Thêm một giải Nobel trong ngành Vật lý thiên văn

Cấu tạo của Giao thoa kế Laser - LIGO

Công cuộc tìm kiếm sóng hấp dẫn đã bắt đầu cách đây nửa thế kỷ. Người ta không hề hoài nghi sự tồn tại của chúng, nhưng việc dò tìm ra chúng là cả một thách thức đã thôi thúc các nhà vật lý đầu tư rất nhiều tâm huyết.

Cách thức vận chuyển lực hấp dẫn trong không gian luôn là một câu hỏi lớn trong tâm trí những nhà vật lý nhiều thế hệ; ba thế kỷ trước đây khi Newton được đề nghị phát biểu về chủ đề này, ông đã lảng tránh nó khi nói rằng không thể dựng lên những giả thuyết không có căn cứ (hypotheses non fingo). Cuối thế kỷ XIX, sau khi Hertz phát hiện ra sóng điện từ (1887), một số nhà vật lý đã suy đoán về sự tồn tại của sóng hấp dẫn, như Heaviside (1893), Lorentz (1900) và Poincaré (1905). Nhưng chính xác mới chỉ một thế kỷ trước, Einstein đã đưa ra khái niệm về sóng hấp dẫn trong khuôn khổ thuyết tương đối rộng; tuy nhiên, suốt nửa đầu thế kỷ 20 đã tồn tại những mối nghi ngờ về “tính thực tế” của sóng hấp dẫn: liệu chúng mang theo năng lượng hay đơn giản chỉ là những “giả lập” toán học. Chỉ tới năm 1957, vấn đề mới được hoàn toàn giải quyết, đặc biệt nhờ công của Feynman; sau đó những tiến bộ trong hiểu biết của chúng ta về vật lý hiện đại đã giải phóng những nghi hoặc ban đầu.

Khi không ai nghi ngờ sự tồn tại của sóng hấp dẫn nữa, vấn đề được quan tâm tiếp theo là tìm cách phát hiện ra chúng. Joseph Weber là người đầu tiên dành nhiều tâm huyết theo đuổi mục tiêu này. Là một sĩ quan hải quân trong Thế chiến II, một kỹ sư điện tử xuất sắc, ông cũng đồng thời là một nhạc công và có những đóng góp thiết yếu cho sự phát triển của laser. Các máy dò đầu tiên của ông gồm những xilanh bằng nhôm dài 2m, đường kính 1m, dò được những dao động mà ông nghĩ đó là sóng hấp dẫn với tần suất một lần mỗi ngày; điều này nếu đúng thì vũ trụ sẽ chuyển hóa toàn bộ năng lượng của nó sang dạng hạt graviton trong khoảng 50 triệu năm, như Dick Garwin nhận xét. Weber mất năm 2000 trong lúc những tuyên bố của ông về việc tìm ra sóng hấp dẫn được chứng minh là sai bởi một loạt những thí nghiệm khác, di sản của ông là khởi nguồn cho một hướng nghiên cứu mà nhiều người sau đó đã thất bại trong vô vọng. Tôi vẫn nhớ đã tham dự các Ủy ban cố vấn khoa học trong thập niên 1980, khi hai dự án (cho các trạm thăm dò hiện tại) LIGO và VIRGO đề nghị xin tài trợ: giới vật lý hạt và vật lý thiên văn đều tuyên bố đó không phải việc của họ, và cùng tìm cách chuyển gánh nặng về phía nhau.

Sau những máy dò đầu tiên của Weber, các ăng-ten liên tục được cải tiến, ngày càng tinh xảo và nhạy hơn, được xây dựng và vận hành khắp nơi trên thế giới. Còn nhớ năm 1972, khi còn là điều phối viên PS, tôi đã tham gia trong một hoạt động như vậy. Điều phối viên PS (PS là viết tắt của synchrotron proton - thiết bị gia tốc đồng bộ hạt nhân, nhiệm vụ được giao cho các nhà vật lý thực nghiệm trong một năm) hoạt động như cầu nối giữa người phụ trách hoạt động của máy gia tốc với những người sử dụng.

Khi ấy, Edoardo Amaldi và những đồng nghiệp người Ý đã mang một ăng-ten đến CERN nơi helium lỏng có sẵn để sử dụng chất làm lạnh sâu (cryogeny); và vì họ không có sẵn người ở CERN để theo dõi, nhiệm vụ của tôi khi đó đơn giản chỉ là đảm bảo rằng helium Dewar sẽ không hết. Nhớ lại thời kỳ ấy, có thể chúng ta sẽ ngạc nhiên bởi sự trung thực vô tư của những người đi tiên phong, khi đó độ nhạy của những ăng-ten đầu tiên kém xa so với yêu cầu cần thiết mà phải 50 năm sau mới có thể đạt được. Việc đánh giá về thành tựu của tiến bộ kỹ thuật này sẽ vượt ra ngoài khuôn khổ của bài viết1, ở đây chúng ta chỉ cần lưu ý rằng việc phát hiện những chuyển động ở cấp độ hạt nhân, chứ không phải ở quy mô nguyên tử: sự kiện LIGO phát hiện các chuyển động nhỏ hơn 1% đường kính proton.      

Việc phát hiện ra sóng hấp dẫn không tới một cách đột ngột, nó là phần thưởng sau những nỗ lực sáng tạo và bền bỉ trong suốt 50 năm, và là một thành công lớn của vật lý thực nghiệm hiện đại. Đây là một chương trong vật lý đương đại mà cộng đồng khoa học có thể tự hào, trong đó chứa đựng nhiều ví dụ về các thành tựu xuất sắc. Quy định không trao giải cho quá ba người đủ điều kiện hàng năm khiến việc lựa chọn luôn luôn rất khó khăn, thậm chí bất khả thi trong một vài trường hợp, chẳng hạn như việc tìm ra hạt quark top và Higgs boson. Với sóng hấp dẫn, đã có hơn 1200 nhà khoa học trên khắp thế giới tham gia dự án Hợp tác khoa học LIGO.

Dẫu vậy, lựa chọn trao giải năm nay vinh danh những con người đầy tài năng mà chúng ta có thể tự hào, là tấm gương cho thế hệ trẻ, và đó cũng chính là lợi ích của giải thưởng Nobel. Chúng tôi chắc chắn sẽ rất tự hào treo ảnh những người đoạt giải năm nay trên tường ở phòng làm việc tại Bộ môn Vật lý Thiên văn - Trung tâm Vũ trụ Việt Nam (VAST), bên cạnh 19 người nhận giải trước đó. Rainer Weiss đã tham gia nghiên cứu về sóng hấp dẫn ngay từ những ngày đầu, và là người thúc đẩy sự phổ biến của kỹ thuật giao thoa kế, đã được chứng tỏ rất thành công. Ông cũng đóng góp vào những nghiên cứu đầu tiên với COBE. Kip Thorne - một nhà lý thuyết, bậc thầy trong lĩnh vực này; là một sinh viên của John Archibald Wheeler, ông đã bắt đầu quan tâm tới thuyết tương đối rộng từ rất sớm và giữ liên hệ gần gũi với các nhà thực nghiệm, đóng vai trò then chốt trong việc làm sáng tỏ những vấn đề phức tạp của lý thuyết và tham vấn trong việc thiết kế và tận dụng máy dò LIGO. Barry Barish dành phần lớn sự nghiệp của mình cho vật lý hạt, đã có nhiều đóng góp cho các thí nghiệm hạt neutrino để tìm kiếm các dòng trung tính và trải qua những thí nghiệm tìm kiếm các hạt và những khả năng bên ngoài; ông đã gia nhập dự án LIGO ngay từ những ngày đầu, giữa những năm 1990, nơi mà ông phát huy tối đa các kinh nghiệm của mình trong vai trò một nhà lãnh đạo xuất sắc. 

Hiện nay, lĩnh vực này đang phát triển và đạt nhiều tiến bộ, với các ăng-ten ngày càng nhạy cùng sự ra đời của nhiều máy thăm dò mới, không chỉ VIGRO và LIGO còn có KAGRA (Nhật Bản), và vài năm nữa sẽ là LISA trong không gian. Một ví dụ ngoạn mục mà chúng ta vừa chứng kiến cách đây ít ngày là khi chúng ta biết được rằng sự sát nhập của hai sao neutron quan sát được bởi LIGO và Virgo nhưng đồng thời cũng được phát hiện trong không gian bởi kính thiên văn HUBBLE, Phòng thí nghiệm vũ trụ quốc tế tia Gamma INTEGRAL và nhiều thiết bị khác2. Không còn nghi ngờ gì nữa, những bước tiến này đang mở ra một cánh cửa mới về vật lý thiên văn, giúp chúng ta hiểu biết rõ hơn về các hố đen và sao Neutron trong vũ trụ. Còn chưa rõ liệu chúng có thể chạm tới Big Bang từ những ngày đầu, và cũng không rõ còn bao nhiêu điều cần phải làm sáng tỏ trong hiểu biết của chúng ta về sự hấp dẫn. Hiện nay, minh chứng rõ nhất cho tính đúng đắn của Thuyết tương đối là phát hiện của Hulse và Taylor về sự suy tàn của một quỹ đạo nhị phân của sao ẩn pulsar do sự phát xạ sóng hấp dẫn nhưng độ chính xác của việc xác minh lý thuyết này còn khá thấp so với những gì chúng ta đã làm được với thuyết tương đối đặc biệt và vật lý nguyên tử.

Thật vậy, chúng ta biết rằng cặp đôi Thuyết lượng tử - Thuyết tương đối tổng hợp không còn đứng vững khi chúng ta tiếp cận dựa trên thang đo Planck, đây có thể coi là một trong những vấn đề cần giải mã của vật lý đương đại. Trong nửa thế kỷ, cách tiếp cận của chúng ta về vấn đề này là Lý thuyết siêu dây (Superstring Theory), bao gồm bổ sung thêm những chiều không gian cong. Mặc dù đã có những bước tiến ngoạn mục, dẫn tới khái niệm thuyết M (M-theory), tuy nhiên vẫn chưa làm thỏa mãn nhiều người. Cụ thể, chúng ta vẫn chưa hiểu rõ sự không thống nhất giữa hấp dẫn và vật lý lượng tử, điều này, gần đây đã khiến một số nhà lý thuyết thử xem xét lại vấn đề dưới cách tiếp cận mới, như bằng cách tìm hiểu hành vi của một lỗ đen ở quy mô lượng tử và phát triển những ý tưởng mới mẻ như “emergent gravity”.Tuy nhiên, câu chuyện này nằm ngoài khuôn khổ bài viết, có thể sẽ được bàn kỹ hơn ở một bài khác trong tương lai.
* * *
Câu hỏi đặt ra cho Việt Nam là khi nào chúng ta mới thức tỉnh trước thực tiễn của vật lý hiện đại? Có đáng buồn không khi chứng kiến vật lý thiên văn, có lẽ là lĩnh vực sôi động nhất trong vật lý hiện đại, phần lớn bị bỏ quên ở các trường đại học Việt Nam? Gần đây, một nhà thiên văn học trẻ Việt Nam đề nghị đưa lĩnh vực này vào ít nhất một chương trình đào tạo tiến sỹ ở Việt Nam nhưng đề xuất ấy đã bị bác bỏ. Ngày nay, những sinh viên cao học hay tiến sĩ của chúng tôi, đã phải làm việc núp bóng dưới những chuyên ngành như “vật lý nguyên tử” hay “vật lý hạt nhân”, như thể “vật lý thiên văn” là một từ bị cấm kỵ không được phép phát âm. Lập luận người ta đưa ra để phản bác đề xuất nói trên là không có đủ nhà thiên văn học ở đất nước này. Năm 1944, khi Võ Nguyên Giáp được bổ nhiệm là người đứng đầu Quân đội Giải phóng Việt Nam, ông không hề có kinh nghiệm quân sự và quân đội trước đó cũng không tồn tại. Chúng ta sống ở một xứ sở mà sự can đảm, lòng quyết tâm và sự táo bạo đã viết nên những trang sử vinh quang nhất của cả dân tộc. Vậy tại sao hôm nay, sự bảo thủ và những quan điểm chống lại đổi mới có thể chiếm ưu thế? Tại sao chúng ta vẫn hành xử theo cách như thể muốn ngăn cản tiến bộ?