Khám phá các lực cơ bản trong vũ trụ

1.358

Lực, hay tương tác, là biểu hiện cơ bản và có vai trò sống còn của vũ trụ.

Nếu vũ trụ ngập tràn vật chất nhưng không có lực tương tác giữa chúng thì không có sự tạo thành các hạt nhân, nguyên tử, phân tử... và các thiên hà, sao và hành tinh.

Các tương tác cơ bản của tự nhiên

Tương tác điện từ hay lực điện từ là tương tác giữa các hạt mang điện, chẳng hạn các proton có cùng điện tích dương nên đẩy lẫn nhau, nhưng lại hút các electon do electron có điện tích âm.

Tương tác này không chỉ là chuyện hút hay đẩy nhau của các cực nam châm do thừa thay thiếu electron mà điều quan trọng nhất ở chỗ chính tính chất hút nhau của proton và electron này nên electron mới giữ được quỹ đạo quanh hạt nhân nguyên tử, và vì thế mới có các nguyên tử, phân tử và tổng quát hơn là toàn bộ vật chất chúng ta thấy hàng ngày, tạo nên chúng ta.

Tương tác điện từ được truyền bởi loại boson hay còn gọi là photon, hay chúng ta vẫn biết là hạt truyền ánh sáng. Chính xác ánh sáng chính là một sóng điện từ có bước sóng phù hợp để gây ra sự tạo ảnh trên võng mạc mắt của con người. Bản thân hạt photon không có khối lượng, cũng không có điện tích, nó chỉ đóng vai trò truyền tương tác điện từ thông qua tần số dao động của nó.

Lực ma sát sinh ra khi một vật trượt trên vật khác là do tương tác điện từ của các hạt nguyên tử của bề mặt tiếp xúc, lực đàn hồi của lò xo hay lực căng của sợi dây cũng là tương tác điện từ do sự thay đổi khoảng cách của các nguyên tử với nhau dẫn tới thay đổi độ lớn của tương tác so với trạng thái ổn định ban đầu, lực do cơ bắp sinh ra khi bạn nâng một vật nặng hay bất cứ cử động gì khác là đàn hồi của các bó cơ nên tất nhiên cũng là tương tác điện từ...

Tương tác mạnh (hay còn gọi là lực hạt nhân mạnh). Tương tác gây ra bởi các loại boson tên là gluon - một loại hạt không khối lượng và không điện tích. Đây là tương tác liên kết giữa các hạt quark, thành phần chính của hai loại baryon là proton và neutron, mà như chúng ta biết là các hạt tạo thành hạt nhân nguyên tử.

Chính nhờ loại tương tác này nên các baryon mới hình thành và cũng chính nó liên kết các proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử với nhau (proton mang điện cùng dấu nên phát sinh lực điện từ đẩy lẫn nhau, nhờ sự có mặt các neutron nên hạt nhân nguyên tử mới tồn tại được).

Tương tác mạnh là loại tương tác mạnh nhất trong các tương tác cơ bản của tự nhiên, nhưng nó cũng có phạm vi tác dụng ngắn nhất.

Mô phỏng lực trong vũ trụ.

Ngoài phạm vi bán kính của hạt nhân nguyên tử thì tương tác mạnh không phát huy tác dụng và tất nhiên đó cũng là lý do vật chất có thể tồn tại như ngày nay vì với độ lớn của tương tác này mà nó có thể tác dụng xa như đối với tương tác điện từ thì sẽ không có sự tồn tại các nguyên tử với lớp vỏ electron do chúng sẽ bị nghiền nát bởi lực hút giữa chính các hạt nhân với nhau (vì lực này mạnh hơn rất nhiều lực đẩy điện từ giữa các hạt nhân).

Tương tác yếu (hay lực hạt nhân yếu) đóng vai trò gây ra phân rã beta của neutron, qua đó gây nên hiện tượng phân rã hạt nhân như phóng xạ, phân hạch. Bản thân các neutron không bền khi đứng độc lập, chúng chỉ bền khi liên kết với proton.

Khi đứng độc lập, neutron có thể hấp thụ hoặc phát xạ boson W hoặc Z và bị phân rã beta tạo thành một proton, một electron và một phần neutron.

Hạt nhân các nguyên tố nặng có nhiều proton và tương ứng cần nhiều neutron để giữ cho các proton không đẩy lẫn nhau. Nhưng đồng thời khi nhiều neutron, sẽ có những neutron bị cách ly khỏi proton, thoát khỏi tầm tác dụng của tương tác mạnh.

Khi đó tương tác yếu làm chúng bị phân rã và khiến hạt nhân trở nên không bền. Những nguyên tố mà hạt nhân có hiện tượng này được gọi là nguyên tố phóng xạ. Hạt nhân càng nặng càng không bền, và do đó tương tác yếu chính là thứ giữ cho số lượng nguyên tố trong vũ trụ là hữu hạn chứ không phải vô hạn.

Mô hình chuẩn của vật lý hạt

Ba loại tương tác vừa nêu ngày nay đã được mô tả thống nhất trong mô hình chuẩn của vật lý hạt. Theo mô hình chuẩn, ở điều kiện năng lượng đủ cao, các tương tác này thống nhất với nhau, mặc dù như nội dung đã nêu thì dường như chúng rất khác nhau về cơ chế.

Trong mô hình vũ trụ học lấy thuyết Big Bang làm cơ sở thì giai đoạn đầu tiên của vũ trụ từ khi tuổi vũ trụ là 10–43s tới thời điểm 20-36s vũ trụ trải qua giai đoạn được gọi là kỷ nguyên thống nhất lớn, trong đó ba loại tương tác vừa nêu chưa được tách khỏi nhau.

Ngay sau kỷ nguyên thống nhất lớn là kỷ nguyên điện yếu, khi đó tương tác mạnh đã tách ra nhưng hai tương tác còn lại vẫn thống nhất với nhau, được gọi là tương tác điện yếu. Tới kỷ nguyên quark, khi tuổi của vũ trụ là 10-12s, vũ trụ mới đủ nguội để tương tác điện từ và tương tác yếu tách ra khỏi nhau.

Tương tác có xu hướng kéo các vật thể và hạt có khối lượng về phía nhau. (Ảnh minh họa).

Tương tác hấp dẫn (hay lực hấp dẫn)

Tương tác có xu hướng kéo các vật thể và hạt có khối lượng về phía nhau. Đây là tương tác yếu nhất trong 4 tương tác cơ bản của tự nhiên nếu xét trên cùng một đối tượng nhất định, nhưng nó lại là tương tác có phạm vi tác dụng xa nhất.

Nó đóng vai trò chính trong việc tạo thành các cấu trúc lớn của vũ trụ, từ các sao, hành tinh, tiểu hành tinh, vệ tinh cho tới các thiên hà, cụm và siêu cụm thiên hà. Trái đất và các hành tinh chuyển động quanh Mặt trời cũng do tác dụng của loại tương tác này.

Mặc dù là lực yếu nhất, nhưng hấp dẫn không chỉ có phạm vi dài nhất mà còn là lực không thể bị cản lại, mọi môi trường không trọng lượng nhân tạo hay tấm vật liệu cách ly với lực hấp dẫn trong các bộ phim viễn tưởng đều là phản khoa học.

Nó không thể xảy ra không phải do công nghệ mà do nguyên lý chung của vũ trụ. Cũng vì lý do này, hấp dẫn đồng thời là loại lực gây ra những hiện tượng dữ dội nhất trong vũ trụ mà điển hình là sự sụp đổ vật chất tạo thành các sao neutron hay các lỗ đen và lỗ đen siêu nặng.

Trong hiện tượng này, nhờ lượng vật chất quá lớn nên lực hấp dẫn đủ để thắng được lực điện từ và lực tương tác mạnh khiến cho cấu trúc vật chất bị phá hủy. Lực hấp dẫn rất phổ biến với đời sống hàng ngày như việc chúng ta có thể đứng trên mặt đất và các vật được tung lên cao đều rơi xuống là do lực hấp dẫn.

Một số biểu hiện được gọi tên là lực chẳng hạn như lực cản của mặt đất khi bạn đang đứng trên đó hay lực đất Archimedes trong chất lỏng, chẳng qua chỉ là những biểu hiện gián tiếp của lực hấp dẫn.

Lý do mà loại lực phổ biến này được nhắc tới sau cùng trong bài viết bởi nó là loại tương tác duy nhất trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên không được đưa vào mô hình chuẩn.

Có tương tác cơ bản thứ năm không?

Việc tồn tại một tương tác thứ năm của tự nhiên vẫn được nhiều nhà khoa học tin tưởng, nhất là từ khi sự có mặt của vật chất tối được xác nhận. Tới nay đã có một số thí nghiệm cho thấy sự tham gia của một biến thiên lạ mà được cho rằng có thể là một tương tác quá nhỏ chưa từng được biết tới.

Nhưng tới hiện tại, tương tác thứ năm chưa có bất cứ mô tả cụ thể nào. Do vậy, số lượng tương tác cơ bản của tự nhiên vẫn chỉ là bốn, với ba tương tác thống nhất trong mô hình chuẩn và tương tác hấp dẫn đứng độc lập với chúng.

Cập nhật: 24/05/2021 Theo GDTĐ