Thuyết Tương Đối & Thuyết Lượng Tử
Sự ra đời của thuyết "tương đối" và thuyết "lượng tử"
Đầu tiên là thuyết tương đối, do chuyên viên kĩ thuật hạng ba Einstein sinh ra. Thuyết tương đối ra đời đã 100 năm (tính từ thuyết tương đối hẹp), ngày nay mỗi sinh viên đều có thể hiểu được nó. Vì vậy nhiều người đã xếp thuyết tương đối vào các lý thuyết cổ điển (theo một cách hiểu khác, cổ điển nghĩa là không chứa các yếu tố lượng tử). Thuyết tương đối mô tả vũ trụ vĩ mô (trên thang nguyên tử).
Thuyết lượng tửđược Einstein tham gia xây dựng, cùng với một nhóm những con người lãng mạn khác: Bohr, Heisenberg, Pauli, Schrodinger, Born, Planck... Thường được thể hiện trong cơ học lượng tử, thuyết lượng tử mô tả vũ trụ với các yếu tố bất định, chủ yếu là mô tả thế giới vi mô (từ nguyên tử trở xuống).
Và trong suốt quãng đời còn lại của mình, nhà bác học Albert Einstein đã ra sức kết hợp giữa hai lý thuyết đó lại với nhau nhằm tạo ra lý thuyết lớn hơn là "trường thống nhất".
Vậy thống nhất 2 lý thuyết để làm gì?
Bài toán thống nhất được đặt ra để giải quyết vấn đề điểm kì dị của không-thời gian, vốn được Hawking nghiên cứu rất kĩ. Bài toán liên quan đến các điểm kì dị của không-thời gian, là những điểm có kích thước bằng 0, mật độ không gian bằng vô hạn và thời gian bị kéo giãn tới mức vô hạn (thực ra tại đó không gian và thời gian được coi như không còn tồn tại). Tại đó, do không-thời gian bị uốn cong đến vô hạn nên trường hấp dẫn tạo ra là... vô hạn.
Hai loại điểm kì dị nổi tiếng nhất là lỗ đen (bạn đời của Hawking) và 'cục' Big Bang, tức là vũ trụ sơ khai. Tại tâm lỗ đen, hay tại những thời khắc đầu tiên của vũ trụ, hiệu ứng hấp dẫn thể hiện qua sự cong của không-thời gian cũng như các hiệu ứng lượng tử đều được thể hiện. Tuy nhiên chính do đó mà không thể áp dụng được cả 2 lý thuyết, vì thuyết tương đối rộng chỉ áp dụng được cho không gian trơn nhẵn, không phải là không gian chứa đầy bọt lượng tử (có độ cong và tôpô hỗn độn).
Bức tường Planck của các hiện tượng có kích thước dưới 1E-33 cm và xảy ra trong khoảng dưới 1E-43 giây đã chắn ngang con mắt của khoa học. Ở đó, thuyết tương đối và mọi thứ đều sụp đổ.
Nhưng rốt cuộc đành phải bỏ dở giữa chừng, để lại cho các thế hệ sau tiếp nối các bài toán thật hóc búa đó. Nhưng mặc cho sự nỗ lực của nhân loại, hai thuyết (tương đối và thuyết lượng tử) đó, cho đến ngày hôm nay vẫn ngoan cố và tách rời một cách độc lập, làm như chúng không có dây mơ rễ má gì với nhau. Đồng thời cho đến ngày hôm nay vẫn là bài toán hóc búa, làm đau đầu cho các nhà khoa học hàng đầu trên Thế Giới. Và trong các nhà khoa học hàng đầu trên Thế Giới đang tìm cách kết hợp hai thuyết đó lại, phải kể đến nhà khoa học Stephen Hawking người Anh, đã dùng mọi cách, kể cả dùng kiến thức toán học tiến bộ nhất ngày nay, chỉ với mục đích duy nhất, nhằm kết hợp hai thuyết (tương đối và thuyết lượng tử) lại với nhau, nhưng đến hôm nay vẫn không tài nào làm được.
Tại sao không thể thống nhất hai thuyết?
Chủ yếu là do các vấn đề toán học quá khó khăn.
Để thống nhất 2 lý thuyết trên, cần phải thống nhất được 4 lực cơ bản của tự nhiên là lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh. Các nhà vật lý đã thống nhất được ba lực phi hấp dẫn trong mô hình chuẩn của vật lý hạt. Lý thuyết này là một lý thuyết lượng tử, nhưng vẫn không thể thâu tóm được lực hấp dẫn. Vì thế lực hấp dẫn vẫn là ông anh kiêu căng khó thuyết phục.
Các xu hướng chủ yếu hiện nay tập trung vào thuyết dây. Thuyết dây ra đời với tham vọng kết hợp các kết quả của 2 lý thuyết trên. Sau này khi nhập thuyết siêu đối xứng vào thì gọi là thuyết siêu dây hay thuyết dây siêu đối xứng. Các vấn đề toán học của nó khó đến nỗi các nhà vật lý khi nghiên cứu thuyết siêu dây lần đầu tiên đã vượt trên các nhà toán học bằng việc tự tạo ra công cụ toán học cho mình để phục vụ nghiên cứu (trước đây toán học luôn phải dẫn trước một bước). Còn rắc rối hơn khi không chỉ có một lý thuyết dây mà là có tới 5 lý thuyết dây khác nhau, tuy có ít nhiều biểu hiện đối xứng đang dần lộ diện.
Hawking vốn ban đầu không quan tâm đến thuyết dây nên ông đã lỡ nhịp trong nghiên cứu. Hiện nay ông không còn là người tiên phong nữa, nhưng vẫn rất lạc quan khi tuyên bố rằng thuyết M sắp lộ diện. Thuyết M là tên được dùng để đồng nhất với TOE (Theory of Everything). Thuyết này phải bao gồm được các thuyết trước đây, giải thích được mọi hiện tượng vật lý. Nghe thật to tát và người ta vẫn chỉ đang mơ ước đến nó. Một đống các thứ từ siêu dây, siêu hấp dẫn, p-brane... đang được nhét vào đó, đưa không gian phình từ 3 chiều lên thành 10 chiều, rồi hơn 20 chiều... (!?) nhưng tất cả chỉ là lý thuyết chưa hoàn chỉnh.
Hiện nay ngoài các khó khăn lý thuyết còn có khó khăn thực nghiệm khi các máy gia tốc lớn còn đang được xây dựng. Các nhà lý thuyết còn khá lâu mới có thể kiểm chứng được lý thuyết của mình.
Tóm lại, việc thống nhất 2 trụ cột của vật lý hiện đại không chỉ làm Einstein bó tay trong suốt 30 năm cuối cuộc đời mà con đang làm bó tay nhiều thế hệ các nhà khoa học khác. Newton trong suốt những năm cuối của cuộc đời không thể giải nổi bài toán 3 vật tương tác, cho mãi đến tận sau này khi Poincaré đưa ra lý thuyết hỗn độn thì người ta mới có được lời giải. Có lẽ vấn đề TOE còn lâu mới được giải quyết.
Nguồn:Hội học sinh Hànội - Amsterdam
Ảnh: Minh Phúc
Tác phẩm Thực tại không như ta tưởng... có một số phận hơi khác thường.
Được viết bằng tiếng Italy và xuất bản năm 2014, nhưng ngay sau đó do yêu cầu của bạn đọc và nhà xuất bản, tác giả đã viết một cuốn sách nhỏ chưa đầy 80 trang nhan đề Bảy bài giảng ngắn về vật lý, thực chất là sự trình bày cô đọng và dễ hiểu những ý tưởng chính của cuốn Thực tại...
Và tác giả, Carlo Rovelli, đã sững sờ khi thấy ngay trong tuần đầu tiên cuốn sách mỏng đó bán được hơn 200.000 bản. Rồi sau khi được dịch ra tiếng Anh lại bán được cả triệu bản trên khắp thế giới - một hiện tượng đối với sách phổ biến khoa học, có lẽ chỉ đứng sau cuốn Lược sử thời gian của Stephen Hawking.
Trong khi đó, bản dịch ra tiếng Anh của cuốn Thực tại không như ta tưởng ... lại ra đời sau, mãi tới tận năm 2017. Nhưng đây mới là cuốn sách đầy tham vọng của tác giả. Nó trình bày đầy đủ quan niệm của ông về thực tại - một bản trường ca mà ông đã dành hầu hết sự nghiệp của mình để giải mã.
Viết một cuốn sách phổ biến khoa học khép kín, độc lập hoàn toàn, về những ý tưởng của hấp dẫn lượng tử, với ý định, về mặt lý thuyết, hợp nhất thuyết tương đối rộng của Einstein với vật lý lượng tử, Rovelli đã phải lần lại theo con đường đi qua những cội nguồn lịch sử của vật lý hiện đại, xuất phát từ Democritus thời Hi Lạp cổ đại, qua Galileo, Kepler và Newton tới Einstein và lý thuyết lượng tử.
Ông đã làm điều đó với cái nhìn mới mẻ, cho thấy biệt tài của ông trong việc tổng kết các ý tưởng trừu tượng qua những câu văn cô đọng và súc tích. Chẳng hạn, khi mô tả cách mà Einstein đem thực tại vật lý đến cho cái không gian trống rỗng trơ ỳ của Newton, ông viết: “... trường hấp dẫn là không gian, đó là một thực thể có thực, nó lượn sóng, thăng giáng, uốn cong và vặn xoắn”.
Khi mô tả thế giới mới lạ lùng của vật lý lượng tử, nơi ta chỉ có thể tuyên bố thực tại của một hạt qua tương tác của nó với các hạt khác, ông viết: “Chỉ có trong tương tác mà tự nhiên mới vẽ ra thế giới”.
Bản chất của thực tại là chủ đề rất phức tạp và tinh tế. Liệu ta có thể hiểu được nó và hiểu đến tận cùng không? Hay chúng ta luôn bị cầm tù theo những cách riêng của ta, như những người nô lệ trong cái hang của Plato không sao thoát ra khỏi những xiềng xích trói buộc mình. Rovelli có biệt tài dẫn dắt chúng ta theo suốt lịch sử khoa học để chứng kiến những thay đổi quan niệm của chúng ta về thực tại qua các thời đại.
Điều duy nhất thực sự vô hạn chính là sự vô minh của chúng ta. (Carlo Rovelli, tr. 231) |
Vậy vấn đề lớn nhất của hấp dẫn lượng tử là gì?
Một mặt, thuyết tương đối rộng của Einstein đã đồng nhất không gian và thời gian với trường hấp dẫn - một thực thể có thể biến dạng để đáp ứng với vật chất và năng lượng. Đó là vật lý với khái niệm liên tục, được áp dụng ở thang kích thước lớn và thang đời sống hằng ngày của con người, thậm chí với cả các hiệu ứng kỳ bí như sự chậm lại của thời gian và các lỗ đen trong không gian.
Mặt khác, đó là các trường lượng tử - một khái niệm được cho là thể nền của vật chất và bức xạ, xuất hiện từ các loại trường lượng tử khác như trường electron, trường quark, photon và các trường tương tự. Các trường lượng tử cho phép ta dung hòa một cách không dễ dàng giữa tính liên tục và tính hạt, trong đó các hạt mà chúng ta quan sát được là những kích thích của các trường liên tục ẩn bên dưới, đó là những bó năng lượng nhỏ đập vào nhau và với các hạt ở detector để đo chúng.
Rovelli đã mô tả rất rõ: thực tại sẽ được phát lộ khi chúng tương tác. Và để xây dựng được hấp dẫn lượng tử vòng, người ta lại phải vận dụng đến nguyên tử luận của Democritus thời cổ đại, cụ thể là quan niệm rằng không thời gian cũng gián đoạn, nghĩa là cũng bị lượng tử hóa như vật chất, ánh sáng và năng lượng. Vấn đề này đã gây trở ngại cho các nhà vật lý lý thuyết chí ít là nửa thế kỷ.
Là một cuốn sách phổ biến khoa học, nhưng nhiều nhà điểm sách phương Tây đều nhất trí khẳng định Thực tại không như ta tưởng... là một tác phẩm giàu chất thơ. Tác giả đã dành một đoạn dài nói về vũ trụ của thi hào Dante - tác giả của trường ca Thần khúc bất hủ.
Một nhà báo đã viết rằng một số nhà vật lý, không nhiều lắm, có thể được gọi là nhà vật lý - thi sĩ. Rovelli là một trong số những nhà vật lý đó. Họ nhìn thế giới, hay chính xác hơn là thực tại vật lý, như một câu chuyện trữ tình được viết bằng một thứ mật mã ẩn giấu mà trí tuệ con người có thể giải mã được.
Chính Rovelli cũng đã viết: “Nền văn hóa chúng ta đã ngu ngốc tách biệt khoa học với thi ca. Chính hai lĩnh vực đó đã mở mắt cho chúng ta nhìn thấy sự phức tạp và vẻ đẹp của thế giới”. Trong suốt cuốn sách của mình, Rovelli đã tìm cách bắc một nhịp cầu giữa “hai nền văn hóa” khoa học và nghệ thuật.
Và cuối cùng, dù bạn muốn xử lý vấn đề phức tạp này như thế nào: lượng tử hóa hấp dẫn hay không, hấp dẫn lượng tử vòng hay các siêu dây… thì cuốn sách của Rovelli vẫn là một viên đá quý. Đọc nó sẽ mang đến cho bạn nhiều thích thú cùng hình ảnh tuyệt vời. Và sau cùng, nhưng không phải là sau hết, là sự tôn vinh trí tuệ con người, một trí tuệ “luôn thường trực hoài nghi - cội nguồn sâu xa của khoa học”. ■
|
Carlo Rovelli Thế giới thật vô biên và rực rỡ sắc màu; chúng ta muốn đi và thưởng lãm nó. Chúng ta đang chìm đắm trong sự bí ẩn và vẻ đẹp của nó, và phía xa chân trời là những vùng đất chưa được khám phá. Sự chưa hoàn thiện và bất định của kiến thức, sự bấp bênh của chúng ta, đang treo lơ lửng trên vực thẳm của vô số những điều chúng ta chưa biết, không hề làm cho cuộc sống trở nên vô nghĩa, ngược lại khiến cho nó càng trở nên hấp dẫn và quý giá hơn. Tôi viết cuốn sách này là muốn tường thuật những gì tôi thấy kỳ diệu trong cuộc phiêu lưu đó. (Carlo Rovelli - trích lời nói đầu của cuốn sách) |
- Tags:
- sách
- vật lý
- Thực tại không như ta tưởng
- vật lý lượng tử