SÓNG HẤP DẪN 2

Sau bài viết cho các cao nhân biết tính đạo hàm, viết thêm một bài cho "vạn nhà, vạn kiếp phôi pha và vạn em nhỏ" 

Trước tiên ta cần hiểu hấp dẫn là gì. Newton là người phát hiện ra định luật vạn vận hấp dẫn còn sống sót, nhờ trái táo rơi vào đầu chứ không phải là một trái dừa. Định luật này nói rằng khi Trái đất hút trái táo, thì trái táo cũng hút Trái Đất bằng một lực có độ lớn bằng như thế. Có điều do khối lượng Trái đất lớn hơn nhiều so với Trái táo nên gia tốc của Trái táo chính là gia tốc trọng trường quan sát được, Còn gia tốc của Trái Đất gần bằng không do quán tính khổng lồ của nó. Định luật này không hề hiển nhiên, nếu ta không biết trước công thức của lực hấp dẫn Newton.
Định luật vạn vận hấp dẫn cho rằng lực hấp dẫn tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Có nghĩa là lực hấp dẫn không thay đổi theo thời gian, xung quanh một vật nặng. Không những thế, nếu vật nặng chuyển động, thì thế năng hấp dẫn xung quanh nó thay đổi tức thời tại mọi điểm.
Điều đó, sau này chúng ta biết không còn đúng. Tốc độ truyền của mọi tín hiệu đều không thể vượt qua vận tốc ánh sáng. Như vậy, phải có quan niệm mới về hấp dẫn. 
Quan niệm mới về hấp dẫn dựa trên việc cho rằng xung quanh vật nặng không thời gian đều bị uốn cong. Không gian bị cong tương đối dễ tưởng tượng. Mặt bàn lồi lõm ắt sẽ sinh ra lực hút viên bi đặt trên bàn về những điểm có thế năng thấp nhất. Đặt biệt việc đo khoảng cách trên mặt lồi lõm, không thể dùng công thức Pithagore. Đó mới là lực hấp dẫn tĩnh, không phụ thuộc thời gian tương tự như bức tranh của Newton. 
Điểm mới của lý thuyết hấp dẫn của Einstein là việc tương tác hấp dẫn cũng tương tự như tương tác điện từ. Chúng ta có định luật Coulomb về lực hút tĩnh điện. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp tổng quát hơn, khi điện tích chuyển động sẽ sinh ra điện trường và từ trường biến thiên. Điện từ trường biến thiên sẽ sinh ra sóng điện từ. Tương tự, chúng ra có thể tưởng tượng ra trường hợp tổng quát hơn đối với tương tác hấp dẫn. Nếu các vật nặng chuyển động sẽ sinh ra trường hấp dẫn biến thiên, trường hấp dẫn biến thiên sẽ sinh ra sóng hấp dẫn, tương tự như sóng điện từ. Điểm khác là độ cong của không gian tại các điểm sẽ biến thiên theo thời gian và việc méo của không thời gian tại một điểm có thể lan truyền đến một điểm khác. Chẳng hạn tại một thời điểm, một vị trí nếu có một sự kiện xảy ra làm méo hoặc thay đổi độ cong của không thời gian xung quanh vị trí đó. Cụ thể nếu có hai vật thể khối lượng lớn đột ngột tăng tốc hoặc biến mất. Hai lỗ đen đâm sầm vào nhau và nuốt lẫn nhau là một ví dụ như thế. Tất nhiên hiện tượng này sẽ sinh ra bức xạ điện từ, bên cạnh đó sẽ thay đổi trường hấp dẫn xung quanh vị trí và vào thời điểm đó. 
Chú ý rằng sự tồn tại của sóng hấp dẫn chỉ là một giả định lý thuyết. Không có gì bắt buộc thiên nhiên phải tạo ra tương tác hấp dẫn giống như tương tác điện từ. Nói một cách khác, nếu biến đổi của trường hấp dẫn không lan truyền dưới dạng sóng thì vật lý cũng không sụp đổ mà chỉ yêu cầu hạn chế lý thuyết của Einstein về một lý thuyết nhỏ hơn, ở đó không thời gian không còn bình đẳng. Như vậy, việc đo được sóng hấp dẫn, cho phép chúng ta khẳng định một điều: có một sự tương tự giữa tương tác điện từ và tương tác hấp dẫn. Khi chúng biến thiên đều gây ra sóng.
Câu hỏi tiếp theo là làm thế nào để đo sóng hấp dẫn. Tất nhiên điều đó không phải là dễ. Chính vì thế loài người phải mất 100 năm. Chúng ta hãy gác qua một bên LIGO thực tế thiết kế ra sao mà thử tìm ra nguyên lý để đo sóng hấp dẫn. Nguyên lý này chính là dựa trên việc sóng hấp dẫn đi qua một vật sẽ làm biến dạng chúng theo thời gian và vị trí. Có nghĩa là nếu có 2 điểm A, B có khoảng cách đến một điểm O cố định, Nếu sóng hấp dẫn đi qua hệ thống này thì các khoảng cách AO và BO sẽ thay đổi. Tất nhiên đo sự thay đổi này không dễ. Nhưng chỉ cần quan sát được sự thay đổi tương quan giữa chúng là đủ. Từ đầu thế kỷ 20, chúng ta đã học được cách đo tương quan giữa các khoảng cách bằng giao thoa kế từ các nhà thực nghiệm lỗi lạc như Eotvos, Michelson,... Một chùm tia laser được tách ra nhờ một gương phản chiếu để đi theo đường AO và BO sau đó gặp nhau để có ảnh giao thoa. Nếu tương quan độ dài thay đổi thì ảnh giao thoa cũng thay đổi. Nếu một sóng hấp dẫn đi qua hệ thống thiết bị này, do các đường AO và BO bị cong đi khác nhau và theo thời gian, người ta phải đo được biến động của ảnh giao thoa. Tất nhiên còn vô khối vấn đề kỹ thuật để loại bỏ các nhiễu động với các phép đo có độ chính xác kinh khủng như vậy, và đó là việc của 100 năm qua, cùng với việc tiêu hơn 200 triệu đô la cho các thiết bị LIGO. Tuy nhiên về nguyên tắc là như vậy.
Còn một số câu hỏi khác: Tại sao lại biết sóng hấp dẫn quan sát được trong LIGO là do hai lỗ đen đâm sầm vào nhau cách đây 1.3 tỷ năm? 
Liệu chúng ta có thể du hành về quá khứ hay bóp méo không thời gian đến mức đưa chúng ta đến các miền xa xôi ngoài thiên hà hay không? Tại sao chúng ta lại đo được sự kiện này vào đúng 100 năm kỷ niệm phát kiến của Einstein về sóng hấp dẫn? Thú thật là tôi không biết. Tôi đang quan tâm tới một số câu hỏi khác: Sóng hấp dẫn có cần phải truyền với vận tốc ánh sáng hay không? Nếu thế giới này mô tả bằng lý thuyết Einstein thì điều gì bắt buộc sinh ra thế giới như chúng ta đang thấy? Tại sao không chỉ là một đống lỗ đen va vào nhau và vô vàn sóng hấp dẫn dào dạt. Cớ sao lại có quark-lepton, các tương tác khác để tạo ra các nguyên tố, từ đó có sự sống và chúng ta? 
Về mặt công nghệ, nếu làm chủ được sóng hấp dẫn, chúng ta sẽ có rất nhiều ứng dụng không thể tưởng tượng được. Cố nhiên nghĩ về chúng bây giờ cũng như truyện khoa học viễn tưởng. Còn vô số vấn đề như làm thế nào tạo ra được sóng hấp dẫn, làm thế nào để điều chế được nó, bao gồm cả trộn thông tin vào sóng hấp dẫn, làm thế nào để giải mã được nó, làm thế nào để biến đổi các dạng năng lượng khác thành năng lượng của sóng hấp dẫn và ngược lại. Thực ra, năng lượng cần để bóp méo và tạo ra xung động về độ đo của không thời gian là khổng lồ, nhưng năng lượng của sóng hấp dẫn là rất nhỏ. Nhiều người cứ băn khoăn là việc phát kiến ra sóng hấp dẫn có ích lợi gì. Trước hết sóng hấp dẫn rất kích thích suy nghĩ về nhiều phương diện, triết học, khoa học, toán học, công nghệ,... Nghĩ nhiều thì thông minh ra, chẳng lẽ không phải là ích lợi hay sao.

Nguyễn Ái Việt (Debrecen,VIDI72)