- Steven Nadis (Discover Magazine, tháng 6/2016)
Trong khi lí thuyết dây mới lạ có lẽ chưa bao giờ đạt tới như quảng cáo trước đây, nhưng các công cụ mang tính sáng tạo của nó đã giúp các nhà khoa học trong hàng thập kỉ qua, và có lẽ điều tốt đẹp nhất vẫn còn chờ phía trước.
Lí thuyết dây đã từng có thời là đề tài nóng bỏng nhất trong lĩnh vực vật lí học. Vào thập niên 1980 và 1990, nó hứa hẹn mang đến vô vàn tặng phẩm. Phát sinh từ quan niệm vật chất và năng lượng về cơ bản gồm những sợi dây nhỏ xíu đang dao động chứ không phải các hạt chất điểm, lí thuyết này cố gắng thống nhất mọi lực đã biết thành một gói duy nhất, đẹp đẽ. Một số nhà vật lí đã gọi lí thuyết dây là “lí thuyết của tất cả” mà người ta tìm kiếm bấy lâu.
Nhà vật lí Đại học Harvard Andrew Strominger, một người đi đầu về lí thuyết dây trong hàng thập kỉ, nhớ lại cái buổi đầu hăng hái ấy. “Vào cái thời mới thịnh hành của nó, “ ông nói, “đã có tuyên bố cho rằng chúng ta đã giải được mọi bài toán trong vật lí học và đã có lí thuyết cuối cùng trong tay.”
Strominger biết, cả trong những năm 1980 hớn hở ấy, rằng những khẳng định như thế là quá cường điệu. Và, chắc chắn chủ nghĩa hoài nghi vẫn âm thầm rỉ rả theo năm tháng. Chưa ai nghĩ ra được một thí nghiệm có thể xác nhận dứt khoát hay bác bỏ thẳng thừng lí thuyết dây. Sự công kích có lẽ lên tới đỉnh điểm vào năm 2006, khi một số sách bán chạy và báo chí cùng tấn công lí thuyết dây. Nhưng trong khi lí thuyết dây tạm thời lắng xuống, thì nó vẫn chưa chịu thua. “Lí thuyết dây vẫn đang phát triển ngày càng tốt hơn – và được hiểu rõ hơn,” ý kiến của Juan Maldacena thuộc Viện nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey, Mĩ.
Nhiều nhà lí thuyết dây ngày nay chuyển sang thích nghi với một cách tiếp cận vụ lợi, xa dần khả năng thâu tóm mọi thứ của nó. Một số nhà thực hành đang áp dụng các kĩ thuật lí thuyết dây cho các bài toán thuộc lĩnh vực toán học thuần túy, còn Strominger thì đang làm việc để đảm bảo nhận thức thấu đáo hơn về các lỗ đen. Những người khác thì dựa vào lí thuyết dây hỗ trợ các phép tính liên quan đến vật lí hạt sơ cấp và các trạng thái kì lạ của vật chất. Cái nổi rõ từ sự áp dụng đa dạng này là một sự nhất trí mới: Lí thuyết dây có lẽ không phải là lí thuyết của tất cả như đã bịa đặt, Strominger nói, “mà nó rõ ràng là một lí thuyết của cái gì đó”.
Các chiều ẩn sâu
Strominger không phải kẻ dễ thoái chí. Ông từng rời Harvard hai lần hồi những năm 1970 để sống phiêu bạt ở New Hampshire và Trung Quốc trước khi trở lại trường đại học, chuyển sang thăm dò vũ trụ qua vật lí học lí thuyết. Là một cựu sinh viên MIT, Strominger được khuyên nên tránh xa các đề tài nhiều rủi ro như lí thuyết dây, nhưng ông đã phớt lờ lời khuyên đó.
Sự liều lĩnh đã được đền đáp. Vào năm 1985, ba năm sau khi lấy bằng tiến sĩ, Strominger là đồng tác giả của một trong các bài báo hạt giống của lĩnh vực lí thuyết dây – một bộ phận của cái gọi là “cuộc cách mạng siêu dây lần thứ nhất”.
Andrew Strominger
Giả thuyết trung tâm của lí thuyết là các dây, đơn vị cơ bản nhất của tự nhiên, dao động trong một vũ trụ 10 chiều hoặc 11 chiều. Ba chiều không gian quen thuộc cộng với thời gian thành bốn chiều, nghĩa là sáu hoặc bảy chiều không gian “bổ sung” kia phải ẩn náu, co lại nhỏ đến mức chúng ta không thể nhìn thấy chúng. Những chiều nhỏ xíu này phải “thu gọn” theo một kiểu nào đó để tái tạo vật lí học mà chúng ta quan sát, và Strominger cùng các đồng sự của ông đã xác định được hình dạng cuộn lại đó phải như thế nào: một vật thể toán học sáu chiều gọi là không gian Calabi-Yau. Khối lượng của một hạt, độ lớn của một lực đã cho và các đại lượng sơ cấp khác phụ thuộc vào hình dạng, hay hình học, của không gian xoắn này.
Các không gian Calabi-Yau, các vật thể sáu chiều biểu diễn ở đây trong hai chiều chỉ có kích cỡ 10-33 cm. Ảnh: Roen Kelly/Discover
Các nhà lí thuyết dây sớm đem đến một khám phá nổi bật. Bằng cách quay một không gian Calabi-Yau theo một kiểu nhất định, họ có thể tái tạo ảnh qua gương thuộc cùng loại, mặc dù với một hình dạng rất khác. Điều bất ngờ là những hình dạng Calabi-Yau tạp nham biểu kiến này có một mối liên hệ ẩn, nhưng cả hai đều gây ra hiện tượng vật lí giống nhau. Các nhà lí thuyết đặt tên cho hiện tượng là “đối xứng gương”.
Các nhà khoa học nhanh chóng học được rằng loại đối xứng mới tìm thấy này có thể khai thác để xử lí các bài toán khó đa dạng. Vào năm 1991, nhà vật lí Philip Candelas và các đồng sự đã sử dụng đối xứng gương để giải một bài toán một thế kỉ tuổi, nói chung là đếm số lượng quả cầu có thể lắp khít bên trong một không gian Calabi-Yau.
Các nhà toán học liền nhảy vào cuộc chơi, sử dụng đối xứng gương để xử lí những bài toán chưa giải khác trong lĩnh vực hình học liệt kê, tiêu biểu là việc đếm số đường thẳng và đường cong trên các bề mặt phức tạp và không gian ba chiều. Đối xứng gương đã giúp làm sống lại lĩnh vực trên, và hướng nghiên cứu này vẫn diễn ra mạnh mẽ với các hội nghị toán học quốc tế đều đặn dành riêng cho nó.
“Trong vài năm trở lại đây, đã có sự tiến bộ hướng tới việc gói gọn quan niệm này trong khuôn khổ một công thức (mặc dù phức tạp),” phát biểu của nhà toán học Bong Lian tại Đại học Brandeis. “Bức tranh hình học, đại số và vật lí của đối xứng gương đang bắt đầu hội tụ với nhau.”
Các nhà lí thuyết dây nghĩ rằng các chiều “ẩn náu” của vũ trụ có những hình dạng nhỏ xíu như thế này. Ảnh: Roen Kelly/Discover
Khảo sát lỗ đen
Trong khi Strominger là đồng tác giả một bài báo mang lại một giải thích toán học cho biết đối xứng gương hoạt động như thế nào, thì hai thập niên gần đây ông lại tập trung vào sử dụng lí thuyết dây để hiểu rõ về các lỗ đen. Trong một lần đột phá vào lĩnh vực này, ông và đồng nghiệp Harvard Cumrun Vafa đã khảo sát một kết quả gây khó hiểu từ hồi đầu thập niên 1970 của các nhà vật lí Jacob Bekenstein và Stephen Hawking.
Cho đến khi ấy, các nhà khoa học xem lỗ đen là những vật thể đơn giản – những cái lỗ theo nghĩa đen trong không gian, được mô tả trọn vẹn chỉ bởi ba biến số: khối lượng, spin và điện tích của chúng. Sử dụng thuyết tương đối rộng (lí thuyết lực hấp dẫn của Einstein), nhiệt động lực học và thuyết lượng tử, Bekenstein và Hawking đã nghĩ ra một công thức cho thấy lỗ đen có entropy cao đến bất ngờ - entropy là một số đo cho biết có bao nhiêu cách mà các hạt có thể sắp xếp bên trong vật. Nói cách khác, cấu trúc bên trong của lỗ đen là rất phức tạp; nó có thể mang số lượng lớn trạng thái khả dĩ. Công thức Bekenstein-Hawking mang lại một con số chính xác cho entropy, định lượng các trạng thái nội khả dĩ, mà không cho biết những trạng thái khác nhau đó có thể gồm những gì.
Năm 1996, Strominger và Vafa chuyển từ lí thuyết dây sang cung cấp một cái nhìn vi mô về các lỗ đen. Cách tiếp cận của họ là nhìn từ trong ra, như với nghiên cứu của Candelas, tương tự như việc đếm số lượng quả cầu có thể sắp xếp bên trong một không gian Calabi-Yau. Và câu trả lời mà Strominger và Vafa thu được ăn khớp hoàn hảo với kết quả Bekenstein-Hawking. Đây là một thành tựu quan trọng cho lí thuyết dây vì nó có thể làm được cái gì đó – cung cấp manh mối về cấu trúc bên trong của lỗ đen – mà không cách tiếp cận nào khác làm được.
Strominger tiếp tục dấn sâu hơn. Nghiên cứu của ông với Vafa chứng minh rằng các lỗ đen đang quay nhanh có “đối xứng thích nghi”, đại khái nghĩa là các tính chất vật lí nhất định là độc lập với kích cỡ của lỗ đen. Sau đó, Strominger nhận ra rằng sự có mặt của đối xứng này, trước đó chưa được nhận ra, có thể sử dụng để đưa ra nhiều dự đoán. Chẳng hạn, ông và các cộng sự của ông hiện đang cố gắng tính cường độ của bức xạ điện từ phát ra từ vùng phụ cận của một lỗ đen. Trong vài ba năm tới, Strominger cho biết, một khi mạng lưới toàn cầu gọi là Kính thiên văn Chân trời Sự kiện đi vào hoạt động, các nhà thiên văn có thể kiểm tra các ước tính bức xạ đó thông qua các phép đo trực tiếp.
Anten Vũ trụ Giao thoa kế Laser Tiến hóa sắp hoạt động có thể giúp xác thực các dự đoán sóng hấp dẫn của lí thuyết dây. Ba phi thuyền vũ trụ sẽ quay xung quanh mặt trời và đo các gợn sóng nhỏ xíu trong không-thời gian thông qua các laser nhạy. Ảnh: AEI/MM/EXOZET
Sử dụng các kĩ thuật tương tự bắt nguồn cảm hứng bởi lí thuyết dây, nhóm của Strominger đã tính phổ sóng hấp dẫn phát ra khi các vật thể rắn đặc như các ngôi sao rơi vào các lỗ đen khổng lồ - các dự đoán có thể được xác nhận bởi Anten Vũ trụ Giao thoa kế Laser Tiến hóa sắp được triển khai, theo kế hoạch sẽ rời bệ phóng trong hai thập niên tới (hoặc có thể sớm hơn). Strominger cũng tin rằng bằng chứng của đối xứng thích nghi có thể xuất hiện từ Đài thiên văn Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO), nơi đã phát hiện sóng hấp dẫn lần đầu tiên hồi đầu năm nay. Không bao lâu nữa, theo lời Strominger, các nhà thiên văn có thể đắm mình trong những dữ liệu mà họ không thể giải thích trọn vẹn. “Chúng tôi thích sử dụng các quan niệm từ lí thuyết dây để soi thêm ánh sáng cho các góc khuất này.”
Giải tích mới
Trong khi đó, các nhà vật lí khác hiện đang sử dụng phương pháp luận lí thuyết dây trong nghiên cứu của họ về các trạng thái vật chất cực độ - từ những plasma siêu nóng sinh ra trong các máy va chạm hạt cho đến các vật liệu được tạo ra trong phòng thí nghiệm ở những nhiệt độ gần sát không độ tuyệt đối.
Nhà vật lí Đại học College London Andrew Green, người nghiên cứu các pha lạ của vật chất phát sinh ở nhiệt độ cực lạnh, chưa từng tưởng tượng việc dùng đến lí thuyết dây, nhưng ông nhận thấy nó cực kì đáng giá. Mặc dù có lẽ nó chẳng mang lại một lí thuyết toàn diện của thực tại, ông nói, “nhưng nó đã đánh dấu sự phát triển của một tập hợp kĩ thuật toán học mới vốn hữu ích trong nhiều lĩnh vực vật lí đa dạng.”
Nhiều phương pháp này liên quan đến hình học nhiều chiều, ông nói, “cho phép bạn vẽ nên bức tranh hình học của những cái trước đây là công thức đại số.” Green gọi lí thuyết dây là “giải tích mới”, ông cho biết các quan niệm của nó cuối cùng sẽ đóng góp vào bộ công cụ chuẩn của vật lí học lí thuyết.
Strominger tán thành ý kiến trên. Trong khi các nhà vật lí có lẽ chưa đạt tới lí thuyết tối hậu của mọi thứ cách nay chừng 30 năm trước, nhưng ông xem lí thuyết dây là “một điểm xuất phát” từ đó một lí thuyết như vậy có thể sẽ xuất hiện. Cho dù kết cục ra sao, thì lí thuyết dây vẫn tỏ ra là một công cụ chứng minh “những cái vốn không thể hòa giải lại có thể hòa hợp với nhau như thế nào”. Và khi những ứng dụng mới tiếp tục được khảo sát, thì cái một cái trở nên rõ ràng là lí thuyết dây chưa hề lỗi thời.
Nguồn: Discover Magazine
