của vạn vật. Tại sao vậy?

Như triết gia nổi tiếng Immanuel Kant từng nhắn nhủ: “Mỗi câu trả lời lại làm dấy lên những câu hỏi mới”.

Trước sự kiện khám phá ra hạt Higgs, GS Phạm Xuân Yêm – nguyên Giám đốc nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, Giáo sư Đại học giáo sư đại học Paris VI đã đưa ra một cái nhìn toàn cảnh và hệ thống về Higgs boson trong bài báo mới nhất của ông: “Hạt Higgs, lực cơ bản thứ năm mới lạ?. Trong bài báo, ông đưa ra câu hỏi chất vấn:

“Tuy trường Higgs truyền khối lượng cho vạn vật, nhưng cái gì mang lại cho chính hạt Higgs cái khối lượng 126 Gev/c2mà chiếc máy siêu gia tốc LHC vừa khám phá ra?”.

Thật vậy, khối lượng của các hạt được giải thích bởi sự tương tác giữa chúng với trường Higgs, nhưng chính hạt Higgs – những lượng tử của trường Higgs – thì tương tác với “ai” để có khối lượng?

“Đừng quên là khoảng 96% năng-khối lượng trong toàn vũ trụ rộng lớn hãy còn ở ngoài sự hiểu biết hiện nay của con người!” GS Yêm cho hay.

Nhưng cách đây cả nhiều ngàn năm, những người tu luyện dường như đã quan sát được vật chất ở cấp độ vô cùng vi mô nhờ khả năng đặc biệt của mình.

Phải chăng người tu luyện thời xưa đã nhìn thấy được vật chất ở cấp độ rất nhỏ?

Cách đây hơn 100 năm, phân tử được coi là hạt sơ đẳng nhất. Ngày nay, nhờ công nghệ khoa học phát triển, chúng ta biết thêm phân tử do nhiều nguyên tử khác nhau liên kết tạo thành bởi electron. Mà mỗi nguyên tử lại được cấu tạo bởi hạt nhân của nó với electron dao động xung quanh. Rồi hạt nhân nguyên tử do proton tổ hợp tạo thành, tiếp nữa là hạt quark.

Đến năm 1930, Wolfgang Pauli đề xuất sự tồn tại của một hạt nhỏ bé bí ẩn mới và được Enrico Fermi đặt tên nó là neutrino. Nhưng phải đến 1956, con người mới lần đầu tiên tìm ra vi hạt neutrino ở lò phản ứng hạt nhân Savannah River (Mỹ) và đây cũng là vi hạt nhỏ nhất (có khối lượng nhỏ nhất) mà con người biết được cho đến nay. Nó nhỏ hơn cả hạt Higgs mà chúng ta đề cập đến bên trên, dù rằng Hạt Higgs là vi hạt ẩn giấu, được “tóm bắt” cuối cùng, khi phải đến năm 2012 vừa qua, cuộc săn tìm dài hơi trong gần nửa thế kỷ cái “hạt của Chúa” này mới kết thúc.

Tuy nhiên, cũng trong những năm gần đây, sử dụng các công cụ máy móc phức tạp để soi chiếu cấu trúc của bộ não, các nhà khoa học nhận ra sự tương đồng đáng kinh ngạc giữa bộ não với … vũ trụ.

Hai bức ảnh dưới đây mô tả những sự tương đồng. Bức ảnh phía trên là mạng lưới nơ-ron (neuron) thần kinh trong một tế bào não bộ; bức ảnh phía dưới thể hiện phân bố của vật chất tối trong vũ trụ theo như mô phỏng bởi Mô phỏng Thiên Niên Kỷ (Millennium Simulation).

Tất nhiên, đây chỉ là một nhận định đơn thuần về sự tương đồng cấu trúc giữa tế bào não và vũ trụ, chưa thể đưa ra bất kỳ kết luận nào khác. Rốt cục, kính hiển vi hay các phương pháp quan sát thực nghiệm hiện tại có thể thăm dò thế giới vật chất vi mô, nhưng vẫn chưa đủ sâu để biết được cái tế bào não đó có thật sự giống vũ trụ hay không về cấu trúc chi tiết nội bộ. Tuy nhiên, ngay bản thân cái quan sát đó đã không khỏi khiến chúng ta nhớ lại lời giảng của giới tu luyện thời xưa. Ví như cách nói của phương pháp tu luyện Đạo gia ở phương Đông, rằng:

Thân thể người đã được xem như một tiểu vũ trụ, một vũ trụ thu nhỏ.

Tương tự, Đức Phật cũng từng giảng:

Trong một hạt cát có tam thiên đại thiên thế giới.

Hiểu theo bề mặt nghĩa đen, câu này có nghĩa là, trong một hạt cát có cả một vũ trụ bao la (tam thiên đại thiên thế giới), cũng chính là nói, hạt cát bản thân nó là một vũ trụ thu nhỏ, khá tương đồng với cách nói trên của Đạo gia.

Thực vậy, nếu quan sát trên kính hiển vi, cách nói này dường như rất có tính thực tiễn. Lấy ví dụ, cấu trúc phân bổ của Hệ Mặt Trời, với Mặt Trời ở trung tâm và 9 hành tinh xoay quanh, so với cấu trúc nguyên tử, với hạt nhân nguyên tử ở trung tâm và các hạt electron dao động xung quanh, là khá tương đồng (hình dưới).

Thiết nghĩ, vể bản chất khoa học cũng chỉ là một con đường tìm kiếm chân lý vũ trụ. Dùng cách nào để tìm ra sự thật, hiểu được chân lý thì cũng đều tốt cả. Máy móc kỹ thuật chỉ là phương tiện hỗ trợ, hiệu quả sau cùng và kết quả thu được mới là điều quan trọng nhất. Đối với việc khám phá bản chất của sự vật, tìm ra bản nguyên của vật chất ở mức tận cùng thâm sâu, một chiếc máy 10 tỷ đô của CERN là một phương thức khả dĩ. Rốt cục, nó cũng đã tìm ra được hạt Higgs.

Nhưng phải chăng tồn tại những cách thức tiếp cận khác, như phương pháp tu luyện của cổ nhân, cũng cùng như thế mà đạt được mục đích tìm kiếm chân lý. hiểu được bản nguyên rốt ráo của vật chất, của sự vật sự việc?

Bàn về mối tương quan giữa khoa học và Phật Giáo, Einstein từng nói:

“Phật giáo không cần xét lại quan điểm của mình để cập nhật hóa với những khám phá mới của khoa học. Phật giáo không cần phải từ bỏ quan điểm của mình để đi theo xu hướng của khoa học, vì Phật giáo bao hàm cả khoa học cũng như vượt qua khoa học”.

Xuân Trường, Quý Khải