CÁC LOẠI TƯƠNG TÁC

A- TƯƠNG TÁC HẤP DẪN:
  * Tương tác hấp dẫn là tương tác phổ biến nhất trong tự nhiên, nó tác động lên tất cả, từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô.
   * Hấp dẫn không bao giờ tách rời với khối lượng. Theo “Thuyết tương đối” thì năng lượng tương đương với khối lượng, nên tất cả những gì có năng lượng đều chịu tác động của tương tác hấp dẫn; ngay cả các đối tượng có khối lượng bằng không như photon cũng bị tương tác hấp dẫn chi phối.
  1./ Định luật vạn vật hấp dẫn:
    * Vào thế kỷ XVII, Isaac Newton trong cuốn “Nguyên lý” của mình đã đưa ra định luật vạn vật hấp dẫn. Theo đó, lực hấp dẫn giữa 2 vật tỉ lệ thuận với thừa tích khối lượng của 2 vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
      Công thức tính lực hấp dẫn : F = G.m₁m₂.r^-2  
        với G là hằng số hấp dẫn, có giá trị là G = 6,673 . 10^-11 N.m².kg^-2
              m₁ và m₂ là khối lượng của hai vật
              r là khoảng cách giữa hai vật .
    * Điểm đáng bàn trong Lý thuyết của Newton là không chỉ ra được bản chất của lực hấp dẫn. Lý thuyết này coi lực hấp dẫn là một cái gì đó mang tính siêu tự nhiên. Điều này trong các ngành khoa học khác thì có thể không sao, nhưng trong Vật lý điều này là khó có thể chấp nhận (tớ cũng thấy dzậy, bởi vì nhiệm vụ của Vật lý là phải tìm ra bản chất của mọi thứ trong Vũ trụ.)
  2./ Einstein chỉ ra bản chất của lực hấp dẫn:
    * Vào đầu thế kỉ XX, Einstein cho rằng lực hấp dẫn chẳng qua là do bản chất hình học của không-thời gian. Đó là do không-thời gian không tĩnh như chúng ta tưởng mà chúng rất linh động, có thể bị uốn cong bởi khối lượng và năng lượng. Chính độ cong của không-thời gian.đã làm cho các vật có xu hướng bị hút vào nhau.
    * Lý thuyết của Newton về hấp dẫn (xem như hấp dẫn là một thứ gì đó siêu nhiên) vẫn đúng với các vật có khối lượng nhỏ, làm cong không -thời gian không đáng kể (và đương nhiên là lực hấp dẫn cũng rất nhỏ).
   3./ Dùng cơ học lượng tử để giải thích tương tác hấp dẫn:
    * Tương tác hấp dẫn là tương tác duy nhất trong 4 loại tương tác vẫn chưa có một giải thích lượng tử. Tại sao lại thế? Chúng ta sẽ làm rõ điều này sau:
       Tương tác này được truyền đi bằng các hạt graviton. Hạt graviton có các tính chất như: có khối lượng bằng không (do tầm tương tác của lực hấp dẫn là vô hạn) và có spin bằng 2 (do không gian bị cong).
    * Điều này đang gây ra khó khăn cho chúng ta trong việc xây dựng một lý thuyết được biết với cái tên “Lý thuyết thống nhất lớn” (Grand United Theory, viết tắt là GUT), bởi vì các tương tác khác đều được truyền đi bởi các hạt trường có spin bằng 1 (photon, boson W+, W-, Zo và gluon đều có spin bằng 1)
B- TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỪ:
     * Tương tác điện từ là một tương tác phổ biến trong tự nhiên, nó tạo ra phần lớn các hiện tượng thường thấy trong Vật lý và Hoá học. Tương tác điện từ cho phép giải thích các hiện tượng điện từ, quang và nhiều hiện tượng khác.
    * Tương tác điện từ là loại tương tác được con người nghiên cứu sâu và hiểu biết tốt nhất, nên nó thường được sử dụng như một mô hình xây dựng lý thuyết cho các tương tác khác .
  1./ Các công trình về điện từ:
    * Charles Augustin Coulomb đã dùng một thiết bị mà ông phát minh gọi là “cân xoắn” để đo lực điện tương tác giữa hai điện tích.
     Công thức tính lực điện theo định luật Coulomb: F= k.q₁.q₂.r^-2   
                       với k là hệ số tỷ lệ:   k =9.10⁹  N.m².C^-2   
     Theo công thức của định luật Coulomb thì ta có thể thấy được một sự giống nhau giữa tương tác hấp dẫn và tương tác điện từ (giá trị giảm theo bình phương khoảng cách, và các điện tích đóng vai trò như khối lượng hấp dẫn).
      * Hans Oersted khẳng định rằng: các hiện tượng điện và từ không tách rời.
    * Với hệ phương trình của mình, James Clack Maxwell đã thực hiện một bước hợp nhất cực kỳ táo bạo: ông thống nhất điện, từ và ánh sáng.
       Phương trình thứ nhất trình bày sự phụ thuộc cường độ của từ trường vào các điện tích chuyển động và điện trường biến đổi theo thời gian. Phương trình thứ hai xác định sự phụ thuộc của điện trường vào từ trường biến đổi  theo thời gian. Theo phương trình thứ ba thì điện tích là nguồn của điện trường. Phương trình thứ tư diễn tả từ trường là trường không nguồn.
  2./ Dùng cơ học lượng tử để giải thích tương tác điện từ:
    * Các hạt trường của tương tác điện từ là photon. Năm 1900, khi đưa ra thuyết lượng tử, Max Planck đã nói rằng ánh sáng được truyền đi với từng bó nhỏ, gọi là lượng tử. Năm 1905, khi giải thích hiện tượng quang điện, Albert Einstein đã gọi mỗi lượng tử ánh sáng là một photon. Như vậy, photon là hạt trường đầu tiên được biết đến. Đồng thời, photon cũng là hạt trường đầu tiên được tìm ra.
    * Các tính chất của photon:
       - Khối lượng của photon bằng không (tương tự như tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ cũng có tầm tương tác là vô hạn).
        - Hạt photon có spin bằng 1.
       - Photon là hạt không có phản hạt.
C- TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN YẾU:
* Gọi là yếu, nhưng thực tế, xét về cường độ thì tương tác này mạnh hơn nhiều tương tác hấp dẫn (Sách Vật lý 12 có đưa ra sự so sánh về cường độ của 4 loại tương tác) .
* Tương tác hạt nhân yếu gây ra sự phóng xạ bên trong hạt nhân nguyên tử. Nó chỉ tác dụng lên các fecmion(có spin bán nguyên như ½,) chứ không tác dụng lên các boson (có spin nguyên 1,2,…) .
  1./ Tương tác hạt nhân yếu trong Cơ học lượng tử:
    * Trong công trình lý thuyết của mình, Abdus Salam ở trường Imperal College, London và Steven Weinberg ở trường Đại hoc tổng hợp Harvard đưa ra giả thuyết rằng rằng có bộ ba các hạt có spin bằng 1 gồm có W⁺, W^-, Z^o . Đó là các hạt boson nặng , đóng vai trò truyền tải tương tác yếu .
    * Khối lượng của các hạt trên vào cỡ 100GeV ( nên nhớ rằng GeV là đơn vị của năng lượng, nhưng đối với các hạt có khối lượng nhỏ thì rõ ràng nếu dùng đơn vị của khối lượng sẽ rất rắc rối. Mà trong “Thuyết tương đối hẹp” Einstein đã đưa ra phương trình nổi tiếng :E=mc², cho thấy mối liên quan giữa khối lượng và năng lượng chứa trong nó nên người ta hay dùng đơn vị của năng lượng để chỉ khối lượng của các hạt.). Do đó, tương tác yếu có tầm tác dụng rất ngắn, nhỏ hơn 10^-18m.
  2./ Tương tác điện - yếu:  
    * Trong công trình của mình, A.Salam, S.Weinberg và S.Glashow đã thống nhất hai loại tương tác điện từ và tương tác yếu thành tương tác điện-yếu.
       Họ đưa ra cái gọi là sự phá vỡ đối xứng tự phát. Theo đó, ở mức năng lượng cao thì sẽ không có sự khác biệt giữa photon và các boson. Điều này tương tự như hiện tượng xảy ra với các quả cầu trong trò chơi xổ số. (Đây là ví dụ mà Stephen Hawking đưa ra trong cuốn “Lược sử thời gian” nổi tiếng của mình, quả thực là tớ ko thể nào nghĩ ra một ví dụ khác rõ ràng hơn). Khi ở mức năng lượng cao (các quả cầu quay nhanh), các quả cầu xử sự như nhau. Nhưng khi ở mức năng lượng thấp hơn (khi chúng quay chậm), 36 quả cầu lại xử sự khác nhau, chúng rơi vào 36 trạng thái khác nhau. Nếu chúng ta quan sát chúng ở mức năng lượng thấp, chúng ta sẽ nhầm tưởng có 36 quả cầu khác nhau . Điều này tương tự như hiện tượng xảy ra với hạt trường của tương tác điện từ (photon) và của tương tác yếu (boson W⁺, W^-, Z^_o ). Khi ở mức năng lượng cao (theo tính toán là vào khoảng 100 GeV), sẽ không có sự khác biệt giữa photon và boson. Lúc này, tương tác điện từ sẽ thống nhất với tương tác yếu thành tương tác điện-yếu.
     * Tương tác điện từ và tương tác yếu là 2 trường hợp của tương tác điện-yếu ở mức năng lượng thấp.
D – TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN MẠNH:
    * Trong hạt nhân, các proton mang điện tích nguyên tố dương +e sẽ đẩy nhau theo tương tác điện từ (tĩnh điện). Điều này sẽ làm cho hạt nhân sẽ không bền vững. Nhưng thực tế cho thấy, hạt nhân rất bền vững. Chính điều đó đã làm cho các nhà Vật lý đưa ra giả thuyết rằng giữa các nuclon có một lực rất mạnh để liên kết chúng trong hạt nhân. Lực này thuộc một loại tương tác mới, gọi là tương tác hạt nhân mạnh.
   * Các nhà khoa học đã có những cố gắng đáng ghi nhận để nghiên cứu hạt trường của tương tác mạnh. Họ đã nghiên cứu hàng trăm loại hạt có thời gian sống rất ngắn (tất cả đều dưới 10^-8s) để có thể tìm ra một trong số chúng là hạt truyền tương tác mạnh. Nhưng tất cả cố gắng của họ đều đổ xuống sông xuống biển khi không có hạt nào là hạt trường của tương tác mạnh. Vậy hạt trường của tương tác mạnh là cái gì?
      * Ngày nay các nhà khoa học cho rằng tương tác mạnh được truyền đi bởi 6 hạt gluon. Gluon là hạt trường truyền tương tác mạnh (cái tên Gluon lấy theo chữ “glue” trong tiếng Anh có nghĩa là keo dán). Nó có các tính chất như sau:
- Như các hạt trường khác (trừ graviton), gluon có spin 1.
- Có khối lượng lớn nên tầm ảnh hưởng của tương tác mạnh chỉ vào cỡ 10^-15m. Chúng ta hoàn toàn có thể tính toán được khối lượng của nó theo công thức tính bán kính tác dụng Compton. Theo tớ tính toán  thì khối lượng của nó vào khoảng 10¹⁶ MeV