Chương 6

Lý thuyết dây làm thay đổi bức tranh đó một cách triệt để bằng cách tuyên bố rằng "vật liệu" của mọi hạt vật chất và của tất cả các lực đều như nhau. Mỗi một hạt sơ cấp được tạo bởi một dây, tức là mỗi hạt là một dây và tất cả các dây đều hoàn toàn như nhau...

Ngoài sự không có khả năng bao hàm được lực hấp dẫn, mô hình chuẩn còn có một điểm yếu nữa, đó là nó không giải thích được những chi tiết trong cấu trúc của nó. Chẳng hạn như, tại sao tự nhiên lại chọn chính các hạt và các lực mà chúng ta đã giới thiệu ở các chương trước và được liệt kê trong các bảng 1.1 và 1.2? Tại sao 19 tham số mô tả định lượng các hạt và các lực đó lại có đúng những giá trị như chúng đang có? Bạn không thể không cảm thấy rằng số lượng và các tính chất của chúng có vẻ hơi tùy tiện. Liệu có một ý nghĩa sâu xa hơn lẩn khuất phía sau những cấu thành cơ bản đó hay là những tính chất vật lý chi tiết của vũ trụ đã được lựa chọn một cách tình cờ?


Bản thân mô hình chuẩn không thể đưa ra một cách giải thích nào bởi vì bản thân nó đã lấy danh sách các hạt và những tính chất của chúng được đo bằng thực nghiệm làm những dữ liệu đầu vào. Giống như không thể sử dụng tình trạng trên thị trường chứng khoán để xác định giá trị chứng khoán đầu tư của bạn nếu như không có những dữ liệu đầu vào về đầu tư ban đầu của bạn, mô hình chuẩn cũng không thể được dùng để đưa ra bất cứ tiên đoán nào nếu như không có những dữ liệu đầu vào là những tính chất cơ bản của các hạt [1] . Sau khi các nhà vật lý thực nghiệm đã đo những dữ liệu đó một cách hết sức thận trọng, các nhà lý thuyết mới dùng mô hình chuẩn để đưa ra những tiên đoán có thể kiểm chứng được, chẳng hạn, điều gì sẽ xảy ra khi các hạt cụ thể nào đó va đập vào nhau trong máy gia tốc. Những mô hình chuẩn không có khả năng giải thích được những tính chất cơ bản của các hạt được liệt kê trong các bảng 1.1 và 1.2, giống như chỉ số Dow Jones ngày hôm nay không thể biết gì về đầu tư chứng khoán của bạn 10 năm trước.


Thực tế, nếu thực nghiệm phát hiện được một thế giới vi mô chứa một danh sách các hạt hơi khác với những tương tác hơi khác, thì mô hình chuẩn cũng dễ dàng thích nghi với những thay đổi đó miễn là phải cung cấp cho nó những tham số đầu vào khác. Theo nghĩa đó, cấu trúc của mô hình chuẩn quá ư mềm dẻo khiến cho nó không thể giải thích được tính chất của các hạt sơ cấp vì nó có thể thích nghi với một phạm vi rộng lớn các khả năng.


Nhưng lý thuyết dây thì khác hẳn. Nó là một cấu trúc duy nhất và không mềm dẻo. Nó không đòi hỏi dữ liệu đầu vào, trừ một con số duy nhất sẽ được mô tả dưới đây. Đó là con số thiết đặt thang qui chiếu cho các phép đo. Toàn bộ các tính chất của thế giới vi mô đều nằm trong tầm giải thích của nó. Để hiểu điều này, trước hết ta hãy xét các dây quen thuộc hơn, đó là các dây đàn violông. Mỗi dây đàn có thể chứa một số lớn (thực tế là vô hạn) các mode dao động khác nhau được gọi là các cộng hưởng, như những dao động được minh họa trên hình 6.1.




















Hình 6.1. Các dây đàn violông có thể dao động theo các mode cộng hưởng trong đó một số nguyên các đỉnh và hõm sóng được đặt vừa khít giữa hai đầu dây.


Đó là những dạng sóng trong đó các đỉnh và các hõm sóng cách nhau đều đặn và được sắp xếp vừa khít giữa hai đầu cố định của dây đàn. Tai chúng ta cảm nhận được những mode dao động cộng hưởng khác nhau này là những nốt nhạc khác nhau. Các dây trong lý thuyết dây cũng có những tính chất tương tự. Chúng cũng có những mode dao động cộng hưởng trong đó các đỉnh và hõm cách nhau đều đặn và sắp xếp vừa khít dọc theo chiều dài của chúng. Một số ví dụ được minh họa trên hình 6.2.





Nhưng đây mới là điều quan trọng nhất: giống như

















Hình 6.2. Các vòng dây trong lý thuyết dây cũng có thể dao động theo các mode cộng hưởng, tương tự như các dây đàn violông, trong đó một số nguyên các đỉnh và hõm sóng được đặt vừa khít dọc theo chiều dài của chúng. các dây đàn violông sinh ra các nốt nhạc khác nhau, những mode dao động khác nhau của một dây cơ bản cũng sinh ra các khối lượng khác nhau và các tích của lực. Vì đây là điểm then chốt, nên ta nói lại một lần nữa. Theo lý thuyết dây, những tính chất của một "hạt" sơ cấp, tức khối lượng và các tích lực khác nhau của nó, được xác định bởi mode dao động cộng hưởng chính xác mà dây nội tại của nó thực hiện.







Đối với khối lượng của hạt, mối liên hệ đó khá dễ hiểu. Ta biết rằng, năng lượng của một mode dao động cụ thể nào đó phụ thuộc vào biên độ (tức là độ cao hay độ sâu cực đại của dao động) và bước sóng (tức khoảng cách giữa hai đỉnh sóng kế tiếp) của nó. Biên độ càng lớn và bước sóng càng ngắn, thì năng lượng càng lớn. Điều này phản ánh một thực tế mà ta có thể cảm nhận được bằng trực giác: mode dao động càng mãnh liệt thì càng có năng lượng lớn, còn các mode dao động càng thư thả càng có năng lượng nhỏ.

















Hình 6.3. Mode dao động mãnh liệt sẽ có năng lượng lớn hơn mode dao động lờ đờ. Hình 6.3 là hai ví dụ minh họa. Điều này quá quen thuộc với chúng ta vì cũng tựa như dây đàn violông, nếu ta gảy càng mạnh thì nó dao động càng điên cuồng, còn nếu ta gảy nhẹ thì nó chỉ dao động êm dịu mà thôi. Theo thuyết tương đối hẹp ta lại biết rằng, năng lượng và khối lượng là hai mặt của một đồng xu: năng lượng càng lớn có nghĩa là khối lượng càng lớn và ngược lại. Như vậy, theo lý thuyết dây, khối lượng của một hạt sơ cấp được xác định bởi năng lượng của mode dao động của dây nội tại của nó. Hạt nặng hơn thì dây nội tại của nó dao động mạnh hơn, trong khi các hạt nhẹ hơn có dây nội tại dao động yếu hơn.




Vì khối lượng của hạt lại xác định những tính chất hấp dẫn của nó, nên chúng ta thấy rằng có một sự liên quan trực tiếp giữa mode dao động của dây và phản ứng của hạt đối với lực hấp dẫn. Mặc dù những lập luận nghe có vẻ hơi trừu tượng nhưng các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng, có một sự tương ứng tương tự giữa các đặc tính khác của các mode dao động của dây và những tính chất của các hạt liên quan với các lực khác. Chẳng hạn, điện tích, tích yếu và tích mạnh của một dây đã cho sẽ được xác định bởi cách dao động cụ thể của nó. Hơn thế nữa, ý tưởng này cũng hoàn toàn đúng với cả những hạt truyền tương tác. Những hạt như photon, các boson yếu và gluon chẳng qua cũng chỉ là những mode dao động khác của dây. Và một điều đặc biệt quan trọng, đó là trong số các mode dao động có một mode hoàn toàn phù hợp với các tính chất của graviton và điều đó đảm bảo rằng lực hấp dẫn là một bộ phận cấu thành của lý thuyết dây.


Như vậy, chúng ta thấy rằng, theo lý thuyết dây, những tính chất quan sát được của một hạt sơ cấp xuất hiện là bởi vì dây nội tại của nó thực hiện một mode dao động cộng hưởng cụ thể nào đó. Quan điểm bày khác hẳn với quan điểm của các nhà vật lý trước khi phát minh ra lý thuyết dây; vào thời đó, sự khác nhau giữa các hạt sơ cấp, thực tế, được giải thích bằng cách nói rằng mỗi loại hạt được "cắt từ một loại vải khác nhau". Mặc dù mỗi hạt đều được xem là sơ cấp, nhưng loại "vật liệu" tạo ra chúng lại được xem là khác nhau. Chẳng hạn, vật liệu electron có điện tích âm, trong khi đó vật liệu nơtrinô lại không mang điện. Lý thuyết dây làm thay đổi bức tranh đó một cách triệt để bằng cách tuyên bố rằng "vật liệu" của mọi hạt vật chất và của tất cả các lực đều như nhau. Mỗi một hạt sơ cấp được tạo bởi một dây, tức là mỗi hạt là một dây và tất cả các dây đều hoàn toàn như nhau . Sự khác nhau giữa các hạt xuất hiện là bởi vì các dây tương ứng của chúng thực hiện các mode dao động khác nhau. Các hạt cơ bản khác nhau thực sự là các "nốt" khác nhau trên một dây cơ bản. Còn vũ trụ, được cấu tạo bởi một số khá lớn các dây dao động đó, thì tựa như một bản giao hưởng vậy.


Cái nhìn khái quát đó đã cho thấy lý thuyết dây mang đến cho chúng ta một khuôn khổ thống nhất tuyệt vời đến mức nào. Một hạt vật chất và tất cả các hạt truyền tương tác đều gồm một dây mà mode dao động của nó chính là "dấu vân tay" nhận dạng của chúng. Vì bất cứ một sự kiện hay một quá trình vật lý nào, ở mức cơ bản nhất của nó, đều có thể được mô tả thông qua những lực tác dụng giữa các thành phần vật chất sơ cấp đó, nên lý thuyết dây hứa hẹn là một lý thuyết có khả năng mô tả một cách thống nhất, toàn vẹn và duy nhất vũ trụ vật lý, tức là một lý thuyết về tất cả (tiếng Anh thường viết tắt là T.O.E - theory of everything).


[1] Mô hình chuẩn đưa ra một cơ chế theo đó các hạt có được khối lượng - đó là cơ chế Higg mang tên nhà vật lý Xcôtlen Peter Higg. Nhưng theo quan điểm giải thích khối lượng của các hạt, thì điều đó đơn thuần chỉ là chuyển gánh nặng sang giải thích tính chất của hạt giả thuyết "cho khối lượng" - cái được gọi là hạt boson Higg. Sự tìm kiếm hạt này bằng thực nghiệm đang được ráo riết tiến hành, nhưng tôi xin nhắc lại một lần nữa rằng, nếu nó được tìm thấy và người ta đo được các tính chất của nó, thì đó chẳng qua cũng mới chỉ là dữ liệu vào cho mô hình chuẩn, chứ lý thuyết chưa hề có sự giải thích nào cho nó hết.