Vật chất sinh ra từ hư không!

Khái niệm "điên rồ" nhất nhưng lại là nền tảng của vật lý hạt hiện đại: Sự thăng hoa lượng tử (Quantum Fluctuations). Trong chân không luôn có các hạt và phản hạt sinh ra và triệt tiêu lẫn nhau. Nhưng trong một số trường hợp có thể số hạt sinh ra lớn hơn và đó là cách vật chất xuất hiện

1. Chân không không hề trống rỗng

Theo Thuyết trường lượng tử, chân không không phải là hư vô, mà là một "biển" năng lượng luôn dao động.

• Các cặp hạt và phản hạt (ví dụ: electron và positron) liên tục sinh ra từ hư không, mượn năng lượng của vũ trụ, sau đó va vào nhau và triệt tiêu (annihilate) gần như ngay lập tức để trả lại năng lượng đó.

• Chúng được gọi là hạt ảo (virtual particles) vì chúng tồn tại trong thời gian quá ngắn để ta có thể quan sát trực tiếp.

2. Làm sao để hạt ảo trở thành hạt thật?

Để các hạt này không triệt tiêu nhau mà trở thành vật chất thực thụ (như những nguyên tử tạo nên bạn và tôi), chúng cần một "cú hích" năng lượng từ bên ngoài để trả nợ cho vũ trụ. Có hai kịch bản chính:

A. Bức xạ Hawking (Tại rìa lỗ đen)

Khi một cặp hạt - phản hạt sinh ra ngay tại Chân trời sự kiện của lỗ đen:

1. Một hạt bị hút vào trong lỗ đen.

2. Hạt còn lại thoát ra ngoài. Vì không còn bạn đời để triệt tiêu, hạt thoát ra trở thành hạt thật. Đây là cách lỗ đen "bay hơi" và vật chất/năng lượng được đưa ngược lại vũ trụ.

B. Lạm phát vũ trụ (Big Bang)

Đây chính là việc "số hạt sinh ra lớn hơn". Trong giai đoạn cực ngắn sau Big Bang (gọi là kỷ nguyên Lạm phát):

• Vũ trụ giãn nở với tốc độ khủng khiếp (nhanh hơn ánh sáng).

• Không gian giãn ra nhanh đến mức các cặp hạt - phản hạt vừa sinh ra đã bị đẩy ra xa nhau, không kịp gặp lại để triệt tiêu.

• Những hạt ảo này bị "đóng băng" và trở thành hạt thật. Đây chính là nguồn gốc của toàn bộ vật chất trong vũ trụ ngày nay.

3. Bí ẩn về sự bất đối xứng (Tại sao vật chất lại nhiều hơn?)

Nếu hạt và phản hạt luôn sinh ra theo cặp, thì đáng lẽ chúng phải triệt tiêu sạch sẽ và vũ trụ chỉ còn lại ánh sáng. Nhưng thực tế, chúng ta đang sống trong một vũ trụ toàn vật chất.

Các nhà vật lý cho rằng đã có một sự sai lệch cực nhỏ (gọi là Vi phạm tính đối xứng CP): Cứ khoảng 1 tỷ cặp hạt - phản hạt triệt tiêu nhau, thì lại dư ra 1 hạt vật chất. Sự dư thừa nhỏ nhoi đó chính là tất cả các thiên hà, ngôi sao và chúng ta hiện nay.

4. Thí nghiệm Casimir để "chứng minh" sự tồn tại của các hạt ảo 

Thí nghiệm này có tên là Hiệu ứng Casimir (đặt theo tên nhà vật lý Hendrik Casimir), được thực hiện lần đầu vào năm 1948. Đây là bằng chứng thực tế nhất cho thấy "chân không" thực sự có năng lượng và các hạt ảo không chỉ là lý thuyết suông.

Cách các nhà khoa học "bẫy" chân không diễn ra như sau:

________________________________________

A. Cách thiết lập thí nghiệm

Người ta đặt hai tấm kim loại cực phẳng, không tích điện, song song với nhau trong một môi trường chân không tuyệt đối.

• Theo vật lý cổ điển: Vì hai tấm này không tích điện, không có từ tính, nên sẽ chẳng có lực nào tác động lên chúng cả. Chúng sẽ đứng yên.

• Theo vật lý lượng tử: Giữa hai tấm và bên ngoài hai tấm đều đầy rẫy các hạt ảo sinh ra và mất đi liên tục dưới dạng các sóng năng lượng.

Thông thường, hai vật thể bất kỳ luôn có những lực tương tác "vụn vặt" như lực vạn vật hấp dẫn hoặc lực tĩnh điện do các electron dư thừa.

Tuy nhiên, để chứng minh lực này đến từ chân không (Hiệu ứng Casimir) chứ không phải do điện tích hay trọng lực, các nhà khoa học đã phải thực hiện những biện pháp cực kỳ nghiêm ngặt:

 Loại bỏ các "nghi phạm" gây nhiễu

• Điện tích (Lực tĩnh điện): Đây là nghi phạm lớn nhất. Để loại bỏ nó, các nhà khoa học nối hai tấm kim loại với nhau bằng một dây dẫn điện (nối đất). Việc này giúp triệt tiêu hoàn toàn sự chênh lệch điện thế, đảm bảo hai tấm đều ở trạng thái trung hòa về điện.

• Trọng lực: Ở quy mô nguyên tử, lực hấp dẫn giữa hai tấm kim loại nhỏ đến mức không thể đo được bằng thiết bị thông thường. Nó yếu hơn lực Casimir hàng tỷ tỷ lần.

• Lực Van der Waals: Đây là lực hút giữa các phân tử. Để không nhầm lẫn, các nhà khoa học phải đặt hai tấm ở khoảng cách đủ xa để lực Van der Waals không chiếm ưu thế, nhưng đủ gần để hiệu ứng lượng tử của chân không xuất hiện rõ rệt.

 Sự khác biệt nằm ở "Khoảng cách"

Điểm mấu chốt để phân biệt lực Casimir với các lực khác là cách nó thay đổi theo khoảng cách:

• Lực tĩnh điện (F) tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách: F∝r21.

• Lực Casimir tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của khoảng cách: F∝r41.

Khi các nhà khoa học thay đổi khoảng cách giữa hai tấm kim loại và đo lực, kết quả khớp hoàn hảo với công thức lũy thừa bậc 4 của thuyết lượng tử. Điều này giống như việc tìm thấy một dấu vân tay đặc biệt tại hiện trường — chỉ có "năng lượng chân không" mới có kiểu tác động đặc thù như vậy.

 B. Sự "chen chúc" của các hạt ảo

Đây là phần thú vị nhất:

• Bên ngoài hai tấm: Không gian là vô hạn, nên các hạt ảo có thể sinh ra với mọi bước sóng khác nhau (giống như mọi loại nhạc cụ trong một dàn nhạc).

• Bên trong hai tấm: Vì khoảng cách giữa hai tấm rất hẹp, chỉ những hạt ảo có bước sóng "vừa vặn" với khoảng cách đó mới có thể tồn tại (giống như việc bạn không thể đưa một chiếc đàn violin quá to vào một cái hộp nhỏ).

Kết quả là số lượng hạt ảo ở bên ngoài nhiều hơn và mạnh hơn so với số lượng hạt ảo ở bên trong.

C. "Cú đẩy" từ hư vô

Chính sự chênh lệch này tạo ra một áp suất: Các hạt ảo bên ngoài đẩy hai tấm kim loại lại gần nhau.

• Khi các nhà khoa học đo đạc, họ thấy hai tấm kim loại thực sự bị hút vào nhau bằng một lực rất nhỏ nhưng hoàn toàn có thể đo được.

• Lực này không đến từ điện môi, không đến từ trọng lực, mà đến từ chính năng lượng của chân không.

Hãy tưởng tượng chân không như một mặt biển. Ngay cả khi không có sóng lớn, mặt nước vẫn luôn có những gợn lăn tăn nhỏ (dao động lượng tử).

• Bên ngoài hai tấm, các gợn sóng có đủ mọi kích thước.

• Bên trong hai tấm, không gian quá hẹp nên chỉ có những gợn sóng cực nhỏ mới lách vào được.

Chính sự chênh lệch về "mật độ sóng" này tạo ra một áp suất đẩy hai tấm lại gần nhau.

_______________________________________

Một sự thật thú vị: Nếu để hai tấm kim loại này cách nhau chỉ một vài phần triệu mét, áp suất mà chân không tạo ra tương đương với khoảng 1 bầu khí quyển (1 bar). Không hề nhỏ chút nào đối với một thứ sinh ra từ "không có gì"!