Thế giới đối xứng bị phá vỡ

Có những quan niệm về vẻ đẹp khác nhau. Có quan niệm cho rằng vẻ đẹp phải đăng đối, cân xứng. Vẻ đẹp kiến trúc cổ điển thường được biểu hiện ở tính đối xứng của cấu trúc. Tự nhiên, ở nhiều dạng tồn tại, cho thấy vẻ đẹp của mình ở dạng đối xứng. Chiếc lá phong mùa thu đỏ rực đối xứng qua một mặt gương đặt dọc theo sống lá chính. Giọt nước mưa tí tách rỏ xuống từ mái tranh trong một đêm thu đối xứng quanh trục quay dọc theo giọt nước. Thiên nhiên tưởng chừng như ưu ái vẻ đẹp đối xứng. Nhưng cái đối xứng của lá phong đó, của giọt nước mưa đó là đối xứng của hình khối. Ở đấy chưa có sự tác động của các quy luật vật lý của tự nhiên. Quy luật của tự nhiên dường như khởi đầu ở đối xứng và sau đó đã đánh mất đối xứng của mình, và kết quả chỉ còn lại một thế giới đối xứng đã bị phá vỡ. Hoài vọng của con người là làm sao có thể biết được thế giới chúng ta đang sống có đối xứng không và nếu như đối xứng đã bị phá vỡ thì chúng bị phá vỡ như thế nào, đâu là đối xứng đã mất.

Một con lừa đứng giữa hai bó cỏ giống nhau. Con lừa phân vân lưỡng lự không biết chọn bó cỏ nào ngon hơn. Con lừa đang ở tâm điểm đối xứng giữa hai bó cỏ. Con lừa sẽ chết đói vì không biết chọn bó cỏ nào và đối xứng giữa hai bó cỏ sẽ được bảo toàn. Nhưng thực tế có phải vậy không? Liệu con lừa có thể chết đói không? Không, con lừa sẽ chọn một bó cỏ để xơi. Cái đối xứng giữa hai bó cỏ đấy đã bị phá vỡ. Phá vỡ vì sự sống. Một phá vỡ hoàn toàn tự phát. Giống như câu chuyện của con lừa, tự nhiên phá vỡ đối xứng của mình một cách tự phát để hưởng lợi. Cái lợi thu được là sự ổn định, bền vững và trường tồn.

Những quy luật vật lý của tự nhiên thường được thể hiện qua các lý thuyết, mô hình, phương trình. Toàn bộ cơ học ở thế giới vĩ mô được mô tả bằng ba định luật Newton bất hủ. Cơ học Newton của một hệ vĩ mô bất biến khi tiến hành một phép quay hay phép tịnh tiến lên hệ. Nói một cách khác cơ học Newton có tính đối xứng của phép quay và phép tịnh tiến, giống như chiếc lá phong mùa thu bất biến khi ta soi nó qua một mặt gương dọc theo sống lá. Nhưng khác với đối xứng của chiếc lá phong, đối xứng trong cơ học Newton không phải là đối xứng của hình khối, mà là đối xứng trong chuyển động của các vật chất. Thực tế cuộc sống trên trái đất cho thấy quả táo chỉ có thể rơi xuống theo chiều thẳng đứng. Nó không thể bay lên hay bay ngang nếu ta không ném nó, tức là ta phải tác động thêm một lực vào quả táo. Như vậy có một hướng trong không gian, hướng thẳng đứng xuống, có ưu thế hơn so với các hướng khác. Tính đối xứng đẳng hướng đã bị phá vỡ. Sự phá vỡ đối xứng ở đây không phải tự phát. Đối xứng bị phá vỡ do sự có mặt của trái đất. Trái đất đã tạo ra một trường lực, trường hấp dẫn, tác động lên quả táo, và trường này đã phá vỡ tính đối xứng đẳng hướng. Quả táo rơi xuống mặt đất vì làm như vậy nó sẽ thu được lợi về năng lượng. Nếu ta ném quả táo bay lên, ta phải tiêu tốn một lượng năng lượng nhất định. Cũng giống như vậy các dòng sông đều trôi ra biển, chúng trôi từ nơi cao xuống nơi thấp để thu lợi về năng lượng. Chúng ta đang sống trong một thế giới mà đối xứng đẳng hướng đã không còn nữa. Chỉ có trong thơ ca các dòng sông mới chảy lên trời như Vương Chi Hoán, một nhà thơ thời Đường, từng viết "Hoàng hà viễn thướng bạch vân gian", Hoàng hà xa xa đang leo lên đám mây trắng. Câu thơ của Vương Chi Hoán như một hoài vọng về đối xứng đã mất, đã không còn nữa, những gì còn lại chỉ là một huyễn ảo mê hoặc tâm can con người.

Như vậy đối xứng có thể bị phá vỡ. Chúng có thể bị phá vỡ một cách tự phát, hay bị một trường ngoài cưỡng bức phá vỡ. Rừng phong vàng rực trong chiều thu là một phong cảnh rất quyến rũ. Để có một màu vàng rực đó mỗi chiếc lá phong đã phải đỏ vàng khi gió thu về. Mỗi chiếc lá phong riêng rẽ lại có những đối xứng của riêng mình như đối xứng qua mặt gương dọc theo sống lá. Mỗi chiếc lá phong lại được cấu tạo từ vô số nguyên tử nhỏ bé. Mỗi nguyên tử nhỏ bé lại được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn, điện tử và nucleon. Các nucleon lại được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn nữa, các hạt quark. Các hạt quark được coi như là những viên gạch nền tảng xây dựng toàn bộ thế giới này. Giống như trong rừng phong, mỗi chiếc lá phong có tính đối xứng của mình, dưới cấu trúc nguyên tử, các hạt cơ bản cũng có những tính đối xứng của mình. Giống như chiếc lá phong, trong thế giới các hạt cơ bản có đối xứng gương hay đối xứng chẵn lẻ, tức là đối xứng mà các tọa độ không gian bị lật ngược lại như phản chiếu qua một tấm gương. Nếu như chúng ta lật đi rồi lại lật tiếp thì không gian lại trở về như cũ. Do đó chỉ có hai khả năng có thể xảy ra, hoặc trạng thái của hạt không thay đổi, hoặc trạng thái đổi dấu khi ta lật một lần các tọa độ không gian. Chính vì đặc điểm này mà đối xứng gương trong thế giới các hạt cơ bản còn được gọi là đối xứng chẵn lẻ. Các hạt có tính đối xứng chẵn nếu trạng thái của nó không đổi dấu khi các tọa độ không gian lật qua tấm gương, là là lẻ khi ngược lại. Người ta ký hiệu đối xứng này bằng chữ P, chữ cái đầu của từ Parity, tính chẵn lẻ. Bên cạnh đối xứng gương, các hạt cơ bản còn có đối xứng điện tích. Đối xứng điện tích là đối xứng khi điện tích hạt bị đổi dấu ngược lại. Electron đổi dấu điện tích trở thành positron. Người ta còn gọi các hạt có cùng khối lượng nhưng khác dấu điện tích là phản hạt. Phép đối xứng điện tích biến các hạt thành phản hạt của chúng. Phép đối xứng này được ký hiệu bằng chữ C, chữ cái đầu của từ Charge, điện tích. Đối xứng khác nữa của thế giới các hạt cơ bản là đối xứng thời gian. Đối xứng thời gian là thời gian đổi chiều ngược lại, từa tựa như một bộ phim bị tua ngược lại. Đối xứng thời gian được ký hiệu bằng chữ T, chữ cái đầu của từ Time, thời gian. Người ta nhận thấy tự nhiên tôn trọng đối xứng CPT, có nghĩa là khi thế giới được đối xứng qua gương, các vật chất biến thành phản vật chất và thời gian quay ngược lại thì cái thế giới đấy sẽ giống y chang như cái thế giới này. Trong cái thế giới đối xứng qua gương đó, một phản-tôi đang ngồi viết những dòng chữ này khi thời gian lùi về quá khứ. Nhưng dưới tổ hợp đồng thời 3 đối xứng đấy, tự nhiên có còn tôn trọng các tổ hợp đối xứng khác nữa không? Đầu tiên người ta nghĩ đến đối xứng P, đối xứng gương hay đối xứng chẵn lẻ. Liệu có hai thế giới giống như nhau nhưng tính chẵn lẻ khác nhau? Tất cả các vật chất trong tự nhiên chịu sự chi phối của 4 loại tương tác cơ bản: tương tác hấp dẫn giữa các vật có khối lượng, tương tác điện từ giữa các điện tích, tương tác yếu giữa các hạt cơ bản bằng cách trao đổi các hạt boson nặng, và tương tác mạnh giữa các hạt quark và gluon. Đối với tương tác điện từ, tương tác giữa các điện tích và tương tác mạnh, tương tác giữa các hạt trong hạt nhân, tính đối xứng chẵn lẻ được tôn trọng. Nhưng đối với tương tác yếu, tương tác đã khiến cho mặt trời và các vì sao phát sáng, người ta ngờ rằng đối xứng gương không được tôn trọng. Dương Chấn Ninh (Chen-Ning Yang) và Lý Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) đã giải quyết vấn đề này và hai ông đã được trao giải thưởng Nobel về lý thuyết tính đối xứng chẵn lẻ bị vi phạm trong tương tác yếu. Trong đóng góp về khám phá đối xứng này không thể không nói đến một người phụ nữ, nhà vật lý gốc Trung Quốc, Ngô Kiện Hùng (Chien-Shiung Wu), một người phụ nữ có tên gọi rất giống đàn ông. Bà là người đã tiến hành thí nghiệm khẳng định lý thuyết của họ Dương và Lý rằng tương tác yếu đã vi phạm tính chẵn lẻ. Một người phụ nữ trong xã hội Trung Hoa có học vấn trên đại học thưở còn Trung Hoa dân quốc đã là một điều khó. Người phụ nữ đó lại có những đóng góp cơ bản cho nhận thức của nhân loại về tự nhiên quả là một điều phi thường. Nếu đối xứng P đã bị vi phạm thì liệu đối xứng CP có thể được không? Đối xứng CP là đối xứng qua gương và đồng thời hạt biến thành phản hạt. Liệu có một thế giới chẵn và một phản thế giới lẻ giống như nhau không? Khác với đối xứng gương trước đây, lý thuyết đi trước thực nghiệm, lần này thực nghiệm phát hiện trước đối xứng CP bị vi phạm trong một thí nghiệm phân rã một loại hạt meson có tên là kaon. Với phát hiện này hai nhà vật lý Cronin và Fitch đã được trao giải thưởng Nobel. Đối xứng CP bị vi phạm cho thấy các quy luật vật lý trong thế giới vật chất và thế giới phản vật chất khác nhau. Vấn đề đối xứng CP bị vi phạm đặt ra cho nhà vật lý lý thuyết đi tìm câu trả lời tại sao tự nhiên lại làm như vậy? Hai nhà vật lý Nhật Bản Kobayashi và Maskawa đã tìm ra đúng câu trả lời. Để trả lời câu hỏi về bí ẩn của đối xứng CP một cặp hạt quark nữa cần phải đưa vào trong lý thuyết tính toán. Kết quả là lý thuyết cần 6 hạt quark, tạo thành 3 cặp thế hệ. Với lý thuyết về đối xứng phá vỡ cùng với tiên đoán ba cặp hạt quark đã đem lại cho Kobayashi và Maskawa giải thưởng Nobel năm 2008.

Kết quả của câu chuyện về con lừa và đối xứng giữa hai bó cỏ bị phá vỡ tự phát là con lừa no bụng. Vậy tự nhiên khi làm đối xứng bị phá vỡ một cách tự phát thì có phát sinh ra gì không? Khi đối xứng bị phá vỡ một cách tự phát có một loại hạt boson không có khối lượng xuất hiện. Người ta gọi đó là hạt boson Goldstone hay Nambu-Goldstone để kỷ niệm hai nhà vật lý đã tìm ra lý thuyết về chúng. Mặc dù tên gọi hạt boson Goldstone được phổ biến hơn, nhưng công trình của Nambu lại xuất hiện trước công trình của Goldstone. Tuy nhiên cũng phải nói rằng Goldstone phát biểu định lý về phá vỡ đối xứng tự phát này một cách rõ ràng hơn Nambu. Mặc dù vậy giải thưởng Nobel năm nay lại trao cho Nambu về khám phá cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát trong vật lý hạ nguyên tử. Ủy ban giải thưởng Nobel đã rất cẩn thận khi viết rõ rằng đây là giải thưởng cho lý thuyết đối xứng tự phát trong vật lý hạ nguyên tử, không phải là lý thuyết đối xứng tự phát nói chung. Câu chuyện về phá vỡ đối xứng tự phát sẽ không dừng lại ở đây. Tháng trước một máy gia tốc hạt cực mạnh đời mới LHC của CERN ở Geneva bắt đầu chạy trong cuộc tìm kiếm hạt Higgs, một loại hạt xuất hiện khi có phá vỡ đối xứng tự phát trong lý thuyết chuẩn. Đây là cuộc tìm kiếm được cho là kỳ vọng nhất hiện nay và hứa hẹn nhiều điều hấp dẫn trong công cuộc đi tìm đối xứng đã mất của tự nhiên.

Khi viết về Nghệ thuật tiểu thuyết Kundera có dẫn mấy câu thơ của Skacel:

Các nhà thơ không sáng chế ra các bài thơ
Bài thơ nằm đâu đó ở phía sau kia
Lâu lắm rồi nó vẫn ở đó
Nhà thơ chỉ có việc khám phá ra nó.

Vật lý cũng giống như thơ. Các nhà vật lý không sáng chế ra các lý thuyết. Các lý thuyết nằm ở đâu đó đằng sau kia và họ chỉ có việc khám phá ra nó. Khám phá ra các lý thuyết - những bài thơ của tự nhiên, những vẻ đẹp của tự nhiên luôn là những điều hấp dẫn. Trên con đường khám phá đó nếu anh không khám phá được gì thì đó cũng không phải là một điều đáng chán vì trên con đường đấy anh đã có được những thẩm mỹ về vẻ đẹp quyến rũ đến nao lòng của tự nhiên. Nghe nhạc không thấy hay, xem tranh không thấy thích, đó là một sự thiệt thòi và cũng là một khiếm khuyết về thẩm mỹ. Trước vẻ đẹp của tự nhiên, từ vũ trụ bao la đến các hạt bé tí, từ thời gian vô cùng đến một sát na, nếu không cảm được vẻ đẹp của chúng thì đấy cũng là một thiệt thòi và cũng là một khiếm khuyết về thẩm mỹ.