Trong lý thuyết dây, các bit nhỏ của chuỗi thay thế các hạt hạ nguyên tử truyền thống.
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại SUNY Stony Brook và Viện Flatiron, chủ nhà của Hỏi một người không gian và Đài phát thanh không gianvà tác giả của "Vị trí của bạn trong vũ trụ."Sutter đã đóng góp bài viết này cho Tiếng nói chuyên gia của Space.com: Op-Ed & Insights.
Lý thuyết dây hy vọng sẽ là một lý thuyết theo nghĩa đen của mọi thứ, một khung thống nhất duy nhất giải thích tất cả sự đa dạng và phong phú mà chúng ta thấy trong vũ trụ và trong các máy va chạm hạt của chúng ta, từ cách thức hấp dẫn đến bất cứ điều gì quái quỷ năng lượng tối là tại sao các điện tử có khối lượng mà chúng làm. Và mặc dù đó là một ý tưởng có tiềm năng mạnh mẽ, mà nếu được mở khóa sẽ hoàn toàn cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về thế giới vật chất, nó chưa bao giờ được thử nghiệm trực tiếp.
Tuy nhiên, đã có những cách để khám phá một số nền tảng và hậu quả tiềm tàng của Lý thuyết dây. Và trong khi các thử nghiệm này không chứng minh được lý thuyết dây trực tiếp bằng cách này hay cách khác, chúng sẽ giúp củng cố trường hợp của nó. Hãy cùng khám phá.
Một vấn đề nhiễu loạn
Tuy nhiên, trước tiên, chúng ta phải xem xét tại sao lý thuyết dây rất khó kiểm tra. Có hai lý do.
Các chuỗi của lý thuyết dây rất nhỏ, được cho là ở đâu đó xung quanh thang đo Planck, rộng khoảng 10-34 mét. Đó là rất xa, nhỏ hơn nhiều so với bất cứ điều gì chúng ta có thể hy vọng để thăm dò ngay cả với các công cụ chính xác nhất của chúng tôi. Trên thực tế, các chuỗi rất nhỏ đến nỗi chúng dường như là các hạt giống như điểm, chẳng hạn như electron và photon và neutron. Chúng tôi chỉ đơn giản là không thể nhìn chằm chằm vào một chuỗi trực tiếp.
Liên quan đến sự nhỏ bé đó là thang năng lượng cần thiết để thăm dò các chế độ mà lý thuyết dây thực sự quan trọng. Cho đến hôm nay, chúng tôi có hai cách tiếp cận khác nhau để giải thích bốn thế lực tự nhiên. Một mặt, chúng ta có các kỹ thuật của lý thuyết trường lượng tử, cung cấp một mô tả siêu nhỏ về điện từ và hai lực hạt nhân. Và mặt khác chúng ta có thuyết tương đối rộng, cho phép chúng ta hiểu trọng lực là sự uốn cong và cong vênh của không thời gian.
Đối với tất cả các trường hợp mà chúng tôi có thể trực tiếp kiểm tra, sử dụng cái này hay cái kia là tốt. Lý thuyết dây chỉ phát huy tác dụng khi chúng ta cố gắng kết hợp cả bốn lực với một mô tả duy nhất, điều này chỉ thực sự quan trọng ở quy mô năng lượng cao nhất - cao đến mức chúng ta không bao giờ có thể chế tạo một cỗ máy để đạt đến độ cao như vậy.
Nhưng ngay cả khi chúng ta có thể nghĩ ra một máy va chạm hạt để thăm dò trực tiếp năng lượng của lực hấp dẫn lượng tử, chúng ta không thể kiểm tra lý thuyết dây, bởi vì lý thuyết dây chưa hoàn thành. Nó không tồn tại. Chúng tôi chỉ có những xấp xỉ mà chúng tôi hy vọng đến gần với lý thuyết thực tế, nhưng chúng tôi không biết chúng tôi đúng (hoặc sai) như thế nào. Vì vậy, lý thuyết dây thậm chí không phụ thuộc vào nhiệm vụ đưa ra dự đoán mà chúng ta có thể so sánh với các thí nghiệm giả thuyết.
Vũ trụ blues
Mặc dù chúng ta không thể đạt được năng lượng cần thiết trong các máy va chạm hạt của mình để thực sự nhìn sâu vào thế giới dây tiềm năng, 13,8 tỷ năm trước, toàn bộ vũ trụ của chúng ta là một vạc của các lực cơ bản. Có lẽ chúng ta có thể đạt được một số hiểu biết nghiêm ngặt bằng cách nhìn vào lịch sử của các vụ nổ lớn.
Một đề nghị được đưa ra bởi các nhà lý thuyết dây là một loại chuỗi lý thuyết khác: chuỗi vũ trụ. Các chuỗi vũ trụ là những khiếm khuyết kéo dài trong vũ trụ trong không thời gian, còn sót lại từ những khoảnh khắc đầu tiên của Vụ nổ lớn, và chúng là một dự đoán khá chung về vật lý của các thời đại đó vũ trụ.
Nhưng dây vũ trụ cũng có thể là các chuỗi siêu căng ra từ lý thuyết dây, thường nhỏ đến mức "kính hiển vi" quá lớn của một từ, nhưng đã bị kéo dài và kéo theo sự giãn nở không ngừng của vũ trụ. Vì vậy, nếu chúng ta tìm thấy một chuỗi vũ trụ trôi nổi ngoài kia trong vũ trụ, chúng ta có thể nghiên cứu nó một cách cẩn thận và kiểm tra xem đó có thực sự là một thứ được dự đoán bởi lý thuyết dây hay không.
Cho đến nay, không có chuỗi vũ trụ nào được tìm thấy trong vũ trụ của chúng ta.
Tuy nhiên, tìm kiếm là trên. Nếu chúng ta tìm thấy một chuỗi vũ trụ, nó sẽ không nhất thiết xác nhận lý thuyết chuỗi - sẽ còn rất nhiều việc cần phải làm, cả về mặt lý thuyết và quan sát, để phân biệt dự đoán lý thuyết chuỗi từ phiên bản crack-in-spacetime.
Không quá đối xứng
Tuy nhiên, chúng ta có thể chọn một số manh mối thú vị và một trong những manh mối đó là siêu đối xứng. Siêu đối xứng là một đối xứng giả định của tự nhiên, liên kết tất cả các fermion (khối xây dựng của thực tế như electron và quark) với các boson (chất mang của các lực như gluon và photon) trong một khung duy nhất.
Bộ máy siêu đối xứng lần đầu tiên được các nhà lý thuyết dây chế tạo, nhưng lấy lửa làm con đường thú vị cho tất cả các nhà vật lý năng lượng cao để giải quyết một số vấn đề với Mẫu tiêu chuẩn và đưa ra dự đoán cho vật lý mới. Trong lý thuyết dây, siêu đối xứng cho phép các chuỗi mô tả không chỉ các lực tự nhiên mà cả các khối xây dựng, mang lại cho lý thuyết đó sức mạnh để thực sự là một lý thuyết về mọi thứ.
Vì vậy, nếu chúng tôi tìm thấy bằng chứng cho siêu đối xứng, nó sẽ không chứng minh lý thuyết dây, nhưng nó sẽ là một bước đệm lớn.
Chúng tôi không tìm thấy bất kỳ bằng chứng nào cho siêu đối xứng.
Các Máy va chạm Hadron lớn (LHC) được thiết kế rõ ràng để khám phá siêu đối xứng, hoặc ít nhất là một số phiên bản siêu đối xứng đơn giản và dễ tiếp cận nhất, bằng cách tìm kiếm các hạt mới được dự đoán bởi lý thuyết. LHC đã hoàn toàn trống rỗng, thậm chí không có một hạt siêu đối xứng mới nào, xóa sạch tất cả các ý tưởng siêu đối xứng đơn giản nhất hoàn toàn khỏi bản đồ.
Và mặc dù kết quả tiêu cực này không loại trừ lý thuyết dây, nó cũng không làm cho nó trông quá tuyệt vời.
Liệu một ngày nào đó chúng ta sẽ có bằng chứng cho một trong những nền tảng hoặc dự đoán phụ của lý thuyết dây? Không thể nói được. Rất nhiều hy vọng đã được đặt vào siêu đối xứng, điều mà đến nay vẫn chưa thể thực hiện được, và vẫn còn câu hỏi về việc liệu có đáng để xây dựng các máy va chạm thậm chí lớn hơn để cố gắng đẩy mạnh hơn siêu đối xứng hay không, nếu chúng ta nên từ bỏ và thử thứ khác.
- Làm thế nào vũ trụ có thể có nhiều chiều hơn
- Các hạt bí ẩn phun ra từ vật lý thách thức Nam Cực
- Vụ nổ lớn: Điều gì thực sự xảy ra khi sinh ra trong vũ trụ của chúng ta?
Tìm hiểu thêm bằng cách nghe tập phim "Lý thuyết chuỗi có đáng không? (Phần 6: Có lẽ chúng ta nên kiểm tra điều này)" trên podcast Ask A Spaceman, có sẵn trên iTunes và trên Web tạihttp://www.askaspaceman.com. Cảm ơn John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. cho các câu hỏi dẫn đến phần này! Đặt câu hỏi của riêng bạn trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc theo Paul @PaulMattSutter và facebook.com/PaulMattSutter.
