7 LÝ THUYẾT CỦA TẤT CẢ

“Lí thuyết của tất cả” (Theory of Everything – ToE) là một trong những giấc mơ thân thương nhất của khoa học. Nếu nó được khám phá ra, thì nó sẽ mô tả sự hoạt động của vũ trụ ở cấp độ cơ bản nhất và do đó hoàn thiện toàn bộ kiến thức của chúng ta về tự nhiên. Nó cũng sẽ trả lời những câu hỏi dai dẳng lâu nay như vật chất tối là gì, nguyên do gì thời gian trôi chảy chỉ theo một chiều, và sự hấp dẫn hoạt động như thế nào. Điều kì diệu nhỏ bé mà Stephen Hawking nổi tiếng từng nói là một lí thuyết như vậy sẽ là “thành tựu tối hậu của trí tuệ con người – khi đó chúng ta sẽ biết được suy nghĩ của Chúa”.

Nhưng các nhà thần học vẫn chưa yên giấc được đâu. Bất chấp hàng thập kỉ nỗ lực, sự tiến bộ vẫn còn ì ạch. Thay vì một hoặc hai lí thuyết kình địch có giá trị có thể đánh giá dựa trên bằng chứng, thì có vô khối ứng cử viên và một vài manh mối vô giá cho cái hóa ra là chính xác.

Sau đây là một bản chỉ dẫn tóm gọn của một số lí thuyết đang dẫn đầu cuộc đua.




Hiểu được suy nghĩ của Chúa. (Ảnh: John Lund/Getty)


Lí thuyết dây

Đây có lẽ là lí thuyết của tất cả được biết tới nhiều nhất, và được nghiên cứu nhiều nhất. Nó đề xuất rằng các hạt cơ bản chúng ta thấy thật ra không phải là những hạt, mà là những sợi dây nhỏ xíu chỉ “trông” giống như hạt đối với những thiết bị khoa học vì chúng quá nhỏ.

Ngoài ra, cơ sở toán học của lí thuyết dây còn xây dựng trên các chiều không gian bổ sung, cái con người không thể trải nghiệm trực tiếp.

Đây là những đề xuất triệt để, nhưng nhiều nhà lí thuyết tìm thấy cách tiếp cận lí thuyết dây là tao nhã và đã đề xuất vô số biến thể trên khuôn khổ cơ bản dường như giải quyết được đủ loại câu hỏi hóc búa thuộc vũ trụ học. Tuy nhiên, họ có hai thách thức lớn cần phải vượt qua nếu họ muốn thuyết phục phần còn lại của cộng đồng khoa học rằng lí thuyết dây là ứng cử viên sáng giá nhất cho ToE.

Trước tiên, các nhà lí thuyết dây từ trước đến nay vẫn đang vật lộn với việc đưa ra những tiên đoán mới có thể kiểm tra được. Cho nên, lí thuyết dây vẫn chỉ là như vậy: một lí thuyết mà thôi.

Thứ hai, có quá nhiều biến thể của lí thuyết dây, không có biến thể nào có thể chính xác – và ít có cơ hội chọn giữa chúng. Để giải quyết vấn đề này, một số nhà vật lí đề xuất một khuôn khổ tổng quát hơn gọi là Lí thuyết M, lí thuyết hợp nhất nhiều lí thuyết dây.

Nhưng lí thuyết M có những trở ngại của nó. Tùy thuộc vào cách thức bạn thiết lập nó, lí thuyết M có thể mô tả 10500 vũ trụ bất kì. Một số nhà vật lí biện hộ rằng đây là bằng chứng cho thấy có nhiều vũ trụ, nhưng những người khác thì nghĩ nó chỉ có nghĩa là lí thuyết đó không thể kiểm tra được mà thôi.

Hấp dẫn lượng tử vòng

Mặc dù không được chú ý nhiều của công chúng, nhưng lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng trước nay là đối thủ duy nhất thật sự đối với lí thuyết dây.

Quan điểm cơ bản là không gian không liên tục, như chúng ta thường nghĩ, mà thay vào đó nó bị phá vỡ thành những mảng nhỏ xíu bề ngang 10-35 mét. Những mảng này sau đó nối lại với nhau bằng những liên kết tạo ra không gian mà chúng ta trải nghiệm. Khi những liên kết này thắt lại thành viền và nút, chúng tạo ra các hạt sơ cấp.

Lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng đã tạo ra một số tiên đoán không dứt khoát cho lắm về những hiệu ứng thế giới thực, và còn làm sáng tỏ về sự ra đời của vũ trụ, Nhưng những người ủng hộ nó trước nay phải chật vật tích hợp sự hấp dẫn vào trong các lí thuyết của họ. Và như với lí thuyết dây, một phép kiểm tra thực nghiệm thật sự sẽ vẫn là điều thiết yếu.

CDT

Thoạt nhìn, lí thuyết tam giác đạc động nhân quả (CDT) trông đẹp tương tự như lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng. Giống hệt như lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng phá vỡ không gian những “viên gạch cấu trúc” nhỏ xíu, CDT giả sử rằng không-thời gian phân tách thành những viên gạch cấu trúc nhỏ xíu – lần này, các khối bốn chiếu ấy được gọi là pentachoron.

Các pentachoron khi đó có thể gắn lại với nhau thành một vũ trụ quy mô lớn – cái hóa ra có ba chiều không gian và một chiều thời gian, giống hệt như không-thời gian thực sự. Thật hay, thật tốt, nhưng có nhược điểm chính: CDT như nó hiện nay không thể giải thích sự tồn tại của vật chất.

Hấp dẫn Einstein lượng tử

Quan điểm này, đề xuất bởi Martin Reuter thuộc trường đại học Mainz, Đức, chọn một chiến thuật hơi khác.

Một phần trở ngại với việc hợp nhất sự hấp dẫn và cơ học lượng tử là cái xảy ra với sự hấp dẫn ở những cấp độ rất nhỏ. Hai vật càng ở gần nhau, thì lực hút hấp dẫn giữa chúng càng mạnh; nhưng sự hấp dẫn còn tác dụng lên chính nó, và như một hệ quả, ở những khoảng cách rất nhỏ, một vòng phản hồi sẽ bắt đầu xuất hiện. Theo các lí thuyết thông thường, lực khi đó trở nên mạnh đến mức lố bịch – nghĩa là có cái gì đó không đúng với những lí thuyết thông thường.

Tuy nhiên, Reuter đã đi đến một phương pháp tạo ra một “điểm cố định”: một khoảng cách dưới đó sự hấp dẫn không còn mạnh hơn nữa. Điều này có thể giúp giải bài toán, và đưa đến một lí thuyết lượng tử của sự hấp dẫn.

Graphity lượng tử

Tất cả những lí thuyết trên đều giả sử rằng không và thời gian tồn tại, và sau đó cố gắng xây dựng lên phần còn lại của vũ trụ. Graphity lượng tử - sáng kiến của Fotini Markopoulou thuộc Viện Vật lí Lí thuyết Perimeter ở Waterloo, Ontario, Canada, và các đồng sự - thử một cách tiếp cận khác không có chúng.

Khi vũ trụ hình thành trong Big Bang, Markopoulou nói, không hề có cái như không gian mà chúng ta biết. Thay vào đó, có một mạng lưới trừu tượng của “nút” của không gian, trong đó mỗi nút nối với từng nút khác. Rất sớm ngay sau đó, mạng lưới này co sập lại và một số nút bị phá vỡ ra xa nhau, hình thành nên vũ trụ to lớn mà chúng ta thấy ngày nay.

Thuyết tương đối nội

Phát triển bởi Olaf Dreyer thuộc Viện Công nghệ Massachusetts, thuyết tương đối nội nhắm tới mục tiêu giải thích thuyết tương đối rộng có thể phát sinh như thế nào trong một thế giới lượng tử.
Mỗi hạt trong vũ trụ có một tính chất gọi là “spin”, có thể nghĩ đại khái là cái xảy ra với hạt đó khi nó quay. Mô hình của Dreyer tưởng tượng ra một hệ các spin tồn tại độc lập của vật chất và sắp xếp ngẫu nhiên. Khi hệ đạt tới một nhiệt độ tới hạn, các spin sắp thẳng hàng, hình thành nên một mẫu có trật tự.

Bất kì ai thật sự đang sống trong hệ spin sẽ không nhìn thấy chúng. Tất cả những gì họ thấy là các tác động của chúng, cái Dreyer chứng minh rằng sẽ bao gồm không-thời gian và vật chất. Ông còn làm chủ được việc thu lại thuyết hấp dẫn Newton từ mô hình đó: tuy nhiên, thuyết tương đối rộng vẫn chưa được hợp nhất.

E8

Năm 2007, nhà vật lí (và đôi khi là nhà lướt ván) Garrett Lisi đã làm mưa làm gió trên các báo với một lí thuyết có khả năng là lí thuyết của tất cả.

Sự xôn xao bắt đầu bởi một bài báo trình bày về E8, một kiểu mẫu toán học phức 8 chiều với 248 điểm. Lisi chứng tỏ rằng những hạt cơ bản và lực cơ bản khác nhau mà vật lí học đã biết có thể đặt vào các điểm của mẫu E8, và nhiều tương tác của chúng xuất hiện sau đó một cách tự nhiên.
Một số nhà vật lí đã chỉ trích nặng nề đối với bài báo trên, trong khi những người khác thì chào đón một cách thận trọng. Cuối năm 2008, Lisi đã được trợ cấp để tiếp tục nghiên cứu của ông về E8