Einstein và vật lý hiện đại

[19/03/2006]

Einstein mất vào lúc 1giờ 15 phút ngày 18 tháng 4 năm 1955, mất đi một thiên tài lớn của nhân loại. Trong suốt cuộc đời, ông đã sáng tạo ra những điều khó trực cảm được trong thế giới bình thường, nhưng đó lại là những điều sâu thẳm nhất về bản chất của thế giới, những điều mang lại những ứng dụng đa dạng kỳ diệu cho cuộc sống.

A. Những thành tựu lớn lao của Einstein:

Năm 1905 dựa trên khái niệm lượng tử, ông giải thích hiệu ứng quang điện (giải Nobel năm 1921), công trình này cùng với nhiều công trình khác về lượng tử đã xếp Einstein vào những người đặt nền móng cho cơ học lượng tử. Cùng năm vào tháng 9 ông công bố bài báo khai sinh lý thuyết tương đối hẹp. “ Newton, mong Ngài hãy tha thứ “ Einstein đã ngõ lời xin lỗi như vậy khi lý thuyết tương đối hẹp đã phá bỏ tính tuyệt đối của không thời gian Newton vốn đã ngự trị trong tư duy khoa học trong hơn 200 năm. Không gian và thời gian biến thành đa tạp 4 chiều Minkowski. Công thức nổi tiếng E = mc 2 sau đó ra đời,mở đường cho việc sử dụng năng lượng hạt nhân: bom nguyên tử và điện nguyên tử.

Năm 1916 ông xây dựng lý thuyết tương đối rộng. Nhà vật lý lý thuyết kiệt xuất Nga Lev Landau đã nói đây là một trong những lý thuyết đẹp đẽ nhất mà con người có thể sáng tạo ra. Lý thuyết tương đối rộng nối liền không thời gian với vật chất trong phương trình mang tên Einstein:

G mn =8pGTmn

G mn mô tả hình học của không thời gian ,Tmn mô tả vật chất.

Sau đó ông để suốt cuộc đời còn lại (1926-1955) để xây dựng lý thuyết thống nhất hấp dẫn và điện từ.

Ông đã mất nhưng các ý tưởng của ông vẫn là những kim chỉ nam cho vật lý ngày nay. Thiên tài vĩ đại của Einstein làm cho người ta có cảm giác như ông là một người thừa hưởng đuợc những tư tưởng sâu xa từ đâu đó để rồi chỉ cho chúng ta những bước nghiên cứu trong một hai thế kỷ.

Sau đây hãy đề cập đến một số ý tưởng của ông có ảnh hưởng lớn đối với vật lý.

1 / Einstein đã đưa vào phương trình nổi tiếng của mình hằng số vũ trụ, ông đúng hay sai?

Năm 1917, Einstein đứng trước một bài toán đầy thách thức: cứu vãn tình huống khó khăn do ông nghĩ rằng phương trình hấp dẫn của ông không chấp nhận những lời giải tĩnh (static), lời giải mà ông cho rằng phù hợp để mô tả vũ trụ. Trong cơn tuyệt vọng ông đã thêm vào phương trình hấp dẫn một số hạng được gọi là hằng số vũ trụ: Lgmn.

Năm 1922 nhà vật lý người Nga Alexander Friedman tìm ra lời giải của phương trình Einstein (không chứa số hằng số vũ trụ) ứng với một vũ trụ giãn nở hoặc co lại, nghĩa là không ở trong trạng thái tĩnh.

Mười hai năm sau nhà thiên văn người Mỹ Edwin Huble tìm ra hiện tượng vũ trụ giãn
nở.

Trước những sự kiện đó Einstein cho rằng việc đưa hằng số vũ trụ vào phương trình nổi tiếng của ông là một sai lầm đáng ân hận nhất trong đời .Như vậy ông từ bỏ số hạng đó và loại bỏ hẳn Lgmn trong phương trình
G mn + Lgmn =8pGTmn.

Song lại xảy ra một điều kỳ lạ: để giải thích hiện tượng vũ trụ giãn nở có gia tốc mà thiên văn quan trắc được trong thời gian gần đây thì các nhà vật lý lý thuyết phải đưa lại hằng số vũ trụ vào phương trình của Einstein ! Vậy trực quan của Einstein đã đưa ông đi đúng đường. Nhưng cũng phải nói rằng số hạng vũ trụ bây giờ phải nằm về phía bên phải của phương trình để mô tả năng lượng chân không của vũ trụ, nghĩa là liên quan đến tenxơ mô tả vật chất, chứ không nằm ở bên trái phương trình để mô tả hình học của vũ trụ.

Như vậy là hằng số vũ trụ của Einstein ở bên phải của phương trình gây nên lực đẩy làm cho vũ trụ giãn nở có gia tốc. Số hạng này có thể liên quan đến năng lượng chân không cho nên có nguồn gốc lượng tử .Trong lý thuyết lượng tử chân không không phải là một môi trường không có gì cả, mà đó là một môi trường sôi động ở đó các hạt và phản hạt sinh và huỷ liên hồi.Người ta có thể tính được năng lượng chân không này và thấy rằng năng lượng này 120 bậc lớn hơn (10 120) năng lượng cần có. Kết quả tính toán quá lớn, cần phải có những lý thuyết để đưa đưa trị số của năng lượng này về một trị số khác không song không quá lớn như thế.

Trong vũ trụ có 4 thành phần: năng lượng tối (dark energy) gây lực đẩy,vật chất tối (dark matter) gây lực hút, các sao, các thiên hà và cuối cùng là các bức xạ .Nếu vũ trụ là phẳng thì mật độ vật chất là mật độ tới hạn, có thể năng lượng tối tạo ra 2/3 mật độ tới hạn đó.Trong hai thập kỷ qua lý thuyết lạm phát cộng với giả thuyết vật chất tối đã là cơ sở để giải thích cấu trúc của vũ trụ, song bây giờ phải chú ý đến năng lượng tối mới mô tả được hiện tượng giãn nở có gia tốc. Nếu năng lượng này dương thì vũ trụ giãn nở mãi, nếu nó trở nên quá lớn thì nó xé rách các thiên hà, thái dương hệ, các hành tinh, các phân tử, nguyên tử .Nếu năng lượng này âm thì vũ trụ sẽ co lại.Vậy dường như số phận của vũ trụ được quyết định bởi năng lượng tối này!

Năng lượng tối này có mối liên quan gì đến năng lượng chân không ? đến trường Higgs ? (trường Higgs là trường giả thuyết, chưa tìm ra được, khi tác dụng vào các hạt thì sinh ra khối lượng cho các hạt).

Những câu hỏi đầy thách thức!

2 / Einstein với lý thuyết thống nhất, và các chiều dư (extra dimensions) ngoài không thời gian.

Như chúng ta biết sau khi xây dựng xong lý thuyết tương đối hẹp và lý thuyết tương đối rộng,trong cuối đời Einstein đem hết tâm lực vào việc thống nhất tương đối rộng với lý thuyết điện từ nhằm xây dựng một lý thuyết thống nhất, trong đó hấp dẫn và điện từ là hai mặt của một trường, lý thuyết đó phải giải thích được sự tồn tại của các hạt, phải suy ra được các hằng số như điện tích của electron,tốc độ của ánh sáng.Ông không thành công trong việc xây dựng lý thuyết thống nhất vì chưa đến giai đoạn để xây dựng một lý thuyết như thế : lúc ấy người ta chưa biết đến tương tác mạnh và tương tác yếu. Nhưng những ý tưởng ông đưa ra là đúng đắn và sâu sắc.

Để thống nhất hấp dẫn và điện từ Kaluza, Klein và sau đó Einstein với Bergmann đã đưa thêm chiều thứ 5,ngoài 4 chiều không thời gian để mô tả điện từ, và đồng nhất điện tích với thành phần thứ năm của xung lượng trong không gian 5 chiều. Chiều thứ 5 không thấy được vì nó cuộn tròn lại (người ta nói là compắc hoá lại), chiều này ứng với nhóm U(1), mô tả điện từ. Kích thước của những vòng tròn này biểu hiện tỷ số tương đối của tương tác hấp dẫn và điện từ.Như vậy trong không gian 5 chiều này chúng ta có thể tiếp cận đến lý thuyết thống nhất có khả năng mô tả được lý thuyết hấp dẫn và điện từ trong không gian 4 chiều.

Tư tưởng thống nhất các tương tác của Einstein trong những năm gần đây được các nhà vật lý lý thuyết thể hiện trong lý thuyết siêu dây, dựa trên siêu đối xứng là đối xứng nối liền boson và fermion. Nhiều người hy vọng đây là lý thuyết tối hậu có khả năng thống nhất 4 loại tương tác của thiên nhiên: hấp dẫn, điện từ, mạnh và yếu.Lý thuyết siêu dây gồm nhiều nhánh đổ về một lý thuyết chung gọi là lý thuyết M. Sở dĩ lý thuyết này được gọi là lý thuyết M vì người ta cho rằng nó sẽ là nơi bắt nguồn của nhiều lý thuyết con khác (M là chữ đầu của từ mẹ),người ta cũng cho rằng đây là một lý thuyết đầy ma lực (M ở đây lại là chữ đầu của ma lực), người ta còn có thể gán cho chữ M nhiều ý nghĩa khác.Người ta hy vọng lý thuyết M sẽ là “lý thuyết của tất cả “ (theory of everything – TOE). Lý thuyết siêu dây đã khôi phục lại ý tưởng Kaluza-Klein và Einstein về không gian có số chiều nhiều hơn 4. Những chiều dư này cuộn tròn lại thành những vòng tròn với kích thước rất bé và đang thoát khỏi sự quan trắc của những kính hiển vi siêu mạnh hiện nay. Sự compắc hoá này thực ra có thể hình dung được vì chính các chiều không gian vĩ mô hiện nay đang trải dài đến vô tận vốn cũng đã có kích thước vô cùng bé ở những thời điểm sơ sinh của vũ trụ.

Trong lý thuyết siêu dây yếu tố cơ bản là dây, chứ không phải là điểm.Dây là một thực thể một chiều , những hạt cơ bản sẽ là những trạng thái kích thích của dây. Kích thước của dây vào cỡ độ dài Planck, tức khoảng 10 – 33 cm, và những dây này trông như những điểm nếu nhìn từ những kích thước lớn hơn độ dài Planck.

Để cho các phương trình của lý thuyết được tương hợp về mặt toán học, các dây này phải được dao động trong một không gian 10 chiều (hoặc 11 chiều – nhánh siêu hấp dẫn ). Sáu chiều (hoặc 7 chiều) dư ra bị compắc hoá thành những kích thước quá bé để có thể quan sát được.

Các chiều dư này đóng một vai trò quyết định trong việc thống nhất lý thuyết hấp dẫn và cơ học lượng tử của lý thuyết siêu dây.

Ngoài dây còn một đối tượng tôpô quan trọng khác là màng (brane suy từ chữ membrane), có thể nói màng là hình ảnh quỹ tích của các điểm mút của các dây hở . Lý thuyết dây phức tạp hơn lý thuyết Kaluza-Klein nhiều lần, song tư tưởng chủ đạo vẫn là một: các định luật vật lý quan sát được phụ thuộc vào các chiều dư vốn nằm trong trạng thái ẩn.

Điều gì quyết định hình học ? Câu trả lời là tương tự như trong trường hợp hấp dẫn, hình học phải thoả mãn phương trình kiểu phương trình Einstein ! Trong lý thuyết siêu dây lời giải không đơn trị: nhiều hình học đều có thể là lời giải. Nếu có một chiều dư thì chiều này có thể cuộn thành một hình tròn, song ở đây số chiều dư tương đối là nhiều nên ta có thể có nhiều tôpô: hình cầu, hình xuyến, hoặc hai hình xuyến nối với nhau thành hai tay quai, ba hình xuyến nối với nhau tạo raba tay quai và vân vân.


Các lời giải đó không như nhau: mỗi lời giải có một thế năng xác định bởi cácthông lượng, các màng, các độ cong, nói chung bởi một số thông số.Đây chính là năng lượng chân không vì ứng với n ăng lượng của không thời gian khi bốn chiều vĩ mô không chứa vật chất hoặc các trường. Hình học các chiều dư có khuynh hướng làm cho năng lượng này nhỏ nhất giống như trường hợp một quả bóng có khuynh hướng lăn về vị trí thấp hơn.

Hiện nay dường như chúng ta đang ở vào một cực tiểu với năng lượng chân không dương. Vì có nhiều thông số cho nên bức tranh năng lượng phức tạp , nếu xét 2 thông số chúng ta có một hình vẽ với các đồi và thung lũng như một phong cảnh, phong cảnh của lý thuyết siêu dây. Danh từ phong cảnh do nhà vật lý lý thuyết Leonard Susskin đưa ra.

Tại sao vũ trụ của chúng ta đã chọn một thung lũng,còn những thung lũng khác chỉ là những khả năng toán học ? Có thể giải thích bằng 2 cách: thứ nhất vũ trụ có thể không bị mắc kẹt vào một cấu hình nào,những quá trình lượng tử cho phép vũ trụ nhảy từ cấu hình này sang cấu hình khác, thứ hai dựa trên lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein,vốn là một bộ phận của lý thuyết siêu dây thì vũ trụ có thể giãn nở, trở thành rất lớn và như thế nhiều vũ trụ tồn tại song song với nhau trong dạng những vũ trụ con,và mỗi vũ trụ con đủ lớn để không cảm nhận được sự tồn tại của các vũ trụ con khác, như thế câu hỏi tại sao vũ trụ chúng ta chỉ chọn một thung lũng sẽ không còn nữa.

Mỗi chân không ứng với mỗi thung lũng được đặc trưng bởi một số thông số,những thông số này có thể thay đổi vì các quá trình lượng tử và ta có một bước nhảy sang một cấu hình khác.Nếu ở cấu hình này năng lượng chân không là dương thì không gian laị giãn nở.Như vậy bigbang không là gì khác ngoài một bước nhảy sang một cấu hình mới trong bức tranh phong cảnh của lý thuyết siêu dây. Một ngày nào đó (còn quá xa để chúng ta phải lo lắng) vũ trụ của chúng ta lại thực hiện một bước nhảy mới.

Có thể xảy ra trường hợp trong vùng đang giãn nở lai có một bước nhảy vào đấy và hình thành một vũ trụ con giãn nở khác.Hình ảnh giống như trong một bong bóng nàylại có một bong bóng khác.

Như chúng ta đã thấy đối với Einstein thì năng lượng chân không về mặt toán học là đồng nhất với hằng số vũ trụ.Dùng lý thuyết trường lượng tử người ta tính thấy rằng năng lượng chân không ứng với mật độ vào khoảng 10 94 gam / cm 3 hay một khối lượng Planck / l 3 , với l là độ dài Planck . Ghi mật độ đó là LPlanck.Kết quả này quá lớn và người ta cho đây là một kết quả sai lầm nổi tiếng trong vật lý học vì thực nghiệm quan trắc quá trình dãn nở gia tốc của vũ trụ chỉ cho trị số không lớn hơn 10 – 120 LPlanck, như vậy năng lượng chân không gần bằng số không .Trong bức tranh phong cảnh của lý thuyết dây các trị số của năng lượng chân không biến thiên từ + LPlanck đến - LPlanck. Người ta đã tìm được những lời giải với 10 500 cực tiểu với năng lượng chân không phân bố ngẫu nhiên giữa hai trị số trên, như vậy nếu đặt các cực trị đó trên một trục thẳng đứng thì khoảng cách trung bình giữa chúng là 10 – 500 LPlanck và các tác giả của lý thuyết siêu dây tính được rằng phần lớn các trị số nằm giữa số không và 10 – 120 LPlanck.Điều này có nghĩa là bức tranhphong cảnh của lý thuyết siêu dây đã đưa ra một giải thích được trị số rất nhỏ của năng lượng chân không.Thật ra ý tưởng này không mới, năm 1984 nhà vật lý người Nga Andrei Sakharov đã cho biết rằng hình học phức tạp của các chiều dư vốn ở trạng thái ẩn có thể tạo ra một phổ năng lượng của chân không, phổ này có thể chứa những trị số rất nhỏ quan sát được trong thực nghiệm.Nhiều tác giả khác cũng đưa ra nhiều cách giải thích vấn đề này.

Ngưòi ta ví nhân loại như một người lữ khách đi tìm các cực tiểu và ở đâu thích hợp cho quá trình phát sinh sự sống thì dừng chân lại,đây chính là nội dung của nguyên lý vị nhân (anthropic principle).
Lý thuyết siêu dây dường như trả lời được nhiều câu hỏi nhưng lý thuyết này liệu có phải là lý thuyết thống nhất tối hậu, lý thuyết của tất cả -TOE chưa?

3 / Einstein đúng hay sai khi cho rằng cơ học lượng tử phải dẫn đến một lý thuyết cổ điển?

Những nhà vật lý đã có kinh nghiệm: mỗi lần cho rằng Einstein sai lầm thì mỗi lần ông tỏ ra là đúng vì sâu sắc hơn. Chúng ta nhớ rằng trong cuộc cách mạng lượng tử từ 1920 đến 1930 ông luôn có một thái độ bi quan đối với cách đoán nhận của cơ học lượng tử,mặc dù ông là một trong những người đặt nền móng cho cơ học lượng tử. Ông nói: “ Tôi chẳng bao giờ tin rằng Chúalại chơi trò súc sắc với số phận của Vũ trụ “.Chúng ta cũng đã biết lý thuyết lượng tử là một lý thuyết đẹp,cho những kết quả tuyệt vời được kiểm nghiệm bởi thực nghiệm với độ chính xác cao.

Song hiện nay nhiều nhà vật lý đã xét lại vấn đề và họ nghiêng theo quan điểm của Einstein: cơ học lượng tử là một lý thuyết chưa hoàn chỉnh.Từ năm 1920 nhiều nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết về những tham số ẩn . Các hạt phải có vị trí và xung lượng xác định theo cơ học cổ điển, nhưng chúng ta không quan sát được như vậy chỉ vì đã có những tham số ẩn tác động vào.Hãy xét chuyển động Brownian, ở đây các hạt chuyển động dường như hỗn độn, song như chính Einstein đã chứng minh sự hỗn độn này đã được gây ra bởi sự tác động của những phân tử mà ta không nhìn thấy theo đúng các định luật của cơ học cổ điển.Các phương trình của cơ học lượng tử có mối tương tự với những phương trình của lý thuyết động học các phân tử hay nói tổng quát hơn là của cơ học thống kê. Trong một cách nói nào đó thì hằng số Planck chính là đại lượng tương tự của nhiệt độ.

Gần đây ý tưởng về các tham số ẩn được Gerard ‘ t Hooft (giải Nobel năm1999 vì hoàn chỉnh lý thuyết điện yếu) phát triển,theo ông thì vấn đề khác nhau giữa cơ học cổ điển và cơ học lượng tử là vấn đề mất thông tin. Một hệ cổ điển chứa nhiều thông tin hơn là một hệ lượng tử vì các biến số cổ điển có thể lấy bất kỳ trị số nào trong khi các biến số chỉ được phép lấy những trị số gián đoạn.Vậy một hệ cổ điển sẽ biến thành một hệ lượng tử nếu thông tin bị mất. Sự mất thông tin này do những lực khuếch tán (dissipative) gây nên.Như vậy thiên nhiên là cổ điển ở mức chi tiết, song được nhìn ra như lượng tử vì sự tồn tại các lực khuếch tán.

Berndt Muller (đại học Duke) đã đưa một ý tưởng khác về tham số ẩn: một hệ cổ điển trong không gian 5 chiều có thể biến dạng thành một hệ lượng tử trong không gian 4 chiều,chiều dư thứ năm chính là một tham số ẩn.

Những ý tưởng của Einstein có thể là nguồn gốc bùng nổ cho nhiều vấn đề,sau đây là 9 vấn đề mà một số nhà vật lý đã chọn ra và cho rằng đó là những vấn đề lớn nhất trong thế kỷ 21 .

B . 9 vấn đề lớn của vật lý thế kỷ 21



Có thể nói những vấn đề lớn của vật lý thế kỷ 21 đều nhằm mục đích thực hiên giấc mơ thống nhất của Einstein.

Ze’ev Rosenkranz,một nhà nghiên cứu về Einstein đã nói:

Việc tìm tòi tiếp diễn vì một” lý thuyết của tất cả “ (TOE) là di sản lớn nhất mà Einstein để lại cho khoa học (The on going quest for a theory of everything is Einstein ‘s most significant legacy to science).

Trong số 9 các vấn đề lớn, các nhà vật lý xếp 4 vấn đề đầu tiên là phụ thuộc trực tiếp vào giấc mơ Einstein, song để thực hiện giấc mơ đó không thể không xét đến 5 vấn đề tiếp theo, cho nên giấc mơ của Einstein đều trực tiếp hoặc gián tiếp dẫn đến 9 bài toán lớn sau đây:

1 / Trong thiên nhiên còn tồn tại những đối xứng nào mới, những định luật vật lý nào mới ?

Một số đối xứng đã mất đi từ lúc bigbang, một trong các đối xứng như thế có thể là đối xứng mang tên siêu đối xứng (supersymmetry). Đối xứng này là một yếu tố cơ bản của lý thuyết siêu dây.Các máy gia tốc sẽ kiểm nghiệm vai trò của siêu đối xứng trong lý thuyết thống nhất và xác định xem hạt neutralino có thuộc vật chất tối hay không.Khối lượng các siêu hạt có thể liên quan đến trường Higgs.

2 / Chúng ta sẽ phải giải quyết sự bí ẩn của năng lượng tối như thế nào ?

Những quan trắc hiện đại chỉ tỏ rằng có một lực bí ẩn đang gia tốc quá trình giãn nở của vũ trụ. Một nguồn gốc khả dĩ của lực này là năng lượng chân không.Song những phép tính đã cho một trị số quá lớn 10 120 lần lớn hơn trị số quan trắc được. Trong phần lý thuyết siêu dây chúng ta đã thấy bức tranh phong cảnh của lý thuyết siêu dây đã cho một cách giải thích.

Rất có thể năng lượng tối này có liên quan đến hạt Higgs. Nhiều dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng năng lượng tối có thể tương thích với hằng số vũ trụ của Einstein. Người ta cho rằng trường Higgs chiếm đầy khoảng chân không. Năng lượng tối cóthể có mối liên quan đến siêu đối xứng và trường Higgs.

3 / Tồn tại chăng những chiều dư (extra dimensions)?

Lý thuyết siêu dây có hy vọng thực hiên giấc mơ thống nhất của Einstein. Các siêu dây có tồn tại hay chăng? Lý thuyết này đã đưa ra 6 đến 7 chiều dư ngoài 4 chiều không thời gian. Vậy có bao nhiêu chiều dư ? kích thước, hình dạng như thế nào ? Và những hạt gắn với những chiều dư này là những hạt gì? Có tồn tại những chiều dư vĩ mô hay không? Chúng có liên quan gì đến những lỗ đen?

4 / Các lực trong thiên nhiên có thống nhất được thành một lực duy nhất hay không?

Rất có thể lực thống nhất này nối liền quark với lepton và có khả năng biến một loại hạt này sang một loại hat khác.

5 / Vì sao có nhiều loại hạt đến thế?

Các nhà vật lý đã xác định được 57 loại hạt,có thể chăng các hạt này là những nốt nhạc của siêu dây ? Chúng ta cũng đã tìm ra 3 gia đình (và tại sao chỉ 3)
quark và lepton ,vì sao khối lượng của chúng cách biệt nhau đến như vậy. Hạt neutrino cũng là một hiện tượng bí ẩn, việc hạt neutrino có khối lượng nói rằng có một vùng vật lý nằm ngoài Mô hình chuẩn (Standard Model).

6 / Vật chất tối là gì? Có thể chế tạo nó trong phòng thí nghiệm được không ?Một
phần lớn vật chất trong vũ trụ là vật chất tối, không có vật chất tối thì không có sao, có thiên hà có sự sống.Vật chất tối đã giữ chặt vũ trụ lại..Chúng ta có thể chế tạo được vật chất tối trong các máy gia tốc? Siêu hạt nhẹ nhất trong siêu đối xứng,hạt nhẹ nhất chuyển động trong các chiều dư,hạt axion trong lý thuyết QCD, có thể thuộc về vật chất tối?

7 / Hạt neutrino sẽ cung cấp cho chúng ta những gì?

Hạt neutrino là một hạt bí hiểm, chúng tương tác rất yếu với vật chất.Hàng tỷ tỷ neutrino đi qua cơ thể chúng ta trong mỗi giây nhưng không để lại một dấu vết gì. Sự tồn tại khối lượng của neutrino có thể dẫn đến một vùng vật lý mới chưa biết đến, có thể thuộc lý thuyết thống nhất.

8 / Vũ trụ đã hình thành như thế nào ?

Theo những lý thuyết hiện đại vũ trụ được khai sinh từ một vụ nổ lớn cách đây chừng 14 tỷ năm, tiếp theo là một quá trình giãn nở lạm phát. Sau đó vũ trụ nguội dần và nhiều quá trình chuyển pha đã xảy ra, những quá trình chuyển pha này có thể dựng lại trong phòng thí nghiệm nhờ những máy gia tốc năng lượng cao. Quá trình nở lạm phát có thể bắt nguồn với một dạng năng lượng tối. Dạng năng lượng này có đóng vai trò gì trong lý thuyết thống nhất ? Có liên quan gì với các chiều dư ?

Quá trình chuyển pha điện yếu đã gây nên sự bất đối xứng vật chất – phản vật chất. Trong quá trình chuyển pha ứng với sắc động lực học lượng tử QCD,vật chất baryonic ngưng tụ thành dạng plasma của quark-gluon,người ta muốn kiểm nghiệm tất cả các quá trình này trong phòng thí nghiệm.
9 / Điều gì đã xảy ra với phản vật chất ?

Tại thời điểm bigbang số lượng hạt và phản hạt bằng nhau.Song hiện nay thì chúng ta đang sống trong một thế giới hạt chứ không phải phản hạt ? Điều gì đã xảy ra với các phản hạt ? Để có sự mất quân bình đó đối xứng CP phải bị vi phạm, nguồn gốc của vi phạm đối xứng CP có thể tìm thấy trong quark hay trong neutrino, hay trong các hạt Higgs, trong siêu đối xứng hoặc trong các
chiều dư?
Chín bài toán lớn của vật lý trong thế kỷ 21 hy vọng được làm sáng tỏ về mặt lý thuyết,cũng như thực nghiệm. Để tiến hành thực nghiệm người ta phải có những thiết bị năng lượng cao, một sự hợp tác quốc tế rộng lớn.

Einstein đã mất nhưng những ý tưởng của ông (đặc biệt ý tưởngvề một lý thuyết thống nhất, một “ lý thuyết của tất cả “ - TOE) sẽ còn giúp chúng ta trên con đường tìm hiểu vũ trụ. Cũng tồn tại nhiều lý thuyết dẫn đến những vi phạm lý thuyết Einstein,như lý thuyết vòng lượng tử (loop quantum theory) dựa trên cơ sở lượng tử hoá không thời gian. Song các lý thuyết này vẫn chưa có tính thuyết phục. Trong tương lai tới người ta tập trung vào 9 vấn đề mà các nhà vật lý đã nêu trên đây theo dòng tư tưởng của Einstein. Liệu 9 vấn đề đó có thể được làm sáng tỏ trong vòng thế kỷ 21 này không ?

kukuzubu (Theo Tạp chí Hoạt động Khoa học)