CHƯƠNG BẢY THUYẾT M: MẸ CỦA MỌI DÂY

Đối với những ai có thể hiểu thấu Vũ trụ từ một quan điểm hợp nhất thì toàn thể Sáng thế sẽ đến như là chân lý và quy luật tất yếu duy nhất.

- J. D’Alembert

Tôi cảm thấy rằng chúng ta gần nắm bắt được thuyết dây tới mức - trong những khoảnh khắc lạc quan nhất của mình - tôi mường tượng rằng một ngày nào đó, dạng thức cuối cùng của thuyết này có thể rơi từ trên trời xuống và đậu vào lòng một ai đó. Nhưng thực tế hơn, tôi cảm thấy rằng hiện nay chúng ta đang trong quá trình xây dựng một lý thuyết sâu sắc hơn so với bất cứ lý thuyết nào chúng ta đã có trước đây và cho đến khi bước vào thế kỷ 21, khi tôi quá già không còn có những suy nghĩ nào hữu ích về chủ đề này nữa, thì các nhà vật lý trẻ tuổi hơn sẽ phải quyết định liệu có phải chúng ta đã tìm thấy thuyết cuối cùng hay không.

- Edward Witten

Tiểu thuyết kinh điển The Invisible Man (Người vô hình) viết năm 1897 của H. G. Wells bắt đầu bằng một câu chuyện kỳ lạ. Vào một ngày đông lạnh giá, một người đàn ông lạ mặt ăn mặc kỳ quái xuất hiện từ trong bóng tối. Khuôn mặt anh ta được che kín hoàn toàn, anh ta đeo cái kính màu xanh sẫm, và một băng vải trắng che phủ toàn bộ khuôn mặt anh ta.

Ban đầu, dân làng thương hại anh ta, nghĩ rằng anh ta vừa thoát khỏi một tai nạn khủng khiếp. Nhưng những điều kỳ lạ xảy ra quanh làng. Một ngày, bà chủ nhà trọ bước vào căn phòng trống không của anh ta và kêu ré lên khi nhìn thấy quần áo đang tự đi đi lại lại. Những chiếc mũ đang xoay tít khắp căn phòng, các bộ đồ trải giường lao vào không trung, những chiếc ghế di chuyển, và “đồ đạc đã hóa điên”, bà nhớ lại trong sự kinh hoàng.

Chẳng bao lâu sau, các tin đồn thổi về các sự kiện bất thường này đã lan truyền khắp cả làng. Cuối cùng, một nhóm dân làng tụ tập và đối mặt với người lạ mặt bí ẩn. Họ vô cùng kinh ngạc khi anh ta từ từ gỡ băng che mặt mình. Đám đông thất kinh. Không có băng che mặt, khuôn mặt của anh ta hoàn toàn biến mất. Trên thực tế, anh ta là vô hình. Cảnh tượng trở nên hỗn loạn, khi mọi người rú lên và la thét. Dân làng cố gắng đuổi theo người vô hình, nhưng anh ta dễ dàng đánh bại họ.

Sau khi phạm một chuỗi các tội vặt vãnh, người vô hình tìm thấy một người quen cũ và kể lại câu chuyện khác thường của mình. Tên thật của anh ta là Griffen từ Đại học Tổng hợp. Mặc dù khởi đầu học ngành y, nhưng anh ta đã tình cờ khám phá ra một phương thức đột biến làm thay đổi các thuộc tính khúc xạ và phản xạ của da thịt. Bí quyết của anh ta là chiều thứ tư. Anh ta kêu lên với bác sĩ Kemp: “Tôi đã tìm thấy một nguyên tắc tổng quát… một công thức, một biểu thức hình học liên quan đến bốn chiều.” [116]

Thật đáng buồn, đáng lẽ sử dụng phát hiện vĩ đại này để giúp nhân loại thì suy nghĩ của anh ta là trộm cướp và tư lợi cá nhân. Anh ta dự định tuyển dụng bạn của mình làm kẻ tòng phạm. Anh ta tuyên bố, cùng nhau họ có thể cướp bóc cả thế giới. Nhưng người bạn sợ hãi và báo cho cảnh sát về sự có mặt của Griffen. Hệ quả là người vô hình bị trọng thương trong một cuộc săn lùng tội phạm gắt gao.

Tương tự như trong các tiểu thuyết khoa học giả tưởng hay nhất khác, luôn có một mầm mống khoa học trong nhiều truyện của H. G. Wells. Bất cứ ai có thể kết nối với chiều không gian thứ tư (hoặc thứ mà ngày nay gọi là chiều thứ năm, còn thời gian là chiều thứ tư) thì người đó có thể trở nên vô hình, thậm chí có thể nắm lấy các quyền năng thường được gán cho ma quỷ và thần thánh. Hãy tưởng tượng, vào lúc này, một chủng sinh vật huyền bí có thể sống trong thế giới hai chiều của một mặt bàn, như trong tiểu thuyết Flatland (Miền đất phẳng) của Edwin Abbot xuất bản năm 1884. Họ thực hiện công việc bình thường của mình mà không biết rằng có cả một vũ trụ ở chiều thứ ba bao quanh họ.

Nhưng nếu một nhà khoa học của Miền đất phẳng có thể thực hiện một thử nghiệm cho phép anh ta lơ lửng vài inch (vài cm) bên ngoài mặt bàn, anh ta sẽ trở thành vô hình, vì ánh sáng sẽ đi qua phía dưới anh ta như thể anh ta không tồn tại. Lơ lửng ngay phía trên Miền đất phẳng , anh ta có thể thấy các sự kiện đang trải ra phía dưới, trên mặt bàn này. Lượn lờ trong siêu không gian (không gian ngoại chiều) mang lại các lợi thế rõ rệt, vì bất kỳ ai từ siêu không gian nhìn xuống sẽ có các quyền năng của một vị thần.

Không chỉ có ánh sáng sẽ đi qua phía dưới, khiến anh ta trở nên vô hình, mà anh ta cũng có thể băng qua các vật thể. Nói cách khác, anh ta có thể biến mất theo ý muốn và đi xuyên qua các bức tường. Bằng cách đơn giản là nhảy vào chiều thứ ba, anh ta có thể biến mất khỏi vũ trụ của Miền đất phẳng . Và nếu anh ta nhảy ngược trở lại mặt bàn, anh ta có thể đột nhiên tái hiện hữu từ hư không. Vì thế, anh ta có thể trốn thoát khỏi bất kỳ nhà tù nào. Một nhà tù ở Miền đất phẳng có thể bao gồm một vòng tròn được vẽ bao quanh một tù nhân, vì vậy nhảy vào chiều thứ ba và thoát ra bên ngoài là việc quá dễ dàng.

Cũng không thể giữ được bí mật trước một siêu sinh vật (sinh vật ngoại chiều). Vàng được cất giữ trong một cái hầm có thể dễ dàng bị nhìn thấy từ cao điểm lợi thế của chiều thứ ba, vì hầm này đơn giản chỉ là một hình chữ nhật hở. Vào tận trong hình chữ nhật và cuỗm vàng đi mà không cần phải phá cửa hầm sẽ chỉ là trò trẻ con. Phẫu thuật cũng có thể thực hiện mà không cần rạch da.

Tương tự, H. G. Wells muốn truyền tải ý tưởng rằng trong một thế giới bốn chiều, chúng ta là những cư dân của Miền đất phẳng và quên đi một thực tế rằng các mặt phẳng bậc cao hơn của sự tồn tại có thể lơ lửng ngay phía trên chúng ta. Chúng ta tin rằng thế giới bao gồm tất cả những gì chúng ta có thể nhìn thấy, không biết rằng có thể có các vũ trụ ngay trên mũi mình. Mặc dù vũ trụ khác có thể lơ lửng chỉ vài inch (vài cm) phía trên chúng ta, nhưng vì trôi nổi trong chiều thứ tư, nên nó sẽ là vô hình,

Vì một siêu sinh vật sẽ có các siêu quyền năng thường được gán cho một con ma hay một thần linh, trong một truyện khoa học giả tưởng khác, H. G. Wells suy nghĩ về câu hỏi liệu các sinh vật siêu nhiên có thể sống trong các chiều bậc cao hơn hay không. Ông đã nêu ra một câu hỏi then chốt giờ trở thành chủ đề của các suy đoán và nghiên cứu lớn: Có hay không các định luật mới của vật lý trong các chiều bậc cao hơn này? Trong tiểu thuyết xuất bản năm 1895 của Wells, The Wonderful Visit (Cuộc viếng thăm kỳ diệu), khẩu súng của một cha sở vô tình bắn trúng một thiên thần ngẫu nhiên tiến vào chiều không gian của chúng ta. Vì một lý do vũ trụ nào đó, chiều của chúng ta và một vũ trụ song song đã nhất thời va chạm, khiến cho thiên thần này rơi vào thế giới của chúng ta. Trong câu chuyện, Wells viết: “Có thể có một lượng bất kỳ các vũ trụ ba chiều tụ tập sát bên nhau.” [117] Cha sở hỏi chuyện vị thiên thần bị thương. Ông bị sốc khi thấy rằng các quy luật tự nhiên của chúng ta không còn áp dụng được trong thế giới của thiên thần này. Chẳng hạn, trong vũ trụ của vị thiên thần đó, không có các mặt phẳng mà chỉ có các mặt trụ, do đó bản thân không gian là cong. (Đúng tròn hai mươi năm trước thuyết tương đối rộng của Einstein, Wells đã giải trí với ý tưởng về các vũ trụ tồn tại trên các mặt cong.) Như vị cha sở đề cập: “Hình học của họ khác hẳn vì không gian của họ bị bẻ cong khiến cho tất cả các mặt phẳng là các mặt trụ, và định luật hấp dẫn ở đó không tuân theo quy luật bình phương nghịch đảo, và ở đó có hai mươi tư màu gốc, chứ không phải chỉ có ba.” Hơn một thế kỷ sau khi Wells viết truyện này, các nhà vật lý ngày nay nhận ra rằng các định luật vật lý mới, với các tập hợp khác nhau của các hạt hạ nguyên tử, nguyên tử và các tương tác hóa học, quả thật có thể tồn tại trong các vũ trụ song song. (Như chúng ta thấy trong chương chín, một vài thử nghiệm hiện nay đang được tiến hành để phát hiện sự có mặt của các vũ trụ song song có thể lơ lửng ngay phía trên chúng ta.)

Khái niệm siêu không gian đã hấp dẫn các nghệ sĩ, các nhạc sĩ, các nhà thần bí, các nhà thần học và triết học, đặc biệt là hồi sắp sang thế kỷ 20. Theo nhà sử học nghệ thuật Linda Dalrymple Henderson, mối quan tâm của Pablo Picasso tới chiều thứ tư đã góp phần sáng tạo ra xu hướng lập thể. (Đôi mắt của những người phụ nữ ông vẽ nhìn thẳng vào chúng ta, dù là mũi của họ hướng sang bên, cho phép chúng ta quan sát các phụ nữ này một cách tổng thể. Tương tự, một siêu sinh vật nhìn xuống sẽ thấy chúng ta trong tổng thể: đồng thời cả phía trước, phía sau và hai bên). Trong bức tranh nổi tiếng của mình Christus Hypercubus (Chúa Kitô bị đóng đinh trên cây thánh giá siêu lập phương), Salvador Dalí vẽ Jesus Christ bị đóng đinh câu rút ở phía trước của một khối siêu lập phương bốn chiều, tức khối tứ duy phương (tesseract), đã được trải ra. Còn trong bức tranh The Persistence of Memory (Sự bền bỉ của ký ức), Dalí đã cố gắng truyền tải ý tưởng về thời gian là chiều thứ tư với những chiếc đồng hồ tan chảy. Trong bức tranh Nude Descending a Staircase (No. 2) [Khỏa thân bước xuống cầu thang (Số 2)] của Marcel Duchamp, chúng ta thấy một người đàn bà khỏa thân trong đoạn phim quay chậm đang bước xuống các bậc cầu thang, đây là một cố gắng khác nhằm nắm bắt chiều thứ tư của thời gian trên một bề mặt hai chiều.

THUYẾT M

Ngày nay, bí ẩn và hiểu biết về chiều thứ tư đang sống lại vì một lý do hoàn toàn khác: sự phát triển của thuyết dây và hiện thân mới nhất của nó là thuyết M. Xưa nay, khái niệm siêu không gian đã bị các nhà vật lý ra sức chống lại; họ công kích rằng các chiều bậc cao hơn là lĩnh vực của các nhà thần bí và những kẻ bịp bợm. Những nhà khoa học nào nghiêm túc đề xuất sự tồn tại của các thế giới vô hình đều là đối tượng để chế giễu.

Với sự xuất hiện của thuyết M, tình hình đã thay đổi hẳn. Các chiều bậc cao hơn bây giờ đang ở trung tâm của cuộc cách mạng sâu rộng trong vật lý và các nhà vật lý buộc phải đương đầu với vấn đề lớn nhất của vật lý hiện nay: cái hào sâu giữa thuyết tương đối rộng và thuyết lượng tử. Đáng chú ý, hai lý thuyết này bao gồm toàn bộ mọi kiến thức vật lý nền tảng về vũ trụ. Hiện nay, chỉ thuyết M có khả năng thống nhất hai lý thuyết vĩ đại nhưng dường như trái ngược nhau này về vũ trụ thành một khối tổng thể đồng bộ để tạo ra một “thuyết vạn vật”. Trong mọi thuyết được đề ra trong thế kỷ vừa qua, ứng viên duy nhất có tiềm năng “đọc được Ý Chúa”, như cách nói của Einstein, là thuyết M.

Chỉ trong siêu không gian mười hoặc mười một chiều chúng ta mới có “đủ chỗ” để thống nhất mọi lực của tự nhiên thành một thuyết tao nhã duy nhất. Một thuyết thần thoại như vậy sẽ có thể trả lời các câu hỏi muôn đời: Điều gì đã xảy ra trước khởi đầu của vũ trụ? Liệu có thể đảo ngược thời gian hay không? Liệu các cửa ngõ đa chiều có thể đưa chúng ta đi xuyên qua vũ trụ hay không? (Mặc dù các nhà phê bình chỉ ra chính xác rằng việc thử nghiệm thuyết này vượt quá khả năng thực nghiệm hiện tại của chúng ta, nhưng một số thử nghiệm hiện đang được lên kế hoạch có thể thay đổi tình trạng này, như chúng ta sẽ thấy trong chương chín.)

Mọi cố gắng trong vòng năm mươi năm qua để tạo ra một miêu tả thống nhất thật sự của vũ trụ đã kết thúc trong thế bại chua chát. Về mặt khái niệm, điều này thật dễ hiểu. Thuyết tương đối rộng và thuyết lượng tử có tính đối lập hoàn toàn gần như về mọi phương diện. Thuyết tương đối rộng là thuyết của những cái cực lớn: các lỗ đen, các vụ nổ lớn, các chuẩn tinh và vũ trụ dãn nở. Nó dựa trên nền tảng toán học của các bề mặt trơn tru, giống như tấm vải trải giường và lưới giàn nhún. Thuyết lượng tử lại đối ngược hoàn toàn: nó miêu tả thế giới của những cái cực nhỏ: các nguyên tử, các proton và nơtron, và các quark. Thuyết này dựa trên một thuyết về các gói năng lượng rời rạc được gọi là các lượng tử. Không giống như thuyết tương đối, thuyết lượng tử phát biểu rằng chỉ có xác suất của các sự kiện là có thể tính toán, do đó chúng ta không bao giờ có thể biết chắc chắn một electron chính xác nằm ở chỗ nào. Hai thuyết này dựa trên các thuật toán khác nhau, các giả định khác nhau, các nguyên lý vật lý khác nhau và các miền khác nhau. Không mấy ngạc nhiên khi mọi nỗ lực thống nhất chúng đã thất bại.

Những bậc khổng lồ trong giới vật lý - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli và Arthur Eddington – đã theo bước Einstein thử nhúng tay vào thuyết trường thống nhất, nhưng chỉ nhận lấy thất bại thảm hại. Năm 1928, Einstein đã vô tình gây chấn động giới truyền thông với phiên bản sơ khai của thuyết trường thống nhất. Nhật báo New York Times thậm chí còn xuất bản các phần của bài báo khoa học này, gồm cả các phương trình của ông. Trên một trăm phóng viên tụ tập bên ngoài nhà ông. Viết từ Anh, Eddington đã bình luận với Einstein: “Anh có thể thích thú khi nghe tin một trong những bách hóa tổng hợp lớn của chúng tôi tại London (Selfridges) đã dán trên cửa kính bài báo của anh (sáu trang được dán bên cạnh nhau) để cho những người qua đường có thể đọc nó từ đầu chí cuối. Các đám đông lớn tụ tập xung quanh để đọc nó.” [118]

Năm 1946, Erwin Schrödinger cũng bị lây trào lưu này và phát hiện ra cái mà ông nghĩ là cái thuyết trường thống nhất huyền bí kia. Ông bèn vội vã làm cái điều khá bất thường vào thời kỳ đó (nhưng ngày nay thì không quá bất thường): tổ chức một cuộc họp báo. Ngay cả thủ tướng Ireland là Eamon de Valera cũng có mặt để nghe Schrödinger nói. Khi được hỏi ông có thực sự chắc chắn rằng cuối cùng mình đã bỏ túi thuyết trường thống nhất không, Schrödinger đã trả lời: “Tôi tin mình đúng. Tôi sẽ giống như một kẻ vô cùng xuẩn ngốc nếu tôi sai.” [119] (Tờ New York Times cuối cùng đã tìm hiểu về cuộc họp báo này rồi sau đó gửi bản thảo cho Einstein và những người khác để xin ý kiến bình luận. Đáng buồn thay, Einstein nhận ra rằng Schrödinger đã khám phá lại một thuyết cũ mà ông từng đề xuất vài năm trước đó và đã vứt bỏ nó. Einstein đã đáp lại rất lịch sự, nhưng Schrödinger vẫn thấy mình bị xúc phạm.)

Năm 1958, nhà vật lý Jeremy Bernstein đã tham dự buổi nói chuyện tại Đại học Columbia, tại đó Wolfgang Pauli trình bày một phiên bản thuyết trường thống nhất mà ông đã cùng với Werner Heisenberg đã xây dựng nên. Niels Bohr, ngồi trong số cử tọa, đã không bị thuyết phục. Cuối cùng, Bohr đã đứng lên và nói: “Chúng tôi ngồi dưới này đều tin rằng thuyết của ông là điên rồ. Nhưng chúng tôi chỉ chưa nhất trí được với nhau là liệu thuyết của ông có đủ điên rồ hay không mà thôi.” [120]

Pauli ngay lập tức nhận ra những gì Bohr muốn nói rằng thuyết Heisenberg-Pauli đã quá tầm thường để trở thành thuyết trường thống nhất. Để “đọc được Ý Chúa” thì phải để ra các thuật toán và các ý tưởng triệt để khác biệt.

Nhiều nhà vật lý tin rằng có một thuyết đơn giản, tao nhã và hấp dẫn phía sau vạn vật nhưng nó cũng đủ điên rồ và phi lý để trở nên đúng. John Wheeler từ Princeton chỉ ra rằng, trong thế kỷ 19 việc giải thích sự phong phú đa dạng của sự sống tìm thấy trên Trái Đất dường như là vô vọng. Nhưng sau đó Charles Darwin đã đưa ra thuyết chọn lọc tự nhiên, thuyết duy nhất cung cấp lập luận và bằng chứng để giải thích nguồn gốc và sự đa dạng của mọi dạng sự sống trên Trái Đất.

Người đoạt giải Nobel Steven Weinberg sử dụng một phép loại suy khác. Sau Columbus, các bản đồ trình bày chi tiết những thành công táo bạo của các nhà thám hiểm châu Âu thuở thời kỳ đầu chỉ ra mạnh mẽ rằng phải tồn tại một “cực bắc nhưng không có bằng chứng trực tiếp về sự tồn tại của nó. Vì mỗi bản đồ Trái Đất đã chỉ ra một khoảng trống lớn, nơi cực bắc phải được định vị, nên các nhà thám hiểm thời kỳ đầu đã đơn giản giả định rằng một cực bắc phải tồn tại, mặc dù chưa một ai trong số họ từng đặt chân đến. Tương tự như vậy, các nhà vật lý ngày nay, giống như các nhà thám hiểm ngày xưa, tìm thấy rất nhiều chứng cứ gián tiếp cho thấy sự tồn tại của một thuyết vạn vật, mặc dù hiện tại không có sự đồng thuận chung về việc thuyết đó phải như thế nào.

LỊCH SỬ THUYẾT DÂY

Một thuyết rõ ràng “đủ điên rồ” để trở thành thuyết trường thống nhất là thuyết dây, hay thuyết M. Thuyết dây có lẽ có lịch sử kỳ quái nhất trong biên niên sử vật lý. Nó được phát hiện hoàn toàn ngẫu nhiên, nhằm áp dụng cho một vấn đề sai, đã bị quên lãng, và đột nhiên hồi sinh như là một thuyết vạn vật. Và thật sự thì, vì không thể thực hiện các chỉnh sửa nhỏ mà không phá hủy thuyết này, nên nó hoặc sẽ là “thuyết vạn vật” hoặc sẽ là “thuyết không vật nào”.

Lý do cho lịch sử kỳ lạ này là ở chỗ thuyết dây có bước phát triển giật lùi. Thông thường, trong một thuyết như thuyết tương đối rộng, người ta bắt đầu với các nguyên lý vật lý nền tảng. Sau đó, các nguyên lý này được mài giũa thành một tập hợp các phương trình kinh điển cơ bản. Cuối cùng, người ta tính toán các thông giảng lượng tử với các phương trình này. Thuyết dây đã phát triển giật lùi, bắt đầu với phát hiện ngẫu nhiên về thuyết lượng tử của nó, các nhà vật lý vẫn còn bối rối về việc các nguyên lý vật lý nào có thể dẫn dắt thuyết này.

Nguồn gốc của thuyết dây có từ năm 1968, khi hai nhà vật lý trẻ tại phòng thí nghiệm hạt nhân ở Tổ chức Nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN), Geneva là Gabriele Veneziano và Mahiko Suzuki đã độc lập với nhau xem lướt qua một quyển sách toán và bắt gặp hàm Beta Euler*, một biểu thức toán học khó hiểu trong thế kỷ 18 được Leonard Euler phát hiện, và dường như nó miêu tả thế giới hạ nguyên tử một cách kỳ lạ. Họ đã ngạc nhiên khi thấy rằng công thức toán học trừu tượng này dường như miêu tả sự va chạm của hai hạt π meson* ở các năng lượng cực lớn. Mô hình Veneziano nhanh chóng là một hiện tượng gây xôn xao trong vật lý, với hàng trăm bài báo khoa học cố gắng tổng quát hóa nó để miêu tả các lực hạt nhân.

Nói cách khác, thuyết này đã được phát hiện hoàn toàn ngẫu nhiên. Edward Witten từ Viện Nghiên cứu cao cấp (nhiều người tin rằng ông là nhân vật chủ lực đứng sau nhiều đột phá gây ấn tượng sâu sắc trong thuyết này) đã nói: “Đúng ra, các nhà vật lý thế kỷ 20 đã không có đặc quyền nghiên cứu thuyết này. Đúng ra, thuyết dây đã không được phát minh.” [121]

Tôi còn nhớ như in sự náo động mà thuyết dây đã tạo ra. Vào thời gian đó tôi vẫn còn là sinh viên trên đại học của ngành Vật lý tại Đại học California ở Berkeley, và tôi nhớ mình đã thấy các nhà vật lý lắc đầu và phát biểu rằng vật lý không nên đi theo cách này. Trong quá khứ, môn vật lý luôn luôn dựa trên các quan sát chi tiết và kỹ lưỡng về tự nhiên, hình thành nên một vài giả thuyết từng phần, rồi người ta cẩn thận kiểm chứng ý tưởng này qua dữ liệu quan sát, và sau đó lặp lại quá trình buồn tẻ này, hết lần này đến lần khác. Thuyết dây là theo phương pháp cảm quan chủ quan, đơn thuần dựa trên việc phỏng đoán câu trả lời. Những con đường tắt hấp dẫn như vậy không được coi là nên theo.

Vì các hạt hạ nguyên tử không thể nhìn thấy được ngay cả với các thiết bị mạnh nhất của chúng ta, nên các nhà vật lý đã phải viện đến một cách thức tàn tệ nhưng hiệu quả để phân tích chúng, bằng cách cho chúng va đập với nhau ở các mức năng lượng rất lớn. Hàng tỉ đô la đã được chi tiêu vào việc chế tạo các “máy đập vỡ nguyên tử” khổng lồ, tức các máy gia tốc hạt, có kích thước rộng nhiều dặm, tạo ra các chùm hạt hạ nguyên tử để chúng va đập vào nhau. Sau đó, các nhà vật lý tỉ mỉ phân tích các mảnh vụn từ va chạm này. Mục tiêu của quá trình vất vả và gian khổ này là để lập ra một chuỗi các con số, được gọi là ma trận tán xạ hay ma trận S. Tập hợp các con số này vô cùng quan trọng vì nó mã hóa trong đó tất cả các thông tin về vật lý hạ nguyên tử - nghĩa là, nếu biết ma trận S, người ta có thể luận ra tất cả các tính chất của các hạt cơ bản.

Một trong những mục tiêu của vật lý hạt cơ bản là dự đoán cấu trúc toán học của ma trận S cho các tương tác mạnh, một mục tiêu khó khăn tới mức một số nhà vật lý đã tin rằng nó đã vượt quá tầm của bất kỳ thứ vật lý nào đã biết. Khi đó ta có thể hình dung được sự chấn động mà Veneziano và Suzuki đã gây ra khi họ chỉ đơn giản là đã phỏng đoán ma trận S bằng việc xem lướt qua một quyển sách toán.

Mô hình này là một loại khác hẳn những gì chúng ta đã từng thấy trước đó, Thông thường, khi một ai đó đề xuất một thuyết mới (chẳng hạn như các quark), các nhà vật lý cố gắng vá víu thuyết này bằng cách thay đổi các tham số đơn giản (ví dụ khối lượng của các hạt hoặc các cường độ bắt cặp). Nhưng mô hình Veneziano được chế tác đẹp đẽ tới mức ngay cả những xáo trộn nhỏ nhất trong các đối xứng cơ bản của nó cũng phá hủy toàn bộ Công thức. Cũng giống như với một miếng pha lê được chế tạo thủ công tỉ mỉ, bất kỳ cố gắng nào nhằm thay đổi hình dạng ban đầu sẽ phá hủy nó.

Trong số hàng trăm bài báo khoa học ra sức thay đổi một cách tầm thường các tham số, do đó phá hủy vẻ đẹp của mô hình này, không còn bài nào sống nổi tới ngày nay. Những bài báo duy nhất vẫn còn được nhớ tới là những bài tìm hiểu lý do tại sao thuyết này vẫn vận hành được - nghĩa là, những bài báo cố gắng khám phá các đối xứng của nó. Cuối cùng, các nhà vật lý nhận ra rằng thuyết này không hề có các tham số có thể điều chỉnh được.

Mô hình Veneziano, cho dù rất đáng khen, vẫn còn có một vài vấn đề. Trước hết, các nhà vật lý nhận ra rằng nó chỉ là xấp xỉ đầu tiên cho ma trận S cuối cùng và không phải là toàn bộ bức tranh. Khi đó, Bunji Sakita, Miguel Virasoro và Keiji Kikkawa, ở Đại học Wisconsin, nhận ra rằng ma trận S có thể được xem xét như là một chuỗi vô hạn các số hạng, và rằng mô hình Veneziano chỉ là số hạng đầu tiên và quan trọng nhất trong chuỗi này. (Đại thể, mỗi số hạng trong chuỗi thể hiện số cách mà các hạt có thể đâm vào nhau. Chúng định đề hóa một vài quy tắc mà theo đó người ta có thể xây dựng các số hạng cao hơn trong phép xấp xỉ của họ. Trong luận án tiến sĩ của mình, tôi đã quyết định nghiêm túc hoàn thành chương trình này và xây dựng tất cả các hiệu chỉnh có thể cho mô hình Veneziano. Cùng với đồng nghiệp L. P. Yu, tôi đã tính toán một tập hợp vô hạn các số hạng hiệu chỉnh cho mô hình này.)

Cuối cùng, Yoichiro Nambu từ Đại học Chicago và Tetsuo Goto từ Đại học Nihon đã xác định được đặc điểm then chốt làm cho mô hình hoạt động - một cái dây đang rung. (Công trình tương tự cũng được Leonard Susskind và Holger Nielsen thực hiện.) Khi một dây va chạm với một dây khác, nó tạo ra một ma trận S được mô hình Veneziano miêu tả. Trong bức tranh này, mỗi hạt chỉ là một rung động hay một nốt trên dây. (Tôi sẽ thảo luận chi tiết khái niệm này muộn hơn.)

Tiến bộ đạt được rất nhanh. Năm 1971, John Schwarz, André Neveu và Pierre Ramond đã tổng quát hóa mô hình dây sao cho nó bao gồm một đại lượng mới được gọi là spin, làm cho nó là một ứng viên hiện thực cho các tương tác hạt. (Tất cả các hạt hạ nguyên tử, như chúng ta sẽ thấy, dường như đang quay như một con quay thu nhỏ. Lượng spin của mỗi hạt hạ nguyên tử, tính bằng các đơn vị lượng tử, hoặc là một số nguyên như 0, 1, 2 hoặc một nửa số nguyên như 1/2, 3/2. Đáng chú ý, dây Neveu-Schwarz-Ramond đã đưa ra chính xác quy luật này của các spin.)

Tuy nhiên, tôi vẫn không hài lòng. Mô hình cộng hưởng kép, như nó đã được gọi lại khi đó, là một tập hợp lỏng lẻo các công thức kỳ quặc và có tính kinh nghiệm. Tất cả vật lý trong 150 năm trước đã dựa vào các “trường”, kể từ khi chúng được nhà vật lý người Anh là Michael Faraday đưa ra lần đầu tiên. Hãy nghĩ về các đường sức từ được một thanh nam châm tạo ra. Giống như một mạng nhện, các đường sức từ này lan tỏa khắp không gian. Tại mỗi điểm trong không gian, bạn có thể đo được cường độ và hướng của các đường sức từ này. Tương tự, một trường là một đối tượng toán học có các giá trị khác nhau ở mỗi điểm trong không gian. Như vậy, trường đo cường độ của lực từ*, lực điện*, hay lực hạt nhân tại điểm bất kỳ trong vũ trụ. Vì thế, miêu tả nền tảng của điện, từ, lực hạt nhân và lực hấp dẫn dựa trên các trường. Vậy tại sao các dây lại khác? Điều cần đến là một “thuyết trường của các dây” có thể cho phép người ta tóm tắt toàn bộ nội dung của thuyết thành một phương trình duy nhất.

Năm 1974, tôi đã quyết định xử lý vấn đề này. Cùng với đồng nghiệp Keiji Kikkawa từ Đại học Osaka, tôi đã rút ra thành công thuyết trường của các dây. Trong một phương trình chỉ dài khoảng một inch rưỡi*, chúng tôi có thể tóm tắt tất cả thông tin có trong thuyết dây [122] . Khi thuyết trường của các dây được công thức hóa, tôi phải thuyết phục một cộng đồng vật lý lớn hơn về sức mạnh và vẻ đẹp của nó. Tôi tham dự một hội thảo vật lý lý thuyết tại Trung tâm Aspen ở bang Colorado vào mùa hè năm đó và tổ chức một hội nghị chuyên đề với một nhóm nhỏ nhưng có chọn lọc các nhà vật lý. Tôi đã khá lo lắng: trong số thính giả có hai người đoạt giải Nobel là Murray Gell-Mann và Richard Feynman, những người nổi tiếng hay đặt ra những câu hỏi sắc bén và thấu suốt, thường làm cho diễn giả bối rối. (Một lần, khi Steven Weinberg tổ chức một buổi nói chuyện, ông đã vẽ trên bảng đen một góc, viết lên đó chữ W, được gọi là góc Weinberg để vinh danh mình. Feynman sau đó đã hỏi chữ W trên bảng đen chỉ cái gì. Khi Weinberg bắt đầu trả lời, Feynman đã hét lên “Wrong!” (“Sai”) làm khán thính giả cười phá lên. Feynman có thể chọc cười khán thính giả, nhưng Weinberg mới là người cười sau cùng. Góc này thể hiện phần quyết định trong thuyết của Weinberg, phần hợp nhất tương tác điện từ và tương tác yếu, mà nhờ nó sau này ông đã đoạt giải Nobel.)

Trong buổi nói chuyện, tôi nhấn mạnh rằng thuyết trường dây sẽ tạo ra một cách tiếp cận đơn giản nhất, toàn diện nhất cho thuyết dây, khi đó chủ yếu là một tập hợp pha tạp các công thức rời rạc. Với thuyết trường dây, toàn bộ thuyết có thể được tóm tắt trong một phương trình duy nhất dài khoảng một inch rưỡi - tất cả các tính chất của mô hình Veneziano, tất cả các số hạng của xấp xỉ nhiễu loạn vô hạn này, và tất cả các tính chất của các dây đang quay có thể được rút ra từ một phương trình có thể nhét vừa vào một chiếc bánh đoán hạnh vận. Tôi đã nhấn mạnh chính các đối xứng đã ban sức mạnh và vẻ đẹp cho thuyết dây. Khi các dây di chuyển trong không-thời gian, chúng lan ra các bề mặt hai chiều, giống như một dải vải. Thuyết này vẫn nguyên không thay đổi bất kể chúng ta sử dụng các tọa độ nào để miêu tả bề mặt hai chiều này. Tôi sẽ không bao giờ quên giây phút Feynman đi tới chỗ tôi sau đó và nói: “Tôi có thể không hoàn toàn đồng ý với thuyết dây, nhưng buổi nói chuyện mà anh tổ chức là một trong những buổi hay nhất mà tôi đã từng nghe.”

MƯỜI CHIỀU

Nhưng ngay khi thuyết dây cất cánh, nó nhanh chóng được làm sáng tỏ. Claude Lovelace từ Đại học Rutgers phát hiện ra rằng mô hình Veneziano gốc có một thiếu sót toán học nhỏ và chỉ có thể được loại bỏ nếu không-thời gian có hai mươi sáu chiều. Tương tự, mô hình siêu dây của Neveu, Schwarz và Ramond chỉ có thể tồn tại trong mười chiều. [123] Điều này đã làm các nhà vật lý bàng hoàng. Bởi điều này chưa từng bao giờ xảy ra trong toàn bộ lịch sử khoa học. Chúng ta không tìm thấy ở đâu một thuyết tự chọn ra tính chất về chiều cho nó. Chẳng hạn, các thuyết của Newton và Einstein có thể công thức hóa trong bất kỳ chiều nào. Chẳng hạn, định luật bình phương nghịch đảo nổi tiếng của lực hấp dẫn có thể được tổng quát hóa thành định luật lập phương nghịch đảo trong bốn chiều. Tuy nhiên, thuyết dây chỉ có thể tồn tại trong một số chiều cụ thể.

Từ góc nhìn thực tế, đây là một thảm họa. Người ta đều tin rằng thế giới của chúng ta tồn tại trong ba chiều không gian (chiều dài, chiều rộng và chiều cao) và một chiều thời gian. Thừa nhận một vũ trụ mười chiều có nghĩa là thuyết này gần bước sang lãnh địa của khoa học giả tưởng. Các nhà lý luận thuyết dây đã trở thành cái đích của trò cười. (John Schwarz nhớ lại khi đi thang máy cùng Richard Feynman, Richard đã nói đùa với ông: “Thế nào, John, hôm nay anh đang sống trong bao nhiêu chiều?” [124] ) Nhưng dù các nhà vật lý dây có cố gắng cứu vãn mô hình như thế nào, nó đã nhanh chóng tàn lụi. Chỉ còn những người ngoan cố tiếp tục làm việc với thuyết dây. Đó là một nỗ lực đơn độc trong thời kỳ này.

Hai người ngoan cố vẫn tiếp tục nghiên cứu thuyết dây trong suốt những năm ảm đạm đó là John Schwarz từ Cal Tech và Joël Scherk từ Trường Đại học Sư phạm (École Normale Supérieure) ở Paris. Cho đến lúc đó, mô hình dây được cho là chỉ để miêu tả các tương tác hạt nhân mạnh. Nhưng có một vấn đề: mô hình dự đoán một hạt không xuất hiện trong các tương tác mạnh, một hạt lạ lùng với khối lượng bằng không và có 2 đơn vị spin lượng tử. Mọi cố gắng để thoát khỏi hạt khó chịu này đều thất bại. Mỗi lần người ta cố gắng loại bỏ hạt spin 2 này, mô hình đều sụp đổ và mất đi các tính chất ma thuật của nó. Bằng cách nào đó, hạt spin 2 không mong muốn này dường như nắm giữ bí mật của toàn bộ mô hình.

Khi đó Scherk và Schwarz đã đưa ra một phỏng đoán táo bạo. Có lẽ thiếu sót này thực sự là một phước lành. Nếu họ diễn giải lại hạt spin 2 rắc rối này giống như graviton (hạt hấp dẫn phát sinh ra từ thuyết của Einstein), thì thuyết này thực sự đã sáp nhập thuyết hấp dẫn của Einstein! (Nói cách khác, thuyết tương đối rộng của Einstein đơn thuần hiện ra như là rung động hay nốt thấp nhất của siêu dây.) Thật trớ trêu, trong các thuyết lượng tử khác các nhà vật lý cố hết sức để tránh bao gồm bất kỳ đề cập nào tới hấp dẫn thì thuyết dây lại đòi hỏi nó. (Quả thật, đó là một trong những đặc điểm hấp dẫn của thuyết dây - nó phải bao gồm hấp dẫn, nếu không thì thuyết này sẽ không nhất quán.) Với bước nhảy táo bạo này, các nhà khoa học nhận ra rằng mô hình dây đang được áp dụng không đúng vào không đúng vấn đề. Nó không định là một thuyết chỉ của các tương tác hạt nhân mạnh; mà nó là thuyết vạn vật. Như Witten đã nhấn mạnh, một đặc trưng cuốn hút của thuyết dây là ở chỗ nó đòi hỏi sự có mặt của lực hấp dẫn. Trong khi các thuyết trường tiêu chuẩn phải bao thập kỷ nay không sáp nhập được hấp dẫn, thì hấp dẫn lại thực sự có tính bắt buộc trong thuyết dây.

Tuy nhiên, ý tưởng gieo mầm của Scherk và Schwarz đã bị mọi người lờ đi. Để thuyết dây miêu tả cả hấp dẫn lẫn thế giới hạ nguyên tử, thì các dây sẽ chỉ phải dài 10⁻³³ cm (độ dài Planck); nói cách khác, chúng nhỏ hơn proton một tỉ tỉ lần*. Một tỉ lệ quá lớn khiến phần lớn các nhà vật lý khó chấp nhận.

Nhưng vào giữa thập niên 1980, những nỗ lực khác nhắm vào một thuyết trường thống nhất đã lung lay. Những thuyết nào thử gắn một cách ngây thơ hấp dẫn vào Mô hình Chuẩn đều bị chìm đắm trong bãi lầy của các vô hạn (mà tôi sẽ giải thích một cách vắn tắt). Mỗi lần ai đó thử kết hợp hấp dẫn với các lực lượng tử khác, nó đều dẫn tới những chi tiết thiếu nhất quán toán học giết chết thuyết đó. (Einstein tin rằng có lẽ Chúa đã không có sự lựa chọn khi tạo ra vũ trụ. Một lý do cho niềm tin này là chỉ có một thuyết duy nhất thoát khỏi tất cả các mâu thuẫn toán học này.)

Có hai loại thiếu nhất quán toán học như vậy. Đầu tiên là vấn đề các phần tử vô hạn. Thông thường, các thăng giáng lượng tử đều rất nhỏ. Các hiệu ứng lượng tử thường chỉ là hiệu chỉnh nhỏ đối với các định luật Newton về chuyển động. Đây là lý do tại sao chúng ta có thể, trong phần lớn các trường hợp, bỏ qua chúng trong thế giới vĩ mô của chúng ta - chúng quá nhỏ đến mức không nhận thấy. Tuy nhiên, khi hấp dẫn được chuyển thành một thuyết lượng tử, các thăng giáng lượng tử này thực sự trở thành vô hạn, nghĩa là vô nghĩa. Thiếu nhất quán toán học thứ hai là phải giải quyết các “dị thường”, các sai lệch nhỏ nảy sinh khi chúng ta bổ sung các thăng giáng lượng tử vào thuyết. Các dị thường này làm hỏng tính đối xứng ban đầu của thuyết, do đó cướp mất sức mạnh ban đầu của nó.

Chẳng hạn, hãy tưởng tượng có một nhà thiết kế tên lửa phải tạo ra một tàu vũ trụ trơn láng, dáng thuôn khí động học để vượt qua bầu khí quyển. Tên lửa phải có sự đối xứng lớn nhằm giảm ma sát và sức cản của không khí (trong trường hợp này là tính đối xứng trụ, sao cho tên lửa vẫn giữ nguyên dạng khi chúng ta xoay nó quanh trục). Tính đối xứng này được gọi là O(2). Nhưng có hai vấn đề tiềm tàng. Thứ nhất, vì tên lửa di chuyển với vận tốc lớn như vậy, nên các rung động có thể xảy ra ở các cánh. Thông thường, các rung động này là khá nhỏ đối với các máy bay hạ thanh. Tuy nhiên, khi di chuyển ở các vận tốc siêu thanh, các thăng giáng này có thể gia tăng cường độ và cuối cùng xé rách cánh. Tương tự như thế, các phân kỳ cũng là tai họa cho bất kỳ thuyết hấp dẫn lượng tử nào [125] . Bình thường, chúng quá nhỏ nên có thể bỏ qua, nhưng trong thuyết hấp dẫn lượng tử thì chúng phình to ngay trước mặt bạn.

Vấn đề thứ hai của tàu vũ trụ tên lửa này là các vết nứt nhỏ có thể xảy ra trên thân tàu. Các vết nứt này làm hỏng tính đối xứng O(2) ban đầu của tàu vũ trụ. Cho dù chúng rất nhỏ, các vết nứt này cuối cùng có thể lan ra và xé toạc thân tàu. Tương tự như vậy, các “rạn nứt” có thể triệt tiêu các đối xứng của một thuyết hấp dẫn.

Có hai cách để giải quyết các vấn đề này. Một là tìm giải pháp sửa chữa tạm thời, như vá víu các vết rạn nứt bằng keo và dùng thanh chằng buộc cánh, với hy vọng tên lửa sẽ không nổ tung trong khí quyển. Từ trước tới nay, đây là cách tiếp cận được phần lớn các nhà vật lý đi theo khi cố gắng kết hợp thuyết lượng tử với hấp dẫn. Họ đã cố gắng trải phẳng hai vấn đề này dưới tấm thảm. Cách thứ hai là làm lại từ đầu, với một hình dáng mới và các vật liệu mới lạ, có thể chịu được các ứng suất của du hành không gian.

Các nhà vật lý đã mất nhiều thập kỷ để cố gắng vá víu một thuyết hấp dẫn lượng tử, chỉ để thấy nó bị thủng lỗ chỗ trong vô vọng với các phân kỳ và các dị thường mới. Dần dần, họ đã nhận ra giải pháp có thể làm là từ bỏ cách tiếp cận sửa chữa tạm thời và chấp nhận một thuyết mới hoàn toàn. [126]

CỔ XE CỔ ĐỘNG CHO THUYẾT DÂY

Năm 1984, trào lưu chống lại thuyết dây đột ngột đổi hướng. John Schwarz từ Cal Tech và Mike Green, khi đó ở Đại học Queen Mary College tại London, đã chỉ ra rằng thuyết dây không chứa tất cả những chi tiết thiếu nhất quán từng làm tiêu vong rất nhiều thuyết khác. Trước đó các nhà vật lý biết rằng thuyết dây đã thoát khỏi các phân kỳ toán học. Nhưng Schwarz và Green chỉ ra rằng nó cũng thoát khỏi các dị thường. Kết quả là thuyết dây đã trở thành ứng viên hàng đầu (và hiện nay là duy nhất) cho một thuyết vạn vật.

Đột nhiên, một thuyết từng bị coi là đã chết lại được phục sinh. Từ một thuyết vô dụng, thuyết dây đột nhiên trở thành một thuyết vạn vật. Vô số các nhà vật lý đã cố gắng hết mức tìm đọc các bài báo về thuyết dây. Một loạt các bài báo bắt đầu dồn dập ùa ra từ các phòng nghiên cứu trên khắp thế giới. Các bài báo cũ đang phủ đầy bụi trong thư viện đột nhiên trở thành chủ đề nóng sốt nhất trong vật lý. Ý tưởng về các vũ trụ song song một thời bị coi là quá lạ lùng, bây giờ trở thành tâm điểm trong cộng đồng vật lý, với hàng trăm hội nghị và theo đúng nghĩa đen là hàng vạn bài báo dành cho vấn đề này.

(Có lúc, mọi thứ đã vượt khỏi tầm kiểm soát, khi một số nhà vật lý đã bị lên “cơn sốt Nobel”. Tháng 8 năm 1991, tạp chí Discover thậm chí đã trình bày nổi bật trên bìa một nhan đề giật gân: “Thuyết vạn vật mới: Một nhà vật lý giải quyết điều bí ẩn vũ trụ cuối cùng”. Bài báo đã trích dẫn lời một nhà vật lý đang ráo riết mưu cầu sự nổi tiếng và danh vọng: “Tôi không phải là một người khiêm tốn. Nếu điều này được giải quyết, sẽ có một giải Nobel về nó,” ông ta ba hoa. Khi phải đối mặt với chỉ trích rằng thuyết dây vẫn còn trong giai đoạn sơ sinh, ông đã đáp lại: “Những anh chàng thuyết dây tầm cỡ nhất đang nói phải mất 400 năm để chứng minh các dây, nhưng tôi nói họ nên ngậm miệng lại.” [127] )

Cuộc đổ xô đi tìm vàng bắt đầu.

Cuối cùng, đã có một phản ứng dữ dội chống lại “cỗ xe cổ động cho siêu dây”. Một nhà vật lý từ Đại học Harvard đã châm chọc rằng thuyết dây thực sự không phải là một nhánh của vật lý chút nào, mà thực ra là một nhánh của toán học thuần túy, hoặc triết học, nếu như không phải là của tôn giáo. Người đoạt giải Nobel Sheldon Glashow của Đại học Harvard đã dẫn đầu phe buộc tội khi so sánh phong trào cổ động cho siêu dây với chương trình Chiến tranh giữa các vì sao (tiêu phí cơ man các nguồn tài nguyên nhưng cho tới nay chưa bao giờ có thể được thử nghiệm). Glashow đã nói rằng ông thực sự cảm thấy khá vui sướng về việc có rất nhiều nhà vật lý trẻ tiếp tục làm việc với thuyết dây, bởi vì nó khiến họ không quấy rầy ông. Khi được hỏi về nhận xét của Witten rằng thuyết dây có thể thống trị vật lý trong năm mươi năm kế tiếp, giống như cách mà cơ học lượng tử đã thống trị trong năm mươi năm qua, ông trả lời rằng thuyết dây sẽ thống trị vật lý giống như cách mà thuyết Kaluza-Klein* (mà ông coi là “kỳ cục”) đã thống trị vật lý trong năm mươi năm qua, một điều hoàn toàn không xảy ra. Ông đã cố gắng để các nhà lý luận thuyết dây ở bên ngoài Harvard. Tuy nhiên, khi thế hệ các nhà vật lý kế tiếp đã chuyển sang thuyết dây, ngay cả tiếng nói đơn độc của một người đoạt giải Nobel cũng nhanh chóng bị át đi. (Kể từ đó Harvard đã thuê mướn vài nhà lý luận thuyết dây trẻ tuổi.)

BẢN NHẠC CỦA VŨ TRỤ

Einstein đã từng nói rằng nếu một thuyết không đưa ra được một bức tranh vật lý mà ngay cả một đứa trẻ cũng có thể hiểu, thì nó có lẽ là thuyết vô dụng. May mắn thay, phía sau thuyết dây là một bức tranh vật lý đơn giản, một bức tranh dựa trên âm nhạc.

Theo thuyết dây, nếu bạn có một siêu kính hiển vi và có thể nhòm ngó vào trong lõi của một electron, bạn sẽ thấy không phải là một hạt điểm mà là một sợi dây đang rung. (Sợi dây này cực kỳ nhỏ, ở thang độ dài Planck 10⁻³³ cm, nhỏ hơn một proton một tỉ tỉ lần, vì vậy tất cả các hạt hạ nguyên tử có vẻ giống như các điểm.) Nếu chúng ta gảy sợi dây này, rung động sẽ thay đổi, electron có thể biến thành nơtrino. Gảy nó một lần nữa thì nó có thể biến thành một quark. Trên thực tế, nếu bạn gảy đủ nhiều, nó có thể biến thành bất kỳ hạt hạ nguyên tử nào đã biết. Theo cách này, thuyết dây có thể dễ dàng giải thích tại sao lại có rất nhiều hạt hạ nguyên tử đến thế. Chúng chỉ là các “nốt” khác nhau mà người ta có thể chơi trên một siêu dây. Tương tự, trên một dây đàn vĩ cầm các nốt la hay si hoặc đô thăng không phải là yếu tố cơ bản. Đơn giản bằng cách gảy sợi dây theo các cách khác nhau, chúng ta có thể phát ra tất cả các nốt của một thang âm. Chẳng hạn, si giáng không phải là nốt cơ bản hơn so với nốt son. Tất cả chúng chỉ đơn thuần là các nốt trên dây đàn vĩ cầm. Cũng theo cách đó, các electron và các quark không phải là yếu tố cơ bản, mà dây mới là cơ bản. Trên thực tế, tất cả các hạt hạ nguyên tử của vũ trụ có thể được xem xét chẳng là gì khác ngoài các rung động khác nhau của dây. Các “hòa âm” của dây là các định luật vật lý.

Các dây có thể tương tác bằng cách chia ra và hợp lại, theo cách ấy tạo ra các tương tác mà chúng ta thấy giữa electron và proton trong nguyên tử. Theo cách này, thông qua thuyết dây, chúng ta có thể tái tạo mọi định luật của vật lý nguyên tử và hạt nhân. Những “giai điệu” có thể được viết trên các dây tương ứng với các định luật hóa học. Bây giờ vũ trụ có thể được xem xét như là một bản giao hưởng lớn của các dây.

Thuyết dây không chỉ giải thích các hạt của thuyết lượng tử như là các nốt nhạc của vũ trụ, nó cũng giải thích thuyết tương đối rộng của Einstein - rung động thấp nhất của dây, một hạt spin 2 với khối lượng bằng 0, có thể được diễn giải là graviton, tức hạt hay lượng tử hấp dẫn. Nếu tính toán tương tác của các graviton, chúng ta tìm thấy chính xác thuyết hấp dẫn thân quen của Einstein dưới dạng lượng tử. Khi dây di chuyển, đứt vỡ và tái hình thành, nó tạo ra các giới hạn to lớn lên không-thời gian. Khi chúng ta phân tích các ràng buộc này, chúng ta lại thấy thuyết tương đối rộng thân quen của Einstein. Như thế, thuyết dây giải thích gọn gàng thuyết của Einstein mà không cần bổ sung thêm gì cả. Edward Witten đã nói rằng nếu như Einstein không bao giờ khám phá ra thuyết tương đối, thì thuyết của ông chắc có lẽ được phát hiện dưới dạng một phụ phẩm của thuyết dây. Theo nghĩa nào đó thì thuyết tương đối rộng là không mất phí.

Vẻ đẹp của thuyết dây là ở chỗ nó có thể được so sánh với âm nhạc. Âm nhạc cho ta phép ẩn dụ có thể hiểu được bản chất của vũ trụ, ở cả cấp độ hạ nguyên tử lẫn cấp độ vũ trụ. Như nhạc công vĩ cầm trứ danh Yehudi Menuhin đã từng viết: “Âm nhạc tạo ra trật tự từ hỗn độn, vì nhịp điệu áp đặt tính đồng nhất vào sự phân kỳ; giai điệu áp đặt tính liên tục vào sự rời rạc, và hòa âm áp đặt tính tương hợp vào sự bất hợp” [128]

Einstein thường viết rằng nghiên cứu của ông về một thuyết trường thống nhất cuối cùng sẽ cho phép ông “đọc được Ý Chúa”. Nếu thuyết dây là chính xác, hiện nay chúng ta thấy rằng Ý nghĩ của Chúa tương ứng với bản nhạc vũ trụ đang âm vang trong khắp siêu không gian mười chiều. Như Gottfried Leibniz đã từng nói: “Âm nhạc là bài tập số học ẩn của một tâm hồn không ý thức được rằng nó đang tính toán.” [129]

Trong lịch sử, mối liên hệ giữa âm nhạc và khoa học đã sớm được tôi rèn vào thế kỷ 5 TCN, khi những người Hy Lạp theo trường phái Pythagoras phát hiện ra các quy luật hòa âm và quy giản chúng dưới dạng toán học. Họ thấy rằng âm sắc (tông) của một dây đàn lia tương ứng với chiều dài của nó. Nếu người ta tăng gấp đôi chiều dài dây đàn, thì nốt nhạc giảm xuống đủ một quãng tám. Nếu chiều dài của dây giảm hai phần ba, thì âm sắc thay đổi một phần năm. Do đó, các quy luật của âm nhạc và hòa âm có thể được biến đổi thành các quan hệ chính xác giữa các con số. Không ngạc nhiên khi khẩu hiệu của những người theo trường phái Pythagoras là: “Mọi vật đều là số”. Ban đầu, họ quá hài lòng với kết quả này tới mức đã áp dụng các quy luật hòa âm trên cho toàn thể vũ trụ. Nỗ lực của họ đã thất bại vì sự phức tạp vô cùng của vật chất. Tuy nhiên, ở chừng mực nào đó, với thuyết dây, các nhà vật lý đang ngược trở về với giấc mơ của Pythagoras.

Bình luận về liên kết lịch sử này, Jamie James từng nói: “Âm nhạc và khoa học đã [từng có thời] được đồng nhất hóa sâu sắc tới mức bất cứ ai cho rằng giữa chúng có sự khác biệt cơ bản có thể bị coi là một kẻ ngu dốt, [nhưng bây giờ] nếu ai đó đề xuất rằng hai lĩnh vực có điểm chung nào đó thì có nguy cơ bị giễu là một kẻ mông muội bởi một phe và một kẻ nghiệp dư bởi phe kia - và cách chửi bới nặng nhất là bị cả hai phe coi là một kẻ làm thô thiển cả hai thứ.” [130]

CÁC VẤN ĐỀ TRONG SIÊU KHÔNG GIAN

Nhưng nếu các chiều bậc cao hơn thực sự tồn tại trong tự nhiên và không chỉ trong toán học thuần túy, thì lý thuyết gia về thuyết dây phải đối mặt với cùng một vấn đề đã dai dẳng bám theo Theodor Kaluza và Felix Klein từ năm 1921 khi họ Công thức hóa thuyết chiều bậc cao hơn lần đầu tiên: các chiều bậc cao hơn này nằm ở đâu?

Kaluza, một nhà toán học trước đây ít người biết tiếng, đã viết một bức thư gửi cho Einstein đề xuất trình bày công thức các phương trình Einstein trong năm chiều (một chiều thời gian và bốn chiều không gian). Về mặt toán học, điều này không khó, vì các phương trình Einstein có thể được dễ dàng viết ra cho bất kỳ chiều nào. Nhưng lá thư chứa một nhìn nhận độc đáo: nếu chia tách thủ công các bộ phận bốn chiều chứa trong các phương trình năm chiều, bạn sẽ tự nhiên thấy, gần như bởi phép màu, thuyết ánh sáng của Maxwell! Nói cách khác, thuyết lực điện từ Maxwell nhảy ngay ra khỏi các phương trình hấp dẫn của Einstein nếu chúng ta chỉ đơn thuần bổ sung thêm chiều thứ năm. Mặc dù chúng ta không thể nhìn thấy chiều thứ năm, nhưng các gợn sóng có thể hình thành trên chiều thứ năm, chúng tương ứng với các sóng ánh sáng! Đây là một kết quả hài lòng, vì các thế hệ nhà vật lý và kỹ sư đã phải ghi nhớ các phương trình khó nhớ của Maxwell trong suốt 150 năm qua. Bây giờ, các phương trình phức tạp này hiện lên dễ dàng như là các rung động đơn giản nhất người ta có thể thấy trong chiều thứ năm.

Hãy tưởng tượng một con cá bơi trong một cái ao nông, ngay dưới các tấm lá súng, nghĩ rằng “vũ trụ” của chúng chỉ có hai chiều. Thế giới ba chiều của chúng ta có thể vượt ra ngoài tầm mắt của chúng. Nhưng có một cách mà theo đó chúng có thể phát hiện sự tồn tại của chiều thứ ba. Nếu trời mưa, chúng có thể nhìn thấy rõ ràng các hình bóng của các gợn sóng đang di chuyển dọc theo bề mặt ao. Tương tự như vậy, chúng ta không thể thấy chiều thứ năm, nhưng các gợn sóng trong chiều thứ năm xuất hiện đối với chúng ta dưới dạng ánh sáng.

(Thuyết của Kaluza là một khám phá đẹp và sâu sắc về sức mạnh của tính đối xứng. Người ta sau đó đã chỉ ra rằng nếu chúng ta thêm nhiều chiều hơn nữa vào thuyết của Einstein và làm cho chúng rung động, thì các rung động chiều bậc cao này tái sản sinh ra các boson W và boson Z và các gluon tìm thấy trong các lực hạt nhân yếu và mạnh! Nếu chương trình do Kaluza chủ trương là chính xác, thì vũ trụ dường như đơn giản hơn nhiều so với người ta nghĩ trước đây. Các chiều với bậc ngày càng cao rung động đơn giản đã tái tạo nhiều loại lực trong số các lực điều khiển thế giới.)

Mặc dù Einstein đã bị sốc bởi kết quả này, nhưng nó hay ho đến mức khó tin là đúng. Qua nhiều năm, các vấn đề được phát hiện cho thấy rằng ý tưởng mà Kaluza đã nêu ra là vô tích sự. Thứ nhất, thuyết này chứa đựng đầy các phân kỳ và các dị thường, điển hình cho các thuyết hấp dẫn lượng tử. Thứ hai, nảy sinh câu hỏi vật lý gây bối rối hơn nhiều: tại sao chúng ta không thấy chiều thứ năm? Khi bắn các mũi tên lên trời, chúng ta không thấy chúng biến mất vào chiều đó. Hãy hình dung một làn khói từ từ lan tỏa vào mọi khu vực của không gian. Vì người ta chưa bao giờ quan sát thấy làn khói biến mất vào một chiều bậc cao hơn, nên các nhà vật lý nhận ra rằng các chiều bậc cao hơn, nếu như chúng tồn tại, thì phải nhỏ hơn cả một nguyên tử. Mặc dù trong thế kỷ vừa qua các nhà thần bí học và các nhà toán học đã ấp ủ ý tưởng về các chiều bậc cao hơn, nhưng các nhà vật lý đã nhạo báng ý tưởng này, vì chưa một ai từng thấy các vật thể tiến vào một chiều bậc cao hơn.

Để cứu vãn thuyết này, các nhà vật lý đã đề xuất rằng các chiều bậc cao này nhỏ tới mức người ta không thể quan sát được chúng trong tự nhiên. Vì thế giới của chúng ta là một thế giới bốn chiều, nên chiều thứ năm phải bị cuộn lại thành một vòng tròn nhỏ còn nhỏ hơn cả một nguyên tử, quá nhỏ để quan sát được bằng thực nghiệm.

Thuyết dây cũng phải đương đầu với một vấn đề tương tự. Chúng ta phải cuộn các chiều bậc cao không mong muốn này lại thành một quả cầu nhỏ (một quá trình được gọi là compact hóa). Theo thuyết dây, vũ trụ ban đầu là mười chiều, với tất cả mọi lực được thống nhất bởi dây. Tuy nhiên, siêu không gian mười chiều là không ổn định, và sáu trong mười chiều đã bắt đầu cuộn lại thành một quả cầu nhỏ, để mặc bốn chiều khác dãn nở ra ngoài trong một vụ nổ lớn. Lý do mà chúng ta không thấy các chiều khác này là ở chỗ chúng nhỏ hơn nhiều so với một nguyên tử, và vì thế không gì có thể len vào bên trong chúng. (Ví dụ, một ống dẫn nước tưới vườn và một ống hút, nhìn từ xa, dường như là các vật thể một chiều được xác định bằng chiều dài của chúng. Nhưng nếu kiểm tra chúng gần hơn, người ta thấy rằng chúng thực sự là các bề mặt hay các khối trụ hai chiều, nhưng chiều thứ hai đã bị cuộn lại sao cho người ta không nhìn thấy nó.)

TẠI SAO LÀ DÂY?

Mặc dù các cố gắng trước đây nhắm vào một thuyết trường thống nhất đã thất bại, nhưng thuyết dây vẫn vượt qua mọi thách thức. Trên thực tế, nó không có đối thủ. Có hai lý do giải thích tại sao thuyết dây lại thành công trong khi hàng mớ các thuyết khác đã thất bại.

Thứ nhất, thuyết dây dựa trên một vật thể kéo dài (dây), nên nó tránh được nhiều phân kỳ gắn với các hạt điểm. Như Newton đã nhận xét, lực hấp dẫn xung quanh một hạt điểm trở nên vô hạn khi chúng ta tới gần nó. (Trong định luật bình phương nghịch đảo nổi tiếng của Newton, lực hấp dẫn gia tăng theo tỉ lệ 1/ r² , sao cho nó vọt tới vô hạn khi chúng ta tới gần hạt điểm - nghĩa là, khi r tiến tới 0 thì lực hấp dẫn gia tăng và tiến tới 1/0, nghĩa là vô hạn).

Ngay cả trong một thuyết lượng tử, lực này vẫn là vô hạn khi chúng ta tới gần một hạt điểm lượng tử. Trong nhiều thập kỷ, một loạt các quy tắc bí hiểm đã được Feynman và nhiều người khác nghĩ ra để giấu vào chỗ khuất các phân kỳ này và nhiều loại phân kỳ khác. Nhưng đối với một thuyết hấp dẫn lượng tử, Feynman nghĩ ra cả trăm phương nghìn kế vẫn không đủ để loại bỏ tất cả các vô hạn trong thuyết này. Vấn đề là các hạt điểm vô cùng nhỏ, đồng nghĩa với việc các lực và năng lượng của chúng là tiềm tàng vô hạn.

Nhưng khi phân tích cẩn trọng thuyết dây, chúng ta tìm thấy hai cơ chế có thể loại bỏ các phân kỳ này. Cơ chế thứ nhất là do tô pô của các dây; cơ chế thứ hai do tính đối xứng của nó, được gọi là tính siêu đối xứng.

Tô pô của dây hoàn toàn khác với tô pô của các hạt điểm, vì thế mà các phân kỳ cũng hoàn toàn khác. (Đại thể, vì dây có một chiều dài hữu hạn, nên các lực không vọt tới vô hạn khi chúng ta tới gần dây. Tiến gần tới dây, các lực chỉ gia tăng tới 1/ L² , trong đó L là chiều dài của dây, cùng cấp độ với thang đo dài Planck là 10⁻³³ cm. Chiều dài L này đóng vai trò cắt đứt các phân kỳ.) Vì một dây không những không phải là một hạt điểm mà còn có một kích thước xác định, người ta c