Xác nhận sóng hấp dẫn có thật: Tiên đoán cuối cùng của Einstein thành hiện thực

  • Bởi Trường Lâm
    12/02/2016
    11 phản hồi

    Trường Lâm

    Sự hiện diện của sóng hấp dẫn là bằng chứng điều tiên đoán chủ chốt và cuối cùng của thuyết tương đối tổng quát đã trở thành sự thật.


    Xác Nhận Sóng Hấp Dẫn (Gravitational Waves) Có Thật: Điều Tiên Đoán Cuối Cùng Của Einstein Đã Thành Hiện Thực

    Sóng Hấp Dẫn Là Gì?

    Theo thuyết tương đối tổng quát, hấp dẫn (gravity) không phải là lực kéo hút nhau giữa các vật thể, mà là hiện tượng không-thời gian bị biến dạng, khiến các vật thể như hành tinh, vệ tinh vv. chuyển động theo hướng hay quỹ đạo mà chúng ta quan sát được. Như vậy, không gian không phải là một cái gì hoàn toàn trống trơn, không có đặc tính gì khác ngoài nhiệt độ thật thấp ra, mà nó có thể co giãn nữa. Thuyết này còn tiên đoán là nếu không gian bị chấn động hay vặn vẹo bởi những vật thể thật nặng, nó có thể phát sinh ra những sóng hấp dẫn; các sóng này, trong lúc lan truyền đi, làm bầu không gian co giãn một cách nhịp nhàng (nếu chiều dọc co lại thì chiều ngang giãn ra).

    Tuy nhiên, Einstein đã không tin là kỹ thuật vào lúc ấy, hay là trong tương lai, có thể phát hiện được sóng hấp dẫn, vì nó rất yếu. Dĩ nhiên, nếu vật thể gây chấn động trong không gian mà càng nặng thì tín hiệu sóng càng mạnh, chẳng hạn như trong trường hợp của các hố đen (black hole). Tuy vậy, Einstein cũng không tin là hố đen - một tiên đoán khác của thuyết TĐTQ - có thật.



    Nhưng Ngày Nay Chúng Ta Đã Có Cơ Hội Thuận Lợi Để Quan Sát Được Sóng Hấp Dẫn

    Thứ nhất, khoa học đã phát hiện được các hố đen và nghiên cứu nhiều đặc tính cũng như hiệu ứng của chúng từ 40 năm nay.

    Thứ nhì, chúng ta có dụng cụ đo lường tinh vi. Tinh vi đến cỡ nào? Rất khó tin (nhưng có thật, và tốn kém lắm).

    Nếu một vùng không-thời gian lớn như núi Everest mà co rút lại chỉ 1 mm thôi, đài quan sát Advanced LIGO tại Mỹ sẽ phát hiện tín hiệu ấy ngay... không cần nghĩ ngợi gì cả. Giả sử chúng ta nới rộng khoảng trống ấy ra, cho nó lớn che phủ khắp mặt trời (mặt trời lớn bằng 1,3 triệu lần trái đất) rồi co rút nó lại 1 mm, LIGO vẫn "thấy" ngay sự thay đổi đó. Bây giờ hãy tưởng tượng một vùng không gian lớn bằng trọn vẹn dải Ngân Hà (bao gồm 300-400 tỷ ngôi sao) bị co rút lại một khoảng ngắn cỡ đường kính của trái bóng đá thôi: LIGO có thể phát hiện được biến đổi ấy (1)!

    Các khoa học gia tại MIT và Caltech đã thiết kế cho dựng lên một đài quan sát ở tiểu bang Washington, và một cái nữa ở Louisiana, với chi phí tổng cộng là $620 triệu, mỗi đài bắn đi hai tia laser trên một lộ trình dài 4 km vừa theo chiều ngang lẫn chiều dọc (như vậy mới tóm được dạng co và giãn của sóng hấp dẫn). Phải dùng hai đài quan sát để kiểm tra và loại trừ các tín hiệu giả do các chấn động địa phương như cơn gió mạnh, sự rung động của mặt đất khi xe lửa chạy ngang qua gần đấy vv.

    Đài quan sát Advanced LIGO vừa thông báo là ngày hôm nay là họ đã phát hiện được sóng hấp dẫn xuất phát từ các chấn động trong không-thời gian, khi hai cái hố đen, ở xa khoảng 1.3 tỷ năm ánh sáng, mỗi cái nặng bằng cả chục lần mặt trời đang xoay quần và từ từ hợp chung lại thành một cái duy nhất (2). Trong quá trình sát nhập ấy, hai hố đen bị mất đi một phần khối lượng, tương đương với cân nặng của 3 cái mặt trời. Phần khối lượng thất thoát ấy bị chuyển đổi thành năng lượng, và được phóng thích đi dưới dạng sóng hấp dẫn mà LIGO đã phát hiện. Các dữ kiện dựa trên tín hiệu về độ giãn nở của không-thời gian đã đáp ứng và ăn khớp hoàn toàn với phương trình của Einstein.



    Ý Nghĩa Của Việc Phát Hiện

    Như vậy, "lý thuyết tuyệt đẹp" của Einstein đã vượt qua cuộc thử lửa cuối cùng và đã chứng tỏ được đấy là "vàng thật". Đây là một dự án tinh vi, có tầm quan trọng lớn lao, và sự thành công của nó sẽ đem lại giải Nobel vật lý cho nhóm nghiên cứu.

    Kỹ thuật và độ nhậy cảm của thiết bị phát hiện LIGO mở ra một kỷ nguyên mới trong thiên văn học, giúp chúng ta nghiên cứu cấu trúc của vũ trụ qua sóng hấp dẫn, thay vì dùng sóng điện từ như ánh sáng, sóng radio, hay tia X trước đây. Sóng hấp dẫn mang những tín hiệu rất chuyên biệt về nguồn gốc và sự vận hành của các vật thể không thể thấy bằng ánh sáng điện từ được như là hố đen.

    Nghĩ cũng lạ, ở đời có người (ở đâu đó không xa đâu) sẵn sàng bỏ ra US $800 triệu để xây một cái giàn khoan dầu, như cái Hải Dương Thạch Du 981 chẳng hạn, để tìm cách khai thác lợi nhuận vật chất, ở trong phạm vi lãnh thổ một nước khác. Còn có người cũng đã bỏ ra US $620 triệu cốt chỉ để được yên tâm là lý thuyết đúng, ý tưởng đúng, và con cháu họ về sau này đi đến trường sẽ học được điều đúng.

    Sự tương phản giữa lòng ham chuộng, theo đuổi giàu sang vật chất và tính hiếu kỳ, theo đuổi sự thật giải thích sự khác biệt ấy.

    _____________________

    (1) Gravitational Waves Discovered from Colliding Black Holes
    http://www.scientificamerican.com/article/gravitational-waves-discovered-from-colliding-black-holes1/

    (2) Revolution in physics as gravitational waves seen for first time
    https://www.newscientist.com/article/2077162-revolution-in-physics-as-gravitational-waves-seen-for-first-time/

    Hãy chia sẻ suy nghĩ của bạn

    11 phản hồi

    @ Bác Ba Lúa:

    Khi bán kính của mặt trời giảm xuống chỉ còn 3 km, nó trở thành hố đen. Lúc ấy, ta không thể xác định được kích thước thật của mặt trời nữa (điểm singularity?, vùng không-thời gian vô cùng nhỏ bị cắt đứt ra khỏi vũ trụ?), mà chỉ biết nó ở trung tâm của một khối cầu có bán kính 3 km ấy, cái mức giới hạn này gọi là “chân trời sự kiện” (event horizon) , ánh sáng mà lọt vào khối cầu tưởng tượng ấy thì cũng không thể thoát ra được, như bác đã viết. Thái dương hệ và vị trí của các hành tinh-vệ tinh (kể cả Mercury, gần mặt trời nhất) vẫn tồn tại và giữ nguyên y như trước.
    Và bác đã nhận xét đúng, không còn ánh sáng nữa (nhưng chỉ 8 phút sau khi mặt trời bị biến thành hố đen thì trời mới tối sầm và nhiệt độ bắt đầu tuột dốc xuống). Đây chỉ là một thí dụ tưởng tượng cốt để giúp chúng ta hiểu rõ hơn bản chất của hố đen. Nói cách khác, dù là mặt trời hiện giờ hay mặt-trời-thành-hố-đen, thì khối lượng và sức hút của nó cũng như nhau (không đề cập đến vụ toả ánh sáng), nhưng cái mặt trời-hố đen ấy là một vật có vẻ như "có thái độ", nó đã vẽ lại ranh giới về khoảng cách an toàn mà các sinh vật (alien) phải tôn trọng. Nếu nghĩ lại ta sẽ thấy, thật ra, ngay cả cái khoảng cách biểu hiện tác dụng của trọng lực của nó cũng không thay đổi (chẳng hạn, lực hấp dẫn ở khoảng cách 700 ngàn km cũng mạnh như nhau, trước hay sau, bằng hấp dẫn bề mặt của mặt trời).

    Trường Lâm viết:
    Giả sử mặt trời bị ép nhỏ lại khiến bán đường kính (bình thường là 700 ngàn cây số) chỉ còn có 3 cây số, thì khi ấy nó đủ chắc đặc (compact) để trở thành hố đen. Nhưng nó sẽ không hút trái đất hay các hành tinh trong hệ mặt trời lại gần hơn gì cả. Lý do là tại vì khối lượng của mặt trời vẫn như vậy (trước và sau khi thành hố đen), và lực hấp dẫn không thay đổi.

    Hỏi bác Trường Lâm, nếu tôi chưa hiểu vấn đề mong bác giải thích: Khi mặt trời bị ép, đường kính chỉ còn 3 km, tự nó đã là một hố đen nhỏ, nói về hố đen, không có gì lọt ra ngoài được, kể cả ánh sáng, vậy trong trường hợp này, mặt trời làm gì còn có ánh sáng, và thái dương hệ, có trái đất của chúng ta, làm gì còn có sự sống, hơn nữa thái dương hệ vận hành theo mặt trời bởi trong lực, mặt trời trở thành 3 km, nhưng trái đất thì không , vậy chuyện này có thực tế ( không thay đổi).

    Tôi có đọc website này :

    http://io9.gizmodo.com/5974372/at-what-point-would-the-earth-become-a-black-hole

    Chuyện 3km đường kính mặt trời, chỉ là giả thuyết, mong bác cho ý kiến.

    Gravitationswellen: Frau Nissanke, bekommen Sie nun den Nobelpreis?
    Samaya Nissanke fing mit 1.000 anderen Forschern das Plätschern der Raumzeit ein. Deswegen weiß die Physikerin auch, welche drei Entdeckungen am…
    ZEIT.DE|VON ZEIT ONLINE GMBH, HAMBURG, GERMANY
    Tin tức về cái sóng hấp dẫn này báo Đức cũng đăng. Đây là bài phỏng vấn trực tiếp người tham gia Forschung. Các thông tin được đưa ra ở đây rất tương tự với bài viết của tác giả Trường Lâm. Hình minh họa kèm theo cũng hơi khác.

    Bác NGT, hai cái hố đen sát nhập lại với nhau cách đây 1.3 tỷ năm ấy (mỗi cái nặng khoảng 30 lần mặt trời) là loại "tép riu" so với các hố đen siêu khối lượng (Supermassive Black Hole) ở trung tâm các dải thiên hà (nặng cả triệu hay cả tỷ lần mặt trời). Tuy vậy, trên lý thuyết, bất kỳ vật nào có khối lượng bằng hay lớn hơn khối lượng Plank (~ 22 micrograms) có thể bị ép thật nhỏ lại để cuối cùng trở thành hố đen.

    Hố đen có "nguy hiểm" không? Chỉ nguy hiểm khi ta đến quá gần nó thôi. Chúng ta hãy tưởng tượng chuyện này:
    Giả sử mặt trời bị ép nhỏ lại khiến bán đường kính (bình thường là 700 ngàn cây số) chỉ còn có 3 cây số, thì khi ấy nó đủ chắc đặc (compact) để trở thành hố đen. Nhưng nó sẽ không hút trái đất hay các hành tinh trong hệ mặt trời lại gần hơn gì cả. Lý do là tại vì khối lượng của mặt trời vẫn như vậy (trước và sau khi thành hố đen), và lực hấp dẫn không thay đổi.

    Nhưng nếu một phi thuyền nào đó mà bay đến cách cái hố đen-mặt trời ấy 700 ngàn cây số thì nó sẽ bị tan tành dưới tác dụng của trọng lực, vì đấy cũng giống như là nó đáp xuống bề mặt của mặt trời khi chưa bị biến thành hố đen (dù không đề cập đến tác dụng của sức nóng hay tia phóng xạ); sức hấp dẫn bề mặt của mặt trời lớn bằng 28 lần so với ở mặt đất (một người 60 ký sẽ cân nặng 1.680 ký).

    Hai hố đen cách đây 1,3 tỷ năm đã không " từ từ hợp chung lại " mà đã đụng nhau với một tốc độ bằng 1/2 tốc độ ánh sáng. Hai hố đen này, một hố có khối lượng bằng 29 mặt trời, một hố có khối lượng bằng 36 mặt trời, khi đụng nhau đã tạo ra một hố đen có khối lượng bằng 62 mặt trời, nhẹ hơn tổng cộng 2 hố đen trước là 3 mặt trời. "3 mặt trời" này đã biến thành những sóng hấp dẫn có tốc độ bằng ánh sáng theo đúng như E=mc2 của Einstein.

    Trích :
    " ...khi hai cái hố đen, ở xa khoảng 1.3 tỷ năm ánh sáng, mỗi cái nặng bằng cả chục lần mặt trời đang xoay quần và từ từ hợp chung lại thành một cái duy nhất "

    Một hố đen nặng cả chục lần mặt trời thì có hơi nhẹ không ?

    Trích :
    " Nghĩ cũng lạ, ở đời có người (ở đâu đó không xa đâu) sẵn sàng bỏ ra US $800 triệu để xây một cái giàn khoan dầu, như cái Hải Dương Thạch Du 981 chẳng hạn, để tìm cách khai thác lợi nhuận vật chất, ở trong phạm vi lãnh thổ một nước khác. "

    Ý bác Trường Lâm muốn nói đến Tàu.
    Tàu tự cho vùng biển Đông là của Tàu thì họ tự cho quyền khai thác (tức là cướp) lợi nhuận vật chất, ở trong phạm vi lãnh thổ của Tàu ! Chúng tự cho làm cướp, vì chúng mạnh lên, các nước tư bản đầu từ đem lại lợi nhuận cho Tàu và cộng thêm các nước chung quanh có những bọn lãnh đạo vừa hèn yếu, vừa tham nhũng, trong đó có đảng CSVN.

    Cần nói thêm : 1 khối lượng (masse) chỉ tạo ra sóng hấp dẫn nếu được chuyển động với một tốc độ rất cao. Sóng hấp dẫn mà Ligo phát hiện được là kết quả của sự đụng chạm nhau giữa 2 khối lượng (hố đen) cách đây 1,3 tỷ năm với một tốc độ của mỗi khối bằng một nửa tốc độ ánh sáng (chứ không phải "từ từ hợp chung lại") và sóng hấp dẫn được tạo ra do sụ khác biệt về khối lượng giữa hố đen mới và 2 hố đen cũ, được truyền trong không gian với một tốc độ bằng tốc độ ánh sáng đúng như E=mc2 của Einstein.

    Cám ơn ông Tường Lâm về bài viết cô đọng, ngắn gọn, chính xác và nhân văn duyên dáng về phát kiến vĩ đại này của ngành vật lý. Phát kiến cho phép thống nhất hai lĩnh vực xa xôi của vật lý là thiên văn học vĩ mô và vật lý lượng tử vi mô.

    Tôi đang thắc mắc là khi nào bác Trường Lâm đưa lên DL một bài liên quan đến thuyết tương đối rộng cua Einstein như thí nghiệm tìm ra sóng hấp dẫn. Câu trả lời là hôm nay 12/2/2016.