Thuyết dây và việc giải thích tận cùng vũ trụ (phần 1) Tác giả: Đặng Vũ Tuấn Sơn 12/12/2008 Trong một số năm gần đây, việc giải thích đến tận cùng của bản chất vũ trụ, sau những thành công vang dội của thế kỉ 20 là thuyết tương đối, cơ học lượng tử, các mô hình vũ trụ thì đến nay đã chừng lại do thiếu một lí thuyết tổng quát mô tả thống nhất được các vấn đề này. Thuyết dây (String Theory) ra đời và được sự quan tâm của nhiều người chính vì ý tưởng mới lạ của nó và dường như nó đáp ứng đầy đủ các yêu cầu hiện nay. Bài viết này tôi thực hiện đã lâu và từng trình bày trong 1 hội thảo thiên văn của VACA mấy năm trước, nay xin giới thiệu cùng các độc giả của thienvanvietnam. Giải quyết mâu thuẫn giữa thuyết tương đối và thuyết lượng tử Những năm đầu thế kỉ 20 đánh dấu một bước phát triển hết sức quan trọng của vật lí và thiên văn, thay đổi phần lớn nhận thức và tư duy của con người về thế giới tự nhiên. Toàn bộ những thay đổi đó đã biến tất cả những thành tựu vật lí của thế kỉ 19 trở về trước trở thành "Vật lí cổ điển" và mở ra một hướng mới cho Vật lí hiện đại. Ngành vật lí hiện đại ra đời và phát triển từ đầu thế kỉ 20 đến nay dựa trên 2 nền tảng chính là 2 lí thuyết ra đời vào những năm 1900-1905 : Thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Dù được coi là 2 lí thuyết có tầm quan trọng nhất trong khoa học thực nghiệm hiện đại, giải thích được nhiều hiện tượng trước đây còn bí ẩn nhưng điều đặc biệt là 2 lí thuyết này đến nay chưa có một giải pháp nào thật sự thích đáng để dung hoà chúng, các mâu thuẫn giữa 2 lí thuyết này vẫn luôn tồn tại và người ta tin rằng một giả thuyết hay một phương trình mới cho phép hợp nhất 2 lí thuyết này sẽ là cách tốt nhất để tìm hiểu đến tận gốc bản chất của vũ trụ. Lí thuyết tương đối hẹp do Einstein đề xướng vào năm 1905 và 10 năm sau đó là lí thuyết tương đối rộng (tổng quát) cho chúng ta một cái nhìn tổng thể và đúng đắn về vũ trụ vĩ mô (qui mô lớn), nó hoàn toàn phủ hợp khi nghiên cứu các vận tốc lớn, chỉ ra các thiếu sót của cơ học Newton khi áp dụng cho các thang vận tốc vĩ mô cũng như khi đi sâu vào bản chất của chuyển động, lí thuyết tương đối rộng cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về vũ trụ, giải thích về không gian và thời gian, và phương trình trường của nó tiên đoán hoàn toàn chính xác về tương lai vũ trụ. Tuy nhiên, lí thuyết tương đối không mô tả được chi tiết vũ trụ ở các thang vi mô. Việc đi sâu vào bản chất của nguyên tử, hạt nhân, các hạt cơ bản như electron, proton, neutron, hay là các mezon, neutrino hay là cả các quark thì lí thuyết tương đối Einstein phải nhường chỗ cho các lí thuyết của cơ học lượng tử. Mọi việc nhìn chung không có gì khác với việc khi bạn dùng chiếc kính lúp có độ phóng đại cực lớn soi lên một vật thể bất kì hay hướng chiếc kính thiên văn phản xạ lên ngắm Mặt Trăng. Khi nhìn bằng mắt thường, bạn đang quan sát Mặt Trăng bằng con mắt của vật lí tương đối tính, bạn xác định được chính xác vị trí, vận tốc và tiên đoán một cách chính xác về các chuyển động của nó, nhưng khi dùng một cái kính thiên văn thì điều này giống như việc bạn đang soi lên bề mặt của nó một chiếc kính của cơ học lượng tử, bạn sẽ thấy nó không nhẵn nhụi, trơn tru như khi nhìn bằng mắt thường mà sẽ thấy các lỗi lõm, các núi, thung lũng . Cơ học lượng tử cho chúng ta nhìn sâu vào các hạt cơ bản, vào các thăng giáng lượng tử nhỏ nhất của tự nhiên, điều mà lí thuyết tương đối không làm được. Cái đáng nói là khi bạn dùng kính nhìn sâu vào Mặt Trăng thì bạn có thể thấy các ngọn núi, thậm chí là những khối đá của nó nhưng sẽ không thể tiên đoán được chuyển động vĩ mô của nó - cũng như bạn không thể biết Trái đất mà bạn sống trên đó đang chuyển động. Còn nếu bỏ chiếc kính ra, bạn nhìn thấy Mặt Trăng chuyển động, đưa ra các tiên đoán chính xác về chuyển động của nó nhưng sẽ không thể có một cách gì để dự đoán được cấu trúc "gồ ghề" trên bề mặt nó, và thực tế thì việc có tồn tại các gồ ghề đó hay không không hề ảnh hưởng đến chyển động vĩ mô của Mặt Trăng. <! [if !vml] ><! [endif] > Cũng như ví dụ này, lí thuyết tương đối và cơ học tương đối tính chỉ có tác dụng mô tả qui mô vĩ mô của vũ trụ mà không nhìn được vào tận bên trong các hạt nhân, các hạt cơ bản và nhìn chung, ở các thang vĩ mô, lí thuyết tương đối cho thấy năng lượng và vật chất dường như khá ổn định. Trong khi đó thì lí thuyết lượng tử đi sâu vào bên trong bản chất của các hạt, nó cho thấy ở thang vi mô, các hạt không phải là bất biến, chúng có sự biến đổi về bản chất và bản thân nang lượng của chúng luôn có những thăng giáng nhất định, các thăng giáng này rất nhỏ và do đó không gây ảnh hưởng đến các tiên đoán vi mô của cơ học tương đối tính (thăng giáng lượng tử). Vấn đề của vật lí bây giờ là làm sao thống nhất 2 lí thuyết này, tức là đưa ra một lí thuyết nào đó, một phương trình cho phép mô tả 2 lí thuyết này trong một mệnh đề duy nhất, mô tả vũ trụ một cách chính xác ở cả thang vi mô và vĩ mô. Một trong các cố gắng đó là người ta cố gắng tìm kiếm một lí thuyết hợp nhất 4 loại lực trong tự nhiên (gồm hấp dẫn, điện từ, tương tác hạt nhân mạnh và tương tác yếu) vào một loại trường duy nhất. Các cố gắng gần đây đã thống nhất được 3 loại là điện từ và 2 tương tác mạnh và yếu, chỉ còn hấp dẫn là chưa thể có cách nào đưa vào loại trường duy nhất này. Bản thân trường hấp dẫn được Einstein đưa vào vật lí lần đầu khi thuyết tương đối rộng ra đời và sau đó Einstein đã cho rằng lí thuyết của mình chưa hoàn hảo vì nó chỉ mô tả được trường hấp dẫn mà không phải là một loại trường tổng quát cho mọi loại tương tác. Khi cố gắng thống nhất các trường này, người ta nghĩ đến việc đưa tất cả chúng về cùng một tương tác cơ bản của một hạt cơ bản nào đó. Việc tìm tương tác cơ bản đó đối với các hạt cơ bản như proton, neutron, photon hay các hạt nhỏ nhất đã biết là các quark không mang lại hiệu quả và người ta nghĩ đến một giả thuyết mới - giả thuyết về dao động của các phần tử có kích thước lượng tử, coi chúng là dao động của các dây n chiều, và thế là lí thuyết dây ra đời. Các lí thuyết dây và sự tham gia của siêu hấp dẫn - Thuyết siêu dây! Trước khi nói về lí thuyết này xin được lưu ý các bạn một điều rằng hiện nay tuy đã khá phổ biến và chiếm được sự tin cậy của nhiều người nhưng lí thuyết này vẫn chỉ mang tính giả thuyết. Do đó những gì dưới đây là những lập luận của lí thuyết này, còn thực sự tất cả những giả thuyết đó có đúng hay không tôi không dám khẳng định, mỗi người các bạn hãy nên đọc qua về lí thuyết này để biết qua về các lập luận của nó, dù sao đó cũng là một lí thuyết hay và đẹp, còn có tin vào nó hay không thì là quyền của mỗi người, chỉ xin được khuyên các bạn một điều, dù có tin nó chăng nữa thì bạn cũng đừng nên coi nó là chân lí vì dù sao nó mới chỉ là một giả thuyết thú vị thôi. Ý tưởng đầu tiên về một lí thuyết về các sợi dây đàn hồi đã được ra đời từ những năm 1960 với hi vọng xây dựng một lí thuyết trường cho tương tác mạnh. Tuy nhiên do không được giải thích chi tiết và các dự đoán của nó về tương tác mạnh không được xác nhận bằng thực nghiệm nên ý tưởng này bị bỏ quên đến tận năm 1974. Năm 1974, hai nhà vật lí là John Schwarz và Joel Scherk đã quan sát kĩ các hình thức dao động khác nhau của một sợi dây và nhận thấy các dao động này mang đầy đủ các đặc trưng của một Graviton. Họ đi đến kết luận là lí thuyết dây hoàn toàn có khả năng mô tả toàn bộ các tương tác bao gồm cả tương tác hạt nhân và hấp dẫn. Sở dĩ trước kia nó bị bỏ quên do người ta đã giới hạn nó trong việc nghiên cứu tương tác mạnh. Những năm 1984 - 1986 là những năm nở rộ của lí thuyết dây. Người ta không ngừng nghiên cứu và phát triển lí thuyết này vì cái đẹp của nó, và cái quan trọng nhất là nó đã cho phép người ta thông nhất được tương tác hấp dẫn vào một trường chung nhất mà trước đây người ta mới kết nạp được 3 thành viên là điện từ, tương tác hạt nhân mạnh và tương tác yếu. Bây giờ xin nói rõ hơn về các lập luận của lí thuyết này. Lí thuyết này đưa ra giả thuyết coi các sợi dây kín (số chiều của dây xin nói rõ sau) gọi là dây cơ bản, mỗi sợi dây có kích thước bằng độ dài Plank, đó mới chính là những viên gạch cơ bản của vũ trụ. Người ta không thắc mắc "cái dây được làm bằng gì" bởi vì bản thân nó đã là cơ bản nhất rồi, cũng như bạn có thể nói "dùng các viên gạch để xây bức tường" chứ không thể hỏi xem người ta đã dùng "những viên như thế nào để ráp thành viên gạch". Như vậy các dây được nói tới là các phần tử cơ bản nhất của vũ trụ. Một lưu ý nữa là dây ở đây không có nghĩa là các dây có 2 đầu và kéo dài như dây thông thường, thuật ngữ "dây" ở đây đưa vào với mục đích mô tả các phần tử cơ bản có một tính chất chung nhất có thể so sánh với các dây: đó là dao động (với cường độ và tần số). Các lí thuyết trước đến nay giải thích các hiện tượng, các tương tác bằng cách giải thích thông qua tính chất của các hạt (như Graviton đối với hấp dân, các hạt mang điện đối với điện từ ). Việc này đã giải thích được hầu hết các hiện tương và rút gọn hàng ngàn loại lực trong tự nhiên vào 4 loại cơ bản chúng ta đã biết. Tuy nhiên việc thống nhất 4 loại tương tác cơ bản này gặp nhiều khó khăn chính do nguyên nhân "hạt". Có quá nhiều loại hạt gây nên các tương tác khác nhau bằng đủ các biểu hiện khác nhau. Người ta cố gắng tìm các hạt cơ bản nhất với hi vọng đó là viên gach nhỏ nhất xây nên vũ trụ và như thế các biểu hiện của nó sẽ là đầu mối cho việc tìm kiếm tính thông nhất. Đến nay Quark và Lepton là những loại hạt nhỏ nhất đã biết nhưng ngay cả khối lượng và các tính chất đơn giản nhất của chúng người ta vẫn chưa tìm được và thậm chí nó đã phải loại hạt cơ bản nhất chưa cũng chưa ai dám chắc. Lí thuyết dây ra đời để khác phục khó khăn này. Lí thuyết này cho biết rằng tất cả các loại hạt trong tự nhiên người ta đã tìm ra đều chỉ là các biểu hiện, các hình thức dao động khác nhau của dây cơ bản. Giống như sợi dây đàn,có thể dao động theo hàng ngàn, hàng vạn cách thức khác nhau, mỗi cách thức đó tạo ra một âm sắc khác nhau. Dây cơ bản cũng thế, nó có thể dao động theo nhiều cách thức tạo ra các "âm sắc" riêng biệt, mỗi âm sắc đó tương ứng với một loại hạt được sinh ra và mỗi loại hạt như chúng ta đã biết lại có một đặc trưng riêng (khối lượng, điện tích, spin ) gây ra các tương tác khác nhau. Như vậy là mọi loại hạt trong tự nhiên cũng như tương tác do chúng gây ra đều đựoc coi đơn giản là các dao động khác nhau của các dây (khác nhau về cường độ và tần số). Trong khi lí thuyết trước giờ chúng ta vẫn biết nói rằng mỗi loại tương tác, mỗi loại vật chất đều là do sự có mặt của các hạt, nó lại không cho biết tại sao lại có sự tồn tại của nhiều loại hạt như thế, và các hạt đó từ đâu mà ra, tất cả đều coi các hạt là những cái hiển nhiên, những vật liệu có sẵn, và khi cần tìm một phần tử cơ bản chung nhất cho tất cả sự tồn tại, các biểu hiện tương tác như thế thì các lí thuyết truyền thống đó chưa làm được. Lí thuyết dây là một ý tưởng hoàn toàn khác trong đó người ta đã gộp tất cả các loại hạt, các loại tương tác vào trở thành các biểu hiện khác nhau của cùng một loại dây cơ bản. Chính tần số khác nhau của các dây dẫn đến chúng có năng lượng dao động khác nhau và điều đó tương đương với việc khối lượng của các hạt cơ bản do chúng sinh ra cũng khác nhau, điều này diễn ra tương tự với các thuộc tính khác như điện tích, spin Năm 1976, có một số nhà vật lí ở đại học New York đưa ra đề xuất đưa siêu hấp dẫn vào các dây dao động. Siêu hấp dẫn là khái niệm về một mô hình hợp nhất các thăng giáng lượng tử trái dấu của các hạt fermion và boson. Việc đưa siêu hấp dẫn vào các dây dao động này góp phần thuận lợi hơn cho việc tính toán và xây dựng tiếp các mô hình của lí thuyết dây. Lí thuyết dây trong đó có sự tham gia của siêu hấp dẫn được gọi là thuyết "Siêu Dây". Tuy nhiên, để xây dựng thành công lí thuyết thống nhất dựa trên mô hình siêu dây, người ta cần kết hợp nó với cơ học lượng tử và người ta nhận thấy rằng mô hình các dây siêu hấp dẫn không thể xây dựng trên không - thời gian 4 chiều mà phải trên một cơ cấu không - thời gian 11 chiều . Thuyết dây và việc giải thích tận cùng vũ trụ (phần 1) Tác giả: Đặng Vũ Tuấn Sơn 12/12/2008 Trong một số năm gần đây, việc giải thích đến tận cùng. chiều, và thế là lí thuyết dây ra đời. Các lí thuyết dây và sự tham gia của siêu hấp dẫn - Thuyết siêu dây! Trước khi nói về lí thuyết này xin được lưu