Khi các nhà vật lý – của những năm 1960 mô hình hóa hành vi của các hạt vật chất, bằng cách sử dụng các phương trình bắt nguồn từ Vật Lý Lượng Tử, họ đã gặp một câu hỏi lớn. Nếu họ tưởng tượng tất cả các hạt đều không có khối lượng thì mỗi số hạng trong phương trình sẽ tiến vào một mô hình hoàn toàn đối xứng, giống như các đỉnh của một bông tuyết hoàn hảo. Và sự đối xứng này không chỉ thể hiện sự tao nhã đầy tính toán học mà còn giải thích các hình mẫu hiển nhiên trong dữ liệu thí nghiệm. Thế nhưng, đây là lúc dấu hỏi xuất hiện, bởi các nhà vật lý biết chắc chắn rằng các hạt CÓ KHỐI LƯỢNG. Và khi họ thay đổi phương trình để giải thích cho thực tế này, sự bình yên của phương trình toán học đã bị phá vỡ. Các phương trình trở lên rắc rối, khó sử dụng và tệ hơn là không nhất quán.
Vậy làm sao bây giờ ? Dưới đây là ý tưởng được đưa ra bởi Higgs
Đừng cố “nhồi nhét” khối lượng của các hạt vào cổ họng nhỏ bé của các phương trình đẹp đẽ nữa. Thay vào đó, hãy giữ các phương trình nguyên thủy và đối xứng, nhưng hãy coi như chúng đang hoạt động trong môt môi trường đặc biệt. Hãy tưởng tưởng toàn bộ không gian được lấp đầy đồng nhất bởi một vật chất vô hình- mà bây giờ được gọi là trường Higgs- tạo ra lực cản lên các hạt khi chúng gia tốc qua nó. Khi cố gắng đẩy các hạt cơ bản để tăng tốc độ của chúng, theo Higgs, chúng ta sẽ cảm nhận được lực cản này như là phản lực/kháng lực. Và một cách hợp lý, bạn sẽ giải thích kháng lực này là khối lượng của hạt. Để dễ hiểu hơn, bạn có thể suy nghĩ về một quả bóng bàn bị chìm trong nước vậy. Khi bản ấn vào quả bóng bàn, nó có vẻ nặng hơn so với khi không chìm trong nước. Chính tương tác của nó với môi trường nước đã tạo ra hiệu ứng như vậy. Hãy suy nghĩ như thế với các hạt bị chìm trong trường Higgs.
Vào năm 1964, Higgs đã gửi một bài viết đến một tạp chí vật lý nổi tiếng. Trong đó, ông đã công thức hóa ý tưởng này bằng toán học. Và bài viết này đã bị từ chối. Không phải do nó có vấn đề về kỹ thuật, mà bởi tiền đề về một vật thể vô hình lan khắp không gian, tương tác với các hạt và cung cấp khối lượng cho chúng làm cho nó có vẻ như một tập hợp những suy đoán mang tính “viễn tưởng”. Các biên tập viên của tạp chí đã coi nó là “không có liên quan rõ ràng đến vật lý”.
Thế nhưng Higgs vẫn kiên trì (và bản chỉnh sửa đã được đăng cùng năm đó trên một tạp chí khác- xem link cuối bài viết), và các nhà vật lý, những người đã dành thời gian nghiên cứu về đề xuất của ông đã nhận ra rằng ý tưởng này thật sự thiên tài. Trong đề án của Higgs, các phương trình cơ bản có thể giữ hình dạng nguyên sơ của chúng bởi việc tạo khối lượng cho các hạt nay đã được chuyển qua cho môi trường.
Mặc dù tôi đã không có mặt để chứng kiến việc từ chối đề xuất của Higgs vào năm 1964 (thực ra thì tôi cũng ở gần đấy, nhưng khá là hiếm khi xuất hiện), tôi có thể thấy rằng, vào giữa những năm 1980s, sự thẩm định đã thay đổi. Cộng đồng Vật Lý (phần lớn) đã hoàn toàn chấp nhận ý tưởng về một trường Higgs lan tỏa trong không gian. Thực tế, trong một khóa học sau đại học mà tôi đã tham gia với tên Mô Hình Chuẩn của Vật Lý Hạt (Particle Physics) ( Gồm các phương trình lượng tử mà các nhà vật lý đã tập hợp lại để giải thích các hạt của vật chất và các lực chi phối chúng tương tác với nhau), giáo sư dạy tôi đã giới thiệu về trường Higgs với một cách rất chắc chắn. Đến mức mà một thời gian dài sau đó tôi vẫn không phát hiện ra rằng nó chưa được chứng minh bằng thực nghiệm. Điều đó cũng thường xảy ra trong vật lý. Các phương trình toán học thường có thể tạo ra những câu chuyện rất thuyết phục, và xem chừng có thể ảnh hưởng đến thực tế một cách mạnh mẽ. Chúng trở nên vững chắc trong suy nghĩ của những người làm vật lý, thậm chí kể cả trước khi những dữ liệu kiểm chứng xuất hiện.
Thế nhưng, làm thế nào để ta có thể kiểm chứng được trường Higgs?
<Còn tiếp>
Người dịch: Trungmaster, theo Smithsonian
Link bài viết đầu tiên của Peter Higgs vào năm 1964:
[…] phần trước, chúng ta đã đi qua những tiền đề và khó khăn mà Peter Higgs gặp phải trên […]