Bản giao hưởng huyền diệu giữa Lượng Tử và Tương Đối

1- Phương trình Dirac: Spin và Phản vật chất Hạt điện electron, thành phần cơ bản của vật chất ra đời và tràn đầy vũ trụ từ thủa Nổ Lớn (Big Bang), cái hạt cô đơn mà ngày đêm chúng ta giao tiếp từ ánh sáng đèn lân quang thời xa xưa đến công nghệ thông-truyền tin tân kỳ ngày nay với điện thoại di dộng (bốn tỷ chiếc đang lưu hành trên trái đất), máy vi tính, truyền thanh, truyền hình, phim ảnh số, iPod... Có lẽ chỉ vì electron lúc nào cũng ở trong ta và cạnh ta...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bản giao hưởng huyền diệu giữa Lượng Tử và Tương Đối Bản giao hưởng huyền diệu giữa Lượng Tử và Tương Đối1- Phương trình Dirac: Spin và Ph ản vật chất Hạt điện electron, thành phần cơ bản của vật chất ra đời và tràn đầy vũ trụ từ thủa Nổ Lớn (Big Bang), cái hạt cô đơn mà ngày đêm chúng ta giao tiếp từ ánh sáng đèn lân quang thời xa xưa đến công nghệ thông-truyền tin tân kỳ ngày nay với điện thoại di dộng (bốn tỷ chiếc đang lưu hành trên trái đất), máy vi tính, truyền thanh, truyền hình, phim ảnh số, iPod... Có lẽ chỉ vì electron lúc nào cũng ở trong ta và cạnh ta trong mọi khía cạnh của cuộc sống như nước với cá nên vô hình trung ta không ý thức hết tác động thường xuyên của nó. Ở trong ta thực không ngoa vì tế bào và gen DNA của da thịt con người đều là phân tử,chuỗi tập hợp của nguyên tử do trao đổi electron mà thành. Electron cũng chính làsợi dây kết nối liên ngành lý, hóa và sinh học hiện đại. Đề tài mênh mông, khởiđầu năm 1897 khi J. J. Thomson (1856-1940)[2] thử nghiệm trên ống phóng tia âmcực, phát hiện ra electron với điện tích âm –e và khối lượng m, hai tính chất cổđiển của một hạt. Paul Dirac (1902-1984), một thiên tài tầm cỡ Newton vàEinstein, khi kết hợp nhuần nhuyễn thuyết lượng tử với thuyết tương đối hẹp, đúngtám mươi năm qua (1928) đã khám phá ra định luật cơ bản chi phối sự vận hànhcủa hạt điện này và của tất cả các fermion khác như neutrino, proton, neutron,quark. Tại sao kết hợp? Lượng tử là điều dĩ nhiên cho vật thể vi mô như electron,còn thuyết tương đối hẹp thì tối cần thiết để diễn tả sự dao động với vận tốc rất caocủa nó. Phương trình Dirac là bản giao hưởng tuyệt vời của sự hợp phối nói trên,nó mở ra hai chân trời kỳ diệu: thứ nhất là electron mang spin ћ/2, thứ hai là sựhiện hữu của phản vật chất[3]. Có vật chất thì có phản vật chất, thí dụ hạt phảnelectron hay positron mang điện tích dương +e. Spin ћ/2 của electron không hề hélộ trong vật lý cổ điển mà là một đặc trưng độc đáo của lượng tử. Spin miêu tả tínhchất quay vòng nội tại của các hạt vi mô cơ bản (như trái đất quay chung quanhtrục của nó, nhưng spin tinh tế hơn), spin electron bằng ћ/2 = h/4π nghĩa là hạtđiện này phải quay hai vòng 4π mới trở lại vị trí ban đầu, điều không tưởng trongcơ học cổ điển. Ta mường tượng spin như chiếc kim la bàn nhỏ xíu, một momen từtạo ra bởi electron mang điện tích tự quay tròn[4] quanh trục của nó ‘hai vòng mỗilần’. Nhờ Faraday, Ampère, Maxwell chúng ta biết điện với từ tuy hai mà một,điện tích dao động sinh ra từ và ngược lại. Nếu điện tích –e của electron là gốcnguồn và động cơ mở đường cho ngành điện tử, thì spin ћ/2 của nó đóng vai tròtương tự đối với từ trường và khả năng tích lũy cùng ‘trí nhớ’ của từ tính trongcông nghệ. Spin ћ/2 mở ra một phạm trù mới cho vật lý hiện đại, nhánh ‘spin-điệntử’ đã mang giải Nobel vật lý 2007 đến Albert Fert và Peter Grünberg với hiệu ứngTừ trở Khổng lồ mà một trong nhiều ứng dụng là bộ nhớ MRAM cùng các đầuđọc, đầu ghi của đĩa cứng trong máy vi tính hiện thời. Thấu triệt phương trình cơbản phong phú của Dirac, ta có thể di chuyển, chồng chập, thao tác và điều khiểnelectron và positron theo ý mình mà tạo dựng nên cả một nền công nghệ bán dẫn,siêu dẫn, vi điện tử, quang điện tử, spin-điện tử, vật liệu nano tinh tế ngày nay màđiện thoại và máy vi tính di động tân kỳ chỉ là tảng băng nổi. Như J. A. Wheelerước tính, một phần ba tổng sản lượng kinh tế của cường quốc số một hiện nay cógốc nguồn từ những ứng dụng trực tiếp của công nghệ lượng tử, minh họa biết baoứng dụng thực tiễn trong đời sống con người hầu hết khởi đầu từ những công trìnhnghiên cứu thuần cơ bản. Nếu chúng ta từng xúc động đến sững sờ trước một áng thơ tiên của trái tim gửi người đồng điệu thì phương trình Dirac là một sáng tạo thần kỳ của trí tuệ trao tặng cho nhân loại, kết nhụy bản hôn phối huyền diệu giữa lượng tử và tương đối hẹp. Mời bạn đọc chiêm ngưỡng phương trình (iћγμ∂μ – mc)Ψ(x) = 0 khắc trên cẩm thạch trong đại chủng viện Westminster ở London, nơi đăng quang và yên giấc của hoàng gia và các vĩ nhân Anh quốc[6]. Mỗi ký hiệu trong phương trình đều mang một ý nghĩa đặc thù: Hằng số Planck h =2πћ tượng trưng cho lượng tử. Vận tốc ánh sáng c, thời gian t và không gian bachiều x, y, z gói ghém trong bốn tọa độ không-thời gian xμ (μ = 0,1,2,3), x0 = ct,x1 = x, x2 = y ...