Các hạt và các lực cơ bản trong tự nhiên

Diễn giả: ĐẶNG VŨ TUẤN SƠN VIETNAM ASTRONOMY & COSMOLOGY ASSOCIATION CÁC NỘI DUNG CHÍNH  Hạt cơ bản là gì?  Các loại hạt cơ bản  Cấu tạo của vật chất  Hạt truyền tương tác  Bốn loại lực cơ bản trong tự nhiên HẠT CƠ BẢN LÀ GÌ? Lịch sử Khái niệm về yếu tố cơ bản được hình thành từ hơn 2000 năm trước. Cơ bản là những thứ nhỏ nhất, đầu tiên mà từ đó tạo thành thế giới. Phương Tây: phổ biến nhất là quan niệm về 4 yếu tố Đất, Nước, Không khí, Lửa (theo Aristotle) Phương Đông: lưỡng nghi, ngũ hành. HẠT CƠ BẢN LÀ GÌ? Lịch sử John Dalton (1766-1844) là người đầu tiên đưa ra định nghĩa và mô hình nguyên tử. Theo đó, nguyên tử là thành phần nhỏ nhất cấu tạo nên vật chất. Phản ứng hóa học là những phản ứng xảy ra do va chạm giữa các nguyên tử. HẠT CƠ BẢN LÀ GÌ? Lịch sử Mô hình nguyên tử hiện đại do Niels Bohr (1885-1962) đề xuất năm 1913. Theo mô hình này, nguyên tử không phải nhỏ nhất. Nó gồm các electron (điện tử) chuyển động quanh hạt nhân ở giữa (hạt nhân gồm các neutron và proton). Mỗi electron chuyển động quanh hạt nhân trên một quĩ đạo tương ứng với mức năng lượng khác nhau. HẠT CƠ BẢN LÀ GÌ? Ngày nay, người ta đã biết có những hạt nhỏ hơn tạo thành neutron và proton gọi là quark. Tuy nhiên mô hình nguyên tử của Bohr vẫn được thừa nhận. Thế giới hạt cơ bản hiện nay chia làm hai nhóm là Fermion (hạt tạo thành vật chất) và Boson (hạt truyền tương tác – trừ boson Higgs). (Bảng hạt như hình bên chỉ là các loại cơ bản nhất) HẠT TRUYỀN TƯƠNG TÁC Hạt truyền tương tác, được gọi chung là các boson, là các hạt truyền các tương tác (các lực) giữa các hạt tạo thành vật chất (fermion). Bản thân các lực không phải tương tác trực tiếp và tức thời giữa vật chất. Bản chất của các lực là dòng dịch chuyển của các boson. Do đó, lực cần có thời gian để truyền đi. Lực không phải tức thời. CÁC LỰC CƠ BẢN Tất cả các tương tác mà hàng ngày chúng ta cảm nhận được, cũng như liên kết vật chất để tạo thành toàn bộ vũ trụ đều thuộc một trong bốn loại cơ bản gồm: Hấp dẫn Điện từ Hạt nhân (hay hạt nhân mạnh) Yếu (hay hạt nhân yếu) LỰC HẤP DẪN Tương tác hấp dẫn là tương tác xảy ra giữa hai vật (hay hạt) bất kì có mang khối lượng. Về giá trị, nó là tương tác yếu nhất (tính theo công thức của Newton). Tuy vậy, nó là loại tương tác duy nhất đồng thời có phạm vi tác dụng xa vô hạn và không thể bị cản lại bởi bất cứ vật chất hay tương tác nào khác. Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, vật có khối lượng tạo nên trường hấp dẫn quanh nó. Do đó, thực tế hạt không khối lượng vẫn chịu tác động của hấp dẫn. LỰC ĐIỆN TỪ Tương tác điện từ xảy ra giữa các hạt mang điện. Giống với tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ tỷ lệ thuận với điện tích hai hạt và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Tuy nhiên, nó có giá trị lớn hơn rất nhiều tương tác hấp dẫn. Lực điện từ là loại lực phổ biến nhất trong đời sống và kĩ thuật. Ngoài các thiết bị điện, sấm sét, ...thì lực ma sát, lực đàn hồi, lực căng của dây, lực do cơ bắp sinh ra ...đều là lực điện từ. TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN MẠNH Tương tác hạt nhân hay còn gọi là tương tác hạt nhân mạnh, hoặc ngắn gọn hơn là tương tác mạnh, là tương tác đóng vai trò liên kết các quark trong các hadron (proton, neutron,...) và các hadron trong hạt nhân nguyên tử. Đây là tương tác có giá trị lớn nhất, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo thành vật chất. TƯƠNG TÁC YẾU Tương tác yếu, hay tương tác hạt nhân yếu, là tương tác gây ra sự biến đổi của các hạt quark khi chúng hấp thụ hay phát xạ một W hay Z boson. Và cũng vì vậy nó gây ra sự phân rã của neutron, sự biến đổi giữa neutron và proton. Tương tác yếu đóng vai trò gây ra sự phân rã và biến đổi hạt nhân. Do đó chúng cũng là nguyên nhân giới hạn số lượng nguyên tố hóa học trong vũ trụ, cũng như quá trình phóng xạ, phân hạch... THỐNG NHẤT CÁC HẠT VÀ CÁC LỰC Trong nhiều năm, khoa học cố gắng thống nhất các hạt và các lực cơ bản vào một mô hình chung duy nhất. Đã có lý thuyết thống nhất được tương tác điện từ, tương tác mạnh và yếu. Tuy nhiên nó lại mâu thuẫn với tương tác hấp dẫn. Một giả thuyết khác được gọi là “thuyết dây” cho rằng có một phần tử cơ bản nhất gọi là “dây” mà tần số và dao động khác nhau của nó biểu hiện thành các hạt cơ bản khác nhau cùng với các tương tác giữa chúng. Tuy nhiên mô hình này đến nay chưa có bất cứ bằng chứng nào. Việc thống nhất các hạt và các lực cơ bản ngày nay được coi là mũi nhọn hàng đầu của vật lý lý thuyết. Diễn giả: ĐẶNG VŨ TUẤN SƠN VIETNAM ASTRONOMY & COSMOLOGY ASSOCIATION