Ở phần trước chúng ta biết rằng không thể mang cơ học lượng tử vào thuyết tương đối, hay nói theo cách khác là lý thuyết tương đối không chấp nhận tính xác xuất của cơ học lượng tử. Trong nỗ lực tìm một học thuyết mới dung hòa được hai lý thuyết này, giới khoa học đang mong đợi vào hai lý thuyết chính là lý thuyết dây (String theory) và lý thuyết Hấp dẫn lượng tử vòng (Loop Quantum Gravity). Chúng ta hãy cùng tìm hiểu hai lý thuyết này và xem liệu loài người có thể tìm ra chúa trời với hai lý thuyết đó không.
Lý thuyết dây
Lý thuyết dây đã phát triển mô hình mới cho Vật lý cơ bản bằng cách đưa vào ít nhất 10 chiều (extra dimension) không thời gian. Hãy tưởng tượng có những sợi dây có kích thước xấp xỉ bằng 0 và chiều dài bằng vũ trụ. Vũ trụ được “dệt” bằng muôn vàn sợi dây như thế. Tính chất của các chất điểm (các hạt vật chất cơ bản) không còn quan trọng mà thay vào đó chúng ta xem xét tính chất của các dây này. Giờ đây mọi sự kiện của vũ trụ đều là tương tác của các dây với nhau. Vấn đề xử lý được đưa từ hạt vật chất (chất điểm) sang các dây (không gian 1 chiều).
Lý thuyết dây giữ một vị trí quan trọng trong việc phát triển thuyết lượng tử. Có thể hiểu rằng lý thuyết dây đã “bỏ qua” cái khó khăn khi phân tích chất điểm (các hạt cơ bản), thay vào đó chúng ta sẽ xử lý vấn đề theo các dây trong một không gian nhiều chiều hơn. Dây được hiểu là đối tượng một chiều, có thể “đặc” hoặc “rỗng” và có kích thước vô cùng nhỏ 10^ -33 cm .Khi dây dao động thì các sự kiện vật lý được tạo ra. Một ví dụ hình ảnh dễ hiểu như sau: Cả vũ trụ như một quả bóng len khổng lồ gồm vô hạn các sợi len đan vào nhau theo 11 quy tắc nhất định (tượng trưng cho 11 chiều không gian). Ví dụ sợi len thứ nhất tác dụng với sợi len thứ 2 sẽ tạo ra hiện tượng A. Sợi len thứ nhất tác dụng với sợi len thứ 2, 3, 4 sẽ tạo ra hiện tượng B. Sợi len thứ nhất tác dụng với sợi len thứ 2,3,4…. Sẽ tạo ra hiện tượng N. Đây là cách tiếp cận vũ trụ được đông đảo các nhà vật lý – toán học ủng hộ. Đã 30 năm các nhà vật lý ưu tú nhất đổ xô vào phát triển lý thuyết dây với hy vọng xây dựng một lý thuyết thống nhất, một quy tắc của tất cả (Theory of Everything). Song dường như vẫn còn những bế tắc chưa thể giải đáp.
Điều đầu tiên và cũng là điểm yếu tiên quyết của lý thuyết dây là lý thuyết này chưa thể kiểm chứng bằng bất cứ thí nghiệm hay sự kiện khách quan nào. Nó dường như là một chiêm nghiệm của giới khoa học, một cách tiếp cận của toán học vào vật lý và vì thế mang ít nhiều sự suy tưởng. Giờ đây mọi hạt cơ bản và trường lực của chúng đều là kết quả của dao động dây. Hãy quay lại ví dụ về vũ trụ và cuộn len 11 quy tắc kia. Vật chất và trường lực trong thế giới của chúng ta có thể hiểu là những “va chạm” hay “chồng lấp” của các sợi len đó. Giả sử các sợi len không chạm nhau thì không có gì xảy ra, khi chúng chạm nhau thì ở những vị trí “chạm” đó sẽ xuất hiện vật chất (các hạt), từ đó dẫn đến các hiện tượng (lực xuất hiện giữa các hạt tạo thành các hiện tượng vật lý). Thế giới quan của chúng ta được quy ước 4 chiều, tức là những sợi len của thế giới chúng ta được “đan” bằng 4 quy tắc nhất định. Mọi sự vật hiện tương trong thế giới chúng ta là phản ứng của các sợi len được đan bằng 4 quy tắc đó. 7 quy tắc còn lại (hay 7 chiều không gian còn lại) được hiểu rằng vẫn “đan” ra các “thế giới” khác và các thế giới có thể giao chúng ta ở những “điểm mút”. “Điểm mút” ở đây có thể hiểu là các điểm đầu cuối của mỗi sợi dây len. Về mặt vật lý thế giới chúng ta sống là một cái “màng” trong một vũ trụ 11 chiều không gian (giống như tờ giấy 2 chiều là một cái “màng” của thế giới 3 chiều). Về mặt văn học thưởng thức thì có hàng tỉ tỉ “thế giới” khác đang cùng tồn tại với chúng ta, vì thế nếu lỡ không thành công thì bạn có thể tự an ủi bản thân rằng “ở đâu đó mình đã làm được!”
Trước khi quay lại với lý thuyết dây và những quy tắc vật lý phức tạp hãy thả trí tưởng tượng bay xa một chút với cái nhìn mới về “đa vũ trụ”. Vậy một vũ trụ đa chiều này sẽ như nào?
Hãy trả lời với lý thuyết dây và thuyết M – thuyết “hiện đại” nhất đến từ lý thuyết dây. Lý thuyết M chỉ ra rằng vũ trụ của chúng ta ngoài 3 chiều không gian và 1 chiều thời gian như đã biết còn tồn tại 6 chiều trạng thái khác. Chiều thứ 5 là chiều trạng thái về xác xuất, nó cho phép chúng ta đi qua những vụ trụ song song có điều kiện vật lý giống chúng ta (cấu tạo các hạt cơ bản,thông số các lực cơ bản…). Điều khác biệt ở đây là sự kiện ở những vụ trụ đó khác chúng ta. Chiều thứ 6 là chiều trạng thái khả biến của vũ trụ đó, tức là nó cho phép ta tiến lui trong thời gian và can thiệp và các sự kiện. Chiều thứ 7 là những vũ trụ có điều kiện vật lý khác biệt chúng ta (cấu trúc hạt khác, thông số lực cơ bản khác…) nhưng có chung khởi đầu về thời gian. Chiều thứ 8 là chiều khả biến của những vũ trụ trong chiều thứ 7. Chiều thứ 9 và 10 là những vụ trụ có cấu trúc không thời gian hoàn toàn tách biệt với vũ trụ chúng ta. Chiều thứ 11 là tổng hợp của 10 chiều trên, nơi mà mọi thứ vừa là thực vừa là ảo, thời gian vừa tiến vừa lùi, không gian không thể xác định. Có thể nói vũ trụ 11 chiều là nơi thử thách cả trí tưởng tượng của loài người.
Nói đến đây bạn có thể hình dung ra ở một thế giới nào đó chính bạn mới là người viết bài này, còn người viết bài đang hỏi những câu kiểu “Wtf tại sao lại thế, sao không thế này mà lại thế kia” hoặc ở một thế giới kì diệu khác pokemon có thật nhưng chính chúng ta mới là pokemon. Hãy hiểu vui rằng bạn đang sử dụng một bộ não “1 chiều – chiều nguyên nhân – kết quả” đọc bài trên một màn hình “2 chiều” là sản phẩm của một thế giới “3 – 4 chiều” và hi vọng hiểu về một vũ trụ khác nhiều chiều hơn. Khó hiểu là đương nhiên! Tuy nhiên đọc xong bài này bạn có thể tự an ủi bản thân mỗi khi bị thất tình. Có lẽ ở một vũ trụ khác bạn và người ấy đang yêu nhau say đắm, chỉ vì một vài thông số vật lý (vài quy tắc “đan len” đáng ghét) mà thế giới này bạn và người ấy không thể bên nhau. Tình yêu vô tội, tất cả tại vật lý vô tình!
Quay về lý thuyết dây, chúng ta biết rằng vũ trụ của chúng ta là một quả bóng len được “đan” bằng các sợi len theo 11 cách khác nhau (11 chiều không gian). Do tính chất khác nhau của cách “đan” nên mỗi loại len sẽ có độ căng, độ xoắn cũng như cách thứ phân bố riêng biệt. Các sợi len một chiều có thể “đan” vào nhau để thành những tấm màng len nhiều chiều hơn. Các hạt cơ bản như electron, proton, neutron là dao động của những sợi len “đan” nên thế giới chúng ta. Người ta tin rằng sẽ có hạt là dao động đến từ sợi len “của chúng ta” và từ chiều không gian khác. Tìm ra những hạt này là minh chứng cho lý thuyết dây đồng thời mở cánh cửa dẫn đến chiều không gian khác. 50 năm đã trôi qua và công cuộc tìm kiếm vẫn chưa đi đến hồi kết. Vẫn còn nhiều giới hạn phải vượt ra để tìm được chìa khóa cho cánh cửa không gian này. Một trong số đó là giới hạn Planck. Đó là một giá trị vô cùng nhỏ mà ở đó có thể xuất hiện các cấu trúc Calabi – Yau vốn được tin rằng là cấu trúc của chiều không gian khác. Ở giới hạn Planck này thuyết tương đối mất hiệu lực trong khi thuyết lượng tử chưa giải quyết được tường tận vấn đề. Một ưu điểm của lý thuyết dây là thống nhất các lực cơ bản thành một lực duy nhất. Bốn lực mạnh, yếu, hấp dẫn hay điện từ theo lý thuyết dây chỉ là một ở thời điểm khởi đầu vũ trụ và rẽ nhánh dần dần qua những dao động của dây vũ trụ. Điều này giúp lý thuyết dây lý giải nhiều điều mà thuyết tương đối không có câu trả lời trọn vẹn. Có thể nhận định rằng lý thuyết dây là một nền tảng để các nhà khoa học xây dựng học thuyết cho riêng mình, nhiều nhà khoa học xem lý thuyết dây là một công cụ tư duy chứ không phải câu trả lời cho câu hỏi chung (lý thuyết chung) của vũ trụ.
Lý thuyết hấp dẫn lượng tử
Lý thuyết dây xóa bỏ tính chất điểm và thống nhất bốn lực cơ bản với nhau thông qua các không gian cố định. Đây là một tham vọng lớn của tri thức con người. Tuy nhiên tham vọng lớn thì thử thách nhiều. Lý thuyết hấp dẫn lượng tử “nhẹ nhàng” hơn khi chỉ muốn thống nhất thuyết tương đối và thuyết cơ học lượng tử. Về cơ bản lý thuyết hấp dẫn lượng tử là sự kết hợp giữa không – thời gian của thuyết hấp dẫn trên quy tắc lượng tử không liên tục. Một giá trị không – thời gian không còn là giá trị đơn nhất liên tục mà thay vào đó là là tập hợp của các “nguyên tử không – thời gian” có đường kính bằng giới hạn Planck. Lúc này không – thời gian sẽ được lý thuyết hấp dẫn lượng tử mô tả như những spin – hay khối lập phương gắn kết với nhau qua các điểm, mút và tiếp xúc. Hiểu một cách nôm na là giờ đây chúng ta đổ kín không –thời gian bằng các khối rubic nhiều mặt. Các khối này “quay” liên tục với nhau tạo ra các chuyển biến về không gian và thời gian. Nên nhớ rằng các khối không – thời gian này kích thước nhỏ hơn các hạt cơ bản. Vật chất và sự kiện là hệ quả của việc “quay” đó.
Một trong những hệ quả lớn lao nhất của lý thuyết này là BigBounce (vụ nẩy lớn) lí giải vũ trụ dựa trên chiều không gian. Một hệ quả khác là lý thuyết này xóa đi tính chất thiêng liêng của ánh sáng: vận tốc ánh sáng không phải là hằng số mà phụ thuộc vào năng lượng của photon và chịu sự chi phối của các spin không gian. Có thể coi Lý thuyết hấp dẫn lượng tử sử dụng quan điểm tiếp cận của thuyết hấp dẫn nhưng với công cụ của thuyết lượng tử, đang dần dần từng bước cải tổ thuyết hấp dẫn của Einstein. Khác với lý thuyết dây chưa thể kiểm chứng, lý thuyết hấp dẫn lượng tử có thể được kiểm chứng thông qua sự thay đổi của vận tốc ánh sáng trong các spin không gian. Giới khoa học hi vọng có thể kiểm chứng được điều này trong tương lai gần. Hi vọng chúng ta sớm có được những bước nhảy vọt mới trong tương lai.
