Hiểu phát kiến khoa học của thời đại (1) Sóng hấp dẫn
Ngày 17 tháng 3 năm 2014, truyền thông thế giới chấn động về việc nhóm BICEP2 công bố đã tìm được bằng chứng về sóng hấp dẫn và bức xạ nền viba vũ trụ (CMB) còn sót lại từ 14 tỷ năm trước đây, trong một giai đoạn ngay sau vụ nổ lớn Big Bang gọi là giai đoạn Lạm phát vũ trụ (Cosmic Inflation). Trong giai đoạn này, vũ trụ đã phát triển đột biến để phát triển thành vũ trụ của chúng ta hôm nay. Nói một cách khác, nếu không có Lạm phát Vũ trụ, thế giới của chúng ta ngày hôm nay sẽ hoàn toàn khác. Sự kiện này, nếu được khẳng định, sẽ là phát kiến lớn nhất của nhân loại trong vài chục năm qua. Để hiểu được sự kiện này, phải nắm được một số khái niệm cơ bản. Là người may mắn đã từng làm việc với các khái niệm đó, tôi cảm thấy có nghĩa vụ phải chia sẻ niềm hân hoan của nhân loại này với tất cả mọi người. Dự kiến loạt bài này như sau:
1. Sóng hấp dẫn
2. Các giai đoạn phát triển của vũ trụ sau Vụ nổ lớn
3. Ảnh hưởng của Lạm phát vũ trụ tới thế giới ngày nay
4. Tàn tích của vụ nổ lớn và bức xạ nền vi ba vũ trụ
5. Các số liệu thực nghiệm gần đây
6. Các mô hình và kịch bản hình thành vũ trụ
Bài đầu tiên sẽ trình bày khái niệm sóng hấp dẫn. Tôi đã phải viết lại lần thứ ba để dễ hiểu hơn đối với mọi người.
Sóng hấp dẫn là một dạng sóng mới tương tự như sóng cơ học hoặc sóng điện từ. Sóng cơ học thường gọi là sóng âm, truyền các xung động vật lý đi trong các môi trường vật chất. Các phần tử của vật chất sẽ rung động, lắc lư theo một nhịp điệu nào đó. Chúng ta nghe được âm thanh, nhìn thấy sóng nước vỗ bờ là vì có sóng cơ học. Sóng điện từ làm các vật mang điện, các nam châm, các cuộn cảm ứng nhảy nhót, dao động cũng theo các tần số nhất định. Nhờ có sóng điện từ người ta có đài phát thanh, máy vô tuyến và có ánh sáng. Sóng truyền tín hiệu, năng lượng đi xa nhờ tính dao động tuần hoàn.
Người ta tìm ra cách mô tả sóng bằng các lời giải tuần hoàn của các phương trình nào đó. Sóng âm được mô tả bằng phương trình Laplace, sóng điện từ mô tả bằng phương trình Maxwell. Tính tuần hoàn đảm bảo năng lượng ít bị tiêu tán nhất. Sóng có tính chất tán xạ, khúc xạ, bị nhiễu, giao thoa, cộng hưởng, phân cực.
Sóng hấp dẫn là các dao động tuần hoàn về lực hấp dẫn và về kích thước của mọi vật. Nếu như sóng âm và sóng điện từ chỉ bắt mọi vật nhảy nhót, lắc lư, sóng hấp dẫn khi truyền qua các vật sẽ làm chúng dãn nở hoặc co nhỏ chúng lại cũng theo một tần số nào đó. Nếu có ai đó chế được thiết bị tạo ra được sóng hấp dẫn sẽ điều khiển được cả cảnh quan, đường nét của thế giới chứ không chỉ khống chế về âm thanh, ánh sáng và màu sắc. Hãy tưởng tượng rằng nếu "sóng hấp dẫn" truyền qua một thành phố, sẽ làm dãn nở rồi co rút mọi vật theo một nhịp điệu nào đó, nó sẽ nén người cao thành thấp, dãn người thấp thành cao, bóp méo mọi tương quan về khoảng cách và kích thước. Thậm chí, mọi vật sẽ đều nhấp nhổm, phập phồng, nhảy nhót, theo một giai điệu. Sóng hấp dẫn là gì mà lại lạ lùng, huyền ảo và thú vị như thế ? Nó là hiện thực hay chỉ là tưởng tượng của con người? Để hiểu thế nào là "sóng hấp dẫn" chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu lại khái niệm "hấp dẫn"
Hiện tượng hấp dẫn được biết từ lâu, khi quan sát các vật rơi và các thiên thể, hành tinh có tác động hút, "hấp dẫn" lẫn nhau. Vật càng nặng sẽ có lực hấp dẫn càng mạnh. Bằng chứng về lực hấp dẫn chính là hệ mặt trời, các hành tinh bắt buộc phải chuyển động xung quanh Mặt trời dưới tác động của lực hấp dẫn. Không có lực hấp dẫn, các hành tinh sẽ không chuyển động có chu kỳ xung quanh Mặt trời. Thế giới sẽ không có ngày và đêm, không có bốn mùa, năm tháng. Quả táo rơi xuống mặt đất là cũng là do lực hấp dẫn. Chính Newton là người đầu tiên liên hệ được lực kéo trái táo về mặt đất với các lực giữ cho các hành tinh chuyển động trên các quỹ đạo mà Kepler đã quan sát được. Đó chính là định luật vạn vật hấp dẫn. Dùng định luật này, người ta đã tìm ra Neptune (Hải vương tinh) và xác định vị trí chính xác của nó trên bầu trời vào một thời điểm nhất định. Đúng vào thời điểm đó, các nhà khoa học đưa kính viễn vọng ngắm vào vị trí đó và thấy hành tinh này hiện ra rực rỡ.
Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton chỉ mới có "lực" chưa có "sóng". Einstein mới là người cha của "sóng hấp dẫn". Lý thuyết tương đối rộng của Einstein là một lý thuyết phức tạp về mặt toán học, đến mức Einstein đã tự hào tuyên bố "nếu không có tôi thì nhân loại không tìm ra lý thuyết tương đối rộng". Tuy vậy, nội dung của nó có thể tóm gọn trong một câu đơn giản "hấp dẫn sinh ra là do không gian bị vật chất bị uốn cong". Chúng ta có thể hiểu được triết lý này khi quan sát một viên bi rơi xuống một mặt lồi lõm. Luôn có một lực hút viên bi về các điểm thấp hơn. Lực hút sinh ra từ độ cong của phần lồi lõm. Không gian của chúng ta nếu bị uốn cong cũng sẽ có các lực hấp dẫn như vậy. Nội dung của thuyết tương đối rộng mô tả hiện tượng hấp dẫn bằng phương trình Einstein, tương tự như hiện tượng điện từ được mô tả bằng phương trình Maxwell. Vế phải của phương trình Einstein năng xung lượng của vật chất, vế trái là độ cong của không thời gian do vật chất gây ra. Điều đó có nghĩa là vật chất sẽ có trường hấp dẫn thể hiện bằng độ cong.
Cũng chính Einstein đã phát hiện thuyết tương đối nghĩa hẹp. Thuyết này cũng có thể phát biểu nôm na là "bất cứ đại lượng nào thay đổi phụ thuộc vị trí thì cũng phụ thuộc vào thời gian và ngược lại". Từ đó suy ra rằng, tương tác hấp dẫn đã phụ thuộc vào không gian thì cũng sẽ phải phụ thuộc vào thời gian. Chính sự phụ thuộc vào thời gian của tương tác hấp dẫn sẽ mang đến sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn là lời giải phụ thuộc tuần hoàn vào thời gian của phương trình Einstein, tương tự như sóng điện từ đối với phương trình Maxwell.
Sóng hấp dẫn cũng có các tính chất tán xạ, khúc xạ, giao thoa, cộng hưởng, phân cực như sóng điện từ. Người đã kiên nhẫn hàng chục năm phát triển các kỹ thuật tính toán phức tạp cho sóng hấp dẫn là Chandrasekhar, nhà vật lý đã được giải thưởng Nobel nhờ phát hiện ra sao chổi Haley. Tuy vậy, cho đến nay chưa có ai chế tạo được thiết bị có thể sinh ra hay phát hiện ra được sóng hấp dẫn trên trái đất. Người ta hy vọng quan sát được dấu hiệu gián tiếp về sóng hấp dẫn từ các nguồn bên ngoài thiên hà, nơi có tương tác hấp dẫn đáng kể, hoặc các tàn tích của sóng hấp dẫn còn sót lại từ các thời kỳ sau Vụ nổ lớn. Trước khi nói về các quan sát thực nghiệm về sóng hấp dẫn, chúng ta hãy nói rõ thêm về ý nghĩa của sóng hấp dẫn và các hệ quả thực nghiệm của nó.
Đặc trưng cơ bản của một vật chất bị biến dạng là chúng không có kích thước nhất định. Người ta không thể đo khoảng cách bằng một cái thước cao su co dãn. Vì thế khi nói về chân lý bị bóp méo bởi người phán quyết, người ta thường ví với việc "đo sự vật bằng thước cao su". Khi thước bị kéo dãn ra hay co lại thì độ đo cũng thay đổi. Như vậy không gian bị cong đi là vì độ đo thay đổi. Nếu "độ đo" này biến đổi tuần hoàn theo thời gian thì khoảng cách. Như vậy, khi sóng hấp dẫn truyền qua không gian thời gian mà chúng ta sống, nó sẽ bóp méo mọi sự, thậm chí có thể đưa quá khứ lại gần hiện tại hay kéo nó ra xa. Nếu có sóng hấp dẫn chúng ta có thể tưởng tượng ra việc đưa các sự kiện quá khứ về hiện tại và ngược lại. Tóm lại, sóng hấp dẫn sẽ mang tới rất nhiều đảo lộn về quan niệm và các quy luật đã và đang quan sát được trong thế giới hiện tại. Như vậy, việc tìm cách quan sát được sóng hấp dẫn sẽ rất lý thú.
Ngày 17 tháng 3 năm 2014, truyền thông thế giới chấn động về việc nhóm BICEP2 công bố đã tìm được bằng chứng về sóng hấp dẫn và bức xạ nền viba vũ trụ (CMB) còn sót lại từ 14 tỷ năm trước đây, trong một giai đoạn ngay sau vụ nổ lớn Big Bang gọi là giai đoạn Lạm phát vũ trụ (Cosmic Inflation). Trong giai đoạn này, vũ trụ đã phát triển đột biến để phát triển thành vũ trụ của chúng ta hôm nay. Nói một cách khác, nếu không có Lạm phát Vũ trụ, thế giới của chúng ta ngày hôm nay sẽ hoàn toàn khác. Sự kiện này, nếu được khẳng định, sẽ là phát kiến lớn nhất của nhân loại trong vài chục năm qua. Để hiểu được sự kiện này, phải nắm được một số khái niệm cơ bản. Là người may mắn đã từng làm việc với các khái niệm đó, tôi cảm thấy có nghĩa vụ phải chia sẻ niềm hân hoan của nhân loại này với tất cả mọi người. Dự kiến loạt bài này như sau:
1. Sóng hấp dẫn
2. Các giai đoạn phát triển của vũ trụ sau Vụ nổ lớn
3. Ảnh hưởng của Lạm phát vũ trụ tới thế giới ngày nay
4. Tàn tích của vụ nổ lớn và bức xạ nền vi ba vũ trụ
5. Các số liệu thực nghiệm gần đây
6. Các mô hình và kịch bản hình thành vũ trụ
Bài đầu tiên sẽ trình bày khái niệm sóng hấp dẫn. Tôi đã phải viết lại lần thứ ba để dễ hiểu hơn đối với mọi người.
Người ta tìm ra cách mô tả sóng bằng các lời giải tuần hoàn của các phương trình nào đó. Sóng âm được mô tả bằng phương trình Laplace, sóng điện từ mô tả bằng phương trình Maxwell. Tính tuần hoàn đảm bảo năng lượng ít bị tiêu tán nhất. Sóng có tính chất tán xạ, khúc xạ, bị nhiễu, giao thoa, cộng hưởng, phân cực.
Sóng hấp dẫn là các dao động tuần hoàn về lực hấp dẫn và về kích thước của mọi vật. Nếu như sóng âm và sóng điện từ chỉ bắt mọi vật nhảy nhót, lắc lư, sóng hấp dẫn khi truyền qua các vật sẽ làm chúng dãn nở hoặc co nhỏ chúng lại cũng theo một tần số nào đó. Nếu có ai đó chế được thiết bị tạo ra được sóng hấp dẫn sẽ điều khiển được cả cảnh quan, đường nét của thế giới chứ không chỉ khống chế về âm thanh, ánh sáng và màu sắc. Hãy tưởng tượng rằng nếu "sóng hấp dẫn" truyền qua một thành phố, sẽ làm dãn nở rồi co rút mọi vật theo một nhịp điệu nào đó, nó sẽ nén người cao thành thấp, dãn người thấp thành cao, bóp méo mọi tương quan về khoảng cách và kích thước. Thậm chí, mọi vật sẽ đều nhấp nhổm, phập phồng, nhảy nhót, theo một giai điệu. Sóng hấp dẫn là gì mà lại lạ lùng, huyền ảo và thú vị như thế ? Nó là hiện thực hay chỉ là tưởng tượng của con người? Để hiểu thế nào là "sóng hấp dẫn" chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu lại khái niệm "hấp dẫn"
Hiện tượng hấp dẫn được biết từ lâu, khi quan sát các vật rơi và các thiên thể, hành tinh có tác động hút, "hấp dẫn" lẫn nhau. Vật càng nặng sẽ có lực hấp dẫn càng mạnh. Bằng chứng về lực hấp dẫn chính là hệ mặt trời, các hành tinh bắt buộc phải chuyển động xung quanh Mặt trời dưới tác động của lực hấp dẫn. Không có lực hấp dẫn, các hành tinh sẽ không chuyển động có chu kỳ xung quanh Mặt trời. Thế giới sẽ không có ngày và đêm, không có bốn mùa, năm tháng. Quả táo rơi xuống mặt đất là cũng là do lực hấp dẫn. Chính Newton là người đầu tiên liên hệ được lực kéo trái táo về mặt đất với các lực giữ cho các hành tinh chuyển động trên các quỹ đạo mà Kepler đã quan sát được. Đó chính là định luật vạn vật hấp dẫn. Dùng định luật này, người ta đã tìm ra Neptune (Hải vương tinh) và xác định vị trí chính xác của nó trên bầu trời vào một thời điểm nhất định. Đúng vào thời điểm đó, các nhà khoa học đưa kính viễn vọng ngắm vào vị trí đó và thấy hành tinh này hiện ra rực rỡ.
Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton chỉ mới có "lực" chưa có "sóng". Einstein mới là người cha của "sóng hấp dẫn". Lý thuyết tương đối rộng của Einstein là một lý thuyết phức tạp về mặt toán học, đến mức Einstein đã tự hào tuyên bố "nếu không có tôi thì nhân loại không tìm ra lý thuyết tương đối rộng". Tuy vậy, nội dung của nó có thể tóm gọn trong một câu đơn giản "hấp dẫn sinh ra là do không gian bị vật chất bị uốn cong". Chúng ta có thể hiểu được triết lý này khi quan sát một viên bi rơi xuống một mặt lồi lõm. Luôn có một lực hút viên bi về các điểm thấp hơn. Lực hút sinh ra từ độ cong của phần lồi lõm. Không gian của chúng ta nếu bị uốn cong cũng sẽ có các lực hấp dẫn như vậy. Nội dung của thuyết tương đối rộng mô tả hiện tượng hấp dẫn bằng phương trình Einstein, tương tự như hiện tượng điện từ được mô tả bằng phương trình Maxwell. Vế phải của phương trình Einstein năng xung lượng của vật chất, vế trái là độ cong của không thời gian do vật chất gây ra. Điều đó có nghĩa là vật chất sẽ có trường hấp dẫn thể hiện bằng độ cong.
Cũng chính Einstein đã phát hiện thuyết tương đối nghĩa hẹp. Thuyết này cũng có thể phát biểu nôm na là "bất cứ đại lượng nào thay đổi phụ thuộc vị trí thì cũng phụ thuộc vào thời gian và ngược lại". Từ đó suy ra rằng, tương tác hấp dẫn đã phụ thuộc vào không gian thì cũng sẽ phải phụ thuộc vào thời gian. Chính sự phụ thuộc vào thời gian của tương tác hấp dẫn sẽ mang đến sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn là lời giải phụ thuộc tuần hoàn vào thời gian của phương trình Einstein, tương tự như sóng điện từ đối với phương trình Maxwell.
Sóng hấp dẫn cũng có các tính chất tán xạ, khúc xạ, giao thoa, cộng hưởng, phân cực như sóng điện từ. Người đã kiên nhẫn hàng chục năm phát triển các kỹ thuật tính toán phức tạp cho sóng hấp dẫn là Chandrasekhar, nhà vật lý đã được giải thưởng Nobel nhờ phát hiện ra sao chổi Haley. Tuy vậy, cho đến nay chưa có ai chế tạo được thiết bị có thể sinh ra hay phát hiện ra được sóng hấp dẫn trên trái đất. Người ta hy vọng quan sát được dấu hiệu gián tiếp về sóng hấp dẫn từ các nguồn bên ngoài thiên hà, nơi có tương tác hấp dẫn đáng kể, hoặc các tàn tích của sóng hấp dẫn còn sót lại từ các thời kỳ sau Vụ nổ lớn. Trước khi nói về các quan sát thực nghiệm về sóng hấp dẫn, chúng ta hãy nói rõ thêm về ý nghĩa của sóng hấp dẫn và các hệ quả thực nghiệm của nó.
Đặc trưng cơ bản của một vật chất bị biến dạng là chúng không có kích thước nhất định. Người ta không thể đo khoảng cách bằng một cái thước cao su co dãn. Vì thế khi nói về chân lý bị bóp méo bởi người phán quyết, người ta thường ví với việc "đo sự vật bằng thước cao su". Khi thước bị kéo dãn ra hay co lại thì độ đo cũng thay đổi. Như vậy không gian bị cong đi là vì độ đo thay đổi. Nếu "độ đo" này biến đổi tuần hoàn theo thời gian thì khoảng cách. Như vậy, khi sóng hấp dẫn truyền qua không gian thời gian mà chúng ta sống, nó sẽ bóp méo mọi sự, thậm chí có thể đưa quá khứ lại gần hiện tại hay kéo nó ra xa. Nếu có sóng hấp dẫn chúng ta có thể tưởng tượng ra việc đưa các sự kiện quá khứ về hiện tại và ngược lại. Tóm lại, sóng hấp dẫn sẽ mang tới rất nhiều đảo lộn về quan niệm và các quy luật đã và đang quan sát được trong thế giới hiện tại. Như vậy, việc tìm cách quan sát được sóng hấp dẫn sẽ rất lý thú.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét