ST
Chúng ta đang sống trong một vũ trụ phức tạp hết sức tuyệt vời, và chúng ta tò mò muốn biết bản chất của nó. Chúng ta không ngừng tự hỏi –tại sao chúng ta lại có mặt ở đây? Chúng ta và thế giới của chúng ta từ đâu mà đến ? Thế giới của chúng ta do gì tạo nên? Chúng ta được may mắn sống vào thời điểm mà con người đã đạt được những tiến bộ to lớn trong công cuộc tìm kiếm giải đáp cho các câu hỏi trên. Lý thuyết dây (string theory) là nỗ lực mới nhất của con người để giải đáp câu hỏi cuối cùng (và một phần câu hỏi thứ hai)
Mô hình chuẩn
 Wikipedia | Trình tự nghiên cứu cấu tạo vật chất của vũ trụ:
1. Các vật thể vĩ mô (chính xác hơn, các vật thể thông thường hàng ngày quan sát được bằng mắt thường) |
Vậy thì, thế giới của chúng ta do gì tạo nên? Vật chất thông thường được tạo nên bởi những nguyên tử, và các nguyên tử này lại được tạo nên bởi ba thành phần cơ bản: những electron xoay quanh một nhân gồm có những proton và neutron. Electron thực sư là một hạt cơ bản/ fundamental particle ( nó là một hạt trong gia đình những hạt gọi là lepton), nhưng các neutron và proton lại được tạo thành bởi những hạt nhỏ hơn gọi là quarks. Quarks –như chúng ta được biết cho tới nay-- là những hạt thực sư sơ đẳng (elementary)
Sư hiểu biết hiện nay của chúng ta về thành phần hạ nguyên tử ( subatomic composition) của vũ trụ (universe) được tóm lược trong Mô hình chuẩn cũa vật lý hạt ( Standard Model of particle physics). Mô hình này mô tả cả những khối xây dựng cơ bản (fundamental building blocks) của vũ trụ và cả các lực tượng tác giữa các khối này .
Wikipedia Tổng cộng có tất cả 12 khối xây dựng cơ bản: sáu khối là những quark được gọi là up, down, charm, strange, bottom và top ( một proton chẳng hạn được tạo thành bởi hai “up quark” và một “down quark”). Sáu khối còn lại là những lepton—bao gồm electron , hai hạt anh em với electron nhưng nặng hơn gọi là muon và tau, cùng với ba neutrino
Có bốn lực cơ bản trong vũ trụ: lực hấp dẫn(gravity), lực điện-từ (electromagnetism) và các lực hạt nhân (nuclear forces) yếu và mạnh. Mỗi môt lực này được sản xuất ra bởi những hạt cơ bản hành động như chất chuyên chở lực. Quen thuộc nhất trong những hạt này là photon, một hạt ánh sáng, đóng vai trò trung gian gữa các lực điện từ (điều này có nghĩa là một nam châm hút một cái đinh vì hai vật thễ này trao đổi những photon với nhau). Graviton là hạt liên quan với lực hấp dẩn (gravity). Lực mạnh đuợc tải bởi tám hạt gọi là gluon. Sau hết , lực yếu được truyền đi nhờ ba hạt W+, W- và Z
Động tác (behavior) cũa tất cả các hạt và lực trên đây được mô tả với một độ chính xác tuyệt hảo bởi Mô hình Chuẩn, với một ngoại lệ đáng đễ ý: lực hấp dẫn (gravity). Vì những lý do kỹ thuật, lực hấp dẫn (gravitational force)--lực rất quen thuộc trong đời sống hàng ngày cũa chúng ta- được chứng tỏ là rất khó có thễ được mô tả ở cấp vi mô. Trong nhiều năm một trong những vấn đề quan trọng nhất trong ngành vật lý lý thuyết là đưa ra một thuyết lượng tử vể lực hấp dẫn ( quantum theory of gravity)
Lý thuyết dây
Trong vài thập niên gần đây, lý thuyết dây (string theory) đã xuất hiện như là ứng viên nhiều hứa hẹn nhất cho một lý thuyết vi mô cho lực hấp dẫn (microscopic theory of gravity). Và lý thuyết này có một tham vọng cao xa hơn nhiều: đó là nổ lực cung cấp một mô tả đầy đủ, thống nhất và nhất trí vể cấu trúc cơ bản cũa vũ trụ cũa chúng ta ( completed ,unified and consistent description of the fundamental structure of our universe) . Vì lý do này lý thuyết dây đôi khi đươc gọi là lý thuyết về mọi thứ (Theory of Everything)
Ý tưởng chủ yếu đằng sau lý thuyết dây là: tất cả các hạt “cơ bản” khác nhau của Mô hình Chuẩn thực ra chỉ là những biểu lộ khác nhau của một vật thể cơ bản: đó là dây (string). Thế là sao? Như bạn biết chúng ta thông thường hình dung electron như một điểm không có cấu trúc bên trong. Một điểm không thể làm gì khác hơn là di chuyển. Nhưng, nếu lý thuyết dây mà đúng, thì khi được quan sát bởi một kính hiển vi cực mạnh , electron thực sư sẽ không phải là một điểm mà là một vòng dây nhỏ bé. Một dây(string)có thể làm điều khác hơn là di chuyển: nó có thể dao độngtheo nhiều cách khác nhau. Nếu nó dao động theo một cách nào đó, thì khi ở xa chúng ta sẽ không thể bảo nó thực sự là một dây mà chúng ta nhìn thấy nó là một electron. Nhưng nếu sợi dây rung theo môt cách khác, chúng ta sẽ nhìn nó như là một photon, một quark ..v.v và v.v… Như vậy nếu lý thuyết dây mà đúng thì toàn bộ vũ trụ được tạo thành bởi những dây
Có lẽ điều đáng chú ý nhất cũa lý thuyết dây là một ý tưởng đơn giản như vậy lại có thể suy diễn ra Mô hình Chuẩn (điều này đã được kiểm chứng bẳng thực nghiệm với một độ chính xác không tưởng). Nhưng cũng cẩn phải nói là cho tới nay chưa có bẳng chứng thưc nghiệm trực tiếp nào chứng tỏ là lý thuyểt dây là một mô tả đúng đắn cũa Thiên nhiên. Điểu này chủ yếu là vì lý thuyết dây còn đang trong giai đoan phát triển. Chúng ta mới chỉ biết từng “mẩu” của lý thuyết này nhưng chưa nhìn thấy toàn bộ hình ảnh của nó và vì vậy chúng ta không thể có những dự đóan rõ ràng. Trong những năm gần đây, nhiều phát triễn phấn khởi đã xẩy ra, cải thiện tận gốc sự hiểu biết cũa chúng ta về lý thuyết này
Năm yếu tố cơ bản cũa lý thuyết dây
Lý thuyết dây dựa vào năm ý niệm cơ bản sau đây:
1- Dây và màng (strings and membranes)
Khi lý thuyết dây mới được đưa ra vào những năm 1970, các sợi năng lượng trong lý thuyết này được coi như là những vật thể một chiều: những dây (strings). [ Một chiều chỉ ra rằng dây chỉ có chiều dài, trái ngược với hình vuông có cả chiều dài và chiều cao]
Các dây này ở dưới hai dạng: dây khép kín và dây hở. . Dây hở có hai đầu không đụng nhau, còn dây khép kín là một vòng không có đầu hở. Cuối cùng những dây ban đầu ( gọi là dây Loại I) được phát hiện là có thể trải qua 5 loại tượng tác cơ bản theo như hình dưới đây , tùy thuộc vào những cách chắp nối hay tách rời khác nhau
Các tượng tác dựa vào khả năng của một dây chắp nối hay tách xa các đầu của nó. Bởi vì các đầu của những dây hở có thể chắp nối lại tạo thành những dây khép kín, nên bạn không thể tạo dựng một lý thuyết dây không có những dây khép kín.
Điều này đã tỏ ra quan trọng, bởi vì các dây khép kín có những tính chất làm cho các nhà vật lý học tin rằng chúng có thễ mô tả lực hấp dẫn (gravity). Thay vì là một lý thuyết vế những hạt vật chất, các nhà vật lý đã bắt đầu nhận định ra rằng lý thuyết dâycó đủ khả năng giải thích lực hấp dẫn ( gravity) và động tác (behavior) của các hạt
Sau nhiều năm, người ta đã phát hiện là lý thuyết dây đòi hỏi những vật thể khác hơn là các dây. Các vật thể này có thễ được xem như là những tấm lá hay brane. Các dây có thễ bám dính một đầu hay cả hai đầu vào các brane này. Hình dưới đây là một brane hai chiều ( gọi là 2-brane).
2- Lực hấp dẩn lượng tử (Quantum gravity)
Vật lý cận đại có hai định luật cơ bản: vật lý lượng tử (quantum physics)và thuyết tương đối tổng quát (general relativity) . Hai định luật khoa học này tiêu biểu cho những lãnh vực nghiên cứu hoàn toàn khác nhau. Vật lý lượng tử nghiên cứu những vật thể cực nhỏ nhất trong thiên nhiên, trong khi thuyết tượng đối có xu hướng nghiên cứu thiên nhiên ở qui mô các hành tinh, thiên hà và vũ trụ như một toàn bộ (Dĩ nhiên lực hấp dẫn ảnh hưởng tới các hạt nhỏ bé và thuyết tượng đối cũng kể tới lực này). Những lý thuyết nhắm hợp nhất hai lý thuyết trên là những lý thuyết lực hấp dẫn lượng tử ( theories of quantum gravity), mà lý thuyết có nhiểu hứa hẹn nhất chính là lý thuyết dây
.
3- Hợp nhất các lực (Unification of forces)
Cùng một lúc với vấn để lực hấp dẫn lượng tử, lý thuyết dây còm nhắm hợp nhất bốn lực trong vụ trụ--lực từ trường, lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu và lực hấp dẫn—vào trong một lý thuyết thống nhất. Trong vũ trụ của chúng ta, các lực cơ bản này hiện ra như là bốn hiện tượng khác nhau, nhưng các chuyên gia về lý thuyết dây tin rẳng trong vũ trụ sơ khai (khi mà năng lượng ở những mức cao vô cùng) các lực này đều được mô tả như là những dây tương tác với nhau
4- Siêu đối xứng (Supersymmetry).
Tất cả các hạt trong vũ trụ có thễ chia làm hai loại: boson và fermion. Lý thuyết dây tiên liệu là có một loại liên kết gọi là siêu đối xứng (supersymmetry) giữa hai loại hạt này. Theo siêu đối xứng phải có một fermion tồn tại cho mỗi một boson và ngược lại. Nhưng đáng tiếc là các thí nghiệm chưa phát hiện ra những hạt phụ thêm này (extra particles)
Siêu đối xứng là một mối liên hệ toán học đặc trưng giữa một số nhất định số hạng trong các phương trình vật lý. Siêu đối xứng đã được phát hiện bên ngoài lý thuyết dây, mặc dầu khi đuơc đưa vào trong lý thuyết dây nó đã biến đổi lý thuyết này thành lý thuyết dây siêu đối xứng (hay lý thuyết siêu dây/ superstring theory ) vào khoảng giữa nhửng năm 1970
Siêu đối xứng đã đơn giản hoá rất nhiều các phượng trình cũa lý thuyết dây bằng cách loại bỏ một số nhất định số hạng (terms) . Không có siêu đối xứng, các phượng trình sẽ dẫn đến những mâu thuẫn vật lý , chẳng hạn như những giá trị vô hạn và những mức năng lượng ảo .
Vì các nhà vật lý chưa quan sát thấy những hạt tiên liệu bởi siêu đối xứng , nên điều này vẫn còn là một giả thiết toán học. Nhiều nhà vật lý học tin rằng lý do chưa ai quan sát được các hạt này là vì phải cần nhiều năng lượng để tạo ra chúng (theo công thức nổi tiếng cũa Einstein E=mc2 năng lượng liên hệ với khối lượng) Có thể nh ững hạt này đã có hiện diện trong vũ trụ sơ khai (early universe), nhưng vì vũ trụ nguội dần và năng lượng đươc trải rộng sau big bang nên các hạt này đã tụt xuống mức năng lượng thấp hơn như được quan sát thấy ngày nay.( Tuy vậy bạn đừng nên nghĩ rẳng vũ trụ cũa chúng ta ngày nay ở mức năng lượng đặc biệt thấp vì ỡ đây thấp chỉ có nghĩa là thấp so với sức nóng mãnh liệt vào những khoảng khắc ngay sau big bang)
Các nhà khoa học hi vọng là những quan sát thiên văn hay các thí nghiệm với máy gia tốc hạt sẽ giúp khám phá ra những hạt siêu đối xứng năng lượng cao, đem lại sự hỗ trơ cho các tiên liệu cũa lý thuyết dây
5- Các chiều phụ thêm (extra dimensions)
Một kết quả toán học khác cũa lý thuyết dây là lý thuyết này chỉ có ý nghĩa trong một thế giới có nhiều hơn ba chiều không gian. ( Vũ trụ cũa chúng ta có ba chiều không gian-- phải/trái, lên/xuống và trước/sau). Hiện nay có hai giải thích về vị trí của các chiều phụ thêm
· Các chiều không gian phụ thêm (đại cương 6 trong số này) co tròn lại đễ đạt tới những kích cỡ vô cùng nhỏ mà chúng ta chẳng bao giờ nhận thức ( perceive)được
· Chúng ta bị kẹt trên một brane 3-chiều, và các chiều phụ thêm đều hướng ra ngoài brane này nên chúng ta không đụng tới được
Một lãnh vực nghiên cứu trọng đại cho các chuyên gia vể lý thuyết dây là tim những mô hình toán học đễ làm sao cho các chiều phụ thêm (extra dimensions) có thể liên hệ với các chiều cũa riêng chúng ta. Một số những kết quả mới nhất đã tiên liệu là các nhà khoa học sẽ sớm có thể phát hiện ra các chiều phụ thêm này (nếu có) qua nhửng thí nghiệm sắp tới đây
