Hiện tại, chúng ta biết có bốn lực cơ bản: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh, và lực hạt nhân yếu. Mô hình Chuẩn đã thành công trong việc thống nhất ba trong bốn lực này – điện từ, mạnh, và yếu – nhưng đã thất bại trong việc kết hợp lực hấp dẫn. Lý thuyết Dây xuất hiện như một ứng cử viên đầy hứa hẹn để hoàn thành nhiệm vụ này.
Câu chuyện thống nhất các lực thực ra đã bắt đầu từ lâu trước Lý thuyết Dây. Vào thế kỷ 19, James Clerk Maxwell đã thống nhất điện và từ thành lực điện từ. Einstein, với thuyết tương đối đặc biệt và rộng, đã thống nhất không gian và thời gian, đồng thời mô tả lực hấp dẫn như sự cong của không-thời gian. Vào những năm 1960-1970, Sheldon Glashow, Steven Weinberg và Abdus Salam đã thống nhất lực điện từ với lực yếu thành lực điện-yếu. Các lý thuyết thống nhất lớn (Grand Unified Theories – GUT) tiếp tục nỗ lực kết hợp lực mạnh vào bức tranh. Nhưng lực hấp dẫn vẫn đứng ngoài – một “kẻ cô độc” không chịu hòa nhập với các lực khác theo cách tiếp cận lượng tử truyền thống.
Lý thuyết Dây tiếp cận vấn đề thống nhất theo một cách hoàn toàn mới. Thay vì cố gắng lượng tử hóa lực hấp dẫn như một trường riêng biệt rồi ghép nó với các lực khác, Lý thuyết Dây bắt đầu từ một cấu trúc cơ bản duy nhất – sợi dây – mà từ đó tất cả các lực đều xuất hiện một cách tự nhiên. Như đã đề cập, các trạng thái dao động khác nhau của dây tương ứng với các hạt mang lực khác nhau: photon cho lực điện từ, gluon cho lực mạnh, boson W và Z cho lực yếu, và graviton cho lực hấp dẫn. Sự thống nhất ở đây không phải là việc “ghép” các lực lại với nhau mà là việc nhận ra rằng chúng đều có cùng một nguồn gốc – những dao động của dây.
Một bước tiến quan trọng trong sự thống nhất của Lý thuyết Dây đến từ khái niệm siêu đối xứng (supersymmetry). Siêu đối xứng đề xuất một mối quan hệ sâu sắc giữa hai loại hạt cơ bản: boson (hạt mang lực, có spin nguyên như 0, 1, 2) và fermion (hạt vật chất, có spin bán nguyên như 1/2). Theo siêu đối xứng, mỗi boson có một “đối tác siêu đối xứng” là fermion và ngược lại. Lý thuyết siêu dây (superstring theory) kết hợp siêu đối xứng vào Lý thuyết Dây, giải quyết nhiều vấn đề toán học của phiên bản “bosonic” ban đầu, như sự xuất hiện của các hạt tachyon (hạt di chuyển nhanh hơn ánh sáng) và các bất nhất quán khác.
Vào đầu những năm 1990, các nhà vật lý đã xác định được năm phiên bản nhất quán của lý thuyết siêu dây: Type I, Type IIA, Type IIB, và hai phiên bản heterotic (HE và HO). Mỗi phiên bản có những đặc điểm toán học khác nhau nhưng đều hoạt động trong 10 chiều không-thời gian. Sự tồn tại của năm lý thuyết dường như riêng biệt này gây ra sự bối rối: nếu Lý thuyết Dây là “lý thuyết của mọi thứ”, tại sao lại có nhiều phiên bản như vậy?
- Lý thuyết Dây là gì?
- Lý thuyết Dây mô tả các hạt trong vũ trụ như thế nào?
- Tại sao Lý thuyết Dây đề xuất các chiều không gian bổ sung?
- Thách thức và câu hỏi chưa được giải đáp trong Lý thuyết Dây
- Lý thuyết Dây đã đóng góp như thế nào vào sự hiểu biết của chúng ta về lỗ đen?
- Tại sao một số nhà khoa học chỉ trích Lý thuyết Dây
Câu trả lời đến vào năm 1995 khi Edward Witten, một trong những nhà vật lý lý thuyết xuất sắc nhất thời đại, đưa ra một đề xuất gây chấn động tại hội nghị Strings ’95 ở Đại học Nam California. Witten cho rằng cả năm lý thuyết siêu dây chỉ là những giới hạn khác nhau của một lý thuyết thống nhất hơn sống trong 11 chiều, mà ông gọi là M-theory (chữ M có thể đại diện cho “membrane” – màng, “matrix”, “mother” – mẹ, “mystery” – bí ẩn, hoặc “magic” – phép màu). Các phiên bản siêu dây khác nhau được liên kết với nhau thông qua các phép biến đổi toán học gọi là “đối ngẫu” (dualities) – S-duality và T-duality – cho thấy chúng chỉ là những mặt khác nhau của cùng một thực thể cơ bản. Công bố này khởi đầu cho “cuộc cách mạng siêu dây thứ hai” và mở ra một kỷ nguyên nghiên cứu mới trong vật lý lý thuyết
