Thuyết dây và những sợi tơ vô hình: Sự suy thoái và phục sinh của chìa khóa mở ra không gian đa chiều

Dù thuyết này không giải thích mọi thứ, nhưng qua nhiều thập kỷ, nó vẫn giúp các nhà nghiên cứu khám phá hiện thực. Và câu chuyện vẫn còn tiếp diễn...

Thuyết dây từng là tâm điểm của ngành vật lý. Trong những thập kỷ 80 và 90, thuyết dây hứa hẹn sẽ mở khóa mọi giới hạn của hiện thực. Bắt nguồn từ ý tưởng rằng vật chất và năng lượng được tạo thành từ những sợi dây siêu nhỏ, thuyết dây muốn gắn kết mọi lực lượng thành một thứ gọn gàng. Nhiều nhà vật lý gật đầu đồng ý rằng thuyết dây có thể trở thành lý thuyết cuối cùng. Những ai tin vào thuyết dây cũng tin vào người dẫn đường với hi vọng đưa thuyết dây ra ánh sáng.

Andrew Strominger, một nhà vật lý tại Đại học Harvard, là người dẫn đường bạn đang tìm; ông đã dành nhiều thập kỷ nghiên cứu thuyết dây và vẫn nhớ rõ nhiệt huyết ngày đầu. “Vào thời điểm nổi tiếng của nó, đã có người tuyên bố rằng chúng tôi đã giải quyết hết vấn đề của vật lý và nắm trong tay lý thuyết cuối cùng”, Strominger nhớ lại.

Ông biết rằng, ngay cả trong thời đại của sự phát triển mạnh mẽ trong thập kỷ 80 (cả về văn hóa và khoa học), những tuyên bố như vậy vẫn là sự phóng đại quá mức. Như là một phần của quá trình (cũng như nhiều đột phá khoa học khác), ngày càng có nhiều ý kiến chỉ trích và đánh giá thuyết dây từ những ngày đầu cho đến nay. Đến thời điểm này, vẫn chưa có thí nghiệm nào chứng minh hoặc phủ nhận sự tồn tại của các sợi dây siêu nhỏ.

Phản ứng mạnh nhất có thể đã xuất hiện vào năm 2006, khi một loạt sách và những ý kiến nổi tiếng đã tấn công thuyết dây. Ngày nay, thuyết dây không còn là trung tâm của sự chú ý nhưng vẫn còn tồn tại trong lĩnh vực vật lý và vẫn đang chờ đợi.

“Thuyết dây đang phát triển và trở nên hoàn thiện hơn - chúng ta càng hiểu sâu hơn về nó”, Juan Maldacena, một nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Tiên tiến Princeton, vẫn tin tưởng vào thuyết dây.

Hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu thuyết dây đã chuyển sang tập trung vào các ứng dụng thực tiễn của sợi dây, không còn tập trung vào việc giải thích mọi vấn đề tồn tại mà thay vào đó, họ tập trung vào việc nghiên cứu những gì hiện có ngay bây giờ. Một số người sử dụng thuyết dây để giải quyết các vấn đề trong toán học thuần túy*, trong khi giáo sư Strominger đang nỗ lực để áp dụng thuyết dây vào việc cải thiện hiểu biết về các lỗ đen trong vũ trụ. Nhiều người khác đang sử dụng thuyết dây để nghiên cứu vật lý hạt và các trạng thái vật chất chưa được khám phá.

Tất cả những nỗ lực này có một điểm chung. Giáo sư Strominger lưu ý: thuyết dây có thể không phải là giải pháp cho tất cả, nhưng “nó chắc chắn là một giải thuyết về cái gì đó”.

Những độ sâu chưa được khám phá

Strominger không phải là người theo đuổi con đường đã được vạch ra. Ông từng rời Harvard hai lần trong thập kỷ 70, sống một thời gian ở cộng đồng nhỏ ở Mỹ và Trung Quốc trước khi quay trở lại hành trình học tập; lần này, ông quyết tâm khám phá vũ trụ qua những yếu tố vật lý mới chỉ dừng ở mức lý thuyết. Là một cựu sinh viên tốt nghiệp của MIT, Strominger đã được khuyên tránh những ý tưởng chưa chắc chắn như thuyết dây. Ông từ chối và chọn con đường riêng của mình.

Và mạng lưới của ông đã gặt hái được thành quả. Năm 1995, chỉ ba năm sau khi nhận bằng tiến sĩ, Strominger đã trở thành một trong những tác giả chính trong loạt các nghiên cứu quan trọng, những báo cáo khoa học mà sau này được biết đến như là “cách mạng dây đầu tiên”.

Trọng tâm của thuyết dây nằm ở việc các dây, được coi là đơn vị cơ bản nhất của tự nhiên, dao động trong một không gian có khoảng từ 10 đến 11 chiều. Ba chiều không gian mà chúng ta biết cộng với thời gian tạo ra một chiều thứ tư, ngụ ý rằng có tới 6-7 chiều không gian khác đang tồn tại ẩn trong đó, có lẽ chúng co lại đến mức chúng ta không thể nhìn thấy được bằng cách thông thường.

Những chiều không gian nhỏ cần được nén theo cách cụ thể để tạo ra các hiện tượng vật lý mà chúng ta quan sát được, và Strominger cùng các đồng nghiệp tin rằng không gian Calabi-Yau, một đối tượng toán học tồn tại trong không gian 6 chiều, có thể đại diện cho cách nén các chiều không gian đặc biệt này. Khối lượng của một hạt, cường độ của một lực hoặc bất kỳ đo lường cơ bản nào đều phụ thuộc vào hình dáng hình học của không gian nhiều chiều này.

Không lâu sau khi ý tưởng về “không gian Calabi-Yau” ra đời, các nhà thuyết dây đã đạt được một phát hiện mới. Bằng cách quay không gian Calabi-Yau theo một cách đặc biệt, họ có thể tạo ra một hình ảnh phản chiếu mặc dù có hai hình dáng khác nhau. Điều làm các nhà khoa học kinh ngạc là dường như hai hình ảnh không gian Calabi-Yau có một mối quan hệ ẩn và cùng tạo ra một loại vật lý. Hiện tượng này được gọi là “đối xứng phản chiếu”.

Các nhà khoa học nhanh chóng nhận ra tiềm năng của hiện tượng kỳ lạ này: họ có thể áp dụng nó để giải quyết thành công nhiều bài toán toán học làm đau đầu nhất trong lịch sử. Năm 1991, nhà vật lý Philip Candelas và các đồng nghiệp đã sử dụng đối xứng phản chiếu để giải quyết bài toán nổi tiếng, qua đó đếm được số hình cầu có thể đặt vào một không gian Calabi-Yau.

Các chuyên gia toán học nhận ra tầm quan trọng của các cánh đồng mà không gian Calabi-Yau mở ra, và ngay lập tức bắt tay vào thử nghiệm áp dụng đối xứng phản chiếu để giải quyết các bài toán liệt kê trong hình học, chủ yếu là việc đếm số đoạn thẳng và đường cong hiện có trong các bề mặt phức tạp và trong không gian ba chiều. Đối xứng phản chiếu đã mang lại sức sống mới cho lĩnh vực hình học không gian, và các nghiên cứu tiếp tục được thực hiện với sự quyết tâm không ngừng nghỉ.

“Trong những năm gần đây, các tiến triển đã tổng hợp ý tưởng này thành một công thức phức tạp duy nhất. Các khía cạnh hình học, số học và vật lý của đối xứng phản chiếu đang bắt đầu hoàn hợp với nhau”, nhà toán học Bong Lian tại Đại học Brandeis nhận định.

Thêm phát hiện mới về hố đen

Mặc dù Strominger là một trong những tác giả sử dụng toán học để giải thích cơ chế của đối xứng phản chiếu, trong hai thập kỷ qua, ông đã sử dụng thuyết dây để nghiên cứu về hố đen vũ trụ. Strominger và Cumrun Vafa cùng nhau khám phá phát hiện bí ẩn được hai nhà vật lý học Jacob Bekenstein và Stephen Hawking phát hiện từ thập niên 70.

Trước đây, các nhà khoa học nghĩ rằng hố đen là một đối tượng đơn giản - về cơ bản chỉ là một cái hố trong không gian, có thể mô tả bằng ba thuộc tính: khối lượng, quay và điện tích. Bằng cách sử dụng lý thuyết tương đối, lý thuyết lượng tử và nhiệt động lực học, Bekenstein và Hawking đã viết ra một công thức cho thấy hố đen chứa một lượng entropy lớn, ngạc nhiên, đề cập đến sự phức tạp bên trong hố đen.

Nói một cách khác, cấu trúc bên trong hố đen vô cùng phức tạp và có thể tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau. Công thức Bekenstein - Hawking tính ra một con số entropy cụ thể, xác định các trạng thái bên trong hố đen mà không cần chỉ ra cụ thể trạng thái đó là gì.

Năm 1996, Strominger và Vafa sử dụng thuyết dây để giải thích các yếu tố micro của hố đen. Cách tiếp cận của họ để hiểu bên trong hố đen (cũng giống như phương pháp của giáo sư Candelas) tương tự như việc đếm số hình cầu trong không gian Calabi-Yau. Kết quả mà Strominger và Vafa đưa ra hoàn toàn tương thích với công trình của Bekenstein và Hawking. Đây là một thành tựu lớn của thuyết dây, vì nó có thể cho chúng ta cái nhìn sâu hơn vào bên trong hố đen, một nhiệm vụ mà cho đến nay không thuyết nào làm được.

Strominger tiếp tục nghiên cứu sâu hơn. Công trình mà ông và giáo sư Vafa thực hiện đã chỉ ra rằng một hố đen quay nhanh mang đặc tính “đối xứng bảo giác - conformal symmetry”, nghĩa là kích thước của hố đen không ảnh hưởng đến một số đặc tính của nó. Một số “góc” của hố đen vẫn giữ nguyên dù khoảng cách giữa hai điểm thay đổi.

Giáo sư Strominger nhận ra rằng tính đối xứng chưa từng được khám phá này có thể là cơ sở của nhiều dự đoán. Ví dụ, ông và các đồng nghiệp đang tính toán cường độ của sóng điện từ từ vùng không gian gần hố đen. Ông tin rằng khi dàn Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện được hoàn thành, các nhà thiên văn sẽ có thể đo lường để xác định xem ước tính về sóng đó có chính xác hay không.

Sử dụng kỹ thuật tương tự (mà thuyết dây đã giúp hình thành), nhóm nghiên cứu của Strominger tính toán phổ cảm quan của sóng hấp dẫn phát sinh khi một vật thể rơi vào hố đen. Khi Ăng-ten Không gian Giao thoa kế Laser Tiên tiến được hoàn thành, họ hy vọng có thể kiểm tra những ước tính này. Đài quan sát Sóng Hấp dẫn bằng Giao thoa kế Laser (LIGO) cũng có thể đóng góp cho nghiên cứu này.

Sớm thôi, các nhà thiên văn sẽ phải xử lý một lượng dữ liệu lớn mà không có đủ thời gian để phân tích. “Chúng tôi hi vọng có thể áp dụng các ý tưởng từ thuyết dây để khám phá thêm”.

Một cách tích phân mới đã xuất hiện

Trong khi đó, các nhà vật lý khác đang áp dụng phương pháp lấy cảm hứng từ thuyết dây để nghiên cứu các trạng thái cực đoan của vật chất, từ các plasma siêu nóng trong máy gia tốc hạt đến vật liệu tổng hợp ở nhiệt độ gần tuyệt đối.

Nhà nghiên cứu Andrew Green từ Đại học College London, dù không hẳn là người tin vào thuyết dây, nhưng anh nhận thấy nó đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu toán học mới có thể áp dụng vào nhiều lĩnh vực vật lý.

Nhiều phương pháp này liên quan trực tiếp đến hình học nhiều chiều hơn 3. Green gọi thuyết dây là “môn vi tích phân mới” và tin rằng ý tưởng từ thuyết dây sẽ trở thành tiêu chuẩn trong vật lý lý thuyết.

Giáo sư Strominger đồng ý với ý kiến trên. Dù thuyết dây không phải là lý thuyết tổng quát của vật lý, ông vẫn coi nó là một bước khởi đầu cho một lý thuyết vạn vật. Thuyết dây đã chứng minh là một công cụ hiệu quả để ghép nối những khía cạnh không tương thích của vật lý.

Tham khảo DiscoverMag