Lý thuyết dây và thực nghiệm

Jan Zaanen, một nhà vật lý chất rắn tại trường Đại học Leiden, Hà Lan mô tả hai nhóm nhà khoa học như sau: Các nhà lý thuyết dây là những người dành cả thời gian của họ để đeo đuổi một lý thuyết tinh tế, ở mức độ toán học cao. Đó là “lý thuyết cho mọi thứ”. Còn đồng nghiệp của họ là những người chỉ muốn tập trung vào bản chất của vật liệu thực trong phòng thí nghiệm.

Các nhà khoa học đang cố gắng kết nối những kiến thức này được thôi thúc bởi một khám phá trùng hợp đáng ngạc nhiên: phương trình lý thuyết dây có thể là công cụ hữu ích để phân tích một số trạng thái kỳ lạ của vật chất, từ những quả bóng quark và gluon siêu nóng đến các nguyên tử siêu lạnh. Chỉ riêng năm qua đã có ít nhất bốn hội thảo quốc tế để khuyến khích sự hợp tác giữa các lĩnh vực khác nhau này, trong đó có một hội nghị được tổ chức bởi Zaanen ở Leiden.

Nhiều người vẫn hoài nghi rằng liệu liên minh kỳ lạ này có dẫn đến hiểu biết mới nào không, hay đó chỉ là sự kết hợp vì lợi ích. Ví dụ như lý thuyết dây gợi ý sự tồn tại của nhiều trạng thái mới của vật chất. Nhưng những dự đoán này quá khó để chứng minh và kiểm tra thực nghiệm bây giờ mới đang ở giai đoạn lập kế hoạch.

Trong lúc này lợi ích đối với từng bên là rất rõ ràng. Lý thuyết dây, từ lâu đã bị chê là không liên kết được với thực tế, đã nhận được tín nhiệm bằng thực nghiệm. Còn vật lý chất rắn có được một công cụ toán học mới - là lý thuyết dây mà truyền thông chưa bao giờ ưu ái.

Việc tác hợp bắt đầu cách đây khoảng chục năm bằng cuộc tái ngộ giữa Đàm Thanh Sơn và Andrei Starinets, hai người là sinh viên đại học và là bạn cùng ký túc xá tại Đại học Moscow những năm 1980. Đôi bạn mất tin tức của nhau lúc rời nước Nga sau khi chế độ cộng sản sụp đổ năm 1991. Nhưng năm 1999, Sơn đang làm tại Đại học Columbia ở thành phố New York, và nghe tin Starinets đang làm tiến sĩ về lý thuyết dây cách đó chỉ vài km tại Đại học New York. Do đó, Sơn đã đến thăm Starinest.

Hợp tác là điều nằm xa nhất trong suy nghĩ của anh. Lý thuyết dây rất phong phú về mặt toán học và có sự quyến rũ không cưỡng lại được. Nhưng đó là vật lý ở thang 10-35 m (10 phần tỉ tỉ tỉ tỉ m) – ý tưởng này dành cho các hạt cơ bản dường như không thể phân chia được, ví dụ như các hạt quark và electron sẽ trở nên nhỏ bé, các ống năng lượng luôn rung động khi nhìn ở thang độ này. Nhưng sợi dây này có thể có độ lớn nhỏ hơn khoảng 20 thang độ so với một proton, làm cho lý thuyết này nằm ngoài tầm với của bất kỳ thực nghiệm kiểm chứng trực tiếp nào. Chuyên ngành của Sơn, ngược lại, cắm rễ sâu vào thực nghiệm: anh cố hiểu các tính chất của plasma quark– gluon, những quả cầu siêu nóng có thời gian sống rất ngắn được tạo thành khi những hạt nhân nặng như vàng va đập mạnh vào nhau trong máy gia tốc. Tất cả những gì liên quan đến dây đều xa lạ với anh.

Ngoại trừ việc đó, khi Sơn nhìn thấy các tính toán của lý thuyết dây mà Starinets đang làm cùng với người bạn nghiên cứu sinh Giuseppe Policastro, anh nhận ra những phương trình này tương tự như những phương trình mà anh sử dụng để phân tích plasma. Ngay lập tức Sơn muốn biết chuyện gì đang xảy ra, và Starinets bắt đầu giải thích. Starinets và Policastro đã dựa trên ý tưởng được đưa ra bởi Juan Maldacena, nhà vật lý ở Đại học Havard ở Cambridge, Masachusetts. Maldacena bấy giờ đang ở viện nghiên cứu cao cấp Princeton, New Jersey, đã nhận ra rằng lý thuyết dây dự đoán một sự tương đương toán học giữa hai vũ trụ giả thuyết, một trong hai giống với vũ trụ của chúng ta. Ví dụ, nó cũng có ba chiều không gian và một chiều thời gian, và được lấp đầy bằng cùng nhiều loại hạt cơ bản, và tuân theo phương trình trường lượng tử quen thuộc. Nhưng nó không thể chứa dây hay trọng lực.

Còn vũ trụ kia thì ngược lại: chứa cả dây và trọng lực mạnh đến nỗi có thể tạo thành các lỗ đen – nhưng không có các hạt cơ bản. Nó cũng có thêm một chiều không gian.

Tầm nhìn Maldacena thật đơn giản, khá táo bạo: xem bất kỳ quá trình bao gồm các và trường ở vũ trụ thứ nhất, ông nói, nó có thể được mô tả bằng một quá trình bao gồm trọng lực, lỗ đen và các dây ở vũ trụ thứ hai, và ngược lại. Các phương trình có thế rất khác nhau. Nhưng bản chất vật lý thì hoàn toàn giống nhau.

Nó giải thích vì sao Sơn nhìn thấy các phương trình quark – gluon trong tính toán lý thuyết dây, Starinets giải thích: đó là phương trình tương đương ba chiều của trường hấp dẫn mà anh và Policastro đang nghiên cứu trong vũ trụ bốn chiều.

Phối hợp vì lợi ích

Việc nhảy qua nhảy lại giữa các vũ trụ thật khó hiểu ngay cả theo tiêu chuẩn lý thuyết dây (và còn khó hiểu hơn đối với những người không nghiên cứu lý thuyết dây, bởi vì Maldacena chỉ ra rằng phép chiếu không những chỉ đúng với không gian ba chiều và bốn chiều mà còn giữa bốn và năm chiều, năm và sáu chiều,…vv). Khi giáo sư Sơn và Starinets nói chuyện, họ nhận ra rằng phép chiếu Maldacena có thể là một công cụ giải toán hữu hiệu. Họ có thể bắt đầu bằng tập hợp một mớ lộn xộn các phép tính trường lượng tử trong thế giới thực ba chiều -  tức là các phương trình plasma quark – gluon – và chiếu những phương trình này lên không gian bốn chiều, mà trong đó các phương trình dường như dễ hơn rất nhiều. Sau đó họ có thể chiếu lại qua không gian ba chiều và lọc ra đáp án.

Việc này đã thành công. “Chúng tôi đã quay vòng các phép tính để cho ra một dự đoán của độ nhớt biên của plasma”, Sơn nói về một thông số mấu chốt của quả cầu quark – gluon. “Một người bạn của tôi trong ngành vật lý hạt nhân đã đùa rằng kết quả của chúng tôi là bài báo có ích đầu tiên của lý thuyết dây”, Sơn nói.

Năm 2008, dự đoán của nhóm đã được xác nhận lại tại máy gia tốc hạt ion nặng đóng ở phòng thí nghiệm quốc gia Blookhaven, Upton, New York. “Đây là kết quả định lượng chắc chắn và đến hôm nay nó vẫn là kết quả tốt nhất thu được từ phương trình liên kết lý thuyết dây với thực nghiệm”, Steve Gubser - một nhà lý thuyết dây tại Đại học Princeton, và là một trong những người tiên phong trong việc ứng dụng nguyên lý này cho các bài toán ở thế giới thực - nói.

Thành công của nhóm đồng thời cũng nhận được sự quan tâm của Subir Sachdev, nhà lý thuyết chất rắn tại Harvard. Cũng như Sơn đã nhìn thấy plasma trong các phương trình của Starinets, Sachdev nhìn thấy sự chuyển pha tới hạn lượng tử - sự thay đổi trạng thái tìm thấy ở vật chất khi chúng gần đến độ không tuyệt đối, khi các tác dụng của cơ học lượng tử bắt đầu chiếm ưu thế. “Chúng tôi sử dụng từ ngữ khác nhau”, ông ấy nói “nhưng về bản chất vật lý thì giống nhau”.

Sachdev đã hy vọng rằng ý tưởng của Maldacena có thể cung cấp cho ông và đồng nghiệp sự giúp đỡ cần thiết để khảo sát lĩnh vực không mấy thuận lợi này.

Trong vài thập kỷ vừa qua, các nhà thực nghiệm đã khám phá ra một loạt các trạng thái lượng tử chiếm ưu thế kỳ lạ- bao gồm chất siêu dẫn cho phép dòng điện truyền qua mà không có điện trở; chất siêu lỏng không có độ nhớt và có thể bò lên thành cốc: ngưng tụ Bose- Einstein làm từ các nguyên tử chuyển động từng bước giống như một “siêu nguyên tử” đơn; và kim loại “kỳ dị” có biểu hiện hoàn toàn khác so với kim loại thông thường. Nhưng các nhà vật lý vẫn không có cách nào để dự đoán những gì sẽ đến tiếp theo. “Chúng ta còn không thể trả lời câu hỏi cơ bản là tồn tại bao nhiêu pha vật chất”, Sean Hartnoll, một nhà lý thuyết dây ở Đại học Stanford tại California nói.

Cố gắng đầu tiên của Sachdev là áp dụng ý tưởng của Maldacena lên vật liệu trong phòng thí nghiệm đem lại kết quả là hai bài báo mà ông là đồng tác giả vào năm 2007, một là với Sơn và một đồng nghiệp của Sơn, và một bài khác cùng với nhóm trong đó có Hartnoll. Kể từ đó, Sachdev và các cộng sự đã xây dựng một phương pháp để tính dẫn xuất của kim loại lạ dựa vào các tính chất của lỗ đen trong vũ trụ bốn chiều của lý thuyết dây. Đây là một kỹ thuật mà John Mc Greevy tại viện kỹ thuật Massachsetts ở Cambridge và cộng sự cũng đeo đuổi. Kết quả là những nhóm này đã tạo lại được các tính chất lạ thường của kim loại ở nhiệt độ thấp. Họ cũng đã chiếu tính chất lỗ đen bốn chiều trong lý thuyết dây lên điều kiện mà ở đó nhiều vật liệu sẽ đổi pha thành các trạng thái khác ngoài chất rắng, lỏng và khí quen thuộc. “Bây giờ chúng tôi đã có một công cụ mạnh mẽ hoàn toàn mới để giải quyết các bài toán mà tôi đã nghiên cứu trong 20 năm qua”, Sachdev nói.

Sự tham gia của Sachdev đã kích thích sự quan tâm của các nhà vật lý chất rắn khác. “Phần lớn chúng tôi tham gia vào lĩnh vực này bởi vì sự lôi cuốn của tính cách và danh tiếng của Subir - chúng tôi nhận thấy rõ rằng nếu ông ấy coi vấn đề này là nghiêm túc, thì chúng tôi cũng nên làm như vậy”, Andrew Green, một nhà vật lý rắn ở Đại học St Andrwes, Anh nói.

Sự cộng tác với lĩnh vực chất rắn dường như hoàn hảo để kết nối lý thuyết dây với thực tế. Nếu không có gì khác, nó hứa hẹn sẽ cho ra vô số kết quả - khoảng 10500 lời giải cho phương trình cơ bản của nó, mỗi lời giải mô tả vũ trụ khả dĩ có kích thước, hình dạng, chiều và các định luật vật lý riêng. Thông qua ý tưởng của Maldacena, nhà lý thuyết Jerome Gautlett tại Đại học Hoàng gia London nói, “mỗi lời giải có thể được diễn tả bằng vô số vật liệu đang chờ khám phá”.

Phần thưởng chia đều cho nhau, Zaanen nói: “Nếu tôi nói về chất siêu dẫn và lỗ đen trong một buổi nói chuyện, mọi người bị thu hút bởi nó giống như con ong bị thu hút bởi mật vậy”. “Bây giờ, nó đang mang đến bầu nhiệt huyết tươi trẻ cho vật lý chất rắn, như là sự lựa chọn đầu tiên của nó”.

Sự tác hợp này đôi khi vẫn có nhiều mâu thuẫn. Mọi người đồng ý rằng các nhà vật lý chất rắn còn nhiều do dự về việc tác hợp này hơn là các nhà lý thuyết dây. “Tôi đã thất bại trong việc thuyết phục các nhà vật lý chất rắn cho phép các nhà lý thuyết dây thuyết trình tại các hội nghị lớn của họ”, Zaanen nói. “Họ e ngại rằng họ cần phải học lý thuyết dây để nói chuyện được với những người kia. Giống như tôi hỏi họ về việc uống cà phê với những sinh vật ngoài Trái đất”.

Polchinski thừa nhận sự hoài nghi về chất rắn là có cơ sở. “Tôi không nghĩ rằng các nhà lý thuyết dây đem lại điều gì mà các nhà vật lý chất rắn chưa biết”, ông ấy nói. Các kết quả định lượng dường như chỉ là việc tìm lại các câu trả lời mà các nhà vật lý chất rắn đã tìm ra thông qua các phương pháp thông thường.

Và còn tệ hơn, một vài dự đoán có thể kiểm chứng được từ lý thuyết dây trông quá kỳ dị khi khìn từ quan điểm chất rắn. Ví dụ như, các tính toán đề nghị rằng khi một vài chất tinh thể được làm lạnh tới độ không tuyệt đối, chúng sẽ đạt tới một trạng thái có năng lượng sàn thấp nhất. Nhưng điều đó vi phạm định luật thứ 3 của nhiệt động học, nói rằng những vật liệu này chỉ có duy nhất một trạng thái cơ bản.

Để xóa tan sự hoài nghi, các nhà lý thuyết đang bận rộn tìm kiếm các dự đoán có thể được để tìm ra bằng chứng xác thực nhất về sự hữu ích của việc cộng tác. Nhóm của Gauntlett, và các nhóm khác đang tìm kiếm cấu hình của lỗ đen trong vũ trụ lý thuyết dây để vạch ra các hiện tượng chuyển pha chưa được khám phá. Kỹ xảo là phải tìm ra vật chất có thể hiện sự chuyển pha này. Gaunlett nói: “Hy vọng rằng với kỹ thuật tiên tiến, các nhà thực nghiệm sẽ có khả năng chế tác ra vật chất có các tính chất mà chúng ta sự đoán”.

Sachdev đang áp dụng lý thuyết dây vào một vấn đề nhiều thách thức: tính toán sự biến động của độ dẫn đối với nhiệt độ khi các nguyên tử siêu lạnh chuyển từ trạng thái siêu lỏng tới một trạng thái cô lập khác. Ông ấy nghĩ rằng dự đoán của ông có thể được kiểm chứng trong vài năm tới.

Ngay cả khi chương trình này thành công thì lợi ích qua lại vẫn còn giới hạn. Lý thuyết dây có thể đưa ra một mớ tính chất để tìm kiếm, và các dự đoán về việc chúng sẽ thay đổi như thế nào trong các thí nghiệm. Nhưng nó sẽ không bao giờ đưa ra được một lý thuyết giải thích làm sao những tính chất này tạo thành từ các tính chất của electron. Tương tự như vậy, thí nghiệm xác minh các dự đoán của lý thuyết dây về chất rắn sẽ không chứng minh được rằng chính lý thuyết dây là lý thuyết mô tả chính xác nhất của thực tế.

Nhưng có lẽ, Green chỉ rõ mối quan hệ với vật chất sẽ chỉ ra rằng mọi người đã nhầm một cách cơ bản về lý thuyết dây. “Có thể lý thuyết dây không phải là lý thuyết duy nhất của thực tế mà có thể là cái gì đó sâu xa hơn – tập hợp các nguyên lý toán học có thể được sử dụng để liên kết tất cả các lý thuyết vật lý chẳng hạn”. Green cho hay, “Có thể lý thuyết dây là phép toán mới”.