Sóng hấp dẫn ban sơ của vũ trụ*

Chúng ta đang sống trong thời của những ngọn gió vũ trụ thổi dồn dập vào hồn. Bản giao hưởng vũ trụ do con người viết lấy có thêm những giai điệu mới. Hai năm trước, lần đầu tiên boson Higgs đã được con người nhìn thấy. Thế giới ăn mừng. Đó là hạt cơ bản cực kỳ nhỏ bé nhưng lại có nhiệm vụ “gia trì” cho mọi thứ vật chất thấy được trong vũ trụ để tồn tại, trong đó có bản thân chúng ta. Kỳ diệu thay !

Giai điệu đó chưa dứt thì ngày 17. 3.2014 vừa qua nhóm nghiên cứu BICEP2 dưới sự lãnh đạo của các giáo sư GS John Kovac, Clem Pryke, Jamie Bock và Chao-lin Kuo tuyên bố trong một cuộc họp báo tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithson rằng sóng hấp dẫn từ buổi ban sơ của lịch sử vũ trụ: từ thời điểm 10-34, tức là một phần tỉ tỉ tỉ tỉ giây giây sau Big Bang (hãy tưởng tượng giây phút vi phân này!), đã được con người nhìn thấy! Kinh ngạc và kỳ diệu thay! Đó là giai đoạn mà, theo thuyết Big Bang, vũ trụ từ một bào thai vô cùng nhỏ nhưng với một năng lượng cực lớn trong khoảnh khắc đã phát triển đột biến thành ‘lạm phát’- một phát kiến tình cờ nhưng vĩ đại của Alan Guth - và chuyển động với tốc độ hơn ánh sáng theo đủ mọi hướng. Đó là thời kỳ “chuyển dạ” và “đau đẻ” của tạo hóa. ²Thần Vệ nữ không còn giấu giếm được bí mật cuộc sinh nở của mình.

Ý tưởng lạm phát vũ trụ được Alan Guth phát minh năm 1979, khi đêm khuya trong căn hộ của ông làm việc trên các phương trình nhận thấy rằng còn thiếu một bước nhảy vọt của vũ trụ thì mới logic, với độ tăng trưởng hàm lũy thừa, mới giải thích được tại sao vũ trụ có quá ít một loại hạt lạ gọi là “đơn cực từ” trong một giai đoạn nhanh chóng của sự siêu lạnh. Từ đó ông đề nghị thuyết lạm phát. Thuyết này được Andrei Linde và nhiều tên tuổi khác hoàn thiện sau đó.

Tại buổi buổi họp báo ở Harvard các nhà khoa học hàng đầu nói lên sự đồng tình của mình: khám phá sóng hấp dẫn ban sơ của nhóm nghiên cứu BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) rất xứng đáng với giải Nobel.

Làm sao con người có thể đứng trên quả đất bằng hạt bụi này giữa biển thiên hà trùng trùng điệp điệp lại có thể “nhìn thấy” những gì xảy ra ở lúc Big Bang cách đây 13.7 tỉ năm ánh sáng? Bức xạ của vũ trụ ban đầu, sau ngần ấy thời gian và khoảng đường, đã nhạt yếu đi nhiều và xoắn lại, nằm trong những mẫu vân bị phân cực của sóng vi ba vũ trụ, được biết dưới tên kiểu-B. Vậy mà con người vẫn còn nhận ra được. Điều đó giống như tìm được kim dưới đáy biển!

Cho đến nay, các nhà vật lý chỉ quan sát được bức xạ nền (cosmic microwave background radiation, đơn giản CMB) ở dạng sóng điện từ của vũ trụ từ thời điểm năm thứ 380.000, một trạng thái thực ra vẫn còn là “sơ sinh” của vũ trụ. Đó cũng chính là một dạng tàn dư của Big Bang. Vào thời điểm đó vũ trụ tiếp tục giãn nở nhưng nguội dần để cho các nguyên tử hydro và helium hình thành và vật chất kết tinh lại thành sao, thiên hà. Do sự kết tinh đó, các đám mây bức xạ trở thành ‘quang đãng’trong vũ trụ, ánh sáng mới truyền đi được không phải bị cản trở, người ta có thể quan sát dễ dàng hơn. Đi ngược về trước, người ta chỉ thấy “sương mù”. Bức xạ nền này được quan sát - hết sức tình cờ - bởi hai nhà vật lý Mỹ Arno Penzio và Robert Wilson của Bell Labs 50 năm trước. Dĩ nhiên, hai ông được tưởng thưởng giải Nobel sau đó.

Các nhà khoa học từng có ý nghĩ rằng bức xạ nền này có thể chứa đựng dấu vết của sóng hấp dẫn ban sơ. Vệ tinh COBE nhận thấy có những thăng giáng nhỏ xíu trong cái biển phẳng lặng của bức xạ nền. Martin White và Lawrence Krauss năm 1992 cho rằng các sóng hấp dẫn của Big Bang đã làm cho bức xạ nền “gợn sóng”. Chính sự gợn sóng đó sẽ cho thông tin về sóng hấp dẫn ban sơ. Đó là đầu mối của các sự khảo sát.

Bản đồ của bức xạ vũ trụ nền (CMB) từ thời gian năm 380.000 sau Big Bang. (Nguồn NASA) Sự biến thiên màu sắc tương ứng với biến thiên nhiệt độ của vũ trụ trẻ: đó là những hạt giống cho các vì sao và thiên hà ngày nay chúng ta quan sát. Các nhà thiên văn học nghi ngờ ẩn chứa trong bức tranh này là dấu ấn thứ hai có thể tiết lộ chúng ta sóng hấp dẫn ban sơ: ánh sáng bị phân cực. Một sóng hấp dẫn sẽ ép không-thời gian lại theo một hướng (vũ trụ sẽ nóng hơn tí), và giản nó ra theo một hướng khác (vũ trụ nguội hơn tí). Các photon của ánh sáng sẽ tán xạ với một chiều ưa thích, để lại một dấu ấn chút ít phân cực trên CMB khi sóng hấp dẫn đi qua. Khám phá các mẫu phân cực còn có thể cung cấp một chứng cứ rằng ngay sau Big Bang, vũ trụ giản nở với tốc độ hàm mũ, do đó bị lạm phát, với một hệ số ít nhất 1025. Lạm phát là cơ chế duy nhất có khả năng phóng đại các sóng hấp dẫn sinh ra từ các thăng giáng lượng tử trong lực hấp dẫn thành các tín hiệu có thể dò ra.

Có thể nói, một trong những điều thú vị là với BICEP2 các nhà vật lý đã ‘xộc’ được vào vùng năng lượng cực kỳ cao của vũ trụ lúc lạm phát, 1016 gigaelectronvolt, vùng mơ ước của các máy gia tốc trên trái đất. Đấy cũng là vùng năng lượng mà ở đó theo thuyết Đại thống nhất (Grand Unified Theory, GUT) người ta tin rằng ba lực cơ bản của thế giới, điện từ, lực yếu và lực mạnh, trở thành một thể thống nhất không phân biệt được. Hơn nữa, nếu những sóng hấp dẫn diễn ra trong giai đoạn của các thăng giáng lượng tử của lạm phát, điều đó có nghĩa rằng, trong giai đoạn đó, hấp dẫn và lượng tử được thống nhất làm một, điều bao người đã mơ ước? Thuyết hấp dẫn lượng tử (quantum gravity) có cơ sở, cũng như việc lượng tử hóa hấp dẫn vào một cội nguồn.

Thí dụ sóng hấp dẫn như sóng gợn trong tấm vải không-thời gian (Courtesy of Brian Greene)

Lịch trình các giai đoạn phát triển của vũ trụ. (1) là giai đoạn các sóng hấp dẫn được sinh ra trong những thăng giáng lượng tử ngay sau Big Bang. (2) Sóng được phóng đại lên bởi lạm phát thành những tín hiệu. (3) Sóng được in hằn thành những mẫu vân trên bức xạ nền của sóng vi ba vũ trụ. (Courtesy of Sean Carroll)

Ai phát hiện ra sóng hấp dẫn này đầu tiên? Đó là Albert Einstein. Ông đã nghiên cứu sóng này năm 1916 dựa trên các phương trình trường của thuyết tương đối rộng của ông vừa hoàn tất, được trình bày trước Viện hàn lâm Khoa học Phổ, và việc nghiên cứu kéo dài đến 1918. Theo ông, vật chất ở dạng khối lượng hay năng lượng gây ra độ cong của không-thời gian bốn chiều, làm cho nó không còn là hình học phẳng Euclid nữa, mà phi-Euclid cong. Nếu khối vật chất đó biến động, nó sẽ gây ra sóng của các độ cong và truyền đi trong không-thời gian, giãn ra và co lại ^.3(Khác với sóng điện từ truyền trong không gian 3 chiều) Sóng hấp dẫn giống như một cuộc động đất trong không-thời gian. Một supernova nổ cũng gây ra các sóng hấp dẫn. Có thể tưởng tượng một cô gái ngồi trên cầu đung đưa hai chân trên mặt nước gây ra các đợt sóng. Các sóng hấp dẫn sẽ tạo nên sự phân cực trong bức xạ nền, gây ra “gợn sóng” bức xạ nền, và nhóm BICEP2 đã tìm thấy dấu ấn của chúng trong đó. Sự quan sát này là cực kỳ khó khăn. Do năng lượng hấp dẫn truyền đi trong không gian ngày càng yếu đi, giống như ánh sáng. Einstein hoài nghi con người có thể quan sát được chúng.

Năm 1969, Joseph Weber tin rằng mình đã khám sóng hấp dẫn bằng cách sử dụng những thiết bị thô sơ gồm hai thanh aluminum treo trong chân không. Khi một sóng hấp dẫn đến, nó sẽ làm giãn chúng ra theo chiều thẳng góc với sóng và ép chúng lại. Stephen Hawking cũng muốn chế tạo thiết bị dò thử để kiểm tra kết quả ngạc nhiên của Weber. Nhưng dĩ nhiên tất cả không đơn giản như thế.

Khi hai sao neutron chuyển động quanh nhau, chúng sinh ra sóng hấp dẫn trong không-thời gian và sóng này truyền đi như sóng nước trong hồ. (Courtesy of Marcia Bartusiak)

Hai người khám phá đầu tiên sự tồn tại của sóng hấp dẫn (thông qua việc sử dụng kính thiên văn radio) là Joseph Taylor và Russell Hulse vào năm 1974 từ một cặp sao neutron (một trong đó là pulsar) có chuyển động quanh nhau. ⁴Trong khi đó, các thiết bị dò được chế tạo rất nhạy cảm từ những năm 1970, trong đó có các máy dò LIGO, nhạy cảm cả mười triệu lần hơn thiết bị thô sơ của Weber, nhưng cho đến 2013 vẫn chưa có sự phát hiện nào tin cậy về sóng hấp dẫn ban sơ. Nhưng sóng hấp dẫn ban sơ phải đợi đến BICEP2 mới giải quyết được, như được công bố ngày 17.3 vừa qua.

Thần Vệ nữ, Sinh nở. Tác phẩm của Sandro Botticelli (Wiki).

Viễn vọng kính BECIP2 ở phía trước, đón nhìn ‘sóng chuyễn dạ’ của vũ trụ. (Steffen Richter/Associated Press)

Lịch sử vũ trụ học có ba thuyết khác nhau. Thuyết đầu tiên là thuyết Big Bang của Georges Lemaître và George Gamov những năm 1920 thế kỷ trước dựa trên thuyết tương đối rộng Einstein. Thuyết thứ hai của Fred Hoyle về một thế giới ‘tĩnh’ (Steady State) mà TS Nguyễn Trọng Hiền gọi là “trạng thái vĩnh hằng”, không tiến hóa. Hoyle từ chối thuyết của Lemaître và Gamov mà ông gọi nó bằng cái tên “Big Bang”. Từ đó có cái tên lịch sử. Thuyết này chiếm được cảm tình của nhà thờ. Thuyết thứ ba của nhà vũ trụ học Cambridge Neil Turok là vũ trụ trải qua một chuỗi Big Bang không có khởi đầu và kết cục, do đó không có sóng ban sơ. Cho nên khám phá sóng hấp dẫn ban sơ là một chứng cứ mạnh mẽ nhất cho thuyết Big Bang. Với khám phá sóng hấp dẫn, Stephen Hawking cho rằng mình đã “thắng cược” trước Turok. Ông này vui và hồn nhiên thật. Mới năm rồi ông thua cược 100 USD vì hạt Higgs, bởi ông cá rằng không thể nào có cái gọi là hạt Higgs.

Diogenes với chiếc đèn lồng. Tác phẩm được cho là của J.H.W Tischbein (Wiki)

Galilei với chiếc kính viễn vọng trong tay. Tác phẩm của Giusto Sustermans. (Wiki)

Vật lý từ thế kỷ 20 đầy những điều kỳ diệu, và còn tiếp tục. Khoảng một thế kỷ trước (1919), thế giới kinh ngạc khi các đoàn thám hiểm Anh công bố ánh sáng trên trời bị lệch đi trong vùng mặt trời theo đúng góc lệch của tiên đoán Einstein bằng thuyết tương đối rộng! Tòa nhà vật lý Newton lung lay, và Einstein qua đêm đã trở thành người ‘anh hùng toàn cầu’. Khoa học đã lần lượt vén những bức màn huyền bí che mắt, từng lớp, lớp thô trước, lớp tinh sau, và tạo ra những ‘cảm xúc vũ trụ’ thi vị. “Chúng ta không là gì cả”, như nhà thơ Đức F. Hölderlin nói, “nhưng những gì chúng ta đi tìm là tất cả.” Michelangelo ơi, ông hãy sống lại mà tạc những cảm xúc vũ trụ này thành “tác phẩm thứ hai” của con người trong cuộc khám phá những kỳ bí của tạo hóa. Diogenes ơi, hậu sinh đã có cái đèn lồng mạnh mẽ có thể nhìn suốt đến cội nguồn rồi. Galilei ơi, cuộc cách mạng thiên văn bằng kính viễn vọng do ông gây ra hơn 400 năm trước gây chấn động châu Âu, giờ có năng lực nhìn thấy 13.7 tỉ năm ánh sáng về trước, gây chấn động thế giới. Chẳng phải là những điều kỳ diệu đầy chất thơ sao?
***

TS Nguyễn Trọng Hiền và Jamie Bock (Caltech/JPL) trò chuyện với Robert Wilson (Harvard, phải), tại cuộc họp báo vừa qua. Wilson là một trong hai người phát hiện ra bức xạ nền 50 năm trước, thiết lập cơ sở thực nghiệm cho mô hình Big Bang. Wilson kể “Hoyle đến cuối đời vẫn không chấp nhận thuyết Big Bang.”

Khám phá sóng hấp dẫn diễn ra trước thềm kỷ niệm 100 năm thuyết tương đối rộng vào năm 2015 tới. Đối với cộng đồng Việt Nam, khám phá này càng làm tăng thêm cung bậc cảm hứng khi một thành viên của nhóm BICEP2 là người Việt Nam, TS Nguyễn Trọng Hiền của Đại học Caltech. Cũng khó tưởng tượng nổi về mặt con người, một thanh niên của khúc ruột miền Trung nghèo khó, tay trắng và ngơ ngác từ chiếc thuyền tị nạn được phép đặt chân lên nước Mỹ hoa lệ lại có cái đam mê thánh thiện như bẩm sinh của “ thánh hiền khoa học”, vượt mọi khó khăn từ khoảng cách hụt hẫng to lớn của hai nền văn hóa trong nỗi nhọc nhằn và nước mắt, can đảm chấp nhận mọi thử thách để làm một cuộc viễn du cô đơn vào những miền cội nguồn của vũ trụ. Và giờ đây Anh là một trong những người đầu tiên nhìn thấy ánh sáng của giây phút ban sơ, lúc thời gian, không gian và năng lượng quyện nhau trong một bào thai bắt đầu cuộc khởi động dữ dội như đau đẻ để tạo thành vũ trụ bình yên hôm nay. Những giây phút trải nghiệm đó, niềm vui đó, lên đến tột đỉnh, chắc chắn không gì quý hơn trong cuộc đời đối với Anh. Anh giống như một hậu duệ của Columbus, ngày nào bước lên chiếc thuyền ở bờ biển Việt Nam để làm cuộc hành trình định mệnh không biết về đâu nhưng để rồi cuối cùng, chung sức với các đồng đội mình trên con thuyền mạo hiểm BICEP2, khám phá cả một vương quốc mới trên trời cho nhân loại. Cuộc mạo hiểm Biển Đông đã biến thành cuộc mạo hiểm Vũ trụ-thắng lợi. Xin chúc mừng và có lời khâm phục Anh!

------------------------

* Một phần của bài này đã được đăng trên Tuổi Trẻ Cuối Tuần ngày 30-3-2014. Xin đọc thêm bài trả lời phỏng vấn chính thức (authentique) của TS Nguyễn Trọng Hiền trong số đó.

²TS Hiền cho biết cuộc kiểm tra vừa qua diễn ra ở băng tần 150 GHz. Sắp tới sẽ có thêm một cuộc kiểm tra ở băng tần 100 GHz. Lúc đó mới có kết luận chung cuộc.

³Henri Poincaré dường như đã đề cập sóng này năm 1908 lúc chưa có thuyết tương đối rộng của Einstein. Ông nói, trong một thuyết hấp lực tương đối tính, có thể có sự phát ra các “ondes d’acceleration” (sóng gia tốc).

⁴Điều thú vị là hai sao này ngày càng tiến gần nhau theo hình xoắn ốc, rất chậm, do chính các sóng hấp dẫn chúng phát ra liên tục tông (ngược) vào chúng;và mỗi năm chún gần nhau 2,7 phần tỉ khoảng cách chúng, đúng theo tiên đoán của định luật Einstein. “Khi các sóng hấp dẫn truyền vào không gian, chúng gây ra một phản lực lên các sao, như phản lực tác dụng lên cây súng khi súng vừa bắn ra”, Kip Thorne giải thích. “Phản lực của các sóng đẩy các sao vào gần nhau và ngày càng nhanh hơn, nghĩa là phản lực làm cho các sao chuyển động chầm chậm theo đường xoắn ốc vào nhau.” Không gì khác hơn có thể giải thích, ngoài các cú tông bằng sóng hấp dẫn khiến cho các sao này tiến gần nhau, như Kip Thorne viết. Taylor và Hulse nhận được giải Nobel năm 1994.