Công trình khám phá sóng hấp dẫn đạt giải Nobel Vật lý 2017

Ngày 3/10, Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công bố giải Nobel Vật lý 2017. Một nửa giải thưởng được trao cho giáo sư người Đức Weiss của Viện Công nghệ Massachusetts, trong khi nửa còn lại thuộc về hai nhà khoa học người Mỹ là Thorne và Barish của Viện Công nghệ California. 

Giải Nobel được trao cho các nhà khoa học vì thành tựu khám phá và quan sát trực tiếp được sóng hấp dẫn, những gợn sóng trong kết cấu không - thời gian đã được Albert Einstein đưa ra giả thiết về sự tồn tại nhưng chưa từng được quan sát.

Tháng 2/2016, thế giới chấn động trước thông tin một nhóm các nhà vật lý và thiên văn học đã cùng nhau ghi nhận được sóng hấp dẫn phát ra từ sự hợp nhất của 2 hố đen ở cách Trái Đất khoảng 1 tỷ năm ánh sáng. New York Times cho biết công trình này đã chứng minh được dự đoán của Einstein rằng không - thời gian có thể biến dạng như một miếng thạch khi bị một vật cực lớn tác động qua lại lên xuống.

Weiss, Thorne và Barish là kiến trúc sư và người sáng lập nên dự án nghiên cứu trên. Dự án thường được gọi là LIGO, tức Đài quan trắc Sóng hấp dẫn bằng Giao thoa kế laser.

Sóng hấp dẫn là gì?

Einstein từng tiên đoán về sóng hấp dẫn thuyết tương đối phổ quát của ông cách đây một thế kỷ. Theo giả thuyết này, không gian và thời gian quyện lại với nhau thành một thể là “không thời gian” (spacetime) – tạo ra chiều thứ tư trong vũ trụ, bên cạnh khái niệm không gian 3 chiều chúng ta có trước kia.

Einstein phỏng đoán rằng vật chất uốn bẻ không - thời gian thông qua lực hấp dẫn. Một ví dụ phổ biến là coi không - thời gian như tấm bạt nhún, còn vật chất là quả bóng được đặt trên nó. Các vật thể trên bề mặt tấm bạt nhún thường có xu thế “rơi” về phía trung tâm, tượng trưng cho lực hấp dẫn.

Khi các khối vật chất tăng tốc, như khi hai lỗ đen lao vào nhau, chúng tạo ra các sóng dọc theo các không thời gian uốn quanh chúng, hệt như các gợn sóng trên mặt hồ vậy. Các sóng này di chuyển với tốc độ ánh sáng trong vũ trụ.

Kích cỡ các khối vật chất càng lớn thì sóng sẽ càng mạnh hơn và dễ phát hiện hơn.

Sóng hấp dẫn không tương tác với vật chất nên chúng không bị cản trở khi di chuyển quanh vũ trụ.

Các sóng mạnh nhất sản sinh từ những xáo động mạnh nhất trong vũ trụ, khi hai lỗ đen va chạm, các ngôi sao khổng lồ phát nổ hoặc sự ra đời của vũ trụ cách đây khoảng 13,8 tỷ năm.

Tại sao sóng hấp dẫn khó phát hiện?

Bản thân Einstein từng nghi ngờ rằng nhân loại sẽ không bao giờ phát hiện ra sóng hấp dẫn vì kích thước của chúng quá nhỏ. Ví dụ như gợn sóng từ hai lỗ đen nhập với quy mô tầm 1 triệu km khi đến trái đất chỉ còn kích cỡ một nguyên tử.

Gợn sóng từ cách xa hàng chục triệu năm ánh sáng sẽ biến các chùm sáng dài 4 km xuống chỉ còn kích cỡ của một proton.

Năm 1974, các nhà khoa học phát hiện quỹ đạo của cặp sao neutron trong thiên hà trở nên nhỏ hơn khi xoay quanh một khối vật chất trung tâm. Điều này phù hợp với luận điểm năng lượng mất đi thông qua sóng hấp dẫn. Phát hiện này từng được trao giải Nobel Vật lý vào năm 1993. Các nhà khoa học cho rằng phát hiện mới này về sóng hấp dẫn cũng có thể sẽ được trao giải Nobel.

Sau khi nhà vật lý người Mỹ Joseph Weber tạo ra máy dò dạng xi lanh nhôm đầu tiên vào năm 1960, hàng chục năm sau, các phát minh khác ra đời như kính thiên văn, vệ tinh và chùm tia laser.

Kính thiên văn đặt tại trái đất và không gian chuyên dùng để phát hiện bức xạ nền vi sóng vũ trụ - ánh sáng còn sót lại từ vụ nổ Big Bang, để chứng minh sóng hấp dẫn bẻ cong và làm kéo dãn không thời gian.

Năm 2014, các nhà thiên văn Mỹ từng thông báo họ xác định được sóng hấp dẫn qua kính thiên văn BICEP2 đặt tại Nam Cực. Nhưng sau đó, họ thừa nhận rằng họ đã nhầm lẫn.

Chúng ta có thể nhìn thấy chúng bằng cách nào?

Sóng hấp dẫn chạy qua một vật thể sẽ làm thay đổi hình dạng, kéo dài và ép nó theo hướng sóng đang di chuyển, và để lại dấu vết rất nhỏ. 

Để xác định các sóng hấp dẫn, nhóm các nhà khoa học của LIGO sử dụng hệ thống quang học hình chữ “L”. Hệ thống gồm hai phần được đặt tại bang Louisiana và Washington. Chúng có nhiệm vụ phát hiện các nếp sóng hấp dẫn bằng thiết bị đo giao thoa laser. Mỗi thiết bị dài hơn 4 km. Các nhà khoa học chia ánh sáng laser thành hai chùm vuông góc với độ dài vài km.

Chùm laser sau đó được phản chiếu qua lại liên lục giữa 2 tấm kính trước khi được trả về điểm ban đầu. Bất kỳ sự khác biệt trong chiều dài của hai tia vuông góc sẽ cho thấy ảnh hưởng của sóng hấp dẫn.

Mùa giải Nobel năm 2017 đã chính thức khởi động vào ngày 2/10 với giải Y sinh thuộc về các nhà khoa học Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash và Michael W. Young cho những khám phá về cơ chế phân tử kiểm soát nhịp sinh học.

Những giải sẽ được công bố tiếp theo gồm Hóa học (4/10), Hòa bình (ngày 6/10) và Kinh tế (ngày 9/10). Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển chưa định ngày để trao giải Nobel Văn chương.