Gia Minh, PGĐ Ban Việt
ngữ RFA
2016-02-23
2016-02-23
.
Ông David Reitze, giám
đốc LIGO Laboratory ở Caltech phát biểu tại Washington DC về việc thu được sóng
hấp dẫn. Ảnh chụp hôm 11/2/2016. RFA
Tin
về việc thu được sóng hấp dẫn đưa ra hôm thứ năm 18 tháng 2 được cho là một
thành công vang dội của ngành khoa học không gian.
Trong
chuyên mục Khoa học - Môi trường kỳ này, mời quí vị theo dõi trình bày của khoa
học gia Trịnh Xuân Thuận về hiện tượng này.
Sóng
hấp dẫn là gì?
Gia
Minh: Trước
hết xin ông định nghĩa khái quá cho quí độc giả của Đài Á Châu Tự Do về sóng hấp
dẫn hay sóng trọng là gì?
Trịnh
Xuân Thuận:
Sóng hấp dẫn là một sóng trong không gian mà ông Einstein lúc lập ra Thuyết
Tương đối vào năm 1915 mà 101 năm về sau mới tìm được. Ông Einstein lúc viết
Thuyết Tương đối thì ông cho rằng nếu có một khối lượng thay đổi tốc độ thì sẽ
sẽ gây ra một sóng qua lực hấp dẫn trong không gian; giống như ta nén một cục gạch
xuống ao thì tạo ra sóng từ cục gạch và tràn vào đến bờ.
Ông
Einstein biết rất khó nhận biết được sóng hấp dẫn trong không gian vì nó rất yếu,
khó nhận thấy. Đó là theo lý thuyết của ông ta đưa ra.
Theo
tôi nếu 100 năm sau ông Eisntein còn sống thì ông ta sẽ rất ngạc nhiên vì những
gì ông ta nghĩ ra trong vũ trụ đều đúng. Đúng là một thiên tài nghĩ ra được lý
thuyết rất hay mà qua bao nhiêu năm đến nay người ta đều tìm ra được hết.
Gia
Minh: Vì
sao đến cả một thế kỷ sau đến nay người ta mới thu được sóng mà như ông nói là
‘yếu lắm’ như thế?
Trịnh
Xuân Thuận:
Sóng này khi đi qua không gian có thể làm cho không gian kéo giãn ra hay nén ép
lại (với mức) nhỏ hơn một hạt nhân nguyên tử. Tức lấy hạt nhân chia cho 10
ngàn: rất rất nhỏ. Do vậy đo được sóng này rất khó khăn. Lý do vì một dụng cụ
đo đặt trên mặt đất thì biết bao nhiêu tác động như chuyển động, gió… đều lớn
hơn (sóng hấp dẫn) nên đo rất khó khăn.
Sau
một thế kỷ (từ thời Einstein) nay có những kỹ thuật tân tiến mới đo được.
Gia
Minh: Tin
nói nhờ vào đài quan sát gọi là ‘advanced LIGO’ ở Mỹ. Nhờ ông trình bày về đài
quan sát này.
Trịnh
Xuân Thuận:
Đài Quan sát đó gọi là giao thoa kế. Nó có hình chữ L, vuông góc 90 độ với
nhau. Người ta đo bằng tia laser, một chiều ‘nén ép’ và một chiều ‘kéo dãn’. Nếu
không có ‘sóng hấp dẫn’ đến thì tia laser ở hai chiều đo được bằng nhau, còn nếu
có thì sẽ khác nhau.
Hiện
tại Hoa Kỳ có hai ‘giao thoa kế’ như thế, một cái ở bang Washington, một cái ở
bang Louisiana. Nếu có thêm một cái nữa thì có thể giúp biết được chính xác
sóng đến từ hướng nào. Cho đến nay thì người ta biết được sóng hấp dẫn được gây
ra từ hai ‘lỗ đen’ mà mỗi lỗ đen như thế có khối lượng bằng 30 lần khối lượng của
Mặt Trời. Hai lỗ đen đó quay và tốc độ càng lúc càng tăng vì chúng ‘rơi’ vào
nhau, hợp lại và tạo ra sóng hấp dẫn mà nay ở Trái Đất người ta thu được.
Trong
những năm tới, sẽ có thêm một số nước tham gia vào chương trình như Ý, Nhật…
thì sẽ giúp cho công nghệ có thể nhận biết được những sóng ‘yếu’ như thế. Nếu
có thêm nhiều thiết bị ( như ở Mỹ hiện nay) tại các nước khác nhau thì người ta
có thể xác định rõ ‘lỗ đen’.
Một
cách khác để quan sát vũ trụ
Gia
Minh: Ông
nói quan trọng vậy nó có thể giúp phát hiện ra những gì; có làm thay đổi những
khái niệm/quan điển/ lý thuyết gì đã có từ trước đến nay hay không?
Trịnh
Xuân Thuận:
Từ trước đến giờ mọi việc quan sát vũ trụ đều qua ánh sáng; còn sóng hấp dẫn
không phải là ánh sáng. Nên đây là một cách khác nữa để quan sát, để tìm hiểu
vũ trụ. Với ‘sóng hấp dẫn’ người ta có thể nhìn ‘lỗ đen’ gần hơn, còn với ánh
sáng thì phải quan sát xa hơn. Đây là cách mới để quan sát vũ trụ và còn để thử
nghiệm Lý thuyết Tương đối của Einstein.
Lúc
sinh thời có lúc Einstein từng nghĩ không thể nhận thấy được sóng hấp dẫn vì nó
quá yếu, thậm chí ông cũng từng có lúc cho rằng không hiện hữu các ‘lỗ đen’.
Hiện
trong khoa học vật lý hiện nay có hai lý thuyết một là Thuyết Tương đối của
Einstein và một là Cơ học Lượng tử. Hiện người ta đang muốn hợp hai lý thuyết
này lại thành Grand Unity Theory để tìm hiểu về những vụ nổ Big Bang hình thành
ra trong vũ trụ.
Người
ta cho rằng ‘lỗ đen’ là do các ngôi sao chết đi ‘sụp’ xuống mà ra.
Gia
Minh: Riêng
ông khi nghe tin về việc thu được sóng hấp dẫn, ông có suy nghĩ gì?
Trịnh
Xuân Thuận:
Einstein thực sự là người đưa tôi vào khoa học: khi còn ở Việt Nam lúc 13-14 tuổi,
tôi đọc những cuốn sách của ông viết không phải về khoa học mà về triết lý… và
đã rất phục ông ta.
Mặc
dù ông Einstein là cha đẻ của bom nguyên tử nhưng sau khi hai quả bom nguyên tử
tàn phá hai tỉnh Hiroshima và Nagasaki của Nhật thì ông ta chống lại vũ khí
nguyên tử.
Người
ta có đề nghị ông ta làm tổng thống Israel nhưng ông từ chối và ông cho rằng phải
có hai nước Israel và Palestine sống hòa hợp với nhau. Nhưng nay hai nước vẫn cứ
đánh nhau không thể sống hòa hợp bên nhau được.
Một
thế kỷ rồi mà nay không có một Einstein khác; nên khi công bố thu được sóng hấp
dẫn tôi rất phục ông ta.
Gia
Minh: Vừa
là nhà khoa học, vừa là người viết sách Phật giáo, thì khi đi gặp những người
trẻ ông thường truyền đạt cho họ điều gì trước nhất?
Trịnh
Xuân Thuận:
Tất cả chúng ta đều ‘liên quan’ đến nhau (inter-dependence), mình phải có tình
thương đối với người khác. Và không chỉ (tình thương) đối với con người mà còn
đối với loài vật và Trái Đất nữa. Hiện giờ chúng ta đang làm cho Trái Đất nóng
lên khiến thời tiết thay đổi.
Hiện
nay tôi đang dạy tại Đại học Virginia, tôi nói với các sinh viên trẻ phải biết
giữ gìn Trái Đất cho những thế hệ tương lai. Bản thân tôi gần hết đời rồi.
Trong
Hệ Mặt Trời chỉ có Trái Đất là có con người, còn những hành tinh khác không có
ai sống được, cho nên mình phải giữ gìn Trái Đất cho các thế hệ sau.
Gia
Minh: Cám
ơn ông.
Tạp
chí Khoa học - Môi trường tạm dừng tại đây. Hẹn gặp lại quí vị và các bạn trong
chương trình kỳ.
-------------------------------
20/02/2016
Ngày 11 tháng 2 vừa qua, cộng đồng
khoa học ở LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Đài quan
sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser) đã chính thức công bố sự kiện họ thu
được sóng hấp dẫn phát ra từ một cặp đôi lỗ đen. Như vậy, việc công bố này diễn
ra đúng một thế kỷ kể từ khi nhà bác học thiên tài Albert Einstein (1879 –
1955) tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn.
Sự kiện LIGO quan sát được sóng
hấp dẫn đã xảy ra vào hồi 9.50.45 giờ GMT ngày 14 tháng 9 năm 2015, và ngày này
đã đi vào lịch sử khoa học, đánh dấu sự toàn thắng của Lý Thuyết Tương Đối Tổng
Quát, một công trình sáng tạo vô cùng lớn lao của Albert Einstein.
Bài viết này là một trong những
cố gắng để chuyển tải đến độc giả phổ thông ý tưởng về sóng hấp dẫn và ý nghĩa
của sự kiện 14 – 9 – 2015 cùng một vài vấn đề liên quan khác. Mặc dù sóng hấp dẫn
là đối tượng nghiên cứu của Lý Thuyết Tương Đối Tổng Quát, nhưng trong chừng mực
nhất định có thể nói về nó bằng ngôn ngữ phổ thông, và ở đây chúng tôi chọn lối
trình bày như vậy.
SÓNG HẤP DẪN
Cũng như các vật mang điện
tương tác với nhau thông qua điện trường, các đối tượng có khối lượng tương tác
với nhau thông qua trường hấp dẫn. Như vậy, đây là loại trường sinh ra bởi mọi
đối tượng vật chất.
Isaac Newton từng cho rằng nếu
trong không gian xuất hiện hai vật thể thì ngay lập tức chúng sẽ hút nhau với một
lực (tỉ lệ thuận với tích các khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách giữa chúng), bất kể khoảng cách này lớn đến đâu. Tuy nhiên,
Einstein đã chỉ ra rằng điều này không đúng. Cũng như bất kỳ một loại tương tác
nào, tương tác hấp dẫn cũng được truyền đi với vận tốc không vượt quá vận tốc
ánh sáng trong chân không. Như vậy, nếu tại một vùng trong không gian xuất hiện
một đối tượng vật chất thì nó sẽ sinh ra một trường ở vùng chung quanh, và cái
“vùng chung quanh” này mở rộng dần (với tốc độ gần với vận tốc ánh sáng). Sau một
thời gian, trường hấp dẫn ở một vùng cố định chung quanh đối tượng vật chất đó
sẽ ổn định.
Sự ổn định của trường hấp dẫn
trong một vùng không gian sẽ liên tục bị phá vỡ, nếu trong vùng đó có các đối
tượng vật chất liên tục chuyển động. Đặc biệt, nếu chỉ có một vài vật thể và
tương quan vị trí của những vật thể này cứ sau một thời gian lại lặp lại trạng
thái cũ thì trường sẽ thay đổi tuần hoàn. Sự thay đổi tuần hoàn này cố nhiên
cũng sẽ lan truyền trong không gian, và hiện tượng đó được gọi là sóng hấp dẫn.
Sóng này cũng có biên độ, tần số và bước sóng; chúng được xác định giống như
biên độ, tần số và bước của sóng điện-từ.
Như ta biết, tương tác hấp dẫn
là một loại tương tác “siêu yếu”, yếu hơn cả thứ tương tác mang tên gọi chính
thức là “tương tác yếu” rất nhiều lần. Nếu như hai hạt tạo nên hạt nhân nguyên
tử đã có thể thể hiện “tương tác yếu” mà máy móc có thể ghi nhận được thì tương
tác hấp dẫn giữa hai vật có khối lượng tương đương nhau chỉ có thể quan sát thấy
bằng máy móc tinh vi, nếu mỗi vật nặng cỡ như một trái núi. Lực hút từ phía
trái núi lên một cơ thể người không thể ghi nhận được. Cũng vì lý do này mà
sóng hấp dẫn càng khó quan sát. Những sao đôi trong vũ trụ (gồm hai ngôi sao rất
gần nhau cùng quay quanh tâm quán tính) là những “cấu kiện” có thể phát ra sóng
hấp dẫn khá mạnh. Tuy nhiên, vì những sao đôi gần ta nhất cũng có thể cách xa
ta hàng trăm triệu năm ánh sáng, nên khi sóng hấp dẫn đến được Trái Đất thì nó
đã yếu đến mức không thể quan sát được. Mặc dù vậy, hai nhà vật lý thiên văn là
Russel Hulse và Joe Taylor cũng đã được nhận giải Nobel Vật Lý (1993) nhờ gián
tiếp chứng minh được là có sóng hấp dẫn đến từ một cặp sao.
Một loại “cấu kiện” khác hứa hẹn
cho sóng hấp dẫn có thể đủ mạnh để quan sát được – tất nhiên là vẫn phải dùng
những máy móc tinh vi và những phương pháp đặc biệt thông minh – là các cặp đôi
lỗ đen. Mặc dù từ “lỗ” (tiếng Anh: hole) có vẻ như nói về một chỗ rỗng trong một
vật thể hoặc môi trường “đặc”, nhưng thực ra thì ngược lại, lỗ đen chính là vật
thể có mật độ vật chất cực kỳ lớn và tổng khối lượng cũng rất lớn, đến mức nó
có thể hút mọi thứ chung quanh vào nó, kể cả các hạt ánh sáng. Cái khía cạnh
“trống rỗng” ngụ ý bởi từ “lỗ” là nói về sự trống vắng thông tin: do mọi đối tượng
có thể mang thông tin về vật thể này đều không thoát khỏi nó để đến được những
nơi khác, nên từ nơi khác không có cách nào biết được những gì diễn ra bên
trong nó. Từ “đen” nhấn mạnh thêm việc ánh sáng không thể phát ra từ đó, và như
ta biết, các vật không phản chiếu ánh sáng thì có màu đen.
Mặc dù giả thuyết về sự tồn tại
lỗ đen đã được nêu ra bởi John Michell và Pierre-Simon Laplace vào thế kỷ
XVIII, nhưng những nghiên cứu thực sự nghiêm túc về lỗ đen chỉ được tiến hành
trong khuôn khổ Lý Thuyết Tương Đối Tổng Quát.
LÝ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI TỔNG QUÁT
Albert Einstein đã xây dựng hai
lý thuyết về tính tương đối (của chuyển động): Lý Thuyết Tương Đối Đặc Biệt
(LTTĐĐB, Special Relativity Theory) và Lý Thuyết Tương Đối Tổng Quát (LTTĐTQ,
General Relativity Theory).
LTTĐĐB xuất phát từ tiên đề là
mọi định luật vật lý đều giống nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Hệ quy
chiếu được hiểu là hệ thống các vật mốc và đồng hồ để khảo sát chuyển động của
các vật thể khác. Hệ quy chiếu được gọi là quán tính, nếu trong đó mỗi vật
không chịu tác dụng của lực nào từ phía các vật khác đều chuyển động thẳng đều
(và nếu đang đứng im thì sẽ đứng im mãi mãi).
LTTĐTQ xuất phát từ cái gọi là
Nguyên Lý Tương Đương (Equivalence Principle). Nguyên lý này khẳng định rằng nếu
trong một hệ quy chiếu ta thấy vật không bị tác dụng lực vẫn chuyển động có gia
tốc (tức là không thẳng đều) thì hoặc có thể coi rằng hệ quy chiếu đó là không
quán tính, hoặc có thể coi rằng đó vẫn là hệ quy chiếu quán tính, còn gia tốc của
chuyển động là do một trường hấp dẫn nào đó gây ra. Ngược lại, nếu trong một hệ
quy chiếu ta thấy mọi vật không bị tác dụng lực đều chuyển động thẳng đều thì
có thể coi đó là hệ quy chiếu quán tính, cũng có thể coi đó là hệ quy chiếu phi
quán tính, nhưng gia tốc của chuyển động tự do bị khử bởi sự tồn tại của một
trường hấp dẫn. Để minh họa ý tưởng táo bạo này, ta hãy hình dung một tàu vũ trụ
ĐANG rơi tự do xuống mặt đất (với giả thiết không có khí quyển). Trong con tàu
này, mọi vật không bị lực tác dụng đều chuyển động thẳng đều. Ta có thể coi con
tàu là hệ quy chiếu quán tính. Mặt khác, trên thực tế, trong và chung quanh con
tàu rõ ràng tồn tại trường hấp dẫn do Trái Đất gây ra. Như vậy, có thể coi rằng
con tàu chuyển động có gia tốc so với một hệ quy chiếu quán tính nào đó, và do
đó bản thân nó không phải hệ quy chiếu quán tính, đồng thời gia tốc chuyển động
của nó và các vật chuyển động thẳng đều trong nó “bị khử” bởi trường hấp dẫn
này.
Như vậy, nếu trong một hệ quy
chiếu mà ta thấy các vật không chịu tác dụng của lực cũng chuyển động cong thì
ta luôn luôn có thể coi rằng trong hệ quy chiếu này có tồn tại trường hấp dẫn.
“Trường hấp dẫn” này có thể không do vật thể nào gây ra, mà chỉ là do bản thân
hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc so với một hệ quy chiếu quán tính nào đó.
Khi các vật không chịu lực tác
dụng cũng chuyển động cong, ta nói không gian (hay tổng quát hơn, là không-thời
gian) có độ cong (khác 0). Như vậy, trường hấp dẫn có tác dụng tạo ra độ cong của
không gian, và sóng hấp dẫn có thể định nghĩa như sự lan truyền của những biến
đổi (tuần hoàn hoặc gần như tuần hoàn) của độ cong của không-thời gian.
Một trong những hệ quả của sự tồn
tại độ cong của không-thời gian là vũ trụ không phải đã “luôn luôn tồn tại” như
Cơ Học Cổ Điển khẳng định. Những quan sát vũ trụ học đến nay đã giúp khẳng định
rằng vũ trụ của chúng ta mới chỉ có từ cách đây khoảng 15 tỉ năm.
Cần nhấn mạnh một điều rằng
LTTĐTQ là một lý thuyết khoa học rất phức tạp và khó nắm bắt. Với toàn bộ sự
khiêm tốn (thậm chí ghét tiếng tăm), Albert Einstein vẫn phải nói lên một thực
tế là với LTTDĐB, nếu ông không xây dựng thì vài ba năm sau Lorentz, Poincaré
hoặc Minkowski sẽ làm, còn với LTTĐTQ, nếu ông không xây dựng thì cũng chẳng có
ai làm được.
Sau A. Einstein, người ta còn
xây dựng lý thuyết lượng tử về trường hấp dẫn, trong đó nêu ra khái niệm về “hạt”
của trường hấp dẫn (graviton). Lẽ tự nhiên, do trường hấp dẫn là quá yếu nên việc
quan sát được một graviton đơn lẻ được tiên lượng là còn khó khăn hơn cả quan
sát sóng hấp dẫn; thậm chí đến nay cũng chưa có hy vọng gì về một khả năng như
vậy.
Ý NGHĨA CỦA VIỆC QUAN SÁT ĐƯỢC SÓNG
HẤP DẪN
Mặc dù những một số khía cạnh của
sóng hấp dẫn có thể diễn đạt được bằng ngôn ngữ phổ thông, trên thực tế sự tồn
tại của sóng hấp dẫn là hệ quả của những định luật vật lý trong LTTĐTQ. Vì vậy,
việc quan sát thấy loại sóng này là một trong những bằng chứng rõ nhất về tính
đúng đắn của lý thuyết này. Như vậy, có thể nói LTTĐTQ đã toàn thắng sau đúng một
thế kỷ tồn tại.
Mặt khác, nếu như sóng điện-từ
có thể bị cản trở bởi các vật mà nó gặp trên đường lan truyền thì sóng hấp dẫn
hoàn toàn không bị cản trở gì. Nó luôn xuyên qua mọi vật, mọi loại môi trường
và chỉ bị biến dạng ít nhiều. Vì thế, những sóng hấp dẫn đã đi qua quãng đường
mà ánh sáng cũng phải đi mất hàng tỉ năm vẫn có thể còn quan sát được và mang
những thông tin về các đối tượng vật chất phát ra nó. Nói cách khác, sóng hấp dẫn
cho các nhà khoa học những khả năng tìm hiểu về vũ trụ cách đây hàng tỉ năm.
Trước đây, trong thập niên
1960, người ta đã phát hiện ra “phông bức xạ cực ngắn” của vũ trụ. Nó mang một
số thông tin về vũ trụ sơ khai. Tuy nhiên, vì đây là sóng điện-từ nên thông tin
đã bị “bóp méo” nhiều. Lần này, với sự quan sát được sóng hấp dẫn, rất nhiều
thông tin trung thực về vũ trụ sơ khai sẽ được tìm ra.
TRẦN DƯƠNG
No comments:
Post a Comment