Một luồng gió mới cho việc thống nhất vĩ đại

Mơ ước về một sự thống nhất vĩ đại các lực trong thế giới tự nhiên liệu có thành hiện thực?

Kết nối ngẫu nhiên hóa: Jonathan Oppenheim đã phát triển một cách thức mới để thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. (Ảnh: Shutterstock/Rost9)

Các hiện tượng vật lý xảy ra trong tự nhiên chịu sự “điều hành” của các lực tương tác giữa các vật. Có bốn loại lực cơ bản: i) Lực hấp dẫn (Gravity) là lực yếu nhất trong bốn loại lực và tác động giữa các vật có khối lượng lớn, tạo ra trọng lực và quỹ đạo của các hành tinh trong vũ trụ; ii) Lực điện từ (Electromagnetic force) là lực tác động giữa các đối tượng có điện tích, chịu trách nhiệm cho các hiện tượng như tĩnh điện, dòng điện v.v.; iii) Lực mạnh (Strong force) là lực mạnh nhất trong bốn loại lực và tác động giữa các hạt đặc biệt như quark và gluon trong hạt nhân nguyên tử bảo đảm sự bền vững của các hạt nhân và iv) Lực yếu (Weak force) là lực tác động thông qua các hạt trung gian như hạt W và hạt Z và đóng vai trò quyết định trong hiện tượng phân rã hạt.

Bốn loại lực nói trên hoạt động trong các phạm vi riêng với các vai trò khác nhau và được mô tả bởi các lý thuyết riêng biệt. Các nhà khoa học luôn muốn nhìn nhận thế giới tự nhiên một cách tổng thể xuyên suốt nên từ lâu đã có ý định thống nhất tất cả bốn loại lực kể trên lại trong một khuôn khổ chung một cách nhất quán. Công việc đó gọi là “Thống nhất vĩ đại” (Grand unification). 

Lực điện từ và lực yếu đã được thống nhất thành lực điện yếu (electroweak force) bởi Sheldon Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg – những người đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 1979. 

Lực mạnh được mô tả bởi lý thuyết riêng, gọi là “Sắc động học lượng tử” (Quantum Chromodynamics) do Murray Gell-Mann và George Zweig phát triển. Gell-Mann đã nhận giải Nobel Vật lý vào năm 1969 còn Zweig thì không vì ý tưởng về quarks của ông tuy có trước nhưng lại công bố sau khi Gell-Mann đã đưa ra mô hình quark. Tuy lực mạnh không được thống nhất trực tiếp với lực điện yếu, nhưng nó là một trong hai thành phần chính được kết hợp trong một mô hình, gọi là mô hình chuẩn (standard model), giúp mô tả được tương tác của tất cả các hạt cơ bản trong vũ trụ, là các quá trình tuân theo các quy luật kỳ quặc (weird) của cái gọi là cơ học lượng tử (quantum dynamics). 

Lực hấp dẫn thì đang hoàn toàn đứng ngoài cuộc và việc thống nhất nó với ba loại lực còn lại để hoàn thành công cuộc thống nhất vĩ đại vẫn là một thách thức vô cùng nan giải.

Lực hấp dẫn thì đang hoàn toàn đứng ngoài cuộc và việc thống nhất nó với ba loại lực còn lại để hoàn thành công cuộc thống nhất vĩ đại vẫn là một thách thức vô cùng nan giải.

Hấp dẫn lượng tử 

Hai trụ cột của vật lý hiện đại là thuyết tương đối rộng (General relativity theory) của Einstein – lý thuyết mô tả lực hấp dẫn – và lý thuyết của cơ học lượng tử (gọi tắt là lý thuyết lượng tử) – lý thuyết mô tả gần như mọi thứ khác trong vật lý. Hai lý thuyết cực kỳ thành công này lại mâu thuẫn với nhau về nền tảng. Vấn đề cơ bản nằm ở chỗ không-thời gian (space-time) được nhìn nhận như thế nào? Lý thuyết lượng tử coi các hạt và tương tác giữa chúng như các sự kiện rời rạc xảy ra theo những xác suất khác nhau trong không-thời gian cố định, còn trong thuyết tương đối rộng không-thời gian lại là một trường liên tục có thể thay đổi linh hoạt như xoắn, gấp và uốn cong để đáp ứng với sự hiện diện của các vật thể có khối lượng trong suốt quá trình tương tác của chúng. Chính sự khác biệt này là lý do tại sao cho đến nay vẫn chưa thể thống nhất được thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử. Thậm chí Einstein cũng đã không thể và chưa bao giờ có thể thực hiện được điều này cho dù rất muốn và đã làm việc cật lực cho đến tận cuối đời1

Trong hơn 70 năm qua, thống nhất vĩ đại – thống nhất giữa vật lý lượng tử với thuyết tương đối rộng – là một trong những vấn đề quan trọng nhất của vật lý cơ bản.  Có hai chiến lược khả dĩ cho sự thống nhất này2: Chiến lược 1 là lượng tử hóa lực hấp dẫn và chiến lược 2 là tìm cách đưa vật chất lượng tử vào một khuôn khổ hấp dẫn cổ điển. Cho đến nay, các nỗ lực vẫn bị chi phối mạnh theo chiến lược 1 với ý tưởng cho rằng sự hiểu biết hiện tại về lực hấp dẫn vẫn còn phiến diện và cần phải xây dựng một lý thuyết hấp dẫn mới, gọi là lý thuyết hấp dẫn lượng tử (quantum gravity), khác với lý thuyết hấp dẫn cổ điển của Einstein.

Trong hơn 70 năm qua, thống nhất vĩ đại – thống nhất giữa vật lý lượng tử với thuyết tương đối rộng – là một trong những vấn đề quan trọng nhất của vật lý cơ bản.  

Ý tưởng này đã dẫn đến vài hướng nghiên cứu mà hai hướng chính là hướng theo lý thuyết dây (string theory) và hướng theo lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng lặp (theory of loop quantum gravity). Lý thuyết dây coi tất cả các hạt và lực trong vũ trụ được tạo thành từ các dây cơ bản mỏng, nhỏ và xoắn. Các dây này có thể dao động và rung ở các tần số khác nhau để tạo ra các hạt với các tính chất khác nhau, cho phép một cách giải thích toàn diện về sự đa dạng và tương tác của các hạt và lực trong vũ trụ. Lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng lặp không xem không-thời gian là liên tục mà là lưới lặp của các quỹ đạo cực nhỏ với kích thước gần như “hạt cơ bản” và tạo thành một cấu trúc rời rạc gọi là các “vòng lặp” mà trên đó các quá trình vật lý xảy ra. Tuy nhiên, cả hai lý thuyết này vẫn chưa hoàn chỉnh về mặt lý thuyết và thậm chí chưa có đề xuất nào về lực hấp dẫn lượng tử được xác nhận bằng thực nghiệm. Điều này dường như để lại một cơ hội cho chiến lược 2. 

Kết nối và cùng tồn tại

Những người theo chiến lược hai tư duy theo cách khác, cho rằng hấp dẫn lượng tử không phải là con đường duy nhất để tiến hành thống nhất vĩ đại. Vấn đề này nảy sinh từ câu hỏi: Liệu lý thuyết lượng tử và thuyết tương đối rộng có thể kết nối với nhau như thế nào đó để cả hai đồng thời tồn tại trong cùng một trạng thái chung hay không? Tiếc là cách tiếp cận này đã thất bại vì nó đã động chạm đến một số “điều cấm kỵ” (“no-go theorems”) trong cơ học lượng tử khiến cho việc kết nối giản đơn (sẽ nói ở đoạn ngay sau đây) là không thể 3. Thật vậy, nhiều sơ đồ kết nối đã vi phạm nguyên lý bất định Heisenberg (Heisenberg’s uncertainty principle) – một “no-go”, một nguyên lý trung tâm của lý thuyết lượng tử đã được xác định là chắc chắn đúng.

Một giả định then chốt trong các sơ đồ kết nối trước đây theo hướng của chiến lược 2 là mối liên kết giữa thế giới lượng tử và thế giới hấp dẫn là mối liên kết có tính thuận-nghịch (reversible connection)4. Điều này có nghĩa là nếu trạng thái của cả hệ được đo tại một thời điểm bất kỳ nào, thì nó có thể được sử dụng cùng với các phương trình chuyển động phù hợp để suy ra hoặc dự đoán trạng thái của hệ đó tại bất kỳ thời điểm nào trong quá khứ hoặc trong tương lai. Tuy nhiên, không phải tất cả các lý thuyết đều có tính thuận-nghịch, chúng cũng có thể mang tính ngẫu nhiên: trạng thái ban đầu của một hệ vật lý diễn biến theo một phương trình, mà theo đó, những trạng thái nào có thể xảy ra trong tương lai chỉ có thể biết một cách xác suất – không có trạng thái duy nhất nào có thể dự đoán được chính xác.

Khung lý thuyết ngẫu nhiên hóa

Mới đây, vào những ngày cuối của năm 2023, Jonathan Oppenheim từ Đại học College London của Anh đã công bố một nghiên cứu có tính đột phá của mình trên tạp chí Physical Review X của Mỹ5. Oppenheim lập luận rằng giả định về tính đảo ngược của mối liên kết giữa thế giới lượng tử và thế giới hấp dẫn có thể không cần thiết và cho rằng sự kết nối có thể ngẫu nhiên hóa (stochastic). Điều này có nghĩa là trạng thái trong quá khứ và trong tương lai của một hệ không thể dự đoán chính xác được nếu chỉ dựa trên một phép đo duy nhất. Thay vào đó, quá khứ và tương lai chỉ có thể được dự đoán bằng các phương trình có tính xác suất – từ các phương trình đó nhiều khả năng khác nhau có thể xảy ra với các xác suất khác nhau.

Jonathan Oppenheim từ Đại học College London.

Oppenheim đã phát triển một khung lý thuyết mới để tiến hành thống nhất vĩ đại mà không cần phải thông qua một lý thuyết hấp dẫn lượng tử nào. Nói cách khác, cách tiếp cận của Oppenheim cho phép lực hấp dẫn vẫn giữ nguyên tính cổ điển của nó như vốn thế trong thuyết tương đối rộng của Einstein, nhưng nó được đồng thời kết nối với thế giới lượng tử theo một cơ chế được ngẫu nhiên hóa (stochastic) hoặc một cơ chế hoàn toàn ngẫu nhiên (random). Theo cơ chế ngẫu nhiên hóa các quá trình diễn ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian nhưng kết quả tại một thời điểm có thể phụ thuộc vào các sự kiện xảy ra trước đó, còn trong cơ chế hoàn toàn ngẫu nhiên thì tính ngẫu nhiên không theo một mẫu định sẵn nào và không bị ảnh hưởng bởi quá khứ hay tương lai. Như thế, trong khuôn khổ của khung lý thuyết mới này – khung lý thuyết ngẫu nhiên hóa – Oppenheim đã kết nối thế giới cơ học lượng tử và thế giới hấp dẫn cổ điển theo một cách hoàn toàn mới mẻ. Vì hai thế giới này có những quy tắc cơ bản khác nhau nên trong cách tiếp cận mới của mình Oppenheim đã sử dụng các lý thuyết thống kê riêng biệt cho từng thế giới. Về mặt lượng tử, Oppenheim giả thiết rằng các trạng thái của hệ liên tục bị ảnh hưởng bởi những thăng giáng không kiểm soát được từ môi trường xung quanh, tức là được mô tả bởi các toán tử mật độ tiến triển như một hệ mở (open system). Về mặt cổ điển, ông giả thiết rằng các trạng thái là sự phân bố xác suất trong không gian pha tọa độ-xung lượng như vẫn thường thế khi mô hình hóa số lượng lớn các hạt, trong đó không ai biết vị trí và xung lượng riêng của từng hạt.

Không giống như các kết nối có tính thuận-nghịch trước đây, kết nối ngẫu nhiên hóa của Oppenheim vẫn giữ được bản sắc riêng của hai lý thuyết này, tức là cơ học lượng tử vẫn “lượng tử” và thuyết tương đối rộng cổ điển vẫn “cổ điển”.

Với hai giả thiết đồng thời như vậy, Oppenheim đã đưa ra một trạng thái chung duy nhất, gọi là “trạng thái lượng tử cổ điển” (“classical quantum state”), một tên gọi có phần khiên cưỡng vì cùng lúc chứa cả từ “lượng tử” và từ “cổ điển”. Trạng thái lai (hybrid state) như này đồng thời dự đoán xác suất tồn tại của hệ trong một vùng không gian pha nào đó (điều thể hiện tính cổ điển) và trạng thái lượng tử của hệ đó (điều khắc họa tính lượng tử) trong vùng không gian pha cụ thể đó. Điều này cho phép Oppenheim dẫn ra được một phương trình chuyển động tổng quát mô tả sự gắn kết giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng cổ điển. Không giống như các kết nối có tính thuận-nghịch trước đây, kết nối ngẫu nhiên hóa của Oppenheim vẫn giữ được bản sắc riêng của hai lý thuyết này, tức là cơ học lượng tử vẫn “lượng tử” và thuyết tương đối rộng cổ điển vẫn “cổ điển”. Ví dụ, nó đảm bảo không vi phạm nguyên lý bất định Heisenberg đối với phần lượng tử, cũng như không có chuyện tín hiệu truyền nhanh hơn ánh sáng trong phần cổ điển.

Phương trình chuyển động của Oppenheim có nhiều số hạng: số hạng mô tả tiến triển thuận-nghịch đối với cả phần cổ điển và phần lượng tử, số hạng mô tả tiến triển không thuận-nghịch của phần lượng tử do sự mất đồng bộ (decoheence) cũng như số hạng mô tả những “bước nhảy” xác suất (probabilistic “jumps”) giữa các trạng thái. Mỗi bước nhảy như vậy được xác định bởi một phép đo và phép đo này chia phân bố xác suất của một hạt thành nhiều phần tương ứng với các kết quả của phép đo. Trường hợp đo spin của một hạt có spin ½ được minh họa trên Hình 1. Ví dụ, một hạt có thể có xác suất 15% ở trong một vùng nào đó của không gian pha và trạng thái spin của nó trong vùng đó có thể là một chồng chập của cả trạng thái spin-lên (spin-up) và spin-xuống (spin-down). Khi spin được đo, kết quả đo nhận được chỉ có thể là một trong hai khả năng: hoặc là spin-lên hoặc là spin-xuống. Một cách tương ứng, phân bố xác suất trước khi đó bị tách ra thành hai phân bố xác suất khác nhau phù hợp với hai kết quả đo khác nhau của spin: một phân bố ứng với kết quả đo là spin-lên, còn phân bố kia ứng với kết quả đo là spin-xuống.

Hình 1. Hình bên trái là “trạng thái lượng tử cổ điển”, một trạng thái lai cùng lúc đặc trưng bởi cả phần cổ điển và phần lượng tử, tại một thời điểm t0. Phần cổ điển được mô tả bởi một phân bố xác suất trong không gian pha tọa độ-xung lượng (x, p). Phần lượng tử được mô tả bởi một tập hợp các toán tử mật độ (các mũi tên) xác định trạng thái lượng tử — ở đây là trạng thái spin — tại mỗi điểm trong không gian pha tại thời điểm t0. Có một cơ chế kết nối ‘ngẫu nhiên hóa’ (cách điệu bằng các cục xúc xắc) xác định cách mà phần cổ điển và phần lượng tử tương tác với nhau và cùng tiến triển theo thời gian. Hình bên phải là sự tiến triển của “trạng thái lượng tử cổ điển” từ thời điểm t0 sang thời điểm t1 trong trường hợp đo spin. Phần cổ điển tại t0, là một phân bố xác suất, bị tách thành hai phân bố xác suất khác nhau tại t1 > t0 ứng với hai kết quả đo của spin là spin-lên (mũi tên hướng lên) hoặc spin-xuống (mũi tên hướng xuống). Hình lấy từ 6.

Làm việc với các trạng thái lai lượng tử-cổ điển kiểu như vậy còn cho phép Oppenheim khám phá ra những ý nghĩa vật lý sâu sắc hơn hàm chứa trong những ý tưởng của mình. Chúng bao gồm khả năng kết hợp giữa thuyết tương đối rộng và lý thuyết trường lượng tử (quantum field theory) làm nền tảng cho Mô hình chuẩn. Cách tiếp cận đặc sắc này của Oppenheim đã gây sự chú ý đặc biệt trong công đồng các nhà khoa học vì nó đi theo một hướng hoàn toàn khác thường.

Thomas Galley tại Viện Quang học Lượng tử và Thông tin Lượng tử của Áo ở Vienna nói rằng ý tưởng của Oppenheim vừa bảo thủ (conservative) vừa cấp tiến (radical).  Bảo thủ ở chỗ nó vẫn giữ được sự phù hợp với các định luật vật lý đã có “truyền thống” lâu đời. Cấp tiến ở chỗ cách tiếp cận này đã bác bỏ thẳng thừng các giả định vốn đã có nguồn gốc vững chắc, như nhất thiết phải xây dựng lý thuyết về hấp dẫn lượng tử. Cái đặc biệt nhất của Oppenheim là khung lý thuyết ngẫu nhiên hóa của ông không đòi hỏi phải lượng tử hóa lực hấp dẫn như trong các lý thuyết hấp dẫn lượng tử trước đó. Tuy nhiên, Galley cảnh báo rằng việc đánh đổi “lượng tử” để lấy “ngẫu nhiên hóa” vẫn gặp những trở ngại riêng về mặt khái niệm. Cụ thể, Galley6 chỉ ra rằng việc “Oppenheim phát hiện là thông tin lượng tử có thể bị mất trong lỗ đen (black hole) là điều mà nhiều nhà vật lý có thể không chấp nhận được” vì nếu điều này xảy ra thì nguyên lý CPT (Charge, Parity, Time reversal) – một nguyên lý cơ bản của lý thuyết lượng tử – sẽ bị vi phạm và tạo ra mâu thuẫn với nguyên lý bảo toàn thông tin trong lý thuyết vật lý. 

Giống như mọi lý thuyết vật lý, cần phải có các thí nghiệm thực sự cho thấy sự phù hợp của lý thuyết với các dữ liệu thực tế. Đã có một vài đề xuất về thí nghiệm7-10 và, mặc dầu vô cùng khó khăn, nhưng các nhóm thực nghiệm hiện đang cố gắng hết sức để có thể tiến hành thực hiện các thí nghiệm này. Cuộc đua đang diễn ra gay cấn nhưng hấp dẫn để xác định xem liệu đề xuất mới này có giành chiến thắng trước các cách tiếp cận đã được đề xuất trước đây hay không.

Nhưng, cho dù số phận có thế nào thì đây vẫn là một luồng gió mới mát lành!□

Nguyễn Bá Ân tổng hợp

———-

Tài liệu tham khảo

1 “Why Even Einstein Couldn’t Unite Physics.” https://www.universetoday.com/164144/why-even-einstein-couldnt-unite-physics/

2 Sam Jarman, “Unifying gravity and quantum mechanics without the need for quantum gravity”. https://physicsworld.com/a/unifying-gravity-and-quantum-mechanics-without-the-need-for-quantum-gravity/

3 C. Møller, “The energy-momentum complex in general relativity,” Relativistic Theories of Gravitation, edited by A. Lichnerowicz and M. A. Tonnelat Colloq. Int. CNRS Vol. 91 (1962).

4 T. D. Galley et al., “Any consistent coupling between classical gravity and quantum matter is fundamentally irreversible,” Quantum 7, 1142 (2023).

5 J. Oppenheim, “A postquantum theory of classical gravity?” Phys. Rev. X 13, 04140 (Published 4 December 2023).

6 Thomas Galley, “Might There Be No Quantum Gravity After All?” https://physics.aps.org/articles/v16/203

7 J. Oppenheim et al., “Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity,” (2022) arXiv:2203.01982.

8 S. Bose et al., “Spin entanglement witness for quantum gravity,” Phys. Rev. Lett. 119, 240401 (2017).

9 C. Marletto and V. Vedral, “Gravitationally induced entanglement between two massive particles is sufficient evidence of quantum effects in gravity,” Phys. Rev. Lett. 119, 240402 (2017).

10 Christopher Crockett, “A Test of Gravity’s Quantum Side”.  https://physics.aps.org/articles/v10/s138

Tác giả