ChúngTa.com

Đây là cuốn sách phổ biến rất thành công về “Lý thuyết dây và siêu dây” của Brian Greene, giáo sư vật lý lý thuyết 35 tuổi của Đại học Columbia, Hoa kỳ. Dịch giả Phạm Văn Thiều đã liên hệ và được tác giả đồng ý cho phép dịch cuốn sách trên ra tiếng Việt “Dây” có thể làm được cái việc mà cuối cùng Einstein đã thất bại: liên kết hai ý tưởng không thể kết hợp của vật lý thế kỷ XX...

Người ta thường nhìn nhận tôi như một đối tượng đông cứng, dường như không nhìn thấy gì và không nghe thấy gì trong nhiều năm liền." Vào cuối đời của mìnhAlbert Einstein đã giãi bày như vậy. Ông nói đúng, trong suốt 30 năm, Einstein đã đeo đuổi một ước mơ tìm ra các phương trình toán học có thể thiết lập được mối liên hệ căn bản giữa các lực mà bề ngoài không hề liên quan tới nhau như lực hấp dẫn và lực điện tử. Qua đó Einstein còn hy vọng giải quyết mâu thuẫn giữa hai cách nhìn nhận đối lập (cạnh tranh) nhau về vũ trụ: sự liên tục đều đặn của không thời gian, nơi có sự thống trị của các ngôi sao và hành tinh, và tính xáo động liên tục không thể cảm thấy được của thế giới lượng tử vi mô, nơi các hạt nắm trong tay thanh quyền trượng.

Trong khi những đồng nghiệp đương thời tin chắc rằng ông đã lãng phí thời gian của mình khi dựa trên một nguyên lý tiếp cận hoàn toàn lạc hậu, ngược lại Einstein lại tin tưởng rằng trong mâu thuẫn giữa cơ lượng tử và thuyết tương đối rộng, chính lý thuyết tương đối rộng mới chứa đựng điểm nút của vấn đề. "Tôi trông có vẻ giống như con đà điểu suốt ngày dúi đầu vào đống cát tương đối chỉ để không phải đối mặt với con quỷ lượng tử, Einstein nói như vậy vào năm l954.

Tuy vậy, chúng ta đều biết rằng cuối cùng thì lý thuyết của Einstein đã thất bại. Ở mức độ đặc biệt đủ nhỏ, không thời gian, và chính thực tại, trở nên không liên tục và “nhiều sạn", giống như một bức ảnh được phóng to quá mức. Phương trình của thuyết tương đối rộng không thể giải quyết được các tình huống như vậy, nơi mà các định luật về nguyên nhân và hệ quả không áp dụng được và các hạt nhảy từ chỗ này qua chỗ khác mà không cần đi qua khoảng không ở giữa. Trong thế giới đó, bạn chỉ có thể tính được xác suất xảy ra của điều gì đó đúng công việc mà lý thuyết lượng tử được thiết kế để thực hiện.

Ngày nay các công trình của ông về lý thuyết trường thống nhất trông giống như một câu chuyện cổ tích vô vọng. Tuy vậy chỉ bằng việc đặt ra vấn đề, Einstein đã táo bạo nhìn xa tới mức mà chỉ tới ngày nay các nhà vật lý mới bắt đầu theo kịp. Các câu đố bí hiểm của lý thuyết trường thống nhất đã được thế hệ mới các nhà vật lý hóa giải trong việc lập ra một lý thuyết mà theo lời Einstein có đủ khả năng giải đáp "mọi yếu tố của thực tại vật lý”. Những kết quả họ đã đạt được có thể sẽ mở ra một cuộc cách mạng trí tuệ thậm chí còn tuyệt vời hơn những gì Einstein đã góp sức khởi đầu vào các năm đầu 1900.

Lý thuyết này được biết với tên là lý thuyết dây vì nó đặt ra một định đề rằng các phần tử nhỏ nhất, không thể chia nhỏ hơn nữa của vũ trụ không phải là các hạt điềm mà là các vòng dây có kích thước vô cùng nhỏ giống như các đoạn dây nhỏ dao động. Nhà vật lý lý thuyết Edward Witten cửa Viện nghiên cứu cao cấp Einstein đã nói: “Lý thuyết dây là một mảnh vật lý của thế kỷ XXI vì tình cờ mà rơi vào thế kỷ XX". Vấn đề là ở chỗ, chẳng có ai kể cả Witten biết được còn phải bao nhiêu mảnh như thế nữa tiếp tục rơi thì các nhà khoa học mới có thể thành công trong việc trả lởi câu hỏi bí hiểm của Einstein.

Sự nhiệt tình với lý thuyết dây có lúcthịnh có lúc suy. Vào đầu các năm l970 nó đã tìm là một cái mốt, nhưng sau đó hầu hết các nhà vật lý đã dừng không tiếp tục nghiên cứu lý thuyết này. Tuy vậy, nhà vật lý lý thuyết Jonh Schwarz của Caltech và đồng nghiệp của ông Joel Scherk của Ecole Normale Supéríeure (Pháp) vẫn tiếp tục kiên trì, và sự kiên nhẫn của họ đã được đền đáp. Vào năm l974 họ đã nhận thấy một vài dây dao động trượt ra ngoài phương trình, không tương ứng với các hạt cơ bản họ chờ đợi. Thoạt tiên, họ coi đây chỉ là các khó khăn về toán học. Sau đó họ suy nghĩ kỹ hơn về chúng và quyết định rằng con ma lảng vảng ở phương trình của họ là các hạt graviton, những hạt cơ bản cho đến giờ vẫn còn là giả định, nhiều người tin rằng các hạt này mang trường hấp dẫn.

Thay thế các hạt bằng các dây ít nhất cũng loại bỏ được vấn đề đã từng hành hạ các nhà khoa học đang cố gắng hợp nhất lý thuyết tương đối rộng và cơ lượng từ.Khó khăn này xuất hiện vì không gian đánh mất tính đều đặn trơn tru của nó khi ở mức dưới hạt nhân. Khi khoảng cách trở nên nhỏ không thể tưởng tượng nổi thì không gian sủi bọt và nổi sóng một cách điên cuồng, một hiệu ứng đôi khi được gọi là sủi bọt lượng tử. Các hạt điểm, bao gồm cả graviton, sẽ có xu hướng dao động lắc lư dưới tác động của các bọt lượngtử, giống như những chiếc thuyền nhỏ xíu dao động trong đại dương dưới tác động củacác con sóng lớn. Còn các dây thì ngược lại, là các con tầu cho khách to lớn nhờ vào kích thước lớn hơn của chúng mà nằm trên nhiều ngọn sóng cùng một lúc khiến cho chúng không chịu ảnh hưởng của các tác động đó.

Tự nhiên hiếm khi ban tặng một cái gì cho các nhà khoa học mà không đòi hỏi phải trả giá, và lần này cái giá phải trả là lý thuyết dây đòi hỏi sự tồn tại thêm 7 chiều của không gian ngoài bốn chiều quen thuộc hiện nay (cao, rộng dài và thời gian), nó cũng đòi hỏi sự tồn tại của nhiều loại hạt cơ bản khác, được biết đến với tên gọi các hạt siêu đối xứng (supersymmetric parncles), hay "các hạt S". Hơn nữa, không chỉ có một mà còn tồn tại tới năm lý thuyết dây khác nhau. Dù rằng các nhà khoa học không thể phủ định bất cứ một lý thuyết nào trong đó, nhưng rõ ràng là tất cả chúng không thể đúng cùng một lúc.

Nhưng điều đó hoá ra lại đúng.Năm l995, Witten, có lẽ là nhà vật lý, lý thuyết đương đại lỗi lạc nhất, tuyên bố rằng cả năm lý thuyết dây siêu đối xứngđều là kết quả của các cách xấp xỉ khác nhau của một lý thuyết sâu hơn, căn bản hơn. Ông gọi đó là lý thuyết M. Witten nói, chữ M trong lý thuyết M thay thế cho các tử: ma trận (Matrix), ma ảo (Mysten), ma thuật (Magic). Nhưng đến nay Witten cũng chưa thể đưa ra được một tập hợp hoàn chỉnh các phương trình toán học có thể mô tả một cách chính xác lý thuyết M, bởi vìnó chồng thêm vào sự phức tạp kinh khủng hiện có hàng đống các phức tạp mới. Witten cho rằng phải hàng thập kỷ nữa lý thuyết M mới trở thành một lý thuyết có khả năng dự báo thực sự. Ông trầm ngâm, "Điều đó giống như việc bạn leo núi, đôi lúc đột nhiên bạn đạttới đỉnh của một hẻm núi và nhìn được một quang cảnh hoàn toàn mới. Bạn sẽ vui sướng với quang cảnh này được một lúc, cho tới lúc bạn nhận ra vẫn còn đang trên con đường xa xôi đi tới đích".

Tất nhiên, Einstein rất lỗi lạc, nhưng ngoài ra ông cũng rất may mắn. Khi ông phát triển lý thuyết tương đối rộng, ông phải đương đầu với một thế giới chỉ có ba chiều không gian và thêm vào đó là thời gian. Ông có thể sử dụng các công cụ toán học hiện có để phát triển và giải các phương trình của mình. Các nhà lý thuyết M không thể làm dược việc đó: khoa học của họ dựa trên một thế giới II chiều được lấp đầy bởi các đối tượng khác thường được gọi là sợi (branes). Dây theo thuật ngữ chuyên ngành có nghĩa là các sợi một chiều, màng là các sợi hai chiều. Nhưng còn có các sợi nhiều chiều hơn mà chẳng có ai kể cả Witten biết cách đương đầu với chúng. Vì các sợi này có thề cuộn và xoắn lại thành các hình thù đầy rắc rối.

Cái thế giới được biến hoá từ lý thuyết M khác thường tới mức các nhà khoa học bị buộc phải làm việc không chỉ ở trận tuyến vật lý mà còn ở trận tuyến toán học. Thật vậy, có thề là họ thiếu một vài công cụ toán học đặc biệt quan trọng và sẽ phải tự phát triển chúng, giống như Isaac Newton đã buộc phải phát triển các công cụ giải tích để có thể nghiên cứu các định luật về chuyển động. Như thế vẫn chưa đủ nặng nề, còn một chướng ngại to lớnkhác: không giống như cơ lượng tử, lý thuyết dây và các nhánh của nó phải phát triển trong điều kiện thiếu các bằng chứng thực nghiệm để lái các nhà lý thuyết vào con đường đúng có kết quả.

Trong thập kỷ sau, tình thế này có thể thay đổi. Hy vọng lớn được đặt vào các thực nghiệm sắp tới tại các lò gia tốc hạt nhân ở Mỹ và Châu Âu rằng chúng sẽ cho thấy một cái nhìn thoảng qua về siêu đối xứng. Nhiều người còn suy đoán rằng các thực nghiệm này sẽ có thể phát hiện được các dấu hiệu mảnh mai đầu tiên về các chiều bổ sung. Einstein sẽ nghĩ gì về các hình dung này? Trong cuốn sách The Elegant Universe, ông Greene tin rằng một Einstein trẻ khởi đầu sựnghiệp của mình vào lúc này chứ không phải vào đầu thế kỷ trước sẽ vượt qua được lòng nghi ngờ của mình vào cơ lượng tử và sẽ phấn khởi nắm lấy sợi và các hạt S cùng các siêu dây vàkhả năng siêu nhân của người đó sẽ vượt qua được lối suy nghĩ theo tập quán và sẽ hình dung thế giới theo một cách chưa từng có, người đó sẽ có thể đưa được ra lý thuyết cuối cùng. Có thể rằng cuối cùng sẽ phải có một Einstein khác để có thể kết thúc được bản giao hưởng trí tuệ còn dở dang của Einstein.