Liệu Máy gia tốc hạt lớn có tìm thấy các chiều không gian phụ?

Giúp NTDVN sửa lỗi

Các nhà vật lý lý thuyết và lượng tử đã phải vật lộn trong nhiều năm với khả năng diễn giải hiện thực về “đa thế giới”. Năm 2012 các nhà khoa học đã tìm thấy hạt Higgs - ‘hạt của Chúa’ thông qua Máy gia tốc hạt lớn (LHC). Liệu các nhà khoa học có tìm ra các không gian khác cùng với LHC?

Một kỹ sư, một nhà toán học và một nhà vật lý bước vào một vũ trụ. Họ tìm thấy bao nhiêu chiều không gian?

Người kỹ sư lấy ra một thước đo góc và thước thẳng. Điều đó thật dễ dàng, cô ấy nói. Với dụng cụ của mình, cô thể hiện ba hướng vuông góc với nhau: chiều dài, chiều rộng và chiều cao. “Ba”, cô báo cáo.

Nhà toán học lấy sổ tay ra và tạo ra một danh sách các hình dạng hình học đều đặn, đối xứng với các cạnh vuông góc. Ông lưu ý rằng hình vuông có bốn cạnh tuyến tính. Hình khối có sáu cạnh vuông. Bằng cách ngoại suy, siêu ống có tám cạnh khối. Tiếp tục mô hình đó, anh ta nhận ra rằng anh ta có thể tiếp tục đi mãi mãi. Anh kết luận “Vô cực”.

Cuối cùng đến lượt nhà vật lý. Cô ấy nhìn chằm chằm vào các ngôi sao và cẩn thận ghi lại chuyển động của chúng. Cô ấy xác định rằng chúng hút nhau thông qua lực hấp dẫn, lực hấp dẫn này giảm xuống dưới dạng bình phương khoảng cách lẫn nhau của chúng, theo cô thì đấy là một dấu hiệu về không gian ba chiều. Tuy nhiên, khi cô ấy suy ra phương trình về cách ánh sáng của chúng di chuyển trong không gian, cô ấy thấy rằng nó được thể hiện tốt nhất trong bốn chiều. Sau đó, sau nhiều suy nghĩ, cô ấy cố gắng nghĩ ra cách để mô tả lực hấp dẫn và ánh sáng trong một lý thuyết thông thường, có vẻ như yêu cầu ít nhất mười chiều. “Ba, bốn, hoặc thậm chí có thể hơn”, cô ấy nói.

Hãy xem cách cô ấy đưa ra kết luận của mình.

Vào năm 1917, nhà vật lý người Áo Paul Ehrenfest đã viết một tác phẩm khơi gợi ý nghĩ, “Làm cách nào để có thể biểu đạt được không gian ba chiều theo các định luật vật lý cơ bản?”. Trong bài báo, ông đã liệt kê bằng chứng cho thấy ba chiều hoàn hảo để mô tả thế giới của chúng ta.

Ví dụ, ông lưu ý rằng quỹ đạo ổn định của các hành tinh trong hệ mặt trời và trạng thái ổn định của các electron trong nguyên tử đòi hỏi các định luật lực nghịch đảo bình phương. Ví dụ, nếu lực hấp dẫn rơi xuống với khối lập phương thay vì bình phương khoảng cách từ Mặt trời, các hành tinh sẽ không đi theo các đường đi đều đặn, hình elip.

Hãy nghĩ về ý nghĩa của luật bình phương nghịch đảo. Hãy tưởng tượng một bong bóng gần như bao quanh quỹ đạo của một hành tinh. Cường độ trường hấp dẫn của Mặt trời ở khoảng cách đó bị pha loãng trên diện tích bề mặt bong bóng. Diện tích bề mặt tỷ lệ với bình phương khoảng cách xuyên tâm, giải thích tại sao lực hấp dẫn lại giảm theo yếu tố đó. Bởi vì bong bóng, bao gồm cả phần bên trong của nó, là ba chiều, nên bản thân không gian cũng phải như vậy. Nói tóm lại, thực tế là lực hấp dẫn giảm dần 3 chiều theo bình phương khoảng cách cũng như lượng diện tích bề mặt của bong bóng.

Tuy nhiên, vũ trụ không chỉ là không gian. Như nhà toán học người Đức gốc Nga Hermann Minkowski đã chứng minh, thuyết tương đối hẹp của nhà bác học Einstein, được giả định để giải thích cách ánh sáng di chuyển với tốc độ không đổi so với tất cả những người quan sát, tốt nhất có thể được biểu diễn theo bốn chiều. Thay vì xem xét không gian và thời gian một cách độc lập, ông đề xuất một tầm nhìn thống nhất về không gian - thời gian. Trong thuyết tương đối rộng của mình, nhà bác học Einstein đã sử dụng khái niệm này và mô tả lực hấp dẫn bằng mô hình động bốn chiều.

Ánh sáng bắt nguồn từ tương tác điện từ, một trong bốn lực tự nhiên. Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã tìm kiếm các phương pháp để hợp nhất lực đó với các lực khác - lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu, và gai góc nhất là lực hấp dẫn - để tạo ra một lý thuyết đơn nhất, tao nhã về các lực cơ bản. Hai trong số những sơ đồ sớm nhất (trước khi lực hạt nhân mạnh và yếu được xác định) được phát triển độc lập bởi nhà toán học người Đức tên là Theodor Kaluza và nhà vật lý Thụy Điển tên là Oskar Klein.

Mặc dù bây giờ chúng ta biết rằng các phương pháp tiếp cận của họ là không chính xác, mỗi phương pháp đều đề xuất thống nhất điện từ và lực hấp dẫn bằng cách mở rộng thuyết tương đối rộng thêm một chiều. Đóng góp của ông Klein đã giải quyết tốt nhất câu hỏi tại sao không thể quan sát được chiều thứ năm như vậy là phù hợp với kết luận của giáo sư Ehrenfest rằng không gian xuất hiện ba chiều. Trong một ý tưởng được gọi là compacation (trầm tích học, đầm nén là quá trình mà trầm tích dần dần mất đi độ xốp của nó do tác động của áp lực tải trọng. Điều này tạo thành một phần của quá trình thạch hóa. Khi một lớp trầm tích ban đầu được lắng đọng, nó chứa một khung mở của các hạt với không gian lỗ rỗng thường chứa đầy nước), ông Klein đã hình dung rằng chiều cao hơn sẽ được cuộn lại thành một vòng tròn nhỏ, nhỏ gọn theo thứ tự 10-33 cm. Do đó, mặc dù nó sẽ cung cấp (về lý thuyết, nếu không phải trong thực tế) một phương tiện thống nhất, nó sẽ không thể bị phát hiện - giống như một con bọ thuốc cuộn tròn được ngụy trang như một dấu chấm trên chiếc lá.

Những người cùng thời với ông Klein vào cuối những năm 1920, định hình các nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử, đã chọn khám phá khả năng của các chiều bên trong (liên quan đến không gian toán học, trừu tượng), thay vì các chiều vật lý bổ sung cho không thời gian. Họ đã phát triển lý thuyết của mình trong không gian Hilbert, một công trình toán học sử dụng vô số kích thước toán học để cho phép tạo ra một lượng lớn vô hạn các trạng thái lượng tử. Ngoài nhà vật lý học Einstein và các trợ lý của ông là ông Peter Bergmann và ông Valentine Bargmann, rất ít nhà vật lý nghiên cứu khái niệm về các chiều không gian phụ không thể nhìn thấy trong vũ trụ vật lý. (Vào cuối những năm 1930 và đầu những năm 1940,các nhà vật lý như Einstein, Bergmann và Bargmann đã không thành công trong việc cố gắng mở rộng không - thời gian bốn chiều của thuyết tương đối rộng bằng một chiều vật lý bổ sung để kết hợp điện từ).

Trong những năm 1970 và 1980, lý thuyết Kaluza-Klein (một lý thuyết trường thống nhất cổ điển về lực hấp dẫn và điện từ học được xây dựng xung quanh ý tưởng về chiều thứ năm nằm ngoài chiều không gian và bốn thời gian thông thường và được coi là tiền thân quan trọng của lý thuyết dây) trải qua một sự hồi sinh nhờ sự xuất hiện của lý thuyết siêu dây và siêu hấp dẫn anh em họ của nó: ý tưởng rằng các thành phần cơ bản của tự nhiên là các sợi năng lượng dao động. Về mặt toán học, lý thuyết siêu dây hóa ra chỉ khả thi trong mười chiều trở lên. Do đó, các nhà nghiên cứu bắt đầu xem xét các cách mà sáu chiều phụ hoặc nhiều hơn có thể được tổng hợp.

Lý thuyết siêu dây đã phát triển vào những năm 1990 thành một cách tiếp cận tổng quát hơn, được gọi là lý thuyết M, kết hợp các màng năng lượng, có biệt danh là “branes” cùng với các chuỗi. Lý thuyết M bao gồm khả năng có một chiều không gian phụ lớn, bổ sung cho mười chiều thiết yếu mà các siêu dây có thể tồn tại. "Lớn" trong ngữ cảnh đó có nghĩa là "có thể quan sát được", thay vì nhỏ và nhỏ gọn.

Ngay sau đó, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng không gian phụ lớn có khả năng giải quyết một bài toán hóc búa gọi là vấn đề phân cấp. Tình trạng khó xử đó liên quan đến điểm yếu nổi bật của lực hấp dẫn so với các lực khác của tự nhiên, chẳng hạn như lực điện từ. Một thí nghiệm đơn giản minh họa sự mất cân bằng đó. Lấy một cái đinh bấm bằng thép có gắn một nam châm nhỏ và xem lực hút của nó lấn át lực hút của toàn bộ trái đất như thế nào.

Trong kịch bản “thế giới não bộ”, lần đầu tiên được đề xuất bởi các nhà vật lý Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos và Gia Dvali (một sự hợp tác viết tắt là “ADD”), và sau đó được phát triển bởi Lisa Randall, Raman Sundrum và những người khác, thực tế bao gồm hai branes, được phân cách bởi một khoảng trống có chiều cao hơn được gọi là khối lượng lớn, trong một cấu hình giống như hẻm núi lớn Grand Canyon. Giống như những du khách rụt rè bước đi trên vành đai của một hẻm núi, hầu hết các hạt này bám vào một trong những lớp màng bên ngoài. Do đó, thế giới vật chất quen thuộc nằm ở đó. Họ là những người đi bộ đường dài, Graviton (là một hạt cơ bản giả thuyết có vai trò là hạt trao đổi của lực hấp dẫn trong khuôn khổ lý thuyết trường lượng tử) là vật mang trọng lực, được đưa ra một ngoại lệ và có thể khám phá phần lớn ở giữa. Bởi vì các tác nhân của trọng lực dành ít thời gian hơn để tương tác với bộ não quen thuộc của chúng ta, lực hấp dẫn dường như yếu hơn nhiều so với các lực khác.

Phỏng đoán ADD ban đầu dự đoán rằng, khi được đo ở các thang đo nhỏ, lực hấp dẫn sẽ lệch một cách tinh vi khỏi mối quan hệ khoảng cách nghịch đảo bình phương hoàn hảo. Tuy nhiên, các thí nghiệm cân bằng lực xoắn chính xác được thực hiện bởi một nhóm do giáo sư Eric Adelberger thuộc Đại học Washington đứng đầu đã đặt ra những hạn chế nghiêm ngặt đối với sự chênh lệch đó xuống đến mức phút. Tuy nhiên, ý tưởng về các chiều không gian phụ tiếp tục nảy nở trong nhiều đề xuất khác nhau về sự hợp nhất của các lực lượng tự nhiên.

Bộ phân tích CMS của LHC có thể dùng để phát hiện ra các chiều không gian phụ.
Bộ phân tích CMS của LHC có thể dùng để phát hiện ra các chiều không gian phụ. (Ảnh: Wikipedia)

Một trong những sứ mệnh của máy gia tốc hạt lớn (LHC), cỗ máy gia tốc khổng lồ nằm giữa biên giới Pháp-Thụy Sĩ, là để kiểm tra khả năng xuất hiện các không gian phụ không thể nhìn thấy. Kể từ khi phát hiện ra hạt Higgs vào năm 2012, hoàn thành Mô hình chuẩn của vật lý hạt, ý tưởng về việc xem xét các phần mở rộng như vậy đã trở thành trọng tâm hơn.

Để thiết lập sự tồn tại của các chiều không gian phụ với LHC, có ba cách tấn công chính. Đầu tiên liên quan đến việc tìm kiếm các phiên bản tiếng vọng của các hạt hiện có, được gọi là trạng thái Kaluza-Klein. Chúng sẽ giống như các hạt đã biết ở mọi khía cạnh, ngoại trừ khối lượng lớn hơn, giống như âm bội trong âm nhạc. Ở năng lượng va chạm proton-proton là 7 nghìn tỷ electron vôn, cho đến nay các cuộc tìm kiếm đã được thực hiện đối với các trọng trường Kaluza-Klein, các gluon Kaluza-Klein và các loại khác, cho đến nay vẫn chưa có kết quả.

Các nhà vật lý cũng đang sử dụng LHC để tìm kiếm bằng chứng về việc các hạt hấp dẫn xâm nhập vào các không gian cao hơn. Những tín hiệu về năng lượng thiếu hụt không giải thích được như vậy sẽ phải được sàng lọc từ số lượng khổng lồ các sự kiện va chạm, cẩn thận loại ra rất nhiều khả năng trần tục hơn, chẳng hạn như neutrino thoát ra.

Bằng chứng về các chiều không gian phụ cũng có thể xuất hiện tại LHC dưới dạng các lỗ đen cực nhỏ, được dự đoán bởi một số lý thuyết về không gian phức tạp hơn. Nổi tiếng, trước khi LHC khai mạc, những người theo chủ nghĩa báo động đã dấy lên nỗi sợ hãi về những vật thể như vậy sẽ phá hủy Trái đất, mặc dù các tính toán cho thấy chúng sẽ phân hủy vô hại trong vòng một phần nhỏ của giây. Bất chấp những hy vọng và cảnh báo, các lỗ đen thu nhỏ vẫn chưa được phát hiện trong số dữ liệu va chạm của các thí nghiệm LHC.

Không nghi ngờ gì nữa, các kỹ sư sẽ ngạc nhiên trước các cơ chế sáng bóng của LHC, trong khi các nhà toán học sẽ kinh ngạc bởi số lượng dữ liệu thu thập được và các thuật toán mạnh mẽ đang sàng lọc nó. Và các nhà vật lý sẽ háo hức chờ đợi bằng chứng đầu tiên về một thực tại không gian cao hơn ngoài không gian và thời gian hiện tại.

Ngọc Mai



BÀI CHỌN LỌC

Liệu Máy gia tốc hạt lớn có tìm thấy các chiều không gian phụ?