Tại sao lý thuyết dây lại đòi hỏi những chiều dư?

Giáo sư vật lý lý thuyết Paul M. Sutter tại ĐH Stony Brook SUNY, tác giả các cuốn sách "Your Place in the Universe" (Chỗ của bạn trong vũ trụ), "How to Die in Space" (Chết trong vũ trụ như thế nào) nói với chúng ta về những chiều dư của lý thuyết dây.

Lý thuyết dây tìm thấy nguồn gốc của nó trong một nỗ lực để hiểu các thực nghiệm sơ khai tiết lộ lực hạt nhân mạnh. Cuối cùng thì một lý thuyết khác, một trên cơ sở các hạt gọi là quark và các vật mang lực gọi là gluon, có thể thay thế nó nhưng trong trục xương sống toán học của lý thuyết dây non trẻ đó, các nhà vật lý có thể tìm thấy những cấu trúc gây tò mò, những bóng ma thoáng qua, và có thể phát hiện ra những điều còn hơn thế nữa. Một cái gì đó còn sâu sắc hơn.

Lý thuyết dây tuyên bố là cái mà chúng ta gọi là các hạt – các thực thể như các điểm tương tác một cách tự do và kết hợp với nhau để tạo thành nhóm các vật chất đang tồn tại – là cái khác. Thậm chí, đó là một dạng vật thể cơ bản: dây. Các dây, mỗi thứ tồn tại ở giới hạn nhỏ nhất có thể của chính thứ đang tồn tại, đều dao động. và cách các dây dao động chi phối cách chúng biểu lộ chính mình trong vũ trụ rộng hơn. Giống như những nốt trên một cây đàn guitar, một dây rung động theo một chế độ nào đó sẽ xuất hiện trước mắt chúng ta như một electron, trong khi sợi khác rung động với một tần số khác sẽ như một photon, và tiếp tục là các hạt khác.

Lý thuyết dây là một nỗ lực táo tạo hướng đến một lý thuyết cho tất cả. Một khung toán học giải thích các hạt tạo chúng ta thành ai và chúng ta là gì cùng với các lực đóng vai trò như những vật truyền tin cơ bản cùng các hạt đó. Tất cả chúng, từng hạt quark trong vũ trụ này và từng hạt photon trong trường đó, đều là những đơn vị của các dây rung động.

Lý thuyết dây vẫn còn là một đại lộ hứa hẹn bậc nhất dẫn chúng ta đến với một lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Có thể tuyên bố về cái tên cuối cùng này bởi vì nó tích hợp được tất cả các lực của tự nhiên dưới cái mũ của nó, có tiềm năng thực hiện được các giấc mơ hợp nhất của khám phá vũ trụ của ngành vật lý trong nửa thiên niên kỷ qua, và cũng bởi vì lý thuyết này một cách tự nhiên, bao gồm cả một hạt (hoặc dao động hạt của dây) có tất cả các đặc trưng đúng, để đảm trách vai trò như vật mang lực hấp dẫn lượng tử, analog hấp dẫn với photon.

Lý thuyết dây chưa từng được kiểm tra, cũng chưa được chứng minh và do đó chưa được hoàn thiện. Thậm chí, bất chấp lời hứa hẹn lớn lao và tiềm năng của nó, toán học nền tảng của lý thuyết này vô cùng khó để giải đến mức chưa có ai tìm được lời giải, ngay cả một dự đoán. Dường như là tự nhiên đã xếp đặt để trêu đùa chúng ta thêm nữa. Nỗ lực ban đầu là để gộp hấp dẫn vào một khung lượng tử suy sụp trong chính nó dưới sức nặng của những điều vô hạn không thể giản lược được. Và giờ lời giải hứa hẹn bậc nhất quanh các vô hạn đó, để thay thế các hạt dạng điểm của lý thuyết lượng tử cổ điển với các vòng của dây, lại không phù hợp đến mức các vô hạn đó dường như lại phù hợp hơn.

Bất chấp sự thiếu sót của nó, các nhà vật lý lý thuyết đã tạo ra một vài con đường hướng vào những khu rừng sâu thẳm của lý thuyết dây, và trong cuộc kiếm tìm của họ – vốn thỉnh thoảng giống như những lời ước táo bạo mà chúng ta hy vọng đến một ngày nào đó trở thành sự thật – họ đã túm được một số thứ không ngờ.

Hạng bậc/thứ nguyên đóng vai trò quan trọng trong lý thuyết dây. Những dây dao động nhỏ bé đảm trách nhiệm vụ đó với nỗ lực lớn lao để giải thích tất cả mọi tạo vật – mọi dạng hạt cho đén những thứ đang tồn tại, những thứ đã được khám phá, và tất cả những gì chúng ta phải nỗ lực tìm ra. Nhưng ban đầu các nhà lý thuyết dây đã khám phá ba chiều không gian nghèo nàn vẫn chưa đủ; trong giới hạn không thời gian thông thường và tương đồng của chúng ta, các dây không đủ để bao hàm được các dạng khác của các dao động để giải thích toàn bộ gia đình hạt.

Và vì vậy các nhà lý thuyết dây đã đem đến một lời giải duyên dáng. Nếu vũ trụ này không đủ các chiều để trao cho các dây sự tự do mà nó cần để giải thích mọi thứ vật lý thì chúng ta phải cho thêm vào đó các chiều nhiều nhất có thể cho vũ trụ này. Các phiên bản hiện đại của lý thuyết dây tuyên bố là chúng ta có 10 hoặc 11 chiều không gian (sự khác biệt đến từ các công thức khác nhau của lý thuyết này).

Để giải thích tại sao các chiều dư đó thoát khỏi sự chú ý của chúng ta trong những trải nghiệm sống của chúng ta ở vũ trụ này, các chiều dư ngoài ba chiều quen thuộc phải cuộn chính mình với những thang đo siêu nhỏ tương tự như chính các dây, đẩy chúng vào những góc ẩn dấu của nhận thức và thực nghiệm. Ngay cả khi năng lực của chúng ta chứng minh sự tạo thành của chính các nguyên tử còn quá vụng về để gắn vào thực tại bị dây lấn át.

Chúng ta không cần quá lo ngại cho chính bản thân mình với cấu trúc hoặc các đặc trưng của các chiều ẩn dấu đó, bởi vì vấn đề với chúng ta là lý thuyết dây, vốn tự coi mình là kẻ kế thừa trong chuỗi thống nhất bị phá vỡ trong năm trăm năm qua, và tuyên bố một ngày nào đó sẽ bung nở thành một lý thuyết hấp dẫn lượng tử đầy đủ, gợi ý khả năng có thể, bằng bản chất cần thiết toán học, là vũ trụ của chúng ta có một số chiều khác những gì chúng ta đang giả định một cách ngây thơ.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-12-theory-requires-extra-dimensions.html

https://www.space.com/17594-string-theory.html