Sóng hấp dẫn có thể giải thích được lý thuyết dây
Công bố mới "Các dấu hiệu của các chiều dư trên sóng hấp dẫn" (Signatures of extra dimensions in gravitational waves) đề xuất: có thể giải quyết luận điểm đã gây tranh cãi kịch liệt trong vật lý về sự tồn tại của sáu chiều dư, bằng các máy dò sử dụng laser dao cắt.
Lý thuyết dây đã đưa ra kỳ vọng quan trọng về việc đan kết tất cả các lĩnh vực của vật lý vào cùng một khuôn khổ tuyệt vời. Điểm yếu duy nhất là các nhà khoa học vẫn chưa tìm ra bất kỳ chứng cứ thực nghiệm nào chứng minh được là nó đúng - và câu hỏi phản đối là liệu có thể kiểm chứng được các tiên đoán của lý thuyết dây hay không.
Giờ đây một công bố mới đã tuyên bố các phép đo sóng hấp dẫn có thể là chìa khóa giải quyết có thật lý thuyết dây sẽ đạt được các mục tiêu to lớn của mình hay là sẽ bị coi là ý tưởng đáng loại bỏ. Nghiên cứu này đã nêu ra bằng chứng có thể quan sát được đầu tiên về sự tồn tại của các chiều dư, một trong những tiên đoán của lý thuyết dây, có thể đã ẩn trong những gợn lăn tăn của sóng hấp dẫn.
“Điều đó thật đáng kinh ngạc bởi vì thuyết tương đối lớn và Einstein đã không tiên đoán được tí nào", David Andriot, nhà vật lý tại Viện nghiên cứu Vật lý hấp dẫn Max Planck ở Potsdam và là đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết.
Điểm cốt yếu của lý thuyết dây – mặc dù có nhiều phương án lý thuyết cạnh tranh khác nhau - là tất cả các hạt có thể được xem như là các dây một chiều, mà trên đó các lực cơ bản của tự nhiên lực hấp dẫn, lực điện từ và các lực khác tác động như các mốt (mode) dao động. Vì được giải thích bằng toán học hơn là bằng từ ngữ, lý thuyết này yêu cầu cần có ít nhất sáu chiều không gian dư, bên cạnh chiều thời gian và ba chiều không gian của đời sống hàng ngày.
Các nhà khoa học, nhất là những người đang làm việc tại Cỗ máy gia tốc hạt lớn LHC, đã tìm kiếm năng lượng triệt tiêu trong các chiều dư mang tính giả thuyết đó nhưng đến nay các cố gắng vẫn chưa đem lại kết quả cuối cùng. Một khả năng được đưa ra là các chiều này xoắn chặt đến mức không thể nhận thấy chúng; hoặc có khả năng khác là chúng hoàn toàn không có ở đó.
Andriot hy vọng là thí nghiệm tại Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (Ligo) có thể bắt đầu cho việc đi tìm câu trả lời cho vấn đề này.
Năm 2015, Ligo đã làm nên lịch sử khi lần đầu tiên quan sát được sóng hấp dẫn, sự co dãn của không gian mà Einstein đã tiên đoán, có thể xuất hiện khi một khối lượng [vật chất] chuyển động qua kết cấu vũ trụ. Trong trường hợp này, các máy dò của Ligo đã chọn được những gợn sóng lan truyền qua không - thời gian xuất hiện theo sự va chạm dữ dội của một cặp lỗ đen từ hơn một tỷ năm trước.
Lý thuyết dây dự đoán rằng, trong suốt các biến động lớn này của vũ trụ, các gợn sóng có thể truyền qua các chiều không gian dư và ở đó phải có tương tác một cách tinh tế giữa các sóng thông thườngvà những sóng ẩn ngoài tầm quan sát.
"Nghiên cứu của chúng tôi kết luận rằng nếu có các chiều dư thì có thể dẫn đến mốt (mode) khác của sự co dãn [của không-thời gian]", Andriot cho biết.
Công bố "Các dấu hiệu của các chiều dư trên sóng hấp dẫn" đăng tải trên tạp chí Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, kết luận điều đó tạo ra một hiệu ứng "hô hấp" chồng trên sóng hấp dẫn chính. Dạng thức này có thể đo được khi máy dò thứ ba có tên gọi là Virgo tham gia tập hợp dữ liệu về sóng hấp dẫn với cặp máy dò Ligo vào cuối năm 2018 hoặc đầu năm 2019, dẫu cho nhóm nghiên cứu không chắc là liệu hiệu ứng đó có đủ lớn để phát hiện ra hay không.
"Nếu có các chiều dư thì chúng ta có thể nhận ra được hiệu ứng này, nhưng những nguyên nhân khác cũng có thể dẫn đến hiệu ứng đó. Đây không phải là bằng chứng quyết định cho các chiều dư", Andriot cho biết.
Christopher Berry, nhà khoa học đang làm việc cho Ligo tại đại học Birmingham (Anh), cho biết bài báo "Các dấu hiệu của các chiều dư trên sóng hấp dẫn" ưu tiên tìm kiếm các dạng biến đổi tinh tế đối với sóng hấp dẫn. "Đây là một trong những thí nghiệm kinh điển mà chúng tôi muốn làm", ông nói.
Những quan sát như vậy có ý nghĩa hết sức quan trọng bởi vì chúng không được thuyết tương đối lớn về hấp dẫn của Einstein tiên đoán, điều đó có nghĩa là hiểu biết của chúng ta về hấp dẫn hoạt động như thế nào cần thiết phải được chỉnh sửa lại. Lý thuyết dây là một chọn lựa nhưng bên cạnh nó vẫn còn có cáclý thuyết cạnh tranh khác. Sự vắng mặt của hiệu ứng “hô hấp”có thể giúp chúng ta loại trừ một vài lý thuyết, hoặc thu hẹp vùngmà chúng có thể xảy ra.
"Chúng tôi chờ đợi bất kỳ sai lệch nào so với thuyết tương đối rộng có thể xảy ra trong những điều kiện tột bực nhất – đó là nơi anh có thể trông chờ lý thuyết bị phá vỡ. Nơi tốt nhất để kiểm nghiệm là sự va chạm của các lỗ đen".
Bài báo này cũng tiên đoán sóng hấp dẫn phải gợn sóng qua chiều dư tại một tần số đặc trưng– tương tự cách cây đàn organ có các ống hơi với độ dài khác nhau tạo ra các nốt nhạc có cao độ khác nhau. Theo giả thuyết này, các chiều dư rất nhỏ, một chuỗi các sóng hấp dẫn ở tần số cao hơn có thể tiên đoán được, thậm chí có thể là tại tần số cao hơn cả tỷ lần so với giới hạn mà Ligo có thể dò được nhưng vẫn có thể kỳ vọng một ngày nào đó chúng quan sát được bằng máy dò của tương lai.
"Nếu điều đó quan sát được thì chúng ta có thể nói là đã có bằng chứng", Andriot nói.
Tuy nhiên nhiều người khác vẫn còn hoài nghi vào việc các quan sát này có thể cung cấp được các bằng chứng thực nghiệm đáng tin cậy. Peter Woit, nhà vật lý lý thuyết tại trường đại học Columbia, New York và là người chỉ trích lý thuyết dây từ lâu, nói: "Vấn đề là lý thuyết dây không nói gì hết đến kích cỡ của các chiều dư đó, chúng có thể có bất kỳ kích cỡ nào, từ lớn vô hạn đến nhỏ vô cùng do đó không có bất kỳ một tiên đoán thực sự nào cả. Cho dù chúng ta có nhìn thấy các chiều dư đi nữa, thì vẫn không có lý do cụ thể nào để tin tưởng rằng những thứ đó có bất kỳ liên quan nào với lý thuyết dây".
Nguồn[sửa]
- https://www.theguardian.com/science/2017/jul/05/gravitational-waves-string-theory
- Tạp chí Tia sáng, Thanh Nhàn dịch, PGS. TS Trần Minh Tiến (Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) hiệu đính
