Lý thuyết Siêu hấp dẫn giành giải thưởng Breakthrough

Peter van Nieuwenhuizen, Sergio Ferrara và Dan Freedman (từ trái qua phải, năm 2016) nhận giải Breakthrough cho những sáng tạo về Thuyết Siêu hấp dẫn. NguồnCERN

Lý thuyết Siêu hấp dẫn - một nỗ lực thống nhất tất cả các lực trong tự nhiên, là một miêu tả hiện thực về thế giới được được ba nhà vật lý hạt Sergio Ferrara (CERN), Daniel Freedman (Viện công nghệ Massachusetts) và Peter van Nieuwenhuizen (trường đại học Stony Brook) đề xuất hơn 40 năm trước và gây nhiều tranh cãi. Nó mới được nhận giải thưởng Breakthrough đặc biệt trong vật lý cơ bản trị giá 3 triệu USD. Ủy ban xét duyệt giải thưởng đã lựa chọn lý thuyết này bởi ảnh hưởng của nó lên những hiểu biết về hấp dẫn. Siêu hấp dẫn cũng làm củng cố thêm một trong những ứng cử viên tiêu biểu của nhóm “lý thuyết về mọi thứ”, Lý thuyết Dây. Lý thuyết Siêu hấp dẫn khẳng định các hạt cơ bản được tạo ra từ năng lượng dạng sợi vô cùng nhỏ, nhưng đến tận bây giờ thì nó vẫn chưa được chứng minh.

“Siêu hấp dẫn có một vai trò quan trọng rõ ràng trong phát triển vật lý hơn 40 năm qua và trong khám phá về các ẩn dấu trong những điều chúng ta đã biết về tự nhiên”, nhà lý thuyết dây Andrew Strominger tại trường đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts, thành viên của hội đồng xét duyệt giải thưởng, nhận xét.

Doanh nghiệp người Nga Yuri Milner và Sergey Brin, đồng sáng lập Google và Mark Zuckerberg – sáng lập Facebook đã lập giải thưởng Breakthrough năm 2012. Thường được trao vào cuối năm, giải thưởng bao phủ một diện rộng các lĩnh vực trong khoa học. Nhưng ủy ban xét chọn giải thưởng, với các thành viên được chọn từ những người thắng giải Breakthrough những mùa trước – có thể trao những giải đặc biệt để ghi nhận những công trình khác thường. Ví dụ Stephen Hawking được trao giải năm 2013 cho lý thuyết về bức xạ của lỗ đen – đến bây giờ người ta vẫn chưa thể kiểm chứng được lý thuyết này bằng thực nghiệm.

Vào đầu những năm 1970, các nhà vật lý đã xây dựng Mô hình chuẩn của vật lý hạt, trong đó ba đến bốn lực cơ bản của tự nhiên được liên kết với các hạt của chúng: lực điện từ tác động lên photon, những hạt ánh sáng; lực tương tác mạnh từ hạt gluon – hạt mang lực tương tác mạnh, “giữ” các hạt nhân nguyên tử; lực tương tác yếu gây ra phân rã phóng xạ được liên kết với các hạt boson W và boson Z. Người ta đều đã quan sát được các hạt này thông qua thực nghiệm, tuy nhiên Mô hình chuẩn vẫn chưa miêu tả được lực cơ bản thứ 4 là lực hấp dẫn. Siêu hấp dẫn là một nỗ lực để bù vào điểm khuyết thiếu này, liên kết vật lý hạt với Thuyết tương đối rộng của Einstein.

Ferrara, Freedman và van Nieuwenhuizen đều quan tâm đến Siêu đối xứng, một sự mở rộng của Mô hình chuẩn được đề xuất lần đầu vào năm 1973. Siêu đối xứng khẳng định mỗi hạt được biết đều liên quan đến một hạt nặng hơn, sinh đôi tạo thành siêu đối xứng, tuy nhiên đến nay người ta vẫn chưa quan sát được điều đó. Các mô hình đều cố gắng mang lực hấp dẫn vào mô hình thông qua graviton – hạt truyền tương tác hấp dẫn. Họ đã đề xuất một hạt siêu đối xứng với graviton là gravitino. Van Nieuwenhuizen nhớ lại cái đêm ông ngồi nghiền ngẫm chương trình máy tính về tính toán siêu hấp dẫn, cảm thấy sợ hãi vì có thể có dấu hiệu cho thấy lý thuyết này sai. “Tôi ngồi với sự căng thẳng tột độ”, ông kể. Nhưng khi chương trình này ra được kết quả một cách thành công, ông đã thực sự tin siêu hấp dẫn là có thực.

40 năm sau, van Nieuwenhuizen vẫn không thể nói nên lời trước thông tin về giải thưởng mà ông được nhận cùng đồng nghiệp. “Tôi hoàn toàn ngạc nhiên. Tôi không hi vọng rằng điều này sẽ tới”, ông nói.

David Tong, nhà lý thuyết dây tại trường đại học Cambridge, Anh, cho biết những nét đổi mới sáng tạo trong lý thuyết dây là “hoàn toàn lạ lùng”, và xuất hiện trong thời điểm các nhà vật lý hạt và nghiên cứu về hấp dẫn còn hiếm khi hợp tác với nhau. “Tại đó, nhóm nghiên cứu đã ứng dụng các kỹ thuật của vật lý hạt với hấp dẫn và sau đó kiểm chứng chúng bằng tính toán, vào thời điểm còn chưa có ai sử dụng máy tính để làm việc đó”, Tong nói.

Ngày nay, siêu hấp dẫn là viên đá nền tảng của Lý thuyết dây, vốn là ứng cử viên sáng giá cho miêu tả cơ bản về thực tại. Nhưng trong nhiều thập kỷ, các máy gia tốc hạt, bao gồm cả LHC ở CERN cũng thất bại trong việc dò bất kỳ dấu hiệu nào của các hạt siêu đối xứng hay gravitino, hoặc bất kỳ bằng chứng nào của Lý thuyết dây. “Các ý tưởng đó có thể không thể kiểm chứng trong thời đại của chúng ta,” Tong nêu lý do.

Strominger cho rằng, việc thiếu bằng chứng có thể không làm giảm thành công của Siêu hấp dẫn, bởi lý thuyết này từng được dùng để giải quyết những điều bí ẩn về hấp dẫn. Ví dụ, về lý thuyết thì Thuyết tương đối tổng quát hiển nhiên cho phép các hạt không mang khối lượng và năng lượng. “Nếu đó là sự thật, một số thứ khi bị rơi sẽ không thể rơi về phía trái đất mà vào phía vũ trụ”, Strominger lý giải. Dù nó chưa được kiểm chứng nhưng không ai có thể giải thích vì sao lại như vậy. Dẫu sao, việc đưa công cụ toán học vào Thuyết tương đối tổng quát cho phép các nhà vật lý chứng minh các hạt không thể có khối lượng và năng lượng âm. “Các kết quả đó sẽ vẫn có cho dù có hay không Siêu hấp dẫn tồn tại một cách thật sự trong tự nhiên”, Strominger nói.

Nhưng Sabine Hossenfelder, một nhà vật lý lý thuyết tại Viện nghiên cứu Khoa học tiên tiến Frankfurt tại Đức, đã cảnh báo thất bại của LHC trong việc tìm các hạt Siêu đối xứng đã giáng một cú chí tử vào những cơ hội xác nhận sự đúng đắn của Siêu hấp dẫn. Chị cho rằng những người giành giải thưởng “đã hoàn thành một công việc xuất sắc về toán học xứng đáng được ghi nhận” và nói thêm “nhưng có lẽ giải thưởng này có thể chỉ thuần túy về mặt toán học bởi vì nó không phải là vật lý”.

Thanh phương dịch

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-02397-8