Nobel Vật Lý 2017: Hành trình đi tìm sóng hấp dẫn và phát hiện chấn động khoa học thế giới

Ba nhà khoa học Mỹ mới được vinh danh tại giải Nobel Vật lý 2017 nhờ công lao khám phá, chứng minh và quan sát trực tiếp được sóng hấp dẫn. Điều này không nằm ngoài dự đoán, khi công trình nghiên cứu của họ giống như một cơn địa chấn với toàn nhân loại, góp phần xác nhận lý thuyết 100 năm của nhà khoa học thiên tài Albert Einstein.

Nhân sự kiện lần này, chúng ta hãy thử quay ngược thời gian, tìm hiểu xem phát hiện gây chấn động ấy thực sự là gì và có tác động như thế nào.

Trước khi đọc, mời bạn xem qua video sau.

Không gian - thời gian và hành trình đi tìm sóng hấp dẫn

Trước năm 1905, cả thế giới coi quan điểm của Newton về không - thời gian là kim chỉ nam trong rất nhiều thế kỷ. Nhà bác học người Anh cho rằng không gian là một đại lượng tuyệt đối, không thay đổi. Thời gian cũng vậy - một dòng chảy vĩnh cửu, đều đặn và bất biến.

Nhưng rồi Albert Einstein xuất hiện cùng thuyết tương đối (hẹp). Khi ấy, khoa học tiếp cận một chân trời khác, nơi không - thời gian chỉ là một đại lượng tương đối, hoà hợp với nhau thành một thực thể, và hoàn toàn có thể bị thay đổi, phụ thuộc vào chuyển động của vật chất.

Đến năm 1915, Einstein công bố Thuyết tương đối rộng, trong đó đưa ra một ý tưởng rằng cái được gọi là lực hấp dẫn chỉ đơn giản là những đường cong trên bề mặt không - thời gian. Và thứ đã làm cong được không gian chính là vật chất, trong đó mật độ vật chất càng lớn, độ cong càng tăng. 

Khi ta chạm tay vào nước và di chuyển, ta sẽ thấy từng đợt sóng dao động lan tỏa đi khắp mặt nước. Vũ trụ cũng vậy. Theo Einstein, hiện tượng tương tự sẽ xảy ra khi một vật thể có khối lượng lớn di chuyển trong vũ trụ. 

Sự di chuyển đó sẽ phát ra các năng lượng dưới dạng sóng, có thể truyền đi rất xa trong vũ trụ ở tốc độ ánh sáng. Ông gọi đó là "sóng hấp dẫn" - Gravitational waves.

Mọi vật trong vũ trụ đều có thể bẻ cong không - thời gian

Nhưng đó chỉ là trên lý thuyết. Còn thực tế, khoa học lúc bấy giờ chẳng có cách nào chứng minh được sự tồn tại của sóng hấp dẫn, đơn giản là vì dao động nó gây ra là cực nhỏ, chỉ bằng một phần nhỏ bán kính của nguyên tử. Việc đo lường được xung động nhỏ đến vậy, dưới sự "bao vây" của muôn vàn nhiễu động là được xem là điều không tưởng.

Và mọi chuyện đã thay đổi vào ngày 11/2/2016, khi khoa học lần đầu tiên quan sát trực tiếp được sóng hấp dẫn, dựa vào Đài Quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) do chính 3 nhà khoa học vừa đạt giải Nobel 2017 đứng đầu.

LIGO tìm ra sóng hấp dẫn như thế nào

Theo như công bố, LIGO đã đo được tín hiệu của sóng hấp dẫn gây ra bởi 2 hố đen vũ trụ, cách chúng ta... 1,3 tỉ năm ánh sáng.

Bản chất LIGO là một ống chân không được thiết kế hình chữ L, với hai cánh tay dài ngang nhau. Các chuyên gia đã phóng tia laser thành hai hướng, dọc theo 2 góc chữ L, phản xạ ở điểm cuối cách nguồn 4km rồi quay trở lại điểm ban đầu. 

Hai trạm LIGO tại Livingston và Hanford (Mỹ)

Bình thường, do đường đi giống nhau, hai tia laser sẽ tự triệt tiêu do ngược pha. Nhưng nếu có sự hiện diện sóng hấp dẫn, hai cánh tay sẽ bị nén giãn nên chiều dài của chúng khác nhau. Tia laser khi đó sẽ bị lệch pha, và tạo ra những tín hiệu có thể đo đạc được khi gặp nhau. 

Tuy nhiên, bản chất tín hiệu và sự co giãn này là rất nhỏ, cực dễ bị các rung động xung quanh gây ảnh hưởng. Chính vì thế, các chuyên gia đã thiết kế 2 trạm LIGO giống hệt nhau, nhưng đặt ở hai điểm cách nhau hàng ngàn kilomet. Khi cả hai trạm đều cho ra những tín hiệu tương tự, thì rõ ràng đó là bằng chứng không thể chối cãi của sóng hấp dẫn.

Với việc xác nhận sự tồn tại của sóng hấp dẫn, chúng ta cũng chính thức xác nhận luôn một điều: không-thời gian có thể bị bẻ cong. Giờ hãy tưởng tượng đơn giản bạn ở Việt Nam và muốn sang Mỹ chơi. Thông thường, khoảng cách ngắn nhất là đường chim bay thẳng cánh. Nhưng với lý thuyết bẻ cong được không gian, ta có thể "gập" bản đồ thế giới, đưa Mỹ và Việt Nam sát lại. 

Đó cũng chính là lời giải cho ước mơ du hành vũ trụ của con người.