Một tin tức đặc biệt đang làm chấn động thế giới: Đã tìm thấy sóng hấp dẫn! Tôi rất đỗi vui mừng khi nghe tin này và lập tức nhớ tới một bài báo của tôi đã đăng tại Việt Nam 15 năm trước: “Sóng hấp dẫn – hòn đá thử vàng của vũ trụ học”, ngụ ý rằng sóng hấp dẫn chính là chìa khóa để vén mở bí mật của vũ trụ. Nay là lúc nên thảo luận vấn đề này một lần nữa dưới ánh sáng của khám phá mới.
Vâng, đúng thế, bài báo của tôi, “Sóng hấp dẫn – Hòn đá thử vàng của vũ trụ học”, đã đăng trên tờ Lao Động ngày 22/02/2001, và đã được tập hợp trong một cuốn sách của tôi nhan đề: “Những câu chuyện khoa học hiện đại”, do NXB Trẻ xuất bản năm 2004.
Đọc lại bài báo, tôi giật mình nhận ra rằng nó vẫn hoàn toàn mới, đến nỗi có thể xem như một dự báo của sự kiện khám phá sóng hấp dẫn vừa được loan báo. Nội dung của bài báo tuy ngắn gọn, nhưng chứa đựng những khái niệm cơ bản của sóng hấp dẫn và nhấn mạnh ý nghĩa đặc biệt quan trọng của sóng hấp dẫn đối với khoa học hiện đại. Đó là những hiểu biết cần thiết để nắm bắt thông tin mới về sóng hấp dẫn. Vì thế, tôi xin công bố lại nguyên văn bài báo đó, như một cơ sở để nắm bắt thông tin mới, đồng thời nêu lên những bình luận và phân tích bổ sung về sự kiện đang làm cộng đồng khoa học thế giới xúc động.
Trải qua một thời gian dài nghiên cứu nguồn gốc vũ trụ nhưng đến nay các nhà vũ trụ học vẫn chưa có cách nào kiểm chứng được vũ trụ lúc mới ra đời để thẩm định giá trị lý thuyết của họ. Tuy nhiên trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu đã đưa ra một phương pháp cho phép quan sát vũ trụ đúng vào thời điểm ngay sau Big Bang. Phương pháp này đòi hỏi phải tìm được dấu vết của sóng hấp dẫn trong nền vi sóng vũ trụ – nền bức xạ lạnh đã thấm vào vũ trụ trong suốt gần 15 tỷ năm qua.
Đó là lời mở đầu của Robert Candwell và Marc Kamionkowski trong bài “Echoes from the Big Bang” (Tiếng Vọng từ Big Bang) trên Scientific American số ra Tháng 01 năm 2001.
Ngay từ năm 1918, Albert Einstein đã tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn (gravitational waves) như là hệ quả tất yếu của Thuyết Tương Đối Tổng Quát của ông. “Theo lý thuyết này, bất kỳ một hệ thống vật lý nào chứa đựng những chuyển động nội tại phi đối xứng cầu sẽ tạo ra sóng hấp dẫn”. Mặc dù sóng hấp dẫn chưa bao giờ được phát hiện trực tiếp, nhưng những quan sát thiên văn đã xác nhận rằng hai vật thể có mật độ tập trung vật chất cực lớn trong vũ trụ như một cặp sao neutron hoặc hai hốc đen nếu “chuyển động cuốn vào nhau” (spiral toward each other) thì sẽ sản sinh ra sóng hấp dẫn.
Hai vật thể có mật độ tập trung vật chất cực lớn trong vũ trụ như một cặp sao neutron hoặc hai hốc đen nếu chuyển động cuốn vào nhau thì sẽ có thể sản sinh ra sóng hấp dẫn (Ảnh chụp màn hình/YouYube)
Nếu sóng điện từ (tia X, sóng radio, ánh sáng) chuyển dời những xáo động (disturbances) trong trường điện từ thì tương tự như vậy, sóng hấp dẫn chuyển dời những xáo động trong trường hấp dẫn. Và cũng giống như sóng điện từ, sóng hấp dẫn có thể chuyển tải thông tin và năng lượng từ các nguồn phát ra chúng. Tuy nhiên sóng hấp dẫn có thể đi xuyên qua những loại vật chất có khả năng thẩm thấu mọi loại bức xạ điện từ. Nếu tia X cho phép các bác sĩ nhìn được xuyên qua những vật liệu mà ánh sáng không thể đi qua thì sóng hấp dẫn cho phép các nhà nghiên cứu nhìn thấy những hiện tượng vật lý thiên thể mà không thể có cách nào khác nhìn thấy.
Theo lý thuyết Big Bang, ngay sau vụ nổ lớn vũ trụ bị giãn nở đột ngột. Thời kỳ giãn nở đột ngột diễn ra trong khoảnh khắc cực ngắn từ lúc 10-38 của 1 giây đến lúc 10-36 của 1 giây kể từ lúc bắt đầu của Big Bang. Trong khoảnh khắc này, các quá trình lượng tử sẽ sản sinh ra sóng hấp dẫn. Các sóng này sẽ lan truyền xuyên qua một thể vật chất đặc biệt lấp đầy vũ trụ ngay từ buổi ban đầu gọi là plasma – một “thùng cháo” vũ trụ đặc quánh, nóng bỏng tràn ngập các hạt cơ bản. Vũ trụ plasma này tồn tại suốt trong 500.000 năm đầu tiên và cản trở không để cho các bức xạ điện từ lọt qua, bởi lẽ bất kỳ hạt photon nào được phát đi đều bị chuyển động tán loạn ngay lập tức trong cái “thùng cháo” đó. Vì thế ngày nay không thể nhận được bất kỳ tín hiệu điện từ nào xảy ra từ Big Bang. Nói cách khác, không thể trông cậy vào bức xạ điện từ để kiểm chứng Big Bang. Trong khi đó, sóng hấp dẫn sinh ra từ quá trình giãn nở đột ngột vẫn có thể lan truyền xuyên qua plasma để “vang vọng” mãi đến tận 15 tỷ năm sau, tức là cho đến tận ngày nay để làm nhân chứng cho lịch sử của vũ trụ.
Candwell và Kamionkowski viết: “Bởi vì bức xạ hấp dẫn cung cấp một bức ảnh chớp nhoáng của vũ trụ vào thời điểm ban đầu nên nó đã trở thành hòn đá thử vàng (Rosetta stone) của vũ trụ học”.
Hốc đen hợp nhất khổng lồ này không chỉ phát ra năng lượng mà còn làm cong không thời gian xung quanh nó, nhờ đó các nhà khoa học đã ghi nhận được hiện tượng lạ lùng mà họ chờ đợi gần một trăm năm nay, mặc dù nó xẩy ra ở một nơi trong vũ trụ cách chúng ta khoảng 1,3 tỷ năm ánh sáng.
Hai cơ quan khoa học hoàn toàn độc lập với nhau gần như đồng thời ghi nhận được hiện tượng này. Đó là: Đài quan sát LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatories) tại Livingston thuộc tiểu bang Louisiana (Mỹ) và Đài quan sát The Hanford, thuộc tiểu bang Washington (Mỹ). Hai đài quan sát này cách nhau 3000 km và LIGO tóm bắt được hiện tượng này sớm hơn The Hanford chỉ 7/1000 giây!
Ghi nhận dấu hiệu sóng hấp dẫn của 2 đài quan sát thuộc LIGO. (Ảnh: LIGO)
Tóm lại, kịch bản diễn ra đúng như dự kiến của Einstein.
“Một lần nữa thiên tài của Einstein đã được xác nhận”.
– Đài BBC
Cách đây 4 năm, 2012, thế giới cũng từng trải qua một cơn địa chấn khoa học khi CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Âu Châu) loan tin đã tìm thấy Hạt Higgs, một loại hạt cơ bản mà sự tồn tại của nó đã được nhà vật lý Peter Higgs dự đoán từ năm 1964, và ông Higgs đã đoạt Giải Nobel vật lý năm đó. Giới khoa học đã bị chấn động vì Hạt Higgs đóng vai trò vô cùng quan trọng trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt cơ bản đến nỗi nó được mệnh danh là “Hạt của Chúa”. Nếu nó thực sự không tồn tại thì Mô hình Chuẩn có nguy cơ sụp đổ. Nhưng nó tồn tại!
Lần này, nếu cộng đồng khoa học thế giới bị chấn động với tin tức tìm thấy sóng hấp dẫn, thì ắt sóng hấp dẫn phải đóng một vai trò quan trọng như thế nào đối với vật lý hiện đại. Xin thưa, nếu sóng hấp dẫn không tồn tại thì lý thuyết của Einstein có nguy cơ sụp đổ, có nghĩa là vật lý học sụp đổ. Nhưng sóng hấp dẫn tồn tại!
Câu chuyện về sóng hấp dẫn, tất nhiên, đòi hỏi những hiểu biết khoa học phức tạp. Nhưng tôi thích cách tiếp cận đơn giản để sao cho mọi người đều có thể hiểu. Với những người không chuyên về vật lý, đôi khi họ bị rối mù với các khái niệm về vật chất, lực, trường, sóng, năng lượng. Tùy theo ngữ cảnh của câu chuyện, những khái niệm này có thể được sử dụng một cách chặt chẽ, chính xác, nghiêm ngặt, hoặc lỏng lẻo dễ dãi hơn một chút, nếu không sợ bị hiểu lầm.
Nói về hấp dẫn, thì công lao đầu tiên thuộc về Isaac Newton, khi ông chỉ ra rằng tồn tại lực hấp dẫn – tương tác giữa những vật chất có khối lượng (chuyện quả táo rơi), và không những thế, ông còn tính được chính xác những lực đó.
Nhưng phải đợi đến Michael Faraday thì khái niệm trường (field) mới hình thành, bắt đầu từ trường điện từ (electro-magnetic field). Không ai nhìn thấy trường điện từ, nhưng Faraday “cảm nhận” được nó thông qua những biểu hiện gián tiếp. Hình ảnh mạt sắt phân bố theo những đường cong (đường sức) của từ trường giúp Faraday hình dung ra từ trường. Vậy nếu có lực điện từ thì phải có trường điện từ. Lực chẳng qua là biểu lộ của trường tại một điểm. Trường là không gian vật chất truyền lực tương ứng. Trường điện từ là không gian vật chất truyền lực điện từ. Không gian vật chất này lấp đầy những hạt cơ bản chuyên trách chịu trách nhiệm làm công việc truyền lực đó.
Vậy nếu tồn tại lực hấp dẫn thì phải có trường hấp dẫn. Dễ thấy rằng trường hấp dẫn lấp đầy vũ trụ, vì vật chất có mặt ở khắp nơi. Ở đâu có vật chất ở đó có vũ tru, và ngược lại, vũ trụ là tập hợp của thế giới vật chất. Tất nhiên, vũ trụ mà ta đang nói đến là vũ trụ vật lý, nơi công thức E = mc2 thống trị. Nhưng Einstein không dừng lại ở đó. Ông đã đẩy câu chuyện đi xa hơn.
Cuối thế kỷ 19, khoa học đã khám phá ra sóng điện từ: một dao động điện từ sẽ phát ra sóng điện từ. Sóng vô tuyến điện giúp ta nghe radio, xem truyền hình, phát ra từ những dao động điện trong các khung dây. Nói một cách tổng quát, những xáo trộn điện từ tạo ra sóng điện từ. Tương tự, những xáo trộn của vật chất có khối lượng sẽ tạo ra sóng hấp dẫn. Đó là tiên đoán thiên tài của Albert Einstein.
Thiên tài ấy xuất phát từ một trực giác sẵn có trong đáy sâu tâm khảm của ông – đó là ý nghĩ cho rằng bản chất của tất cả các loại lực là một. Vật lý đã biết 4 loại lực: hấp dẫn, điện từ, hạt nhân yếu, hạt nhân mạnh. Với Einstein, 4 loại lực ấy là Một, và Cái Một ấy được gọi là Siêu Lực (superforce). Đó là lý do để ông đề xuất Lý thuyết Trường Thống nhất, tiền thân của “Lý thuyết về mọi thứ” sau này (TOE, Theory of Everything).
Trở lại với việc Einstein tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn, ông biết rằng lực hấp dẫn là lực vô cùng nhỏ, yếu nhất trong 4 loại lực đã biết, nên sóng hấp dẫn sẽ rất khó phát hiện. Tuy nhiên, lực hấp dẫn tỷ lệ thuận với khối lượng, nên những thiên thể vô cùng lớn sẽ tạo ra những lực hấp dẫn đáng kể, và do đó chỉ những xáo trộn của những vật thể vô cùng lớn mới có thể tạo ra những sóng hấp dẫn đủ lớn để khoa học có thể nắm bắt được.
Big Bang, vụ nổ lớn của vũ trụ từ thủa sơ sinh, là một xáo trộn vĩ đại, ắt phải sản sinh ra các loại sóng vật chất: sóng điện từ, sóng hấp dẫn – những di tích lan truyền trong vũ trụ, mang theo thông tin của vũ trụ trong quá trình sinh trưởng, “tấm ảnh” tái hiện vũ trụ trong buổi sơ sinh. Nhưng, như đã phân tích trong bài báo “Sóng hấp dẫn – hòn đá thử vàng của vũ trụ học”, khoa học không thể trông mong gì ở sóng điện từ, vì nó bị tan loãng trong “nồi cháo plasma” của vũ trụ trong khoảng 500.000 năm sau buổi sơ sinh. Trong khi đó, sóng hấp dẫn, tuy yếu hơn, nhưng lại có khả năng xuyên thấu mọi vật chất mà sóng điện từ không thể lọt qua, và chúng sẽ có thể đến với chúng ta ngay nay. Và quả nhiên, chúng đã đến!
Không thể nói sao cho hết sự kỳ diệu này!
Newton ngày xưa được nhà thơ Alexander Pope ngợi ca rằng “Chúa phán: Newton hãy ra đời! Và thế là khắp thế gian bừng sáng”. Liệu lời ca ngợi đó có thể dành cho Einstein không?
Tôi nghĩ, công trình khám phá ra sóng hấp dẫn chắc chắn sẽ đoạt Giải Nobel vật lý năm 2016. Nhưng người đoạt giải tất nhiên sẽ không phải là Einstein, người dự đoán sự tồn tại của nó, mà sẽ là những người có công xác nhận sự tồn tại của nó trong thực tế. Đó là ai? Hãy chờ xem. Nhưng nếu phải có một lời ngợi ca duy nhất trong trường hợp này, tôi muốn ca ngợi vật lý học nói chung, và đặc biệt, ca ngợi những phương trình của Einstein.
Thật kinh ngạc khi biết rằng trong phát hiện mới nhất này người ta thấy tất cả các số liệu ghi nhận được đều phù hợp với các phương trình của Einstein đến mức hoàn hảo! Sự kinh ngạc về tính chính xác trong những tiên đoán của Einstein đã xẩy ra nhiều lần, nhưng lần này sự kinh ngạc quá lớn, vì sự chờ đợi đã quá lâu, và sự kiện hai hốc đen cuốn vào nhau để phát ra sóng hấp dẫn quả thật là “trăm năm có một”. Các nhà khoa học tìm kiếm sóng hấp dẫn giống như những người câu cá trên một cái hồ không có cá, sau 98 năm mới có một con cá xuất hiện…
Trong giới vật lý, người ta thường truyền tụng nhau một “định lý” rằng các phương trình của Einstein thông minh hơn chính tác giả của chúng, bởi từ những phương trình đó, các nhà vật lý đã tìm thấy những hệ quả mà chính Einstein cũng phải ngạc nhiên. Lý thuyết Big Bang là một. Bình luận việc khám phá ra sóng hấp dẫn lần này, nhà khoa học Bernie Schutz tại Đại học Cardiff nói:
“Mặc dù các phương trình của Einstein nổi tiếng là phức tạp, nhưng chúng là những phương trình đơn giản nhất mà ông có thể viết ra,… Thật là phi thường khi tự nhiên không bổ sung thêm điều gì phức tạp hơn nữa”.
Nhưng tôi còn nhìn thấy một hệ quả sâu xa hơn nữa. Đó là sự củng cố lý thuyết Big Bang và điều này liên quan tới triết học, tới vũ trụ quan, ủng hộ quan điểm của Thuyết Sáng tạo.
Rốt cuộc, sóng hấp dẫn là một sự thật, không còn ai nghi ngờ gì nữa. Giải mã những thông tin của sóng hấp dẫn, khoa học sẽ tạo dựng được bức tranh hình thành vũ trụ. Mặc dù việc này vẫn đang còn ở phía trước, nhưng các nhà khoa học đã vững tin rằng họ đang đi đúng đường. Lý thuyết Big Bang đáng được tin cậy hơn, vì càng ngày càng có thêm nhiều bằng chứng xác nhận nó. Sóng hấp dẫn vừa tìm được mặc dù phát ra từ sự hợp nhất của hai hốc đen, nhưng nó là bài học, là tấm gương để các nhà vũ trụ học tiếp tục tìm kiếm sóng hấp dẫn phát ra từ chính Big Bang. Một ngày nào đó có thể không xa, chúng ta có thể lại bị chấn động bởi một phát hiện tương tự như hôm nay, rằng đã bắt được tín hiệu sóng hấp dẫn từ Big Bang. Dù chưa đến ngày đó, logic và cơ sở khoa học của lý thuyết Big Bang đến nay vẫn vững chắc đến mức được hầu như tất cả các nhà khoa học ủng hộ, bao gồm cả những nhà khoa học hữu thần lẫn vô thần.
GS David reitze, giám đốc điều hành LIGO: “Thưa quý bà, quý ông, chúng tôi đã phát hiện thấy sóng hấp dẫn.” (Ảnh chụp màn hình/YouTube)
Đại biểu xuất sắc của các nhà khoa học hữu thần – những nhà khoa học tin vào Thuyết Sáng tạo – chẳng phải ai khác ngoài Albert Einstein. Ông không tin vào Chúa của Thiên Chúa giáo và Do Thái giáo, nhưng tin vào Chúa của vũ trụ – Đấng Sáng tạo, nhà lập trình vĩ đại, tác giả của các định luật vũ trụ. Ông coi niềm tin đó là Đạo Vũ trụ. Và ông viết rất rõ ràng về điều này trong cuốn “Thế giới như tôi thấy”:
“Đạo của anh ta là sự kinh ngạc ngất ngây trước sự hài hòa của tính quy luật tự nhiên, nơi tỏa rạng một lý tính ưu việt, đến nỗi đối diện với ánh hào quang ấy, tất cả những gì đáng kể trong tư tưởng và sự sắp đặt của con người chỉ là một ánh hồi quang hoàn toàn hư ảo mà thôi” (NXB Tri Thức 2004, trang 38).
Trong một trường hợp khác, ông nhắc lại ý tưởng trên rõ ràng hơn: “Mọi người theo đuổi nghiên cứu khoa học một cách nghiêm túc đều bị thuyết phục rằng có một LINH HỒN biểu lộ trong các định luật của vũ trụ – một linh hồn cao siêu hơn rất nhiều so với linh hồn của con người, và khi đối diện với linh hồn cao siêu ấy, con người với khả năng bé nhỏ phải cảm thấy mình thấp hèn” [1].
Việc xác nhận sự tồn tại sóng hấp dẫn một lần nữa cho thấy Einstein là con người siêu việt, và cảm xúc của ông về Đạo Vũ trụ là tình cảm dựa trên lý tính khoa học, trái ngược 100% với những người như Charles Darwin hoặc Stephen Hawking. Đạo Vũ trụ của Einstein không nghi ngờ gì nữa rằng nó ủng hộ Thuyết Sáng tạo, lý thuyết cho rằng Đấng Sáng tạo là tác giả của vũ trụ và sự sống.
Lý thuyết Big Bang, vốn đã được hầu hết các nhà vật lý ủng hộ, vì nó là hệ quả trực tiếp của các phương trình của Einstein và được các bằng chứng thực tế ủng hộ, nay lại càng được củng cố thêm. Nhưng lý thuyết Big Bang được củng cố bao nhiêu thì những học thuyết vô thần càng khó ăn khó nói bấy nhiêu.
Tình trạng này làm tôi nhớ đến một hình ảnh thú vị mà nhà thiên văn Robert Jastrow của NASA đã mô tả: “Đối với nhà khoa học sống bằng niềm tin vào lý lẽ (thuần túy), câu chuyện kết thúc giống như một giấc mơ buồn. Anh ta đã leo lên ngọn núi vô minh; sắp chinh phục được đỉnh cao nhất; nhưng khi trèo lên tảng đá cuối cùng, anh ta lại được chào đón bởi một nhóm các nhà thần học đã ngồi sẵn ở đó từ hàng thế kỷ nay” [2]…
Và xin có một cái kết hơi lạc đề:
Nếu lấy vật lý học làm mô hình kiểu mẫu của khoa học, thì thuyết tiến hóa của Darwin không đáng gọi là một khoa học. Tại sao?
Vì khoa học phải đạt được 2 tiêu chí cơ bản:
Lý thuyết của Einstein là một mô hình kiểu mẫu của vật lý học vì:
Đó mới thực sự là khoa học để chúng ta học hỏi, tin tưởng, noi theo.
Trong khi đó, thuyết tiến hóa của Darwin có bằng chứng gì? Những lý thuyết về biến dị ngẫu nhiên, chọn lọc tự nhiên, sự hình thành sự sống tự phát… dựa trên thực tế nào? Tuyệt nhiên không có! Đó là lý do để nhà sinh hóa bậc nhất thế kỷ 20, Ernst Chain, một trong những cha đẻ của khoa học về kháng sinh, nhận định: thuyết tiến hóa chỉ là một “giả thuyết vô bằng chứng và mâu thuẫn với thực tế” và “không đáng gọi là một lý thuyết”, “không phải là một bộ phận của khoa học”.
Nguồn:http://www.daikynguyenvn.com/khoa-hoc-cong-nghe/da-tim-thay-hon-da-thu-vang-cua-vu-tru-hoc-song-hap-dan.html