- Sabine Hossenfelder (Physics World, tháng 10/2013)
Nếu bạn biết cái gì đó về cơ học lượng tử, thì có khả năng đó là vật chất lượng tử có thể vừa ở đây vừa ở kia đồng thời – nó có thể ở một trạng thái chồng chất. Và nếu bạn biết cái gì đó về lực hấp dẫn, thì có khả năng đó là vật chất hút lấy vật chất – nó có một trường hấp dẫn. Vì thế, có vẻ như rằng trường hấp dẫn của vật chất lượng tử cũng phải vừa ở đây vừa ở kia đồng thời. Tuy nhiên, thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, lí thuyết mô tả lực hấp dẫn, là một lí thuyết cổ điển. Nó đã dạy cho chúng ta nhiều bài học lớn và có thể làm được nhiều chuyện to tát, nhưng có một thứ nó không thể làm là mô tả các trường hấp dẫn trong các trạng thái chồng chất lượng tử. Vì vậy, chúng ta cần một phiên bản lượng tử hóa của thuyết tương đối rộng – một lí thuyết hấp dẫn lượng tử.
Và nếu bạn biết cái gì đó về lực hấp dẫn lượng tử, thì có khả năng đó là chẳng ai biết nó vận hành ra làm sao.
Tuy nhiên, chúng ta thật sự có những yêu cầu cho lí thuyết thành công của sự hấp dẫn lượng tử.
Chúng ta muốn gì từ lực hấp dẫn lượng tử?
Trước tiên, một lí thuyết của lực hấp dẫn lượng tử sẽ cho chúng ta biết vật chất lượng tử tương tác hấp dẫn như thế nào, nhất là khi lực hấp dẫn mạnh. Miễn là lực hấp dẫn yếu, chúng ta có thể tiến tới lượng tử hóa theo kiểu giống với cách chúng ta lượng tử hóa những tương tác khác. Nhưng sự lượng tử hóa trường-yếu này không còn ý nghĩa khi lực hấp dẫn mạnh, ví dụ như khi các hạt năng lượng cao va chạm nhau ở những năng lượng cao đến mức bản thân các hạt có một tương tác hấp dẫn mạnh.
Lực hấp dẫn lượng tử cũng sẽ cho chúng ta biết cái xảy ra trong vũ trụ thời kì rất sơ khai. Theo thuyết tương đối rộng, vũ trụ của chúng ta đã ra đời với một điểm kì dị. Kết quả phi lí này chỉ dấu rằng chúng ta cần một mô tả căn bản hơn của không gian và thời gian khi ấy. Vì lực hấp dẫn trong vũ trụ sơ khai là mạnh, nên các hiệu ứng lượng tử của lực hấp dẫn là không thể bỏ qua được khi mô tả pha này của vũ trụ.
Thuyết tương đối rộng còn tiên đoán các kì dị khi vật chất co sụp thành các lỗ đen, dẫn tới cái gọi là nghịch lí tổn thất thông tin lỗ đen. Nó nói đến thực tế là các lỗ đen phát ra bức xạ nhiệt do các hiệu ứng lượng tử, không bao gồm các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử. Nhưng khi lỗ đen hoàn toàn bay hơi hết, toàn bộ cái còn lại là bức xạ nhiệt, bất chấp cái đã hình thành nên lỗ đen đó. Thông tin bị phá hủy trong quá trình không thuận nghịch này, nhưng bởi vì các quá trình không thuận nghịch không thể xảy ra trong cơ học lượng tử như chúng ta biết, nên đây là một mâu thuẫn. Lực hấp dẫn lượng tử sẽ giải thích cái xảy ra với thông tin bên trong các lỗ đen.
Cùng với việc giải những bài toán khó nuốt này, lí thuyết thành công của lực hấp dẫn lượng tử cũng phải có thể tái tạo mọi thành tựu của thuyết tương đối rộng và Mô hình Chuẩn của lĩnh vực vật lí hạt sơ cấp. Và nó phải đưa ra những tiên đoán có thể kiểm tra mang lại cho chúng ta sự đảm bảo rằng chúng ta có mô tả đúng của tự nhiên.
Cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng các hạt có thể tồn tại trong các trạng thái chồng chất lượng tử, và thuyết tương đối rộng cho chúng ta biết rằng các hạt có một trường hấp dẫn. Nhưng trường hấp dẫn của một chồng chất lượng tử thì sao? Câu hỏi có vẻ đơn giản này là cái chúng ta chưa thể trả lời hiện nay. Để có lời giải đáp, chúng ta phải phát triển một lí thuyết của lực hấp dẫn lượng tử. Ảnh: S Hossenfelder
Cho đến nay chúng ta đã học được những gì?
Các nhà vật lí đang nghiên cứu vài cách tiếp cận với lực hấp dẫn lượng tử: lí thuyết dây và lực hấp dẫn lượng tử vòng; tam giác đạc động nhân quả và lực hấp dẫn an toàn phi tiệm cận; các tập hợp nhân quả; lí thuyết trường nhóm; lực hấp dẫn xuất hiện và cảm ứng; và một vài thành tựu nghiên cứu nhỏ khác. Lí thuyết dây hiện nay có tỉ lệ bàn thắng cao nhất trong việc xử lí những yêu cầu đã nói, sau đó là lực hấp dẫn lượng tử vòng và lực hấp dẫn an toàn phi tiệm cận.
Nhìn từ bên ngoài, nghiên cứu theo bất kì hướng nào trong những hướng tiếp cận này với lực hấp dẫn lượng tử phải nhìn na ná như đang xem người ta xây đường hầm. Trong một thời gian dài, chẳng có gì xảy ra nhiều, ngoại trừ là thỉnh thoảng một công cụ đi vào trong và sỏi đá mang ra ngoài. Nhưng bước vào bên trong bạn sẽ thấy cả một công trường xôn xao. Mới đây, rất nhiều tiến bộ đã đạt tới trong mỗi hướng tiếp cận – tiến bộ được xem là đã cải thiện đáng kể kiến thức của chúng ta trước vấn đề nan giải. Mặc dù cuối cùng một đường hầm chỉ là hữu ích một khi đã được khai thông.
Trong khi chưa có đột phá nào xuất hiện, nhưng chúng ta đang học hỏi. Chúng ta đã biết rằng những đặc tính nhất định của lực hấp dẫn lượng tử xuất hiện trong vài hướng tiếp cận, nhưng theo những hiện thân khác nhau. Ví dụ được biết tới nhất có lẽ là ảnh toàn kí – mã hóa thông tin chứa trong một thể tích trên ranh giới của thể tích đó. Có vẻ như rốt cuộc thì các thăng giáng hấp dẫn lượng tử ngăn cản chúng ta phân giải các cấu trúc đến mức tùy ý. Một khám phá mới đây hơn là chiều của không-thời gian có vẻ trở nên nhỏ hơn ở những cự li ngắn, một hành trạng bất ngờ cũng được tìm thấy trong vài hướng tiếp cận khác nhau.
Tôi không nghi ngờ gì nhiều chuyện chúng ta sẽ có thể thống nhất cơ học lượng tử và lực hấp dẫn; một số đồng nghiệp của tôi còn cho rằng chúng ta đã làm chuyện đó xong rồi. Nhưng chúng ta không phải đang tìm kiếm một lí thuyết bất kì của lực hấp dẫn lượng tử. Chúng ta đang đi tìm lí thuyết đích thực của lực hấp dẫn lượng tử - lí thuyết mô tả thế giới xung quanh chúng ta. Đưa ra những liên hệ với các quan sát do đó không những quan trọng, mà còn cần thiết cho lực hấp dẫn lượng tử mang tính khoa học.
Tiếp theo sẽ là gì?
Cho đến nay, chúng ta chưa hề có bất kì bằng chứng thực nghiệm nào cho lực hấp dẫn lượng tử. Nhưng trong thập niên vừa qua, cái trở nên rõ ràng là chúng ta có thể làm được trên phương diện kĩ thuật, mặc dù chưa có trong tay một lí thuyết hoàn toàn trọn vẹn, để tìm kiếm bằng chứng của những đặc tính tổng quát theo trông đợi của lực hấp dẫn lượng tử - như những cái đã nói ở trên, và quan trọng hơn, ví dụ như các vi phạm của đối xứng nhất định. Yêu cầu này có thể làm được, và đã được thực hiện thành công trong một số trường hợp, thông qua sử dụng các mô hình hiện tượng học. Những mô hình như thế tham số hóa các hiệu ứng và đưa ra các liên hệ với các quan sát. Khi đó các quan sát có thể được sử dụng để biết những đặc tính nào mà lí-thuyết-chưa-được-tìm-thấy có thể có và những đặc tính nào nó không thể có. Tôi nghĩ chỉ dẫn thực nghiệm này là thiết yếu để xây dựng lí thuyết của lực hấp dẫn lượng tử, và là lộ trình đưa đến sự tiến bộ.
Vì lực hấp dẫn thật ra là một hệ quả của không-thời gian bị uốn cong, nên chúng ta đang tìm kiếm một lí thuyết của bản chất lượng tử của bản thân không gian và thời gian. Nó là câu hỏi sơ khởi nhất trong những câu hỏi mở hiện nay theo nghĩa là nó nói về những thành phần cơ bản nhất của các lí thuyết của chúng ta. Tiếp sau việc cách mạng hóa nhận thức của chúng ta về không gian, thời gian và vật chất, lực hấp dẫn lượng tử có khả năng cũng sẽ thúc đẩy tiến bộ đáng kể đối với những lĩnh vực khác. Bản chất của thời gian và mũi tên vũ trụ của nó là những vấn đề hóc búa có liên hệ mật thiết với lực hấp dẫn lượng tử, và vì thế là cơ sở vật lí của vũ trụ sơ khai. Hơn nữa, tôi tin rằng chúng ta sẽ học được một bài học về sự lượng tử hóa có tiềm năng cải thiện khả năng của chúng ta làm chủ vật chất lượng tử.
Địa điểm xây dựng của đường hầm chưa rõ ràng, nhưng cái còn lại thì đã chắc chắn: một khi hầm đã thông, bạn sẽ thấy xe cộ ầm ầm chạy theo lộ trình mới.
- Tác giả Sabine Hossenfelder là phó giáo sư vật lí năng lượng cao tại Viện Vật lí Lí thuyết Bắc Âu ở Thụy Điển. Bài đăng trên tạp chí Physics World, số tháng 10/2013
Trần Nghiêm dịch ♦
