TRẦN DƯƠNG – Sóng hấp dẫn và vài vấn đề liên quan

SONG HAP DAN

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

Advertisements

2 comments on “TRẦN DƯƠNG – Sóng hấp dẫn và vài vấn đề liên quan

  1. Pingback: Sóng hấp dẫn và vài vấn đề liên quan | Sưphạm ÁO NÂU Đalat

  2. Pingback: THU SÓNG HẤP DẪN – THÀNH CÔNG VANG DỘI CỦA NGÀNH KHOA HỌC KHÔNG GIAN (Gia Minh – RFA) | Ngoclinhvugia's Blog

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s