Lý thuyết dây

Lý thuyết dây là một lý thuyết hấp dẫn về lượng tử, được xây dựng để thống nhất tất cả các hạt cơ bản và các lực cơ bản của tự nhiên, bao gồm cả lực hấp dẫn. Các nhà vật lý lý thuyết hiện đại đặt rất nhiều kỳ vọng vào lý thuyết này vì nó có thể giải quyết những vấn đề như tính đối xứng trong tự nhiên, hiệu ứng lượng tử ở các lỗ đen, cũng như ở các điểm kỳ dị, sự tồn tại và phá vỡ siêu đối xứng... Nó cũng mở ra những khía cạnh mới trong cơ học lượng tử, không gian và thời gian. Trong lý thuyết dây, tất cả các lực và các hạt được miêu tả bằng một cách hình học tinh tế, như mong muốn của Einstein về việc xây dựng tất cả từ khung hình học của không gian-thời gian.

Lý thuyết dây dựa trên các giả thiết được xây dựng ở thang Planck, nơi mà các hiệu ứng lượng tử của hấp dẫn trở nên rõ rệt, và nơi mà các hạt được xem như những dây một chiều. Khác với quan điểm của lý thuyết hạt, lý thuyết dây bị ràng buộc bởi các tương tác, các siêu đối xứng và các nhóm gauge. Thực tế cho thấy rằng tất cả các hạt đã biết có thể được mô tả bằng các dao động của dây và các tương tác giữa chúng có thể được biểu diễn bằng cách cắt và nối các khung hình học của các dây.

Hiện nay, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các màng D (D-branes). Màng D là một loại đa tạp của không gian-thời gian, trong đó các dây có thể là điểm đầu hoặc điểm cuối. Các nghiên cứu này mở ra những triển vọng mới trong lĩnh vực lý thuyết dây.

Khác với lý thuyết hấp dẫn siêu hấp dẫn, thuyết dây là một lý thuyết hấp dẫn lượng tử có nền tảng toán học vững chắc, và các nhà lý thuyết hy vọng có thể đo giá trị của hằng số vũ trụ dựa trên tiên đề của nó. Mặt khác, số lượng trạng thái chân không, một khái niệm được đưa ra trong lý thuyết này, dường như rất lớn, và các nhà lý thuyết tin rằng không có trạng thái nào phù hợp với không gian ba chiều lớn mà chúng ta sống, sự phá vỡ siêu đối xứng, hoặc sự tồn tại của một hằng số vũ trụ nhỏ. Hiện tại, có nhiều lý do để tin rằng trạng thái chân không trong thuyết dây tồn tại dưới dạng cặp, nhưng kết quả không như mong đợi của các nhà lý thuyết, có thể là do các vấn đề kỹ thuật chứ không phải từ ý tưởng.

Lý thuyết dây tồn tại dựa trên tiên đề, ví dụ như số chiều của nó có thể lớn hơn 4 chiều của không gian-thời gian mà chúng ta biết. Việc nghiên cứu sự đối ngẫu trong các đối xứng đã dẫn đến 5 thuyết siêu dây khác nhau, mỗi thuyết đều có không gian 10 chiều, gồm 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 trong thuyết siêu dây 11 chiều, hay còn gọi là thuyết M. Trong mỗi dạng này, kết quả không gian không được gọn gàng tối đa, các không gian phẳng, cùng với một trạng thái chân không ổn định, nơi sự siêu đối xứng được duy trì. Để thuyết này gần gũi hơn với tự nhiên, các chiều không gian bổ sung cần phải được compact hóa trên một đa tạp, nơi mà tensor Ricci bị loại bỏ. Nếu SUSY - siêu bảo toàn, thì năng lượng chân không sẽ là 0. Thực tế, tồn tại một không gian các trạng thái như vậy, được gọi là không gian moduli.

Thuyết dây có thể không thể mô tả được thế giới tự nhiên, vì để mô tả thế giới của chúng ta, các siêu đối xứng trong thuyết dây phải bị phá vỡ như đã chỉ ra trong thực nghiệm sự không hoàn hảo của tấm gương vạn vật CP. Tuy nhiên, thuyết dây có thể giải quyết được vấn đề về hằng số vũ trụ tồn tại từ lâu, như những ý tưởng được đặt ra trong lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng hoặc sự kết hợp của các hạt graviton. Các nhà vật lý tin rằng cần có một sự hiểu biết sâu sắc hơn về vật lý cơ bản để có thể mô tả được tính chất của trạng thái chân không trong khi thuyết dây chỉ có thể mô tả được những trạng thái siêu đối xứng.

Lịch sử của lý thuyết dây

Năm 1968, Gabriele Veneziano, một nhà vật lý trẻ người Ý, đã dành rất nhiều thời gian để tìm kiếm giải thích phù hợp cho các đặc tính khác nhau của lực hạt nhân mạnh. Khi đó, ông đang làm việc tại trung tâm nghiên cứu hạt nhân CERN ở Geneva, Thụy Sĩ. Sau nhiều năm nghiên cứu, ông bỗng nhớ đến một phát hiện đặc biệt. Ông ngạc nhiên khi nhận ra rằng công thức toán học của nhà toán học người Thụy Sĩ Leonard Euler, được biết đến với tên gọi Hàm Beta Euler, xây dựng từ hơn hai trăm năm trước đó với mục đích thuần túy là toán học, lại có thể mô tả được nhiều đặc tính của các hạt tham gia vào tương tác mạnh. Phát hiện của Veneziano đã hợp nhất một cách hiệu quả các đặc điểm này bằng những công cụ toán học phù hợp, bao gồm cả Hàm Beta và các biến thể tổng quát của nó, để mô tả chuỗi dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, phát hiện của Veneziano vẫn chưa hoàn chỉnh, giống như một công thức mà một sinh viên có thể ghi nhớ nhưng chưa thực sự hiểu sâu xa ý nghĩa của nó. Hàm Beta Euler sau đó đã được sử dụng rất thành công, mặc dù vào thời điểm đó không ai hiểu tại sao nó lại hoạt động như vậy.

Một số nhà vật lý cho rằng thuyết dây đã bị loại bỏ khỏi cuộc đua khoa học, nhưng vẫn có một số ít nhà khoa học vẫn kiên trì với quan điểm này. Trong số đó, Schwarz cho rằng 'cấu trúc toán học của lý thuyết dây rất tinh tế và có nhiều đặc tính tuyệt vời, do đó nó nên hướng đến một điều gì đó cực kỳ cơ bản'. Một trong những điểm yếu của lý thuyết dây mà các nhà vật lý đã phát hiện là phạm vi ảnh hưởng của nó lớn hơn nhiều so với những gì họ đã nghĩ. Vì lý thuyết dây bao gồm những mô hình dao động của dây và có mối liên hệ chặt chẽ với gluon, nên ban đầu nó đã được tuyên bố quá sớm là lý thuyết về tương tác mạnh. Nhưng điều này không chỉ đơn thuần như vậy, lý thuyết dây còn bao gồm cả những hạt truyền tương tác khác, những hạt mà các thí nghiệm không thể quan sát trong tương tác mạnh.

Năm 1974, Schwarz và Joel Scherk từ Trường Cao đẳng Sư phạm Paris đã thực hiện một bước nhảy vọt bằng cách biến đổi những nhược điểm bề ngoài của lý thuyết dây thành những ưu điểm rõ ràng hơn. Họ nghiên cứu các đặc tính của những mô hình dao động và nhận ra rằng những tính chất này hoàn toàn phù hợp với hạt giả định của trường hấp dẫn, được gọi là graviton. Mặc dù hạt giả định này chưa từng được quan sát trực tiếp, những nhà lý thuyết đã dự đoán rõ ràng về một số đặc tính cơ bản mà graviton phải có. Và họ kết luận rằng: lý thuyết dây ban đầu không thất bại vì các nhà khoa học đã giới hạn phạm vi ảnh hưởng của nó. Lý thuyết dây không chỉ dừng lại là một lý thuyết về tương tác mạnh, mà nó còn là một lý thuyết về hấp dẫn lượng tử.

Tuy nhiên, cộng đồng các nhà vật lý quyết định không chấp nhận ý kiến của hai nhà khoa học này. Schwarz đã khẳng định rằng 'công trình của chúng tôi hoàn toàn không được công nhận'. Con đường thống nhất hấp dẫn với cơ học lượng tử đã phải đối mặt với nhiều thất bại. Lý thuyết dây ban đầu không thành công trong việc miêu tả tương tác mạnh, và thất bại này đã khiến nhiều người hoài nghi hơn về mục tiêu của nó, đó là thống nhất thuyết tương đối rộng của Einstein và cơ học lượng tử thành một.

Đầu những năm 1980, các kết quả thực nghiệm một lần nữa chỉ ra sự xung đột giữa lý thuyết dây và cơ học lượng tử, với nguyên nhân chính là lực hấp dẫn vẫn ngăn cản sự hợp nhất trong mô hình lượng tử mô tả vũ trụ.

Mọi chuyện không được khả quan hơn cho đến năm 1984, khi trong một bài báo hội tụ sau 12 năm nghiên cứu căng thẳng, Michael Green và John Schwarz cùng nhau giải quyết những xung đột tiêu cực ảnh hưởng đến lý thuyết dây. Hơn nữa, họ đã chứng minh rằng lý thuyết dây của họ có khả năng bao quát tất cả các lực tự nhiên và vật chất cơ bản. Tin đồn về thành công này lan truyền rộng rãi trong cộng đồng vật lý học trên toàn cầu, kích thích hàng trăm nhà vật lý hạt từ bỏ dự án hiện tại để tham gia vào một cuộc tấn công lớn hơn, với niềm tin rằng đây sẽ là cuộc chiến cuối cùng để khám phá những bí ẩn của vũ trụ.

Từ năm 1984 đến 1986 được biết đến như là 'cách mạng lần đầu tiên của lý thuyết dây'. Trong vòng 3 năm, hơn 1000 bài báo nghiên cứu về lý thuyết dây đã được xuất bản bởi các nhà vật lý trên toàn thế giới. Những nghiên cứu này đã một lần nữa phần nào giải quyết những thách thức mà mô hình chuẩn còn bỏ ngỏ, những thử thách mà nếu không có lý thuyết dây, có lẽ sẽ mất thập kỷ để giải quyết. Theo Michael Green, khi người ta làm quen với lý thuyết dây, họ sẽ nhận thấy rằng hầu hết các thành tựu vĩ đại nhất của vật lý trong thế kỷ qua đã xuất hiện, và tất nhiên là sẽ cùng với vẻ đẹp thanh nhã của nó. Lý thuyết dây đã giải thích một cách đầy đủ và hài lòng hơn so với mô hình chuẩn. Những tiến bộ này đã thuyết phục nhiều nhà vật lý tin rằng lý thuyết dây đang tiến đến đúng hướng, với mục tiêu cuối cùng là trở thành một lý thuyết thống nhất.

Tuy nhiên, lý thuyết dây lại phải đối mặt với một thử thách lớn. Trong quá trình nghiên cứu vật lý lý thuyết, người ta thường gặp phải những phương trình rất khó hiểu và phức tạp. Các nhà vật lý thường không từ bỏ, họ cố gắng giải quyết chúng bằng các phương pháp xấp xỉ. Tuy nhiên, tình hình trong lý thuyết dây còn phức tạp hơn nhiều. Ngay cả việc xác định các phương trình cơ bản cũng rất khó khăn, và kết quả chỉ là các phương trình gần đúng. Vì vậy, các nhà lý thuyết dây phải tìm kiếm các giải pháp gần đúng cho những phương trình này. Sau một vài năm tiến bộ đáng kể trong cách mạng lý thuyết dây lần thứ nhất, các nhà vật lý nhận ra rằng việc giới hạn sự tiến bộ bằng các phương pháp gần đúng không đủ để giải quyết những vấn đề cơ bản, và điều này yêu cầu phải có những bước tiến mới.

Năm 1995, trong bài thuyết trình tại Hội nghị Siêu Dây ở Đại học Nam California, một bài diễn thuyết đã làm cho các chuyên gia hàng đầu về lý thuyết dây như Edward Witten phải ngạc nhiên, đánh dấu cách mạng Siêu Dây lần thứ hai. Từ đó, các nhà khoa học đã cố gắng hết sức để khám phá những phương pháp tiên tiến mới.

Những thử thách phía trước sẽ thúc đẩy các nhà vật lý dây trên toàn cầu, dù vẫn còn nhiều khó khăn, nhưng ánh sáng cuối đường hầm sẽ không thể chối từ.

Các khái niệm cơ bản

Dây là một khái niệm vật lý cơ bản chỉ đến một chiều vật thể, mà các dao động của nó tạo ra các hạt cơ bản với các tính chất riêng. Mỗi hạt không giống như các phần tử không thể chia tách, mà nó được coi như là một vòng dây đơn giản đóng tròn.

Thuyết Siêu Dây

Liên kết ngoài

Lý thuyết Dây (Vật lý) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)