Sóng hấp dẫn là gì?
Cuốn sách đầu tiên của vật lý học hiện đại
Sóng hấp dẫn là một khái niệm được đưa ra trong thuyết tương đối của Einstein vào năm 1916. Về cơ bản Einstein mô tả sóng hấp dẫn sẽ khiến cho thời gian và không gian trong vũ trụ bị uốn cong.
Hình ảnh hai lỗ đen chuẩn bị va vào nhau tạo nên sự xáo trộn về không gian trong vũ trụ.
Bằng những tính toán và giả định của mình trong thuyết tương đối cách đây 100 năm Einstein đã mô tả về sự hình thành của sóng hấp dẫn làm biến đổi không gian và thời gian theo một cách hoàn toàn khác. Chính vì có thể nghĩ ra được một điều mà phải đến 100 năm sau con người có thể chứng minh được đã làm cho Einstein trở nên vĩ đại.
Sóng hấp dẫn là gì?
Trong cơ học cổ điển của Newton các hành tinh có khối lượng lớn hút nhau bằng một lực gọi là lực hấp dẫn, lực hấp dẫn này giữ cho Trái Đất chuyển động quanh mặt trời, giữ cho Mặt Trăng chuyển động quanh Trái Đất. Tuy nhiên trong thuyết tương đối Einstein ông mô tả không gian xung quanh các hành tinh bị lực hấp dẫn uốn cong đi khiến cho các hành tinh khác trong không gian cong đó phải chuyển động theo.
Không gian xung quanh các hành tinh, ngôi sao … trong vũ trụ bị uốn cong nên khi các hành tinh, ngôi sao này chuyển động sẽ dẫn đến sự lan truyền một dao động từ đó sóng hấp dẫn sẽ được truyền đi trong toàn vũ trụ.
Sóng hấp dẫn không tương tác với vật chất nên chúng không bị cản trở khi lan truyền đi trong vũ trụ, nó chỉ bị suy yếu dần trong quá trình truyền đi.
Trong các tính toán của mình Einstein tìm ra rằng các sóng hấp dẫn này rất nhỏ tới mức ông nghi ngờ sóng hấp dẫn không tồn tại, thật may mắn cuối cùng ông vẫn đưa ra giả thuyết rằng có tồn tại sóng hấp dẫn và dự đoán rằng con người khó có thể xác định được nó vì nó rất nhỏ.
100 năm sau con người đã chứng minh tính đúng đắn của giả thuyết của Einstein. Vào sáng ngày 12/2/2016 (giờ Việt Nam), các nhà khoa học đã chính thức xác nhận tìm ra sóng hấp dẫn – được đánh giá là phát hiện thế kỷ của ngành vật lý thiên văn.
Vào một ngày đẹp trời bạn quyết định ngày mai sẽ đi chơi, bạn bật điện thoại lên và xem dự báo thời tiết cho ngày mai thấy mưa, bạn hủy bỏ kế hoạch đi chơi để làm việc khác có ích hơn. Một ví dụ khác: Bạn đang ở giữa xa mạc mênh mông không biết đi về hướng nào, bỗng bạn nhận được một tín hiệu cảnh báo bạn nên đi về hướng đông và cách đó 5km sẽ có nước => không phải suy nghĩ nhiều bạn sẽ lết ngay đến đó.
Đó chỉ là một vài ví dụ đơn giản để bạn dễ hình dung khi có một định hướng đúng đắn thì sẽ tiết kiệm được thời gian và công sức rất nhiều. Với thuyết tương đối của Einstein khi mới được đưa ra vì nó chỉ là lý thuyết được mô tả bằng toán học chưa chứng minh thì làm sao có thể biết được thuyết tương đối của Einstein là đúng, nếu không biết nó có đúng hay không tại sao phải tin nó. Việc tìm ra sóng hấp dẫn chứng minh được giả thuyết Einstein là đúng khi đó ngành vật lý sẽ có một cơ sở lý thuyết vững chắc dựa vào thuyết tương đối của Einstein để có thể nghiên cứu, tìm hiểu, phát minh nhiều hơn nữa.
Bạn có một tờ giấy A4 đặt trên mặt phẳng vẽ hai điểm bất kỳ A và B cách nhau một khoảng nào đó. Bạn đặt bút tại điểm A và hãy vẽ một đường ngắn nhất từ A đến B, bạn thừa biết rằng đó là đường thẳng nối A và B là đường ngắn nhất. Bây giờ tư duy theo thuyết tương đối của Einstein, giả sử điểm A và B có khối lượng rất lớn sinh ra lực hấp dẫn cực kỳ lớn khiến cho tờ giấy của bạn bị uốn cong đi khi đó rõ ràng khoảng cách của hai điểm A và B sẽ ngắn lại rất nhiều thậm chí có thể chạm vào nhau. Như vậy khi không gian bị uốn cong thời gian để dịch chuyển từ điểm A đến điểm B sẽ ngắn lại nên ta có thể nói thời gian cũng bị bẻ cong theo không gian.
100 năm trước Einstein đã dự đoán có sóng hấp dẫn điều đó không có nghĩa là sóng hấp dẫn có từ thời điểm đó mà nó có từ khi hình thành vũ trụ. Nên giờ có tìm ra và chứng minh có tồn tại sóng hấp dẫn cũng không ảnh hưởng gì đến đời sống của bạn, nó chỉ ảnh hưởng đến ngành vật lý, vì vậy bạn cứ “bình tĩnh sống” tiếp thôi.
Sóng hấp dẫn nhỏ tới mức khó có thể phát hiện nên không động chạm gì đến bạn như sóng biển nên cũng khỏi phải lo đến nó cứ tiếp tục vui chơi thôi.
Để chứng minh sự tồn tại sóng hấp dẫn cách đây 22 năm vào năm 1994 dự án LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory tạm dịch là Đài quan sát Laser sóng hấp dẫn giao thoa kế) đã được khởi công xây dựng.
LIGO bao gồm 2 cơ sở cách nhau gần 3000 km, khoảng 3,5 giờ bay bằng máy bay chở khách nhưng đối với sóng hấp dẫn, nó chỉ mất khoảng 10 phần vài nghìn giây để bay tới. Một máy dò được đặt ở Livingston, Louisiana, nằm trong một khu đầm lầy ở phía đông Baton Rouge, bao quanh là những rừng thông. Cái còn lại đặt ở Hanford, Washington, nằm ở rìa phía tây nam của một trong những khu vực sa mạc bị ô nhiễm hạt nhân cao nhất ở Hoa Kỳ mặc dù các lò phản ứng ở đây đã ngừng hoạt động.
Phương pháp đo sóng hấp dẫn của trung tâm LIGO
Nguồn Laze cực mạnh sẽ phát ra một chùm tia laze, chùm tia laze này bị tách thành 2 và có thể giao thoa với nhau. Trong điều kiện bình thường hai chùm tia laze phản xạ sẽ có dạng đồ thị là A. Nếu chịu ảnh hưởng của sóng hấp dẫn nó sẽ có đồ thị là B. So sánh A và B nếu có sự trênh lệch lớn => tồn tại sóng hấp dẫn.
Xem thêm video về cách thức xác định sóng hấp dẫn:
Nguyên tắc cơ bản là như vậy nhưng trong thực tế để thu được kết quả đo chính xác không hề đơn giản. Các ống được sử dụng để dẫn ánh sáng tia laze phải là những ống chân không đủ dài, đủ lớn, tránh được các nhiễu từ điện trường, từ trường, ánh sáng … để không ảnh hưởng lên kết quả đo.
Bên trong các đường ống dẫn chân không sạch nhất thế giới của LIGO
Các ống kính quang học phải đảm bảo được sản xuất, kiểm tra trong môi trường sạch tuyệt đối, chỉ cần 1 hạt bụi cũng ảnh hưởng đến kết quả đo.Mỗi bộ phận gương chỉ rộng khoảng 30 cm, nặng gần 40 kg và mỗi inch vuông trên đó được đánh bóng hàng trăm triệu lần để đảm bảo tạo ra một chiếc gương cầu hoàn hảo.
Bên trong phòng điều khiển của trung tâm LIGO
Câu chuyện về LIGO
Vào năm 2001 phiên bản đầu tiên của LIGO đã chính thức đi vào hoạt động. Trong 9 năm tiếp theo đó, các nhà khoa học liên tục theo dõi hiệu suất hoạt động của các thiết bị, đồng thời không ngừng cải thiện thuật toán phân tích dữ liệu của họ. Bên cạnh đó, 2 phòng thí nghiệm tại Caltech và cơ sở ở Đức liên tục phát triển những thiết bị mới, nâng cao độ nhạy của gương, laser, các công nghệ loại bỏ địa chấn, khử nhiễu,… để ngày càng hoàn thiên LIGO. Tới năm 2010, LIGO tạm dừng hoạt động để nâng cấp trong 5 năm với tổng chi phí 200 triệu đô la. Sau lần nâng cấp này, khả năng của LIGO đã được nâng lên gấp hàng nghìn lần so với trước đó.
Vào ngày 13/9/2015 sau khi được nâng cấp và đi vào hoạt động trở lại các nhà khoa học vẫn còn dành ra suốt một ngày để tiến hành các bài test thiết bị trong LIGO. Gần như tất cả mọi bài test đều hoàn thành nhưng muộn hơn dự kiến, vẫn còn bài kiểm tra mô phỏng một chiếc xe tải nhấn phanh ở gần máy dò chưa làm, tuy nhiên vào 4 giờ sáng, nhóm vận hành quyết định đóng máy đi về, để cho LIGO tiếp tục tự thu thập dữ liệu. Không lâu sau đó, vào 4:50 theo giờ địa phương, một tín hiệu đã chạy qua 2 máy dò trong khoảng thời gian chưa tới 7 mili giây mỗi cái. Đó là thời điểm chỉ 4 ngày sau khi LIGO chính thức vận hành trở lại.
Giáo sư Reitze cho biết: “Thật sự thì việc kết quả đến sớm như vậy sẽ dẫn tới không ít hoài nghi bởi máy mới vừa được hoạt động trở lại không lâu. Tôi từng nói với mọi người rằng chúng ta sẽ không tìm thấy gì cho tới năm 2017 hoặc 2018 đâu.”Nhưng rồi sau khi kiểm tra lại, kết quả đó thật sự là thật. Janna Levin, một giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Columbia, người không thuộc nhóm LIGO nhưng đã ngạc nhiên chia sẻ: “Khi tin đồn bắt đầu loan đi, tôi đã nhủ rằng Đến đi nào. Tín hiệu gần như quá hoàn hảo. Phần lớn chúng ta đều tin rằng nó là hoàn hảo khi mà đã có rất, rất nhiều máy tính, rất nhiều tính toán được tiến hành để tách nó ra khỏi nhiễu âm.”
Sau khi thành lập nhiều nhóm nghiên cứu độc lập để kiểm tra tính chính xác của kết quả đo Nhóm nghiên cứu quyết định lập hồ sơ tuyên bố kết quả, bao gồm cả nêu rõ cách họ canh chỉnh thiết bị, chia sẻ mã nguồn phần mềm họ sử dụng, lên danh sách những nhiễu loạn và cách loại bỏ chúng, bao gồm cả những cơn bão ở Thái Bình Dương, các dao động ở tầng điện ly, một trận bão sét lớn ở châu Phi,…. Cuối cùng, họ tuyên bố rằng loại bỏ các yếu tố gây nhiễu thì phát hiện lần này đạt ngưỡng 5 sigma (một tiêu chuẩn vàng khi tuyên bố một khám phá vật lý).
Quan trọng hơn nữa, họ khẳng định đây chính là sóng hấp dẫn đến từ một cặp lỗ đen va vào nhau. Bằng cách khai thác thêm thông tin từ sóng hấp dẫn, họ biết được thêm về kích thước, khối lượng của lỗ đen, tốc độ quỹ đạo của nó, thời điểm chính xác mà chúng va vào nhau và một lần nữa, khẳng định rằng lỗ đen có tồn tại 100%, không còn bất cứ nghi ngờ nào nữa. Phát hiện lần này đã chứng minh rằng Einstein đã đúng khi nói về khía cạnh vật chất của vũ trụ.
Kể từ thời của Galileo, người ta cho tới nay vẫn dựa vào ánh sáng để tìm hiểu vũ trụ. Với phát hiện mới về sóng hấp dẫn con người có thêm một công cụ khác để tiến được xa hơn trong công cuộc khám phá vũ trụ.
