Steven Weinberg: Đặt nền móng cho mô hình chuẩn

“Dẫu cho chúng ta chưa biết hết về các lực của tự nhiên nhưng không có lý do nào để chúng ta tin rằng, chúng được tạo ra là để làm hài lòng các nhà vật lý,” Steven Weinberg từng viết như vậy nhiều năm trước. Nhưng bất chấp suy nghĩ này, ông thực sự là một nhà vật lý có một cuộc đời hạnh phúc, hoặc ít nhất là đầy ý nghĩa, bởi ông là nhà vật lý lý thuyết khám phá ra hai trong số bốn lực cơ bản của vũ trụ và được trao giải Nobel Vật lý năm 1979. Ông cũng là người giúp đặt nền móng cho sự phát triển của Mô hình Chuẩn, một lý thuyết phân loại các hạt cơ bản đã biết trong vũ trụ, tạo ra một trong số những đột phá quan trọng của vật lý thế kỷ 20.

Steven Weinberg mới qua đời tại một bệnh viện tại Austin, Texas ở tuổi 88. Sau khi biết tin tiến sĩ Weinberg qua đời, John Carlos Baez, một nhà vật lý lý thuyết tại trường California, Riverside, viết trên Twitter: “Chỉ có một vài ví dụ về sự hợp nhất. Newton hợp nhất sự hấp dẫn của Trái đất và bầu trời - những quả táo và những hành tinh. Maxwell hợp nhất điện và từ. Weinberg, Glashow và Salam hợp nhất lực điện từ và lực yếu”.

Công trình mà ông được trao giải Nobel năm 1979 đã tạo ra một tác động lớn làm thay đổi vật lý, cụ thể là sự phát triển của cơ học lượng tử, vốn để hiểu và giải thích điều gì xảy ra trong thế giới hạ nguyên tử.

Có bốn lực đã biết trong vũ trụ của chúng ta: hấp dẫn; điện từ; tương tác mạnh liên kết các hạt nhân của các nguyên tử với nhau; và lực tương tác yếu, vốn là nguyên nhân dẫn đến phân rã phóng xạ. Hai lực đầu tiên đã được biết đến trong nhiều thế kỷ nhưng hai lực khác thì được khám phá chỉ trong hai thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20.

Trong những thập kỷ tiếp theo, các nhà vật lý đều rất khó khăn để tìm ra một lý thuyết có thể tập hợp tất cả các lực lại với nhau, điều Einstein vẫn gọi là lý thuyết cho tất cả. Dẫu đã có những khám phá quan trọng, cụ thể là các hạt mới với những cái tên lạ như các hạt quark (những hợp phần cơ bản của các proton và neutron trong các hạt nhân) và các lepton (vốn bao gồm cả các điện tử là các hạt đặc biệt mà người ta gọi là các muon và các tau), thì một lý thuyết hợp nhất hoặc một mô hình hợp nhất vẫn còn lảng tránh các nhà vật lý.

Vào năm 1967, tiến sĩ Weinberg bắt đầu sử dụng lý thuyết gauge để nghiên cứu về những tương tác trong lực yếu. Lý thuyết này được nhà vật lý người Anh James Clerk Maxwell phát triển trong thế kỷ 19 để giải thích hiện tượng điện từ. Trong những năm 1950, Robert Mills và Dương Chấn Ninh (giải Nobel Vật lý năm 1957) đã dùng để hiểu về tương tác mạnh.

Nhưng sử dụng lý thuyết gauge của tiến sĩ Weinberg để hiểu về tương tác yếu sớm gặp phải một vấn đề. Điện từ là một lực tác động ở các khoảng cách lớn nhưng lực yếu chỉ tác động ở khoảng cách vô cùng nhỏ - nhỏ hơn hạt nhân của một nguyên tử. Trong điện từ, khi hai hạt như các electron va chạm, chúng trao đổi một hạt trung tâm không khối lượng là photon, vốn được biết là gauge boson. Nếu hai hạt va chạm do lực tương tác yếu, lý thuyết gauge đòi hỏi – bởi khoảng cách ngắn của tương tác- là các gauge boson trao đổi phải có khối lượng và mang điện tích.

Sử dụng ý tưởng mới này, tiến sĩ Weinberg đã tạo ra một mô hình trong đó tương tác yếu đem lại khối lượng, ít nhất bằng các tiêu chuẩn nguyên tử, các hạt gauge boson. Ông gọi chúng là bosons W và Z.

Lý thuyết của ông cũng dự đoán được một số va chạm – ví dụ giữa hai hạt trung hòa điện tích là neutron và neutrino. Weinberg đã đưa ra lý thuyết có một mối liên kết giữa photon với boson W và Z, qua đó đề xuất chúng được tạo ra bằng cùng một lực. Kết luận này là tại những mức năng lực rất cao, lực điện từ và lực yếu đều là một. Đó là một bước tiến trên con đường tới lý thuyết thống nhất mà các nhà vật lý đang tìm kiếm. Tiến sĩ Weinberg xuất bản phát hiện của mình vào năm 1967 trong một bài báo đột phá “A Model of Leptons” (Một mô hình của các hạt Lepton) trên Physical Review Letters. Đây là một trong những bài báo được trích dẫn nhiều nhất trong lịch sử khoa học. Bài báo này đặt nền tảng cho Mô hình Chuẩn - một lý thuyết vật lý miêu tả hành xử của các hạt cơ bản đã biết trong vũ trụ.

Trong khi đó, làm việc một cách riêng rẽ, tiến sĩ Abdus Salam, một nhà vật lý lý thuyết Pakistan, cũng có cùng kết luận. Mô hình của họ được biết đến với tên gọi Lý thuyết Weinberg-Salam. Đó là một cuộc cách mạng, không chỉ cho đề xuất sự thống nhất của lực điện từ và lực yếu mà còn tạo ra một hệ phân loại các khối lượng và điện tích cho mọi hạt cơ bản, do đó hình thành nền tảng cho Mô hình Chuẩn, vốn bao gồm tất cả các lực, trừ hấp dẫn.

Weinberg, Salam và Sheldon Lee Glashow – một người bạn học phổ thông của Weinberg đã giải được một vấn đề khó với mô hình Weinberg-Salam, đã cùng nhận giải Nobel năm 1979 “cho những đóng góp của họ với lý thuyết của tương tác yếu và điện từ giữa các hạt cơ bản”.

Phải nói thêm rằng, những gợi ý từ những công trình của ông đã đem lại một số giải Nobel khác. Sau này, sự tồn tại của dòng trung hòa được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 1973, và phải mất cả thập kỷ nữa để xác nhận boson W và Z, với đóng góp của hai nhà vật lý hạt là Carlo Rubbia và Simon van der Meer tại CERN. Năm 1984, giải Nobel đã ghi tên họ.

Đến nhiều năm sau, các nhà vật lý cũng tìm ra cách để tạo ra khối lượng cho gauge bosons mà người ta gọi là cơ chế Higgs – mang tên Peter Higgs, một nhà vật lý người Anh, dự đoán sự tồn tại của một hạt chưa biết phản hồi về việc trao cho các hạt khác khối lượng của chúng. Hạt này đã mang tên Higgs boson vào năm 2012, đem đến cho tiến sĩ Higgs và đồng nghiệp của ông là François Englert giải Nobel Vật lý vào năm 2013.

Những đóng góp to lớn của tiến sĩ Weinberg còn vượt khỏi phạm vi hình thành Mô hình Chuẩn. Tiến sĩ Willy Fischler, một nhà lý thuyết được tiến sĩ Weinberg tuyển dụng vào khoa Vật lý ở trường Đại học Texas, Austin, vào năm 1982, nói công trình lớn lao nhất của ông có thể là việc phát triển lý thuyết trường hiệu dụng, vốn đem lại một phương pháp toán học để sử dụng cho các thực nghiệm năng lượng thấp để dò hiệu ứng của các hạt năng lượng cao không thể quan sát hoặc đo đạc một cách trực tiếp. Tiến sĩ Fischler gọi ông là cha đẻ của lý thuyết trường hiệu dụng.

Trong sự nghiệp của mình, ông không chỉ nhận được sự kính trọng của đồng nghiệp về những năng lực và những hiểu biết sâu sắc về khoa học mà còn được ngưỡng mộ về khả năng hiếm có trong việc truyền đạt và giải thích với công chúng những khái niệm khoa học trừu tượng, khó hiểu. Ông đã viết nhiều cuốn sách phổ biến khoa học, trong đó nổi tiếng nhất là “The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe” (xuất bản năm 1977).

Trong những năm 1960, sau khi khám phá ra bức xạ nền vũ trụ, dấu hiệu nhiệt còn sót lại từ Big Bang ở buổi bình minh vũ trụ, tiến sĩ Weinberg bắt đầu nghiên cứu về vũ trụ, dẫn đến cuốn sách “Gravitation and Cosmology” năm 1972. Sau đó, ông được mời đến nói về chủ đề trên tại trung tâm khoa học Harvard. Trong bài giảng, ông miêu tả ba phút sau Big Bang, khi nhiệt độ giảm đủ để các hạt nhân nguyên tử liên kết với nhau và bình luận “Sau đó thì không có cái gì đáng quan tâm nữa xảy ra trong lịch sử vũ trụ”. Theo quan điểm của ông, “Nỗ lực để hiểu vũ trụ này là một trong vài ba điều có thể nâng cuộc sống của con người khỏi phạm vi một trò vui tầm thường và trao cho nó một chút hấp dẫn duyên dáng của một bi kịch sâu sắc”.

Ông viết nhiều sách, bao gồm một trong những cuốn về lịch sử khoa học “To Explain the World: The Discovery of Modern Science” (2015), và ba tập dày 1.500 trang về lý thuyết trường lượng tử, trong đó sáp nhập vật lý cổ điển, thuyết tương đối hẹp và cơ học lượng tử. Bộ sách này được biết đến rộng rãi như một cuốn sách chính thức về chủ đề trường lượng tử.

Steven Weinberg sinh ra tại New York City vào ngày 3/5/1933, là con duy nhất của Frederick và Eva (Israel) Weinberg. Cha ông là một người viết tốc ký ở tòa án, mẹ làm nội trợ. Ông là người đầu tiên trong gia đình vào được đại học. Trong một cuộc phỏng vấn năm 2001 ông cho biết, điều khiến ông quan tâm đến khoa học là một bộ sách hóa học do một người họ hàng đặt vào tay ông bởi anh ta chỉ quan tâm đến boxing. Trong cuộc đời mình, ông luôn trân trọng bất kỳ ai giữ được sự tò mò về khoa học, ngay cả với người không phải là nhà khoa học. “Anh phải luôn ghi nhớ là anh đang viết cho những người, tuy không được đào tạo chuyên sâu về lĩnh vực anh theo đuổi nhưng lại thông minh như anh”, ông từng nói như vậy.

Ông học ở trường Bronx High School of Science, nơi gặp gỡ và kết bạn với Sheldon Lee Glashow. Sau khi tốt nghiệp trường Cornell vào năm 1954, ông đến Viện Nghiên cứu Lý thuyết ở Copenhagen, sau đổi tên thành Viện Niels Bohr. Weinberg trở lại Mĩ năm 1955 để làm nghiên cứu sinh tại Princeton với Sam Treiman, một nhà vật lý lý thuyết.

Tiến sĩ Weinberg cưới Louise Goldwasser năm 1954; họ gặp nhau tại Cornell. Vào năm 1980, bà Weinberg làm việc tại trường Texas, Austin với tư cách giáo sư luật. Weinberg cùng vợ làm việc tại Texas vào năm 1982, trở thành giáo sư vật lý và thiên văn.

Ở Texas, Tiến sĩ Weinberg được quyền tạo ra một nhóm nghiên cứu vật lý lý thuyết và tuyển dụng các giáo sư cho nhóm, với tám giáo sư và năm trợ lý giáo sư. Đây là một trong những trung tâm hàng đầu về nghiên cứu vật lý ở Mĩ. Tiến sĩ Fischler, người vẫn tiếp tục làm việc với nhóm lý thuyết, nói về Weinberg, “Ông ấy có tài khéo trong việc đánh giá những vấn đề quan trọng, không chỉ ở tầm quan trọng của nó mà cả những gì có thể giải quyết được”.

Ở độ tuổi trên 80 nhưng Tiến sĩ Weinberg vẫn tiếp tục dạy cho đến mùa xuân năm nay. Bên cạnh giải Nobel, ông nhận được rất nhiều giải thưởng khác. Năm ngoái, ông nhận được một giải thưởng Đột phá trị giá 3 triệu USD cùng nhiều người khác.

Có lẽ, ông không bận tâm nhiều đến các giải thưởng. Một trong những điều mà ông nghiền ngẫm cả cuộc đời là ý nghĩa của sự sống trên Trái đất. Khoa học đem lại cho ông cơ hội đi tìm ý nghĩa đó. “Dẫu chúng ta không phải là những ngôi sao trong một vở kịch vui”, có lần ông đã nói trên PBS (mạng truyền thông công cộng phi lợi nhuận của Mĩ) với hàm ý về việc con người không phải là nhân vật chính trên ‘sân khấu’ vũ trụ, “thì vở kịch đó vẫn là một thứ mà chúng ta đang góp phần tạo ra. Khi đối mặt với vũ trụ lạnh lùng này, điều chúng ta có thể làm là vun đắp một hòn đảo nhỏ của sự ấm áp, yêu thương và cả khoa học, nghệ thuật cho chính chúng ta”.

Nguồn: thebulletin.org, nytimes.com