BICEP2: Nhìn lại thuở khai thiên lập địa

Ngày 17/3/2014, Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian đã công bố kết quả của trạm quan sát thiên văn BICEP2 về việc tìm ra sóng hấp dẫn nguyên thủy, qua đó xác nhận mô hình vũ trụ lạm phát là có thực. Kết quả này ngay lập tức làm chấn động giới khoa học và truyền thông đại chúng.
Nhân dịp này, chúng tôi có cuộc trò chuyện với  TS Nguyễn Trọng Hiền, thuộc Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (Jet Propulsion Laboratory – JPL) của NASA, một trong những thành viên chủ chốt của thí nghiệm này.

Thưa TS Nguyễn Trọng Hiền, được biết anh là người trình đề án BICEP2 của JPL lên ban lãnh đạo. Như vậy anh là chủ nhiệm đề tài (principal investigator) từ phía JPL. Anh có thể cho biết quá trình hình thành đề án này được không?

BICEP2 là thế hệ thứ hai của chuỗi các thí nghiệm được chế tạo để phát hiện mức phân cực trong bức xạ nền vi ba. Đứng đầu nhóm thí nghiệm này là GS Jamie Bock của JPL, và Viện Công nghệ Caltech. Jamie Bock là người đứng đầu nhóm chế tạo hệ cảm biến vi ba cực kỳ tinh nhạy cho các đài thiên văn không gian Herschel và Planck. Ông nghĩ đến việc sử dụng những hệ cảm biến này cho các thí nghiệm đo mức phân cực trong bức xạ nền (BXN) tại Nam cực. Và ông nhận ra rằng để làm thí nghiệm như vậy chỉ cần một thấu kính chừng 30 cm. Với kích cỡ nhỏ như thế, hệ thấu kính rất đơn giản và việc bảo đảm độ tinh nhạy của hệ cảm biến có thể đạt được nhờ giảm thiểu những ô nhiễm chung quanh. Một thiết bị như vậy có thể làm từng bước, với kinh phí tương đối thấp. Jamie đã bàn thảo điều này với tôi, và đề nghị tôi trình đề án BICEP2 với JPL. Chiều hướng đề án là phát triển kỹ thuật cảm biến siêu dẫn TES để trong tương lai sẽ dùng cho đài thiên văn không gian.

Thế hệ đầu tiên của chuỗi thí nghiệm này là BICEP hay còn gọi là BICEP1, bắt đầu đi vào quan sát tại Nam cực từ 2006 đến 2008.

Trong thời gian BICEP1 hoạt động, những thông tin mới từ các đài thiên văn DASI và WMAP cho biết rằng có khả năng là tín hiệu lạm phát sẽ rất nhỏ, có lẽ chừng một phần tỉ so với cường độ của BXN, và như thế thì BICEP1 sẽ không đạt đủ độ tinh nhạy để phát hiện ra chúng. Một số các nhà vật lý tại Caltech (Andrew Lange, Bill Jones) đã nghĩ đến việc sử dụng bóng thám không để vượt khỏi bầu khí quyển mà quan sát BXN.

John Kovac, lúc ấy là nghiên cứu viên hậu tiến sĩ (postdoc) tại Caltech và là thành viên của BICEP1, là người đề xuất ý tưởng hãy đừng nản lòng mà tiếp tục quan sát ở Nam cực lâu hơn. Đầu năm 2006, Chao-lin Kuo, postdoc tại JPL và là thành viên của BICEP1, thiết kế xong hệ cảm ứng siêu dẫn mới. Chúng tôi nhanh chóng triển khai cuộc chế tạo thí nghiệm BICEP2, dùng hệ cảm ứng siêu dẫn. Với hệ cảm ứng này, BICEP2 nhạy hơn BICEP1 đến 10 lần. BICEP2 được mang xuống Nam cực cuối năm 2009 và đi vào hoạt động cho đến năm 2012 thì ngưng để nhường cho một thế hệ tiếp theo, còn gọi là Keck, nhanh nhạy gấp năm lần BICEP2.

Bài học từ BICEP1, về cơ bản, là khi thiết bị chế tạo đạt mức tối ưu, chỉ cần gia tăng số đơn vị cảm ứng (từ 50 lên 2.500) để đạt được mức tinh nhạy cần thiết. Mục tiêu tối hậu của chúng tôi là thí nghiệm Keck, bao gồm năm thiết bị tương tự như BICEP2, để rút ngắn thời gian xuống 50 lần so với BICEP1. (Ước tính ba năm của Keck bằng 150 năm của BICEP1). BICEP2, dù tinh nhạy gấp 10 lần BICEP1, nhưng chúng tôi chỉ xem là thí nghiệm chuyển tiếp để thử nghiệm hệ cảm biến mới, với ý đồ là thử xem hệ cảm biến có điều gì cần cải thiện hay không. Không ngờ là BICEP2 làm nên chuyện, phần vì tín hiệu lạm phát, tức là cường độ sóng hấp dẫn thời ban sơ, lớn đủ để BICEP2 phát hiện được.

Qua những mô tả trên đây, đặc biệt là trong phần hình thành dự án, thì thấy rằng anh đóng một vai trò quan trọng hàng đầu trong dự án nghiên cứu này. Anh có thể chia sẻ cụ thể hơn một chút về vai trò của mình trong dự án BICEP1&2 được không?

Tôi đảm nhận vai trò thiết kế thiết bị BICEP2, bao gồm cryostat, các bộ phận nhiệt (làm lạnh), và thử nghiệm hệ cảm biến siêu dẫn TES. Trong nhóm thì Jamie Bock và tôi là thành viên thành lập ban đầu còn lại của chuỗi thí nghiệm này.

Những ngày qua, giới truyền thông như phát rồ về BICEP2. Đây là một ngoại lệ hiếm gặp. Nhưng cụ thể, BICEP2 đã tìm ra điều gì mà ấn tượng đến vậy? Với giới chuyên môn thì đó là di chỉ của sóng hấp dẫn nguyên thủy trong giai đoạn vũ trụ lạm phát lên BXN, dưới dạng các vặn xoắn trong định hướng phân cực của BXN ở cấu trúc B-mode. Nhưng với đại chúng thì đây là những thuật ngữ rất khó hiểu. Anh có thể diễn giải sơ bộ về kết quả của BICEP2?

Trên thực tế, BICEP2 chỉ xác định, tức là đo được, mức phân cực của BXN vi ba.

Bạn đọc còn nhớ là BXN thực chất chỉ là sóng điện từ. Sóng điện từ được truyền đi bằng hai luồng vuông góc với nhau, và sự khác biệt về cường độ ánh sáng giữa hai luồng này được gọi là “mức phân cực.” BICEP2 chỉ đơn thuần làm cái công việc là đo sự khác biệt này. 

Điều gây ấn tượng mạnh mẽ là sự khác biệt này rất nhỏ: chỉ 10 phần tỉ mà BICEP2 lại đo được. Nếu nói ví von thì thế này: một mét khối cát mà lấy đi chỉ vài hạt cát thì BICEP2 cũng phát hiện được!

Trong các thiết bị để đo đạc BXN, BICEP2 đạt được độ tinh nhạy vào diện bậc nhất hiện nay. Để đạt được thành quả này, chúng tôi đã phải thực hiện nhiều công đoạn kỹ thuật, bao gồm chuyện đi đầu trong việc sở hữu được nền công nghệ cảm biến siêu dẫn, thiết kế thiết bị tối ưu để giảm thiểu các nhiễu loạn từ bên ngoài, rồi tổ chức thành công quá trình vận hành/quan trắc thiên văn ở Nam cực gần ba năm liền. Và sau cùng là phân tích một cách nghiêm túc, thấu đáo khối lượng dữ liệu thu thập được. Những điều này đã đem lại sự tin cậy cao trong cộng đồng khoa học. Đấy là nói về mặt thực nghiệm.


Ảnh hưởng của sóng hấp dẫn nguyên thủy lên định hướng phân cực của BXN. Hình: BICEP2.


Về mặt khoa học, có lẽ tôi nên để cho nhà vật lý Mike Turner đánh giá: “Chúng ta có được bằng chứng của BXN đi từ lạm phát… Đây là di chỉ cổ xưa nhất của vũ trụ; một phát hiện trực tiếp về sóng hấp dẫn, và bằng chứng là không thời gian đã được lượng tử hóa. Òa!”

BXN là sóng điện từ như ánh sáng, nên tất nhiên sẽ có các tính chất đặc trưng của sóng điện từ. Vậy tại sao các anh lại chọn đo đạc độ phân cực mà không phải là tính chất nào khác của BXN? Ngoài việc tín hiệu rất nhỏ so với nhiễu, thì có những khó khăn nào các anh gặp phải khi thực hiện dự án này?

Đúng vậy, sóng điện từ có bốn đặc điểm chính. Một là cường độ sóng. Hai là mức phân bổ sóng theo tần số hay bước sóng. Ba là mức phân bố sóng trong không gian (vị trí). Bốn là mức phân cực.

Đặc điểm đầu tiên, cường độ BXN, đã được xác định bởi Penzias và Wilson (Nobel 1978) khi họ lần đầu phát hiện ra BXN vào năm 1965. Đặc điểm thứ hai và thứ ba, đã được vệ tinh COBE, dẫn đầu bởi Mather và Smoot (Nobel 2006), xác định từ đầu thập niên 1990. Cả ba đại lượng này cung cấp thông tin cơ bản về bản chất của vũ trụ, vì thế những cố gắng của họ và đồng đội đã được ghi nhận xứng đáng.

Nếu bạn là người nhập cuộc chơi muộn màng, thì bạn sẽ chọn làm gì?

Tôi đoán rằng bạn sẽ chọn như chúng tôi: xác định đại lượng còn lại, tức là đo đạc mức phân cực trong BXN.

Chuyện này không dễ dàng vì như anh nói, là tín hiệu rất nhỏ so với nhiễu. Thêm vào đó còn nhiều thứ trong bầu trời lẫn tạp vào trong các dữ kiện nên phải chắt lọc, đối chiếu. Rất chi nhiễu nhương nên nhiều người đã nản lòng. Nhưng kết quả đo đạc lại hứa hẹn một ý nghĩa khoa học mang tính bứt phá nên chúng tôi đã theo đuổi đến cùng. Cá nhân tôi suy nghĩ, rằng nếu không phát hiện được sóng hấp dẫn, thì những thí nghiệm BICEP1/ BICEP2/ Keck sẽ lập được một giới hạn kỷ lục mà những thí nghiệm về sau phải mất thêm nhiều năm mới phá được.

Các nhóm nghiên cứu về BXN trước đây, thông qua việc đo đạc cường độ, tần số và vị trí của bức xạ, đều được ghi nhận bằng giải Nobel Vật lý. Nhưng tôi thấy kết quả của BICEP2 còn ấn tượng hơn nhiều. Lần đầu tiên sóng hấp dẫn, tiên đoán cuối cùng của thuyết tương đối chưa được kiểm chứng cho tới lúc đó, được xác nhận bởi BICEP2, và mô hình vũ trụ lạm phát được xác nhận. Vậy có phải đó là lý do để các nhà khoa học khẳng định BICEP2 xứng đáng được giải Nobel? Họ cũng đã bắt đầu bàn tán hậu trường, rằng với Ủy ban Nobel, giờ đây vấn đề không phải là trao giải hay không, mà là trao cho ai vì quá nhiều người xứng đáng trong thực nghiệm này.

Chuyện Nobel ư? Tôi chúc Ủy ban Nobel nhiều may mắn.

Trước hết cần phải ghi công các nhà lý thuyết. Mà họ là ai? Trước tiên là Grishchuk, người đã tiên đoán rằng cơ chế giãn nở tăng tốc sẽ sinh ra sóng hấp dẫn. Grishchuk đi trước lý thuyết lạm phát của Andrei Linde hơn bảy năm, từ 1975. Rồi phải nhắc đến Guth, người đề xuất cơ chế Lạm phát; Andrei Linde, Albreicht và thầy là Steinhardt, Mukhanov, Starobinsky… đã đề xuất mô hình đúng đắn sản sinh cấu trúc không thời gian và sóng hấp dẫn (1981,1982). Nhóm này tiên đoán là sẽ có sóng hấp dẫn ban sơ hay nguyên thủy, và chúng sẽ để lại dấu ấn trong BXN. Nhưng họ không chỉ ra làm sao để phân biệt hay phát hiện ra chúng.

Đến năm 1985, Polnarev chỉ ra rằng có thể phát hiện dựa vào mức phân cực trong BXN để tìm tín hiệu lạm phát nhưng không có đề xuất cụ thể.

Đến 1997, Seljak, Zaldarriaga, rồi Kamionkowski, Kakowski và Stebbins đồng loạt chỉ ra rằng mức phân cực theo B-mode là di chỉ đặc thù của sóng hấp dẫn. Họ còn chỉ ra cách phân tích dữ liệu. Nhưng họ không cho biết cường độ tín hiệu sóng hấp dẫn cỡ nào.

Một thập kỷ sau BICEP2 nhập cuộc, và hoàn thành công việc như ta biết.

Người ta thường không để ý đến nhóm thứ hai, Seljak và các cộng sự… Tôi cho rằng cống hiến của họ đóng vai trò quyết định trong thành công của BICEP2. (Ta để ý là trong lãnh vực này, các nhà vật lý Nga có vai trò tiên phong rõ rệt, và khá đông đảo. Có lẽ họ được học từ thầy của họ là Lifshitz, người đã có những nghiên cứu mở đường trong lý thuyết nhiễu loạn của thuyết tương đối rộng (perturbation theory for general relativity).

Tôi tin rằng những nhà khoa học đã đóng góp trên đây, dù có Nobel hay không, đã là những người khổng lồ trong lịch sử của vũ trụ học.

GS Đàm Thanh Sơn cho rằng phát hiện của BICEP2 mang tầm lịch sử. Tôi cho đó là ghi nhận cao nhất.

Kết quả của BICEP2 có độ khả tín rất cao, lên đến 5 sigma, tức là xác suất để có một tín hiệu tương tự từ nhiễu nền là cỡ 1 trong 10 triệu thực nghiệm. Tín hiệu xem ra cũng rất lớn, hơn cả mong đợi. Điều này có làm các anh bất ngờ, và đặc biệt có đảm bảo rằng kết quả về sóng hấp dẫn nguyên thủy là chính xác, hay chúng ta vẫn phải chờ đợi một kiểm chứng chéo nữa, như từ trạm Planck của châu Âu chẳng hạn?

Chúng tôi hoàn toàn tin tưởng vào tính trung thực của các phân tích số liệu (the integrity of our data). Đây là kết quả mang tính bứt phá, và cần được kiểm chứng thấu đáo. Như Carl Sagan đã nói: kết quả ngoại hạng xứng đáng được kiểm chứng ngoại hạng – great results deserve great scrutiny. Mặc dầu Planck sẽ không đạt được độ tinh nhạy như BICEP (để đạt được độ tinh nhạy tương đương với BICEP2, Planck sẽ mất gần 30 năm nữa), vệ tinh này vẫn có thể kiểm chứng độc lập nhờ thu thập được dữ liệu toàn bầu trời. Thí nghiệm SPT (South Pole Telescope) có khả năng kiểm chứng kết quả của BICEP2. Ngoài ra chúng ta còn có Keck (tương đương với năm lần thí nghiệm BICEP2). Trong vòng một năm nữa chúng ta sẽ có câu trả lời thỏa đáng.

Với kết quả của BICEP2, mô hình vũ trụ lạm phát coi như được khẳng định là đúng. Nhưng một số nhà vật lý nổi tiếng vẫn không tin như vậy. Có thể do họ rất bảo thủ. Hoặc do các bằng chứng thực nghiệm chưa đủ mạnh dưới con mắt của họ. Anh có bình luận gì về điểm này?

Kết quả BICEP2 vẫn còn rất mới, nên các nhà vật lý có thái độ cẩn trọng. Hy vọng trong vài năm nữa, nếu kết quả của BICEP2 được kiểm chứng thỏa đáng, thái độ này sẽ thay đổi dần.

Khái niệm lạm phát không phải là điều dễ chấp nhận với nhiều nhà vật lý tên tuổi. Có thể một phần là do họ biết… nhiều quá. Trong kinh sách nhà Phật hình như còn gọi điều này là “sở tri chướng”.

Hôm họp báo ở Harvard, Bob Wilson, người đã phát hiện ra BXN cách đây 50 năm, kể với tôi rằng Hoyle, một nhà vũ trụ học hàng đầu trong thế kỷ trước và là người cổ xúy cho mô hình “vũ trụ hằng hữu”, cho đến cuối đời vẫn không tin vào Big Bang, mặc dù sự phát hiện BXN đã kiểm chứng điều này.

Khi nói đến nghiên cứu, thường xảy ra chuyện tranh luận xem nên ưu tiên nghiên cứu ứng dụng hay thực nghiệm, đặc biệt với những nước đang phát triển. Anh có cho rằng thành tựu của BICEP2 sẽ có ứng dụng cụ thể gì trong tương lai gần hay không? Hay đó chỉ là các nghiên cứu “trên trời” nhằm thỏa mãn sự tò mò của con người?

Với số đông chúng ta thì các công trình như BICEP2 có lẽ chỉ là những chuyện “trên trời”, như anh nói. (Hơn 10 năm qua, tôi đã giải thích công việc tôi làm ở nhiều nơi nhưng hầu như chẳng mấy ai quan tâm. Người đọc/nghe chỉ để ý đến chuyện tôi đi Nam cực có thấy chim cánh cụt, hay cắm cờ Việt Nam ở Nam cực… hi hi!).

Có khá nhiều “chuyện trên trời” trong nghiên cứu cơ bản. Điều cần thiết là mình nhận ra chuyện gì khả dĩ thực hiện được, và có tính ứng dụng cao hay không. Một công trình như BICEP2 qui mô tương đối gọn, và chi phí không cao. Và về mặt khoa học thì công trình hứa hẹn sẽ thay đổi nhận thức con người ở tầng mức cơ bản nhất. Đây là cơ hội hiếm hoi trong đời một nhà khoa học. Suy nghĩ như vậy nên chúng tôi bắt tay làm.

Con đường để đạt đến thành tựu của BICEP2 buộc chúng ta học và làm được nhiều điều. Như quá trình chế tạo cảm biến siêu dẫn TES, thiết kế hệ quang học, thiết kế thiết bị, phân tích dữ liệu, tìm hiểu về vật lý và vũ trụ học, v.v… đây là những kỹ năng có tính ứng dụng cao, nếu không nói là ưu việt, trong công nghệ và giáo dục.

“BICEP2 có ứng dụng cụ thể gì trong tương lai gần hay không?” Tôi muốn chia sẻ với anh chi tiết thú vị. Tính đến thời điểm này, chưa đầy bốn tuần từ khi công bố kết quả BICEP2 qua họp báo, và công trình của chúng tôi đã gửi đi nhưng đang còn trong giai đoạn xét duyệt nên vẫn chưa được chính thức công bố trên tạp chí khoa học truyền thống nào, thế nhưng đã có hơn 100 công trình nghiên cứu ra đời dựa trên kết quả của BICEP2. Con số này còn tiếp tục tăng trong thời gian tới. Trong sự nghiệp khoa học còn lại của đời mình, tôi nghĩ sẽ khó mà đạt được một ứng dụng cụ thể hơn như thế cho giới nghiên cứu cơ bản.

Trong số những người tham gia dự án BICEP, dường như GS Andrew Lange đóng vai trò rất quan trọng. Tên ông vẫn được nhắc đến ngay cả trong báo cáo công bố kết quả của BICEP vừa rồi. Nhưng thật tiếc ông đã không đươc chứng kiến thành quả này của BICEP2. Với tôi đó là một câu chuyện buồn. Có những lúc tôi tự hỏi phải chăng vì ông đã cơ bản thấu hiểu bí mật của vũ trụ, hay chỉ là do chán nản cuộc sống thường ngày, nên rời bỏ cõi tạm này. Là đồng nghiệp thân thiết của GS Andrew Lange, anh có thể kể cho chúng tôi nghe chút ít về câu chuyện này được không?

Cố giáo sư Andrew Lange, trên danh nghĩa, là người đứng đầu chuỗi thí nghiệm BICEP1/BICEP2/ Keck. Ông qui tụ được nhiều tài năng cho nhóm, và là người tìm được nguồn kinh phí chủ lực để hỗ trợ các thí nghiệm. Andrew, cùng với học trò là Jamie Bock, đã lập nên thành tích vang dội với thí nghiệm Boomerang – thí nghiệm thiết lập bằng chứng của một vũ trụ phẳng. Ông hiểu rất rõ những khó khăn của các thí nghiệm như BICEP, và vẫn thường ví công việc chúng tôi làm như chuyện “săn đuổi vịt trời,” như là để nhắc nhở chúng tôi về khả năng tín hiệu sóng hấp dẫn rất nhỏ, và rất có thể chúng tôi sẽ trở về tay không sau nhiều năm tháng vất vả ở Nam cực. Ông đã qua đời sau cơn trầm cảm kéo dài. Chúng tôi cảm tạ cộng đồng vật lý đã nhắc đến tên ông trong những ngày qua khi họ bàn thảo về thí nghiệm này. Đây là cách bày tỏ mối tri ân sâu sắc đến ông, rằng chúng ta luôn ghi nhớ vai trò của ông trong kỳ tích của BICEP2.


Nhóm BICEP2 – hình chụp tại Caltech, tháng 3, 2012. Ảnh: Tác giả gửi.


Theo dõi những diễn biến trong ngành vật lý thiên văn tôi nhận thấy, kiến thức của chúng ta về vũ trụ đã tăng đột biến trong khoảng thời gian rất ngắn, đặc biệt là trong khoảng 20 năm vừa qua. Anh có thể giải thích vì sao lại có hiện tượng này? Đó là do các nhà thiên văn may mắn hơn thế hệ trước, hay tìm ra hướng nghiên cứu đúng, hay do sự phát triển của các kỹ thuật đo đạc thực nghiệm?

Vật lý thiên văn đang bước vào kỷ nguyên vàng son. Một phần là do sự phát triển kỹ thuật, như hệ cảm biến, và máy vi tính cho phép xử liệu khối lượng dữ kiện khổng lồ. Một phần là chúng ta có những phát hiện đặt nền móng như năng lượng tối, vũ trụ phẳng, lạm phát… Đây là những cơ sở rất mới, tạo tiền đề để phát triển mạnh mẽ các nghiên cứu về vũ trụ học.

Càng tìm hiểu về sự hình thành vũ trụ, chúng ta càng thấy một sự kỳ bí. Chẳng hạn, Big Bang từ đâu ra? Rõ ràng chỉ có thể giải thích là từ “chân không”, hay “hư vô”. Mà điều này thì nghe lại kỳ bí mông lung như trong Thiền học vậy. Vậy theo anh, có điều gì đó mâu thuẫn hay kém rõ ràng ở đây không? Và liệu chúng ta có thể hiểu biết chút gì về giai đoạn trước lạm phát hay không?

Có lẽ điều không được rõ ràng ở đây là khái niệm “chân không” hay “hư vô”. Những từ này thường khiến chúng ta nghĩ về một cõi trống không, tức là không có chi cả, một con số không tuyệt đối. Trong thế giới chúng ta, tức là trong một thực thể vật lý (physical reality), không có tồn tại một cõi như thế. Cái gọi là chân không vật lý (physical vacuum), khác với chân không trong triết học hay trong ý niệm mơ hồ của số đông chúng ta, là môi trường luôn tồn tại các trường năng lượng hay hạt ảo (virtual particles/ fields) liên tục sinh ra và mất đi theo Nguyên lý Bất định, ΔE x Δt > ħ/2. Bất đẳng thức này cho thấy rằng năng lượng có thể sinh ra hay mất đi trong khoảng thời gian cực nhỏ mà không vi phạm các qui luật vật lý. Các nhà vật lý xem “môi trường chân không” như là một trạng thái vật chất. Chúng ta không nhận biết được “chân không” bằng những giác quan thông thường, nhưng sự tồn tại của chúng đã được kiểm chứng hơn 50 năm nay, nhờ các thí nghiệm vật lý năng lượng cao dùng máy gia tốc.

“Vũ trụ đã bắt đầu như thế nào?” Đây là một câu hỏi khó. Khó với cá nhân tôi thì đã đành – tôi chỉ biết làm các việc “cân đo đong đếm” – nhưng đây vẫn là câu hỏi khó cho các nhà chuyên môn. Nên ở đây tôi chỉ lặp lại những gì tôi nghe thấy từ họ. Và những gì tôi nghe thấy cho đến lúc này, thì câu trả lời là “khoa học còn đang nghiên cứu.” Tuy nhiên, chúng ta cũng đã nắm được vài điều sơ lược tối thiểu.

Bức tranh khái quát là thế này, lúc vũ trụ mới hình thành, tức là trước thời điểm ~ 10-36 giây (một phần tỉ tỉ tỉ tỉ giây), chỉ có chân không mà thôi và không có gì khác (không ánh sáng, không vật chất). Trường chân không này còn có tên gọi là “inflaton”, để phân biệt với các trường chân không mà chúng ta đã thấy qua các máy gia tốc. Đây là giai đoạn lạm phát, vũ trụ bùng nở cực nhanh, không gian trong vũ trụ được nới rộng theo cấp lũy thừa. Vũ trụ từ một chất điểm, nhỏ hơn proton nhiều lần (hạt proton có kích thước cỡ một phần triệu tỉ mét), to đùng lên gần bằng trái cam trong chỉ một phần tỉ tỉ tỉ tỉ giây. Nhắc lại là vũ trụ lúc bấy giờ chỉ có chân không lượng tử, nhắc lại lần nữa, “chân không lượng tử” là một trạng thái vật chất/năng lượng. Khi tuổi vũ trụ đạt đến một phần tỉ tỉ tỉ tỉ giây, tức là đã đi qua thời kỳ lạm phát, thì chân không lượng tử – tức là inflaton – phân rã và chuyển thành trường năng lượng thông thường, như năng lượng điện từ v.v… Vũ trụ tiếp tục giãn nở với tốc độ chậm lại, và chính sự giãn nở này đã làm cho ánh sáng (năng lượng điện từ) nguội đi, để vật chất được tạo thành (tức là các hạt cơ bản, như proton, electron, v.v…).


Sơ lược về sự diễn tiến của vũ trụ từ Big Bang.


Việc tìm thấy di chỉ của thời kỳ lạm phát, hay nói cách khác là tiếng vọng từ thuở khai thiên lập địa, sau 13,8 tỉ năm thực sự là điều kỳ diệu của trí tuệ con người. Anh có bình luận gì về điều này? Và theo anh, vũ trụ quan của chúng ta sẽ thay đổi như thế nào sau những nghiên cứu như thế này?

Khi nhìn thấy B-mode dựa trên kết quả phân tích ban đầu, bọn chúng tôi đã không mấy ai tin. Hơn một năm sau, tức là sau khi đã kiểm tra thấu đáo mọi ngõ ngách trong các qui trình phân tích, biết chắc là chúng không phải từ thiết bị sai lạc, và cũng không phải những pha lẫn từ những tín hiệu khác trên bầu trời, chúng tôi mới thật sự tin chúng thực chất là di chỉ của sóng hấp dẫn ban sơ. Tôi nhớ mình đã nghệch mặt ra nhìn rất lâu.

Sau đó tôi nhớ mình đã chia sẻ với những đồng đội về suy nghĩ của mình. Chúng tôi hầu như đã hết sức bất ngờ về một vũ trụ mà lại có thể… đơn giản đến thế được. Kết quả rất sát với hầu hết những ước đoán lý thuyết. Dĩ nhiên khi viết các đề án, chúng tôi đã luận cứ hùng hồn rằng có thể phát hiện được sóng hấp dẫn, nhưng không riêng gì tôi mà hết thảy bọn chúng tôi không trông chờ là một ngày sẽ trông thấy chúng. Bọn tôi chỉ chú tâm làm cho thật tốt những gì mình có thể làm được. Còn những suy luận lý thuyết thì chỉ là … suy luận mà thôi. “Thiên nhiên vốn đầy rẫy những bất ngờ”, chúng tôi vẫn hằng cảnh giác như thế. Mà thực tế như tôi vừa nói, kết quả lại khá gần với những tính toán lý thuyết. Điều kinh ngạc ở đây là dường như chúng ta có thể… thấu hiểu được bản chất của vũ trụ. Hệt như câu nói hồn nhiên của Einstein mà anh Nguyễn Xuân Xanh đã nhắc đến một cách thân tình sau khi nghe tôi báo về kết quả của BICEP2, rằng: “Điều quả không thể hiểu được ở vũ trụ là nó lại có thể hiểu được – The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible”.

Một vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng, có nghĩa là mọi nơi mọi hướng đồng đều như nhau sẽ không tạo được ngân hà hay các vì sao… Thực tế là tính đồng nhất và đẳng hướng bị phá vỡ ở mức rất nhỏ, nhưng đủ để gây nên chuyện, tức là làm nên cấu trúc trong không gian. Sự phá vỡ này, như BICEP2 đã chứng tỏ, được gây ra bởi những nhiễu loạn lượng tử trong chân không có sẵn từ thời kỳ ban sơ.

Ngày trước chúng ta nói “con người từ cát bụi mà ra” (“Hạt bụi nào hóa kiếp thân tôi…”). Gần đây chúng ta lại nói, cát bụi từ những vì sao mà ra, rồi những vì sao thì bắt nguồn từ cấu trúc ban đầu trong không thời gian. Và những cấu trúc ban đầu là do những nhiễu loạn lượng tử ban sơ tạo thành.

Có nghĩa là, nhiễu loạn lượng tử thông qua quá trình lạm phát là cội nguồn của hết thảy mọi sinh linh, kể cả những thiên hà, những vì sao, hành tinh, và ngay cả sự sống trong vũ trụ này. Khi ta nói kết quả của BICEP2 sẽ khiến nhận thức hay vũ trụ quan của chúng ta thay đổi một cách cơ bản, chính là nói đến điều này.

Vũ trụ sơ khai đã có thể hình dung rõ ràng hơn với các thực nghiệm về BXN. Đặc biệt là với BICEP2, lần đầu tiên chúng ta biết được chuyện gì xảy ra với vũ trụ chỉ sau một phần tỉ tỉ tỉ tỉ giây. Đó là một bài toán lớn mà vật lý thiên văn, cụ thể là chuỗi thực nghiệm BICEP, đã chinh phục được. Vậy theo anh, sau sóng hấp dẫn nguyên thủy và vũ trụ lạm phát, đâu là bài toán lớn tiếp theo mà ngành vật lý thiên văn cần giải quyết?

Cần phải nhấn mạnh, kết quả của BICEP2 chỉ là bước đầu. Nó mở ra một lãnh thổ mới cho vật lý cơ bản, và rất nhiều vấn đề tiếp theo trong đặc tính của B-mode mà các thế hệ thí nghiệm kế tiếp BICEP2 sẽ thực hiện trong vài năm tới.

Câu hỏi muôn thuở, “vũ trụ đã bắt nguồn từ đâu?”, vẫn chưa có câu trả lời thỏa đáng. Bước đầu thì BICEP2 cho thấy có lẽ vũ trụ đã bắt nguồn từ chân không lượng tử rồi đi qua thời kỳ lạm phát. Nhưng vẫn còn những câu hỏi lớn, những câu hỏi mà người ta rất ngại đề cập, như việc xác định trường chân không “inflaton”, rồi giai đoạn tái thăng nhiệt (reheating), bản chất và vai trò của năng lượng tối, vật chất tối, v.v… Đây chỉ là một số rất ít những nan đề cơ bản. Hãy ghi nhớ, thiên nhiên vốn đầy rẫy những bất ngờ.

Để triển khai thí nghiệm này, anh đã ở Nam cực trong bao lâu? Trong thời gian làm nghiên cứu ở đó, anh có kỷ niệm gì đặc biệt, về công việc, về đồng nghiệp, về nhân sinh, về hành trình khám phá tri thức? Và nếu trẻ lại, liệu anh có chọn lại ngành vật lý thiên văn như đã làm?

BICEP1 xuống Nam cực từ cuối năm 2005, tôi theo xuống vào đầu năm 2006. Từ ấy đến nay đã gần tám năm (“tám năm làm một BICEP2…”), tôi đi Nam cực cũng được gần năm lần. Những dịp như thế tôi chỉ ở chừng một tháng, rồi quay trở về với gia đình và những công việc tại JPL/Caltech. Hằng năm chúng tôi để lại một người ở quá mùa đông. Với thí nghiệm BICEP2, chúng tôi may mắn có Steffan Richter. Steffan đã ở suốt ba mùa đông liên tục cho BICEP2, từ 2010 đến 2012.

Thí nghiệm BICEP2 qui tụ được khá nhiều tài năng. Có đến bốn postdoc đi lên phó giáo sư từ thí nghiệm này. Brian Keating của Đại học UC San Diego, Bill Jones của Princeton, Chao-lin Kuo của Stanford và John Kovac của Harvard. Kể thêm Jamie Bock nay là giáo sư tại Caltech, thì thí nghiệm của chúng tôi đã đào tạo hàng loạt những nhà nghiên cứu xuất sắc cho những trường đại học hàng đầu của thế giới. (Tôi không biết có một nhóm nghiên cứu nào đạt được kỷ lục tương đương như thế!) Đối với cá nhân tôi, ngần này thôi đã là một kỳ tích của BICEP2. Và được làm việc với những tài năng lớn, được làm công việc mình say mê, đó có lẽ là phần thưởng cao quí nhất mà một nhà vật lý có thể mơ ước.

Trong thí nghiệm này, tôi làm việc gần gũi với Jamie Bock, lúc ấy còn là một thành viên trong nhóm Thiết bị Thiên văn tại JPL. Jamie Bock là nhà thực nghiệm tài ba, và là một con người sâu sắc, khiêm nhường, mà lại hết sức hào phóng với những ý tưởng của mình. Jamie có lẽ là một trong những nhà vật lý xuất sắc nhất trong thế hệ của chúng tôi mà tôi đã được may mắn cộng tác.

Để tôi kể một câu chuyện vui. Kết quả của BICEP2 được công bố vào ngày 17/3/ 2014. Nhưng từ tháng 8/2013 tôi đã hối thúc các thành viên trong nhóm phải sớm hoàn tất chuyện này. Tôi lo ngại rằng tín hiệu lạm phát lớn như thế sẽ nằm trong tầm ngắm của các thí nghiệm khác (SPT, Planck) và rất có thể là kết quả của BICEP2 đã lọt ra ngoài. Nếu chúng tôi không nhanh chóng thông báo thì sẽ mất cơ hội. Nên chi bọn tôi nhắc nhở là phải giữ tuyệt mật kết quả phân tích. Từ tháng 12/2013 trở đi, các qui trình phân tích đã chỉ giới hạn trong một nhóm nhỏ các thành viên của BICEP2 mà thôi. Thằng bạn thân trong nhóm Thiết bị Thiên văn ở JPL đã hỏi dò tôi nhiều lần, kết quả phân tích đến đâu rồi và khi nào sẽ công bố. Tôi tuân thủ luật của BICEP2 nên chỉ trả lời qua loa. Cuối tuần trước ngày 17/3, thế giới mạng bỗng ầm ĩ về chuyện họp báo Harvard vào ngày thứ hai sắp đến, dựa trên nguồn tin của tờ The Guardian bên Anh. Thằng này nhắn tin, “Hiền có trong lab thì làm giùm điều này…” Tôi trả lời tôi không làm được. Thằng này chột dạ hỏi, “Mày đang ở đâu đấy.” Tôi đành khai là “Harvard”. Nó không hỏi thêm vì đã đoán biết cơ sự. John Preskill, một nhà vật lý lý thuyết tên tuổi của Caltech, cũng không biết gì về kết quả của BICEP2 âm ỉ ngay trên sân nhà. Lần đầu ông thấy tin đồn là thứ bảy trước đó. Ông kể rằng lúc ấy đang nằm trên giường bắt gặp tin đồn về BICEP2 trên iPhone, ông ngồi bật dậy, lồm cồm nhìn quanh miệng không ngớt kêu, “holy shit! holy shit!!!”… Đến hôm họp báo, không chỉ các nhà vật lý trong ngành đã để ý theo dõi, mà ngay cả đại chúng cũng tò mò muốn biết. Nội trong ngày 17/3, trang mạng của BICEP2 tại Harvard đã có hơn 3 triệu lượt viếng thăm, đến 10 giờ sáng công bố kết quả thì trang mạng tường thuật tại chỗ buổi họp báo đã sụp đổ vì quá tải.   

Trở lại việc bảo mật. Có vẻ như là kết quả của BICEP2 đã không lộ ra ngoài cho đến những ngày trước hôm họp báo. Tôi hơi ngạc nhiên về điều này. Cho đến hôm nay tôi vẫn nghĩ rằng các nhóm khác đã biết đến kết quả của chúng tôi từ trước nhưng vẫn kín tiếng. Có lẽ bởi họ không làm gì được. Có lẽ họ cần hẳn thêm một thời gian nữa mới đạt được đủ độ tinh nhạy.

Tôi đã rất vui khi thấy kết quả nghiên cứu của chúng tôi được biết đến rộng rãi. Điều tôi ngạc nhiên là tại sao quần chúng cũng quan tâm nhiều đến như thế. Tôi đoán có lẽ nhờ các mạng xã hội đồn đoán những ngày trước đó nên có sự chú ý cao độ.

Nhưng có thể có thêm một lý do khác.

Phải ghi nhận rằng thành tựu chúng tôi đạt được là nhờ đứng trên vai của những người khổng lồ. Tôi đã may mắn được gặp và làm việc với một số ít những người không lồ ấy. Từ đội ngũ các nhà vật lý lý thuyết mà tên tuổi họ đã trở thành biểu tượng tiên phong của vũ trụ học hiện đại, như Alan Guth, Andrei Linde, Grishchuk, v.v… những người này chỉ ra sự tồn tại của sóng hấp dẫn ban sơ từ thời lạm phát; cho đến thế hệ trẻ hơn như Seljak, Zaldarriaga, Kamionkowski, Kokowski, Stebbins… đã chỉ ra kỹ thuật quan sát và cách phân tích các dữ liệu để thấy được sóng hấp dẫn; rồi Jonas Zmuidzinas (JPL/Caltech), Peter Day (JPL), những người đã đi tiên phong trong những phát triển của hệ cảm ứng siêu dẫn. BICEP2 thừa hưởng một di sản sáng tạo vô giá. Thành công của BICEP2 vì thế cũng là thành công của nhiều thế hệ. Có lẽ vì thế mà thế giới đã chúc mừng và cùng chung vui với chúng tôi.

Đối với tôi, câu hỏi “nếu được bắt đầu trở lại, mình sẽ làm gì?” không phải là điều viển vông, mà là câu hỏi thiết thực. Bởi câu hỏi này sẽ giúp mình hướng dẫn các sinh viên.


Nguyễn Trọng Hiền tại Nam cực, tháng 12, 2011. Đằng sau, từ xa là thí nghiệm BICEP2. Ảnh: Tác giả gửi.


Tiêu chí của tôi là chủ đề khoa học không nhất thiết phải lớn, mà cá nhân nhà nghiên cứu trẻ có cơ hội học được thêm, có trau dồi được thêm những kỹ năng thực nghiệm cần thiết hay không. Lấy ví dụ, các thí nghiệm về vật lý năng lượng cao ngày nay qui mô quá lớn, không còn cho những nhà nghiên cứu trẻ cơ hội như thế – và tôi nghĩ đây là một trong nhiều lý do mà địa hạt nghiên cứu này sẽ khó mà tồn tại thêm lâu. Các thí nghiệm về BXN vẫn còn cơ hội cho sinh viên học thêm về chế tạo cảm biến hay thiết bị, và bài toán phân tích dữ liệu là đặc biệt lý thú. Như tôi đã nói ở trên, vật lý thiên văn đang bước vào thời kỳ vàng son. Nếu là sinh viên cao học bây giờ, tôi sẽ vẫn chọn các nghiên cứu về BXN. BXN có lẽ còn sức sống chừng mười đến hai mươi năm nữa… Nhưng có lẽ tôi cũng sẽ để ý đến những lãnh vực khác, như quantum computing, atomic physics…

Cảm ơn anh về cuộc trò chuyện cực kỳ thú vị này. Chúc anh cùng các đồng nghiệp tiếp tục có những thành công mới với Keck. Hy vọng một ngày nào đó, các bạn trẻ Việt Nam sẽ được trực tiếp tham gia những thực nghiệm thiên văn tầm cỡ như vậy.

Tìm địa điểm Trường
Gọi trực tiếp
Chat Facebook
Chat Zalo

[flipbook id="1"]