Nobel Vật lý năm 2020: Sự tôn vinh dành cho lỗ đen

Đài thiên văn ALMA. Ảnh: ESO/C. Malin.

Thật vậy, nhiều nước đang phát triển gặp khó khăn trong việc tiếp cận với khoa học hiện đại. Chúng ta cũng có nhiều quan niệm sai lầm như vậy của những nước này. Một trong số đó là sự phân biệt một cách khiên cưỡng giữa lý thuyết và thực nghiệm. Quan niệm này làm ảnh hưởng đến sự tiến bộ của khoa học, vốn được tạo nên từ cuộc đối thoại liên tục giữa hai lĩnh vực này. Bạn không thể là một nhà lý thuyết giỏi nếu bạn không hiểu cái được quan sát và cách nó được quan sát. Bạn không thể là một nhà thực nghiệm tốt nếu thiếu lý thuyết định hướng cho nhiệm vụ của mình. Trong một lá thư gửi Bates, người vừa trở về từ những chuyến thám hiểm Amazon, Darwin 51 tuổi đã viết “một nhà quan sát giỏi thực sự cũng đồng thời là một nhà lý thuyết giỏi”. Thực vậy, Darwin giỏi cả lý thuyết lẫn thực nghiệm.

Quan niệm sai lầm này đi đôi với quan niệm sai lầm rằng các nước đang phát triển không thể tham gia vào cái gọi là “khoa học lớn”. Đây là một quan điểm ​​hoàn toàn sai lầm, điều đáng tiếc là nó lại rất phổ biến trong cách nghĩ của nhiều nhà quản lý khoa học ở các nước đang phát triển. Nhóm của chúng tôi là một minh chứng chống lại sự ngụy biện này: nghiên cứu của chúng tôi về vật lý thiên văn ở tầm quốc tế và không tốn một đồng nào từ Việt Nam dành cho thiết bị. Lý do là chúng tôi sử dụng các dữ liệu lưu trữ của hệ đo giao thoa vô tuyến tiên tiến nhất trên thế giới, ALMA. Dữ liệu được mở cho cộng động khoa học chỉ một năm sau khi được thu nhận. Ngoài ra, chúng tôi hợp tác với các nhà vật lý thiên văn từ các nước phát triển, những người có quyền sử dụng những thiết bị nghiên cứu khác, chẳng hạn như JCMT ở Hawaii hoặc NOEMA ở Pháp2, và qua đó chúng tôi được sử dụng thiết bị một cách miễn phí. Quan niệm sai lầm này đã ăn sâu vào tâm trí của một số nhà quản lý khoa học kém năng lực, đến nỗi khiến họ đôi khi lãng phí tiền bạc để mua những thiết bị khoa học vô dụng và tốn kém, những thứ mà họ cho là cần thiết để phát triển nhưng không ai sử dụng. Con người cần công cụ, chứ không phải công cụ cần con người. Chúng ta cần đầu tư vào tri thức trước khi đầu tư vào công cụ.

Sở dĩ chúng tôi có thể được tiếp cận với những thiết bị khoa học hiện đại nhất trên thế giới là do có rất nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới rất hào phóng và có tầm nhìn xa về khoa học. Họ hiểu rằng việc giúp các nước đang phát triển tham gia vào nỗ lực toàn cầu trong nghiên cứu cơ bản chính là giúp khoa học phát triển. Đó là suy nghĩ của các nhà thiên văn học người Mỹ, châu Âu và châu Á, những người vận hành Đài thiên văn ALMA. Đó là suy nghĩ của Paul Ho, giám đốc Đài thiên văn Đông Á, người cho chúng tôi quyền truy cập miễn phí tới kính thiên văn JCMT. Đó là suy nghĩ của cố giáo sư Jim Cronin, giải thưởng Nobel, người đã cho chúng tôi quyền truy cập miễn phí với Đài thiên văn Pierre Auger trong những ngày đầu thành lập nhóm nhỏ của chúng tôi. Đó là suy nghĩ của Antonino Zichichi và Odon Vallet, những người đang điều hành Phòng thí nghiệm Thế giới và Quỹ Odon Vallet, giúp đỡ các nhà khoa học trẻ ở các nước đang phát triển với những suất học bổng. Và đó là suy nghĩ của nhiều đồng nghiệp nước ngoài của chúng tôi. Chúng ta có thể tận dụng nhiều cơ hội hiện có nhờ vào sự hào phóng của nhiều nhà khoa học nước ngoài đối với các nước đang phát triển. Lựa chọn cộng sự nước ngoài là tùy thuộc vào chúng ta, làm sao để có thể được chấp nhận mà không phải trả phí: chúng ta không nên trả các khoản phí lớn để có quyền truy cập các thiết bị quốc tế lớn. Trong bối cảnh này, chúng ta nên xem xét lại sự hỗ trợ dành cho những nhóm sử dụng cơ sở vật chất như của Dubna ở Nga, Belle II và T2K tại KEK ở Nhật Bản và đảm bảo rằng nó tương xứng với sự đóng góp của các nhóm nghiên cứu tham gia với khoa học Việt Nam.

Tôi nhớ, từ kinh nghiệm của mình, trong những năm phụ trách công tác nghiên cứu tại CERN. Chúng tôi luôn sẵn sàng cấp quyền làm việc với máy gia tốc và truy cập dữ liệu cho các nhóm nghiên cứu trẻ từ các nước đang phát triển miễn là họ chứng tỏ được năng lực và có động lực. Ngược lại, chúng tôi sẽ không ủng hộ một yêu cầu chỉ đến từ lãnh đạo cấp cao, khi không có người bên dưới thực hiện công việc. Đôi khi chúng tôi cũng nhận được yêu cầu như vậy từ một số lãnh đạo có vị trí quan trọng ở nước họ, một số người có ý nghĩ sai lầm rằng vai vế của họ là đủ để thuyết phục chúng tôi. Tiến bộ trong khoa học cần phải được thực hiện từ dưới lên, cũng quan trọng như tác động từ trên xuống.

Giải Nobel năm nay vinh danh các nhà vật lý thiên văn, những người đã đóng góp quan trọng cho sự hiểu biết của chúng ta về lỗ đen. Roger Penrose là một nhà khoa học nổi tiếng người Anh, người có những đóng góp chính nằm ở ranh giới giữa thuyết tương đối rộng và toán học, ông đã được cộng đồng khoa học tôn vinh trong nhiều thập kỷ qua. Andrea Ghez4 và Reinhard Genzel5 ít nổi tiếng hơn; hơn hai thập kỷ trước, họ đã tìm thấy bằng chứng về sự tồn tại của một lỗ đen, Sagittarius A* (Sgr A*), ở trung tâm của Dải Ngân hà, thiên hà của chúng ta. Từ đó trở đi họ không ngừng cải thiện những quan sát của mình. Trong hai thập kỷ qua, cùng với nhiều nhà vật lý thiên văn khác, họ đã thu thập được một lượng lớn thông tin mới, khiến Sgr A* trở thành một tượng đài của vật lý thiên văn đương đại.

Lực hấp dẫn là một lực đặc biệt. Vào cuối thế kỷ XVI, Galileo đã phát hiện ra rằng chuyển động rơi của vật thể không phụ thuộc vào mật độ của chúng; điều này ngụ ý sự một sự tương đương giữa khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn. Đây là cơ sở của thuyết tương đối rộng, gợi mở một cách mô tả về biến dạng cục bộ của không-thời gian. Lực hấp dẫn rất yếu, nhỏ hơn 43 bậc độ lớn so với lực điện, nhưng nó lại chiếm ưu thế ở khoảng cách lớn. Thật vậy, ngoài tính chất giống nhau là có độ lớn tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, lực hấp dẫn rất khác so với lực điện; điện tích thì có điện tích dương và âm, nhưng vật chất lại trung hòa và che chắn lực điện trong khi các hạt và phản hạt lại đều có khối lượng dương và lực hấp dẫn thì không bị che chắn. Lực điện là một lực vectơ, với hạt truyền tương tác là photon, có spin bằng 1; ngược lại, trọng lực đóng vai trò như một ứng suất: nó là một lực tensor. Khi một điện tích di chuyển, nó tạo ra từ trường; khi một vật có khối lượng chuyển động không có một cái gì đó tương tự như vậy được tạo ra. Hai điện tích trái dấu hút nhau và cuối cùng triệt tiêu, nhưng các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau. Nhưng, khi hai khối lượng điểm hút nhau bằng lực hấp dẫn, không có gì ngăn cản chúng tăng tốc và cuối cùng vận tốc của chúng vượt quá vận tốc ánh sáng. Thật vậy, vào cuối thế kỷ 18, John Michell và Pierre-Simon Laplace đã nhận ra rằng lý thuyết hấp dẫn của Newton đang gặp phải một vấn đề lớn trong việc giải quyết điểm kỳ dị này.

Khi một ngôi sao đốt hết phần lớn hydro của nó thành heli, lực điện không còn đủ mạnh để ngăn chặn sự co lại của ngôi sao, lõi heli sẽ sụp đổ dưới sự tác động của trọng lực của chính nó. Nếu ngôi sao ban đầu đủ lớn, lõi sao có thể đạt đến kích thước mà vận tốc rơi bằng vận tốc ánh sáng; ngược lại, vận tốc để một vật có thể thoát ra từ bên trong lõi cũng bằng vận tốc ánh sáng, giới hạn vận tốc không thể vượt qua của tự nhiên: khi đó lõi sao sẽ trở thành một lỗ đen. Kích thước tới hạn biến một vật thành lỗ đen được gọi là bán kính Schwarzschild và kích thước này tỉ lệ thuận với khối lượng của vật, là 3 km cho vật có khối lượng bằng với khối lượng Mặt trời. Mặt trời của chúng ta không đủ lớn để có thể co lại tới kích thước nhỏ như vậy để trở thành một lỗ đen. Những ngôi sao lớn có tuổi thọ rất ngắn, vì vậy xác suất để quan sát được chúng khi còn sống là thấp; nhưng có thể có nhiều những ngôi sao nặng như vậy đã chết, và chúng ta có thể mong đợi rằng Vũ trụ chứa một số lượng lớn các lỗ đen sao.

GS Odon Vallet trao học bổng của Quỹ Odon Vallet. Ảnh: Trang tin về quỹ học bổng Vallet. 

Lỗ đen không thể phát ra ánh sáng nên chúng ta không thể quan sát lỗ đen một cách trực tiếp được. Thay vào đó, sự tồn tại của chúng có thể được tiết lộ nhờ quan sát chuyển động của bạn đồng hành của nó trong hệ hai vật thể, trong thiên văn những hệ như vậy khá phổ biến: đây là cách mà chúng ta có thể nghiên cứu các lỗ đen sao.

Trong một thiên hà, các lỗ đen sao di chuyển về phía trung tâm của nó, nơi cuối cùng chúng hợp nhất với các lỗ đen sao khác, tạo nên cái mà người ta gọi là lỗ đen siêu nặng. Quá trình này diễn ra thường xuyên trong Vũ trụ sơ khai, vốn dày đặc hơn nhiều so với hiện nay, khi đó các thiên hà mới hình thành thường xuyên va chạm, khiến các lỗ đen trung tâm của chúng hợp nhất lại với nhau.

Không giống như với lỗ đen sao, các lỗ đen siêu nặng lại có thể được quan sát một cách trực tiếp. Tất nhiên, cái mà người ta quan sát được không phải là bản thân lỗ đen (không có ánh sáng, không có tín hiệu nào có thể phát ra từ lỗ đen để đến được với chúng ta) mà là vật chất quay quanh nó và cuối cùng bị nó nuốt chửng. Đặc biệt, lỗ đen siêu nặng Sagittarius A* đủ gần (chỉ cách chúng ta 24 nghìn năm ánh sáng) cho phép thực hiện những nghiên cứu chi tiết về đặc tính của nó. Lỗ đen này có khối lượng bằng 4 triệu lần khối lượng Mặt trời, tương đối nhỏ so với những lỗ đen siêu nặng khác, có thể lên tới hơn một tỷ lần khối lượng Mặt trời. Chuẩn tinh (quasar) và Nhân Thiên hà Hoạt động (Active Galactic Nuclei) là những vật thể chứa lỗ đen siêu nặng có thể được quan sát, chúng sở hữu những đĩa bồi tụ sáng và hai chùm vật chất phát tia X trên trục của đĩa. Trái với suy nghĩ của nhiều người, mật độ của các lỗ đen siêu nặng không lớn. Một lỗ đen có khối lượng10 tỷ lần khối lượng Mặt trời (ít lỗ đen được biết đến có khối lượng vượt quá giá trị này) có bán kính gấp khoảng 200 lần khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời và mật độ của nó so với nước chỉ là 0,18, tức là có mật độ trung bình nhẹ hơn nước!

Năm năm trước, hệ đo sóng hấp dẫn LIGO lần đầu tiên phát hiện sự hợp nhất của một cặp lỗ đen có tổng khối lượng bằng 62 lần khối lượng Mặt trời; chỉ một tháng trước, cùng với VIRGO, một vụ hợp nhất khác cũng được phát hiện, lần này các lỗ đen có khối lượng lần lượt là 85±18 và 66±18 lần khối lượng Mặt trời. Phải mất hơn một nửa thế kỷ nỗ lực bền bỉ để cuối cùng chúng ta mới có thể thành công trong việc ghi nhận sóng hấp dẫn, ghi đo sóng hấp dẫn là một cách hết sức hiệu quả để nghiên cứu lỗ đen. Hơn một năm trước, Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện sử dụng kỹ thuật giao thoa kế đường cơ sở dài, đã ghi nhận được hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen, chính xác hơn là ánh sáng uốn quanh nó. Chỉ trong vòng hai thập kỷ, các lỗ đen đã phát triển từ trạng thái là những sinh vật kỳ lạ, bí ẩn thành trạng thái của những động vật quen thuộc trong vườn thú vật lý thiên văn.

Trước khi kết thúc bài viết ngắn gọn này về vật lý lỗ đen, với mục đích giới thiệu, khuyến khích đọc thêm, chứ không phải một bài viết đầy đủ về chủ đề này, hãy cho phép tôi đề cập ngắn gọn đến một vai trò khác của lỗ đen. Sự không tương thích giữa thuyết hấp dẫn và vật lý lượng tử vẫn chưa được hiểu rõ. Bất chấp những thành công đáng kể mà lý thuyết M đã đạt được, sự phức tạp về mặt toán học của lý thuyết siêu dây và thang năng lượng quá cao, thang Planck, không thể tiếp được bằng thực nghiệm đang thúc đẩy một loạt các cách tiếp cận khác nhau. Trong số này có nghiên cứu về những lỗ đen kích thước lượng tử6 tránh được ảnh hưởng định kiến ​​của lý thuyết dây: việc sử dụng các lỗ đen kích thước lượng tử như vậy như một “phòng thí nghiệm lý thuyết” đang làm sáng tỏ những câu hỏi chưa có lời giải đáp nằm giữa lằn ranh của vật lý lượng tử và thuyết hấp dẫn.θ

Phạm Ngọc Diệp dịch
 

Chú thích:

1 Quyết định số 1187/QĐ-TTg, ngày 04 tháng 08 năm 2020 của Thủ tướng Chính phủ về “Chương trình phát triển vật lý giai đoạn 2021 – 2025”.

2 ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, hệ giao thoa kế lớn nhất trên thế giới, là sự hợp tác của ESO (European Southern Observatory), NSF (National Science Foundation, USA), Nhật Bản, Canada, Đài Loan và Hàn Quốc hợp tác với Chile. JCMT, James Clerk Maxwell Telescope, là kính thiên văn đĩa đơn lớn nhất do Đài thiên văn Đông Á vận hành ở bước sóng milimet. NOEMA, NOrthern Extended Millimeter Array, là hệ tiên tiến nhất của thiên văn học vô tuyến ở Bắc bán cầu, được điều hành chung bởi Pháp, Đức và Tây Ban Nha bởi IRAM (Institut de Radio Astronomie Millimétrique).

3 Tôi trích dẫn lời của Phùng Hồ Hải, Viện trưởng Viện Toán học, nhớ lại những ngày đầu thành lập nhân dịp kỷ niệm 50 năm thành lập viện.

4 Xem https://www.scientificamerican.com/article/how-andrea-ghez-won-the-nobel-for-an-experiment-nobody-thought-would-work/ , một bài viết hay đóng góp của cô ấy.

5 Xem https://astrobites.org/2020/10/14/the-nobel-prize-in-physics-2020-reinhard-genzel/ để có các video đáng chú ý về kiến thức hiện tại của chúng ta về chuyển động của các ngôi sao quay quanh Sagittarius A*.

6 https://arxiv.org/abs/1902.10469