nhìn lại EINSTEIN VÀ VŨ TRỤ LƯỢNG TỬ

Einstein và Vũ trụ lượng tử

                                                                                                                                               

Bài viết này gồm hai phần . Phần thứ nhất nêu lên  một số những nghiên cứu của các nhà vật lý lý thuyết theo dòng các ý tưởng lớn của Einstein   :  lý thuyết thống nhất , hằng số vũ trụ , các chiều dư  ( extra dimensions ) của không- thời gian ,tham số ẩn trong cơ học lượng tử .

Phần thứ hai nêu lên những vấn đề mà các nhà vật lý dự định tiếp tục nghiên cứu  : vũ trụ lượng tử ( Quantum Universe ) và trong phần này chúng ta sẽ thấy rằng các vấn đề vũ trụ lượng tử đều trực tiếp hoặc gián tiếp liên quan đến những ý tưởng lớn , đặc biệt đến giấc mơ về một lý thuyết thống nhất của Einstein.

 

Trước hết , chúng ta dừng lại ở khái niệm  Vũ trụ lượng tử ? [ 1 ] : để hiểu được cấu trúc và quá trình  tiến triển  của Vũ trụ người ta phải nghiên cứu thuyết lượng tử  vốn là lý thuyết điều khiển hành vi của những hạt cơ bản , những thực thể vi mô vì  những hiện tượng vĩ mô đã quyện cùng với những hiện tương vi mô thành một thực tế thống nhất .Có thể nói đây là một cuộc cách mạng của thuyết lượng tử , của vật lý các hạt cơ bản khi đã thực hiện một bước nhảy trong nhận thức của chúng ta đối với cái bí ẩn và cái đẹp của vũ trụ . Hơn lúc nào hết các nhà vật lý ra sức tìm sự thống nhất giữa thuyết lượng tử (điều khiển  thế giới vi mô ) với lý thuyết hấp dẫn ( điều khiển thế giới vĩ mô )  .Vũ trụ lượng tử có thể hiểu là thực thể thống nhất giữa vi mô và vĩ mô , cũng có thể hiểu đó là giai đoạn của vật lý, trong đó lý thuyết lượng tử và lý thuyết hấp dẫn có cơ  hoà mình với nhau thành một lý thuyết thống nhất , một Lý thuyết của tất cả ( TOE – Theory of Everything ).

Sau đây chúng ta sẽ thấy rằng  trên đường nghiên cứu Vũ trụ lượng tử , những ý tưởng của Einstein luôn là những ý tưởng kim chỉ nam cho các nhà vật lý . Các ý tưởng đó làm thành giấc mơ xây dựng một lý thuyết thống nhất của Einstein , một di sản vô giá cho vật lý hiện đại .

 

A  /  Einstein  đã gợi nhiều ý tưởng lớn cho vật lý hiện đại

 

Trong suốt cuộc đời , ông đã sáng tạo ra những điều khó trực cảm được trong thế giới  bình thường , nhưng đó lại là những điều sâu thẳm nhất về bản chất của thế giới , những điều mang lại những ứng dụng đa dạng kỳ diệu cho cuộc sống.

Những thành tựu lớn lao của Einstein :

Năm 1905 dựa trên khái niệm lượng tử , ông giải thích hiệu ứng  quang điện ( giải Nobel năm 1921 ) , công trình này  cùng với nhiều công trình khác về lượng tử đã xếp Einstein vào  những người đặt nền móng cho cơ học lượng tử. Cùng năm vào tháng 9 ông công bố bài báo khai sinh lý thuyết tương đối hẹp.  “ Newton , mong Ngài hãy tha thứ  “ Einstein đã  ngõ lời xin lỗi như vậy khi lý thuyết tương đối hẹp đã phá bỏ tính tuyệt đối của không thời gian  Newton  vốn đã ngự trị trong tư duy khoa học trong hơn 200 năm .  Không gian và  thời gian biến thành đa tạp 4 chiều Minkowski . Công thức nổi tiếng E = mc ² sau đó ra đời ,mở đường cho việc sử dụng năng lượng hạt nhân : bom nguyên tử và điện nguyên tử .

Năm 1916 ông xây dựng lý thuyết tương đối rộng . Nhà vật lý lý thuyết kiệt xuất Nga Lev Landau đã nói đây là  một trong những lý thuyết đẹp đẽ nhất mà con người có thể sáng tạo ra . Lý thuyết tương đối rộng  nối liền không thời gian với vật chất trong phương trình mang tên Einstein  : 

G _mn   =8pGT_mn   

G _mn   mô tả hình học của không thời gian  ,T_mn mô tả vật chất    .

Sau đó ông để suốt cuộc đời còn lại ( 1926-1955) để xây dựng lý thuyết thống nhất hấp dẫn và điện từ.

Ông đã mất nhưng các ý tưởng của ông vẫn là những kim chỉ nam cho vật lý ngày nay. Thiên tài vĩ đại của  Einstein làm cho người ta có cảm giác như ông là một người thừa hưởng đuợc những tư tưởng sâu xa từ đâu đó để rồi chỉ cho chúng ta những bước nghiên cứu trong một hai thế kỷ .

Sau đây hãy đề cập đến một số ý tưởng của ông có ảnh hưởng lớn đối với vật lý .

 

1  /  Einstein đã đưa vào phương trình nổi tiếng của mình hằng số vũ trụ , ông đúng hay sai ?  [ 2 ]

 

Năm 1917 , Einstein đứng trước một bài toán đầy thách thức : cứu vãn tình huống khó khăn do ông nghĩ rằng phương trình hấp dẫn của ông không chấp nhận những lời giải tĩnh ( static ) , lời giải mà ông cho rằng phù hợp để mô tả vũ trụ . Trong cơn tuyệt vọng ông đã thêm vào phương trình hấp dẫn một số hạng được gọi là hằng số vũ trụ : Lg_mn.

Năm 1922 nhà vật lý người Nga Alexander Friedman tìm ra lời giải của phương trình Einstein (không chứa số hằng số vũ trụ)   ứng với một vũ trụ giãn nở hoặc co lại , nghĩa là không ở trong trạng thái tĩnh .

Mười hai năm sau nhà thiên văn người Mỹ Edwin Huble tìm ra hiện tượng vũ trụ giãn nở .

Trước những sự kiện đó Einstein  cho rằng việc đưa  hằng số vũ trụ vào phương trình nổi tiếng của ông là một sai lầm đáng ân hận nhất trong đời  .Như vậy ông từ bỏ số hạng đó và loại bỏ hẳn Lg_mn trong phương trình

G _mn + Lg_mn  =8pGT_mn    .

Song lại xảy ra một điều kỳ lạ : để giải thích hiện  tượng vũ trụ giãn nở có gia tốc mà thiên văn quan trắc được trong thời gian gần đây thì các nhà vật lý lý thuyết phải  đưa lại hằng số vũ trụ vào phương trình của Einstein ! Vậy trực quan của Einstein đã đưa ông đi đúng đường .

Thầy tu người Bỉ , giáo sư đại học Louvain  , George Lemaitre đã nghiên cứu phương trình Einstein với nhiều trị số khác nhau của L và năm 1934 ông đoán nhận L là năng lượng của chân không .Năm1967 nhà vật lý người Nga Yakov Zel’dovich đã nhận thức được bản chất vật lý của năng lượng chân không và khẳng định ý kiến của George Lemaitre .

Nếu L ~ e > 0 thì có lực đẩy , như vậy năng lượng chân không sẽ tạo ra giãn nở có gia tốc của vũ trụ .

Nhưng cũng phải nói rằng số hạng vũ trụ bây giờ phải nằm về phía bên phải của phương trình để mô tả năng lượng chân không của vũ trụ , nghĩa là liên quan đến tenxơ mô tả  vật chất , chứ không nằm ở bên trái phương trình để mô tả hình học của vũ trụ .

 

 

Như vậy là hằng số vũ trụ của Einstein ở bên phải của phương trình gây nên  lực đẩy làm cho vũ trụ giãn nở có gia tốc . Số hạng này  liên quan đến năng lượng chân không cho nên có nguồn gốc lượng tử  .Trong lý thuyết lượng tử chân không không phải là một môi trường không có gì cả , mà đó là một môi trường sôi động ở đó các hạt và phản hạt sinh và huỷ liên hồi .Người ta có thể tính được năng lượng chân không này và thấy rằng năng lượng này 120 bậc lớn hơn ( 10 ¹²⁰ )  năng lượng cần có. Kết quả tính toán quá lớn , cần phải có  những lý thuyết để đưa đưa trị số của năng lượng này về một trị số khác không song không quá lớn như thế .

Trong vũ trụ có 4 thành phần : năng lượng tối  ( dark energy ) gây lực đẩy,vật chất tối ( dark matter ) gây lực hút , các sao , các thiên hà và cuối cùng là các bức xạ  .Nếu vũ trụ là phẳng thì mật độ vật chất là mật độ tới hạn , có thể năng lượng tối  tạo ra 2/3 mật độ tới hạn đó .Trong hai thập kỷ qua lý thuyết lạm phát cộng với giả thuyết vật chất tối đã là cơ sở để giải thích cấu trúc của vũ trụ , song bây giờ phải chú ý đến  năng lượng tối mới mô tả được hiện tượng giãn nở có gia tốc . Nếu năng lượng này dương thì vũ trụ giãn nở mãi , nếu nó trở nên quá lớn thì nó xé rách các thiên hà , thái dương hệ , các hành tinh , các phân tử , nguyên tử  .Nếu năng lượng này âm thì vũ trụ sẽ co lại .Vậy dường như số phận của vũ trụ được quyết định bởi năng lượng tối này !

Năng lượng tối này có mối liên quan gì đến  năng lượng chân không ? đến trường Higgs ? ( khi tác dụng vào các hạt thì sinh ra khối lượng cho các hạt) .

Những  câu hỏi đầy thách thức !

 

2  /  Einstein với lý thuyết thống nhất , và các chiều  dư ( extra dimensions )  ngoài không thời gian[ 2 ] .

 

Như chúng ta biết sau khi xây dựng xong lý thuyết tương đối hẹp và lý thuyết tương đối rộng ,trong cuối đời Einstein đem hết tâm lực vào việc thống nhất tương đối rộng với lý thuyết điện từ nhằm xây dựng một lý thuyết thống nhất , trong đó hấp dẫn và điện từ là hai mặt của một trường , lý thuyết đó phải giải thích được sự tồn tại của các hạt , phải suy ra được các hằng số như điện tích của electron ,tốc độ của ánh sáng .Ông không thành công trong việc xây dựng lý thuyết thống nhất vì chưa đến giai đoạn để xây dựng một lý thuyết như thế  :  lúc ấy người ta chưa biết đến tương tác mạnh và tương tác yếu . Nhưng những ý tưởng ông đưa ra là đúng đắn  và sâu sắc .

Để thống nhất hấp dẫn và điện từ  Kaluza , Klein và sau đó Einstein với Bergmann [ 3 ] đã đưa thêm chiều thứ 5 ,ngoài 4 chiều không thời gian để mô tả điện từ , và  đồng nhất điện tích với thành phần thứ năm của xung lượng trong không gian 5 chiều . Chiều thứ 5  không thấy được vì nó cuộn tròn lại ( người ta nói là compắc hoá lại ) , chiều này ứng với nhóm U(1) , mô tả điện từ . Kích thước của những vòng tròn này biểu hiện  tỷ số tương đối của tương tác hấp dẫn và điện từ .Như vậy trong không gian 5 chiều này chúng ta có thể tiếp cận đến  lý thuyết thống nhất có khả năng mô tả được lý thuyết hấp dẫn và điện từ trong không gian 4 chiều .

Tư tưởng thống nhất các tương tác của Einstein trong những năm gần đây được các nhà vật lý lý thuyết thể hiện trong  lý thuyết siêu dây , dựa trên siêu đối xứng là đối xứng nối liền boson và fermion. Nhiều người hy vọng đây là lý thuyết tối hậu có khả năng thống nhất 4 loại tương tác của thiên nhiên : hấp dẫn , điện từ , mạnh và yếu .Lý thuyết siêu dây gồm nhiều nhánh đổ về một lý thuyết chung gọi là lý thuyết M . Sở dĩ lý thuyết này được gọi là lý thuyết M vì người ta cho rằng nó sẽ là nơi bắt nguồn  của nhiều lý thuyết con khác ( M là chữ đầu của từ mẹ ),người ta cũng cho rằng đây là một lý thuyết đầy ma lực   (M ở đây lại là chữ đầu của ma lực ) ,   người ta còn  có thể gán cho chữ M nhiều ý nghĩa khác .Người ta hy vọng lý thuyết M sẽ là “lý thuyết của tất cả “ (theory of everything – TOE ).  Lý thuyết siêu dây đã khôi phục lại ý tưởng  Kaluza-Klein và Einstein về không gian có số chiều nhiều hơn 4 . Những chiều dư này cuộn tròn lại thành những vòng tròn với kích thước rất bé và đang thoát khỏi sự quan trắc của những kính hiển vi siêu mạnh hiện nay . Sự compắc hoá này thực ra có thể hình dung được vì chính các chiều không gian vĩ mô hiện nay đang trải dài đến vô tận vốn cũng đã có kích thước vô cùng bé ở những thời điểm sơ sinh của vũ trụ .

 

 

 

 

Hình 1 . Không gian ẩn của các chiều dư .Thế giới của chúng ta có thêm các chiều dư. Mỗi điểm của không gian vĩ mô ẩn chứa một đa tạp các chiều dư . Các quy luật vật lý quan sát được trong không gian vĩ mô phụ thuộc vào kích thước và cấu trúc của đa tạp các chiều dư .

 

 

 

Trong lý thuyết siêu dây yếu tố cơ bản là  dây , chứ không phải là điểm .Dây là  một thực thể một chiều  , những hạt cơ bản sẽ là những trạng thái kích thích của  dây .  Kích thước của  dây vào cỡ độ dài Planck,  tức khoảng 10 ^{– 33}  cm , và những  dây này trông như những điểm nếu nhìn từ những  kích thước lớn hơn độ dài Planck .

Để cho các phương trình của lý thuyết được tương hợp về mặt toán học , các  dây này phải được dao động trong một không gian 10 chiều (hoặc 11 chiều – nhánh siêu hấp dẫn  ). Sáu chiều ( hoặc 7 chiều ) dư ra bị compắc hoá thành  những kích thước quá bé để có thể quan sát được .

Các chiều dư này đóng một vai trò quyết định trong việc thống nhất lý thuyết hấp dẫn và cơ học lượng tử   của lý thuyết siêu dây .

Ngoài dây còn một đối tượng tôpô quan trọng khác là màng ( brane suy từ chữ membrane) , có thể nói màng là hình ảnh  quỹ tích của các điểm mút của các dây hở  .Sau đây khi xét về sự thất thoát của hấp dẫn sang các chiều dư , chúng ta sẽ thấy sự quan trọng của các màng ở những phần sau ( hình 6 ).

 Lý thuyết dây phức tạp hơn lý thuyết Kaluza-Klein nhiều lần , song tư tưởng chủ đạo vẫn là một : các định luật vật lý quan sát được phụ thuộc vào các chiều dư  vốn nằm trong trạng thái ẩn .

Điều gì  quyết định hình học ? Câu trả lời là tương tự như trong trường hợp hấp dẫn, hình học phải thoả mãn phương trình kiểu phương trình Einstein ! Trong lý thuyết siêu dây lời giải không đơn trị : nhiều hình học đều có thể  là lời giải . Nếu có một chiều dư thì chiều này có thể cuộn thành một hình tròn , song  ở đây số chiều dư tương đối là nhiều nên ta có thể có nhiều tôpô : hình cầu , hình xuyến , hoặc hai hình xuyến nối với nhau thành hai tay quai , ba hình xuyến nối với nhau tạo raba tay quai và vân vân (hình 1).  

Các lời giải đó không như nhau : mỗi lời giải có một thế năng xác định bởi cácthông lượng , các màng , các độ cong , nói chung bởi một số thông số .Đây chính là năng lượng chân không vì ứng với năng lượng của không thời gian khi bốn chiều vĩ mô không chứa vật chất hoặc các trường . Hình học các chiều dư  có khuynh hướng làm cho năng lượng này nhỏ nhất giống như trường hợp một quả bóng có khuynh hướng lăn về vị trí thấp hơn .

Hiện nay dường như chúng ta đang ở vào một  cực tiểu với năng lượng chân không dương.  Vì có nhiều thông số cho nên bức tranh năng lượng  phức tạp   , nếu xét 2 thông số chúng ta có một hình vẽ với các đồi và thung lũng như một phong cảnh , phong cảnh của lý thuyết siêu dây ( hình 3 ). Danh từ phong cảnh do nhà vật lý lý thuyết Leonard Susskin đưa ra .

Tại sao vũ trụ của chúng ta đã chọn một thung lũng ,còn những thung lũng khác chỉ là những khả năng toán học ? Có thể giải thích bằng 2 cách :

thứ nhất vũ trụ có thể không bị mắc kẹt vào một cấu hình nào ,những quá trình lượng tử cho phép vũ trụ nhảy từ cấu hình này sang cấu hình khác , thứ hai dựa trên lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein ,vốn là một bộ phận của lý thuyết siêu dây thì vũ trụ có thể giãn nở , trở thành rất lớn và như thế nhiều vũ trụ tồn tại song song với nhau trong dạng những vũ trụ con,và mỗi vũ trụ con đủ lớn để không cảm nhận được sự tồn tại của các vũ trụ con khác , như thế câu hỏi tại sao vũ trụ chúng ta chỉ chọn một thung lũng sẽ không còn nữa .

 

 

 

Hình 2 . Năng lượng của mỗi lời giải trong lý thuyết dây được biểu diễn như hàm số của các thông số xác định đa tạp ẩn các chiều dư .Nếu có chỉ một thông số thì chúng ta có một đường cong , ở đường cong trên đây chúng ta 3 điểm cực tiểu .

 

Mỗi chân không ứng với mỗi thung lũng được đặc trưng bởi một số thông số ,những thông số này có thể thay đổi  vì các quá trình lượng tử và  ta có một bước nhảy  sang một cấu hình khác .Nếu ở cấu hình này năng lượng chân không là dương thì  không  gian laị giãn nở .Như vậy bigbang không là gì khác ngoài một bước nhảy  sang một cấu hình mới trong bức tranh phong cảnh của lý thuyết siêu dây . Một ngày nào đó ( còn quá xa để chúng ta phải lo lắng ) vũ trụ của chúng ta lại thực hiện một bước nhảy mới .

 

Có thể xảy ra trường hợp trong vùng đang giãn nở lai có một bước nhảy  vào đấy và hình thành một vũ trụ con giãn nở khác .Hình ảnh giống như trong một bong bóng nàylại có một bong bóng khác ( hình 4 ).

 

 

 

Hình 3 . Trên hình là bức tranh phong cảnh biểu diễn năng lượng theo 2 thông số .Đa tạp các chiều dư được biểu diễn tại đáy các thung lũng ứng với một chân không ổn định tương đối .

 

 

 

Hình 4 . Vũ trụ tổng thể là một bọt gồm nhiều bong bóng ,trong mỗi bongbóng lại có nhiều bong bóng đang giãn nở . Mỗi bong bóng có các định lwtj vật lý của riêng mình. Một số ít bong bóng có đủ điều kiện cho sự hình thành các cấu trúc phức tạp như thiên hà, như sự sống . Phần vũ trụ quan sát được của chúng ta ( khoảng 15-20 tỷ năm ánh sáng đường kính ) chỉ là một vùng nhỏ trong một bong bóng .

 

Như chúng ta đã thấy đối với Einstein thì năng lượng chân không về mặt toán học là đồng nhất với hằng số vũ trụ .Dùng lý thuyết trường lượng tử người ta tính thấy rằng năng lượng chân không ứng với mật độ vào khoảng 10 ⁹⁴  gam  / cm ³ hay một khối lượng Planck /  l ³  , với l là độ dài Planck  . Ghi mật độ đó là L_Planck .Kết quả này quá lớn và người ta cho đây là một kết quả  sai lầm nổi tiếng trong vật lý học vì thực nghiệm quan trắc quá trình dãn nở gia tốc của vũ trụ  chỉ cho trị số  không lớn hơn 10 ^{– 120} L_Planck , như vậy năng lượng chân không gần bằng số không  .Trong bức tranh phong cảnh của lý thuyết dây các trị số của năng lượng chân không  biến thiên từ + L_Planck    đến  - L_Planck . Người ta đã tìm được những lời giải với 10 ⁵⁰⁰ cực tiểu với năng lượng chân không phân bố ngẫu nhiên giữa hai trị số trên , như vậy nếu đặt các cực trị đó trên một trục thẳng đứng thì khoảng cách trung bình giữa chúng là 10 ^{– 500}  L_Planck và các tác giả của lý thuyết siêu dây  tính được rằng  phần lớn các trị số nằm giữa số không và 10 ^{– 120} L_Planck .Điều này có nghĩa là bức tranh phong cảnh của lý thuyết siêu dây đã đưa ra một giải thích được trị số rất nhỏ của năng lượng chân không .

Thật ra ý tưởng này không mới , năm 1984 nhà vật lý người Nga Andrei Sakharov , giải Nobel đã cho biết rằng hình học phức tạp của các chiều dư vốn ở trạng thái ẩn có thể tạo ra một phổ năng lượng của chân không , phổ này có thể chứa những trị số rất nhỏ quan sát được trong thực nghiệm .Nhiều tác giả khác cũng đưa ra nhiều cách giải thích  vấn đề này.

 

Trở lại bức tranh phong cảnh với các cực tiểu trong lý thuyết siêu dây .Ngưòi ta ví nhân loại như một người lữ khách đi tìm các cực tiểu và ở đâu thích hợp cho quá trình phát sinh sự sống thì dừng chân lại ,đây chính là nội dung của nguyên lý vị nhân ( anthropic principle ).

Lý thuyết siêu dây dường như trả lời được nhiều câu hỏi nhưng lý thuyết này liệu  có phải là lý thuyết thống nhất tối hậu , lý thuyết của tất cả -TOE chưa ?

 

3  /  Einstein đúng hay sai khi cho rằng cơ học lượng tử phải  dẫn đến  một lý thuyết cổ điển? [ 2 ]

 

Những  nhà vật lý đã có kinh nghiệm: mỗi lần cho rằng Einstein sai lầm thì mỗi lần ông tỏ ra là đúng vì sâu sắc hơn . Chúng ta nhớ rằng trong cuộc cách mạng lượng tử từ 1920 đến 1930 ông luôn có một thái độ bi quan đối với cách đoán nhận của cơ học lượng tử ,mặc dù ông là một trong những người đặt nền móng cho cơ học lượng tử . Ông nói : “ Tôi chẳng bao giờ tin rằng Chúalại  chơi trò súc sắc với số phận của Vũ trụ “ .Chúng ta cũng đã biết lý thuyết lượng tử là một lý thuyết đẹp ,cho những kết quả tuyệt vời được kiểm nghiệm bởi thực nghiệm với độ chính xác cao .

Song hiện nay nhiều nhà vật lý đã xét lại vấn đề và họ nghiêng theo quan điểm của Einstein : cơ học lượng tử là một lý thuyết chưa hoàn chỉnh .Từ năm 1920 nhiều nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết về những tham số ẩn , một số phủ định tham số ẩn vì định lý Bell  khẳng định rằng một lý thuyết với tham số ẩn định xứ – local không thể cho ta những tiên đoán của cơ học lượng tử   .

Vấn đề phi định xứ của cơ học lượng tử đã được Einstein,Podolski & Rosen bàn đến trong một công trình công bố năm 1935 , vấn đề này được gọi là bài toán EPR và hiện nay là cơ sở của viễn tải lượng tử ( teleportation ) [ 4 ].

Các hạt phải có vị trí và xung lượng xác định  theo cơ học cổ điển , nhưng chúng ta không quan sát được như vậy chỉ vì đã có những tham số ẩn tác động vào .Hãy xét chuyển động Brownian , ở đây các hạt chuyển động dường như hỗn độn , song như chính Einstein đã chứng minh sự hỗn độn này đã được gây ra bởi sự tác động của những phân tử  mà ta không nhìn thấy theo đúng các định luật của cơ học cổ điển .Các phương trình của cơ học lượng tử có mối tương tự với những phương trình của lý thuyết động học các phân tử hay nói tổng quát hơn là của cơ học thống kê . Trong một cách nói nào đó thì hằng số Planck chính là đại lượng tương tự của nhiệt độ .

Gần đây ý tưởng về các tham số  ẩn được Gerard ‘ t Hooft (giải Nobel năm1999 vì  hoàn chỉnh lý thuyết điện yếu ) phát triển ,theo ông thì vấn đề khác nhau giữa cơ học cổ điển và cơ học lượng tử là vấn đề mất thông tin .  Một hệ cổ điển chứa nhiều thông tin hơn là một hệ lượng tử vì các biến số cổ điển có thể lấy bất kỳ trị số nào trong khi  các biến số chỉ được phép lấy những trị số gián đoạn .Vậy một hệ cổ điển sẽ biến thành một hệ lượng tử nếu thông tin bị mất . Sự mất thông tin này do những lực phát  tán ( dissipative ) gây nên. Như vậy thiên nhiên là cổ điển ở mức chi tiết , song được nhìn ra như là lượng tử vì sự tồn tại các lực phát  tán .

Berndt Muller ( đại học Duke ) đã đưa một ý tưởng khác về tham số ẩn : một hệ cổ điển trong không gian 5 chiều có thể biến dạng thành một hệ lượng tử trong không gian 4 chiều ,chiều dư thứ năm chính là một tham số ẩn (hình 5 ).

 

Hình 5 . Đây là một hình ảnh minh hoạ sự chuyển từ cơ học lượng tử sang cơ học cổ điển. Các hạt mang điện mà từ đó các đường sức xuất phát ,thực chất chỉ là những ngoại ảnh của những lỗ sâu đục trong một không gian nhiêù chiều hơn .

 

 

Những ý tưởng  của Einstein có thể là nguồn gốc bùng nổ cho nhiều  vấn đề ,sau đây là 11 vấn đề mà một số  nhà vật lý đã chọn ra và cho rằng đó là những vấn đề lớn nhất trong thế kỷ 21  .

 

 

 

 

 

B .Một số vấn đề lớn của vũ trụ lượng tử  thế kỷ XXI nhằm thực hiện giấc mơ thống nhất của Einstein

 

 

Tổng hợp ý kiến của các nhà vật lý và của tổ chức  HEPAP ( High Energy Physics Advisory Panel  ) [ 1 ] mà chủ tịch là giáo sư Frederick Gilman – Đại học Cargenie-Mellon chúng ta có  sau đây một số vấn đề  lớn của  vũ trụ lượng tử trong thế kỷ XXI . Tổ chức HEPAP đã tập hợp  nhiều nhà vật lý thuộc nhiều lĩnh vực : hạt cơ bản , hạt nhân , vũ trụ học , thiên văn học ,…  Những vấn đề này quyện với nhau trong một  ý tưởng cứu cánh là tìm một lý thuyết cho tất cả ( TOE    – Theory of Everything  ).

Nói cách khác tổng thể  các  vấn đề lớn này  nhằm mục đích thực hiên giấc mơ  thống nhất của Einstein .

Ze’ev Rosenkranz ,một nhà nghiên cứu về Einstein đã nói  :

Việc tìm tòi  tiếp diễn vì  một” lý thuyết của tất cả “ ( TOE )  là di sản lớn nhất mà Einstein để lại cho khoa học ( The ongoing quest for a theory of  everything is

Einstein ‘s  most significant legacy to science ) [ 2 ].

Trong số  các vấn đề lớn nêu ra , một số vấn đề liên quan trực tiếp  vào giấc mơ Einstein,  song để thực hiện giấc mơ đó không thể không xét đến các  vấn đề còn lại , cho nên giấc mơ của Einstein đều trực tiếp hoặc gián tiếp dẫn đến những  bài toán lớn sau đây:

 

1           /  Trong thiên nhiên còn tồn tại những đối xứng nào mới , những định luật vật lý nào mới ?

Nhiều nhà vật lý cho rằng các định luật vật lý không tồn tại trong không - thời gian. Giống như toán học , chúng có một đời sống riêng . Chúng mô tả vũ trụ ,song chúng không  “nằm trong “ vũ trụ  .Thực thế , nếu các định luật vật lý được sinh ra cùng với vũ trụ , thì làm sao chúng ta lại có thể sử dụng chúng đề giải thích  vũ trụ đã sinh ra như thế nào  ? Như vậy để có một cơ may hiểu được vũ trụ đã xuất hiện như thế nào ,chúng ta phải chấp nhận rằng các định luật vật lý là trừu tượng , trường cửu .Vậy các định luật vật lý từ đâu mà ra ? Tại sao là những định luật này mà không là những định luật khác ? Đây là những câu hỏi nghiêm chỉnh  thuộc phạm vi siêu hình . Một số tác giả cho rằng các định luật đã là như thế vì đòi hỏi logic ,một số khác cho rằng tồn tại nhiều vũ trụ với những định luật vật lý khác nhau , và chỉ có một số vũ trụ là có những định luật cần thiết cho quá trình phát sinh sự sống và những sinh vật có khả năng nhận định các định luật đó.Các định luật vật lý làm thành cơ sở của một tập logic giống như các định đề Euclide là cơ sở của một tập logic mà chúng ta gọi là hình học Euclide  .Chúng ta có quyền không chấp nhận các định đề Euclide , song các định đề này đơn giản nhất để xây dựng một hình học và có thể các định luật vật lý ta dùng thoả mãn tính đơn giản đó để giải thích vũ trụ . Khi gặp những vấn đề khác không giải thích được ta phải tìm ra những định đề khác – những định luật khác ! [ 5 ]

Quá trình tiến triển của vũ trụ dính liền với những đối xứng .

Một số đối xứng đã mất đi từ lúc bigbang , một trong các đối xứng như thế có thể là siêu đối xứng (supersymmetry ), đối xứng nối liền fermion và boson . Đối xứng này là  một yếu tố cơ bản của lý thuyết siêu dây .Các máy gia tốc sẽ kiểm nghiệm vai trò của siêu đối xứng trong lý thuyết thống nhất , trong đó có vấn đề  xác định xem   hạt neutralino có thuộc vật chất tối hay không .Hạt neutralino là một siêu hạt = tổ hợp các siêu hạt Zino + Photino + Higgsino . Khối lượng các siêu hạt có thể liên quan đến trường Higgs .

Những đối xứng , những định luật vật lý mới có liên quan như thế nào đến các chiều dư ?

 

                                                                                                                           

 

 

2    2  /  Chúng ta sẽ phải giải quyết sự bí ẩn của năng lượng tối như thế nào ?

Những quan trắc hiện đại ( năm 1998 ) về sự bùng nổ của các sao ở khoảng cách xa ( supernovae ) chỉ tỏ rằng có một lực bí ẩn đang gia tốc quá trình giãn nở của vũ trụ . Một nguồn gốc khả dĩ của lực này là năng lượng chân không .Song những phép tính đã cho một trị số quá lớn  10 ¹²⁰ lần lớn hơn trị số quan trắc được . Như trên đã thấy lý thuyết siêu dây  cho một cách giải thích vấn đề này, song người ta vẫn xem xét đến những giả thuyết khác như giả thuyết về quintessence .

Năng lượng tối có thể nối liền với hằng số vũ trụ của Einstein . Người ta cho rằng trường Higgs chiếm đầy khoảng chân không . Vậy năng lượng tối có thể  liên  quan đến trường Higgs .

 

Người ta đưa vào  mật độ năng lượng chân không  e _L tỷ lệ với hằng số vũ trụ L  trong phương trình Einstein

                      L    =    (8 p G / 3c² ) e _L

 còn r thì nối liền với thông số mật độ W

                      W  =    (8 p G / 3 H² c² ) e

 ở trên đây  H là hằng số Hubble . Thông số mậtđộ

                             W  =W  _{vật chất} +W _{bức xạ} +    W_L   .

Khi  W < 1 thì không gian có độ cong âm , khi W thì không gian có độ cong dương , còn khi  W = 1 thì không gian phẳng.

Có thể đưa ra sơ đồ khả dĩ của 2 khả năng  sau đây cho năng lượng tối: 

     

trong đó quintescence là một một loại hạt giả tưởng chiếm đầy vũ trụ ( ứng với một trường lượng tử ) .

Quintessence là một danh từ lấy từ luyện kim thuật ( alchimie  ) mang ý nghĩa là loại chất  thứ năm .Trong triết học cổ điển những người Hy lạp cổ xưa đã tìm ra năm hình đa diện có 6,8,4, 20 và 12 mặt. Năm hình đa diện đều này đóng một vai trò quan trọng trong lịch sử phát triển  khái niệm đối xứng .Người Hylạp xem chúng là những viên gạch cơ bản cấu thành vũ trụ : họ gắn liền đất với hình 6 mặt , không khí – hình 8 mặt, lửa - hình 4 mặt , nước- hình 20 mặt và một loại chất liệu vũ trụ – hình 12 mặt .

Trong vật lý hiện đại một số các nhà vật lý đưa ra  5 yếu tố của vũ trụ  : baryon, neutrino ,photon , vật chất tối , và quintessence (một khả năng khác của năng lượng tối , ngoài khả năng hằng số vũ trụ )  .

 

Theo sơ đồ nêu trên chúng ta thấy có 2 khả năng để xét vấn đề năng lượng tối ,trong đó khả năng sử dụng quintessence cũng có nhiều điểm duy lý ,được nhiều nhà vật lý chú ý .Quintessence tạo ra một trường khi tương tác với vật chất thì thay đổi theo thời gian . Điểm này làm cho quintessence dễ thích hợp với các trị số quan sát được đối với năng lượng tối . Theo quan trắc thiên văn có thể năng lượng tối chỉ phát huy tác dụng cách đây khoảng 6 tỷ năm .

Như ta biết phương trình trạng thái của chân không có dạng p = -e , trong đó p là áp suất  còn e là mật độ năng lượng . Đối với quintessence thì phương trình trạng thái p / e  = q với  -1 <  q < -1/3  . Một phương trình trạng thái như thế dẫn đến phản hấp dẫn ( antigravity )  p  < 0 và  e  _gravity < 0 [7] &[ 8 ] .

Nếu số q < - 1 thì sẽ đến một lúc phản hấp dẫn lớn đến mức xé rách mọi thiên hà , mọi nguyên tử , mọi vật chất ,đó là sự cố BIG RIP .

Còn một giả thuyết giải thích quá trình nở có gia tốc hiện nay là sử dụng các chiều dư ( extra dimension )

trong lý thuyết siêu dây ( xem sau đây ) .

 

3      /  Tồn tại chăng những chiều dư ( extra dimensions )?

Lý thuyết siêu dây có hy vọng thực hiên giấc mơ thống nhất của Einstein . Các siêu dây có tồn tại hay chăng ? Lý thuyết này đã đưa ra 6 đến 7 chiều dư  ngoài 4 chiều không thời gian . Vậy có bao nhiêu chiều dư ? kích thước , hình dạng như thế nào ? Và những hạt gắn với những chiều dư này là những hạt gì ? Có tồn tại những chiều dư vĩ mô hay không ? Chúng có liên quan gì đến những lỗ đen ?

Một số tác giả cho rằng hiện tượng gia tốc hiện nay của vũ trụ không phải gây nên chỉ bởi năng lượng tối mà còn  bởi sự lan truyền , rò rỉ hấp dẫn vào những chiều dư  [8]. 

Thế năng của một số trường có khả năng gây ra một hiệu ứng tương tự như hằng số hấp dẫn (ví dụ inflaton ) hay quintessence , song những giả thuyết như vậy vẫn nằm trong phạm trù năng lượng tối .Liệu có thể không dùng năng lượng tối , chỉ dùng hiện tượng rò rỉ hấp dẫn sang các chiều dư để giải thích hiện tượng giãn nở có gia tốc của vũ trụ ?

Như trên đây đã nói trong lý thuyết siêu dây ,màng ( brane ) là một đối tượng tôpô quan trọng .Các hạt như electron , proton , neutron … là những dao động của những dây hở , đầu mút các dây này bị dán vào màng vốn là chỗ cư trú của thế giới chúng ta ,trong khi đó graviton , lượng tử của hấp dẫn lại là dao động của những dây kín , không có đầu mút , cho nên graviton có khả năng thoát   khỏi màng và truyền lan sang các chiều dư .Như vậy chỉ riêng tương tác hấp dẫn là có thể thất thoát khỏi màng  và người ta chứng minh rằng các graviton có bước sóng dài dễ dàng lan truyền sang các chiều dư ( hình 6 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

      

 

Hình 6. Vũ trụ của chúng ta nằm trong một màng ( brane ).Hấp dẫn có thể thoát ra khỏi màng và lan truyền sang các chiều dư ( extra dimension ) .

 

Nếu hai thiên hà ở rất xa nhau thì các graviton trao đổi giữa chúng là những graviton có bước sóng dài , loại graviton này sẽ thất thoát sang các chiều dư do đó lực hấp dẫn trở nên yếu , định luật hấp dẫn không còn là 1 / r ² nữa ( trong không gian n chiều thì định luật hấp dẫn sẽlà 1/ r ^n-1 ). Đây là một điều kiện cho sự giãn nở có gia tốc, ngoài ra các tác giả Cedric Deffayet , Gabadadze và Georgi Dvali còn chứng minh rằng các chiều dư sẽ dẫn đến giản nở có gia tốc  [9] . Thực vậy trong lý thuyết nhiều chiều , những chiều dư sẽ tạo nên một số hạng mới trong các  phương trình  làm cho độ cong của màng thay đổi  , hiệu quả  là  :  hấp  dẫn rò rỉ vào các chiều dư tạo nên thêm một độ cong bất khả quy  (irreducible) trên màng mà không phụ thuộc vào mật độ vật chất và năng lượng trên màng!  Và độ cong này tác dụng như một hằng số hấp dẫn và làm cho vũ trụ giãn nở có gia tốc .

 

 

4      /  Các lỗ đen 

 

Trong vật lý hiện đại , các lỗ đen ứng với những lời giải  của phương trình Einstein ( Schwarzschild , Reissner –Nordstrom, Kerr ,Kerr-Nordstrom,…).Theo lý thuyết của Einstein ,khi một vật thể  bị nén  đến  một mức độ nào đó thì nó biến thành lỗ đen ( hình 7)  ; trường hấp dẫn của lỗ đen  làm cong không thời gian nhiều đến nỗi không cho bất kỳ một vật gì có thể thoát ra ngoài , (thậm chí ánh sáng ) nếu vật đó rơi vào sau chân trời sự cố của lỗ đen . Chân trời sự cố của lỗ đen là ranh giới có vào mà không có ra của lỗ đen .

Theo những lý thuyết hiện đại như lý thuyết siêu dây thì có thể tồn tại  những chiều dư ( extra dimension ) ngoài  4 chiều không- thời gian , số chiều dư này có thể là 6 hoặc 7. Nếu không tính đến những chiều dư thì kích thước của lỗ đen tỷ lệ với khối lượng của nó.

Nếu chúng ta nén mặt trời đến một bán kính chỉ còn 3 kilômét ( chỉ còn 1 / 4.000.000 bán kính hiện nay ) thì mặt trời sẽ trở thành một lỗ đen ! Quả đất của chúng ta cũng sẽ có một số phận như vậy , nếu chúng ta nén nó đến một bán kính bằng 9 milimét .

 

 

Hình 7 . a  /   Lỗ đen hút vật chất từ các sao chung quanh

              b  /  Nếu một nhà phi hành vũ trụ rơi vào lỗ đen  thì cơ thể sẽ bị kéo dài thành

                      dạng một sợi dây .

 

 

 

 

Với một lỗ đen có khối lượng bằng khối lượng mặt trời thì mật độ vật chất bằng vào khoảng 10 ¹⁹ kg / m ³  , mật độ này cao hơn mật độ của vật chất trong hạt nhân .

Stephen W. Hawking và Bernard J.Carr  đã nghiên cứu sự hình thành những lỗ đen trong thời buổi sơ sinh của vũ trụ ,những lỗ đen này gọi là những lỗ đen nguyên thuỷ . Khi vũ trụ hình thành, mật độ vật chất rất cao . Các định luật vật lý cho phép mật độ vật chất đạt đến trị số  Planck  10 ⁹⁷ kg / m ³ . Trong những điều kiện mật độ cao lý thuyết tương đối tổng quát cho phép  hình thành những lỗ đen có bán kính  10 ^{– 35} mét ( kích thước này gọi là độ dài Planck ) với khối lượng bằng 10 ^{– 8} kg ( xem hình 9 ).

Đây là những lỗ đen nặng hơn nhiều song nhỏ hơn nhiều so với các hạt cơ bản .

Trong quá khứ để cho các lỗ đen nguyên thuỷ được hình thành , cần có sự thăng giáng vật chất tạo nên những vùng có mật độ vật chất cao so với chung quanh .

 

 

Bức xạ Hawking

 

Năm 1974 , Hawking đưa ra lý thuyết về bức xạ của lỗ đen : đólà bức xạ Hawking . Theo lý thuyết này , lỗ đen bức xạ giống như một hòn than nóng , với nhiệt độ tỷ lệ nghịch với khối lượng . Ví dụ với một lỗ đen có khối lượng bằng 10 ¹² kg thì nhiệt độ tương ứng sẽ là 10 ¹² độ Kelvin  và lỗ đen sẽ bức xạ các hạt không có khối lượng như photon và các hạt có khối lượng như electron , proton .

Vì bức xạ mang theo năng lượng cho nên khối lượng của lỗ đen tiêu hao dần . Càng tiêu hao khối lượng thì nhiệt độ của lỗ đen càng lớn và bức xạ dồn dập . Khi khối lượng chỉ còn chừng 10 ⁶ kg thì lỗ đen nổ trong vòng một giây để thoát một năng lượng bằng  năng lượng của một triệu quả bom  nguyên tử  megaton . Thời gian để một lỗ đen bay hơi hết tỷ lệ với lập phương khối lượng , ví dụ đối với một lỗ đen với khối lượng 10 ¹² kg mặt trời , thời gian bay hơi là khoảng 10 ¹⁰ năm ,nhiều lỗ đen nguyên thuỷ đã bay hơi trong lịch sử của vũ trụ .

 

Trong hiện tại người ta phân biệt 2 loại lỗ đen :

 

Các lỗ đen stellar là những sao lớn co sụp vì hấp dẫn ở cuối đời .Các nhà vật lý ước tính trong thiên hà chúng ta có khoảng 10 triệu lỗ đen này ,khối lượng cỡ vài chục khối lượng mặt trời .

Các lỗ đen galactic hiếm hơn nằm vào tâm của những thiên hà , đó là những lỗ đen siêu khổng lồ , khối lượng có thể đạt đến tỷ lần khối lượng mặt trời .Hiện nay các quan trắc cho thấy rằng tại tâm mỗi thiên hà đều có một lỗ đen galactic ! Trong thiên hà của chúng ta có một lỗ đen galactic núp mình trong chòm Sagittaire .

Những vấn đề liên quan đến lỗ đen :

a  .  Từ các lỗ đen siêu khổng lồ bắn ra những tia plasma cực lớn với tốc độ gần tốc độ ánh sáng, hiện nay hiện tượng này còn là một bí ẩn ( hình 8 ),[10 ]

 

 

Hình 8 . Hiện tượng còn là bí ẩn: các lỗ đen siêu khổng lồ bắn ra những tia plasma .

 

b  .  Lỗ đen liên quan đến những quá trình tương tác hấp dẫn với sự tham gia của những khối lượng lớn ( nuốt vật chất của lỗ đen , va chạm giữa hai lỗ đen ) , các quá trình này sẽ phát ra sóng hấp dẫn ( sóng hấp dẫn đã được tiên đoán bởi Einstein năm 1916 ). Vậy  “lắng nghe”  các lỗ đen có thể ghi được “bản nhạc” của sóng hấp dẫn phát ra từ những lỗ đen . Các dự án VIRGO ( Italia ), LIGO ( Mỹ ) ,LISA ( Nasa, European Space Agency ) đang sử dụng những thiết bị hiện đại để đo sóng hấp dẫn từ những lỗ đen .

 

c  .  Liệu có thể chế tạo lỗ đen trong phòng thí nghiệm ?  [ 11 ]

                                                               

Khi nói đến lỗ đen , người ta nghĩ đến những vật thể với khối lượng  khổng lồ có khả năng nuốt những con tàu vũ trụ , những sao chung quanh . Nhưng liệu những lỗ đen có thể chế tạo được nhờ những máy gia tốc năng lượng cao , ví dụ máy LHC ( Large Hadron Collider ) sẽ vận hành tại trung tâm CERN ,gần Geneva vào năm 2007 ? Chúng ta đang nói ở đây về những lỗ đen vi mô , có kích thước so sánh được với những hạt cơ bản .

 

 

Chế tạo lỗ đen trên máy gia tốc

 

Việc chế tạo được lỗ đen trong phòng thí nghiệm sẽ mở ra nhiều khả năng nghiên cứu lỗ đen một cách hiệu quả .Trên máy LHC một proton có thể được gia tốc đến năng lượng  7 tera  electron –volt,năng lượng này theo công thức nổi tiếng của Einstein E=mc ² tương đương với khối lượng 10 ^-23 kg ( 7.000 lần khối lượng của proton ) .Khi hai hạt va chạm nhau , năng lượng của chúng sẽ tập trung vào một vùng không gian rất nhỏ . Cho nên người  ta hy vọng rằng  sự va chạm của hai hạt như thế có thể dẫn đến sự hình thành một lỗ đen .

Song khối lượng 10 ^-23 kg còn quá khiêm tốn với trị số Planck 10 ^{– 8} kg ( trị số nhỏ nhất có thể của một lỗ đen ,xem hình 9 ) .Muốn cho một hạt vừa có năng lượng rất cao vừa phải có kích thước  cômpắc để có thể tạo nên một lỗ đen , hạt cần phải có năng lượng Planck nghĩa là cần một năng lượng lớn hơn năng lượng của LHC khoảng 10 ¹⁵ lần !

 

 

1011

10-35

 

 

Hình 9 . Hình trên  biểu diễn mối liên hệ giữa khối lượng và kích thước. Trong không gian 9 chiều, điểm giao nhau giữa cơ học  lượng tử và sự hình thành lỗ đen thực chất sẽ xảy ra ở năng lượng thấp hơn (10 ^{- 23} kg thay vì 10 ^-8kg ở không gian 3 chiều , xem hình 6)

A – vùng cấm của cơ học lượng tử

B – vùng cấm của lý thuyết tương đối

 

Trong những nghiên cứu gần đây , các nhà vật lý cho rằng đòi hỏi năng lượng Planck là một đòi hỏi quá cao . Vấn đề mấu chốt ở điểm sau này . Theo lý thuyết dây ( một lý thuyết được xem là có khả năng trở thành TOE –Theory Of  Everything ), ngoài không- thời gian 4 chiều còn có những chiều dư ( extra dimension) .Hấp dẫn ,không giống như những lực khác ,có khả năng truyền dẫn trong những chiều dư ấy . Trong không gian 3 chiều lực hấp dẫn tăng lên 4 lần nếu ta giảm khoảng cách giữa hai vật xuống còn một nửa ,song trong không gian 9 chiều lực hấp dẫn tăng lên 256  ( = 2 ⁸ ) lần . Hiệu ứng này trở nên rất quan trọng nếu các chiều dư đủ lớn ( vấn đề này được nghiên cứu bởi những tác giả Nima Arkani-Hamed , Savas Dimopoulos & Georgi Dvali ),hoặc các chiều dư bị cômpắc hoá cuộn tròn như trong lý thuyết dây .Điều này làm tăng lực hấp dẫn và làm cho điểm giao nhau giữa cơ lượng tử và sự hình thành lỗ đen thực chất sẽ xảy ra ở năng lượng thấp hơn ( xem hình 9 ). Mặc dầu chưa có những chứng cứ thực nghiệm về điểm này , song ý tưởng này đã tạo ra một tia sáng cho vấn đề chế tạo lỗ đen ngay trên máy gia tốc LHC .

Những tính toán đầu tiên cho những kết quả đáng ngạc nhiên : lỗ đen có thể được chế tạo với tần suất 1lỗ đen /1 giây và với tần suất đó thì  LHC có thể  được gọi là  xưởng ( factory ) chế tạo lỗ đen .

 

Các triển vọng của chế tạo lỗ đen

 

Các lỗ đen chế tạo ra có nguy hiểm không ? Chúng có thể lớn dần lên và nuốt cả quả đất của chúng ta không ? Theo tính toán của Hawking thì các lỗ đen đó sẽ bay hơi và do đó an toàn . Nhưng nếu Hawking sai thì sao ?

Thật ra  sử dụng những lý luận khác cho thấy rằng lỗ đen vi mô sẽ phân rã và vô hại . Những định luật bảo toàn sẽ ngăn cấm không cho hạt phân rã , ví dụ định luật bảo toàn điện tích , bảo toàn số baryon ( có một phần bị vi phạm ) làm cho proton là hạt rất bền. Với lỗ đen vi mô , không có một định luật bảo toàn nào cho nên chúng sẽ phân rã .

Ngoài ra những va chạm tương tự như những va chạm trong LHC đã xảy ra nhiều (trước đây và bây giờ ) trong vũ trụ . Theo các ước tính của Giddings và Thomas , tia vũ trụ với năng lượng cao ( đến 10 ⁹ Tev ) có thể tạo nên những lỗ đen với tần số  100 lỗ đen / 1năm.

Việc chế tạo ra những lỗ đen trong phòng thí nghiệm sẽ mở ra một chân trời mới đối với  vật lý .Nếu chế tạo được lỗ đen trong LHC , thì điều này  chứng tỏ được sự tồn tại các chiều dư ngoài 4 chiều không- thời gian .Các nhà vật lý sẽ có điều kiện để nghiên cứu những chiều dư đó ; nếu một phần lỗ đen chui vào các chiều dư thì mối liên quan giữa nhiệt độ và khối lượng sẽ thay đổi và khác với mối liên quan đó trong không gian 3 chiều.

Trong nhiều thế kỷ các nhà vật lý đã đẩy sâu giới hạn nghiên cứu từ nguyên tử đến proton,  neutron , rồi đến quark , nếu họ chế tạo được lỗ đen thì họ đã tiến đến thang Planck , vốn là thang tối vi của kích thước, dưới thang đó khái niệm về không-thời gian không còn tồn tại nữa ! Như vậy việc chế tạo được lỗ đen vi mô trong phòng thí nghiệm sẽ đánh dấu ranh giới của một nền vật lý . Sau ranh giới đó là vương quốc của những chiều dư ( extra dimension ) .

 

5 /  Các lực trong thiên nhiên có thống nhất được thành một lực duy nhất hay không?

Rất có thể lực thống nhất này nối liền quark với lepton và có khả năng biến một loại hạt

 này sang một loại hat khác .

 

6/  Vì sao có nhiều loại hạt đến thế ?

 Các nhà vật lý đã xác định được  57 loại hạt ,có thể chăng các hạt này là những

 nốt nhạc của siêu dây ? Chúng ta cũng đã tìm ra 3 gia đình ( và tại sao chỉ 3)

 quark và lepton  ,vì sao khối lượng của chúng cách biệt nhau đến như vậy .

 Hạt neutrino cũng là một hiện tượng bí ẩn ,  việc hạt neutrino có khối lượng nói

 rằng có một vùng vật lý nằm ngoài Mô hình chuẩn ( Standard Model ).

 

7/  Vật chất tối là gì? Có thể chế tạo nó trong phòng thí nghiệm được không ?Một  

phần lớn vật chất trong vũ trụ là vật chất tối , không có vật chất tối thì không có  

sao, có thiên hà có sự sống .Vật chất tối đã giữ chặt vũ trụ lại . Chúng ta có thể

 chế tạo được vật  chất tối trong các máy gia tốc ? Siêu hạt nhẹ nhất

 trong siêu đối xứng ,hạt nhẹ nhất chuyển động trong các chiều dư ,hạt axion 

 trong lý thuyết QCD ,có thể thuộc về vật chất tối ?

 

70 năm đã trôi qua mà bài toán vật chất tối – một trong những bài toán cơ bản của vật lý - vẫn chưa có lời giải !

 

Vào những năm 30 của thế kỷ trước Fritz Zwicky , một nhà thiên văn trẻ tuổi người Thuỵ sĩ lập nghiệp ở Mỹ ,khi nghiên cứu chuyển động 7 thiên hà trong chòm Coma ,nhận thấy rằng 7 thiên hà này chuyển động quá nhanh so với tính toán thực hiện trên cơ sở các khối lượng  quan sát được xung quanh . Muốn giải thích được chuyển động nhanh đó , xung quanh 7 thiên hà nói trên  cần phải có một khối lượng vật chất 400 lần lớn hơn khối lượng quan sát được ,  nhưng  khối lượng thiếu này không tìm thấy ở đâu cả . Bài toán vật chất tối ( dark matter ) ra đời  (1933). [ 12 ]

Năm 1970 nhà nữ thiên văn người Mỹ Vera Rubin , khi nghiên cứu tinh vân  Andromeda đã nhận thấy rằng vận tốc quay ở tâm  thiên hà không phù hợp với khối lượng biểu kiến của chúng . Trong những năm sau : 1986 ,2000 & 2003 các nhà thiên văn Mellier ,Fort ,Soucail , Pierre-Alain Duc và Frederic Bournaud khi nghiên cứu về các thấu kính hấp dẫn và mô phỏng sự va chạm của các thiên hà đều đi đến một kết luận là tồn tại một khối lượng vật chất khổng lồ  chưa nhìn thấy được bằng các phương tiện hiện đại , đó là vật chất tối.

Như vậy trong vũ trụ có 4 thành phần : năng lượng tối  ( dark energy ) gây lực đẩy,vật chất tối ( dark matter)  gây lực hút , các sao , các thiên hà và cuối cùng là các bức xạ . Vật chất tối có thể chiếm đến 30 % mật độ tới hạn (tức mật độ ứngvới lúc không thời gian là phẳng ).

Vật chất tối có thể là một loại vật chất mà chúng ta chưa hề biết đến.  Nhiều nhóm các nhà vật lý đã được thành lập để tìm kiếm , phát hiện vật chất tối như: nhóm CDMS (Cryogenic Dark Matter )  của Đại học Stanford , California ,Mỹ , nhóm DAMA (Dark Matter Experiment) của Trung quốc – Ý và nhiều nhóm khác với những thiết bị hiện đại thường nằm sâu dưới lòng đất để loại bỏ phông nhiễu loạn ngoại lai.

Hiện nay người ta hình thành quan điểm sau .Vật chất tối gồm 2 thành phần .

Thành phần thứ nhất  là thành phần baryonic ( như vật chất thông thường ) gọi là MACHO ( Massive Compact Halo Objects ) vì người ta cho rằng quanh các thiên hà có một quầng (halo)vật chất tối , có thể phát hiện được nhờ những hiệu ứng thấu  kính hấp dẫn đặc trưng .Trong MACHO có thể có những sao lùn nâu ( brown dwarf ) ,những sao này không đủ lớn và nóng đến mức phát ra ánh sáng .

Thành phần thứ hai không phải là vật chất thông thường gồm những hạt mới lạ (exotic) chưa tìm ra được : axion , WIMPs ,hạt đối xứng gương …

 

 

 

các hạt lạ - AXION, WIMPs(neutralino ),hạt đối xứng gương ?,…

Baryonic – MACHO,…

 

 

 

 

Axion là hạt giả định do nhà vật lý Peccei-Quinn đưa ra để giải thích hiện tượng phá vỡ đối xứng CP . WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles ) là những hạt suy ra từ siêu đối xứng tức đối xứng nối liền fermion và boson , hạt nhẹ nhất trong các WIMPs là neutralino . Hạt đối xứng gương do Lee & Yang đề xuất .

Một số tác giả muốn phủ nhận sự tồn tại của vật chất tối , họ đưa ra cách tiếp cận sửa đổi định luật hấp dẫn của Newton (MOND-Modified Newtonian Dynamics), hướng nghiên cứu này dường như có ít triển vọng  (có khó khăn với lý thuyết tương đối của Einstein ).

Phát hiện  vật chất  tối là một trong những vấn đề cơ bản của vật lý thế kỷ 21 .

                                                                                                              

8/  Hạt neutrino sẽ cung cấp cho chúng ta những gì?

 Hạt neutrino là một hạt bí hiểm , chúng tương tác rất yếu với vật chất .Hàng tỷ      

 tỷ neutrino đi qua cơ thể chúng ta trong mỗi giây nhưng không để lại một dấu

 vết gì . Sự tồn tại khối lượng của neutrino có thể dẫn đến một vùng vật lý mới

 chưa biết đến , có thể thuộc lý thuyết thống nhất .

 Một số bài toán liên quan đến  neutrino :

         - năng lượng tối có dính dáng gì đến neutrino ?

         - một số tác giả ( David Kaplan , Robert Fardon, Ann Nelson & Neil Weiner  , đại học Washington ,Seatle ) đưa ra giả thuyết khối lượng neutrino thay đổi MaVaNs (Mass Varying Neutrinos ) và điều này có thể dẫn đến giãn nở gia tốc của vũ trụ . Như chúng ta biết có 3 loại neutrino và các neutrino dao động ( oscillation) ,chuyển từ loại này sang loại kia .Vì sao? Nhóm Seatle cho rằng do sự tương tác của neutrino với một loại hạt mới nào đó ( một trường vô hướng tương tự quintessence ) còn chưa biết .Ngoài ra sự tương tác này gây nên sự gia tăng khối lượng của neutrino theo thời gian .Và phức hợp  neutrino- trường vô hướng làm thành một loại chất lỏng với p < 0 , và gây nên sự giãn nở gia tốc của vũ trụ  Theo Gia Dvali  , đại học New York , neutrino là một thành phần quan trọng của năng lượng tối .

Như vậy năng lượng tối bằng năng lượng của trường vô hướng + tổng khối lượng của neutrino . Nếu khối lượng neutrino tăng dần thì năng lượng tối cũng tăng dần theo đến một lúc có thể  áp đảo lực hút của hấp dẫn , và gây nên giãn nở gia tốc của vũ trụ ? Trong thực tế giãn nở gia tốc đã xảy ra khoảng 6 tỷ năm .

 

          9  / Vũ trụ đã hình thành như thế nào ?

Theo những lý thuyết hiện đại vũ trụ được khai sinh từ một vụ nổ lớn Bigbang cách đây

chừng 14 tỷ năm.

Một câu hỏi thường gặp : trước Bigbang là gì ? [ 5 ]

Thực ra không có điều gì có trước Bigbang . Chúng ta thường  hình dung vũ trụ đã

nổ ra từ một điểm vật chất . Song một hình ảnh đúng đắn hơn của vũ trụ giãn nở là một

quả bóng có độ đàn hồi tuyệt đối đang bị thổi phồng lên , hai vùng nằm trong và ngoài

quả bóng không tồn tại và  không ứng với những thực tại nào của vũ trụ .Khi quả bóng co

lại thành một điểm thì đấy là điểm xuất phát ban đầu Bigbang .Nên chú ý rằng vũ trụ không giãn nở trong một  “không gian “ nào cả: bản thân không gian sẽ được tạo nên trong quá trình  giãn nở của vũ trụ . Stephen Hawking đã so sánh câu hỏi : điều gì có trước Bigbang ? với câu hỏi : điều gì có ở  phía Bắc của cực Bắc ?Vì phía Bắc của cực Bắc không tồn tại cho nên không có gì ở đấy cả .

Một câu hỏi khác : không gian và thời gian đã được hình thành như thế nào ?

Hiện nay nhiều nhà vật lý quan niệm rằng không – thời gian được hình thành từ những

thăng giáng lượng tử của chân không ( hình 10).

 

 

 

 

Hình 10 . Các thăng giáng của chân không lượng tử (phỏng theo tranh Bọt thời gian của hoạ sĩ Jean-Michel

Joly , L’Ecume du temps,Saint-Etienne,1990 ) .Từ những thăng  giáng đó đã hình thành vũ trụ .

 

 

 

 

 

Lúc vũ trụ được 10 ^{– 35} giây xảy ra quá trình nở lạm phát ( inflation ) và  kết thúc vào thời điểm 10 ^{– 32} giây .Đây là một quá trình giãn nở bột phát của vũ trụ :.trong một thời đoạn ngắn ngủi , kích thước của vũ trụ đã tăng lên 10 ⁵⁰   lần .Quá trình nở lạm phát có thể bắt nguồn với một dạng năng lượng tối. Dạng năng lượng này có đóng vai trò gì trong lý thuyết thống nhất ? Có mối  liên quan gì đến sự tồn tại của hạt Higgs và với các chiều dư? 

 

Sau Bigbang 10 ^{– 33} giây vũ trụ ở vào trạng thái plasma của quark và gluon (PQG ).Trong trạng thái này  quark chuyển động tự do và tương tác với nhau bằng trao đổi gluon . Ngày 10 / 02 / 2000 trung tâm CERN tuyên bố đã thu được PQG trong phòng thí nghiệm sau 15 năm nghiên cứu .

Lúc vũ trụ được 10 ^{– 6} giây thì hình thành các hadron.

Lúc vũ trụ được 100 giây thì các hạt nhân nguyên tử được hình thành .

Lúc vũ trụ được 300.000 năm tuổi thì bức xạ tách khỏi vật chất và dẫn đến CMB ( Cosmic Microwave Background – bức xạ tàn tư của vũ trụ )

 

 Sau đó vũ trụ    nguội dần và nhiều quá trình chuyển  pha đã xảy ra , những quá trình chuyển    pha này có thể dựng lại trong phòng thí nghiệm nhờ những máy gia tốc năng lượng cao .

 Quá trình chuyển pha điện yếu đã gây nên sự bất đối xứng vật chất – phản vật chất. Trong quá trình chuyển pha ứng với sắc động lực học lượng tử QCD ,vật  chất  baryonic ngưng tụ thành dạng plasma của quark-gluon .

Người ta muốn kiểm nghiệm tất cả các quá trình này trong phòng thí nghiệm .

 

10  /   Điều gì đã xảy ra với phản vật chất ?

Tại thời điểm bigbang số lượng hạt và phản hạt bằng nhau .Song hiện nay thì chúng ta đang sống trong một thế giới hạt chứ không phải phản hạt ? Điều gì đã xảy ra với các phản hạt ? Để có sự mất quân bình đó đối xứng CP phải bị vi phạm, nguồn gốc của vi phạm đối xứng CP có thể tìm thấy trong quark hay neutrino , hay trong các hạt Higgs , trong siêu đối xứng hoặc trong các

chiều dư ?

 

11 /  Vấn đề chân không  [ 13 ]

 

Chân không không phải là một “ môi trường “ , trong đó không có gì cả , trái lại chân không là một loại “ ether “ đặc biệt chứa những thăng giáng phần lớn là của trường lượng tử điện từ . Chân không có thể chứa 3 khả năng đối với vật lý hiện đại :

a  .  Vì chứa những thăng giáng điện từ , cho nên có thể tính được năng lượng chân không theo phương pháp phân tích Fourier ( dao động tử ) ; người ta thu được một năng lượng vô cực . Các nhà vật lý đã nghĩ được cách làm hữu hạn đại lượng đó :  các dao động không thể xảy ra khi bước sóng ngắn hơn một trị số nhất định . Dẫu cắt bước sóng tại trị số đó, người ta vẫn còn để lại cho chân không một năng lượng khổng lồ .

Một hiện tượng quan trọng xảy ra trong chân không là lực Casimir và công nghệ nanô không thể không tính đến lực Casimir .

        

b .  Như trên chúng ta đã thấy năng lượng chân không có thể là năng lượng tối gây nên quá trình giãn nở có gia tốc của vũ trụ  

g .  Cuối cùng là một khả năng  quan trọng , có thể đó là nguồn gốc để giải quyết bài toán thống  nhất.  Vào những năm 20 , Wolfgang Pauli lúc ấy chỉ hơn 20 tuổi đã nhận định sâu sắc vấn đề  chân không . Pauli đưa ra câu hỏi : thuyết lượng tử đã gán cho chân không một năng lượng khổng lồ , như vậy theo lý thuyết tương đối rộng của Einstein thì không – thời gian phải có độ cong rất lớn ,mà thực tế không phải như vậy !

       Nhàvật lý người Nga Andrei Sakharov  đã đưa ra một cách nhìn  táo bạo vào năm1967 : nguồn gốc của hấp dẫn có thể là những thăng giáng của chân không với sự hiện diện của vật chất,  như vậy  từ chân không ta có hấp dẫn và các tia sáng sẽ bị cong vì hiện tượng khúc xạ của chân không ?

       Tại sao lại thống nhất các lực trước rồi mới dùng lý thuyết thống nhất để nghiên cứu chân không , mà không làm ngược lại , khi hiểu biết được cấu trúc của chân không thì chúng ta có thể xây dựng được lý thuyết thống nhất  các lực ?

      Một ngày nào đó chúng ta sẽ hiểu được mối liên quan giữa không – thời gian , các  thăng giáng lượng tử và hấp dẫn . Lúc ấy chúng ta sẽ bước sang một trang mới của vật lý và câu hỏi của Wolfgang Pauli sẽ có câu trả lời .

 

Mười một  bài toán lớn nêu trên của vũ trụ lượng tử  trong thế kỷ 21 hy vọng được làm sáng tỏ về mặt lý thuyết, cũng như thực nghiệm . Để tiến hành thực nghiệm người ta phải có những thiết bị năng lượng cao , một sự hợp tác quốc tế rộng lớn .

 

Sau đây liệt kê các thiết bị lớn,dự án chính và những vấn đề nghiên cứu tương ứng trong số 11vấn đề trên[1]. 

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

THIẾT BỊ                             Chú thích về thiết bị           (các vấn đề nghiên cứu trong số 11 vấn đề nêu trên )

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

1 / TEVATRON                   Máy va chạm proton–antiproton 2 Tev , Fermilab                                  ( 1 & 6 )

2 /  LHC                                Máy va chạm hadron14 Tev , Cern                                                    ( 1,2,3,&9 )

3  / LINEAR COLLIDER    Máy gia tốc electron Tev , một dự án quốc tế                                  ( 1,2,3,5,&7)

4  /  NUMI-MINOS              Máy tiêm neutrino , Soudan,Minnesota                                                          ( 8 )

5  /  V SUPERBEAM           Máy gia tốc neutrino, dự án mới                                                            ( 8 & 10 )

6  /  BABAR                         Thí nghiệm vật chất –phản vật chất , Stanford                                   (1 , 6 & 10 )

7  /  BTev                              Thí nghiệm về B meson, Fermilab                                                    ( 1 , 6 & 10 )

8  /  JDEM                            Joint Dark Energy Mission                                                                      ( 2 & 7 )

9  /  RHIC                             Máy va chạm ion nặng tương đối tính , Broohaven                                       (  9 )

10 / PROTON DECAY        Dự án ngầm dưới đất                                                                                       ( 5 )                                                  

                                                                §

 

Einstein đã mất nhưng  những ý  tưởng của ông ( đặc biệt ý tưởngvề một lý thuyết thống nhất , một “ lý thuyết của tất cả “ - TOE ) sẽ còn giúp chúng ta trên con đường tìm hiểu vũ trụ . Cũng tồn tại nhiều lý thuyết dẫn đến  những vi phạm lý thuyết Einstein ,như lý thuyết vòng lượng tử ( loop quantum theory ) dựa trên cơ sở lượng tử hoá không thời gian. Theo lý thuyết vòng lượng tử, photon với những năng lượng khác nhau sẽ chuyển động với những vận tốc khác nhau , điều này mâu thuẫn với lý thuyết Einstein!

Trong tương lai tới người ta tập trung vào 11 vấn đề mà các nhà vật lý đã nêu trên đây theo dòng các ý  tưởng của Einstein . Liệu 11 vấn đề đó có thể được làm sáng tỏ trong vòng thế kỷ 21 này không ?

 

 

Tài liệu tham khảo :

  [1] Quantum Universe , DOE/NSF ,HEPAP

  [2] Scientific American , September 2004

  [3] P.G. Bergmann , Introduction to the theory of  relativity

  [4] Alastair I M Rae ,  Quantum Mechanics

  [5] La Recherche 349 , Janvier 2002

  [6] La Recherche 12/2004 ,Paul Colas

  [7] A.D. Tchernin , Uspekhi phys.nauk , 11/2001

  [8] L.D.Landau,E.M.Liftchitz . Field theory

  [9] Georgi Dvali , Scientific American 2/2004

[10] Science & Vie ,Novembre 2002 .  

[11] Scientìic American ,May 2005

[12] Science & Vie , 03/2004.

[13] Science & Vie ,06/2003

 

* Viện Nănglượng Nguyên tử Việt nam