Vì sao lực hấp dẫn khác với những lực còn lại?

Chúng tôi hỏi bốn nhà vật lí tại sao lực hấp dẫn lạc lõng trong số các lực của tự nhiên. Và chúng tôi nhận được bốn câu trả lời khác nhau. Bài của Natalie Wolchover trên Quanta Magazine, tháng 6/2020.

Các nhà vật lí đã truy nguyên ba trong bốn lực của tự nhiên – lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu – đến cội nguồn của chúng ở các hạt lượng tử. Thế nhưng lực cơ bản thứ tư, lực hấp dẫn, thì khác.

Khuôn khổ hiện nay của chúng ta để tìm hiểu lực hấp dẫn đã được nghĩ ra cách nay một thế kỉ bởi Albert Einstein, nó bảo chúng ta rằng quả táo rơi từ trên cây và các hành tinh quay xung quanh các sao là bởi vì chúng chuyển động theo những đường cong trong thể liên tục không-thời gian. Những đường cong này là lực hấp dẫn. Theo Einstein, lực hấp dẫn là một đặc trưng của môi trường không-thời gian; các lực còn lại của tự nhiên tung hoành trên sân khấu đó.

Thế nhưng ở gần tâm của một lỗ đen hay trong những thời khắc đầu tiên của vũ trụ, các phương trình của Einstein sụp đổ. Các nhà vật lí cần một bức tranh đúng hơn về lực hấp dẫn để mô tả chính xác những thái cực này. Lí thuyết đúng hơn này phải đưa ra được những dự đoán y như các phương trình Einstein.

Các nhà vật lí nghĩ rằng trong lí thuyết đúng hơn này, lực hấp dẫn phải có một hình thức lượng tử, giống như những lực còn lại của tự nhiên. Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm lí thuyết lượng tử về lực hấp dẫn kể từ thập niên 1930. Họ đã tìm thấy những ý tưởng ứng viên – đáng chú ý là lí thuyết dây, nó nói rằng lực hấp dẫn và mọi hiện tượng khác đều nảy sinh từ các dây tí hon đang dao động – nhưng cho đến nay những khả năng này vẫn mang tính phỏng đoản và chưa được hiểu đầy đủ. Một lí thuyết lượng tử vận hành được về lực hấp dẫn có lẽ là mục tiêu tối thượng nhất trong vật lí học ngày nay.

Điều gì khiến lực hấp dẫn độc nhất vô nhị như thế? Điều gì khác biệt ở lực thứ tư đã ngăn các nhà nghiên cứu tìm thấy mô tả lượng tử nền tảng của nó? Chúng tôi hỏi bốn nhà nghiên cứu hấp dẫn lượng tử khác nhau. Chúng ta nhận được bốn câu trả lời khác nhau.

Lực hấp dẫn sản sinh các kì dị

Claudis de Rham, một nhà vật lí lí thuyết tại trường Imperial College London, người nghiên cứu các lí thuyết về lực hấp dẫn khối lượng lớn, quả quyết rằng đơn vị lượng tử hóa của lực hấp dẫn là những hạt khối lượng lớn:

Thuyết tương đối rộng của Einstein mô tả chính xác hành trạng của lực hấp dẫn trên cỡ 30 bậc độ lớn, từ cấp độ dưới mili mét đến những khoảng cách vũ trụ mênh mông. Không có lực nào khác của tự nhiên được mô tả với độ chuẩn xác như thế và trên phạm vi cấp độ rộng như thế. Với mức độ ăn khớp hoàn hảo như thế với thí nghiệm và quan trắc, có vẻ như thuyết tương đối rộng có thể đem đến mô tả tối hậu về lực hấp dẫn. Thế nhưng thuyết tương đối rộng lại nổi tiếng ở chỗ nó dự đoán chỗ sụp đổ của chính nó.

Thuyết tương đối rộng đưa đến tiên đoán về lỗ đen và Big Bang tại cội nguồn của vũ trụ chúng ta. Thế nhưng các “kì dị” ở những nơi này, những điểm bí ẩn tại đó độ cong của không-thời gian có vẻ trở nên vô hạn, tác dụng như những ngọn cờ báo hiệu sự sụp đổ của thuyết tương đối rộng. Khi người ta tiến đến điểm kì dị tại tâm lỗ đen, hoặc kì dị Big Bang, các dự đoán được suy luận từ thuyết tương đối rộng không đem lại câu trả lời đúng. Cần có một mô tả nền tảng, cơ bản hơn về không gian và thời gian. Nếu chúng ta khám phá được lớp vật lí mới này, thì chúng ta sẽ có thể đạt được một nhận thức mới về chính không gian và thời gian.

Giá như lực hấp dẫn giống như những lực còn lại của tự nhiên, thì chúng ta có thể hi vọng khảo sát nó sâu sắc hơn bằng các thí nghiệm kĩ thuật có thể đạt tới những năng lượng lớn hơn nữa và những khoảng cách nhỏ hơn nữa. Nhưng lực hấp dẫn chẳng phải một lực bình thường. Nếu cố thúc ép nó hé lộ các bí mật của nó quá một điểm nhất định thì chính thiết bị thí nghiệm sẽ suy sụp thành một lỗ đen.

Lực hấp dẫn đưa tới lỗ đen

Daniel Harlow, một nhà lí thuyết hấp dẫn lượng tử tại Viện Công nghệ Massachusetts, nổi tiếng vì áp dụng lí thuyết thông tin lượng tử để nghiên cứu lực hấp dẫn và lỗ đen:

Lỗ đen là lí do khiến người ta khó kết hợp lực hấp dẫn với cơ học lượng tử. Lỗ đen chỉ có thể là một hệ quả của lực hấp dẫn bởi vì lực hấp dẫn là lực duy nhất mà mọi loại vật chất đều chịu tác dụng. Giả sử có bất kì loại hạt nào đó không chịu lực hấp dẫn, thì chúng ta có thể sử dụng hạt đó gửi đi một thông điệp từ bên trong lỗ đen, vì thế nó sẽ thật sự không còn đen nữa.

Thực tế toàn bộ vật chất đều chịu lực hấp dẫn đưa đến một ràng buộc về loại thí nghiệm có thể thực hiện: Cho dù bạn xây dựng thiết bị gì, cho dù nó được làm bằng gì, nó không thể quá nặng, nếu không thì nó sẽ suy sụp hấp dẫn thành một lỗ đen. Ràng buộc này chẳng liên quan gì trong các tình huống thường ngày, nhưng nó trở nên thiết yếu nếu bạn cố xây dựng một thí nghiệm để đo các tính chất cơ lượng tử của lực hấp dẫn.

Hiểu biết của chúng ta về các lực còn lại của tự nhiên được xây dựng trên nguyên lí định xứ, nó nói rằng các biến mô tả những gì đang xảy ra tại mỗi điểm trong không gian – ví dụ như cường độ điện trường tại đó – có thể biến thiên độc lập nhau. Hơn nữa, các biến này, chúng ta gọi là “bậc tự do”, chỉ có thể ảnh hưởng trực tiếp đến các láng giềng sát cạnh của chúng. Sự định xứ là quan trọng đối với cách hiện nay chúng ta mô tả các hạt và tương tác của chúng vì nó bảo toàn các liên hệ nhân quả: Nếu các bậc tự do ở Cambridge, Massachusetts, này phụ thuộc vào các bậc tự do ở San Francisco, thì chúng ta có thể sử dụng sự phụ thuộc này để thu được sự giao tiếp tức thời giữa hai thành phố hoặc thậm chí để gửi thông tin ngược chiều thời gian, dẫn tới các vi phạm khả dĩ của luật nhân quả.

Giả thuyết định xứ đã được kiểm tra rất kĩ trong các cấu hình thông thường, và có vẻ hợp lí nếu giả sử rằng nó mở rộng đến những khoảng cách rất ngắn liên quan đến lực hấp dẫn lượng tử (những khoảng cách này nhỏ vì lực hấp dẫn yếu hơn nhiều so với các lực kia). Để xác nhận sự định xứ được giữ gìn ở những cấp khoảng cách đó, chúng ta cần xây dựng một thiết bị có khả năng kiểm tra sự độc lập của các bậc tự do ở cách nhau những khoảng cách nhỏ như thế. Tuy nhiên, một phép tính đơn giản cho biết một thiết bị đủ nặng để tránh các thăng giáng lượng tử lớn ở vị trí của nó, cái sẽ làm hỏng thí nghiệm, thì nó cũng sẽ đủ nặng để suy sụp thành một lỗ đen! Do đó, các thí nghiệm xác nhận sự định xứ ở cấp độ này là không thể. Và bởi vậy, lực hấp dẫn lượng tử không cần tuân thủ sự định xứ ở những cấp độ dài như thế.

Thật vậy, hiểu biết của chúng ta về lỗ đen cho đến nay đề xuất rằng bất kì lí thuyết nào về hấp dẫn lượng tử cũng phải có ít bậc tự do hơn so với chúng ta trông đợi dựa trên kinh nghiệm với những lực kia. Ý tưởng này được tóm lược trong “nguyên lí toàn ảnh”, đại khái nó nói rằng số bậc tự do trong một vùng không gian tỉ lệ với diện tích bề mặt thay vì thể tích của nó.

Lực hấp dẫn tạo ra vạn vật từ hư vô

Juan Maldacena, một nhà lí thuyết hấp dẫn lượng tử tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey, nổi tiếng vì khám phá một quan hệ kiểu hologram giữa lực hấp dẫn và cơ học lượng tử:

Các hạt có thể biểu hiện nhiều hiện tượng thú vị và bất ngờ. Chúng ta có thể có sự sinh hạt tự phát, sự liên đới (vướng víu) giữa trạng thái của các hạt ở xa nhau, và các hạt ở trong trạng thái chồng chất ở nhiều nơi cùng lúc.

Trong hấp dẫn lượg tử, bản thân không-thời gian hành xử theo những kiểu mới lạ. Thay vì sinh hạt, chúng ta có sinh vũ trụ. Sự liên đới được cho là tạo kết nối giữa những vùng xa xôi của không-thời gian. Chúng ta có sự chồng chất của các vũ trụ có dạng hình học không-thời gian khác nhau.

Hơn nữa, từ bối cảnh vật lí hạt, chân không của không gian là một đối tượng phức tạp. Ta có thể hình dung nhiều thực thể gọi là trường chồng lên nhau và mở rộng khắp không gian. Giá trị của mỗi trường liên tục thăng giáng ở những khoảng cách ngắn. Trong số những trường thăng giáng này và tương tác của chúng, trạng thái chân không xuất hiện. Các hạt là những nhiễu loạn trong trạng thái chân không này. Ta có thể hình dung chúng là những sai khuyết nhỏ trong cấu trúc của chân không.

Khi xét lực hấp dẫn, ta thấy rằng sự giãn nở của vũ trụ hình như tạo ra nhiều chất liệu chân không này từ hư vô. Khi không-thời gian được tạo ra, nó xuất hiện ở trạng thái tương ứng với chân không hoàn hảo không sai khuyết. Làm thế nào chân không xuất hiện ở đúng nơi thích hợp là một trong những câu hỏi chính chúng ta phải trả lời để có được một mô tả tương thích lượng tử về lỗ đen và vũ trụ học. Trong cả hai trường hợp này, có một kiểu mở rộng không-thời gian do sự sinh ra càng lúc càng nhiều của chất liệu chân không.

Không thể tính được lực hấp dẫn

Sera Cremonini, một nhà vật lí lí thuyết tại Đại học Lehigh, nghiên cứu về lí thuyết dây, lực hấp dẫn lượng tử và vũ trụ học:

Có nhiều lí do khiến lực hấp dẫn thật đặc biệt. Hãy để tôi tập trung vào một phương diện thôi, ý tưởng nói rằng phiên bản lượng tử của thuyết tương đối rộng Einstein là “phi tái chuẩn hóa”. Điều này có nhiều hàm ý đối với hành trạng của lực hấp dẫn ở năng lượng cao.

Trong các lí thuyết lượng tử, các số hạng vô hạn xuất hiện khi bạn cố tính xem các hạt năng lượng rất cao tán xạ lên nhau và tương tác như thế nào. Trong các lí thuyết tái chuẩn hóa được – bao gồm các lí thuyết mô tả tất cả các lực của tự nhiên trừ lực hấp dẫn – ta có thể loại bỏ những vô hạn này một cách chặt chẽ bằng cách cộng gần đúng những đại lượng khác triệt tiêu chúng, cái gọi là các đối số hạng. Quá trình tái chuẩn hóa này đưa tới những đáp số có ý nghĩa vật lí và phù hợp với thí nghiệm đến độ chuẩn xác rất cao.

Vấn đề đối với một phiên bản lượng tử của thuyết tương đối rộng là các phép tính mô tả tương tác của các graviton năng lượng rất cao – những đơn vị lượng tử hóa của lực hấp dẫn – sẽ có nhiều vô hạn các số hạng vô hạn. Bạn sẽ phải cộng nhiều vô số các đối số hạng trong một quá trình không hồi kết. Sự tái chuẩn hóa sẽ thất bại. Do vậy, một phiên bản lượng tử của thuyết tương đối rộng Einstein không phải là một mô tả tốt về lực hấp dẫn ở những năng lượng rất cao. Nó phải thiếu mất một số đặc trưng và thành phần then chốt của lực hấp dẫn.

Tuy nhiên, ta vẫn có thể có một mô tả gần đúng hoàn hảo về lực hấp dẫn ở những năng các tương tác còn lại trong tự nhiên. Điểm mấu chốt là mô tả gần đúng này về lực hấp dẫn sẽ sụp đổ ở một cấp năng lượng nào đó – hay tương đương, dưới một độ dài nào đó.

Ở trên cấp năng lượng này, hoặc dưới cấp độ dài tương ứng, chúng ta trông đợi tìm thấy những bậc tự do mới và những đối xứng mới. Để tóm bắt chính xác những đặc trưng này, chúng ta cần một khuôn khổ lí thuyết mới. Đây chính là nơi lí thuyết dây hay một sự khái quát hóa thích hợp nào đó xuất hiện: Theo lí thuyết dây, ở những khoảng cách rất ngắn, chúng ta sẽ thấy graviton và những hạt khác là những đối tượng mở rộng, gọi là dây. Nghiên cứu khả năng này có thể dạy cho chúng ta những bài học vô giá về hành trạng lượng tử của lực hấp dẫn.

Theo Quanta Magazine, bản dịch của Thuvienvatly.com.