LÝ THUYẾT MỚI VỀ CẤU TẠO CỦA VẬT CHẤT
Vật chất cấu tạo như thế nào, thành phần nhỏ nhất không thể chia cắt được cấu tạo nên vật chất là gì, đấy là một vấn đề hết sức hấp dẫn đã được loài người quan tâm đến từ mấy. nghìn năm nay. Thời Cổ Trung Quốc có thuyết Âm - Dương, Ngũ hành (Kim, Mộc, Thuỷ, Hoả, Thổ). Cổ Ấn Độ có thuyết Locayat cho rằng thế giới cấu tạo bằng bốn yếu tố cơ bản: Nước, Lửa, Không khí và Đất. Đến thế kỷ XIII, với sự tiến bộ của hoá học, người ta biết rằng nước không phải là yếu tố cơ bản mà cấu tạo bằng hai nguyên tố hoá học: Oxy và Hydro. Đến cuối thế kỷ XIX thì các nhà khoa học khẳng định rằng thành phần cuối cùng của vật chất là nguyên tử và người ta chỉ nói bằng tiếng Hy Lạp là ''atome'', có nghĩa là ''không thể chia cắt được nữa''. Kích thước của nguyên tử rất nhỏ, chỉ có 10-8cm có nghĩa là trên 1cm có thể sắp xếp 100 triệu nguyên tử.
Thế kỷ XX chứng minh rằng nguyên tử chưa phải là nhỏ nhất mà cấu tạo bằng những hạt nhỏ hơn: electron, proton nơtron. Về sau, người ta đã tìm ra nhiều hạt khác: pôditrôn (phản hạt của êlectrôn), phản prôtôn, phản nơtrôn, các nơtrinô, các mêzôn, và phản hạt của chúng. Người ta gọi những phản hạt này là ''hạt cơ bản'' (elementary particle). Cho đến giữa thập kỷ 60, con số ''hạt cơ bản'' đã lên đến mấy chục hạt.
Đến đây, các nhà khoa học bắt đầu nghi ngờ: phải chăng tất cả các hạt ấy đều là ''cơ bản", đều là phần tử nhỏ nhất cấu tạo nên vật chất? Sang thập kỷ 70, nhờ những máy gia tốc năng lượng rất lớn, người ta đã phát hiện ra hạt prôtôn và hạt nơtrôn không phải là ''cơ bản'' mà mỗi hạt ấy cấu tạo bằng 3 hạt “quark”? Kích thước của protôn, nơtrôn vào cỡ 10-13cm, còn kích thước hạt quark vào cỡ 10-16cm.
Cách sắp xếp các hạt cơ bản trước đây chia thành 3 loại: hạt nhẹ (như êlêctrôn, nơtrino), hạt nặng (như prôtôn, nơtrôn) và mêzôn (pi, muy, ômêga, xích ma...) không còn thích hợp nữa. Theo lý thuyết mới nhất gọi là “mô hình chuẩn”, (Standard model), có 12 thành phần cấu tạo cơ bản của vật chất (Fundamental constiluents of matter) và 4 lực cơ bản (basic forces).
12 hạt cơ bản là: 6 lepton (êlêctrôn và nơtrinô êlêctrôn, muy và nơtrinô muy, tau và nơtrinô tau) và 6 quark (chia thành 3 họ: quark up và down, quark charmed và strange, quark top và bottom, ký hiệu là u và d, c và s, t và b). Prôtôn cấu tạo bằng 2 quark u và 1 quark d (uud), nơtrôn cấu tạo bằng 1 quark u và 2 quark d (udd).
4 lực cơ bản là: lực hấp dẫn (gravity) với hạt mang (carrier) là graviton, lực điện từ (electromagnetism) với hạt mang là photon, lực tương tác yếu (weak) với hạt mang là boson (theo tên của nhà vật lý Ấn Độ S.N.BOSE), lực tương tác mạnh (strong) với hạt mang là gluon.
Đến đây chúng ta đã có một bức tranh khá đầy đủ về cấu tạo của vật chất. Phải chăng đến đây đã hết? Bằng tính toán lý thuyết và một số chứng cứ bước đầu về thực nghiệm, người ta đã đề ra giả thuyết có thể có một họ (family) quark thứ tư nữa, tạm gọi là quark t' và b' và cũng có thể có một lực cơ bản thứ 5 nữa, gọi là lực Higgs (do tên của Peter W.Higgs, trường Đại học Endinburg) truyền bằng boson Higgs. Bản thân hạt quark cũng có thể không phải là cơ bản mà cấu tạo bằng hạt nhỏ hơn gọi là ''prequark''. Hiện nay tất cả các điều ấy chỉ mới là giả thuyết, cần được chứng minh bằng thực nghiệm trên máy gia tốc có năng lượng lớn hơn những máy hiện có.
Năm 1957, máy gia tốc lớn nhất thế giới đặt tại Viện Liên hiệp nghiên cứu hạt nhân Dupna có năng lượng 10 Gev (Gigaelectron - volt - tỷ êlêctrônvôn). Máy gia tốc lớn nhất thế giới hiện nay đặt tại phòng thí nghiệm Fermi gần Chicago (Mỹ) có năng lượng gần 2 TeV (Teraelectron - volt – nghìn tỷ êlêctrôn - vôn), gấp gần 200 lần máy ở Dupna trước đây. Máy này được gọi là Tevatron. Tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (Centre Européen de recherche nucléaire - CERN) tại Thụy Sĩ, hiện đang xây dựng máy gia tốc va chạm chùm hạt proton - proton LHC (Large Hardon Collider) năng lượng 15 TeV hay 15000 GeV, dự tính sẽ hoàn thành vào năm 1997 - 1998.
Chu vi của đường hầm đặt máy lên đến 27 km, một phần trên đất Pháp, một phần trên đất Thụy Sĩ. Mỹ có kế hoạch xây dựng tại Bang Texas máy gia tốc va chạm chùm hạt proton - proton SSC (super- conducting Super Collider), năng lượng 43 TeV (43.000 GeV). Dự án này đang gây nên tranh cãi vì vốn đầu tư quá lớn.
Tháng 4 - 1992, vệ tinh Cobe (Cosmic Background Explorer: người thám hiểm nền Vũ trụ) đã truyền về Trái đất hình ảnh Vũ trụ khi mới hình thành sau vụ nổ lớn (Big Bang) cách đây chừng 15 tỷ năm. Lúc ấy, Vũ trụ giống như một ''bát cháo đặc'' gồm 2 loại hạt: quark và gluon.
Dưới tác dụng của ''lực mạnh'' truyền bằng gluon, các hạt quark đã kết hợp lại thành protôn, nơtrôn, rồi thành nguyên tử, phân tử, các nguyên tố hoá học, vật chất, Vũ trụ... Ở đây, vật lý hạt cơ bản đã gặp vật lý thiên văn, Thế giới vô cùng nhỏ đã gặp thế giới vô cùng lớn. Các nhà khoa học hy vọng rằng trên các máy gia tốc năng lượng lớn có thể tái tạo lại sự ra đời của Vũ trụ.
