Chương 13 - Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M (2)

Từ thời gian Planck tới một phần trăm giây sau Big Bang

Trong chương 7 (đặc biệt là hình 7.1) chúng ta đã biết rằng, ba lực phi hấp dẫn sẽ hội nhập với nhau trong môi trường cực nóng của vũ trụ lúc mới hình thành. Những tính toán của các nhà vật lý về sự phụ thuộc năng lượng và nhiệt độ của cường độ các lực ấy cho thấy rằng, trước 10-35 giây sau Big Bang, các lực mạnh, yếu và điện từ đều là một lực "thống nhất lớn" hay "siêu lực". Trong trạng thái đó, vũ trụ là đối xứng hơn rất nhiều so với ngày hôm nay. Giống như tính đồng tính xuất hiện khi một tập hợp các kim loại rời rạc được nấu chảy thành một chất lỏng đồng đều, năng lượng và nhiệt độ cực cao ở thời kỳ sớm nhất của vũ trụ đã xóa đi mọi khác biệt giữa các lực mà hiện nay chúng ta quan sát được. Nhưng với thời gian, vũ trụ giãn nở và lạnh đi thì theo lý thuyết trường lượng tử, đối xứng nói trên sẽ bị thu hẹp lại một cách nghiêm trọng theo một dãy các bước khá đột ngột và cuối cùng dẫn tới sự bất đối xứng mà chúng ta thấy hiện nay.

Nội dung vật lý nằm phía sau sự thu hẹp đối xứng lại đó, hay nói một cách chính xác hơn là sự phá vỡ đối xứng, cũng không khó hiểu lắm. Hãy hình dung một bể lớn chứa đầy nước. Các phân tử H20 được phân bố đồng đều trong toàn bể chứa và bất kể bạn đặt mắt ở đâu cũng nhìn thấy nước hệt như nhau. Bây giờ ta hãy xem điều gì sẽ xảy ra khi ta hạ thấp nhiệt độ của bể nước xuống. Ban đầu thì chẳng có gì nhiều xảy ra. Xét ở thang vi mô, thì vận tốc trung bình của các phân tử nước giảm, nhưng cũng chỉ có vậy thôi. Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm xuống tới 0o C thì bạn đột nhiên thấy rằng có một điều gì đó đặc biệt đã xảy ra. Nước lỏng bắt đầu đóng băng và biến thành nước đá. Như đã thảo luận trong chương trước, điều này là một ví dụ đơn giản về sự chuyển pha. Đối với mục đích của chúng ta bây giờ thì điều quan trọng đáng lưu ý là quá trình chuyển pha đã dẫn tới sự giảm mức độ đối xứng được thể hiện bởi các phân tử H2 0. Trong khi nước lỏng được nhìn hoàn toàn như nhau bất kể góc nhìn của bạn, tức là nó có đối xứng quay, thì nước đá lại khác. Do nước đá có cấu trúc tinh thể, nên nếu bạn xem xét nó một cách đủ chính xác, thì giống như các tinh thể khác, nó sẽ thể hiện khác nhau dưới những góc nhìn khác nhau. Như vậy sự chuyển pha đã làm mất đi tính chất đối xứng quay mà trước đó nó đã có.

Mặc dù chúng ta mới chỉ xét những ví dụ quen thuộc, nhưng đó là một tính chất khá tổng quát: khi chúng ta hạ thấp nhiệt độ của nhiều hệ vật lý, thì tới một điểm nào đó sẽ diễn ra sự chuyển pha và kết quả là sẽ có "sự phá vỡ" một số đối xứng mà trước đó hệ đã có. Thực tế, một hệ có thể trải qua một dãy các chuyển pha, nếu như nhiệt độ của nó có thể thay đổi trong một khoảng đủ rộng. Và một lần nữa, nước lại cho chúng ta một ví dụ đơn giản. Nếu chúng ta bắt đầu với H2 0 ở trên 100o C, thì nó ở thể khí, tức hơi nước. Ở thể đó nước thậm chí còn đối xứng hơn so với nó ở thể lỏng, vì bây giờ các phân tử H2 0 riêng lẻ không còn liên kết với nhau như trong thể lỏng nữa. Trái lại, bây giờ chúng tự do lang thang trong bình chứa, hoàn toàn bình đẳng với nhau, không tụ tập hoặc "bè phái" để tạo nên những nhóm phân tử tách biệt nhau. Khi chúng ta hạ thấp nhiệt độ xuống dưới 1000 C, tất nhiên, các giọt nước sẽ tạo thành thông qua quá trình chuyển pha khí - lỏng và đối xứng đã được thu hẹp lại. Tiếp tục hạ thấp nhiệt độ xuống nữa, không có gì đặc biệt xảy ra cho tới khi chúng ta vượt qua nhiệt độ 0o C, khi mà, như đã thấy ở trên, sự chuyển pha lỏng - rắn lại đột ngột làm giảm đối xứng một lần nữa.

Các nhà vật lý tin chắc rằng, giữa thời gian Planck và thời điểm một phần trăm giây sau Big Bang, vũ trụ cũng xử sự theo cách rất tương tự, tức là ít nhất nó cũng đi qua hai sự chuyển pha. Ở những nhiệt độ trên 1028 K, ba lực phi hấp dẫn thể hiện như một lực duy nhất và có tính đối xứng cao nhất có thể có. (ở cuối chương này, chúng ta sẽ thảo luận về việc bao hàm cả lực hấp dẫn vào trong sự thống nhất ở nhiệt độ đó bởi lý thuyết dây). Nhưng khi nhiệt độ giảm xuống dưới 1028 K, vũ trụ sẽ trải qua một sự chuyển pha, trong đó ba lực được kết tinh riêng theo những cách khác nhau. Cường độ tương đối cũng như cách thức mà chúng tác dụng lên vật chất bắt đầu thể hiện khác nhau. Và như vậy, đối xứng giữa các lực thể hiện rõ ràng ở những nhiệt độ cao đã bị phá vỡ khi vũ trụ lạnh đi. Tuy nhiên, các công trình của Glashow, Salam và Weiberg (xem chương 5) đã chứng tỏ rằng không phải toàn bộ đối xứng ở nhiệt độ cao đều bị xóa sạch: các lực yếu và điện từ vẫn còn liên hệ chặt chẽ với nhau. Khi vũ trụ tiếp tục giãn nở và lạnh đi, không có gì nhiều xảy ra cho tới khi nhiệt độ giảm xuống tới 1015 K, tức là gấp 100 triệu lần nhiệt độ ở lõi của Mặt trời. Khi đó, vũ trụ sẽ trải qua một sự chuyển pha thứ hai, lần này liên quan tới lực yếu và lực điện từ. Ở nhiệt độ ấy, hai lực này cũng được tách rời ra khỏi sự thống nhất trước đó, đối xứng hơn và khi vũ trụ tiếp tục lạnh đi, sự khác biệt giữa lực yếu và lực điện từ càng trở nên rõ nét. Hai quá trình chuyển pha này là nguồn gốc xuất hiện ba lực phi hấp dẫn khác biệt nhau, tuy nhiên lược sử của vũ trụ mà ta vừa trình bày ở trên cho thấy rằng, thực tế, ba lực đó có mối liên hệ rất sâu xa với nhau.