Chương I - Được kết nối bởi các day(3)

Lý thuyết dây: ý tưởng cơ bản

Lý thuyết dây lần đầu tiên đã cho một khuôn mẫu khái niệm mạnh mẽ cho phép trả lời được những câu hỏi mà chúng ta đã nêu ở trên. Trước hết chúng ta hãy làm quen với ý tưởng cơ bản của nó.

Các hạt được liệt kê trong Bảng 1.1 là “những chữ cái” của vật chất. Cũng giống như bảng các chữ cái, chúng không có cấu trúc nội tại. Nhưng lý thuyết dây lại tuyên bố khác. Theo lý thuyết này, nếu chúng ta có thể xem xét các hạt đó với độ chính xác cao hơn – cao hơn nhiều bậc so với độ chính xác của khả năng công nghệ hiện nay – thì chúng ta sẽ thấy rằng mỗi một hạt đó không có dạng điểm, mà thay vì thế chúng gồm một vòng dây nhỏ xíu một chiều. Giống như một dải cao su cực mảnh, mỗi một hạt này chứa một sợi dây nhảy múa và dao động, mà các nhà vật lý do không có cái duyên văn học của Gell-Mann đã đặt tên cho nó là dây. Hình 1.1. minh hoạ ý tưởng căn bản này của lý thuyết dây: xuất phát từ một mẩu vật chất thông thường – một quả táo – và liên tiếp được phóng đại để nhìn rõ những thành phần ngày càng ở thang nhỏ hơn của nó. Lý thuyết dây đã thêm một cấp độ vi mô mới, nhỏ bé nhất – cấp độ của các vòng dây dao động – vào tiến trình mà ta đã biết trước, từ quả táo tới các nguyên tử qua proton, nơtron, rồi electron đến quark [1]

Hình 1.1. Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử, rồi các nguyên tử lại được tạo thành từ các quark và electron. Theo lý thuyết dây, tất cả các hạt đó lại được tạo thành từ các dây dao động.

Mặc dù điều này đã hoàn toàn rõ ràng, nhưng chúng ta sẽ thấy trong Chương 6 rằng việc thay thế các thành phần cơ bản nhất của vật chất có dạng điểm bằng các dây đã giải quyết được sự không tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. Và như vậy lý thuyết dây đã cho phép ta gỡ được cái nút nan giải nhất của vật lý hiện đại. Đây là một thành tựu to lớn, nhưng mới chỉ là một phần của cái lý do khiến cho lý thuyết dây đã tạo ra được một sự phấn khích đến như vậy.

Lý thuyết dây – lý thuyết của tất cả?

Vào thời Einstein, các lực hạt nhân yếu và mạnh còn chưa được phát hiện, nhưng ông đã thấy rằng sự tồn tại của hai lực khác biệt là lực hấp dẫn và lực điện từ đã gây ra những khó khăn rất sâu sắc. Einstein đã không chấp nhận chuyện tự nhiên lại được xây dựng trên một bản thiết kế phung phí như vậy. Ông đã lao vào một cuộc hành trình kéo dài 30 năm để tìm kiếm cái gọi là lý thuyết trường thống nhất mà ông hy vọng sẽ chứng tỏ được hai lực này thực sự chỉ là những biểu hiện khác nhau của một nguyên lý lớn. Cuộc tìm kiếm đầy ảo tưởng đó đã tách Einstein ra khỏi dòng chính của vật lý học thời đó. Những nhà vật lý cùng thời với ông đang mải mê lao vào những nghiên cứu sôi động hơn nhiều trong khuôn khổ của vật lý lượng tử vừa mới xuất hiện. Vào đầu những năm 1940, ông đã viết cho một người bạn: “Tôi đã trở thành một lão già đơn độc được biết tới chỉ vì không mang vớ và được trưng bày trong những dịp lễ lạt lớn như là một thứ của lạ” [2] .

Chẳng qua đơn giản là vì Einstein đã đi trước thời đại mình. Hơn một nửa thế kỷ sau, giấc mơ về một lý thuyết thống nhất của ông đã trở thành mục tiêu của vật lý hiện đại. Hiện nay, một bộ phận đáng kể của cộng đồng các nhà vật lý và toán học đang ngày càng tin rằng lý thuyết dây đang đi theo con đường đúng. Lý thuyết này cho chúng ta một khuôn khổ giải thích duy nhất cho vật chất và tất cả các tương tác của nó mà chỉ dựa trên một nguyên lý duy nhất: ở cấp độ nhỏ nhất, tất cả chỉ là những tổ hợp của các dây dao động.

Chẳng hạn, lý thuyết dây khẳng định rằng các tính chất của những hạt đã biết (được liệt kê trong các Bảng 1.1. và 1.2.) chỉ là sự phản ánh những cách dao động khác nhau của các dây. Cũng giống như các dây đàn Piano hay Violon có thể dao động theo nhiều tần số cộng hưởng mà tai ta cảm nhận như những nốt nhạc khác nhau và các họa ba bậc cao của chúng, điều này cũng đúng đối với các vòng của lý thuyết dây. Nhưng như chúng ta sẽ thấy, những mode dao động của dây trong lý thuyết dây không tạo ra những nốt nhạc mà chúng là các hạt có khối lượng và điện tích được xác định bởi mode dao động đó. Electron là một kiểu dao động của dây, quark u là một kiểu dao động khác v.v. Những tính chất mà lý thuyết dây trao cho các hạt hoàn toàn không phải là một tập hợp hổ lốn các sự kiện thực nghiệm mà chúng là sự thể hiện của cùng một đặc điểm vật lý, đó là các mode dao động cộng hưởng, hay có thể nói là giai điệu của những vòng dây sơ cấp đó. Chính ý tưởng này cũng được áp dụng cho các lực của tự nhiên. Chúng ta cũng sẽ thấy rằng các hạt lực cũng được gắn với những mode dao động cụ thể của dây, và từ đó mà toàn bộ vật chất và tất cả các lực sẽ được thống nhất trong cùng một khuôn khổ những dao động vi mô của các dây, như những nốt nhạc khác nhau mà các dây có thể tạo ra.

Do đó đây là lần đầu tiên trong lịch sử vật lý chúng ta có được một khuôn khổ có thể giải thích được từng đặc trưng cơ bản của tự nhiên. Vì lý do đó mà lý thuyết dây đôi khi được xem là “lý thuyết cuối cùng”. Với những lời lẽ to tát đó, thực ra người ta chỉ muốn nói rằng lý thuyết này sẽ là một lý thuyết sâu sắc nhất của tất cả những lý thuyết khác và không phải dựa trên một lý thuyết nào. Tuy nhiên, nhiều nhà lý thuyết dây có một cách tiếp cận thực tế hơn, họ xem lý thuyết về “tất cả” đơn giản chỉ là một lý thuyết có khả năng giải thích được những tính chất của các hạt cơ bản và các tương tác giữa chúng. Một nhà quy giản luận thuần tuý và cứng rắn chắc sẽ nói với bạn rằng đó hoàn toàn không phải là sự hạn chế, rằng sự hiểu biết các quá trình vi mô sơ cấp, về nguyên tắc, là đủ để chúng ta giải thích được tất cả những thứ còn lại, từ Big Bang cho tới tận những giấc mơ của chúng ta.

Triết lý quy giản luận đã gây ra những cuộc tranh luận gay gắt. Nhiều người thấy rằng sẽ thật là ngớ ngẩn và dễ gây phẫn nộ nếu cho rằng những điều kỳ diệu của sự sống và của Vũ trụ chỉ đơn giản là kết quả của cái vũ điệu tẻ nhạt của các hạt cơ bản dưới sự chỉ huy của các định luật vật lý. Lẽ nào niềm vui hay nỗi buồn thực sự chỉ là kết quả của những phản ứng hóa học ở bên trong bộ não của chúng ta – những phản ứng giữa các phân tử và nguyên tử, những hạt mà ở thang nhỏ hơn lại là kết quả của những phản ứng giữa các hạt được liệt kê trong Bảng 1.1. và chính những hạt này lại chỉ đơn giản là các sợi dây nhỏ bé dao động ? Đối mặt với kiểu phê phán đó, lời lẽ của nhà vật lý được giải Nobel Steven Weinberg trong cuốn Giấc mơ về một lý thuyết cuối cùng vẫn còn rất thận trọng:

“Ở đầu phổ bên kia là những người phản đối quy giản luận những người hoảng sợ trước cái mà họ cảm thấy sẽ là cảnh tiêu điều khô cằn của khoa học hiện đại. Trong bất kỳ phạm vi nào, họ và thế giới của họ đều có thể quy về khuôn khổ của các hạt hoặc trường cùng với những tương tác của chúng và điều đó khiến cho họ cảm thấy giá trị của mình bị hạ thấp... Tôi không có ý định trả lời những ý kiến phê bình đó bằng một bản trình bày hùng hồn về những vẻ đẹp của khoa học hiện đại. Hẳn nhiên, quan điểm quy giản luận khiến chúng ta đều cảm thấy ớn lạnh sống lưng. Nhưng chúng ta đã chấp nhận nó như vốn có, không phải bởi vì nó khiến chúng ta thích thú mà bởi vì thế giới của chúng ta vận hành đúng như vậy ” [3] .

Một số người đồng ý với quan điểm khắc nghiệt nhưng thực tế đó, song không phải là tất cả.

Một số người đã viện đến, chẳng hạn như lý thuyết hỗn độn, để biện luận rằng mỗi khi độ phức tạp của một hệ thống tăng lên thì sẽ lại xuất hiện những dạng định luật mới. Việc hiểu được hành trạng của các electron hay các quark là một chuyện, còn áp dụng những tri thức này để mô tả một cơn lốc, chẳng hạn, lại là một chuyện khác. Gần như không có phản đối điều đó. Nhưng các ý kiến bắt đầu phân kỳ ngay khi nói về tính đa dạng và đặc tính đôi khi bất ngờ của các hiện tượng có thể xuất hiện từ những hệ thống phức tạp hơn những hạt đơn lẻ. Phải chăng chúng là hệ quả của những nguyên lý mới? Hay những hiện tượng đó có thể được suy ra một cách cực kỳ phức tạp từ những quy luật vật lý chi phối một số rất lớn các thành phần sơ cấp? Cảm giác riêng của tôi là chúng không phải là thể hiện của những định luật vật lý mới và độc lập. Tất nhiên, sẽ là rất khó khăn khi phải mô tả một cơn lốc bằng những định luật của vật lý hạt cơ bản, nhưng tôi thấy vấn đề ở đây chỉ là do thiếu các phương tiện tính toán chứ không phải là dấu hiệu của sự cần phải có những định luật mới. Nhưng lại một lần nữa không phải mọi người đều đồng ý với quan điểm đó.

Một điểm có tầm quan trọng hàng đầu đối với cuộc phiêu lưu được mô tả trong cuốn sách này và không ai có thể nghi ngờ, đó là: thậm chí ngay cả khi ta chấp nhận quan điểm quy giản luận thuần tuý và cứng rắn nhất đi nữa thì lý thuyết và thực tiễn vẫn là hai chuyện khác nhau. Hầu hết mọi người đều thừa nhận rằng việc tìm ra “lý thuyết về tất cả” hoàn toàn không có nghĩa là tất cả những vấn đề của tâm lý học, sinh học, hóa học và thậm chí của vật lý học nữa sẽ được giải quyết hết. Vũ trụ cực kỳ đa dạng và phức tạp tới mức sự phát minh ra lý thuyết cuối cùng theo nghĩa chúng ta mô tả ở đây không hề là lời tuyên bố cáo chung của khoa học. Mà hoàn toàn ngược lại. Lý thuyết này, lý thuyết cho sự giải thích tối hậu về Vũ trụ ở cấp độ vi mô nhất của nó và không dựa trên một cách giải thích nào khác ở cấp độ sâu hơn, sẽ cung cấp cho ta một nền tảng vững chắc nhất để xây dựng nên sự hiểu biết của chúng ta về thế giới. Sự phát minh ra lý thuyết đó đánh dấu một sự khởi đầu chứ không phải kết thúc. Lý thuyết tối hậu mang lại cho chúng ta một cơ sở vững chắc cho sự nhất quán và vĩnh viễn đảm bảo cho chúng ta rằng Vũ trụ là có thể hiểu được.

[1] Ngoài các vòng dây kín như minh hoạ trên Hình 1.1, các dây cũng có thể có hai đầu tự do (gọi là các dây hở). Để dễ trình bày, chúng tôi chủ yếu tập trung xét các dây kín, nhưng phần lớn những điều chúng tôi nói áp dụng được cả cho hai loại dây.

[2] Albert Einstein, trong bức thư gửi cho một người bạn năm 1942, được trích trong cuốn Einstein‘s Mirror của Tony Hey và Patrick (Cambridge University Press, 1997).

[3] Steven Weinberg, Dreams of a Final Theory (Pantheon, 1992), trang 52.

Hiện trạng của lý thuyết dây

Mục đích chủ yếu của cuốn sách này là giải thích sự hoạt động của Vũ trụ theo lý thuyết dây và đặc điểm nhấn mạnh tới những hệ quả của nó đối với sự nhận thức của chúng ta về không gian và thời gian. Không giống như nhiều tác phẩm khác viết về sự tiến bộ của khoa học, cuốn sách mà bạn đang cầm trong tay đây không mô tả một lý thuyết đã hoàn toàn sáng tỏ, đã được khẳng định bởi nhiều quan sát thực nghiệm và đã được toàn thể cộng đồng khoa học thế giới chấp nhận. Sở dĩ như vậy là do, lý thuyết dây là một cấu trúc lý thuyết rất sâu sắc và tinh xảo tới mức, mặc dù đã có những tiến bộ rất lớn trong hai chục năm trở lại đây, nhưng chúng ta còn xa mới có thể tuyên bố là đã làm chủ được hoàn toàn.

Do vậy, lý thuyết dây nên được xem như một công trình đang thi công, nhưng những bộ phận đã được hoàn tất của nó đã hé lộ những đặc trưng lạ lùng của vật chất, không gian và thời gian. Sự kết hợp hài hòa được thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử là một thành công chủ yếu. Hơn nữa, không giống như những lý thuyết trước đó, lý thuyết dây có khả năng trả lời được những câu hỏi căn bản nhất về những thành phần và các lực cơ bản của tự nhiên, đó là sự thanh nhã của cả những câu trả lời lẫn khuôn khổ để trả lời mà lý thuyết dây đã đưa ra. Chẳng hạn, rất nhiều đặc điểm của tự nhiên tưởng như chỉ đơn giản là những chi tiết có tính kỹ thuật (như số lượng các hạt cơ bản và những tính chất tương ứng của chúng) thì hóa ra lại là hệ quả của một số đặc trưng căn bản và cụ thể là đặc trưng hình học của Vũ trụ. Nếu như lý thuyết dây là đúng, thì cấu trúc vi mô của Vũ trụ chúng ta sẽ là một mê lộ đa chiều đan xen nhau, trong đó các dây của Vũ trụ không ngừng dao động và vặn xoắn nhịp theo những định luật của Vũ trụ. Các tính chất của những viên gạch sơ cấp cấu tạo nên Vũ trụ hoàn toàn không phải là dãy những chi tiết ngẫu nhiên mà gắn bó một cách mật thiết với cấu trúc của không gian và thời gian.

Tuy nhiên, theo những phân tích mới nhất, lý thuyết này vẫn chưa có những tiên đoán có tính chất quyết định có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm để xác định dứt khoát nó đã thực sự vén được bức màn bí mật che giấu những chân lý sâu xa nhất của Vũ trụ chúng ta hay chưa. Có lẽ phải cần một thời gian nữa, khi mà sự hiểu biết của chúng ta đạt tới đủ độ sâu cần thiết, chúng ta mới có thể đến được mục tiêu đó. Tuy nhiên, như chúng ta sẽ thấy trong Chương 9, những kiểm chứng thực nghiệm trong vòng chục năm tới vẫn có thể tạo ra được những bằng chứng gián tiếp nhưng vững chắc về sự đúng đắn của một số kết quả do lý thuyết dây tiên đoán. Hơn thế nữa, như chúng ta sẽ thấy trong Chương 13, lý thuyết dây vừa mới giải quyết được một bài toán trung tâm của vật lý các lỗ đen, liên quan tới cái gọi là entropy Bekenstein – Hawking, mà các phương pháp thông thường đã bất lực trong suốt 25 năm. Nhờ có thành công đó, nhiều người đã tin rằng lý thuyết dây sẽ cho chúng ta một sự hiểu biét sâu sắc nhất về sự hoạt động vủa Vũ trụ.

Edward Witten, một chuyên gia hàng đầu và là nhà vật lý tiên phong trong lĩnh vực này, đã tổng kết tình hình trên trong nhận xét rằng: “lý thuyết dây là một bộ phận của vật lý thế kỷ XXI đã tình cờ rơi xuống thế kỷ XX” [1] - (một đánh giá được nêu ra đầu tiên bởi nhà vật lý nổi tiếng người Italia – Daniele Amati). Về một phương diện nào đó, điều này cũng tương tự như chúng ta đặt các nhà bác học của thế kỷ XIX trước một siêu máy tính mà không có tài liệu hướng dẫn sử dụng. Dần dà, bằng những bước đi dò dẫm, rồi họ cũng sẽ hiểu được sức mạnh của chiếc máy đó, nhưng họ sẽ còn phải bỏ ra nhiều sức lực và thời gian mới có thể làm chủ được nó. Những mách bảo về tiềm năng của chiếc máy đó (cũng như chúng ta cảm nhận được sức mạnh giải thích của lý thuyết dây) sẽ mang lại cho họ một động cơ cực kỳ mạnh mẽ để chinh phục hết những tính năng của nó. Ngày hôm nay, một động cơ tương tự cũng đang thôi thúc cả một thế hệ các nhà vật lý hăm hở tìm kiếm một sự hiểu biết đầy đủ và chính xác về lý thuyết dây.

Ý kiến của Witten và của nhiều chuyên gia khác trong lĩnh vực này chỉ ra rằng phải mất hàng chục thậm chí hàng trăm năm nữa chúng ta mới triển khai được đầy đủ và mới thực sự hiểu hết lý thuyết dây. Có lẽ đúng là như vậy. Thực tế, cơ sở toán học của lý thuyết dây phức tạp tới mức, cho tới nay chưa có ai biết được những phương trình chính xác chi phối lý thuyết này là như thế nào. Các nhà nghiên cứu chỉ mới biết một số dạng gần đúng của các phương trình đó, nhưng dù thế chúng cũng đã quá phức tạp và do đó mới chỉ giải được một phần. Tuy nhiên, vào cuối những năm 1900 người ta đã chứng kiến nhiều đột phá lý thuyết quan trọng cho phép trả lời được nhiều câu hỏi cực kỳ khó về mặt lý thuyết. Và điều này khiến người ta nghĩ rằng sự hiểu biết lý thuyết dây một cách đầy đủ về mặt định tính không phải quá xa vời như người ta tưởng. Các nhà vật lý trên khắp thế giới đang phát triển những kỹ thuật mới hòng vượt qua nhiều phương pháp gần đúng đã được dùng cho tới nay. Họ cùng nhau lắp ghép những mảnh rời rạc của câu đố ghép hình là lý thuyết dây của chúng ta với một tốc độ rất đáng khích lệ.

Một điều lạ lùng là, những tiến bộ mới đây đã làm xuất hiện nhiều quan niệm mới cho phép giải thích lại một số khía cạnh kiến trúc của lý thuyết mà người ta tưởng là đã được xác lập. Chẳng hạn, nhìn hình 1.1. bạn có thể nảy ra một câu hỏi rất tự nhiên là: tại sao lại là dây? Tại sao không phải là các đĩa? Hay không phải là những giọt cực nhỏ? Hay thậm chí không là tổ hợp của ba khả năng đó? Như chúng ta sẽ thấy trong Chương 12, những thành tựu mới nhất cho thấy rằng các phần tử khác nhau này thực tế đều đóng một vai trò quan trọng trong lý thuyết dây và đã phát hiện ra rằng lý thuyết dây thực sự chỉ là bộ phận của một sự tổng hợp rộng lớn hơn thường được gọi (một cách bí ẩn) là lý thuyết M. Những phát minh mới nhất đó sẽ là đề tài được đề cập tới trong những chương cuối cùng của cuốn sách này.

Sự tiến bộ của khoa học thường diễn ra theo từng đợt. Một số thời kỳ dồn dập những đột phá ngoạn mục, trong khi những thời kỳ khác đối với các nhà nghiên cứu chỉ là những chặng đường dằng dặc qua sa mạc. Các nhà khoa học đưa ra những kết quả cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm rồi sau đó được cả cộng đồng khoa học thảo luận. Những kết quả đó đôi khi có thể bị từ chối vứt bỏ hoặc được sửa đổi, nhưng đôi khi chúng cũng mang lại một chớp lửa cảm hứng cần thiết để tìm ra một con đường mới và chính xác hơn để hiểu cái vũ trụ vật lý của chúng ta. Nói một cách khác, khoa học luôn đi theo một con đường zig zac tới cái mà chúng ta hy vọng sẽ là chân lý cuối cùng. Con đường đó bắt đầu từ những toan tính thăm dò Vũ trụ đầu tiên của con người nhưng chưa ai đoán được điểm tận cùng của nó. Và cũng không ai có thể nói được, trên con đường dằng dặc đó, lý thuyết dây đơn giản chỉ là một điểm dừng, một điểm mốc quan trọng hay chính là đích cuối cùng. Dẫu sao, những nghiên cứu miệt mài của nhiều nhà vật lý và toán học thuộc nhiều quốc tích khác nhau trong suốt hai chục năm qua đã cho chúng ta một cơ sở để hy vọng rằng chúng ta đang đi theo con đường đúng và có thể cũng là con đường cuối cùng.

Riêng chuyện ở trình độ chưa cao như chúng ta hiện nay mà đã có thể rút ra được những kết luận mới về sự hoạt động của Vũ trụ cũng đã chứng tỏ sự giàu có và tầm vóc của lý thuyết dây. Sợi chỉ trung tâm xuyên suốt trong những phần tiếp sau sẽ là những phát triển nhằm đẩy xa hơn nữa cuộc cách mạng trong quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian, một cuộc cách mạng đã được khởi phát bởi các thuyết tương đối hẹp và rộng của Einstein. Chúng ta sẽ thấy rằng, nếu lý thuyết dây là đúng, thì cấu trúc của Vũ trụ chúng ta có những tính chất mà ngay cả Einstein cũng phải kinh ngạc.

[1] Phỏng vấn Edword Witten, 11 tháng 5 năm 1998.