Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 74)

Sau nhiều thập kỉ bị xem là xa lạ, lí thuyết Kaluza-Klein đã có sự hồi sinh vào thập niên 1970. Khi ấy, lí thuyết thống nhất mà những nhà vật lí lí thuyết tham vọng nhất tìm kiếm đang làm mưa làm gió. Thống nhất lực hấp dẫn và ánh sáng thôi là chưa đủ. Lúc ấy, người ta đã biết rõ mà chẳng nghi ngờ gì rằng mọi hiện tượng trong tự nhiên, ở cấp độ cơ bản nhất của nó, có thể được mô tả bởi bốn lực. Lực hấp dẫn là một và lực điện từ là một lực khác. Lực điện từ là lực hút giữa các điện tích liên kết các nguyên tử lại bằng cách giữ các electron tích điện âm vây quanh hạt nhân nguyên tử tích điện dương. Nó cũng là lực hút tác dụng bởi các nam châm lên nhau và lên những kim loại nhất định. Tôi muốn nói rằng, mặc dù lực điện và lực từ dường như khá khác biệt, nhưng thật ra đây chỉ là cái bề ngoài. Michael Faraday đã chứng minh hồi thế kỉ thứ mười chín rằng chúng có liên hệ mật thiết và có nguồn gốc chung là lực điện từ. Gần như mọi hiện tượng mà chúng ta thấy xung quanh chúng ta xét cho cùng là một trong hai lực này: lực hấp dẫn và lực điện từ. Ngày nay, chúng ta biết, ngoài hai lực này, có hai lực khác chỉ tác dụng trong phạm vi nhỏ xíu của hạt nhân nguyên tử, nhưng chúng quan trọng như hai lực đầu tiên với vai trò là những định luật cơ bản của tự nhiên đáng quan tâm.

Như vậy, lí thuyết tối hậu đang được tìm kiếm hồi cuối thập niên 1970 là một lí thuyết không những thống nhất lực hấp dẫn với lực điện từ, giống như lí thuyết Kaluza-Klein, mà nó còn bao hàm hai lực hạt nhân nữa. Một lí thuyết như vậy sẽ được gọi là “lí thuyết của tất cả” vì nó sẽ cho biết làm thế nào cả bốn lực của tự nhiên là những mặt khác nhau của cùng một “siêu lực”. Nguyên nhân lí thuyết Kaluza-Klein trở lại vũ đài vật lí là vì sự khéo léo của nó trong việc thống nhất các lực khi đưa thêm những chiều không gian cao hơn vào các phương trình. Tất nhiên, với bốn lực phải xử lí, thay vì hai lực, sẽ cần thêm một chiều bổ sung nữa. Cuối cùng, vào giữa thập niên 1980, một lí thuyết ứng cử viên đã được phát hiện. Nó được đặt tên là lí thuyết siêu dây và nhanh chóng được phát triển thành lí thuyết phức tạp nhất, đẹp nhất, rắc rối nhất, mạnh nhất và khó hiểu nhất mà người ta từng nghĩ ra. Nói chung, nó là một lí thuyết gồm mười chiều. Nếu đúng, nó phát biểu rằng chúng ta đang sống trong một vũ trụ có mười chiều. Nhưng lúc này toàn bộ sáu chiều không gian bổ sung sẽ phải cuộn lại thành một quả cầu cao chiều nhỏ xíu mà chúng ta không bao giờ có thể phát hiện ra, để lại đúng bốn chiều không thời gian. Lí thuyết siêu dây mang tên như thế vì nó đề xuất rằng vạn vật xét cho cùng là gồm những sợi dây nhỏ xíu dao động trong mười chiều. Điều này nghe có vẻ quái gỡ nhưng nó thật sự thu được sự thống nhất của thuyết tương đối tổng quát với cơ học lượng tử, nói chung đó chính là chén thánh của vật lí học.

Vậy lí thuyết siêu dây có là lí thuyết tối hậu của sự hấp dẫn lượng tử mà các nhà vật lí đã và đang lùng sục, tìm kiếm? Và, quan trọng hơn đối với các bạn độc giả thân mến, liệu các phương trình của nó có chứa câu trả lời cho câu hỏi sự du hành thời gian là được phép hay không? Tôi e rằng hãy còn quá sớm để nó nói lên bất cứ điều gì. Nhiều nhà vật lí mô tả lí thuyết siêu dây là lí thuyết của thế kỉ hai mươi mốt đã được phát hiện ra quá sớm: trước khi chúng ta có cơ hội phát triển những công cụ toán học có sự phức tạp cần thiết. Có vẻ quá khó khăn để cho ai đó hiểu nó một cách trọn vẹn. Cơ sở toán học của nó nằm ngoài khả năng hiện nay của đa số, nếu không nói là tất cả, các nhà toán học. Không những thế, vào đầu thập niên 1990 có đến những năm phiên bản khác nhau của lí thuyết siêu dây và chẳng ai biết đâu là phiên bản đúng, hay thật sự có một phiên bản thống nhất hay không.

Sau đó, vào năm 1995, một nhà khoa học mệnh danh “kẻ thông minh nhất trên Trái đất” đã tìm thấy một câu trả lời, có lẽ là câu trả lời ĐÓ. Tên của ông là Edward Witten và ông làm việc tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey (đó là nơi Einstein đã trải qua những năm cuối đời của ông). Cùng với một người đồng nghiệp, Paul Townsend thuộc trường Đại học Cambridge, Witten tin rằng ông đã khám phá ra tại sao có nhiều phiên bản của lí thuyết siêu dây như thế. Cái giá phải trả là tương đối rẻ dưới những trường hợp đó. Witten chỉ đòi hỏi có thêm một chiều nữa thôi! Với mười một chiều thay vì mười chiều, nhiều vướng mắc của lí thuyết siêu dây đã hô biến. Giờ thì những sợi dây nhỏ xíu được thay thế bằng những tấm gọi là màng (membrane) và lí thuyết mới của Witten và Townsend được gọi là lí thuyết màng, hay lí thuyết-M cho gọn. Tuy nhiên, chữ “M” thường được cho là viết tắt của “Magic” (Thần kì), “Mystery” (Bí ẩn), hay “Mother” (Mẹ), vì đây thật sự sẽ là mẹ-của-mọi-lí-thuyết.

Nhưng chúng ta có thể tiếp tục phát triển tiếp hay không? Nếu những phiên bản khác của lí thuyết-M được khám phá ra thì sao? Có lẽ việc bổ sung thêm một chiều thứ mười hai sẽ giải quyết được vấn đề. Thật vậy, tại sao ta không ném thêm vài ba chiều nữa để cho an toàn chứ! Hóa ra điều này là không thể nào. Có cái gì đó rất đặc biệt trên phương diện toán học về mười chiều của lí thuyết siêu dây và mười một chiều của lí thuyết-M.

Các nhà vật lí đã và đang vất vả tìm hiểu ý nghĩa của lí thuyết-M, mặc dù tôi nghĩ vài thập kỉ nữa thì tất cả bí ẩn và sự thần kì của nó mới hé lộ. Một trong những câu hỏi chính yếu cần trả lời tất nhiên là tại sao và làm thế nào toàn bộ những chiều bổ sung đó cuộn lại và nén xuống còn lại đúng bốn chiều mà chúng ta thấy. Suy nghĩ hiện nay là điều này xảy ra tại thời khắc Big Bang. Như vậy hàm ý rằng có cái gì đó trước Big Bang. Có lẽ ba chiều không gian và một chiều thời gian của chúng ta là bộ phận trong một vũ trụ nhiều chiều hơn, với mười hoặc mười một chiều, trong đó tất cả các lực của tự nhiên được thống nhất làm một. Rồi Big Bang đã làm cho sáu hoặc bảy chiều không gian cuộn lại đến một kích cỡ mà chúng ta sẽ không bao giờ có thể phát hiện ra.