PGS.TS Nguyễn Quỳnh Lan: Giải mã tiếng vọng thuở bình minh của vũ trụ

Cách đây hơn mười năm, nhân loại lần đầu tiên trực tiếp phát hiện được sóng hấp dẫn khi Trạm quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) ở Mỹ ghi nhận được tín hiệu từ cuộc hợp nhất của hai hố đen xảy ra cách Trái đất khoảng 1,3 tỷ năm ánh sáng.

Tín hiệu về gợn sóng trong không - thời gian này đã chứng minh cho giả thuyết từ năm 1916 của Albert Einstein về sự tồn tại của sóng hấp dẫn trong thuyết tương đối rộng, đền đáp cho nỗ lực tìm kiếm sóng hấp dẫn kéo dài suốt nhiều thập kỷ của các nhà khoa học.

Từ đó đến nay, mạng lưới các đài quan sát sóng hấp dẫn lớn nhất thế giới bao gồm LIGO (Mỹ) - Virgo (Ý) - KAGRA (Nhật Bản), gọi tắt là mạng lưới LVK, đã phát hiện ra thêm 400 sự kiện sóng hấp dẫn nữa. Trong đó, một tín hiệu sóng hấp dẫn rõ ràng nhất được ghi nhận vào đầu năm 2025 đã trở thành một thí nghiệm quy mô vũ trụ tuyệt vời giúp các nhà khoa học lần đầu tiên kiểm chứng được định luật Hawking về lỗ đen.

PGS.TS Nguyễn Quỳnh Lan – người tham gia sâu vào mạng lưới LVK từ năm 2016 đến nay và dẫn dắt nhóm nghiên cứu tại Đại học Phenikaa tham gia vào công trình đầu tiên kiểm chứng Định luật Diện tích của Stephen Hawking và bản chất Kerr của lỗ đen - đã có cuộc trao đổi với Tia Sáng về hành trình tham gia một trong những dự án vật lý lớn nhất thế giới.

Bước ngoặt mở ra cửa sổ mới vào vũ trụ

- Nhiều người thường hình dung thiên văn học là "nhìn lên bầu trời". Nhưng bà lại nói đến chuyện "nghe" vũ trụ. Điều đó nghĩa là gì?

Thời kỳ xa xưa, chúng ta chủ yếu quan sát bầu trời bằng mắt thường. Và bằng mắt thường, người cổ đại đã có thể đưa ra những quy luật chuyển động nhìn thấy của thiên thể. Đó cũng là lý do vì sao ngành thiên văn học ra đời.

Bước ngoặt đến vào khoảng năm 1610, khi Galileo Galilei lần đầu tiên chế tạo kính thiên văn và nhìn thấy một số đặc điểm mà bình thường chúng ta không thấy được: Mặt trăng không phải đẹp nhẵn như ta tưởng; Mặt trời không phải là một quả cầu luôn sáng đều mà có những vết đen; Kim tinh không phải lúc nào cũng tròn mà có lúc khuyết giống như mặt trăng; hay Mộc tinh có bốn vệ tinh lớn.

Về bản chất, kính thiên văn thu nhận bức xạ điện từ từ các thiên thể, tức các photon ở nhiều bước sóng khác nhau. Ánh sáng này không chỉ giới hạn ở vùng nhìn thấy, mà còn trải dài trên toàn bộ phổ điện từ: phổ tần số vô tuyến, hồng ngoại, tia X, tia gamma,... Nhờ đó, chúng ta có thể hiểu sâu hơn về đặc điểm vật lý của thiên thể như khối lượng, khoảng cách, nhiệt độ, thành phần hóa học. Tuy nhiên, mọi thông tin thu được theo cách này đều dựa trên tín hiệu phát ra hoặc đi qua bề mặt của vật thể nên vẫn chỉ là thông tin mang tính bề mặt.

Lúc này, sóng hấp dẫn là thứ có thể giúp chúng ta biết được thông tin đến từ bên trong. Khác với ánh sáng, sóng hấp dẫn không dễ bị hấp thụ hay tán xạ bởi vật chất, nên chúng mang theo thông tin trực tiếp về chuyển động và cấu trúc động lực học của nguồn phát ra sóng hấp dẫn.

Nếu kính thiên văn giúp chúng ta "nhìn" vũ trụ, thì sóng hấp dẫn cho phép chúng ta "nghe" nó, tương tự bác sĩ dùng ống nghe để đo nhịp tim của người bệnh vậy.

- Einstein đã dự đoán sóng hấp dẫn từ năm 1916, nhưng tại sao chúng ta phải mất tới 100 năm mới có thể trực tiếp đo được chúng? Tại sao việc dò được sóng hấp dẫn lại là phát hiện bước ngoặt của vật lý hiện đại?

Về nguyên tắc, trong vũ trụ, sóng hấp dẫn luôn luôn tồn tại và luôn luôn phát ra ở mọi thời điểm và mọi hướng. Bất kỳ chuyển động nào của một vật có khối lượng, chẳng hạn như khi xoay hai bàn tay, đều tạo ra sóng hấp dẫn, tuy nhiên cường độ vô cùng bé cỡ 10^-42. Công thức để tính cường độ của sóng hấp dẫn thực ra cũng khá đơn giản, chỉ liên quan đến khối lượng, kích thước của vật, khoảng cách và tần số.

Thách thức lớn nhất chính là công nghệ. Chỉ một tiếng động hay ánh sáng cũng có thể gây nhiễu lớn hơn tín hiệu sóng hấp dẫn. Muốn đo được sóng hấp dẫn, chúng ta phải tạo ra được thiết bị đo đúng miền cường độ siêu siêu nhỏ của sóng hấp dẫn mà vật thể tạo ra. Người ta tính toán rằng, ngay cả với những sự kiện "khủng khiếp" nhất như hai sao neutron va vào nhau thì tín hiệu sóng hấp dẫn truyền đến Trái đất cũng cực kỳ yếu: biên độ biến dạng không-thời gian [strain] đo được chỉ cỡ 10⁻²².

Thế nên việc đo thành công sóng hấp dẫn là một bước ngoặt bởi sóng hấp dẫn không đơn thuần là một đối tượng nghiên cứu đơn lẻ mà thực chất là một "cửa sổ mới" để tìm hiểu những gì sâu thẳm nhất và dữ dội nhất của vũ trụ: từ các hệ hố đen, sao neutron, cho đến các vụ nổ sao siêu tân tinh hay những tín hiệu từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ.

Tầm ảnh hưởng của sóng hấp dẫn cũng không chỉ giới hạn trong vật lý thiên văn mà còn liên quan đến vật lý năng lượng cao hay vật lý hạt nhân. Đây cũng chính là lĩnh vực thúc đẩy sự bứt phá của công nghệ hiện đại và lĩnh vực dữ liệu lớn.

"Họ không quan tâm bạn đến từ đâu, chỉ cần bạn làm được việc"

- Cơ duyên nào đã đưa bà trở thành một trong những nhà khoa học Việt Nam hiếm hoi tham gia sâu vào mạng lưới các đài quan sát sóng hấp dẫn lớn nhất thế giới LVK?

Nếu nhìn lại ba thập niên trước, thiên văn học ở Việt Nam gần như là một lĩnh vực rất nhỏ và chưa phát triển. Đến khoảng những năm 1990, khi GS Trần Thanh Vân và GS Nguyễn Quang Riệu khởi xướng tổ chức các hội nghị khoa học quốc tế về thiên văn tại Việt Nam với sự tham gia của các nhà khoa học thế giới thì nước ta mới bắt đầu có hơi hướng tham gia vào cộng đồng thiên văn quốc tế.

Qua nhiều hội thảo và trao đổi học thuật, năm 2013, tôi lần đầu tiên được biết đến dự án KAGRA - một giao thoa kế sóng hấp dẫn đang được xây dựng dưới lòng đất tại Nhật Bản. Người đứng đầu dự án KAGRA khi đó là GS Takaaki Kajita - một nhà vật lý nổi tiếng trong lĩnh vực neutrino và sau này là đồng chủ nhân giải Nobel Vật lý năm 2015.

Thời điểm ấy, mọi người đều nghĩ sóng hấp dẫn là một cái gì đó rất xa vời, phải 30-40 năm nữa mới có thể phát hiện được. Nhưng tôi chỉ nghĩ đơn giản tại sao nhà khoa học đang ở đỉnh cao trong một hướng nghiên cứu này lại sẵn sàng chuyển sang một hướng khác là sóng hấp dẫn. Chắc hẳn phải có điều gì đó hay ho đáng để theo đuổi.

Thế là tôi mời GS Takaaki Kajita sang Việt Nam giới thiệu về dự án KAGRA tại Đại học Sư phạm Hà Nội - đơn vị tôi đang làm việc lúc đó. Sau đó, tôi sang Nhật và Mỹ, báo cáo trước Hội đồng khoa học về kế hoạch đóng góp chuyên môn cho dự án và được thông qua việc chính thức tham gia vào dự án từ năm 2016.

Nhờ cơ chế hoạt động phối hợp cùng nhau, chia sẻ dữ liệu và công bố kết quả chung của LVK, tôi đã có thể tham gia trực tiếp vào các nhóm xử lý dữ liệu, đóng góp vào những công bố chung của mạng lưới.

- Nhóm của bà đóng vai trò cụ thể như thế nào trong một bộ máy khổng lồ gồm hàng nghìn nhà khoa học như mạng lưới LVK?

Khi máy dò (detector) hoạt động, dữ liệu được thu nhận liên tục. Hệ thống laser, gương,... tất cả đều phải ổn định đến mức gần như tuyệt đối. Thế nhưng dù đạt độ chính xác cao đến đâu, thiết bị vẫn chịu ảnh hưởng của rung động và các nhiễu. Vì vậy, việc xử lý dữ liệu đóng vai trò vô cùng quan trọng. Trong phân tích dữ liệu sóng hấp dẫn, mọi thứ không diễn ra trong một bước duy nhất mà giống như bóc từng lớp của một tín hiệu rất mong manh. Lớp đầu tiên là phải kiểm tra: tín hiệu có thực sự là sóng hấp dẫn hay không?

Sau bước xác nhận tín hiệu ban đầu là một giai đoạn phức tạp hơn: ước lượng tham số [parameter estimation] để xác định miền tọa độ và tính chất vật lý của nguồn phát.

Nhóm nghiên cứu do tôi phụ trách ở Đại học Notre Dame lúc ở Mỹ và Đại học Phenikaa từ khi về Việt Nam tham gia vào các mảng công việc cốt lõi của LVK như phân tích dữ liệu sóng hấp dẫn với khối lượng tính toán khổng lồ trên siêu máy tính; phát triển, kiểm tra các mô hình lý thuyết mô tả tín hiệu từ các vụ hợp nhất hố đen; góp phần xây dựng những phương pháp thống kê để trích xuất thông tin vật lý (khối lượng, spin, diện tích chân trời sự kiện...) từ dữ liệu nhiễu phức tạp.

Tôi cùng nhóm nghiên cứu hiện cũng đang hoạt động trong ba nhóm chính của LVK là nhóm CBC [Compact Binary Coalescence] nghiên cứu các hệ sao đặc sáp nhập; nhóm SN [Supernova - siêu tân tinh] xử lý dữ liệu từ các sao siêu tân tinh co sụp; và nhóm Continuous Waves nhằm tìm kiếm dấu hiệu của vật chất tối thông qua hệ giao thoa sóng hấp dẫn.

Mới đây nhất, chúng tôi đã cùng các đồng nghiệp quốc tế công bố bài báo trên Physical Review Letters về việc kiểm chứng Định luật Diện tích của Stephen Hawking thông qua tín hiệu sóng hấp dẫn GW250114 thu được vào đầu năm 2025.

Có thể nói, trong một dự án hợp tác lớn, công việc được chia nhỏ như trong một nhà máy sản xuất ô tô. Có người chuyên viết code và phát triển pipeline - xây dựng và tối ưu các chương trình tìm kiếm tín hiệu. Có người tập trung vào phân tích dữ liệu và diễn giải kết quả. Mỗi nhóm làm việc chỉ là một phần trong toàn bộ hệ thống, nhưng không có công đoạn nào quan trọng hơn công đoạn nào bởi chỉ thiếu một mắt xích bất kỳ thì sẽ không thể thành công được.

- Việc được đào tạo hoàn toàn ở trong nước từ bậc cử nhân đến tiến sĩ có gây trở ngại gì cho bà khi bước ra môi trường quốc tế? Bà đánh giá thế nào về vị thế của nhà khoa học Việt Nam khi tham gia vào các "siêu dự án" quốc tế? Liệu chúng ta có thực sự được làm việc ngang hàng và bình đẳng với các nhóm nghiên cứu mạnh nhất thế giới không?

Thực ra ngay ở trong nước thì tôi cũng đã từng gặp định kiến là học ở tỉnh lẻ thì không bằng các trường lớn ở Hà Nội. Khi sang Mỹ, nhiều người cũng khuyên tôi nên học lại một bằng cấp khác để dễ được chấp nhận hơn.

Phải thừa nhận là việc học trong nước khiến tôi mất đi một lợi thế ban đầu hay còn gọi là "vận tốc V0" so với những người được đào tạo tại các quốc gia tiên tiến.

Tuy nhiên, tôi luôn tâm niệm lời khuyên của một giáo sư tại Đại học Washington rằng: bằng cấp chỉ là vận tốc ban đầu, còn việc có thể đi xa hay không phụ thuộc vào nỗ lực tự học và khả năng bắt kịp nhịp nghiên cứu suốt đời. Sau 10 năm, người ta chỉ quan tâm nghiên cứu của mình có sâu và vững không thôi.

Và đúng là như thế, trong các mạng lưới hợp tác quốc tế, họ không quan tâm bạn đến từ đâu hay học trường nào, họ chỉ quan tâm bạn có làm được việc hay không.

Sự hợp tác trong khoa học lúc này dựa trên sự cân bằng và bình đẳng. Nếu bạn đáp ứng được các yêu cầu chuyên môn khắt khe và đóng góp được những giá trị thực tế cho dự án, vị thế của bạn sẽ tự khắc được khẳng định ngang hàng với các đồng nghiệp quốc tế. Thậm chí, trong bối cảnh hiện nay khi nguồn nhân lực khoa học chất lượng cao đang thiếu hụt trên toàn cầu, các dự án lớn luôn sẵn sàng chào đón những nhóm nghiên cứu có năng lực đóng góp thực sự, bất kể quốc tịch.

Việt Nam có thể "đóng góp" chứ không chỉ "đi theo"

- Tại sao bà quyết định quay về Việt Nam làm việc sau thời gian dài công tác tại Mỹ?

Trong một lần về Việt Nam làm seminar theo lời mời của một đồng nghiệp đang làm việc tại Đại học Phenikaa, tôi được đơn vị đón tiếp rất nồng hậu và thực sự cảm kích. Tuy nhiên, khi ấy tôi vẫn nói rõ rằng mình chưa có ý định trở về Việt Nam, và đúng là thời điểm đó tôi cũng chưa nghĩ đến chuyện ấy.

Dù vậy, một đồng nghiệp nói với tôi một câu mà tôi nhớ mãi: "bất cứ khi nào chị muốn về, nơi này luôn mở cửa và chào đón chị".

Đến năm 2024, tôi bắt đầu suy nghĩ nghiêm túc hơn về việc trở về. Cuối cùng tôi quyết định về nước khá nhanh, thực sự chỉ trong vòng một tuần.

Ở Việt Nam, tôi có thể nhìn thấy sự chuyển động rất rõ theo từng tuần, từng tháng vì đây là một môi trường đang phát triển và đang thay đổi theo chiều hướng tích cực, và tôi muốn được là một phần trong quá trình đó.

- Việc quay về Việt Nam có khiến bà gặp khó khăn gì trong nghiên cứu so với khi ở Mỹ không?

May mắn là hướng nghiên cứu của tôi chủ yếu là lý thuyết và xử lý dữ liệu. Phần phân tích dữ liệu được thực hiện trên hệ thống máy tính chung [cluster] của hợp tác quốc tế mà tôi tham gia, nên về mặt kỹ thuật, tôi làm việc ở đâu cũng gần như không ảnh hưởng đến định hướng hay tiến độ nghiên cứu.

Thậm chí việc về Việt Nam còn có nhiều thuận lợi hơn vì ở đây tôi có nhiều học trò để cùng tham gia nghiên cứu. Ngoài ra, chi phí cho các hoạt động khoa học ở Mỹ cũng thường cao hơn rất nhiều so với Việt Nam.

- Các dự án thiên văn quốc tế vốn rất đắt đỏ và dường như chỉ dành cho các nước giàu. Vậy Việt Nam có thể tham gia được vào những khâu nào?

Khi xây dựng một dự án thí nghiệm lớn, bao giờ cũng có ba phần chính: phần định hình lý thuyết, tức là mình muốn kiểm chứng điều gì; phần thiết bị [instrumental side]; và phần phân tích dữ liệu, phát triển phần mềm [data analysis, software side].

Về nguyên tắc, Việt Nam có thể đóng góp ở cả ba mảng đó. Cách đây khoảng 10 năm, kinh phí cho những hạng mục như vậy có thể được xem là gần như "không tưởng" trong bối cảnh Việt Nam. Nhưng hiện nay, tôi không nghĩ điều đó còn quá xa vời như trước nữa.

Lấy ví dụ về thiết bị: hệ KAGRA được đặt tại Nhật Bản, nhưng nhiều module cấu thành nên hệ đó lại được các nhóm ở Đài Loan hoặc Hàn Quốc phát triển trong phòng thí nghiệm của họ. Tôi cho rằng nếu có một nhóm thực nghiệm đủ mạnh về chuyên môn và có tiềm lực tài chính phù hợp, Việt Nam hoàn toàn có thể làm theo cách đó: phát triển công nghệ trong phòng thí nghiệm của mình, hoàn thiện thành một module đạt chuẩn quốc tế và đóng góp vào hệ thống chung.

Tôi thường gọi đây là đầu tư khoa học mang tính mạo hiểm. Nếu thành công, kết quả có thể rất lớn và tạo dấu ấn mạnh mẽ. Nhưng cũng có khả năng không thành công, và khi đó cần chấp nhận rủi ro. Vì vậy, những người làm quản lý và hoạch định chính sách phải hiểu rằng đầu tư cho khoa học luôn đi kèm yếu tố mạo hiểm, và chính yếu tố đó mới tạo ra những bước đột phá thực sự.

Ngoài phần thiết bị, Việt Nam cũng có thể tham gia phát triển hạ tầng tính toán, như xây dựng cluster, hoặc tham gia phát triển các pipeline phân tích dữ liệu. Với những lĩnh vực như xử lý dữ liệu hay phần mềm, cơ hội tham gia thậm chí còn rộng mở hơn.

Cách nhìn khác về hợp tác quốc tế

- Nhóm của bà là đại diện duy nhất ở Việt Nam tham gia vào dự án LVK. Có điều gì có thể khiến các nhà nghiên cứu ngần ngại tham gia vào các dự án hợp tác quốc tế lớn không?

Thực ra trong gần 10 năm tôi làm việc ở Mỹ, tôi quan sát thấy cơ chế vận hành của các nhóm tham gia những dự án lớn khá rõ ràng. Chẳng hạn, các nhóm làm việc trong hệ LIGO thường đăng ký đề tài với Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ NSF. Nội dung đề tài của họ chính là phần đóng góp vào hợp tác: có thể là nhân lực, xử lý dữ liệu, phát triển thiết bị, cải tiến công nghệ hay xây dựng pipeline để phát hiện tín hiệu.

Sản phẩm của hợp tác cũng chính là sản phẩm của đề tài mà họ đăng ký. Họ có thể sử dụng các công bố chung của dự án hợp tác để nghiệm thu, bởi trong đó có phần đóng góp cụ thể của họ. Ở một số nhóm khác, ví dụ như các nhóm tham gia những hợp tác vật lý hạt lớn tại CERN, các nhà nghiên cứu cũng không có "bài riêng" theo nghĩa truyền thống, mà chủ yếu là các bài chung của dự án hợp tác. Nói cách khác, kết quả chung của hợp tác được thừa nhận là kết quả của nhóm, miễn là nhóm đó thực sự đóng góp.

Tuy nhiên ở Việt Nam, cách nhìn nhận đôi khi hơi khác. Mọi người nhiều khi vẫn không đánh giá rằng những đóng góp cho dự án hợp tác như vậy là đóng góp lớn.

- Việc tham gia vào các dự án quốc tế có lợi như thế nào cho nhà khoa học Việt Nam?

Trước hết là mạng lưới chuyên môn. Các nhóm trong mạng lưới đến từ nhiều quốc gia và phần lớn là những nhóm rất mạnh, thuộc các trường và viện nghiên cứu hàng đầu. Chúng tôi làm việc theo các nhóm, gần như họp hằng tuần, có tuần 5-10 cuộc họp là chuyện bình thường. Chính quá trình làm việc liên tục đó tạo ra network thực chất. Không phải chỉ gặp nhau ở hội nghị rồi trao đổi danh thiếp, mà là cùng nhau giải quyết vấn đề mỗi tuần. Với tôi, đó mới là cách xây dựng mạng lưới bền vững.

Thứ hai là cơ hội học hỏi. Trong các cuộc họp, chúng tôi luôn thảo luận: tuần này cần làm gì, cải tiến công nghệ ra sao, tối ưu phương pháp như thế nào. Tóm lại luôn luôn có câu hỏi là "phải làm như thế nào để tốt hơn?". Chính điều đó thúc đẩy mình phải luôn luôn nảy ra ý tưởng mới để làm việc hiệu quả hơn.

Trong mạng lưới cũng có cơ chế đào tạo nội bộ như các buổi "tutorial". Người có kinh nghiệm hướng dẫn người mới, người đi trước kèm người đi sau. Nhờ vậy, tôi và các thành viên trong nhóm có cơ hội phát triển kỹ năng, trưởng thành nhanh hơn cả về chuyên môn lẫn phương pháp làm việc.

Ngoài lợi ích cá nhân và nhóm, việc tham gia còn có ý nghĩa với vị thế khoa học của Việt Nam. Trong khoa học, hợp tác không phải là hỗ trợ một chiều mà là sự tham gia bình đẳng. Nếu không đủ năng lực thì chắc chắn mình sẽ không được người ta chấp nhận tham gia. Vì thế, việc được tham gia và duy trì đóng góp chính là một cách khẳng định chất lượng chuyên môn của mình.

- Đâu là điều kiện then chốt để cho một nhóm nghiên cứu ở Việt Nam có thể tham gia vào các dự án vật lý lớn trên thế giới?

Tôi nghĩ điều kiện then chốt trước hết vẫn là con người, cụ thể là trình độ chuyên môn của nhóm nghiên cứu. Một nhóm muốn tham gia hợp tác quốc tế thì phải có nhân lực đúng chuyên môn và đủ năng lực để đóng góp thực chất cho cộng đồng đó. Hợp tác quốc tế không phải là "tham gia cho có tên" mà họ mong đợi những đóng góp có ý nghĩa. Nếu mình không đóng góp được về mặt khoa học, chắc chắn họ cũng không có lý do để duy trì sự tham gia của mình.

Ngoài con người, thách thức thứ hai là kinh phí, đặc biệt đối với các nước đang phát triển. Khi tham gia một hợp tác, nếu mình không chỉ đóng góp chuyên môn mà còn đóng góp tài chính để nâng cấp dữ liệu, hạ tầng tính toán,... thì chất lượng hợp tác chung của dự án cũng sẽ được nâng lên.

Ở Việt Nam, khi xây dựng một phòng thí nghiệm hay một cơ sở nghiên cứu, người ta thường muốn nhìn thấy nó hiện diện cụ thể tại trường hay viện của mình. Nhưng những dự án quốc tế lớn thì không như vậy, chẳng hạn các giao thoa kế sóng hấp dẫn được đặt ở những vị trí đặc biệt hầu như không có dân cư trong bán kính hàng chục kilomet để giảm nhiễu môi trường.

Nếu đặt điều kiện rằng đã đóng góp thì cơ sở vật chất phải "nằm ở chỗ mình", thì điều đó là không khả thi trong những hợp tác quy mô toàn cầu. Bởi vậy, điều quan trọng là phải làm sao để mọi người hiểu được giá trị đóng góp ở các dự án quốc tế như thế này nó sẽ không theo cách mà chúng ta thường nghĩ.