Lý thuyết dây hứa hẹn một khung duy nhất chứa cả hấp dẫn lẫn các lực khác, bằng ý tưởng rằng mọi hạt cơ bản thật ra là những sợi dây năng lượng tí hon, mỗi kiểu dao động là một loại hạt. Nó bị hoài nghi vì sau hơn năm mươi năm, chưa có dự đoán riêng nào của nó được thí nghiệm kiểm chứng.
Chào bạn, đây là Nhà Học Thuật. Ít ý tưởng vật lý nào vừa được yêu mến vừa bị chỉ trích nhiều như lý thuyết dây. Tập này mình kể nó ra đời tình cờ thế nào, nó cho vật lý những gì, và phía phê bình nói gì.
Một lý thuyết sinh ra để giải bài toán khác
Lý thuyết dây ra đời cuối thập niên sáu mươi, không phải để làm hấp dẫn lượng tử. Các nhà vật lý khi ấy đang tìm cách mô tả lực hạt nhân mạnh, và nhận thấy một số công thức khớp với hình ảnh các hạt như những sợi dây nhỏ dao động.
Rồi một lý thuyết khác, sắc động lực học lượng tử, giải thích lực mạnh tốt hơn, và lý thuyết dây suýt bị bỏ quên. Nhưng nó có một đặc điểm khó chịu: luôn xuất hiện một kiểu dao động không khớp với hạt nào của lực mạnh.
Giữa thập niên bảy mươi, John Schwarz và Joël Scherk nhận ra kiểu dao động thừa ấy có đúng các tính chất của graviton, hạt giả định mang lực hấp dẫn. Một lý thuyết thất bại về lực mạnh hoá ra lại tự động chứa hấp dẫn.
Đó là lý do nhiều nhà vật lý thấy nó đẹp: hấp dẫn không bị gắn thêm từ ngoài vào, mà tự mọc ra từ cấu trúc của lý thuyết.
Dây, chiều thêm và hai cuộc cách mạng
Để nhất quán về toán học, lý thuyết siêu dây cần chín chiều không gian cộng một chiều thời gian. Ta chỉ thấy ba chiều, nên sáu chiều còn lại phải cuộn lại cực nhỏ. Cách chúng cuộn quyết định các hạt và lực ta quan sát.
Giữa thập niên tám mươi, Michael Green và John Schwarz chứng minh một số phiên bản không mắc những mâu thuẫn nội tại tưởng chừng chết người. Sự kiện này mở ra làn sóng đầu tiên, nhiều người gọi là cuộc cách mạng siêu dây thứ nhất.
Nhưng có tới năm phiên bản lý thuyết dây khác nhau, điều lạ với thứ tự xưng là duy nhất. Giữa thập niên chín mươi, Edward Witten đề xuất rằng năm phiên bản là năm mặt của một lý thuyết lớn hơn, sống trong mười một chiều, gọi là thuyết M. Bản chất đầy đủ của thuyết M đến nay vẫn chưa ai biết.
Cũng giai đoạn ấy, lý thuyết dây lần đầu đếm được chính xác entropy của một loại lỗ đen, khớp với kết quả Hawking và Bekenstein dự đoán. Với nhiều người, đó là bằng chứng gián tiếp rằng nó đang đi đúng hướng.
Món quà lớn nhất: đối ngẫu của Maldacena
Năm một nghìn chín trăm chín mươi bảy, Juan Maldacena đưa ra một đề xuất đáng kinh ngạc: một lý thuyết hấp dẫn trong một loại không gian cong đặc biệt tương đương hoàn toàn với một lý thuyết lượng tử không có hấp dẫn, sống trên biên của không gian ấy.
Nghĩ như một tấm ảnh ba chiều in trên mặt phẳng: mọi thông tin về khối bên trong được mã hoá trên bề mặt. Ý tưởng này gọi là nguyên lý toàn ảnh, và đối ngẫu của Maldacena là ví dụ cụ thể nhất của nó.
Bài báo của ông trở thành một trong những bài được trích dẫn nhiều nhất trong lịch sử vật lý năng lượng cao. Đối ngẫu này được dùng như một công cụ tính toán cho những hệ khó, từ plasma quark gluon tới một số vật liệu lạ.
Điểm cần lưu ý là không gian trong đối ngẫu ấy khác vũ trụ thật của ta. Làm sao mở rộng nó cho vũ trụ đang giãn nở vẫn là câu hỏi lớn.
Cảnh quan và câu hỏi kiểm chứng
Vấn đề lớn nhất của lý thuyết dây là có quá nhiều cách cuộn sáu chiều thêm. Mỗi cách cho một vũ trụ với định luật khác. Con số ước tính thường được nhắc là một số có hàng trăm chữ số, gọi chung là cảnh quan.
Nếu có ngần ấy khả năng, lý thuyết có vẻ dung nạp được gần như mọi kết quả thí nghiệm, nghĩa là khó bị bác bỏ. Một số nhà vật lý kết hợp cảnh quan với ý tưởng đa vũ trụ và lập luận nhân học: ta thấy hằng số như hiện tại vì chỉ những vũ trụ như vậy mới có người quan sát.
Phía phê bình, nổi bật là hai cuốn sách năm hai nghìn không trăm linh sáu của Lee Smolin và Peter Woit, cho rằng lý thuyết dây đã chiếm quá nhiều nguồn lực của vật lý lý thuyết mà không đưa ra dự đoán kiểm tra được, và lập luận nhân học là từ bỏ tinh thần khoa học.
Những người ủng hộ đáp rằng một lý thuyết về thang Planck tất yếu khó kiểm tra, và lý thuyết dây đã chứng tỏ giá trị qua những gì nó dạy về lỗ đen, về lý thuyết trường lượng tử và về toán học.
Lý thuyết dây đứng ở đâu hôm nay?
Máy gia tốc lớn nhất thế giới chưa thấy dấu hiệu của siêu đối xứng, một tính chất nhiều mô hình dây ưa thích, ở mức năng lượng từng được hy vọng. Điều này làm giảm lạc quan của một số người, dù không bác bỏ lý thuyết dây.
Nhiều nhà nghiên cứu dây ngày nay ít nói về lý thuyết của mọi thứ, và tập trung vào những câu hỏi hẹp hơn: thông tin trong lỗ đen, cấu trúc của không thời gian, liên hệ giữa rối lượng tử và hình học.
Có thể lý thuyết dây cuối cùng là đúng, có thể nó chỉ là bộ công cụ dẫn tới một lý thuyết khác. Lịch sử khoa học có cả hai kiểu kết cục.
Câu hỏi đáng giữ lại có lẽ là: một lý thuyết đẹp mà chưa kiểm tra được thì nên được đầu tư bao nhiêu, và ai quyết định điều đó.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao lý thuyết dây cần nhiều chiều như vậy?
Vì trong ít chiều hơn, các phép tính lượng tử của dây sinh ra những mâu thuẫn nội tại. Số chiều được ấn định bởi yêu cầu nhất quán toán học, không phải được chọn tuỳ ý.
Siêu đối xứng là gì?
Đó là một đối xứng giả định ghép mỗi hạt vật chất với một hạt mang lực và ngược lại. Nếu tồn tại, nó giải quyết được một số vấn đề của vật lý hạt, nhưng đến nay chưa quan sát được hạt siêu đối xứng nào.
Nguyên lý toàn ảnh có nghĩa là vũ trụ là ảo ảnh không?
Không. Nó nói rằng thông tin của một vùng có thể được mã hoá đầy đủ trên biên của vùng đó. Cách mô tả khác nhau, nhưng vật lý bên trong vẫn thật như mọi khi.
Hấp dẫn vòng lượng tử khác lý thuyết dây thế nào?
Hấp dẫn vòng lượng tử chỉ nhắm lượng tử hoá hấp dẫn, không cố gộp mọi lực, và không cần chiều thêm. Lý thuyết dây tham vọng hơn, muốn gộp mọi hạt và lực. Cả hai đều chưa được thực nghiệm xác nhận.
Lý thuyết dây có đóng góp cho toán học không?
Có, rất đáng kể. Nhiều ý tưởng từ lý thuyết dây đã dẫn tới các kết quả mới trong hình học và tô pô, và một số nhà toán học nhận giải thưởng lớn cho những công trình có gốc từ các gợi ý vật lý này.
