GIẢI NOBEL VẬT LÍ 2017

*****

                                                                               "Cách đây rất lâu, sâu thẳm trong vũ trụ…

                                                                      một vụ va chạm giữa hai hố đen đã tạo ra sóng hấp dẫn"

                                                                             (Lời mở đầu của đại diện Ủy ban Nobel Vật lý-2017)

Giải Nobel Vật lí 2017 đã thuộc về các nhà khoa học người Mỹ Rainer Weiss, Barry C. Barish và Kip S. Thorne.

Ba nhà khoa học này được vinh danh vì xây dựng Đài quan trắc Sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO) và phát hiện ra sóng hấp dẫn.

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. 

Trước năm 1905, cả thế giới coi quan điểm của Newton về không - thời gian là kim chỉ nam trong rất nhiều thế kỷ. Nhà bác học người Anh cho rằng không gian là một đại lượng tuyệt đối, không thay đổi. Thời gian cũng vậy - một dòng chảy vĩnh cửu, đều đặn và bất biến.

Nhưng rồi Albert Einstein xuất hiện cùng thuyết tương đối (hẹp). Khi ấy, khoa học tiếp cận một chân trời khác, nơi không - thời gian chỉ là một đại lượng tương đối, hoà hợp với nhau thành một thực thể, và hoàn toàn có thể bị thay đổi, phụ thuộc vào chuyển động của vật chất.

Đến năm 1915, Einstein công bố Thuyết tương đối rộng, trong đó đưa ra một ý tưởng rằng cái được gọi là lực hấp dẫn chỉ đơn giản là những đường cong trên bề mặt không - thời gian. Và thứ đã làm cong được không gian chính là vật chất, trong đó mật độ vật chất càng lớn, độ cong càng tăng. 

Khi ta chạm tay vào nước và di chuyển, ta sẽ thấy từng đợt sóng dao động lan tỏa đi khắp mặt nước. Vũ trụ cũng vậy. Theo Einstein, hiện tượng tương tự sẽ xảy ra khi một vật thể có khối lượng lớn di chuyển trong vũ trụ. Sự di chuyển đó sẽ phát ra các năng lượng dưới dạng sóng, có thể truyền đi rất xa trong vũ trụ ở tốc độ ánh sáng. Ông gọi đó là "sóng hấp dẫn" - Gravitational waves.

Nhưng đó chỉ là trên lý thuyết. Còn thực tế, khoa học lúc bấy giờ chẳng có cách nào chứng minh được sự tồn tại của sóng hấp dẫn, đơn giản là vì dao động nó gây ra là cực nhỏ, chỉ bằng một phần nhỏ bán kính của nguyên tử. Việc đo lường được xung động nhỏ đến vậy, dưới sự "bao vây" của muôn vàn nhiễu động là được xem là điều không tưởng.

Để kiểm tra, các nhà thiên văn học đã săn lùng sóng hấp dẫn trong nhiều thập kỷ qua.

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).

LIGO đã phát hiện ra sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn này xuất phát từ hai lỗ đen va chạm vào nhau. Hai lỗ đen này nằm ở vị trí cách trái đất khoảng 1,3 tỷ năm ánh sáng. Khoảng đó xa đến nỗi, phải mất đến tận 1,3 tỉ năm ánh sáng, chính xác hơn là ngày 14-9-2015, nó mới đến được Trái đất và được ghi nhận bởi Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO). 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.

LIGO là một thiết bị khổng lồ vô cùng tinh xảo. Máy dò sóng hấp dẫn LIGO là hai đường ống dài khoảng 4km, nối với nhau hình chữ L. Ống được hút chân không cực cao, chỉ còn 1 phần ngàn tỉ áp suất không khí bình thường. 

Trong mỗi ống có một chùm tia laser được chiếu liên tục. Hai chùm tia gặp nhau ở góc chữ L. 

Các sóng laser được tính toán sao cho chúng triệt tiêu nhau và tạo nên giao thoa. Do hiện tượng phân cực, hai ống vuông góc với nhau nên chỉ có một ống sẽ bị sóng hấp dẫn đập vào. 

Khi sóng hấp dẫn đập vào một trong hai ống, chiều dài ống sẽ bị co giãn khác với ống kia, gây ra nhiễu loạn phá vỡ cân bằng của hai chùm laser, và làm mất các vân giao thoa.

Độ co giãn của một ống dài 4km do ảnh hưởng của sóng hấp dẫn lại rất bé, chỉ cỡ 1/10.000 bề rộng của một hạt proton. 

Nếu phóng đại chiều dài của ống từ 4km lên tới khoảng cách từ Trái đất đến ngôi sao gần nhất bên ngoài hệ Mặt trời thì độ co giãn này sẽ có bề dày một sợi tóc.

Độ co giãn nhỏ như vậy nên LIGO cần các gương phản chiếu laser trong giao thoa kế cực kỳ tinh xảo. Gương được mài nhẵn tới độ phẳng 1/30 tỉ inch và được điều khiển bằng 6 nam châm điện chỉ bé bằng con kiến.

Toàn bộ đường ống của LIGO được đặt trên các trụ cách ly địa chấn bằng thép và lò xo đặc biệt, đứng trên các sàn bêtông dày 76cm, các sàn này không được tựa vào bất cứ bờ tường nào. 

Theo tính toán, để phát hiện sự va chạm của hai hố đen cách Trái đất 300 triệu năm ánh sáng, LIGO có thể phải chờ đợi từ 1 đến 1.000 năm.

Cuối cùng, Advanced LIGO phát hiện sự va chạm của hai hố đen cách Trái đất 1,3 tỉ năm chỉ vài tháng sau khi được sửa chữa, nâng cấp. Tín hiệu của sóng hấp dẫn ấy ở LIGO thể hiện dưới dạng âm thanh nghe thấy được. Một tiếng kêu rất khẽ của con sóng vũ trụ.
         Tuy nhiên, bản chất tín hiệu và sự co giãn này là rất nhỏ, cực dễ bị các rung động xung quanh gây ảnh hưởng. Chính vì thế, các chuyên gia đã thiết kế 2 trạm LIGO giống hệt nhau, nhưng đặt ở hai điểm cách nhau hàng ngàn kilomet. Khi cả hai trạm đều cho ra những tín hiệu tương tự, thì rõ ràng đó là bằng chứng không thể chối cãi của sóng hấp dẫn.

Với việc xác nhận sự tồn tại của sóng hấp dẫn, chúng ta cũng chính thức xác nhận luôn một điều: không-thời gian có thể bị bẻ cong. Đó cũng chính là lời giải cho ước mơ du hành vũ trụ của con người.

                                                                        "Việc phát hiện ra sóng hấp dẫn đã mở ra bước ngoặt lớn

                                                                                 cho công cuộc chinh phục vũ trụ của loài người”

                                                            (Thông báo của Ủy ban Nobel Vật lý - 2017)

                                               (Sưu tầm, tổng hợp từ Tuổi trẻ online, Vietnamnet, Kênh 14.vn, Wikipedia)

                                                                                Mai Thanh Thuyền - Tổ Vật lí

------------------------------