Steven Weinberg và các lý thuyết thống nhất

Steven Weinberg là nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng. Năm 1967, bài báo dài vỏn vẹn hai trang dưỡi “Một mô hình của Lepton” của ông được công bố và không lâu sau, bài báo này đã được tham chiếu rộng rãi, đặt nền móng cho lý thuyết điện - yếu. 12 năm sau, vào năm 1979, Steven Weinberg đã vinh dự nhận giải Nobel Vật lý cùng với Abadus và Sheldon Glashow nhờ lý thuyết này. Trong bài báo Steven Weinberg đã chứng minh rằng, hai trong bốn lực của tự nhiên là điện từ và yếu, tuy bên ngoài có vẻ khác nhau song thực chất chỉ là hai biểu hiện khác nhau của cùng một lực là điện - yếu. Và hạt chuyển tải lực yếu là một boson (gọi là boson yếu). Sở dĩ ta khó nhận được lý thuyết điện - yếu chỉ vì đối xứng điện - yếu bị phá vỡ tự phát (Spontaneously Broken). Sự phá vỡ đối xứng này tạo ra khối lượng cho các hạt.

Steven Weinberg còn có nhiều đóng góp vào việc xây dựng mô hình chuẩn (Standard Model - SM) thống nhất ba tương tác điện từ, yếu và mạnh. Sau đó, Steven Weinberg tiếp tục nghiên cứu thống nhất 3 tương tác trên với tương tác hấp dẫn (như lý thuyết dây - String Theory).

Dưới đây là trả lời phỏng vấn của Weinberg.

SA. Máy LHC (Máy va chạm Hadron lớn) đã bắt đầu hoạt động 6 tháng nay, rất nhiều lý thú đang chờ đợi. Nhiều người còn so sánh sự kiện này với các cuộc cách mạng về lượng tử và hấp dẫn đầu thế kỷ XX. Ông có ý kiến gì về điều này?

Weinberg: Tôi nghĩ sẽ có nhiều điều lý thú song nếu muốn nói đến một cuộc cách mạng thì đó phải là những điều hoàn toàn không đoán trước được. Còn ở đây hiện nay, chúng ta đang cố gắng đi những bước tiếp theo SM với hi vọng thống nhất bốn lực thiên nhiên (mạnh, yếu, điện từ và hấp dẫn).

Khi chúng ta đã có một biểu hiện thực sự thấu đạt về thiên nhiên ở mức cơ bản nhất thì điều này sẽ thâm nhập vào xã hội nói chung. Rất có thể là lý thuyết này sẽ có nhiều hàm lượng toán học, ban đầu khó hiểu với nhiều người (ví dụ, trường hợp Lý thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton). Sau đó thì lý thuyết xâm nhập vào mọi lĩnh vực như kỹ thuật, kinh tế, sinh học, chính trị và tôn giáo. Tôi nghĩ rằng, một điều tương tự như thế sẽ xảy ra nếu chúng ta có được một lý thuyết thống nhất của thiên nhiên. Nhiều điều trước đây khó hiểu như lực gắn kết các hạt trong nguyên tử thì giờ đây trở nên rõ ràng, tuy nhiên, bây giờ chúng ta lại phải đối diện với nhiều bí ẩn khác, ví dụ vì sao các hạt trong SM lại có được những tính chất mà chúng đang có. Sẽ đến lúc chúng ta có thể hiểu được nhiều bí ẩn cơ bản của thiên nhiên và đó là một bước ngoặt trong lịch sử của nhân loại.

SA. Hạt Higgs (boson có spin bằng không do nhà vật lý Xcotlen Peter Higgs đưa vào lý thuyết năm 1964. Hạt Higgs sẽ tạo ra khối lượng cho các hạt khác khi tương tác với chúng) được nêu ra như mục tiêu số 1 của LHC vì máy gia tốc Tevatron tại Fermilab không tìm ra được. Xin ông cho biết lý thuyết điện - yếu và SM phụ thuộc thế nào vào hạt Higgs?

Weinberg: Tôi cho rằng chúng hoàn toàn phụ thuộc vào quá trình phá vỡ đối xứng tự phát. Song nếu hỏi vì sao đối xứng bị phá vỡ thì đấy là một câu hỏi còn để ngỏ trong sơ đồ của Salam và chúng tôi cần có một hạt như hạt Higgs để thực hiện quá trình phá vỡ đối xứng.

Song cũng có thể có khả năng khác như đối xứng bị phá vỡ bởi nhiều loại lực mạnh và không cần đến hạt Higgs nữa. Những loại lực mạnh mới này mạnh hơn nhiều lực mạnh cần biết. Lenny Susskind độc lập với tôi đã phát triển một lý thuyết mà chúng tôi thỏa thuận gọi là lý thuyết đa sắc (Technicolor). Theo ý tưởng chung thì hạt Higgs lại không có spin, cho nên trước đây các nhà vật lý đã xây dựng Lý thuyết đa sắc (Techonicolor) mô tả hạt Higgs như là một hạt phức hợp (Composite) cấu tạo bởi những hạt Techniquak (có spin bán nguyên), giống như cặp Cooper trong siêu bán dẫn cấu tạo bởi hai electron. Đây cũng là một hướng phát triển được chú ý). Lý thuyết này cũng cho kết quả về khối lượng các boson yếu như trong Lý thuyết điện - yếu. Nếu lý thuyết này đúng thì hi vọng LHC sẽ phát hiện ra và lý thuyết này sẽ dẫn đến sự tồn tại nhiều hạt khác.

Vậy nếu LHC không tìm ra hạt Higgs thì hi vọng nó sẽ giúp chúng ta tìm ra một cơ chế nào khác phá vỡ đối xứng tự phát. Một điều khẳng định là, nếu không có quá trình phá vỡ đối xứng tự phát thì lý thuyết rơi vào tình trạng không tương hợp với toán học.

Dector dùng để tìm hạt Higgs, một trong những detector lớn tại LHC.

SA. Một đối xứng quan trọng mà người ta hy vọng LHC sẽ tìm ra là siêu đối xứng nối liền các boson yếu và các hạt vật chất như electron, quark. Nhiều nhà vật lý tin tưởng vào siêu đối xứng như Enstien tin tưởng vào lý thuyết tương đối. Ông có suy nghĩ thế nào về vấn đề này?

Weinberg: Không. Lý thuyết tương đối của Enstien đúng về mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm đối với mọi trường hợp. Một cảm nghĩ như thế tôi không có đối với siêu đối xứng. Siêu đối xứng đã thu được một số kết quả. Chính xác hóa một số dự đoán của SM, tạo ra một số hạt ứng viên cho vật chất tối (Dark Matter), có một vẻ đẹp thuyết phục trong việc kết nối các hạt như boson yếu với các hạt như electron.

Song các điều đó chưa đủ làm cho tôi tin tưởng rằng siêu đối xứng là đúng hoàn toàn.

SA. Ông đã nghiên cứu nhiều về nguyên lý vị nhân - tức ý tưởng cho rằng mọi hình thái của vũ trụ không có một lối giải thích nào sâu hơn là chúng ta sống trong một vùng đặc biệt của một vũ trụ rộng hơn. Ông cho rằng, nguyên lý vị nhân là nguyên lý hay nhất để giải thích mật độ năng lượng tối vốn gây nên quá trình giãn nở của vũ trụ. Ông có thể nói điều gì về vấn đề này?

Weinberg: Chúng tôi suy nghĩ về những vấn đề mà chúng ta cho là cơ bản như: Khối lượng các hạt, các loại lực, số chiều không - thời gian. Song rất có thể những điều đó chưa phải là cơ bản nhất.

Vũ trụ của chúng ta có thể lớn hơn chúng ta tưởng. Có thể tồn tại nhiều phần khác nhau của vũ trụ ở đây “phần” có nghĩa là những vùng những tính chất, những định luật hoàn toàn khác, thậm chí số chiều không - thời gian cũng khác.

Khi tôi viết những điều này vào năm 1978, tôi sẵn sàng đón nhận mọi ý tưởng khác về vũ trụ có nhiều phần với những tính chất khác nhau, như mật động năng lượng tối thay đổi từ phần này sang phần khác. Một ý tưởng khác có liên quan là Lý thuyết lạm phát hỗn độn (Chaotic Inflation) của Andre Linde, trong đó Linde cho rằng, có nhiều Bigbang xảy ra định kỳ ở đâu đó tạo nên những trị số khác nhau của năng lượng tối.

Như stephen Hawking đã mô tả trong bài báo “Lý thuyết (khó xây dựng) của tất cả” (SA số tháng 10 - 2010), vũ trụ có thể nằm trong trạng thái chồng chất (Superposition) của nhiều trạng thái giống như chú mèo Schrodinger (vừa nằm trong trạng thái sống, vừa nằm trong trạng thái chết). Tương tự như vậy, vũ trụ có những trạng thái trong đó tồn tại những nhà khoa học đang khám phá thế giới xung quanh mà họ xem đấy là toàn bộ vũ trụ; cũng tồn tại trạng thái của vũ trụ với kích thước nhỏ và mọi quá trình xảy ra quá nhanh chóng, ở đấy không tồn tại nhà khoa học nào cả và như vậy không có ai để quan sát vũ trụ.

Nguyên lý vị tiên đoán rằng, mật độ năng lượng tối dù nhỏ để các thiên hà có thể hình thành song không quá nhỏ vì những vũ trị với kích thước nhỏ là tương đối hiếm. Tôi đã thực hiện những phép tính năm 1998 cùng hai nhà thiên văn học thuộc đại học Texas (Hoa Kỳ) là Hugo Martel và Paul R. Shapiro. Kết quả cho thấy rằng, năng lượng tối đủ lớn để có thể phát hiện được. Không lâu sau đó các nhà thiên văn đã tìm được ra.

SA. Ông là cầu nối giữa hai tập thể các nhà vật lý vũ trụ học, Lý thuyết tương đối rộng và những nhà vật lý hạt cơ bản, Lý thuyết lượng tử. Với chuyên môn tổng hợp như vậy, liệu ông có thể nhìn thấy cách thống nhất hai lĩnh vực đó?

Weinberg: Hiện nay tôi chưa thấy một phương pháp nào. Còn quá sớm để nói một lý thuyết nào đó mô tả được thế giới khách quan.

Lý thuyết dây được giả định là lý thuyết có khả năng làm triệt tiêu những đại lượng phân kỳ song cũng tồn tại một khả năng khác dựa trên cơ sở lý thuyết an toàn tiệm cận (Asymptotic Safety). Cường độ các lực sẽ tiến đến những trị số hữu hạn ở vùng năng lượng cao, nói cách khác, chúng được bảo vệ an toàn đối với hiện tượng phân kỳ. Sau năm 2000, nhiều nhà vật lý đã sử dụng lý thuyết an toàn tiệm cận trong một số tính toán xấp xỉ và thu được kết quả là lý thuyết này làm việc tốt như trong SM.

SA. Cách tiếp cận đó khác lý thuyết dây ở chỗ nào thưa ông?

Weinberg: Có thể nói đó là một tiếp cận đối ngược với lý thuyết dây. Trong lý thuyết dây, người ta từ bỏ lối tiếp cận thông thường của lý thuyết trường để tạo ra những yếu tố mới. Lý thuyết dây là một bước lớn theo một hướng mới. Lý thuyết tiệm cận an toàn lại dựa trên cơ sở khẳng định rằng Lý thuyết trường lượng tử thông thường mà chúng tôi sử dụng trong những năm 60 và 70 của thế kỷ XX vẫn là một công cụ hữu hiệu.

Tôi không có ý nói rằng, an toàn tiệm cận là một hướng đi tốt hơn. Nếu lý thuyết dây là đúng thì điều đó không làm tôi ngạc nhiên vì đó là một lý thuyết đẹp đẽ về mặt toán học và rất có thể đó là một lý thuyết đúng đắn. An toàn tiệm cận chỉ là một khả năng rất đáng được khai thác.

Đến nay thì vẫn chưa có một lý thuyết nào gây nên đột biến, ví dụ trong việc tính các thông số toán học trong SM (các thông số này được đưa vào lý thuyết không một lời giải thích). Nhìn vào khối lượng các hạt giống như chúng ta đang nhìn vào một bản cổ tự. Chúng ta có toàn bộ phiên bản nhưng không thể hiểu nó nói lên điều gì.

SA. Ông sắp xếp thời gian của mình thế nào để viết những điều ngoài vật lý?

Weinberg: Tôi yêu vật lý. Tôi không muốn đi ngược lại thời gian để chọn lại một chuyên môn khác vật lý. Song phải thú thực rằng, “nghiệp” vật lý là một nghiệp lạnh lùng và cô độc - nhất là đối với một người làm vật lý lý thuyết như tôi (thường phải ngồi một mình làm việc và ít khi cộng tác với các đồng nghiệp). Dường như những điều tôi làm không ăn nhập với cuộc sống và mạch cảm xúc của xã hội, chỉ một số các nhà khoa học hiểu đuợc.

Để thoát ra khỏi “tháp ngà”, tôi suy nghĩ về những điều khác vật lý và viết những điều đó. Cũng như đa số các nhà khoa học, tôi tin tưởng mạnh mẽ rằng, công việc của chúng tôi được xã hội ủng hộ và nếu chúng tôi không cố gắng giải thích cho xã hội những điều gì mình đang làm và hi vọng làm được thì khó đưa ra lý lẽ xứng đáng với sự ủng hộ đó.