Vũ trụ là một không gian bao la, với hàng trăm tỷ thiên hà trải dài vô tận. Nhưng toàn bộ cấu trúc vĩ đại đó lại được xây dựng từ những viên gạch vô cùng nhỏ bé. Từ đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã đi sâu vào thế giới hạ nguyên tử, khám phá ra những hạt ngày càng cơ bản hơn – những thành phần không thể chia nhỏ hơn nữa đã tạo nên vạn vật. Vậy, trong số những viên gạch nền tảng đó, hạt nào là nhỏ nhất? Và ngược lại, hạt nào lớn nhất?
Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần sự hướng dẫn của Don Lincoln, một nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi (Fermilab), nơi các nhà vật lý đập vỡ các hạt để nghiên cứu những thành phần cơ bản nhất của chúng. Theo ông, có hai cách để định nghĩa "kích thước" của một hạt: khối lượng của nó và kích thước vật lý của nó.
1. Cuộc Đua Về Khối Lượng: Từ "Bóng Ma" Neutrino Đến "Gã Khổng Lồ" Top Quark
Khi nói về khối lượng, câu trả lời tương đối rõ ràng, mặc dù vẫn còn nhiều điều bí ẩn.
Hạt có khối lượng khác không thấp nhất mà chúng ta biết đến là neutrino. Lincoln mô tả neutrino như một "hạt ma quái của thế giới hạ nguyên tử".
Tính chất "ma quái": Neutrino tương tác cực kỳ yếu với vật chất. Ngay giây phút này, có hàng nghìn tỷ neutrino từ Mặt Trời và các vì sao đang xuyên qua cơ thể bạn mà không để lại một dấu vết nào.
Khối lượng siêu nhỏ: Các công cụ hiện tại không đủ nhạy để đo chính xác khối lượng của neutrino, nhưng các nhà khoa học biết rằng nó cực kỳ nhỏ. Để dễ hình dung, một hạt electron (vốn đã rất nhẹ) vẫn nặng hơn một neutrino khoảng 500.000 lần.
Ở phía đối diện của quang phổ là hạt cơ bản nặng nhất từng được phát hiện: Top Quark.
Electron-volt (eV) là gì?
Trong thế giới hạ nguyên tử, khối lượng và năng lượng có thể chuyển đổi cho nhau theo phương trình nổi tiếng của Einstein E=mc². Vì vậy, các nhà vật lý thường sử dụng đơn vị năng lượng (eV) để mô tả khối lượng của các hạt. Một electron-volt là một lượng năng lượng cực kỳ nhỏ.
2. Bí Ẩn Về Kích Thước Vật Lý: Chúng Ta Thực Sự Nhỏ Đến Mức Nào?
Câu hỏi về kích thước vật lý (đường kính) lại phức tạp hơn nhiều. Để dễ hình dung về quy mô, Lincoln đưa ra một so sánh đáng kinh ngạc:
Vậy hạt nhân có phải là nhỏ nhất không? Không hề. Hạt nhân được tạo thành từ proton và neutron, và chúng lại được tạo thành từ các quark.
Vậy kích thước vật lý của một hạt quark hay một electron là bao nhiêu?
Câu trả lời đáng ngạc nhiên là: Chúng ta không biết, và có thể chúng không có kích thước.
Các máy gia tốc hạt mạnh nhất hiện nay chỉ có thể "nhìn" được đến một giới hạn là 5 x 10⁻²⁰ mét (nhỏ hơn một proton khoảng 2.000 lần). Các thí nghiệm đã xác nhận rằng các hạt như electron và quark phải nhỏ hơn giới hạn này. Tuy nhiên, theo Mô hình Chuẩn của vật lý hạt – lý thuyết thành công nhất của chúng ta về thế giới hạ nguyên tử – những hạt cơ bản này được coi là các "điểm" (point-like), tức là chúng không có chiều không gian, không có bán kính.
Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần sự hướng dẫn của Don Lincoln, một nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi (Fermilab), nơi các nhà vật lý đập vỡ các hạt để nghiên cứu những thành phần cơ bản nhất của chúng. Theo ông, có hai cách để định nghĩa "kích thước" của một hạt: khối lượng của nó và kích thước vật lý của nó.
1. Cuộc Đua Về Khối Lượng: Từ "Bóng Ma" Neutrino Đến "Gã Khổng Lồ" Top Quark
Khi nói về khối lượng, câu trả lời tương đối rõ ràng, mặc dù vẫn còn nhiều điều bí ẩn.
Hạt Nhẹ Nhất: Neutrino
Hạt có khối lượng khác không thấp nhất mà chúng ta biết đến là neutrino. Lincoln mô tả neutrino như một "hạt ma quái của thế giới hạ nguyên tử".
Tính chất "ma quái": Neutrino tương tác cực kỳ yếu với vật chất. Ngay giây phút này, có hàng nghìn tỷ neutrino từ Mặt Trời và các vì sao đang xuyên qua cơ thể bạn mà không để lại một dấu vết nào.
Khối lượng siêu nhỏ: Các công cụ hiện tại không đủ nhạy để đo chính xác khối lượng của neutrino, nhưng các nhà khoa học biết rằng nó cực kỳ nhỏ. Để dễ hình dung, một hạt electron (vốn đã rất nhẹ) vẫn nặng hơn một neutrino khoảng 500.000 lần.
Hạt Nặng Nhất: Top Quark
Ở phía đối diện của quang phổ là hạt cơ bản nặng nhất từng được phát hiện: Top Quark.
- Quark là gì? Quark là một loại hạt cơ bản, được cho là không thể chia nhỏ hơn nữa. Có sáu loại (hay "vị") quark khác nhau. Hai loại phổ biến nhất là Up-quark và Down-quark, chúng kết hợp với nhau để tạo nên proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử.
- Khối lượng khổng lồ: Trong khi Up-quark và Down-quark rất nhẹ, thì Top Quark lại là một "gã khổng lồ" thực sự. Nó nặng tới 172,5 tỷ electron-volt (eV). Để so sánh, nó nặng gấp khoảng 35.000 lần so với một proton và có khối lượng gần bằng cả một nguyên tử Vàng. Việc một hạt cơ bản lại nặng đến như vậy là một trong những bí ẩn lớn của vật lý hiện đại.
Electron-volt (eV) là gì?
Trong thế giới hạ nguyên tử, khối lượng và năng lượng có thể chuyển đổi cho nhau theo phương trình nổi tiếng của Einstein E=mc². Vì vậy, các nhà vật lý thường sử dụng đơn vị năng lượng (eV) để mô tả khối lượng của các hạt. Một electron-volt là một lượng năng lượng cực kỳ nhỏ.
2. Bí Ẩn Về Kích Thước Vật Lý: Chúng Ta Thực Sự Nhỏ Đến Mức Nào?
Câu hỏi về kích thước vật lý (đường kính) lại phức tạp hơn nhiều. Để dễ hình dung về quy mô, Lincoln đưa ra một so sánh đáng kinh ngạc:
- Một virus thông thường dài khoảng 400 nanomet (một phần tỷ mét).
- Một hạt nhân nguyên tử có kích thước khoảng 10⁻¹⁴ mét.
- Điều này có nghĩa là, sự khác biệt về kích thước giữa bạn và một con virus còn nhỏ hơn sự khác biệt về kích thước giữa con virus đó và một hạt nhân nguyên tử.
Vậy hạt nhân có phải là nhỏ nhất không? Không hề. Hạt nhân được tạo thành từ proton và neutron, và chúng lại được tạo thành từ các quark.
Vậy kích thước vật lý của một hạt quark hay một electron là bao nhiêu?
Câu trả lời đáng ngạc nhiên là: Chúng ta không biết, và có thể chúng không có kích thước.
Các máy gia tốc hạt mạnh nhất hiện nay chỉ có thể "nhìn" được đến một giới hạn là 5 x 10⁻²⁰ mét (nhỏ hơn một proton khoảng 2.000 lần). Các thí nghiệm đã xác nhận rằng các hạt như electron và quark phải nhỏ hơn giới hạn này. Tuy nhiên, theo Mô hình Chuẩn của vật lý hạt – lý thuyết thành công nhất của chúng ta về thế giới hạ nguyên tử – những hạt cơ bản này được coi là các "điểm" (point-like), tức là chúng không có chiều không gian, không có bán kính.
 |
| Kích thước của các hạt có thể được đo bằng cách điều tra khối lượng của chúng hoặc kích thước vật lý của chúng. |
Kết Luận: Vậy, đâu là hạt nhỏ nhất và lớn nhất?
Cuộc tìm kiếm để hiểu rõ hơn về những viên gạch nền tảng này của thực tại vẫn đang tiếp diễn, đẩy lùi các giới hạn của công nghệ và kiến thức của con người về vũ trụ.
- Về khối lượng: Hạt nhẹ nhất (có khối lượng) là neutrino, và hạt nặng nhất là top quark.
- Về kích thước vật lý: Câu trả lời vẫn còn là một bí ẩn. Các hạt cơ bản như electron và quark nhỏ hơn bất cứ thứ gì chúng ta từng đo được, và theo lý thuyết hiện tại, chúng có thể không có kích thước vật lý nào cả.
Cuộc tìm kiếm để hiểu rõ hơn về những viên gạch nền tảng này của thực tại vẫn đang tiếp diễn, đẩy lùi các giới hạn của công nghệ và kiến thức của con người về vũ trụ.
