Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản vừa phát triển cái có lẽ là mô hình lí thuyết dây đầu tiên có một cơ chế tự nhiên lí giải tại sao vũ trụ của chúng ta dường như tồn tại trong không gian ba chiều nếu như nó thật sự có nhiều hơn sáu chiều. Theo mô hình của họ, chỉ ba trong chín chiều bắt đầu lớn lên lúc khai sinh ra vũ trụ, giải thích cả sự giãn nở liên tục của vũ trụ lẫn bản chất ba chiều biểu kiến của nó.
Lí thuyết dây là một “lí thuyết của tất cả” có tiềm năng, thống nhất toàn bộ vật chất và lực trong một khuôn khổ lí thuyết duy nhất, mô tả cấp độ cơ bản của vũ trụ theo các dây đang dao động thay vì các hạt. Mặc dù khuôn khổ đó có thể tự nhiên hợp nhất lực hấp dẫn cả ở cấp độ dưới nguyên tử, nhưng nó ngụ ý rằng vũ trụ có một số tính chất kì lạ, ví dụ như có chín hoặc mười chiều không gian. Các nhà lí thuyết dây đã tiếp cận vấn đề này bằng cách đi tìm những phương pháp “nén” sáu hoặc bảy trong số những chiều hay, hoặc co chúng xuống mức chúng ta không để ý đến chúng. Thật không may, Jun Nishimura thuộc Tổ chức Máy gia tốc Năng lượng Cao (KEK) ở Tsukuba cho biết “Có nhiều cách để có không-thời gian bốn chiều, và những cách khác nhau dẫn tới những cơ sở vật lí khác nhau.” Giải pháp đó không đủ đơn nhất để mang lại những tiên đoán hữu ích.
Những kế hoạch nén nhỏ này đã được nghiên cứu qua lí thuyết nhiễu loạn, trong đó toàn bộ những cách có thể có mà các dây có thể tương tác được cộng gộp lại để mô tả tương tác. Tuy nhiên, cách này chỉ hoạt động nếu như tương tác tương đối yếu, với một thứ bậc rõ ràng trong khả năng của mỗi tương tác có thể có. Nếu tương tác giữa các dây là mạnh hơn, với nhiều kết cục có khả năng như nhau, thì lí thuyết nhiễu loạn không còn tác dụng nữa.
Ảnh minh họa Big Bang. (Ảnh: iStockphoto.com/Xacto)
Ma trận cho phép những tương tác mạnh hơn
Các dây tương tác yếu không thể mô tả vũ trụ sơ khai với năng lượng, tỉ trọng và nhiệt độ cao của nó, nên các nhà nghiên cứu đã đi tìm một phương pháp nghiên cứu các dây có ảnh hưởng mạnh lên nhau. Cho đến nay, một nhà lí thuyết dây đã thử thiết lập lí thuyết trên bằng ma trận. “Bức tranh dây xuất hiện từ các ma trận trong giới hạn của kích cỡ ma trận vô hạn,” Nishimura nói. Năm dạng của lí thuyết dây có thể được mô tả với lí thuyết nhiễu loạn, nhưng chỉ có một dạng có một dạng ma trận đầy đủ - Loại IIB. Một số người còn cho rằng ma trận Loại IIB thật sự mô tả lí thuyết M, cái được xem là phiên bản cơ sở của lí thuyết dây hợp nhất toàn bộ năm loại đã biết .
Mô hình được phát triển bởi Sang-Woo Kim ở trường Đại học Osaka, Nishimura, và Asato Tsuchiya ở trường Đại học Shizuoka, mô tả hành trạng của các dây tương tác mạnh trong chín chiều không gian cộng với một chiều thời gian, hay 10 chiều cả thảy. Không giống như lí thuyết nhiễu loạn, các mô hình ma trận có thể mô phỏng dưới dạng số hóa trên máy tính, giải quyết được một số khó khăn khét tiếng của các phép tính lí thuyết dây. Mặc dù các ma trận đó sẽ phải lớn vô hạn cho một mô hình hoàn chỉnh, nhưng chúng được ràng buộc đến từ cỡ 8 × 8 đến 32 × 32 trong các mô phỏng. Những phép tính sử dụng những ma trận lớn nhất mất hơn hai tháng chạy trên một siêu máy tính.
Các tính chất vật lí của vũ trụ xuất hiện trong các trung bình lấy trong hàng trăm hay hàng nghìn ma trận. Các xu hướng hiện ra từ việc tăng cỡ ma trận cho phép đội nghiên cứu ngoại suy ra vũ trụ mô hình sẽ hành xử như thế nào nếu các ma trận là vô hạn. “Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi tập trung vào cỡ không gian là một hàm của thời gian,” Nishimura cho biết.
‘Sự ra đời của vũ trụ’
Kích cỡ hạn chế của các ma trận đồng nghĩa với việc đội nghiên cứu không thể nhìn thấy gì nhiều ngoài sự ra đời của vũ trụ trong mô hình của họ. Từ cái họ có thể cho biết, vũ trụ bắt đầu là một không gian đối xứng, có chín chiều, với mỗi chiều đo khoảng 10–33 cm. Đây là một đơn vị chiều dài cơ bản gọi là chiều dài Planck. Sau một thời gian nào đó, các tương tác dây làm cho sự đối xứng của vũ trụ tự phát phá vỡ, làm cho ba trong số chín chiều giãn nở ra. Sáu chiều còn lại vẫn bị nhốt ở chiều dài Planck. “Thời khắc khi sự đối xứng bị phá vỡ là sự ra đời của vũ trụ,” Nishimura nói.
Hikaru Kawai ở trường Đại học Kyoto, người làm việc với Tsuchiya và những người khác đề xuất ra mô hình ma trận IIB hồi năm 1997, rất quan tâm đến “dấu hiêu rõ ràng của bốn chiều không-thời gian” trong nghiên cứu trên. “Đó sẽ là một bước tiến lớn hướng đến tìm hiểu nguồn gốc của vũ trụ,” ông nói. Mặc dù ông thấy sự phát triển của vũ trụ mô hình theo thời gian như thế là quá đơn giản và khác với lí thuyết tương đối tổng quát, nhưng ông cho biết xu hướng mới mà nghiên cứu trên mở ra là “đáng để nghiên cứu rộng rãi”.
Mô hình Chuẩn sẽ xuất hiện?
Cho đến nay, đội nghiên cứu chưa chứng minh được Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản sẽ biểu hiện trong mô hình của họ, ở những năng lượng thấp hơn nhiều so với nghiên cứu ban đầu này của vũ trụ rất sơ khai. Nếu nó giải được bài toán đó, thì đội nghiên cứu có thể sử dụng để khảo sát vũ trụ học. Theo Steinacker, so với các mô hình nhiễu loạn, “mô hình này sẽ có tính dự đoán hơn”.
Nishimura hi vọng với việc cải thiện mô hình lẫn phần mềm mô phỏng, đội của ông sẽ sớm có thể nghiên cứu sự lạm phát của vũ trụ sơ khai hay sự phân bố mật độ của vật chất, từ đó có thể đánh giá sự phân bố mật độ của vũ trụ thực tế.
Nghiên cứu sẽ công bố trên số ra sắp tới của tờ Physical Review Letters và bản thảo đã có tại arXiv:1110.4803.
Nguồn: physicsworld.com
