Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ - Brian Greene

Siêu đối xứng trong lý thuyết dây

Lý thuyết dây khởi đầu xuất hiện từ công trình của Veneziano vào cuối những năm 1960, nó chứa đựng tất cả những đối xứng mà ta vừa thảo luận ở đầu chương này, nhưng không hàm siêu đối xứng (đơn giản vì nó còn chưa được phát hiện ra). Lý thuyết đầu tiên dựa trên lý thuyết dây lẽ ra phải được gọi là ý thuyết dây boson. Tính từ “boson” chỉ ra rằng tất cả các mode dao động của dây này đều có spin nguyên và không có mode dao động có spin bán nguyên, tức là không có các mode dao động fermion. Điều này đặt ra hai vấn đề.

Thứ nhất, nếu lý thuyết dây có khả năng mô tả tất cả các lực và tất cả các hạt vật chất thì nó bằng cách nào đó phải bao hàm được tất cả những mode dao động fermion, vì chúng ta biết rằng tất cả các hạt vật chất đều có spin 1/2. Thứ hai, và còn rắc rối hơn, đó là người ta nhận thấy rằng, trong lý thuyết dây boson, tồn tại một mode dao động có bình phương khối lượng là một số âm, được gọi là hạt tachyon. Ngay cả trước khi có lý thuyết dây, các nhà vật lý đã nghiên cứu tới khả năng vũ trụ của chúng ta có thể có hạt tachyon, ngoài những hạt quen thuộc có khối lượng dương. Nhưng những nỗ lực của họ đã cho thấy rằng điều đó là rất khó, thậm chí có thể nói là không thể, nếu muốn giữ cho lý thuyết vẫn còn nhất quán về mặt lôgic. Tương tự, trong bối cảnh của lý thuyết dây boson, các nhà vật lý đã thử đủ các loại thủ thuật cốt để cho điều tiên đoán bí ẩn về mode dao động tachyon có một ý nghĩa nào đó, nhưng tất cả đều vô ích. Những đặc điểm này làm cho ta càng thấy rõ ràng, mặc dù dây là một lý thuyết rất hấp dẫn, nhưng dây boson vẫn còn thiếu một cái gì đó rất cơ bản.

Năm 1971, Pierre Ramon thuộc trường Đại học Florida đã chấp nhận thách thức cải tiến lý thuyết dây boson để nó bao hàm được tất cả những mode dao động fermion. Thông qua công trình của ông và những kết quả sau đó của Schwarz và André Neveu, một phiên bản mới của lý thuyết dây đã bắt đầu xuất hiện. Và thật là bất ngờ với mọi người, các mode dao động boson và fermion lại xuất hiện theo từng cặp một. Đối với mỗi một mode dao động boson lại có một mode dao động fermion và ngược lại. Năm 1977, những công trình của Ferdinando Gliozzi ở Đại học Turin, của Sherk và David Olive ở Đại học Impertial College đã làm sáng tỏ sự tạo thành cặp đó. Lý thuyết mới này của các dây có chứa siêu đối xứng và sự tạo thành cặp của các mode dao động boson va fermion chính là sự phản ánh đặc tính đối xứng cao đó. Vậy là lý thuyết siêu đối xứng, tức là lý thuyết siêu dây đã ra đời. Hơn thế nữa, các công trình của Gliozzi, Scherk và Olive còn thu được một kết quả quan trọng khác. Họ đã chứng minh được rằng, mode dao động tachyon gây biết bao rắc rối của dây boson đã không làm tổn hại đến siêu dây. Vậy là dần dà, các mẩu của trò ghép hình đã được đặt đúng vào vị trí của chúng.

Tuy nhiên, những tác động quan trọng đầu tiên của các công trình của Ramond cũng như của Neveu và Schwarz lại thực sự không liên quan tới lý thuyết dây. Năm 1973, hai nhà vật lý Julius Wess và Bruno Zumino đã nhận thấy rằng siêu đối xứng - đối xứng mới xuất hiện từ sự xây dựng lại lý thuyết dây - lại có thể áp dụng được cả cho những lý thuyết dựa trên các hạt điểm. Họ đã nhanh chóng đạt được những bước tiến quan trọng nhằm bao hàm siêu đối xứng vào khuôn khổ của các lý thuyết trường lượng tử dựa trên các hạt điểm. Và một thời gian, lý thuyết trường lượng tử đã trở thành mối quan tâm chủ yếu của các nhà vật lý hạt, còn lý thuyết dây ngày càng bị gạt ra rìa. Thực tế, những công trình của Wess và Zumino đã khởi phát một số lượng nghiên cứu lớn không thể tưởng tượng nổi về những cái mà sau này người ta gọi là lý thuyết trường lượng tử siêu đối xứng. Mô hình chuẩn siêu đối xứng mà ta vừa thảo luận ở mục trước, là một trong số những thành tựu lý thuyết tuyệt đỉnh của những nghiên cứu đó. Và bây giờ chúng ta thấy rằng, do sự trớ trêu của lịch sử, ngay cả lý thuyết dựa trên các hạt điểm này cũng phải mang ơn lý thuyết dây rất nhiều.

Với sự tái xuất giang hồ của lý thuyết dây vào giữa những năm 1980, siêu đối xứng mới xuất hiện trở lại trong bối cảnh mà nó đã được phát hiện ra. Và trong khuôn khổ đó, những bằng chứng ủng hộ siêu đối xứng đã vượt xa ra ngoài những điều mà chúng ta đã trình bày ở mục trước. Lý thuyết dây là cách duy nhất mà chúng ta biết có khả năng thống nhất thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử. Nhưng chỉ có lý thuyết dây siêu đối xứng mới tránh được vấn đề tachyon đầy tai hại và mới chứa đựng các mode dao động fermion mô tả các hạt vật chất trong thế giới xung quanh chúng ta. Do đó, siêu đối xứng đã cùng với những nguyên lý của lý thuyết dây đi tới một lý thuyết lượng tử của hấp dẫn và tuyên bố về sự thống nhất tất cả các lực và các hạt vật chất. Và nếu như lý thuyết dây là đúng thì các nhà vật lý cũng tin rằng nếu đối xứng cũng phải đúng.

Tuy nhiên, cho đến tận giữa những năm 1990, một khía cạnh đặc biệt phiền phức đã gây nhức nhối cho lý thuyết dây siêu đối xứng.

Siêu bối rối trước sự lựa chọn

Nếu có ai đó nói với bạn rằng họ đã tìm ra bí mật về số phận của Amelia Earhart^*, thì ban đầu có thể hoài nghi, nhưng nếu như họ có thể giải thích với đầy đủ tư liệu và đã được suy nghĩ kỹ càng thì bạn chắc sẽ lắng nghe họ, và biết đâu đấy, thậm chí bạn có thể tin lời giải thích đó cũng nên. Nhưng điều gì sẽ xảy ra, nếu như trong lần gặp sau, họ lại nói với bạn rằng họ còn có cả cách giải thích thứ hai nữa. Bạn sẽ kiên nhẫn lắng nghe và ngạc nhiên thấy rằng cách giải thích mới này cũng có đầy đủ tư liệu và được suy nghĩ kỹ càng cũng như cách giải thích đầu tiên. Và rồi sau đó bạn còn được nghe thêm cách giải thích thư ba, thứ tư và thậm chí thứ năm nữa, tất cả đều khác nhau, nhưng đều đáng tin như nhau. Kết cục, bạn cảm thấy cũng chẳng biết thêm gì về số phận thực sự của Amelia Earhart so với những hiểu biết ban đầu của bạn. Trong cả một cánh rừng những cách giải thích cơ bản khác nhau, biết nhiều nhất cũng tức là biết ít nhất.

Vào năm 1985, lý thuyết dây- mặc dù những phấn khích cũng rất dễ hiểu do nó tạo ra- đã bắt đầu có vẻ giống như vị chuyên gia nhiệt thành về số phận của Earhart. Sở dĩ như vậy là do vào năm 1985 các nhà vật lý nhận thấy rằng siêu đối xứng- yếu tố trung tâm trong cấu trúc của lý thuyết dây- thực sự có thể được đưa vào lý thuyết dây không phải theo một mà là năm cách khác nhau. Mỗi một cách đều tạo ra sự tạo cặp của các mode dao động boson và fermion, nhưng chi tiết của sự tạo cặp này cũng như nhiều tính chất khác của lý thuyết lại rất khác nhau. Mặc dù tên của những lý thuyết này không quan trọng, nhưng cũng đáng để ta nêu ra ở đây, đó là: lý thuyết loại I, lý thuyết loại IIA, lý thuyết loại IIB, lý thuyết heterotic loại O(32) và lý thuyết heterotic loại E₈ x E₈. Tất cả những đặc tính của lý thuyết dây mà chúng ta đã thảo luận cho tới đây đều còn đúng đối với mỗi lý thuyết đó, chúng chỉ khác nhau ở những chi tiết tinh tế hơn.

Có tới năm phiên bản khác nhau của cái được xem là lý thuyết về tất cả (T.O.E), mà cũng có thể là lý thuyết thống nhất tối hậu, là một điều hết sức bối rối đối với các nhà lý thuyết dây. Cũng như chỉ có một cách giải thích duy nhất đúng về những diều đã thực sự xảy ra đối với Amelia Earhart (bất kể là chúng ta có tìm ra nó hay không), chúng ta chờ đợi rằng, chính điều này cũng sẽ là đúng đối với sự hiểu biết cơ bản và sâu sắc nhất về sự vận hành của Vũ trụ. Chúng ta sống trong một Vũ trụ và chúng ta chờ đợi cũng sẽ chỉ có một cách giải thích.

Để giải quyết vấn đề này, có một khả năng sau: mặc dù có tới năm lý thuyết dây khác nhau, nhưng bốn lý thuyết trong đó có thể đơn giản sẽ bị thực nghiệm loại bỏ chỉ còn lại một lý thuyết duy nhất. Nhưng thậm chí có đúng như vậy đi chăng nữa. thì vẫn còn lại một câu hỏi dai dẳng ám ảnh chúng ta, đó là, tại sao những lý thuyết khác đều đã từng tồn tại ở vị trí hàng đầu. Hay theo cách nói hài hước của Witten: “Nếu một trong năm lý thuyết đó mô tả Vũ trụ của chúng ta, thì ai sẽ sống trong bốn vũ trụ kia? ¹”. Một ước mơ của các nhà vật lý, đó là sự tìm kiếm những câu trả lời tối hậu sẽ dẫn tới một kết luận duy nhất là lý thuyết cuối cùng- dù là lý thuyết dây hay một lý thuyết nào đó - phải là cái mà nó là, đơn giản chỉ vì không còn có một khả năng nào khác. Nếu như chúng ta phát hiện ra rằng, có một lý thuyết duy nhất nhất quán về mặt lôgic có khả năng bao hàm được cả những yếu tố cơ bản của thuyết tương đối lẫn cơ học lượng tử, thì chúng ta tin chắc rằng chúng ta đã đạt tới sự hiểu biết sâu sắc về các lý do tại sao Vũ trụ lại có những tính chất như nó vốn có. Nói một cách ngắn gọn, đó chính là thiên đường của sự thống nhất.[1]

Như chúng ta sẽ thấy trong Chương 12, những nghiên cứu gần đây đã mang lại cho lý thuyết dây những bước tiến khổng lồ tới gần cái giấc mơ thống nhất bằng cách chứng tỏ được rằng năm lý thuyết khác nhau mà chúng ta nói ở trên chẳng qua chỉ là năm cách mô tả khác nhau của cùng một lý thuyết bao quát hơn. Vậy là, lý thuyết dây đã có một gia hệ duy nhất.

Mọi vật xem ra đã ở đúng vị trí của nó, nhưng như chúng ta sẽ thảo luận ở chương sau, sự thống nhất thông qua lý thuyết dây còn đòi hỏi một lần nữa phải giã từ sự hiểu biết thông thường của chúng ta.

* Amelia Earhart - là phi công tiên phong người mỹ, đã mất tích bí ẩn trong một chuyến bay(ND)

[1] Để hiểu sâu hơn về ý tưởng này và các ý tưởng có liên quan, hãy xem cuốn Dreams of Final Theory của Steven Weinberg

<< Chương 7 - Cái "siêu" trong siêu dây(5) | Chương 8 - Các chiều ẩn giấu(1) >>

Dành cho quảng cáo