Con đường thống nhất vật lí học: Câu trả lời cho tất cả hay chẳng có gì?

• MacGregor Campbell (New Scientist, 12/10/2013)

Siêu hấp dẫn. Lí thuyết trường thống nhất. Lí thuyết tối hậu. Lí thuyết của tất cả. Các nhà vật lí có nhiều tên gọi cho những nỗ lực của họ nhằm thống nhất về một mối sự hiểu biết của chúng ta về tự nhiên. Với một số người, đó là lễ vật của lĩnh vực nghiên cứu của họ, và có một vài bước nhảy niềm tin phải vượt qua để đạt tới nó: vật chất cấu tạo từ những dây nhỏ xíu đang dao động; các chiều không gian bổ sung tồn tại ngoài ba chiều mà chúng ta biết; không gian và thời gian được quan sát đủ chặt chẽ sẽ không trơn nhẵn và liên tục, mà có dạng hạt và lốm đốm.

Với những người khác, việc tìm kiếm nền vật lí thống nhất giống như săn tìm cá voi trắng khổng lồ: một đối tượng hay lãng tránh, và thậm chí có lẽ không hề tồn tại. “Theo quan điểm của tôi, việc tìm kiếm một sự thống nhất ngày nay có thể không có nhiều hi vọng,” phát biểu của nhà vật lí lí thuyết Carlo Rovelli thuộc Trung tâm Vật lí Lí thuyết ở Versaille, Pháp. Helge Kragh, một nhà nghiên cứu lịch sử vật lí tại trường Đại học Aarhus ở Đan Mạch, nhận ra một vấn đề căn bản hơn nữa: cho dù chúng ta thật sự tìm được một ứng cử viên triển vọng và trí tuệ của chúng ta được trang bị để hiểu nó trọn vẹn, thì ai nói được đó đã là cuối con đường? “Chúng ta còn không thể biết nó có là lí thuyết tối hậu hay không nữa,” ông nói. Trong khi đó, các lí thuyết hiện nay của chúng ta về tự nhiên, mặc dù còn lâu mới hoàn chỉnh, đang vận hành rất tốt ở chỗ là nền tảng cho các cách tân công nghệ và cải thiện cuộc sống của chúng ta. Đã đến lúc nêu ra câu hỏi: đâu là điểm xuất phát của một lí thuyết của tất cả?

Sự thống nhất là một động lực phát triển vật lí học ít nhất là kể từ thời Newton. Đối với những người nghiên cứu bầu trời thuộc những năm 1660, có một bí ẩn to lớn trong chuyển động của các thiên thể. Tại sao một số nguồn sáng trên bầu trời thì vẫn cố định từ đêm này sang đêm khác, còn những nguồn sáng khác thì lại lang thang trong bóng đêm? Newton, nghiên cứu tại nhà riêng của ông ở một miền xa xôi thuộc xứ Lincolnshire vào thời Đại Dịch hoành hành, có một quan niệm. Lực làm cho các hành tinh và các ngôi sao chuyển động là cùng loại lực làm cho các vật trên Trái đất rơi xuống đất – một lực vạn vật giữa hai vật chỉ phụ thuộc vào khối lượng của chúng và khoảng cách giữa chúng. Như vậy, cái đã sáng tỏ là các hành tinh ở gần Trái đất bị hút với những tốc độ khác nhau bởi lực hấp dẫn của Mặt trời, còn những ngôi sao ở xa vẫn tương đối cố định đối với nhau.

Nhận thức của Newton đã thống nhất thế giới trên trời và thế giới trần tục trước đó được xem là không thể hợp nhất. Tập hợp rõ ràng gồm những phương trình có giá trị vạn vật của ông đã tạo nên một khuôn mẫu cho các thế hệ nhà vật lí tương lai, đồng thời cho phép các kĩ sư tính ra các lực và moment quay cho các động cơ tạo nên Cách mạng Công nghiệp.

Hơn 200 năm sau, James Clerk Maxwell đã tiến hành một hành động thống nhất mang tính cách mạng tương tự. Vào thập niên 1860, ông đã chứng minh rằng lực điện và lực từ là hai bộ mặt của cùng một lực, đó là lực điện từ. Tập hợp các phương trình thống nhất của Maxwell còn cho thấy ánh sáng là một dạng bức xạ điện từ, một nhận thức đã khai màn cho thời đại điện khí mà chúng ta đang sống ngày nay, cho phép mọi thứ hoạt động từ truyền thanh vô tuyến đến điện thoại thông minh.

Thống nhất là sức mạnh

Các lí thuyết của tất cả ngày nay nhắm tới tiếp tục lộ trình đó. Ngày nay, chúng ta nghĩ rằng các hiện tượng vật lí có thể được giải thích bởi sự tác dụng của bốn lực cơ bản. Có lực hấp dẫn, lực hút giữa các vật có khối lượng mà Newton đã mô tả, và lực điện từ của Maxwell, tương tác giữa các vật mang điện. Lực điện từ là nguyên nhân cho các lực “tiếp xúc” – chẳng hạn, vì sao có lực hấp dẫn mà bạn không rơi xuyên qua cái ghế mà bạn đang ngồi. Hai lực kia điều hòa thế giới hạ nguyên tử: lực hạt nhân mạnh giữ proton và neutron lại với nhau trong hạt nhân nguyên tử, còn lực hạt nhân yếu chi phối những thứ như sự phân hủy phóng xạ. Một lí thuyết của tất cả sẽ cho thấy bốn lực này thật ra chỉ là một lực trá hình.

Năm 1967, một thế kỉ sau Maxwell, các nhà lí thuyết Steven Weinberg, Abdus Salam và Sheldon Glashow đã tiến một bước đầu tiên hướng tới mục tiêu đó. Họ đã chứng minh rằng, dưới các điều kiện năng lượng cao từng tồn tại trong phần nghìn tỉ đầu tiên của một giây của vũ trụ, lực điện từ và lực hạt nhân yếu kết hợp thành lực điện yếu. Mặc dù chưa có ai từng thống nhất một cách thuyết phục lực hạt nhân mạnh với lực điện yếu, nhưng hai lực này phối hợp nhịp nhàng với nhau trong hình thức mô hình chuẩn, lí thuyết giải thích các hạt sơ cấp từ quark đến boson Higgs tương tác như thế nào.

Mở khóa các lỗ sâu đục

Tuy nhiên, lực hấp dẫn vẫn ngoan cố. Ngày nay, hiểu biết tốt nhất của chúng ta về lực hấp dẫn được cung cấp bởi lí thuyết tương đối rộng của Einstein. Lí thuyết này thay thế cho lí thuyết của Newton, và giải thích khối lượng uốn cong không gian và thời gian như thế nào để tạo ra lực hấp dẫn. Nhưng thuyết tương đối rộng đòi hỏi một không-thời gian trơn xa lạ với sự gồ ghề xác suất đòi hỏi bởi các lực lượng tử như lực điện yếu và lực hạt nhân mạnh. Kết quả là một tập hợp phương trình cho những hiện tượng rất nhỏ, ví dụ như các tương tác hạt, và một tập hợp khác cho những cái rất lớn, ví dụ như các sao và thiên hà.

Vì thế, chuyện gì xảy ra khi cái vĩ mô gặp cái vi mô? “Chỉ có một tự nhiên duy nhất, cho nên có lẽ nó tạo thành một tổng thể kết hợp,” phát biểu của Matt Strassler thuộc trường Đại học Harvard. “Chắc chắn sẽ có những tình huống trong đó bạn phải áp dụng cả hai tập hợp phương trình đồng thời, và khi đó bạn sẽ vướng vào các mâu thuẫn.”

Xét các lỗ đen, cái nằm tại tâm của chúng có khối lượng của một ngôi sao nén vào một không gian hết sức nhỏ. Hoặc các điều kiện ngay lúc ra đời của thời gian, khi toàn bộ khối lượng và năng lượng của vũ trụ tập trung vào cái nhỏ hơn cả đầu đinh ghim. Lí thuyết nào, vi mô hay vĩ mô, chi phối hành trạng của chúng?

Lại một lần nữa, vì sao chúng ta nên quan tâm? Không giống như các định luật cơ sở của chuyển động của Newton, hay lí thuyết điện từ của Maxwell, sự thống nhất thêm nữa dường như không có khả năng làm cách mạng hóa công nghệ kĩ thuật của chúng ta trong thời gian trước mắt. Các lí thuyết của Newton và Maxwell có giá trị trong các điều kiện thuộc thế giới hằng ngày của chúng ta, nhưng bốn lực chỉ có thể được thống nhất ở những năng lượng vào cỡ nghìn triệu triệu lần năng lượng được tạo ra trong các va chạm hạt tại Máy Va chạm Hadron Lớn ở gần Geneva, Thụy Sĩ, theo lời Michio Kaku, một nhà vật lí và nhà tương lai học tại trường Cao đẳng Thành phố New York. Có khả năng 100.000 năm nữa chúng ta mới có thể xây dựng các máy gia tốc hạt đủ lớn để đạt tới năng lượng cần thiết, Kaku cho biết – và chúng ta sẽ cần cơ sở hạ tầng vào cỡ toàn bộ hệ mặt trời để làm như thế.

Nếu con người trong tương lai tạo ra và điều khiển được năng lượng ở quy mô như thế, thì chắc chắn họ sẽ sáng tạo ra vô vàn khả năng công nghệ mới. “Họ có thể bắt đầu chơi với không gian và thời gian,” Kaku nói. Chúng ta có thể, chẳng hạn, mở khóa các lỗ sâu đục cho phép chúng ta đi xuyên qua giữa những phần xa xôi của không-thời gian. Những vật thể giả thuyết này được cho là ra đời dưới dạng những thăng giáng lượng tử nhỏ xíu trong kết cấu của không-thời gian, và có xu hướng biến mất không thể dự đoán trước giống như khi chúng xuất hiện. Việc tìm hiểu cách yểm trợ chúng mở rộng đến một kích cỡ có ích đòi hỏi một lí thuyết giạng vững hai chân với một bên là vật lí lượng tử bọt bóng của cái rất nhỏ và một bên là thế giới vĩ mô, trơn nhẵn của thuyết tương đối rộng. “Như thế, bạn cần một lí thuyết của tất cả,” Kaku nói.

Du hành thời gian 100.000 năm vào tương lai là chuyện mơ tưởng đối với một lĩnh vực nghiên cứu tốn kém như hiện nay. Nhưng không nên đánh giá việc theo đuổi một lí thuyết của tất cả thuần túy theo lợi ích công nghệ trước mắt, theo lời Peter Woit, một nhà vật lí toán tại trường Đại học Columbia ở New York. Nếu lịch sử có bất kì chỉ dẫn nào, thì có khả năng cao sự thống nhất tiếp tục sẽ đưa chúng ta đến những miền đất mới, và chúng không nhất thiết là nơi mà chúng ta trông đợi. “Khi chúng ta tìm thấy những cái như thế này trong quá khứ đã xảy ra, chúng thật sự rất hấp dẫn. Có một loại nhận thức bất ngờ hay quan niệm mới nào đó mà một khi bạn thấy nó, nó giải thích được rất nhiều cái bạn không hiểu trước đó.”

Mặc dù hoài nghi, nhưng Kragh đồng ý. “Một lí thuyết của tất cả là một cái tên rỗng tuếch,” ông nói. “Tuy nhiên, việc tìm kiếm một lí thuyết thuộc loại này có thể dẫn tới nhận thức khoa học mới.”

Để thiết lập các lí thuyết của ông về lực hấp dẫn và chuyển động, chẳng hạn, Newton đã phát minh ra một kĩ thuật toán học để xử lí những đại lượng biến thiên trơn như vận tốc. Giải tích ra đời đã làm cách mạng hóa hầu như mọi lĩnh vực khoa học, từ sinh học cho đến kinh tế học. Dùng điện thoại quay video con mèo cưng của nhà bạn đưa lên mạng là chuyện không thể nghĩ tới, chẳng hạn, nếu không có phép biến đổi Fourier sử dụng giải tích để chia nhỏ tín hiệu thành những sóng sin đơn giản, cho phép tệp audio và video được nén lại đến một cỡ có thể truyền tải được.

Rồi có cái Einstein đã nhặt ra từ các phương trình Maxwell. Để nhất quán toán học, những phương trình này cần một con số không đổi cho tốc độ ánh sáng không phụ thuộc vào trạng thái chuyển động của bất kì ai đang đo nó. Con số này đưa Einstein đến với một chân lí sâu sắc hơn: vũ trụ đơn giản là như thế, và không gian và thời gian phải uốn cong để mang lại tốc độ luôn luôn không đổi của ánh sáng. “Trong khi Maxwell tìm thấy nguyên tắc tổ chức, thì Einstein nhìn thấy một cái sâu sắc hơn của cách bản thân không gian và thời gian liên hệ với nhau,” phát biểu của Leo Stein, một nhà thiên văn vật lí tại trường Đại học Cornell ở Ithaca, New York.

Và chuyện gì đến rồi sẽ đến. Về cuối thập niên 1920, Paul Dirac đã tìm cách dung hòa thuyết tương đối hẹp Einstein với lí thuyết cơ học lượng tử khi ấy hãy còn non trẻ. Các phương trình của ông cho thấy các electron phải có một đối hạt cùng khối lượng và mang điện tích trái dấu – một positron. Dirac nghĩ đó là một sai sót, nhưng các thí nghiệm sớm làm sáng tỏ rằng những hạt phản vật chất như thế thật sự tồn tại. Bộ mặt căn bản bất ngờ này của thực tại có các ứng dụng thực tiễn ngày nay, ví dụ như máy quét xạ positron có mặt trong nhiều bệnh viện. “Bạn nhắm vào một thứ, và chuyện đó làm cho những người khác nhắm vào một thứ khác như một hệ quả, và rồi toàn bộ những thứ cầu may này lại xảy ra,” Strassler nói.

Vậy thì việc tìm kiếm một lí thuyết của tất cả ngày nay đang nhắm vào đâu? Đa số hi vọng đang hướng vào một đối thủ. “Tôi xem lí thuyết dây là ứng cử viên nghiêm túc duy nhất cho việc là một khuôn khổ cho một lí thuyết của tất cả,” phát biểu của John Ellis, một nhà vật lí lí thuyết tại trường King’s College London.

Bản thân lí thuyết dây đã ra đời dưới dạng cái gì đó khác biệt. Vào cuối thập niên 1960, các nhà vật lí đang cố gắng giải thích lực hạt nhân mạnh đề xuất rằng các hạt sơ cấp có thể được hiểu tốt hơn không phải dưới dạng những chất điểm nhỏ vô hạn trong không gian, mà dưới dạng những sợi dây dao động theo những kiểu khác nhau. Cuối cùng, những cách tiếp cận khác tỏ ra có thành tựu hơn trong việc mô tả lực mạnh, nhưng cơ sở toán học của lí thuyết dây quá đẹp nên người ta không nỡ từ bỏ. Xuyên suốt thập niên 1970 và 1980, quan niệm dần lớn mạnh là lí thuyết dây thay vậy có thể vận hành dưới dạng một lí thuyết của sự hấp dẫn lượng tử, bắt cầu nối trên vực thẳm ngăn giữa vật lí của cái rất nhỏ và của cái rất lớn.

Các dây toàn kí

Ngoại trừ là nó không xảy ra. “Chắc chắn còn lâu nữa chúng ta mới có một dấu hiệu thực nghiệm rõ ràng sẽ cho chúng ta câu trả lời ‘yes’ hoặc ‘no’ cho câu hỏi lí thuyết dây có liên hệ gì với tự nhiên hay không,” Ellis nói.

Vậy điểm mấu chốt của nó là gì? Có lẽ đây là cái lịch sử cho chúng ta biết: không phải cái chúng ta nghĩ. Vào cuối thập niên 1990, nhà lí thuyết Juan Maldacena, khi ấy làm việc tại Đại học Harvard, đang cố đi tìm một mô tả lượng tử của các lỗ đen bằng cách nghiên cứu các D-brane, những họ hàng đa chiều khối lượng lớn của các dây. Ông nhận thấy hành trạng của các D-brane có thể được mô tả theo hai cách tách biệt, nhưng tương đương. Một là qua một biến thể của lí thuyết dây bao gồm lực hấp dẫn và cần 10 chiều để vận hành. Hai là qua lí thuyết lượng tử bốn chiều tương đối trần tục không có lực hấp dẫn, tương tự như các lí thuyết trụ đỡ cho mô hình chuẩn. Cái đẹp là, nếu có cái gì đó quá khó để tính bằng một lí thuyết trường lượng tử, thì thủ thuật toán học của Maldacena, gọi là phép tương ứng AdS/CFT, cho phép bạn biến đổi nó thành một phép tính khác, tương đối dễ hơn trong một phiên bản khác của không gian.

Trong vài năm trở lại đây, Sean Hartnoll, một nhà vật lí tại trường Đại học Stanford, và các đồng sự của ông đã chứng minh rằng, lạ lùng thay, hiểu biết của chúng ta về các chất siêu dẫn nhiệt độ cao có thể thu lợi từ cách tiếp cận này. Các chất siêu dẫn dẫn điện mà không có điện trở, nhưng thường đòi hỏi nhiệt độ cực thấp – loại được cung cấp bởi helium lỏng hoặc nitrogen lỏng – để hoạt động, khiến chúng chỉ có ích trong một ngưỡng hẹp ứng dụng, ví dụ như các nam châm trong máy quét MRI và xe lửa đệm từ maglev. Một vài chất siêu dẫn “nhiệt độ cao” hoạt động ở những nhiệt độ nhỉnh hơn, nhưng các chi tiết hoạt động của chúng vẫn còn là bí ẩn, gây khó khăn cho việc triển khai ứng dụng thực tế.

Hóa ra những phương diện nhất định của hành trạng của những chất siêu dẫn này dễ nắm bắt hơn khi sử dụng cơ sở toán học của lí thuyết dây. Ví dụ, dưới những điều kiện thích hợp, các chất siêu dẫn nhiệt độ cao dẫn điện theo một chiều đồng thời cách điện theo các hướng vuông góc. Hartnoll và các đồng sự đã sử dụng phép tương ứng của Maldacena phát triển một mô hình “kim loại lạ toàn kí” thành công ở chỗ những lí thuyết thông thường khác thất bại. “Mô hình kim loại lạ toàn kí có thể nắm bắt phương diện này của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao nếu không sẽ thật khó nắm bắt,” theo lời Hartnoll (Nature Physics, DOI:10.1038/nphys2701).

Trong khi đó, lối đi tắt của Maldacena đã được sử dụng để làm sáng tỏ rằng, về cơ bản, mỗi trạng thái của vật chất khớp với một kịch bản lực hấp dẫn có thể được mô tả bằng toán học của lí thuyết dây. Các chất siêu dẫn có thể được hiểu là những ngôi sao cấu tạo từ những hạt tích điện và boson Higgs mới được khám phá gần đây. Các chất lỏng cổ điển có thể được lập mô hình sử dụng toán học của những lỗ đen không quay và không có điện tích. Những nhận thức như thế “đã đặt nghiên cứu lí thuyết dây đến gần hơn với tâm điểm của nghiên cứu vật lí lí thuyết,” theo lời Shiraz Minwalla, một nhà vật lí tại Viện Nghiên cứu Cơ bản Tata ở Mumbai, Ấn Độ.

Có một danh sách dài những câu hỏi nổi cộm trong vật lí học. Tại sao khối lượng của boson Higgs nhỏ như thế? Tại sao các neutrino rốt cuộc lại có khối lượng? Vật chất tối là gì? Năng lượng tối là gì? Một lí thuyết tối hậu có thể làm sáng tỏ những câu trả lời, hoặc là không. Nhưng có khả năng nó mang lại câu trả lời cho những câu hỏi mà chúng ta chưa từng đặt ra.

Chưa có đủ lí do để từ bỏ mục tiêu tối hậu đó, theo lời Nathan Seiberg thuộc Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey. “Tôi nghĩ chúng ta cứ tiếp tục tiến theo hướng cũ, cố gắng hiểu tốt hơn nữa và có lẽ cuối cùng sẽ hiểu đầy đủ các nguyên lí nền tảng của tự nhiên,” ông nói. “Chúng ta đã tạo dựng rất nhiều tiến bộ trong vài thế kỉ trở lại đây và tôi thấy chẳng có lí do gì để tin rằng sự tiến bộ đó sẽ kết thúc vào lúc này.”

Trần Nghiêm dịch ♦