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

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.

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.