“… Vấn đề đó là: tại sao Vũ Trụ lại được cấu tạo như thế này mà không như thế khác?

Tại sao lại tồn tại chính các hạt êlectrôn (điện tử), prôton, photon và pi-mêzôn chứ không phải là các hạt nào khác?

(…)

Tại sao tất cả các hạt cơ bản, không trừ hạt nào, đều có thể biến hóa từ hạt này sang hạt khác và không có một ranh giới dứt khoát giữa chất và bức xạ?

Cái gì cơ bản hơn các hạt cơ bản? Chúng được cấu tạo từ “chất đầu tiên” nào hay “tiền vật chất” nào?

(…)

Khám phá ra bản chất của tất cả các vật, nguyên thể của tất cả những cái đầu tiên, đó là giấc mơ từ ngàn đời và thiết tha nhất của loài người. Vào lúc rạng đông của phần lớn các nền văn minh, các nhà tư tưởng đã đưa ra những quan niệm về tồn tại của một cơ sở duy nhất và đơn giản nhất của thế giới. Quan điểm duy vật tự phát này trong mọi lúc đã cho con người một hướng đúng và đã đưa đến các phát minh vĩ đại trong vật lý học và trong các ngành khoa học tự nhiên khác.

Nhà triết học Trung Quốc bán truyền thuyết Lão Tử và các nhà duy vật kế tục ông đã nhìn thấy cơ sở của Vũ Trụ trong khái niệm của “định luật tự nhiên” gọi là Đạo.

Vào cuối thế kỷ thứ VI và đầu thế kỷ thứ V trước CN, Lão Tử dạy rằng yếu tố khống chế chuyển động của các bộ phận biến đổi vĩnh viễn là Đạo, chứ không phải “Ý Trời”. Nhận thức của ông đã cho loài người cái uy quyền để chiến thắng các lực lượng của tự nhiên; đã giúp con người tổ chức lại tự nhiên theo ý mình.

Nhà thông thái khác của thời cổ đại là một người Ấn Độ, tên là Uluca. Có lẽ sống sau Lão Tử một chút. Ông là một trong những người đầu tiên phát biểu quan niệm cho rằng tất cả các vật thể vật chất đều được cấu tạo bởi nguyên tử. Ông gọi chúng là “Paramanu” và cho rằng chúng có tất cả bốn dạng: đất, nước, không khí và ánh sáng. Bốn cơ sở chứ không phải một, nhưng học thuyết về các cơ sở đó đã khiến ông có xu hướng rút con số các cơ sở thế giới về cực tiểu (…).

(…)

… Hai mươi lăm thế kỷ, con người kiên trì khám phá bí ẩn của vật chất, ngày càng đi vào lớp sâu của vật chất và kiếm tìm cơ sở đầu tiên của nó. Cuối cùng con người đã đi đến quan niệm cho rằng vật chất có một kích thước rất nhỏ mà người ta gọi là các hạt cơ bản. Tất cả những cái mà chúng ta nhìn thấy ở quanh chúng ta hay khám phá được nhờ dụng cụ: các vật vô tri, các cơ thể sống, nước và khí, các vì sao và các hành tinh, các sóng ánh sáng các trường Mêzôn - nói tóm lại tất cả thế giới vật chất xét cho cùng đều bao gồm bởi các “nguyên tử cuối cùng”, các hạt cơ bản. Vật lý học hiện đại xác nhận như vậy”.

“Chắc chắn rằng, thuyết thống nhất mới này là một hiện tượng hoàn toàn logic ở trong khoa học, một hiện tượng được chuẩn bị bởi các quá trình tiến hóa trong vật lý học hiện đại. Thuyết này không thể không xuất hiện được. Theo tôi thì còn có thể phát biểu như sau: thuyết đó quan trọng nhất, đúng sự thực nhất, và có lẽ là một sự cố gắng có khả năng duy nhất trong thời gian hiện tại để xây dựng bức tranh vật lý thống nhất của vật chất, rút tất cả ra từ một nguồn duy nhất.

Hiện giờ thuyết đó chưa hoàn thành. Nhưng chắc rằng trong những năm gần đây chúng ta sẽ là những người chứng kiến việc xây dựng bức tranh thống nhất của thế giới. Việc xây dựng đó sẽ đẩy chúng ta lên phía trước rất xa không thể lường được, trên con đường khám phá bí ẩn của cấu tạo vật chất.”

“Như vậy bắt đầu từ Niutơn, các nhà vật lý đã điền thêm bốn chương lớn và lịch sử tìm kiếm “nguyên nhân của tất cả các sự vật”. Mỗi chương đều có chứa đựng một bức tranh riêng của thế giới: bức tranh cơ học, bức tranh điện từ, bức tranh hình học hóa và bức tranh cơ bản. Và mỗi chương như vậy, về một phương diện nào đó, đều bắt đầu từ chương trước.

Sự phong phú của các hạt vừa được khám phá ra cho phép chúng ta bắt đầu xây dựng chương thứ năm sau đây (…).

(…)

Noi theo Menđêlêép, năm 1955, nhà bác học Miurây Ghenman năm đó 25 tuổi và cả nhà bác học Nisijima đã xây dựng bảng phân loại đầu tiên các hạt cơ bản, bảng đầu tiên các vi hạt (…). Tuy nhiên bảng mới đó cũng không khác gì một sự hệ thống hóa, và khác với bảng tuần hoàn Menđêlêép, nó không phản ánh được một tính qui luật cơ bản nào.

Ngay cả khi sự xếp loại các hạt cơ bản có một cơ sở vững vàng và có xét đến các việc nghiên cứu trước đây, thì việc xây dựng thuyết vật chất mới, đầy đủ và tổng quát cũng còn là một việc rất phức tạp.

Trong một thời gian lâu, không ai bắc được một chiếc cầu nhỏ giữa hai nhóm các hạt: “các hạt bình thường” có khối lượng nghỉ và “các hạt không bình thường” không có khối lượng nghỉ, nói cách khác giữa các hạt của chất và các hạt bức xạ.

Nghiên cứu những vật thể “bằng xương bằng thịt” như chúng ta thường nói, thì dễ. Nhưng làm thế nào để nghiên cứu khi các hạt trước mặt ta là các “hạt ma”, như các sóng ánh sáng chẳng hạn? Thế nhưng, trong khi tìm cách xây dựng lý thuyết thống nhất của vật chất chúng ta không thể bỏ qua chúng được, không thể tránh khỏi chúng được, vì rằng chúng ta phải đi tìm “các tổ tiên” chung của các hạt này hay các hạt khác.

(…)

Người ta xác nhận rằng, các sóng ánh sáng và các sóng điện từ khác tương tác rõ rệt với các hạt bị từ hóa và các hạt mang điện tích. Khi đi qua các chất, như nước chẳng hạn, các sóng đó lệch đi, bị khúc xạ đi… Hạt photon có tần số cao, nghĩa là có năng lượng lớn, khi va chạm với hạt nhân nguyên tử, có thể sinh ra trong quá trình đó một cặp elektron - pozitron.

Vật lý học thực nghiệm cũng khám phá được các hiệu ứng xác nhận có sự tương tác trực tiếp của các sóng với nhau. Chúng ta hãy nhớ lại trường hợp nổi tiếng về sự “phát sinh” các elektron và pozitron từ các lượng tử của trường điện từ, tức là từ vật chất có khối lượng nghỉ bằng không.

Như vậy, sau khi biến đổi thành cặp elektron - pozitron, rồi do sự hủy diệt lại biến thành các hạt ánh sáng, các photon có tương tác với nhau.

Ngoài ra, lý thuyết xác nhận rằng về nguyên tắc, một sóng ánh sáng này có thể phản xạ một sóng ánh sáng khác. Điều đó có nghĩa là ánh sáng không những bị tán xạ khi rơi trên các điện tích, mà nó cũng bị tán xạ ngay khi đi qua trường điện từ bao quanh điện tích. Ánh sáng có thể bị khúc xạ bởi ánh sáng.

(…)

Như vậy, dù các hạt có khác nhau thế nào chăng nữa, dù chúng có các đặc tính nào đi nữa, thì tất cả những người dân kỳ lạ của thế giới vi mô cũng có cái gì đó cùng nguồn gốc với nhau. Đó là một kết luận rất quan trọng, dù thoạt tiên ta tưởng như nó có tính chất quá chung chung và không thể dùng để xây dựng được một lý thuyết vật lý có thể sử dụng được.

(…)

Một trong các thuyết nổi tiếng nhất được xây dựng trên nguyên lý “hợp nhất lại” gọi là “thuyết nơtrinô về ánh sáng”. Thuyết này do Lui Đơ Brơi nghiên cứu. Ông cho rằng photon là sự phối hợp của hai hạt nơtrinô. Sau Đơ Brơi có nhà bác học Xô Viết A. A. Xôcôlôv, nhà bác học Đức, P. Gióocđăng và nhiều nhà bác học khác đã phát triển thuyết nơtrinô trên. Nhưng cho đến bây giờ, giả thuyết của nhà bác học Pháp vẫn chưa được thực nghiệm xác nhận.

Cần phải lưu ý đặc biệt đến những ý kiến của nhà bác học M. A. Markôv ở Maxcơva. Cũng như nhiều nhà bác học khác, ông cho rằng tất cả các hạt đều được cấu tạo bởi các nucleon và các phản nucleon, nhưng ông đã giải thích một cách độc đáo mối liên hệ giữa các dạng cơ bản và phức tạp của vật chất.

(…)

Còn lại vấn đề tại sao khối lượng của photon bằng không, trong khi đó tất cả các hạt giả thiết là có tham gia cấu tạo hạt photon lại là các hạt “nặng” thì chưa rõ (…).

Thuyết Markốv nhằm cố gắng đưa số các hạt cơ bản về cực tiểu. Nhưng đáng tiếc, do một loạt các khó khăn về mặt toán học, người ta không thể đưa thuyết đó đến một trạng thái tạm ổn.

Mới đây, viện sĩ Xô Viết Iakốv Zelđiôvits đã đưa ra một giả thuyết khác đáng chú ý: tất cả các hạt cơ bản, trừ các electrôn, pôzitrôn và muyôn, đều gồm bởi các hạt quac. Nhưng trong chốc lát mà có những khẳng định dứt khoát ủng hộ hay phản đối “giả thuyết về hạt quac của thế giới vi mô” thì e sớm quá.

Tháng bảy, 1958, nhà vật lý học nổi tiếng Rôbe Openhâymơ đã phát biểu ý kiến về chương trình “cải cách theo lối Menđêlêev” bảng các hạt nguyên tố. Ông đề nghị, trong giai đoạn đầu, giảm số các trường - hạt xuống còn sáu. Thế nhưng ông cũng không thành công trong việc xây dựng một lý thuyết ít nhiều hoàn chỉnh”.

“Hiện nay chưa có ai tìm thấy qui luật trong các tính chất của các hạt cơ bản, để dựa trên cơ sở của qui luật đó, ta có thể bắt đầu vẽ “chân dung của chất đầu tiên”, tức là bắt đầu mô tả “tiền vật chất”. Tuy nhiên khi đi sâu vào bí ẩn của sự vật chúng ta không thể nói rằng chúng ta không biết gì về các chất nguyên thủy. Trong đó, chúng ta cũng đã biết được đôi chút. Nếu tiền vật chất có tồn tại, thì nhất thiết nó phải có “cái đôi chút” ấy. Dù những hiểu biết của chúng ta về tiền vật chất còn rất ít, nhưng những hiểu biết đó cũng làm cho bài toán bí ẩn trở nên dễ dàng hơn.

Trước hết, từ chính khái niệm “chất nguyên thủy” ta suy ra rằng, theo ngôn ngữ của các nhà vật lý học, nó là một nguyên tố xây dựng bậc nhất. Trong trường hợp ngược lại (nghĩa là nếu có hai, ba hay nhiều hơn các vật liệu xây dựng cơ bản nhất), thì không thể xây dựng được bức tranh thống nhất của thế giới.

Thuộc tính thứ hai của tiền vật chất, đó là “tính cấu tạo hạt” của nó, hay như các nhà bác học thường nói, là tính gián đoạn. Một khối lượng liên tục đồng nhất, là một cái gì phức tạp, một cái ta có thể chia ra mà không thay đổi chất lượng của nó. Chúng ta tìm cái đơn giản hơn các photon và các electron, và từ cái đó, trong các điều kiện xác định, thu được các hạt cơ bản gián đoạn. Một số các nhà vật lý học gọi hạt đơn giản nhất đó của tiền vật chất là “elementon”.

Thuộc tính thứ ba của tiền vật chất suy từ chính sự kiện tồn tại của các hạt cơ bản. Thực tế vì các hạt cơ bản không hoàn toàn là cơ bản mà theo một nghĩa nào đó, chúng là phức tạp, nên các hạt thực sự đơn giản nhất - các hạt của chất nguyên thủy - chắc chắn phải có tính chất tương tác lẫn nhau và bằng cách này hay cách khác, chúng có tính chất tạo ra một cái gì đó phức tạp và muôn hình muôn vẻ. Nếu như tiền vật chất không có tính chất đó và chỉ là một sự tụ tập của những cái gì “đơn độc, đóng kín, cách biệt” thì nó sẽ làm cho thiên nhiên quanh ta mất cái tính muôn màu, muôn vẻ sáng ngời của mình. Thế giới nếu được cấu tạo bởi những cái “cô độc, tăm tối” thì sẽ đều đều và buồn thảm. Như vậy khả năng tương tác đã có sẵn trong các hạt đầu tiên của vật chất.

Lý thuyết hiện đại cho rằng ứng với mỗi hạt cơ bản có một trường: ứng với các hạt photon có trường elektron - pozitron; ứng với các proton và notron có trường nucleon… Do đó, tiền vật chất cũng phải có một trường “thống nhất” hay “cơ sở” nào đó.

Thuộc tính thứ tư của chất nguyên thủy là, các vi hạt của nó - các elementon - giống như các con quay. Tương tự như nhiều đối tượng của thế giới vi mô, các elementon đó có mô men quay nội tại, mà ta gọi là spin. Từ đó lại có định nghĩa nữa gọi tiền vật chất là trường spino.

Tính chất này không thấy rõ ngay như ba tính chất đã mô tả ở trên. Chúng ta sẽ nghiên cứu tính chất này một cách chi tiết hơn.

Chúng ta nhớ lại rằng mỗi hạt cơ bản đều có sẵn mômen quay nội tại hoàn toàn xác định. Mômen này không thể có mọi giá trị tùy ý như ở trong con quay thông thường, và bao giờ cũng bằng một bội số của các bán nguyên: , v..v..

Tương tự như khối lượng và xung lượng, spin cũng không tự mất đi và tự sinh ra. Nó xác nhận một trong các định luật của tự nhiên - định luật bảo toàn mômen xung lượng. Khi hai hạt đều có spin, kết hợp lại thành một hạt phúc tạp hơn nào đó, thì spin của chúng được cộng lại. Nếu như các spin bằng nhau, nhưng hướng về các phía ngược nhau thì hạt kết hợp sẽ có mômen quay bằng 0. Nếu hướng của các spin trùng nhau, thì hạt phức tạp sẽ có spin bằng tổng các spin của các hạt hợp thành.

Bây giờ chúng ta xem xét hạt của vật chất giả thiết ở trên, của trường spin không thống nhất mà từ đó ta thu được tất cả các hạt đã biết, phải có spin bằng bao nhiêu.

Bằng 0 chăng? Không thể bằng 0 được. Vì rằng nếu chỉ dùng “các tổ hợp tĩnh” chúng ta không thể nào tạo ra sự quay có sẵn trong đa số các hạt cơ bản và các hạt có phần nào phức tạp hơn.

Phải chăng chúng có các spin bằng 1, 2, 3 …? Cũng không phải. Cùng với các hạt mà spin có giá trị tương tự, cũng có các hạt mà spin của chúng bằng (như electron, proton …). Chúng ta không thể thu được mômen quay có giá trị bằng một nửa, bằng cách tổ hợp các hạt có spin bằng 0 hay bằng một số nguyên; cộng hay trừ số nguyên, không bao giờ chúng ta thu được các số bán nguyên.

Do đó, vật chất không những phải là một spin nói chung, mà còn phải gồm bởi các hạt có spin hoàn toàn xác định, và chính là bằng . Đại dương vật chất nguyên thủy gồm bởi các giọt giống như các con quay và có mômen quay khả dĩ cực tiểu.

Lần đầu tiên Lui Dơ Brơi đưa ra kết luận quan trọng trên. Trong bóng đêm bao quanh nguồn gốc bí ẩn của các hạt cơ bản, người ta thấy ló ra tia sáng yếu ớt đầu tiên của nhận thức.

Vả lại đó chưa phải là tất cả những cái mà ta có thể nói về mặt định tính của tiền vật chất. Còn một tính chất nữa, tính chất thứ năm, được thiết lập một cách vững chắc của vật chất cơ sở, đó là nó chỉ tương tác với chính nó.

Điều đó cũng hoàn toàn rõ ràng. Vì theo giả thiết của chúng ta, thì ngoài vật chất đầu tiên đó ra, không có cái gì nữa. Tất cả những cái chúng ta thấy ở quanh ta, tất cả những cái muôn hình muôn vẻ của tự nhiên. Không là cái gì khác ngoài cái biểu hiện của trường spinơ cơ sở, tất cả những cái đó chỉ là bọt tóe của đại dương lấp đầy thế giới. Nói một cách chính xác hơn, trường spinơ cơ sở phải có khả năng tự kích thích”.