Lão Gieo Duyên – Thế Kỷ 20 Khai Sinh Ra Hai Lý Thuyết Vật Lý Vĩ Đại

Ảnh minh hoạ, nguồn Forbes

Thế kỷ 20 đã khai sinh ra hai lý thuyết vật lý vĩ đại nhất từ cổ kim, đó là, thuyết Tương Đối Tổng Quát của Albert Einstein và Thuyết  Dây. Dưới đây là phần tóm tắt đại cương rất “bình dân” về hai thuyết này.

Thuyết Tương Đối Tổng Quát

Thuyết tương đối tổng quát có 2 phần:

  • Phần 1 – giải thích trọng lực và cấu trúc không gian ở mức độ rất lớn (vô cực) cho các vật lớn trong vũ trụ .
  • Phần 2 – giải thích cơ học lượng tử mà trong đó các hiện tượng ở mức độ rất nhỏ (vi cực).

Kết hợp hai phần này lại thì nó đã đủ để giải thích hầu hết mọi hiện tượng vật lý quanh ta nói riêng và vũ trụ nói chung. Từ thập niên 70 của thế kỷ trước, thuyết Tương Đối Tổng Quát đã được chứng minh và được kiểm chứng dựa vào các thực nghiệm xét từ các hạt cơ bản nguyên tử đến sự tiến hóa của các ngôi sao trong vũ trụ. Nhưng khi mọi thứ gần như đã được trả lời, thì bỗng nhiên bà Mẹ thiên nhiên lại ra một vấn đề mới, gọi là lực hấp dẫn lượng tử, đã tạo ra một số câu hỏi thách thức các nhà vật lý cũng như thuyết Tương Đối Tổng Quát của Albert Einstein. Trước khi ta đi vào chi tiết, xin nhắc lại rằng hiện nay nhà vật lý đã biết 4 lực căn bản trong thiên nhiên:

  1. Trọng lực (gravity force) – giải thích các chuyển động của hành tinh quay chung quanh mặt trời. Phần này chủ yếu dùng các định luật Newton đã khám phá
  2. Lực điện từ (eletromagnetic force) – giải thich chuyển động các hạt mang điện trong môi trường điện  trường và từ trường 
  3. Lực yếu (weak force) – xét sự phân rã phóng xạ của nguyên tử
  4. Lực Mạnh (strong force) – dùng để liên kết các hạt prô tôn (protons) nằm bên trong hạt nhân (nucleus) lại với nhau.

Phần “trọng lực” là lực cơ bản đã được thuyết tương đối giải thích trong khuôn khổ của vật lý cổ điển, nó ngược lại những lực cơ bản khác đã được giải thích trong khuôn khổ của cơ học lượng tử. Nhưng khi cần mô phỏng một “hiện tượng” từ thái cực nhỏ xuyên xuốt đến thái cực lớn, thì các vật lý gia cũng như khoa học gia không thể diễn tả được vì có rất nhiều lỗ hổng cho thấy nhiều “hiện tượng” không giải thích được. Nói một cách khác, chúng ta không thể dung hoà sự giải thích về vũ trụ và các hiện tượng nhỏ khác bằng thuyết tương đối rộng cho đến thuyết cơ học lượng tử sao cho có tính liên tục ở không-thời gian đã ấn chọn. Điều này đưa đến sự hình thành một thuyết khác nữa gọi là “thuyết lực hấp dẫn lượng tử” (theory of quantum gravity). Nhưng thuyết này lại không dễ dàng tạo ra một công thức toán học dùng để mô phỏng đối tượng cần được quan sát vì có một số khó khăn xuất hiện khi toan tính ứng dụng quy luật vật lý mà ta đã biết lên thuyết này.  Đây chính là lý do “Thuyết Dây” ra đời để giải quyết bài toán hóc búa này. Sau này người ta còn gọi Thuyết Dây là thuyết của mọi thứ (the theory of everything).  Điểm mấu chốt của Thuyết Dây là tìm cho ra cách trọng lực hoạt động và áp đặt lên các hạt nhỏ như electron hay photon. Đó là phần tóm lược để thấy đại cương một bức tranh lớn của sự nhận thức những thuyết vật lý về thế giới quanh ta cũng như vũ trụ quan, một thành quả đáng trân trọng cho các nhà vật lý và toán học tài năng nhất trên tinh cầu của chúng ta làm việc xuyên suốt không ngừng nghỉ từ giữa thế kỷ 19 cho đến hết thế kỷ 20. Vậy thì lý “Thuyết Dây” là cái gì ?

Lý Thuyết Dây

Lý thuyết dây là một thuyết hấp dẫn lượng tử, được xây dựng với mục đích thống nhất tất cả các hạt cơ bản cùng các lực cơ bản của tự nhiên, ngay cả lực hấp dẫn [1].

Nhắc lại theo mô hình vật lý sơ cấp, sự hiểu biết của chúng ta hiện nay về vũ trụ, thì vật chất được tạo bởi các hạt nguyên tử (atoms). Mà hạt nguyên tử được tạo ra từ những hạt nhỏ hơn nó gọi là hạt proton và neutron (còn gọi là trung hoà điện) trong đó các hạt electron luôn quay quanh chúng. Đây là kiến thức mà chúng ta thu thập được đầu thế kỷ 20. Tiếp theo, người ta biết các hạt proton và neutron được tạo ra từ những hạt nhỏ hơn nó, gọi là các hạt quarks.  Cũng nên biết, trong thời gian đầu phát hiện ra các hạt quarks vào khoảng giữa thập niên 60 cûa thế kỷ trước, nhà vật lý gia đã tính toán và quan sát, thấy chúng có phần rất giống nhau nhưng thật ra lại rất khác nhau, rất khó phân biệt và khó phát hiện vì chúng thoắt ẩn thoắt hiện rồi phân rã (hay tan rã) trong khoảng thời gian rất nhỏ, một trên phần triệu của triệu giây. Thế mới ghê chứ! Nếu các nhà vật lý ở thời điểm đó mà đọc được hai câu thơ của thi sĩ Tản Đà, ấy là:

“Mình với ta tuy hai mà một, ta với mình tuy một mà hai”

để mô tả ẩn hiện của hạt quark theo thi ca thì chắc cũng phải khen thầm. Bạn thấy đấy, ý thơ vẫn rất hay, tưởng ta với mình giống nhau nhưng thật ra mình với ta vẫn khác nhau, vẫn độc đáo!

Với sự tiến bộ của khoa học, nhà vật lý gia đã hiểu và phân biệt ra 6 loại quarks: lên, xuống, xuyên, lạ, đỉnh và đáy [2].   Chúng ta tạm coi tiến trình hình thành vật chất được kết thúc tại đây.

Nhưng từ khi lý Thuyết Dây ra đời và đả phản bác và nói rằng câu chuyện hình thành vật chất nói trên không thật sự kết thúc như vậy. Vậy lý Thuyết Dây là gì? Lý Thuyết Dây là một thuyết hấp dẫn lượng tử, nhưng khái niệm của nó ra sao? Muốn hiểu được nó, ta phải biết cách hình dung nó. Muốn vậy, trước hết ta cần xem cách khái niệm Thuyết Dây đề xướng. Thuyết Dây đề xướng rằng các hạt cơ bản luôn được cấu tạo từ những vật thể một chiều mà chúng ta gọi là chuỗi [3]. Đây là khái niệm mảng hay vector thường thấy trong một số ngôn ngữ lập trình điện toán ngày nay. Nói nôm na, mỗi vật thể là một đối tượng trong đó nó có một hoặc nhiều thuộc tính, dùng để chứa hạt và lực của hạt tương tác. Thuyết Dây đã dùng khái niệm này để thay thế hạt proton và lực [4] và gộp chúng bằng một phần tử (đối tuợng). Sau đó gộp nhiều phần tử đặt trên cùng một chiều định hướng như vector, trong đó mỗi phần tử là một chuỗi (ví dụ là một đoạn nhỏ trong 1 khúc dây), nó có thể rung động, có thể xoắn và xoay theo những cách phức tạp [5]. Một chuỗi bất kỳ này luôn có độ dài cụ thể khi được đánh vào một nốt cụ thể, tạo ra sự rung động kèm với năng lượng cụ thể sẽ nhận được các đặc tính của một proton, trong khi đó một sợi dây khác có tính gấp khúc hơn và được rung  lên với một tần số khác sẽ đóng như vai trò của một hạt quark. Nói chung, nó hoạt động na ná giống như dây đàn guitar!  Khi chuỗi được rung lên, một nốt nhạc duy nhất được tạo ra. Chính sự khác biệt về độ rung của những sợi dây này khiến nó trở nên khác biệt với những phần chuỗi khác. Vậy dây/chuỗi cho thấy khái niệm vật lý cơ bản chỉ vật thể một chiều mà các kiểu dao động khác nhau của nó hình thành các hạt cơ bản với các tính chất khác nhau. Đó là những gì lý Thuyết Dây nói, và nó cũng dễ dàng giải thích rằng ánh sáng là một dạng của vật chất, điều mà khoa học đã biết từ lâu.

Bước kế tiếp làm sao Thuyết Dây giải thích được sự tương tác của trọng lực ở mức lượng tử (hay trong thế giới vi cực) đây? Theo cách giải thích ở phần trên, chúng ta đã biết mỗi lực căn bản luôn có một lực đồng hành để kết hợp với nó. Để cho dễ hình dung theo cách này, thì từ mới graviton được ra đời gọi là (lực) hấp dẫn [6], để mô tả một lực luôn đồng hành với trọng lực.  Chưa dừng ở đó, nhà vật lý lại đi sâu vào ở mức độ “hạt” thay vì “lực” để xem xét nếu cho hai hạt hấp dẫn va chạm vào nhau thì điều gì sẽ xảy ra? Kết quả thu được là một lượng năng lượng vô hạn được nhốt trong một không gian rất nhỏ, đã làm bối rối nhà toán học cũng như vật lý gia vì có cái gì đó sai trái hoặc bị thiếu trong công thức toán học mà họ đã đạt được đã phát sinh ra các điểm kỳ dị [7] trong quá trình tính toán. Một lần nữa Thuyết Dây lại giải thích được vấn đề mới nêu ra, nghĩa là nó loại bỏ được những điểm kỳ dị bằng cách thay chúng với những chuỗi sao cho khi chúng va chạm hay đụng vào nhau đều không có vụ nổ vô cớ nêu trên, và kết quả chúng có thể va chạm và tự bật lại một cách trơn tru mà không còn trở ngại về mặt vật lý.

Lý Thuyết Dây Vẫn Còn Gây Tranh Cãi

Hoạt động của Thuyết Dây được ví như gảy nốt nhạc trên cây đàn guitar, do đó vũ điệu của nó là vô hạn, điều này cho thấy ưu điểm của lý Thuyết Dây dường như không bao giờ kết thúc, và nó cũng hàm ý cho ta thấy vũ điệu của vũ trụ là bất tận. Nhưng tại sao hiện nay lý Thuyết Dây vẫn còn gây tranh cãi? Có một điểm không nói ở phần trên vì tránh phức tạp rằng toán học dùng để phát triển lý Thuyết Dây được hoạt động trong hệ 6 chiều, trong khi đó chúng ta đã quen với không gian ba chiều, và chỉ có số người chuyên môn là va chạm với không gian 4 chiều.. Trong cuốn sách, Chúa tạo ra số nguyên [8], của Stephen Hawking – nhà vật lý huyền thoại – đã có đoạn viết rằng đối với tôi, toán học trong không gian 3 chiều đã là khó rồi, huống hồ chúng ta xét ở chiều thứ 4. Ý nói cho thấy xét vật thể trên nhiều chiều là điều rất khó. Như vậy, xét vật thể hoạt động ở không gian 6 chiều là gần như bất khả với kỹ thuật đang có của chúng ta hiện nay, ngoại trừ điện toán. Nói một cách nôm na, điện toán cho bạn tất cả các toạ độ bằng những con số nằm trong không gian đa chiều (nhiều hơn 6, ví dụ), nhưng bạn vẫn khó hình dung nó ở trong không gian 3 chiều mà chúng ta đang sống. Điều này cho thấy công nghệ hiện nay vẫn chưa đủ tiên tiến để chứng minh lý Thuyết Dây bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, bất chấp tất cả những tranh luận/cãi và phức tạp toán học này, lý Thuyết Dây vẫn là ứng cử viên đầy hứa hẹn nhất cho lý thuyết lượng tử hấp dẫn, và vẫn là một trong những lĩnh vực nghiên cứu vật lý lý thuyết tích cực nhất. Một khi mà lý Thuyết Dây được chứng minh bằng thực nghiệm thì tự nó thiết lập cột mốc quan trọng trên chặng đường dài trong đó nhiều thế hệ sẽ lần lượt đào bới để tiếp tục đi tiếp …

Lão Gieo Duyên

(Thu – ngày 13 tháng 11 năm 2020)

Chú Thích
[1] – https://vi.wikipedia.org/wiki/L%C3%BD_thuy%E1%BA%BFt_d%C3%A2y

[2] – thông tin về hạt quark, https://vi.wikipedia.org/wiki/Quark

[3] – giả sử ta có một vector (coi như đã có phương và định hướng) trong không gian, trên đó ta có vô số đối tượng. Điều này dẫn đến ta có đối tượng nằm trên một chiều (one-dimensional objects).

[4] – đối tượng đây là lấy từ object(s). Có thể hiểu theo ngôn ngữ lập trình vẫn được như thường. Ví dụ ta xét một mảng xe hơi (car), tức là nhiều xe hơi (thì trong ngôn ngữ lập trình là array hay list). Mỗi xe hơi là một đối tượng trong mảng đó. Mỗi đối tượng như vậy, tức là xe, có thuộc tính như: 4 bánh xe, 1 tay lái, vân vân. Trong bài này, coi một phần tử là một đối tượng, thì thuộc tính của nó là hạt, lực, vân vân. Từ đây, thay vì xét hạt hay lực, người ta xét một hoặc nhiều phần tử.
[5] – mặc dù nó không phải xoắn kép nhưng hãy hình dung “nhiều chuỗi” được kết nối trên cùng phương như những mảng dây xoắn. Xem thêm hình https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/11/25/what-every-layperson-should-know-about-string-theory/?sh=224c4a9f5a53 (Frobes)
[6] – graviton là sự hẫp dẫn, có sức hút. Khi đứng chung với graviton force thì gọi là lực hấp dẫn, hay graviton field – trường hấp dẫn.
[7] – điểm kỳ dị là lấy từ chữ singularity được dùng trong vật lý; còn trong toán học nó na ná trong biểu thức 0/0 hoặc vô cực chia cho vô cực. Tuy nhiên, đối với vật lý ở một môi trường nào đó điểm kỳ dị vẫn hiện hữu; đối với toán học thì giới hạn của vô cực chia cho vô cực đôi khi cũng hiện hữu và tồn tại, và thường thì ta sẽ thấy các hằng số toán học xuất hiện nếu giới hạn trong các biểu thức toán tồn tại.
[8] – God Created the Integers. Xem trang nàyhttps://en.wikipedia.org/wiki/God_Created_the_Integers để biết thêm thông tin về cuốn sách. Chương nói về giải tích hình học trong cuốn sách để thấy phần “than thở” của ông về toán học trong không gian 4 chiều.

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Google photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s