Lý thuyết siêu dây, trong ngôn ngữ phổ biến, biểu thị vũ trụ như một tập hợp các sợi năng lượng dao động - các sợi dây. Chúng là nền tảng của tự nhiên. Giả thuyết cũng mô tả các yếu tố khác - branes. Tất cả mọi vật chất trong thế giới của chúng ta đều được tạo thành từ sự rung động của dây và não. Hệ quả tự nhiên của lý thuyết là mô tả lực hấp dẫn. Đó là lý do tại sao các nhà khoa học tin rằng nó nắm giữ chìa khóa để hợp nhất lực hấp dẫn với các lực khác.
Khái niệm phát triển
Lý thuyết trường thống nhất, lý thuyết siêu dây, hoàn toàn là toán học. Giống như tất cả các khái niệm vật lý, nó dựa trên các phương trình có thể được giải thích theo những cách nhất định.
Ngày nay không ai biết chính xác phiên bản cuối cùng của lý thuyết này sẽ là gì. Các nhà khoa học có một ý tưởng khá mơ hồ về các yếu tố tổng quát của nó, nhưng chưa ai nghĩ ra một phương trình xác định có thể bao hàm tất cả các lý thuyết siêu dây, và bằng thực nghiệm vẫn chưa thể xác nhận nó (mặc dù cũng không bác bỏ nó). Các nhà vật lý đã tạo ra các phiên bản đơn giản của phương trình, nhưng cho đến nay nó không mô tả chính xác vũ trụ của chúng ta.
Lý thuyết siêu dây cho người mới bắt đầu
Giả thuyết dựa trên năm ý tưởng chính.
- Lý thuyết siêu dây dự đoán rằng tất cả các vật thể trong thế giới của chúng ta đều được tạo thành từ các sợi dao động và màng năng lượng.
- Cô ấy cố gắng kết hợp thuyết tương đối rộng (lực hấp dẫn) với vật lý lượng tử.
- Lý thuyết siêu dây sẽ thống nhất tất cả các lực cơ bản của vũ trụ.
- Giả thuyết này dự đoán một kết nối mới, siêu đối xứng, giữa hai loại hạt khác nhau về cơ bản, boson và fermion.
- Khái niệm mô tả một số kích thước bổ sung, thường không thể quan sát được của Vũ trụ.
Dây và não
Khi lý thuyết này xuất hiện vào những năm 1970, các sợi năng lượng trong nó được coi là vật thể 1 chiều - chuỗi. Từ "một chiều" có nghĩa là chuỗi chỉ có 1 chiều, chiều dài, không giống như hình vuông, có cả chiều dài và chiều cao.
Lý thuyết chia những siêu dây này thành hai loại - đóng và mở. Một chuỗi mở có các đầu không chạm vào nhau, trong khi chuỗi đóng là một vòng lặp không có đầu mở. Kết quả là, những chuỗi này, được gọi là chuỗi của loại đầu tiên, phải tuân theo 5 loại tương tác chính.
Tương tác dựa trên khả năng của một chuỗi để kết nối và phân tách các đầu của nó. Vì các đầu của chuỗi mở có thể kết hợp để tạo thành chuỗi đóng, nên không thể xây dựng lý thuyết siêu chuỗi không bao gồm các chuỗi được lặp lại.
Điều này hóa ra lại quan trọng, vì các chuỗi đóng có đặc tính, các nhà vật lý tin rằng, có thể mô tả lực hấp dẫn. Nói cách khác, các nhà khoa họcnhận ra rằng lý thuyết siêu dây, thay vì giải thích các hạt vật chất, có thể mô tả hành vi và lực hấp dẫn của chúng.
Sau nhiều năm, người ta phát hiện ra rằng, ngoài chuỗi, các yếu tố khác cũng cần thiết cho lý thuyết. Chúng có thể được coi là những tấm, hoặc những tấm hình. Dây có thể được gắn vào một bên hoặc cả hai bên.
Lực hấp dẫn lượng tử
Vật lý hiện đại có hai định luật khoa học chính: thuyết tương đối rộng (GR) và lượng tử. Họ đại diện cho các lĩnh vực khoa học hoàn toàn khác nhau. Vật lý lượng tử nghiên cứu các hạt tự nhiên nhỏ nhất, và GR, như một quy luật, mô tả tự nhiên trên quy mô hành tinh, thiên hà và vũ trụ nói chung. Các giả thuyết cố gắng thống nhất chúng được gọi là lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Hứa hẹn nhất trong số đó hiện nay là chuỗi.
Chủ đề đóng tương ứng với hành vi của lực hấp dẫn. Đặc biệt, chúng có các tính chất của graviton, một hạt mang lực hấp dẫn giữa các vật thể.
Tham gia Lực lượng
Lý thuyết dây cố gắng kết hợp bốn lực - điện từ, lực hạt nhân mạnh và yếu, và lực hấp dẫn - thành một. Trong thế giới của chúng ta, chúng biểu hiện thành bốn hiện tượng khác nhau, nhưng các nhà lý thuyết dây tin rằng trong vũ trụ sơ khai, khi có mức năng lượng cực cao, tất cả các lực này được mô tả bằng các chuỗi tương tác với nhau.
Siêu đối xứng
Tất cả các hạt trong vũ trụ có thể được chia thành hai loại: boson và fermion. Lý thuyết dâydự đoán rằng có một mối quan hệ giữa chúng, được gọi là siêu đối xứng. Trong siêu đối xứng, phải có một fermion cho mọi boson và một boson cho mọi fermion. Thật không may, sự tồn tại của những hạt như vậy vẫn chưa được xác nhận bằng thực nghiệm.
Siêu đối xứng là một mối quan hệ toán học giữa các yếu tố của phương trình vật lý. Nó được phát hiện trong một lĩnh vực vật lý khác và ứng dụng của nó đã dẫn đến việc đổi tên thành lý thuyết dây siêu đối xứng (hay lý thuyết siêu dây, theo cách nói phổ biến) vào giữa những năm 1970.
Một trong những lợi ích của siêu đối xứng là nó đơn giản hóa đáng kể các phương trình bằng cách cho phép loại bỏ một số biến. Không có siêu đối xứng, các phương trình dẫn đến mâu thuẫn vật lý như giá trị vô hạn và mức năng lượng tưởng tượng.
Vì các nhà khoa học chưa quan sát được các hạt được dự đoán bằng siêu đối xứng, nên nó vẫn chỉ là giả thuyết. Nhiều nhà vật lý tin rằng lý do của điều này là cần một lượng năng lượng đáng kể, liên quan đến khối lượng bởi phương trình Einstein nổi tiếng E=mc2. Những hạt này có thể đã tồn tại trong vũ trụ sơ khai, nhưng khi nó nguội đi và năng lượng lan rộng sau vụ nổ Big Bang, những hạt này chuyển sang mức năng lượng thấp.
Nói cách khác, các sợi dây rung động khi các hạt năng lượng cao bị mất năng lượng, biến chúng thành các phần tử rung động thấp hơn.
Các nhà khoa học hy vọng rằng các quan sát thiên văn hoặc thí nghiệm với máy gia tốc hạt sẽ xác nhận lý thuyết bằng cách tiết lộ một số nguyên tố siêu đối xứng vớinăng lượng.
Số đo bổ sung
Một hệ quả toán học khác của lý thuyết dây là nó có ý nghĩa trong một thế giới có nhiều hơn ba chiều. Hiện tại có hai lời giải thích cho điều này:
- Các kích thước bổ sung (sáu trong số chúng) đã bị thu gọn, hoặc, theo thuật ngữ lý thuyết dây, được tổng hợp thành các kích thước cực kỳ nhỏ mà không bao giờ có thể nhận ra được.
- Chúng tôi bị mắc kẹt trong màn hình 3D, và các chiều không gian khác vượt ra ngoài nó và chúng tôi không thể tiếp cận được.
Một dòng nghiên cứu quan trọng của các nhà lý thuyết là mô hình toán học về cách các tọa độ phụ này có thể liên quan với của chúng ta. Kết quả mới nhất dự đoán rằng các nhà khoa học sẽ sớm có thể phát hiện ra những kích thước phụ này (nếu chúng tồn tại) trong các thí nghiệm sắp tới, vì chúng có thể lớn hơn dự kiến trước đây.
Hiểu rõ mục đích
Mục tiêu mà các nhà khoa học phấn đấu khi khám phá siêu dây là một "lý thuyết về mọi thứ", tức là một giả thuyết vật lý duy nhất mô tả toàn bộ thực tế vật lý ở cấp độ cơ bản. Nếu thành công, nó có thể làm rõ nhiều câu hỏi về cấu trúc vũ trụ của chúng ta.
Giải thích về vật chất và khối lượng
Một trong những nhiệm vụ chính của nghiên cứu hiện đại là tìm ra giải pháp cho các hạt thực.
Lý thuyết chuỗi bắt đầu như một khái niệm mô tả các hạt như hạt hadron ở các trạng thái dao động cao hơn khác nhau của một chuỗi. Trong hầu hết các công thức hiện đại, vấn đề được quan sát trongvũ trụ, là kết quả của sự rung động của dây và não có năng lượng thấp nhất. Các rung động cao hơn tạo ra các hạt năng lượng cao hiện không tồn tại trong thế giới của chúng ta.
Khối lượng của các hạt cơ bản này là biểu hiện của cách các dây và não được bao bọc trong các kích thước bổ sung phức hợp. Ví dụ: trong một trường hợp đơn giản khi chúng được gấp lại thành hình bánh rán, được các nhà toán học và vật lý gọi là hình xuyến, một chuỗi có thể quấn hình dạng này theo hai cách:
- vòng ngắn qua điểm xuyến giữa;
- một vòng dài bao quanh toàn bộ chu vi bên ngoài của hình xuyến.
Vòng ngắn sẽ là hạt nhẹ, và vòng lớn sẽ là hạt nặng. Việc quấn các chuỗi xung quanh các kích thước tổng hợp hình xuyến sẽ tạo ra các phần tử mới với các khối lượng khác nhau.
Lý thuyết siêu dây giải thích một cách ngắn gọn và rõ ràng, đơn giản và trang nhã sự chuyển đổi độ dài thành khối lượng. Các kích thước gấp khúc ở đây phức tạp hơn nhiều so với hình xuyến, nhưng về nguyên tắc thì chúng hoạt động theo cùng một cách.
Mặc dù khó có thể tưởng tượng được rằng sợi dây quấn quanh hình xuyến theo hai hướng cùng một lúc, tạo ra một hạt khác với khối lượng khác nhau. Branes cũng có thể bao gồm các kích thước bổ sung, tạo ra nhiều khả năng hơn nữa.
Xác định không gian và thời gian
Trong nhiều phiên bản của lý thuyết siêu dây, các kích thước sụp đổ, khiến chúng không thể quan sát được ở mức độ phát triển công nghệ hiện tại.
Hiện tại vẫn chưa rõ liệu lý thuyết dây có thể giải thích bản chất cơ bản của không gian và thời gian hay khôngnhiều hơn Einstein đã làm. Trong đó, các phép đo là nền tảng cho sự tương tác của các chuỗi và không có ý nghĩa thực tế độc lập.
Giải thích đã được đưa ra, chưa được phát triển đầy đủ, liên quan đến việc biểu diễn không-thời gian dưới dạng đạo hàm của tổng của tất cả các tương tác chuỗi.
Cách tiếp cận này không đáp ứng được ý tưởng của một số nhà vật lý, dẫn đến việc chỉ trích giả thuyết. Lý thuyết cạnh tranh của lực hấp dẫn lượng tử vòng lặp sử dụng lượng tử hóa không gian và thời gian làm điểm khởi đầu. Một số người tin rằng nó sẽ chỉ là một cách tiếp cận khác với cùng một giả thuyết cơ bản.
Lượng tử hóa lực hấp dẫn
Thành tựu chính của giả thuyết này, nếu nó được xác nhận, sẽ là lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn. Mô tả hiện tại về lực hấp dẫn trong thuyết tương đối rộng không phù hợp với vật lý lượng tử. Điều thứ hai, bằng cách áp đặt các hạn chế đối với hành vi của các hạt nhỏ, dẫn đến mâu thuẫn khi cố gắng khám phá Vũ trụ ở quy mô cực nhỏ.
Thống nhất các lực lượng
Hiện nay, các nhà vật lý biết bốn lực cơ bản: lực hấp dẫn, điện từ, tương tác hạt nhân yếu và mạnh. Theo lý thuyết dây, tất cả chúng đều từng là biểu hiện của một.
Theo giả thuyết này, kể từ khi vũ trụ sơ khai nguội đi sau vụ nổ lớn, tương tác đơn lẻ này bắt đầu chia thành các tương tác khác nhau đang hoạt động ngày nay.
Các thí nghiệm năng lượng cao một ngày nào đó sẽ cho phép chúng ta khám phá sự hợp nhất của các lực này, mặc dù những thí nghiệm như vậy vượt xa sự phát triển hiện tại của công nghệ.
Năm sự lựa chọn
Sau cuộc cách mạng siêu dây vào năm 1984, sự phát triển đã được thực hiện với tốc độ chóng mặt. Kết quả là, thay vì một khái niệm, có năm loại, được đặt tên là I, IIA, IIB, HO, HE, mỗi loại gần như mô tả hoàn toàn thế giới của chúng ta, nhưng không hoàn toàn.
Các nhà vật lý, sắp xếp các phiên bản của lý thuyết dây với hy vọng tìm ra một công thức đúng phổ quát, đã tạo ra 5 phiên bản tự cung tự cấp khác nhau. Một số thuộc tính của chúng phản ánh thực tế vật lý của thế giới, những đặc tính khác không tương ứng với thực tế.
M-thuyết
Tại một hội nghị năm 1995, nhà vật lý Edward Witten đã đề xuất một giải pháp táo bạo cho vấn đề gồm 5 giả thuyết. Dựa trên đối ngẫu mới được phát hiện, tất cả chúng đều trở thành trường hợp đặc biệt của một khái niệm bao quát duy nhất, được gọi là thuyết M về siêu dây của Witten. Một trong những khái niệm chính của nó là branes (viết tắt của màng), các vật thể cơ bản có nhiều hơn 1 chiều. Mặc dù tác giả không cung cấp phiên bản đầy đủ, vẫn chưa có sẵn, nhưng lý thuyết M về siêu dây ngắn gọn bao gồm các đặc điểm sau:
- 11-thứ nguyên (10 thứ nguyên không gian cộng với 1 thứ nguyên thời gian);
- tính kép dẫn đến năm lý thuyết giải thích cùng một thực tế vật lý;
- branes là các chuỗi có nhiều hơn 1 thứ nguyên.
Hậu quả
Kết quả là, thay vì một, đã có 10 giải pháp500. Đối với một số nhà vật lý, điều này gây ra khủng hoảng, trong khi những người khác chấp nhận nguyên lý nhân học, nguyên lý giải thích các thuộc tính của vũ trụ bằng sự hiện diện của chúng ta trong đó. Vẫn còn phải xem khi các nhà lý thuyết sẽ tìm thấy mộtcách định hướng trong lý thuyết siêu dây.
Một số cách diễn giải cho rằng thế giới của chúng ta không phải là duy nhất. Các phiên bản cấp tiến nhất cho phép sự tồn tại của vô số vũ trụ, một số vũ trụ chứa các bản sao chính xác của chính chúng ta.
Lý thuyết của Einstein dự đoán sự tồn tại của một không gian cuộn, được gọi là lỗ sâu hay cầu Einstein-Rosen. Trong trường hợp này, hai địa điểm ở xa được nối với nhau bằng một đoạn ngắn. Lý thuyết siêu dây không chỉ cho phép điều này mà còn cho phép kết nối các điểm xa nhau của các thế giới song song. Thậm chí có thể chuyển đổi giữa các vũ trụ với các định luật vật lý khác nhau. Tuy nhiên, có khả năng lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn sẽ khiến sự tồn tại của chúng là không thể.
Nhiều nhà vật lý tin rằng nguyên lý ba chiều, khi tất cả thông tin chứa trong thể tích không gian tương ứng với thông tin được ghi trên bề mặt của nó, sẽ cho phép hiểu sâu hơn về khái niệm chủ đề năng lượng.
Một số người tin rằng lý thuyết siêu dây cho phép tạo ra nhiều chiều thời gian, có thể dẫn đến việc du hành xuyên qua chúng.
Ngoài ra, trong khuôn khổ của giả thuyết, có một phương án thay thế cho mô hình vụ nổ lớn, theo đó vũ trụ của chúng ta xuất hiện do va chạm của hai quả cầu và trải qua nhiều chu kỳ tạo ra và hủy diệt.
Số phận cuối cùng của vũ trụ luôn khiến các nhà vật lý bận tâm, và phiên bản cuối cùng của lý thuyết dây sẽ giúp xác định mật độ vật chất và hằng số vũ trụ. Biết được những giá trị này, các nhà vũ trụ học có thể xác định liệu vũ trụ sẽthu nhỏ lại cho đến khi phát nổ để bắt đầu lại từ đầu.
Không ai biết lý thuyết khoa học có thể dẫn đến đâu cho đến khi nó được phát triển và thử nghiệm. Einstein, viết phương trình E=mc2, không ngờ rằng nó sẽ dẫn đến sự xuất hiện của vũ khí hạt nhân. Những người sáng tạo ra vật lý lượng tử không biết rằng nó sẽ trở thành cơ sở để tạo ra tia laser và bóng bán dẫn. Và mặc dù vẫn chưa biết một khái niệm lý thuyết thuần túy như vậy sẽ dẫn đến điều gì, nhưng lịch sử cho thấy một điều gì đó xuất sắc chắc chắn sẽ xuất hiện.
Để biết thêm về phỏng đoán này, hãy xem Lý thuyết siêu dây cho hình nộm của Andrew Zimmerman.
