LIGO: Chậm mà chắc
Lời tòa soạn: LIGO đã phát hiện ra sóng hấp dẫn cách đây gần hai năm và các thành viên của dự án này đã gặt hái hầu hết các giải thưởng lớn về khoa học trên thế giới, kể cả giải Nobel vào tháng 10 vừa qua. Nhưng là một nhà vật lý thực nghiệm, TS. Nguyễn Trọng Hiền, người chủ nhiệm dự án BICEP2 đi tìm sóng hấp dẫn thuở ban sơ của vũ trụ chỉ thực sự cảm thấy thuyết phục sau khi LIGO công bố phát hiện được sóng hấp dẫn từ vụ va chạm của hai sao Neutron vào tháng 11 vừa qua với sự kiểm chứng độc lập của một loạt các đài thiên văn khác. Bài viết dưới đây của anh lý giải tại sao, LIGO không chỉ là bước nhảy vọt mà còn là một nỗ lực kiên trì và phi thường bậc nhất trong lịch sử của vật lý thực nghiệm.
Cài đặt máy dò phiên bản cao cấp LIGO (Advance LIGO) có độ nhạy gấp 10 lần so với phiên bản LIGO cơ bản (Initial LIGO). Nguồn ảnh: Caltech/MIT/LIGO Lab.
Khác với hầu hết các thí nghiệm, vốn chỉ mong “đánh nhanh thắng nhanh”, dự án LIGO đã dọn sẵn lộ trình lâu dài, mất hơn vài thế hệ vật lý để các thiết bị dần dần đạt được độ tinh nhạy cần thiết, như Rain Weiss, Nobel 2017 nói, “chậm mà chắc”.
Tháng Hai, 2016, thí nghiệm LIGO công bố là đã quan sát được sóng hấp dẫn. Tháng mười năm sau, Ủy ban Nobel trao giải Nobel về Vật lý cho ba nhà vật lý đứng đầu LIGO, Rain Weiss (MIT), Bary Barish và Kip Thorne (Caltech) vì họ “đã có những cống hiến quan trọng trong hệ cảm biến LIGO và sự quan sát sóng hấp dẫn”.
“Mất cả 40 năm, người ta luôn nghĩ về chuyện này, gắng tìm cách phát hiện, có lúc thất bại trong thời kỳ đầu, rồi dần dần, chậm mà chắc, xây dựng kỹ thuật để có thể làm chuyện này”, Weiss nói. “Thật là phấn khởi là cuối cùng ta đã phát hiện được, và thật sự tăng thêm tri thức, thông qua sóng hấp dẫn, về những gì xảy ra trong vũ trụ”.
LIGO là một thí nghiệm đặc biệt trong lịch sử vật lý. Có thể nói, trước LIGO chưa hề có một thí nghiệm như thế. Kết quả 2016 của LIGO kiểm chứng trực tiếp dự đoán cuối cùng lý thuyết tương đối của Einstein, đánh dấu kỳ tích trong tư duy con người, và là một thành tích vượt bậc trong phát triển kỹ thuật.
1. Khó khăn lý thuyết
Thuyết Tương đối ra đời từ 1916, đến mãi đầu thập niên 60, tức là gần năm mươi năm sau ngày lý thuyết ra đời, vẫn là một đề tài nghiên cứu không mấy hấp dẫn. Điều này có nhiều nguyên do, nhưng không phải là do nó khó hiểu. Bởi ngay từ lúc ra đời, thuyết tương đối đã là một lý thuyết hoàn chỉnh. Với lý thuyết tương đối (LTTĐ), Einstein đã đạt được cả hai điều quan trọng nhất khi xây dựng một lý thuyết vật lý: ông có nguyên lý vững chắc (nguyên lý tương đương) và phương thức xử lý hiệu quả (hình học vi phân). Công trình của Einstein đã được trình bày gọn ghẽ trong một bài viết duy nhất, và có lẽ tương đối “dễ hiểu” đối với số đông các nhà vật lý thời ấy. Tôi nói tương đối “dễ hiểu” là nếu ta so sánh với vật lý lượng tử, người ta phải phán đoán những cơ chế vật lý mới – và rất khó hiểu – để giải thích các kết quả thực nghiệm. Vật lý lượng tử khó hiểu, nhưng đã có những bước nhảy vọt nhờ thực nghiệm. Vật lý tương đối dễ hiểu hơn, nhưng đã dậm chân tại chỗ trong thời gian dài, chỉ vì thiếu thực nghiệm.
Như trên đã nói, LTTĐ tương đối đơn giản (ít ra là về mặt khái niệm) vì bởi nền tảng lý thuyết Einstein đã giải quyết xong rồi. Thử thách là làm sao để tiếp nối công trình của Einstein. Có những vấn đề tiếp theo đã không được giải quyết thoả đáng trong một thời gian dài. Bản thân Einstein không chấp nhận sự tồn tại của lỗ đen. Einstein còn hụt mất một phát hiện quan trọng vào hàng bậc nhất của văn minh nhân loại: sự giãn nở của vũ trụ. Ngay đến sóng hấp dẫn, chính Einstein cũng đã khá… bối rối khi bàn về sự tồn tại của nó. Chỉ trong vài tháng sau khi LTTĐ ra đời, tức là một trăm năm trước, ông đã chỉ ra sự tồn tại của sóng hấp dẫn. 20 mươi năm sau, 1936, Einstein đổi ý. Tạp chí Physics Today (Vật lý Ngày nay) kể lại,
“Mặc dầu khái niệm về bức xạ hấp dẫn bấy giờ còn tương đối mới, và không có bằng chứng thực nghiệm để kiểm chứng, nhưng sự tương đồng với trường điện từ hết sức rõ rệt, nên vào khoảng thập niên 30 hầu hết các nhà khoa học đã nghĩ, về mặt nguyên tắc, là sóng hấp dẫn phải tồn tại. Vậy mà, hồi 1936 Einstein gửi cho bạn ông là Max Born: “Cùng với người cộng tác trẻ, tôi đạt được kết quả lý thú là sóng hấp dẫn không tồn tại, dầu ban đầu mọi người đã khá chắc chắn về nó. Đến bây giờ, điều này cho thấy là phương trình vô tuyến tính cho ta biết nhiều hơn, hay đúng ra, giới hạn chúng ta nhiều hơn chúng ta tưởng”.
Einstein gửi nghiên cứu này đến Physical Review, tựa đề công trình “Sóng hấp dẫn tồn tại không”? Và ông trả lời là “Không”.
Công trình này bị Physical Review trả lại vì cho rằng kết quả của Einstein không đúng (bản gốc không còn giữ). Năm sau, sau khi đã sửa lại bài viết, ông gửi đến tạp chí Journal of the Franklin Institute. Lần này, Einstein trả lời là “Có”. Câu chuyện lý thú này bạn đọc có thể tham khảo thêm ở tạp chí Vật lý ngày nay. (Daniel Kennefick, “Einstein vs. Physical Review”, Physics Today, Sept 2005.)
Dù sao thì cuối cùng sau nhiều thập kỉ, cộng đồng vật lý đã không còn nghi ngờ gì về sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Câu hỏi là làm sao để phát hiện trực tiếp được sóng này.
2. Thử Thách thực nghiệm
Nếu ta giả thiết, từ các thiên hà xa xôi, có hai hố đen cỡ khối lượng nặng hơn mặt trời vài lần, xoay quầng rồi rơi vào nhau, làm nảy sinh sóng hấp dẫn và làm cho không gian co giãn chừng 10-22. Tức là khi ta lấy khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời là 150 triệu km, thì không gian sẽ co giãn chừng một phần mười tỉ mét, tức là ~ đường kính một nguyên tử. Và sự co giãn chỉ xảy ra trong nháy mắt, chừng vài mili giây.
Sẽ khó có một Rain Weiss thứ hai thực hiện được thí nghiệm cam go này. Nguồn: Sciencemag.
Thí nghiệm lấy khoảng cách Trái đất – Mặt trời không dễ làm ngay. Trước mắt, người ta chọn khoảng cách trên mặt đất cho tiện. LIGO để hai tấm gương phản chiếu cách nhau 4 km để theo dõi sự co giãn của khoảng cách này. Khi sóng hấp dẫn lan đến, sẽ làm 4 km co giãn chừng 10-19 m. Tức là nhỏ hơn đường kính nguyên tử một phần tỉ lần.
Có thể nói, vào những năm 50 hay 60, chuyện đưa người lên Mặt trăng là gần như không tưởng với đại đa số dân chúng trên thế giới. Nhưng thực ra điều này không khó, nói một cách nghiêm túc. Những nguyên tắc vật lý đã có sẵn. Tên lửa cũng đã thử nghiệm. Chỉ là vấn đề đầu tư tiền bạc và thời gian.
Chuyện Rain Weiss và đồng đội của ông muốn làm, là đo cho được 10-19m hay là một phần tỉ đường kính nguyên tử, so với đưa con người lên Mặt trăng hay sao Hỏa, khó gấp… muôn vàn lần. Họ biết phương thức đúng đắn là dùng kính giao thoa, nhưng đạt được mức tinh nhạy 10-22 họ cần: 1. Laser công suất lớn, với độ bình ổn cao, 2. Cách ly dao động từ môi trường, 3. Thiết bị quang học với độ phản chiếu cao. Cứ 3 triệu photon thì chỉ cho phép 1 photon được hấp thụ. Gương hấp thụ ít photon thì sẽ không bị nóng, hình dạng sẽ không đổi, giữ cho chất lượng của laser được tốt. Mặt gương được mài nhẵn đến độ mức sai lệch giữa bản vẽ và gương thật chỉ vài nguyên tử. 4. Cuối cùng, sự kiện co giãn chỉ xảy ra trong tích tắc, nên cần tốc độ dữ liệu cao, và vì phải quan sát liên tục nên đưa đến số lượng dữ liệu lớn. Caltech hiện đang giữ 4.5 PB (bốn triệu rưỡi GB), và mỗi năm nhập thêm 0.8 PB.
Những yêu cầu thiết bị như trên vào những năm 70, khi Weiss và Thorne khởi đầu xây dựng thí nghiệm LIGO, là điều không tưởng, đạt đến đó phải mất một thời gian dài, rất tốn kém và không chắc là sẽ thành công. Lúc bấy giờ, người ta mới chỉ nghĩ đến việc lưu trữ hàng Kilo byte, sau đó 20 năm đến thời của tôi, chỉ mơ tới đĩa cứng có Giga byte. Chứ có đâu mà một chục triệu GB? Đâu ai nghĩ bộ nhớ máy tính bây giờ có thể rẻ như vậy? Nhưng đây mới là chỉ những trở ngại cần tiền và thời gian. Một trở ngại cơ bản khác, đó là cho dẫu họ đạt được mức tinh nhạy mà thiết bị cho phép thì mức tinh nhạy này vẫn bị giới hạn lượng tử. Và đây mới chính là điều người ta lo. Giữa thập niên 80 người ta mới biết cách để vượt giới hạn của nhiễu loạn lượng tử trên lý thuyết. Đến 2014, người ta mới thật sự làm được chuyện này.
“LIGO về thực chất là một máy đo động đất khổng lồ, đo được dao động từ xe cộ ở đường gần đấy, biến động của thời tiết từ những châu lục xa xôi, nhân viên khoa học mà đi xe đạp dọc theo đường ống thí nghiệm, máy cũng phát hiện được, sóng biển ở cách hàng trăm dặm cũng nghe, và những cuộc động đất lớn nhỏ quanh trái đất đều được ghi lại tất!” (theo trang web của LIGO) Điều mâu thuẫn ở đây là, để làm được việc LIGO phải hết sức nhạy để mới cảm được dao động nhỏ nhất, gần hay xa, nhưng lại phải không nhạy với các nhiễu như trên từ môi trường. Rồi là, cần laser với mức ổn định cao và công suất lớn, nhưng công suất lớn sẽ làm mặt gương nóng lên, phá huỷ mức ổn định của laser… Trong mỗi khâu, mỗi công đoạn của LIGO, đều có đầy những mâu thuẫn như thế.
Họ bắt đầu hầu như con số không. Vậy mà họ đã bắt tay làm. Hầu hết mọi người trong cộng đồng vật lý đã rất nghi ngờ tính khả thi của dự án này. Chẳng ai nghi ngờ sự tồn tại của sóng hấp dẫn, nhưng để thấy được nó qua thực nghiệm là điều không thể. Có họa là điên mới bỏ công làm những chuyện này. Thực ra, những từ như “điên rồ”, “liều lĩnh”, v.v… cũng không đủ để diễn tả chuyện này. Bản thân tôi, là “thứ” đi sau gần hai thế hệ, cách đây không đầy mười năm còn không tin là LIGO sẽ làm được.
Vậy mà họ làm được. Họ biết trước là họ sẽ cần hai thế hệ các nhà vật lý, và cần một đội ngũ đông đảo các nhà khoa học vào cuộc. Họ thuyết phục được các nhà quản lý khoa học. Cá nhân tôi có nghe, rằng lãnh đạo của Quỹ Khoa học Quốc gia (National Science Foundation – NSF) quyết định hỗ trợ thí nghiệm LIGO bởi họ nghĩ, sẽ khó có một Rain Weiss thứ hai để thực hiện được thí nghiệm cam go này. Trong thành công của LIGO, phải kể đến lãnh đạo NSF bấy giờ.
3. Lời Kết
Nhắc lại chuyện “ban đêm trời tối”. Ai cũng biết cả, nên “phát hiện” này trở thành hiển nhiên. Ông bà ta hiểu về điều này như sau: Mặt trời lặn nên trời tối. Cách đây hơn 400 năm, Copernic bảo, không phải Mặt trời lặn mà “vì Trái đất xoay”, và nửa kia của Trái đất che Mặt trời đi, nên bầu trời tối trở lại. Tức là, bầu trời luôn tối quanh năm suốt tháng, đêm hay ngày. Nếu có ngôi sao nào đó gần đấy chiếu sáng, như Mặt trời chẳng hạn, thì bóng đêm tạm thời tan đi thôi. Gần đây hơn, các nhà vũ trụ học cho thấy màn đêm của bầu trời còn có liên hệ đến sự giãn nỡ của vũ trụ, rằng vũ trụ thấy được là hữu hạn (nếu vô hạn thì hằng hà sa số các ngôi sao trong vũ trụ sẽ hợp lại làm cho bầu trời đêm sáng như ban ngày). Nói gì thì nói, sự thật là bầu trời tối cố hữu. Điều này vốn đã được xác định từ xa xưa, và sẽ còn mãi sau này. Tự nhiên vốn bất di bất dịch, và dĩ nhiên, độc lập với hiểu biết của chúng ta.
Hai nhà vật lý Bary Barish và Kip Thorne (Caltech) ăn mừng giải Nobel 2017. Bản thân Kip Thorn (phải) là người đồng sáng lập dự án LIGO từ năm 1984. Nguồn: Latimes
“Kết quả của LIGO minh chứng Einstein đã đúng”. Báo chí đã đua nhau đưa tin. Thì đã đành. Einstein đã đúng một cách thần kỳ. Thuyết tương đối đã cho chúng ta cái nhìn đúng đắn về tự nhiên. Không thời gian cong từ lâu đã là bộ phận của di sản tri thức loài người. Nếu không có LTTĐ, chẳng ai hoài công xây đắp hệ thống LIGO để đo cho được mức dao động không đầy 10-19m. Nhưng sẽ rất là thiếu sót nếu chúng ta chỉ nói LIGO kiểm chứng lý thuyết tương đối. Con số đo chính xác đến 10-19m của LIGO hay của Virgo hoàn toàn độc lập với bất kỳ lý thuyết nào. Sự co giãn của không thời gian do các thiên thể rơi vào nhau, phát hiện gần đây bởi các đài thiên văn sóng hấp dẫn (LIGO & Virgo), và được kiểm chứng tuy gián tiếp nhưng đầy thuyết phục từ các đài thiên văn cổ điển (sóng điện từ), một lần nữa, hoàn toàn độc lập với LTTĐ hay với bất kỳ lý thuyết nào.
Đây là thực nghiệm. Phát hiện thực nghiệm cho ta thấy một cách trực tiếp nhất bản chất của tự nhiên. Phát hiện thực nghiệm khẳng định sự hiển nhiên.
Thanksgiving, 2017
