Nobel Vật lý 2017: Giải mã bí ẩn cuối cùng của Thuyết tương đối
[Ngày đăng 01/12/2017]

Năm 1916, trong một tính toán dựa trên thuyết tương đối rộng, nhà bác học thiên tài Albert Einstein đã dự đoán về sự tồn tại của một loại sóng mà ông gọi là sóng hấp dẫn. Gần một thế kỷ sau, ngày 14/9/2015, nhóm cộng tác khoa học Advanced LIGO lần đầu tiên thu được trực tiếp tín hiệu sóng hấp dẫn từ kết quả sáp nhập của hai lỗ đen. Đây là bước cuối cùng trên chặng đường chứng minh sự tồn tại của sóng hấp dẫn. 

Kết quả này đã đem lại giải thưởng Nobel Vật lý 2017 cho ba nhà vật lý dẫn đầu công trình: Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne.



Phát hiện làm đảo lộn cả thế giới

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), tức Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser, là một thí nghiệm vật lý quy mô lớn nhằm phát hiện trực tiếp sự tồn tại của sóng hấp dẫn. LIGO là dự án liên kết giữa các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts MIT, Viện Công nghệ California Caltech và nhiều học viện nghiên cứu khác, do ba nhà khoa học Rainer Weiss, Kip Thorne vả Ronald Drever thành lập vào năm 1992. Dự án nhận được nhiều tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) cũng như các hội đồng khoa học tại nhiều nước trên thế giới. 

Giai đoạn đầu tiên (2002-2010), LIGO không phát hiện ra sóng hấp dẫn và phải tạm ngừng hoạt động trong nhiều năm liền để nâng cấp. Dự án LIGO Tiên tiến (Advanced LIGO) bắt đầu từ năm 2008 nhằm nâng cấp những thiết bị dò để có độ nhạy cao hơn. Đến tháng 2/2015, hai trạm quan trắc tại Livingstone, Louisiana và Hanford, Washington đã hoàn thành việc nâng cấp và chạy thử. Tháng 9/2015, LIGO Tiên tiến thực hành quan trắc với độ nhạy gấp 4 lần so với LIGO trước kia, và sẽ tiếp tục được nâng cấp đến năm 2021.

Trong cuộc họp báo do Quỹ Khoa học Quốc gia và LIGO tổ chức ngày 11/2/2016, các nhà khoa học thông báo đã đo được trực tiếp sóng hấp dẫn trong ngày 14/9/2015, với kết quả của việc hai lỗ đen cách Trái đất khoảng 1,3 tỷ năm ánh sáng sáp nhập nhau tạo thành một lỗ đen quay mới (tức phải mất 1,3 tỷ năm thì tín hiệu này mới truyền được đến Trái Đất). Tín hiệu của sóng hấp dẫn ấy được thể hiện dưới dạng âm thanh nghe thấy được. Tính đến tháng 8/2017, LIGO đã có năm phát hiện sóng hấp dẫn, trong đó bốn phát hiện đầu xuất phát từ sự sáp nhập của hai lỗ đen. Phát hiện thứ năm vào ngày 17/8/2017 xuất phát từ sự sáp nhập của hai sao neutron, đồng thời cũng được phát hiện bởi các kính viễn vọng thông thường dưới dạng tín hiệu quang học.

Tuy được đánh giá cao về tầm quan trọng của công trình nghiên cứu này nhưng các nhà khoa học cũng lo ngại do nghiên cứu quá mới sẽ không thuyết phục được ủy ban chấm giải Nobel 2017. Vượt trên mong đợi, công trình này được Viện hàn lâm Khoa học Thụy Điển chấm giải và ba nhà khoa học Rainer Weiss, Barry Barish cùng Kip Thorne đã chiến thắng “cho những đóng góp quyết định đối với LIGO và việc quan trắc sóng hấp dẫn”. Weiss nhận được một nửa giải thưởng, nửa còn lại chia đều cho Barish và Thorne.

Phát hiện đột phá này được xem như là bước cuối cùng để khẳng định những dự đoán của nhà bác học đại tài Albert Einstein là đúng đắn và Thuyết tương đối là một lý thuyết hoàn hảo. Với phát hiện này, bí ẩn cuối cùng của Thuyết tương đối đã được giải đáp, mở ra cả một cánh cửa đầy hứa hẹn trong việc nghiên cứu vật chất tối, tìm hiểu về nguồn gốc của vũ trụ… Và như ông Göran Hansson - Tổng thư ký Viện hàn lâm Khoa học Thụy Điển nhận định: “Phát hiện của họ đã làm đảo lộn cả thế giới”.

Từ vật chất tối đến khởi thủy của vũ trụ

Trong vật lý thiên văn, thuật ngữ vật chất tối để chỉ một loại vật chất giả thuyết trong vũ trụ, có thành phần chưa hiểu được. Theo đó, vật chất tối không phát ra hay phản chiếu đủ bức xạ điện từ để có thể quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết bị đo đạc hiện nay, nhưng có thể nhận ra nó vì những ảnh hưởng hấp dẫn của nó đối với chất rắn hoặc các vật thể khác cũng như với toàn bộ vũ trụ. Dựa trên hiểu biết hiện nay về những cấu trúc lớn hơn thiên hà, cũng như các lý thuyết được chấp nhận rộng rãi về Big Bang, các nhà khoa học nghĩ rằng vật chất tối là thành phần cơ bản chiếm tới 70% vật chất (vật chất tối + vật chất thường) trong vũ trụ.


Mô phỏng sóng hấp dẫn. Ảnh: Newsing.vn

Vật chất tối cũng có vai trò quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc và sự tiến hóa thiên hà, và có ảnh hưởng đo được đến tính không đẳng hướng (anisotropy) của bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Các hiện tượng này chỉ ra rằng vật chất quan sát thấy được trong các thiên hà, các cụm thiên hà, và cả vũ trụ có ảnh hưởng đến bức xạ điện từ chỉ là một phần nhỏ của tất cả vật chất: phần còn lại được gọi là “thành phần vật chất tối”.

Bản chất của vật chất tối vẫn còn là một bí ẩn, nhưng các nhà khoa học đã ước tính rằng chúng dày đặc hơn gấp năm lần vật chất thông thường trong khắp vũ trụ này. Một nghiên cứu mới đã chỉ ra thiết bị dò tìm sóng hấp dẫn có thể giúp cung cấp những hiểu biết mới về vật chất tối. Các nhà khoa học này đã thiết kế một phép tính toán giả định rằng tồn tại dạng vật chất tối có thể tạo thành những đám hỗn độn xung quanh lỗ đen. Theo đó những đám hỗn độn này có thể phát ra sóng hấp dẫn mà thiết bị thiên văn tiên tiến hiện nay có thể đo đạc được. Nếu giả thuyết này được kiểm nghiệm, vật chất tối sẽ được khai lộ trước mắt con người.

Không dừng lại ở đó, sóng hấp dẫn còn cho các nhà khoa học biết các thông tin về khoảng cách và kích thước của nguồn phát cũng như giúp họ tái lập khoảnh khắc trước sự va chạm của hai lỗ đen. Từ đó, các quan sát bằng ánh sáng quang học và sóng điện từ sẽ lấp vào những chỗ trống mà sóng hấp dẫn không thể giải đáp. Nhờ vậy, con người sẽ biết được chính xác cấu tạo hóa học của vật thể cùng những gì được tạo ra sau vụ va chạm của các lỗ đen, điều mà đến nay vẫn còn nằm trong sự thao thức của các nhà vật lý lý thuyết và thiên văn học. 

Sự kiện sóng hấp dẫn còn đưa đến những khám phá tuyệt vời về nghi vấn liệu các nguyên tố kim loại trong bản tuần hoàn các nguyên tố hóa học có nguồn gốc từ Trái đất hay ngoài vũ trụ? Và vụ nổ từ sự va chạm giữa các sao neutron tạo ra các nguyên tố nặng như vàng, platinum, uranium đã giúp các nhà khoa học tìm thấy lời đáp cho nan đề trên. Tức Trái đất không phải là nơi khởi xuất các kim loại như sự xác tín của khoa học trước đây. 

Nhìn xa hơn, điều này còn gợi mở về một bước tiến vĩ đại, bước tiến trên con đường truy tìm nguồn gốc khởi thủy của vũ trụ, về tính chính xác những gì đã diễn ra rất nhanh xung quanh thời điểm vụ nổ Big Bang. Điều cần thiết ngay lúc này chính là làm sao để bắt được tín hiệu từ khởi thủy, bắt được “tiếng vọng từ Sáng Thế”.

LÊ CHUNG tổng hợp

Đại Học Quốc Gia Tp. HCM
Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, Tp. HCM
Điện thoại:84.8 37242181 - 37242160
Fax: 84.8 37242057
Lượt truy cập : 14483900
Đang online : 162
Bản quyền (C) 2009 thuộc Đại học Quốc Gia TP.HCM - Phát triển bởi PSC
Merry Chrismas