Tài liệu Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ doc

Brian Greene Giai điệu giây giao hưởng vũ trụ Source: VNexpress.net (Casa posted) PDF converted: gamin@bacbaphi.com.vn Date: Sep,1st 2004 Phần I Lời giới thiệu Hai lý thuyết vĩ đại tạo nên trụ cột vật lý đại học lượng tử thuyết tương đối đời gần đồng thời vào đầu kỷ XX Cơ học lượng tử, lý thuyết vô bé, xây dựng năm 1910-1930 nhúm người lãng mạn Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Edwin Schrodinger, Wolfgang Pauli Louis de Broglie, giải thích cách tuyệt vời hành trạng hạt sơ cấp nguyên tử tương tác chúng với ánh sáng Chính nhờ học lượng tử mà có cơng cụ kỳ diệu máy thu thanh, TV, dàn stereo, điện thoại, máy fax, máy tính Internet, cơng cụ làm cho sống trở nên thú vị liên kết với Thuyết tương đối lý thuyết vô lớn: sinh từ trực giác thiên tài “chuyên viên kỹ thuật hạng ba” chẳng biết tới có tên Albert Einstein thuộc phịng đăng ký sáng chế phát minh Bern (Thuỵ Sĩ) lý thuyết đưa ông lên đỉnh vinh quang Với thuyết tương đối hẹp công bố năm 1905, Einstein thống thời gian khơng gian nhờ xem xét lại tính phổ qt chúng: thời gian nhà du hành với vận tốc không đổi gần vận tốc ánh sáng bị giãn khơng gian lại bị co lại so với thời gian không gian người đứng yên Đồng thời, Einstein thiết lập tương đương khối lượng lượng, cho phép ta giải thích lị lửa sao: chúng biến phần khối lượng chúng thành lượng và, than ôi, dẫn tới bom nguyên tử gây chết chóc tàn phá hai thành phố Nhật Bản Hiroshima Nagasaki Với thuyết tương đối rộng công bố năm 1915, Einstein chứng minh trường hấp dẫn mạnh, trường gần lỗ đen (lỗ thành, chẳng hạn co lại dùng hết lượng dự trữ nó) khơng làm cho thời gian giãn mà cịn làm cong khơng gian Đồng thời, phương trình thuyết tương đối rộng nói Vũ trụ giãn nở co lại, tĩnh tại, hệt bóng tung lên không bay lên cao rơi xuống khơng thể treo lơ lửng khơng khí Vì thời người ta nghĩ Vũ trụ tĩnh, nên Einstein buộc phải đưa vào lực phản hấp dẫn để bù trừ cho lực hấp dẫn hút Vũ trụ nhằm làm cho trở nên dừng Sau này, vào năm 1929, nhà thiên văn Mỹ Edwin Hubble phát Vũ trụ giãn nở, Einstein phải tuyên bố “đó sai lầm lớn đời ông” Hai lý thuyết vĩ đại nhiều lần kiểm chứng qua phép đo quan sát, đồng thời chúng hoạt động tốt chừng chúng tách rời giới hạn địa hạt riêng Cơ học lượng tử mơ tả xác hành trạng nguyên tử ánh sáng mà hai lực hạt nhân mạnh yếu với lực điện từ dẫn dắt vũ điệu cịn lực hấp dẫn nhỏ khơng đáng kể Thuyết tương đối giải thích tốt chất hấp dẫn thang cực lớn Vũ trụ, thiên hà, hành tinh, mà lực chiếm ưu lực hạt nhân lực điện từ khơng cịn đóng vai trị hàng đầu Nhưng vật lý học biết lại hụt hết phương tiện lực hấp dẫn, vốn nhỏ không đáng kể thang hội nguyên tử, lại trở nên đáng kể ba lực Mà điều lại xác xảy khoảnh khắc Vũ trụ Ngày hôm nay, người ta nghĩ khoảng 15 tỷ năm trước, vụ nổ cực mạnh – tức Big Bang - sinh Vũ trụ, khơng gian thời gian Từ đó, diễn q trình thăng tiến, khơng phút ngơi, đường phức tạp hóa Xuất phát từ chân không nội nguyên tử, Vũ trụ giãn nở khơng ngừng phình to nở Các quark electron, proton notron, nguyên tử, thiên hà tạo thành Vậy thảm vũ trụ bao la dệt nên, bao gồm tới hàng trăm tỷ thiên hà, thiên hà lại bao gồm hàng trăm tỷ Trong vùng biên số thiên hà có tên Ngân Hà, hành tinh gần có tên Mặt Trời, xuất người có khả biết kinh ngạc trước vẻ đẹp hài hịa Vũ trụ, có ý thức có trí tuệ cho phép đặt câu hỏi Vũ trụ sinh Như vô bé sinh nở vô lớn Để hiểu nguồn gốc Vũ trụ nguồn gốc riêng nữa, cần có lý thuyết vật lý có khả thống học lượng tử với thuyết tương đối mô tả tình bốn lực bình đẳng với Nhưng nhiệm vụ thống khơng phải dễ dàng gì, lẽ có khơng tương thích học lượng tử thuyết tương đối rộng vấn đề liên quan tới hình học khơng gian, điều mà mơ tả hay Theo thuyết tương đối, không gian thang lớn, nơi triển khai thiên hà ngơi sao, trơn hồn tồn khơng có chỗ sần sùi gai góc Trái lại, khơng gian thang nội nguyên tử học lượng tử lại không trơn tru mà trở thành loại mút xốp khơng có hình hạng xác định, đầy rẫy lượn sóng điểm kỳ dị, xuất lại biến khoảng thời gian vô nhỏ, luôn chuyển động luôn thay đổi Độ cong tôpô thứ mút lượng tử hỗn độn mơ tả thông qua xác suất Một tranh thuộc trường phái họa điểm Seurat, mà ta xem gần, thấy phân tách thành hàng ngàn điểm màu sặc sỡ, tương tự vậy, thang nội ngun tử, khơng gian phân hóa thành thăng giáng trở nên có tính chất ngẫu nhiên Sự khơng tương thích hai lý thuyết khiến cho ngoại suy định luật thuyết tương đối tới tận điểm “thời gian zero” Vũ trụ, tức thời điểm sáng tạo không gian thời gian Những định luật thuyết tương đối hoàn toàn chỗ đứng thời điểm vơ bé 10-41 giây sau Big Bang, cịn gọi “thời gian Planck” Ở thời điểm đó, Vũ trụ có đường kính 10-33cm (được gọi “chiều dài Planck”), tức nhỏ nguyên tử 10 triệu tỷ tỷ lần Như tường Planck dựng lên để chắn ngang đường tiến tới nhận thức nguồn gốc Vũ trụ Được đặt trước thách thức, nhà vật lý lao tâm khổ tứ nhằm vượt qua tường chắn Họ nỗ lực phi thường để tìm kiếm mà người ta gọi cách đại ngôn “lý thuyết tất cả”, lý thuyết thống bốn lực tự nhiên thành “siêu lực” Năm 1967, nhà vật lý người Mỹ Steven Weinberg nhà vật lý người Pakistan Abdus Salam thống lực điện từ lực hạt nhân yếu thành lực điệnyếu Các lý thuyết “thống lớn” dường thống lực hạt nhân mạnh lực điện-yếu Trong thời gian dài, lực hấp dẫn ương bướng từ chối hợp với lực khác Cho tới xuất lý thuyết dây, “nữ nhân vật” sách Theo lý thuyết dây, hạt khơng cịn phần tử mà dao động dây vô nhỏ có chiều dài cỡ 10-33cm, tức chiều dài Planck Các hạt vật chất ánh sáng chuyển tải lực (chẳng hạn photon hạt truyền lực điện từ) liên kết phần tử giới với làm cho biến đổi Tất điều biểu khác dây Nhưng điều kỳ diệu là, hạt graviton – hạt truyền lực hấp dẫn – số biểu Như vậy, thống lực hấp dẫn ba lực lại tỏ thực Hoàn toàn giống dao động dây đàn violon tạo âm khác với họa âm chúng, âm họa âm siêu dây thể tự nhiên dụng cụ đo chúng ta, dạng hạt photon, proton, nơton, electron, graviton v.v Những siêu dây rung động khắp nơi xung quanh giới giao hưởng bát ngát Theo phương án lý thuyết, siêu dây dao động vũ trụ có chín chiều khơng gian Trong phương án khác, chúng dao động vũ trụ hai mươi lăm chiều Vì cảm nhận ba chiều không gian, nên cần phải giả thiết chiều bổ sung cuộn lại nhỏ tới mức khơng cịn cảm nhận kể cho cách sinh động tài đời phát triển lý thuyết siêu dây Với văn phong sáng sủa truyền cảm, ông cho thấy lý thuyết mở đường để dung hoà lượng tử với thuyết tương đối Ơng mơ tả cho thấy cách mạng khái niệm làm nảy sinh lý thuyết mà đường sai lầm ngõ cụt, nghĩa cho thấy đường phát triển quanh co khoa học Vốn người trực tiếp tham gia phát triển lý thuyết dây, xứng đáng người hướng dẫn lý tưởng để dẫn dắt lần theo đường khúc khuỷu đề tài Mặc dù, nhiệt thành với lý thuyết dây, Greene không che dấu đám mây đen làm u ám phong cảnh Lý thuyết dây cịn lâu hồn chỉnh đường cần phải để tới đích cuối cịn dài gian khó Mặt khác, cịn bao bọc toán học dầy đặc trừu tượng tới mức thách thức nhà vật lý tài thời Cuối cùng, lý thuyết chưa kiểm chứng thực nghiệm, tượng mà tiên đốn diễn lượng vượt xa lượng mà máy gia tốc hạt đạt Vậy giao hưởng dây dang dở Liệu mãi dang dở hay khơng ? trả lời khơng Nhưng có tương lai nói điều với Trịnh Xuân Thuận Paris, tháng năm 2000 Bản dịch sau Phạm Văn Thiều, Nhà xuất Trẻ, năm 2000 hết: Lời giới thiệu, xem tiếp: Chương I - Được kết nối dây(1) Phần I Chương I - Được kết nối dây(1) Có Vũ trụ, mức nó, phân chia cách rạch rịi: có tập hợp định luật dùng để mô tả tượng thang nhỏ tập hợp định luật khác, khơng tương thích với tập thứ nhất, dùng để mơ tả tượng thang lớn? Nói người ta cố tình ỉm kể đáng Nhưng từ nửa kỷ nay, chí dấn thân vào số phiêu lưu khoa học vĩ đại thời đại chúng ta, nhà vật lý cố lờ đám mây đen mà họ nhìn thấy lấp ló phía chân trời Ngun này: vật lý đại dựa hai trụ cột Một lý thuyết tương đối rộng Albert Einstein mô tả tự nhiên thang lớn nhất, thang sao, thiên hà chí toàn Vũ trụ Và hai lý thuyết lượng tử mô tả tự nhiên thang nhỏ nhất, thang phân tử, nguyên tử thành phần sơ cấp vật chất, chẳng hạn quark electron Những tiên đoán hai lý thuyết khẳng định hùng hồn nhiều thực nghiệm với độ xác khơng thể tưởng tượng Tuy nhiên, hai cơng cụ lý thuyết lại không tránh khỏi dẫn tới kết luận đáng lo ngại: theo cách chúng trình bày thuyết tương đối rộng học lượng tử hai Hai lý thuyết đặt sở cho tiến vĩ đại vật lý suốt trăm năm trở lại lại khơng tương thích với Nếu trước bạn chưa nghe nói tới đối kháng gay gắt chắn bạn thấy ngạc nhiên Nhưng điều chẳng có khó hiểu cả: thường trừ tình cực đoan nhất, cịn nhà vật lý nghiên cứu hệ nhỏ nhẹ (các nguyên tử thành phần cấu tạo nên nó) hệ cực lớn cực nặng (như thiên hà), chưa nghiên cứu đồng thời hai loại hệ Điều có nghĩa là, nhà vật lý cần dùng học lượng tử dùng thuyết tương đối rộng Và vậy, suốt năm mươi năm nay, họ hài lòng cảnh bình an chẳng khác kẻ điếc khơng sợ súng Khốn nỗi, tự nhiên “cực đoan” Trong sâu thẳm trung tâm lỗ đen, có khối lượng lớn giam thể tích cực nhỏ Hoặc thời điểm Big Bang, toàn Vũ trụ phun từ điểm nhỏ tới mức mà bên cạnh hạt cát trở nên khổng lồ Những tượng vừa có khối lượng cực lớn vừa có kích thước cực nhỏ, nên cần phải có thuyết tương đối rộng lẫn học lượng tử mơ tả Vì lý mà biết: kết hợp phương trình thuyết tương đối rộng với phương trình học lượng tử, lý thuyết bắt đầu lọc xọc phun khói mù mịt cỗ xe hết Nói cách khác, phối bất hạnh hai lý thuyết đó, toán vật lý đặt cách nghiêm chỉnh lại cho câu trả lời vô nghĩa Thậm chí, sẵn sàng chấp nhận để mặc cho chuyện bên lỗ đen sáng tạo Vũ trụ nằm vòng bí mật khơng thể khơng cảm thấy đối địch thuyết tương đối rộng học lượng tử đòi hỏi khẩn thiết phải có trình độ hiểu biết sâu sắc Liệu có Vũ trụ, mức nó, phân chia cách rạch rịi: có tập hợp định luật dùng để mô tả tượng thang nhỏ tập hợp định luật khác, khơng tương thích với tập thứ nhất, dùng để mô tả tượng thang lớn? Lý thuyết siêu dây, kẻ ngổ ngáo trẻ tuổi so với bậc lão làng thuyết tương đối rộng học lượng tử, kiêu hãnh trả lời phủ định câu hỏi Những nghiên cứu riết chục năm qua nhà vật lý toán học khắp giới cho thấy lý thuyết này, lý thuyết mô tả vật chất mức nó, giải tỏa căng thẳng lý thuyết lượng tử lý thuyết tương đối rộng Thực tế, lý thuyết siêu dây cho thấy thế: khuôn khổ lý thuyết mới, hai lý thuyết trở nên cần thiết cho để làm cho lý thuyết có nghĩa Theo lý thuyết siêu dây phối hai lý thuyết khơng hạnh phúc mà cịn khơng thể tránh Đó phần tin tức tốt lành Lý thuyết siêu dây – mà sau để ngắn gọn ta gọi lý thuyết dây – xem kết hợp bước tiến khổng lồ Trong suốt ba chục năm rịng, Einstein tìm kiếm lý thuyết thống vật lý, lý thuyết có khả đan bện tất lực tự nhiên tất thành phần tạo nên vật chất thảm lý thuyết Nhưng ông thất bại Giờ đây, vào buổi bình minh thiên niên kỷ mới, chuyên gia lý thuyết siêu dây tuyên bố đầu mối thảm thống khó nắm bắt cuối lộ Lý thuyết dây có khả chứng tỏ tất điều kỳ diệu Vũ trụ xuất phát từ nguyên lý vật lý nhất, từ phương trình nhất, từ vũ điệu cuồng loạn hạt quark nguyên tử tới điệu van nhịp nhàng hệ đôi, từ vụ nổ nguyên tử (Big Bang) tới vịng xốy tuyệt đẹp thiên hà Nhưng tất điều địi hỏi phải thay đổi cách quan niệm khơng gian, thời gian vật chất, phải có thời gian để quen dần, thấm dần tới mức ta cảm thấy thật thoải mái Như thấy, nhìn nhận bối cảnh riêng nó, lý thuyết dây xuất hệ tự nhiên đầy kịch tính phát minh có tính cách mạng vật lý học suốt trăm năm qua Thực tế, xung đột thuyết tương đối rộng lý thuyết lượng tử xung đột mà thứ ba dãy xung đột có tính chất bước ngoặt kỷ qua Cứ lần xung đột giải lần hiểu biết tự nhiên lại có biến đổi đáng ngạc nhiên Ba xung đột Cuộc xung đột khởi nguồn từ cuối năm 1800, liên quan tới số tính chất ánh sáng Nói cách vắn tắt, theo định luật chuyển động Newton, chạy thật nhanh ta định đuổi kịp tia sáng Tuy nhiên, theo định luật điện từ Maxwell, điều khơng thể Như thấy Chương 2, Einstein giải xung đột thơng qua thuyết tương đối hẹp ông, lý thuyết làm đảo lộn quan niệm không gian thời gian Theo thuyết tương đối hẹp, không gian thời gian khái niệm tuyệt đối trước: chúng không người tiếp nhận theo cách mà tuỳ thuộc vào trạng thái chuyển động người Sự phát triển thuyết tương đối hẹp gây xung đột thứ hai Thực vậy, số kết luận cơng trình Einstein nói khơng có vật nào, khơng có thơng tin hay ảnh hưởng truyền nhanh ánh sáng Nhưng Chương 3, lý thuyết hấp dẫn Newton, lý thuyết hợp với trực giác thực nghiệm kiểm chứng nhiều lần, lại xem ảnh hưởng lực hấp dẫn truyền cách tức thời, truyền khoảng cách khổng lồ Và lại lần nữa, Einstein giải xung đột cách đưa cách mô tả hấp dẫn, thuyết tương đối rộng công bố năm 1915 Cũng thuyết tương đối hẹp, lý thuyết làm đảo lộn quan niệm không gian thời gian: chúng bị cong bị xoắn để đáp ứng lại diện vật chất lượng Và biến dạng cấu trúc không-thời gian truyền lực hấp dẫn từ nơi đến nơi khác Không gian thời gian, đó, khơng cịn xem ảnh đơn giản trơ mà tượng tự nhiên chiếu lên: chúng cịn phần khơng tách rời tượng mà vật lý học tìm cách mơ tả Lại lần nữa, phát minh thuyết tương đối rộng, giải xung đột, lại dẫn tới xung đột khác Từ đầu kỷ XX tận năm 30, nhà vật lý xây dựng lý thuyết lượng tử (xem Chương 4) để trả lời loạt vấn đề nóng bỏng đặt người ta định dùng vật lý kỷ XIX để mô tả giới vi mô Và đây, nói trên, đời xung đột thứ ba, xung đột sâu sắc nhất, xuất từ không tương thích học lượng tử thuyết tương đối rộng Như thấy Chương 5, độ cong trơn tru không-thời gian mà thuyết tương đối rộng ban cho lại hồn tồn khơng phù hợp với sôi động điên cuồng mà lý thuyết lượng tử gán cho giới vi mô Do tới năm 1980, lượng tử dây đưa giải pháp, nên xung đột gọi toán trung tâm vật lý đại Hơn nữa, hậu duệ thuyết tương đối hẹp rộng, lý thuyết dây đòi hỏi phải xem xét lại quan niệm không gian thời gian theo cách riêng Chẳng hạn, phần lớn tin giới sống có ba chiều khơng gian Tuy nhiên, điều không lý thuyết dây lẽ lý thuyết tiên đốn ngồi chiều mà nhìn thấy cịn có chiều khác khơng nhìn thấy bị cuộn chặt lại chi tiết nhỏ cấu trúc không gian Những điều mẻ đầy ấn tượng sợi dây dẫn đường cho bước tiếp sau Và thực tế, lý thuyết dây phần tiếp nối lịch sử không-thời gian Einstein Để có ý niệm xác lý thuyết dây, tạm lùi lại bước để mô tả vắn tắt điều mà biết suốt kỷ trước cấu trúc vi mô Vũ trụ hết: Chương I - Được kết nối dây(1), xem tiếp: Chương I - Được kết nối day(2) Chương I - Được kết nối dây(2) Tất tương tác vật chất khác nhau, hàng triệu tương tác khác mà gặp ngày, quy tổ hợp bốn lực Một số bốn lực lực hấp dẫn Ba lực khác lực điện từ hai lực hạt nhân mạnh yếu Vũ trụ kính lúp: biết vật chất Các nhà triết học cổ Hy Lạp cho Vũ trụ cấu thành từ phần tử nhỏ bé “cắt nhỏ” mà họ gọi nguyên tử Họ đoán đối tượng vật chất tạo thành từ tổ hợp số viên gạch sơ cấp đó, gần giống từ tổ hợp dăm ba chữ Và họ đoán Hơn 2000 năm sau, cịn tin điều đúng, chất viên gạch tiến hóa nhiều Ở kỷ XIX, nhiều nhà khoa học chứng tỏ nhiều chất quen thuộc ơxy cácbon có thành phần nhỏ nhận dạng theo truyền thống Hy Lạp họ gọi chúng nguyên tử Cái tên thế, lịch sử chứng tỏ tên không đạt, lẽ nguyên tử thực cắt nhỏ Vào đầu năm 1930, cơng trình tập thể Joseph John Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr James Chadwick cho đời mơ hình ngun tử giống hệ mặt trời (vì mơ hình cịn gọi “mẫu hành tinh”) mà phần lớn quen thuộc Trong mơ hình này, ngun tử khơng phải thành phần sơ cấp vật chất mà tạo thành từ hạt nhân chứa proton nơtron với đám mây electron bao quanh Có thời, nhiều nhà vật lý tưởng proton, nơtron electron “nguyên tử” theo định nghĩa người cổ Hy Lạp Nhưng vào năm 1968, thí nghiệm tiến hành máy gia tốc tuyến tính Stanford, Hoa Kỳ, cho thấy proton nơtron hạt nhất, chúng lại cấu tạo ba hạt nhỏ hơn, hạt quark Cái tên kỳ cục Murrey Gell-Mann – người tiên đoán tồn chúng – lấy từ tiểu thuyết Finnegan’ Wake nhà văn tiếng người Scotlen – James Joyce Thực nghiệm khẳng định tồn hai loại quark: quark u (up) quark d (down) Proton tạo hai quark u quark d, nơtron hai quark d quark u Tất vật mà bạn thấy giới mặt đất trời tạo từ tổ hợp electron, quark u quark d Khơng có chứng thực nghiệm hạt sơ cấp nhất, tức cấu tạo nên từ hạt khác nhỏ Nhưng có nhiều chứng cho thấy Vũ trụ cịn có hạt sơ cấp khác Vào năm 1950, Frederick Reines Clyde Cowan tìm chứng thực nghiệm xác thực cho loại hạt thứ tư gọi hạt nơtrinơ Wolfgang Pauli tiên đốn tồn vào đầu năm 1930 Nơtrinơ hạt khó phát chúng tương tác với hạt vật chất khác: Một nơtrinơ có lượng trung bình qua chì dày hàng ngàn kilơmét mà chuyển động khơng mảy may chịu ảnh hưởng Điều khiến bạn cảm thấy yên tâm nhiều, lẽ bạn đọc dịng này, hàng tỷ nơtrinơ Mặt Trời phóng vào không gian xuyên qua thể bạn qua Trái Đất nữa, phần hành trình đơn độc chúng Vũ trụ Một hạt khác có tên muon phát vào cuối năm 30 nhà vật lý nghiên cứu tia Vũ trụ (đó trận mưa hạt tới từ không gian Vũ trụ thường xuyên tới bắn phá Trái Đất) Muon giống electron có điều khối lượng lớn cỡ 200 lần Do khơng có trật tự Vũ trụ, khơng có vấn đề chưa giải chẳng có vị trí thích hợp địi hỏi phải có tồn hạt muon, nên nhà vật lý hạt giải thưởng Nobel Isaac Isidor Rabi đón tiếp phát minh với lời chúc mừng khơng hào hứng: “Ai lệnh để có mày đời ?” Tuy nhiên, muon diện chưa hết ngạc nhiên Nhờ công nghệ ngày tân tiến hơn, nhà vật lý tiếp tục bắn phá khối vật chất với lượng ngày cao hơn, cách đó, có lúc, họ tạo lại điều kiện chưa thấy kể từ Big Bang Họ đào bới mảnh vỡ nhằm tìm kiếm hạt để thêm vào danh sách ngày dài hạt Và họ phát thêm hạt quark mới, quark c (charm), quark s (strange), quark b (bottom), quark t (top) hạt họ hàng thứ hai electron có tên hạt tau nặng muon với hai hạt khác tương tự hạt nơtrinô (mà người ta gọi nơtrino-mu nơtrino-tau để phân biệt với nơtrino có tên nơtrino-e hay nơtrino-electron) Tất hạt tạo va chạm lượng cao phù du không thuộc số thành phần tạo nên vật chất giới xung quanh Tuy nhiên, cịn chưa hồn tồn tận danh sách, ứng với hạt cịn có phản – hạt, có khối lượng với hạt, số đặc tính khác ngược lại, chẳng hạn điện tích hay số tích khác tương ứng với lực khác mà giới thiệu Ví dụ, phảnhạt electron gọi positron, có khối lượng electron, diện tích +1 thay -1 electron Khi vật chất gặp phản vật chất, chúng huỷ để tạo lượng t, lẽ mà có phản vật chất có tự nhiên giới bao quanh Các nhà vật lý phát loại sơ đồ xếp hạt: thành phần cấu tạo nên vật chất tổ chức thành ba nhóm hay thường gọi ba họ trình bày Bảng 1.1 Mỗi họ chứa hai quark, electron hay số hai hạt họ hàng với nơtrino gắn với chúng Các loại hạt tương ứng ba họ có tính chất nhau, có điều khối lượng chúng lớn dần từ họ thứ tới họ thứ ba Kết là, nhà vật lý thăm dò cấu trúc vật chất tới thang khoảng phần tỷ mét chứng tỏ thứ mà ta gặp – dù có tự nhiên hay người tạo từ máy va chạm nguyên tử khổng lồ - tạo thành từ tổ hợp hạt ba họ phản-hạt chúng Bảng 1.1 Ba họ hạt sơ cấp Khối lượng chúng tính theo khối lượng proton lấy làm đơn vị Giá trị khối lượng nơtrino lảng tránh xác định thực nghiệm Nhìn vào Bảng 1.1., ta hiểu rõ lúng túng Rabi đối mặt với phát hạt muon: xếp họ hạt dường có tổ chức lại đặt nhiều câu hỏi Tại lại có nhiều hạt đến thế, hầu hết vật giới xung quanh lại tạo electron, quark u quark d? Tại lại cần tới ba họ một? Và lại bốn họ hay số họ khác? Tại khối lượng hạt lại gán cho cách ngẫu nhiên vậy? Chẳng hạn, hạt tau lại nặng electron tới ba ngàn năm trăm hai mươi lần? Và quark t lại nặng hạt đồng loại với quark u tới bốn mươi ngàn hai trăm lần ? Đó số thật dường ngẫu nhiên Liệu chúng có phải kết ngẫu nhiên hay đấng thần thánh tạo ra, có cách giải thích khoa học hiểu tất đặc điểm Vũ trụ Các lực hay chất photon Mọi chuyện trở nên phức tạp xét tới lực tự nhiên Thế giới xung quanh đầy rẫy phương tiện gây tác động: vợt dập vào bóng, vận động viên nhảy cầu tung lao xuống từ cầu nhảy cao, nam châm lớn nâng đoàn tàu cao tốc ray riêng chúng, máy đếm Geiger phát tín hiệu có chất phóng xạ, bom hạt nhân phát nổ Và thân tác động lên vật cách kéo, đẩy lắc dạng cụ thể cấu trúc không - thời gian truyền lực hấp dẫn từ điểm đến điểm khác Những thăng giáng lượng tử dội giới vi mô, thảo luận chương 5, xác lập cần thiết phải có lý thuyết mới, dẫn tới lý thuyết dây Và cuối nhiều chương tiếp theo, lý thuyết dây tuyên bố vũ trụ có nhiều chiều số chiều mà quan sát được, có số chiều bị cuộn lại thành dạng nhỏ bé phức tạp, dạng chịu biến đổi khiến cho cấu trúc chúng bị đục thủng, bị xé rách sau tự hàn lại Nhờ hình 3.4, 3.6 8.10, cố gắng minh họa ý tưởng cách xem cấu trúc không gian không - thời gian giống mảnh vải từ cắt may thành "chiếc áo" vũ trụ Những hình ảnh có tác dụng giải thích đáng kể chúng thường nhà vật lý sử dung dẫn dắt trực quan công việc chun mơn họ Mặc dù nhìn kỹ hình mà vừa nhắc trên, lâu dần cho cảm giác ta hiểu ý nghĩa chúng, người ta băn khoăn tự hỏi: thực chất cấu trúc vũ trụ gì? Đây câu hỏi dạng hay dạng khác, đề tài tranh luận hàng trăm năm Newton tun bố khơng gian thời gian thành phần vĩnh cửu không thay đổi kết cấu vũ trụ, cấu trúc nguyên thủy nằm chất vấn giải thích Như ơng viết "Những ngun lý": "Khơng gian tuyệt đối, chất nó, khơng có quan hệ với thứ bên ngồi, khơng thay đổi Thời gian tuyệt đối, thực toán học, tự thân chất riêng nó, trơi cách hiền hịa khơng có dính líu đến vật bên ngồi" Gottfried Leibniz nhiều người khác lại phản đối kịch liệt, họ khẳng định không gian thời gian đơn giản cơng cụ "kế tốn" thuận tiện cho việc tóm lược quan hệ vật chất kiện vũ trụ mà thơi Vị trí vật khơng gian thời gian có ý nghĩa so sánh với vật khác Không gian thời gian "từ điển" mối quan hệ đó, khơng Mặc dù quan điểm Newton với hỗ trợ ba định luật chuyển động thực nghiệm kiểm chứng thành công ngự trị suốt hai trăm năm, quan điểm Leibniz với phát triển sau nhà vật lý người áo Ernst Mach, gần gũi nhiều với quan niệm ngày hôm Như thấy, thuyết tương đối hẹp thuyết tương đối rộng kiên vứt bỏ khái niệm không gian thời gian tuyệt đối phổ quát Nhưng tự hỏi mơ hình hình học khơng - thời gian - mơ hình đóng vai trò quan trọng thuyết tương đối rộng lý thuyết dây phải cách "viết tắt" thuận tiện cho quan hệ không gian thời gian, liên tưởng đến chìm ngập cấu trúc khơng - thời gian, thấy thực nhúng đó? Mặc dù dấn thân vào mảnh đất tư biện, lý thuyết dây đưa giải đáp cho câu hỏi Graviton, bó nhỏ lực hấp dẫn, mode dao động cụ thể dây Và tựa sóng điện từ (như ánh sáng thấy được, chẳng hạn) gồm số lớn photon, trường hấp dẫn gồm số lớn graviton - tức gồm số lớn dây thực mode dao động graviton Đến lượt mình, trường hấp dẫn lại thể cong cấu trúc không - thời gian dẫn tới chỗ đồng thân cấu trúc khơng - thời gian với số khổng lồ dây thực mode dao động graviton Nói theo ngơn ngữ lý thuyết trường, tập hợp có tổ chức số lớn dây dao động tương tự gọi trạng thái kết hợp dây Đây hình ảnh thơ mộng: dây lý thuyết dây giống sợi dệt nên cấu trúc không thời gian Song, cần lưu ý rằng, ý nghĩa hình ảnh cịn phải xác hóa cách chặt chẽ Tuy nhiên, mô tả cấu trúc không - thời gian dạng dệt nên dây lại dẫn tới câu hỏi sau Một vải thông thường sản phẩm cuối dày công dệt nên từ sợi riêng rẽ - nguyên liệu đa số sản phẩm dệt Tương tự vậy, tự hỏi liệu có ngun liệu thơ có trước cho vải (cấu trúc) không - thời gian - cấu hình dao động dây cấu trúc vũ trụ, dây cịn chưa tổ chức thành dạng cụ thể mà ta đồng với không - thời gian hay không? Cũng cần lưu ý việc hình dung trạng thái mớ hổ lốn dây riêng rẽ dao động chưa gắn kết với thành tổng thể có trật tự, có điều khơng thật xác, theo cách nghĩ thơng thường chúng ta, điều xem khái niệm khơng gian thời gian phải có trước đó: có khơng gian mà dây dao động có diễn tiến thời gian cho phép theo dõi thay đổi hình dạng dây từ thời điểm sang thời điểm khác Nhưng trạng thái nguyên liệu thô, tức trước dây dệt nên vải cấu trúc vũ trụ bước vào vũ điệu dao động kết hợp có trật tự mà thảo luận, lại chưa tồn khơng gian lẫn thời gian Thậm chí ngơn ngữ chưa đủ độ tinh vi để diễn đạt ý tưởng đó, vì, thực tế, khái niệm trước cịn chưa có Theo ý nghĩa đấy, dường dây "những mảnh nhỏ" không gian, thời gian chúng thực dao động kết hợp làm cho khái niệm thông thường không gian thời gian xuất Việc hình dung trạng thái tồn nguyên thủy khơng có cấu trúc thế, cịn chưa có khái niệm khơng gian thời gian biết, đẩy khả hiểu phần lớn (trong có tơi) tới giới hạn Giống câu chuyện chọc cười danh hài Stephen Wright nhà nhiếp ảnh bị ám ảnh khát vọng chụp cận cảnh đường chân trời, vấp phải đụng độ hình mẫu thử hình dung vũ trụ tồn mà không cần viện đến khái niệm không gian thời gian Tuy nhiên, để đánh giá cách đầy đủ lý thuyết dây, cần phải đề cập tới ý tưởng hiểu thực chúng trước Lý chỗ, cách phát biểu lý thuyết dây giả thiết trước tồn không gian thời gian, dây (và thành phần sơ cấp khác phát lý thuyết - M) chuyển động dao động Điều cho phép rút tính chất vật lý lý thuyết dây vũ trụ với chiều thời gian, số chiều có quảng tính lớn (thường lấy 3) số chiều phụ cuộn lại thành không gian Calabi-Yau phương trình lý thuyết quy định Điều na ná việc đánh giá tài sáng tạo họa sĩ cách đòi hỏi phải làm việc với tranh tô màu theo trình tự đánh số Chắc chắn thể sáng tạo cá nhân chỗ chỗ kia, khn khổ làm việc bị hạn chế ngặt nghèo, nên làm che lấp tất trừ vài thể nhỏ nhoi tài Vì chiến cơng lý thuyết dây hợp cách tự nhiên học lượng tử với lực hấp dẫn hấp dẫn lại gắn liền với dạng không gian thời gian, nên khơng hạn chế buộc phải vận hành bên khuôn khổ không - thời gian có sẵn Thay thế, ta lý thuyết dây tự sáng tạo không - thời gian riêng xuất phát từ cấu hình khơng có khơng gian chẳng có thời gian, tựa ta họa sĩ làm việc với voan trắng tinh Hy vọng từ điểm xuất phát cịn trắng - điều xảy trước Big Bang hay tiền Big Bang (nếu dùng thuật ngữ thời gian, khơng có khn khổ ngôn ngữ khác) - lý thuyết mô tả vũ trụ tiến hóa đến dạng tự động xuất (phơng) dao động kết hợp dây, từ sinh khái niệm không gian thời gian thông thường Một khuôn khổ vậy, thực cho thấy không gian, thời gian chiều gắn với chúng khơng phải yếu tố định vũ trụ Mà thực ra, chúng khái niệm thuận tiện xuất từ trạng thái nguyên thủy Những nghiên cứu khía cạnh lý thuyết - M người tiên phong Stephen Shenker, Edward Witten, Tom Banks, Willy Fischer, Leonard Susskind nhiều tên tuổi khác kể hết đây, chứng tỏ zêrô - brane thành phần lý thuyết - M cho nhìn tổng thể vương quốc khơng có thời gian khơng có khơng gian Đây đối tượng giống hạt điểm khoảng cách lớn, lại có tính chất khác khoảng cách nhỏ Các cơng trình họ phát dây cho thấy khái niệm không gian thời gian thơng thường khơng cịn ý nghĩa chiều dài Planck, zêrơ - brane cho kết luận thế, cịn cung cấp cho cửa sổ bé xíu nhìn sang khn khổ thay thế, khuôn khổ mẻ khác thường Những nghiên cứu với zêrơ brane hình học thơng thường thay hình học khác có tên hình học khơng giao hốn, lĩnh vực toán học chủ yếu nhà toán học người Pháp Alain Connes phát triển [3] Trong hình học này, khái niệm thông thường không gian khoảng cách điểm tan biến, để lại cho quang cảnh khái niệm hoàn toàn khác Tuy nhiên, tập trung ý tới thang lớn chiều dài Planck, nhà vật lý chứng minh khái niệm không gian thông thường lại "tái xuất giang hồ" Rất khn khổ hình học khơng giao hoán bước đầu tiến tới trạng thái trắng nguyên thủy mà nói trên, cho ý niệm công cụ mà khuôn khổ đầy đủ để bao hàm khơng gian thời gian cần đến Tìm cơng cụ tốn học để xây dựng lý thuyết dây mà không cần viện đến tồn trước không gian thời gian, nói, nhiệm vụ quan trọng nhà lý thuyết dây Hiểu không gian thời gian xuất đưa tiến bước xa tới gần câu trả lời cho câu hỏi quan trọng, dạng hình học thực xuất [3] Nếu bạn làm quen với đại số tuyến tính, cách đơn giản thỏa đáng để hình dung hình học khơng giao hốn bạn thay tọa độ Descartes thơng thường vốn có tính giao hốn phép nhân ma trận vốn khơng có tính chất hết: Chương 15 - Triển vọng (2), xem tiếp: Chương 15 - Triển vọng (3) Phần V - Sự thống kỷ XXI Chương 15 - Triển vọng (3) Ta lý thuyết dây tự sáng tạo không - thời gian riêng xuất phát từ cấu hình khơng có khơng gian chẳng có thời gian, tựa ta họa sĩ làm việc với voan trắng tinh Khơng gian thời gian thực làm khơng có khơng gian thời gian? Trong nhiều chương trước, thoải mái sử dụng khái niệm không gian không - thời gian Trong chương 2, mô tả phát minh Einstein mối quan hệ khăng khít khơng gian thời gian thông qua thực tế bất ngờ chuyển động vật khơng gian có ảnh hưởng đến trơi theo thời gian Trong chương 3, nhờ thuyết tương đối rộng, đào sâu thêm hiểu biết vai trị khơng - thời gian việc triển khai vũ trụ, lý thuyết chứng minh dạng cụ thể cấu trúc không - thời gian truyền lực hấp dẫn từ điểm đến điểm khác Những thăng giáng lượng tử dội giới vi mô, thảo luận chương 5, xác lập cần thiết phải có lý thuyết mới, dẫn tới lý thuyết dây Và cuối nhiều chương tiếp theo, lý thuyết dây tuyên bố vũ trụ có nhiều chiều số chiều mà quan sát được, có số chiều bị cuộn lại thành dạng nhỏ bé phức tạp, dạng chịu biến đổi khiến cho cấu trúc chúng bị đục thủng, bị xé rách sau tự hàn lại Nhờ hình 3.4, 3.6 8.10, cố gắng minh họa ý tưởng cách xem cấu trúc không gian không - thời gian giống mảnh vải từ cắt may thành "chiếc áo" vũ trụ Những hình ảnh có tác dụng giải thích đáng kể chúng thường nhà vật lý sử dung dẫn dắt trực quan công việc chuyên môn họ Mặc dù nhìn kỹ hình mà vừa nhắc trên, lâu dần cho cảm giác ta hiểu ý nghĩa chúng, người ta băn khoăn tự hỏi: thực chất cấu trúc vũ trụ gì? Đây câu hỏi dạng hay dạng khác, đề tài tranh luận hàng trăm năm Newton tun bố khơng gian thời gian thành phần vĩnh cửu không thay đổi kết cấu vũ trụ, cấu trúc nguyên thủy nằm chất vấn giải thích Như ơng viết "Những nguyên lý": "Không gian tuyệt đối, chất nó, khơng có quan hệ với thứ bên ngồi, không thay đổi Thời gian tuyệt đối, thực tốn học, tự thân chất riêng nó, trơi cách hiền hịa khơng có dính líu đến vật bên ngồi" Gottfried Leibniz nhiều người khác lại phản đối kịch liệt, họ khẳng định không gian thời gian đơn giản công cụ "kế tốn" thuận tiện cho việc tóm lược quan hệ vật chất kiện vũ trụ mà thơi Vị trí vật khơng gian thời gian có ý nghĩa so sánh với vật khác Không gian thời gian "từ điển" mối quan hệ đó, khơng Mặc dù quan điểm Newton với hỗ trợ ba định luật chuyển động thực nghiệm kiểm chứng thành công ngự trị suốt hai trăm năm, quan điểm Leibniz với phát triển sau nhà vật lý người áo Ernst Mach, gần gũi nhiều với quan niệm ngày hôm Như thấy, thuyết tương đối hẹp thuyết tương đối rộng kiên vứt bỏ khái niệm không gian thời gian tuyệt đối phổ qt Nhưng tự hỏi mơ hình hình học khơng - thời gian - mơ hình đóng vai trị quan trọng thuyết tương đối rộng lý thuyết dây phải cách "viết tắt" thuận tiện cho quan hệ không gian thời gian, liên tưởng đến chìm ngập cấu trúc khơng - thời gian, thấy thực nhúng đó? Mặc dù dấn thân vào mảnh đất tư biện, lý thuyết dây đưa giải đáp cho câu hỏi Graviton, bó nhỏ lực hấp dẫn, mode dao động cụ thể dây Và tựa sóng điện từ (như ánh sáng thấy được, chẳng hạn) gồm số lớn photon, trường hấp dẫn gồm số lớn graviton - tức gồm số lớn dây thực mode dao động graviton Đến lượt mình, trường hấp dẫn lại thể cong cấu trúc không - thời gian dẫn tới chỗ đồng thân cấu trúc khơng - thời gian với số khổng lồ dây thực mode dao động graviton Nói theo ngơn ngữ lý thuyết trường, tập hợp có tổ chức số lớn dây dao động tương tự gọi trạng thái kết hợp dây Đây hình ảnh thơ mộng: dây lý thuyết dây giống sợi dệt nên cấu trúc không thời gian Song, cần lưu ý rằng, ý nghĩa hình ảnh cịn phải xác hóa cách chặt chẽ Tuy nhiên, mô tả cấu trúc không - thời gian dạng dệt nên dây lại dẫn tới câu hỏi sau Một vải thông thường sản phẩm cuối dày cơng dệt nên từ sợi riêng rẽ - nguyên liệu đa số sản phẩm dệt Tương tự vậy, tự hỏi liệu có ngun liệu thơ có trước cho vải (cấu trúc) không - thời gian - cấu hình dao động dây cấu trúc vũ trụ, dây cịn chưa tổ chức thành dạng cụ thể mà ta đồng với không - thời gian hay không? Cũng cần lưu ý việc hình dung trạng thái mớ hổ lốn dây riêng rẽ dao động chưa gắn kết với thành tổng thể có trật tự, có điều khơng thật xác, theo cách nghĩ thơng thường chúng ta, điều xem khái niệm khơng gian thời gian phải có trước đó: có khơng gian mà dây dao động có diễn tiến thời gian cho phép theo dõi thay đổi hình dạng dây từ thời điểm sang thời điểm khác Nhưng trạng thái nguyên liệu thô, tức trước dây dệt nên vải cấu trúc vũ trụ bước vào vũ điệu dao động kết hợp có trật tự mà thảo luận, lại chưa tồn khơng gian lẫn thời gian Thậm chí ngơn ngữ chưa đủ độ tinh vi để diễn đạt ý tưởng đó, vì, thực tế, khái niệm trước cịn chưa có Theo ý nghĩa đấy, dường dây "những mảnh nhỏ" không gian, thời gian chúng thực dao động kết hợp làm cho khái niệm thông thường không gian thời gian xuất Việc hình dung trạng thái tồn ngun thủy khơng có cấu trúc thế, cịn chưa có khái niệm khơng gian thời gian biết, đẩy khả hiểu phần lớn (trong có tơi) tới giới hạn Giống câu chuyện chọc cười danh hài Stephen Wright nhà nhiếp ảnh bị ám ảnh khát vọng chụp cận cảnh đường chân trời, vấp phải đụng độ hình mẫu thử hình dung vũ trụ tồn mà khơng cần viện đến khái niệm không gian thời gian Tuy nhiên, để đánh giá cách đầy đủ lý thuyết dây, cần phải đề cập tới ý tưởng hiểu thực chúng trước Lý chỗ, cách phát biểu lý thuyết dây giả thiết trước tồn khơng gian thời gian, dây (và thành phần sơ cấp khác phát lý thuyết - M) chuyển động dao động Điều cho phép rút tính chất vật lý lý thuyết dây vũ trụ với chiều thời gian, số chiều có quảng tính lớn (thường lấy 3) số chiều phụ cuộn lại thành khơng gian Calabi-Yau phương trình lý thuyết quy định Điều na ná việc đánh giá tài sáng tạo họa sĩ cách đòi hỏi phải làm việc với tranh tơ màu theo trình tự đánh số Chắc chắn thể sáng tạo cá nhân chỗ chỗ kia, khuôn khổ làm việc bị hạn chế ngặt nghèo, nên làm che lấp tất trừ vài thể nhỏ nhoi tài Vì chiến cơng lý thuyết dây hợp cách tự nhiên học lượng tử với lực hấp dẫn hấp dẫn lại gắn liền với dạng khơng gian thời gian, nên không hạn chế buộc phải vận hành bên khn khổ khơng - thời gian có sẵn Thay thế, ta lý thuyết dây tự sáng tạo khơng - thời gian riêng xuất phát từ cấu hình khơng có khơng gian chẳng có thời gian, tựa ta họa sĩ làm việc với voan trắng tinh Hy vọng từ điểm xuất phát cịn trắng - điều xảy trước Big Bang hay tiền Big Bang (nếu dùng thuật ngữ thời gian, khơng có khn khổ ngơn ngữ khác) - lý thuyết mơ tả vũ trụ tiến hóa đến dạng tự động xuất (phông) dao động kết hợp dây, từ sinh khái niệm khơng gian thời gian thông thường Một khuôn khổ vậy, thực cho thấy không gian, thời gian chiều gắn với chúng khơng phải yếu tố định vũ trụ Mà thực ra, chúng khái niệm thuận tiện xuất từ trạng thái nguyên thủy Những nghiên cứu khía cạnh lý thuyết - M người tiên phong Stephen Shenker, Edward Witten, Tom Banks, Willy Fischer, Leonard Susskind nhiều tên tuổi khác kể hết đây, chứng tỏ zêrơ - brane thành phần lý thuyết - M cho nhìn tổng thể vương quốc khơng có thời gian khơng có khơng gian Đây đối tượng giống hạt điểm khoảng cách lớn, lại có tính chất khác khoảng cách nhỏ Các cơng trình họ cịn phát dây cho thấy khái niệm khơng gian thời gian thơng thường khơng cịn ý nghĩa chiều dài Planck, zêrơ - brane cho kết luận thế, cịn cung cấp cho cửa sổ bé xíu nhìn sang khn khổ thay thế, khuôn khổ mẻ khác thường Những nghiên cứu với zêrô brane hình học thơng thường thay hình học khác có tên hình học khơng giao hoán, lĩnh vực toán học chủ yếu nhà toán học người Pháp Alain Connes phát triển [3] Trong hình học này, khái niệm thơng thường không gian khoảng cách điểm tan biến, để lại cho quang cảnh khái niệm hoàn toàn khác Tuy nhiên, tập trung ý tới thang lớn chiều dài Planck, nhà vật lý chứng minh khái niệm không gian thông thường lại "tái xuất giang hồ" Rất khn khổ hình học khơng giao hốn bước đầu tiến tới trạng thái trắng nguyên thủy mà nói trên, cho ý niệm công cụ mà khuôn khổ đầy đủ để bao hàm không gian thời gian cần đến Tìm cơng cụ tốn học để xây dựng lý thuyết dây mà không cần viện đến tồn trước khơng gian thời gian, nói, nhiệm vụ quan trọng nhà lý thuyết dây Hiểu không gian thời gian xuất đưa tiến bước xa tới gần câu trả lời cho câu hỏi quan trọng, dạng hình học thực xuất [3] Nếu bạn làm quen với đại số tuyến tính, cách đơn giản thỏa đáng để hình dung hình học khơng giao hốn bạn thay tọa độ Descartes thơng thường vốn có tính giao hoán phép nhân ma trận vốn khơng có tính chất hết: Chương 15 - Triển vọng (3), xem tiếp: Chương 15 - Triển vọng (4) Phần V - Sự thống kỷ XXI Chương 15 - Triển vọng (4) Vũ trụ chi phối nguyên lý học lượng tử với độ xác khơng thể tưởng tượng Ngay nữa, lý thuyết hình thành nửa kỷ qua, nhà vật lý theo chiến lược, nói mặt cấu trúc, họ đặt học lượng tử gần vị trí thứ hai Liệu lý thuyết dây có địi hỏi phải xây dựng lại học lượng tử hay không? Vũ trụ chi phối nguyên lý học lượng tử với độ xác khơng thể tưởng tượng Ngay nữa, lý thuyết hình thành nửa kỷ qua, nhà vật lý theo chiến lược, nói mặt cấu trúc, họ đặt học lượng tử gần vị trí thứ hai Khi xây dựng lý thuyết này, nhà vật lý thường xuất phát từ ngôn ngữ túy cổ điển, khơng đả động đến xác suất lượng tử, hàm sóng , ngơn ngữ mà nhà vật lý thời Maxell, chí thời Newton hiểu được, sau phủ lên khn khổ cổ điển khái niệm lượng tử Cách tiếp cận khơng có đáng ngạc nhiên lắm, trực tiếp phản ánh kinh nghiệm Thoạt nhìn, vũ trụ dường chi phối định luật bắt nguồn từ khái niệm cổ điển, chẳng hạn hạt có vị trí vận tốc đồng thời xác định thời điểm Chỉ sau xem xét kỹ lưỡng mặt vi mô, thấy cần phải thay đổi khái niệm cổ điển Như vậy, tiến trình phát minh từ khn khổ cổ điển đến khuôn khổ thay đổi nhờ phát lượng tử Cho tới ngày hôm nay, cách thức mà nhà vật lý xây dựng lý thuyết họ mang dáng dấp tiến trình Lý thuyết dây khơng phải ngoại lệ Hình thức luận mơ tả lý thuyết dây phương trình mơ tả chuyển động sợi dây cổ điển vô mảnh - phương trình mà, đại thể, cách ba trăm năm Newton viết Sau phương trình lượng tử hóa Tức là, phương trình cổ điển biến thành khuôn khổ học lượng tử theo thủ tục hệ thống nhà vật lý phát triển năm mươi năm qua, xác suất, tính bất định thăng giáng lượng tử v.v trực tiếp đưa vào Thực tế, chương 12 thấy thủ tục vận dụng nào: q trình có vịng (xem hình 12.6) đưa vào hiệu ứng lượng tử - trường hợp xét tạo thành tức thời cặp dây ảo - với số lượng vịng định độ xác mà hiệu ứng tính đến Trong nhiều năm, chiến lược mô tả cổ điển sau tính đến đặc trưng học lượng tử tỏ hiệu Ví dụ, mơ hình chuẩn vật lý hạt theo chiến lược Nhưng - ngày có nhiều chứng cho thấy - phương pháp cịn q bảo thủ lý thuyết có tầm vóc lớn lý thuyết dây lý thuyết - M Lý chỗ: thấy vũ trụ chi phối nguyên lý học lượng tử, lý thuyết phải dựa học lượng tử từ đầu Sở dĩ tận hôm thành công với quan điểm cổ điển chưa khám phá vũ trụ tới độ sâu đủ để thấy giới hạn cách tiếp cận Nhưng với độ sâu lý thuyết dây /lý thuyết - M, có lẽ tới điểm giới hạn chiến lược thử thách qua nhiều trận mạc Chúng ta tìm chứng cụ thể cho điều vừa nói cách xem xét lại số phát minh xuất từ cách mạng siêu dây lần thứ hai (như tổng kết hình 12.11, chẳng hạn) Như thảo luận chương 12, đối ngẫu - tảng để thống năm lý thuyết dây - cho thấy trình vật lý xảy lý thuyết dây giải thích lại theo ngơn ngữ đối ngẫu bốn lý thuyết cịn lại Sự giải thích lại nhìn dính dáng đến lý thuyết ban đầu, thực tế sức mạnh tính đối ngẫu: nhờ có tính đối ngẫu mà q trình vật lý mơ tả theo nhiều cách khác Những kết vừa tinh tế vừa tuyệt vời, chưa nhắc tới đặc trưng có lẽ quan trọng Nhưng phép biến đổi đối ngẫu thường xuất phát từ q trình mơ tả số năm lý thuyết dây trình phụ thuộc mạnh vào học lượng tử (ví dụ trình liên quan với tương tác dây, mà khơng xảy giới chi phối vật lý cổ điển) giải thích lại q trình q trình phụ thuộc yếu vào học lượng tử theo quan điểm bốn lý thuyết dây lại (ví dụ, q trình có tính chất chi tiết số chịu ảnh hưởng khảo sát lượng tử, dạng định tính lại giống với dạng mà có giới túy cổ điển) Điều có nghĩa học lượng tử đan bện cách hoàn hảo bên đối xứng đối ngẫu - sở lý thuyết dây/lý thuyết - M Đây đối xứng học lượng tử cố hữu, số mơ tả đối ngẫu chịu ảnh hưởng mạnh khảo sát lượng tử Điều việc xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết dây/lý thuyết - M, bao hàm đối xứng đối ngẫu mức bản, quan điểm cổ điển sau tiến hành lượng tử hóa khn mẫu truyền thống Điểm xuất phát cổ điển thiết bỏ sót đối xứng đối ngẫu, đối xứng học lượng tử tính đến Trái lại, việc xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết dây/lý thuyết - M phải phá vỡ khuôn mẫu truyền thống cho đời lý thuyết hoàn toàn lượng tử Hiện nay, chưa biết làm điều Nhưng nhiều nhà lý thuyết dây thấy trước việc thiết lập lại cách thức đưa nguyên lý học lượng tử vào mô tả lý thuyết vũ trụ đảo lộn quan trọng tiếp sau hiểu biết Ví dụ, Vafa nói: "Tơi nghĩ khơng cịn xa thiết lập lại học lượng tử điều giúp giải nhiều vấn đề hóc búa Tơi nghĩ có nhiều người chia sẻ với ý kiến cho đối ngẫu phát gần hướng tới khn khổ mới, hình học cho học lượng tử, khơng gian, thời gian tính chất lượng tử gắn kết chặt chẽ với nhau" [1] Và theo Witten: "Tôi tim rằng, địa vị mặt lôgic lực hấp dẫn thay đổi Einstein phát nguyên lý tương đương Q trình cịn xa hồn tất học lượng tử, nghĩ rằng, lồi người ngày nhìn lại thời đại giai đoạn khởi đầu q trình đó" [2] Với tinh thần lạc quan mực, thấy việc xếp lại nguyên lý học lượng tử bên lý thuyết dây mang lại cho hình thức luận mạnh mẽ hơn, có khả trả lời câu hỏi như: Vũ trụ bắt đầu nào, lại có khơng gian thời gian - hình thức luận đưa tiến bước lớn tới gần câu trả lời cho câu hỏi Leibniz: có cịn khơng có hết [1] Phỏng vấn Cumrun Vafa, ngày 12 tháng năm 1998 [2] Phỏng vấn Edward Witten, ngày 11 tháng năm 1998 hết: Chương 15 - Triển vọng (4), xem tiếp: Chương 15 - Triển vọng (5) Phần V - Sự thống kỷ XXI Chương 15 - Triển vọng (5) Trong số nhiều đặc trưng lý thuyết dây mà thảo luận chương trước, ba đặc trưng sau có lẽ quan trọng mà cần phải ghi nhớ kỹ đầu Liệu lý thuyết dây kiểm chứng thực nghiệm khơng? Trong số nhiều đặc trưng lý thuyết dây mà thảo luận chương trước, ba đặc trưng sau có lẽ quan trọng mà cần phải ghi nhớ kỹ đầu Thứ nhất, lực hấp dẫn học lượng tử phận hợp thành máy vũ trụ lý thuyết thống phải bao hàm hai thứ Lý thuyết dây thực điều Thứ hai, nghiên cứu nhà vật lý tiến hành suốt kỷ qua phát rằng, cịn có nhiều ý tưởng then chốt khác - số có nhiều ý tưởng kiểm chứng thực nghiệm - dường lại có tầm quan trọng trung tâm tìm hiểu vũ trụ Đó khái niệm spin, cấu trúc thành họ hạt vật chất, hạt truyền tương tác, đối xứng chuẩn, nguyên lý tương đương, phá vỡ đối xứng, siêu đối xứng cịn nhiều khái niệm khơng thể nêu hết Tất khái niệm xuất cách tự nhiên từ lý thuyết dây Thứ ba, khác với nhiều lý thuyết truyền thống, mơ hình chuẩn chẳng hạn - mơ hình có tới 19 tham số tự mà người ta hiệu chỉnh để đạt phù hợp lý thuyết với thực nghiệm - lý thuyết dây khơng có tham số để hiệu chỉnh hết Về nguyên tắc, hệ lý thuyết xác định, chúng cho ta kiểm chứng rõ ràng lý thuyết hay sai Con đường từ lý luận nguyên tắc đến thực tiễn cịn chơng gai Trong chương mô tả số trở ngại mặt kỹ thuật, việc xác định dạng chiều phụ vật cản đường Trong chương 12 13, đặt trở ngại với trở ngại khác bối cảnh rộng lớn cần thiết phải có hiểu biết xác lý thuyết dây điều này, thấy, dẫn cách tự nhiên tới khảo sát lý thuyết - M Chắc chắn, để có hiểu biết đầy đủ lý thuyết dây/lý thuyết - M, địi hỏi phải có nỗ lực to lớn sức sáng tạo to lớn không Ở giai đoạn tiến triển mình, nhà lý thuyết cịn tiếp tục tìm kiếm hệ lý thuyết quan sát thực nghiệm Chúng ta đừng quên khả táo bạo mà thảo luận chương Hơn nữa, có hiểu biết sâu hơn, trình đặc trưng hoi khác lý thuyết dây gợi ý cho khả kiểm chứng gián tiếp khác thực nghiệm Nhưng đáng lưu ý nhất, khẳng định siêu đối xứng thông qua việc phát siêu hạt thảo luận chương cột mốc quan trọng lý thuyết dây Hãy nhớ lại rằng, siêu đối xứng phát trình nghiên cứu lý thuyết dây phần trung tâm lý thuyết Sự khẳng định thực nghiệm đối xứng phần chứng có sức thuyết phục, gián tiếp, chứng tỏ đắn lý thuyết dây Ngoài ra, phát siêu hạt mở đường tới thách thức chào đón nồng nhiệt hơn, khẳng định siêu đối xứng dẫn đến hệ xa nhiều trả lời đơn cho câu hỏi đối xứng có quan hệ với giới hay khơng Khối lượng tích lực siêu hạt làm lộ cách thức chi tiết mà siêu đối xứng bao hàm định luật tự nhiên Khi đó, nhà lý thuyết phải đối mặt với thách thức phải xem thực làm giải thích cách đầy đủ lý thuyết dây hay không Tất nhiên, cịn lạc quan hy vọng mười năm tới, trước Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) Geneva đưa vào hoạt động, hiểu biết lý thuyết dây có tiến đủ để đưa tiên đoán chi tiết siêu hạt trước phát chúng thực nghiệm Sự khẳng định tiên đốn thời điểm trọng đại lịch sử khoa học hết: Chương 15 - Triển vọng (5), xem tiếp: Chương 15 - Triển vọng (6) Phần V - Sự thống kỷ XXI Chương 15 - Triển vọng (6) Có thể, phải chấp nhận sau đạt tới trình độ hiểu biết sâu đạt được, cịn có khía cạnh vũ trụ khơng thể giải thích Liệu có giới hạn cho giải thích hay khơng? Giải thích tất cả, chí theo nghĩa hạn chế hiểu tất phương diện lực thành phần sơ cấp vũ trụ, số thách thức vĩ đại mà khoa học phải đối mặt Và lý thuyết dây lý thuyết cho khuôn khổ dường đủ để đáp ứng thách thức Nhưng liệu có thực trọn vẹn lời hứa hẹn lý thuyết chẳng hạn tính khối lượng quark cường độ lực điện từ - số có ảnh hưởng định đến vũ trụ hay khơng? Như nói mục trước, đường tiến tới mục tiêu đó, phải vượt qua nhiều trở ngại mặt lý thuyết mà bật việc xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết dây/lý thuyết - M phi nhiễu loạn Nhưng có hiểu biết xác lý thuyết dây /lý thuyết - M dựa khuôn khổ sáng nhiều học lượng tử nữa, phải khơng thể tính khối lượng hạt cường độ lực? Nghĩa phải lấy giá trị chúng từ phép đo thực nghiệm, khơng tính lý thuyết? Và thất bại có nghĩa khơng phải tìm kiếm lý thuyết hơn, mà đơn giản phản ánh thực tế khơng có giải thích hết cho tính chất quan sát thực tại? Câu trả lời cho câu hỏi Như Einstein có lần nói: "Điều khó hiểu vũ trụ khả hiểu chúng ta" Sự kinh ngạc trước khả hiểu vũ trụ dễ bị mai thời đại tiến nhanh chóng đầy ấn tượng ngày Tuy nhiên, có lẽ, có giới hạn khả hiểu biết Có thể, phải chấp nhận sau đạt tới trình độ hiểu biết sâu đạt được, cịn có khía cạnh vũ trụ khơng thể giải thích Cũng có thể, cịn phải chấp nhận rằng, số đặc điểm vũ trụ vốn có ngẫu nhiên, tình cờ hay lựa chọn thần thánh Thành cơng phương pháp khoa học khứ khích lệ nghĩ với đủ thời gian nỗ lực, làm sáng tỏ bí ẩn tự nhiên Nhưng việc vấp phải giới hạn tuyệt đối giải thích khoa học - khơng phải trở ngại mặt công nghệ hay biên giới (đang tiến phía trước) trí thức lồi người - kiện đặc biệt kinh nghiệm khứ chưa có chuẩn bị cho điều Mặc dù điều có liên quan nhiều với tìm kiếm lý thuyết tối hậu thư chúng ta, vấn đề mà chưa giải thực tế, khả có giới hạn cho giải thích khoa học, theo nghĩa rộng lớn mà ta nói trên, vấn đề vĩnh viễn khơng giải đáp Ví dụ, thấy rằng, khái niệm tư biện đa vũ trụ, mà nhìn tưởng giới hạn cuối giải thích khoa học, hóa thích nghi với cách tưởng tượng lý thuyết tư biện không kém, lý thuyết có thể, ngun tắc, phục hồi lại khả tiên đoán Một điểm bật từ điều nói trên, vai trò vũ trụ học việc xác định hệ lý thuyết tối hậu Như biết, vũ trụ học siêu dây lĩnh vực non trẻ, so với lý thuyết dây Khơng cịn nghi ngờ nữa, lĩnh vực hàng đầu tập trung nghiên cứu năm tới lĩnh vực phát triển chủ yếu vũ trụ học Khi tiếp tục nhận phát tính chất lý thuyết dây /lý thuyết - M, khả đốn hệ vũ trụ học ứng viên sáng giá cho lý thuyết tối hậu ngày trở nên sắc bén Dĩ nhiên, nghiên cứu ngày đó, khẳng định với rằng, thực tế, có giới hạn cho giải thích khoa học Nhưng trái lại, có thể, nghiên cứu mở đầu cho kỷ nguyên mới, kỷ nguyên tuyên bố: cuối tìm giải thích vũ trụ hết: Chương 15 - Triển vọng (6), xem tiếp: Hết Phần cuối Hết Ai đốn hịa nhập học lượng tử lực hấp dẫn thành lý thuyết thống toàn vật chất lực lại tạo cách mạng hiểu biết vận hành vũ trụ? Vươn tới Mặc dù khả công nghệ buộc phải gắn với trái đất hành tinh láng giềng gần gũi hệ mặt trời, trí tuệ thực nghiệm xa đường khám phá không gian bề rộng lẫn bề sâu Đặc biệt kỷ qua, nỗ lực tập thể đông đảo nhà vật lý phát nhiều bí mật sâu kín tự nhiên Và phát hiện, viên ngọc quý mở chân trời rộng lớn giới mà tưởng biết, thực tế cịn xa hình dung hết lộng lẫy Một thước tầm vóc lý thuyết phạm vi thách thức mà đặt quan niệm giới mà trước tưởng bất biến Theo thước đó, học lượng tử hai lý thuyết tương đối vượt xa kỳ vọng đầu óc táo bạo nhất: hàm sóng, xác suất, hiệu ứng xuyên hầm, thăng giáng lượng sôi động không ngừng chân khơng, hịa nhập khơng gian thời gian, chất tương đối tính đồng thời, cong cấu trúc không - thời gian, lỗ đen, Big Bang Ai đốn quan điểm Newton, quan điểm trực giác, học xác máy đồng hồ hóa lại có ý nghĩa "địa phương"? Rằng cịn có giới mẻ đầy kinh ngạc nằm bên bề mặt thứ mà trải nghiệm ngày? Nhưng phát minh làm rung chuyển hình mẫu phần câu chuyện rộng lớn bao quát Với niềm tin vững định luật vô lớn vô bé phải thống thành chỉnh thể hài hòa, nhà vật lý không phút giây ngưng nghỉ tìm kiếm lý thuyết tối hậu ln ln lẩn tránh họ Cuộc tìm kiếm chưa đến hồi kết thúc, nhờ lý thuyết dây tiến hóa thành lý thuyết - M, khn khổ tối thượng để hịa nhập học lượng tử, thuyết tương đối rộng ba lực phi hấp dẫn cuối xuất Và thách thức mà phát triển đặt cho quan niệm trước giới thật đồ sộ: dây giọt dao động, thống tồn q trình sáng số mode dao động thực tinh vi vũ trụ có nhiều chiều ẩn giấu, có khả bị biến dạng ghê gớm, cấu trúc khơng gian bị xé rách tự hàn gắn lại Ai đốn hòa nhập học lượng tử lực hấp dẫn thành lý thuyết thống tồn vật chất lực lại tạo cách mạng hiểu biết vận hành vũ trụ? Tất nhiên, chắn nhiều bất ngờ lớn mà tự nhiên dành cho chúng ta, tiếp tục tìm kiếm hiểu biết đầy đủ tính tốn lý thuyết siêu dây Nhờ nghiên cứu lý thuyết - M có ý niệm đại thể vùng đất lạ ẩn chiều dài Planck, vùng đất có lẽ khơng có khái niệm khơng gian thời gian Ở cực khác, thấy vũ trụ vơ số bọt sóng bề mặt đại dương vũ trụ bao la sơi động có tên đa vũ trụ Những ý tưởng túy tư biện, chúng lại chẳng báo trước bước tiến tiếp sau hiểu biết vũ trụ Khi nhìn tương lai dự đốn điều kỳ diệu mà tự nhiên dành cho chúng ta, nên suy ngẫm trở lại chiêm ngưỡng chặng đường xa mà Cuộc tìm kiếm định luật vũ trụ đấu tranh điển hình người, làm cho trí óc phải vật vã làm phong phú tinh thần Sự mô tả sống động tìm hiểu lực hấp dẫn Einstein - "những năm tháng tìm kiếm trăn trở bóng tối, tràn trề hy vọng, đan xen tin tưởng tuyệt vọng, cuối bước ánh sáng chói lịa" - có lẽ thâu tóm tồn đấu tranh lồi người Tất chúng ta, người theo cách riêng mình, người tìm kiếm thật có khát vọng trả lời câu hỏi lại hữu Khi leo lên đỉnh núi giải thích, đứng vững vai hệ trước kiên cường bước tới Tuy nhiên, biết trước liệu hậu chúng ta, ngày đó, có lên tới đỉnh từ nhìn xuống vũ trụ bao la nhã tuyệt vời với rõ ràng tuyệt đối hay khơng Nhưng hệ leo cao thêm chút, nên thực tuyên bố Jacob Bronowski: "Mỗi thời đại có giai đoạn có ý nghĩa định, cách nhìn nhận đánh giá hài hịa vũ trụ" [1] Và hệ kinh ngạc trước quan điểm mẻ vũ trụ, trước cách đánh giá mẻ hài hịa hồn thành phận mình, đóng góp bậc thang vào thang loài người để vươn tới [1]Jacob Bronowski, The Ascent of Man (Boston: Litte, Brown, 1973) trang 20 Cuốn Giai điệu dây giao hưởng vũ trụ tác giả Brian Breene, Phạm Văn Thiều dịch Nhà xuất Trẻ ấn hành năm 2003 ... thể đặc trưng hình học Vũ trụ Nếu lý thuyết dây đúng, cấu trúc vi mơ Vũ trụ mê lộ đa chiều đan xen nhau, dây Vũ trụ khơng ngừng dao động vặn xoắn nhịp theo định luật Vũ trụ Các tính chất viên... mang tính hình học, Einstein đan bện hấp dẫn vào cấu trúc Vũ trụ Thay bị áp đặt cấu trúc thêm vào, hấp dẫn trở thành phận hữu Vũ trụ mức Việc thổi sống vào khơng gian thời gian cách cho phép chúng... có khả biết kinh ngạc trước vẻ đẹp hài hòa Vũ trụ, có ý thức có trí tuệ cho phép đặt câu hỏi Vũ trụ sinh Như vơ bé sinh nở vô lớn Để hiểu nguồn gốc Vũ trụ nguồn gốc riêng nữa, cần có lý thuyết