Thuyết dây và những sợi tơ vô hình: Sự lụi tàn và trỗi dậy của chìa khóa mở ra không gian nhiều chiều

Thuyết dây đã từng là chủ đề nóng nhất ngành vật lý. Trong thập niên 80 và 90, thuyết dây hứa hẹn sẽ mở khóa mọi giới hạn của thực tại. Xuất thân từ ý niệm cho rằng vật chất và năng lượng hình thành từ những sợi dây siêu nhỏ, liên tục rung động chứ không phải từ tập hợp của các hạt, thuyết dây mong muốn bó buộc mọi lực mà chúng ta biết vào thành một kiện hàng gọn ghẽ. Không ít các nhà vật lý học gật gù nhận định thuyết dây có thể trở thành thuyết vạn vật. Những người tin vào thuyết dây ắt sẽ phải tin vào người cầm đuốc dẫn đường với mong muốn đưa thuyết dây ra ánh sáng.

Andrew Strominger, nhà vật lý học hiện đang công tác tại Đại học Harvard, là người cầm đuốc bạn đang tìm; ông đã dành ra nhiều thập kỷ nghiên cứu thuyết dây mà vẫn nhớ như in cái nhiệt huyết của ngày đầu. “Vào cái thời điểm nổi tiếng khi [thuyết dây] vừa ra mắt, đã xuất hiện tuyên bố cho rằng chúng tôi đã giải được toàn bộ vấn đề của vật lý và đang có trong tay học thuyết cuối cùng”, Strominger nhớ lại.

Andrew Strominger.

Ông biết rằng, ngay cả trong thời điểm xã hội bùng nổ của thập niên 80 (về cả văn hóa đại chúng và khám phá khoa học), khẳng định trên vẫn là lời phóng đại quá mức. Như một lẽ tất yếu (và cũng như nhiều những đột phá khoa học khác), ngày một nhiều những lời phê bình, đánh giá xuất hiện và tấn công thuyết dây suốt những ngày đầu cho tới nay. Ở thời điểm này, vẫn chưa ai tạo ra được thí nghiệm chứng minh hay phản bác được sự tồn tại của những sợi dây siêu nhỏ.

Phản ứng mãnh liệt nhất có lẽ đã xuất hiện hồi năm 2006, khi một loạt những cuốn sách được đánh giá cao và những ý kiến nhiều người hưởng ứng công kích thuyết dây. Ngày nay, thuyết dây không còn hưởng trọn ánh hào quang nữa, nhưng nó vẫn chưa rời sân khấu vật lý mà vẫn vấn vương chờ thời.

“Thuyết dây đang tiến hóa và ngày một hoàn thiện hơn - ta ngày một hiểu nó rõ hơn”, Juan Maldacena, nhà khoa học tới từ Viện Nghiên cứu Tiên tiến tại Princeton, vẫn duy trì niềm tin vào thuyết dây.

Số phận của chúng ta đang bị bó buộc bởi một mớ dây?

Ở thời điểm hiện tại, nhiều thuyết gia chuyên về thuyết dây nghiêng về nhận định cho rằng các sợi dây có ứng dụng thực tế, không còn nhận định thuyết dây sở hữu tiềm năng giải thích vạn vật mà tập trung vào nghiên cứu những cái hiện hữu ngay tại thời điểm này. Vài người ứng dụng thuyết dây để giải các vấn đề trong toán học thuần túy*, trong khi đó giáo sư Strominger đang cố gắng sử dụng thuyết dây hoàn thiện khái niệm về hố đen vũ trụ. Nhiều những người khác lại đang dựa vào thuyết dây để thực hiện các tính toán liên quan tới vật lý hạt và các trạng thái vật chất chưa ai biết tới.

Tất cả những nỗ lực này đều sở hữu một điểm chung. Giáo sư Strominger chỉ ra: thuyết dây có thể không phải thuyết bó buộc được mọi thứ, nhưng “chắc chắn nó là thuyết về một thứ gì đó”.

Những độ sâu chưa ai khai phá

Strominger không phải dạng người thích đi theo lối mòn. Ông bỏ học Harvard hai lần hồi thập niên 70, sinh sống một thời gian tại các cộng đồng nhỏ tại Mỹ và Trung Quốc rồi mới trở lại con đường học hành; lần này, ông quyết tâm khám phá vũ trụ thông qua những yếu tố vật lý mới chỉ dừng ở mức học thuyết. Là sinh viên tốt nghiệp MIT, Strominger được khuyên nên tránh những khái niệm chưa vững chắc, đơn cử như thuyết dây. Strominger lắc đầu và tự chọn đường đi cho mình.

Và canh bạc của ông đã đem lại kết quả. Năm 1995, ba năm sau khi cầm trên tay tấm bằng tiến sĩ, Strominger trở thành đồng tác giả trong một loạt những nghiên cứu quan trọng, những báo cáo khoa học mà sau này được gọi là “cách mạng dây đầu tiên”.

Khái niệm trọng tâm của thuyết dây xoay quanh việc các dây, được thuyết dây cho là đơn vị cơ bản nhất của tự nhiên, rung động trong một Vũ trụ có khoảng từ 10 tới 11 chiều. Ba chiều không gian ta đang biết cộng với dòng thời gian sẽ tạo ra chiều không gian thứ tư, đồng nghĩa với việc phải có tới 6-7 chiều không gian khác đang ẩn đâu đó, có lẽ chúng co lại nhỏ tới mức ta không thấy được bằng cách thức thông thường.

Những chiều không gian bé xíu phải bị nén theo những cách cụ thể để tạo ra hiệu ứng vật lý ta đang chứng kiến, và Strominger cùng các cộng sự cho rằng không gian Calabi-Yau, một vật thể toán học tồn tại trong không gian 6 chiều, sẽ đại diện được cho những cách nén các chiều không gian đặc biệt ấy. Khối lượng của một hạt, cường độ một lực hay bất cứ số đo cơ bản nào sẽ phụ thuộc vào hình dáng hình học của thứ không gian nhiều chiều này.

Hình cắt 2D của không gian Calabi-Yau tồn tại trong không gian 6 chiều.

Không lâu sau thời điểm hình thành khái niệm về “không gian Calabi-Yau”, các thuyết gia thuyết dây lại đạt được một khám phá mới. Bằng việc xoay không gian Calabi-Yau theo một cách đặc biệt, chúng có thể tạo ra một dạng hình ảnh phản chiếu dù cho hình dáng hai thứ khác nhau. Điều khiến các nhà khoa học ngạc nhiên là có vẻ, hai hình không gian Calabi-Yau có mối quan hệ ẩn gì đó, và chúng cùng nhau tạo nên một loại vật lý. Các thuyết gia gọi hiện tượng này là “đối xứng phản chiếu - mirror symmetry”.

Các nhà khoa học nhanh chóng nhận ra tiềm năng của hiện tượng lạ: họ có thể ứng dụng nó để giải thành công nhiều câu đố toán học làm đau đầu nhưng bộ não lỗi lạc nhất nhì lịch sử. Năm 1991, nhà vật lý học Philip Candelas và cộng sự sử dụng đối xứng phản chiếu để giải quyết bài toán trăm tuổi, thông qua đó thực hiện đếm được số hình cầu có thể đưa vừa vào trong một không gian Calabi-Yau.

Chuyên gia toán học nhận thấy mảnh đất màu mỡ mà không gian Calabi-Yau mở ra, ngay lập tức thử ứng dụng đối xứng phản chiếu để giải các bài toán liệt kê trong hình học, đa số là đếm số đoạn và đường cong hiện hữu trong các bề mặt phức tạp và trong các không gian ba chiều. Đối xứng phản chiếu đã tưới sức sống mới vào lĩnh vực hình học không gian, và các nghiên cứu vẫn đang được diễn ra, với quyết tâm lớn hơn bao giờ hết.

“Trong những năm qua, các tiến triển có được đang cô đọng ý tưởng này về một công thức phức tạp duy nhất. Các yếu tố hình học, số học và ngoại hình vật lý của đối xứng phản chiếu đang bắt đầu khớp lại với nhau”, nhà toán học Bong Lian công tác tại Đại học Brandeis nhận định.

Thêm những phát hiện về hố đen

Dù Strominger là một trong những tác giả dùng toán học để viết báo cáo giải thích cách thức vận hành của đối xứng phản chiếu, hai thập kỷ vừa rồi ông lại sử dụng thuyết dây để nghiên cứu hố đen vũ trụ. Strominger và Cumrun Vafa cùng nhau tìm hiểu phát hiện khó hiểu do hai nhà vật lý học, Jacob Bekenstein và Stephen Hawking, luận ra hồi thập niên 70.

Stephen Hawking và Jacob Bekenstein.

Trước thời điểm này, các nhà khoa học vẫn cho rằng hố đen là vật thể đơn giản - về cơ bản chỉ là một cái hố nằm trong không gian, mô tả được chỉ với ba yếu tố: khối lượng, cách nó xoay và tích điện của nó. Sử dụng thuyết tương đối rộng, thuyết lượng tử và thuyết nhiệt động lực học, Bekenstein và Hawking viết nên công thức cho thấy hố đen chứa một lượng entropy cao một cách bất ngờ, nghĩa là có rất nhiều cách sắp xếp hạt bên trong hố đen.

Nói một cách khác, cấu trúc bên trong hố đen phức tạp vô cùng và có thể tồn tại ở rất nhiều trạng thái khả thi khác nhau. Công thức Bekenstein - Hawking tính ra một con số entropy cụ thể, xác định được 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 những yếu tố hiển vi của hố đen. Cách thức tiếp cận của họ để có được cái nhìn vào bên trong hố đen (và cũng như cách làm của giáo sư Candelas) giống với cách đếm số hình cầu nằm vừa trong không gian Calabi-Yau. Kết quả mà Strominger và Vafa tính ra được khớp hoàn toàn với kết quả của Bekenstein và Hawking. Đây là thành tựu lớn mà thuyết dây đạt được, bởi lẽ nó có thể cho ta nhìn vào bên trong hố đen, việc mà cho đến nay chưa thuyết nào thực hiện nổi.

Cumrun Vafa và Andrew Strominger.

Strominger tiếp tục đào sâu nghiên cứu. Công trình ông thực hiện với giáo sư Vafa cho thấy một hố đen quay nhanh mang tính chất “đối xứng bảo giác - conformal symmetry”, tức là kích cỡ của hố đen không ảnh hưởng được tới một số tính chất của nó, một số “góc” của hố đen vẫn được giữ nguyên dù cho khoảng cách giữa hai điểm thay đổi.

Giáo sư Strominger dần nhận ra rằng sự hiện hữu của tính đối xứng chưa ai tìm ra này có thể làm nền tảng dựng nên một loạt các dự đoán. Ví dụ, ông và các cộng sự cố tính toán cường độ của các bức xạ điện từ phát ra từ vùng không gian gần hố đen. Ông nhận định rằng khi khoa học hoàn thành được dàn Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện, các nhà thiên văn học có thể đo đạc mà xác định xem những ước tính về bức xạ kia là đúng hay sai.

Hình ảnh hố đen đầu tiên của nhân loại đã được chụp bằng dàn Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện.

Sử dụng những kỹ thuật tương tự (vốn thành hình nhờ thuyết dây), nhóm nghiên cứu của Strominger tính ra quang phổ của các sóng hấp dẫn sinh ra khi một thiên thể (đơn cử như các ngôi sao) rơi vào hố đen. Cũng tương tự như những gì sẽ xảy ra với ước tính bức xạ nêu trên, khoa học sẽ có được câu trả lời khi xây dựng thành công Ăng-ten Không gian Giao thoa kế Laser Tiên tiến. Thậm chí, Đài quan sát Sóng Hấp dẫn bằng Giao thoa kế laser (LIGO - hệ thống đã phát hiện ra sóng hấp dẫn) cũng có thể góp công nghiên cứu.

Sớm thôi, các nhà thiên văn học sẽ ngập trong dữ liệu mà không có thời gian phân tích hết được chúng. “Chúng tôi mong muốn sử dụng các ý tưởng từ thuyết dây để khai phá mảng này”.

Vi tích phân mới xuất hiện

Trong khi đó, những nhà vật lý học khác lại đang ứng dụng phương pháp luận sinh ra từ thuyết dây để nghiên cứu những trạng thái cực đoan của vật chất, từ các plasma siêu nóng hình thành trong máy gia tốc hạt tới những vật liệu được tổng hợp trong phòng thí nghiệm tại độ lạnh gần mức không tuyệt đối.

Nhà nghiên cứu Andrew Green tới từ Đại học College London, người có chuyên môn nghiên cứu những trạng thái vật chất kỳ lạ xuất hiện tại những mức nhiệt độ cực thấp, chưa từng nghĩ mình sẽ đắm đuối thuyết dây, nhưng rồi anh thấy cũng đáng thời gian bỏ ra nghiên cứu lắm. Cho dù không tìm được bản chất của thế giới thông qua những sợi dây mảnh mai, anh nói rằng “nó đã đẩy mạnh phát triển một bộ những kỹ thuật toán học mới áp dụng được vào rất nhiều lĩnh vực vật lý”.

Nhiều trong số những cách tiếp cận này có liên hệ trực tiếp với hình học không gian nhiều hơn 3 chiều,. Theo lời anh nhà vật lý học Green, nó “cho phép bạn vẽ được những bức vẽ hình học mà trước đây được biểu thị dưới dạng công thức số học”. Green gọi thuyết dây là “môn vi tích phân mới”, và rằng những ý tưởng hình thành từ thuyết dây sẽ sớm trở thành quy chuẩn trong vật lý lý thuyết.

Giáo sư Strominger cũng đồng ý với nhận định trên. Cho dù thuyết dây không phải là thứ bó buộc mọi khía cạnh của vật lý lại thành một thuyết thống nhất, ông vẫn thấy thuyết dây là điểm khởi đầu mà từ đó, một thuyết vạn vật có thể thành hình. Qua thử nghiệm, ta thấy ngay thuyết dây là một thứ công cụ hữu hiệu ghép vừa vặn được những thứ dường như không thể ăn khớp với nhau. Càng chứng kiến thêm nhiều những ứng dụng mới của thuyết dây, ta thấy rõ đây không phải thứ tầm thường, mà có thể trở thành chìa khóa giải mã đa chiều không gian.

• Vỏ Trái đất đã phát triển cực mạnh cách đây 3 tỷ năm
• Vì sao hình xăm tồn tại suốt đời mà không bị bong ra cùng với da theo thời gian?
• Điều gì sẽ xảy ra nếu phi công tiêm kích bỏ mặt nạ khi bay?