Hồi cuối đời, Albert Einstein trở thành một ngôi sao lập dị trong cộng đồng vật lý, như một người cụ lập dị được mọi người yêu mến, nhưng chủ đề yêu thích của ông lại khiến mọi người xấu hổ. Trong khi lý thuyết vũ trụ vô cùng nhỏ, lý thuyết lượng tử, được kiểm chứng một cách chưa từng có, ông từ chối chấp nhận rằng đó là lý thuyết cuối cùng. Trong những năm cuối đời, ông đã nỗ lực để hòa giải giữa lý thuyết về trọng lực của mình và mô tả về thế giới bằng lượng tử. Ông không thành công và qua đời mà không thấy giấc mơ thân thương của mình trở thành hiện thực.

Hơn 40 năm sau, Einstein đã được thẩm phán: Vấn đề gây không tương thích lâu đời giữa lý thuyết tổng quát và cơ khí lượng tử có vẻ đang trên đường được giải quyết. Giải pháp có thể khá khó hiểu. Nếu những nhà vật lý được gọi là “lý thuyết siêu dây” (hoặc dây ngắn) đang đúng, chúng ta đang sống trong một thế giới kỳ lạ hơn cả những gì bạn có thể tưởng tượng được.

Đó là một thế giới có 10 chiều, với một số chiều bị cuộn lại ở mức vi mô và một số chiều “lớn” mà chúng ta cảm nhận được là “thực tế”. Một thế giới mà sự phân biệt giữa không gian và thời gian là giả tạo (như được dạy bởi lý thuyết tổng quát). Một thế giới mà, trong thực tế, khái niệm chính về không gian và thời gian sẽ biến mất. Trong lời của Brian Greene, một giáo sư tại Đại học Columbia và tác giả cuốn sách về chủ đề này: “nếu lý thuyết siêu dây đúng, cấu trúc của vũ trụ của chúng ta có những thuộc tính sẽ khiến Einstein cảm phục”.

Trong lý thuyết siêu dây, không có hạt đơn giản (như electron hoặc quark), mà chỉ có những mạch dây rung. Mỗi chế độ rung tương ứng với một hạt khác nhau và xác định điện tích và khối lượng của nó. Theo hiểu biết hiện tại về lý thuyết, những dây đó không “được làm từ” bất cứ thứ gì: chúng là thành phần cơ bản của vật chất. Hậu quả của việc thay thế hạt điểm bằng các dây nhỏ rung là vô cùng đáng kể. Chỉ có cấu trúc mạch dây nhất quán duy nhất để mô tả những dây đó, có nghĩa là một thế giới 10 hoặc ngay cả 11 chiều trong đó 6 hoặc 7 chiều bị cuốn lại. Những chiều bổ sung này là những gì xác định các thuộc tính của thế giới chúng ta sống trong. Những chiều lớn hơn là những gì chúng ta cảm nhận được là không gian và thời gian thông thường.

Trong không gian thời gian 10 chiều của lý thuyết siêu dây, chúng ta vẫn chỉ quan sát được không gian thời gian 4 chiều. Bằng cách nào đó, chúng ta cần liên kết hai cái này nếu siêu dây sẽ mô tả vũ trụ chúng ta. Để làm điều này, chúng ta cuộn lại 6 chiều bổ sung vào không gian nhỏ gọn. Nếu kích thước của không gian nhỏ gọn gần bằng tỷ lệ của quy mô dây (10^-33cm), chúng ta sẽ không thể phát hiện sự hiện diện của những chiều bổ sung này trực tiếp – chúng quá nhỏ. Kết quả cuối cùng là chúng ta trở lại thế giới quen thuộc 4 chiều của chúng ta, nhưng có một “quả bóng” nhỏ ở không gian 6 chiều liên quan đến mỗi điểm trong vũ trụ 4 chiều của chúng ta.

Lý thuyết siêu dây, như một lý thuyết “thống nhất”, cố gắng giải thích bốn lực quan sát được trong tự nhiên. Và thật ra, một trong những giải pháp của phương trình siêu dây là một lực mà trông giống như trọng lực. Điều này là một chứng chỉ cho sức mạnh và vẻ đẹp của lý thuyết siêu dây khi các nhà vật lý thích hơn cả từ bỏ khái niệm về không gian và thời gian – và công nhận một thế giới 10 chiều – thay vì đặt câu hỏi về con đườn mà sự tìm kiếm một lý thuyết thống nhất dẫn họ tới đây.

Lý thuyết siêu dây có thể thành công giải thích trọng lực và dự đoán các hạt siêu đối xứng. Nhưng cho đến một vài năm trước, nó không liên quan đến các câu đố trong vật lý. Không có kết quả hoặc dự đoán cụ thể để khoe với người khác. Có thể nó chỉ là một cấu trúc toán học tuyệt đẹp.

Mọi thứ đã thay đổi vào năm 1996. Andrew Strominger, khi đó ở Viện vật lý lý thuyết Santa Barbara và Cumrun Vafa từ Đại học Harvard, đã sử dụng lý thuyết siêu dây để “xây dựng” một loại lỗ đen cụ thể, giống như cách mà chúng ta có thể “xây dựng” một nguyên tử hydro bằng cách viết các phương trình, được dẫn xuất từ cơ quan chất lượng tử, mô tả một electron gắn kết với một proton.

Strominger và Vafa đã xác nhận một kết quả được lấy từ Jacob Bekenstein và Stephen Hawking từ những năm 1970. Bekenstein và Hawking đã thấy rằng lượng sự không ngăn cách (hoặc “nhiễu độ”) trong một loại lỗ đen đặc biệt rất lớn. Điều này là một kết quả đáng ngạc nhiên, vì không ai có thể hiểu (và cũng không có bất kỳ cái nhìn cụ thể nào từ tính toán) làm thế nào một vật thể đơn giản như một lỗ đen có thể chứa một lượng không ngăn cách lớn như vậy.

Kết quả nghiên cứu mới này của Strominger và Vafa sử dụng lý thuyết siêu dây đã cho phép họ thu được giá trị chính xác cho sự không ngăn cách do Bekenstein và Hawking dự đoán. Kết quả này đã làm kích động cộng đồng vật lý! Lần đầu tiên, một kết quả được dẫn xuất từ “vật lý cổ điển” có thể được thu được từ lý thuyết siêu dây. Mặc dù các lỗ đen mà kết quả được dẫn xuất có rất ít điểm chung với những lỗ đen được cho là nằm ở giữa các thiên hà, tính toán mới này đã minh họa mối liên hệ giữa dây và trọng lực. Ngoài ra, tính toán cung cấp hiểu biết về các lý do vật lý cho câu trả lời.

Chưa ai biết lý thuyết siêu dây có phải là lý thuyết cuối cùng – lý thuyết vạn vật – nếu nó tồn tại. Nhưng tính khéo léo và tiềm năng phi thường của lý thuyết đã biến nó trở thành ứng viên hàng đầu để giải thích cách thức hoạt động nội tại của vũ trụ cho tận thế kỷ tiếp theo. Theo lời Edward Witten, một trong những người tiên phong và nhà lãnh đạo của nó: “Lý thuyết siêu dây là một phần của vật lý thế kỷ XXI rơi vào thế kỷ XX bằng cách tình cờ”.

Để biết thêm thông tin, vui lòng xem tại: Fecomic.