Thiết bị chứng minh phỏng đoán của Einstein về sóng hấp dẫn

Einstein từng phỏng đoán khả năng các sự kiện vũ trụ xa xôi có thể tạo ra các gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian - sóng hấp dẫn - và chúng sẽ thay đổi hình dạng của Trái đất khi đi ngang qua chúng ta.

Tuy chúng ta đã bắt đầu tiếp cận các giới hạn không thể vượt qua ở quy mô nguyên tử, vẫn còn nhiều cơ hội ở thái cực còn lại, nơi việc chế tạo các dụng cụ và thiết bị chính xác vẫn còn đem lại nhiều lợi ích, chẳng hạn như để khám phá những vùng không gian xa xôi bằng kính viễn vọng như Kính viễn vọng Không gian James Webb, hoặc để trả lời các câu hỏi lớn về vũ trụ lâu nay vẫn ám ảnh nhân loại.

Đó là lý do các giới hạn chính xác nhất của công nghệ chính xác đang được thử nghiệm chế tạo các dụng cụ khổng lồ trong các khu LIGO ở bang Washington và Louisiana, cũng như ở vùng đồng bằng phía tây Ấn Độ.

LIGO nằm ở thái cực bên kia về quy mô so với vi mạch tích hợp, với kích thước hàng ki-lô-mét thay vì hàng na-no-mét, nhưng cũng đòi hỏi sự chính xác không kém cạnh. Điều này được minh họa rõ rệt tại tiền đồn cô quạnh của LIGO, nơi các nhà khoa học đang nghiền ngẫm những câu hỏi thâm căn cố đế nhất về vũ trụ của chúng ta.

Hơn một thế kỷ trước, Einstein đã phỏng đoán khả năng các sự kiện vũ trụ xa xôi có thể tạo ra các gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian - ông gọi chúng là sóng hấp dẫn - và chúng sẽ thay đổi hình dạng của Trái đất khi đi ngang qua chúng ta. Các trung tâm LIGO được xây dựng để đo lường thay đổi siêu vi trong hình dạng thế giới, để tìm bằng chứng cho sự tồn tại của các sóng hấp dẫn.

Muốn kiểm chứng một thay đổi nhỏ như vậy trong hình dạng của hành tinh, các nhà khoa học cần một giao thoa kế khổng lồ và siêu nhạy. Đó là lý do năm 1991, LIGO, viết tắt của Laze Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Đài quan trắc Sóng Hấp dẫn bằng Giao thoa kế Laze), ra đời (hay chính xác hơn là được phê duyệt ngân sách).

Trong LIGO là các bộ phận có thể được coi là các tạo tác chính xác nhất trong lịch sử nhân loại. Điều đó cho thấy không chỉ các quan sát ở quy mô cận nguyên tử mà các quan sát ở quy mô thiên hà và lớn hơn cũng đòi hỏi sự chính xác ở mức độ cực đoan nhất.

Một giao thoa kế điển hình sử dụng một nguồn sáng đơn sắc ở cường độ cao và bước sóng xác định. Tia sáng được chiếu qua một thấu kính tới một gương bán mạ và bị tách làm hai tia. Hai tia ánh sáng đỏ đơn sắc này sau đó đi theo hai hướng vuông góc tới hai gương và bị phản xạ từ hai gương này về gương bán mạ, nhập vào nhau, chồng chập lên nhau, cuối cùng đi tới một máy dò.

Nếu hai tia sáng đi cùng một quãng đường, chúng sẽ cộng hưởng và tia sáng kết hợp sẽ có cường độ như tia sáng đi ra từ nguồn. Mặt khác, nếu hai tia sáng có quãng đường khác nhau, chúng sẽ giao thoa và triệt tiêu nhau, và các vân giao thoa sẽ cho người quan sát biết mức độ khác biệt trong quãng đường.

Ảnh chụp từ trên không của cơ sở LIGO Hanford ở Washington. Ảnh: LIGO Caltech.

LIGO về cơ bản là một thí nghiệm sử dụng một cặp (trong tương lai gần có lẽ là một tổ hợp ba) giao thoa kế khổng lồ hoạt động theo nguyên tắc đơn giản nêu trên. Nếu bay ở độ cao 8 km qua hoang mạc Washington hoặc những rừng rậm ở trung nam Lousiana và nhìn xuống, những người từng sử dụng giao thoa kế sẽ dễ dàng nhận diện bản chất giao thoa kế của LIGO: hai cánh tay dài tạo thành một góc 90 độ, tòa nhà nơi hai cánh tay gặp nhau là nơi đặt gương bán mạ, và các cấu trúc khác chứa nguồn laze, máy dò, và các thiết bị phân tích, đặt ở một miền thiên nhiên hoang vu không chịu tác động của con người, dù trên hoang mạc bụi bặm phía bắc hay giữa những tán sồi và mộc lan phía nam. Những đường thẳng băng của LIGO trông giống như những hình vẽ khổng lồ của cao nguyên Nasca và đối chọi với quang cảnh thiên nhiên xung quanh.

Mục tiêu của thí nghiệm LIGO là kiểm tra xem hai cánh tay nêu trên có thay đổi độ dài tương đối so với nhau không - nếu có, dù ở mức độ nhỏ nhất có thể tưởng tượng, có khả năng nguyên nhân chính là sóng hấp dẫn truyền qua Trái đất. [...]

Và điều đó đã xảy ra vào thứ năm ngày 14 tháng 9 năm 2015, khi các nhà khoa học lần đầu tiên quan sát được hiện tượng mà Eistein đã dự đoán từ hơn một thế kỷ trước. Các máy tính trong buồng điều khiển Livingston phát hiện một bất thường, một thay đổi rất nhỏ trong tín hiệu, vào 05:51 sáng hôm ấy, nửa tiếng trước khi mặt trời ló rạng ở Lousiana, và khi những con cá sấu đầm lầy vẫn còn say giấc. [...]

Phát hiện này cũng đến với những ngóc ngách khác của thế giới khoa học. Một mức tăng đột ngột trong tín hiệu được quan sát ở Livingston và lặp lại ở các máy dò của Hanford. Không phải máy dò nào cũng được bật lên: các đài quan sát này đang được chạy kỹ thuật, trong đó các bộ phận sẽ được kiểm tra tỉ mỉ trong nhiều tháng liền về độ trung thực và chính xác. Bình thường - dù trong thế giới của sóng hấp dẫn, không có mấy thứ có thể coi là “bình thường” - các nhà khoa học chỉ theo dõi các đợt chạy quan trắc.

Thế nhưng, tất cả các đợt chạy quan trắc trong vòng 13 năm trở lại đây đều không mang lại kết quả - LIGO đầu tiên được xây dựng vào cuối những năm 1990 và bắt đầu quan sát sóng hấp dẫn từ năm 2002 - và với hàng trăm triệu đô-la tiền thuế của người dân đổ vào dự án mà chẳng có gì để khoe, dễ hiểu khi những người điều hành LIGO đang hết sức mong ngóng một kết quả.

Thế nên, sau khi nhận được thông báo đầu tiên từ người quan sát ở Pasadena vào nửa đêm giờ địa phương với tiêu đề “Một sự kiện rất đáng chú ý trong đợt chạy kĩ thuật 8,” cộng đồng LIGO nhao nhao dấy lên nghi vấn.

Không thể nào, họ nói. Thiết bị đang được kiểm tra, đương nhiên sẽ có lúc máy móc cho dữ liệu không đúng. Vả lại, một phần trong quy trình hoạt động của LIGO là việc cố ý “tiêm” dữ liệu sai vào hệ thống để giữ cho các nhà vật lý thiên văn luôn cảnh giác cao độ và không hấp tấp tin vào mọi thứ nhận được từ máy móc.

Nhiều ngày, nhiều tuần, rồi nhiều tháng trôi qua, các nhà quan sát trên trên toàn cầu nhận được câu hỏi: Anh/chị có tiêm dữ liệu sai vào hệ thống không? Tất cả đều trả lời không. Và khi dữ liệu từ hai đài quan trắc cũng như từ các trạm nhỏ hơn được mổ xẻ, soi xét dưới con mắt của các chuyên gia phân tích và các nhà khoa học ngày một lão luyện, sự ngờ vực dần tan biến. Kết quả được đăng trên tạp chí Physical Review Letters, sau đó công bố trong một buổi họp báo chật kín phóng viên ở Washington, DC vào ngày 11 tháng 2 năm 2016, một công bố làm rung chuyển giới khoa học và thu hút sự chú ý của cả công chúng không chuyên.

Sau màn giới thiệu nhã nhặn của giám đốc Quỹ Khoa học Quốc gia (là đơn vị chấp nhận một loạt rủi ro tài chính lớn khi cam kết 1,1 tỷ đôla tài trợ trong 40 năm kể từ khi dự án được khởi động), đến phiên giám đốc LIGO thời điểm ấy, David Reitze từ Caltech, đứng bên cạnh là người đồng nghiệp, nhà vật lý thiên văn Kip Thorne, đưa ra tuyên bố chính thức: bằng các phương tiện đo lường chính xác nhất từng được chế tạo, sóng hấp dẫn đã được phát hiện, hay đúng hơn là sự tồn tại của chúng đã được suy ra từ các tính toán.

“Chúng ta đã thành công”, ông nói, và cả khán phòng vỡ òa trong tràng pháo tay. Một kỷ nguyên mới của thiên văn học đã được mở ra, một phương thức mới để khám phá những bí ẩn kỳ diệu của vũ trụ. Hơn nữa, đây cũng là một kỷ nguyên của hòa bình. Ai đó ví thời điểm ấy như khi Galileo lần đầu tiên nhìn qua kính viễn vọng 400 năm trước. Người ta khóc vì tự hào và vui sướng.

Simon Winchester/ NXB Công Thương và Alphabooks