Thành phần và quy luật của vũ trụ

THÀNH PHẦN CỦA VŨ TRỤ (theo vật lý cổ điển)

Theo vật lý cổ điển, sau khi tổ hợp tất cả những khái niệm có điểm chung trong vũ trụ, chỉ còn lại 4 thành phần riêng biệt không thể gộp chung vào với nhau được nữa, đó là: Không gian, thời gian, vật chất và năng lượng.

Riêng thời gian là một khái niệm bất biến đối với vật lý cổ điển, nên nó đã không được xem là một thành phần của vũ trụ trong khoảng thời gian này. Nhưng vì những nghiên cứu mang tính đột phá về thời gian trong vật lý hiện đại, người ta đã thêm thời gian vào như là một thành phần cần có để cân bằng mô hình vũ trụ của vật lý cổ điển.

4 thành phần này đã được thu gọn lại chỉ còn 2 trong vật lý hiện đại do sự xuất hiện của cơ học tương đối tính và cơ học lượng tử. Nhưng trước tiên chúng ta sẽ phân tích xem vật lý cổ điển quan niệm như thế nào về những thành phần này.

KHÔNG GIAN

Thử tưởng tượng nếu lấy đi tất cả mọi thứ xung quanh, cả những thứ vĩ mô như hành tinh, ngôi sao, thiên hà,… và cả những thứ vi mô như nguyên tử, khí, bụi,… thì sẽ còn lại gì? Hầu hết mọi người sẽ nói là “không còn gì cả”, điều này vừa đúng lại vừa sai. Thứ còn lại là không gian trống rỗng, mà không gian trống rỗng lại khác với không có gì.

Tưởng tượng một vũ công trượt băng nghệ thuật đang quay mình trên sân khấu, sau đó lấy đi hết tất cả mọi thứ như ví dụ trên. Lúc đó vũ công mặc dù không còn nhìn thấy bất cứ thứ gì nhưng vẫn biết mình đang quay do có một lực ly tâm kéo các bộ phận cơ thể ra phía ngoài. Vậy không còn một thứ nào khác để làm mốc - ngoài không gian - cho thấy vũ công đang quay. Newton tưởng tượng không gian như một thứ cố định và bất biến, như sân khấu lúc người ta đang trình diễn vậy, chỉ có con người và đồ vật thay đổi còn sân khấu thì cố định.

Số chiều của không gian:

Trong không gian n chiều, để xác định một vị trí ta cần dùng n hệ số.

• Không gian 1 chiều: Nhiều người lầm tưởng nó là một đường thẳng, nhưng trong vật lý hiện đại, không gian có thể cong, vậy nên bản chất nó có thể là đường thẳng hoặc đường cong, ta có thể gọi ngắn gọn là một “đường”.



• Không gian 2 chiều: Tương tự, nó có thể là một mặt phẳng hoặc mặt cong, ta gọi ngắn gọn là một “mặt”.



• Không gian 3 chiều: Là không gian mà chúng ta đang cảm nhận được trong cuộc sống, có 3 chiều là chiều dài, chiều rộng, chiều cao. Vậy không gian 3 chiều có thể cong hay không? Có… nhưng không thể quan sát bằng mắt thường vì nếu nó cong chúng ta chỉ có thể quan sát từ chiều không gian thứ tư, tương tự như không gian 1 chiều và 2 chiều ở trên nếu nó bị cong thì cũng sẽ cong sang một chiều không gian khác không tồn tại trên 1 hoặc 2 chiều đó, vì vậy bản chất nếu có một thực thể tồn tại trên các chiều không gian đó thì nó cũng không thể cảm nhận sự cong bằng thị giác.



• Liệu rằng có không gian 4 chiều trở lên? Điều đó hoàn toàn có thể, nhưng giác quan của con người chỉ tương tác được với không gian 3 chiều.

THỜI GIAN

Newton từng nói: “Không cần định nghĩa thời gian vì đó là thứ mà mọi người đều biết”. Thật vậy, đối với hầu hết mọi người, thời gian chỉ là một thứ ảo tưởng để đo khoảng cách giữa 2 thời điểm, chỉ trôi theo một chiều và như nhau với mỗi người, mỗi vật. Mặc dù quan niệm này sai với thuyết tương đối, nhưng chúng ta sẽ xét đến nó sau.

Vậy thời gian chỉ trôi theo một chiều. Nhưng cụ thể là thời gian trôi theo chiều nào? Trong vật lý chúng ta có cực kỳ nhiều phương trình phụ thuộc vào đại lượng thời gian, nhưng tuyệt nhiên không có một phương trình hay định luật nào nói về hướng đi của thời gian, cho đến khi định luật thứ hai của nhiệt động lực học ra đời.

Để hiểu được định luật này, chúng ta cần hiểu được khái niệm entropy. Entropy nói ngắn gọn thì nó là một đại lượng thể hiện mức độ hỗn loạn. Một cốc nước vương vãi trên bàn sẽ hỗn loạn hơn một cốc nước nằm gọn trong cốc, do đó entropy của nó cũng cao hơn. Tương tự khi đồ đạc được sắp xếp gọn gàng thì entropy cũng sẽ thấp hơn so với việc bày bừa lộn xộn ra. Hoặc nếu xét theo quy mô vật chất nhỏ hơn, nhiệt độ cao hơn làm cho các phân tử chuyển động hỗn loạn hơn, do đó entropy cũng cao hơn so với khi nhiệt độ thấp.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói rằng: “Entropy của một hệ kín sẽ luôn tăng hoặc không đổi theo thời gian”. Đồng nghĩa với việc nếu không chịu tác động từ bên ngoài, một hệ kín sẽ không bao giờ bớt đi sự hỗn loạn mà chỉ có thể giữ nguyên hoặc tăng lên theo thời gian. Thật vậy, bạn cứ thử để nguyên căn phòng của mình mà không dọn dẹp thường xuyên xem, nó sẽ dần rối tung rối mù lên. Và định luật này cũng đúng với khắp mọi nơi trong vũ trụ. Xét theo tổng thể vũ trụ cũng là một hệ kín, nên entropy của cả vũ trụ cũng luôn luôn tăng chứ không bao giờ giảm.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học đã chỉ rõ mũi tên của thời gian - là thời gian luôn di chuyển theo hướng mà entropy tăng.

VẬT CHẤT

Tất cả vật chất tồn tại trong vũ trụ khi phân tách ra đến một mức độ vi mô nào đó, chúng ta sẽ chạm đến các hạt. Hạt lớn nhất là phân tử. Phân tử là thành phần nhỏ nhất của vật chất còn mang tính chất của một chất, khi chúng ta tiếp tục phân tách phân tử ra, chất ban đầu sẽ không còn tồn tại nữa. Phân tử gồm nhiều nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóa học. Các liên kết hóa học phổ biến là liên kết ion và liên kết cộng hóa trị.

Nguyên tử là một thành phần cơ bản của vật chất trung hòa về điện. Nguyên tử gồm hạt nhân (chứa proton và neutron) ở trung tâm và electron quay xung quanh.

Nhỏ hơn nguyên tử là các hạt hạ nguyên tử, chúng nhỏ hơn nhiều lần so với nguyên tử và là các thành phần nhỏ nhất mà con người đã tìm thấy được cho đến hiện tại. Trước khi tìm hiểu về các loại hạt hạ nguyên tử, ta cần nắm được một số khái niệm ban đầu:

• Điện tích: Là đại lượng đặc trưng cho tương tác điện từ, điện tích có 2 loại là điện tích âm và điện tích dương.

• Spin: Là đại lượng có bản chất của momen động lượng, thuần túy lượng tử và không có sự tương ứng trong cơ học cổ điển. Spin giống như một dạng tự quay quanh trục của hạt, giống như Trái Đất ngoài việc quay quanh Mặt Trời thì còn tự quay quanh trục riêng của nó. Không chắc là các hạt có thực sự tự quay không, vì ta không thể quan sát được các hạt cơ bản, nhưng ít nhất thì nó mang tính chất của việc tự quay như là đổi hướng trong từ trường khi các nhà khoa học bắn các hạt xuyên qua từ trường. Một điều đặc biệt nữa là thay vì như vật chất thông thường, chỉ một vòng quay là có thể quay về vị trí cũ thì trong thế giới lượng tử, spin có thể bằng ½ hoặc 2,… tức là hạt chỉ cần quay nửa vòng thì đã có thể quay về vị trí cũ, hoặc thậm chí là 2 vòng. Mọi thứ trong cơ học lượng tử đều kỳ lạ như vậy đấy.

Điện tích, spin cùng với khối lượng là 3 đại lượng cơ bản dùng để xác định cụ thể 1 hạt hạ nguyên tử.

Phân loại hạt sơ cấp:

Hạt sơ cấp căn bản được chia thành 2 loại: fermion và boson. Fermion là những hạt cấu tạo nên vật chất trong khi đó boson được coi là những hạt truyền tương tác.

Tất cả fermion đều có spin bằng ½. Fermion lại bao gồm 2 loại đó là quark và lepton. Các hạt quark là các hạt cấu thành hạt nhân nguyên tử và được chia làm 3 thế hệ. Thế hệ thứ nhất bao gồm quark up và quark down. Theo đó, hạt proton (điện tích +1) được tạo thành từ 2 up + 1 down và tương tự hạt neutron (điện tích 0) được tạo thành từ 1 up + 2 down. Thế hệ thứ hai của quark bao gồm quark charm và quark strange, tương ứng với quark up và quark down nhưng khối lượng gấp hàng trăm lần, rất hiếm khi bắt gặp do không tồn tại lâu ngoài tự nhiên. Thế hệ thứ ba cũng tương tự có quark top và quark bottom, khối lượng gấp hàng trăm lần thế hệ thứ hai và cực kỳ hiếm.

Trong khi đó, lepton thế hệ thứ nhất bao gồm hạt electron mang điện tích -1 và electron neutrino không mang điện tích. Thế hệ thứ hai tương ứng là 2 hạt muon và muon neutrino. Thế hệ thứ ba là tau và tau neutrino.

Về nhóm các hạt boson, có 4 loại hạt boson chuẩn là photon, gluon, Z và W cùng với hạt boson vô hướng là higgs. Chúng ta sẽ gặp lại các boson này vào những phần sau.

NĂNG LƯỢNG

Năng lượng chính là nguyên nhân gây ra các hoạt động, tương tác của vật chất. Trước khi đi vào phân tích các dạng năng lượng tồn tại, chúng ta cần làm rõ các định luật bảo toàn.

• Định luật bảo toàn năng lượng, cũng chính là định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, nói rằng: “Tổng năng lượng của một hệ cô lập là không đổi. Năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.”

• Định luật bảo toàn khối lượng, nói rằng: “Trong phản ứng hóa học, tổng khối lượng các chất trước và sau không đổi.”

Theo đó, năng lượng và vật chất sẽ được bảo toàn trong mọi trường hợp (trừ phản ứng hạt nhân) và sự thất thoát năng lượng chỉ là do nó được chuyển thành dạng năng lượng khác mà thôi.

• Dạng năng lượng đầu tiên và cơ bản nhất chính là động năng. Động năng là năng lượng có được từ chuyển động của vật, động năng càng lớn khi khối lượng hoặc vận tốc càng lớn. Động năng là dạng năng lượng cơ bản, các dạng năng lượng khác đều có thể quy về động năng trong những trường hợp cố định.

• Ở quy mô phân tử, các phân tử cũng luôn luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng, ta gọi dạng động năng của các phân tử này là nhiệt năng. Nhiệt năng là tổng động năng của các phân tử. Nhiệt độ càng cao thì các phân tử chuyển động càng nhanh. Ở độ không tuyệt đối (-273.15°C), các phân tử sẽ đứng yên và nhiệt năng bằng 0.

Định luật thứ ba của nhiệt động lực học: “Entropy của một hệ kín sẽ không đổi khi ở độ không tuyệt đối”. Bởi vì khi ở độ không tuyệt đối, mọi thứ ở quy mô từ phân tử trở lên sẽ đứng yên hoàn toàn, do đó mức độ hỗn loạn không thay đổi.

• Bản chất các hạt cơ bản có mang điện tích, vùng xung quanh một điện tích tạo ra điện trường, dạng năng lượng tồn tại trong điện trường gây ra sự tương tác của các điện tích được gọi là điện năng. Các điện tích trái dấu thì hút nhau, cùng dấu thì đẩy nhau. Ứng dụng của điện năng trong cuộc sống hẳn là không còn xa lạ gì với chúng ta, nên chúng ta sẽ không bàn nhiều về dạng năng lượng này.

• Nếu các điện tích không đứng yên mà chuyển động, ngoài điện trường ra còn một môi trường năng lượng nữa được tạo ra gọi là từ trường. Dạng năng lượng tồn tại trong từ trường gọi là từ năng. Từ trường được tạo ra bởi 2 cách: từ các điện tích chuyển động hoặc spin của các hạt cơ bản.

• Quang năng là năng lượng của ánh sáng. Ánh sáng vừa là sóng điện từ vừa là các hạt photon, tính chất này gọi là lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng. Tốc độ ánh sáng trong chân không xấp xỉ 300.000km/s.

Vì ánh sáng là một dạng sóng, nên nó có bước sóng xác định. Bước sóng là độ dài đường đi của một chu kì dao động. Khi ánh sáng mang năng lượng càng lớn, sóng ánh sáng sẽ dao động càng mạnh, do đó bước sóng sẽ ngắn hơn. Vậy nên bước sóng và năng lượng của ánh sáng tỉ lệ nghịch với nhau.

Quang phổ điện từ:



Vùng ánh sáng có bước sóng 380 - 760nm là vùng ánh sáng mà mắt thường của con người có thể cảm nhận được, gọi là ánh sáng khả kiến.

Về phía bước sóng nhỏ hơn, ta có tia tử ngoại (tia cực tím, tia UV), tia tử ngoại tồn tại nhiều trong ánh sáng mặt trời, nó đóng một vai trò quan trọng là kích thích cơ thể tự tổng hợp vitamin D cũng như kích thích một số hoạt động của cơ thể. Nhưng ở cường độ cao nó có thể gây hại cho mắt và da, gây mờ mắt, sạm da, say nắng, thậm chí gây ung thư da. Một số loài chim, bò sát, côn trùng có khả năng nhìn thấy tia từ ngoại, vì vậy một số hình thù trên bộ cánh loài chim và trái cây, hoa của thực vật có màu sắc sặc sỡ hơn khi phản xạ tia tử ngoại để thu hút những loài động vật này.

Mạnh hơn tia tử ngoại ta có tia X, tia X xuyên qua được nhiều loại vật chất, ứng dụng nhiều trong y học điển hình là chụp X quang.

Ở vị trí sóng điện từ mang năng lượng lớn nhất ta có tia gamma, thường được sinh ra từ các phản ứng hạt nhân. Tia gamma có tính ion hóa cực mạnh, nhưng phần lớn tia gamma từ vũ trụ đã được chặn lại bởi bầu khí quyển của Trái Đất. Tia gamma cũng có ứng dụng trong phẫu thuật y học.

Về phía bước sóng lớn hơn ánh sáng khả kiến, tia hồng ngoại mang năng lượng yếu hơn. Mọi vật có nhiệt độ đều phát ra tia hồng ngoại, nhiệt độ càng cao thì tia hồng ngoại phát ra mang năng lượng càng cao. Một số loài động vật điển hình như rắn, côn trùng có thể nhìn thấy được tia hồng ngoại, hỗ trợ cho việc săn mồi của chúng.

Yếu nhất trong dải sóng điện từ là sóng vô tuyến, bao gồm sóng vi ba và sóng radio, ứng dụng trong các hoạt động truyền thông tin.

• Khi xảy ra các phản ứng hóa học có phát ra năng lượng, chẳng hạn như đốt cháy một chất, phản ứng sẽ tạo ra nhiệt và ánh sáng, tức là phát ra nhiệt năng và quang năng, theo định luật bảo toàn năng lượng, phải có một dạng năng lượng chuyển hóa thành, đó là hóa năng. Hóa năng là năng lượng liên kết các nguyên tử trong phân tử. Trường hợp sau phản ứng các chất có ít liên kết hơn và liên kết đơn giản hơn thì sẽ giải phóng hóa năng, ngược lại để tổng hợp các chất phức tạp hơn thì phản ứng sẽ thu năng lượng để tổng hợp hóa năng. Hóa năng cũng là dạng năng lượng ban đầu mà cơ thể con người dung nạp từ thức ăn, được giải phóng qua quá trình oxi hóa chậm để cung cấp năng lượng cho hoạt động của cơ thể người.

• Dạng năng lượng cuối cùng là thế năng, là một dạng năng lượng tiềm tàng, có khả năng chuyển đổi thành động năng.

Ví dụ 1: Thả một quả bóng từ trên cao, quả bóng có thế năng, sẽ chuyển dần thành động năng.

Ví dụ 2: Kéo cung, khi bắn đi mũi tên sẽ chuyển dần thế năng thành động năng.

Ví dụ 3: Một electron bị hút bởi điện tích dương, electron cũng chuyển dần thế năng thành động năng.

Vân vân…

TRẠNG THÁI VẬT CHẤT

Vật chất tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, trong đó có 3 trạng thái cơ bản mà hầu như ai cũng biết và quan sát thấy trong cuộc sống hàng ngày, là rắn - lỏng - khí.

Nguyên nhân gây ra 3 trạng thái khác nhau này là do lực hút điện từ tàn dư tác dụng lên các phân tử và chuyển động nhiệt của các phân tử. Giữa các phân tử khác nhau của cùng một chất khi ở gần nhau luôn luôn có một lực hút điện từ nhẹ với nhau, mà chúng ta đã biết là các phân tử cũng luôn luôn chuyển động, nên vật chất tồn tại ở trạng thái nào phụ thuộc vào độ chênh lệch giữa 2 lực này.

• Ở thể rắn, chuyển động nhiệt của phân tử khá yếu, nên dưới tác dụng của lực hút các phân tử sẽ “dính” lại với nhau và giữ nguyên vị trí của nó, chỉ có thể rung xung quanh vị trí cố định. Lúc này chất ở thể rắn có thể tích cố định.

• Ở thể lỏng, các phân tử chuyển động mạnh hơn nên đã thoát ra được một phần lực hút, nhưng vẫn còn bị ảnh hưởng một phần. Do đó các phân tử đã thoát ra được khỏi vị trí cố định để di chuyển tự do, nhưng vẫn bị hút lại với nhau, làm cho các phân tử chỉ di chuyển trượt lên nhau chứ không dứt ra được. Và vì các phân tử vẫn “dính" với nhau nên chất ở thể lỏng vẫn giữ thể tích cố định.

• Ở thể khí, các phân tử đã chuyển động mạnh đến mức dứt ra được khỏi lực hút của các phân tử và chuyển động tự do lấp đầy vật chứa.

Nhưng rắn - lỏng - khí chưa phải là tất cả, khi tăng nhiệt độ và áp suất lên cao nữa, vật chất sẽ chuyển sang một trạng thái khác. Lúc này các phân tử cũng chuyển động tự do giống như thể khí, nhưng các electron đã bị tách ra khỏi hạt nhân nguyên tử để chuyển động tự do, không còn bị bó buộc trong nguyên tử. Ta gọi đó là plasma (hay thể li tử, thể điện li).

Ở trạng thái plasma, vì nguyên tử đã bị phân li thành các thành phần nhỏ hơn mang điện như hạt nhân và electron, nên chất ở thể plasma dẫn điện mạnh, và phản ứng mạnh với lực điện từ.

Không phải rắn hay lỏng hay khí, mà chính plasma là trạng thái phổ biến nhất trong vũ trụ hiện nay. Trên các ngôi sao nhiệt độ lên đến hàng triệu độ C, hay trong những môi trường liên sao, vật chất hầu hết đều tồn tại ở dạng plasma. Trong cuộc sống hàng ngày ta cũng có thể quan sát thấy plasma xung quanh các tia sét vừa đánh hoặc đèn plasma,...

Rắn - lỏng - khí - plasma có thể dễ dàng chuyển đổi qua lại nếu như chúng ta thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất hoặc cả 2, nhìn chung tất cả mọi chất đều có quy luật chuyển đổi trạng thái theo thứ tự rắn -> lỏng -> khí -> plasma nếu cho nhiệt độ tăng dần. Một số trường hợp đặc biệt chất có thể chuyển đổi trực tiếp từ thể rắn sang thể khí hoặc ngược lại mà không thông qua thể lỏng, như ở iot, băng phiến, băng khô,...

Hết rồi ư? Chưa 😀

4 trạng thái vẫn chưa đủ để bao hàm hết quy luật hoạt động của vật chất, ngoài 4 trạng thái thường gặp này ra còn có 3 trạng thái nữa nếu theo cùng logic thay đổi nhiệt độ và áp suất như vậy.

Lấy ví dụ ở nước. Tất cả chúng ta đều biết nước nguyên chất nóng chảy ở 0°C, bay hơi ở 100°C, ngoài ra còn bị ion hóa thành plasma ở hàng triệu độ C. Nhưng nhiệt độ thì không có giới hạn trên, khi ở mức hàng trăm triệu độ C, các hạt proton và neutron bên trong hạt nhân nguyên tử sẽ bị tách ra và cũng di chuyển tự do giống như electron, tức là lúc này vật chất sẽ ở trạng thái gồm 3 hạt proton, neutron và electron chuyển động hỗn loạn tự do. Ta gọi trạng thái này là quark-gluon plasma. Các nhà khoa học tin rằng quark-gluon plasma là trạng thái phổ biến nhất vũ trụ trong thời gian ngắn ngay sau khi vũ trụ hình thành từ vụ nổ Big Bang.

Về phía nhiệt độ thấp, giới hạn dưới của nhiệt độ là khoảng -273.15°C, còn gọi là độ không tuyệt đối. Khi tiệm cận với mức nhiệt độ này, các hạt cơ bản sẽ hoạt động theo một cơ chế khác biệt mà chúng ta sẽ tìm hiểu sau khi hiểu rõ hơn về các khái niệm trong cơ học lượng tử. Ở đây có 2 trạng thái đó là ngưng tụ Bose-Einstein và ngưng tụ Fermi-Dirac, tương ứng xảy ra với 2 loại hạt là boson và fermion.

TƯƠNG TÁC CƠ BẢN

Tương tác là những hoạt động của vật chất gây ra sự thay đổi giữa các vật chất có liên quan với nhau. Các tương tác cơ bản xảy ra phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, có lẽ cũng không cần ví dụ nữa. Nhưng mặc dù chúng ta thấy có nhiều dạng tương tác khác nhau, nếu thu gọn lại cũng chỉ còn lại 4 loại tương tác cơ bản mà thôi, các dạng tương tác đó là:

• Tương tác điện từ.

• Tương tác mạnh.

• Tương tác yếu.

• Tương tác hấp dẫn.

Đầu tiên là tương tác điện từ (lực điện từ), bản chất của nó là lực tương tác giữa các hạt mang điện tích. Đọc vào có thể nhận thấy ngay điện năng và từ năng là hệ quả của tương tác này. Nhưng không dừng lại ở đó, lực điện từ chính là lực nằm trong bản chất của hầu hết các loại lực quan sát được trong cuộc sống hằng ngày, bao gồm cả các tương tác cơ học, tương tác khi 2 vật chạm nhau. Nếu bạn tưởng tượng đến quy mô phân tử và nguyên tử, khi 2 vật chạm nhau cũng sẽ quy về tương tác điện từ giữa các hạt electron và proton trong cùng hoặc khác nguyên tử mà thôi.

Lực điện từ được gây ra bởi sự trao đổi hạt photon.

Trong nguyên tử, nếu chỉ tồn tại lực điện từ, sẽ có một câu hỏi được đặt ra với các hạt hạ nguyên tử: Tại sao trong hạt nhân nguyên tử, các proton và neutron lại gắn chặt với nhau trong khi mọi proton đều mang điện tích dương và lẽ ra phải đẩy nhau? Tương tự như vậy, một proton hoặc neutron đều được cấu tạo từ 3 hạt quark và 2 trong đó cũng cùng loại điện tích mà vẫn giữ nguyên được trạng thái bền vững. Rõ ràng là có một tương tác còn mạnh hơn nhiều tương tác điện từ để giữ chúng lại với nhau, ta gọi đó là tương tác mạnh (lực hạt nhân mạnh). Ngược lại với lực điện từ càng yếu khi tầm tác dụng càng xa, lực hạt nhân mạnh có độ lớn lại càng lớn khi khoảng cách giữa các hạt với nhau càng lớn, miễn là các hạt còn nằm trong tầm tác dụng của lực.

Lực hạt nhân mạnh được gây ra bởi sự trao đổi hạt gluon.

Vật chất không vĩnh cửu, các hạt nhỏ bé cấu tạo nên vật chất cũng vậy. Hầu hết các hạt hạ nguyên tử đều có thời gian sống của nó. Khi chết đi các hạt sẽ phân rã thành các hạt khác, dưới tác dụng của tương tác yếu (lực hạt nhân yếu). Lực hạt nhân yếu yếu hơn cả lực điện từ nhiều lần và tầm tác dụng cũng rất nhỏ. Tương tác yếu cũng tồn tại ở 2 phạm vi giống tương tác mạnh, đó là phạm vi hạt hạ nguyên tử và hạt nhân.

Lực hạt nhân yếu là lực phức tạp nhất và mỗi quá trình đều được biểu thị bởi một công thức nhìn vào đã thấy xoàng. Nhưng nhìn chung lực hạt nhân yếu được gây ra bởi sự trao đổi các hạt boson Z và W, nếu tính cả điện tích thì là 3 hạt vì boson W có 2 loại điện tích âm và dương. Khác với photon và gluon không mang khối lượng, các hạt này có khối lượng cực kỳ lớn.

Cuối cùng là loại tương tác làm nên thương hiệu của Newton, tương tác hấp dẫn (lực hấp dẫn). Mọi vật hay mọi hạt trong vũ trụ có khối lượng đều hút nhau bởi một lực là lực hấp dẫn. Lực này càng lớn khi khối lượng của các vật càng lớn và khoảng cách của các vật càng gần. Lực hấp dẫn được mệnh danh là lực chi phối vũ trụ, mặc dù nó là lực yếu nhất trong các lực cơ bản. Vì lực điện từ và lực hạt nhân mạnh gần như đã cân bằng trong các thiên thể, lực hạt nhân yếu rất ít khi xảy ra, chỉ còn lại lực hấp dẫn luôn gây ra tác dụng. Đó là lực níu giữ con người với Trái Đất, là lực giữ các hành tinh xoay quanh Mặt Trời, lực gây áp suất tạo ra phản ứng của lõi Mặt Trời,...

Người ta chưa tìm ra được hạt trung gian gây ra lực hấp dẫn, nhưng nếu nó tồn tại, thì nó là hạt graviton. Điều này nếu thành sự thật thì lại đi ngược với thuyết tương đối - nói rằng bản chất tương tác hấp dẫn là do sự bẻ cong không gian - mà chúng ta sẽ làm rõ hơn ở phần sau.

Cuối cùng là độ mạnh yếu của các tương tác cơ bản được tóm tắt ở bảng sau, với lực hấp dẫn là lực yếu nhất và lực hạt nhân mạnh là lực mạnh nhất.

Phạm Nhật Khánh