Lý thuyết dây (String theory) và sự cố gắng của nhân loại ?

Bài viết này được trích trong câu trả lời của mình về câu hỏi : "Đa vũ trụ có thật không ?" https://noron.vn/post/97249675912505667

Vào năm 1919, một nhà toán học Đức gần như không ai biết tới tên Theodor Kaluza gợi ra một ý tưởng rất táo bạo và, trong một chừng mực nào đó, vô cùng kỳ quái. Ông cho rằng vũ trụ của chúng ta có thể thực ra có nhiều hơn ba chiều mà chúng ta đã biết. Tức là ngoài trái, phải, trước, và lên, xuống, Kaluza đề xuất rằng có thể có những chiều khác của không gian mà vì một số lý do chúng ta chưa thể thấy chúng. Bây giờ, khi ai đó đưa ra một ý tưởng táo bạo và kỳ quái, đôi khi nó chỉ đơn giản là táo bạo và kỳ quái, nhưng nó chẳng hề có quan hệ gì đối với thế giới quanh ta. Năm 1907 Einstein tắm mình trong hào quang của việc khám phá ra thuyết tương đối và quyết định theo đuổi một dự án mới -- cố gắng để hiểu rõ trường lực khổng lồ và rộng khắp của lực hấp dẫn. Và trong thời điểm đó, có rất nhiều người xung quanh cho rằng dự án đã được giải quyết từ trước đó. 

Newton đã trình bày cho thế giới thuyết về lực hấp dẫn vào cuối thế kỷ 17 nó hiệu quả, mô tả được sự chuyển động của các hành tinh, chuyển động của mặt trăng và kể cả chuyển động giả của quả táo rơi từ trên cây, trúng đầu người bên dưới.Tất cả đều có thể được mô tả sử dụng thành quả của Newton.Nhưng Einstein nhận ra rằng Newton đã bỏ sót vài điều, bởi vì chính Newton đã viết rằng mặc dù ông hiểu cách tính toán tác dụng của lực hấp dẫn, ông đã không tìm hiểu được cách thức hoạt động của nó. 

Làm thế nào mà Mặt trời, cách xa 93 triệu dặm (~149,67 triệu km), lại có thể tác động tới chuyển động trên Trái đất? Làm thế nào mà Mặt trời vượt qua khoảng chân không trơ trụi và gây tác động? Và đó là nhiệm vụ mà Einstein đặt ra cho bản thân --tìm hiểu cách hoạt động của từ trường. Einstein tìm ra rằng trung gian trung chuyển lực hấp dẫn chính là không gian. Ý tưởng là thế này: Hãy tưởng tượng không gian là giá đỡ của vạn vật.Einstein cho rằng không gian phẳng mịn, nếu không có vật chất hiện hữu. Nhưng nếu có vật chất trong môi trường, ví dụ như Mặt trời, nó khiến các sợi không gian oằn xuống và uốn cong. Và sự uốn khúc này truyền lực hấp dẫn. Ngay cả Trái đất cũng làm cong không gian quanh no. Bây giờ xét tới mặt trăng. Mặt trăng được giữ trong quỹ đạo, theo các ý tưởng này thì, bởi vì nó lăn trong một máng trong môi trường cong mà Mặt trời, mặt trăng, và trái đất đều có thể tự tạo bởi chính sự tồn tại của chúng. Chúng ta đi đến một cái nhìn toàn cảnh cho vấn đề này. Trái đất giữ được quỹ đạo bởi nó lăn trong một máng trong môi trường cong tạo bởi sự tồn tại của mặt trời. Đây là quan niệm mới về cách hoạt động của lực hấp dẫn.

Bây giờ, quan niệm này được kiểm chứng vào năm 1919 qua các quan sát thiên văn Nó thực sự hiệu dụng. Nó mô tả được các số liệu. Và điều này khiến cho tên tuổi Einstein được biết đến trên toàn thế giới. Và nó khiến cho Kaluza suy nghĩ. Ông, cũng như Einstein, đã tìm kiếm thứ chúng ta gọi là "Thuyết đồng nhất" Đó là một giả thuyết mà có thể diễn tả toàn bộ các lực tự nhiên từ một nhóm quan điểm, một nhóm nguyên lý, một phương trình tổng thể, nếu có thể. Vì thế Kaluza tự nói với mình, Einstein đã thành công trong việc mô tả lực hấp dẫn qua sự uốn khúc của không gian -- thực ra là, không gian và thời gian.

Lý thuyết siêu dây - Nó là một lý thuyết tập trung trả lời câu hỏi: đâu là những phần tử căn bản không còn phân tách ra được tạo ra thế giới vật chất? Quan niệm đó là như thế này: Hãy tưởng tượng chúng ta quan sát những vật thông thường, như ngọn nến trong giá cắm, và tưởng tượng là chúng ta muốn biết nó làm từ gì. Vì thế chúng ta đi sâu vào bên trong và khám phá các phần tử. sâu vào bên trong -- chúng ta đều biện nếu vào đủ sâu chúng ta sẽ thấy các nguyên tử. Chúng ta đều biết rằng các hạt nguyên tử không phải là điểm cuối cùng. Chúng có những đám mây electron di chuyển xung quanh hạt nhân trung tâm gồm các neutron và proton. Thậm chí các neutron và proton lại chứa những hạt nhỏ hơn chúng ở bên trong gọi là hạt quark Đó là điểm cuối các quan niệm thường gặp.

Đây là quan điểm mới của lý thuyết dây. Sâu bên trong các hạt phân tử, còn có những thứ khác. Thứ khác này nhảy nhót trong các sợi năng lượng. Nó trông như một sợi dây dao động -- đó là nơi bắt nguồn của lý thuyết dây. Cũng giống như các sợi dây mà bạn nhìn thấy trên chiếc đàn cello có thể rung theo các hình thức khác nhau, các dây năng lượng này cũng dao động theo các hình thức khác nhau. Chúng không tạo ra các nốt nhạc khác nhau. Tuy nhiên chúng tạo ra các phân tử khác nhau cấu thành nên thế giới vật chất. Vì thế nếu những quan niệm này đúng, đây là khung cảnh siêu vi của vũ trụ. Nó được xây dựng bởi một số lượng lớn các sợi năng lượng dao động siêu nhỏ, dao động với các tần số khác nhau. Những tần số khác nhau này tạo ra các phân tử khác nhau. Các phân tử khác nhau này chịu trách nhiệmlàm nên cuộc sống giàu màu sắc quanh ta.

Và đó bạn thấy được sự đồng nhất, bởi vì những phân tử vật chất, electron và quark, phân tử phóng xạ, photon, graviton, đều được tạo nên từ một thực thể. Vì thế vật chất và các lực tự nhiên đặt cạnh nhau trong luận đề về các dây dao động. Và đó là điều mà chúng tôi muốn nói khi nhắc tới Đồng nhất thuyết. Đây là phần thu hút. Khi bạn nghiên cứu về toán ứng dụng trong lý thuyết dây, bạn nhận ra rằng nó không hiệu quả trong một vũ trụ chỉ có ba chiều không gian. Nó cũng không hiệu quả trong một vũ trụ có bốn, năm, hoặc sáu chiều. Cuối cùng, bạn có thể nghiên cứu các phương trình, cho thấy rằng nó đúng chỉ khi đặt trong không gian 10 chiều. và một chiều thời gian. Nó đưa chúng ta về với quan điểm của Kaluza và Klein -- và thế giới của chúng ta, khi được mô tả chính xác, có nhiều chiều hơn những chiều ta thấy.

Nó kéo theo một câu hỏi: có phải chúng ta đang cố giấu đi các chiều không gian khác đó, hoặc chúng đang nói với chúng ta điều gì đó về thế giới? Điều đầu tiên, rất nhiều người trong chúng ta tin rằng những chiều không gian khác chứa đựng câu trả lời cho câu hỏi có lẽ là sâu sắc nhất của vật lý lý thuyết và khoa học lý thuyết. Và câu hỏi đó là: khi chúng ta nhìn vào thế giới vật chất, như các nhà khoa học đã làm hàng trăm năm qua, có khoảng 20 hằng số mô tả vũ trụ. Ví như khối lượng phân tử, như electron và quark, độ lớn lực hấp dẫn, độ lớn của lực điện từ -- một danh sách gồm khoảng 20 con số được đo đạc với độ chính xác đến kinh ngạc, nhưng không ai có lời giải thích được tại sao những con số đó lại có giá trị như vậy.

Vậy, liệu lý thuyết dây có cho câu trả lời? Chưa đâu. Nhưng câu trả lời cho câu hỏi về giá trị của những con số có thể dựa trên dạng của những chiều không gian thêm này. Và điều tuyệt vời là, nếu những con số này có giá trị sai khác so với các số liệu sẵn có,vũ trụ mà chúng ta biết sẽ chẳng hề tồn tại. Đây là một câu hỏi chuyên sâu. Tại sao những con số đó lại vừa vặn đủ để các ngôi sao phát sáng và các hành tinh được hình thành, khi chúng ta làm lộn xộn các con số này, thì bất cứ thay đổi nhỏ nào cũng khiến vũ trụ biến mất. Vậy liệu chúng ta có thể giải thích 20 con số đó? Và lý thuyết dây gợi ý rằng 20 con số đó liên quan tới các chiều không gian khác. Khi chúng ta nói về các chiều không gian khác nhau trong lý thuyết dây, nó không chỉ là một chiều không gian khác, như trong quan điểm cũ của Kaluza và Klein. Đây là những gì lý thuyết dây nói về các chiều không gian khác. Chúng gồm những dạng hình học đan xen dày đặc.

Vì thế nếu chúng ta biết chính xác các chiều không gian trông như thế nào -- chúng ta chưa biết, nhưng nếu ta biết -- chúng ta có thể tính toán được các nốt có thể chơi được, hay các dang thù hình dao động. Và nếu chúng ta có thể tính toán các thù hình dao động tồn tại,chúng ta có thể tính được 20 con số kia. Và nếu câu trả lời thu được từ các phép tính trùng khớp với giá trị của các con số đó đã được định trước qua các thỉ nghiệm tỉ mỉ, chính xác,trong nhiều trường hợp đó có thể là giải thích cơ sở về cấu trúc của vũ trụ. Vấn đề thứ hai muốn giải quyết đó là: làm thế nào để kiểm chứng về các chiều không gian này một cách trực tiếp hơn? Liệu đây chỉ là một cấu trúc toán học thú vị có thể giải thích một vài chi tiết chưa giải thích được của thế giới, hay chúng ta có thể thực chất kiểm chứng những chiều không gian này? Và tôi nghĩ cần nhiều năm nữa để kiểm chứng sự tồn tại của những chiều không gian này.

Để kiểm chứng thuyết siêu dây hay thuyết M của Stephen Hawking chúng ta cần máy tính lượng tử, cái mà có thể tính toán gấp gấp rất nhiều lần máy tính bây giờ. Vì vậy đây là vấn đề của tương lai, và chúng ta đang cố gắng hết sức để làm điều này.

Nguồn tham khảo:

[1]: 

[2]: