Chương 15 - Triển vọng (1)

Nguyên lý cơ bản của lý thuyết dây là gì?

Một trong những bài học chủ yếu mà chúng ta rút ra được trong suốt một thế kỷ qua là những định luật đã biết của vật lý đều gắn liền với những nguyên lý đối xứng. Thuyết tương đối hẹp dựa trên đối xứng được thể hiện trong nguyên lý tương đối, đó là sự đối xứng giữa những người quan sát chuyển động thẳng đều đối với nhau. Lực hấp dẫn, như được thể hiện trong thuyết tương đối rộng, lại dựa trên nguyên lý tương đương - đây là sự mở rộng của nguyên lý tương đối để bao hàm được tất cả những người quan sát, bất kể trạng thái chuyển động của họ phức tạp tới mức nào. Và sau nữa, các lực mạnh, yếu và điện từ lại dựa trên các nguyên lý đối xứng chuẩn trừu tượng hơn.

Như đã thảo luận trước đây, các nhà vật lý có xu hướng nâng cao nguyên lý đối xứng lên vị trí nổi bật bằng cách đặt chúng ngay trên bệ đỡ của mọi sự giải thích. Theo quan điểm đó, lực hấp dẫn tồn tại là để cho mọi người quan sát đều bình đẳng với nhau, tức là để cho nguyên lý tương đương là đúng. Tương tự như vậy, các lực phi hấp dẫn tồn tại là để cho tự nhiên tôn trọng các đối xứng chuẩn gắn với các lực đó. Tất nhiên, cách tiếp cận này đã chuyển câu hỏi tại sao một số lực tồn tại sang câu hỏi tại sao tự nhiên lại phải tôn trọng những nguyên lý đối xứng gắn liền với các lực đó. Nhưng điều này chắc hẳn đã cho ta một cảm tưởng là đã có tiến bộ, đặc biệt là khi đối xứng đang xét là một đối xứng hoàn toàn tự nhiên đối với chúng ta. Ví dụ, tại sao hệ quy chiếu của người quan sát này lại được đối xử khác với hệ quy chiếu của người quan sát khác? Sẽ là tự nhiên hơn nhiều đối với các định luật của vũ trụ, nếu như mọi người quan sát đều bình đẳng với nhau. Điều này được thực hiện thông qua nguyên lý tương đương và đưa lực hấp dẫn vào cấu trúc của vũ trụ. Mặc dù phải có một kiến thức toán học nhất định với đánh giá được một cách đầy đủ, nhưng như chúng ta đã chỉ trong chương 5, có một lôgic tương tự đối với những đối xứng chuẩn - nền tảng của ba lực phi hấp dẫn.

Lý thuyết dây đã đưa chúng ta xuống sâu một nấc nữa trên những bậc thang của sự giải thích, bởi vì tất cả những nguyên lý đối xứng được trình bày ở trên cũng như một nguyên lý đối xứng khác là siêu đối xứng đều xuất hiện từ cấu trúc của nó. Thực tế, nếu như lịch sử đi theo một con đường khác và các nhà vật lý đã đi tới lý thuyết dây khoảng vài trăm năm trước, thì chúng ta có thể hình dung được rằng, tất cả những nguyên lý đối xứng nói trên đã được phát hiện ra bằng cách nghiên cứu những tính chất của lý thuyết dây. Nhưng bạn phải ghi nhớ kỹ điều này: trong khi nguyên lý tương đương cho chúng ta một hiểu biết nhất định về lý do tồn tại của lực hấp dẫn và các nguyên lý đối xứng chuẩn cho biết lý do tồn tại của ba lực phi hấp dẫn, thì trong bối cảnh của lý thuyết dây các đối xứng đó chỉ là những hệ quả. Mặc dù tầm quan trọng của các đối xứng này không vì thế mà giảm đi, nhưng chúng là một bộ phận của sản phẩm cuối cùng có cấu trúc lý thuyết rộng lớn hơn nhiều.

Điều này dẫn tới một câu hỏi nổi cộm sau: vậy chính bản thân lý thuyết dây có là một hệ quả không tránh khỏi của một nguyên lý nào đó rộng lớn hơn - có thể nhưng không nhất thiết phải là một nguyên lý đối xứng nào đó - giống như nguyên lý tương đối không tránh khỏi dẫn tới thuyết tương đối rộng và những nguyên lý đối xứng chuẩn không tránh khỏi dẫn tới các lực phi hấp dẫn hay không? Khi tôi đang ngồi viết các dòng này thì chưa có ai có một ý tưởng gì về việc trả lời câu hỏi ấy. Để đánh giá hết tầm quan trọng của nó, chúng ta chỉ cần hình dung Einstein định xây dựng thuyết tương đối rộng mà không có được cái tư tưởng hay ho mà ông đã ngộ ra tại văn phòng đăng ký sáng chế ở Bern vào năm 1907, cái ý tưởng đã dẫn dắt ông tới nguyên lý tương đương. Có lẽ không phải là ông không thể làm được điều đó, nhưng chắc chắn sẽ là khó khăn hơn rất nhiều. Nguyên lý tương đương đưa lại một khuôn khổ tổ chức súc tích, hệ thống và có sức mạnh để phân tích lực hấp dẫn. Sự trình bày thuyết tương đối rộng, chẳng hạn như chúng ta đã làm trong chương 3, đều chủ yếu dựa trên nguyên lý tương đương và vai trò của nó trong hình thức luận toán học đầy đủ của lý thuyết đó thậm chí còn quan trọng hơn nữa.

Hôm nay, các nhà lý thuyết dây cũng đang ở trong tình trạng giống như một Einstein bị tước mất nguyên lý tương đương. Từ khi có đề xuất của Veneziano vào năm 1968, lý thuyết dây đã được ghép nối dần dần từng mẩu một, từng phát minh một và từng cuộc cách mạng một. Nhưng một nguyên lý trung tâm thâu tóm được những phát minh đó và tất cả những đặc tính khác của lý thuyết trong một khuôn khổ tối thượng và có hệ thống, làm cho sự tồn tại của từng thành phần riêng lẻ trở nên tuyệt đối không thể tránh được, thì vẫn còn đang thiếu. Sự phát minh ra nguyên lý này chắc chắn sẽ là thời điểm bước ngoặt đối với sự phát triển của lý thuyết dây, bởi vì nó sẽ làm sáng tỏ những cơ cấu bên trong của lý thuyết dưới một ánh sáng mới. Tất nhiên, không có gì đảm bảo rằng nhất thiết phải tồn tại một nguyên lý như vậy, nhưng sự tiến hóa của vật lý học trong suốt một trăm năm qua đã khích lệ các nhà lý thuyết kỳ vọng lớn rằng có một nguyên lý như vậy. Khi chúng ta xem xét giai đoạn phát triển tiếp theo của lý thuyết dây, thì việc tìm ra "nguyên lý không tránh khỏi" của nó - tức ý tưởng nền tảng mà từ đó toàn bộ lý thuyết dây được xây dựng nên - sẽ có sự ưu tiên cao nhất [2] .

[2] Một số nhà vật lý thấy sự gợi ý cho ý tưởng này trong nguyên lý toàn ảnh (holographic principle), một khái niệm được khởi đầu bởi Susskind và nhà vật lý Hà Lan nổi tiếng Gerald't Hooft. Cũng như một bức toàn ảnh có thể tái tạo hình ảnh ba chiều từ một phim hai chiều được thiết kế một cách đặc biệt, Susskind và 't Hoòt đã nêu ra ý kiến cho rằng tất cả những sự kiện vật lý mà chúng ta thường gặp có thể thực sự được mã hóa đầy đủ nhờ các phương trình được xác định trong thế giới có số chiều thấp hơn. Điều này nghe có vẻ lạ tai giống như chuyện vẽ bức chân dung bằng cách chỉ nhìn cái bóng của nó, nhưng chúng ta có thể nắm được ý nghĩa và hiểu được phần nào ý tưởng của Susskind và 't Hooft bằng cách nghĩ về entrôpy của lỗ đen như được thảo luận ở chương 13. Nên nhớ rằng entrôpy của lỗ đen được xác định bởi diện tích bề mặt chân trời sự kiện của nó, chứ không phải bởi thể tích không gian giới hạn trong bề mặt đó. Do đó, mức độ hỗn loạn của một lỗ đen và cả thông tin mà nó có thể chưa đựng đều được mã hóa trong những dữ liệu hai chiều của diện tích bề mặt. Điều đó gần tựa như chân trời sự kiện của lỗ đen đóng vai trò như một bức toàn ảnh, thâu tóm toàn bộ thông tin chứa ở vùng không gian ba chiều bên trong lỗ đen. Susskind và 't Hooft đã tổng quát hóa ý tưởng đó cho toàn bộ vũ trụ bằng cách cho rằng mọi thứ xảy ra bên trong vũ trụ đó đơn thuần chỉ là sự phản ánh dữ liệu và các phương trình được xác định trên bề mặt biên giới ở rất xa. Mới đây công trình của nhà vật lý Juan Maldacena thuộc Đại học Narvard cùng với những công trình sau đó của Witten và của nhà vật lý Steven Gubser, Igor Klebanov và Alexande Polyakov thuộc Đại học Princeton đã chứng tỏ được rằng, ít nhất cũng là trong một số trường hợp, lý thuyết dây đã chứa đựng nguyên lý toàn ảnh. Theo những nghiên cứu hiện nay thì vật lý của một vũ trụ được chi phối bởi lý thuyết dây có một mô tả tương đương liên quan chỉ với vật lý xảy ra trên mặt biên giới như vậy- một mặt nhất thiết phải có số chiều thấp hơn vùng bên trong của nó. Một số nhà lý thuyết dây còn cho rằng sự hiểu biết đầy đủ về nguyên lý toàn ảnh cũng như vai trò của nó trong lý thuyết dây có thể sẽ dẫn tới cuộc cách mạng siêu dây lần thứ ba.