Chương 6: Không có gì khác ngoài âm nhạc - những cơ sở của lý thuyết siêu dây(2)

Lược sử lý thuyết dây

Năm 1968, một nhà vật lý lý thuyết trẻ tên là Gabriele Veneziano đã trăn trở rất nhiều nhằm giải thích những tính chất khác nhau của lực hạt nhân mạnh mà người ta đã quan sát được bằng thực nghiệm. Hồi đó, Veneziano đang làm việc ở CERN, trung tâm hạt nhân của châu Âu, đặt tại Geneva, Thụy Sĩ. Trong nhiều năm ròng, ông đã nghiên cứu vấn đề này, và cho tới một hôm, trong đầu ông chợt loé lên một phát hiện lạ lùng. Ông vô cùng kinh ngạc nhận thấy rằng, một công thức vốn đã được nhà toán học Thụy Sĩ nổi tiếng Leona Euler xây dựng khoảng hơn hai trăm năm trước đó cho những mục đích thuần túy toán học và thường được gọi là hàm bêta Euler, dường như lại mô tả được nhiều tính chất của các hạt tương tác mạnh. Phát hiện của Veneziano đã cho ta sự thâu tóm rất có hiệu quả bằng toán học nhiều đặc trưng của tương tác mạnh mẽ nhằm sử dụng hàm bêta và các dạng tổng quát hóa của nó để mô tả một chuỗi những dữ liệu thực nghiệm mà các nhà vật lý chuyên "hoàn tán" các nguyên tử trên khắp thế giới đã thu lượm được. Tuy nhiên, theo một ý nghĩa nào đó thì phát minh của Veneziano còn chưa đầy đủ. Tựa như một công thức mà một sinh viên học thuộc lòng nhưng lại không hiểu ý nghĩa cũng như nguồn gốc của nó, hàm bêta Euler đúng là rất có hiệu quả nhưng lại không một ai biết tại sao lại như vậy. Đó là một công thức còn cần phải giải thích. Mãi cho tới tận năm 1970, những công trình của Yoichiro Nambu ở Đại học Chicago, Holger Nielsen ở Viện Niels Bohr và Leonard Susskin ở Đại học Stanford mới phát lộ được nội dung vật lý nằm ẩn khuất phía sau công thức Euler. Ba nhà vật lý này đã chứng tỏ được rằng nếu một hạt sơ cấp được mô hình hóa như các dây nhỏ bé một chiều dao động, thì tương tác mạnh của chúng có thể được mô tả chính xác bởi hàm Euler. Theo lập luận của họ, nếu như các dây này đủ nhỏ thì chúng vẫn còn được xem như các hạt điểm và do đó phù hợp với những quan sát thực nghiệm.

Mặc dù điều này cho ta một lý thuyết thú vị và đơn giản về mặt trực giác, nhưng không lâu trước đó, sự mô tả tương tác mạnh theo lý thuyết dây đã tỏ ra thất bại. Vào đầu những năm 1970, những thí nghiệm năng lượng cao có khả năng thăm dò sâu hơn thế giới dưới nguyên tử đã chứng tỏ rằng mô hình dây đưa ra nhiều tiên đoán mâu thuẫn với thực nghiệm. Trong khi đó, sắc động lực học lượng tử dựa trên các hạt điểm đã được phát triển và những thành công vang dội của nó trong việc mô tả tương tác mạnh đã dẫn tới sự thất sủng của lý thuyết dây.

Phần lớn các nhà vật lý hạt đều nghĩ rằng thế là thuyết dây đã bị ném vào sọt rác của khoa học, nhưng một số ít các nhà vật lý chuyên môn vẫn kiên trì đeo bám nó. Chẳng hạn, Schwarz vẫn cảm thấy rằng "cấu trúc toán học của lý thuyết dây đẹp và có nhiều tính chất tuyệt diệu tới mức nó buộc phải hướng dẫn tới một cái gì đó hết sức cơ bản"[1] . Một trong số các thiếu sót của của lý thuyết dây mà các nhà vật lý tìm thấy, đó là dường như nó có sức bao quát thực sự to lớn. Do lý thuyết dây chứa đựng những cấu hình của dây dao động có những tính chất liên quan chặt chẽ với các gluon nên nó đã tuyên bố quá sớm mình là lý thuyết của tương tác mạnh. Nhưng ngoài điều đó ra, lý thuyết này còn chứa đựng cả những hạt truyền tương tác khác nữa, những hạt không có liên quan gì với những quan sát thực nghiệm của tương tác mạnh. Năm 1974, Schwarz và Joel Scherk ở trường Cao đẳng sư phạm Paris đã thực hiện một bước nhảy táo bạo biến cái nhược điểm bề ngoài đó thành ưu điểm. Họ đã nghiên cứu những đặc trưng của các mode dao động mới này và nhận thấy rằng những tính chất đó phù hợp tuyệt vời với hạt truyền tương tác giả định của trường hấp dẫn, tức là graviton. Mặc dù những gói nhỏ bé nhất đó của trường hấp dẫn còn chưa bao giờ quan sát được, nhưng các nhà lý thuyết đã tiên đoán một cách vững tin một số đặc tính cơ bản mà nó cần phải có. Đồng thời, Scherk và Schwarz cũng đã tìm ra rằng những đặc tính đó cần phải được thực hiện chính xác bởi một số mode dao động. Dựa trên kết quả đó, hai người đã cho rằng lý thuyết dây sở dĩ thất bại ở giai đoạn ban đầu của nó là bởi vì các nhà vật lý đã hạn chế quá đáng phạm vi của nó . Lý thuyết dây không chỉ là thuyết của tương tác mạnh mà nó còn là lý thuyết lượng tử bao hàm được cả lực hấp dẫn nữa.

Cộng đồng các nhà vật lý kiên quyết không chấp nhận ý kiến đó. Thực tế, Schwarz đã phải thú nhận rằng "công trình của chúng tôi hoàn toàn không được đếm xỉa đến" [2] . Con đường tiến bộ chất ngổn ngang những ý đồ thất bại trong việc thống nhất hấp dẫn với cơ học lượng tử. Lý thuyết dây đã thất bại trong nỗ lực ban đầu của nó nhằm mô tả tương tác mạnh và đối với nhiều người dường như sẽ là vô nghĩa nếu có ý định dùng nó để đạt tới mục tiêu lớn hơn. Thậm chí những nghiên cứu sau đó còn gây sửng sốt hơn nữa, vào cuối những năm 1970 đầu những năm 1980 lý thuyết dây và cơ học lượng tử có những xung đột tinh tế riêng với nhau. Hóa ra, lại một lần nữa, lực hấp dẫn vẫn ương ngạnh chống lại sự hợp nhất trong một lý thuyết lượng tử mô tả vũ trụ.

Tình hình không có gì sáng sủa hơn cho tới tận năm 1984. Trong một bài báo cáo có tính chất cột mốc tích tụ của hơn 12 năm nghiên cứu căng thẳng, phần lớn không được ai ngó ngàng tới và thường bị đa số các nhà vật lý bác bỏ, Green và Schwarz đã xác lập được rằng sự xung đột lượng tử tinh tế ảnh hưởng xấu đến lý thuyết dây đã được giải quyết. Hơn thế nữa, họ còn chứng minh được rằng lý thuyết mà họ xây dựng được có đủ tầm vóc để bao hàm được tất cả bốn lực và cả vật chất nữa. Khi tin đồn về kết qủa này đến tai cộng đồng vật lý trên khắp thế giới, hàng trăm nhà vật lý hạt đã bỏ luôn công việc nghiên cứu đang làm của họ để lao vào một cuộc tấn công trên quy mô lớn mà họ nghĩ rằng đây là trận chiến cuối cùng trong cuộc chinh phục những bí mật của vũ trụ đã được khởi phát từ thời cổ đại.

Tôi bắt đầu làm nghiên cứu sinh tại Đại học Oxford vào tháng 10 năm 1984. Mặc dù lúc đó tôi rất hăm hở muốn lao vào học các thứ như lý thuyết trường lượng tử, lý thuyết trường chuẩn và thuyết tương đối rộng, nhưng bạn bè tốt nghiệp trước tôi phần lớn lại nghĩ rằng vật lý hạt sẽ rất ít hoặc hoàn toàn chẳng có tương lai gì. Mô hình chuẩn đã xây dựng xong và những thành công tuyệt vời của nó trong việc tiên đoán kết cục của các thực nghiệm chỉ ra rằng việc kiểm chứng nó đơn giản chỉ còn là vấn đề thời gian và chi tiết. Vượt qua những giới hạn của mô hình chuẩn để bao hàm cả hấp dẫn và thậm chí giải thích được cả những dữ liệu thực nghiệm là cơ sở của mô hình đó, mà cụ thể là 19 tham số gồm khối lượng và diện tích của các hạt sơ cấp cũng như cường độ tương đối của các tương tác đã được xác định bằng thực nghiệm nhưng còn chưa hiểu được về mặt lý thuyết, đó là một nhiệm vụ khổng lồ khiến cho tất cả các nhà vật lý, trừ những người dũng cảm nhất, đều chịu bó tay. Nhưng sáu tháng sau, tâm trạng này đã hoàn toàn khác hẳn. Thành công của Green và Schwarz cuối cùng đã lọt tới tai thậm chí của những nghiên cứu sinh năm thứ nhất và tất cả chúng tôi đều cảm thấy phấn khích vì được sống giữa thời điểm bước ngoặt sâu sắc của lịch sử vật lý. Rất nhiều người trong số chúng tôi làm việc thâu đêm với khát vọng làm chủ được những lĩnh vực rộng lớn của vật lý lý thuyết và toán học trừu tượng cần phải có để hiểu được lý thuyết dây.

Thời gian từ 1984 đến 1986 được biết tới như "cuộc cách mạng siêu dây lần thứ nhất". Trong ba năm đó, hơn một ngàn bài báo nghiên cứu về lý thuyết dây đã được viết bởi các nhà vật lý trên khắp thế giới. Những công trình này đã chứng tỏ một cách dứt khoát rằng rất nhiều phương diện của mô hình chuẩn phải mất hàng chục năm nghiên cứu cần mẫn mới phát hiện ra, thì bây giờ xuất hiện một cách hoàn toàn tự nhiên và đơn giản từ lý thuyết dây. Như Micheal Green đã nói: "Chỉ cần làm quen với lý thuyết dây và thấy rằng hầu như tất cả những thành tựu vĩ đại nhất của vật lý trong một trăm năm qua đều xuất hiện, mà lại xuất hiện với một vẻ đẹp thanh nhã đến như thế, lại từ một điểm xuất phát khá đơn giản, bạn mới hiểu được rằng lý thuyết này phải có một chỗ đứng riêng biệt xứng đáng" [3] . Hơn thế nữa, đối với nhiều phương diện đó, như chúng ta sẽ thấy dưới đây, lý thuyết dây dã giải thích một cách đầy đủ hơn và thỏa đáng hơn so với mô hình chuẩn. Những tiến bộ đó đã thuyết phục được nhiều nhà vật lý tin rằng lý thuyết dây đã đi đúng hướng để thực hiện lời hứa của nó là trở thành một lý thuyết thống nhất tối hậu.

Tuy nhiên, lý thuyết dây lại vấp phải một trở ngại to lớn. Trong nghiên cứu vật lý lý thuyết người ta thường gặp những phương trình rất khó hiểu và khó phân tích. Thường thì các nhà vật lý không chịu bó tay, họ tìm cách giải chúng một cách gần đúng. Nhưng tình hình trong lý thuyết dây còn cam go hơn rất nhiều. Ngay cả việc xác định chính bản thân các phương trình đã là rất khó khăn đến nỗi, cho tới nay, mới chỉ dẫn được ra những phương trình gần đúng. Do vậy, các nhà lý thuyết dây đành phải tìm những nghiệm gần đúng cho những phương trình gần đúng. Sau một ít năm tiến như vũ bão trong cuộc cách mạng siêu dây lần thứ nhất, các nhà vật lý nhận thấy rằng nếu chỉ hạn chế trong những phép gần đúng đó thì không đủ để trả lời cho rất nhiều vấn đề căn bản cần cho sự phát triển tiếp theo. Do không có những đề xuất cụ thể vượt qua các phương pháp gần đúng, nhiều nhà vật lý đang nghiên cứu lý thuyết dây cảm thấy thất vọng và đành quay về những phương hướng nghiên cứu trước kia của họ. Đối với những người còn ở lại thì cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990 quả là một thời kỳ khó khăn. Cũng giống như một kho báu được khóa chặt trong két sắt và chỉ nhìn thấy qua một lỗ khóa bé xíu và luôn luôn mời chào, vẻ đẹp và sự hứa hẹn của lý thuyết siêu dây lấp lánh vẫy gọi, nhưng không một ai có chìa khóa để giải phóng hết sức mạnh của nó. Những thời kỳ khô hạn kéo dài vẫn đều đặn có những phát minh quan trọng, nhưng mọi người nghiên cứu lý thuyết dây đều biết rằng đã đến lúc bức xúc cần phải tìm ra những phương pháp mới, có khả năng vượt ra ngoài những phép gần đúng đã có.

Sau đó, trong bài giảng làm nức lòng người tại hội nghị Siêu dây 1995, được tổ chức tại Đại học Nam California, một bài giảng khiến cho cử toạ ít ỏi gồm những chuyên gia hàng đầu thế giới về lý thuyết dây phải kinh ngạc, Edward Wittrn đã châm ngòi cho cuộc cách mạng siêu dây lần thứ hai. Từ ngày đó, các nhà lý thuyết dây đã làm việc hết sức mình để mài sắc những phương pháp mới hứa hẹn vượt qua được những trở ngại đã gặp trước đây. Những khó khăn còn ở phía trước sẽ thử thách nghiêm khắc sức mạnh kỹ thuật của các nhà lý thuyết dây trên khắp thế giới, nhưng ánh sáng ở cuối đường hầm, mặc dù còn lờ mờ phía xa, nhưng có lẽ rồi cuối cùng cũng sẽ thấy được.

Trong chương này và nhiều chương tiếp sau, chúng tôi sẽ mô tả những hiểu biết về lý thuyết siêu dây xuất hiện từ cuộc cách mạng lần thứ nhất và những công trình sau đó trước khi có cuộc cách mạng lần thứ hai. Mặc dù đôi khi chúng tôi cũng sẽ chỉ ra một số khía cạnh mới nảy sinh từ cuộc cách mạng lần thứ hai, nhưng chúng tôi sẽ chỉ thực sự nói về những tiến bộ mới nhất đó ở các chương 12 và 13.

[1] Phỏng vấn John Schwarz, ngày 23 tháng 12 năm 1997.

[2] Phỏng vấn John Schwarz, ngày 23 tháng 12 năm 1997.

[3] Phỏng vấn Micheal Green, ngày 20 tháng 12 năm 1997.