Lí thuyết dây ban đầu được phát triển để mô tả các hạt sơ cấp và các lực cơ bản cấu tạo nên vũ trụ của chúng ta. Một nghiên cứu mới, do một đội tại trường Imperial College London thực hiện, công bố trong số ra ngày 2 tháng 9 của tạp chí Physical Review Letters, mô tả sự khám phá bất ngờ rằng lí thuyết dây dường như còn tiên đoán được hành trạng của các hạt lượng tử bị vướng víu. Vì tiên đoán này có thể kiểm tra trong phòng thí nghiệm, cho nên lúc này các nhà nghiên cứu đã có thể kiểm tra lí thuyết dây rồi.
Giáo sư Michael Duff FRS, tác giả đứng đầu nhóm nghiên cứu . Ảnh: Imperial College London
Hơn 25 năm qua, lí thuyết dây đã trở thành đối thủ ưa thích của các nhà vật lí cho ‘lí thuyết của tất cả’, nó dung hòa cái chúng ta biết về cái vô cùng nhỏ từ lĩnh vực vật lí hạt với kiến thức của chúng ta về cái vô cùng lớn từ nghiên cứu của chúng ta về vũ trụ. Việc sử dụng lí thuyết dây để dự đoán các hạt lượng tử bị vướng víu hành xử như thế nào mang lại cơ hội số một để kiểm tra lí thuyết này bằng thực nghiệm.
“Nếu các thí nghiệm chứng tỏ các dự đoán của chúng tôi về sự vướng víu lượng tử là chính xác, thì kết quả này sẽ chứng minh rằng lí thuyết dây ‘có tác dụng’ tiên đoán hành trạng của các hệ lượng tử bị vướng víu”, theo giáo sư Mike Duff FRS, tác giả đứng đầu nhóm nghiên cứu tại Khoa Vật lí Lí thuyết ở trường Imperial College London.
“Đây sẽ không phải là bằng chứng rằng lí thuyết dây đúng là ‘lí thuyết của tất cả’ mà các nhà vũ trụ học và các nhà vật lí hạt đã và đang tìm kiếm. Tuy nhiên, nó sẽ rất quan trọng đối với các nhà lí thuyết vì nó sẽ chứng minh được lí thuyết dây có hoạt động hay không, kể cả việc nó có ứng dụng nào hay không trong một lĩnh vực vật lí bất ngờ và không có liên quan gì”, giáo sư Duff nói.
Giáo sư Duff nhớ lại lần dự một hội nghị ở Tasmania, khi đó một người đồng nghiệp đang trình bày các công thức toán học mô tả sự vướng víu lượng tử: “Tôi bất ngờ nhận thấy các công thức của ông ta giống với một số công thức tôi đã phát triển một vài năm trước đó trong khi sử dụng lí thuyết dây để mô tả các lỗ đen. Khi tôi trở về Anh, tôi đã kiểm tra sổ tay ghi chép của mình và xác nhận rằng cơ sở toán học từ những lĩnh vực rất khác nhau này thật ra là y hệt nhau”.
Việc phát hiện lí thuyết dây có vẻ đưa ra được các tiên đoán về sự vướng víu lượng tử là hoàn toàn bất ngờ, nhưng vì sự vướng víu lượng tử có thể đo được trong phòng thí nghiệm, cho nên điều đó có nghĩa là cuối cùng các nhà nghiên cứu đã có thể kiểm tra các tiên đoán xây dựng trên nền tảng lí thuyết dây. Chẳng có mối liên hệ rõ ràng nào giải thích tại sao một lí thuyết được phát triển để mô tả các nguyên lí hoạt động cơ bản của vũ trụ lại hữu ích trong việc tiên đoán hành trạng của các hệ lượng tử bị vướng víu. “Điều này có thể cho chúng ta biết cái gì đó rất sâu sắc về thế giới mà chúng ta đang sống trong đó, hay có lẽ nó chẳng gì hơn là một sự trùng hợp ngẫu nhiên. Dù sao chăng nữa, nó thật sự hữu ích”, giáo sư Duff kết luận.
Lí thuyết dây
Lí thuyết dây, và mở rộng của nó – lí thuyết M, là những mô tả toán học của vũ trụ. Chúng được phát triển trong hơn 25 năm qua bởi các nhà lí thuyết tìm cách dung hòa lí thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. (Thuyết tương đối rộng mô tả vũ trụ ở cấp độ vũ trụ học – cái vô cùng lớn, còn cơ học lượng tử mô tả vũ trụ ở cấp độ vật lí hạt – cái vô cùng nhỏ). Một trong những vấn đề lớn khó giải quyết, đặc biệt là của lí thuyết M, là nó mô tả hàng tỉ vũ trụ khác nhau và ‘mọi thứ’ có thể cư trú trong một vũ trụ này hoặc một vũ trụ khác theo lí thuyết M. Các nhà nghiên cứu không có cách nào kiểm tra xem câu trả lời nào trong số các đáp án mà lí thuyết dây/lí thuyết M cung cấp cho chúng ta là đúng. Thật vậy, chúng đều có thể đúng và chúng ta sống trong một vũ trụ trong vô vàn vũ trụ. Cho đến nay, chẳng ai có thể đưa ra một tiên đoán, sử dụng lí thuyết dây, có thể kiểm tra được xem là đúng hay không.
Sự vướng víu qubit (bit lượng tử)
Dưới những điều kiện được điều khiển hết sức chính xác, người ta có thể làm vướng víu các tính chất của hai hạt lượng tử (hai bit lượng tử, hay qubit), thí dụ như hai photon. Nếu sau đó bạn đo trạng thái của một trong hai hạt bị vướng víu này, thì lập tức bạn làm ảnh hưởng đến trạng thái của hạt kia. Và điều này đúng nếu như các hạt ở gần nhau hoặc cách nhau khoảng cách hết sức lớn. Vì thế mà Einstein đã mô tả sự vướng víu lượng tử là ‘tác dụng ma quỷ xuyên khoảng cách’. Có thể làm vướng víu nhiều hơn hai qubit, nhưng việc tính toán làm thế nào các hạt bị vướng víu với nhau trở nên ngày một phức tạp khi có nhiều hạt tham gia.
Giáo sư Duff cùng các đồng nghiệp của ông nhận ra rằng mô tả toán học của kiểu vướng víu giữa ba qubit tương tự như mô tả toán học, trong lí thuyết dây, của một họ lỗ đen đặc biệt. Từ đó, bằng cách kết hợp kiến thức của họ về hai trong những hiện tượng lạ lùng nhất trong vũ trụ, các lỗ đen và sự vướng víu lượng tử, họ nhận ra rằng họ có thể sử dụng lí thuyết dây để đưa ra một tiên đoán có thể kiểm tra được. Sử dụng cơ sở toán học lí thuyết dây mô tả lỗ đen, họ dự đoán kiểu vướng víu sẽ xảy ra khi bốn qubit bị vướng víu với nhau. (Câu trả lời cho bài toán này chưa hề được tính ra trước đây) Mặc dù trên kĩ thuật khó thực hiện được, nhưng kiểu vướng víu giữa bốn qubit bị vướng víu có thể đo được trong phòng thí nghiệm và độ chính xác của tiên đoán này đã được kiểm tra.
Nguồn: PhysicsOrg.com
