Sóng hấp dẫn đã được nhìn thấy 

Mô phỏng số của sóng hấp dẫn được phát ra bởi sự sáp nhập của hai lỗ đen theo đường xoắn ốc vào trong. Các đường viền xung quanh mỗi lỗ đen tượng trưng biên độ của bức xạ hấp dẫn, các đường màu xanh tượng trưng quỹ đạo của lỗ đen, các mũi tên tượng trưng spin của chúng -Nguồn: C.Henze/NASA Ames Research Center

“Sóng hấp dẫn này đã được sinh ra trong khoảnh khắc một giây cuối cùng của sự sáp nhập hai lỗ đen để tạo ra một lỗ đen quay duy nhất. Sự va chạm này của hai lỗ đen đã được tiên đoán nhưng chưa bao giờ quan sát thấy”, rằng “các lỗ đen tham gia sự kiện này có khối lượng khoảng 29 và 36 lần khối lượng của Mặt trời và sự kiện đã xảy ra 1,3 tỉ năm trước”. Những chi tiết đó nghe còn huyền bí hơn những chuyện thần tiên trong cổ tích.

Làm sao có thể đo được sự biến dạng của không gian nhỏ hơn cả phần ngàn kích thước của một proton gây ra bởi một tai biến từ 1,3 tỉ năm trước? Khám phá sóng hấp dẫn có lẽ là phép thử khó khăn nhất trong các phép thử đối với thuyết tương đối rộng của Einstein và làm thuyết này rực rỡ hơn bao giờ hết. Nó là đặc thù của thuyết tương đối rộng và không có tương đương trong thuyết Newton.

Sóng đã được Einstein tiên đoán những năm 1916 và 1918 theo thuyết tương đối rộng. Các nhà thiên văn đã phải mất khoảng 50 năm mới dò được sóng này tính từ lúc bắt đầu tiến hành vào những năm 1960, cũng lâu bằng thời gian đi tìm hạt Higgs. Khám phá cũng chấm dứt những cuộc tranh cãi liên tục sau khi các bài báo của Einstein được công bố.

Sóng hấp dẫn được sinh ra từ đâu, vì sao nó quan trọng?

Sóng hấp dẫn là hệ quả của thuyết tương đối rộng 100 năm trước. Chúng ra đời tương tự như sóng điện từ ra đời. Nếu Maxwell, vào giữa thế kỷ 19 căn cứ trên thuyết điện từ của mình, đúng hơn là trên các phương trình Maxwell, tiên đoán sự tồn tại của các sóng điện từ thì Einstein cũng thế, căn cứ trên thuyết tương đối rộng, hay trên các phương trình trường hấp dẫn của ông, cũng tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn trong vũ trụ.

Sóng điện từ là những sóng lăn tăn (sóng ngang) của các lực điện và từ truyền đi trong không gian. Chúng được sinh ra bởi sự chuyển động của các điện tích. Ánh sáng thấy được, tia hồng ngoại, tử ngoại, sóng vô tuyến, tia X, sóng vi ba là những ví dụ của các sóng điện từ.

Tương tự, Einstein bằng những tính toán đã tiên đoán loại sóng hấp dẫn truyền đi trong thảm không - thời gian cũng với vận tốc ánh sáng. Sóng này sẽ được tạo ra bởi sự chuyển động mạnh của các vật thể nặng thay vì các điện tích như trong sóng điện từ.

Tương tự sóng điện từ, nếu hai khối lượng trong không gian chuyển động quanh nhau do lực hấp dẫn, chẳng hạn một hệ thống của hai sao, chúng sẽ phát ra sóng hấp dẫn, lấy đi một phần năng lượng từ hệ thống, có thể được tính toán bằng các phương trình Einstein.

Chúng ta cũng có thể tạo ra sóng hấp dẫn bằng cách vung một khối sắt nặng với tốc độ cực nhanh, nó sẽ phát ra một năng lượng khoảng 10-30 Watts dạng sóng hấp dẫn.

Vì sao người ta quan tâm đến sóng hấp dẫn dù rất khó khăn? Với sóng điện từ, người ta chỉ quan sát được bề mặt của các vật thể, trong khi các quá trình tạo lực cho các vì sao diễn ra âm thầm bên trong.

Khi người ta quan sát bức xạ vũ trụ nền thì đó cũng mới là vết tích trên bề mặt cuối cùng của bầu khí đục khoảng 380.000 năm sau Big Bang (Vụ nổ lớn), trong giai đoạn tái tổ hợp, khi electron và proton lần đầu tiên kết hợp nhau để tạo ra các nguyên tử hydro, chứ không quan sát được Big Bang.

Với sóng hấp dẫn, người ta hi vọng “nghe được tiếng ầm vang” của Big Bang buổi ban sơ, quan sát được lỗ đen, hiểu biết các động lực cơ bản của các quá trình vũ trụ diễn ra thế nào. Tấm thảm không - thời gian của chúng ta luôn luôn bị “xốc lên dằn xuống” bởi “sấm sét hấp dẫn” phát ra từ các tai họa vũ trụ.

Các tai họa có thể là vụ nổ sao siêu mới (supernova), sự sáp nhập của hai sao neutron, hai lỗ đen hay của các thiên hà, những hiện tượng kinh sợ trong vũ trụ. Cho nên dò sóng hấp dẫn là hứa hẹn để nhìn sâu vào những gì xảy ra bên trong các tai họa vũ trụ.

Cuộc đi tìm sóng hấp dẫn là lâu dài và khó khăn. Dù năng lượng phát xạ từ sóng hấp dẫn là rất lớn từ những vụ tai biến vũ trụ, nhưng khi đến Trái đất thì quá nhỏ sau một đoạn đường quá xa, bằng 10²¹ km trong trường hợp đang nói.

Một sự khởi đầu quan trọng là do Joseph Weber của ĐH Maryland thực hiện. Năm 1968, ông xây dựng một thiết bị thô sơ gồm nhiều hình trụ dài 2m, đường kính 1m và các “ăngten vô tuyến” dò sóng hấp dẫn.

Đầu những năm 1970, ông tin rằng mình đã tìm được chứng cứ của sóng hấp dẫn phát ra từ supernova SN1987A. Mặc dù các thí nghiệm sau đó của các đồng nghiệp không xác nhận kết quả của ông, một ngành thiên văn mới sử dụng các thiết bị dò sóng hấp dẫn như các “kính viễn vọng hấp dẫn” bắt đầu ló dạng. Stephen Hawking cũng muốn dấn thân vào cuộc truy tìm nhưng đã nhanh chóng nhận ra mình không phải là nhà thực nghiệm giỏi.

Rồi cú hích tới. Sự tồn tại của sóng hấp dẫn đã được chứng minh lần đầu tiên - một cách gián tiếp - vào những năm 1970 và 1980 bởi Joseph Taylor và Russell Hulse (giải Nobel vật lý 1993).

Hai ông khám phá một hệ sao đôi gồm một sao xung (pulsa) chuyển động quanh một sao neutron và thấy rằng quỹ đạo xoắn ốc của pulsa dần dần co lại do sự phát xạ năng lượng ở dạng sóng hấp dẫn, điều này hoàn toàn phù hợp với các tính toán của Einstein.

Làm sao dò được sóng hấp dẫn trực tiếp?

Máy dò LIGO sử dụng lại giao thoa kế của Michelson từng được sử dụng để phát hiện sóng ether trong vũ trụ, nhưng bằng tia laser thay vì ánh sáng thường. Tách một chùm tia laser đi theo hai hướng vuông góc với nhau trong những ống dẫn dài 4km, sau đó phản chiếu về chỗ cũ để chúng được kết hợp với nhau đi vào một máy dò photon.

Bình thường nếu không có sóng hấp dẫn thì hai chùm tia nói trên được đồng bộ hóa và triệt tiêu nhau sau khi đi được quãng đường như nhau. Một sóng hấp dẫn đi qua máy dò làm một ống dẫn co lại hoặc giãn ra so với ống kia. Sự khác biệt này sẽ khiến hai chùm tia không triệt tiêu nhau mà giao thoa với nhau và được quan sát ở một máy dò.

Đài quan sát LIGO gồm hai giao thoa kế laser như thế đặt tại bang Washington và bang Louisiana. Mục tiêu là khám phá được một sự thay đổi chiều dài của một phần 10²¹ hay tương đương với một phần ngàn tỉ đường kính sợi tóc con người! Với độ nhạy như thế, người ta hi vọng khám phá được sóng hấp dẫn bắt nguồn từ các vụ nổ supernova để thành sao neutron hay lỗ đen, hay từ các vụ va chạm các lỗ đen.

“Lắng nghe vũ trụ”

Khám phá sóng hấp dẫn mới chỉ là bước đầu của một giai đoạn mới để “lắng nghe vũ trụ”. “Lắng nghe vũ trụ” hay “hiểu được ngôn ngữ của tự nhiên” của thế kỷ 17 đều là mục tiêu khai phá thế giới của con người ở những chân trời bí ẩn. Khoa học là giải phóng, là văn hóa và là động lực của xã hội hiện đại.

“Tiếng gọi của khoa học nằm sâu thẳm trong con người, bởi nó nói lên sự khao khát muốn khám phá, hiểu và biết các sự vật liên quan với nhau thế nào, để hiểu được sự hiển nhiên hời hợt của giác quan và quan trọng không kém, sử dụng tri thức này cho mục đích nhân loại” như I. I. Rabi, nhà vật lý hạt đoạt giải Nobel và là một trong những người cha tinh thần của CERN nói. Và bởi vì tiếng gọi đó bao trùm cả vạn vật (universal) nên khoa học sẽ không có biên giới.

Tuyên bố khám phá sóng hấp dẫn được đưa ra vào lúc sắp tới sinh nhật thứ 137 của Einstein: 14-3-1879. Đây có thể xem là một món quà tặng lớn cho Einstein. Ông mất đi, nhưng thế giới vẫn còn tiếp tục sự nghiệp của ông với quy mô hơn bao giờ hết.

“Sẽ là tuyệt vời nếu nhìn được khuôn mặt của Einstein khi chúng ta có thể kể cho ông ấy nghe (khám phá của chúng ta)” - Rainer Weiss, giáo sư ở MIT, một trong những người cha tinh thần đề nghị xây dựng LIGO những năm 1980, nói.

Có lẽ Einstein sẽ lè lưỡi lần thứ hai để nói rằng “các bạn giỏi quá xá”. Ông không thể ngờ được các hậu sinh có thể làm được nhiều chuyện đối với ông là không tưởng, như việc khai thác năng lượng hạt nhân qua công thức E = mc2, rồi lượng tử EPR, sự tồn tại lỗ đen, sự vô lý của hằng số lambda, khám phá sóng hấp dẫn. Nhưng tất cả những điều ấy lần lượt đã trở thành sự thật.

Còn hậu sinh thì nghĩ gì về Einstein? Họ không biết Einstein vĩ đại làm sao! Nếu còn sống, ông sẽ nổi tiếng hơn hồi năm 1919 khi độ lệch ánh sáng được xác nhận. Thế giới sẽ công kênh ông.

Con người từng được tôn giáo nâng lên là “đồng tác giả” với Thượng đế để thực hiện “những tiềm năng mà đấng sáng tạo đã giấu bên trong”. Còn nói như Steven Weinberg trong tác phẩm Ba phút ban đầu: “Con người không chịu tự an ủi mình với những câu chuyện về thần linh..., cũng không chịu giới hạn suy nghĩ mình vào cuộc sống thường nhật.

Không chịu hài lòng nên con người mới xây dựng kính viễn vọng, vệ tinh và máy gia tốc (giờ thêm LIGO), tiêu pha vô số thì giờ ở bàn làm việc để giải mã những dữ liệu thu thập được. Mong muốn của họ là hiểu được vũ trụ, nâng cuộc sống con người lên khỏi sân khấu hề của đời thường một ít và đem lại cho nó một chút nhân phẩm có tính bi kịch”.

Tin mừng sóng hấp dẫn đã làm tuôn trào cảm xúc trong cộng đồng Việt Nam, mà sự xuất hiện nhanh chóng nhiều bài viết có chất lượng là một chỉ số đánh dấu tình yêu khoa học đã tăng thang bậc, mà Einstein là biểu tượng bất tử. ■