Lý thuyết nào có thể thống nhất thuyết tương đối rộng và thuyết lượng tử ở cấp độ năng lượng Planck? Einstein đã dành 30 năm cuối đời theo đuổi một “lý thuyết vạn vật” giúp ông “đọc được ý của Chúa”, nhưng không thành. Đây vẫn là một trong những câu hỏi lớn nhất của vật lý hiện đại. Tìm ra giải pháp sẽ giúp ta khám phá một số bí mật lớn nhất trong vũ trụ và nghiên cứu được du hành thời gian, lỗ sâu, các chiều không gian cao hơn, vũ trụ song song, thậm chí cả những gì diễn ra trước Big Bang. Thêm vào đó, câu trả lời sẽ cho biết rõ con người có thể di chuyển trong vũ trụ nhanh hơn ánh sáng hay không.
Muốn hiểu vấn đề này, trước tiên ta phải hiểu nền tảng của thuyết lượng tử, tức nguyên lý bất định của Werner Heisenberg. Theo nguyên lý mang cái tên nghe có vẻ ngây ngô này, dù sử dụng khí cụ nhạy đến đâu, bạn cũng không bao giờ biết được cả vận tốc lẫn vị trí của hạt hạ nguyên tử, chẳng hạn hạt electron. Lượng tử luôn luôn “mập mờ”. Từ đây, bức chân dung kỳ lạ về lượng tử xuất hiện. Một electron thật ra là tập hợp của nhiều trạng thái, mỗi trạng thái miêu tả electron ở một vị trí khác nhau với vận tốc khác nhau. (Einstein rất ghét nguyên lý bất định này. Ông tin vào “thực tại khách quan”, là quan niệm phổ biến rằng mọi thứ phải tồn tại trong những trạng thái dứt khoát và có thể nhận biết rõ ràng, đồng thời bạn có thể xác định chính xác vị trí và vận tốc của bất kỳ hạt nào.)
Nhưng thuyết lượng tử lại nói khác. Khi nhìn vào gương, bạn sẽ không nhìn thấy chính mình như bạn thực là. Chúng ta hình thành từ một tập hợp rất nhiều sóng. Hình ảnh bạn thấy trong gương chỉ là tổng hòa trung bình của những sóng này. Thậm chí còn có khả năng nhỏ là một số sóng này sẽ lan truyền khắp phòng và ra ngoài không gian, tới tận Sao Hỏa hoặc xa hơn nữa. (Một bài toán chúng tôi giao cho nghiên cứu sinh là tính xác suất sóng của một người sẽ lan tới Sao Hỏa và xác suất một ngày kia, người đó thức dậy, thấy mình đang ở Hành tinh đỏ.)
Loại sóng vừa kể trên được gọi là “hiệu chỉnh lượng tử” hoặc “thăng giáng lượng tử”. Thông thường, hiệu chỉnh lượng tử rất nhỏ nên quan niệm phổ biến là hoàn toàn chính xác, chúng ta là tập hợp các nguyên tử và những gì ta thấy chỉ là tổng hòa trung bình. Nhưng ở cấp độ hạ nguyên tử, hiệu chỉnh lại rất lớn nên electron có thể hiện diện nhiều nơi một lúc, tồn tại trong các trạng thái song song. (Newton hẳn sẽ sốc nếu bạn giải thích cho ông rằng electron trong bóng bán dẫn có thể tồn tại ở các trạng thái song song. Hiệu chỉnh lượng tử giúp thiết bị điện tử hiện đại hoạt động được. Nếu bằng cách nào đó ta ngăn chặn được sự “mập mờ” của lượng tử, mọi công nghệ thần kỳ sẽ biến mất và xã hội sẽ bị kéo lùi gần 100 năm, về trước cả kỷ nguyên điện.)
May mắn là các nhà vật lý có thể tính được hiệu chỉnh lượng tử của hạt hạ nguyên tử và đưa ra dự đoán về chúng. Một số dự đoán có độ chính xác rất cao, đạt đến mức một trên mười ngàn tỷ. Thực tế, thuyết lượng tử chính xác đến mức có lẽ nó là lý thuyết thành công nhất mọi thời đại. Không có lý thuyết nào đạt đến độ chính xác cao như thuyết này khi áp dụng cho vật chất thông thường. Có thể đây là lý thuyết kỳ lạ nhất từng được đề xuất trong lịch sử (Einstein từng nói thuyết lượng tử càng thành công, thì nó càng trở nên quái đản), nhưng không thể phủ nhận là nó rất chính xác.
Nguyên lý bất định Heisenberg buộc chúng ta phải xem xét lại những gì đã biết về thực tại. Lỗ đen không hẳn là “đen”. Thuyết lượng tử nói rằng vẫn có thăng giáng lượng tử trong cái “thuần đen”, do vậy lỗ đen thật ra có màu xám. (Chúng phát ra bức xạ yếu, gọi là bức xạ Hawking). Theo nhiều sách giáo khoa, tại trung tâm lỗ đen, hay nơi thời gian khởi phát, tồn tại một “điểm kỳ dị”, tức điểm có trọng lực vô hạn. Nhưng trọng lực vô hạn lại vi phạm nguyên lý bất định. (Hay nói cách khác, không tồn tại cái gọi là “điểm kỳ dị”; nó chỉ là tư ngữ ta tạo ra vì không rõ chuyện gì xảy ra khi các phương trình không còn hiệu lực. Trong thuyết lượng tử, điểm kỳ dị không tồn tại, do sự mập mờ lượng tử ngăn cản việc xác định vị trí chính xác của lỗ đen.) Tương tự, chân không thường được hiểu là trạng thái hoàn toàn không có gì. Khái niệm “không có gì” cũng vi phạm nguyên lý bất định, nên không tồn tại cái gọi là “hoàn toàn không có gì”. (Trên thực tế, chân không đầy những hạt vật chất và phản vật chất liên tục xuất hiện rồi biền mất.) Cũng không tồn tại độ không tuyệt đối, hay mức nhiệt độ khiến mọi chuyển động đều ngừng. (Ngay ở độ không tuyệt đối, các nguyên tử vẫn hơi dao động, tạo ra năng lượng điểm không.)
Tuy nhiên, chúng ta gặp một vấn đề khi cố gắng xây dựng lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Những hiệu chỉnh lượng tử của lý thuyết Einstein được miêu tả bằng hạt graviton. Giống như photon là hạt ánh sáng, thì graviton là hạt hấp dẫn. Graviton rất khó nắm bắt và chưa hề được tìm ra trong phòng thí nghiệm. Nhưng các nhà vật lý tin rằng chúng thực sự tồn tại, vì chúng đóng vai trò thiết yếu trong mọi lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Nhưng khi tính toán với graviton, ta thấy hiệu chỉnh lượng tử trở thành vô hạn. Hấp dẫn lượng tử bị hiệu chỉnh lượng tử công phá, khiến các phương trình trở thành vô giá trị. Một số bộ óc vĩ đại bậc nhất trong ngành vật lý đã cố gắng giải quyết vấn đề này, nhưng đều chưa thành công.
Do vậy, một mục tiêu của vật lý hiện đại là xây dựng thuyết hấp dẫn lượng tử, trong đó hiệu chỉnh lượng tử là hữu hạn và có thể tính toán được. Nói cách khác, thuyết tương đối rộng của Einstein cho phép hình thành lỗ sâu – thứ có thể sẽ giúp chúng ta tìm được đường tắt xuyên qua thiên hà. Nhưng thuyết này lại không thể khẳng định lỗ sâu có ổn định hay không. Để tính toán hiệu chỉnh lượng tử của lỗ sâu, ta cần một lý thuyết là tổng hợp của thuyết tương đối và thuyết lượng tử.
