Nobel Vật Lý 2017: Đang mở ra những thế giới chưa từng thấy!

Năm 1916 nhà bác học Albert Einstein nói ông tin vào sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Năm nay, 101 năm sau phát biểu của Einstein, giải Nobel Vật Lý được trao cho  Rainer Weiss, Barry C. Barish và Kip S. Thorne vì đã phát hiện ra được sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Trong thông báo về giải thưởng, Viện hàn lâm khoa học hoàng gia Thụy điển nói về giải Nobel Vật lý 2017 năm nay: “Đây là một thứ hoàn toàn mới và khác biệt, đang mở ra những thế giới chưa từng thấy.”

(Bài trích từ sách Bầu trời chiều ẩn giấu, bài trích này cũng đã đăng trên Tuổi Trẻ Cuối Tuần số tuần này, tức tuần công bố giải Nobel 2017). Link download sách, bản ebook định dạng pdf ở đây, và bản để in ở đây).

*

Năm 1916, một nhà vật lý người đức, lúc này đang sĩ quan pháo binh trên mặt trận Nga, tên là Karl Schwarzschild, đã giải các phương trình tensor của Einstein và tìm ra một nghiệm kỳ lạ. Theo nghiệm này, xung các ngôi sao có khối lượng cực lớn có một không quyển kỳ ảo (magical sphere). Tất cả mọi thứ, kể cả ánh sáng, khi đi vào không quyển này sẽ bị hút vào ngôi sao khổng lồ và không có cách nào thoát ra được. Schwarzschild còn tính toán được bán kính của không quyển kỳ ảo này. Bán kính này được gọi là bán kính Schwarzschild  hoặc bán kính hấp dẫn (gravitational radius).

Schwarzschild qua đời trên mặt trận Nga và không biết rằng mình đã tìm ra một thứ, về sau được John Wheeler đặt tên: Hố Đen (Black Hole). Không quyển ma quái mà Schwarzschild tìm ra, ngày nay được gọi là Chân trời sự kiện (event hoziron), hàm ý đấy là nơi xa nhất mà  tầm mắt của người quan sát có thể với tới (sau chân trời là hố đen, nơi mà ánh sáng nếu vươn tới sẽ bị nuốt vào và không bao giờ trở lại).

Cũng năm 1916, Einstein đề xuất sự tồn tại của một sóng gọi là sóng hẫp dẫn, một loại sóng mang lực hấp dẫn lan truyền trong không gian với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng. Einstein đã tìm thấy sóng trên lý thuyết bằng cách giải các phương trình của mình, cũng như dự báo các ngôi sao đôi quay quanh một trục chung sẽ dần sát lại với nhau để rồi lao vào nhau do năng lượng mất dần do bị bức xạ vào không gian dưới dạng sóng hấp dẫn.

Để biết chi tiết hơn, xem bài Tiếng vọng từ sáng thế.

Năm 1936, Einstein và học trò là Nathan Rosen đăng một bài báo khoa học trên tạp chí Physical Review. Bằng cách sử dụng nghiệm của một hố đen tiêu chuẩn hình bình cổ dài có cổ bình bị cắt ngang và sáp nhập (merge) với một hố đen giống như thế nhưng đã bị xoay ngược lại. Ý tưởng này của Einstein và Rosen ngày nay được các nhà vũ trụ học hình dung như một cổng để kết nối hai vũ trụ khác nhau. Ý tưởng này có tên gọi Cầu Einstein-Rosen. Hay còn được biết với tên lỗ sâu đục (wormhole). Tuy nhiên, theo Einstein, các lỗ sâu đục có thể tồn tại, nhưng các sinh vật lọt vào miệng hố đen sẽ chết ngay lập tức vì bị xé xác bởi lực hấp dẫn.

Năm 1963, nhà toán học Roy Kerr tìm được nghiệm chính xác của phương trình Einstein: một ngôi sao chết, suy sụp vào bên trong do lực hấp dẫn của chính nó, do định luật bảo toàn động lượng sẽ quay nhanh hơn, và tạo thành một lỗ đen quay. Nghiệm của Roy Kerr cho thấy việc đào thoát tới một không gian khác thông qua lỗ sâu đục là khả thi về lý thuyết: lực ly tâm (hướng ra ngoài) do sự quay của hố đen sẽ cân bằng và triệt tiêu lực hấp dẫn (hút vào), và các sinh vật rơi vào miệng hố đen sẽ không bị xé tan xác nữa.

Lỗ đen là vô hình bởi nó hút tất cả ánh sáng vượt qua không quyển kỳ ảo quanh nó (hay còn gọi là chân trời sự kiện). Các nhà thiên văn phải tìm hố đen bằng cách xác định các đĩa bồi tích (accretion disk) tạo thành do các khí bồi đắp dần xung quanh hố đen.

Trước năm 1990, hố đen chỉ tồn tại trên lý thuyết cho đến năm 1994 kính viễn vọng Hubble tìm thấy bằng chứng rõ ràng về các hố đen siêu nặng “ẩn nấp” giữa các thiên hà. Các nhà thiên văn tin rằng, hầu hết các thiên hà, kể cả Ngân Hà của chúng ta, đều có hố đen ở trung tâm. Các hố đen đã được phát hiện, ngày nay đã tới hàng trăm. Tất cả các hố đen đều tự quay rất nhanh quanh chính mình.

Năm 1988, một học trò của John Wheeler, nhà vũ trụ học và vật lý hấp dẫn Kip Thorne đề xuất một ý tưởng xây dựng máy du hành thời gian. Ý tưởng này được Thorne tư vấn để Christopher Nolan xây dựng bộ phim giả tưởng rất thành công Interstellar. Trong bộ phim này, người cha sau khi vượt qua chân trời sự kiện của hố đen vẫn tiếp tục sống và tìm được cách gửi thông điệp về cho con gái của mình bằng cách sử dụng sóng hấp dẫn.

Năm 1962, hai nhà khoa học là Gertsenshtein và Pustovoit xuất bản một bài báo đề xuất các nguyên tắc dò tìm sóng hấp dẫn bước sóng dài bằng giao thoa kế.

Năm 1973, Kip Thorne ở học viện Caltech bắt đầu hành trình săn lùng sóng hấp dẫn của mình.

Năm 1984, Kip Thorne, Ronald Drever và Rainer Weiss thành lập ủy ban lâm thời để xây dựng dự án LIGO. Năm 2002, LIGO bắt đầu dò tìm sóng hấp dẫn. Năm 2015, phiên bản hiện đại hơn với tên gọi Advanced LIGO, đi vào hoạt động.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory – Trạm quan trắc sóng hấp dẫn giao thoa kế laser) là một thiết bị khổng lồ gồm hai đường ống dài khoảng 4km, nối với nhau hình chữ L. Trong mỗi ống có một chùm tia laser được chiếu liên tục. Hai chùm tia gặp nhau ở góc chữ L. Các sóng laser được tính toán sao  cho chúng triệt tiêu nhau và tạo nên vân giao thoa. Do hiện tượng phân cực, hai ống vuông góc với nhau nên chỉ có một ống sẽ bị sóng hấp dẫn đập vào. Khi sóng hấp dẫn đập vào một trong hai ống , chiều dài ống này sẽ bị co giãn khác với ống kia, gây ra nhiễu loạn phá vỡ cân bằng của hai chùm laser, và làm mất các vân giao thoa

Theo tính toán, để phát hiện sự va chạm của hai hố đen cách trái đất 300 triệu năm ánh sáng, LIGO có thể phải chờ đợi từ 1 đến 1000 năm. Cuối cùng, Advance LIGO phát hiện được sự va chạm của hai hố đen cách trái đất 1.3 tỷ năm, chỉ vài tiếng đồng hồ sau khi được sửa chữa nâng cấp.

Giống các loại sóng khác, như sóng hấp dẫn có biên độ, tần số, bước sóng và tốc độ. Tốc độ của sóng hấp dẫn bằng tốc độ ánh sáng. Tần số của sóng hấp dẫn rất thấp (thấp tần) nên bước sóng của chúng rất dài, truyền tải năng lượng rất bé. Đây là lý do rất khó bắt được sóng hấp dẫn.

1.3 tỷ năm trước, ở một thiên hà rất xa xôi, có hai hố đen bị dính vào một quỹ đạo xoắn ốc, rồi ở khoảnh khắc cuối cùng chúng đâm sập vào nhau với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Vụ va chạm đã tạo ra một hố đen mới nặng bằng 62 lần khối lượng mặt trời, đồng thời phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và tinh khiết. Toàn bộ năng lượng ấy bức xạ vào vũ trụ chỉ trong trong chỉ khoảng 1 phần 10 giây. Năng lượng ấy làm biến dạng không gian và thời gian xung quanh vụ va chạm trong chớp mắt. Bởi vụ va chạm là của hai lỗ đen, nên năng lượng phát ra không phải là sóng ánh sáng, mà là sóng hấp dẫn.

Sóng hấp dẫn này truyền đi và làm co giãn không gian khi nó đi qua. Đó chính là không gian – thời gian trong vũ của Einstein.

Ngày 11 tháng 2 năm 2016, các nhà khoa học của LIGO công bố họ đã dò tìm được sóng hấp dẫn của một vụ sáp nhập hố đen cách chúng ta 1.3 tỷ năm ánh sáng (và cũng có nghĩa là sóng từ một vụ sáp nhập cách ngày nay 1.3 tỷ năm).

Ngày 15 tháng 6 năm 2016, LIGO công bố lần thứ hai dò được sóng hấp dẫn từ một vụ sáp nhập hố đen cách trái đất 1.4 tỷ năm ánh sáng.

Một nửa giải Nobel Vật Lý năm nay được trao cho Rainer Weiss, giáo sư tại đại học MIT và là một trong ba nhà vật lý sáng lập LIGO.

Nửa giải còn lại được trao cho Kip Thorne và Barry C. Barish.

Kip Thorne là giáo sư tại đại học Caltech (California Institute of
Technology) và cũng là thành viên sáng lập LIGO.

Barry C. Barish, giáo sư đại học Caltech, là giám đốc thứ hai của LIGO và là người nỗ lực xây dựng thành công và đưa LIGO vào hoạt động.

Rainer Weiss sinh ở Đức năm 1932. Năm 1939, gia đình ông đào thoát khỏi ách Phát Xít và đến nước Mỹ. Vài phút sau khi giải Nobel Vật lý được  công bố, ông trả lời các phóng viên qua điện thoại: “Thật là tuyệt. Tôi thấy rất ổn. Thậm chí tôi còn mặc quần áo sẵn sàng rồi đây.” Ông nói giải thưởng này là kết quả lao động của 1000 con người tham gia vào dự án LIGO, là dự án đã quan sát được sóng hấp dẫn, qua đó chứng minh được lý thuyết có tuổi đời một thế kỷ của Einstein.

Ronald Drever, giáo sư đại học Caltech, một trong ba sáng lập viên của LIGO mới qua đời tháng ba năm nay. Nếu giải Nobel được trao sớm thêm một năm có lẽ ông cũng là người được nhận giải.

Trong khoa học hiện đại, đóng góp của nhóm các nhà nghiên cứu cho thành tựu khoa học có tác động lớn hơn các đóng góp cá nhân. Gần đây có nhiều ý kiến chỉ trích cách giải Nobel được trao. Các nhà khoa học cho rằng giải Nobel Vật lý chỉ trao tối đa cho ba nhà khoa học như hiện nay không còn hợp lý nữa. Tất nhiên những người được giải vẫn xứng đáng, nhưng trên thực tế họ không làm việc đơn độc.

Phát biểu sau khi biết mình được trao giải Nobel, Kip Thorne nói: “Tôi đã hy vọng giải được trao cho cả nhóm LIGO, nhưng thay vì thế giải được trao cho ba chúng tôi.”

Phát hiện sóng hấp dẫn của LIGO còn chứng minh Einstein tiếp tục đúng ở một khía cạnh khác, khía cạnh lực hấp dẫn trong Thuyết tương đối rộng của ông. Lần đầu tiên sóng hấp dẫn được chứng minh với bằng chứng thực nghiệm của một hiện tượng xảy ra bên ngoài hệ mặt trời.

Phát hiện sóng hấp dẫn của LIGO lần đầu tiên giúp khoa học chứng minh trực tiếp bằng thực nghiệm được sự tồn tại của một cặp hố đen, vốn chỉ tồn tại trên lý thuyết.  Dữ liệu đo được còn giúp các nhà khoa học biết về hai hố đen đã tạo ra sóng: khối lượng của hố đen, vận tốc quỹ đạo, và thời điểm chúng đâm vào nhau. Có thể, dữ liệu ấy còn giúp giải thích các hố đen siêu nặng đã hình thành như thế nào ở tâm các thiên hà.

Người Hy Lạp cổ và người Do Thái cổ cùng tin rằng vũ trụ trật tự (cosmos) được sinh ra từ hỗn mang không có hình dạng.

Thánh Augustine, một nhà thần học xuất sắc của Hội Thánh ở thế kỷ thứ 4, có những chiêm nghiệm rất độc đáo về thời gian và không gian. Theo chiêm nghiệm của Thánh Augustine, Thượng Đế tồn tại bên ngoài thời gian mà con người nhận thức được. Thượng đế ở bên ngoài vũ trụ do chính ngài tạo ra, và ở bên ngoài thời gian của cái vũ trụ ấy. Thời gian của Thượng Đế là một cái gì đó vừa hiện tại vừa vĩnh hằng.

Quan điểm của Thánh Augustine đã đặt không gian với thời gian của vũ trụ vào chung trong một khái niệm, rất gần với một vũ trụ được dệt lưới (fabric) bằng không-thời gian của Einstein. Và ý tưởng của Thánh Augustine về một thượng đế đứng hoàn toàn bên ngoài không gian và thời gian của vũ trụ do chính ngài tạo ra cũng là một ý tưởng độc đáo và cấp tiến. Sau khi Einstein đặt những viên gạch đầu tiên cho ngành vũ trụ học hiện đại, ý tưởng ấy quay lại bằng sự màu nhiệm của khoa học.

*

Năm 1915, Einstein đưa ra lý thuyết mới về lực hấp dẫn, còn gọi là thuyết tương đối rộng: một vũ trụ “mới” hình thành. Trong vũ trụ ấy, khi con người quan sát ánh sáng của một ngôi sao cách trái đất một tỷ năm ánh sáng, thì đồng thời cũng là quan sát ánh sáng được phát đi từ một tỷ năm trước. Trong vũ trụ ấy, không gian và thời gian đã dệt vào nhau thành lưới không-thời gian (spacetime).

Năm 1921,nhà vật lý gốc Nga Alexander Friedmann khi giải các phương trình gốc của Einstein đã tìm ra nghiệm mà ngày nay được gọi là nghiệm Big Bang. Vũ trụ xuất hiện đột ngột và mạnh mẽ kinh khủng từ một trạng thái có độ nén vô hạn và năng lượng cực lớn. Tác động của vụ nổ Big Bang lan ra khắp vũ trụ theo không gian và thời gian, và tác động của nó còn tồn tại đến ngày nay.

Vũ trụ bao la được tuôn trào từ một điểm sau một vụ nổ là một ý tưởng rất khó hiểu với nhận thức thông thường. Hơn thế, khác với các vụ nổ bình thường, phải xảy ra ở đâu đó với thời gian và vị trí cụ thể trong không gian, vụ nổ Big Bang xảy ở một điểm hoàn toàn chưa có không gian và thời gian. Vị trí của vụ nổ ấy ở hiện tại chính là tất cả các điểm trong vũ trụ.

Toàn bộ vũ trụ rộng lớn ngày nay, ngày xưa đã ở cùng một chỗ.

Ở thời điểm Planck, 10-43 giây sau Big Bang, vũ trụ là là một mớ hỗn mang cực kỳ nóng, cỡ 1032 độ Kelvin. Đó là một khối plasma đồng chất, nóng bỏng, và có thể có nhiều hơn 3 chiều không gian. Chừng một phần trăm giây sau, vũ trụ mới nguội đi, còn khoảng 10 ngàn tỷ độ K, các hạt quark bắt đầu cụm lại để tạo ra proton và neutron. Một phần trăm giây sau nữa hạt nhân các nguyên tố nhẹ hình thành. Giai đoạn tổng hợp hạt nhân kéo dài vài trăm ngàn năm, rất dài với đời người nhưng chỉ là khoảnh khắc ngắn ngủi của vũ trụ. Vũ trụ đầy plasma của các hạt tích điện khiến các photon bị khuếch tán không thoát ra được. Khi nhiệt độ vũ trụ giảm xuống còn vài ngàn độ, các electron chuyển động chậm dần và lúc này nguyên tử mới bắt đầu hình thành.

Sau Big Bang khoảng 370 ngàn năm, nhiệt độ vũ trụ hạ xuống còn 3000 độ Kelvin, các electron và hạt nhân chuyển động đủ chậm để hình thành nguyên tử: electron bị trói vào quỹ đạo nguyên tử và hòa điện với các proton. Các photon nguyên thủy của Big Bang, không còn bị các hạt tích điện ngăn trở nữa, bắt đầu tràn ra và lấp đầy vũ trụ. Do vũ trụ giãn nở, mọi thứ giảm mật độ và nguội dần. Do photon luôn chuyển động với tốc độ ánh sáng nên khi nguội đi, tần số của nó cũng giảm dần. Ánh sáng của của vũ trụ nguyên thủy chuyển dần màu sắc, từ tím chuyển dần sang xang, vàng, đỏ, hồng ngoại và cuối cùng trở thành sóng vô tuyến.

Nhờ vào vệ tinh COBE và vệ tinh WMAP đã chụp được bức xạ nền sóng vô tuyến của vũ trụ, con người đã có thể nhìn xa được vào không gian, tới tận quá khứ, khi vũ trụ sơ sinh mới 370 ngàn năm tuổi.

Để nhìn xa hơn về thời điểm gần Big Bang hơn nữa, các nhà khoa học kỳ vọng những thiết bị dò sóng hấp dẫn như LIGO, có thể dò được nhưng sóng hấp dẫn nguyên thủy có từ thời điểm Big Bang.

Và có vẻ như với LIGO, họ đang tiến tới thành công.

Nguồn Blog của 5xu