LÝ THUYẾT DÂY
Thu vien Hoc Lieu Mo Viet Nam module: m35957 1
Lý thuyết dây∗
Lê Văn Tám
This work is produced by Thu vien Hoc Lieu Mo Viet Nam and licensed under the
Creative Commons Attribution License †
Tóm tắt nội dung
Lý thuyết dây là một thuyết hấp dẫn lượng tử, được xây dựng với mục đích thống nhất tất cả các
hạt cơ bản cùng các lực cơ bản của tự nhiên, ngay cả lực hấp dẫn. Các nhà vật lý lý thuyết hiện đại đặt
rất nhiều hy vọng vào lý thuyết này vì nó có thể giải quyết được những câu hỏi như tính đối xứng của
tự nhiên, hiệu ứng lượng tử tại các lỗ đen (black hole), cũng như tại các điểm kỳ dị, sự tồn tại và phá
vỡ siêu đối xứng... Nó đồng thời cũng mở ra những tia sáng mới cho cơ học lượng tử, không gian và thời
gian. Trong lý thuyết dây, tất cả các lực và các hạt được miêu tả theo một lối hình học phong nhã, như
ước mơ của Einstein về việc thiết lập vạn vật từ khung hình học của không-thời gian.
Lý thuyết dây dựa trên các tiên đề được thiết lập ở thang Planck nơi mà các hiệu ứng lượng tử của hấp
dẫn biểu lộ một cách mạnh mẽ, nơi mà các hạt được cho là những vật một chiều. Khác với quan điểm của lý
thuyết hạt, thuyết dây bị chế ngự bởi các tương tác, siêu đối xứng và các nhóm gauges. Trên thực tế, tất cả
các hạt đã biết được đều biểu hiện tính dao động của dây, và các tương tác của chúng đều có thể biểu diễn
bằng việc cắt và nối các khung hình học của các dây . Giống như giản đồ Feynman trong lý thuyết trường
lượng tử, là việc tổng quát hóa các mặt Riemann khác nhau.
Hình 1: Tương tác trong thế giới vi mô: trong mô hình chuẩn, các hạt như là chất điểm trong không
gian hai chiều hay các vật thể hai chiều được gom lại trong lý thuyết dây
∗Version 1.2: Feb 10, 2011 7:58 pm GMT+7
†http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/
http://voer.vn/content/m35957/1.2/
Thu vien Hoc Lieu Mo Viet Nam module: m35957 2
Hiện tại các nghiên cứu đang tập trung vào lớp màng D (D-branes). Một màng D là một đa tạp của
không-thời gian với các tính chất ở đó các dây có thể là điểm đầu và là điểm cuối.
Khác với thuyết siêu hấp dẫn, (thuyết hấp dẫn thuần túy), thuyết dây là một thuyết hấp dẫn lượng tử
có nền tảng toán học vững chắc, và các nhà lý thuyết hy vọng có thể đo được giá trị của hằng số vũ trụ dựa
trên các tiên đề của nó. Mặt khác, số lượng các trạng thái chân không, một khái niệm được đưa ra trong lý
thuyết này, dường như khá lớn, và các nhà lý thuyết cho rằng không có một trạng thái nào thích hợp với 3
chiều không gian lớn mà chúng ta đang sống, sự phá vỡ của siêu đối xứng, hay sự tồn tại của một hằng số
vũ trụ nhỏ. Hiện tại, có nhiều lý do để tin tưởng rằng trạng thái chân không thực trong thuyết dây tồn tại
dưới dạng cặp (coupled), nhưng kết quả không như mong đợi mà các nhà lý thuyết tìm ra, có thể xuất phát
từ lý do kỹ thuật chứ không phải từ ý tưởng.
Lý thuyết dây tồn tại dựa trên các tiên đề, như việc số chiều nó có phải lớn hơn 4 chiều của không-thời
gian mà chúng ta biết đến. Quá trình nghiên cứu tính đối ngẫu trong các đối xứng đã tạo ra 5 thuyết siêu
dây khác nhau, mỗi thuyết đều có 10 chiều không gian, đó là các dạng I, dạng IIA và dạng IIB, cùng với
dạng nghịch đảo của các nhóm gauge E(8) x E(8) và SO(32), tồn tại dưới siêu dây 11 chiều, hay còn gọi là
thuyết M. Ở mỗi dạng trên, kết quả với số chiều không được compact tối đa, các không-thời gian phẳng,
cùng là một trạng thái chân không bền vững, nơi mà tính siêu đối xứng của chúng được bảo toàn. Để thuyết
này gần gũi hơn với tự nhiên, các chiều không gian bù cần phải được compact hóa trên một đa tạp, nơi mà
tensor Ricci bị loại bỏ. Nếu như SUSY - supersymmetry được bảo toàn, thì năng lượng chân không sẽ là 0.
Thực tế tồn tại một đa tạp của trạng thái này, người ta gọi đó là moduli space.
Thuyết dây có thể không miêu tả được thế giới tự nhiên, vì muốn miêu tả được thế giới của chúng ta,
thì các siêu đối xứng trong thuyết dây phải bị phá vỡ vì những kết quả trong thực nghiệm đã chỉ ra được
sự không hoàn hảo của tấm gương vạn vật CP. Tuy nhiên, thuyết dây có thể giải quyết được bài toán hằng
số vũ trụ tồn tại bấy lâu nay, như những ý tưởng được đặt ra trong thuyết hấp dẫn lượng tử vòng hay việc
tổ hợp các graviton. Các nhà vật lý tin tưởng rằng cần phải có một sự hiểu biết sâu sắc hơn về vật lý cơ
bản để có thể mô tả được những tính chất của trạng thái chân không trong khi thuyết dây chỉ có thể mô tả
được những trạng thái siêu đối xứng.
1 Lịch sử lý thuyết dây
Năm 1968, Gabriele Veneziano, một nhà vật lý trẻ người Ý, đã trăn trở rất nhiều để tìm những lời giải thích
phù hợp với các tính chất khác nhau của lực hạt nhân mạnh. Khi ấy, ông đang làm việc tại trung tâm hạt
nhân của châu ˆ
Au, CERN, đặt tại Geneva, Thụy Sĩ. Trong nhiều năm ròng rã, ông đã nghiên cứu vấn đề
này, và rồi một hôm trong đầu ông chợt lóe lên một phát hiện lạ lùng. Ông vô cùng ngạc nhiên khi nhận
thấy rằng công thức của nhà toán học người Thụy Sĩ Leonard Euler xây dựng trước đó hơn hai trăm năm
với mục đích toán học thuần túy với tên gọi là Hàm Beta Euler, song lại mô tả được nhiều tính chất của
các hạt tham gia trong tương tác mạnh. Phát hiện của Veneziano đã thâu tóm một cách rất hiệu quả bằng
toán học nhiều đặc trưng của tương tác mạnh, nhằm sử dụng hàm Beta và các dạng tổng quát hóa của nó
để mô tả một chuỗi những dữ liệu thu được từ thực nghiệm. Tuy nhiên, phát hiện khi đó của Veneziano vẫn
chưa đầy đủ, nó giống như một công thức mà một sinh viên học thuộc lòng nhưng lại không hiểu hết được
ý nghĩa sâu xa của nó. Hàm Beta Euler sau đó được sử dụng rất hiệu quả, nhưng không một ai khi ấy hiểu
được tại sao nó lại như vậy.
http://voer.vn/content/m35957/1.2/
Thu vien Hoc Lieu Mo Viet Nam module: m35957 3
Hình 2: Yoichiro Nambu
Hình 3: Holger Bech Nielsen
Mãi tới năm 1970, những công trình của Yoichiro Nambu ở Đại học Chicago, Holger Nielsen thuộc Viện
Niels Bohr và Leonard Susskin ở Đại học Stanford mới chỉ ra được ý nghĩa vật lý ẩn sau công thức Euler.
Hai nhà vật lý này đã chứng minh 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 Beta Euler. Theo
lập luận của họ, nếu các dây này đủ nhỏ thì chúng vẫn được xem là các hạt điểm và do vậy phù hợp với
những quan sát thực nghiệm.
Mặc dù lý thuyết mới được khai sinh giản dị về mặt trực giác, và khởi đầu với nhiều hào hứng, nhưng sự
mô tả tương tác mạnh của lý thuyết dây ban đầu đã bị thất bại. Những năm đầu của thập niên 1970, các
thí nghiệm năng lượng cao với độ thăm dò hạ 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 làm mờ đi lý thuyết
dây.
http://voer.vn/content/m35957/1.2/
Thu vien Hoc Lieu Mo Viet Nam module: m35957 4
Trình tự nghiên cứu cấu tạo vật chất của vũ trụ:
1. Các vật thể vĩ mô (chính xác hơn, các vật thể thông thường hàng ngày quan sát được bằng mắt
thường)
2. Cấu trúc phân tử
3. Cấu trúc nguyên tử với hạt nhân (proton và nơtron) với điện tử
4. Các hạt cơ bản
5. Các quark
6. Các dây
Nhiều nhà vật lý nghĩ rằng thuyết dây đã bị ném vào sọt rác của khoa học, nhưng một số ít các nhà vật
lý vẫn kiên trì bám theo nó. Trong số đó có Schwarz, người cảm thấy rằng "cấu trúc toán học của lý thuyết
dây rất đẹp và có nhiều tính chất rất tuyệt diệu, nên nó phải hướng tới một cái gì đó hết sức cơ bản". Một
trong số các thiếu sót của lý thuyết dây mà các nhà vật lý tìm thấy là sức bao quát của lý thuyết này lớn
hơn những gì mà họ nghĩ. Do lý thuyết dây chứa đựng những mẫu hình dao động của dây, và có những tính
chất quan hệ chặt chẽ với các gluon nên nó đã được tuyên bố quá sớm như là lý thuyết của tương tác mạnh.
Nhưng không chỉ có vậy, lý thuyết dây còn chứa đựng cả những hạt truyền tương tác khác, những hạt nằm
ngoài mục tiêu quan sát của các thực nghiệm trong tương tác mạnh.
Năm 1974, Schwarz và Joel Scherk ở trường Cao đẳng sư phạm Paris đã thực hiện một bước nhảy táo
bạo, bằng việc cải biến những nhược điểm bề ngoài của thuyết dây thành các ưu điểm mang tính đặc trưng.
Họ đã nghiên cứu đặc điểm của những mốt dao động và nhận thấy rằng những tính chất này phù hợp tuyệt
đối với hạt truyền tương tác giả định của trường hấp dẫn, có tên là graviton. Mặc dù hạt truyền tương tác
này chưa từng được quan sát, nhưng các nhà lý thuyết tiên đoán một cách vững chãi về một số đặc tính cơ
bản mà graviton cần phải có. Và họ rút ra kết luận: lý thuyết dây nguyên sinh thất bại là do các nhà vật
lý hạn chế phạm vi ảnh hưởng của nó. Lý thuyết dây không chỉ dừng lại như là một thuyết của tương tác
http://voer.vn/content/m35957/1.2/