(ĐC sưu tầm trên NET)

Sóng hấp dẫn: Một dự đoán như thần của Einstein

31/03/2016 7,774 lượt xem Bản In T+ T-

Phương trình của Einstein dẫn tới nhiều dự đoán kỳ lạ, nhưng kỳ lạ nhất có lẽ là dự đoán về sóng hấp dẫn. Chúng ta có thể hiểu được phương trình của ông, nhưng thật khó để hiểu làm sao bộ não của ông có thể tạo ra những dự đoán như thần vậy…

Rốt cuộc, sóng hấp dẫn tồn tại, đúng như Einstein đã dự đoán từ năm 1918!

Đó là thông báo được loan đi từ LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), một trung tâm thăm dò sóng hấp dẫn tại Mỹ, gây chấn động giới khoa học toàn cầu trong những ngày trung tuần Tháng 2 vừa qua.

Đó là sự kiện được mòn mỏi chờ đợi trong ngót một thế kỷ vừa qua, với bao nhiêu nỗ lực không mệt mỏi của các nhà khoa học tìm kiếm nó, thậm chí đã có lúc dấy lên mối nghi ngờ rằng liệu sóng hấp dẫn có tồn tại thực sự hay không, và liệu thuyết tương đối tổng quát có đúng hay không?

Nếu sóng hấp dẫn không tồn tại, thuyết tương đối có nguy cơ sụp đổ, vật lý sụp đổ, khoa học sụp đổ. Nhưng… cuối cùng, nó tồn tại! Nó đã được phát hiện!

Sự phát hiện này kỳ diệu đến nỗi buộc chúng ta một lần nữa phải nghiêng mình bái phục Albert Einstein, ngay cả khi ông thể hiện lòng tự tin đến mức “hiếu thắng”: “Nếu thực tiễn không phù hợp với lý thuyết, hãy biến đổi thực tiễn!” (If the facts don’t fit the theory, change the facts).

Nếu không phải là Einstein, ai dám lớn tiếng như thế?

Một người hiếu thắng thường đáng ghét, nhưng Einstein là “một người hiếu thắng đáng yêu”. Dường như thần linh đã ngự vào ông để hối thúc ông khám phá, phát ngôn, nếu không thì làm sao một người bằng xương bằng thịt tầm thường mà dám “bắt bẻ” tự nhiên?

Trong những trường hợp như thế này, không muốn tin vào sự trợ giúp của thần thánh cũng phải tin, như tạp chí SIGNS of the Times của Australia số Tháng 10/1999 đã viết: “Nếu chúng ta trở nên thông thái, ấy là vì Chúa [1] đã vén mở các bí mật của khoa học cho chúng ta, thay vì do bản thân khoa học” (If we become sages, it’s only because God first revealed the secrets of science to us, not because of the science itself).

Vậy phải chăng Chúa đã mặc khải cho Einstein để ông có những dự đoán như thần vậy? Câu hỏi ấy làm tôi đăm chiêu suy nghĩ và… mơ mộng…

Giờ đây, khi biết chắc chắn rằng sóng hấp dẫn tồn tại, một người yêu khoa học có thể tự thưởng cho mình một tách café – tưởng tượng mình đang ngồi trong một quán café vỉa hè rộng thênh thang trên đại lộ Champs-Élysées ở Paris, ngắm sự đời nhộn nhịp diễu qua trước mắt, thả hồn vào những phương trình thâm thúy của Einstein, nhâm nhi hương vị café thơm nức mà chỉ có dân Parisien chính cống mới biết thưởng thức, để ngộ ra rằng cũng chỉ có những tâm hồn khoa học chân chính mới biết thưởng thức những hệ quả triết học của sự kiện khám phá mới mẻ này.

Thật vậy, khám phá này còn hơn cả một sự kiện khoa học. Nó làm tôi liên tưởng tới những câu hỏi triết học về nhận thức và thế giới quan. Từ lâu tôi đã thán phục bộ não phi thường của Einstein, từ lâu tôi đã thảo luận về sóng hấp dẫn. Vậy mà sự kiện xác nhận sự tồn tại của nó vẫn làm tôi choáng váng. Tôi duyệt lại những trang sử về nó, cảm thấy chúng nói lên nhiều điều hơn ta tưởng…

Lược sử sóng hấp dẫn

Ngày 10/10/2015 vừa qua, nhân dịp kỷ niệm 100 năm thuyết tương đối tổng quát, tạp chí New Scientist ở Anh cho ra mắt một số chuyên đề mang tên “Einstein’s Unfinished Masterpiece”, tạm dịch là “Bản giao hưởng bỏ dở của Einstein” [2], trong đó đề cập đến sóng hấp dẫn như một hệ quả quan trọng nhất của thuyết tương đối tổng quát vẫn chưa được kiểm chứng một cách rõ ràng (tính đến thời điểm số báo đó ra mắt). Bài báo viết:

“Einstein là một nhà tiên tri đầy ắp những ý tưởng về những hiện tượng mới, những ý tưởng này thường dựa trên những thí nghiệm tưởng tượng khôn khéo làm cho hiện thực hiện ra trong đầu ông… Sóng hấp dẫn là một trường hợp điển hình”.

Nói một cách dễ hiểu, trực giác kỳ lạ của Einstein làm cho ông mường tượng được những sự thật kỳ lạ của thế giới vật chất mà không ai có thể tưởng tượng nổi. Điều này làm tôi nhớ đến một lời khen tặng của Charlie Chaplin dành cho Einstein, khi hai ông đang cùng ngồi trong xe đi đến phim trường: “Ông là một người vĩ đại, bởi đã viết ra những phương trình không ai hiểu nổi”.

Ngày nay chúng ta hiểu được những phương trình của Einstein, nhưng sẽ còn lâu mới hiểu được làm thế nào mà với một bộ não có cấu tạo giống y như chúng ta [3], ông có thể khám phá ra những phương trình thâu tóm được cả vũ trụ như thế, chứa đựng những bí mật huyền vi đến như thế. Nếu có thần thánh thì ông chính là một ông thánh – ông thánh khoa học.

Nhưng dù cho Einstein khẳng định sóng hấp dẫn tồn tại, cho đến trước ngày 11/02/2016, nó vẫn chỉ là một dự đoán của thuyết tương đối tổng quát. Dự đoán ấy quan trọng bao nhiêu thì việc kiểm chứng nó một cách kỹ lưỡng lại càng cần thiết bấy nhiêu.

Nói cách khác, nếu sóng hấp dẫn là hệ quả tất yếu của thuyết tương đối tổng quát thì việc kiểm chứng sự tồn tại của nó càng có ý nghĩa sinh tử đối với khoa học – nếu nó thực sự không tồn tại thì thuyết tương đối tổng quát sẽ lâm nguy!

Thật vậy, chỉ cách đây vài tháng, tức là trước sự kiện khám phá ra sóng hấp dẫn vài tháng, một nhà khoa học của Viện Max Planck về Vật lý Hấp dẫn tại Postdam, Đức, là Alessandra Buonanno vẫn còn thú nhận: “Chúng tôi cực kỳ bối rối hoang mang”. Tuy nhiên, ngay sau đó nhà khoa học này vẫn thể hiện quyết tâm của các nhà khoa học: “Chúng ta không thể không tìm thấy chúng (sóng hấp dẫn)”.

Thuyết Tương đối tổng quát nói rằng vật chất làm cong không-thời gian xung quanh nó. Khi một khối vật chất chuyển động gia tốc, độ cong này thay đổi. Kết quả là những gợn sóng của không-thời gian sẽ lan truyền với tốc độ ánh sáng, y như sự lan truyền của sóng điện từ sinh ra bởi những dao động điện.

Tuy nhiên có sự khác biệt lớn ở đây: thay vì lan truyền trong không-thời gian như sóng điện từ, sóng hấp dẫn chính là sự co và giãn của bản thân không-thời gian. Và vì lực hấp dẫn quá yếu so với lực điện từ nên sóng hấp dẫn cũng quá yếu so với sóng điện từ. Điều đó làm cho những tính toán về sóng hấp dẫn trở nên khó khăn rắc rối hơn nhiều.

Tuy nhiên, ngay sau khi hoàn thành thuyết tương đối tổng quát, Einstein đã nhận thấy rằng các phương trình của lý thuyết này có nghiệm tương ứng với một dạng sóng, và ngay từ năm 1918 ông đã rút ra một công thức cho phép ước lượng được mức năng lượng do các sóng này mang theo. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, khái niệm sóng hấp dẫn còn quá xa lạ, đến nỗi đã nẩy sinh những cuộc tranh cãi. Có ý kiến cho rằng công thức của ông chỉ có ý nghĩa lý thuyết thuần túy, nhưng những ý kiến khác lại cho rằng những phương trình của thuyết tương đối tổng quát là không thể sửa đổi được. Tình hình này kéo dài ít nhất cho tới khi Einstein mất, năm 1955.

Nhưng bất chấp sự tranh cãi, tính toán lý thuyết của Einstein chỉ ra rằng những vật thể có khối lượng lớn trong vũ trụ có thể sản sinh ra những tín hiệu sóng hấp dẫn đủ lớn để có thể phát hiện, chẳng hạn như 2 hốc đen hoặc 2 ngôi sao neutron khi chuyển động xoắn vào với nhau.Một sóng hấp dẫn sẽ làm méo mó các vật thể bao quanh nó với một tỷ lệ khoảng dưới 1 phần tỷ tỷ khi nó đi qua Trái Đất. Phát hiện một biến đổi nhỏ như thế là quá khó, tương tự như đo khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt trời với độ chính xác bằng bán kính của một nguyên tử. Nói theo kiểu của người Việt thì đó là việc mò kim đáy biển.

Nhưng sau khi Einstein mất, tư tưởng về sóng hấp dẫn bắt đầu được chấp nhận rộng rãi, trước hết về mặt lý thuyết. Các thí nghiệm săn lùng sóng hấp dẫn bắt đầu được tiến hành. Cuối những năm 1960, nhà vật lý Mỹ Joseph Weber lần đầu tiên tuyên bố đã tìm thấy sóng hấp dẫn. Sau đó nhiều tuyên bố tương tự cũng xuất hiện, nhưng tất cả đều không chịu đựng được những thử thách tái kiểm chứng. Theo Buonanno (đã dẫn), cho tới lúc đó khoa học đã có những bằng chứng gián tiếp về sóng hấp dẫn, nhưng chưa có bằng chứng trực tiếp.

Năm 1974, các nhà thiên văn Russell Hulse và Joseph Taylor khám phá ra một thiên thể được gọi là một sao đôi (binary pulsar) – một cặp sao neutron chuyển động quanh nhau phát ra sóng điện từ trong một khoảng thời gian chính xác, và để lại thông tin về tốc độ quay của chúng. Trong những năm 1990, các nhà khoa học này chỉ ra rằng những ngôi sao này sẽ bị mất đi một năng lượng chính xác như Einstein dự đoán, nếu chúng phát ra sóng hấp dẫn. Từ đó, nhiều nghiên cứu khác tương tự đã xác nhận quan điểm này.

Khoảng tháng 9 năm ngoái, 2015, trung tâm quan sát sóng hấp dẫn LIGO ở Mỹ bắt đầu hoạt động trở lại, sau 5 năm tập trung vào việc nâng cấp chiếc “detector” – máy dò sóng hấp dẫn. Hệ thống thăm dò mới này sử dụng một phương pháp dò sóng trực tiếp hơn: một chùm laser được bắn lên và bắn xuống những cánh tay của detector ở cách xa nhau hàng cây số và xác định mức độ méo mó gây ra bởi sóng hấp dẫn đi qua. Những detector của LIGO tại Louisiana và Washington làm việc đồng bộ với các máy móc đặt tại Đức (GEO600), Ý (VIRGO) và Nhật (KAGRA).

Detector nâng cấp của LIGO có độ nhậy gấp 10 lần so với detector cũ, và nó có thể quét một vùng không gian lớn gấp 1000 lần so với độ quét của detector cũ. Với phương pháp thăm dò mới này, các nhà khoa học tin tưởng mạnh mẽ rằng họ sẽ tìm thấy sóng hấp dẫn. Bài báo trên New Scientist viết: “Điều đó có nghĩa là chúng ta hầu như chắc chắn sẽ giành thắng lợi”. Giáo sư James Hough tại Đại học Glasgow ở Anh nói: “Cá nhân tôi tin rằng những máy dò sóng nâng cấp sẽ đi đến một khám phá”. Có lẽ niềm tin của Einstein đã truyền sang các thế hệ nối tiếp, để họ dám liều thử vận may. Liệu có một hãng cá cược nào dám đánh cá về việc này không? Nếu có thì tỷ lệ cá cược sẽ là bao nhiêu?

Nhưng bên cạnh những tiến bộ của công nghệ hiện đại làm tăng thêm niềm tin tìm thấy sóng hấp dẫn, xác suất tìm thấy “hòn đá thử vàng của vũ trụ học” còn phụ thuộc vào nguồn sóng hấp dẫn – liệu sóng hấp dẫn có đủ mạnh để có thể phát hiện ra nó từ những trạm quan sát trên mặt đất hay không.

Để chắc ăn, các nhà khoa học đã dự trù một kế hoạch đưa máy dò sóng lên không gian. Cơ quan Không gian Châu Âu sẽ thực hiện nhiệm vụ này. Cụ thể:

Theo kế hoạch đã định, khoảng giữa những năm 2030, sẽ đưa lên không gian một hệ thống máy dò sóng mang tên eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna), bao gồm 3 detector tạo thành ba đỉnh của một tam giác vĩ đại, mỗi cạnh dài 1 triệu km. Theo tính toán lý thuyết, hệ thống này có khả năng tóm bắt ngay cả những nguồn sóng hấp dẫn yếu nhất, và do đó sẽ là một thí nghiệm mang tính quyết định rằng có sóng hấp dẫn hay không. Nếu eLISA không nhận được sóng hấp dẫn thì quả thật sẽ phải xem xét lại thuyết tương đối tổng quát. Nhưng phải đợi eLISA, trước khi có thể tuyên bố bất cứ điều gì.

Đó là những gì đã được trù liệu, ít nhất tính đến thời điểm tháng 10/2015.

Nhưng mừng rỡ thay, như chúng ta đã chứng kiến, chưa cần đưa máy dò sóng lên không gian, các trạm quan sát sóng hấp dẫn trên mặt đất của LIGO đã tóm bắt được nó! Ngày 11/02/2016 – thời điểm LIGO tuyên bố đã phát hiện trực tiếp thấy sóng hấp dẫn – sẽ đi vào lịch sử khoa học như một cột mốc trọng đại, tương tự như thí nghiệm kiểm tra sự cong của ánh sáng năm 1919, do Arthur Eddington tiến hành, nhằm kiểm chứng dự đoán của thuyết tương đối tổng quát về tính cong của không gian. Lịch sử cuộc thí nghiệm xác định tính cong của ánh sáng dưới tác dụng của hấp dẫn đã được kể lại khá chi tiết và thú vị trong cuốn “Phương trình của Chúa” của Amir Aczel, (NXB Trẻ 2004, bản dịch của PVHg) đã được công bố trên PVHg’s Home.

Có một chi tiết đừng nên bỏ qua, giúp ta hiểu thêm về Einstein: Khi bà Elsa (vợ sau của Einstein), đưa cho ông xem bức ảnh chụp xác nhận những dự đoán của ông về độ lệch của ánh sáng khi đi gần một thiên thể lớn, thay vì đắc chí với thành công của mình, Einstein lại thốt lên lời thán phục kỹ thuật chụp ảnh đương thời. Hóa ra Einstein không phải là người có thói tự tôn giống nhiều người khác, ông làm khoa học không vì danh lợi, mà vì nỗi đam mê.

Einstein, một tâm hồn nghệ sĩ, một tư tưởng hiền triết

Sự kiện khám phá ra sóng hấp dẫn một lần nữa làm dấy lên nỗi kinh ngạc về khả năng tiên đoán như thần của Einstein. Nhưng…

Xin đừng quên rằng Einstein từng thi trượt đại học, thời là sinh viên Đại học Bách khoa ETH của Thụy Sĩ từng bị điểm 1 về vật lý, từng bị thầy vật lý nhận xét rằng “không có khả năng về vật lý, nên tìm một nghề nghiệp khác”, và thậm chí từng bị thầy dạy toán là nhà toán học Hermann Minkowsky mắng là “con chó lười biếng” (a lazy dog)…

Cũng đừng quên rằng khi nghiên cứu thuyết tương đối hẹp, Einstein từng phải nhờ cậy sự giúp đỡ về toán học của một bạn học ở ETH là Marcel Grossman, và của người vợ đầu tiên là Mileva Maric (cũng là bạn học tại ETH). Khi nghiên cứu thuyết tương đối tổng quát, ông lại phải nhờ cậy đến sự giúp đỡ về toán học của Emmy Noether, nhà toán học nữ xuất sắc trong nửa đầu thế kỷ 20.

Càng không nên quên rằng ông từng tuyên bố: “I don’t believe in Mathematics” (Tôi không tin vào toán học), để biểu lộ sự chán ngấy đối với những thứ toán học thuần túy logic hình thức, xa rời hiện thực.

Vậy thực ra Einstein là ai? Tất nhiên ông là một nhà khoa học, nhưng phải nói một cách đầy đủ hơn, rằng ông là một nhà khoa học đầy ắp tâm hồn lãng mạn của một nghệ sĩ và tư tưởng thâm thúy của một nhà hiền triết.

Ông say mê chơi violon ở mức thuần thục các bản nhạc của Bach và Mozart, và từng nói nếu không làm vật lý, ông sẽ trở thành nhạc sĩ.

Nhưng cá nhân tôi, tôi bị ông thuyết phục nhiều nhất bởi những triết lý, cả triết lý khoa học lẫn triết lý sống. Đây, hãy nghe ông nói:

“Sự thỏa mãn và yên ấm chưa bao giờ là mục đích tự thân của tôi (tôi gọi nền tảng luân lý này là lý tưởng của bầy lợn)… Những mục đích tầm thường mà người đời theo đuổi như của cải, thành đạt bề ngoài, sự xa xỉ, với tôi từ thời trẻ đã luôn đáng khinh” (Thế giới như tôi thấy, NXB Tri Thức 2004, trang 17).

“Lý tưởng của tôi, lý tưởng soi đường và luôn làm dâng đầy trong tôi niềm cảm khái yêu đời, đó là THIỆN, MỸ, CHÂN” (sách đã dẫn, t.17).

Với uy tín trùm lấp thiên hạ, triết lý sống của Einstein có ý nghĩa vô cùng lớn lao. Nó cổ võ cho những ai thích sống một cuộc sống trong sạch, thích vươn tới những giá trị đích thực của đời người, muốn thoát ra khỏi cái vòng xoáy vật chất tham lam, vị kỷ, háo danh, thấp hèn và vô đạo trong xã hội hiện đại. Nói cách khác, triết lý sống của Einstein chính là bước khởi đầu của tinh thần tôn giáo đích thực, là cơ sở để hình thành một thế giới quan phi vô thần.

Thế giới quan của Einstein

Dân tộc Do Thái là một dân tộc nhỏ bé về dân số nhưng vĩ đại về trí tuệ, và đặc biệt, vĩ đại về tinh thần tôn giáo. Tinh thần ấy đã tạo nên Do Thái giáo, một tôn giáo giúp cho dân tộc này có một sức sống mãnh liệt, vượt qua không biết bao nhiêu thử thách gian nguy trong lịch sử mà một dân tộc có thể chịu đựng được, để luôn luôn đi tiên phong trong sự nghiệp sáng tạo của nhân loại.

Einstein là một nhà khoa học vĩ đại gốc Do Thái. Mặc dù ông không tin vào Chúa của Do Thái giáo, nhưng ông đã thừa hưởng nền tảng căn bản của tinh thần tôn giáo của tổ tiên ông, đó là niềm tin mạnh mẽ vào Đấng Sáng tạo. Điều này trái ngược hoàn toàn với những nhà khoa học như Charles Darwin hoặc Stephen Hawking.

Đối với Einstein, cái gì đẹp và hoàn mỹ thì đó là sự biểu lộ của “ý Chúa”. Ông công khai nói lên nỗi khát vọng của mình, rằng “Tôi muốn hiểu được ý Chúa” (I want to know God’s idea). Dường như ông đã hiểu được ý Chúa trong khi đọc cuốn sách nhỏ về Hình học Euclid, bởi cuốn sách ấy đã làm ông say đắm đến nỗi gọi nó là “cuốn sách nhỏ hình học thiêng liêng” (the holy geometry booklet). Dường như ông cũng cảm nhận được ý Chúa khi cho rằng không gian vật lý là không gian phi-Ơ-clit (non-Euclidean), để rồi chọn Hình học Riemann (Riemannian geometry) làm cái khung vật chất cho không-thời gian trong thuyết tương đối tổng quát của ông… Có lẽ Chúa cũng thấu hiểu nỗi khao khát của Einstein nên đã hé lộ cho Einstein quá nhiều bí mật mà không ai biết. Ngược lại, Einstein đã diễn giải những bí mật ấy dưới dạng những phương trình tuyệt đẹp, đẹp không còn có thể đẹp hơn nữa, như phương trình E = mc2, hoặc phương trình trường trong thuyết tương đối tổng quát:

mà Amir Aczel gọi là “phương trình của Chúa” – một phương trình thâu tóm cả vũ trụ nhưng gọn đẹp và đơn giản đến nỗi James Peebles, nhà vật lý và vũ trụ học thuộc Đại học Princeton, phải thốt lên lời kinh ngạc:

“Tôi thường tự hỏi làm thế nào mà Einstein có thể tạo ra được một tiên đề đơn giản đến như thế . . . vũ trụ đơn giản đến nỗi chúng ta có thể phân tích nó trong một phương trình vi phân một chiều – mọi thứ chỉ nằm trong một phương trình của thời gian mà thôi”.

Nhưng chính bản thân Einstein lại biết rõ rằng mọi sáng tạo của con người chỉ là những mảnh vụn không nghĩa lý gì khi đứng trước công trình sáng tạo vĩ đại của Đấng Sáng tạo. Vì thế, chưa bao giờ Einstein thể hiện tham vọng giải thích nguồn gốc vũ trụ, ông chỉ mô tả vũ trụ như nó có. Nhưng phải chăng lý thuyết big bang là sản phẩm của Einstein? Và phải chăng đó là lý thuyết giải thích nguồn gốc vũ trụ?

Quả thật, lý thuyết big bang là hệ quả tất yếu của thuyết tương đối tổng quát, nhưng nó chỉ phản ánh quá trình phát triển của vũ trụ, thay vì giải thích nguồn gốc của vũ trụ. Bởi rốt cuộc, theo lý thuyết này, vũ trụ quy về điểm ban đầu là điểm kỳ dị, nhưng không ai trả lời được nguồn gốc của điểm kỳ dị. Một số ý tưởng mới xuất hiện gần đây có tham vọng giải thích vũ trụ trước big bang, nhưng không có sức thuyết phục. Theo tôi, điểm kỳ dị là giới hạn của khoa học. Đến đây khoa học nên dừng lại, nhường bước cho triết học và tôn giáo.

Tại sao vậy? Vì khoa học dựa trên logic, nhưng logic không bao giờ có thể giải thích và chứng minh được mệnh đề đầu tiên. “Mỗi câu trả lời lại làm dấy lên một câu hỏi mới”, Immanuel Kant đã khẳng định một cách chí lý. Tham vọng giải thích nguyên nhân đầu tiên là điên rồ và ấu trĩ. Nguyên nhân đầu tiên thuộc về Đấng Sáng tạo. Định hướng nghiên cứu khoa học đúng đắn không phải là khám phá ra nguồn gốc vũ trụ hoặc nguồn gốc sự sống, mà là nghiên cứu xem vũ trụ hoạt động như thế nào, sự sống hoạt động như thế nào, để tìm ra một phương cách ứng xử đúng đắn của con người, sao cho phù hợp với các định luật của vũ trụ và của sự sống.

Với thế giới quan đó, dễ thấy rằng thuyết tiến hóa là một sai lầm nghiêm trọng của khoa học, vì nó có tham vọng giải thích nguyên nhân đầu tiên của sự sống. Đấng Sáng tạo đã thách đố thuyết tiến hóa bằng cách thiết kế mọi phân tử của sự sống đều thuận tay trái (Định luật sự sống thuận tay trái do Louis Pasteur nêu lên từ 1848). Thuyết tiến hóa hoàn toàn bất lực trong việc giải thích hiện tượng kỳ lạ này, hoàn toàn thất bại trong việc tạo ra những phân tử hợp chất hữu cơ chỉ thuận tay trái. Vậy mà các nhà tiến hóa vẫn ngoan cố, không chịu thừa nhận mình sai lầm và thất bại.

Câu chuyện về Einstein và sóng hấp dẫn bất ngờ đi đến kết luận bất lợi cho thuyết tiến hóa. Vì thế, nhà vũ trụ học nổi tiếng Frank Tipler hoàn toàn có lý khi tuyên bố rằng “Nếu Einstein đúng thì ắt Darwin phải sai…”.

PVHg, Sydney 22/02/2016

GHI CHÚ:

[1] God: God là một từ tiếng Anh ám chỉ một vị Thần nói chung theo định nghĩa ở chú thích [1]. Tuy nhiên, vì Ki-tô giáo là tôn giáo chính yếu ở Tây Phương, nên khi nhắc đến God, người ta thường mặc định ám chỉ đến Chúa trong tín ngưỡng Ki-tô Giáo. Tuy nhiên trong phạm vi bài viết này, trừ trong các trường hợp cụ thể, chúng ta nên hiểu rộng nghĩa của từ God theo nghĩa sau: God: Một lực lượng siêu tự nhiên mà nhân loại từng sử dụng nhiều từ ngữ khác nhau để gọi tên, như Phật, Đạo, Đại Giác Giả, Thượng đế, Đấng Tối cao, Chúa, Đấng Sáng tạo, Jehovah, Allah,, , Bà Mẹ Tự nhiên, Nhà thiết kế vĩ đại…

[2] Nguyên văn: Một kiệt tác dở dang của Einstein. Nhưng tôi ví kiệt tác đó như một bản giao hưởng, ý muốn nhắc đến một kiệt tác âm nhạc: Bản giao hưởng bỏ dở của F. Schubert

[3] Sau 7 tiếng 30 phút đồng hồ kể từ lúc Einstein mất, bộ não của ông đã được lấy đi để nghiên cứu, và từ đó trở thành một đề tài nghiên cứu của khoa học thần kinh, hòng tìm ra lý do vật chất nào đã làm cho Einstein có những tư tưởng lạ lùng và xuất chúng đến như vậy. Việc này biểu lộ một cách nhìn rất duy vật và cơ giới máy móc của giới khoa học tây phương, hòng giải thích các hiện tượng tinh thần thông qua vật chất. Tôi đã viết một bài báo về vấn đề này, nhan đề “Phát hiện mới về bộ não của Einstein”, đăng trên Lao Động số ra ngày 02/07/1999, và đã được tập hợp trong cuốn “Những câu chuyện khoa học hiện đại” của tôi, do NXB Trẻ xuất bản năm 2004. Độc giả có thể tìm đọc trên PVHg’s Home ngày 28/11/2012

Bài viết thể hiện quan điểm của tác giả, không nhất thiết phản ánh quan điểm của Đại Kỷ Nguyên.

Tác giả: Phạm Việt Hưng, viethungpham.com. Từng giảng dạy các môn Toán Kinh tế; Cơ học Lý thuyết; Sức bền Vật liệu; Toán luyện thi đại học. Hiện thỉnh giảng Toán cao cấp tại một đại học ở VN.

Đăng tải với sự cho phép. Đọc bản gốc ở đây.

Sóng hấp dẫn

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bài này viết về sóng hấp dẫn trong thuyết tương đối rộng. Đối với bài về sóng trong thủy động lực học, xem sóng trọng lực.

Thuyết tương đối rộng
$G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu}= {8\pi G\over c^4} T_{\mu \nu}$
Giới thiệu · Mô hình Toán học Tham khảo · Kiểm chứng · Lịch sử
Các khái niệm cơ sở[hiện]
Hiệu ứng và hệ quả[hiện]
Các phương trình[hiện]
Các lý thuyết phát triển[hiện]
Các nghiệm [hiện]
Nhà vật lý[hiện]
Không thời gian [hiện]

Hình ảnh sóng hấp dẫn, do Advanced LIGO thông báo phát hiện trực tiếp và công bố ngày 11/2/2016.

Trong vật lý học, sóng hấp dẫn là những dao động nhấp nhô bởi độ cong của cấu trúc không-thời gian thành các dạng sóng lan truyền ra bên ngoài từ sự thăng giáng các nguồn hấp dẫn (thay đổi theo thời gian), và những sóng này mang năng lượng dưới dạng bức xạ hấp dẫn. Albert Einstein, vào năm 1916,^] dựa trên thuyết tương đối rộng của ông lần đầu tiên đã dự đoán có sóng hấp dẫn Nhóm cộng tác khoa học Advanced LIGO đã thu được trực tiếp tín hiệu sóng hấp dẫn từ kết quả hai lỗ đen sáp nhập vào ngày 14 tháng 9 năm 2015 và phát hiện này được thông báo trong cuộc họp báo tổ chức ngày 11 tháng 2 năm 2016 bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF).Theo thuyết tương đối rộng, sóng hấp dẫn có thể phát ra từ một hệ sao đôi chứa sao lùn trắng, sao neutron hoặc lỗ đen. Hiện tượng sóng hấp dẫn là một trong những hệ quả của tính hiệp biến Lorentz cục bộ trong thuyết tương đối tổng quát, bởi vì tốc độ lan truyền tương tác bị giới hạn bởi đặc tính này. Nhưng trong lý thuyết hấp dẫn của Newton tất cả các vật tương tác tức thì với nhau, vì vậy không có sóng hấp dẫn trong lý thuyết cổ điển này.
Các nhà khoa học đã thăm dò dấu hiệu của bức xạ hấp dẫn bằng các phương pháp gián tiếp khác nhau. Ví dụ, Russell Hulse và Joseph Taylor tìm thấy hệ sao xung Hulse - Taylor có chu kỳ quỹ đạo giảm dần theo thời gian do hai sao neutron quay gần về phía nhau, từ đó cung cấp bằng chứng cho sự tồn tại của sóng hấp dẫn; vì sự phát hiện này mà vào năm 1993 hai ông được Giải Nobel Vật lý. Các nhà khoa học cũng sử dụng các trạm dò sóng hấp dẫn để thám trắc hiệu ứng sóng hấp dẫn, ví dụ như Đài thám trắc sóng hấp dẫn - giao thoa kế laser (LIGO).

Giới thiệu

Sóng hấp dẫn phát ra từ hai sao neutron quay quanh nhau. Ở đây không thời gian được miêu tả như một tấm màn hai chiều và chuyển động của hệ hai sao neutron gây ra những biến đổi trong độ cong không thời gian (các gợn sóng lăn tăn) lan truyền xa dần ra bên ngoài với biên độ sóng giảm dần.

Lịch sử của vũ trụ - các nhà vũ trụ học giả thuyết giai đoạn vũ trụ lạm phát phát ra sóng hấp dẫn, một giai đoạn giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng hình thành ngay sau Vụ Nổ Lớn.

Thuyết tương đối tổng quát của Einstein mô tả hấp dẫn là một hiện tượng gắn liền với độ cong của không-thời gian. Độ cong này xuất hiện vì sự có mặt của khối lượng. Càng nhiều khối lượng chứa trong một thể tích không gian cho trước, thì độ cong của không thời gian càng lớn hơn tại biên giới của thể tích này. Khi vật thể có khối lượng di chuyển trong không thời gian, sự thay đổi độ cong hồi đáp theo sự thay đổi vị trí của vật. Trong một số trường hợp, vật thể chuyển động gia tốc gây lên sự thay đổi độ cong này mà lan truyền ra bên ngoài với tốc độ ánh sáng theo như dạng sóng. Hiện tượng lan truyền này được gọi là sóng hấp dẫn.
Khi sóng hấp dẫn truyền tới một quan sát viên ở xa, bằng dụng cụ phát hiện người đó sẽ kết luận là không thời gian bị bóp méo. Khoảng cách giữa hai vật tự do sẽ biến đổi tăng giảm một cách nhịp nhàng (dao động), bằng với tần số của sóng hấp dẫn. Tuy nhiên, trong quá trình này, các vật là tự do và không có lực tác động giữa chúng, vị trí tọa độ là không thay đổi, sự thay đổi ở đây là thay đổi hệ tọa độ không gian và thời gian của khoảng cách giữa chúng. Đối với quan sát viên ở xa, cường độ sóng hấp dẫn tại vị trí của người này tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ anh ta đến nguồn sóng. Theo dự đoán của lý thuyết, ở các hệ sao đôi chứa sao neutron chuyển động vòng xoắn ốc vào nhau với tốc độ lớn trên quỹ đạo elip dẹt, chúng sẽ sáp nhập vào nhau trong tương lai và là nguồn phát ra sóng hấp dẫn mạnh. Nhưng bởi vì khoảng cách thiên văn đến chúng quá lớn, cho nên ngay cả các sóng hấp dẫn có cường độ cao nhất phát từ các sự kiện trong vũ trụ khi lan tới Trái Đất đã yếu đi rất nhiều, với biên độ dao động khoảng cách giữa hai vật thử thấp hơn 10⁻²¹. Để phát hiện sự thay đổi tinh tế này, các nhà khoa học phải tìm cách tăng độ nhạy của máy dò. Tính đến năm 2012, các máy dò nhạy nhất nằm ở các trạm thám trắc LIGO và VIRGO có độ chính xác lên tới 5 x 10⁻²² Các nhà vật lý đã tính toán ra ngưỡng giới hạn trên của tần số của sóng hấp dẫn lan truyền tới Trái Đất. Cơ quan Vũ trụ châu Âu đang phát triển một hệ thống vệ tinh thám trắc trong không gian để phát hiện sóng hấp dẫn, tên dự án là Ăngten giao thoa kế Laser trong Vũ trụ (Laser Interferometer Space Antenna LISA).

Sóng hấp dẫn phân cực tuyến tính.

Sóng hấp dẫn có thể thâm nhập vào các vùng không gian mà sóng điện từ không thể xâm nhập. Dựa vào các tính chất thu được từ sóng hấp dẫn có thể giúp tìm hiểu Vũ trụ tại những vùng sâu nơi một số loại thiên thể kỳ lạ nằm ở đó, chẳng hạn như các cặp lỗ đen. Những đối tượng như vậy không thể quan sát trực tiếp theo cách truyền thống bằng kính thiên văn quang học và kính thiên văn vô tuyến. Ưu điểm này của sóng hấp dẫn cũng là một lợi thế để nghiên cứu trạng thái sớm nhất của Vũ trụ. Không thể áp dụng các phương pháp quan sát hiện nay bởi vì trước giai đoạn tái kết hợp electron, Vũ trụ trở lên mờ đục đối với toàn bộ dải sóng điện từ.Ngoài ra, các phép đo chính xác hơn của sóng hấp dẫn có thể tiếp tục xác minh thuyết tương đối tổng quát.
Sóng hấp dẫn về mặt lý thuyết có thể tồn tại ở bất kỳ tần số nào, nhưng hầu như không thể phát hiện được chúng ở tần số rất thấp, và nguồn phát sóng tần số cao được biết đến là không thể quan sát được. Stephen Hawking và Werner Isreal dự đoán rằng có thể phát hiện sóng hấp dẫn với tần số trong miền 10 ^-7 Hz tới 10 ¹¹ Hz Sóng hấp dẫn GW150914 mà nhóm hợp tác LIGO lần đầu tiên thu nhận trực tiếp có tần số trong khoảng 35 Hz đến 250 Hz.

Các hiệu ứng khi sóng hấp dẫn truyền qua

Hiệu ứng phân cực tuyến tính dạng chữ thập tác dụng lên một vòng các hạt thử.

Hiệu ứng phân cực tuyến tính dạng chéo tác dụng lên một vòng các hạt thử.

Để hiểu được tính chất của sóng hấp dẫn bằng cách thăm dò, có thể tưởng tượng trong một khu vực không-thời gian phẳng có một tập hợp các hạt thử đứng yên tạo thành một bề mặt phẳng. Khi sóng hấp dẫn truyền theo phương vuông góc với mặt phẳng này đi qua các hạt nó kéo dãn không gian và thời gian theo một hướng và nén không gian và thời gian theo hướng vuông góc (ảnh động bên phải). Diện tích bao quanh bởi các hạt thử nghiệm là không thay đổi, và các hạt không dịch chuyển theo hướng chuyển động của sóng (tức là chúng không bật ra khỏi bề mặt phẳng) Khi khoảng cách giữa các hạt theo phương dọc là lớn nhất thì khoảng cách giữa các hạt theo phương ngang là nhỏ nhất và ngược lại khoảng thời gian di chuyển giữa hai hạt theo phương ngang là lớn nhất và theo phương dọc là ít nhất.
Hai hình bên cạnh minh họa phóng đại sự dao động của các hạt vì biên độ sóng hấp dẫn thực sự là rất nhỏ. Tuy nhiên chúng cho phép hình dung ra kiểu dao động đặc trưng của sóng hấp dẫn phát ra từ hai vật thể quay trên quỹ đạo hình tròn. Trong trường hợp này, biên độ của sóng hấp dẫn không thay đổi, nhưng mặt phẳng phân cực (hay phương dao động) thay đổi hay quay với chu kỳ bằng hai lần chu kỳ quỹ đạo của hai vật thể trong nguồn. Do đó, kích thước của sóng hấp dẫn (biến dạng tuần hoàn của không thời gian) thay đổi theo thời gian, như thể hiện trong các hình ảnh động. Nếu quỹ đạo của hai vật thể là hình elip, thì biên độ của sóng hấp dẫn cũng sẽ thay đổi theo thời gian như được miêu tả bằng công thức tứ cực của Einstein.
Giống như các sóng khác, sóng hấp dẫn có một số đặc điểm sau:

Biên độ: Thường được ký hiệu bằng $h$ , đại lượng này biểu thị độ lớn của sóng — phần bị dãn ra hay nén lại trong ảnh động. Biên độ minh họa ở đây có giá trị gần bằng $h=0,5$ (hay 50%). Sóng hấp dẫn đi qua Trái Đất có biên độ nhỏ hơn hàng tỷ nghìn tỷ lần minh họa này — $h \approx 10^{-20}$ .^[15] Chú ý rằng đại lượng này không giống với cái gọi là biên độ như của sóng điện từ, mà bằng $\frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t}$ . Các nhà vật lý thường dùng h với ý nghĩa là biến dạng của sóng hấp dẫn (gravitational wave strain).
Tần số: Thường ký hiệu bằng f, đây là tần số mà sóng dao động (1 chia cho lượng thời gian giữa hai lần giãn và nén liên tiếp)
Bước sóng: Thường ký hiệu bằng $\lambda$ , đây là khoảng cách dọc theo phương truyền sóng giữa hai điểm có độ dãn hoặc độ nén lớn nhất.
Tốc độ: Đây là tốc độ mà tại một điểm trên sóng (ví dụ, điểm tại độ giãn hay độ nén là lớn nhất) lan truyền. Đối với sóng hấp dẫn có biên độ nhỏ, tốc độ này bằng tốc độ ánh sáng, $c$ .

Từ những đại lượng trên có thể tính toán ra độ sáng của sóng hấp dẫn bằng cách tính đạo hàm bậc ba theo thời gian đối với công thức tứ cực.
Tốc độ, bước sóng, và tần số của sóng hấp dẫn có liên hệ với nhau bởi phương trình c = λ f, giống như phương trình của sóng ánh sáng. Ví dụ, ảnh động minh họa ở đây sóng hấp dẫn dao động động khoảng 1 lần trong 2 giây. Tương ứng với sóng này có tần số 0,5 Hz, và bước sóng vào khoảng 600.000 km, hay 47 lần đường kính Trái Đất.
Trong ví dụ vừa nêu, chúng ta đã giả sử một số điều đặc biệt về sóng. Chúng ta giả sử rằng sóng hấp dẫn là phân cực tuyến tính, hay phân cực "cộng", viết là

h_{\,+}

. Sự phân cực của sóng hấp dẫn giống như phân cực của sóng ánh sáng ngoại trừ rằng sóng hấp dẫn phân cực ở góc 45 độ, như ngược lại đối với 90 độ. Đặc biệt, nếu chúng ta có sóng hấp dẫn phân cực "chéo",

h_{\,\times}

, hiệu ứng tác dụng lên các hạt thử về cơ bản là như nhau, nhưng góc quay đi 45 độ, như được chỉ ra ở hình thứ hai. Giống như phân cực ở sóng ánh sáng, sự phân cực ở sóng hấp dẫn cũng được biểu diễn theo kiểu sóng phân cực tròn. Sóng hấp dẫn bị phân cực bởi vì bản chất của nguồn phát ra chúng. Sự phân cực phụ thuộc vào góc từ nguồn, mà được trình bày ở phần tiếp theo.

Ước lượng giới hạn trên của biên độ

Một hệ nguồn điển hình có các thành phần tứ cực

Q_{ij}

với độ lớn

MR^2

, với M và R lần lượt là khối lượng và bán kính của hệ. Nếu chuyển động bên trong nguồn không có tính đối xứng cầu, thì đạo hàm bậc hai theo thời gian của thành phần tứ cực

d^2Q_{ij}/dt^2

sẽ có độ lớn

Mv^2

, trong đó

v^2

là thành phần không đối xứng cầu của bình phương vận tốc bên trong nguồn phát ra sóng hấp dẫn. Khi thay vào công thức xác định biên độ sóng hấp dẫn từ các thành phần tứ cực ta có ước lượng biên độ

h < \phi_{int}\phi_{ext}

h \sim \frac{2Mv^2}{r}

Lưu ý ở đây

\frac{M}{r}

là thế hấp dẫn Newton tại khoảng cách r nằm bên ngoài nguồn sóng, và tỉ số

\epsilon

của biên độ sóng với thế hấp dẫn bên ngoài

\phi_{ext}

của nguồn tại khoảng cách r đến quan sát viên là

\epsilon \sim 2 v^2

Theo định lý virial đối với hệ hấp dẫn, tỷ số này không thể vượt quá giá trị lớn nhất của thế hấp dẫn Newton đối với bên trong nguồn sóng

\phi_{int}

. Kết quả này rất thuận tiện và thiết thực đối với phương pháp ước tính giới hạn trên của biên độ sóng hấp dẫn. Đối với một sao neutron nằm trong cụm thiên hà ở chòm sao Xử Nữ thì biên độ bức xạ hấp dẫn nó phát ra có giới hạn trên xấp xỉ bằng 5×10^-22. Trong hàng thập kỷ, các nhà khoa học đã sử dụng cách này để ước tính độ nhạy tối thiểu cho các máy dò sóng hấp dẫn phải bằng hoặc nhỏ hơn ×10^-21

Ước lượng tần số

Trong một số trường hợp, tần số sóng hấp dẫn bị ảnh hưởng bởi chuyển động của nguồn, ví dụ, tần số của sóng hấp dẫn phát ra từ sao xung bằng hai lần tần số tự quay của ngôi sao.^{:Đoạn 4.2.2} Nhưng đối với hầu hết các hệ thống sao đôi, tần số bức xạ hấp dẫn có liên quan đến tần số động lực tự nhiên của hệ hấp dẫn được định nghĩa là

f_0 = \sqrt{\bar{\rho} \over 4\pi}

Ở đây

\bar{\rho}

là mật độ trung bình của khối lượng - năng lượng của nguồn sóng. Nó có cùng độ lớn với tần số quỹ đạo của hệ sao đôi (binary orbital frequency-tương đương với chu kỳ quỹ đạo) và tần số xung nhịp cơ bản (fundamental pulsation frequency) của vật thể.
Nếu ước lượng nguồn sóng phân bố trong mặt cầu với khối lượng M và bán kính R thì

\bar{\rho} = \frac{3M}{4\pi R^3}

. Đối với một sao neutron có khối lượng 1,4 lần khối lượng Mặt Trời, bán kính bằng 10 km, tần số tự nhiên của nó sẽ là 1,9 kHz; đối với một lỗ đen có khối lượng 10 lần khối lượng của mặt trời, bán kính chân trời sự kiện bằng 30 km, tần số tự nhiên của nó bằng 1 kHz; và cho lỗ đen siêu khối lượng bằng 2,5 × 10⁶ lần khối lượng của Mặt Trời, tần số tự nhiên của nó là 4 milliHertz, vì mật độ trung bình của nó thấp hơn. Nói chung, việc ước lượng tần số sóng hấp dẫn từ tần số tự nhiên của nguồn là đúng, về bản chất đó là một phương pháp thô cho phép ước lượng một cách nhanh chóng, cung cấp cho việc tính giá trị giới hạn trên của tần số đúng của nguồn sóng hấp dẫn

Nguồn sóng hấp dẫn

Biểu đồ phân bố các nguồn sóng hấp dẫn mà LIGO và LISA sẽ phát hiện ra tương ứng với các dải tần số. Trục đứng là biên độ sóng hấp dẫn, trục ngang là tần số sóng.

Sóng hấp dẫn phát ra do sự không đối xứng của mô men tứ cực gây bởi chuyển động có gia tốc, với điều kiện là các chuyển động không hoàn toàn đối xứng cầu (giống như một quả cầu nở rộng hoặc co lại) hoặc đối xứng trụ (giống như một đĩa quay hoặc hình cầu quay quanh trục). Một ví dụ đơn giản của nguyên tắc này đó là trường hợp ở quả tạ quay. Nếu quả tạ quay tít như bánh xe trên một trục, nó sẽ không tỏa ra sóng hấp dẫn; nếu quay quanh trục như hai hành tinh quay quanh nhau, nó sẽ tỏa ra sóng hấp dẫn. Quả tạ càng nặng, và quay càng nhanh thì sóng hấp dẫn sẽ phát ra càng mạnh. Nếu chúng ta tưởng tượng một trường hợp cực hạn, trong đó hai đầu của quả tạ là những thiên thể lớn như sao neutron hoặc lỗ đen quay quanh nhau rất nhanh, thì một lượng đáng kể các bức xạ hấp dẫn sẽ phát ra từ hệ này.
Tần số sóng hấp dẫn phụ thuộc vào đặc trưng hệ động lực quy mô theo thời gian. Đối với hệ sao đôi, tần số quỹ đạo của hai thiên thể quay quanh nhau chính là tần số của sóng hấp dẫn mà hệ phát ra. Các nguồn sóng hấp dẫn thường được phân loại theo dải tần số. Tần số 1 Hz đến 10 kHz là dải nguồn sóng cao tần, như hệ hai sao neutron, hệ hai lỗ đen, siêu tân tinh... và đây cũng chính là dải tần mà các máy thăm dò sóng hấp dẫn trên mặt đất có thể phát hiện ra được. Từ 1mHz đến 1 Hz được phân loại thành nguồn sóng thấp tần, như lỗ đen siêu khối lượng, hệ hai sao lùn trắng... những nguồn này có thể phát hiện từ những vệ tinh quan trắc sóng hấp dẫn dựa trên phương pháp giao thoa kế laser để đo dịch chuyển Doppler của chùm tia laser. Nguồn sóng từ 1nHz đến 1mHz được phân loại thành dải tần rất thấp, từ các nguồn lỗ đen siêu khối lượng, dây vũ trụ... Phương pháp phát hiện sóng hấp dẫn bằng cách theo dõi cũng một lúc thời gian đến của xung sóng vô tuyến từ nhiều sao xung một lúc cho phép xác định sóng hấp dẫn trong phạm vi tần số rất nhỏ từ 10⁻¹⁸ Hz đến 10⁻¹⁵ Hz, tương ứng với sóng hấp dẫn phát ra từ thời điểm vũ trụ lạm phát sau Vụ Nổ Lớn mà những sóng này có thể để lại dấu vết trong bức xạ phông vi sóng vũ trụ.

Hệ sao đôi

Hai ngôi sao có khối lượng khác nhau ở trong quỹ đạo tròn. Mỗi ngôi sao xoay quanh tâm chung của chúng (ký hiệu bằng dấu thập nhỏ màu đỏ) theo một quỹ đạo tròn mà với khối lượng lớn hơn nó có quỹ đạo nhỏ hơn.

Hai ngôi sao có khối lượng tương tự ở cùng quỹ đạo tròn hướng về tâm chung của chúng.

Hai ngôi sao có khối lượng tương tự ở trong quỹ đạo hình elip về quanh khối tâm.

Những hệ sao đôi có khả năng phát ra sóng hấp dẫn ở mức quan sát được bao gồm hệ chứa một sao lùn trắng, hoặc một sao neutron hoặc lỗ đen và các hệ sao đôi khoảng cách quỹ đạo giữa hai thiên thể là nhỏ, như hệ sao quay quanh một lỗ đen, hệ sao neutron quay quanh lỗ đen, hệ hai sao neutron, hệ hai sao lùn trắng... Những hệ này có thành phần mô men tứ cực với độ biến thiên theo thời gian lớn, và là những nguồn quan trọng đối với các trạm quan trắc trên mặt đất như LIGO và trạm thăm dò trong không gian như eLISA. Cho tới nay chỉ có những chứng cứ gián tiếp xác nhận sự tồn tại của sóng hấp dẫn thông qua việc quan sát những nguồn sóng này (chẳng hạn hệ sao xung và sao PSR 1913+ 16). Trên toàn bộ, quá trình bức xạ sóng hấp dẫn từ hệ sao đôi bao gồm quá trình ba giai đoạn, hai thiên thể quay xoáy ốc càng gần về nhau (inspiral) với tốc độ ngày càng nhanh hơn và càng gần nhau hơn, sáp nhập vào nhau (merger) tạo thành vật thể duy nhất quay xung quanh trục của nó một cách ổn định khi nó phát ra sóng hấp dẫn mang theo thông tin về khối lượng và spin của vật thể này (ringdown phase - giai đoạn rung ngân)
Bức xạ hấp dẫn phát ra từ hệ sao đôi làm hệ mất mô men động lượng, khiến cho quỹ đạo của hệ suy giảm dần với một tốc độ rất chậm, dần dần làm cho hai thiên thể va chạm vào nhau. Nói cách khác, thời gian làm cho quỹ đạo của hệ suy giảm lớn hơn rất nhiều lần so với chu kỳ quỹ đạo của nó, do đó giai đoạn sáp nhập thường được tinh toán bằng phương pháp xấp xỉ hậu Newton dùng để tiên đoán ra dạng sóng hấp dẫn mà hệ sẽ phát ra. Tần số sóng hấp dẫn có thể được suy ra từ phương pháp xấp xỉ, do tần số này tỉ lệ với căn bậc hai của mật độ trung bình của khối lượng - năng lượng của hệ đôi. Các trạm quan trắc mặt đất có thể phát hiện ra các hệ sao đôi neutron và lỗ đen khối lượng sao, trong khi eLISA được phát triển để thăm dò các hệ đôi sao lùn trắng và các lỗ đen siêu khối lượng khác.^{:Đoạn 4.2.3}^149-150
Sóng hấp dẫn lấy đi năng lượng từ quỹ đạo khiến cho quỹ đạo của hệ hai thiên thể sẽ dần co lại, kết quả là tần số sóng hấp dẫn phát ra sẽ tăng theo thời gian, hay được gọi là tín hiệu di tần (chirp signal). Tín hiệu di tần có thể được theo dõi trong một khoảng thời gian dài, và chúng ta có thể tính được khối lượng của hệ hai thiên thể nhờ tín hiệu chirp và từ kết quả quan trắc được biên độ sóng hấp dẫn ta sẽ thu được khoảng cách từ nguồn đến Trái Đất, và có nghĩa là phương pháp này sẽ bổ sung thêm một cách để đo hằng số Hubble và hằng số vũ trụ khác.
Với bán kính quỹ đạo của hệ thiên thể đôi giảm tăng dần, phương pháp gần đúng đoạn nhiệt không còn được áp dụng, hệ tiến tới giai đoạn hai vật sáp nhập vào nhau: giai đoạn hai vật thể sáp nhập dữ dội tạo ra một lỗ đen mới, và một lượng đáng kể năng lượng và động lượng được giải phóng dưới dạng sóng hấp dẫn (nhưng ngoài ra phần lớn dạng mô men động lượng không bị sóng hấp dẫn mang đi bởi định luật bảo toàn mô men động lượng, điều này dẫn tới hình thành một đĩa bồi tụ xung quanh lỗ đen mới, đĩa bồi tụ vật chất sẽ phát ra các chớp tia gamma), phương pháp xấp xỉ Newton cũng không áp dụng được ở đây (xem lỗ đen khối lượng sao); sau cùng một lỗ đen hình thành trong trạng thái xoay quanh một trục với vận tốc xoay chậm dần, cùng với đó là tần số sóng hấp dẫn phát ra cũng giảm dần, và cuối cùng lỗ đen sẽ ổn định về dạng lỗ đen miêu tả bằng mêtric Kerr.
Theo kết quả thống kê và mô hình lý thuyết, số lượng các hệ đôi sao neutron là tương đối hiếm trong Vũ trụ, và số lượng chúng có thể quan sát được nhỏ hơn so với số lượng hệ đôi chứa một sao neutron và một sao lùn trắng, và phổ biến hơn là hệ chứa hai sao lùn trắng với sóng hấp dẫn phát ra có tần số thấp (10⁻⁵ đến 10⁻¹ Hz). Những hệ hai sao lùn trắng chắc chắn sẽ nhiều hơn hệ hai sao neutron quay trên quỹ đạo chật nổi tiếng là PSR B1913 + 16. Điều này bởi vì hầu hết trong Vũ trụ chiếm đa số là các ngôi sao có khối lượng nhỏ và trung bình, và hầu hết chúng ở trong hệ sao đôi. Các nhà vật lý thiên văn ước lượng được rằng, eLISA có khả năng phát hiện ra hàng ngàn những hệ đôi sao lùn trắng này, với xác suất tìm thấy cao hơn so với khả năng tìm thấy các hệ đôi sao neutron của những trạm thăm dò mặt đất. Nhưng mặt khác, trong Ngân Hà có quá nhiều hệ đôi sao lùn trắng sẽ dẫn tới mức độ ồn trong tần số dưới 1 milli-hertz, và mức ồn nền này được gọi là "mức ồn gây hiểu nhầm", vì nó cao hơn mức độ ồn từ thiết bị của các vệ tinh eLISA, nhưng mức ồn này lại không ảnh hưởng tới những tín hiệu thu từ các hệ có chứa lỗ đen. Các hệ hai sao lùn trắng nằm bên ngoài Ngân Hà có biên độ sóng hấp dẫn tới Trái Đất quá nhỏ, mặc dù khi ấy mức ồn từ những hệ như vậy có tần số ồn tới 1 Hz, và mức ồn này vẫn còn thấp hơn nhiều so với mức ồn từ thiết bị của LISA

Sao xung

Tinh vân Con Cua, ảnh chụp kết hợp trong bước sóng tia X màu xanh từ Tàu quan sát tia X Chandra với bước sóng khả kiến màu đỏ từ Hubble, với một sao xung PSR J0534 + 2200 ở gần trung tâm của tinh vân có khả năng là một trong những nguồn phát sóng hấp dẫn.

Đối với một sao neutron quay độc lập (hay pulsar đơn lẻ hoặc những vật thể đặc tương tự khác), để trở thành nguồn phát sóng hấp dẫn tuần hoàn (preriodic gravitational waves) hay sóng liên tục (continuous gravitational waves) thì phải tồn tại sự phân bố khối lượng ở dạng bất đối xứng cầu (hay tồn tại dòng khối lượng). Những nguyên nhân gây ra sự bất đối xứng này gồm hai loại sau đây:
Kịch bản đầu tiên gắn với cấu hình hình học bất đối xứng của nó, bao gồm các cơ chế：

Bản thân ngôi sao là một hình phỏng cầu đối xứng không hoàn hảo （như trường hợp PSR J1748-2446ad trong cụm sao cầu Terzan 5, sao xung quay nhanh nhất được biết đến với tốc độ 716 lần trong một giây)^]）
Trục đối xứng của sao neutron không trùng với trục quay của nó, hoặc tương đương trục từ trường ngôi sao không trùng với trục quay （như ở PSR 1828-11 ）
Quá trình bồi tụ vật chất gây ra sự phân bố khối lượng bất đối xứng （chẳng hạn ở những hệ sao đôi khối lượng nhỏ phát ra tia X, ví dụ như Cygnus X-1）

Sự phân bố khối lượng bất đối xứng trên lớp vỏ sao neutron hiện nay được ước lượng nhỏ hơn 10⁻⁵ khối lượng Mặt Trời. Ví dụ, LIGO ước lượng được giá trị giới hạn trên của độ dẹt elipsoid (ε) của nguồn sóng hấp dẫn từ sao xung PSR J2124-3358 không lớn hơn 1,1×10^-7^[39]. Từ điều này có thể ước tính được thời gian suy giảm chu kỳ tự quay của sao neutron gây bởi sóng hấp dẫn là rất lớn. Do vậy bức xạ hấp dẫn dường như không phải là nguyên nhân chính làm giảm xuống chu kỳ quay thực sự của chúng. Chẳng hạn, bên trong tinh vân Con Cua với sao xung còn trẻ PSR J0534+2200， sự bất đối xứng của sao này có giới hạn trên với ε < 3×10^-4, và biên độ biến dạng sóng hấp dẫn phát ra từ nguồn này h < 2×10^-25; đối với các sao xung miligiây già hơn độ dẹt này vào khoảng 10⁻⁹, và nếu đo từ khoảng cách 1parsec thì giá trị biên độ biến dạng thu được rất nhỏ cỡ 10⁻²⁸. Mặc dù những biên độ điển hình này thấp hơn rất nhiều độ nhạy của LIGO, nhưng các dữ liệu thu được cho phép các nhà vật lý thu được kết quả tương quan tương ứng với giới hạn trên của tín hiệu sóng hấp dẫn phát ra từ sao xung.
Một kịch bản thứ hai tạo ra sự bất đối xứng nằm ở chế độ r (r-mode), một dạng dao động chất lưu xảy ra bên trong lòng sao neutron (còn gọi là sóng Rossby) do hiệu ứng Coriolis. Những chế độ này có thể không tồn tại ổn định đủ để dẫn tới hình thành sóng hấp dẫn dưới những điều kiện thiên văn vật lý thực tế. Đối với trường hợp này, tính toán lý thuyết cho kết quả tần số của sóng hấp dẫn phát ra bằng 4/3 tần số quay của sao xung.

Lời giải thích dễ hiểu về sóng hấp dẫn - phát hiện lịch sử của nhân loại

zknight - Theo Trí Thức Trẻ | 13/02/2016 - 10:04

Tại sao Newton không hề biết về sóng hấp dẫn? Lí do nào khiến chúng ta cần 100 năm để xác nhận sự tồn tại của nó?

Không khó để chúng ta cảm nhận được một làn sóng hứng khởi tới từ cộng đồng khoa học trong những ngày này. "Lời tiên tri" của nhà vật lý đại tài Albert Einstein đã chính thức được xác nhận sau đúng 100 năm. Sự kiện Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO) quan sát trực tiếp được sóng hấp dẫn sẽ mở ra một chương hoàn toàn mới cho khoa học nói chung và thiên văn học nói riêng.
Đây cũng chính là lúc chúng ta nhìn lại chặng đường đi tìm bằng chứng cho nút thắt quan trọng nhất của vật lý hiện đại. Thuyết Tương đối rộng và dự đoán về sóng hấp dẫn năm 1916 của Einstein đã tạo nên bước chuyển mình quan trọng như thế nào trong vật lý?
Tại sao Newton không hề biết về sóng hấp dẫn? Mất 200 năm để những lý thuyết vật lý cổ điển tỏ ra sơ hở, lí do nào khiến chúng ta cần thêm 100 năm nữa để xác nhận sóng hấp dẫn? Rồi cuối cùng điều này sẽ đưa vật lý đi về đâu? Dưới đây là một phần câu chuyện về điều đó.

Sóng hấp dẫn đã chính thức được phát hiện trực tiếp

Để có "lời tiên tri", Einstein cần một lý thuyết
Khi đặt mình ở vị trí của một người khổng lồ để quan sát toàn cảnh vũ trụ, các nhà khoa học sẽ tự hỏi nó được lấp đầy bởi gì? Ngoài những hành tinh bé nhỏ cho đến những ngôi sao và thiên hà, thứ rộng lớn nhất còn lại là khoảng không.
Nhưng khoảng không có đơn thuần là khoảng không? Trong thời đại huy hoàng của vật lý cổ điển, Isaac Newton hình dung không gian chỉ là một “nền tảng” thụ động, tuyệt đối, vĩnh cửu và bất biến. Mọi sự kiện diễn ra trong không gian không hề ảnh hưởng tới nó. Ngược lại, không gian cũng không tác động lại bất kỳ sự kiện nào.
Hãy tưởng tượng, bạn có một mặt bàn phẳng bằng gỗ, phía trên nó đặt các viên bi đang di chuyển. Quan sát bằng mắt thường, bạn sẽ thấy những viên bi không làm biến dạng mặt bàn và mặt bàn phẳng không làm chệch hướng di chuyển của những viên bi.
Ở đây, mặt bàn gỗ đóng vai trò là không gian, những viên bi có thể là một thiên hà, một ngôi sao, một lỗ đen hay một hành tinh. Đó là cách không gian vũ trụ hoạt động dưới thời đại Newton.

Những viên bi trên mặt bàn gỗ là cách vũ trụ hoạt động với lý thuyết của Newton

Bằng cách nhìn nhận như vậy, Newton có thể giải thích được mọi hiện tượng vật lý, từ cách quả táo rơi xuống đất cho đến Trái Đất quay quanh Mặt Trời. Ông cũng có thể xây dựng được một công thức tính chính xác đến kinh ngạc lực hấp dẫn của hai vật thể trong vũ trụ, ví dụ như Trái Đất và Mặt Trăng.
Lý thuyết của Newton tồn tại 200 năm, cho đến khi Albert Einstein trình bày một giải thích khác cho lực hấp dẫn. Trong Thuyết tương đối rộng năm 1916, ông nói những tác động hấp dẫn có được là do không-thời gian (thời gian và không gian được Einstein gộp chung lại thành không-thời gian trong thuyết Tương đối hẹp năm 1905) bị uốn cong thay vì nó là một lực.
Điều đó có nghĩa là gì? Mặt bàn gỗ của Newton đã biến thành một tấm vải đàn hồi căng lên ở 4 góc. Khi bạn đặt những viên bi lên trên đó, khối lượng của chúng sẽ uốn cong mặt phẳng tấm vải. Điều này lại ảnh hưởng đến đường di chuyển của các viên bi. Cuối cùng, một mô hình mới về không-thời gian và tương tác hấp dẫn được hình thành.

Thí nghiệm mô tả không-thời gian theo Thuyết Tương đối rộng

Đã đến lúc cho lời tiên đoán
Thuyết Tương đối của Einstein đã hoạt động một cách quá hiệu quả trong việc giải thích các hiện tượng trong vũ trụ. Nó có thể thay thế hoàn toàn lý thuyết của Newton, thậm chí còn làm được nhiều điều hơn thế. Nhiều bài toán về vũ trụ không có đáp án dưới thời đại của Newton đã được giải quyết dễ dàng với Thuyết Tương đối rộng.
Trong khoa học, khi một lý thuyết đã đạt tới sức mạnh này, nó được dùng để tiên đoán những bí ẩn mà con người chưa biết đến. Sóng hấp dẫn là một trong số những bí ẩn đó.

Những ghi chép của Einstein về sóng hấp dẫn năm 1916

Như đã trình bày, Thuyết Tương đối rộng đề xuất sự biến dạng của không-thời gian, thứ Newton đã không thể nào hình dung ra nổi. Sự uốn cong không thời gian gây ra bởi một vật có khối lượng. Khối lượng càng lớn, biến dạng nó gây nên càng mạnh.
Hãy tưởng tượng không-thời gian là một mặt hồ phẳng lặng. Đặt lên đó một chiếc thuyền có khối lượng, nó đóng vai trò là một lỗ đen hoặc sao neutron. Mặt hồ bị biến dạng.

Một đối tượng di chuyển trong không-thời gian sẽ tạo ra sóng hấp dẫn

Nhưng điều gì xảy ra khi chiếc thuyền bắt đầu di chuyển? Nó sẽ tạo ra sóng, chắc chắn. Vậy là khi một đối tượng di chuyển trong không-thời gian, nó phải tạo ra sóng hấp dẫn - những gợn biến dạng lăn tăn của không-thời gian.
Đó chính là tiên đoán của Einstein vào năm 1916 dựa trên Thuyết Tương đối rộng, mở đầu cho một thế kỷ tìm kiếm “chiếc chìa khóa” quan trọng của vũ trụ mang tên sóng hấp dẫn.
Cuộc tìm kiếm kéo dài 100 năm
Bởi sự hạn chế của công nghệ cùng với nhiều biến động trong lịch sử nhân loại, các nhà khoa học đã phải đợi gần 60 năm để có được dấu mốc tiền đề, gián tiếp chứng minh sự tồn tại của sóng hấp dẫn.
Năm 1974, hai nhà thiên văn Russell Hulse và Taylor Joseph, trong khi quan sát vào một vùng không gian sâu, đã phát hiện một cặp đôi sao neutron. Điều này giống như họ may mắn tìm thấy ra hai chiếc thuyền lớn hiếm hoi đang di chuyển trên mặt hồ không-thời gian.
Họ ngay lập tức sử dụng cơ hội này để kiểm tra Thuyết Tương đối rộng của Einstein cùng với sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Công việc diễn ra suốt nửa thập kỷ. Cho đến năm 1979, các kết quả đo đạc được công bố cho thấy hai ngôi sao đang mất dần năng lượng để chuẩn bị va chạm vào nhau trong 300 triệu năm.
Hulse và Taylor chứng minh đây chính là hệ quả của việc hai ngôi sao di chuyển gây ra sóng hấp dẫn. Điều này hoàn toàn trùng khớp với dự đoán trong lý thuyết của Einstein. Giải Nobel năm 1993 đã được trao cho hai nhà khoa học, mặc dù họ không trực tiếp phát hiện sóng hấp dẫn.

Mô tả sóng hấp dẫn của một cặp sao đôi

Trở lại năm 1992, ba nhà vật lý Kip Thorne và Ronald Drever đến từ Viện công nghệ California cùng Rainer Weiss đến từ MIT nhận ra rằng công cuộc tìm kiếm sóng hấp dẫn của nhân loại sẽ là một chặng đường dài và sẽ cần một dự án cực lớn. Họ cùng nhau thành lập nên Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO).
Dự án của LIGO quy tụ 900 nhà khoa học đến từ 15 quốc gia trên thế giới. Các cơ sở thí nghiệm hiện đại nhất của nó được đặt tại Hoa Kỳ với sự đầu tư cả tỷ USD đến từ Quỹ Khoa học quốc gia (NSF).
Mặc dù vậy, suốt khoảng thời gian từ khi bắt đầu đi vào hoạt động năm 2002 cho đến năm 2010, hầu như LIGO không đạt được bất kỳ một phát hiện quan trọng nào. Nó được đưa vào giai đoạn nâng cấp sau đó vài năm để tăng độ nhạy của thiết bị lên gấp 4 lần.

Hai nhà vật lý học Rainer Weiss đến từ MIT (trái) và Kip Thorne đến từ Viện Công nghệ California (phải)

Trong thời gian này, năm 2014, các nhà khoa học tại Đài thiên văn BICEP 2 tại Nam Cực bất ngờ công bố một công trình cho thấy họ phát hiện sóng hấp dẫn từ vụ nổ Big Bang. Tưởng chừng như LIGO đã bị vượt mặt trên đường chạy của mình, các dữ liệu của BICEP 2 không lâu sau đó được chứng minh là không chính xác.
Tháng 2 năm 2015, hai trạm quan trắc của LIGO tại Louisiana và Washington được đưa vào chạy thử nghiệm trở lại sau quá trình nâng cấp. Họ thu nhận những dao động đến từ sự kiện hai hố đen sáp nhập trong khoảng thời gian 1,3 tỷ năm về trước.

Các cơ sở nghiên cứu của LIGO trên toàn thế giới

Các dữ liệu không lâu sau đó được phân tích vào ngày 14 tháng 9 năm 2015 bởi Marco Drago, một nghiên cứu sinh người Ý đã khiến anh trở thành người đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn.
Marco Drago khi đó đã ngay lập tức thông báo tới các chuyên gia trong dự án LIGO. Cùng với đó là nhiều tin đồn rò rỉ trong giới nghiên cứu vật lý và thiên văn học rằng cuối cùng sóng hấp dẫn cũng được tìm ra.
Các nhà khoa học tại LIGO quyết định giữ bí mật thông tin để kiểm tra lại nhiều lần thí nghiệm của họ. Cuối cùng, dấu mốc lịch sử được chốt lại trong cuộc họp báo ngày 11 tháng 2 năm 2016 tại Hoa Kỳ.
"Thưa quý vị, chúng tôi đã phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn. Chúng tôi thực sự đã làm được”, David Reitze, Giám đốc điều hành Phòng thí nghiệm LIGO tại Viện công nghệ California tuyên bố.
Tại sao phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn lại khó khăn đến vậy?
Ngay từ những lời tiên đoán ban đầu, chính Einstein cũng nghi ngờ rằng nhân loại liệu có đủ khả năng để phát hiện ra sóng hấp dẫn. Lí do đến từ việc những gợn sóng sẽ có kích thước cực nhỏ.
Trong vũ trụ, chỉ có những hiện tượng “cực đoan” siêu lớn mới có khả năng tạo ra sóng hấp dẫn đủ mạnh để chúng ta quan sát từ Trái Đất. Chúng có thể là hai sao neutron va chạm, sự sáp nhập hai hố đen hoặc là vụ nổ thảm khốc của một sao khổng lồ. Mặc dù vậy, những gợn sóng đến từ hai hố đen sáp nhập có quy mô 1 triệu km sẽ chỉ có thể ghi nhận ở kích thước 1 nguyên tử trên Trái Đất.
“Tương tác hấp dẫn là một lực cực kì yếu”, Bartos, một thành viên của LIGO giải thích. “Tuy nhiên, có một điều mà chúng tôi có thể mong đợi. Các tín hiệu phân rã chậm hơn nhiều so với ánh sáng. Sóng hấp dẫn mờ dần trên khoảng cách xa, tuy nhiên, quá trình này không quá nhanh chóng”.

Một trung tâm thí nghiệm của LIGO

Để ghi nhận những đợt sóng cực yếu, LIGO sử dụng hai máy dò cực lớn sử dụng laser trong những đường ống dài 4 km. Điều này được nhà vật lý Szabi Marka đến từ Đại học Columbia, cộng tác viên trong dự án so sánh như một đôi tai khổng lồ chỉ để “nghe” những gợn sóng cực nhỏ.
Mặc dù vậy, thiết bị của LIGO đủ nhạy để phát hiện ra những rối loạn nhỏ của không-thời gian. “Chúng nhỏ hơn nhiều so với kích thước của những nguyên tử làm nên chính máy dò”, Marka cho biết.
Để tưởng tượng về độ nhạy cảm cần thiết, tiến sĩ Comics, một thành viên khác của LIGO cho biết nó giống như phát hiện “một cây gậy dài 1 tỷ tỷ km thu nhỏ xuống còn 5 mm”.

Các nhà nghiên cứu tại LIGO thao tác với thiết bị thí nghiệm

Trong một hình dung khác, phát hiện sóng hấp dẫn của LIGO giống như tìm thấy thiên hà Milky Way với chiều rộng 100.000 năm ánh sáng đã bị thu hẹp xuống độ dài của một cục tẩy bút chì.
Các thiết bị của LIGO cũng cần phải tránh những rung động nhiễu. Ngay cả xe chạy trên đường cũng có thể gây ảnh hưởng tới kết quả đo. Nó có thể bị nghi ngờ ngay cả khi LIGO sở hữu những hệ thống chống rung tốt nhất thế giới.
Như vậy, không khó hiểu khi phải mất tới 100 năm trên những chặng đường dài để tìm ra sự hiện diện của sóng hấp dẫn trên Trái Đất.

Bên ngoài đường ống thí nghiệm của LIGO

Thành quả ngọt ngào
Vượt qua rất nhiều khó khăn trên chặng đường 1 thế kỷ, đây là lúc nói về những thành quả ngọt ngào. Sóng hấp dẫn được phát hiện sẽ trở thành một công cụ tuyệt vời để nghiên cứu vũ trụ.
Hãy nhìn lại những công cụ chúng ta có ngày nay: ánh sáng, sóng radio, tia hồng ngoại, tia X và gamma. Chúng đều chỉ là sóng điện từ và chịu rất nhiều tác động khi di chuyển trong vũ trụ.
Chỉ một phần nhỏ bức tranh vũ trụ được hé lộ nếu chúng ta tiếp tục sử dụng sóng điện từ. Điển hình, các lỗ đen sẽ chôn vùi cả ánh sáng sau chân trời sự kiện của nó. Tuy nhiên, các nhà khoa học có thể thu được sóng hấp dẫn để tìm hiểu một lỗ đen. Nó không vấp phải quá nhiều trở ngại khi di chuyển trong không gian mà lại mang theo một lượng thông tin phong phú.

LIGO phát hiện sóng hấp dẫn như thế nào?

Bên cạnh đó, một ứng dụng tuyệt vời của sóng hấp dẫn là nghiên cứu các vụ nổ siêu tân tinh. “Sóng hấp dẫn sẽ đến Trái Đất sớm hơn bất kỳ loại ánh sáng nào”, Bartos nói. “Khi lõi của một ngôi sao lớn bắt đầu sụp đổ, siêu tân tinh hình thành một lỗ đen. Nhưng phía ngoài bề mặt của nó không cho biết lõi bên trong đã sụp đổ”.
Đây là lí do chúng ta có thể sử dụng sóng hấp dẫn để phát hiện sự kiện này nhanh hơn các kính viễn vọng hàng giờ đồng hồ. Công cụ mới cũng có thể khiến chúng ta quan sát khu vực quan trọng nhất trong một vụ sụp đổ: lõi của các ngôi sao, nơi một hố đen được sinh ra. Trong khi đó, kính viễn vọng hiện đại nhất của nhân loại cũng chỉ dừng lại ở những quan sát bề mặt.

Những vụ nố siêu tân tinh sẽ trở nên rõ ràng hơn nếu sử dụng sóng hấp dẫn để quan sát

Một vụ nổ siêu tân tinh chỉ diễn ra vài lần mỗi 100 năm trong thiên hà Milky Way. Trong thời gian đó, sóng hấp dẫn có thể được sử dụng để quan sát thêm các hiện tượng thường xuyên hơn như sáp nhập lỗ đen hay hai sao neutron va chạm. Đây là những “viên gạch” rất quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về thiên hà.
Quan sát sóng hấp dẫn còn mở ra hi vọng thăm dò tận sâu vào bên trong các ngôi sao, lý giải sự bí ẩn trong hoạt động của hố đen và những bức xạ phát ra từ sự kiện khởi đầu vũ trụ.
Tựu chung lại, sóng hấp dẫn là yếu tố nắm giữ chìa khóa cho một loạt câu hỏi về sự hoạt động của vũ trụ. “Nếu nhìn thấy sóng hấp dẫn, bạn có thể nhìn ngược về 1 phần tỷ giây đầu của vụ nổ Big Bang. Loài người không còn cách nào khác nếu muốn khám phá nguồn gốc của vũ trụ”, Tuck Stebbins, trưởng phòng thí nghiệm Vật lý học thiên thể tại Trung tâm Không gian Goddard thuộc NASA cho biết.
Kết luận
Ngày hôm qua chắc chắn là một ngày tuyệt vời đối với bất kể một nhà vật lý nào. "Phát hiện và đo đạc sóng hấp dẫn là chiếc Chén thánh trong lý thuyết tương đối rộng của Einstein" Giáo sư Bob Bingham đến từ Hội đồng Khoa học và Công nghệ tại Harwell Campus, Anh cho biết.
Trong khi đó, Abhay Ashtekar, giám đốc Viện Lực hấp dẫn và Vũ trụ thuộc Đại học Penn State, Hoa Kỳ, phát biểu trên tờ Reuters: “Phát hiện sóng hấp dẫn sẽ mở ra một ô cửa sổ mới để quan sát vũ trụ”. Nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking thì gọi đây là một khám phá “sánh ngang với việc phát hiện ra hạt Higgs Boson”. Ông chúc mừng đội ngũ các nhà khoa học tại LIGO vì cột mốc tuyệt vời này.

Những nhà khoa học đứng đầu dự án LIGO

Đứng ở một góc độ khác, các nhà khoa học tại LIGO biết rằng họ còn rất nhiều việc phải làm để biến những mơ mộng hôm nay thành hiên thực. “Ngay bây giờ, các công cụ sử dụng sóng hấp dẫn để quan sát vũ trụ mới chỉ được xây dựng trên mô hình máy tính”, Bartos cho biết.
Tuy nhiên, ông cũng nói thêm về những dự định trong tương lai: “LIGO sẽ trải qua một quá trình nâng cấp mới để tiếp tục tăng độ nhạy đến 3 lần trong vòng 3 năm tới”. Một máy dò thứ 3 cũng đang được đội ngũ lên kế hoạch xây dựng ngay trong năm nay. Tất cả sẽ sẵn sàng cho những khám phá mới.

Tham khảo Techinsider, Wikipedia, Iflscience

Tương lai của vật lý học hiện đại đã khởi nguồn từ hôm nay

Giới khoa học thế giới đang chao đảo với đầy sự phấn khích bởi người ta đã tìm thấy sóng hấp dẫn, "tận tai nghe được âm thanh từ vụ va chạm của 2 lỗ đen", vật lý học lại bước sang một trang mới và phát hiện này được ví như tầm quan trọng của tia X đối với ngành y học vậy. Nhân đây, xin kể câu chuyện thú vị về quá trình các nhà khoa học tìm ra nhân tố bí ẩn của vũ trụ này, từ đó phần nào hiểu được những khó khăn mà họ phải trải qua, những kỳ diệu của tạo hóa và cả bộ não tiên tri đi trước thời đại hàng trăm năm của thiên tài Albert Einstein.

Bài có vẻ khá dài nên mình tóm tắt lại bằng mindmap bên dưới đây cho các bạn tiện theo dõi, tuy nhiên nếu đã đọc thì nhiều cái thú vị lắm

Chiến tranh giữa các lỗ đen: cách đây rất lâu, ở nơi rất xa trong vũ trụ,...

Cách đây chỉ khoảng vài tỷ năm, nhiều triệu thiên hà đã có mặt, một cặp lỗ đen không biết vì hiềm khích gì đã lao đầu vào nhau, mở đầu cho một trong những câu chuyện hấp dẫn nhưng đầy thách thức của vật lý học hiện đại. Khi đó chúng cuộn xoắn, ngày càng tiến vào nhau trong khoảng một tỷ năm với vũ điệu có thể nói là dữ dội nhưng cũng lãng mạn nhất vũ trụ. Tại thời điểm chỉ còn cách nhau khoảng vài trăm kilomet, chúng đột ngột đảo ngược với tốc độ gần như của ánh sáng, đồng thời "rùng mình" phát ra năng lượng hấp dẫn. Không gian và thời gian khi đó đã bị bóp méo tương tự như bọt nước lăn tăn khi đun sôi lên.

Trong khoảng khắc sắp phải sáp nhập với nhau, chúng phát xạ ra lượng năng lượng lớn hơn bất kỳ ngôi sao nào trong vũ trụ. Một lỗ đen mới được hình thành, nặng hơn Mặt Trời của chúng ta 62 lần và gần như chỉ rộng bằng một tiểu bang Maine của Mỹ. Sau đó, dường như nó có thể tự đánh bóng bôi trơn, tạo thành hình cầu hơi phẳng và bắt đầu thu lấy năng lượng đã trốn thoát. Sau đó, không gian và thời gian lại tiếp tục im lặng một cách đáng sợ như chưa có chuyện gì xảy ra.

Ảnh render mô phỏng khối lượng bẻ cong không thời gian theo giả thuyết của Einstein

Những gợn sóng hấp dẫn được đẩy đi ra mọi hướng và càng đi xa càng suy yếu dần. Khi đó trên Trái Đất, khủng long đã phát sinh, đã phát triển và đã tuyệt chủng nhưng rồi những con sóng ấy vẫn tiếp tục được duy trì dù ngày càng yếu đi. Khoảng 50 ngàn năm trước đây, những con sóng hấp dẫn này đã đi vào thiên hà Milky Way của chúng ta, cũng trong khoảng thời gian đó, Homo sapiens bắt đầu lên thống trị hành tinh mang tên Trái Đất. Và rồi loài người cứ phát triển, xây dựng nền văn minh của họ cho tới cách đây khoảng 100 năm, Albert Einstein, một trong những thành viên cao cấp của Homo sapiens, đã dự đoán sự tồn tại của những con sóng hấp dẫn này và từ đó, ông đã truyền cảm hứng cho những suy đoán và tìm kiếm trong vô vọng suốt nhiều thập kỷ nay.

Lần đầu phát hiện ra sóng hấp dẫn, thế giới rúng động với sự phấn khích và hoài nghi của chính người phát hiện

Macro Drago - người đầu tiên quan sát được tín hiệu của sóng hấp dẫn

Lại nói tới chuyện cách đây 22 năm, người ta bắt đầu xây dựng Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế ( LIGO). Sau đó tới 14/9/2015, một con sóng hấp dẫn đã đi tới Trái Đất và khi đó, Marco Drago, một nghiên cứu sinh tiến sĩ người Ý 32 tuổi đã trở thành người đâu tiên thông báo điều này. Khi đó, ông đang ngồi trước màn hình máy tính tại học viện Albert Einstein ở Hannover, Đức và theo dõi dữ liệu từ LIGO.

Những con sóng khi đó xuất hiện trên màn hình như sóng bị nén lại, nhưng với đôi tai thính nhất mà con người tạo ra của LIGO, những rung động tinh tế chưa tới 1 phần ngàn tỷ cm đã được nghe bởi các nhà khoa học và họ gọi đây là tiếng hót mờ nhạt của vũ trụ. Hôm nay, tại một cuộc họp báo tại Mỹ, nhóm nghiên cứu LIGO chính thức tuyên bố đó thật sự chính là tín hiệu của sóng hấp dẫn - lần đầu tiên trong lịch sử nó được quan sát trực tiếp, nghe tận tai.

Khi Drago nhìn thấy tín hiệu này, ông đã không khỏi choáng váng: "Thật là khó để biết tôi phải làm gì tiếp theo khi chứng kiến điều đó." Khi đó ông đã thông báo với một đồng sự, người đã nhanh trí gọi điện cho phòng vận hành LIGO ở Livingston, Louisiana. Giới khoa học bắt đầu lan truyền với nhau và ngày càng có nhiều người tham gia vào dự án. Tại California, Mỹ, David Reitze, giám đốc điều hành của LIGO cho biết: "Tôi không nhớ là lúc đó đã nói gì nữa. Hình như là chết tiệt, cái quái gì đây".

Vicky Kalogera, giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Northwestern cho biết: "Chồng tôi gọi nhưng tôi bỏ mặc. Tôi hoàn toàn lờ đi và chỉ chạy tới lướt qua hàng loạt các email lạ và nghĩ rằng, điều gì đang xảy ra vậy." Trong khi đó, Rainer Weiss, nhà vật lý học đã lần đầu tiên đề xuất xây dựng LIGO vào năm 1972 lúc đó đang đi nghỉ mát nhận được tin đã đăng nhập vào hệ thống, nhìn thấy tín hiệu và hét lên "Chúa ơi". Tiếng hét đủ lớn để con trai và vợ của ông phải chạy đến hỏi xem có chuyện gì khủng khiếp đã xảy ra. Thật sự quá khủng khiếp.

Một phát hiện phi thường cần những bằng chứng phi thường

Vui đủ rồi, đội ngũ phòng thí nghiệm bắt đầu tiến hành một quá trình gian khổ để kiểm tra dữ liệu, không chỉ 1 lần mà 2 lần, 3 lần, 4 lần,... Reitze cho biết: "Chúng tôi thường nói với nhau rằng Chúng ta đã thực hiện những phép đo chỉ bằng 1 phần nhiều ngàn đường kính của một proton và điều đó sẽ kể với chúng ta câu chuyện về 2 lỗ đen sáp nhập với nhau cách đây hàng tỷ năm. Đây là một tuyên bố phi thường và nó cần phải có những bằng chứng phi thường để xác thực."

Cùng lúc đó, các nhà khoa học tại LIGO đã tuyên thệ tuyệt đối giữ bí mật quá trình nghiên cứu của họ. Tuy nhiên, không tránh khỏi những tin đồn lan rộng ra trong giới khoa học từ tháng 9 năm ngoái cho tới mới đây, các phương tiện truyền thông, các báo khoa học cứ lâu lâu lại đưa tin và có khi, người ta còn dự đoán về một giải Nobel được trao cho nhóm nghiên cứu. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu vẫn tiếp tục âm thầm làm việc và nếu có ai hỏi thì câu trả lời cứ là "vẫn đang phân tích dữ liệu, chưa có gì để thông báo." Thậm chí, các nhà nghiên cứu còn không được nói với chồng hoặc vợ của họ.

Sơ qua một chút về LIGO

Ảnh chụp đài quan sát LIGO nhìn từ trên cao

LIGO bao gồm 2 cơ sở cách nhau gần 3000 km, khoảng 3,5 giờ bay bằng máy bay chở khách nhưng đối với sóng hấp dẫn, nó chỉ mấy khoảng 10 phần vài nghìn giây để bay tới. Một máy dò được đặt ở Livingston, Louisiana, nằm trong một khu đầm lầy ở phía đông Baton Rouge, bao quanh là những từng thông. Cái còn lại đặt ở Hanford, Washington, nằm ở rìa phía tây nam của một trong những khu vực sa mạc bị ô nhiễm hạt nhân cao nhất ở Hoa Kỳ mặc dù các lò phản ứng ở đây đã ngừng hoạt động.

Ảnh chụp từ Google Map khu vực đặt 2 máy dò LIGO

Ở cả 2 khu vực, một cặp ống bê tông cao 3,6 mét kéo dài về 2 phía gần như vuông góc với nhau, do đó nhìn từ trên cao xuống trông như một cái eke mà chúng ta hay dùng để vẽ góc vuông. Mỗi đường ống dài khoảng 4 km và phải được nâng lên khỏi mặt đất khoảng 1 mét ở mỗi đầu để giữ cho chúng nằm thẳng trên mặt đất vốn dĩ cong ở bên dưới. Xây ra công trình lớn và đầy tốn kém như thế nhưng mục đích cuối cùng là khám phá ra thêm bằng chứng về thuyết tương đối phổ quát của Einstein. Lý thuyết được Einstein đưa ra một cách đơn giản nhưng ông nào biết quá trình chứng minh nó khó khăn đến thế. Theo ông thì không thời gian sẽ bị bẻ cong khi có sự hiện diện của khối lượng và độ cong này sẽ tạo ra một hiệu ứng gọi là sự hấp dẫn.

Khi 2 lỗ đen đi vào quỹ đạo của nhau, chúng sẽ kéo căng và siết chặt không thời gian giống như trẻ em đang chạy chơi trên một tấm đệm lò xo, hình thành nên những rung động rất mạnh và những rung động này được gọi là sóng hấp dẫn. Các sóng này luôn du hành từ nguồn phát tới khắp vũ trụ, tới cả chúng ta và về cơ bản thì nó yếu hơn rất nhiều so với các lực cơ bản khác, do đó chúng ta không bao giờ cảm nhận được chúng. Chính Einstein còn nghĩ rằng gần như không bao giờ phát hiện ra được sóng hấp dẫn. Thậm chí có 2 lần Einstein còn cho rằng nó không tồn tại, sau đó lại đổi ý và cho rằng nó tồn tại. Nói vậy chứ chỉ riêng thiết kế và xây dựng nên LIGO cũng mất của các nhà khoa học vài thập kỷ gian khổ chứ chẳng chơi.

Thất bại của Joe Weber và thành công của những người đi sau ông

Thiết bị dò sóng hấp dẫn của Joe Weber

Gần 5 thập kỷ sau tuyên bố của Einstein, chưa có ai nghĩ tới chuyện sẽ xây dựng một công cụ để phát hiện sóng hấp dẫn. Người đầu tiên nghĩ tới chuyện đó là giáo sư Joe Weber tại Đại học Maryland. Ông đã đặt tên cho thiết bị này ăng ten cộng hưởng. Đó là một ống bằng nhôm, về cơ bản hoạt động như một cái chuông và ông tin rằng nó sẽ giúp khuếch đại tín hiệu yếu ớt của sóng hấp dẫn. Khi sóng hấp dẫn chạm vào ống này, nó sẽ rung động rất nhẹ và bằng cách sử dụng những cảm biến xung quanh nó để chuyển thành tín hiệu điện để quan sát được.

Nhằm đảm bảo triệt tiêu hết những dao động khác như xe chạy, động đất nhẹ,... có thể gây nhiễu kết quả, Weber đã phát triển một số biện pháp bảo vệ: ông đặt các ăng ten vào trong chân không, đồng thời chế ra 2 cái để cùng nhau chạy ở 2 vị trí riêng biệt. Nếu cả 2 cùng có phản ứng giống nhau trong gần như cùng một thời điểm thì ông sẽ kết luận rằng đó có thể là sóng hấp dẫn. Vào tháng 6/1969, Weber tuyên bố rằng ăng ten của ông đã có một phát hiện gì đó. Khi đó giới vật lý và báo chí tưởng chừng như Weber đã thành ông. Tờ Time giật tít "một chương mới trong quá trình quan sát vũ trụ của con người đã mở ra".

Sau đó, Weber công bố những tín hiệu mà ông thu thập được. Tuy nhiên, những nghi ngờ bắt đầu xuất hiện khi mà các phòng thí nghiệm khác cũng chế tạo thiết bị dò giống như Weber nhưng không đạt được kết quả như ông. Vào năm 1974, nhiều người kết luận rằng Weber đã sai lầm. Mặc dù vậy, ông tin rằng mình vẫn đúng và vẫn tiếp tục các thử nghiệm cho tới khi qua đời hồi năm 2000. Mặc dù thất bại, nhưng Weber đã để lại một di sản cho những nghiên cứu đi sau ông. Nó cung cấp một lời cảnh báo cho những "thợ săn sóng hấp dẫn" sau này rằng "tất cả chỉ là lừa dối, hãy cẩn thận và chỉ có Chúa mới biết điều gì đã xảy ra."

Và quên kể với các bạn rằng mặc dù mặc dù các nhà khoa học đã không thu được kết quả khi thử chế tạo ra thiết bị giống như của Weber nhưng họ đã được kích thích phải làm cái khác tốt hơn. Một trong số đó chính là nhà vật lý học tại MIT Rainer Weiss và ông chính là người đã bắt đầu thiết kế cái mà bây giờ chúng ta gọi là LIGO. Ông cho biết: "Tôi không thể hiểu những gì Weber đã đạt được. Tôi không nghĩ là nó đúng. Do đó tôi quyết định tự làm một cái khác."

Cách hoạt động của LIGO - thiết bị khổng lồ có hình chữ L

Sơ lược cấu tạo của máy dò LIGO

Theo nhà nghiên cứu Fred Raab, lãnh đạo phòng thí nghiệm tại LIGO tại Hanford thì trong quá trình tìm kiếm sóng hấp dẫn"hầu hết các hoạt động diễn ra bằng điện thoại." Hàng tuần có một cuộc họp để thảo luận dữ liệu và mỗi 2 tuần có thêm một cuộc họp để phối hợp dữ liệu thu được từ 2 máy dò với sự cộng tác của các nhà nghiên cứu đến từ Úc, Ấn Độ, Đức, Anh,... Raab cho biết: "Khi thức dậy vào lúc nửa đêm, cái chúng ta tôi mơ đều là máy dò. Các bạn có thể hiểu được sự thân quen của nó đối với chúng tôi."

Và cách dò của Weiss đề xuất hoàn toàn khác với cách của Weber và nói nôm na chính là một đài quan sát dạng chữ L. Có thể hình dung rằng nó giống như 2 người đang nằm trên sàn nhà, đầu chụm lại và phần cơ thể mở ra để hình thành nên một góc. Khi sóng hấp dẫn chạm vào, một người sẽ được nâng cao lên và người kia sẽ bị nhấn xuống. Một lát sau, điều ngược lại sẽ xảy ra. Và dựa theo ý tưởng này, Weiss đã phát triển nên một thiết bị với kích cỡ cực lớn để theo dõi sự chênh lệch độ cao giữa 2 nhánh của chữ L.

Để đảm bảo độ chính xác của LIGO, Weiss đã sử dụng ánh sáng như một chiếc thước đo. Weiss đã cho đặt bộ tia laser vào trong chỗ gấp khúc của chữ L và nó sẽ phát ra tia laser chạy dọc theo chiều dài của mỗi ống. Tia laser này sẽ chiếu vào một cái gương đặt ở cuối đầu ống, sau đó phản xạ lại máy dò. Tốc độ của ánh sáng di chuyển trong lòng ống là cố định nên không cần biết là nó dài bao nhiêu, chỉ cần đảm bảo không có không khí lọt vào bên trong thì ở điều kiện bình thường, 2 tia phản xạ lại sẽ cùng gập nhau ở góc chữ L. Khi có sóng hấp dẫn bước vào, chiếc gương và tia laser sẽ bị xô lệch đi một chút, dẫn tới sự mất đồng bộ khi phản xạ lại và đây chính là tín hiệu mà người ta tìm kiếm.

Tuy nhiên, trên đây chỉ là ý tưởng mà Weiss đã viết trong một báo cáo vào mùa xuân năm 1972 và thật sự nó chưa bao giờ được công bố rộng rãi. Tuy nhiên, theo Kip Thorne, giáo sư danh dự tại Caltech thì đây là một trong những tờ giấy vĩ đại nhất từng được viết ra. Tuy nhiên, ban đầu Thorne đã xem nhẹ thiết kế của Weiss và thậm chí ông còn từng ra bài tập cho sinh viên của ông, yêu cầu chứng minh rằng việc đo lường sóng hấp dẫn bằng laser kế là phi lý.

2 người đàn ông trong cùng một phòng khách sạn - cuộc nói chuyện định mệnh giữa đêm khuya

Nhà vật lý học Rainer Weiss và giáo sư Kip Thorne, 2 người có công lớn trong quá trình phát triển LIGO

Dù vậy, Thorne đã nhanh chóng thay đổi quan điểm khi ông có cuộc gặp gỡ với Weiss vào năm 1975, khi 2 người cùng được mới tới một cuộc trao đổi do NASA tổ chức. Vào đêm đó, 2 người đàn ông đã nói chuyện với nhau. Weiss hồi tưởng lại: "Tôi không nhớ nó đã xảy ra như thế nào nhưng chúng tôi đã ở chung phòng vào đêm đó. Chúng tôi đã ngồi với nhau trên một chiếc bàn nhỏ, cùng nhau viết nên những tờ phác thảo và các phương trình. Không có nhiều người trên thế giới này có thể nói chuyện như Thorne, nói về cái mà cả 2 đều suy nghĩ trong nhiều năm nay."

Và sau cuộc nói chuyện định mệnh đó, Weiss đã trở về MIT và chế tạo nên một phiên bản nhỏ của máy dò với mỗi đường ống dài 1,5 mét để thử nghiệm. Tuy nhiên, lãnh đạo tại MIT và một số đồng nghiệp của ông lại không đánh giá cao nghiên cứu của ông. Trong đó có cả Phillip Morrison, một nhà vậy lý thiên văn vốn có sức ảnh hưởng lớn trong giới vốn cho rằng lỗ đen không tồn tại, cũng tỏ ra không chú ý tới Weiss. Thật ra vào thời điểm đó thì đa số ý kiến cũng không tin là lỗ đen tồn tại bởi đó cũng chỉ là một hiện tượng giả thuyết, đồng thời nếu có thì sóng hấp dẫn do nó phát ra cũng rất yếu nên Morrison không tin rằng thiết bị của Weiss có thể phát hiện được.

Tuy nhiên, Thorne đã bị Weiss dụ thành công. Vào năm 1981, một nguyên mẫu thiết bị dò đã được Thorne chế tạo ở Caltech với 2 ống dò dài tới 40 mét. Đồng thời, một nhà vật lý người Scotland đã theo dõi toàn bộ quá trình và ông tiến hành cải thiện thiết kế ban đầu của Weiss.

Vào năm 1990, sau 1 năm nghiên cứu, nhóm 3 người là Weiss, Thorne và Drever đã cùng nhau thuyết phục quỹ khoa học quốc gia (NSF) để tài trợ xây dựng LIGO. Tổng chi phí ước tính của dự án là khoảng 272 triệu đô la, số tiền nhiều hơn bất cứ nghiên cứu nào được tài trợ bởi quỹ này. Và điều này lại tiếp tục là một cuộc chiến khi mà nhiều nhà khoa học cho rằng dự án LIGO rồi cũng chẳng đi tới đâu và cuối cùng chỉ là phí tiền. Khi đó giám đốc của NSF là Rich Isaacson đã rất đắn đó xem có nên tài trợ cho dự án hay không.

Rich Isaacson cho biết: "Nó không nên được xây dựng. Một vài thiết bị điên khùng chạy xung quanh nhưng không có tín hiệu nào được phát hiện, đồng thời nó còn phải sử dụng những thiết bị tạo chân không, triệt tiêu xung động địa chấn, hệ thống phản hồi... và có những thứ mà chưa bao giờ được phát minh ra." Tuy nhiên, may mắn là Isaacson đã từng viết một nghiên cứu về bức xạ hấp dẫn và ông tin rằng LIGO có thể là chìa khóa của vấn đề. Sau quá trình thuyết phục day dẳn, cuối cùng thì dự án cũng được chấp nhận và khởi công vào năm 1994.

Xây LIGO: ống chân không tinh khiết nhất thế giới, thiết bị đo nhạy nhất thế giới và còn nhiều cái nhất nữa,...

Các nhà khoa học đang làm việc bên trong đường ống dẫn của LIGO

Thật ra chuyện chưa dừng lại ở đó và người ta phải mất nhiều năm tiếp theo để phát triển đầy đủ những thiết bị dò nhạy nhất trong lịch sử nhân loại với khả năng không bắt được bất cứ thứ gì khác ngoài sóng hấp dẫn. Đơn cử việc rút không khí ra khỏi ống đã mất hết 40 ngày và kết quả là một ống chân không tinh khiết nhất từng được tạo ra trên Trái Đất. Chưa hết, người ta còn phải tìm cách loại bỏ ảnh hưởng của gió, của sóng biển, biến động trong lưới điện, nhiễu jitter của bản thân các nguyên tử, các cơn bão, sấm sét từ rất xa,... vốn có thể làm sai lệch kết quả đo, gây nhầm lẫn với sóng hấp dẫn.

Các thiết bị đều được kiểm tra cẩn thận trong điều kiện tuyệt đối vô trùng

Tất cả mọi thứ đều được loại bỏ hoặc kiểm soát tuyệt đối. Một hệ thống giảm sốc cực nhạy được trang bị cho gương phản chiếu để triệt tiêu các chấn động địa chấn. Các hệ thống cảm biến nhận diện chuyển động gây nhiễu của xe cộ, máy bay, động vật,... cũng được trang bị để tạo nên thứ tinh khiết nhất trên hành tinh này. Nếu được lựa chọn thì có lẽ đây là một trong những nơi yên tĩnh nhất hành tinh chúng ta.

Weiss chia sẻ: "Có hàng chục ngàn thứ, tôi nhấn mạnh là hàng chục ngàn thứ cần phải được kiểm soát. Mọi thứ đều phải được thực hiện một cách hoàn hảo nhất để không gì có thể gây nhiễu tín hiệu. Khi cần tiến hành tinh chỉnh, chúng tôi phải làm việc trong một căn phòng cực kỳ sạch sẽ, khử trùng tất cả mọi thứ, mặc những bộ đồ đảm bảo kín 100% bởi dù một tế bào da hoặc một hạt bụi nhỏ cũng vô tình phá hủy thí nghiệm."

Bên trong khu vực điều hành của LIGO

Cuối cùng vào năm 2001, phiên bản đầu tiên của LIGO đã chính thức đi vào hoạt động. Và trong 9 năm tiếp theo đó, các nhà khoa học liên tục theo dõi hiệu suất hoạt động của các thiết bị, đồng thời không ngừng cải thiện thuật toán phân tích dữ liệu của họ. Bên cạnh đó, 2 phòng thí nghiệm tại Caltech và cơ sở ở Đức liên tục phát triển những thiết bị mới, nâng cao độ nhạy của gương, laser, các công nghệ loại bỏ địa chấn, khử nhiễu,... để ngày càng hoàn thiên LIGO. Tới năm 2010, LIGO tạm dừng hoạt động để nâng cấp trong 5 năm với tổng chi phí 200 triệu đô la. Sau lần nâng cấp này, khả năng của LIGO đã được nâng lên gấp hàng nghìn lần so với trước đó.

Kiểm tra chất lượng quang học của thấu kính trong LIGO, giá mỗi cái chỉ có nửa triệu đô la

Tính riêng cái gương thôi đã rất kỳ công rồi. Mỗi bộ phận gương chỉ rộng khoảng 30 cm, nặng gần 40 kg và mỗi inch vuông trên đó được đánh bóng hàng trăm triệu lần để đảm bảo tạo ra một chiếc gương cầu hoàn hảo. Tiết lộ nhỏ thôi, mỗi chiếc có giá khoảng nửa triệu đô la để hoàn thành. Ban đầu thì những chiếc gương này được treo lên bằng dây thép nên mặc dù đã được xử lý giảm chấn nhưng vẫn chưa hoàn hảo. Sau lần cập nhật, người ta đính nó vào một hệ thống con lắc để hoàn toàn cách ly nó khỏi các chấn động.

Thành công

Vào ngày 13/9, các nhà khoa học vẫn còn dành ra suốt một ngày để tiến hành các bài test thiết bị trong LIGO. Gần như tất cả mọi bài test đều hoàn thành nhưng muộn hơn dự kiến, vẫn còn bài kiểm tra mô phỏng một chiếc xe tải nhấn phanh ở gần máy dò chưa làm, tuy nhiên vào 4 giờ sáng, nhóm vận hành quyết định đóng máy đi về, để cho LIGO tiếp tục tự thu thập dữ liệu. Không lâu sau đó, vào 4:50 theo giờ địa phương, một tín hiệu đã chạy qua 2 máy dò trong khoảng thời gian chưa tới 7 mili giây mỗi cái. Đó là thời điểm chỉ 4 ngày sau khi LIGO chính thức vận hành trở lại.

Giáo sư Reitze cho biết: "Thật sự thì việc kết quả đến sớm như vậy sẽ dẫn tới không ít hoài nghi bởi máy mới vừa được hoạt động trở lại không lâu. Tôi từng nói với mọi người rằng chúng ta sẽ không tìm thấy gì cho tới năm 2017 hoặc 2018 đâu."Nhưng rồi sau khi kiểm tra lại, kết quả đó thật sự là thật. Janna Levin, một giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Columbia, người không thuộc nhóm LIGO nhưng đã ngạc nhiên chia sẻ: "Khi tin đồn bắt đầu loan đi, tôi đã nhủ rằng Đến đi nào. Tín hiệu gần như quá hoàn hảo. Phần lớn chúng ta đều tin rằng nó là hoàn hảo khi mà đã có rất, rất nhiều máy tính, rất nhiều tính toán được tiến hành để tách nó ra khỏi nhiễu âm."

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại LIGO đã lập hẳn một đội ngũ khách quan kiểm chứng lại kết quả này. Mặc dù rất tin tưởng vào kết quả, nhưng nhóm 4 thành viên này phải xem như mù, độc lập kiểm tra lại rất nhiều lần kết quả thu được và cuối cùng, họ xác nhận rằng các sóng hấp dẫn này đến từ đâu đó ở chòm sao Đại Khuyển (Canis Major). Dù vậy, họ vẫn chưa công bố vội và vẫn tiếp tục củng cố bằng chứng. Thậm chí, họ tự đặt ra câu hỏi rằng "có phải ai đó trong nhóm đã làm giả tín hiệu mà chúng ta không biết?". Và công tác kiểm chứng cứ tiếp tục cho tới khi các nhà khoa học đều tin rằng không một ai có thể qua mặt được các tính toán thực hiện bởi các hệ thống mạnh mẽ và những thuật toán chính xác thuộc hàng nhất thế giới này.

Nhóm quyết định lập hồ sơ tuyên bố kết quả, bao gồm cả nêu rõ cách họ canh chỉnh thiết bị, chia sẻ mã nguồn phần mềm họ sử dụng, lên danh sách những nhiễu loạn và cách loại bỏ chúng, bao gồm cả những cơn bão ở Thái Bình Dương, các dao động ở tầng điện ly, một trận bão sét lớn ở châu Phi,.... Cuối cùng, họ tuyên bố rằng loại bỏ các yếu tố gây nhiễu thì phát hiện lần này đạt ngưỡng 5 sigma (một tiêu chuẩn vàng khi tuyên bố một khám phá vật lý).

Quan trọng hơn nữa, họ khẳng định đây chính là sóng hấp dẫn đến từ một cặp lỗ đen va vào nhau. Bằng cách khai thác thêm thông tin từ sóng hấp dẫn, họ biết được thêm về kích thước, khối lượng của lỗ đen, tốc độ quỹ đạo của nó, thời điểm chính xác mà chúng va vào nhau và một lần nữa, khẳng định rằng lỗ đen có tồn tại 100%, không còn bất cứ nghi ngờ nào nữa. Phát hiện lần này đã chứng minh rằng Einstein đã đúng khi nó về khía cạnh vật chất của vũ trụ.

Mặc dù lý thuyết của Einstein nói về lực hấp dẫn nhưng trước giờ người ta mới kiểm chứng được trong khuôn khổ của Hệ Mặt Trời, bây giờ người ta mở rộng ra tính đúng đắn của nó trên phạm vi toàn vũ trụ. Weiss cho biết: "Bạn nghĩ rằng lực hấp dẫn của Trái Đất là cái khiến bạn mệt khi leo cầu thang. Chưa đâu! Khi mà vật lý ngày càng phát triển, đó chỉ là một hiệu ứng nhỏ, vô cùng nhỏ, cực kỳ nhỏ của lực hấp dẫn mà thôi." Vậy làm thế nào hồi năm 1916 Einstein có thể nghĩ ra được điều này, điều mà mãi 100 năm sau người ta mới thật sự quan sát được. Tưởng tượng gương mặt của Einstein sẽ ra sao khi ông biết được mình đã đúng sau 100 năm? Có lẽ ông đang mỉm cười dưới ngôi mộ kia.

Vật lý sẽ không chết, tương lai của vật lý học hiện đại đã khởi đi từ hôm nay

Gõ đã khá mỏi tay nhưng mình thật sự phấn khích với phát hiện lần này. Nếu các nhà khoa học này đến Việt Nam mình sẽ khui hẳn một chai rượu ngon để uống mừng cùng với họ bởi lẽ đây là một thành công vượt bậc, một thành công mà suốt 100 năm qua, nhiều người cho tới lúc nhắm mắt vẫn mong muốn một lần chứng kiến. Cách đây không lâu mình đọc một bài phân tích rằng vật lý học rồi sẽ chết bởi nó đã đạt tới ngưỡng không thể giải thích được các lý thuyết. Phát hiện lần này đã phủ nhận hoàn toàn điều đó.

Kể từ thời của Galileo, người ta cho tới nay vẫn dựa vào ánh sáng để khám phá vũ trụ. Tuy nhiên, thành công lần này của LIGO đã cung cấp thêm một công cụ mới, vẫn đảm bảo tính sờ tận tay, nghe tận tai, thấy tận mắt của khoa học và đưa con người tiến xa hơn vào những bí ẩn của vũ trụ. Con người sẽ bớt sợ vũ trụ hơn, nhiều khám phá khác sẽ được thực hiện trong tương lai. Còn lần này, một điều mà khám phá lần này đã dẫn tới chính là chuyện du hành thời gian, mình sẽ nói với các bạn trong bài viết tới. Cám ơn các bạn đã đọc câu chuyện dài hơi này. Chúc vui vẻ.

Tham khảo Komar, SM (1), (2), (3), Physufl, UMD, Forbes, Naure, NY, Wiki, Lavin

Nguồn Tinh Tế

Tìm kiếm Blog này

Đại Chúng

CÂU CHUYỆN KHOA HỌC 58