Thuyết Tương Đối & Thuyết Lượng Tử

09:27 CH @ Thứ Ba - 24 Tháng Giêng, 2006
Việc cho ra đời thuyết "tương đối" và thuyết "lượng tử" đã ghi tên Albert Einstein vào danh sách những nhà bác học, khoa học hàng đầu thế kỉ và tạo nên 1 cuộc cách mạng trong khoa học và nó vẫn được áp dụng rộng rãi cho tới tận ngày nay sau gần 100 năm ra đời.

Sự ra đời của thuyết "tương đối" và thuyết "lượng tử"

Đầu tiên là thuyết tương đối, do chuyên viên kĩ thuật hạng ba Einstein sinh ra. Thuyết tương đối ra đời đã 100 năm (tính từ thuyết tương đối hẹp), ngày nay mỗi sinh viên đều có thể hiểu được nó. Vì vậy nhiều người đã xếp thuyết tương đối vào các lý thuyết cổ điển (theo một cách hiểu khác, cổ điển nghĩa là không chứa các yếu tố lượng tử). Thuyết tương đối mô tả vũ trụ vĩ mô (trên thang nguyên tử).

Thuyết lượng tử được Einstein tham gia xây dựng, cùng với một nhóm những con người lãng mạn khác: Bohr, Heisenberg, Pauli, Schrodinger, Born, Planck... Thường được thể hiện trong cơ học lượng tử, thuyết lượng tử mô tả vũ trụ với các yếu tố bất định, chủ yếu là mô tả thế giới vi mô (từ nguyên tử trở xuống).

Và trong suốt quãng đời còn lại của mình, nhà bác học Albert Einstein đã ra sức kết hợp giữa hai lý thuyết đó lại với nhau nhằm tạo ra lý thuyết lớn hơn là "trường thống nhất".

Vậy thống nhất 2 lý thuyết để làm gì?

Bài toán thống nhất được đặt ra để giải quyết vấn đề điểm kì dị của không-thời gian, vốn được Hawking nghiên cứu rất kĩ. Bài toán liên quan đến các điểm kì dị của không-thời gian, là những điểm có kích thước bằng 0, mật độ không gian bằng vô hạn và thời gian bị kéo giãn tới mức vô hạn (thực ra tại đó không gian và thời gian được coi như không còn tồn tại). Tại đó, do không-thời gian bị uốn cong đến vô hạn nên trường hấp dẫn tạo ra là... vô hạn.

Hai loại điểm kì dị nổi tiếng nhất là lỗ đen (bạn đời của Hawking) và 'cục' Big Bang, tức là vũ trụ sơ khai. Tại tâm lỗ đen, hay tại những thời khắc đầu tiên của vũ trụ, hiệu ứng hấp dẫn thể hiện qua sự cong của không-thời gian cũng như các hiệu ứng lượng tử đều được thể hiện. Tuy nhiên chính do đó mà không thể áp dụng được cả 2 lý thuyết, vì thuyết tương đối rộng chỉ áp dụng được cho không gian trơn nhẵn, không phải là không gian chứa đầy bọt lượng tử (có độ cong và tôpô hỗn độn).

Bức tường Planck của các hiện tượng có kích thước dưới 1E-33 cm và xảy ra trong khoảng dưới 1E-43 giây đã chắn ngang con mắt của khoa học. Ở đó, thuyết tương đối và mọi thứ đều sụp đổ.

Nhưng rốt cuộc đành phải bỏ dở giữa chừng, để lại cho các thế hệ sau tiếp nối các bài toán thật hóc búa đó. Nhưng mặc cho sự nỗ lực của nhân loại, hai thuyết (tương đối và thuyết lượng tử) đó, cho đến ngày hôm nay vẫn ngoan cố và tách rời một cách độc lập, làm như chúng không có dây mơ rễ má gì với nhau. Đồng thời cho đến ngày hôm nay vẫn là bài toán hóc búa, làm đau đầu cho các nhà khoa học hàng đầu trên Thế Giới. Và trong các nhà khoa học hàng đầu trên Thế Giới đang tìm cách kết hợp hai thuyết đó lại, phải kể đến nhà khoa học Stephen Hawking người Anh, đã dùng mọi cách, kể cả dùng kiến thức toán học tiến bộ nhất ngày nay, chỉ với mục đích duy nhất, nhằm kết hợp hai thuyết (tương đối và thuyết lượng tử) lại với nhau, nhưng đến hôm nay vẫn không tài nào làm được.

Tại sao không thể thống nhất hai thuyết?

Chủ yếu là do các vấn đề toán học quá khó khăn.

Để thống nhất 2 lý thuyết trên, cần phải thống nhất được 4 lực cơ bản của tự nhiên là lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh. Các nhà vật lý đã thống nhất được ba lực phi hấp dẫn trong mô hình chuẩn của vật lý hạt. Lý thuyết này là một lý thuyết lượng tử, nhưng vẫn không thể thâu tóm được lực hấp dẫn. Vì thế lực hấp dẫn vẫn là ông anh kiêu căng khó thuyết phục.

Các xu hướng chủ yếu hiện nay tập trung vào thuyết dây. Thuyết dây ra đời với tham vọng kết hợp các kết quả của 2 lý thuyết trên. Sau này khi nhập thuyết siêu đối xứng vào thì gọi là thuyết siêu dây hay thuyết dây siêu đối xứng. Các vấn đề toán học của nó khó đến nỗi các nhà vật lý khi nghiên cứu thuyết siêu dây lần đầu tiên đã vượt trên các nhà toán học bằng việc tự tạo ra công cụ toán học cho mình để phục vụ nghiên cứu (trước đây toán học luôn phải dẫn trước một bước). Còn rắc rối hơn khi không chỉ có một lý thuyết dây mà là có tới 5 lý thuyết dây khác nhau, tuy có ít nhiều biểu hiện đối xứng đang dần lộ diện.

Hawking vốn ban đầu không quan tâm đến thuyết dây nên ông đã lỡ nhịp trong nghiên cứu. Hiện nay ông không còn là người tiên phong nữa, nhưng vẫn rất lạc quan khi tuyên bố rằng thuyết M sắp lộ diện. Thuyết M là tên được dùng để đồng nhất với TOE (Theory of Everything). Thuyết này phải bao gồm được các thuyết trước đây, giải thích được mọi hiện tượng vật lý. Nghe thật to tát và người ta vẫn chỉ đang mơ ước đến nó. Một đống các thứ từ siêu dây, siêu hấp dẫn, p-brane... đang được nhét vào đó, đưa không gian phình từ 3 chiều lên thành 10 chiều, rồi hơn 20 chiều... (!?) nhưng tất cả chỉ là lý thuyết chưa hoàn chỉnh.

Hiện nay ngoài các khó khăn lý thuyết còn có khó khăn thực nghiệm khi các máy gia tốc lớn còn đang được xây dựng. Các nhà lý thuyết còn khá lâu mới có thể kiểm chứng được lý thuyết của mình.

Tóm lại, việc thống nhất 2 trụ cột của vật lý hiện đại không chỉ làm Einstein bó tay trong suốt 30 năm cuối cuộc đời mà con đang làm bó tay nhiều thế hệ các nhà khoa học khác. Newton trong suốt những năm cuối của cuộc đời không thể giải nổi bài toán 3 vật tương tác, cho mãi đến tận sau này khi Poincaré đưa ra lý thuyết hỗn độn thì người ta mới có được lời giải. Có lẽ vấn đề TOE còn lâu mới được giải quyết.
Cập nhật lúc:

Nội dung liên quan

  • Những câu hỏi khoa học chưa được giải đáp

    19/12/2019Minh Thi (theo National Geography)Vũ trụ được làm bằng gì? Đâu là nền tảng sinh học của ý thức? Tuổi thọ con người có thể kéo dài bao lâu? Đó chỉ là một vài trong hàng loạt câu hỏi chưa có lời giải được đưa ra trong tạp chí Science số tháng 7 nhân kỷ niệm 125 năm hoạt động.
  • Một số vấn đề triết lý hiện đại

    28/12/2015Đỗ Kiên CườngVới tư cách là triết học tự nhiên, vật lý có vai trò quan trọng trong bản thể luận và nhận thức luận. Dưới đây là một số nhận thức cá nhân về các vấn đề triết lý, cũng như mối quan hệ giữa vật lý hiện đại cũng không nằm ngoài xu hướng đó. Dưới đây là một số nhận thức cá nhân về các vấn đề triết lý, cũng như mối quan hệ giữa vật lý hiện đại với các lĩnh vực khoa học khác...
  • Newton và Einstein, Hai người khổng lồ cô đơn

    03/09/2013Phạm Nguyễn Việt HưngCả Einstein lẫn Newton đều có trí tuệ vĩ đại khiến cho mọi người đều biết về những cống hiến của họ và ngoài đó nữa. Newton đã phát minh ra phép tinh vi tích phân, đã phát biểu các định luật của cơ học và đưa ra định luật vạn vật hấp dẫn. Còn Einstein đã đặt cơ sở cho hai toà nhà chọc trời của vật lý hiện đại, đó là thuyết tương đối hẹp và lý hiện đại, đó là thuyết tương đối hẹp và vật lý lượng tử, đồng thời cũng xây dựng một lý thuyết mới về hấp dẫn.
  • Các xu hướng thống nhất trong vật lý học

    30/10/2005Đỗ Kiên CườngTheo Weinberg, giải Nobel vì thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu, một mục tiêu căn bản của vật lý là chiêm ngưỡng sự đa dạng của tự nhiên bằng cái nhìn thống nhất [1]. Thành tựu quá khứ chính là minh họa điển hình: thống nhất giữa cơ học thiên thể và cơ học (trên) trái đất của Newton thế kỷ XVII, thống nhất giữa quang học và và lý thuyết điện và từ của Maxwell thế kỷ XIX, thống nhất hình học không - thời gian và lý thuyết hấp dẫn của Einstein năm 1905 và 1916, thống nhất giữa hóa học và vật lý nguyên tử thông qua cơ học lượng tử những năm 1920. Và nay là thống nhất giữa thuyết thống nhất cuối cùng của vật lý, một sự nghiệp vĩ đại có lẽ còn lâu mới kết thúc.
  • Lịch sử vũ trụ và thuyết vụ nổ lớn

    19/07/2005Đỗ Kiên CườngTrên xưa & nay số 96 (144) tháng 7-2001 có bài viết “thuyết Big Bang” về sự phát sinh vũ trụ. Thiển nghĩ một bức tranh khái quát và chính xác về lịch sử nhận thức vũ trụ cũng cần thiết đối với các nhà sử học. Đó là lý do bài viết này.
  • Nguồn gốc và tiến hoá vũ trụ

    18/07/2005Đỗ Kiên CườngVũ trụ có nguồn gốc từ đâu, vì sao vũ trụ xuất hiện? Vũ trụ tiến hoá như thế nào và có kết thúc hay không? Thú vị là chỉ trong vòng một thế kỷ, con người đã có thể thảo luận những câu hỏi ngàn đời đó một cách khoa học. Bài viết này cố gắng đưa ra một bức tranh sơ bộ về những câu hỏi nói trên.
  • xem toàn bộ

Nội dung khác