Sóng hấp dẫn Einstein đã được nhìn thấy (2016)

by , under Uncategorized

SÓNG HẤP DẪN CỦA EINSTEIN

ĐÃ ĐƯỢC NHÌN THẤY SAU 100 NĂM TIÊN ĐOÁN

(2016)

NGUYỄN XUÂN XANH

 

Ông đã mạo hiểm xa hơn các bức tường đang rực cháy của thế giới, và trong tâm trí và tinh thần, ông đã đi qua vũ trụ vô biên.

Lucretius (99-55BC)

Những nỗ lực không mệt mỏi của nhà nghiên cứu có động cơ từ một sự thôi thúc bí ẩn không cưỡng được: những gì nhà nghiên cứu muốn hiểu không khác hơn là sự tồn tại của chúng ta, thực tại của chúng ta.

Albert Einstein

100 năm trước, Albert Einstein đã làm rung chuyển vũ trụ, và hôm nay chúng ta vẫn còn quay cuồng.

Walter Isaacson

Lời nói đầu. Bài viết này đầu năm 2016 đã được Tuổi Trẻ Cuối Tuần đăng

                                         

Để đầy đủ, tôi xin đăng lại dưới đây.

NGÀY 11 tháng 2, 2016, tức mùng 4 tết Bính Thân Việt Nam, các nhà khoa học Mỹ của Đài quan sát LIGO ở Mỹ, kết hợp với Virgo ở Ý, công bố rằng lần đầu tiên “đã quan sát được sóng trong tấm thảm không thời gian được gọi là sóng hấp dẫn (hay trọng trường), đến trái đất từ một sự kiện tai biến từ một phần xa xôi của vũ trụ”, “sóng hấp dẫn được khám phá đã được sinh ra trong khoảnh khắc cuối cùng của một giây của sự sáp nhập hai lỗ đen để tạo ra một lỗ đen quay duy nhất. Sự va chạm này của hai lỗ đen đã được tiên đoán nhưng chưa bao giờ quan sát thấy”, và sự kiện đã xảy ra 1.3 tỉ năm trước. Giấc mơ từ lâu của các nhà khoa học ‘nghe được’ các tai biến vũ trụ dữ dội bằng cách dò sóng hấp dẫn phát ra của chúng, tưởng chừng như bất khả thi, giờ được thỏa mãn.

Mô phỏng số của sóng hấp dẫn được phát ra bởi sự xác nhập của hai lỗ đen theo đường xoắn óc vào trong. Các đường viềng xung quanh mỗi lỗ đen tượng trưng cho biên độ của bức xạ hấp dẫn; các đường màu xanh tượng trưng cho quỹ đạo của lỗ đen, và các mũi tên tượng trưng cho spin của chúng. (C.Henze/NASA Ames Research Center) http://physics.aps.org/articles/v9/17

Giải Nobel Vật lý 2017 được chia, một nửa được trao cho Rainer Weiss, nửa còn lại được trao cho Barry C. BarishKip S. Thorne “vì những đóng góp quyết định cho máy dò LIGO và việc quan sát sóng hấp dẫn.”

Giống như chuyện thần thoại. Làm sao có thể đo được sự biến dạng của không gian nhỏ hơn cả phần ngàn kích thước của một proton gây ra bởi một tai biến vũ trụ từ 1.3 tỷ năm trước? Khám phá sóng hấp dẫn có lẽ là phép thử khó khăn nhất trong các phép thử đối với thuyết tương đối rộng của Einstein, và làm cho thuyết này càng thêm rực rỡ. Nó là đặc thù của thuyết tương đối rộng, và không có tương đương trong thuyết Newton.

Sóng đã được Einstein tiên đoán những năm 1916 và 1918 như hệ quả của thuyết tương đối rộng. Các nhà thiên văn đã phải mất khoảng 50 năm mới dò được sóng này tính từ lúc bắt đầu những năm 1960, cũng lâu bằng thời gian đi tìm hạt Higgs, trong khi sóng điện từ chỉ cần 17 năm để được phát hiện. Khám phá cũng chấm dứt những cuộc tranh cãi liên tục sau các bài báo của Einstein được công bố.

Nhìn lại sự phát triển của khoa học hiện đại chỉ mới 300 năm, từ thế kỷ 17 với những ‘đau đẻ’ của nó, đến sự kiện nhìn thấy được sóng hấp dẫn tinh tế nằm trong cấu trúc vô cùng tinh tế của vũ trụ, con người đã có những bước tiến vượt bậc không tưởng tượng nổi. Trong phần lớn thời gian con người có mặt trên hành tinh, chúng ta sống trong một thế giới được Carl Sagan gọi là “bị quỷ ám”, một thế giới các lực lượng huyền bí và có ác ý thống trị sự hiểu biết con người. Và khoa học ra đời, với tư duy, với phương pháp sáng sủa của nó, chính là những ngọn đèn khai sáng lan tỏa trong bóng đêm giúp cho xã hội có định hướng tốt hơn.

Sóng hấp dẫn được sinh ra từ đâu, vì sao nó quan trọng và tìm nó thế nào? Đó là những câu hỏi sẽ lần lược được trả lời dưới đây.

sÓNG hấp dẫn là hệ quả của thuyết tương đối rộng 100 năm trước. Chúng ra đời tương tự như sóng điện từ ra đời. Nếu Maxwell, giữa thế kỷ 19 căn cứ trên thuyết điện từ của mình, đúng hơn trên các phương trình Maxwell, tiên đoán sự tồn tại của các sóng điện từ, thì Einstein cũng thế, căn cứ trên thuyết tương đối rộng, hay trên các phương trình trường hấp dẫn của ông, cũng tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn trong vũ trụ. Sóng điện từ là những sóng lăn tăn của các lực điện và từ truyền đi trong không gian. Chúng được sinh ra bởi sự cuyển động gia tốc của các điện tích. Ánh sáng thấy được, tia hồng ngoại, tử ngoại, sóng rađiô, tia X, sóng viba là những thí dụ của các sóng điện từ. Tương tự như thế, bằng những tính toán Einstein đã có thể tiên đoán loại sóng hấp dẫn truyền đi trong thảm không-thời gian, cũng với vận tốc ánh sáng. Sóng này sẽ được tạo ra bởi sự chuyển động mạnh của các vật thể nặng, thay vì các điện tích như trong sóng điện từ.

Cũng tương tự sóng điện từ, nếu hai khối lượng trong không gian chuyển động quanh nhau do lực hấp dẫn, chẳng hạn một hệ thống của hai sao, chúng sẽ phát ra sóng hấp dẫn, lấy đi một phần năng lượng từ hệ thống, có thể được tính toán bằng các phương trình Einstein. Chúng ta cũng có thể tạo ra sóng hấp dẫn, bằng cách vun một khối sắt nặng với tốc độ cực nhanh, nó sẽ phát ra một năng lượng khoảng 1030 Watts dạng sóng hấp dẫn.

“Các bạn giỏi quá xá!”

Trang đầu báo cáo “Về sóng hấp dẫn” của Einstein

vì sao người ta quan tâm đến sóng hấp dẫn dù rất khó khăn? Với sóng điện từ, người ta chỉ quan sát bề mặt của các vật thể, trong khi các quá trình tạo lực cho các vì sao diễn ra âm thầm bên trong. Khi người ta quan sát bức xạ vũ trụ nền, thì đó cũng mới là vết tích trên bề mặt cuối cùng bầu khí đục khoảng 380.000 năm sau big bang, trong giai đoạn tái hợp, khi electron và proton lần đầu tiên kết hợp nhau để tạo ra các nguyên tử hyđrô, chứ không quan sát cận cảnh big bang.

Với sóng hấp dẫn, người ta hy vọng “lắng nghe tiếng ầm vang” của big bang buổi ban sơn, quan sát được lỗ đen, hiểu biết các động lực cơ bản của các quá trình vũ trụ diễn ra thế nào. Tấm thảm không-thời gian của chúng ta luôn luôn bị ‘xốc lên dằn xuống’ bởi ‘sấm sét hấp dẫn’ phát ra từ các tai họa vũ trụ. Các tai họa có thể là vụ nổ supernova, sự sáp nhập của hai sao neutron, hai lỗ đen, hay của các thiên hà, những hiện tượng kinh sợ trong vũ trụ. Cho nên dò sóng hấp dẫn là hứa hẹn để nhìn sâu vào những gì xảy ra bên trong các tai họa vũ trụ.

Cuộc đi tìm sóng hấp dẫn là lâu dài và khó khăn. Dù năng lượng phát xạ từ sóng hấp dẫn là rất lớn từ những vụ tai biến vũ trụ, nhưng khi đến trái đất thì quá nhỏ sau một đoạn đường quá xa, bằng 1021 km trong trường hợp đang nói. Một sự bắt đầu quan trọng là của Joseph Weber của ĐH Maryland. Năm 1968, ông xây dựng một thiết bị thô sơ gồm nhiều hình trụ, 2 mét dài và 1 mét đường kính, và các ‘radio anten’ để dò sóng hấp dẫn. Đầu những năm 1970 ông tin rằng mình đã tìm được chứng cứ của sóng hấp dẫn phát ra từ supernova SN1987A. Mặc dù các thí nghiệm sau đó của các đồng nghiệp không xác nhận kết quả của ông, một ngành thiên văn mới sử dụng các thiết bị dò sóng hấp dẫn như các “viễn vọng kính hấp dẫn” bắt đầu ló dạng. Stephen Hawking cũng muốn dấn thân vào cuộc truy tìm, nhưng đã nhanh chóng nhận ra mình không phải là nhà thực nghiệm giỏi.

   

Trái:Thiết bị dò sóng hấp dẫn của Joseph Weber những năm 1970, cho thấy ông đang sử dụng một trong  những ống trụ bằng nhôm. Phải: Sơ đồ giao thoa kế hấp dẫn bằng tia laze.

Rồi cú hích tới. Sự tồn tại của sóng hấp dẫn đã được chứng minh lần đầu tiên – một cách gián tiếp – vào những năm 1970 và 80 bởi Joseph Taylor và Russell Hulse (giải Nobel 1993). Hai ông khám phá một hệ sao đôi gồm một pulsa chuyển động quanh một sao neutron, và thấy rằng quỹ đạo xoắn ốc của pulsa dần dần co loại do sự phát xạ năng lượng ở dạng sóng hấp dẫn hoàn toàn phù hợp với các tính toán của Einstein.

LÀM sao có thể dò được sóng hấp dẫn trực tiếp? Máy dò LIGO sử dụng lại giao thoa kế của Michelson từng được sử dụng để phát hiện sóng ether trong vũ trụ, nhưng bằng tia laze thay vì ánh sáng thường. Tách một chùm tia laze đi theo hai hướng thẳng góc nhau trong những ống dẫn dài 2.5 dặm, sau đó phản chiếu về chỗ cũ nơi chúng được kết hợp nhau vào một mày dò photon. Một sóng hấp dẫn đi qua máy dò sẽ gây sự co lại chiều dài trong một ống này, và giãn ra trong ống kia. Sự khác biệt này sẽ được quan sát ở máy dò. Đài quan sát LIGO gồm hai giao thoa kế laze như thế đặt tại Washington, và Louisiana. Mục tiêu là khám phá được một sự thay đổi chiều dài của một phần 1021, hay tương đương với một phần ngàn tỉ đường kính sợi tóc con người! Với độ nhạy như thế, người ta hy vọng khám phá được sóng hấp dẫn gây ra từ các vụ nổ supernova để thành sao neutron hay lỗ đen; hay từ các vụ va chạm các lỗ đen.

Khám phá sóng hấp dẫn mới chỉ là bước đầu của một giai đoạn mới, để “lắng nghe vũ trụ”. Trong nhiều thứ, người ta chờ đợi có thể kiểm tra ‘định lý không tóc’ của lỗ đen, nói rằng cấu trúc và động lực học của một lỗ đen chỉ tùy thuộc vào khối lượng và spin của nó. Bản chất của lực hấp dẫn có thể được hiểu thêm trong vùng cận lỗ đen nơi các trường rất mạnh. Năng lượng tối và sự giãn nở gia tốc của vũ trụ có thể được giải thích nếu người ta tu chỉnh lực hấp dẫn của Einstein một cách thích hợp? Thực tế một ngành thiên văn sóng hấp dẫn được xác lập, giống như ngành thiên văn viễn vọng kính của Galilei hơn bốn thế kỷ trước.

TUYÊN bố khám phá sóng hấp dẫn được đưa ra vào lúc còn đúng 1 tháng 3 ngày tới sinh nhật thứ 137 của Einstein, 14 tháng 3, 1879. Đây là có thể xem là một món quà tặng lớn cho Einstein. “Sẽ là tuyệt vời nếu nhìn được khuôn mặt của Einstein nếu chúng ta có thể kể cho ông ấy nghe (khám phá của chúng ta)”, Rainer Weiss nói, giáo sư emeritus ở MIT, một trong những người cha tinh thần đề nghị xây dựng LIGO những năm 1980. Có lẽ Einstein sẽ lè lưỡi lần thứ hai, để nói rằng “các bạn giỏi quá xá”. Ông không thể ngờ được là các hậu sinh có thể làm được nhiều chuyện đối với ông là không tưởng, như việc khai thác năng lượng hạt nhân qua công thức E = mc2, rối lượng tử EPR, sự tồn tại lỗ đen, sự vô lý của hằng số lambda, sóng hấp dẫn. Nhưng tất cả những điều ấy lần lược đã trở thành sự thật. Còn hậu sinh thì nghĩ gì về Einstein? Họ không biết Einstein vĩ đại làm sao! Nếu còn sống, ông sẽ nổi tiếng hơn hồi 1919 khi độ lệch ánh sáng được xác nhận. Thế giới sẽ công kênh ông.

Năm 1908 một nhà báo Mỹ hỏi Einstein, rằng ông có làm nghiên cứu không. Einstein trả lời: “‘Nghiên cứu’ có lẽ là một mỹ từ. Tôi tin, tôi không làm nghiên cứu nào cả. Tôi chỉ suy nghĩ, bởi vì muốn hiểu điều gì đó về hoạt động của thế giới vật lý.” Vậy ông có ‘đề án’ nào không, nhà báo hỏi tiếp. Einstein trả lời: “Đề án? Ồ có, tôi có một đề án, thực ra đó là một đề án đôi khi gây cho tôi nhiều đau đầu và những đêm mất ngủ. Đề án của tôi là vũ trụ, không hơn không kém.” Đối với ông, “Có một sự đam mê về hiểu biết, cũng như có một sự đam mê về âm nhạc”. Có lẽ chính vì tình yêu thuần túy đó mà ông đã đạt tới những chân lý sâu thẳm và bao trùm nhất, có sức truyền cảm mạnh mẽ nhất xuyên thế kỷ.

Thực tế, tin mừng về sóng hấp dẫn đã truyền cảm mạnh mẽ vào cộng đồng người Việt, làm tuôn trào những cảm xúc ngưỡng mộ, được thể hiện qua sự xuất hiện nhanh chóng nhiều bài viết có chất lượng một cách ngạc nhiên, được thực hiện đa số có lẽ từ phía các bạn trẻ yêu khoa học không sống bằng khoa học. Đó là một chỉ số đánh dấu tình yêu khoa học đã tăng thang bậc trong lòng người Việt bất chấp ngoại cảnh, mà Einstein là biểu tượng bất tử, và từng là một con người dám sống như thế.

Nguyễn Xuân Xanh

Tác giả cám ơn những góp ý quý báu của TS Nguyễn Trọng Hiền của Caltech và GS Phạm Xuân Yêm ở Paris.