LÝ DO ĐỂ VŨ TRỤ TỒN TẠI

Từ khởi thủy của vũ trụ với một vụ nổ lớn (Big Bang) cách đây 13,5 tỷ năm thì vật chất và phản vật chất hoàn toàn cân bằng ở mọi khía cạnh (số lượng, năng lượng, động lượng, các lực lượng tử v.v…). Về mặt lý luận năng lượng lượng tử, hai cá thể vật chất và phản vật chất gặp nhau thì hút nhau mãnh liệt bằng lực tĩnh điện + từ lực lượng tử và hoàn toàn biến thành năng lượng (vụ nổ ở mọi cấp độ và qui mô vật lý). Do đó sự cân bằng tuyệt đối giữa vật chất và phản vật chất đưa đến hiệu quả tất yêu là cả hai đều không tồn tại.

Nghĩa là vũ trụ không có lý do để tồn tại như hiện nay. Nói khác đi, sự tồn tại của vũ trụ như hiện nay là phi lý tính, là bí ẩn khó giải đoán.

Nhiều trường phài Khoa học tìm cách giải thích sự tồn tại “phi lý” này của vũ trụ:  

– Vũ trụ đã bất đối xứng từ khởi thủy (nghĩa là cứ n phản hạt thì có n+1 hạt, do đó mà vũ trụ hiện tại là tồn dư của các vụ nổ phản hạt từ Big Bang. Tuy nhiên như thế thì lẽ ra phản hạt và phản vật chất không thể tồn tại trong khi chúng vẫn đang tồn tại).

– Vật chất và phản vật chất khác nhau về từ tính (giả thuyết này nhanh chóng phá sản vì các thí nghiệm Lượng Tử gần nhất cho thấy hạt và phản hạt hoàn toàn không khác nhau về spin và từ tính) hoặc chúng khác nhau về cách thăng – giáng Lượng Tử đối với lực hấp dẫn (nghĩa là vật chất tiến đến gần nguồn lực hấp dẫn còn phản vật chất thì tách xa khỏi nguồn hấp dẫn. Giả thuyết này cũng phá sản vì các đo lường ở CERN/Âu Châu cho thấy không có sự sai khác này).

– Ghi nhận gần đây về Vật Chất Tối cho thấy “hình như” vật chất và phản vật chất đáp ứng hoàn toàn khác nhau với tác động của Vật chất tối và năng lượng tối.

Nói khác đi, nhân loại đã tìm được căn nguyên để vật chất và phản vật chất có sai khác, và đó chính là nguyên nhân để vũ trụ tồn tại như hiện nay.

Tuy nhiên, oái oăm ở chỗ là chúng ta chưa biết được bất cứ thứ gì về vật chất tối và năng lượng tối, ngoài việc biết rằng vật chất tối và năng lượng tối chiếm tuyệt đại đa số trong vũ trụ (95% vũ trụ).

Các khái niệm:

1/. Hạt: là thành phần căn bản nhất của thế giới vật chất, là cơ sở tồn tại của vật chất và năng lượng. Khác với kiến thức cơ sở chỉ có 3 loại hạt chính là Proton, Electron và Neutron, thì Khoa Học Lượng Tử liệt kê đến hơn 300 loại hạt, chia làm hai nhóm : Hạt Sơ Cấp và Hạt Lý Thuyết.

a/. Hạt Sơ Cấp (khoảng 240): bao gồm các nhóm 

– Fermion: Fermion là nhóm các hạt có spin bán nguyên, tuân theo thống kê Fermi–Dirac và Nguyên lý loại trừ Pauli.

– Quark: Quark là thành phần cơ bản tạo nên các hạt tổ hợp hadron, bao gồm sáu loại phân chia theo hướng: quark lên, quark xuống, quark duyên, quark lạ, quark đỉnh và quark đáy. Do sự giam hãm màu, các hạt quark không tồn tại riêng lẻ mà luôn ở dạng kết hợp cấu thành các hạt khác.

– Lepton: Nhóm lepton gồm 12 hạt có spin bán nguyên không tham gia trong tương tác mạnh: Điện tử và Positron, Muyon và phản Muyon, Tauon và phản Tauon, 3 hạt Neutrino (νe, νμ và ντ) và 3 phản hạt của chúng (νe, νμ và ντ).

– Boson: Boson là nhóm các hạt sơ cấp có spin nguyên, tuân theo thống kê Bose-Einstein, bao gồm các hạt mang tương tác điện từ (Photon), tương tác yếu (Boson W và Z), tương tác mạnh (Gluon), tương tác hấp dẫn (Graviton) và hạt Higgs.

b/. Hạt Lý Thuyết: Lý thuyết siêu đối xứng dự đoán sự tồn tại của hạt Lý Thuyết nhiều hơn cả tổng lượng hạt Sơ Cấp, và vẫn đang chờ thực nghiệm xác định sự tồn tại của nó.

2/. Vật chất tồn tại do sự ghép các hạt vào trong cấu trúc cơ sở rất đa dạng gọi là các nguyên tử (Atoms); các nguyên tử kết hợp bằng rất nhiều dạng tạo thành Phân tử. Phân tử là một nhóm trung hòa điện tích có nhiều hơn 2 nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học. Phân tử được phân biệt với các ion là do chúng không có tích điện. Nguyên tử của phân tử có thể từ một nguyên tố (đơn chất, ví dụ: O2, H2, P4,…) hay nhiều nguyên tố hóa học (hợp chất, như H2O, NH3, CaCO3,…). Các phân tử + các nguyên tử + chân không tạo thành thế giới vật chất.

3/. Phản Vật Chất: là khái niệm vật lý, là tồn tại được cấu tạo từ những phản hạt cơ bản như phản proton, phản electron, phản neutron,…

a/. Thông qua các bước tính toán phức tạp, Dirac đã vạch định ra hướng để tổng quát hóa hai thuyết hoàn toàn riêng rẽ là Cơ Học Lượng Tử và Thuyết Einstein mở rộng. Ông đã giải thích việc làm sao mọi vật càng nhỏ thì vận tốc càng lớn; trong trường hợp đó, các electron có vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Đó là một thành công đáng kể, nhưng Dirac không chỉ dừng lại ở đó, ông nhận ra rằng các bước tính toán của ông vẫn hợp lệ nếu electron vừa có thể có điện tích âm, vừa có thể có điện tích dương – đây là một kết quả ngoài tầm mong đợi.

b/. Dirac biện luận rằng, kết quả khác thường này chỉ ra sự tồn tại của một  “phản hạt” của electron, chúng hình thành nên một “cặp ma quỷ”. Trên thực tế, mọi hạt đều có “đối hạt” của nó, cùng với những tính chất tương đồng, duy chỉ có sự đối lập về mặt điện tích. Và giống như proton, neutron và electron hình thành nên các nguyên tử và vật chất, các phản proton, phản neutron, positron (còn được gọi là phản electron) hình thành nên phản nguyên tử và phản vật chất. Nghiên cứu của ông dẫn đến một suy đoán rằng có thể tồn tại một “Phản Vũ trụ” cấu tạo bởi phản vật chất.

c/. Một trong những hiểu biết mang tính kịch bản đó là vật chất và phản vật chất kết hợp lại sẽ tạo ra một vụ nổ lớn. Giống như những cặp tình nhân gặp nhau trong ngày sau cùng vậy, vật chất và phản vật chất ngay lập tức hút nhau do có điện tích ngược nhau, và tự phá hủy nhau. Do sự tự huỷ tạo ra bức xạ, chúng ta có thể sử dụng các thiết bị để đo “tàn dư” của những vụ va chạm này. Chưa có một thí nghiệm nào có khả năng dò ra được các phản thiên hà và sự trải rộng của phản vật chất trong vũ trụ. Khoa học hiện đại vẫn gửi các tín hiệu thăm dò để quan sát sự tồn tại các phản thiên hà.

Nguồn: Thầy Wambua Dominic & Hoàng Sa, 8/12/2018.