Thuyết Tương Đối & Thuyết Lượng Tử
Hội học sinh Hànội – Amsterdam
09:27' PM - Thứ ba, 24/01/2006 Việc cho ra đời thuyết "tương đối" và thuyết "lượng tử" đă ghi tên Albert Einstein vào danh sách những nhà bác học, khoa học hàng đầu thế kỉ và tạo nên 1 cuộc cách mạng trong khoa học và nó vẫn được áp dụng rộng răi cho tới tận ngày nay sau gần 100 năm ra đời.
Sự ra đời của thuyết "tương đối" và thuyết "lượng tử"
Đầu tiên là thuyết tương đối, do chuyên viên kĩ thuật hạng ba Einstein sinh ra. Thuyết tương đối ra đời đă 100 năm (tính từ thuyết tương đối hẹp), ngày nay mỗi sinh viên đều có thể hiểu được nó. V́ vậy nhiều người đă xếp thuyết tương đối vào các lư thuyết cổ điển (theo một cách hiểu khác, cổ điển nghĩa là không chứa các yếu tố lượng tử). Thuyết tương đối mô tả vũ trụ vĩ mô (trên thang nguyên tử).
Thuyết lượng tử được Einstein tham gia xây dựng, cùng với một nhóm những con người lăng mạn khác: Bohr, Heisenberg, Pauli, Schrodinger, Born, Planck... Thường được thể hiện trong cơ học lượng tử, thuyết lượng tử mô tả vũ trụ với các yếu tố bất định, chủ yếu là mô tả thế giới vi mô (từ nguyên tử trở xuống).
Và trong suốt quăng đời c̣n lại của ḿnh, nhà bác học Albert Einstein đă ra sức kết hợp giữa hai lư thuyết đó lại với nhau nhằm tạo ra lư thuyết lớn hơn là "trường thống nhất".
Vậy thống nhất 2 lư thuyết để làm ǵ?
Bài toán thống nhất được đặt ra để giải quyết vấn đề điểm ḱ dị của không-thời gian, vốn được Hawking nghiên cứu rất kĩ. Bài toán liên quan đến các điểm ḱ dị của không-thời gian, là những điểm có kích thước bằng 0, mật độ không gian bằng vô hạn và thời gian bị kéo giăn tới mức vô hạn (thực ra tại đó không gian và thời gian được coi như không c̣n tồn tại). Tại đó, do không-thời gian bị uốn cong đến vô hạn nên trường hấp dẫn tạo ra là... vô hạn.
Hai loại điểm ḱ dị nổi tiếng nhất là lỗ đen (bạn đời của Hawking) và 'cục' Big Bang, tức là vũ trụ sơ khai. Tại tâm lỗ đen, hay tại những thời khắc đầu tiên của vũ trụ, hiệu ứng hấp dẫn thể hiện qua sự cong của không-thời gian cũng như các hiệu ứng lượng tử đều được thể hiện. Tuy nhiên chính do đó mà không thể áp dụng được cả 2 lư thuyết, v́ thuyết tương đối rộng chỉ áp dụng được cho không gian trơn nhẵn, không phải là không gian chứa đầy bọt lượng tử (có độ cong và tôpô hỗn độn).
Bức tường Planck của các hiện tượng có kích thước dưới 1E-33 cm và xảy ra trong khoảng dưới 1E-43 giây đă chắn ngang con mắt của khoa học. Ở đó, thuyết tương đối và mọi thứ đều sụp đổ.
Nhưng rốt cuộc đành phải bỏ dở giữa chừng, để lại cho các thế hệ sau tiếp nối các bài toán thật hóc búa đó. Nhưng mặc cho sự nỗ lực của nhân loại, hai thuyết (tương đối và thuyết lượng tử) đó, cho đến ngày hôm nay vẫn ngoan cố và tách rời một cách độc lập, làm như chúng không có dây mơ rễ má ǵ với nhau. Đồng thời cho đến ngày hôm nay vẫn là bài toán hóc búa, làm đau đầu cho các nhà khoa học hàng đầu trên Thế Giới. Và trong các nhà khoa học hàng đầu trên Thế Giới đang t́m cách kết hợp hai thuyết đó lại, phải kể đến nhà khoa học Stephen Hawking người Anh, đă dùng mọi cách, kể cả dùng kiến thức toán học tiến bộ nhất ngày nay, chỉ với mục đích duy nhất, nhằm kết hợp hai thuyết (tương đối và thuyết lượng tử) lại với nhau, nhưng đến hôm nay vẫn không tài nào làm được.
Tại sao không thể thống nhất hai thuyết?
Chủ yếu là do các vấn đề toán học quá khó khăn.
Để thống nhất 2 lư thuyết trên, cần phải thống nhất được 4 lực cơ bản của tự nhiên là lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh. Các nhà vật lư đă thống nhất được ba lực phi hấp dẫn trong mô h́nh chuẩn của vật lư hạt. Lư thuyết này là một lư thuyết lượng tử, nhưng vẫn không thể thâu tóm được lực hấp dẫn. V́ thế lực hấp dẫn vẫn là ông anh kiêu căng khó thuyết phục.
Các xu hướng chủ yếu hiện nay tập trung vào thuyết dây. Thuyết dây ra đời với tham vọng kết hợp các kết quả của 2 lư thuyết trên. Sau này khi nhập thuyết siêu đối xứng vào th́ gọi là thuyết siêu dây hay thuyết dây siêu đối xứng. Các vấn đề toán học của nó khó đến nỗi các nhà vật lư khi nghiên cứu thuyết siêu dây lần đầu tiên đă vượt trên các nhà toán học bằng việc tự tạo ra công cụ toán học cho ḿnh để phục vụ nghiên cứu (trước đây toán học luôn phải dẫn trước một bước). C̣n rắc rối hơn khi không chỉ có một lư thuyết dây mà là có tới 5 lư thuyết dây khác nhau, tuy có ít nhiều biểu hiện đối xứng đang dần lộ diện.
Hawking vốn ban đầu không quan tâm đến thuyết dây nên ông đă lỡ nhịp trong nghiên cứu. Hiện nay ông không c̣n là người tiên phong nữa, nhưng vẫn rất lạc quan khi tuyên bố rằng thuyết M sắp lộ diện. Thuyết M là tên được dùng để đồng nhất với TOE (Theory of Everything). Thuyết này phải bao gồm được các thuyết trước đây, giải thích được mọi hiện tượng vật lư. Nghe thật to tát và người ta vẫn chỉ đang mơ ước đến nó. Một đống các thứ từ siêu dây, siêu hấp dẫn, p-brane... đang được nhét vào đó, đưa không gian ph́nh từ 3 chiều lên thành 10 chiều, rồi hơn 20 chiều... (!?) nhưng tất cả chỉ là lư thuyết chưa hoàn chỉnh.
Hiện nay ngoài các khó khăn lư thuyết c̣n có khó khăn thực nghiệm khi các máy gia tốc lớn c̣n đang được xây dựng. Các nhà lư thuyết c̣n khá lâu mới có thể kiểm chứng được lư thuyết của ḿnh.
Tóm lại, việc thống nhất 2 trụ cột của vật lư hiện đại không chỉ làm Einstein bó tay trong suốt 30 năm cuối cuộc đời mà con đang làm bó tay nhiều thế hệ các nhà khoa học khác. Newton trong suốt những năm cuối của cuộc đời không thể giải nổi bài toán 3 vật tương tác, cho măi đến tận sau này khi Poincaré đưa ra lư thuyết hỗn độn th́ người ta mới có được lời giải. Có lẽ vấn đề TOE c̣n lâu mới được giải quyết.