Một quy luật phổ quát trong vật lý doc

Một quy luật phổ quát trong vật lý ? A- Lý thuyết Siêu dây cho rằng các hạt cơ bản của vật chất không phải là những điểm, mà là những dao động khác nhau của một vật thể gọi là dây (1 chiều không gian). Theo trải nghiệm bình thường thì không - thời gian chỉ có bốn chiều (3 cho không gian và 1 cho thời gian). Vậy mà theo lý thuyết siêu dây thì không - thời gian có tới những 10 chiều (hay 11 chiều của thuyết siêu dây mở rộng gọi là thuyết M như Màng). Sáu (hay bảy) chiều dư đã cuộn lại giấu mình thành một đa tạp có cấu trúc nhất định với kích thước lc cực nhỏ, chỉ vào khoảng một phần triệu tỉ tỉ tỉ (10- 33) cm mà ta gọi là chiều dài Planck. Lý thuyết Siêu dây hay Màng này được đề xuất để mở đường dung hòa hai trụ cột của vật lý đương đại, Lượng tử và Tương đối rộng (thuyết này mô tả trọng lực). Thực thế, ở thời điểm vô cùng bé 10- 41 giây (gọi là thời gian Planck) sau Big bang, khi vũ trụ còn nhỏ nhoi với đường kính khoảng chiều dài Planck thì xảy ra cuộc xung đột mạnh mẽ giữa hai lý thuyết trụ cột nói trên vì lượng tử là cả một vũ đài náo nhiệt, sôi sục thăng giáng liên hồi còn mọi sự lại trơn tru theo thuyết tương đối rộng. Sự dung hòa hai trụ cột nói trên sao cho chúng tương thích với nhau mang tên là thuyết hấp dẫn lượng tử (quantum gravity), đó là cả một quá trình nghiên cứu gian lao chưa đến hồi chung kết và thuyết Siêu dây được coi là ứng cử viên sáng láng nhất trong quá trình dung hòa này. B- Nguyên lý Toàn ảnh. Trong quang học như ta biết có một phương pháp gọi là toàn ảnh để ghi một vật thể 3 chiều bằng một ảnh 2 chiều. Như vậy mọi thông tin mô tả vật thể ba chiều (3d) có thể mã hóa trong mặt biên hai chiều (2d). Đem nguyên lý toàn ảnh áp dụng vào thuyết siêu dây, Gerard ’t Hooft cho rằng ta có thể thay thế cách mô tả thuyết hấp dẫn lượng tử (ngự trị trong một vùng không-thời gian d+1 chiều) bằng một lý thuyết phi hấp dẫn (như QCD của quark chẳng hạn) ở mặt biên d chiều. Ta gọi nó là phép đối ngẫu toàn ảnh (holographic dual), hơn nữa đó lại là một đối ngẫu “mạnh « yếu”, nghĩa là một thuyết có hằng số tương tác liên kết mạnh thì thuyết đối ngẫu của nó lại có hằng số tương tác liên kết yếu ở chiều nhỏ hơn, và ngược lại. Câu chuyện xảy ra như sau: C- Lỗ đen lượng tử. Năm 1916 khi giải lần đầu tiên phương trình Einstein của thuyết tương đối rộng, Karl Schwarzschild tìm ra một kết quả đáng kinh ngạc: nếu một vật thể hình cầu bán kính R có khối lượng rất lớn M = c2R/ 2G (với c là vận tốc ánh sáng và G là hằng số trọng lực Newton) thì sẽ xuất hiện một vùng không gian (với mặt biên kỳ dị mà ngày nay ta gọi là chân trời sự kiện của lỗ đen) trong đó vật chất, ánh sáng, tín hiệu thông tin chẳng cái gì thoát ra khỏi[7]. Ây thế mà năm 1974 Stephen Hawking, dùng cơ học lượng tử, đã khám phá ra là lỗ đen không tối đen kín mít nữa mà thực ra cũng bức xạ, nó phát ánh sáng ra ngoài như một lò nóng (vật đen), như vậy lỗ đen có nhiệt độ và có entropi mà Jacob Bekenstein trước đấy đã đề xuất. Điều mấu chốt là lỗ đen bức xạ có entropi tỷ lệ thuận với diện tích (2 chiều) của mặt biên, chứ không phải với thể tích (3 chiều) của vùng không gian mà mặt biên bao bọc, quả là một thí dụ cụ thể của nguyên lý toàn ảnh. Như vậy, định luật hấp dẫn của lỗ đen cũng có thể mô tả được bằng nhiệt động học (phi hấp dẫn) trong một bối cảnh cực hạn của trọng lực. Lỗ đen là vật thể vĩ mô xem ra cũng phổ cập, nghĩa là nó có khối lượng M, điện tích Q và xung lượng góc J, ba thông số này xác định tính chất vật lý của nó, vậy nào có khác gì một hạt cơ bản vi mô. Như vậy luật hấp dẫn và phi hấp dẫn, qua phép đối ngẫu toàn ảnh trong các môi trường từ cực nóng đến cực lạnh, có thể vận hành bởi định luật cơ bản của lỗ đen. Kỹ thuật tính toán sử dụng phép nhiễu loạn (trường hợp hằng số tương tác nhỏ) của thuyết Siêu dây nay được áp dụng để khảo sát những hệ có hằng số tương tác lớn của vật lý phi hấp dẫn. Một thuyết hấp dẫn lượng tử có thể, bằng một cách khác, được mô tả bởi một lý thuyết phi hấp dẫn trong một không gian ít chiều hơn. Trong thuyết dây, thông số để tính toán theo phép nhiễu loạn là ls/lc << 1 (ls tỷ lệ nghịch với lực căng T của dây và nhỏ hơn độ cong lc của chiều dư không gian ẩn cuộn). Cái đáng chú ý của đối ngẫu toàn ảnh là hằng số tương tác l của phi hấp dẫn lại lớn, l ~ (lc/ls)4 >> 1 tương thích với hai thực nghiệm ở RHIC và ở Đại học Duke. Tóm lược (a) Tổng quan nhìn từ trên cao, (b) trong hầm sâu của máy, ống dẫn hai chùm ion va chạm nhau, (c) và (d) hàng ngàn vết của các hạt bắn ra trong hai máy dò PHENIX và STAR. [1] P.Kovtun, D.T. Son, A. O. Starinets, Phys. Rev. Lett 94, 111601 (2005); D.T. Son and A. O. Starinets, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. vol. 57, 95 (2007). [2] Max Planck, Người khai sáng thuyết lượng tử, nxbTri thức Hanoi (2008). [3] Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là định luật bảo toàn năng lượng. [4] Hãy lấy một thí dụ để minh họa khái niệm entropi liên đới đến sự hỗn loạn. Trong một bàn cờ tướng gồm 10 x 10 = 100 ô vuông, mở đầu ta để n con bọ chét trên một ô nào đó và ta để cho chúng tự do nhảy. Sau một thời gian, chúng được phân phối trên tất cả các ô vuông, vậy trạng thái cuối cùng rõ ràng hỗn loạn hơn trạng thái ban đầu. Ta có thể định lượng sự tăng trưởng của mức độ hỗn loạn như sau. Ở trạng thái cuối cùng, mỗi bọ chét có thể ở bất kỳ một trong 100 ô, vậy con số các trạng thái có thể có đối với một con bọ chét là 100, nếu có 2 con bọ chét thì tổng cộng các trạng thái của chúng là 100 x 100 hay 1002 và với n bọ thì tổng số các cấu hình khả dĩ xảy ra cho chúng là 100n. So với trạng thái ban đầu với duy nhất một cấu hình (n con bọ chét chỉ ở trong một ô vuông chọn sẵn) thì ta thấy ngay sự tăng trưởng hỗn loạn ở trạng thái cuối cùng. Một cách tổng quát hơn, nếu diện tích (hay thể tích) của trạng thái cuối cùng tăng lên r lần so với trạng thái ban đầu thì tổng số W các cấu hình khả dĩ xảy ra cho n phần tử độc lập của một hệ vật lý sẽ tăng lên rn, và ta biết log (rn) = n log (r). Entropi S = kB log W với kB là hằng số Boltzmann. [5] Giải Nobel vật lý 2004 vinh tặng H. D. Politzer, D. J. Gross và F. Wilczek đã khám phá ra đặc tính Tự do tiệm tiến của QCD. Chi tiết chứng minh Tự do tiệm tiến của QCD có thể tìm trong chương 15 của Elementary Particles and their Interactions, Concepts and Phenomena của Hồ Kim Quang và Phạm Xuân Yêm, nxb Springer, Berlin, New York (1998). Cụ thể tự do tiệm tiến có nghĩa là hằng số tương tác mạnh gs của quark với gluon trong QCD phải giảm đi với năng lượng E của chúng, gs (E) ~ 1/ log (E). Khi năng lượng tăng "tiệm tiến" đến vô hạn, E → ∞ thì gs (E) → 0, tương tác gắn bó quark mất đi và quark được tự do. Đó là trường hợp ta có thể thấy quark ở những máy gia tốc cực kỳ mạnh, hay ở trên các thiên thể đang bùng phá. [6] Ngược lại ta suy đoán ra (nhưng chưa chứng minh nhất quán được) là khi E nhỏ thì gs (E) lớn (E → 0 thì gs (E) → ∞), tính chất này được gọi là nô lệ hồng ngoại (infrared slavery) nghĩa là tìm quark với ánh sáng hồng ngoại (năng lượng nhỏ) không nổi, quark bị cầm tù trong vật chất ở nhiệt độ bình thường. Viện toán học Clay (Clay Mathematics Institute) treo giải một triệu dollars cho ai chứng minh được tính nô lệ hồng ngoại của QCD. Cũng viện Clay năm 2004 đã vinh tặng hai giáo sư Gérard Laumon và Ngô Bảo Châu giải nghiên cứu hàng năm vì chứng minh được một trường hợp đặc biệt của bổ đề Langlands. . Một quy luật phổ quát trong vật lý ? A- Lý thuyết Siêu dây cho rằng các hạt cơ bản của vật chất không phải là những điểm, mà là những dao động khác nhau của một vật thể gọi là. tương tác lớn của vật lý phi hấp dẫn. Một thuyết hấp dẫn lượng tử có thể, bằng một cách khác, được mô tả bởi một lý thuyết phi hấp dẫn trong một không gian ít chiều hơn. Trong thuyết dây, thông. một phương pháp gọi là toàn ảnh để ghi một vật thể 3 chiều bằng một ảnh 2 chiều. Như vậy mọi thông tin mô tả vật thể ba chiều (3d) có thể mã hóa trong mặt biên hai chiều (2d). Đem nguyên lý