Trong các mô hình vật chất cổ điển các hạt vật chất thường được mô tả
bằng các hạt điểm. Tất nhiên là mô hình hết sức thô thiển vì một điểm có
khối lượng sẽ phải là một lỗ đen kỳ dị. Nó sẽ hút mọi vật chất xung
quanh nó vào trong nó hoặc bức xạ liên tục. Thực tế thì việc này không
xảy ra.
Như vậy mô hình tiếp sau sẽ là một quả cầu đồng nhất,
có mật độ đều. Không chỉ các hạt vi mô, các thiên thể, sao neutron, sao
lùn, mặt trời đều được mô hình hóa như thế cả. Tất nhiên, mô hình này mô
tả thực tế tốt hơn, nhất là ở khoảng cách ngắn so với bán kính của vật
thể.
Có thể đặt vấn đề nếu chúng ta đi sâu vào trong lòng quả
cầu đó sẽ thấy gì. Chắc chắn giả thiết phân bố đều không đúng. Nếu vật
chất trong quả cầu là đồng chất, nó sẽ được mô tả bởi phương trình trạng
thái (EOS- Equation of State), trong đó áp suất tỷ lệ thuận với mật độ
(không nhất thiết tuyến tính), tức là áp suất sẽ tăng khi mật độ tăng.
Phương trình Tolman-Oppenheimer-Volkov suy trực tiếp từ thuyết tương đối
rộng cho thấy áp suất và mật độ sẽ tăng từ bề mặt khi tiến vào tâm. Nếu
EOS giữ nguyên thì các giá trị này có thể tăng đến vô tận khi đến tâm.
Điều đó cũng phù hợp với các thế năng Newton, thế năng Coulomb đều tăng
tới vô tận khi vào tâm.
Tuy nhiên, giả thiết đồng chất cũng
phi thực tế. Chúng ta biết rằng ở khoảng cách nhỏ, do các hiệu ứng lượng
tử, vật lý sẽ theo các quy luật giống như ở năng lượng rất cao. Vì vậy
khi áp suất và mật độ tăng lên, sẽ có điểm chuyển pha sang một trạng
thái khác. Các nguyên tử sẽ "bốc hơi" thành hydro hoặc hellium. Sau đó
các electron bị "ép" vào proton để chuyển pha thành tinh thể, chất lỏng
neutron. Như vậy trong lòng của các ngôi sao thường, thậm chí hành tinh
sẽ có các pha nóng bỏng như plasma, cháo neutron. Tiến sâu tý nữa sẽ có
quark-gluon, rồi QCD plasma. Hiện nay vật lý chỉ biết đến đó. Rất thú
vị là QCD có hiện tượng tiệm cận tự do, các quark ở khoảng cách nhỏ,
hoặc năng lượng lớn sẽ không tương tác với nhau, vì vậy mật độ và áp
suất không nhất thiết phải tăng đến vô tận nếu chỉ có tương tác mạnh ở
khoảng cách nhỏ.
Nếu chúng ta tiếp tục tiến vào tâm ở khoảng
cách nhỏ hơn, chúng ta sẽ thấy gì? Chúng ta không biết, vì hiện nay vật
lý chưa biết tới cấu trúc bên trong của quark, liệu có phải là một quả
cầu đồng chất và mật độ không đổi hay không. Vật lý sẽ kết thúc bằng một
mô hình đẹp đẽ không có kỳ dị.
Tuy nhiên, chúng ta biết
chắc rằng đến một khoảng cách rất nhỏ, tương đương với năng lượng
Planck, tương tác hấp dẫn sẽ trở nên duy nhất. Nếu tương tác hấp dẫn ở
khoảng cách đó mô tả bởi thế năng Newton hoặc lý thuyết Einstein, chắc
chắn vấn đề kỳ dị lại quay lại. Dù chi tiết vi mô thế nào, nhưng bức
tranh tổng thể của tự nhiên là mượt mà và ổn định. Do đó có hai kịch
bản:
1. Hấp dẫn ở mức Planck sẽ khác với hấp dẫn mà hiện tại
chúng ta biết qua lý thuyết Einstein. Cho đến nay những đo đạc về tương
tác hấp dẫn đều dựa trên khoảng cách lớn cỡ cm.
2. Từ vật chất
QCD plasma đến Planck scale, vật chất sẽ trải qua nhiều chuyển pha sang
các trạng thái chưa từng biết của vật chất ứng với các lĩnh vực vật lý
mới cần khám phá.
Như vậy, một câu hỏi tầm thường "bên trong có
gì" mà một đứa trẻ 2 tuổi cũng biết hỏi, nếu ta kiên nhẫn, ta sẽ thấy
tất cả các câu hỏi của vật lý tương lai và liên quan đến các năng lượng
vô cùng lớn chỉ tồn tại trong quá khứ cách đây hàng tỷ năm khi thế giới
mới ra đời hoặc ở các vùng rất xa xôi của vũ trụ mà hiện nay chúng ta
chưa thể nhận biết.
Điều kỳ lạ là bí mật của quá khứ cũng như
các vùng xa xôi đó lại chứa đựng trong lòng sâu thẳm của mọi vật xung
quanh bạn. Đó là hệ quả của thuyết lượng tử và triết học cổ đại: trong
lòng một cá thể có thông tin về toàn thể vũ trụ.
Nguyễn Ái Việt (Debrecen,VIDI72)
No comments:
Post a Comment