THUYẾT TƯƠNG ĐỐI TỔNG QUÁT TRÒN 100 TUỔI: Tư tưởng Einstein bừng sáng

Cả cuộc đời mình Einstein đã giành nhiều thời gian nhất cho tư tưởng thống nhất các quy luật vận động của vật chất, làm sáng tỏ thực tế vật lý khách quan của cơ học lượng trên nền tảng hình học-động lực không gian-thời gian của thuyết tương đối tổng quát. Ông chưa đạt được mục tiêu cho đến cuối đời mình, điều khiến nhiều người đã nghĩ rằng tư tưởng thống nhất vật lý trong thuyết hấp dẫn là không khả thi. Nhưng các diễn tiến gần đây càng ngày càng chứng tỏ tầm nhìn
thiên tài của người đề xuất thuyết tương đối.
Từ năm 2015 đã có nhiều hội nghị quốc tế kỷ niệm một thế kỷ học thuyết Einstein, nhưng năm 2016 thật sự là một năm đặc biệt. Như một trùng hợp lịch sử, ngay đầu năm 2016 các nhà vật lý tại thí nghiệm kép đo bằng hai hệ kính viễn vọng giao thoa laser VIGO và VIRGO ở Mỹ thông báo lần đầu tiên họ thấy tín hiệu sóng hấp dẫn từ vụ hai lỗ đen khổng lồ sáp nhập. Điều rất thú vị là dù ít người thật sự hiểu về thuyết tương đối tổng quát, kể’ cả nhiều nhà vật lý, nhưng cả nhân loại đều ngưỡng mộ Einstein. Để’ đưa thuyết tương đối lại gần hơn với công chúng, Giáo sư Phạm Xuân Yêm có bài viết phổ cập thú vị trên tạp chí Vật lý ngày nay giúp nhiều bạn đọc cảm nhận được những ý tưởng và nguyên lý cơ bản của học thuyết Einstein [1].
Cùng hòa trong những ngày kỷ niệm 50 năm thành lập Hội Vật lý Việt Nam và 100 năm thuyết tương đối, hội thảo quốc tế "Vạn vật hấp dẫn và Vũ trụ" đã diễn ra tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam từ ngày 29/10 đến 1/11/2016. Hội thảo do Viện Vật lý Hà Nội và Viện Vật lý lý thuyết Yukawa (ĐH Kyoto, Nhật Bản) đồng tổ chức với sự góp mặt của 120 nhà vật lý quốc tế và Việt Nam. Trong số 24 báo cáo khoa học có 12 đại biểu được mời thuyết trình theo chủ đề đặt trước. Các nhà vật lý Việt Nam đóng góp năm bài thuyết trình gồm bốn bài nghiên cứu các lời giải của Thuyết tương đối tổng quát và một báo cáo về thực nghiệm ghi đo các tín hiệu thiên văn vô tuyến quan sát thiên hà vùng biên vũ trụ.
Hội nghị rất sôi nổi khi nghe K. Cannon (ĐH Tokyo, Japan) giới thiệu chi tiết về sự kiện 150914 phát hiện tín hiệu sóng hấp dẫn do hệ LIGO và VIRGO ghi nhận được ngày 14/9/2015. Đây chắc là một trong những phát minh vĩ đại nhất của thế kỷ 21, bởi đúng 100 năm sau thuyết hấp dẫn Einstein đây là lần đầu tiên sóng hấp dẫn được chứng minh, hơn nữa đó là một phát minh kép, một bằng chứng về sự tồn tại của các lỗ đen vũ trụ trong sự kiện một cặp lỗ đen khối lượng rất lớn, 36 và 29 lần khối lượng mặt trời Mo, bị cuốn hút vào nhau. Ngoài sự kiện 150914, thiết bị còn ghi nhận được sự kiện 151012 cũng được cho là do sự kết dính cặp lỗ đen gây sóng hấp dẫn, tuy nhiên chúng có khối nhẹ hơn và lệch với nhau (23 và 13 Mo) tạo ra những tín hiệu yếu hơn. Các số liệu thực nghiệm đang tiếp tục được phân tích và các thí nghiệm mới đang tiếp diễn. Phát minh này kéo theo nhiều nghiên cứu tính toán về quá trình kết dính hai lỗ đen khổng lồ nặng đến 60 Mo có thể tạo sóng hấp dẫn, về khả năng kiểm định thuyết tương đối tổng quát, về tương lai của một bộ môn thiên văn mới: thiên văn sóng hấp dẫn, cho phép nghiên cứu những giai đoạn rất sớm của lịch sử phát triển vũ trụ gần với thời kỳ lạm phát. Một thế hệ các hệ thiết bị mới đo sóng hấp dẫn như KAGRA, hệ kép LIGO và VIRGO cải tiến, viễn kính Einstein, đang được xây lắp với độ nhạy tốt hơn. Khác với các sóng điện từ có thể bị hấp thụ và chỉ sinh ra sau thời kỳ lạm phát vũ trụ, sóng hấp dẫn có thể xuất hiện từ những thời điểm sớm nhất và duy trì cho đến khi chạm được vào hệ đo ngày nay, vì vậy, bộ môn thiên học sóng hấp dẫn hứa hẹn sẽ cho những số liệu phong phú độc đáo và có nhiều bất ngờ trong
một tương lai không xa.
Nhà vật lý đoạt giải Nobel năm 2015 là Giáo sư Takaaki Kajita đã nhận lời đến Hà Nội cùng các đồng nghiệp quốc tế và Việt Nam thảo luận về những vấn đề nóng của vật lý hiện đại. Ông thuyết trình về dự án KAGRA do ông lãnh đạo đang lắp đặt tại Nhật Bản. Đây là một hệ thống thí nghiệm tiếp theo tìm kiếm sóng hấp dẫn, có cấu tạo tương tự như LIGO, có độ nhạy ổn định nhờ lắp đặt dưới hầm mỏ xuyên qua núi Kamioka và sử dụng hệ thống chống rung nhiệt độ thấp. Kamioka là địa danh nổi tiếng bởi các thí nghiệm đo neutrino đưa đến hai giải Nobel cho Nhật Bản. Hệ thiết bị KAGRA dự định sẽ bắt đầu vận hành từ năm 2017. Giáo sư Kajita còn có dịp giao lưu với sinh viên và công chúng yêu khoa học vào chiều 29/10 tại trường Đại học Sư phạm Hà Nội để giới thiệu về hiện tượng chuyển hoán neutrino, chứng minh loại hạt siêu nhẹ này cũng có khối lượng. Đây chính là thành tựu khoa học mà Giáo sư đã có đóng góp quan trọng và được ghi nhận bằng giải Nobel vật lý. Có nhiều sinh viên đã đến dự và họ rất vui thích được giao lưu với một nhà khoa học nổi tiếng.
Các báo cáo tại hội thảo về những dự án thí nghiệm lớn được đan xen với các bài tổng quan về nghiên cứu mô hình lý thuyết gắn với kết quả thực nghiệm. T. Nakamura (ĐH Kyoto, Japan) phân tích đánh giá các hệ quả vật lý của những lỗ đen lớn có thể gây sóng hấp dẫn tương tự như 150914. Ngoài đối tượng thời sự là sóng hấp dẫn và các lỗ đen, phần lớn các báo cáo theo truyền thống hướng ứng dụng thuyết tương đối cho mô hình vũ trụ vĩ mô. Một số báo cáo như của S. Tsujikawa (Tokyo), về động lực học vũ trụ tìm phương án cải tiến khái quát phương trình Einstein để giải quyết vấn đề năng lượng tối và vật chất tối. Báo cáo của Gong (Pohang, Korea) phân tích về những mặt tích cực của cơ chế giãn nở lạm phát để giải quyết mâu thuẫn của mô hình vũ trụ trong thời kỳ đầu, đồng thời cũng nêu lên những hạn chế, khó khăn khi tiếp cận cơ chế này. Có quá nhiều mô hình lý thuyết, ví dụ như mô hình nhiễu loạn vô hướng hoặc tensor, có thể kiểm chứng và loại trừ nếu không phù hợp thực nghiệm. Tác giả cũng giới thiệu tiếp cận bằng lý thuyết hiệu dụng, không lệ thuộc mô hình để kiểm tra cơ chế lạm phát.
Báo cáo của Đỗ Quốc Tuấn (ĐHKHTN Hà Nội) là một bước phát triển mô hình hấp dẫn kép phi tuyến 4D trở thành mô hình hấp dẫn kép trong không-thời gian có bổ túc siêu chiều. Trong lý thuyết hấp dẫn kép, ngoài graviton phi khối lượng thông thường, ta còn có graviton hữu khối dù cực nhẹ, nhưng có khả năng tạo ra những hiệu ứng vật lý mới, chúng được kích hoạt với giả thiết metric chuẩn có bản chất động lực. Khi nghiên cứu những kịch bản siêu chiều của hấp dẫn kép, tác giả đã khái quát hóa phương trình hấp dẫn với cả graviton hữu khối. Về thuật toán, tác giả chứng minh sự tương đồng giữa định lý đại số ma trận tuyến tính Caley-Hamilton với các thành phần graviton hữu khối, nhờ đó mà dựng được số hạng tương ứng của graviton siêu chiều và loại trừ yếu tố ảo giác (số hạng ma). Trong ví dụ giản lược với không-thời gian 5D, graviton hữu khối thể’ hiện giống như một thành phần hằng số vũ trụ, có vai trò thích hợp trong các metric truyền thống như Friedmann-Lemetre-Robertson-Walker, Bianchi-I và Schwarzschild-Tangherlini khi đặt giả thiết metric chuẩn tỉ lệ với các metric vật lý. Tác giả đã dẫn giải nghiệm mô hình vũ trụ bắt nguồn từ không-thời gian 5D để’ mô tả thực tiễn vật lý tương ứng trong không- thời gian 4D. Mô hình hấp dẫn kép siêu chiều được ghi nhận trong tạp chí quốc tế uy tín [2].
Báo cáo của nghiên cứu sinh Lưu Hoàng Nhân (ĐHKHTN Tp.HCM) trình bày về mô hình vũ trụ nhớt, như là một sự mở rộng mô hình chuẩn vũ trụ, lấy cảm hứng từ mô hình khí Chaplygin nhằm thống nhất vai trò của vật chất tối và năng lượng tối. Trong mô hình
có bổ sung hiệu ứng nhớt biến dạng. Từ mô hình này sẽ thấy cách xác lập giới hạn đối với giãn nở vũ trụ, tiếp theo có thể tìm nguồn gốc và đặc tính của chất nhớt trong quá trình hình thành các cấu trúc vũ trụ.
Nhóm Vật lý thiên văn tại Trung tâm ứng dụng vũ trụ Viện Hàn lâm KHCNVN có báo cáo tổng quan do Phạm Tuấn Anh trình bày. Nhóm này hợp tác với đài thiên văn vô tuyến ở Pháp, xử lý số liệu và đưa ra các mô hình thấu kính hấp dẫn để mô tả hình ảnh các quasar ở giai đoạn sớm sau Big-Bang. Nghiên cứu thực nghiệm thiên văn học hiện đại trong điều kiện như ở Việt Nam là một thách thức lớn, nhưng tính hấp dẫn của nó đối với thế hệ trẻ đã giúp nhóm nghiên cứu có được mấy luận án tiến sĩ bảo vệ thành công trong những năm qua.
Một số ít các báo cáo như của G. Horowitz (Santa Barbara, USA) K. Lee (Seoul, Korea) v.v. phát triển thuyết hấp dẫn để áp dụng cho cơ học lượng tử, lý thuyết trường và giải quyết bài toán thống nhất các lực tương tác mà Einstein đã từng truy tìm lời giải.
Đại biểu Nguyễn Ái Việt (Đại học quốc gia Hà Nội) được mời thuyết trình về thuyết hấp dẫn 6D do bổ sung hai siêu chiều gián đoạn trong không-thời gian phi giao hoán hình học Riemann với giả thiết tương đối tính vạn năng. Mục tiêu đặt ra là tìm lời giải bao Việt đề xuất mô hình từ năm 1994 [3] khi nghiên cứu thuyết Kaluza-Klein với không-thời gian gián đoạn đưa đến cặp graviton (gồm cả phi khối và hữu khối) cùng các trường vector Abel và trường vô hướng Brans-Dicke. Nghiên cứu được tiếp tục phát triển cho đến gần đây [3] mở rộng đến các trường chuẩn phi-Abel. Như vậy không chỉ lực điện-từ như trong thuyết Kaluza-Klein kinh điển mà tất cả các lực đã biết trong mô hình chuẩn hạt cơ bản đều được thống nhất trong thuyết hấp dẫn, bản chất các góc trộn của nhiều hằng số vật lý hạt được giải thích, trường vô hướng được áp dụng giải thích về độ phân kỳ khối lượng, graviton hữu khối cho phép khái quát hóa thuyết hấp dẫn và được áp dụng giải thích vật chất tối và vũ trụ lạm phát, v.v. Đây là một hướng đi hiện thực thống nhất tất cả các lực tự nhiên, bao gồm thành phần điện-yếu, tương tác mạnh trên nền hấp dẫn.
Báo cáo của Võ Văn Thuận (Viện NLNTVN) đi theo hướng siêu chiều vĩ mô, tương tự như lý thuyết không gian-thời gian-vật chất của nhóm Wesson (ĐH Waterloo, Canada) cũng là một hướng phát triển thuyết Kaluza-Klein, trong đó từ phương trình hấp dẫn siêu chiều có thể dẫn ra các hệ quả cơ học lượng tử. Khác với tiếp cận trường lượng tử như nghiên cứu của Nguyễn Ái Việt, tiếp cận này được gọi là cơ chế hình học-động lực phát sinh vật chất, kế thừa trực tiếp tư tưởng của Einstein về tính tương đồng nội tại của hình học không-thời gian với tạo vật. Các tiếp cận hình học-động lực đã đưa đến những lời giải định tính và có cả những dẫn giải định lượng đối với nhiều khái niệm cơ bản của cơ học lượng tử như: phương trình Klein-Gordon-Fock, bất đẳng thức Heisenberg, toán tử năng-xung lượng, lưỡng tính sóng-hạt, v.v. Mô hình thời gian-không gian đối xứng áp dụng cho vật lý hạt cơ bản đã gợi ý một lời giải định lượng cho câu đố về tỉ số khối lượng của các hạt lepton. Cụ thể, đối với lepton điện tích, chỉ cần dựa trên hai giá trị khối lượng của electron và muon ta có thể dự đoán khối lượng của tauon chính xác đến 1,5%, hơn nữa ta có thể tính được khối lượng tuyệt đối của các neutrino trong sơ đồ chuẩn (normal ordering) của tỉ số khối [4]. Đây có thể coi là một giải pháp tiếp cận sự thống nhất nội tại của thuyết tương đối Einstein và thuyết cơ học lượng tử.
Để gợi ý về khả năng liên kết hợp tác quốc tế giúp Việt Nam trong khoa học cơ bản, Giáo sư Nguyễn Văn Liễn thuyết trình cho các sinh viên Đại học Khoa học tự nhiên về thành tựu vũ trụ học và TS. Nguyễn Thị
Hồng Vân (Viện Vật Lý) đã giới thiệu tại Hội thảo quốc tế về một dự án xây dựng nhóm quốc tế nghiên cứu vật lý neutrino tại Viện khoa học giáo dục liên ngành Quy nhơn. Nhóm này sẽ gắn kết một số nhà vật lý trẻ Việt Nam để đào tạo và tham gia vào một số thí nghiệm ghi đo chuyển hoán neutrino ở Nhật Bản. Các nghiên cứu sinh sẽ được các chuyên gia quốc tế uy tín đỡ đầu làm luận án. Ý tưởng lập nhóm neutrino là rất tích cực và được hội thảo quan tâm ủng hộ. Giáo sư M. Sasaki, Viện trưởng Viện Vật lý lý thuyết Yukawa, đồng chủ tịch hội thảo cũng gợi ý tăng cường hợp tác nghiên cứu thuyết tương đối tại Hà Nội, nơi mà Giáo sư đánh giá là điểm hội tụ khoa học cơ bản của Việt Nam.
Những gì đã diễn ra cho thấy tư tưởng Einstein có sức sống bất diệt. Các nhà khoa học Việt Nam, dù còn nhiều khó khăn hạn chế, nhưng cũng đã góp phần tích cực và độc đáo để làm sáng tỏ những gợi ý thiên tài của tác giả thuyết tương đối từ 100 năm trước. Hội thảo quốc tế "Vạn vật hấp dẫn và Vũ trụ" thành công với chất lượng cao là một hoạt động khoa học nổi bật nhân dịp kỷ niệm 50 năm thành lập Hội Vật lý Việt Nam.

[1] Phạm Xuân Yêm, Vật lý ngày nay. Số 2(2016)30.
[2] T Q. Do, Phys. Rev. D 94 (2016)044022. [arXiv:1604.07568].
[3] G.Landi, Nguyen Ai Viet and K.C.Wali, Phys. Letters B 326(1994) 45. Nguyen Ai Viet and Pham Tien Du, arXiv 1510.01169 gr-qc (2015).
[4] Vo Van Thuan, Comm.Phys. 26(2016)181. [arxiv:1604.05164v2].