Hai lý thuyết này chưa hợp nhất được vì chúng nhìn thế giới theo hai cách gần như trái ngược. Thuyết tương đối rộng xem không thời gian là một thứ trơn tru, tự cong lại theo vật chất. Cơ học lượng tử xem mọi đại lượng đều dao động ngẫu nhiên, nhưng lại cần một sân khấu không thời gian cố định để diễn. Khi cố cho chính không thời gian dao động kiểu lượng tử, các phép tính sinh ra những vô hạn không thuần hoá được.
Chào bạn, đây là Nhà Học Thuật. Đây có lẽ là bài toán lớn nhất của vật lý lý thuyết hiện nay. Tập này mình không đọc công thức nào, chỉ kể vì sao hai người khổng lồ không chịu bắt tay nhau.
Hai lý thuyết, hai thế giới
Thuyết tương đối rộng của Einstein, hoàn thành năm một nghìn chín trăm mười lăm, mô tả hấp dẫn không phải như một lực kéo, mà là độ cong của không thời gian. Mặt Trời làm cong không thời gian quanh nó, Trái Đất chỉ đi theo con đường thẳng nhất có thể trên mặt cong ấy.
Cơ học lượng tử, hình thành trong những năm hai mươi, mô tả thế giới rất nhỏ. Ở đó, một hạt không có vị trí xác định cho tới khi được đo, năng lượng đến từng gói, và mọi dự đoán đều là xác suất.
Cả hai đều được kiểm chứng tới độ chính xác đáng kinh ngạc. Định vị vệ tinh phải tính tới hiệu ứng tương đối. Mọi con chip trong điện thoại hoạt động nhờ hiểu biết lượng tử. Không lý thuyết nào sai trong lãnh thổ của mình.
Vấn đề chỉ nổ ra ở biên giới, nơi vừa có hấp dẫn cực mạnh vừa có kích thước cực nhỏ.
Vì sao không ghép được như các lực khác?
Ba lực còn lại, điện từ, lực hạt nhân mạnh và yếu, đều đã được đưa vào khung lượng tử. Cách làm chung là xem lực như những hạt trao đổi qua lại trên nền không thời gian phẳng. Ai cũng nghĩ hấp dẫn sẽ được xử lý tương tự, với một hạt giả định gọi là graviton.
Khi làm vậy, phép tính gặp những đại lượng vô hạn. Với các lực khác, vô hạn cũng xuất hiện, nhưng có một thủ thuật hợp lệ gọi là tái chuẩn hoá để gom chúng lại, chỉ cần vài con số đo từ thí nghiệm. Với hấp dẫn, càng tính chính xác càng phải thêm vô số con số mới, nên lý thuyết mất hết khả năng dự đoán ở năng lượng cao.
Lý do sâu hơn nằm ở bản chất. Trong tương đối rộng, không thời gian không phải sân khấu, nó là một diễn viên. Một lý thuyết lượng tử của hấp dẫn phải để chính sân khấu dao động, chồng chập nhiều hình dạng. Ngay cả khái niệm thời gian trôi cũng trở nên mù mờ.
Đây được gọi là bài toán thời gian trong hấp dẫn lượng tử, và nó là một trong những câu hỏi khó nhất về mặt khái niệm.
Thang Planck: nơi hai lý thuyết va nhau
Có một thang chiều dài mà ở đó cả hai hiệu ứng ngang ngửa nhau, gọi là chiều dài Planck. Nó nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử khoảng một trăm tỷ tỷ lần, nhỏ đến mức không máy gia tốc nào có thể dò tới trực tiếp.
Hai nơi trong vũ trụ chắc chắn chạm tới thang này: tâm của lỗ đen và khoảnh khắc đầu tiên của vụ nổ lớn. Tại đó, tương đối rộng dự đoán mật độ vô hạn, một dấu hiệu mà hầu hết nhà vật lý hiểu là lý thuyết đã vượt ra ngoài phạm vi đúng của nó.
Một lý thuyết hấp dẫn lượng tử tốt được kỳ vọng sẽ thay những điểm vô hạn ấy bằng mô tả hợp lý, có thể cho biết điều gì thật sự xảy ra trong lỗ đen hay trước vụ nổ lớn, nếu câu hỏi đó có nghĩa.
Một manh mối quan trọng là bức xạ Hawking: tính toán kết hợp hai lý thuyết một cách gần đúng cho thấy lỗ đen phải phát ra bức xạ và bốc hơi dần. Kết quả này được tin rộng rãi về mặt lý thuyết, dù chưa quan sát được.
Những ứng viên đang cạnh tranh
Lý thuyết dây là ứng viên được theo đuổi nhiều nhất. Nó thay hạt điểm bằng những sợi dây năng lượng nhỏ xíu, và graviton tự nhiên xuất hiện như một kiểu dao động của dây. Nhưng nó đòi thêm chiều không gian và chưa có dự đoán nào kiểm tra được.
Hấp dẫn vòng lượng tử đi theo hướng ngược lại: bắt đầu từ chính tương đối rộng và lượng tử hoá hình học, cho rằng không gian có cấu trúc dạng hạt ở thang nhỏ nhất. Hướng này giữ tinh thần không có sân khấu cố định, nhưng gặp khó khi tìm lại bức tranh không thời gian trơn quen thuộc ở thang lớn.
Ngoài ra còn nhiều hướng nhỏ hơn: những mô hình cho rằng không thời gian được ghép từ các sự kiện rời rạc, những đề xuất cho rằng hấp dẫn tự trở nên dễ chịu ở năng lượng cao, và cả quan điểm cho rằng hấp dẫn có thể không cần lượng tử hoá.
Giới chuyên môn chưa có đồng thuận. Mỗi hướng có những thành tựu toán học đáng kể, nhưng không hướng nào được thí nghiệm xác nhận.
Thí nghiệm có thể giúp gì?
Vì thang Planck quá nhỏ, nhiều người từng nghĩ hấp dẫn lượng tử mãi là chuyện của giấy bút. Gần đây quan điểm ấy đang đổi. Một số nhóm đề xuất thí nghiệm để bàn: đặt hai vật nhỏ ở trạng thái chồng chập, rồi xem chỉ riêng hấp dẫn giữa chúng có làm chúng rối lượng tử với nhau không.
Nếu có, đó sẽ là bằng chứng mạnh rằng hấp dẫn mang tính lượng tử. Các thí nghiệm này cực kỳ khó vì hấp dẫn giữa hai vật nhỏ yếu không tưởng, nhưng không còn bị xem là bất khả.
Quan sát vũ trụ cũng là một hướng. Dấu vết của những khoảnh khắc đầu tiên có thể còn lưu trong bức xạ nền vũ trụ hay sóng hấp dẫn nguyên thuỷ, nếu ta đủ may và đủ tinh để đọc được.
Có những bài toán phải chờ lý thuyết, có bài toán phải chờ công cụ. Hấp dẫn lượng tử có lẽ đang chờ cả hai, và bạn đang sống trong thời kỳ mà câu hỏi ấy được hỏi nghiêm túc nhất.
Câu hỏi thường gặp
Graviton đã được phát hiện chưa?
Chưa. Graviton là hạt giả định mang lực hấp dẫn trong bức tranh lượng tử. Nó tương tác yếu đến mức nhiều nhà vật lý cho rằng gần như không thể phát hiện từng hạt riêng lẻ bằng công nghệ có thể hình dung.
Phát hiện sóng hấp dẫn có chứng minh hấp dẫn là lượng tử không?
Không. Sóng hấp dẫn quan sát được hoàn toàn khớp với thuyết tương đối rộng cổ điển. Chúng xác nhận Einstein, nhưng chưa nói gì về bản chất lượng tử của hấp dẫn.
Tái chuẩn hoá là gì?
Đó là kỹ thuật xử lý những đại lượng vô hạn xuất hiện trong tính toán lượng tử bằng cách gộp chúng vào một số ít hằng số đo được. Lý thuyết nào làm được việc này với hữu hạn hằng số thì vẫn dự đoán được ở mọi năng lượng.
Lý thuyết của mọi thứ có phải là hấp dẫn lượng tử không?
Hai khái niệm gần nhau nhưng không trùng. Hấp dẫn lượng tử chỉ cần mô tả hấp dẫn theo cách lượng tử, còn lý thuyết của mọi thứ tham vọng hơn, muốn gộp mọi lực và hạt vào một khung duy nhất.
Einstein có cố hợp nhất vật lý không?
Có. Ông dành phần lớn ba thập niên cuối đời tìm một lý thuyết trường thống nhất, chủ yếu nhằm gộp hấp dẫn với điện từ, nhưng không thành công. Hướng đi của ông khác khá xa cách tiếp cận hiện đại.
