LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Lý thuyết thống nhất của vật lý học

Chúng ta đều biết xây dựng một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh của vạn vật trong vũ trụ là một việc vô cùng khó khăn. Song thay vì, chúng ta đã đạt nhiều tiến bộ trong việc xây dựng nhiều lý thuyết riêng phần có khả năng mô tả một tập hợp giới hạn nhiều hiện tượng bằng cách bỏ qua các hiệu ứng khác hoặc xấp xỉ chúng bằng một số đại lượng
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Lý thuyết thống nhất của vật lý học LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Lý thuyết thống nhất của vật lý học Chúng ta đều biết xây dựng một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh củavạn vật trong vũ trụ là một việc vô cùng khó khăn. Song thay vì, chúng ta đãđạt nhiều tiến bộ trong việc xây dựng nhiều lý thuyết riêng phần có khả năngmô tả một tập hợp giới hạn nhiều hiện tượng bằng cách bỏ qua các hiệu ứngkhác hoặc xấp xỉ chúng bằng một số đại lượng. (Ví dụ, hóa học cho phépchúng ta tính tương tác của các nguyên tử mà không cần biết cấu trúc nội tạicủa hạt nhân nguyên tử). Nhưng cuối cùng mà nói, người ta luôn hy vọng tìmra một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh đúng đắn bao trùm lên tất cả các lýthuyết riêng phần như những phép gần đúng và không cần điều chỉnh chophù hợp với thực nghiệm bằng cách chọn lựa giá trị của một số đại lượng tùytiện trong lý thuyết. Sự tìm kiếm một lý thuyết như thế được gọi là sự tìmkiếm “lý thuyết thống nhất của vật lý”. Einstein đã để phần lớn những năm cuối đời để tìm một lý thuy ết thống nhất,nhưng vô vọng vì thời điểm chưa chín mùi: lúc bấy giờ người ta đã có lý thuyếtriêng phần của hấp dẫn, của điện từ nhưng người ta đã biết rất ít về lực hạt nhân.Hơn nữa Einstein lại phủ nhận thực tại của cơ học lượng tử, mặc dầu ông đóng vaitrò quan trọng trong sự phát triển của cơ học lượng tử. Mà nguyên lý bất định chắcchắn lại là một đặc thù cơ bản của vũ trụ ta đang sống. Vì vậy một lý thuyết thốngnhất thành công phải chứa đựng nguyên lý này.Như tôi sẽ trình bày, hiện nay triển vọng để tìm ra một lý thuyết như thế rất sángsủa bởi vì chúng ta đã biết về vũ trụ khá nhiều. Song cũng phải cảnh giác về mộtniềm quá tự tin - chúng ta trước đây cũng từng có nhiều lần bất chợt những tiasáng giả tạo như vậy. Ví dụ vào đầu thế kỷ này, chúng ta đã nghĩ rằng mọi việc cóthể giải thích nhờ các tính chất của môi trường liên tục như tính đàn hồi, tính dẫnnhiệt. Sự phát hiện cấu trúc nguyên tử và nguyên lý bất định đã kết liễu dòng tưtưởng này.Sau đó lại một lần nữa, năm 1928 nhà vật lý đoạt giải Nobel Max Born đã phát biểuvới một nhóm đến tham quan trường đại học Gottingen: “Vật lý, như chúng ta đãquan niệm, sẽ kết thúc trong vòng 6 tháng”. Niềm tin của Max Born dựa trên cơ sởsự phát hiện bởi Dirac phương trình mô tả chuyển động của electron. Người tanghĩ rằng một phương trình tương tự cũng sẽ mô tả chuyển động của proton, vốnlà một hạt khác duy nhất được biết vào lúc bấy giờ, và điều đó có nghĩa là vật lý lýthuyết cáo chung. Nhưng sự phát hiện neutron và lực hạt nhân đã làm thay đổi tấtcả. Dẫu nói lên điều này, tôi vẫn tin rằng đã có nhiều cơ sở cho một niềm lạc quanthận trọng rằng chúng ta hiện nay đang ở gần giai đoạn cuối trên quá trình tìm ranhững định luật cơ bản của thiên nhiên.Trước đây tôi đã mô tả lý thuyết tương đối rộng vốn là thuyết riêng phần về hấpdẫn và những lý thuyết riêng phần khác về các tương tác yếu, mạnh và điện từ. Batương tác sau có thể tổng hợp lại thành lý thuyết thống nhất lớn (GUT), lý thuyếtnày không hoàn chỉnh vì nó không bao hàm hấp dẫn và vì nó chứa một số đạilượng, như khối lượng tương đối của nhiều hạt khác nhau, mà chúng ta không tiênđoán được từ lý thuyết mà phải chọn để có được kết quả phù hợp với thực nghiệm.Khó khăn chủ yếu trong quá trình tìm kiếm một lý thuyết có khả năng thống nhấthấp dẫn với các tương tác khác là lý thuyết tương đối rộng - một lý thuyết “cổđiển”, có nghĩa là lý thuyết này không chứa đựng nguyên lý bất định của cơ họclương tử. Mặt khác, các lý thuyết riêng phần khác lại phụ thuộc thiết yếu vào cơhọc lượng tử.Vì vậy bước đầu tiên cần thiết là kết hợp lý thuyết tương đối rộng với nguyên lýbất định. Nguyên lý bất định đưa đến kết quả là “chân không” cũng chứa đầy cáccặp ảo hạt và phản hạt. Những cặp này có một năng lượng vô cùng lớn và vì vậychúng có một khối lượng lớn vô cùng theo phương trình nổi tiếng của Einstein E =mc2. Lực hút hấp dẫn của chúng sẽ uốn cong vũ trụ vào một kích thước vô cùng bé.Tương tự như thế, những đại lượng vô cùng lớn vô nghĩa cũng xuất hiện trong cáclý thuyết riêng phần khác, song trong tất cả các trường hợp, những đại lượng nàyđều có thể loại bỏ nhờ quá trình tái chuẩn hóa. Quá trình này loại bỏ những đạilượng vô cùng lớn bằng cách đưa vào những đại lượng khác cũng lớn vô cùng. Mặcdầu kỹ thuật đáng ngờ về mặt toán học nhưng tỏ ra hữu hiệu về mặt thực hành vàđược sử dụng trong các lý thuyết đó để đưa ra các tiên đoán lý thuyết phù hợp vớithực nghiệm với một độ chính xác kỳ diệu. Song phép tái chuẩn hóa chứa mộtkhiếm khuyết nghiêm trọng xét từ quan điểm đi tìm một lý thuyết hoàn chỉnh, bởivì rằng theo phép này thì giá trị của các khối lượng và cường độ các tương táckhông thể tiên đoán từ lý thuyết mà phải được chọn sao cho phù hợp với thựcnghiệm.Để đưa nguyên lý bất định vào lý thuyết tương đối rộng, chúng ta chỉ có hai đạilượng cần hiệu chỉnh: hằng số hấp dẫn và hằng số vũ ...