Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 12)

Lực mạnh có thể chuẩn hóa lại theo kiểu riêng của nó trong một lí thuyết gọi là QCD, hay sắc động lực học lượng tử. Theo QCD, proton, neutron và nhiều hạt sơ cấp khác của vật chất được cấu tạo từ các quark, chúng có một tính chất nổi bật mà các nhà vật lí gọi là màu (vì thế có tên gọi “sắc động lực học” mặc dù các màu quark chỉ là những cái nhãn hữu ích – chứ không có liên hệ gì với màu sắc nhìn thấy). Quark có ba cái gọi là màu, đỏ, lục và lam. Ngoài ra, mỗi quark có một phản hạt, và màu của những hạt đó được gọi là phản-đỏ, phản-lục, và phản-lam. Quan điểm là chỉ những kết hợp không có màu toàn phần mới có thể tồn tại dưới dạng hạt tự do. Có hai cách thu về những kết hợp quark trung hòa như thế. Một màu và phản màu của nó triệt tiêu nhau, nên một quark và một phản quark tạo ra một cặp không màu, một hạt không bền gọi là meson. Đồng thời, khi cả ba màu (hay phản màu) hòa lại, thì kết quả là không có màu. Ba quark, mỗi quark thuộc một màu, tạo ra những hạt bền gọi là baryon, trong số đó proton và neutron là thí dụ (và ba phản quark tạo ra những phản hạt của baryon). Proton và neutron là baryon cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử và là cơ sở của toàn bộ vật chất bình thường trong vũ trụ.

QCD còn có một tính chất gọi là tự do tiệm cận, cái chúng ta đã nói tới, nhưng chưa gọi tên, trong chương 3. Tự do tiệm cận có nghĩa là lực mạnh giữa các quark là nhỏ khi các quark ở gần nhau, nhưng lực sẽ tăng lên nếu chúng ở xa nhau, na ná như được liên kết bởi những dây cao su vậy. Tự do tiệm cận giải thích tại sao chúng ta không nhìn thấy các quark độc lập trong tự nhiên và không thể tạo ra chúng trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, mặc dù chúng ta không thể quan sát từng quark một, nhưng chúng ta chấp nhận mô hình trên vì nó hoạt động khá tốt ở việc giải thích hành trạng của proton, neutron, và những hạt vật chất khác.

Sau khi thống nhất lực yếu và lực điện từ, các nhà vật lí thập niên 1970 đã đi tìm một phương pháp mang lực mạnh vào trong lí thuyết đó. Có một số cái gọi là lí thuyết thống nhất lớn hay GUT thống nhất lực mạnh với lực yếu và lực điện từ, nhưng chúng chủ yếu dự đoán rằng proton, chất liệu cấu tạo nên chúng ta, sẽ phân hủy, tính trung bình, sau khoảng 10³² năm. Đó là một khoảng thời gian rất dài, biết rằng vũ trụ chỉ mới khoảng 10¹⁰ năm tuổi. Nhưng trong vật lí lượng tử, khi chúng ta nói thời gian sống trung bình của một hạt là 10³² năm, thì không có nghĩa là chúng ta nói rằng đa số các hạt sống xấp xỉ 10³² năm, một số hạt có thể sống lâu hơn hoặc ngắn hơn một chút. Thay vào đó, cái chúng ta muốn nói là, mỗi năm, một hạt có xác suất phân hủy là 1 phần 10³². Kết quả là nếu bạn quan sát một bể chứa 10³² proton chỉ trong vòng vài năm, bạn phải có thể nhìn thấy một số proton phân hủy. Không quá khó để xây dựng một bể như vậy, vì 10³² proton chỉ chứa trong một nghìn tấn nước. Các nhà khoa học đã tiến hành những thí nghiệm như thế. Hóa ra việc phát hiện ra các phân hủy và phân biệt chúng với những sự kiện khác gây ra bởi những tia vũ trụ liên tục tuôn lên chúng ta chẳng phải dễ dàng gì. Để giảm thiểu sự nhiễu, các thí nghiệm phải tiến hành ở sâu dưới lòng đất như Quặng Kamioka và quặng của công ti Smelting nằm sâu 3281 foot bên dưới một ngọn núi ở Nhật Bản, độ sâu đó phần nào che chắn bớt các tia vũ trụ. Là một kết quả của những quan sát vào năm 2009, các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng nếu như rốt cuộc proton có phân hủy, thì thời gian sống của proton là lớn khoảng 10³⁴ năm, đó là tin không hay cho những lí thuyết thống nhất lớn.

Baryon và meson

Baryon và meson. Baryon và meson cấu tạo bởi các quark liên kết với nhau bằng lực mạnh. Khi những hạt như thế va chạm, chúng có thể tráo đổi quark, nhưng không thể quan sát từng quark riêng lẻ.

Vì bằng chứng quan sát trước đó cũng không ủng hộ nổi GUT, nên đa số các nhà vật lí chấp nhận một mô hình đặc biệt gọi là mô hình chuẩn, mô hình gồm lí thuyết thống nhất của lực điện yếu và QCD là một lí thuyết của lực mạnh. Nhưng trong mô hình chuẩn, lực điện yếu và lực mạnh tác dụng độc lập và không thật sự thống nhất. Mô hình chuẩn rất thành công và phù hợp với mọi bằng chứng quan sát hiện nay, nhưng rốt cuộc nó không thỏa mãn vì, ngoài chỗ không thống nhất lực điện yếu và lực mạnh, nó còn không tính đến lực hấp dẫn.

Có lẽ thật khó nhào nặn lực mạnh với lực điện từ và lực yếu, nhưng những trở ngại đó chẳng là gì so với vấn đề hợp nhất lực hấp dẫn với ba lực kia, hoặc thậm chí tạo ra một lí thuyết lượng tử độc lập của sự hấp dẫn. Nguyên nhân mà một lí thuyết lượng tử của sự hấp dẫn khó tạo ra là vì phải làm việc với nguyên lí bất định Heisenberg, cái chúng ta đã nói tới ở chương 4. Không có gì rõ ràng, nhưng hóa ra khi xét đến nguyên lí đó, giá trị của một trường và tốc độ biến thiên của nó giữ vai trò giống như vị trí và vận tốc của một hạt. Nghĩa là, đại lượng này được xác định càng chính xác bao nhiêu, thì đại lượng kia có thể xác định kém chính xác bấy nhiêu. Một hệ quả của nguyên lí này là không hề có cái gì tựa như không gian trống rỗng. Đó là vì không gian trống rỗng có nghĩa là cả giá trị của một trường lẫn tốc độ biến thiên của nó đều chính xác bằng không. (Nếu tốc độ biến thiên của trường khác không, thì không gian sẽ không còn trống rỗng nữa) Vì nguyên lí bất định không cho phép giá trị của trường và tốc độ biến thiên của trường là chính xác, cho nên không gian không bao giờ trống rỗng. Nó có thể có một trạng thái năng lượng tối thiểu, gọi là chân không, nhưng trạng thái đó là đối tượng cho cái gọi là những thăng giáng lượng tử, hay thăng giáng chân không – những hạt và trường thoắt ẩn thoắt hiện.

Tôi e là có đóng khung nó lại cũng không tạo ra một lí thuyết thống nhất đâu

“Tôi e là có đóng khung nó lại cũng không tạo ra một lí thuyết thống nhất đâu”.

Người ta có thể nghĩ những thăng giáng chân không là những cặp hạt xuất hiện cùng nhau tại một thời điểm nào đó, chuyển động ra xa nhau, sau đó tiến đến gần nhau và hủy lẫn nhau. Theo ngôn ngữ của giản đồ Feynman, chúng tương ứng với những vòng khép kín. Những hạt này được gọi là hạt ảo. Không giống như hạt thật, hạt ảo không thể quan sát thấy trực tiếp bằng máy dò hạt. Tuy nhiên, những hiệu ứng gián tiếp của chúng, như những biến thiên nhỏ trong năng lượng quỹ đạo của electron, là có thể đo được và phù hợp với những tiên đoán lí thuyết với độ chính xác đến bất ngờ. Vấn đề là các hạt ảo có năng lượng, và vì có một số vô hạn những cặp hạt ảo, nên chúng sẽ có một lượng năng lượng vô hạn. Theo thuyết tương đối tổng quát, điều này có nghĩa là chúng sẽ làm cong vũ trụ đến một kích cỡ nhỏ vô hạn, điều đó rõ ràng đã không xảy ra!

Thảm họa vô hạn này tương tự với vấn đề xảy ra trong những lí thuyết của lực mạnh, lực yếu và lực điện từ, ngoại trừ là trong những trường hợp đó, sự chuẩn hóa lại đã loại trừ các vô hạn. Nhưng những vòng khép kín trong giản đồ Feynman đối với lực hấp dẫn tạo ra những vô hạn không thể nào hấp thụ bởi sự chuẩn hóa lại vì trong thuyết tương đối tổng quát không có đủ các thông số chuẩn hóa lại (như các giá trị của khối lượng và điện tích) để loại bỏ tất cả những vô hạn lượng tử ra khỏi lí thuyết. Vì thế, chúng ta còn lại một lí thuyết của lực hấp dẫn tiên đoán những đại lượng nhất định, như độ cong của không-thời gian, là vô hạn, như thế không có cách nào điều hành một vũ trụ có thể ở được. Điều đó có nghĩa là khả năng duy nhất thu về một lí thuyết nhạy bén sẽ là làm cho mọi vô hạn bằng cách nào đó triệt tiêu đi, mà không cần sắp xếp lại sự chuẩn hóa lại.

Vào năm 1976, một đáp án có thể có cho bài toán đó đã được tìm thấy. Nó được gọi là siêu hấp dẫn. Tiếp ngữ “siêu” đã được thêm vào không phải vì các nhà vật lí nghĩ “siêu” là lí thuyết này của sự hấp dẫn lượng tử có thể hoạt động thật sự. Thay vào đó, từ “siêu” hàm ý đến sự đối xứng mà lí thuyết có, gọi là siêu đối xứng.

Trong vật lí, một hệ được nói là có một đối xứng nếu như những tính chất của nó không bị ảnh hưởng bởi một phép biến đổi nhất định như phép quay nó trong không gian hoặc lấy ảnh qua gương của nó. Thí dụ, nếu bạn lật một cái bánh rán lên, nó trông y như cũ (trừ khi nó có một miếng chocolate phía trên, trong trường hợp đó tốt hơn hết là hãy ăn nó đi). Siêu đối xứng là một loại đối xứng tinh vi hơn không thể đi cùng với một phép biến đổi của không gian bình thường. Một trong những ngụ ý quan trọng của siêu đối xứng là những hạt lực và những hạt vật chất, và do đó lực và vật chất, thật ra chỉ là hai mặt của một thứ. Nói thực tế, điều đó có nghĩa là mỗi hạt vật chất, như một quark, phải có một hạt đối tác là một hạt lực, và mỗi hạt lực, như một photon, phải có một hạt đối tác là hạt vật chất. Yêu cầu này có tiềm năng giải quyết bài toán các vô hạn vì hóa ra các vô hạn từ những vòng khép kín của những hạt lực là dương, còn các vô hạn từ những vòng khép kín của những hạt vật chất là âm, cho nên các vô hạn trong lí thuyết phát sinh từ những hạt lực và những hạt vật chất đối tác của chúng có xu hướng triệt tiêu nhau. Thật không may, những phép tính cần thiết để tìm ra có vô hạn nào chưa triệt tiêu hay không trong siêu hấp dẫn là quá dài và khó, đồng thời có khả năng xảy ra sai sót không ai khắc phục nổi chúng. Tuy nhiên, đa số các nhà vật lí tin rằng siêu hấp dẫn có lẽ là câu trả lời đúng cho bài toán thống nhất lực hấp dẫn với những lực khác.

Có lẽ bạn nghĩ rằng giá trị của siêu đối xứng là cái có thể dễ kiểm tra – chỉ việc xác định tính chất của những hạt hiện có và xem chúng có ghép cặp hay không. Không có hạt đối tác nào như vậy từng được quan sát thấy. Nhưng những phép tính khác nhau mà các nhà vật lí đã thực hiện cho biết những hạt đối tác tương ứng với những hạt mà chúng ta quan sát phải nặng gấp 1000 lần proton, nếu không nặng hơn nhiều. Khối lượng đó quá nặng cho những hạt như thế được nhìn thấy trong bất kì thí nghiệm nào tính cho đến nay, nhưng có hi vọng là những hạt như thế cuối cùng sẽ được tạo ra tại Máy Va chạm Hadron Lớn ở Geneva.

Quan niệm siêu đối xứng là yếu tố then chốt cho sự sáng tạo siêu hấp dẫn, nhưng khái niệm trên thật ra đã có nhiều năm trước đó với những nhà lí thuyết đang nghiên cứu một lí thuyết chim non mới nở gọi là lí thuyết dây. Theo lí thuyết dây, các hạt không phải là những điểm, mà là những dạng dao động có chiều dài nhưng không có chiều cao hoặc chiều rộng – giống như những sợi dây vô hạn. Lí thuyết dây cũng dẫn tới những vô hạn, nhưng người ta tin rằng trong phiên bản thích hợp, chúng sẽ triệt tiêu nhau hết. Chúng có một đặc điểm khác lạ nữa. Chúng chỉ thích hợp nếu không-thời gian có mười chiều, thay vì bốn chiều quen thuộc. Mười chiều nghe có vẻ thú vị đấy, nhưng chúng sẽ gây ra những trở ngại thật sự nếu như bạn không nhớ mình đã đỗ xe ở đâu. Nếu như chúng hiện diện, thì tại sao chúng ta không để ý đến những chiều bổ sung này? Theo lí thuyết dây, chúng cuộn lại thành một không gian có kích cỡ rất nhỏ. Để hình dung không gian này, hãy tưởng tượng một mặt phẳng hai chiều. Chúng ta gọi là mặt phẳng hai chiều vì bạn cần hai con số (thí dụ, tọa độ ngang và dọc) để định vị bất kì điểm nào ở trên nó. Một không gian hai chiều là bề mặt của một ống hút. Để định vị một điểm trên không gian đó, bạn cần biết điểm đó nằm ở đâu theo chiều dài của ống hút, và điểm đó nằm ở đâu theo chiều vòng tròn của nó. Nhưng nếu ống hút là rất mỏng, bạn sẽ có một vị trí gần đúng rất tốt chỉ sử dụng tọa độ theo chiều dài của ống hút, vì thế bạn có thể bỏ qua chiều vòng tròn. Và nếu ống hút có đường kính bằng một phần triệu triệu triệu triệu triệu của một inch, thì bạn sẽ không cần để ý đến chiều kích tròn của nó nữa. Đó là bức tranh mà các nhà lí thuyết dây có về những chiều bổ sung – chúng bị uốn cong hoặc xoắn lại đến cỡ nhỏ đến mức chúng ta không nhìn thấy chúng. Trong lí thuyết dây, các chiều bổ sung cuộn lại thành cái gọi là không gian nội, trái với không gian ba chiều mà chúng ta trải nghiệm trong cuộc sống hàng ngày. Như chúng ta sẽ thấy, những trạng thái nội này không chỉ là những chiều ẩn giấu bên dưới tấm thảm phủ - mà chúng còn có ý nghĩa vật lí quan trọng.

Ngoài các chiều bổ sung, lí thuyết dây còn có một vấn đề khó khăn nữa: Dường như có ít nhất năm lí thuyết khác nhau và hàng triệu cách để những chiều bổ sung cuộn lại, và tình trạng khó bối rối cho những ai ủng hộ lí thuyết dây là lí thuyết độc nhất vô nhị của mọi thứ. Sau đó, khoảng năm 1994, người ta bắt đầu phát hiện ra các đối ngẫu – rằng những lí thuyết dây khác nhau, và những cách cuộn những chiều bổ sung khác nhau, đơn giản là những cách khác nhau mô tả cùng một hiện tượng trong không gian bốn chiều. Ngoài ra, họ nhận thấy siêu hấp dẫn cũng liên quan đến những lí thuyết khác theo kiểu như vậy. Ngày nay, các nhà lí thuyết dây bị thuyết phục rằng năm lí thuyết dây khác nhau đó và siêu hấp dẫn chỉ là những gần đúng khác nhau cho một lí thuyết cơ bản hơn, mỗi lí thuyết có giá trị trong những tình huống khác nhau.

Lí thuyết cơ bản hơn đó được gọi là lí thuyết M, như chúng ta đã nhắc tới ở phần trước. Dường như chẳng ai biết chữ “M” là kí hiệu cho cái gì, nhưng nó có thể là “master” (lí thuyết lớn), “miracle” (phép màu) hay “mystery” (bí ẩn). Có thể nó có cả ba ý nghĩa. Người ta hiện vẫn đang cố gắng giải mã bản chất của lí thuyết M, nhưng điều đó dường như là không thể. Có khả năng là sự trông đợi lâu nay của các nhà vật lí trước một lí thuyết đơn nhất của tự nhiên là không thể trụ vững được, và không tồn tại một dạng thức lí thuyết đơn nhất nào như thế. Có lẽ để mô tả vũ trụ, chúng ta phải sử dụng những lí thuyết khác nhau trong những tình huống khác nhau. Mỗi lí thuyết có thể có phiên bản thực tại riêng của nó, nhưng theo thuyết duy thực phụ thuộc mô hình, điều đó là có thể chấp nhận miễn là các lí thuyết khớp với nhau trong những tiên đoán của chúng hễ khi nào chúng chồng lấn lên nhau, nghĩa là hễ khi nào chúng có thể được áp dụng đồng thời.

Muốn biết lí thuyết M tồn tại dưới dạng một dạng thức đơn nhất hay một hệ thống, chúng ta phải biết một số tính chất của nó. Trước tiên, lí thuyết M có 11 chiều không-thời gian, chứ không phải 10. Các nhà lí thuyết dây lâu nay nghi ngờ rằng sự tiên đoán 10 chiều đó có thể phải điều chỉnh, và nghiên cứu gần đây cho thấy thật ra còn một chiều nữa đã bị bỏ sót. Đồng thời, lí thuyết M có thể chứa không chỉ những dây đang dao động mà cả những hạt điểm, những màng hai chiều, những thùy ba chiều, và những vật thể khác khó hình dung hơn và chiếm giữ nhiều chiều không gian hơn, lên tới 9. Những vật này được gọi là p-brane (trong đó p chạy từ 0 đến 9).

Ống hút và đường thẳng

Ống hút và đường thẳng. Một cái ống hút là hai chiều, nhưng nếu đường kính của nó đủ nhỏ - hoặc nó được nhìn từ một khoảng cách đủ xa – thì trông nó tựa một chiều, giống như một đường thẳng.

Còn về vô số cách cuộn lại thành những chiều nhỏ xíu thì sao? Trong lí thuyết M, những chiều không gian bổ sung đó không thể cuộn lại theo những cách bất kì. Cơ sở toán học của lí thuyết hạn chế kiểu trong đó những chiều của không gian nội có thể bị cuộn lại. Hình dạng chính xác của không gian nội xác định giá trị của những hằng số vật lí, như điện tích của electron, lẫn bản chất của những tương tác giữa các hạt sơ cấp. Nói cách khác, nó xác định các định luật biểu kiến của tự nhiên. Chúng ta nói “biểu kiến” vì chúng ta muốn nói tới các định luật mà chúng ta quan sát thấy trong vũ trụ của mình – các định luật của bốn lực, và những thông số như khối lượng và điện tích mô tả đặc trưng các hạt sơ cấp. Nhưng những định luật cơ bản hơn là những định luật của lí thuyết M.

Do đó, các định luật của lí thuyết M cho phép những vũ trụ khác nhau với những định luật biểu kiến khác nhau, tùy thuộc vào không gian nội bị cuộn như thế nào. Lí thuyết M có những nghiệm cho phép nhiều không gian nội khác nhau, có lẽ nhiều tới 10⁵⁰⁰, nghĩa là nó cho phép 10⁵⁰⁰ vũ trụ khác nhau, mỗi vũ trụ có những định luật riêng của nó. Để có ý niệm rằng con số đó lớn như thế nào, hãy suy nghĩ như sau: Nếu một số sinh vật có khả năng phân tích những định luật được tiên đoán cho một trong những vũ trụ đó chỉ trong một mili giây và đã bắt đầu làm việc đó từ hồi Big Bang, thì hiện nay sinh vật đó chỉ mới nghiên cứu được 10²⁰ trong số chúng. Và con số đó thì chả thấm vào đâu.

Hàng thế kỉ trước, Newton đã chứng minh rằng những phương trình toán học có thể mang lại một mô tả chính xác đến bất ngờ của cách thức các vật tương tác, cả trên trái đất lẫn trên bầu trời. Các nhà khoa học đã đi tới chỗ tin rằng tương lai của vũ trụ có thể xác lập được, chỉ cần chúng ta biết lí thuyết thích hợp và có đủ sức mạnh tính toán. Rồi đến độ bất định lượng tử, không gian cong, quark, dây, và các chiều bổ sung, và kết quả chung của sức lao động của họ là 10⁵⁰⁰ vũ trụ, mỗi vũ trụ có những định luật khác nhau, chỉ một trong số chúng tương ứng với vũ trụ mà chúng ta biết. Hi vọng ban đầu của các nhà vật lí là tạo dựng một lí thuyết đơn nhất giải thích các định luật biểu kiến của vũ trụ của chúng ta là hệ quả độc đáo có thể có của một vài giả thuyết đơn giản có lẽ phải từ bỏ. Vậy thì điều đó đưa chúng ta đến đâu? Nếu lí thuyết M cho phép 10⁵⁰⁰ tập hợp các định luật biểu kiến, thì làm thế nào chúng ta đi tới vũ trụ này, với những định luật hiển hiện trước chúng ta? Và còn những thế giới khả dĩ khác nữa thì sao?

Thiết kế vĩ đại
Stephen Hawking & Leonard Mlodinow
Trần Nghiêm dịch

Phần tiếp theo >>