LÝ THUYẾT DÂY – STRING THEORY
Cho đến nay, ứng cử viên hàng đầu (và duy nhất) để giải quyết vấn đề này là một cái gì đó gọi là lý thuyết dây, thứ nói rằng tất cả vật chất và năng lượng trong vũ trụ đều được kiến tạo từ các sợi dây nhỏ - tiny string. Mỗi dao động của một dây tất định tương ứng với một hạt hạ nguyên tử khác nhau. Vì vậy, electron không thực sự là một hạt điểm. Nếu bạn có một chiếc kính hiển vi siêu cấp, bạn sẽ thấy rằng nó không phải là một hạt ở tất cả mà là một chuỗi rung. Điện tử/electron xuất hiện như là một hạt điểm chỉ bởi vì dây ấy quá nhỏ.
Nếu chuỗi rung ở một tần số khác, nó tương ứng với một hạt khác, chẳng hạn như một quark, mu meson, neutrino, photon, và vân vân. Đó là lý do tại sao các nhà vật lý đã phát hiện ra một số lượng khổng lồ các hạt hạ nguyên tử. Có nghĩa là hàng trăm, tất cả bởi vì chúng chỉ là những rung động khác nhau của một dây nhỏ. Theo cách này, lý thuyết dây có thể giải thích lý thuyết lượng tử của các hạt hạ nguyên tử. Theo lý thuyết dây, khi chuỗi di chuyển, nó buộc [không-thời gian] uốn cong chính xác như Einstein dự đoán, và do đó nó hợp nhất lý thuyết của Einstein và lý thuyết lượng tử theo một cách rất dễ chịu.
Điều này có nghĩa là các hạt hạ nguyên tử giống như nốt nhạc. Vũ trụ là một bản giao hưởng của các dây, vật lý mô tả những âm thanh của những ghi nốt này, và "Tâm trí của Đức Chúa Trời" mà Einstein đã đuổi theo sau nhiều thập kỷ là âm nhạc vũ trụ cộng hưởng hay vang vọng qua các chiều không gian cao (hyperspace).
Vậy lý thuyết dây làm thế nào để loại bỏ các hiệu chỉnh lượng tử, thứ đã trêu ghẹo vật lý trong nhiều thập kỷ? Lý thuyết dây có một cái gì đó gọi là "siêu đối xứng - suppersymmetry". Đối với mỗi hạt – particle, liền có một đối tác: một siêu hạt hay gọi là "sparticle". Ví dụ, đối tác của electron là "selectron". Đối tác của quark là "squark". Vì vậy, chúng ta có hai loại hiệu chỉnh lượng tử, loại đến từ các hạt thông thường và loại nữa đến từ các siêu hạt. Vẻ đẹp của lý thuyết dây là những hiệu chỉnh lượng tử đến từ hai bộ hạt này thì triệt tiêu lẫn nhau cách chính xác.
Vì thế, lý thuyết dây cung cấp cho chúng ta một cách đơn giản nhưng thanh lịch cách để loại bỏ những hiệu chỉnh lượng tử vô hạn này. Chúng biến mất bởi vì lý thuyết tiết lộ một đối xứng mới mang lại cho lý thuyết sức mạnh toán học và vẻ đẹp của nó.
Đối với nghệ sĩ, vẻ đẹp có thể là một tỉ lệ hay con số thanh tao mà họ khát khao bắt được trong tác phẩm của họ. Nhưng với một nhà vật lí lí thuyết, cái đẹp là đối xứng. Nó cũng là một điều cần thiết tuyệt đối khi thăm dò không gian và thời gian tối thượng. Ví dụ, nếu tôi có một bông tuyết và xoay nó bằng 60 độ, bông tuyết trông như vẫn giữ nguyên. Trong cùng một cách, một kính vạn hoa tạo ra các hình mẫu đẹp bởi vì nó sử dụng gương để lặp lại nhiều lần một hình ảnh để nó lấp đầy 360 độ. Chúng ta nói rằng bông tuyết và kính vạn hoa đều có tính đối xứng triệt để – radical symmetry; có nghĩa là, chúng vẫn giữ nguyên sau một vòng quay xuyên tâm nhất định.
Giả sử tôi có một phương trình chứa nhiều hạt hạ nguyên tử và sau đó tôi trộn hoặc sắp xếp chúng lại với nhau. Nếu phương trình vẫn giữ nguyên sau khi thay đổi chỗ của các hạt này, thì tôi sẽ nói rằng phương trình có đối xứng.
SỨC MẠNH CỦA ĐỐI XỨNG
Đối xứng không chỉ là vấn đề thẩm mỹ. Đó là một cách mạnh mẽ để loại bỏ sự không hoàn hảo và bất thường trong những phương trình của bạn. Nếu bạn xoay bông tuyết, bạn có thể nhanh chóng phát hiện bất kỳ lỗi nào bằng cách so sánh phiên bản được xoay với bản gốc. Nếu chúng không giống nhau, thì bạn có vấn đề cần chỉnh sửa.
Trong cùng một cách, khi xây dựng một phương trình lượng tử, chúng ta thường thấy rằng một lý thuyết bị nhiễm hỏng với các dị thường và phân tách nhỏ. Nhưng nếu phương trình có đối xứng, thì những khiếm khuyết này sẽ bị loại bỏ. Trong cùng một cách, siêu đối xứng chăm sóc các đại lượng không có giới hạn (hay vô cực) và không hoàn hảo thường được tìm thấy trong một lý thuyết lượng tử.
Như một món hời được khuyến mãi, nó chỉ ra rằng siêu đối xứng là đối xứng lớn nhất từng được tìm thấy trong vật lý. Siêu đối xứng có thể lấy tất cả các hạt hạ nguyên tử đã biết và trộn chúng lại với nhau hoặc sắp xếp lại chúng trong khi vẫn giữ nguyên phương trình ban đầu. Trong thực tế, siêu đối xứng mạnh mẽ đến mức có thể lấy lý thuyết của Einstein, bao gồm cả graviton và các hạt hạ nguyên tử của Mô hình Chuẩn, và xoay chúng hoặc trao đổi chúng. Điều này cho chúng ta một cách dễ chịu và tự nhiên để thống nhất lý thuyết của Einstein về hấp dẫn và các hạt hạ nguyên tử.
Lý thuyết dây giống như bông tuyết vũ trụ khổng lồ, ngoại trừ mỗi nhánh của bông tuyết đại diện cho toàn bộ các phương trình của Einstein và Mô hình Chuẩn của các hạt hạ nguyên tử. Vì vậy, mỗi ngạnh của bông tuyết đại diện cho tất cả các hạt của vũ trụ. Khi chúng ta xoay bông tuyết, tất cả các hạt của vũ trụ được chuyển đổi. Một số nhà vật lý vẫn đang lưu ý rằng: ngay cả khi Einstein chưa bao giờ được sinh ra, và hàng tỷ đô la chưa bao giờ chi cho các vụ bắn phá nguyên tử để tạo ra Mô hình Chuẩn, thì tất cả vật lý thế kỷ 20 có thể đã được phát hiện nếu bạn chỉ đơn thuần là đã sở hữu lý thuyết dây từ trước. (chủ yếu để chỉ ra sức mạnh của Lý Thuyết Dây).
Quan trọng nhất, siêu đối xứng khử bỏ hiệu chỉnh lượng tử của các hạt với siêu hạt, để lại cho chúng ta một lý thuyết hữu hạn về lực hấp dẫn. Đó là phép màu của lý thuyết dây. Điều này cũng giải thích câu trả lời cho câu hỏi thường được nghe nhất về lý thuyết dây: Tại sao nó tồn tại trong mười chiều? Tại sao không mười ba, hay hai mươi?
Điều này là do số lượng các hạt trong lý thuyết dây có thể biến đổi theo chiều của không thời gian. Ở chiều không gian cao hơn, chúng ta có nhiều hạt hơn, vì có nhiều cách để các hạt có thể rung. Khi chúng ta cố gắng khử bỏ [hiệu chỉnh lượng tử từ các hạt] nghịch lại với [sự hiệu chỉnh từ các siêu hạt], chúng ta thấy rằng việc khử bỏ này có thể xảy ra chỉ trong mười chiều.
Thông thường, các nhà toán học tạo ra các cấu trúc mới, giàu trí tưởng tượng, thứ mà các nhà vật lý sau đó kết hợp vào các lý thuyết của họ. Ví dụ, lý thuyết về các bề mặt cong được các nhà toán học tìm ra trong thế kỷ 19 và sau đó được đưa vào lý thuyết hấp dẫn của Einstein vào năm 1915. Nhưng lần này, điều ngược lại đã xảy ra. Lý thuyết dây đã mở ra rất nhiều ngành toán học mới mà các nhà toán học đã giật mình. Các nhà toán học trẻ, đầy khát khao, những người thường khinh thường các ứng dụng về nhánh tri thức của họ, đã phải học lý thuyết dây nếu họ muốn ở trên đỉnh cao của ngành.
Mặc dù lý thuyết của Einstein cho phép khả năng của lỗ sâu và du hành nhanh hơn ánh sáng, bạn cần lý thuyết dây để phân biệt mức độ ổn định của những lỗ sâu này khi xuất hiện của các điều chỉnh lượng tử.
Tóm lại, những hiệu chỉnh lượng tử này là vô hạn, vì vậy việc loại bỏ những vô hạn này là một trong những vấn đề cơ bản trong vật lý. Lý thuyết dây loại bỏ những hiệu chỉnh lượng tử này, bởi vì nó có hai loại hiệu chỉnh lượng tử triệt tiêu chính xác nhau. Sự triệt tiêu (khử bỏ) chính xác giữa các hạt và các siêu hạt này là chính xác với siêu đối xứng.
Tuy nhiên, như vẻ thanh lịch và mạnh mẽ mà lý thuyết dây có được, nó vẫn là không đủ; nó cuối cùng phải đối mặt với thử thách cuối cùng, đó là thực nghiệm.
NHỮNG ĐÁNH GIÁ HAY PHÊ BÌNH ĐỐI VỚI LÝ THUYẾT DÂY
Mặc dù hình ảnh này hấp dẫn và thuyết phục, nhưng có những lời phê bình có giá trị, mà người ta có thể làm hay đặt ra cho lý thuyết. Thứ nhất, vì năng lượng mà tại đó lý thuyết dây (hoặc bất kỳ lý thuyết nào về điều đó) thống nhất tất cả về vật lý, là năng lượng Plank, không có máy móc nào trên Trái đất đủ mạnh để kiểm tra nó một cách nghiêm ngặt. Một thử nghiệm trực tiếp sẽ liên quan đến việc tạo ra một vũ trụ bé con trong phòng thí nghiệm, điều này rõ ràng nằm ngoài câu hỏi của công nghệ hiện tại.
Thứ hai, giống như bất kỳ lý thuyết vật lý nào, nó có nhiều hơn một giải pháp. Ví dụ, phương trình Maxwell, thứ quản lý được ánh sáng, có một số lượng các giải pháp vô hạn. Đây không phải là một vấn đề bởi vì, ngay từ đầu của bất kỳ thử nghiệm nào, chúng ta xác định những gì chúng ta đang nghiên cứu, cho dù đó là bóng đèn, laser hay TV. Sau đó, với những điều kiện ban đầu này, chúng ta giải các phương trình của Maxwell. Nhưng nếu bây giờ chúng ta có một lý thuyết về vũ trụ, thì điều kiện ban đầu của nó là gì? Các nhà vật lý tin rằng một "lý thuyết về mọi thứ" nên quyết định trạng thái ban đầu của chính nó, nghĩa là, họ mong muốn hay khuyến khích rằng các điều kiện ban đầu của BigBang bằng cách nào đó nổi lên từ chính lý thuyết ấy. Có điều là, lý thuyết dây không cho bạn biết số nào trong những giải pháp của nó là giải pháp đúng cho vũ trụ của chúng ta. Và vì thế, với việc không có điều kiện khởi đầu, lý thuyết dây chứa một số lượng vô hạn các vũ trụ song song, được gọi là đa vũ trụ, mỗi vũ trụ có giá trị như cái sau. Vì vậy, chúng ta có một sự bối rối của sự phong phú này, với lý thuyết dây dự đoán không chỉ vũ trụ quen thuộc của chúng ta mà có lẽ một số lượng vô hạn các vũ trụ ngoại lai đầy hợp lệ khác.
Thứ ba, có lẽ dự đoán ngạc nhiên nhất của lý thuyết dây là bản thân vũ trụ (ta đang thấy đang tương tác đây) chắc hẳn không phải là bốn chiều, nhưng tồn tại trong mười chiều. Trong tất cả các vật lý, không nơi nào đã từng nhìn thấy một dự đoán kỳ lạ này, một lý thuyết về không-thời gian là thứ chọn ra chiều không gian của riêng của nó. Điều này thật lạ lùng đến nỗi nhiều nhà vật lí lúc đầu đã bác bỏ nó như là khoa học viễn tưởng. (Khi lý thuyết dây được đề xuất đầu tiên, việc nói thằng nó có thể chỉ tồn tại trong mười chiều đã làm nguồn cho những câu chuyện chế nhạo. Người đoạt giải Nobel Richard Feynman, chẳng hạn, đã trêu chọc John Schwarz, một trong những người sáng lập lý thuyết dây, bằng cách hỏi trêu ông là, ” Vậy John, hôm nay chúng ta sống trong không gian bao nhiêu chiều? ")
SỐNG TRONG KHÔNG GIAN NHIỀU CHIỀU
Chúng ta biết rằng bất kỳ đối tượng nào trong vũ trụ của chúng ta đều có thể được mô tả bằng ba con số: chiều dài, chiều rộng và chiều cao. Nếu chúng ta thêm thời gian, thì bốn con số có thể mô tả bất kỳ sự kiện nào trong vũ trụ. Ví dụ, nếu tôi muốn gặp một ai đó ở thành phố New York, tôi có thể nói rằng chúng ta nên gặp nhau tại Đường 42, Đại lộ số 5, trên tầng 10, lúc 12h trưa. Nhưng với một nhà toán học, nhu cầu chỉ có ba hoặc bốn tọa độ có thể có vẻ tùy ý, vì không có gì đặc biệt về ba hoặc bốn chiều. Tại sao tính năng nền móng nhất của vũ trụ vật lý lại được mô tả bằng những con số bình thường như vậy?
Với các nhà toán học, họ không có vấn đề với lý thuyết dây. Nhưng để hình dung những chiều không gian cao này, các nhà vật lý thường sử dụng hình ảnh so sánh tương tự. Khi còn là một đứa trẻ, tôi thường dành nhiều thời gian để ngắm nhìn Vườn trà Nhật Bản ở San Francisco. Xem cá bơi trong ao cạn, tôi tự hỏi mình một câu hỏi rằng chỉ có một đứa trẻ hỏi: "Nó sẽ như thế nào để trở thành một con cá?" Thật là một thế giới kỳ lạ mà chúng sẽ thấy, tôi đã nghĩ thế. Chúng sẽ nghĩ vũ trụ chỉ là hai chiều. Chúng chỉ có thể bơi trong không gian hạn chế này bằng cách di chuyển sang một bên, nhưng không bao giờ lên hoặc xuống. Bất kỳ con cá nào dám đề cập đến một chiều thứ ba bên ngoài chiếc ao sẽ được coi là một đứa dở hơi biết bơi. Sau đó tôi tưởng tượng rằng có một con cá đang sống trong ao, kẻ sẽ chế giễu bất cứ lúc nào có con cá nào đó đề cập đến không gian cao hơn, vì vũ trụ chỉ là thứ bạn có thể chạm vào và cảm nhận, không gì hơn. Sau đó, tôi tưởng tượng chụp lấy cá đó và nâng anh ta vào thế giới của "phía trên". Anh ta sẽ thấy gì? Anh sẽ thấy chúng sanh di chuyển mà không có vây. Một định luật vật lý mới. Các sinh vật thở mà không cần có nước. Một định luật sinh học mới. Sau đó, tôi tưởng tượng đưa các nhà khoa học cá kia trở lại vào ao và anh sẽ không có giải thích nào cho những con cá khác về những sinh vật lạ thường sống trong thế giới "phía trên".
Tương tự, có lẽ chúng ta là cá. Nếu lý thuyết dây được chứng minh là chính xác, điều đó có nghĩa là có những chiều không nhìn thấy ngoài thế giới bốn chiều quen thuộc của chúng ta. Nhưng những chiều cao này ở đâu? Một khả năng là sáu trong mười chiều ban đầu đã "cuộn tròn lên" để chúng không thể được nhìn thấy nữa. Hãy nghĩ đến việc lấy một tờ giấy và cuốn nó thành một cái ống thật chặt. Bản gốc là hai chiều, nhưng quá trình cuốn lên đã tạo ra một ống một chiều. Từ xa, bạn chỉ thấy ống một chiều, nhưng thực tế nó vẫn là hai chiều.
Trong cùng một cách, lý thuyết dây nói rằng vũ trụ ban đầu là mười chiều, nhưng vì lý do nào đó sáu trong số các chiều này cuộn tròn lại rồi, để lại chúng ta với ảo tưởng rằng thế giới của chúng ta chỉ có bốn chiều. Mặc dù tính năng này của lý thuyết dây có vẻ kì quái, những nỗ lực đang được tiến hành để thực sự đo lường những chiều không gian cao hơn này.
Nhưng làm thế nào để các chiều không gian cao hơn giúp lý thuyết dây hợp nhất thuyết tương đối và cơ học lượng tử? Nếu bạn cố gắng thống nhất các lực hấp dẫn, hạt nhân và điện từ thành một lý thuyết duy nhất, bạn thấy rằng không có đủ "chỗ" trong không gian bốn chiều để làm điều này. Chúng giống như những mảnh ghép hình tròn lưỡi cưa không vừa với nhau. Nhưng một khi bạn bắt đầu để thêm nhiều hơn và nhiều hơn nữa các chiều không gian, bạn tìm đủ chỗ để lắp ráp các lý thuyết thấp hơn, giống như các mảnh hình tròn lưỡi cưa kia được ghép vừa với nhau cho thành một bộ hoàn chỉnh.
Ví dụ, hãy nghĩ về một thế giới hai chiều của người Flatlanders, những người, giống như những người đàn ông đặc biệt, chỉ có thể di chuyển sang trái hoặc phải, nhưng không bao giờ "đi lên". Hãy tưởng tượng rằng đã từng có một viên pha lê ba chiều đẹp đẽ nổ tung, tắm những mảnh vỡ lên Flatland. Năm tháng qua đi, những người Flatlanders đã lắp ráp lại tinh thể này thành hai mảnh lớn. Nhưng họ có cố gắng bao nhiêu đi nữa, họ không thể lắp vừa vặn hai mảnh cuối cùng này lại với nhau. Sau đó một ngày, một người Flatlander đưa ra đề xuất thái quá rằng nếu họ di chuyển một mảnh "đi lên", để thành viên tinh thể ba chiều tuyệt đẹp chưa bao giờ được nhìn thấy trước đó. Thế nên, chìa khóa để tái tạo tinh thể là di chuyển các mảnh vỡ qua chiều không gian thứ ba. Tương tự, hai mảnh này là thuyết tương đối rộng và lý thuyết lượng tử, tinh thể là lý thuyết dây, và vụ nổ là BigBang.
Thậm chí là lý thuyết dây phù hợp với dữ liệu cách gọn gàng, chúng ta vẫn cần phải kiểm tra nó. Mặc dù như đã thảo luận một bài kiểm tra trực tiếp là không thể, hầu hết vật lý được thực hiện hay hoàn thành cách gián tiếp. Ví dụ, chúng ta biết rằng mặt trời chủ yếu được tạo ra từ hydro và heli, nhưng chưa có ai đến thăm mặt trời. Chúng ta biết thành phần của mặt trời bởi vì chúng ta phân tích nó một cách gián tiếp, nhìn vào ánh sáng mặt trời thông qua lăng kính, thứ phân vỡ nó thành các dải màu. Bằng cách nghiên cứu những dải này trong cầu vồng, chúng ta có thể xác định dấu vân tay của hydrogen và helium. (Trên thực tế, helium không được tìm thấy trên Trái Đất trước. Năm 1868, các nhà khoa học đã khám phá ra bằng chứng về một nguyên tố mới lạ khi phân tích ánh sáng mặt trời trong hiện tượng nhật thực, nó được đặt tên là "helium", có nghĩa là "kim loại từ mặt trời". Mãi cho đến năm 1895, bằng chứng trực tiếp về heli đã được phát hiện trên trái đất, khi các nhà khoa học nhận ra đó là một loại khí chứ không phải là kim loại.)
TƯƠNG LAI NHÂN LOẠI - MICHIO KAKU
Bản dịch của ĐỖ BÁ HUY
Phần tiếp theo >>
