Thuyết dây và việc giải thích tận cùng vũ trụ (phần 1) (Đặng Vũ Tuấn Sơn)

Trong một số năm gần đây, việc giải thích đến tận cùng của bản chất vũ trụ, sau những thành công vang dội của thế kỉ 20 là thuyết tương đối, cơ học lượng tử, các mô hình vũ trụ thì đến nay đã chừng lại do thiếu một lí thuyết tổng quát mô tả thống nhất được các vấn đề này. Thuyết dây (String Theory) ra đời và được sự quan tâm của nhiều người chính vì ý tưởng mới lạ của nó và dường như nó đáp ứng đầy đủ các yêu cầu hiện nay. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thuyết dây và việc giải thích tận cùng vũ trụ (phần 1) (Đặng Vũ Tuấn Sơn)Thuyết dây và việc giải thích tận cùng vũ trụ (phần 1) Trong một số năm gần đây, việc giải thích đến tận cùng của bản chấtvũ trụ, sau những thành công vang dội của thế kỉ 20 là thuyết tương đối, cơhọc lượng tử, các mô hình vũ trụ thì đến nay đã chừng lại do thiếu một líthuyết tổng quát mô tả thống nhất được các vấn đề này. Thuyết dây (StringTheory) ra đời và được sự quan tâm của nhiều người chính vì ý tưởng mới lạcủa nó và dường như nó đáp ứng đầy đủ các yêu cầu hiện nay. Bài viết nàytôi thực hiện đã lâu và từng trình bày trong 1 hội thảo thiên văn của VACAmấy năm trước, nay xin giới thiệu cùng các độc giả của thienvanvietnam. Giải quyết mâu thuẫn giữa thuyết tương đối và thuyết lượng tử Những năm đầu thế kỉ 20 đánh dấu một bước phát triển hết sức quantrọng của vật lí và thiên văn, thay đổi phần lớn nhận thức và tư duy của conngười về thế giới tự nhiên. Toàn bộ những thay đổi đó đã biến tất cả nhữngthành tựu vật lí của thế kỉ 19 trở về trước trở thành Vật lí cổ điển và mở ramột hướng mới cho Vật lí hiện đại. Ngành vật lí hiện đại ra đời và phát triểntừ đầu thế kỉ 20 đến nay dựa trên 2 nền tảng chính là 2 lí thuyết ra đời vàonhững năm 1900-1905 : Thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Dù được coilà 2 lí thuyết có tầm quan trọng nhất trong khoa học thực nghiệm hiện đại,giải thích được nhiều hiện tượng trước đây còn bí ẩn nhưng điều đặc biệt là2 lí thuyết này đến nay chưa có một giải pháp nào thật sự thích đáng để dunghoà chúng, các mâu thuẫn giữa 2 lí thuyết này vẫn luôn tồn tại và người tatin rằng một giả thuyết hay một phương trình mới cho phép hợp nhất 2 líthuyết này sẽ là cách tốt nhất để tìm hiểu đến tận gốc bản chất của vũ trụ. Lí thuyết tương đối hẹp do Einstein đề xướng vào năm 1905 và 10năm sau đó là lí thuyết tương đối rộng (tổng quát) cho chúng ta một cái nhìntổng thể và đúng đắn về vũ trụ vĩ mô (qui mô lớn), nó hoàn toàn phủ hợp khinghiên cứu các vận tốc lớn, chỉ ra các thiếu sót của cơ học Newton khi ápdụng cho các thang vận tốc vĩ mô cũng như khi đi sâu vào bản chất củachuyển động, lí thuyết tương đối rộng cho chúng ta một cái nhìn tổng quátvề vũ trụ, giải thích về không gian và thời gian, và phương trình trường củanó tiên đoán hoàn toàn chính xác về tương lai vũ trụ. Tuy nhiên, lí thuyếttương đối không mô tả được chi tiết vũ trụ ở các thang vi mô. Việc đi sâuvào bản chất của nguyên tử, hạt nhân, các hạt cơ bản như electron, proton,neutron, hay là các mezon, neutrino hay là cả các quark thì lí thuyết tươngđối Einstein phải nhường chỗ cho các lí thuyết của cơ học lượng tử. Mọi việc nhìn chung không có gì khác với việc khi bạn dùng chiếckính lúp có độ phóng đại cực lớn soi lên một vật thể bất kì hay hướng chiếckính thiên văn phản xạ lên ngắm Mặt Trăng. Khi nhìn bằng mắt thường, bạnđang quan sát Mặt Trăng bằng con mắt của vật lí tương đối tính, bạn xácđịnh được chính xác vị trí, vận tốc và tiên đoán một cách chính xác về cácchuyển động của nó, nhưng khi dùng một cái kính thiên văn thì điều nàygiống như việc bạn đang soi lên bề mặt của nó một chiếc kính của cơ họclượng tử, bạn sẽ thấy nó không nhẵn nhụi, trơn tru như khi nhìn bằng mắtthường mà sẽ thấy các lỗi lõm, các núi, thung lũng... . Cơ học lượng tử chochúng ta nhìn sâu vào các hạt cơ bản, vào các thăng giáng lượng tử nhỏ nhấtcủa tự nhiên, điều mà lí thuyết tương đối không làm được. Cái đáng nói làkhi bạn dùng kính nhìn sâu vào Mặt Trăng thì bạn có thể thấy các ngọn núi,thậm chí là những khối đá của nó nhưng sẽ không thể tiên đoán được chuyểnđộng vĩ mô của nó - cũng như bạn không thể biết Trái đất mà bạn sống trênđó đang chuyển động. Còn nếu bỏ chiếc kính ra, bạn nhìn thấy Mặt Trăngchuyển động, đưa ra các tiên đoán chính xác về chuyển động của nó nhưngsẽ không thể có một cách gì để dự đoán được cấu trúc gồ ghề trên bề mặtnó, và thực tế thì việc có tồn tại các gồ ghề đó hay không không hề ảnhhưởng đến chyển động vĩ mô của Mặt Trăng. Cũng như ví dụ này, lí thuyết tương đối và cơ học tương đối tính chỉcó tác dụng mô tả qui mô vĩ mô của vũ trụ mà không nhìn được vào tận bêntrong các hạt nhân, các hạt cơ bản và nhìn chung, ở các thang vĩ mô, líthuyết tương đối cho thấy năng lượng và vật chất dường như khá ổn định.Trong khi đó thì lí thuyết lượng tử đi sâu vào bên trong bản chất của các hạt,nó cho thấy ở thang vi mô, các hạt không phải là bất biến, chúng có sự biếnđổi về bản chất và bản thân nang lượng của chúng luôn có những thănggiáng nhất định, các thăng giáng này rất nhỏ và do đó không gây ảnh hưởngđến các tiên đoán vi mô của cơ học tương đối tính (thăng giáng lượng tử).Vấn đề của vật lí bây giờ là làm sao thống nhất 2 lí thuyết này, tức là đưa ramột lí thuyết nào đó, một phương trình cho phép mô tả 2 lí thuyết này trongmột mệnh đề duy nhất, mô tả vũ trụ một cách chính x ...