Thuyết dây và việc giải thích tận
cùng vũ trụ (phần 1)
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.
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