Lý thuyết dây là gì
Khoa học và Công nghệ
Lý thuyết dây và thực nghiệm04/05/2012 16:25 - Lý thuyết dây, do một nhóm các nhà vật lý, trong đó có nhà vật lý người Việt Đàm Thành Sơn, nghiên cứu, 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. 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. 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”. Hoàng Thanh Phi Hùng dịch Chia sẻ Tags: |