Hãy tưởng tượng một sợi dây đàn guitar. Khi bạn gảy nó, sợi dây rung động và tạo ra một nốt nhạc cụ thể. Nếu bạn thay đổi độ căng của dây hoặc bấm vào các vị trí khác nhau, sợi dây sẽ dao động theo những cách khác nhau và tạo ra những nốt nhạc khác nhau. Trong Lý thuyết Dây, nguyên lý tương tự được áp dụng ở quy mô vi mô. Mỗi “nốt nhạc” dao động của sợi dây tương ứng với một loại hạt cơ bản với những tính chất riêng biệt về khối lượng, điện tích, và spin.
Lý thuyết Dây phân biệt hai loại dây chính: dây mở (open strings) và dây kín (closed strings). Dây mở có hai đầu tự do, giống như một đoạn dây thẳng, trong khi dây kín có hai đầu nối với nhau tạo thành một vòng khép kín. Sự phân biệt này có ý nghĩa vật lý sâu sắc. Các trạng thái dao động của dây mở tương ứng với các hạt mang lực điện từ và các lực hạt nhân – những hạt như photon, gluon. Đáng chú ý hơn, một trong những trạng thái dao động của dây kín có đúng các tính chất mà các nhà vật lý lý thuyết mong đợi ở graviton – hạt không khối lượng, spin-2, mang lực hấp dẫn. Điều này giải thích tại sao Lý thuyết Dây tự động bao gồm hấp dẫn trong cấu trúc của nó.
Để hiểu rõ hơn, hãy xem xét một ví dụ cụ thể. Một electron – hạt quen thuộc nhất với chúng ta – trong Lý thuyết Dây được mô tả như một sợi dây dao động theo một kiểu đặc biệt. Nếu cùng sợi dây đó dao động theo một kiểu khác, nó sẽ biểu hiện như một quark. Một kiểu dao động khác nữa sẽ tạo ra photon – hạt ánh sáng. Và khi một sợi dây kín dao động theo đúng cách, nó trở thành graviton. Theo nghĩa này, Lý thuyết Dây thống nhất tất cả các hạt vật chất và các hạt mang lực vào một khuôn khổ duy nhất – một sự đơn giản hóa đáng kinh ngạc so với “vườn thú hạt” phức tạp của Mô hình Chuẩn.
Một khái niệm quan trọng khác trong Lý thuyết Dây là D-brane (viết tắt của Dirichlet-brane) – những bề mặt đa chiều trong không-thời gian mà các đầu của dây mở có thể gắn vào. D-brane được giới thiệu bởi Joseph Polchinski vào năm 1995 và đã trở thành một phần không thể thiếu của lý thuyết. Chúng cho phép các nhà vật lý xây dựng các mô hình phức tạp hơn, trong đó các hạt vật chất và lực (trừ hấp dẫn) bị “giam” trên một brane cụ thể, trong khi graviton – được mô tả bởi dây kín không gắn vào brane – có thể di chuyển tự do trong toàn bộ không-thời gian nhiều chiều. Điều này cung cấp một giải thích tự nhiên cho lý do tại sao lực hấp dẫn yếu hơn rất nhiều so với các lực khác.
