Brian Greene nói về lý thuyết dây

Vào năm 1919, một nhà toán học Đức gần như không ai biết tới tên Theodor Kaluza gợi ra một ý tưởng rất táo bạo và, trong một chừng mực nào đó, vô cùng kỳ quái Ông cho rằng vũ trụ của chúng ta có thể thực ra có nhiều hơn ba chiều mà chúng ta đã biết. Tức là ngoài trái, phải, trước, và lên, xuống, Kaluza đề xuất rằng có thể có những chiều khác của không gian mà vì một số lý do chúng ta chưa thể thấy chúng. Bây giờ, khi ai đó đưa ra một ý tưởng táo bạo và kỳ quái, đôi khi nó chỉ đơn giản là táo bạo và kỳ quái, nhưng nó chẳng hề có quan hệ gì đối với thế giới quanh ta. Ý tưởng này, tuy nhiên -- mặc dù chúng ta chưa biết được liệu nó đúng hay sai, và cuối cùng tôi sẽ nói về các thí nghiệm mà, trong vài năm tới, có thể cho chúng ta biết nó đúng hay sai -- ý tưởng này đã ảnh hưởng mạnh mẽ tới vật lý trong thế kỷ trước và tiếp tục cho ra đời hàng loạt các nghiên cứu phá cách.

Vì thế tôi muốn kể cho bạn vài điều về câu chuyện về những chiều không gian thêm ấy. Vậy chúng ta đi tới đâu đây? Để bắt đầu chúng ta cần một chút chuyện hậu kỳ. Về năm 1907. Đây là năm mà Einstein tắm mình trong hào quang của việc khám phá ra thuyết tương đối và quyết định theo đuổi một dự án mới -- cố gắng để hiểu rõ trường lực khổng lồ và rộng khắp của lực hấp dẫn. Và trong thời điểm đó, có rất nhiều người xung quanh cho rằng dự án đã được giải quyết từ trước đó. Newton đã trình bày cho thế giới thuyết về lực hấp dẫn vào cuối thế kỷ 17 nó hiệu quả, mô tả được sự chuyển động của các hành tinh, chuyển động của mặt trăng và kể cả chuyển động giả của quả táo rơi từ trên cây, trúng đầu người bên dưới. Tất cả đều có thể được mô tả sử dụng thành quả của Newton.

Nhưng Einstein nhận ra rằng Newton đã bỏ sót vài điều, bởi vì chính Newton đã viết rằng mặc dù ông hiểu cách tính toán tác dụng của lực hấp dẫn, ông đã không tìm hiểu được cách thức hoạt động của nó. Làm thế nào mà Mặt trời, cách xa 93 triệu dặm (~149,67 triệu km), lại có thể tác động tới chuyển động trên Trái đất? Làm thế nào mà Mặt trời vượt qua khoảng chân không trơ trụi và gây tác động? Và đó là nhiệm vụ mà Einstein đặt ra cho bản thân -- tìm hiểu cách hoạt động của từ trường. Hãy để tôi cho các bạn thấy ông đã tìm thấy điều gì. Einstein tìm ra rằng trung gian trung chuyển lực hấp dẫn chính là không gian. Ý tưởng là thế này: Hãy tưởng tượng không gian là giá đỡ của vạn vật.

Einstein cho rằng không gian phẳng mịn, nếu không có vật chất hiện hữu. Nhưng nếu có vật chất trong môi trường, ví dụ như Mặt trời, nó khiến các sợi không gian oằn xuống và uốn cong. Và sự uốn khúc này truyền lực hấp dẫn. Ngay cả Trái đất cũng làm cong không gian quanh no. Bây giờ xét tới mặt trăng. Mặt trăng được giữ trong quỹ đạo, theo các ý tưởng này thì, bởi vì nó lăn trong một máng trong môi trường cong mà Mặt trời, mặt trăng, và trái đất đều có thể tự tạo bởi chính sự tồn tại của chúng. Chúng ta đi đến một cái nhìn toàn cảnh cho vấn đề này. Trái đất giữ được quỹ đạo bởi nó lăn trong một máng trong môi trường cong tạo bởi sự tồn tại của mặt trời. Đây là quan niệm mới về cách hoạt động của lực hấp dẫn.

Bây giờ, quan niệm này được kiểm chứng vào năm 1919 qua các quan sát thiên văn Nó thực sự hiệu dụng. Nó mô tả được các số liệu. Và điều này khiến cho tên tuổi Einstein được biết đến trên toàn thế giới. Và nó khiến cho Kaluza suy nghĩ. Ông, cũng như Einstein, đã tìm kiếm thứ chúng ta gọi là "Thuyết đồng nhất" Đó là một giả thuyết mà có thể diễn tả toàn bộ các lực tự nhiên từ một nhóm quan điểm, một nhóm nguyên lý, một phương trình tổng thể, nếu có thể. Vì thế Kaluza tự nói với mình, Einstein đã thành công trong việc mô tả lực hấp dẫn qua sự uốn khúc của không gian -- thực ra là, không gian và thời gian, nói một cách chính xác. Có thể tôi cũng dùng được cách này với các lực khác đã biết, điều mà, ở thời kỳ này, được biết đến là lực điện từ -- ngày nay chúng ta biết về các lực khác, nhưng vào thời đó đó là lực khác duy nhất mà người ta nghĩ tới. Bạn biết đấy, lực gây ra điện năng và sự hút từ, v.v...

Vì thế Kaluza nói rằng, tôi cũng có thể dùng được cách này và diễn tả lực điện từ dưới dạng sự uốn khúc. Câu hỏi ở đây là: sự uốn khúc của cái gì? Einstein đã sử dụng không gian và thời gian, sự uốn khúc, để diễn giải lực hấp dẫn. Có vẻ như chẳng còn thứ gì có thế gấp khúc hoặc uốn cong nữa. Vì thế Kaluza cho rằng, ừ, có thể có nhiều chiều không gian. Ông nói, nếu tôi muốn diễn giải một lực khác, có thể tôi cần thêm một chiều không gian khác. Vì thế ông tưởng tượng rằng có 4 chiều không gian, không phải ba, và tưởng tượng rằng điện từ trường cũng uốn khúc trong chiều không gian thứ tư ấy. Bây giờ đây là vấn đề: khi ông viết ra những phương trình diễn tả các đường uốn khúc trong một vũ trụ có bốn chiều không gian, chứ không phải ba, ông tìm thấy chính những phương trình mà Einstein đã tìm ra trước đó trong không gian ba chiều -- những phương trình cho lực hấp dẫn -- nhưng ông cũng tìm thấy một phương trình khác liên hệ với chiều không gian mới này. Và khi ông nhìn vào phương trình ấy. Nó không khác gì so với phương trình mà các nhà khoa học đã biết để diễn tả lực điện từ trường. Tuyệt diệu -- nó đã bật ra. Ông vô cùng hào hứng với nhận định này đến nỗi ông chạy quanh nhà hò hét, "Chiến thắng!" -- ông đã tìm ra Đồng nhất thuyết.

Bây giờ rõ ràng rằng, Kaluza là người rất coi trọng lý thuyết. Ông, thực ra rằng -- có câu chuyện rằng khi ông muốn học bơi, ông đọc một cuốn sách, một luận thuyết về bơi -- (Tiếng cười) -- rồi lao ra biển. Đây là người đàn ông sẵn sàng mạo hiểm vì lý thuyết. Bây giờ, cho chúng ta những người thực tế hơn một chút, hai câu hỏi lập tức bật ra từ quan sát của ông. Câu thứ nhất: nếu có nhiều chiều không gian khác, chúng ở đâu? Chúng ta dường như chẳng thấy được chúng. Và câu thứ hai: lý thuyết này có còn đúng, khi áp dụng vào cuộc sống thực tiễn? Câu hỏi đầu tiên được giải đáp vào năm 1926 bởi Oskar Klein. Ông gợi ý rằng các chiều không gian có thể có hai biến thể -- có thể có những chiều không gian lớn, dễ thấy, nhưng cũng có những chiều không gian siêu nhỏ uốn khúc, uốn khúc nhỏ tới mức dù chúng có ở quanh ta, ta cũng không thấy được.

Để tôi chỉ cho bạn thấy một thứ. Hãy tưởng tượng bạn đang nhìn một vật như cáp điện của đèn giao thông chẳng hạn. Nó ở Manhattan. Bạn ở Central Park -- hơi không liên quan -- nhưng dây cáp trông như một chiều từ một điểm quan sát phía xa, nhưng bạn và tôi đều biết rằng nó có độ dày. Rất khó để thấy được nó từ đằng xa. Nhưng nếu chúng ta phóng lớn lên và chọn góc nhìn của, giả dụ, một chú kiến nhỏ bò qua lại -- những con kiến quá nhỏ bé chúng có thể chạm tới mọi chiều không gian -- chiều dài, và cả chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Và tôi hy vọng rằng bạn trân trọng điều này. Rất mất thời gian để bắt lũ kiến làm việc đó.

(Tiếng cười)

Nhưng nó cho thấy sự thực rằng chiều không gian có thể gồm hai dạng: to và nhỏ. Và quan niệm rằng có thể những chiều không gian lớn quanh ta là những chiều chúng ta dễ thấy, nhưng cũng có thể có những chiều không gian uốn khúc, gần như phần cong của sợi dây cáp, quá nhỏ nên tới giờ chúng vẫn không thể được quan sát. Để tôi cho bạn thấy nó sẽ trông như thế nào. Vậy nếu chúng ta nhìn vào, giả dụ, chính không gian -- Tôi chỉ có thể chỉ ra được, tất nhiên, hai chiều trên một màn hình. Một trong số các bạn sẽ sửa chữa điều này trong tương lai, nhưng bất kể thứ gì không phẳng trên một màn hình là một chiều không gian mới, nhỏ dần, nhỏ dần, nhỏ dần, và nhỏ tới mức siêu vi của không gian -- đây là ý tưởng: có thể có những chiều không gian phụ uốn khúc khác.

Đây là một hình tròn nhỏ -- nhỏ tới mức ta không thấy được chúng. Nhưng nếu bạn là một con kiến siêu nhỏ bò loanh quanh, bạn có thể đi trên những chiều không gian lớn mà chúng ta đều biết -- như các đường kẻ ô kia -- nhưng bạn cũng có thể chạm tới chiều không gian uốn khúc siêu nhỏ nhỏ tới mức chúng ta chẳng thể nhìn thấy bằng mắt thường hoặc với bất kỳ quang cụ chuyên dụng bậc nhất nào. Nhưng chìm sâu trong cấu trúc không gian, quan niệm cho rằng có thể có nhiều chiều không gian khác, như chúng ta thấy ở đây. Đó là một lời giải thích về việc vũ trụ có thể có nhiều chiều hơn là những chiều ta thấy được. Nhưng còn về câu hỏi thứ hai mà tôi đã đưa ra: Liệu lý thuyết này còn đúng khi áp dụng vào thực tiễn?

Vâng, hóa ra là Einstein và Kaluza và nhiều người khác đã cố gắng làm sáng tỏ công trình khuôn mẫu này và ứng dụng nó vào vật lý vũ trụ như được hiểu tại thời đó, và chính xác thì nó không hiệu quả. Ví dụ như, họ không thể tính toán đúng được khối lượng của electron theo như giả thuyết này. Rất nhiều người đã nghiên cứu nó, nhưng tới thập niên 40, và chính xác là thập niên 50 quan niệm lạ lùng nhưng rất hấp dẫn này về việc hợp nhất các quy luật vật lý đã không còn được chú ý tới. Cho tới khi những điều tuyệt vời xảy ra trong thời đại của chúng ta. Trong kỷ nguyên của chúng ta, một cách tiếp cận mới để thống nhất các quy luật vật lý được theo đuổi bởi các nhà vật lý như tôi, và rất nhiều người khác trên thế giới, Lý Thuyết Siêu Dây, như các bạn thường gọi. Và điều tuyệt vời là lý thuyết siêu dây ban đầu hầu như không liên quan đến ý tưởng về các chiều không gian khác, nhưng khi chúng tôi nghiên cứu lý thuyết dây, chúng tôi nhận thấy rằng nó làm sống lại quan niệm đó qua một dạng hoàn toàn mới.

Để tôi giải thích cách thức cho các bạn. Lý thuyết siêu dây -- nó là gì vậy? Nó là một lý thuyết tập trung trả lời câu hỏi: đâu là những phần tử căn bản không còn phân tách ra được tạo ra thế giới vật chất? Quan niệm đó là như thế này: Hãy tưởng tượng chúng ta quan sát những vật thông thường, như ngọn nến trong giá cắm, và tưởng tượng là chúng ta muốn biết nó làm từ gì. Vì thế chúng ta đi sâu vào bên trong và khám phá các phần tử. sâu vào bên trong -- chúng ta đều biện nếu vào đủ sâu chúng ta sẽ thấy các nguyên tử. Chúng ta đều biết rằng các hạt nguyên tử không phải là điểm cuối cùng. Chúng có những đám mây electron di chuyển xung quanh hạt nhân trung tâm gồm các neutron và proton. Thậm chí các neutron và proton lại chứa những hạt nhỏ hơn chúng ở bên trong gọi là hạt quark Đó là điểm cuối các quan niệm thường gặp.

Đây là quan điểm mới của lý thuyết dây. Sâu bên trong các hạt phân tử, còn có những thứ khác. Thứ khác này nhảy nhót trong các sợi năng lượng. Nó trông như một sợi dây dao động -- đó là nơi bắt nguồn của lý thuyết dây. Cũng giống như các sợi dây mà bạn nhìn thấy trên chiếc đàn cello có thể rung theo các hình thức khác nhau, các dây năng lượng này cũng dao động theo các hình thức khác nhau. Chúng không tạo ra các nốt nhạc khác nhau. Tuy nhiên chúng tạo ra các phân tử khác nhau cấu thành nên thế giới vật chất. Vì thế nếu những quan niệm này đúng, đây là khung cảnh siêu vi của vũ trụ. Nó được xây dựng bởi một số lượng lớn các sợi năng lượng dao động siêu nhỏ, dao động với các tần số khác nhau. Những tần số khác nhau này tạo ra các phân tử khác nhau. Các phân tử khác nhau này chịu trách nhiệm làm nên cuộc sống giàu màu sắc quanh ta.

Và đó bạn thấy được sự đồng nhất, bởi vì những phân tử vật chất, electron và quark, phân tử phóng xạ, photon, graviton, đều được tạo nên từ một thực thể. Vì thế vật chất và các lực tự nhiên đặt cạnh nhau trong luận đề về các dây dao động. Và đó là điều mà chúng tôi muốn nói khi nhắc tới Đồng nhất thuyết. Đây là phần thu hút. Khi bạn nghiên cứu về toán ứng dụng trong lý thuyết dây, bạn nhận ra rằng nó không hiệu quả trong một vũ trụ chỉ có ba chiều không gian. Nó cũng không hiệu quả trong một vũ trụ có bốn, năm, hoặc sáu chiều. Cuối cùng, bạn có thể nghiên cứu các phương trình, cho thấy rằng nó đúng chỉ khi đặt trong không gian 10 chiều. và một chiều thời gian. Nó đưa chúng ta về với quan điểm của Kaluza và Klein -- và thế giới của chúng ta, khi được mô tả chính xác, có nhiều chiều hơn những chiều ta thấy.

Và bạn có thể nghĩ về nó và nói rằng OK, bạn biết đấy, nếu bạn có các chiều không gian khác, và chúng uốn khúc lại vô cùng nhỏ, ừ, có lẽ chúng ta không thấy chúng nếu chúng đủ nhỏ. Nhưng nếu có một nền văn minh siêu nhỏ của lũ người xanh lè sống ở đó, và nếu họ đủ nhỏ và chúng ta không thể thấy họ, thì cũng đúng thôi. Một trong những giả thuyết khác của lý thuyết dây -- không, đó không phải một trong những giả thuyết khác của lý thuyết dây.

(Tiếng cười)

Nhưng nó kéo theo một câu hỏi: có phải chúng ta đang cố giấu đi cac chiều không gian khác đó, hoặc chúng đang nói với chúng ta điều gì đó về thế giới? Trong khoảng thời gian còn lại, tôi muốn kể với bạn hai điều. Điều đầu tiên, rất nhiều người trong chúng ta tin rằng những chiều không gian khác chứa đựng câu trả lời cho câu hỏi có lẽ là sâu sắc nhất của vật lý lý thuyết và khoa học lý thuyết. Và câu hỏi đó là: khi chúng ta nhìn vào thế giới vật chất, như các nhà khoa học đã làm hàng trăm năm qua, có khoảng 20 hằng số mô tả vũ trụ. Ví như khối lượng phân tử, như electron và quark, độ lớn lực hấp dẫn, độ lớn của lực điện từ -- một danh sách gồm khoảng 20 con số được đo đạc với độ chính xác đến kinh ngạc, nhưng không ai có lời giải thích được tại sao những con số đó lại có giá trị như vậy.

Vậy, liệu lý thuyết dây có cho câu trả lời? Chưa đâu. Nhưng chúng tôi tin rằng câu trả lời cho câu hỏi về giá trị của những con số có thể dựa trên dạng của những chiều không gian thêm này. Và điều tuyệt vời là, nếu những con số này có giá trị sai khác so với các số liệu sẵn có, vũ trụ mà chúng ta biết sẽ chẳng hề tồn tại. Đây là một câu hỏi chuyên sâu. Tại sao những con số đó lại vừa vặn đủ để các ngôi sao phát sáng và các hành tinh được hình thành, khi chúng ta nhận ta nếu các bạn làm lộn xộn các con số này -- nếu tôi cho hiện lên 20 con số này rồi cho các bạn làm lộn xộn chúng, thì bất cứ thay đổi nhỏ nào cũng khiến vũ trụ biến mất. Vậy liệu chúng ta có thể giải thích 20 con số đó? Và lý thuyết dây gợi ý rằng 20 con số đó liên quan tới các chiều không gian khác. Để tôi chỉ cho bạn. Khi chúng ta nói về các chiều không gian khác nhau trong lý thuyết dây, nó không chỉ là một chiều không gian khác, như trong quan điểm cũ của Kaluza và Klein. Đây là những gì lý thuyết dây nói về các chiều không gian khác. Chúng gồm những dạng hình học đan xen dày đặc.

Đây là ví dụ về mô phỏng Calabi - Yau -- cái tên không quá quan trọng. Nhưng như bạn có thể thấy, các chiều không gian thêm tự gấp lại và uốn vào nhau theo một cấu trúc hết sức thú vị. Và ý tưởng cho rằng nếu các chiều không gian khác trông như thế này, thì khung cảnh siêu vi của thế giới vật chất sẽ trông như thế này trên thang đo nhỏ nhất. Khi bạn vung tay, bạn sẽ di chuyển qua lại các chiều không gian này liên tục, Nhưng chúng quá nhỏ nên chúng ta không thể biết. Vậy đâu là ẩn ý vật lý, liên quan tới 20 con số này?

Cân nhắc điều này. Nếu các bạn nhìn vào nhạc cụ, một cái kèn Pháp, lưu ý rằng sự dao động của các dòng không khí bị ảnh hưởng bởi hình dáng của nhạc cụ. Trong lý thuyết dây, các con số là thể hiện cách mà các dây dao động. Vậy cũng như những luồng khí đó bị ảnh hưởng vởi sự xoắn vặn của nhạc cụ, các sợi dây sẽ bị ảnh hưởng bởi các mẫu dao động hình học. Để tôi nối lại vài sợi dây trong câu chuyện. Và nếu bạn quan sát những dây nhỏ này dao động -- chúng sẽ ở đó sau 1 giây nữa -- ngay kia, chú ý rằng cách chúng dao động bị ảnh hưởng bởi dạng hình học của những chiều không gian này.

Vì thế nếu chúng ta biết chính xác các chiều không gian trông như thế nào -- chúng ta chưa biết, nhưng nếu ta biết -- chúng ta có thể tính toán được các nốt có thể chơi được, hay các dang thù hình dao động. Và nếu chúng ta có thể tính toán các thù hình dao động tồn tại, chúng ta có thể tính được 20 con số kia. Và nếu câu trả lời thu được từ các phép tính trùng khớp với giá trị của các con số đó đã được định trước qua các thỉ nghiệm tỉ mỉ, chính xác, trong nhiều trường hợp đó có thể là giải thích cơ sở về cấu trúc của vũ trụ. Vấn đề thứ hai mà tôi muốn giải quyết đó là: làm thế nào để kiểm chứng về các chiều không gian này một cách trực tiếp hơn? Liệu đây chỉ là một cấu trúc toán học thú vị có thể giải thích một vài chi tiết chưa giải thích được của thế giới, hay chúng ta có thể thực chất kiểm chứng những chiều không gian này? Và chúng tôi nghĩ -- và nó, tôi nghĩ, rất thú vị -- rằng trong năm năm tới chúng ta sẽ có thế kiểm chứng sự tồn tại của những chiều không gian này.

Đây là lý do. Tại CERN, Geneva, Thụy Sỹ, một chiếc máy đang được xây dựng, gọi là Large Hadron Collider. (máy va chạm hạt cơ bản) Đó là một chiêc máy phóng các phân tử qua một đường thông, theo hai hướng ngược nhau, với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Hầu như là các hạt phân tử sẽ được ngắm về phía nhau, nên sẽ có một vụ va chạm trực diện. Hy vọng là nếu vụ va chạm tạo đủ năng lượng, nó có thể phóng ra một vài mảnh vụn từ các chiều không gian của chúng ta, đẩy chúng vào các chiều không gian khác. Làm thế nào để chúng ta biết được điều đó? À, chúng tôi sẽ đo lượng năng lượng sau va chạm, rồi so sánh nó với lượng năng lượng ban đầu, và nếu có ít năng lượng hơn sau vụ va chạm, nó có thể là bằng chứng cho thấy năng lượng bị cuốn đi. Và nếu nó bị cuốn đi theo thù hình mà ta tính toán được, nó sẽ cho thấy rằng các chiều không gian khác là có tồn tại.

Để tôi cho các bạn xem ý tưởng đó. Vậy hãy tưởng tượng chúng ta có một loại hạt gọi là graviton -- đó là loại mảnh vụn mà chúng ta hy vọng sẽ phóng ra nếu các chiều không gian khác có thật. Nhưng đây là cách tiến hành thí nghiệm. Bạn chọn các phân tử này. Bạn phóng chúng vào nhau. Bạn phóng chúng vào nhau, và nếu chúng ta đúng, một phần năng lượng của sự va chạm sẽ biến thành mảnh vụn và bay vào các chiều không gian khác. Vậy đây là loại thí nghiệm chúng ta sẽ cân nhắc trong 5, 7, 10 năm tới. Và nếu thì nghiệm này có kết quả, nếu chúng ta nhận thấy loại phân tử bị phóng ra bằng cách chú ý vào lượng năng lượng bị hụt trong các chiều không gian của chúng ta so với lúc chúng ta bắt đầu, nó sẽ cho thấy các chiều không gian khác là có thật.

Và đối với tôi đây là một chuyện rất đáng kể, và một cơ hội đáng chú ý. Trở về thời Newton với không gian tuyệt đối -- không cung cấp gì ngoài một đấu trường, một sân khấu trong đó các sự kiện của vũ trụ xảy ra. Einstein đến và nói à, không gian và thời gian có thể uốn khúc, đó là lực hấp dẫn. Và bây giờ lý thuyết dây xuất hiện và nói, ừ, lực hấp dẫn, cơ học lượng tử, điện từ trường -- tất cả trong một. nhưng nếu vũ trụ có nhiều chiều không gian hơn những thứ chúng ta thấy. Và đây là một thí nghiệm có thể kiểm chứng chúng trong thời của mình. Khả năng đáng kinh ngạc. Cảm ơn các bạn rất nhiều.

(Vỗ tay)