Tất nhiên, tôi cũng hình dung được mức độ khó khăn rất lớn và rất phức tạp trong những dự án đại khoa học này. Dù không chuyên nhưng tôi cũng biết, ở mức hạ nguyên tử, việc khám phá cấu trúc của vật chất đòi hỏi những nỗ lực rất lớn. Lý do là ở mức này, muốn tìm hiểu xem nguyên tử được cấu tạo bởi những hạt nào, và các hạt đó liệu đã là đơn vị cấu tạo cuối cùng của vật chất hay chưa, thì không còn cách nào khác là phải “đập vỡ” nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử ra để xem xét. Điều này đòi hỏi năng lượng cực lớn, và những công nghệ rất phức tạp. Nên mãi đến cuối thế kỷ XX, việc thăm dò những cấu trúc sâu của vật chất, mới có khả năng thực hiện được thông qua các máy gia tốc hạt lớn, như máy LHC ở CERN.

Chỉ riêng một chi tiết rất nhỏ này thôi cũng đủ để hình dung sự phức tạp của các thực nghiệm trong LHC. Đó là hệ thống này vận hành trong môi trường chân không siêu cao. Với những thiết bị nhỏ thì việc duy trì chân không là không mấy khó khăn. Nhưng LHC là một thiết bị khổng lồ, có đường kính 27 km, nằm sâu dưới lòng đất 100 m, và tổng độ dài của hệ thống chân không lên đến hơn 60 km, thì lại khác. Chỉ cần có một chỗ rò rỉ, dù bé bằng đầu kim, thì cũng đủ để gây mất chân không và phải dừng thí nghiệm để khắc phục. Nhưng việc này không dễ dàng gì. Tìm một lỗ rò nhỏ xíu trong một hệ thống dài 60 km quả thật không khác gì mò kim đáy bể!

Cũng từ đó, tôi để tâm theo dõi những thành tựu của CERN với tâm trạng của một kẻ yêu thích nhưng chỉ được đứng từ xa ngó vào.

Ngược dòng lịch sử

Ngược dòng lịch sử, thấy rằng: Ngay từ xa xưa, con người đã có tham vọng tìm hiểu cấu trúc sâu xa nhất của vật chất. Mỗi trường phái đều đưa ra những giả thiết khác nhau tùy thuộc vào trải nghiệm và văn hóa của chính họ. Chẳng hạn, trong thời Hy Lạp cổ đại, Thales (624-546. TrCN) cho rằng vạn vật được tạo thành từ nước; Anaximenes (585-528 Tr.CN) lại cho rằng vạn vật được tạo thành từ không khí; Heraclitus (kh. 535-475 Tr.CN), người nổi tiếng với câu nói ‘không ai có thể tắm hai lần trên một dòng sông”, thì cho rằng vạn vật được tạo thành từ Lửa, vì Lửa linh động và thay đổi không ngừng; còn Empedocles (490-430 Tr.CN) lại cho rằng vạn vật được tạo thành bởi bốn nguyên tố là Đất – Nước – Lửa – Không khí, được liên kết với nhau bởi hai loại lực hút và lực đẩy.

Ở phương Đông cũng có những giả thiết tương tự. Nổi bật nhất là hai trường phái Âm – Dương và Ngũ hành. Phái Âm – Dương cho rằng vạn vật đều do hai yếu tố Âm và Dương tương tác mà thành. Còn phái Ngũ hành thì cho rằng vạn vật là do năm yếu tố Kim – Mộc – Thủy – Hỏa – Thổ tương hợp với nhau theo luật Tương sinh – Tương khắc mà tạo thành.

Tuy nhiên, đáng lưu ý là Anaxagoras (500-428 tr. CN) khi cho rằng vạn vật được cấu thành từ vô vàn những vật rất nhỏ, và đặc biệt là quan điểm của Democritus (460-370 Tr.CN) khi cho rằng, vạn vật được tạo thành từ các nguyên tử – tức các phần tử nguyên, nhỏ bé đến mức không thể phân chia thành nhỏ hơn được nữa.

Giả thiết về sự tồn tại của nguyên tử như là thành phần cấu tạo nên vật chất, cuối cùng cũng được khoa học kiểm nghiệm sau hơn hai mươi thế kỷ. Chẳng hạn, năm 1808, Dalton đã tiến hành những thí nghiệm khẳng định sự tồn tại của nguyên tử. Nhưng phải sang thế kỷ XX, lý thuyết về vật lý nguyên tử mới có được những cơ sở chắc chắn, và cuối cùng, phải đến những năm 1980s thì con người mới có thể nhìn trực tiếp nhìn được các nguyên tử thông qua kính hiển nguyên tử lực.

Như vậy, trong 2500 năm qua, con người đã đi qua những nấc thang nhận thức khác nhau về cấu trúc của vật chất. Ban đầu chỉ dừng lại ở những giả thuyết về sự tồn tại của các nguyên tố cơ bản cấu thành vạn vật, sau đó đi xa hơn bằng việc kiểm chứng bằng thực nghiệm sự tồn tại của không chỉ các nguyên tố, mà còn ở đơn vị cấu trúc nhỏ nhất của nó là các nguyên tử, và cuối cùng là ở mức hạ nguyên tử, tức các hạt cơ bản.

Thế giới của nhà vật lý

Nhờ sự phát triển của vật lý ở thế kỷ XX, con người biết được nguyên tử không phải là đơn vị nhỏ nhất để cấu tạo nên vật chất – như gợi ý từ tên gọi của nó. Trên thực tế, các nguyên tử được lại cấu tạo từ các hạt nhỏ bé hơn nữa, gọi là các hạt cơ bản.

Các hạt này được chia làm hai nhóm lớn: nhóm hạt Fermion tạo ra vật chất, như các quarks trong hạt nhân nguyên tử và các electron ở vỏ nguyên tử…; và nhóm các hạt boson tạo ra trường lực như các gluon (hạt truyền lực mạnh), W & Z boson (hạt truyền lực yếu), photon (hạt truyền lực điện từ) và graviton (hạt truyền lực hấp dẫn).

Mọi vật trong vũ trụ, cả dưới dạng chất và trường, đều được tạo thành từ các hạt cơ bản này.

Kích thước của các hạt cơ bản vô cùng nhỏ bé, cỡ một phần triệu tỷ mét. Vì thế, muốn hiểu các hạt này thì phải có các lý thuyết để khảo sát ở kích thước này. Lý thuyết đó là Cơ học Lượng tử.

Theo lý thuyết này thì các hạt nhỏ bé này có các hành xử vô cùng khác lạ so với vật thể vĩ mô trong thế giới thông thường. Chẳng hạn, chúng vừa là sóng, tức có khả năng lan truyền, lại vừa là hạt, tức đứng yên tại chỗ. Thực tế chúng nhảy múa không ngừng. Không gian càng hẹp, chúng nhảy múa càng dữ dội.

Lực ngự trị trong thế giới lượng tử là lực mạnh, lực yếu và lực điện từ, tùy thuộc vào đối tượng khảo sát.

Ở đầu kia của biên giới, tức ở khoảng cách cực lớn, thường chỉ hiện hữu trong các nghiên cứu thiên văn, thì thế giới lại được mô tả bởi một lý thuyết khác. Đó là Thuyết tương đối. Theo thuyết này, thì không gian và thời gian gắn chặt với nhau và không thể tách rời, năng lượng và khối lượng có thể qui đổi cho nhau, và vận tốc ánh sáng là vận tốc giới hạn của vũ trụ.

Lực ngự trị trong thế giới thiên văn là lực hấp dẫn.

Như vậy là có bốn loại lực ngự trị trong tự nhiên, là lực mạnh, lực yếu, lực điện từ và lực hấp dẫn. Hẳn nhiên là bất cứ nhà vật lý nào cũng mong muốn tìm được một lý thuyết có thể thống nhất được cả bốn loại lực trên. Điều này thật cám dỗ, nhưng không dễ. Thực tế, việc thống nhất bốn loại lực trong tự nhiên được coi là thách thức lớn nhất của vật lý hiện đại.

Tuy nhiên, họ đã thành công trong việc thống nhất ba lực yếu, lực mạnh và lực điện từ bằng một lý thuyết, gọi là Mô hình chuẩn – một trong những thành tựu đáng nể của Vật lý thế kỷ XX.

Mô hình chuẩn cho phép giải thích được nhiều điều trong thế giới lượng tử. Chẳng hạn, lý thuyết này đòi hỏi sự tồn tại của các hạt gluon, boson và phonton. Thực nghiệm đã kiểm chứng điều này với độ chính xác rất cao. Trên thực tế, Mô hình chuẩn đóng vai trò dẫn dắt trong các nghiên cứu về vật lý hạt. Trước khi tìm kiếm một hạt mới, người ta có thể tiên đoán chính xác tính chất của hạt đó ra sao.

Nhưng có nhiều câu hỏi còn bỏ ngỏ mà Mô hình chuẩn chưa có câu trả lời. Chẳng hạn, vì sao các hạt cơ bản lại có khối lượng?

Rõ ràng, các thông minh nhất để trả lời câu hỏi này là giả thiết rằng, tồn tại một loại hạt mới, có trách nhiệm mang lại khối lượng cho các hạt cơ bản khác thông qua tương tác với chúng. Ý tưởng này được 6 nhà vật lý đưa ra vào năm 1964. Hạt này sau được gọi là hạt boson Higgs. Tuy nhiên, sự tồn tại của hạt boson Higgs này rất khó kiểm chứng. Một trong những lý do là Mô hình chuẩn không tiên đoán được chính xác khối lượng của hạt này, nên thực nghiệm chỉ còn cách mò mẫm!

Nếu tìm ra được hạt boson Higgs thì không chỉ giải thích được vì sao các hạt cơ bản khác lại có khối lượng, mà còn chứng minh được Mô hình chuẩn là khả tín, vì hạt Higgs được coi là mảnh ghép cuối cùng trong bức tranh thế giới mà Mô hình chuẩn vẽ ra. Sâu xa hơn, nó cũng giúp con người hiểu rõ hơn về cấu trúc của vật chất, và do đó là sự hình thành của vũ trụ, đặc biệt là ở giai đoạn khởi đầu khi bốn loại lực trong tự nhiên còn thống nhất với nhau.

Đó là lý do vì sao hàng chục nghìn nhà khoa học, đã dành nhiều nỗ lực hàng chục năm ròng để vượt qua vô vàn khó khăn trong việc tìm kiếm hạt Higgs trong các máy gia tốc lớn.

Boson Higgs: “Hạt của Chúa”?

“Hạt của Chúa” là tên gọi của boson Higgs trong truyền thông đại chúng. Tiếc thay, tên gọi này không giúp gì cho việc hiểu bản chất của hạt boson Higgs, mà chỉ phủ thêm một màn huyền bí giật gân lên hạt Higgs vốn đã rất khó hiểu. Trên thực tế, hạt này ban đầu bị Leon M. Lederman, nhà vật lý hạt được giải Nobel năm 1988, gọi là “hạt chết tiệt” (goddamn particle) trong một cuốn sách khoa học đại chúng, nhưng biên tập viên tòa soạn đã sửa thành “God particle”, tức hạt của Chúa, vào phút cuối vì cho rằng chữ goddamn là một từ thô tục!

Không ai biết được vì sao những hạt cơ bản lại có khối lượng. Nói cách khác, cơ chế sinh ra khối lượng còn là điều bí ẩn. Nhưng rõ ràng là chúng ta đều có khối lượng, và nhiều người còn theo dõi chúng một cách sát sao. Nên rõ ràng, hiểu được vì sao các hạt lại có khối lượng là một điều quan trọng. Đó chính là lý do vì sao việc truy tìm hạt Higgs, và qua đó làm rõ bằng cách nào các hạt lại có khối lượng, để từ đó hình thành nên vật chất có cấu trúc, lại thu hút sự quan tâm lớn như vậy của cộng đồng khoa học.

Để hình dung xem bằng cách nào mà hạt boson Higgs mang lại khối lượng cho các hạt khác, bạn có sẵn lòng ra đường phố Hà Nội hoặc Thành phố Hồ Chí Minh vào giờ tan tầm? Nếu có, bạn sẽ hiểu được cách thức hạt boson Higgs mang lại khối lượng cho các hạt khác.

Nếu đường thông thoáng ở mức lý tưởng, xe bạn sẽ chạy như bay. Bạn có thể tiếp tục nhấn ga và mơ đến vận tốc ánh sáng. Xe lướt nhẹ tênh như không trọng lượng. Nhưng vào giờ tan tầm, đường phố chật cứng. Xe bạn nhích từng mét hoặc giậm chân tại chỗ hàng giờ. Bạn phải nghiêng bên nọ, lách bên kia  nên không còn ở trạng thái đối xứng hoàn hảo nữa. Bỗng nhiên cả bạn và xe bỗng trở nên chậm chạp nặng nề như bị một khối lượng hàng trăm tấn kéo lại, không thể di chuyển hay nhúc nhích được.

Sự thật là sao ta? Có phải là bạn và xe bỗng nhiên nặng nề hơn vào giờ tan tầm, nên di chuyển chậm hơn? Chắc hẳn là không. Bạn vẫn theo dõi cân nặng của mình thường xuyên, nên không thể có chuyện bạn tăng cân được. Nhưng nếu bạn hiểu khối lượng không phải là chỉ số trên bàn cân, mà là độ chậm chạp khi di chuyển, thì lại đúng là bạn đã bị tăng cân. Nguyên nhân là do tắc đường. Chính tắc đường đã làm cho bạn di chuyển chậm chạp, vì phải tương tác với các phương tiện giao thông khác. Điều này đồng nghĩa với việc xe bạn bỗng nhiên nặng nề hơn hàng chục lần, với bằng chứng là bạn không nhích chân di chuyển được!

Đó chính là cách hạt boson Higgs mang lại khối lượng cho các hạt cơ bản khác. Nói cách khác, hạt Higgs tương tác với các hạt cơ bản khác, phá vỡ đối xứng cục bộ và làm chúng chuyển động chậm lại, không còn tự do bay với vận tốc ánh sáng được nữa. Và các hạt khác tìm thấy khối lượng của mình thông qua việc tương tác đó.

Nếu không có hạt boson Higgs, sẽ không có trái đất, mặt trăng, mặt trời và các ngôi sao v.v., vì khi đó tất cả các hạt cơ bản đều không có khối lượng, chuyển động với vật tốc ánh sáng, nên không có gì có thể giữ chúng lại với nhau để hình thành vật chất có cấu trúc được. Chúng ta, tất nhiên cũng sẽ không tồn tại. Đó có thể lý do vì sao đại chúng lại chấp nhận gọi đây là hạt của Chúa, dù được khai sinh một cách ngẫu nhiên.

Ba thế giới, ba bí mật

Rõ ràng việc tìm kiếm hạt Higgs được khích lệ bởi niềm tin vào Mô hình chuẩn. Nếu không có niềm tin này, không ai có thể dành ngần ấy thời gian và nguồn lực để tìm kiếm hạt Higgs trong suốt gần ba chục năm qua.

Nhưng vì đâu mà một lý thuyết, như mô hình chuẩn, lại có thể là nguồn khích lệ lớn đến như vậy trong việc khám phá khoa học?  Và vì sao các lý thuyết khoa học, như Mô hình chuẩn chẳng hạn, lại mô tả chính xác thực tại đến như vậy, là một câu hỏi còn bỏ ngỏ. Rõ ràng, còn người được hình thành từ vật chất. Nhưng bằng cách nào mà khối vật chất đó lại sinh ra đời sống tinh thần, và từ trong đời sống tinh thần đó, lại sinh ra các định luật khoa học có khả năng mô tả ngược lại thế giới vật chất xung quanh? Theo Penrose, nhà toán học Anh, thì đó là những bí mật lớn mà con người cần giải đáp. Mà bước đầu tiên là xác thực rằng, có một mối liên hệ giữa thế giới Toán học, hay rộng hơn là thế giới các định luật khoa học, với thế giới thực tại. Cụ thể: Lý thuyết khoa học có thể mô tả chính xác được thực tại. Trong đó, Mô hình chuẩn là một điển hình.

Chính vì thế, việc kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình chuẩn không chỉ có ý nghĩa trong vật lý, mà còn có những hệ quả sâu xa hơn trong khoa học và triết học, đặc biệt là trong nhận thức về vật chất và thế giới, và cả nhận thức về chính bản thân nhận thức nữa.