Nghe thấy sóng hấp dẫn!

Nguyễn Đình Đăng (tổng hợp và dịch)

Thật sự là chưa có phát minh vật lý nào trong hai thập niên 1994 – 2016 lại lôi cuốn tôi như sự kiện ngày hôm qua khi được tin các nhà vật lý trong tổ hợp LIGO tại Hoa Kỳ đã phát hiện thấy sóng hấp dẫn (gravitational wave) lần đầu tiên kể từ tiên đoán của Albert Enstein cách đây một thế kỷ.

*

Hơn một tỉ năm trước, cách trái đất hàng triệu thiên hà, có 2 hố đen quay gần nhau, như hai võ sĩ vờn nhau theo vòng tròn trên xới vật. Mỗi hố đen có đường kính chừng 150 km và nặng gấp khoảng 30 lần mặt trời. Càng tiến lại gần nhau chúng càng quay nhanh hơn. Khi khoảng cách giữa chúng chỉ còn hơn 2 – 3 trăm cây số, chúng xoáy tít với tốc độ nhanh gần bằng khoảng một nửa vận tốc ánh sáng, phun ra những luồng năng lượng hấp dẫn khủng khiếp, làm biến dạng không – thời gian quanh chúng tương tự như nước đạt tới điểm sôi. Trong vòng chưa đầy 1/5 giây, hai hố đen nhập một, sinh ra một hố đen mới, nặng gấp 62 lần mặt trời, đồng thời tỏa ra các sóng hấp dẫn có năng lượng gấp khoảng 50 lần năng lượng của tất cả các tinh tú và thiên hà trong vũ trụ cộng lại. Các hiện tượng tương tự như thế này là điều thường xảy ra trong vũ trụ, nhưng đây là lần đầu tiên con người ghi nhận được một va chạm như thế được và cũng là lần đầu tiên con người quan sát được sóng hấp dẫn.

Hình ảnh computer mô phỏng hai hố đen quay cạnh nhau trước khi hòa nhập thành một

Sau khi hai hố đen nhập một, sóng hấp dẫn lan ra mọi hướng tương tự như sóng nước tỏa ra khi bạn ném một hòn đá xuống ao. Lan càng xa, sóng càng yếu đi. Trong khi sóng hấp dẫn truyền trong vũ trụ như vậy thì trên Trái đất các loài khủng long sinh ra, phát triển, rồi bị diệt vong. Khoảng năm sáu chục ngàn năm trước sóng hấp dẫn lan tới dải Ngân Hà, còn trên mặt đất khi đó, một nhánh trong giống Người Khôn (Homo sapiens) rời bỏ châu Phi và dần dần thay thế giống người vượn Neanderthal ở Tây Âu, Bắc Á và Trung Đông.

Một thế kỷ trước, một trong những đại diện thiên tài nhất của giống Người Khôn là Albert Einstein bằng thuyết tương đối rộng của mình đã tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Trong suốt 100 năm tiếp theo đồng loại của ông lao vào nghiên cứu để cố hiểu ý tưởng và lý thuyết của ông với biết bao suy diễn và tìm tòi vô hiệu quả.

Albert Einstein thè lưỡi tại sinh nhật 72 tuổi tổ chức ở CLB Đại học Princeton ngày 14.3.1951

Hai mươi bốn năm trước, một tổ hợp máy dò (detector) khổng lồ được khởi công xây dựng tại Hoa Kỳ với tổng chi phí trên 1 tỉ USD và hơn 1000 nhà khoa học tham gia. Tổ hợp này có tên “Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế tia laser” (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), viết tắt là LIGO.

LIGO dectector tại Livingston bang Louisiana, nơi đầu tiên phát hiện sóng hấp dẫn vào ngày 14.9.2015

Tổ hợp này gồm 2 máy dò, một đặt ở đài quan sát Hanford (bang Washington) tây bắc Hoa Kỳ, máy kia ở đài quan sát Livingston (bang Louisiana) đông nam Hoa Kỳ, cách nhau 3002 km. Khoảng cách lớn như vậy đủ để cảm nhận biến dạng của không gian khi sóng hấp dẫn lan truyền trên Trái đất. Mỗi máy dò gồm hai thanh ghép vuông góc thành hình chữ L, mỗi thanh dài 4 km, đặt trong ống chân không tuyệt đối. Tia laser chiếu từ đầu nọ tới đầu kia được phản chiếu nhiều lần nhờ các tấm gương gắn ở hai đầu mỗi thanh. Nếu không có sóng hấp dẫn, ánh sáng sẽ đi từ đầu này tới đầu kia mỗi thanh trong khoảng thời gian bằng nhau vì hai thanh dài bằng nhau. Nếu sóng hấp dẫn truyền qua, không gian bị giãn một chút theo một chiều và co ngắn một chút theo chiều vuông góc với nó. Kết quả là hai thanh sẽ có độ dài khác nhau. Bộ tách sóng quang (photodetector) sẽ ghi nhận sự sai khác độ dài đó qua sự dịch chuyển trên phổ giao thoa của sóng ánh sáng truyền theo hai thanh vuông góc. Thực chất đây là hệ thống được cải biên từ giao thoa kế do nhà vật lý Mỹ Albert Abraham Michelson (1852 – 1931) sáng chế và được dùng đo vận tốc ánh sáng lần đầu tiên cách đây ngót 130 năm trong thí nghiệm Michelson – Morley nổi tiếng. Độ chính xác trong đồng bộ hóa thu thập số liệu theo hệ thống định vị toàn cầu (global positioning system, viết tắt GPS) được kiểm tra bằng đồng hồ điện tử và máy thu GPS đặt tại mỗi đài quan sát. Độ nhạy của tổ hợp máy dò đạt được là 1 phần vạn đường kính của hạt proton (đường kính proton dài khoảng 1 femtometer hay 0.000 000 000 000 001 m).

Khoảng cách tính bằng giờ bay giữa Livingston (Louisiana) và Hanford (Washington) nơi đặt 2 detectors LIGO

LIGO bắt đầu hoạt động thử vào năm 2002. Năm 2010 LIGO không phát hiện ra sóng hấp dẫn nào. Các nhà khoa học sau đó đã tinh chỉnh nâng cấp toàn bộ tổ hợp lên một tầm mới, có tên Advanced LIGO, dự tính khai trương vào ngày 18.9.2015. Tuy nhiên, vào ngày 14.9.2015, lúc 16 giờ 50 phút 45 giây (giờ Hà Nội) sóng hấp dẫn đã tiến vào trái đất, và máy dò tại Louisiana phát tín hiệu. Sau đó 7 phần nghìn giây sóng hấp dẫn có dạng giống gần y chang cũng được phát hiện tại Washington. Các sóng hấp dẫn này lướt với tần số tăng từ 35 Hz tới 250 Hz, tức trong dải âm thanh từ note Do thăng thấp nhất (C#1, 34.7 Hz) tới note Do giữa (C4, 261.6 Hz) của phím đàn piano. (Nghe tín hiệu sóng hấp dẫn tại đây.)

Tín hiệu sóng hấp dẫn được phát hiện trên máy dò ngày 14.9.2015 tại Livingston (Louisiana) (trái) và Hanford (Washington) (phải)

Ngày 11.2.2016 các nhà khoa học của dự án LIGO chính thức công bố phát hiện sóng hấp dẫn. Ngày 12.2.2016 phát hiện của họ được công bố tại tạp chí Physical Review Letters. Biên tập viên của Physical Review Letters Robert Garisto nói rằng ông đã nổi da gà khi đọc bản thảo công trình nhóm LIGO gửi tới tòa soạn.

Việc phát hiện ra sóng hấp dẫn được ví như một người từng bị điếc, nay đột nhiên nghe được âm thanh. Phát hiện này đã mở ra một thời đại mới của thiên văn học – thời đại thiên văn học hấp dẫn (gravitational astronomy). Nó còn cho thấy vì sao Hoa Kỳ luôn đi đầu trong khoa học. Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ đã dũng cảm chi tiền cho những dự án gần như không tưởng thế này. Tiến sĩ Rainer Weiss của Đại học Công nghệ Masashussetts, một trong ba nhà vật lý khởi xướng dự án săn lùng sóng hấp dẫn, kể rằng khi ông lần đầu tiên giải trình dự án cho các quan chức tại Quỹ Khoa học Quốc gia đề yêu cầu tài trợ, tất cả nhìn ông như nhìn một người điên.

Tháng 3 năm 2014 một nhóm nghiên cứu khác có tên BICEP2 có đài thiên văn đặt ở Nam Cực cũng từng công bố phát hiện ra sóng hấp dẫn. Chưa đầy một năm sau các tác giả đã thừa nhận các tín hiệu họ tưởng là sóng hấp dẫn thực chất là do nhiễu từ bụi vũ trụ của giải Ngân Hà gây ra.

Phát hiện của nhóm LIGO lần này đã được các nhà khoa học thẩm tra rà soát kỹ càng hàng tháng trời trước khi chính thức công bố, để loại bỏ mọi khả năng tín hiệu rởm. Kết quả cũng sẽ được kiểm nghiệm lại bằng các thí nghiệm của các nhóm độc lập ở Châu Âu, Nhật Bản, Ấn Độ.

*

Leonardo da Vinci từng nói: “Khoái lạc cao quý nhất là niềm sung sướng của sự hiểu biết.” Hai thế kỷ trước triết gia vĩ đại Đức Athur Schopenhauer đã nói rõ hơn về điều này khi bàn về thiên tài. Schopenhauer viết:

“Không có sự khác nhau nào về thứ hạng, địa vị, xuất thân lại lớn như cái vực thẳm ngăn cách hằng hà sa số những người dùng cái đầu mình chỉ để phụng sự cái bụng, hay nói cách khác, coi nó như công cụ của ý chí, với một số rất ít những người hiếm hoi có can đảm để nói: Không! Cái đầu tốt hơn thế nhiều; cái đầu của tôi chỉ hoạt động phụng sự chính nó; nó phải cố hiểu cảnh tượng kỳ diệu và đổi thay của thế giới này, để rồi tái tạo lại dưới một hình thức nào đó, bằng nghệ thuật hay văn chương, phù hợp với tính cách của tôi như một cá nhân. Những người này là những người thực sự cao quý, là giới quý tộc đích thực của thế giới.”

Trí tò mò muốn hiểu bí ẩn của vũ trụ, cái đẹp của tự nhiên là động lực cao nhất khiến con người nghiên cứu khoa học và say mê nghệ thuật. Albert Einstein cũng đã từng nói:

“Cái đẹp nhất chúng ta có thể cảm nhận là sự huyền bí. Đó là nguồn của tất cả nghệ thuật và khoa học đích thực. Kẻ nào xa lạ với cảm xúc này, kẻ nào không thể chững lại để ngạc nhiên và kinh sợ, thì sống mà như chết rồi, có mắt cũng như mù.”

______________

Nguồn:

[1] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Physical Review Letters 116 (2016) 061102.

[2] Andrian Cho, Gravitational waves, Einstein’s ripples in spacetime, spotted for first time, Science, 11.2.2016.

[3] Davide Castelvecchi and Alexandra Witze, Einstein’s gravitational waves found at last, Nature, 11.2.2016.

[3] Dennis Overbye, Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein’s Theory, The New York Times, 11.2.2016.

[4] Nicola Twilley, Gravitational Waves Exist: The Inside Story of How Scientists Finally Found Them, The New Yorker, 11.2.2016.

_____________

© Nguyễn Đình Đăng, 2016 – Tác giả (dịch giả) giữ bản quyền bản quyền. Bạn đọc có thể lưu giữ các bài viết (bản dịch) của Nguyễn Đình Đăng để sử dụng cho cá nhân mình, chia sẻ nguyên văn và miễn phí trên internet. Mọi hình thức sử dụng khác như in ấn, sao chép, hiệu đính lại các bài viết (bản dịch) này, dù là một phần hay toàn bộ, để phát hành trong các ấn phẩm như sách, báo chí, luận văn, giáo trình, hay nhằm mục đích thương mại (kể cả tại các trang blog, thư viện điện tử trên internet mà để đọc được hay tải xuống người đọc phải trả tiền để mở tài khoản) v.v. đều vi phạm bản quyền nếu không nhận được sự đồng ý bằng văn bản của tác giả (dịch giả).