Sự phát minh ra spin vào năm 1925 đã cho thấy rằng còn có một loại chuyển động quay khác chưa hề tồn tại trong vũ trụ thuần tuý cổ điển.
Siêu đối xứng và các siêu hạt
Như chúng ta đã nhấn mạnh ở trên, khái niệm spin, mặc dù về bề ngoài có vẻ giống như sự quay của một con quay, nhưng khác nhau căn bản về nguồn gốc lượng tử của nó. Sự phát minh ra spin vào năm 1925 đã cho thấy rằng còn có một loại chuyển động quay khác chưa hề tồn tại trong vũ trụ thuần tuý cổ điển.
Điều này đặt ra câu hỏi: vì chuyển động quay thông thường dẫn tới nguyên lý đối xứng bất biến quay (tức các định luật vật lý coi mọi định hướng không gian là bình đẳng với nhau), vậy thì liệu loại chuyển động quay tinh tế hơn gắn liền với spin có dẫn tới một đối xứng nào đó của các định luật vật lý hay không? Vào khoảng 1971, các nhà vật lý đã chứng minh được rằng, câu trả lời là có. Mặc dù toàn bộ câu chuyện thì khá phức tạp, nhưng ý tưởng cơ bản của nó thì như thế này: khi tính tới spin, thì quả là có thêm đúng một đối xứng nữa của các định luật của tự nhiên khả dĩ về mặt toán học. Nó được gọi là siêu đối xứng.
Siêu đối xứng không liên quan với sự thay đổi điểm quan sát một cách đơn giản và trực giác, vì sự chuyển dịch trong thời gian, trong không gian, trong định hướng góc và trong vận tốc của chuyển động đã vét hết các khả năng đó rồi. Nhưng vì spin giống như chuyển động quay nhưng với sự thể hiện lượng tử, nên siêu đối xứng gắn liền với sự thay đổi điểm quan sát trong một mở rộng lượng tử của không gian và thời gian. Những câu trích dẫn trên là đặc biệt quan trọng, vì câu sau chỉ có một mục đích duy nhất là cho một ý niệm thô sơ về cái chỗ mà siêu đối xứng được đặt vào trong một khuôn khổ rộng lớn hơn của các nguyên lý đối xứng. Tuy nhiên, việc hiểu được nguồn gốc của siêu đối xứng là một điều khá tinh tế, vì vậy chúng ta sẽ chỉ tập trung vào một trong những hệ quả quan trọng nhất nhưng dễ nắm bắt hơn cả của nó.
Vào đầu những năm 1970, các nhà vật lý đã nhận thấy rằng, nếu như vũ trụ là siêu đối xứng, thì các hạt trong tự nhiên phải xuất hiện theo từng cặp với spin tương ứng của chúng sai khác nhau 1/2. Những cặp hạt như vậy, bất kể là chúng được coi là các hạt điểm (như trong mô hình chuẩn hay là các vòng dây nhỏ xíu dao động, đều được gọi là các siêu hạt bạn. Vì các hạt vật chất có spin 1/2 trong khi đó một số các hạt truyền tương tác có spin 1, nên ban đầu người ta nghĩ rằng siêu đối xứng đã tạo ra sự kết đôi hay kết bạn giữa các hạt vật chất và các hạt lực. Và nếu như vậy thì nó là khái niệm có khả năng thống nhất tuyệt vời. Nhưng vấn đề còn nằm trong các chi tiết.
Vào giữa những năm 1970, khi các nhà vật lý tìm cách bao gồm siêu đối xứng vào trong mô hình chuẩn, họ mới phát hiện ra rằng, không có một hạt đã biết nào được liệt kê trong các bảng 1.1 và 1.2 có thể là siêu hạt bạn của một hạt khác. Thay vì thế, các phân tích lý thuyết chi tiết chứng minh được rằng, nếu vũ trụ bao gồm siêu đối xứng thì mỗi hạt đã biết phải có một siêu hạt bạn còn chưa được phát hiện, có spin nhỏ hơn spin của hạt đã biết 1/2. Ví dụ, electron cần phải có một hạt bạn spin 0 và hạt giả thiết này được gọi là selectron (gọi tắt của supersymmetric electron). Điều này cũng đúng với các hạt vật chất khác. Ví dụ, các nơtrinô và squark cũng có các siêu hạt bạn spin 0 và được gọi là nơtrinô và squark. Tương tự như vậy, các hạt lực cũng có các siêu hạt bạn 1/2: đối với photon, đó là photinos, đối với gluon, đó là gluinos, đối với các boson W và Z, đó là winos và zinos.
Sau đó, khi xem xét một cách kỹ lưỡng hơn, người ta cho rằng siêu đối xứng không tinh tế một chút nào: nó đòi hỏi phải có thêm một lô các hạt mới, cụ thể là nhân đôi số các hạt cơ bản được liệt kê trong các bảng 1.1 và 1.2. Vì hiện chưa có một siêu hạt bạn nào được phát hiện, nên bạn có quyền mượn ý kiến của Rabi trích trong chương 1 khi nói về sự phát minh ra hạt muon để tuyên bố rằng không có ai đặt hàng siêu đối xứng cả và tóm lại là vứt bỏ hoàn toàn siêu đối xứng. Tuy nhiên, vì ba nguyên nhân mà chúng ta sẽ xét dưới đây, khiến các nhà vật lý tin tưởng mạnh mẽ rằng một sự phủi sạch siêu đối xứng như vậy là quá ư vội vàng.
(còn nữa)
Cuốn Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ của tác giả Brian Greene, do Phạm Văn Thiều dịch. Nhà xuất bản Trẻ ấn hành năm 2003.
