Khám phá

Tản mạn về sóng hấp dẫn

BBài viết Tiếng vọng thuở hồng hoang dưới lối viết “bình dân học vụ” của Giáp Văn Dương sẽ cho ta cái nhìn dễ tiếp cận về sự kiện khoa học mang tính lịch sử này.

Lần đầu tiên sóng hấp dẫn, tiên đoán chưa được kiểm chứng cuối cùng của thuyết tương đối rộng, được xác nhận.

Lược sử tiến hóa của vũ trụ từ Big Bang đến ngày nay – Ảnh: cam.ac.uk

Đây cũng là lần đầu tiên con người biết được diễn tiến của vũ trụ từ thuở sơ khai, ngay sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Vì thế, nhiều nhà khoa học cho đây là một trong những khám phá khoa học vĩ đại nhất của con người, tương tự việc phát hiện năng lượng tối hoặc tìm ra hạt Higgs.

Liệu chúng ta – những người không trong giới khoa học – có chút liên hệ gì trong những câu chuyện thế này?

Kỷ niệm ấu thơ

Khi còn thơ bé, bạn hẳn từng có lúc vừa đi vừa ngước mắt nhìn mặt trăng và thích thú nghĩ rằng mặt trăng đang đi theo mình. Bạn đi đâu, trăng theo đấy. Đó có lẽ là quan sát thiên văn đầu tiên của bạn.

Tìm xem các thiên thể ở đâu đã và vẫn sẽ là một trong những câu hỏi quan trọng nhất của thiên văn học.

Sau này, khi lớn lên, bạn được học rằng không phải mặt trời, mặt trăng đi theo mình. Sở dĩ có màn đêm là vì trái đất tự quay xung quanh trục của nó mỗi 24 giờ một vòng. Và chính trái đất quay xung quanh mặt trời chứ không phải là ngược lại. Điều hiển nhiên ấy, loài người phải mất hàng chục nghìn năm mới phát hiện ra.

So với lịch sử hình thành con người hiện đại từ khoảng 200.000 năm về trước, thì thời điểm để chúng ta biết được điều này quả thật chỉ là phần thừa của con số lẻ. Nhưng đây chính là bước tiến dài đầu tiên của ngành thiên văn học.

Những người tiên phong trong nhận thức mới mẻ này đã phải trả giá. Bruno đã phải lên giàn hỏa thiêu vì cổ vũ cho nhận thức mới này. G. Galileo, người ủng hộ thuyết nhật tâm sau khi đã hướng kính thiên văn lên bầu trời, đã phải công khai rút lui ý kiến trước tòa án giáo hội để bảo toàn mạng sống, dù niềm tin khoa học của ông không hề lung lay.

“Nhưng dù sao trái đất vẫn quay (Eppur si muove)” – câu nói nổi tiếng của ông đã trở thành điển hình về sức sống không gì có thể dập tắt được của chân lý khoa học.

Sau Galileo là J.Kepler với ba định luật thiên văn khẳng định chính trái đất và các hành tinh khác quay xung quanh mặt trời, với quỹ đạo elip thay vì hình tròn. Đặc biệt sau đó là I. Newton với thuyết vạn vật hấp dẫn, với những tính toán và tiên đoán chính xác về chuyển động của các thiên thể, thời điểm nhật thực, nguyệt thực, hay sự lên xuống của thủy triều.

Trí tuệ con người bước sang một giai đoạn mới trong việc khám phá bầu trời: mạnh mẽ, chắc chắn và tham vọng.

Thế giới này được sinh ra như thế nào là một câu hỏi lớn, bí ẩn và hấp dẫn. Đông Tây kim cổ đã tốn nhiều công sức, đưa ra hàng trăm lý thuyết khác nhau, từ vũ trụ học phương Đông với những thái cực, lưỡng nghi, âm dương, tứ tượng, ngũ hành… đến những Big Bang, vũ trụ giãn nở, vận tốc ánh sáng, không – thời gian, lượng tử… – các khái niệm trụ cột của lý thuyết về sự hình thành vũ trụ của khoa học hiện đại.

Về mặt nguyên tắc, tất cả các lý thuyết này đều bình đẳng với nhau. Nhưng chỉ lý thuyết nào được kiểm chứng, tức có thể đo đạc quan sát được bằng thực nghiệm, mới được thừa nhận. Chính vì thế, thực nghiệm là tiêu chuẩn của mọi lý thuyết khoa học. Chỉ cần có một ví dụ phản chứng thôi, lý thuyết khoa học đã bị loại bỏ.

Đêm tối từ đâu?

Chúng ta đã biết ngoài mặt trời mà ta thấy hằng ngày ra thì còn có vô vàn mặt trời khác nữa mà ta gọi là các ngôi sao. Chúng có ở khắp mọi nơi và cung cấp ánh sáng. Vậy nếu vũ trụ là vô hạn thì tại sao bầu trời đêm không sáng rực lên? Tại sao vẫn có đêm tối để chúng ta trú ngụ? Sự kiện đêm tối hiện hữu với quan niệm vũ trụ vô hạn đã đẩy chúng ta vào thế bí trong suốt mấy trăm năm. Chúng làm ta phải phiêu lưu đến những chân trời xa nhất để tìm câu trả lời khả dĩ.

Người đầu tiên nhận ra nghịch lý này là Digges khoảng 500 năm về trước (1573). Phải đến gần 400 năm sau, khoa học mới làm sáng tỏ được một phần câu trả lời. Người có công đầu trong việc này không ai khác chính là A.Einstein với công trình về thuyết tương đối rộng.

Nhờ thuyết tương đối mà lý thuyết về một vũ trụ giãn nở được hình thành. Thay vì tĩnh tại vĩnh cửu, vũ trụ thật sự đang giãn nở. Điều này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm nhờ các quan sát của E. P. Hubble 90 năm về trước. Việc tìm ra sự dịch chuyển màu sắc về phía đỏ của ánh sáng phát ra từ các ngôi sao xa tít đã giúp Hubble đi đến nhận định rằng: vũ trụ đang giãn nở.

Vũ trụ đang mở rộng. Hiện tượng ánh sáng dịch chuyển về phía đỏ cũng tương tự hiện tượng cao độ âm thanh giảm xuống ta lắng tai nghe tiếng còi xe lửa đang chạy, và ngược lại, khi xe chạy xa ta thì tiếng của nó càng trầm vì âm thanh có bước sóng dài hơn, khi xe chạy về phía ta thì tiếng còi chói hơn vì sóng âm trong trường hợp này có bước sóng ngắn hơn.

Đo đạc sự thay đổi của bước sóng ánh sáng cũng chính là sự thay đổi của màu sắc ánh sáng, sẽ cho ta biết vật đang chạy lại gần hay chạy ra xa ta.

Nhờ thuyết tương đối của Einstein mà nhận thức của ta về vũ trụ thay đổi hoàn toàn. Giờ đây, không gian và thời gian không tách rời nhau và trở thành tương đối. Chúng có thể co giãn tùy theo tốc độ chuyển động của vật thể. Chúng cũng không còn phẳng phiu trơn lì nữa. Sự cong của không gian là do vật chất gây ra. Sự cong này chính là bản chất của lực hấp dẫn.

Hẳn nhiên, trong một không – thời gian có khả năng co giãn uốn dẻo như thế, sự cong đi này sẽ được lan truyền dưới dạng sóng như sóng nước trên mặt hồ. Đó chính là sóng hấp dẫn, tiên đoán cuối cùng của thuyết tương đối rộng, cho đến tuần trước, vẫn chưa được kiểm chứng là tồn tại.

Nhưng có gì quan trọng từ việc vũ trụ giãn nở? Ta có thể ngoại suy ngay lập tức rằng trước khi giãn nở, ắt nó phải bắt đầu từ một điểm rất nhỏ, tức vũ trụ ban đầu phải có một kích thước vô cùng nhỏ. Một trong những kết luận của thuyết tương đối là năng lượng và khối lượng hoàn toàn hoán chuyển được cho nhau, và ở trạng thái ban đầu đó chỉ có năng lượng thuần khiết ở một nhiệt độ cực cao là tồn tại được.

Lý do: vì kích thước của vũ trụ quá nhỏ, mật độ năng lượng sẽ cực lớn, nên không vật chất nào giữ được hình hài ở điều kiện như vậy. Tất cả đều tan chảy thành năng lượng, dưới dạng bức xạ thuần khiết. Chỉ sau đó, khi giãn nở, vũ trụ mới nguội dần và vật chất như ta thấy mới dần hình thành.

Đây chính là ý tưởng của G. Gamow (1948), người tiên phong trong việc xây dựng một lý thuyết về sự hình thành của vũ trụ giãn nở mà sau này được gọi là thuyết Big Bang. Theo giả thiết này thì mọi thứ mà ta thấy, các vì sao, mặt trăng, mặt trời, trái đất, bản thân chúng ta… đều được sinh ra từ Vụ Nổ Lớn. Theo tính toán lý thuyết, vụ nổ này cũng để lại một bức xạ nền, đồng nhất và đẳng hướng ở khắp mọi nơi trong vũ trụ.

Có gì kiểm chứng điều này? Nhớ lại rằng thuyết Big Bang khi ra đời đã gặp nhiều phản đối (cả cái tên Big Bang cũng được đặt ra như một lời chế giễu) nên chẳng ai quan tâm đến tiên đoán về sự tồn tại của bức xạ nền để mà tìm kiếm.

Phải mất gần 20 năm sau, hai nhà khoa học của phòng thí nghiệm Bell (Mỹ) là Penzias và Wilson (1964) đã tình cờ phát hiện ra bức xạ nền, khi tìm cách đo bức xạ nhiệt của tầng khí quyển. Phát hiện này thật sự gây chấn động trong giới khoa học đương thời, mang lại cho hai ông giải Nobel vật lý năm 1978.

Nhờ việc đo nhiệt độ, của bức xạ nền, vào khoảng 2,727K (tức -270,4240C) mà người ta tính được tuổi của vũ trụ. Giống như đo nhiệt độ của một cốc nước nóng, ta sẽ ước lượng được cốc nước đã để nguội được bao lâu. Tuổi của vũ trụ vì thế tính ra được vào khoảng 13,8 tỉ năm.

Vì sao bức xạ nền này lại đồng nhất và đẳng hướng ở khắp mọi nơi? Điều này giống như vì sao mọi cốc nước nóng lại có cùng một nhiệt độ? Câu trả lời hợp lý nhất là vì trước đó chúng được rót ra tức thời từ cùng một ấm nước sôi trong một thời gian cực ngắn. Đó chính là ý tưởng chủ đạo của giả thiết về vũ trụ lạm phát do Alan Guth đưa ra vào năm 1980.

Theo đó, ngay sau vụ nổ lớn khoảng một phần tỉ tỉ tỉ tỉ giây (10-36 giây) đến đâu đó khoảng một phần triệu tỉ tỉ tỉ giây (~10-33-10-32 giây), từ trạng thái cân bằng nhiệt, vũ trụ đã giãn nở với vận tốc cực lớn, lớn hơn cả vận tốc ánh sáng. Chính sự giãn nở cực nhanh này, gọi là giãn nở lạm phát, đã làm cho nhiệt độ của mọi cốc nước ở mọi nơi đều như nhau, tức bức xạ nền là đồng nhất và đẳng hướng.

Như vậy, về cơ bản, bức tranh về sự hình thành của vũ trụ theo thuyết Big Bang đã tương đối rõ ràng, ít nhất là từ khoảng thời gian ~10-36 giây sau vụ nổ lớn trở đi. Tuy nhiên, trước đó thì vẫn còn là bí ẩn. Mọi khám phá sâu xa hơn sẽ không thể thực hiện bằng thực nghiệm vì thời kỳ lạm phát đã xóa hết mọi dấu vết có thể đo đạc được.

Câu hỏi về khoảng thời gian trước vũ trụ lạm phát, thậm chí cả trước Big Bang, vẫn lảng vảng trong đầu chúng ta. Nhiều nhà khoa học cho rằng trước Big Bang sẽ không là gì cả, tức là mọi thứ được sinh ra từ hư vô. Nghe thật kỳ lạ và huyền hoặc! Ngày nay, thuyết Big Bang đã chiếm địa vị chủ đạo trong khoa học vì các tiên đoán của nó rất phù hợp với thực nghiệm.

Minh họa về cách mà sóng hấp dẫn có thể lan tỏa – Ảnh: nasa.gov

Tiếng vọng nguyên thủy

Giai đoạn lạm phát của vũ trụ, nếu đúng là thật sự xảy ra, ngoài việc làm cho bức xạ nền là đồng nhất và đẳng hướng thì còn khuếch đại sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn này sẽ tương tác đến bức xạ nền, dẫn đến một sự sắp xếp theo định hướng của phân cực bức xạ nền. Nếu tìm được cấu trúc này, tức di chỉ của tương tác giữa sóng hấp dẫn và bức xạ nền, thì giả thiết về vũ trụ lạm phát được kiểm chứng.

Vì thế, truy tìm và hiển thị cấu trúc của phân cực bức xạ nền là một ưu tiên của thiên văn học trong những năm gần đây. Nó sẽ giúp chúng ta hiểu vũ trụ đã được hình thành như thế nào, đặc biệt ở khoảnh khắc đầu tiên ngay sau vụ nổ lớn. Nhưng việc này không dễ chút nào khi cường độ của nó lại nhỏ hơn bức xạ nền đến hàng tỉ lần.

Nhưng không vì thế mà các nhà khoa học khoanh tay đứng nhìn. Họ mang máy móc thiết bị lên núi, vào không gian, xuống Nam Cực – nơi có khí hậu khô, lạnh và bầu khí quyển ổn định – để đo đạc và tìm kiếm cấu trúc của sự phân cực này.

Một trong những cố gắng đó đã cho kết quả. Đó là trạm thiên văn BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) ở Nam Cực, sau ba năm thu thập và phân tích số liệu đã cho ra kết quả rằng cấu trúc B-mode của phân cực bức xạ nền đã được tìm ra.

Điều này nếu được xác định là đúng thì vũ trụ lạm phát là có thực, và sóng hấp dẫn sinh ra trong thời kỳ lạm phát của vũ trụ đã tương tác với bức xạ nền và để lại dấu ấn là cấu trúc B-mode, hiển thị dưới dạng vặn xoắn trong sự định hướng phân cực của bức xạ nền.

Kết quả của BICEP2 có độ tin cậy lên đến 5 sigma, tức là nếu không có sóng hấp dẫn thì xác suất thu được một kết quả tương tự từ nhiễu nền chỉ là 1 trong 10 triệu.

Sóng hấp dẫn nguyên thủy từ lâu đã được coi là bằng chứng không thể chối cãi của vũ trụ lạm phát. Và cũng chỉ trong thời kỳ lạm phát này thì sóng hấp dẫn mới được khuếch đại đủ lớn để có thể đo đạc được. Vì thế, nếu được xác định là đúng thì đây là kết quả đột phá của ngành thiên văn học. Nó cũng là bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về hấp dẫn lượng tử, và còn gợi ý rằng vũ trụ mà chúng ta quan sát được chỉ là một miếng bọt nhỏ xuất hiện trong vô vàn vũ trụ khác mà chúng ta chưa nhận thức được.

Đây là tiếng vọng từ thuở hồng hoang mà ít ai trong chúng ta dám nghĩ là còn có thể nghe được sau 13,8 tỉ năm. Tuy nhiên, với những kết quả lớn như vậy, sự cẩn trọng là cần thiết. Kết quả này chỉ có thể được khẳng định chắc chắn sau khi được kiểm chứng chéo bởi các đo đạc của vệ tinh Planck thuộc Cơ quan Hàng không vũ trụ châu Âu dự kiến công bố vào cuối năm nay.

Dù gì đi nữa thì cả một chân trời hiểu biết mới đã được mở ra. Trí tuệ con người đã tiến thêm một bước lớn.

Kết quả này là bằng chứng không thể chối cãi về vũ trụ lạm phát vì các lý thuyết khác không tiên đoán như vậy. Đây là điều tôi đã chờ đợi 30 năm nay” – Andrei Linde, giáo sư vật lý tại Đại học Stanford, một trong những người tiên phong của thuyết vũ trụ lạm phát, nói.

Michael Turne, giáo sư vật lý lý thuyết ở Đại học Chicago, đánh giá: “Nếu kết quả của BICEP2 được xác nhận thì đây là thành tích thật sự lớn – quan trọng như việc phát hiện ra năng lượng tối, bức xạ nền vũ trụ hay hạt boson Higgs”.

Clem Pryke, một trong hai lãnh đạo của nhóm BICEP2, nói: “Nếu coi việc tìm ra sóng hấp dẫn nguyên thủy như tìm kim đáy bể, thì trên thực tế chúng tôi tìm ra cả chiếc xà beng!”.

Math2IT

Math2IT

Đây là tác giả chung cho các bài viết không do trực tiếp tác giả cụ thể nào của Math2IT viết. Có thể đó là các bài dịch từ các bài viết nước ngoài hoặc các bài viết thiên về kỹ thuật và thông báo.