Bên trong proton, “thứ phức tạp nhất có thể tưởng tượng”
(quantamagazine.org)- Proton trong hạt nhân nguyên tử là một đối tượng cơ học lượng tử bộc lộ cấu trúc bên trong hoàn toàn khác nhau tùy theo thiết lập thí nghiệm, nên cần liên kết nhiều thế hệ thí nghiệm tán xạ mới tiến gần đến bức tranh toàn cảnh
- Năm 1967, tán xạ không đàn hồi sâu tại SLAC đã cung cấp bằng chứng đầu tiên cho thấy electron va vào các mảnh giống điểm bên trong proton, tức các quark; từ đó đến nay, hàng trăm thí nghiệm đã khảo sát cấu trúc bên trong này chi tiết hơn
- Mô hình ba quark giải thích điện tích +1 của proton, nhưng không giải thích đầy đủ spin và khối lượng, khiến cần một bức tranh phức tạp hơn với quark, gluon và phản quark đan xen
- HERA, với các va chạm mạnh hơn SLAC khoảng 1.000 lần, đã quan sát một biển các quark và phản quark có động lượng thấp, chỉ mang khoảng 0,005% động lượng, qua đó củng cố các dự đoán của QCD
- Phân tích bằng học máy hơn 5.000 ảnh chụp nhanh proton trong 50 năm gần đây cho thấy quark charm, nặng hơn proton, có thể hiện diện bền hơn, điều có thể ảnh hưởng đến cách diễn giải dữ liệu từ LHC và neutrino tia vũ trụ
Proton thể hiện những gương mặt khác nhau tùy theo thí nghiệm
- Proton là hạt mang điện dương ở trung tâm nguyên tử, nhưng không thể được giải thích đầy đủ chỉ bằng hình ảnh cổ điển về một “quả cầu không đặc trưng” hay một bó đơn giản gồm ba quark
- Là một đối tượng cơ học lượng tử, proton tồn tại như màn sương xác suất cho đến khi thí nghiệm buộc nó vào một dạng cụ thể; hình ảnh quan sát được thay đổi rất lớn tùy theo thiết lập thí nghiệm
- Mike Williams của MIT gọi proton là “thứ phức tạp nhất có thể tưởng tượng”, còn Richard Milner đánh giá rằng các nhà vật lý giờ đây mới bắt đầu hiểu hệ này theo một cách hoàn chỉnh
- Một phân tích dữ liệu quy mô lớn công bố tháng 8/2022 đã tìm thấy dấu vết của quark charm bên trong proton, dù quark này nặng hơn chính proton
SLAC mở ra manh mối đầu tiên về bên trong proton
- Năm 1967, Stanford Linear Accelerator Center, SLAC, thực hiện tán xạ không đàn hồi sâu bằng cách bắn electron năng lượng cao để phá vỡ proton
- Thay vì bật ra như bóng bi-a, electron bị tán xạ như thể đã va vào quark, những mảnh giống điểm bên trong proton
- Kết quả này trở thành bằng chứng đầu tiên cho thấy quark thực sự tồn tại, và phát hiện liên quan sau đó dẫn đến Giải Nobel Vật lý năm 1990
- Kể từ đó, các nhà vật lý đã suy luận nhiều khía cạnh bên trong proton bằng cách điều chỉnh mức năng lượng bắn electron và loại hạt thu thập sau tán xạ
Năng lượng càng cao, cấu trúc nhìn thấy càng nhỏ
- Electron có năng lượng cao hơn cho phép nhìn vào bên trong proton với độ phân giải cao hơn
- Bằng cách đo năng lượng và quỹ đạo của electron bị tán xạ, có thể biết electron đã va vào quark mang phần lớn động lượng tổng của proton hay chỉ mang một phần nhỏ
- Thông qua các va chạm lặp lại, có thể khảo sát liệu động lượng của proton bị giữ trong một số ít quark hay phân tán trên nhiều thành phần
- Ở mức va chạm của SLAC, kết quả thường cho thấy electron dường như va vào quark mang khoảng một phần ba tổng động lượng của proton, phù hợp với mô hình ba quark do Murray Gell-Mann và George Zweig đề xuất năm 1964
Sức giải thích và giới hạn của mô hình ba quark
- Mô hình quark của Gell-Mann và Zweig mô tả proton gồm hai quark up và một quark down
- Mỗi quark up có điện tích +2/3
- Quark down có điện tích −1/3
- Cộng lại thành điện tích +1 của proton
- Tuy nhiên, mô hình này thất bại trong việc giải thích spin của proton
- Proton có spin 1/2
- Quark up và quark down cũng lần lượt có spin 1/2
- Ban đầu, người ta cho rằng lấy spin của hai quark up trừ đi spin của quark down sẽ cho spin 1/2 của proton
- Năm 1988, European Muon Collaboration báo cáo rằng tổng spin của các quark nhỏ hơn 1/2 rất nhiều
- Giới hạn cũng lộ rõ ở khối lượng
- Khối lượng của hai quark up và một quark down chỉ chiếm khoảng 1% tổng khối lượng proton
- Proton chứa nhiều thứ hơn rất nhiều so với ba quark đơn giản
HERA hé lộ biển quark và phản quark
- Hadron-Electron Ring Accelerator, HERA, ở Hamburg, Đức, vận hành từ năm 1992 đến 2007, cho electron va chạm với proton mạnh hơn SLAC khoảng 1.000 lần
- Trong các thí nghiệm HERA, có thể chọn và phân tích cả những electron bật khỏi các quark có động lượng cực thấp, chỉ mang 0,005% tổng động lượng của proton
- Kết quả là người ta quan sát được một cấu trúc xoáy gồm các quark động lượng thấp và đối tác phản vật chất của chúng, tức phản quark
- Điều này củng cố sắc động lực học lượng tử (QCD), được phát triển trong thập niên 1970
- QCD là lý thuyết lượng tử mô tả lực mạnh giữa các quark
- Quark được liên kết bởi các gluon truyền lực
- Quark và gluon có ba loại color charge, được biểu diễn bằng red, green, blue
- Các hạt như proton tạo thành tổ hợp trong đó các màu cộng lại thành white, tức trung hòa về màu
QCD cho thấy va chạm mạnh và giới hạn của tính toán
- Theo QCD, gluon có thể nhận được một mức tăng năng lượng tức thời và tách thành cặp quark-phản quark
- Cặp này có động lượng rất nhỏ rồi lại hủy nhau; HERA đã phát hiện “biển” gluon, quark và phản quark thoáng qua như vậy
- Ở HERA, càng nhìn thấy các quark có động lượng thấp hơn thì số quark kiểu này càng xuất hiện nhiều hơn, gợi ý rằng trong các va chạm năng lượng cao hơn nữa, proton sẽ trông gần như một đám mây gluon
- Milner đánh giá dữ liệu HERA là bằng chứng thực nghiệm trực tiếp cho thấy QCD mô tả tự nhiên
- Tuy nhiên, QCD chỉ dễ tính toán khi lực mạnh tương đối yếu
- Lực mạnh trở nên yếu khi các quark ở rất gần nhau
- Điều này đúng với các cặp quark-phản quark có thời gian sống ngắn
- Ngược lại, ba quark tồn tại lâu hơn được thấy trong các va chạm nhẹ như ở SLAC nằm đủ xa nhau, khiến việc tính toán trở nên rất khó
- Frank Wilczek, David Gross và David Politzer đã làm rõ đặc tính này của QCD vào năm 1973 và nhận Giải Nobel 31 năm sau đó
Quark charm bổ sung một bức tranh mới về proton
- Nhóm nghiên cứu do Juan Rojo dẫn dắt đã phân tích hơn 5.000 ảnh chụp nhanh proton thu được trong 50 năm qua
- Phân tích này dùng học máy để suy luận chuyển động của quark và gluon bên trong proton, đồng thời tránh phải dựa vào các phỏng đoán lý thuyết
- Trong các va chạm tương đối yếu, phần lớn động lượng bị giữ trong ba quark quen thuộc: hai quark up và một quark down
- Nhưng một lượng nhỏ động lượng dường như đến từ quark charm và charm antiquark
- Quark charm và charm antiquark là các hạt cơ bản, mỗi hạt nặng hơn toàn bộ proton hơn một phần ba
- Nếu có đủ năng lượng, gluon có thể tách thành bất kỳ loại nào trong sáu loại quark, nên charm có thời gian sống ngắn thường xuất hiện trong bức tranh “biển quark”
- Kết quả của nhóm Rojo gợi ý rằng charm có thể hiện diện bền hơn
- Trong các va chạm nhẹ, electron thường gặp ba quark nhẹ
- Đôi khi nó có thể gặp một trạng thái phân tử năm quark hiếm gặp, chẳng hạn up, down và charm ở một phía, còn up quark và charm antiquark ở phía kia
Dữ liệu đầu vào cần cho việc diễn giải quan sát từ LHC và tia vũ trụ
- Cấu trúc vi mô bên trong proton có thể ảnh hưởng đến việc diễn giải các cuộc tìm kiếm hạt cơ bản mới tại Large Hadron Collider
- Ở LHC, người ta cho các proton tốc độ cao va chạm với nhau và quan sát sản phẩm sinh ra, nên cần biết bên trong proton có gì trước va chạm
- Nếu các quark charm khổng lồ đôi khi xuất hiện, các phép tính xác suất tạo ra những hạt kỳ lạ hơn có thể bị dao động
- Khi proton tia vũ trụ va chạm với proton trong khí quyển Trái Đất, nếu quark charm xuất hiện đúng lúc, nó cũng có thể tạo thêm neutrino năng lượng cao
- Năm 2021, các nhà nghiên cứu tính toán rằng hiệu ứng này có thể khiến nhiều neutrino năng lượng cao hơn đổ xuống Trái Đất
- Điều này có thể gây nhiễu cho các nhà quan sát đang tìm kiếm neutrino năng lượng cao đến từ vũ trụ
Thí nghiệm tiếp theo nhắm đến cấu trúc 3D và bản đồ spin
- Nhóm cộng tác của Rojo dự định tiếp tục thăm dò proton bằng cách tìm sự mất cân bằng giữa quark charm và charm antiquark
- Những thành phần nặng hơn như quark top cũng có thể xuất hiện dưới dạng hiếm hơn rất nhiều và khó phát hiện hơn
- Các nhà vật lý tại Brookhaven National Laboratory muốn vận hành Electron-Ion Collider trong thập niên 2030 để thu được các ảnh chụp nhanh proton độ phân giải cao sau HERA
- EIC có thể cho phép tái dựng 3D đầu tiên của proton
- Họ cũng lên kế hoạch dùng electron quay để lập bản đồ spin của các quark và gluon bên trong
- Đây là công việc tương ứng với việc SLAC và HERA đã lập bản đồ động lượng
- Điều này có thể giúp thu hẹp nguồn gốc spin của proton và giải quyết những câu hỏi nền tảng về hạt cấu thành phần lớn thế giới hằng ngày này
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Sau khi đọc hết bài, tôi nảy ra một suy nghĩ hơi ngớ ngẩn. Vì electron là hạt cơ bản nên “đơn giản” hơn so với proton, nhưng electron mang điện tích -e còn proton mang điện tích +e, nên điện tích của chúng bổ sung cho nhau một cách chính xác
Nếu proton là một thực thể phức tạp như vậy, tôi tò mò quy tắc nào khiến nó có điện tích đối lập chính xác với electron. Tôi không hiểu vì sao lại chính xác là +e chứ không phải +1.8e, +3e hay 0.1666e, và cũng tự hỏi liệu câu hỏi này có hợp lệ hay không
Positron là phản hạt của electron nên việc nó có +e thì dễ hiểu, nhưng việc proton, dù là nhiều hạt cơ bản đan xen phức tạp, vẫn có chính xác +e thì thật lạ
Nếu tin vào sự giam giữ quark, điều này được tính toán, lý thuyết và thực nghiệm ủng hộ rất mạnh, nên việc điện tích của proton chính xác bằng +1 cũng tự nhiên suy ra
Hoặc có vô hạn vũ trụ và chúng ta tồn tại trong một vũ trụ phù hợp, hoặc chỉ có một vũ trụ và vũ trụ đó tình cờ khớp đúng; dù là trường hợp nào thì cũng có thể nói là khá may mắn
https://youtu.be/YmOVoIpaPrc
Những thứ này kết tụ lại cho đến khi đủ ổn định; nếu có dạng ổn định tồn tại và số lượng đủ nhiều, cuối cùng sẽ xuất hiện nhiều dạng ổn định. Không phải là sự cân bằng kỳ diệu nào đó, mà gần với một quá trình lắng xuống trạng thái ổn định; và hiện vẫn còn rất nhiều vật chất bất ổn định
Nó liên quan đến đối xứng C như một đối xứng rời rạc, và cũng có khía cạnh nối với bất biến Lorentz
Tuy nhiên theo một nghĩa nào đó, nó cũng “phải” như vậy. Vì nếu không có cân bằng điện tích, các nguyên tử như chúng ta biết sẽ không tồn tại, và hóa học tạo nên thế giới vĩ mô nơi chúng ta sống cũng sẽ không tồn tại
Tôi không nghi ngờ việc các nhà vật lý lượng tử biết họ đang nói gì, nhưng khi thấy những câu như “hình dạng thay đổi tùy theo cách thăm dò”, “thậm chí không thể tưởng tượng nó phức tạp đến mức nào”, “chứa dấu vết của quark charm nặng hơn chính proton”, tôi cảm thấy giống như lời chống chế của một học sinh tính sai trước giáo viên
Có lẽ nếu có thể nhìn vào các đối tượng bên ngoài không-thời gian thì sẽ có một siêu cấu trúc ẩn nào đó có thể tiếp cận được, nhưng cho đến lúc đó, ngoài suy đoán ra thì thứ hiện ta có chỉ là sự quy giản về không-thời gian
(https://en.m.wikipedia.org/wiki/Amplituhedron)
Đồng thời, mỗi người lại giả định quan điểm của mình là đúng và mọi người đều đồng ý. Thay vì đồng thuận thì có các giáo phái, tiếp tục phân nhánh nhưng không thay thế được đa số; có chính thống như diễn giải Copenhagen, và có sự bài xích những người vượt ranh giới như Everett — trông gần với tôn giáo hơn là khoa học
Một triệu chứng khác là bắt người ta nói và làm những điều rõ ràng vô lý để chứng minh sự tận hiến. Trong Kitô giáo, đó là Chúa Ba Ngôi; trong cơ học lượng tử, lưỡng tính sóng-hạt đóng vai trò đó. Một hạt điểm có bước sóng dài hàng kilomet là điều vô lý, vậy mà người ta vẫn bảo hãy tin rằng sóng vô tuyến được tạo thành từ photon
Khi bằng chứng không đủ để xếp tất cả mọi người thành một hàng, việc lập luận tốt nhất của mỗi bộ lạc tách ra thành “tù trưởng của chúng tôi nói vậy” là biểu hiện của tư duy ma thuật và tính tôn giáo của con người
Khi đọc những bài kiểu này, tôi có cảm giác như lấy búa đập vào một quả táo, càng lúc càng mạnh, rồi kết luận rằng quả táo phẳng và nhão. Nếu đập mạnh hơn nữa, có khi lại nói quả táo mỏng như giấy và nóng
Tôi thắc mắc làm sao biết được rằng một số hạt sinh ra trong các thí nghiệm va chạm như vậy vốn nằm trong đối tượng bị va chạm, chứ không phải bật ra từ nền vi sóng vũ trụ
Chắc chắn các nhà nghiên cứu đã tính đến chuyện này và cũng có lời giải thích hay, còn tôi có hiểu nổi hay không lại là chuyện khác
Một điều kỳ lạ khác là các hạt ảo có thể bật ra ngay cả khi không có năng lượng. Chúng giống ở chỗ đều là biểu hiện của cùng các trường lượng tử như hạt mang năng lượng thật, chẳng hạn trường quark charm, nhưng khác ở chỗ chúng không mang năng lượng nên không thể tồn tại lâu
Thế giới rất kỳ lạ, nhưng toán học thì hoạt động. Proton giống một quả cầu năng lượng sôi sục hơn: các trường lượng tử quark up và quark down bị “giữ” lại với nhau bởi lực mạnh màu phức tạp và ở yên một chỗ. Bên trong có quá nhiều năng lượng muốn thoát ra nhưng không thoát được, nên thứ gì đó cứ liên tục sinh ra rồi biến mất
Tôi ngày càng mệt với những cách diễn đạt kiểu “proton là một đối tượng cơ học lượng tử tồn tại như một màn sương xác suất cho đến khi thí nghiệm khiến nó mang một hình dạng cụ thể”
Tôi hoàn toàn chấp nhận rằng cơ học lượng tử là một công cụ hữu ích để mô hình hóa hiểu biết hiện tại dựa trên các quan sát ngày càng tinh vi, nhưng về căn bản thật khó tin ý tưởng rằng proton là một món súp năng lượng biến hình, chưa thành hình cho đến khi có ai đó đến nghĩ về nó
Trừ khi thực tại là một mô phỏng được tính gần đúng, và tài nguyên tính toán đắt đỏ chỉ được dành cho những phần được quan sát. Mà tôi cũng đã chán giả thuyết mô phỏng rồi
Thực ra tôi nghi rằng có thể chỉ là chúng ta chưa quan sát đủ tốt, hoặc không tồn tại trong đủ số chiều để hiểu đối tượng được quan sát, nên những mặt cắt mà chúng ta có thể cố định trông như một phần của một hệ xác suất. Dù vậy tôi vẫn đang đặt cược rằng tất cả có thể chỉ là một trò Game of Life khổng lồ
Nếu nghĩ đến các thí nghiệm thống kê trong thế giới thực như kim Buffon, thì hẳn trong chính thực tại phải có một thứ gì đó rất “thống kê” được cài sẵn. Cơ học lượng tử đẩy điều đó đi rất xa, nên có thể trông phức tạp
Khi các hạt bị ràng buộc trong vật thể vĩ mô, chúng trở nên sắc nét hơn, và nhờ đó có thể làm các hạt cơ bản khác mà chúng “đo” trở nên sắc nét hơn. Ngược lại, nếu tương tác với những phần mờ hơn của vật thể vĩ mô, như mép của khe, hạt có thể trở nên mờ hơn và mang tính sóng hơn
Vì vậy proton thật sự là một món súp biến hình, và không phải thứ gì khác. Nếu đập đủ mạnh, nó sẽ bị nhiễu loạn trong chốc lát sang trạng thái hơi sắc nét hơn và cho ta biết điều gì đó, nhưng vì các tương tác vi mô hỗn loạn bên trong, nó lập tức quay lại thành súp
Vật chất trông sắc nét chỉ ở cấp vĩ mô; ở cấp hạt thì luôn mờ nhòe. Chỉ là toán học mô tả trao đổi năng lượng và động lượng giữa các “sóng” mờ nhòe trông giống như các quả bóng nhỏ nảy qua lại, nên rất khó bỏ khái niệm quả bóng nhỏ. Tôi nghĩ điều đó tình cờ xảy ra vì mọi lực đều có đối xứng cầu ở một mức nào đó
Ở đây “màn sương xác suất” nghĩa là để đưa ra dự đoán thí nghiệm, phải lặp đi lặp lại việc tính mọi cấu hình khả dĩ của gluon và quark bên trong proton
Khối lượng tính toán thì phi lý, nhưng về mặt khái niệm nó không tốt hơn hay tệ hơn việc nói các hạt là những quả bi-a chuyển động theo phương trình Newton. Chỉ là ta quen với cách sau hơn; nếu từng làm với những thứ như QCD mạng, ta cũng sẽ hoàn toàn quen với việc cái trước mới là quy tắc vật lý nền “thực sự”
Hình ảnh “proton là một món súp năng lượng lượng tử biến hình, chưa thành hình cho đến khi có ai đó đến nghĩ về nó” là mô tả thường thấy trong khoa học đại chúng, nhưng không thể đúng nguyên xi được. Cơ học lượng tử vẫn tồn tại bình thường trước cả khi có người quan sát và suy nghĩ
Một giáo sư từng hay nói proton là cái thùng rác
Vì vậy các máy va chạm hadron, bao gồm LHC, phải vận hành với độ chói rất cao, tức tần suất va chạm rất lớn. Ngay cả khi cho hai proton va chạm, phần thật sự tương tác thường chỉ mang một phần rất nhỏ của tổng năng lượng, nên nhiều khi không thu được vật lý năng lượng cao thú vị mà ta muốn thăm dò
Về câu “thật ra phức tạp đến mức không thể tưởng tượng nổi”, biết đâu đã có ai đó tưởng tượng được. Nếu không thì tất cả độ phức tạp ấy hẳn đã tạo ra vô số bug và làm vũ trụ crash rồi
Câu hỏi thật sự là chúng ta đang chạy trên bare metal, trong máy ảo, hay trong container
Ảnh tiêu đề trông có vẻ hợp làm hình nền. Liên kết bản đầy đủ là https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/PROTON...
Tôi thích câu “proton là một đối tượng cơ học lượng tử tồn tại như một màn sương xác suất cho đến khi thí nghiệm khiến nó mang một hình dạng cụ thể”
Trọng lực có thể là hiệu ứng do khối lượng ở dạng bất định gây ra không? Như một kiểu chân không nào đó trong không-thời gian?
Ngay cả với cùng các proton, neutron và electron, nếu thay đổi vận tốc hoặc cách sắp xếp thì trọng lực cũng tăng lên. Điểm mấu chốt không phải là khối lượng đơn thuần mà là tensor ứng suất-năng lượng
Để thấy rằng “trọng lực có thể là hiệu ứng của khối lượng ở dạng bất định không” là không đúng, chỉ cần so sánh sao và hố đen với quark. Không gian giữa các quark hoạt động như những quark lớn hơn hoặc nhỏ hơn khác nhau tùy theo cách sắp xếp tức thời của các quark thực
Nếu áp dụng cùng ý tưởng đó cho một ngôi sao rất lớn, thì tùy vào vị trí và trạng thái, và có lẽ cả các biến đổi tự phát, ngôi sao ấy đôi khi phải hoạt động như hố đen, đôi khi như siêu tân tinh, đôi khi như một ngôi sao. Đặc biệt khi ở rất xa, nó trông như một điểm, nên ta sẽ kỳ vọng nó hoạt động như hố đen, nhưng thực tế không phải vậy
Dù ở xa đến đâu, một ngôi sao vẫn trông như một ngôi sao. Nếu thực tại vận hành theo cách đó, các thiên hà gần sẽ hầu như không có vật chất tối, còn các thiên hà xa sẽ có nhiều vật chất tối và phải rất nhỏ; nhưng trên thực tế, thiên hà và vật chất tối nhìn chung khá giống nhau bất kể khoảng cách
Tuy vậy, bản thân câu hỏi khá mơ hồ. Tôi chỉ cố nhét nó vào một khuôn khổ có thể cho ra câu trả lời thú vị cho vui, chứ không nghĩ là nó trả lời được nhiều cho điều ban đầu muốn hỏi
Liệu vũ trụ có thể phức tạp vô hạn không? Kiểu như rùa chồng rùa mãi mãi
Các khái niệm đối ngẫu và sao chép trong vật lý rất thú vị. Dường như mọi thứ đều có thứ đối lập với nó, và khi các mặt đối lập ấy gặp nhau, chúng tạo thành một đơn vị lớn hơn, rồi bản thân đơn vị đó lại có thứ đối lập của riêng nó
https://www.youtube.com/watch?v=ycvlJ9XMd94&ab_channel=cakta...
Theo định nghĩa, có thể tồn tại một thứ gì đó không thể tháo gỡ thêm nữa, mà ta chỉ có thể liên tục va vào. Liệu trong vật lý có thứ gì giống định lý bất toàn của Gödel không?
Độ phức tạp của vật lý cơ bản bị đánh giá quá cao rất nhiều. Nó chỉ là không trực quan mà thôi. Ngay cả tế bào đơn giản nhất cũng phức tạp hơn proton nhiều bậc độ lớn