Tình hình hiện tại của Lý thuyết Dây trong vật lý lý thuyết

2025-Apr-12 6636 từ 32 phút

Nội dung

Giới thiệu

Lý thuyết Dây (String Theory) từ lâu đã được xem là một ứng viên hàng đầu cho “Thuyết vạn vật” – tức lý thuyết thống nhất mọi lực và hạt cơ bản trong tự nhiên. Thay vì coi các hạt là những điểm không có kích thước, lý thuyết dây mô hình hóa chúng như các dây một chiều cực nhỏ, dao động ở những tần số khác nhau. Mỗi kiểu dao động của dây tương ứng với một loại hạt cơ bản khác nhau (String theory | symmetry magazine) (String theory | symmetry magazine).

Lý thuyết này đòi hỏi không-thời gian có thêm nhiều chiều không gian ngoài 3 chiều không gian quen thuộc – thông thường cần 10 hoặc 11 chiều tất cả. Các chiều phụ thêm được giả thuyết là cuộn lại cực nhỏ (compact hóa) thành những hình dạng hình học đặc thù, chẳng hạn như đa tạp Calabi–Yau sáu chiều (hình dưới), mà hình dạng của chúng sẽ chi phối các tính chất vật lý của vũ trụ và các hạt (String theory is not dead | Knowable Magazine). Một điểm hấp dẫn là trong toán học của lý thuyết dây, hạt truyền tương tác hấp dẫn (graviton) xuất hiện một cách tự nhiên – tức lực hấp dẫn được tích hợp sẵn trong khung lý thuyết này (String theory is not dead | Knowable Magazine). Điều này từng mang lại hy vọng rằng lý thuyết dây sẽ là chìa khóa hợp nhất thuyết tương đối rộng (mô tả hấp dẫn) với cơ học lượng tử, giải quyết những mâu thuẫn nền tảng giữa hai trụ cột vật lý. Tuy nhiên, sau nhiều thập kỷ, lý thuyết dây vẫn chưa được kiểm chứng thực nghiệm do độ dài của dây quá nhỏ (cỡ $10^{-35}$ mét) – xa ngoài khả năng tiếp cận của các máy gia tốc hạt hiện nay (String theory is not dead | Knowable Magazine).

Thêm vào đó, việc lý thuyết này cho phép rất nhiều dạng vũ trụ khả dĩ (cái gọi là “bối cảnh đa vũ trụ”, hay landscape) nhưng không đưa ra dự đoán cụ thể rõ ràng nào cho vũ trụ của chúng ta đã dẫn đến nhiều tranh cãi gay gắt. Dưới đây, chúng ta sẽ tổng quan tình hình hiện tại của lý thuyết dây, bao gồm: (1) tranh luận về việc liệu lý thuyết dây có rơi vào bế tắc hay “chết yểu” như một số ý kiến, (2) những tiến triển mới đáng chú ý trong khoảng 5 năm trở lại đây, (3) đánh giá của các nhà vật lý hàng đầu về triển vọng của lý thuyết dây trong vai trò ứng viên cho Thuyết vạn vật, và (4) các hướng nghiên cứu mới liên quan đến lý thuyết dây (trong vũ trụ học, lượng tử hấp dẫn, vật lý hạt, …) thu hút sự quan tâm hiện nay.

Hình 1: Mô phỏng một đa tạp Calabi–Yau – cấu trúc hình học 6 chiều dùng để biểu diễn các chiều không gian cuộn nhỏ trong lý thuyết dây. Mỗi cách “cuộn” khác nhau của các chiều phụ này dẫn đến một chân không với các đặc tính vật lý khác nhau (như phổ hạt, hằng số vật lý), tạo ra một “cảnh quan” (landscape) gồm rất nhiều vũ trụ lý thuyết có thể có (String theory is not dead | Knowable Magazine).

Tranh cãi về tình trạng “chết yểu” của Lý thuyết Dây

Trong những năm gần đây, một số nhà vật lý đã bày tỏ lo ngại rằng lý thuyết dây đang lâm vào bế tắc hoặc thậm chí “chết yểu”, do thiếu tiến triển đột phá và không có bằng chứng thực nghiệm sau hàng chục năm nghiên cứu. Nhà vật lý Sabine Hossenfelder – một tiếng nói thẳng thắn về tình trạng vật lý cơ bản – nhận xét rằng “chúng ta đã không đạt được tiến bộ nào trong suốt 40 năm qua” trong nền tảng của vật lý (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Physicists still lost in math). Bà cho rằng các vấn đề lớn (như hấp dẫn lượng tử, vật chất tối, năng lượng tối…) vẫn tồn tại “y như cách đây nửa thế kỷ”, và các lý thuyết thời thượng như lý thuyết dây, siêu đối xứng, đa vũ trụ tuy rất đẹp về toán học nhưng “không có nghĩa là mô tả đúng thực tại” (Why the foundations of physics have not progressed for 40 years » IAI TV). Tương tự, nhà vật lý hạt nhân kỳ cựu Sheldon Glashow từng mỉa mai rằng “string theory is a futile exercise” (lý thuyết dây là một bài tập vô ích) do không thể kiểm chứng – phản ánh sự hoài nghi của không ít người.

Đặc biệt, vấn đề đa vũ trụ (multiverse) của lý thuyết dây bị xem là “bước lùi” của khoa học. Lý thuyết dây cho phép khoảng $10^{500}$ (một con số khổng lồ) các trạng thái chân không khác nhau, tương ứng với $10^{500}$ vũ trụ có các “luật vật lý” khác biệt. Điều này đồng nghĩa với việc lý thuyết dây khó đưa ra tiên đoán duy nhất, cụ thể nào cho vũ trụ của chúng ta – bởi bất cứ kết quả thực nghiệm nào cũng có thể khớp với một trạng thái nào đó trong hàng loạt khả năng ấy. Nhà vật lý Neil Turok (nguyên Giám đốc Viện Perimeter) thậm chí gọi tình huống này là “thảm họa tột cùng” của vật lý lý thuyết hiện đại: chúng ta có một lý thuyết cho phép quá nhiều kết quả đến mức “không có tiên đoán nào rõ ràng cả”, khiến các nhà vật lý “hoàn toàn rối trí” ( Perimeter Institute and the crisis in modern physics | Not Even Wrong ). Turok và nhiều người cho rằng việc phải dựa vào nguyên lý nhân học (chọn vũ trụ phù hợp sự sống) để giải thích vì sao vũ trụ của chúng ta có những hằng số như đo được, là dấu hiệu cho thấy lý thuyết dây đã đi chệch hướng khoa học ( David Gross Admits String Theory is in Trouble | Not Even Wrong ).

Ngay bên trong cộng đồng lý thuyết dây, không ít nhà khoa học cũng thừa nhận nỗi thất vọng. David Gross – một trong những “cha đẻ” của lý thuyết dây – từng thẳng thắn nói rằng “Chúng ta vẫn chưa thực sự biết mình đang nói đến cái gì” khi nhắc đến lý thuyết dây, ngụ ý rằng cấu trúc đầy đủ của lý thuyết (như M-theory 11 chiều) vẫn chưa được hiểu rõ ( David Gross Admits String Theory is in Trouble | Not Even Wrong ). Ông mô tả lĩnh vực này hiện đang “hoàn toàn rối loạn” (utter confusion) và so sánh với tình cảnh vật lý năm 1911, khi người ta chưa hiểu bản chất hiện tượng phóng xạ – hàm ý rằng có thể ta còn thiếu một ý tưởng nền tảng nào đó ( David Gross Admits String Theory is in Trouble | Not Even Wrong ). Edward Witten, nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng nhất trong lĩnh vực này, cũng thừa nhận rằng cho đến nay “không ai (kể cả ông) hiểu đầy đủ lý thuyết dây thực sự là gì” ở dạng hoàn chỉnh ( Witten Interview | Not Even Wrong ). Việc Máy Gia tốc LHC không tìm thấy hạt siêu đối xứng nào ở thang năng lượng TeV (trái với kỳ vọng của nhiều mô hình lý thuyết dây) cũng là một đòn giáng vào niềm tin trước đây. Dù vậy, Witten không hề suy suyển niềm tin rằng dây là con đường đúng: ông đã “dần chấp nhận” cả những ý tưởng khó như landscape đa vũ trụ, và cho rằng lý thuyết dây vẫn là “con đường khả thi duy nhất” hướng tới thuyết thống nhất ( Witten Interview | Not Even Wrong ). Thái độ “bền gan” này khiến một số người chỉ trích cho rằng một “niềm tin tôn giáo” đã hình thành quanh lý thuyết dây, bất chấp thiếu vắng bằng chứng.

Bên ngoài cộng đồng, những cuốn sách như “Not Even Wrong” của Peter Woit hay “The Trouble with Physics” của Lee Smolin đã công kích mạnh mẽ việc lý thuyết dây thống trị vật lý lý thuyết mấy thập niên qua nhưng không sản sinh kết quả thực nghiệm nào. Smolin thậm chí lo ngại rằng một “thế hệ tài năng” đã lãng phí cho lý thuyết dây và kêu gọi tìm hướng đi mới. Tình hình tuyển dụng trong giới hàn lâm cũng phản ánh phần nào sự thoái trào: một số nơi từng có nhóm nghiên cứu dây nay chuyển hướng, và các khóa học về lý thuyết dây ở nhiều trường bị cắt giảm (Why the foundations of physics have not progressed for 40 years). Hội nghị quốc tế Strings – sự kiện thường niên quy tụ các nhà lý thuyết dây trên thế giới – gần đây cho thấy bức tranh khá ảm đạm: Tại phiên bế mạc Strings 2025, chủ tọa David Gross (83 tuổi) vẫn lạc quan tuyên bố “lĩnh vực này đang rất tuyệt vời”, nhưng lại phải thông báo rằng chưa tìm được ai tổ chức hội nghị Strings 2026 – có nguy cơ sự kiện phải dừng lại ( Strings 2025 | Not Even Wrong ). Trong buổi thảo luận, không ai đưa ra được tiến triển khoa học đáng kể nào, mà chỉ lặp lại những bài toán tồn đọng suốt 20-25 năm qua (như: làm sao xây dựng được nguyên lý holography cho không gian de Sitter thay vì anti-de Sitter) ( Strings 2025 | Not Even Wrong ). Không khí đó cho thấy sự bế tắc và mệt mỏi ngay trong nội bộ cộng đồng lý thuyết dây.

Tóm lại, có thể thấy một làn sóng hoài nghi mạnh mẽ: nhiều người cho rằng lý thuyết dây đã mất đà tiến triển, thậm chí đứng bên bờ “khủng hoảng niềm tin”. Việc thiếu vắng kiểm chứng thực nghiệm suốt hàng chục năm, cùng những vấn đề nội tại (quá nhiều lời giải, quá ít tiên đoán) khiến một số nhà vật lý đánh giá lĩnh vực này đang “chết yểu” dần. Tuy nhiên, bức tranh không hoàn toàn chỉ có màu xám – vẫn có những tiến triển và tín hiệu lạc quan từ phía những người theo đuổi lý thuyết dây, như sẽ phân tích dưới đây.

Tiến triển đáng chú ý trong 5 năm gần đây

Mặc cho những hoài nghi, các “tín đồ” của lý thuyết dây vẫn âm thầm làm việc và đạt được một số tiến triển quan trọng trong vài năm trở lại đây. Thời kỳ hoàng kim của lý thuyết dây (những năm 1980–1990) đã qua đi, nhưng sau khi rút khỏi ánh đèn sân khấu, lĩnh vực này vẫn có một đội ngũ nhà nghiên cứu tận tâm đang nỗ lực “buộc lại các mối dây còn lỏng lẻo” trong lý thuyết (String theory is not dead | Knowable Magazine). Mặc dù thành công cuối cùng chưa đạt được, họ nhấn mạnh rằng “những tiến bộ thực sự đã đạt được” và nhiều bài toán hóc búa về vi mô lẫn vũ trụ học có thể sẽ được giải đáp bằng công cụ lý thuyết dây (String theory is not dead | Knowable Magazine). Thật vậy, trong khoảng 5 năm gần đây, có thể kể ra một vài hướng tiến triển nổi bật:

Tiến gần hơn đến việc xây dựng Mô hình Chuẩn từ lý thuyết dây: Các nhà nghiên cứu đã đạt được hiểu biết sâu hơn về cách một không gian 6 chiều cuộn nhỏ (compact) có thể sinh ra đúng các hạt và tương tác của Mô hình Chuẩn trong 4 chiều quen thuộc. Mỗi lựa chọn hình học cho 6 chiều ẩn này (ví dụ một cấu trúc Calabi–Yau cụ thể) sẽ cho ta một “chân không” với phổ hạt tương ứng. Trong những năm qua, hàng loạt kỹ thuật mới (như dùng phương pháp hình học đại số, giải tích modular, v.v.) đã giúp xây dựng nhiều mô hình string tái tạo được các đặc tính của Mô hình Chuẩn (như nhóm đối xứng chuẩn $SU(3)\times SU(2)\times U(1)$, 3 thế hệ hạt, v.v.) (String theory is not dead | Knowable Magazine). Chẳng hạn, giới nghiên cứu đã tìm ra các cơ chế mới để giải quyết một số “ẩn số” của Mô hình Chuẩn nhờ lý thuyết dây – ví dụ giải thích vì sao hạt có 3 thế hệ, hay vì sao các hằng số có giá trị như hiện tại (String theory is not dead | Knowable Magazine) (String theory is not dead | Knowable Magazine). Dù chưa có một cấu hình duy nhất nào cho phép sinh ra đúng và đủ mọi đặc điểm của vũ trụ chúng ta, nhưng kho hiểu biết tích lũy cho thấy bức tranh đang dần hoàn thiện. Bài tổng quan năm 2024 của Marchesano và cộng sự kết luận rằng nhiều đặc tính của Mô hình Chuẩn đã được tái hiện thành công trong các mô hình dây khác nhau – vấn đề còn lại là kết hợp tất cả trong một mô hình duy nhất vừa khớp với vật lý hạt, vừa đúng với vũ trụ học (String theory is not dead | Knowable Magazine). Nhóm tác giả lạc quan viết: “Nhiều bài toán chưa lời giải trong vật lý hạt và vũ trụ học thực ra có liên hệ chặt chẽ với nhau… và lý thuyết dây có thể cung cấp con đường để giải quyết chúng” (String theory is not dead | Knowable Magazine).
Khám phá các “ràng buộc swampland” nối lý thuyết dây với vũ trụ học: Một hướng nghiên cứu sôi động vài năm qua là chương trình Swampland, khởi xướng bởi Cumrun Vafa. Chương trình này tìm cách đưa ra các tiêu chí phổ quát mà mọi lý thuyết hiệu dụng phải thỏa mãn để có thể xuất hiện như giới hạn thấp năng lượng của một lý thuyết hấp dẫn lượng tử (ví dụ lý thuyết dây) (Swampland (physics) - Wikipedia). Nói cách khác, nó phân định “vùng đất được phép” (landscape) của các lý thuyết con từ dây, và “vùng đầm lầy” (swampland) gồm các lý thuyết nghe có vẻ nhất quán nhưng không thể nhúng vào lý thuyết dây. Những giả thuyết swampland cụ thể đã được đề xuất – chẳng hạn điều kiện về giới hạn độ dốc của thế năng (de Sitter conjecture) cho biết các mô hình vũ trụ học với hằng số vũ trụ dương đơn giản có thể không nằm trong landscape dây (arxiv1) (arxiv2). Điều này kích thích tranh luận sôi nổi: Liệu lý thuyết dây có ngăn cấm sự tồn tại của một vũ trụ de Sitter ổn định (phù hợp với năng lượng tối quan sát) hay không? Nếu đúng, ta phải xét lại các mô hình lạm phát vũ trụ học thông thường. Nhiều nghiên cứu lý thuyết gần đây đã đào sâu vấn đề này, đưa ra các điều kiện swampland khác (như nguyên lý “Festina Lente” giới hạn khối lượng hạt trong de Sitter) (Confinement in de Sitter space and the swampland) (Accelerated expansion, dS, & Strings: From the Swampland to the …). Mặc dù tranh cãi chưa ngã ngũ, chính cuộc tranh luận đã nối liền hai lĩnh vực: các nhà vũ trụ học nay phải để ý đến tiên đề từ lý thuyết dây, và ngược lại các nhà lý thuyết dây phải tìm cách tạo ra mô hình vũ trụ giãn nở tăng tốc đúng như quan sát. Hội thảo quốc tế năm 2024 với chủ đề “Gia tốc vũ trụ, de Sitter & Lý thuyết Dây: từ Swampland đến Landscape” đã quy tụ các chuyên gia hàng đầu để thảo luận những tiến triển mới nhất trong việc hiểu vũ trụ giãn nở trong khung dây (Conferences - String Theory Wiki) (Accelerated expansion, dS, & Strings: From the Swampland to the …). Đây là minh chứng cho thấy lý thuyết dây đang tương tác tích cực với vũ trụ học thực nghiệm, hy vọng dẫn đến những dự đoán có thể kiểm chứng về cấu trúc vũ trụ hoặc sóng hấp dẫn sơ khai.
Bước tiến trong nghiên cứu lỗ đen và hấp dẫn lượng tử thông qua nguyên lý holography: Lý thuyết dây đã sản sinh một trong những ý tưởng cách mạng của vật lý hiện đại – nguyên lý đối ngẫu AdS/CFT (holographic duality) do Juan Maldacena đề xuất năm 1997. Những năm gần đây, đối ngẫu này tiếp tục là “công cụ số một” để nghiên cứu các vấn đề hấp dẫn lượng tử vốn khó giải quyết bằng trực tiếp. Một thành tựu nổi bật năm 2019–2020 là việc giải quyết được nghịch lý thông tin Hawking ở lỗ đen. Trong gần 50 năm, câu hỏi “thông tin đi đâu khi lỗ đen bay hơi” khiến giới khoa học đau đầu. Theo Hawking, bức xạ lỗ đen hoàn toàn ngẫu nhiên, gợi ý thông tin bị xóa mất – mâu thuẫn với cơ học lượng tử. Tuy nhiên, từ lâu các nhà lý thuyết dây đã tin rằng thông tin phải được bảo toàn, dựa trên bằng chứng từ AdS/CFT rằng quá trình bay hơi lỗ đen tương ứng với một hệ lượng tử không mất thông tin (The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End | Quanta Magazine). Niềm tin này vừa được củng cố bằng tính toán cụ thể: các nhà nghiên cứu đã dùng holography (và những ý tưởng từ thông tin lượng tử) để tính được entropy vướng víu (entanglement entropy) giữa lỗ đen và bức xạ, và họ tìm thấy nó tuân theo đúng đường cong Page – nghĩa là ban đầu entropy tăng, sau đó giảm về 0 khi lỗ đen bốc hơi hết, đúng như yêu cầu bảo toàn thông tin (The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End | Quanta Magazine) (The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End | Quanta Magazine). Những tính toán này (tiêu biểu trong các công trình của Almheiri, Penington, v.v. năm 2019) được xem là đột phá lịch sử, đánh dấu nghịch lý Hawking gần như đã có lời giải (The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End). Điều thú vị là mặc dù các kết quả đạt được không trực tiếp sử dụng lý thuyết dây, nhưng “được truyền cảm hứng từ lý thuyết dây” và củng cố chính dự đoán quan trọng của lý thuyết dây về lỗ đen (The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End | Quanta Magazine). Đây là ví dụ tiêu biểu cho thấy đóng góp gián tiếp của lý thuyết dây: bằng cách mở đường cho những phương pháp mới (holography, kỹ thuật tính entropy qua diện tích màn chắn lượng tử…), lý thuyết dây đã giúp vật lý tiến gần hơn tới hợp nhất hấp dẫn và lượng tử.
Ảnh hưởng tới lĩnh vực vật lý hạt và toán học: Ngoài vũ trụ học và hấp dẫn, vài năm qua lý thuyết dây còn tiếp tục đóng vai trò trong nghiên cứu vật lý hạt (đặc biệt trong tính toán các biên độ tán xạ) cũng như trong toán học thuần túy. Chẳng hạn, phương pháp chuỗi amplituhedron và bootstrap trong tính toán biên độ tán xạ (Arkani-Hamed và ctv.) có cội rễ từ trực giác lý thuyết dây. Nhiều cấu trúc đối xứng kép và nguyên lý tự đối ngẫu tìm thấy trong dây đã gợi ý cách đơn giản hóa biểu thức tán xạ của các hạt trong Mô hình Chuẩn, giúp tính toán nhanh hơn và rõ ý nghĩa hơn. Về toán, lý thuyết dây tiếp tục là “mảnh đất màu mỡ”: các bài toán như đối xứng gương, lý thuyết số học trên đa tạp K3, đồng điều lượng tử… vẫn đang phát triển ở biên giới giữa toán và vật lý. Trong 5 năm qua, đã có những hội thảo liên ngành quy mô lớn (như chương trình It from Qubit do IAS Princeton chủ trì) nhằm kết nối thông tin lượng tử, hình học dây và cấu trúc không-thời gian, tạo ra một cộng đồng nghiên cứu rất năng động.

Tất cả những tiến triển trên cho thấy lý thuyết dây không “chết” – nó chỉ rời khỏi tâm điểm và chuyển sang giai đoạn chín hơn, âm thầm hơn. Tom Siegfried, trong bài báo “String theory is not dead” (Knowable Magazine 2024), viết rằng sau khi rút vào hậu trường, một “đội ngũ đáng kể các nhà nghiên cứu dây mẫn cán” vẫn miệt mài buộc các mối dây và đã đạt được “tiến bộ thực sự” trên nhiều phương diện (String theory is not dead | Knowable Magazine). Tuy thành công tối thượng còn chưa đến, nhưng rõ ràng lý thuyết dây đã đóng góp sâu rộng: từ cách nhìn mới về lỗ đen, gợi ý hướng đi cho vũ trụ học, đến đề xuất các ý tưởng mới trong vật lý hạt và cả toán học.

Triển vọng trở thành “Thuyết vạn vật” – Ý kiến của các nhà vật lý hàng đầu

Câu hỏi quan trọng nhất vẫn là: Liệu lý thuyết dây có triển vọng trở thành “Thuyết vạn vật” (Theory of Everything) hay không? Đây là vấn đề về tầm nhìn tương lai, và các nhà vật lý hàng đầu có những đánh giá khác nhau, từ lạc quan thận trọng đến hoài nghi sâu sắc.

Trước hết, phải thấy rằng phần lớn những người đã cống hiến cuộc đời cho lý thuyết dây vẫn tin tưởng mạnh mẽ vào triển vọng của nó. Edward Witten, người đóng vai trò then chốt trong cuộc “cách mạng dây” thập niên 1980-1990, cho đến nay vẫn giữ quan điểm rằng lý thuyết dây là ứng viên duy nhất khả dĩ cho một thuyết hợp nhất hoàn chỉnh của vật lý ( Witten Interview | Not Even Wrong ). Dù ông thừa nhận các khó khăn và khoảng trống (như chưa có dự đoán thực nghiệm cụ thể, hay hiểu biết chưa đầy đủ về M-theory), Witten cho rằng chưa có lý thuyết thay thế nào tốt hơn: “Nếu có con đường nào dẫn tới thuyết hợp nhất, thì đó chính là con đường của lý thuyết dây.” Thậm chí, ông sẵn sàng chấp nhận khả năng vũ trụ của chúng ta chỉ là một trong vô số vũ trụ (ý tưởng multiverse) – điều mà ban đầu ông thấy “rất khó chịu”, nhưng giờ đã “làm hòa với nó” bởi đó có thể là cách tự nhiên mà lý thuyết dây vận hành ( Witten Interview | Not Even Wrong ). Tương tự, Leonard Susskind (một trong những người sáng lập lý thuyết dây) cũng chuyển từ thái độ phản đối sang ủng hộ ý tưởng landscape đa vũ trụ như một đặc tính của lý thuyết dây. Ông lập luận rằng dù điều này làm thay đổi tiêu chí truyền thống (từ tìm một lời giải duy nhất sang chấp nhận nhiều khả năng), nhưng “nếu tự nhiên vận hành như vậy, chúng ta phải chấp nhận”, miễn sao lý thuyết dây trong tổng thể vẫn đúng và bao gồm được mọi hiện tượng vật lý đã biết.

Nhiều nhà vật lý lý thuyết hàng đầu khác vẫn đánh giá tích cực thận trọng về lý thuyết dây. Steven Weinberg (Nobel 1979, mất 2021), tuy từng phê bình sự thiếu kiểm chứng, nhưng cuối đời ông vẫn tự nhận “là một fan của lý thuyết dây” và khinh thường những người chỉ trích nó một cách thiếu hiểu biết (Remembering Steven Weinberg - Graham Farmelo). Ông cho rằng có thể “sẽ không bao giờ kiểm chứng trực tiếp được dây” do thang năng lượng quá cao, nhưng ta có thể kiểm chứng gián tiếp qua các hệ quả (ví dụ phát hiện siêu đối xứng, hạt giả Nambu–Goldstone,…). Brian Greene và Michio Kaku, hai nhà vật lý kiêm tác giả đại chúng, cũng luôn bày tỏ lạc quan rằng “lý thuyết dây (hoặc M-theory) rồi sẽ được xác nhận là đúng – ít nhất ở một vài khía cạnh chủ chốt”. Kaku từng nói “siêu dây là ứng viên duy nhất cho thuyết vạn vật” và ông “đặt cược tương lai vật lý vào nó” (M-Theory: The Mother of all SuperStrings - Michio Kaku). Dĩ nhiên, quan điểm của Kaku có phần cường điệu để thu hút công chúng, nhưng nó phản ánh niềm tin của không ít người trong ngành rằng nếu vũ trụ tuân theo các quy luật toán học nhất quán, thì lý thuyết dây (và mở rộng là M-theory) gần như chắc chắn là con đường đúng.

Đáng chú ý, Stephen Hawking – một biểu tượng của vật lý – cũng đã “đặt cược” vào lý thuyết dây cuối đời mình. Trong cuốn sách The Grand Design (2010) và các bài nói chuyện, Hawking cho biết ông tin tưởng M-theory (lý thuyết màng 11 chiều) – tức khung tổng quát của các lý thuyết dây – “là ứng viên tốt nhất của chúng ta cho một lý thuyết hoàn chỉnh của vũ trụ” (Stephen Hawking had pinned his hopes on ‘M-theory’ to fully explain the universe—here’s what it is) (Stephen Hawking had pinned his hopes on ‘M-theory’ to fully explain the universe—here’s what it is). Hawking nhấn mạnh M-theory không phải một lý thuyết đơn lẻ mà là một “gia đình lý thuyết”, nhưng chính sự linh hoạt đó có thể là chìa khóa giải thích vì sao vũ trụ này tồn tại mà không cần một nguyên nhân siêu nhiên. Trên thực tế, Hawking đã dành những năm cuối đời để nghiên cứu về đa vũ trụ dựa trên M-theory (cùng Thomas Hertog). Dù công trình cuối cùng của ông còn gây tranh cãi, nó thể hiện niềm tin rằng lý thuyết dây/M-theory sẽ đóng vai trò trung tâm trong vũ trụ học tương lai.

Mặt khác, những tiếng nói hoài nghi hàng đầu (như chúng ta đã đề cập) cho rằng triển vọng của lý thuyết dây trở thành “thuyết vạn vật” đang mờ dần. Roger Penrose, vốn ưa chuộng cách tiếp cận khác (như lý thuyết Twistor của ông), từng gọi lý thuyết dây là “thời trang phù du” và dự đoán nó sẽ không phải câu trả lời cuối cùng. Carlo Rovelli, nhà đồng sáng lập hấp dẫn lượng tử vòng (LQG), thường so sánh dây và vòng và cho rằng dây đã nhận quá nhiều ưu ái không xứng đáng trong khi chưa giải quyết được hấp dẫn lượng tử theo cách thuyết phục. Neil Turok (như trích ở trên) thì cảnh báo rằng vật lý lý thuyết đang ở ngã rẽ nguy hiểm: nếu cứ bám vào những ý tưởng chưa kiểm chứng như dây, siêu đối xứng, đa vũ trụ, chúng ta có thể đánh mất cả một thế hệ nhà khoa học trẻ. Turok kêu gọi quay lại những nguyên lý đầu tiên và tìm một hướng đi mới căn bản hơn. Ông tỏ ra hứng thú với khả năng vũ trụ có cấu trúc đơn giản hơn nhiều so với các mô hình dây phức tạp, ví dụ một vũ trụ đối xứng có thể tự sinh từ hư không mà không cần đa chiều cuộn hay vô số tham số.

Giữa hai thái cực, cũng có những ý kiến dung hòa hơn. Sabine Hossenfelder – tuy chỉ trích dây – nhưng cũng nói rằng “tôi không phản đối nghiên cứu lý thuyết dây, chỉ là tôi phản đối việc quá thiên vị nó và lờ đi những hướng khác”. Bà cho rằng lý thuyết dây có thể vẫn đúng, nhưng thời gian để nó chứng minh mình đang dần cạn; nếu không có tín hiệu gì trong vài thập kỷ tới, cộng đồng nên dịch chuyển trọng tâm. Một số nhà vật lý trẻ hơn thì có cái nhìn thực dụng: “String theory is a toolkit, not necessarily the final theory” – họ coi lý thuyết dây như một hộp công cụ mạnh mẽ (để tính toán, kết nối các lĩnh vực) hơn là một lý thuyết tối hậu. Từ góc nhìn này, giá trị của lý thuyết dây nằm ở các ý tưởng và kỹ thuật mà nó mang lại, hơn là việc nó có trở thành Thuyết vạn vật duy nhất hay không.

Tựu trung, triển vọng của lý thuyết dây vẫn là vấn đề để ngỏ. Các nhà ủng hộ hàng đầu thì tin rằng dù con đường gập ghềnh, dây (hoặc M-theory) sớm muộn sẽ chứng tỏ được mình là khuôn khổ thống nhất tối hậu – không hẳn bằng cách dự đoán một hạt mới cụ thể, mà có thể bằng cách giải thích trọn vẹn cấu trúc và các hằng số của vũ trụ. Trong khi đó, các nhà phê phán cho rằng lý thuyết dây khó lòng chiếm vị thế Thuyết vạn vật nếu nó cứ mãi ở “trên mây” không chạm được tới thực nghiệm; họ kêu gọi tìm kiếm những ý tưởng căn bản khác hoặc ít nhất đa dạng hóa hướng tiếp cận. Thực tế có thể nằm ở giữa: lý thuyết dây có lẽ sẽ không xuất hiện dưới dạng “một phương trình tuyệt đẹp diễn tả cả vũ trụ” như giấc mơ ban đầu, nhưng rất có thể một phần của nó sẽ là thành phần cốt lõi của thuyết vạn vật tương lai. Như câu nói nổi tiếng trong giới vật lý: “String theory is not even wrong” – hiện tại chưa biết đúng sai – nhưng nếu một ngày nó được chứng minh đúng ở một khía cạnh nào đó, thì đó sẽ là bước nhảy vọt vĩ đại cho tham vọng hợp nhất vật lý.

Những hướng nghiên cứu mới liên quan đến Lý thuyết Dây

Mặc dù trọng tâm “truyền thống” của lý thuyết dây là hướng tới một thuyết thống nhất, nhưng bản thân lý thuyết này đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mở rộng, liên ngành trong vật lý. Hiện nay, cộng đồng khoa học đang quan tâm đến một số hướng đi mới (hoặc nhánh mở rộng) có liên quan mật thiết đến lý thuyết dây:

Liên kết với Vũ trụ học: Như đã đề cập, một chủ đề “nóng” là ứng dụng lý thuyết dây vào vũ trụ học, cụ thể là tìm hiểu năng lượng tối, lạm phát vũ trụ và lịch sử sơ khai của vũ trụ trong bối cảnh dây. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng xây dựng mô hình lạm phát trong lý thuyết dây (ví dụ mô hình KKLMMT sử dụng brane-màng, hay ý tưởng về “lạm phát trên đa tạp phức”). Song song, tranh luận về chân không de Sitter (vũ trụ giãn nở tăng tốc) vẫn tiếp tục: một bên tìm cách xây dựng chân không de Sitter trong compactification (chẳng hạn cơ chế KKLT, Large Volume Scenario), bên kia dựa vào các giả thuyết swampland để gợi ý de Sitter thật ra không bền trong lý thuyết dây. Hướng này có ý nghĩa rất lớn: nếu chứng minh được ổn định một vacuum de Sitter trong dây, đó sẽ là mô hình đầu tiên nối được vật lý hạt với năng lượng tối; ngược lại, nếu de Sitter bị cấm, ta sẽ phải xét lại cách hiểu hiện tại về năng lượng tối (có thể nó không phải hằng số mà động, hoặc có tương tác nào đó). Ngoài ra, lý thuyết dây cũng gợi ý sự tồn tại của các đối tượng vũ trụ thú vị như dây vũ trụ (cosmic strings) và brane vũ trụ sinh ra từ các pha chuyển tiếp trong vũ trụ sơ khai. Những đối tượng này nếu tồn tại có thể để lại dấu vết trong sóng hấp dẫn hoặc phông vi sóng vũ trụ. Chẳng hạn, các mạng dây vũ trụ có thể tạo ra tín hiệu sóng hấp dẫn đặc trưng – mà các đài quan sát như LIGO hay NANOGrav đang tìm kiếm. Đây là cầu nối hiếm hoi đưa lý thuyết dây đến sát quan sát thiên văn, nên rất được quan tâm.
Hấp dẫn lượng tử và Nguyên lý Holography: Holography (đối ngẫu AdS/CFT) xuất phát từ lý thuyết dây nay đã trở thành một ngành riêng của hấp dẫn lượng tử. Hướng nghiên cứu “It from Qubit” (vật chất từ qubit) là một ví dụ – ý tưởng ở đây là hình học không-thời gian có thể emergent (xuất hiện) từ cấu trúc thông tin lượng tử của hệ nhiều hạt tương đương CFT trên biên. Edward Witten gần đây cũng bày tỏ ông đặt nhiều hy vọng vào chương trình “It from Qubit” này ( Witten Interview | Not Even Wrong ). Hướng đi này liên quan chặt chẽ đến việc hiểu sâu hơn nguyên lý holography: từ các nghiên cứu về entropy vướng víu Ryu–Takayanagi, bề mặt cực trị lượng tử (Quantum Extremal Surface) cho đến giả thuyết nổi tiếng “ER = EPR” của Susskind và Maldacena (nói rằng cặp hạt vướng víu EPR có thể liên hệ với cầu nối Einstein-Rosen – lỗ sâu). Những năm gần đây, các nhà vật lý đã chế tạo được các mô hình toy của lỗ sâu (traversable wormholes) trong đối ngẫu holography, qua đó kiểm tra ý tưởng ER=EPR. Tất cả những điều này cho thấy một bức tranh hợp nhất hấp dẫn-lượng tử đang dần hình thành: không-thời gian có thể được “mã hóa” trong dữ liệu lượng tử của một hệ tương đương, và lý thuyết dây cung cấp môi trường toán học để cụ thể hóa ý tưởng đó (vì holography xuất phát từ dây lý thuyết). Các hướng nghiên cứu mới như sử dụng mã sửa lỗi lượng tử để giải thích cơ chế holography (HaPPY code của Pastawski et al.) hay liên hệ độ phức tạp lượng tử với cấu trúc bên trong lỗ đen cũng thu hút nhiều sự chú ý (Gravity and Quantum Entanglement - Oxford Research Encyclopedias). Đây đều là những biên giới mới của hấp dẫn lượng tử, nơi lý thuyết dây đóng vai trò kim chỉ nam.
Nhánh mở rộng trong Vật lý hạt nhân và Vật lý vật chất cô đặc: Một điều ít ngờ là nguyên lý holography từ lý thuyết dây đã lan sang cả vật lý hạt nhân và vật lý chất rắn. Trong vật lý hạt nhân, đối ngẫu AdS/QCD được phát triển để nghiên cứu plasma quark-gluon – trạng thái vật chất ở nhiệt độ siêu cao tạo ra trong các va chạm ion nặng. Mô hình holography giúp mô phỏng tính chất như độ nhớt, dẫn nhiệt của plasma này, đạt kết quả khá phù hợp thực nghiệm, trong khi lý thuyết thông thường (QCD) rất khó tính toán ở chế độ nhiệt động. Tương tự, trong vật lý chất rắn, một loạt mô hình AdS/CM (chất cô đặc) ra đời để mô tả các hiện tượng như siêu dẫn nhiệt độ cao, hiệu ứng Hall lượng tử hay lỏng Fermi phi Landau bằng một mô hình hấp dẫn trong không gian AdS tương ứng (Conferences - String Theory Wiki). Những ứng dụng liên ngành này tuy không “chứng minh” lý thuyết dây đúng, nhưng cho thấy sức sống và tầm ảnh hưởng của các ý tưởng từ dây: chúng cung cấp công cụ tính toán mới cho các ngành khác, đôi khi dự đoán được những tính chất mà mô hình truyền thống khó đạt tới.
Các mở rộng và lý thuyết thay thế chịu ảnh hưởng của dây: Lý thuyết dây cũng kích thích sự ra đời của các lý thuyết và ý tưởng mới ngoài chính nó. Ví dụ, Lý thuyết Đa vũ trụ tuần hoàn (Cyclic Multiverse) của Paul Steinhardt và Neil Turok, dù mang tính phản biện dây, nhưng cũng sử dụng khái niệm brane (màng) va chạm để tạo Big Bang lặp lại. Hay Geometric Unity của Eric Weinstein là một nỗ lực độc lập để hợp nhất hình học và vật lý, chịu ảnh hưởng triết lý “đẹp về toán” giống dây. Ngoài ra, lý thuyết dây còn dẫn đến nhiều nhánh như Lý thuyết dây phi tương đối tính, Liên kết dây với vật lý neutrino, Mô hình vật chất tối dạng Kaluza–Klein trong các chiều phụ… Mỗi hướng tuy nhỏ nhưng góp phần làm phong phú bức tranh nghiên cứu.

Tất cả những ví dụ trên cho thấy lý thuyết dây vẫn là “trung tâm ý tưởng” của vật lý hiện đại, dù trực tiếp hay gián tiếp. Cộng đồng khoa học đang mở rộng phạm vi ứng dụng của dây sang nhiều lĩnh vực, đồng thời thử thách lý thuyết này ở những mặt trận khác nhau (vũ trụ học, thông tin lượng tử, thiên văn…). Dù kết cục ra sao, di sản của lý thuyết dây sẽ không chỉ nằm ở việc nó có trở thành Thuyết vạn vật hay không, mà còn ở chỗ nó đã thay đổi cách chúng ta tiếp cận những câu hỏi nền tảng. Với những hướng nghiên cứu mới mẻ nối liền vi mô và vĩ mô như hiện nay, lý thuyết dây (và các ý tưởng phát sinh từ nó) sẽ tiếp tục là đề tài thu hút sự quan tâm của cộng đồng vật lý trong nhiều năm tới.

Tài liệu tham khảo:

Hossenfelder, S. Why the foundations of physics have not progressed for 40 years. IAI News (2020) (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Physicists still lost in math) (Why the foundations of physics have not progressed for 40 years » IAI TV).
Woit, P. The Crisis in String Theory is Worse Than You Think… (blog Not Even Wrong, 2024) ( Strings 2025 | Not Even Wrong ) ( Strings 2025 | Not Even Wrong ).
Turok, N. – Phát biểu tại Perimeter Institute (2013) ( Perimeter Institute and the crisis in modern physics | Not Even Wrong ).
Woit, P. Witten Interview (blog Not Even Wrong, 2019) ( Witten Interview | Not Even Wrong ) ( Witten Interview | Not Even Wrong ).
Siegfried, T. String theory is not dead. Knowable Magazine (2024) (String theory is not dead | Knowable Magazine) (String theory is not dead | Knowable Magazine).
Marchesano, F., Shiu, G., Weigand, T. The Standard Model from String Theory: What Have We Learned? Annual Review of NPS, Vol.74 (2024) (String theory is not dead | Knowable Magazine) (String theory is not dead | Knowable Magazine).
Musser, G. The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End. Quanta Magazine (2020) (The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End | Quanta Magazine) (The Most Famous Paradox in Physics Nears Its End | Quanta Magazine).
Hội thảo “Accelerated Expansion, de Sitter & Strings: From the Swampland to the Landscape”, IFT Madrid (09/2024) (Conferences - String Theory Wiki) (Accelerated expansion, dS, & Strings: From the Swampland to the …).
Bianchi, L. Stephen Hawking had pinned his hopes on “M-theory” to fully explain the universe. Phys.org (2018) (Stephen Hawking had pinned his hopes on ‘M-theory’ to fully explain the universe—here’s what it is) (Stephen Hawking had pinned his hopes on ‘M-theory’ to fully explain the universe—here’s what it is).
Schwarz, J.H. String Theory, symmetry magazine (2007) (String theory | symmetry magazine) (String theory | symmetry magazine).