Henrik Melbéus và Tommy Ohlsson mô tả ba lí thuyết khác nhau của các chiều bổ sung, và làm thế nào có thể quan sát những chiều không nhìn thấy này, nếu như chúng thật sự có tồn tại.
Ảnh: Cory Ench
Chúng ta trải nghiệm ba chiều không gian trong tự nhiên: chiều dài, chiều rộng và chiều cao. Ngoài ra, chúng ta cảm nhận thời gian là một chiều thứ tư. Nhưng một số nhà vật lí lí thuyết cho rằng các chiều không gian “bổ sung” có thể tồn tại ngoài bốn chiều không-thời gian bình thường, mặc dù chúng quá nhỏ để nhìn thấy bằng mắt trần. Nay, với sự xuất hiện của dữ liệu mới thu từ Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN ở gần Geneva, Thụy Sĩ, cũng như các thí nghiệm vật lí hạt và vật lí hạt vũ trụ khác, có lẽ ta sẽ có thể trả lời câu hỏi căn bản là những chiều không gian bổ sung này có tồn tại hay không.
Quan điểm cho rằng không-thời gian có thể có nhiều hơn bốn chiều lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà toán học và vật lí học người Đức Theodor Kaluza và nhà vật lí lí thuyết người Thụy Điển Oskar Klein hồi đầu thế kỉ 20. Vào năm 1921, Kaluza đã công bố một bài báo trong đó ông mở rộng lí thuyết tương đối rộng của Einstein (được biết hiện nay vẫn là mô tả tốt nhất cho sự hấp dẫn) từ bốn lên năm chiều, và vào năm 1926 Klein đã giả sử rằng một chiều không gian bổ sung thứ tư bị cuộn lại thành một vòng tròn có bán kính cực kì nhỏ - chiều bổ sung đó bẻ cong xung quanh chính nó và người ta nói là nó bị “nén lại”. Thật vậy, người ta có thể chứng minh không-thời gian 5D đó có thể bị tách thành lí thuyết hấp dẫn của Einstein trong bốn chiều và lí thuyết điện từ học của Maxwell. Vì lí do này, một mô hình vật lí cố gắng thống nhất các cơ bản hấp dẫn và điện từ được gọi là lí thuyết Kaluza-Klein (lí thuyết KK), mặc dù ngày nay cụm từ này được dùng để chỉ bất kì lí thuyết nào có các chiều không gian bổ sung.
Việc cố gắng tưởng tượng ra các chiều không gian bổ sung không mang chút trực giác nào hết. Làm thế nào có thể có cái gì đó khác ngoài trước-sau, trái-phải và trên-dưới chứ. Một cái tương tự giúp hiểu khái niệm này là hãy xét một sợi dây căng (hình 1). Nhìn từ xa, ví dụ như từ con mắt của một người đang đứng cân bằng trên dây, thì có vẻ như chỉ có thể đi tới trước hoặc lùi ra sau thôi. Tuy nhiên, khi nhìn kĩ hơn, ví dụ như từ góc nhìn của một con kiến, thì nó có thể bò dọc theo sợi dây hoặc bò xung quanh dây. Theo kiểu giống như vậy, các chiều bổ sung có thể bị ẩn mất đối với một số người đang nhìn vào chúng từ một khoảng cách xa so với kích cỡ của chúng.
Hình 1. Một người đáng trên một sợi dây căng chỉ có thể đi tới trước hoặc lùi ra sau – chứ không thể sang trái sang phải, hoặc đi lên đi xuống – và vì thế chỉ trải nghiệm một chiều. Tuy nhiên, những sinh vật sống trên một cỡ khoảng cách nhỏ hơn, ví dụ như những con kiến, có thể di chuyển trong một chiều bổ sung – uốn tròn xung quanh sợi dây. Tương tự, có thể có những chiều không gian bổ sung quá nhỏ để chúng ta nhìn thấy. (Ảnh: (trái) iStockphoto/Suzana Profeta; (phải) iStockphoto/etchoong)
Để cho các chiều bổ sung có thể tự biểu hiện, nghiên cứu thực nghiệm của các hạt cơ bản là lộ trình hứa hẹn nhất. Năng lượng của một hạt trong một không gian 3D gồm năng lượng nghỉ của khối lượng của nó, E = mc2, và động năng của chuyển động của nó. Nếu các chiều bổ sung có tồn tại, thì hạt sẽ có nhiều tự do hơn để chuyển động và vì thế có thể thu được mọt đóng góp bổ sung, độc lập cho động năng của nó. Vì chuyển động không quan sát chuyển động của hạt theo chiều bổ sung đó, nên chúng ta sẽ giải thích động năng này là một phần của năng lượng nghỉ của nó, hay nói cách khác là khối lượng của hạt. Đối với chúng ta, hạt sẽ không trông giống như một hạt, mà là một tập hợp hạt – toàn bộ có khối lượng khác nhau. Hạt chuyển động theo chiều bổ sung đó càng nhanh, thì khối lượng biểu kiến này dường như càng lớn. Thành ra khối lượng của mỗi hạt liên hệ với khối lượng của hạt đứng yên trong chiều bổ sung đó. Chúng ta giả sử rằng các hạt Mô hình Chuẩn đứng yên trong các chiều bổ sung, và với mỗi hạt đã biết này có thể có tồn tại những phiên bản nặng hơn chưa được phát hiện ra. Gọi là “hạt KK”, chúng ta có thể sắp xếp mỗi tập hợp của chúng thành một giản đồ “tháp KK” với các số (hạt) KK n = 1, 2, 3... và khối lượng mn = √(m2 + n2/R2), trong đó m là khối lượng của hạt Mô hình Chuẩn (n = 0) và R là kích cỡ đặc trưng của chiều bổ sung đó. Ví dụ, người ta có thể tưởng tượng một electron, đó là một hạt Mô hình Chuẩn, và một tháp KK tương ứng gồm những electron KK nặng hơn.
Các lí thuyết LL hấp dẫn vì một số lí do. Có lẽ quan trọng nhất, chúng có thể dùng để xử lí một vài thiếu sót của Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt, lí thuyết hiện nay là sự mô tả tốt nhất của chúng ta của thế giới dưới nguyên tử. Mặc dù Mô hình Chuẩn rất thành công, nhưng nó thật sự có một số vấn đề hướng đến yêu cầu phải mở rộng nó. Các lí thuyết KK là một mở rộng khả dĩ như vậy; những lí thuyết khác bao gồm, chẳng hạn, sự siêu đối xứng, lí thuyết dự đoán rằng với mỗi hạt Mô hình Chuẩn có tồn tại một anh em “siêu hạt” nặng hơn, và các lí thuyết thống nhất lớn, trong đó các tương tác mạnh, yếu và điện từ được xem là những mặt khác nhau của cùng một lực.
Mô hình Chuẩn có thiếu sót
Trong số những vấn đề nổi tiếng nhất với Mô hình Chuẩn là các quan sát cách các thiên hà chuyển động cung cấp cho chúng ta một lượng lớn bằng chứng cho sự có nhiều vật chất trong vũ trụ hơn cái chúng ta có thể nhìn thấy. Vật chất bổ sung này được đặt tên là “vật chất tối”, mặc dù “vật chất không thể nhìn thấy” có lẽ sẽ là một tên gọi tốt hơn, vì nó không thể nhìn thấy (không “phát sáng”) như vật chất bình thường.
Giải pháp hợp lí nhất hiện nay cho vấn đề này là vật chất tối cấu tạo từ những hạt tương tác rất yếu với ánh sáng. Tuy nhiên, từ quan điểm vật chất hạt cơ bản, vấn đề xuất hiện với giải pháp này là không có hạt nào đã biết trong Mô hình Chuẩn có thể cấu tạo nên vật chất tối. Nhưng trong một số lí thuyết KK, hóa ra một số hạt KK đã được dự báo tồn tại có thể là vật chất tối hay lảng tránh này vì chúng sẽ không tương tác với ánh sáng và có những đặc trưng khác mà chúng ta trông đợi thấy ở vật chất tối.
Một cái lạ nữa trong ngành vật lí hạt là thực tế lực hấp dẫn yếu hơn nhiều so với tất cả những lực cơ bản khác. Tuy nhiên, lực này là quan trọng bởi vì, không giống như lực mạnh và lực yếu, nó có tầm tác dụng vô hạn, và đa số những vật thể vĩ mô là trung hòa điện và vì thế không bị ảnh hưởng mạnh bởi lực điện từ, nên lực hấp dẫn là lực duy nhất quan trọng đối với chúng. Từ quan điểm của vật lí lượng tử, tính yếu của lực hấp dẫn là một thực tế khó hiểu dường như cần một sự điều chỉnh tinh rất chính xác của các thông số trong tự nhiên. Nhưng trong các lí thuyết KK, tính yếu của lực hấp dẫn có thể là căn bản.
Một vấn đề thứ ba liên quan đến tính chất của các neutrino trong Mô hình Chuẩn. Trung hòa điện và tương tác rất yếu với vật chất khác, neutrino rất khó phát hiện ra. Thật vậy, Mô hình Chuẩn nói rằng tất cả neutrino là không có khối lượng. Tuy nhiên, những quan sát neutrino biến đổi từ một dạng này sang một dạng khác – một hiện tượng gọi là “dao động neutrino” – xác nhận mạnh mẽ rằng các neutrino thật sự có khối lượng. Do đó, chúng ta sẽ phải mở rộng Mô hình Chuẩn để xét đến thực tế này, nhưng vấn đề là neutrino nhẹ hơn nhiều so với tất cả những hạt khác đã biết (thuộc Mô hình Chuẩn). Trong các lí thuyết KK, người ta có thể thu được những cơ chế tự nhiên tạo ra những khối lượng neutrino nhỏ này.
