Cách đây đúng 100 năm, tháng Sáu, 1916, Albert Einstein công bố công trình dự đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn, dựa trên Thuyết tương đối rộng (GR) của do chính ông và David Hilbert phát kiến ra. Hôm qua, Thứ Năm, ngày 11 tháng Hai, 2016, chương trình LIGO của hai trường Đại học hàng đầu là Caltech và MIT chủ trì, công bố lần đầu tiên quan sát được sóng hấp dẫn bằng thực nghiệm. Nếu được các cơ sở nghiên cứu khác kiểm tra xác nhận, chắc chắn công trình này sẽ được trao giải thưởng Nobel vào năm nay, và còn hơn thế nữa nó sẽ là một trong những thành tựu vĩ đại của loài người, tương tự như việc phát kiến ra sóng điện từ.
Về mặt lý thuyết, GR được xây dựng hoàn toàn dựa trên những lập luận logic về sự tồn tại không thời gian tuyệt đối, ether, nguyên lý tương đương giữa lực hấp dẫn và chuyển động có gia tốc, mà không dựa trên bất cứ một quan sát thực nghiệm nào. Việc xây dựng GR như là hình học Riemann trong không gian 4 chiều là một ý tưởng toán học xuất chúng. Tuy nhiên, ở đây Einstein và Hilbert đã gặp may, và cũng là cái may chung của nhân loại và khoa học nói chung, ở chỗ đa tạp Riemann 4 chiều là lớn hơn nhiều so với những gì mà thực tế cần. Thời gian có nhiều điểm giống như không gian, nhưng dù sao vẫn có những khác biệt cơ bản so với không gian mà các nhà Toán học thường bỏ qua. Chẳng hạn, việc du hành ngược thời gian hoặc đứng yên trong thời gian là việc chưa từng xảy ra.
Hình học vi phân vào đầu thế kỷ 20 chưa phải là thứ phổ biến ngay cả đối với các nhà toán học, do đó Einstein chưa thực sự suy nghĩ về việc thế giới của chúng ta có thể chỉ là một bộ phận của đa tạp 4 chiều. Do đó, gần như đồng thời với việc công bố GR (có thể xem như cùng với Hilbert), Einstein đã một mình công bố các bằng chứng thực nghiệm của lý thuyết này. Phần lớn các bằng chứng được kiểm nghiệm sớm nhất đều là các hiệu ứng "tĩnh", không phụ thuộc vào thời gian. Điều người ta kinh ngạc và thán phục, là ý tưởng không gian bị cong đi bên cạnh các vật thể nặng. Chẳng hạn quỹ đạo của ánh sáng cong đi khi qua gần mặt trời, mà tổng quát hơn là hiện tượng thấu kính hấp dẫn, dẫn tới việc quan sát được cặp sao giống hệt nhau trong kính viễn vọng, thực chất chỉ là hai ảnh ảo của một ngôi sao duy nhất. Có lẽ thành công thuyết phục nhất là giải thích được độ lệch điểm cận nhật của sao Thủy. Theo các tính toán của Le Verier, người đã tìm ra sao Hải Vương (Neptune) bằng các tính toán tương tự, thì phải có một hành tinh để gây ra độ lệch của điểm cận nhật của sao Thủy giữa thực tế quan sát được và tính toán lý thuyết. Nhưng lần này Le Verier không gặp may, các nhà thiên văn học hoài công tìm hành tinh này mà không ra. Einstein đã dùng GR để giải thích được độ lệch này. Thực ra tính toán có chút sai lầm, nhưng may là không ai chú ý và GR được bay bổng và trở thành đỉnh cao trí tuệ của nhân loại. Có khi chân lý được công nhận là quan trọng bất kể bằng chứng có xác tín hay không. Sau đó là các lý thuyết về mô hình vũ trụ FRWL, Big Bang, lỗ đen, lỗ giun và gần đây hơn là các lý thuyết thống nhất,... đều dựa trên hình học Riemann 4 chiều kia.
Tuy nhiên, nếu chúng ta đứng xa một chút cho đỡ chói mắt, có thể thấy rằng các bằng chứng thực nghiệm đều không cần giả thiết thế giới phải là toàn bộ đa tạp Riemann 4 chiều. Chỉ ra một cái kim nằm trong một căn phòng, nhiều khi hiển nhiên, không thực tế và ích lợi bằng việc chỉ ra nó phải nằm ngay dưới chân bàn. Đặc biệt các hiệu ứng trên đều là hiệu ứng tĩnh, không phụ thuộc vào thời gian. Nếu so sánh với các hiện tượng điện từ, điều đó cũng chỉ tương đương với các hiện tượng tĩnh điện và tĩnh từ hổ phách và giấy hút nhau, nam châm hút nhau và hút sắt. Lý thuyết Maxwell là một lý thuyết trường thực sự, ở đó trường điện từ phụ thuộc vào thời gian, có thể truyền đi, có thể biến đổi từ điện thành từ và ngược lại khi chuyển động, nhờ đó cơ năng có thể chuyển thành điện năng để truyền đi và biến đổi lại thành cơ năng ở một nơi khác. Đó là cơ sở cho nền công nghiệp điện khí hóa, công nghệ thông tin và văn minh nhân loại trong thế kỷ 20. Nếu chỉ dừng ở các hiện tượng tĩnh, chúng ta không thể có sóng điện từ, không có đài phát thanh, TV và toàn bộ công nghiệp điện tử.
GR cũng là một lý thuyết trường và tiên đoán việc có sóng hấp dẫn. Nếu sóng hấp dẫn truyền qua một môi trường, sẽ làm biến dạng môi trường đó, thay đổi độ đo về khoảng cách theo thời gian. Những vật ở gần sẽ thành xa, những vật ở xa thành gần. Về nguyên tắc GR cho phép sóng hấp dẫn đưa các vật thể ở xa hàng triệu năm ánh sáng về chỉ cách vài cm và đưa các vật thể sát nhau ra hàng triệu năm ánh sáng. Sóng hấp dẫn cũng có thể là một phương tiện truyền tin ít sai lạc hơn. Nói một cách khác ngoài việc khẳng định GR mở rộng vũ trụ vật lý trong GR bao gồm cả các hiện tượng phụ thuộc thời gian, truyền sóng, có ý nghĩa lớn về vũ trụ quan, còn mở ra một chân trời công nghệ không giới hạn.
Tất nhiên các số liệu đo của LIGO cũng chỉ là bước đầu của một trang sử mới của nhân loại. GR vẫn còn vô số vấn đề: chẳng hạn như làm sao dung hòa với thuyết lượng tử, hạt graviton có khối lượng hay không, có thể du hành ngược thời gian hay đứng yên trong thời gian hay không? Làm thế nào để tạo ra, lưu giữ, trộn tín hiệu, truyền đi, giải mã sóng điện từ? Chúng ta còn xa mới đạt đến được những hiểu biết cũng như trình độ công nghệ như thế. Trước mắt LIGO chỉ mới quan sát được sóng hấp dẫn. Tuy thế mở đầu dù đơn giản, nhưng rất quan trọng. Và chủ yếu chúng ta có thêm niềm tin vào đa tạp Riemann 4 chiều và các mở rộng hoặc hạn chế của nó.
Tuy nhiên, nếu chúng ta đứng xa một chút cho đỡ chói mắt, có thể thấy rằng các bằng chứng thực nghiệm đều không cần giả thiết thế giới phải là toàn bộ đa tạp Riemann 4 chiều. Chỉ ra một cái kim nằm trong một căn phòng, nhiều khi hiển nhiên, không thực tế và ích lợi bằng việc chỉ ra nó phải nằm ngay dưới chân bàn. Đặc biệt các hiệu ứng trên đều là hiệu ứng tĩnh, không phụ thuộc vào thời gian. Nếu so sánh với các hiện tượng điện từ, điều đó cũng chỉ tương đương với các hiện tượng tĩnh điện và tĩnh từ hổ phách và giấy hút nhau, nam châm hút nhau và hút sắt. Lý thuyết Maxwell là một lý thuyết trường thực sự, ở đó trường điện từ phụ thuộc vào thời gian, có thể truyền đi, có thể biến đổi từ điện thành từ và ngược lại khi chuyển động, nhờ đó cơ năng có thể chuyển thành điện năng để truyền đi và biến đổi lại thành cơ năng ở một nơi khác. Đó là cơ sở cho nền công nghiệp điện khí hóa, công nghệ thông tin và văn minh nhân loại trong thế kỷ 20. Nếu chỉ dừng ở các hiện tượng tĩnh, chúng ta không thể có sóng điện từ, không có đài phát thanh, TV và toàn bộ công nghiệp điện tử.
GR cũng là một lý thuyết trường và tiên đoán việc có sóng hấp dẫn. Nếu sóng hấp dẫn truyền qua một môi trường, sẽ làm biến dạng môi trường đó, thay đổi độ đo về khoảng cách theo thời gian. Những vật ở gần sẽ thành xa, những vật ở xa thành gần. Về nguyên tắc GR cho phép sóng hấp dẫn đưa các vật thể ở xa hàng triệu năm ánh sáng về chỉ cách vài cm và đưa các vật thể sát nhau ra hàng triệu năm ánh sáng. Sóng hấp dẫn cũng có thể là một phương tiện truyền tin ít sai lạc hơn. Nói một cách khác ngoài việc khẳng định GR mở rộng vũ trụ vật lý trong GR bao gồm cả các hiện tượng phụ thuộc thời gian, truyền sóng, có ý nghĩa lớn về vũ trụ quan, còn mở ra một chân trời công nghệ không giới hạn.
Tất nhiên các số liệu đo của LIGO cũng chỉ là bước đầu của một trang sử mới của nhân loại. GR vẫn còn vô số vấn đề: chẳng hạn như làm sao dung hòa với thuyết lượng tử, hạt graviton có khối lượng hay không, có thể du hành ngược thời gian hay đứng yên trong thời gian hay không? Làm thế nào để tạo ra, lưu giữ, trộn tín hiệu, truyền đi, giải mã sóng điện từ? Chúng ta còn xa mới đạt đến được những hiểu biết cũng như trình độ công nghệ như thế. Trước mắt LIGO chỉ mới quan sát được sóng hấp dẫn. Tuy thế mở đầu dù đơn giản, nhưng rất quan trọng. Và chủ yếu chúng ta có thêm niềm tin vào đa tạp Riemann 4 chiều và các mở rộng hoặc hạn chế của nó.
Nguyễn Ái Việt (Debrecen,VIDI72)
Do Xuan Phuong: Một hiệu ứng thú vị mở rộng từ GR là nguyên lý quán tính Mach cho phép chúng ta hình dung Vũ trụ tương tự "dòng chảy" cuồn cuộn các con sóng đan xen. Những dao động mà Ligo đo được có nguồn gốc từ một hệ sao đôi cách xa cả tỷ năm ánh sáng và rất nhỏ. Nhưng đo được con sóng ấy đồng nghĩa với xây dựng niềm tin vào sự vận động không ngừng và xuyên suốt mọi nơi của Vũ trụ.
ReplyDeleteNguyen Ai Viet: Một số vấn đề nên chú ý về quan sát tại LIGO.
ReplyDelete1. Quan sát trực tiếp được cặp lỗ đen: Không phải vậy. Sóng hấp dẫn quan sát được trực tiếp và có những đặc trưng giống như của sóng hấp dẫn sinh ra khi hai lỗ đen sáp nhập. Đó chỉ là hai khối lượng đủ lớn có mật độ rất lớn mà sao lùn trắng và sao neutron không đạt tới được. Lỗ đen theo định nghĩa là nghiệm của phương trình Einstein có kỳ dị ở tâm bị che hoặc không bị che bởi đường chân trời. Vì thế mới sinh ra những điều quái gở như bức xạ Hawking, không thời gian không tồn tại, mất mát lượng tử. LIGO cùng lắm chỉ biết có hai khối lượng lớn dày đặc nhập vào nhau, không khẳng định được chúng là lỗ đen theo nghĩa truyền thống.
Lỗ đen theo nghĩa truyền thống dựa trên lý thuyết chưa đầy đủ, chỉ bao gồm hấp dẫn hoặc điện từ. Có thể lý thuyết đầy đủ sẽ không còn kỳ dị. Vẫn sẽ có các nghiệm có khối lượng dày đặc nhưng không có kỳ dị vẫn sinh ra sóng hấp dẫn. Tôi đi theo hướng này và có cơ sở để tin vào điều đó.
2. Sóng hấp dẫn truyền với vận tốc ánh sáng. Lý thuyết Einstein mô tả hấp dẫn như một trường không có khối lượng. Nếu vậy thì cần giả thiết thêm một số vật chất khác trong phương trình Einstein để vũ trụ có thể tăng tốc dãn nở sau Big Bang. Các vật chất đó gọi là năng lượng tối, chưa quan sát được, nhưng phải giả thiết để giải thích hiện tượng nói trên. Nếu thêm số hạng khối lượng cho trường hấp dẫn thì không cần giả thiết có năng lượng tối. Số hạng khối lượng này dù rất rất nhỏ như LIGO đã chỉ ra (nhỏ hơn nhiều so với khối lượng neutrino) đã đủ để loại năng lượng tối. Tôi cũng theo hướng này và có một khung toán học đẹp như (hoặc hơn) lý thuyết Einstein để suy ra sự tồn tại của hấp dẫn có khối lượng.
Ha Vui: Nghe thú vị quá!
DeleteNguyen Ai Viet: Bác S.T.Tao cũng đang giải phương trình Einstein để có nghiệm không kỳ dị đấy ạ.
DeleteNguyễn Việt Long: Vậy là cũng có mấy cái chân để gọt cho vừa giày (phù hợp để giải thích hiện tượng đó), anh Việt ạ.:)
ReplyDeleteNguyen Ai Viet: Khi mò mẫm thì đúng vậy Nhưng khi xong thì lý thuyết là duy nhất phù hợp. Lý luận gọt chân cho vừa lý thuyết là của bọn hậu hiện đại.
Delete