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

Sự thống nhất trong các chiều cao hơn

Mặc dù ý tưởng được Kaluza đề xuất năm 1919 cho rằng vũ trụ chúng ta có thể có số chiều không gian nhiều hơn ba chiều quen thuộc, mà chúng ta trực tiếp nhìn thấy được, đã là một khả năng rất thú vị, nhưng còn một điều khác nữa làm cho nó trở nên hấp dẫn hơn. Einstein đã xây dựng thuyết tương đối rộng trong khuôn khổ của một vũ trụ có ba chiều không gian và một chiều thời gian. Tuy nhiên, hình thức luận toán học trong lý thuyết của ông có thể mở rộng một cách khá dễ dàng cho một vũ trụ chứa cả các chiều phụ. Với một giả thuyết khá "khiêm tốn" về một chiều không gian phụ, Kaluza đã tiến hành phân tích về mặt toán học và dẫn ra được các phương trình mới.

Kaluza đã tìm thấy rằng, các phương trình liên quan tới ba chiều không gian quen thuộc thì về cơ bản vẫn giống như các phương trình của Einstein. Tuy nhiên, do có đưa thêm vào một chiều không gian nữa, nên không có gì đáng ngạc nhiên là, Kaluza còn tìm được những phương trình khác mà trước kia chưa có trong lý thuyết của Einstein. Sau khi nghiên cứu những phương trình mới xuất hiện thêm này, Kaluza hiểu ra rằng đã xảy ra một điều gì đó thật lạ lùng. Những phương trình đó không gì khác chính là các phương trình mà Maxwell đã viết từ những năm 1880 để mô tả lực điện từ! Vậy là bằng cách thêm vào một chiều phụ, Kaluza đã thống nhất được lý thuyết hấp dẫn với lý thuyết điện từ của Maxwell.

Trước công trình của Kaluza, lực hấp dẫn và lực điện từ được xem là hai lực không có quan hệ gì với nhau và cũng không có gì mách bảo rằng giữa chúng có một mối quan hệ nào đó. Nhờ có tinh thần sáng tạo táo bạo để hình dung được vũ trụ chúng ta còn có một chiều phụ, Kaluza cho rằng giữa chúng thực sự có một mối liên hệ sâu xa. Lý thuyết dây của ông đã chỉ ra rằng cả lực hấp dẫn lực điện từ đều liên quan đến những biến dạng trong cấu trúc của không gian. Lực hấp dẫn được mang bởi những biến dạng trong không gian ba chiều quen thuộc, còn lực điện từ được mang bởi những biến dạng liên quan với chiều phụ bị cuộn lại.

Kaluza đã gửi bài báo của mình cho Einstein và thoạt đầu Einstein đã cảm thấy rất thích thú. Ngày 21 tháng 4 năm 1919, Einstein đã viết thư trả lời và nói với Kaluza rằng ông chưa khi nào nảy ra ý nghĩ sự thống nhất lại có thể đạt được "thông qua một thế giới hình trụ năm chiều (bốn chiều không gian và một chiều thời gian) như vậy cả". Và viết thêm: "Thoáng nhìn, tôi rất thích ý tưởng của anh" [1]. Tuy nhiên, khoảng một tuần sau, Einstein lại viết thư cho Kaluza nhưng lần này ông tỏ vẻ hoài nghi: "Tôi đã đọc kỹ bài báo của anh và thấy nó thực sự lý thú. Cho tới giờ, tôi vẫn chưa thấy có chỗ nào là không thể cả. Mặt khác, tôi cũng phải thú nhận rằng những lập luận mà anh đưa ra cho tới nay còn chưa đủ sức thuyết phục" [2]. Nhưng sau đó vào ngày 14 tháng 10 năm 1921, nghĩa là hơn hai năm sau, Einstein lại viết cho Kaluza, sau khi đã có thời gian nghiền ngẫm ý tưởng của Kaluza một cách đầy đủ hơn: "Tôi vừa mới suy nghĩ lại về chuyện đã ngăn trở việc công bố ý tưởng của anh hai năm trước đây về sự thống nhất của lực hấp dẫn và lực điện từ... Rốt cuộc, nếu anh muốn, tôi sẽ giới thiệu bài báo của anh với Viện hàn lâm". Dù muộn màng, nhưng cuối cùng Kaluza cũng đã được bậc thầy công nhận.

Mặc dù, ý tưởng của Kaluza là một ý tưởng đẹp, nhưng những nghiên cứu chi tiết sau đó, cộng thêm với những đóng góp của Klein, đã cho thấy rằng nó mâu thuẫn sâu sắc với những dữ liệu thực nghiệm. Những cố gắng bao hàm electron vào trong lý thuyết đã dẫn đến tiên đoán về mối quan hệ giữa khối lượng và điện tích của nó khác quá xa so với những giá trị đo được bằng thực nghiệm. Vì không có một cách rõ ràng nào để khắc phục được vấn đề đó, nên nhiều nhà vật lý đã từng theo đuổi ý tưởng của Kaluza, cuối cùng cũng không còn quan tâm tới nó nữa. Mặc dù, Einstein và những người khác đôi lúc vẫn tiếp tục nói tới khả năng tồn tại của các chiều bị cuộn lại, nhưng rồi nó cũng nhanh chóng bị gạt ra rìa của vật lý lý thuyết.

Thực sự mà nói, ý tưởng của Kaluza đã vượt trước thời đại của mình. Những năm 1920 đã đánh dấu sự khởi đầu của những nghiên cứu cuồng nhiệt trong vật lý lý thuyết và thực nghiệm liên quan tới sự tìm hiểu những định luật cơ bản của thế giới vi mô. Các nhà vật lý lý thuyết bị cuốn hút hoàn toàn vào việc phát triển cơ học lượng tử và lý thuyết trường lượng tử. Các nhà thực nghiệm thì chuyên lo thu thập những số liệu chi tiết về các tính chất của nguyên tử cũng như của những thành phần sơ cấp của vật chất. Lý thuyết hướng dẫn thực nghiệm, còn thực nghiệm góp phần hoàn thiện lý thuyết, cứ như vật các nhà vật lý tiến lên phía trước trong suốt một nửa thế kỷ và cuối cùng là phát minh ra mô hình chuẩn. Vì vậy không có gì là lạ, những tư biện về các chiều phụ cuộn lại bị gạt sang một bên trong những năm tháng sôi động và đầy hiệu quả đó. Đối với các nhà vật lý đang ham khám phá những phương pháp công hiệu mạnh của vật lý lượng tử, với những hệ quả dẫn tới các tiên đoán có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm, thì họ rất ít quan tâm tới khả năng vũ trụ là một nơi hoàn toàn khác ở những thang chiều dài quá nhỏ, khiến cho ngay cả những thiết bị mạnh nhất cũng không thể thăm dò tới.

Nhưng rồi sớm hay muộn, sự cuồng nhiệt trong những nghiên cứu đó cũng sẽ lại vắng xuống. Vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970, cấu trúc lý thuyết của mô hình chuẩn đã gần như đâu vào đấy. Cuối những năm 1970, đầu những năm 1980, nhiều tiên đoán của mô hình chuẩn đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm và đa số các nhà vật lý hạt đều nhất trí rằng việc khẳng định phần còn lại chỉ là vấn đề thời gian. Mặc dù một ít các chi tiết quan trọng vẫn còn chưa giải quyết được, nhưng nhiều người đã cảm thấy rằng những vấn đề chủ yếu của các lực mạnh, yếu và điện từ coi như là đã có câu trả lời.

Thời gian, cuối cùng cũng đã chín muồi để quay trở lại vấn đề lớn nhất, đó là sự xung đột đầy bí ẩn giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. Thành công trong việc xây dựng một lý thuyết lượng tử của ba lực tự nhiên đã khích lệ các nhà vật lý cố gắng gộp cả lực thứ tư, tức lực hấp dẫn, vào trong cùng khuôn khổ đó. Sau khi theo đuổi rất nhiều ý tưởng khác nhau nhưng đều dẫn tới thất bại, tư duy của cộng đồng các nhà vật lý đã trở nên cởi mở hơn đối với các cách tiếp cận tương đối triệt để. Và lý thuyết Kaluza, một lý thuyết đã bị để cho chết yểu vào những năm 1920, nay đã được hồi sinh trở lại.

[1] Thư của Einstein gửi Kaluza, được trích trong cuốn Subtle Is Lord: The Science and the Life Albert Einstein của Abraham Pais (Oxford: Oxford University Press, 1982), trang 330.

[2] Thư của Einstein gửi Kaluza, được trích trong bài báo "Các chiều ẩn giấu của không - thời gian" của D. Freedman và P. van Niewenhuizen, đăng trên Scientific American, số 252 (1985), trang 62.

<< Chương 8 - Các chiều ẩn giấu(3) | Chương 8 - Các chiều ẩn giấu(5) >>

Dành cho quảng cáo