Hành trình tìm ra sóng hấp dẫn

>>Phát hiện sóng hấp dẫn, xác nhận tiên đoán của Einstein

Hai hố đen tạo ra sóng hấp dẫn trong quá trình hoà lại thành một. Ảnh: NASA

Trọng lực vô hình và chỉ có thể cảm nhận. Nó dường như trải rộng trong không gian và gây ra tác động trong một khoảng cách mà không kèm theo bất cứ cơ chế rõ ràng nào.

Theo các nhà vật lý, 4 lực cơ bản trong vũ trụ là trọng lực (hay còn gọi là lực hấp dẫn), lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Lực hấp dẫn yếu nhất nhưng tạo nên vũ trụ. Trong hệ mặt trời, nó điều chỉnh các hành tinh và vệ tinh chuyển động. Trên trái đất, nó khiến trái táo rơi xuống đất từ trên cây. Con người cũng có thể cảm nhận lực hấp dẫn qua bộ xương.

Những phát hiện đầu tiên về trọng lực

Aristoteles, một nhà khoa học thời Hy Lạp cổ đại, là một trong những người đầu tiên tin vào sự tồn tại của trọng lực. Theo The Washington Post, ông tin rằng một vật thể rơi xuống trái đất bởi nó chuyển động hướng về địa điểm tự nhiên của nó.

Trong những năm cuối thế kỷ 16 và đầu thế kỷ 17, Galileo Galilei, một nhà khoa học người Italy, cho rằng hai vật khác nhau về khối lượng sẽ rơi với cùng vận tốc. Một người viết tiểu sử cho hay, Galileo chứng minh giả thuyết của ông bằng cách thả hai quả bóng với khối lượng khác nhau từ trên tháp nghiêng Pisa. Tuy nhiên, đó có thể là câu chuyện giả. (Năm 1971, phi hành gia David Scott thực hiện thí nghiệm trên mặt trăng. Ông thả một chiếc lông và một cái búa cùng một lúc.)

Galileo cũng phát hiện ra rằng các vật thể luôn rơi với gia tốc không đổi và theo một đường cong hình parabol.

"Phát hiện ra mọi vật chuyển động theo đường cong hình parabol là một trong những khám phá tuyệt vời nhất của giới khoa học", Lee Smolin, một nhà vật lý, viết trong cuốn sách mang tựa đề Time Reborn.

Sau đó, Isaac Newton, một nhà khoa học người Anh, phát triển một quy luật phổ quát của lực hấp dẫn. Ông tính toán rằng lực hấp dẫn tỷ lệ thuận với tích của hai khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách hai vật. Quy luật này đúng với cả môi trường trên trái đất cũng như trong không gian. Nó giải thích nhiều hiện tượng tự nhiên như thuỷ triều hay sự chuyển động của các hành tinh quanh mặt trời. Đây là một quy luật cơ bản của tự nhiên, đúng với mọi nơi trong vũ trụ.

Tuy nhiên, ngay cả Newton cũng thừa nhận rằng ông không hiểu bản chất của trọng lực. Ông có thể mô tả lực hấp dẫn về mặt toán học nhưng không biết quá trình tác động của nó.

Albert Einstein và thuyết tương đối

Đầu thế kỷ 20, Albert Einstein đã đưa ra một lời giải thích. Và nó thực sự là một điều bất ngờ. Đầu tiên, ông chỉ rõ gia tốc và trọng lực có bản chất giống nhau. Ông đưa ra thuyết tương đối, mô tả lực hấp dẫn là hệ quả của sự uốn cong “không thời gian”, kết cấu của vũ trụ. Các vật thể chuyển động sẽ di chuyển qua không gian và thời gian trên quãng đường mà lực cản đạt mức tối thiểu. Một hành tinh quay quanh một ngôi sao không phải vì một số loại kết nối vô hình mà bởi không gian bị bẻ cong xung quanh ngôi sao đó.

“Theo Einstein, lực hấp dẫn là sự uốn cong của không gian và thời gian”, Brian Greene viết trong cuốn sách The Elegant Universe.

Bên cạnh đó, nhà vật lý John Wheeler đã tóm tắt lý thuyết hình học về lực hấp dẫn của Einstein bằng một câu nói: “Không thời gian nói cho vật chất cách di chuyển, vật chất nói cho không thời gian cách để cong”.

Nhiều nhà khoa học đã thử nghiệm và kiểm tra học thuyết của Einstein nhiều lần. Người nổi tiếng nhất trong số đó là Arthur Eddington, nhà thiên văn học người Anh. Ông quan sát hiện tượng nhật thực diễn ra vào tháng 5/1919 và kết luận rằng ánh sáng từ những ngôi sao đi qua gần mặt trời thực sự đã uốn cong đúng như học thuyết. Kết luận của Eddington khiến cả thế giới công nhận Einstein là hiện thân hoàn hảo nhất của thiên tài khoa học.

Một trong những dự đoán của Einstein là sự tồn tại của sóng hấp dẫn, những gợn sóng trong kết cấu không thời gian. Sóng hấp dẫn là thứ mà các nhà khoa học cố gắng nghiên cứu trong những thập niên tiếp theo nhưng không tìm ra kết quả.

Dù phỏng đoán về sóng hấp dẫn, Einstein cũng không dám chắc về nó. Ảnh: AP

Thiết bị dò sóng hấp dẫn và phát hiện của LIGO

Trong những năm 60, nhà vật lý Joseph Weber của trường Đại học Maryland xây dựng thiết bị dò sóng hấp dẫn. Weber tuyên bố ông đã thành công. Tuy nhiên, các phát hiện của Weber chỉ là sản phẩm của hành vi giả mạo dữ liệu.

Để tìm sóng hấp dẫn, Kip Thorne, học trò của Weber và là một nhà vật lý nổi tiếng tại Viện Công Nghệ California, cùng những nhà khoa học khác thuyết phục Tổ chức Khoa học Quốc gia Mỹ tài trợ thành lập LIGO.

Từ lúc ra đời, LIGO nhận nhiều lời dèm pha bởi các hoạt động tốn kém và có thể không mang lại kết quả. Nếu sóng hấp dẫn tồn tại, các nhà khoa học cũng không dễ phát hiện. Chúng không giống các rung động xảy ra khi một xe tải chạy ngang qua. Trong lý thuyết, sóng hấp dẫn co bóp hoặc mở rộng không gian bằng một lượng vô cùng nhỏ. Ví dụ như gợn sóng từ hai lỗ đen sáp nhập với quy mô tầm một triệu km khi đến trái đất chỉ còn kích cỡ một nguyên tử.

Sóng hấp dẫn xuyên qua mọi thứ và các thiết bị không thể bắt trực tiếp nó. Vì vậy, hai cơ sở của LIGO sử dụng một chùm laser và cố gắng tìm quỹ đạo của sóng.

Hôm 11/2, các nhà khoa học tuyên bố họ phát hiện sóng hấp dẫn sau khi quan sát quá trình hai hố đen, cách trái đất khoảng một tỷ năm ánh sáng, hoà lại thành một. Sau cuộc họp báo, Thorne đã vinh danh người thầy qua đời năm 2000. Anh nói rằng Weber thực sự là người sáng lập ra lĩnh vực này, chỉ là ông đã đi trước thời đại.

"Chúng ta đã phải chờ thêm 40 năm. Weber là người duy nhất ở thời đại đó nghĩ rằng con người có thể tìm ra sóng hấp dẫn", Thorne nói.

Sóng hấp dẫn là "âm thanh" của vũ trụ

Thiên văn học luôn là một môn khoa học được xây dựng xung quanh ánh sáng. Khi các nhà thiên văn nói về quan sát trong quang học, hồng ngoại, sóng âm thanh, tia gamma hoặc tia X, họ đang nói về các bước sóng khác nhau của ánh sáng. Mỗi loại trong số chúng tạo ra hình ảnh trực quan riêng của vũ trụ.

Tuy nhiên, sóng hấp dẫn đại diện cho một hình thức mới. Nó cung cấp cho chúng ta một cách nhìn khác về vũ trụ - hay dùng một cách ẩn dụ hay hơn là nghe về vũ trụ. Các nhà vật lý nói rằng phát hiện này như thêm âm thanh vào hình ảnh mà chúng ta có thể đã thấy. Bộ phim vũ trụ luôn luôn ngoạn mục nhưng nó sẽ tuyệt vời hơn nếu có âm thanh.