Một lí thuyết của tất cả sẽ thống nhất bốn lực của tự nhiên, nhưng liệu có thể có một lí thuyết như thế hay không?
Trong hàng thế kỉ qua, các nhà vật lí đã có những bước sải lớn trên con đường nhận thức và dự đoán thế giới vật chất bằng cách kết nối những hiện tượng mà vẻ ngoài trông rất khác nhau.
Một trong những câu chuyện thành công lớn trong vật lí học là sự thống nhất lực điện và lực từ thành lực điện từ hồi thế kỉ 19. Các thí nghiệm cho thấy dòng điện có thể làm lệch kim nam châm và các nam châm chuyển động có thể tạo ra dòng điện.
Sau đó, các nhà vật lí liên kết một lực nữa, lực tương tác yếu, với lực điện từ, hình thành lí thuyết tương tác điện yếu. Một số nhà vật lí nghĩ rằng bước hợp lí tiếp theo là hợp nhất cả bốn lực cơ bản – lực hấp dẫn, lực điện từ, lực yếu và lực mạnh – vào một khuôn khổ toán học thống nhất: một lí thuyết của tất cả.
Bốn lực cơ bản của tự nhiên khác nhau triệt để về độ lớn và hành trạng. Và trong khi thực tại đã chịu hợp sức với thói quen của con người trước nay là tìm kiếm các khuôn mẫu, nhưng việc thiết lập một lí thuyết của tất cả có lẽ là nỗ lực khó khăn nhất trong vật lí học.
“Ở chừng mực nào đó, chúng ta không nhất thiết phải trông đợi tồn tại một lí thuyết của tất cả,” phát biểu của nhà lí thuyết dây Cynthia Keeler tại Viện Niels Bohr ở Đan Mạch. “Tôi không lạc quan cho lắm về nó bởi vì xét về mặt lịch sử, chúng ta đã làm được các thống nhất khác nhau. Chẳng có cái nào trong số đó phải đúng cả.”
Bất chấp khó khăn, nhưng lợi ích tiềm năng của sự thống nhất là đủ lớn để giữ chân các nhà vật lí tiếp tục tìm kiếm. Trên con đường ấy, họ đã khám phá những thứ mới mẻ mà họ sẽ không biết được nếu họ chẳng lên đường tìm kiếm một lí thuyết của tất cả.
Thống nhất niềm hi vọng
Chưa có ai phác thảo được một lí thuyết hoàn chỉnh của tất cả.
Thật khó thống nhất cả bốn lực khi mà bạn không thể cho cả bốn tác dụng ở cùng một thang bậc độ lớn. Lực hấp dẫn đặc biệt có xu hướng là một lực ma mãnh, và chưa có ai tìm được cách mô tả lực hấp dẫn ở cấp độ (lượng tử) nhỏ nhất.
Các nhà vật lí như Albert Einstein đã suy nghĩ nghiêm túc về việc lực hấp dẫn có thể thống nhất với lực điện từ hay không. Xét cho cùng, thuyết tương đối rộng đã chứng minh rằng điện trường và từ trường tạo ra lực hấp dẫn và lực hấp dẫn đó cũng phải tạo ra sóng điện từ, hoặc ánh sáng. Nhưng việc kết hợp lực hấp dẫn và lực điện từ, một sứ mệnh gọi là lí thuyết trường thống nhất, hóa ra phức tạp hơn nhiều so với chuyện làm chủ thuyết điện từ. Nguyên nhân một phần là do chưa có một lí thuyết đẹp đẽ nào của lực hấp dẫn lượng tử, nhưng cũng phần nào là do các nhà vật lí đòi hỏi thống nhất cả lực mạnh và lực yếu.
Một quan điểm khác, lí thuyết trường lượng tử, kết hợp thuyết tương đối hẹp Einstein với cơ học lượng tử để giải thích hành trạng của các hạt sơ cấp, nhưng nó không làm chủ được lực hấp dẫn. Nguyên nhân phần lớn là bởi vì bất cứ cái gì có năng lượng (hay khối lượng, theo thuyết tương đối) đều tạo ra lực hút hấp dẫn – kể cả tự hấp dẫn. Nói cho thật đơn giản thì tương tác hấp dẫn giữa hai hạt có một năng lượng nhất định, tạo ra một tương tác hấp dẫn nữa với năng lượng riêng của nó, và cứ thế, xoay vòng đến các năng lượng cao với từng mảnh ghép dần.
“Một trong những điều đầu tiên mà bạn học được về lực hấp dẫn lượng tử là rằng lí thuyết trường lượng tử có khả năng chẳng phải là câu trả lời,” phát biểu của nhà vật lí Robert McNees tại Đại học Loyola Chicago. “Lực hấp dẫn lượng tử là khó bởi vì chúng ta phải đi tới cái gì đó mới mẻ.”
Sự tiến hóa của các lí thuyết
Ứng cử viên nổi tiếng nhất cho một lí thuyết của tất cả là lí thuyết dây, trong đó các hạt sơ cấp không còn là hạt mà là những sợi dây co dãn trong một chiều không gian.
Các dây dao động được đề xuất vào thập niên 1970 để giải thích lực mạnh. Lí thuyết dây đầu tiên này tỏ ra không cần thiết, nhưng các nhà vật lí nhận thấy nó có thể gia nhập với một lí thuyết khác gọi là lí thuyết Kaluza-Klein với tư cách một giải thích hợp lí của lực hấp dẫn lượng tử.
Lí thuyết dây trình bày lực hấp dẫn lượng tử trong không gian hai chiều chứ không phải bốn chiều, tránh được mọi rắc rối của \phương pháp lí thuyết trường lượng tử nhưng lại đem đến những rắc rối khác, đó là sáu chiều bổ sung phải cuộn lại ở cấp độ nhỏ đến mức không phát hiện được.
Thật không may, lí thuyết dây không hề tái tạo được các dự đoán đã được kiểm nghiệm tốt của Mô hình Chuẩn.
Một quan điểm nổi tiếng nghe như khoa học viễn tưởng là “lực hấp dẫn lượng tử vòng”, trong đó không-thời gian ở những cấp độ nhỏ nhất là gồm những cái vòng nhỏ xíu trong một mạng lưới uốn dẻo tạo ra lực hấp dẫn mà chúng ta biết.
Quan niệm rằng không-thời gian được cấu tạo từ những thực thể nhỏ hơn, giống hệt như vật chất được cấu tạo bởi các hạt, không phải chỉ có ở lí thuyết vừa nêu. Có nhiều lí thuyết khác với tên gọi không kém phần lâm li: twistor, lí thuyết tập hợp nhân quả, graphity lượng tử, vân vân. Không-thời gian dạng hạt còn có thể giải thích tại sao vũ trụ của chúng ta lại có bốn chiều chứ không phải con số chiều nào khác.
Khó khăn của lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng là nó không thể tái tạo được lực hấp dẫn ở những cấp độ vĩ mô, ví dụ như kích cỡ của hệ mặt trời, như mô tả bởi thuyết tương đối rộng.
Không lí thuyết nào trong số này từng thành công trong việc thiết lập một lí thuyết của tất cả, một phần là do rất khó kiểm tra chúng.
“Lực hấp dẫn lượng tử chỉ phát huy tác dụng ở những năng lượng cao hơn nhiều so với bất cứ thứ gì mà chúng ta có thể tạo ra trong phòng thí nghiệm hiện nay,” phát biểu của Lisa Glaser, một nhà nghiên cứu lí thuyết hấp dẫn lượng tử tập hợp nhân quả tại Đại học Nottingham. “Cái hi vọng ở nhiều lí thuyết hiện nay là dự đoán các hiệu ứng lũy tích dần,” ví dụ như hành trạng lỗ đen bất ngờ trong các va chạm như LIGO phát hiện gần đây.
Ngày nay, nhiều lí thuyết lúc ban đầu được đề xuất là lí thuyết của tất cả đã phát triển vượt ngoài nhiệm vụ thống nhất các lực. Ví dụ, nhiều nghiên cứu hiện nay trong lĩnh vực lí thuyết dây có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm hiểu món súp nóng của các hạt sơ cấp gọi là plasma quark-gluon, cùng với hành trạng phức tạp của electron trong các vật liệu siêu lạnh như các chất siêu dẫn – những thứ trông quá xa lạ đối với lực hấp dẫn lượng tử.
“Trong công việc ngày qua ngày, có lẽ tôi không làm tính toán gì liên hệ trực tiếp với lí thuyết dây nữa,” Keeler nói. “Nhưng toàn bộ những ý tưởng này đều xuất phát từ lí thuyết dây.”
Việc tìm thấy một lí thuyết của tất cả không có khả năng làm thay đổi cách làm việc mỗi ngày của phần lớn chúng ta, kể cả làm việc trong lĩnh vực khoa học. Đó là cách vận hành bình thường: Các nhà hóa học và các kĩ sư đâu nhất thiết sử dụng điện động lực học lượng tử, mặc dù đây là lí thuyết nền tảng cho công việc của họ. Nhưng việc tìm thấy một lí thuyết như vậy có thể làm thay đổi nhận thức của chúng ta về vũ trụ ở cấp độ căn bản.
Dẫu vậy, một lí thuyết thành công của tất cả chưa hẳn là lí thuyết cuối cùng. Nếu chúng ta học được những gì từ 150 năm đi tìm thống nhất, thì đó là mỗi bước tiến mang các lí thuyết lại với nhau lại làm sáng tỏ những cái mới mẻ mà trước đó chúng ta không hề biết.
Nguồn: Symmetry Magazine
