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

Liệu lý thuyết dây có đòi hỏi phải xây dựng lại cơ học lượng tử hay không?
Vũ trụ được chi phối bởi các nguyên lý của cơ học lượng tử với một độ chính xác không thể tưởng tượng nổi. Ngay cả như thế đi nữa, trong những lý thuyết đang hình thành hơn nửa thế kỷ qua, các nhà vật lý đã đi theo một chiến lược, trong đó nói về mặt cấu trúc, họ vẫn đặt cơ học lượng tử gần như ở vị trí thứ hai. Khi xây dựng các lý thuyết này, các nhà vật lý thường xuất phát từ một ngôn ngữ thuần túy cổ điển, không đả động gì đến các xác suất lượng tử, các hàm sóng..., một ngôn ngữ mà các nhà vật lý ở thời Maxell, thậm chí cả ở thời Newton cũng có thể hiểu được, rồi sau đó mới phủ lên khuôn khổ cổ điển đó những khái niệm lượng tử. Cách tiếp cận này cũng không có gì đáng ngạc nhiên lắm, bởi vì nó trực tiếp phản ánh những kinh nghiệm của chúng ta. Thoạt nhìn, vũ trụ dường như đã được chi phối bởi các định luật bắt nguồn từ những khái niệm cổ điển, chẳng hạn như một hạt có vị trí và vận tốc đồng thời xác định ở mọi thời điểm. Chỉ sau khi xem xét kỹ lưỡng về mặt vi mô, chúng ta mới thấy rằng cần phải thay đổi những khái niệm cổ điển đó. Như vậy, tiến trình phát minh của chúng ta đi từ một khuôn khổ cổ điển đến một khuôn khổ đã được thay đổi nhờ những phát hiện lượng tử. Cho tới ngày hôm nay, cách thức mà các nhà vật lý xây dựng các lý thuyết của họ đều mang dáng dấp của tiến trình đó.
Lý thuyết dây cũng không phải là một ngoại lệ. Hình thức luận mô tả lý thuyết dây bắt đầu từ các phương trình mô tả chuyển động của một sợi dây cổ điển vô cùng mảnh - những phương trình mà, về đại thể, cách đây ba trăm năm Newton cũng có thể viết ra được. Sau đó rồi các phương trình này mới được lượng tử hóa. Tức là, các phương trình cổ điển được biến thành một khuôn khổ cơ học lượng tử theo một thủ tục hệ thống đã được các nhà vật lý phát triển hơn năm mươi năm qua, trong đó xác suất, tính bất định và các thăng giáng lượng tử v.v. mới trực tiếp được đưa vào. Thực tế, ở chương 12 chúng ta đã thấy thủ tục đó được vận dụng như thế nào: các quá trình có vòng (xem hình 12.6) đưa vào các hiệu ứng lượng tử - trong trường hợp đang xét là sự tạo thành tức thời các cặp dây ảo - với số lượng các vòng quyết định độ chính xác mà các hiệu ứng đó được tính đến.
Trong nhiều năm, chiến lược bắt đầu từ sự mô tả cổ điển rồi sau đó mới tính đến những đặc trưng của cơ học lượng tử đã tỏ ra rất hiệu quả. Ví dụ, mô hình chuẩn của vật lý các hạt cơ bản là đi theo chiến lược đó. Nhưng cũng có thể - và ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy rất có thể - phương pháp này vẫn còn quá bảo thủ đối với các lý thuyết có tầm vóc rất lớn như lý thuyết dây và lý thuyết - M. Lý do là ở chỗ: một khi chúng ta thấy rằng vũ trụ được chi phối bởi các nguyên lý của cơ học lượng tử, thì lý thuyết của chúng ta phải dựa trên cơ học lượng tử ngay từ đầu. Sở dĩ cho tới tận hôm nay chúng ta đã rất thành công với sự bắt đầu từ quan điểm cổ điển là bởi vì chúng ta còn chưa khám phá vũ trụ tới một độ sâu đủ để thấy được giới hạn của cách tiếp cận này. Nhưng với độ sâu của lý thuyết dây /lý thuyết - M, chúng ta có lẽ đã đi tới điểm giới hạn của cái chiến lược đã được thử thách qua nhiều trận mạc đó.
Chúng ta có thể tìm ra một bằng chứng cụ thể cho điều vừa nói ở trên bằng cách xem xét lại một số phát minh đã xuất hiện từ cuộc cách mạng siêu dây lần thứ hai (như đã được tổng kết trên hình 12.11, chẳng hạn). Như đã thảo luận ở chương 12, các đối ngẫu - nền tảng để thống nhất năm lý thuyết dây - cho chúng ta thấy rằng các quá trình vật lý xảy ra trong bất kỳ một lý thuyết dây nào cũng đều có thể được giải thích lại theo ngôn ngữ đối ngẫu của bốn lý thuyết còn lại. Sự giải thích lại này thoạt nhìn có vẻ ít dính dáng đến lý thuyết ban đầu, nhưng thực tế đó chính là sức mạnh của tính đối ngẫu: nhờ có tính đối ngẫu mà một quá trình vật lý có thể được mô tả theo nhiều cách rất khác nhau. Những kết quả này vừa tinh tế vừa tuyệt vời, nhưng chúng ta còn chưa nhắc tới một đặc trưng có lẽ là quan trọng nhất.
Nhưng phép biến đổi đối ngẫu thường xuất phát từ một quá trình được mô tả bởi một trong số năm lý thuyết dây và là một quá trình phụ thuộc mạnh vào cơ học lượng tử (ví dụ quá trình liên quan với sự tương tác giữa các dây, mà nó sẽ không xảy ra nếu như thế giới được chi phối bởi vật lý cổ điển) và giải thích lại quá trình đó như một quá trình phụ thuộc yếu vào cơ học lượng tử theo quan điểm của một trong bốn lý thuyết dây còn lại (ví dụ, một quá trình có các tính chất chi tiết bằng số thì chịu ảnh hưởng của những khảo sát lượng tử, nhưng dạng định tính của nó thì lại giống với dạng mà nó có trong thế giới thuần túy cổ điển). Điều này có nghĩa là cơ học lượng tử đã được đan bện một cách hoàn hảo bên trong các đối xứng đối ngẫu - cơ sở của lý thuyết dây/lý thuyết - M. Đây là những đối xứng cơ học lượng tử cố hữu, vì một trong số những mô tả đối ngẫu chịu ảnh hưởng mạnh của những khảo sát lượng tử. Điều này chỉ ra rằng việc xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết dây/lý thuyết - M, bao hàm được những đối xứng đối ngẫu ở mức cơ bản, không thể bắt đầu từ quan điểm cổ điển rồi sau đó mới tiến hành lượng tử hóa như khuôn mẫu truyền thống được. Điểm xuất phát cổ điển nhất thiết sẽ bỏ sót những đối xứng đối ngẫu, vì các đối xứng chỉ đúng khi cơ học lượng tử được tính đến. Trái lại, việc xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết dây/lý thuyết - M sẽ phải phá vỡ cái khuôn mẫu truyền thống và cho ra đời một lý thuyết hoàn toàn lượng tử.
Hiện nay, chưa ai biết làm điều đó như thế nào. Nhưng nhiều nhà lý thuyết dây đã thấy trước rằng việc thiết lập lại cách thức đưa những nguyên lý của cơ học lượng tử vào trong sự mô tả lý thuyết vũ trụ chúng ta sẽ là một cuộc đảo lộn quan trọng tiếp sau trong hiểu biết của chúng ta. Ví dụ, như Vafa đã từng nói: "Tôi nghĩ rằng không còn xa nữa chúng ta sẽ thiết lập lại được cơ học lượng tử và điều này sẽ giúp giải quyết được nhiều vấn đề hóc búa. Tôi nghĩ chắc cũng có nhiều người chia sẻ với tôi ý kiến cho rằng những đối ngẫu mới phát hiện ra gần đây đã hướng chúng ta tới một khuôn khổ mới, hình học hơn cho cơ học lượng tử, trong đó không gian, thời gian và các tính chất lượng tử gắn kết chặt chẽ với nhau" [1]. Và theo Witten: "Tôi tim rằng, địa vị về mặt lôgic của lực hấp dẫn đã thay đổi khi Einstein phát hiện ra nguyên lý tương đương. Quá trình này còn xa mới hoàn tất được đối với cơ học lượng tử, nhưng tôi nghĩ rằng, loài người một ngày nào đó sẽ nhìn lại thời đại của chúng ta như là giai đoạn khởi đầu của quá trình đó" [2].
Với một tinh thần lạc quan đúng mực, chúng ta có thể thấy rằng việc sắp xếp lại những nguyên lý của cơ học lượng tử bên trong lý thuyết dây sẽ mang lại cho chúng ta một hình thức luận mạnh mẽ hơn, có khả năng trả lời được những câu hỏi như: Vũ trụ đã được bắt đầu như thế nào, tại sao lại có không gian và thời gian - một hình thức luận đưa chúng ta tiến một bước lớn tới gần câu trả lời cho câu hỏi của Leibniz: tại sao có một cái gì đó còn hơn là không có gì hết.
[1] Phỏng vấn Cumrun Vafa, ngày 12 tháng 1 năm 1998.
[2] Phỏng vấn Edward Witten, ngày 11 tháng 5 năm 1998.

<< Chương 15 - Triển vọng (3) | Chương 15 - Triển vọng (5) >>

Dành cho quảng cáo