CÁI GÌ Ở PHÍA TRƯỚC: ĐÌNH ĐỐN HAY CÁCH MẠNG?
Gần như trong suốt cả thế kỷ XX vật lý các hạt cơ bản, từ lý thuyết, thực nghiệm đến kỹ thuật gia tốc và chế tạo thiết bị đã phát triển nhanh chóng lạ thường. Trong những năm gần đây sự phát triển của nó luôn luôn gắn chặt với sự nghiên cứu Vũ trụ thời kỳ đầu và các bộ môn mới của toán học thuần tuý.
Công việc của các nhà vật lý lý thuyết được nuôi dưỡng bằng các thực nghiệm mới và các dữ liệu mới. Vào thời kỳ hoàng kim của sự phát triển mạnh mẽ của vật lý các hạt cơ bản, số lượng các dữ liệu này, cũng như số lý thuyết để giải thích chúng tăng lên không ngừng. Các lý thuyết đòi hỏi được kiểm chứng, đã kích thích các nhà bác học xây dựng các máy gia tốc hạt cơ bản ngày càng mạnh, các dụng cụ ghi đo ngày càng nhạy. Thành công to lớn của vật lý lý thuyết đó xây dựng được một bức tranh phù hợp cho thế giới vi mô - được gọi là mô hình chuẩn.
Mô hình này đã kết hợp sắc động lực học lượng tử và lý thuyết điện yếu và đã mô tả tương tác mạnh, tương tác điện từ và tương tác yếu từ những quan điểm chung. Bây giờ có thể khẳng định rằng, không có một thí nghiệm nào mâu thuẫn trực tiếp với mô hình chuẩn. Những năm gần đây đã diễn ra điều mà các nhà vật lý đã dự đoán từ lâu: sự phát triển của kỹ thuật máy gia tốc đã bị kìm hãm mạnh mẽ vì giá thành tăng cao tới mức khó tin, các số dữ liệu thực nghiệm mới giảm nhiều. Các nhà lý thuyết tiên đoán sự tồn tại của các hạt và các hiện tượng mới cần được phát hiện ở năng lượng có 1 TeV và cao hơn (1TeV = 1012eV). Tạm thời thì các nhà vật lý mất cơ hội so sánh dự báo với thí nghiệm.
Ta hãy nêu tóm tắt các bài toán đang chờ lời giải.
1. Trong lĩnh vực năng lượng cao, mà có lẽ, sẽ đạt tới trong những năm gần đây nhất trên máy gia tốc LHC (= Large Hadron Collider, Máy vòng va chạm hađron lớn) đang được xây dựng ở CERN - mà chiếm vị trí hàng đầu là việc tìm kiếm hạt boson higgs. Higgs H0 sẽ hoàn tất việc xác nhận mô hình chuẩn bằng thực nghiệm. Không loại trừ là sau khi điều đó xảy ra sẽ rất lâu nữa mới có các khám phá quan trọng (nói cách khác, các lý thuyết hiện đại là đúng và bắt đầu từ năng lượng 104GeV vật lý bước vào hoang mạc tiệm cận, nơi mà sẽ chẳng có gì lý thú xảy ra cho mãi đến các năng lượng mà rõ ràng ta chưa tới được có 1015 GeV).
2. Có hàng loạt ý tưởng lý thuyết mà để kiểm tra chúng ta phải cần tới các máy gia tốc với năng lượng cỡ lTeV. Điều đó trước hết là các lý thuyết siêu đối xứng. Chúng dựa trên việc tìm ra các phép biến đổi biến các fermion thành các boson và ngược lại. Trước đây người ta cho rằng điều đó không thể xảy ra: chính vì các fermion tuân theo nguyên lý cấm Pauli, còn các boson thì không.
Tuy nhiên đã tìm thấy siêu đối xứng, bao hàm cả các fermion lẫn các boson - nói cách khác các hạt có spin khác nhau nằm trong cùng một họ với một giá trị siêu spin nào đó. Bao giờ cũng thế, với sự xuất hiện một đối xứng mới, rộng hơn đều hy vọng tìm thấy các hạt mà trước đây chưa được biết đến. Nếu ý tưởng về siêu đối xứng là đúng thì mỗi hạt đều phải có một siêu hạt đồng hành đi kèm - hạt có spin khác với spin của nó 1/2. Ví dụ, siêu hạt đồng
hành của photon là hạt photino có spin 1/2, siêu hạt đồng hành của graviton là hạt gravitinô (spin của gravitinô bằng 3/2, bằng cách đó, nó lấp đầy bậc thang cuối cùng trên thang spin) v.v...
Cuối cùng, có cả những lý thuyết, theo đó các quark, các lepton cùng các hạt cơ bản khác, tự chúng là những hạt có cấu tạo thành phần. Do đó, cần đi tìm các hạt cơ bản hơn được các lý thuyết này tiên đoán (người ta đặt cho chúng những tên gọi khác nhau: preon, rishon, gaplon v.v...).
3. Người ta cũng đã có ý đồ mở rộng mô hình chuẩn bằng cách nào đó. Khả năng có tính nguyên tắc cho việc xây dựng một lý thuyết tương tự liên quan tới diễn biến của các hằng số tương tác khi thay đổi năng lượng. Trong sắc động lực học lượng tử, hằng số tương tác là lớn ở các năng lượng thấp và tăng lên cùng với năng tượng (hiện tượng tự do tiệm cận). Ngược lại hằng số chung của tương tác điện yếu trong trường hợp này lại tăng lên. Như vậy, ở một giá trị năng lượng nào đó các hằng số của tương tác điện yếu và tương tác mạnh sẽ giống nhau, nghĩa là các tương tác sẽ không còn khác nhau - diễn ra sự đại thống nhất các tương tác. Chỉ có điều là sự hợp nhất các hằng số và thống nhất các tương tác phải diễn ra ở các năng lượng cỡ 1027eV (1015GeV).
Trong lời kết luận tại hội nghị SUSY - 95(siêu đối xứng và sự thống nhất các tương tác cơ bản, tháng 5 năm 1995), một trong những người đi tiên phong của lý thuyết dây, Gbriel) Veniziano đã vẽ kế hoạch phát biểu của mình bằng hình vẽ trên đây. Dưới chân núi, mô tả chủ đề của hội nghị, bên một sườn núi là mô hình chuẩn (điều mà ta đã biết). Bên sườn núi kia cũng ở bên dưới, siêu đối xứng đang chờ ta với niềm hy vọng. Con đường từ mô hình chuẩn tới siêu đối xứng đi quanh quả núi cũng rõ ràng, nhưng nó còn bị chặn ngang bởi các công trình xây dựng (ý nói các máy gia tốc LEP 1,5, LEP2, LEP3, Tevatron MI). Hiện giờ, một bộ phận cộng đồng ngoan ngoãn chờ đợi việc sửa đường, những người khác lại dồn sức tiến lên theo hướng dốc đứng và tuyên bố về “sự khám phá” ra siêu đối xứng, siêu dẫn hấp, sau đây.
Các hạt tương tác:
E : Tương tác điện
H : Tương tác từ
ĐM : Điện động lực học Maxwell
ĐL : Điện động lực học lượng tử
Y : Tương tác yếu
N : Tương tác hạt nhân
Y : Tương tác điện yếu
SĐN : Sắc động lực học lượng tử
ĐTL : Lý thuyết đại thống nhất
STN : Lý thuyết tương tác chung
(Tổng quát hay siêu thống nhất)
Năng lượng lớn nhất có thể đạt được nhờ các máy gia tốc trên Trái Đất vẫn nhỏ hơn năng lượng thống nhất tương tác điện yếu và tương tác mạnh 12 bậc, và nhỏ hơn năng lượng thống nhất hoàn toàn tất cả các tương tác với nhau 16 bậc.
Hoá ra là, có thể đưa vào sơ đồ chung cả hấp dẫn, nhưng muốn thế ta phải chuyển sang các không gian có số chiều lớn hơn bốn. Các chiều dư thừa không quan sát được có lẽ vì rằng tự chúng đã là kín (như một chiều trong chiếc bánh mì vòng). Trong các lý thuyết mà ta đang nói tới, sự ''đóng kín'' của các chiều dư thừa diễn ra ở các qui mô Planck (10-35m) và ta chỉ thấy rõ được chúng chỉ ở các năng lượng cỡ 1015 GeV.
Rõ ràng là, trên Trái Đất sẽ chẳng bao giờ xây dựng được máy gia tốc có thể cung cấp cho các proton năng lượng tới 1015GeV. Tính toán cho thấy bán kính của máy gia tốc như thế phải bằng vài năm ánh sáng (tức là bằng hàng chục ngàn tỷ kilômet)! Bởi vậy để kiểm nghiệm các ý tưởng của lý thuyết đại thống nhất ta phải hoặc giả tìm kiếm các biểu hiện nào đó của sự thống nhất này ở vật lý năng lượng thấp (chẳng hạn, cố thử nghiên cứu phân rã của proton) hoặc phải vời đến ''máy gia tốc cho người nghèo'' - đó là Vũ trụ của chúng ta mà như hiện nay được quan niệm, nó đã trải qua ở đoạn đầu tiến hóa của mình, một giai đoạn ''nóng'' khi mà năng lượng của các hạt vượt xa năng lượng ở thuyết đại thống nhất.
Trong cuốn sách ''Những ước mơ về một lý thuyết cuối cùng'' (năm 1993) Steven Weinberg, sau một loạt các lập luận về việc lý thuyết này có thể có diện mạo ra sao viết: ''Việc khám phá ra lý thuyết cuối cùng có thể làm ta thất vọng, vì rằng thiên nhiên trở nên bình thường hơn, ở đó những điều kỳ diệu và bí ẩn còn lại ít hơn. Điều đại loại như thế đã xảy ra trước đây. Hầu như trong suốt cả lịch sử loài người các bản đồ Trái Đất cho thấy những khoảng trống còn chưa được khảo sát, cho nên óc tưởng tượng của con người đã có thể bổ sung vào đó hình tượng những con rồng, những thành phố bằng vàng và những quái vật ăn thịt người. Việc tìm kiếm các hiểu biết phần nhiều giống như các khám phá địa lý. Nhưng trong thời đại chúng ta, mỗi hecta bề mặt Trái Đất đều được đưa lên các bản đồ và tất cả loài rồng đã bay đi mất cả rồi. Với việc khám phá các định luật cuối cùng, các mơ ước của chúng ta sẽ tan thành mây khói. Tuy vẫn còn vô khối các bài toán khoa học, trước mặt các nhà khoa học là cả Vũ trụ cần được nghiên cứu, nhưng tôi ngờ rằng các nhà khoa học trong tương lai sẽ ít nhiều ghen tị với các nhà vật lý ở thời đại chúng ta, vì rằng dù sao thì chúng ta còn đang đi trên con đường dẫn đến việc khám phá các định luật cuối cùng''.
Vật lý sẽ chẳng bao giờ kết thúc, bởi vì bao giờ cũng sẽ tìm thấy các hiện tượng thiên nhiên cần làm rõ. Nhưng ở cái phần rất hấp dẫn và bí ẩn của nó - vật lý vi mô - việc đi sâu thêm vào trong lòng vật chất có thể tạm thời bị ngừng lại, vì các phương pháp nghiên cứu truyền thống các hạt thực tế đã được tận dụng hết. Tuy nhiên người ta vẫn muốn tin rằng các nhà khoa học sẽ tìm thấy các phương pháp hiểu được các hiện tượng ở các khoảng cách siêu nhỏ và những cư dân trên Trái Đất ở thế kỷ XXI sẽ phải hiểu rõ nhiều điều từ ''những gì mà các nhà hiền triết của chúng ta không mơ tới''.
