Nguyễn Đức Dũng – Nobel Vật Lý 2019: Những câu chuyện

1. No Sun no Love, but…

Mệnh đề trên kiểu no pain no gain, văn vẻ là “nếu không có mặt trời, sẽ không có tình yêu”. Nhưng mệnh đề trên chỉ đúng một nửa, tức chỉ là điều kiện cần.

Đúng là chúng ta biết, hầu như mọi năng lượng loài người dùng bây giờ bản chất là tới từ Mặt trời. Than đá, dầu mỏ, khí đốt… là hoá thạch của sinh vật cổ đại, từ hàng ngàn cánh rừng cổ sinh bị vùi xuống lòng đất. Những cánh rừng này và hệ sinh thái của nó phát triển lên được là do ánh sáng từ Mặt trời.

Thuỷ điện cũng vậy, ánh sáng mặt trời làm nước bề mặt Trái đất bốc hơi, thành mưa, rơi trên núi, thành suối thành sông, trên đường chảy ra đại dương xuống chỗ thấp cho ta thuỷ điện. Trừ năng lượng ở nhà máy điện hạt nhân, thì giống y như mặt trời, nơi sức nóng và ánh sáng sinh ra do phản ứng hạt nhân trong lòng mặt trời.

Nhưng nhiệt độ bề mặt Mặt trời cỡ 5000 độ C, nhiệt độ trong lõi cỡ hơi 10 triệu độ C. Tình yêu nào nảy nở được ở nhiệt độ ấy.

Mệnh đề trên, để đủ phải là “Nếu không có Mặt trời và Trái đất, sẽ không có Tình yêu”.

Năm ngoái tôi may mắn được tham dự một bài nói chuyện của một giáo sư Pháp ở L’espace HN (rất tiếc không nhớ tên), hình như tới từ Đài thiên văn Paris, và hình như qua làm việc ở USTH nơi bạn Ngo Duc Thanh làm hiệu phó (khoe tí lây chút hơi) về đào tạo thiên văn vũ trụ. Bài nói của GS là về việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất.

Câu hỏi đầu tiên “sự sống là gì?” hoá ra cực khó trả lời. Câu hỏi thực dụng hơn chút “những dấu hiệu, thông tin nào ta có thể đo được, thu được là dấu hiệu của sự sống?”, thực ra vẫn rất khó. Ta dành lại vấn đề này để bàn sau.

Tuy chưa bàn được hết về các câu hỏi trên, nhưng chúng ta có thể chắc rằng sự sống chỉ có thể tồn tại ở những hệ kiểu Mặt trời – Trái đất, tức là một hệ Ngôi sao – Hành tinh. Cần một nguồn “sưởi ấm” và một “đất mẹ” nơi mà nhiệt độ không thể quá lớn (như các chất hữu cơ đa phần sẽ bị huỷ nếu nhiệt độ lên tới cỡ 700 độ C).

Nhìn lên bầu trời sao, ta thấy hằng hà sa số các ngôi sao, tức là những đối tượng như Mặt trời. Nhưng không biết các ngôi sao đó có các thiên thể lớn quay quanh gọi là hành tinh, nhiệt độ “vừa phải” mà lại như “đất mẹ” Trái đất hay không? Nếu có, thì làm thế nào để biết là có. Câu hỏi này mang tính phương pháp luận, rất quan trọng trong nghiên cứu khoa học. Các hành tinh sẽ rất “tối”, tức là nó nếu có thì cũng phát ra thông tin rất “yếu” để ngồi ở Trái đất mà đo được. Chúng ta cần phải phát triển những đầu đo cực nhạy và tinh tế để có thể “bắt” được bất kì thông tin nào mà nó có thể phát tới Trái đất. Ngoài ra, các hành tinh cũng sẽ rất “nhẹ” so với ngôi sao để mà ảnh hưởng thế nào đó tới ngôi sao (gọi là ảnh hưởng nhiễu loạn, khi này đo được sự nhiễu loạn của ngôi sao cũng có thể là bằng chứng gián tiếp để có thông tin về hành tinh).

Khôi nguyên giải Nobel Vật Lý 2019

Câu trả lời là Có, theo nghĩa khoa học (chứ không phải tâm linh hay niềm tin) tức là phải có bằng chứng, phải quan sát được. Và đây chính là một nội dung được trao giải Nobel Vật lý năm nay.

Con người đã quan sát được các ngôi sao, thậm chí cả chùm sao, cả dải Ngân hà từ hàng ngàn năm nay, chi tiết và cụ thể một cách hiện đại bằng các kính thiên văn kì vĩ thì cũng sáu bảy chục năm nay rồi. Nhưng phải đến 1995, Michel G.E. Mayor và Didier Queloz lần đầu tiên quan sát được một hành tinh ở một ngôi sao khác Mặt trời (gọi là ngoại hành tinh, tức hành tinh không thuộc hệ mặt trời). Từ bước đột phá này, đến nay loài người đã phát hiện được ba bốn ngàn ngoại hành tinh, một số lượng đủ lớn và đa dạng để có thể nghiên cứu sự hình thành, tiến triển, cấu trúc của các hệ ngôi sao – hành tinh, để hiểu hơn lịch sử của hệ Mặt trời này, của Trái đất này, và có thể cả câu hỏi về sự sống nói trên.

Một điều thú vị, là cặp đôi nhà khoa học này là thầy trò, ông trước là thầy hướng dẫn luận án tiến sĩ ông sau. Và về cơ bản, chúng ta lại có một nhà Vật lý được giải Nobel từ công trình khoa học lúc làm Tiến sĩ, tức là rất trẻ U30. Khoa học dành cho mọi người, thành tựu kì vĩ dành cho mọi người, miễn là say mê khát khao, có một cộng đồng và môi trường thuận lợi và dĩ nhiên một chút may mắn.

2. Như chim làm tổ và Vũ trụ giãn nở

Nếu quan sát một con chim làm tổ, ta sẽ thấy nó cóp nhặt tha từng cọng rác cành cây về, kiên nhẫn bền bỉ để cuối cùng có một cái tổ ấm áp và an toàn như một mái nhà. Câu chuyện về giải Nobel năm nay về Vũ trụ lại có chút dính líu tới tổ chim.

Thời là học sinh Chuyên Lý Tổng Hợp, một trong những quyển sách làm tôi ngơ ngẩn là quyển “Lược sử thời gian” của Stephen Hawking. Trong đó có chương 3 nói về Vũ trụ dãn nở, và có nhắc đến Jim Peebles, người được trao giải Nobel năm nay 2019 (như hình post đi kèm). Hawking đã có vẻ rất tiếc và bất mãn cho Jim Peebles và một số người đi trước khi họ không được trao giải.

Năm 1978 Penzias và Wilson được trao giải Nobel cho phát hiện vào năm 1964 của họ về Bức xạ nền của Vũ trụ (Cosmic Microwave Background CMB). Hai ông này đầu tiên phát triển một đầu thu siêu nhạy để đo các sóng điện từ bước sóng radio và sau khi phân tích số liệu thì thấy một nền nhiễu rất lớn, ổn định, tới từ mọi hướng. Hai ông không hiểu vì sao, và còn kiểm tra lại cái đầu thu rất to (như hình post kèm), và các ông chui vào đầu thu, dọn được cả tổ chim bồ câu. Các sinh vật sống có nhiệt độ cao hơn môi trường và phát sóng hồng ngoại và cả hồng ngoại xa, có thể gây nhiễu cho kết quả đo.

Tuy nhiên, dù nghĩ đủ mọi khả năng cũng không loại bớt được nhiễu. Sau đó, một người bạn là GS ở MIT kể cho hai ông này về công trình (chưa chính thức xuất bản) của Jim Peebles và các cộng sự tiên đoán lý thuyết về CMB. Kiểm tra lại, so sánh kết quả thực nghiệm về cái “nhiễu” trên, hoá ra nó vô cùng phù hợp với tiên đoán lý thuyết. Vậy là hai ông được giải Nobel.

Ta rút ra vài kết luận sau (i) không phải cái gì tới mà ta không kì vọng là thứ vứt đi, (ii) chịu khó chơi bời buôn chuyện với bạn bè đồng nghiệp, nhiều thứ hay ho sẽ tới. Làm nghiên cứu khoa học, đôi khi một “tai nạn” không ngờ, một kết quả không kì vọng đột nhiên xuất hiện, và sự trao đổi tranh luận trong cộng đồng học thuật lành mạnh là những thứ quan trọng để đạt được thành tựu khó ngờ.

Cuối cùng thì S. Hawking cũng có thể mỉm cười, dù ông đã đi xa. Người mà ông nhắc tới trong quyển sách cách đây mấy chục năm bây giờ đã được trao giải Nobel về nghiên cứu Vũ trụ học của mình.

Gần đây, thi thoảng tôi được mời dạy vài buổi bồi dưỡng cho các đội HSG VL QG của các trường PT chuyên Lý hay đội HGS VL VN đi thi quốc tế. Tôi thấy rất ngạc nhiên và thú vị, khi nhiều người (chắc là các GS ở các trường ĐH lớn) có thể đưa những vấn đề Vật lý vô cùng hiện đại như Vũ trụ giãn nở, như thấu kính hấp dẫn, sự “co dãn” của không – thời gian do hấp dẫn, thậm chí lỗ đen (một kì dị toán học) hay sóng hấp dẫn vào các đề thi HSG Vật lý với các kiến thức và kĩ năng bậc phổ thông. Dù giản lược hoá (về mặt toán), nhưng bản chất và cái đẹp Vật lý thì vẫn y nguyên. Tôi tự bỏ ra tầm nửa năm, những lúc rảnh rỗi để tự học Toán về Hình học vi phân, các đa tạp khả vi, giải tích vector nhiều chiều với các hệ toạ độ cong, rồi hình học Riemann, tensor và metric… để làm ngôn ngữ có thể hiểu được Lý thuyết tương đối tổng quát của A. Einstein. Các bài thi Olympic Vật lý có thể tham khảo tại DPhO – Tài liệu Olympic Vật lý hay Olympic Vật lý, CLB Vật lý xPhO

Khi Michealson và Morley bằng hệ giao thoa của mình đo thấy ánh sáng luôn chuyển động với vận tốc không đổi dù đầu phát sáng và nguồn thu có dịch chuyển tuỳ ý với nhau, các nhà Vật lý ngạc nhiên và bối rối. A. Einstein với sức tưởng tượng của mình đã đề ra hai tiên đề tương đối tính, và từ đó không – thời gian phụ thuộc chặt chẽ vào nhau, với hệ quả là thời gian bị “co dãn” tuỳ thuộc hệ quy chiếu. Một ví dụ nổi tiếng là Nghịch lý anh em sinh đôi.

Tuy nhiên, định luật vạn vật hấp dẫn của Newton lại không thoả mãn tính tương đối. Lại với một sự tưởng tượng không giới hạn, A. Einstein tiếp tục đề ra Nguyên lý tương đương, sự tương đương giữa hệ quy chiếu có gia tốc với hệ chịu lực hấp dẫn. Từ đó ông đề ra Phương trình hấp dẫn tổng quát mà định luật hấp dẫn Newton chỉ là một gần đúng khi không-thời gian tương đối “phẳng” để phương trình có thể làm về gần đúng bậc nhất. Khi này, vật chất (khối lượng) sẽ làm “cong” không-thời gian 4 chiều, và các đối tượng chuyển động trong không gian theo các đường “trắc địa” thoả mãn nguyên lý tác dụng tối thiểu (y như ánh sáng khi chuyển động trong không-thời gian “phẳng” sẽ đi theo đường thẳng, đường mà thời gian đi từ A đến B nhỏ nhất).

Từ phương trình của EA, các nhà khoa học sau này áp dụng cho trường hợp vật chất phân bố hình cầu, thì xuất hiện một nghiệm kì dị là Lỗ đen (Blackhole), nó nuốt chửng mọi thứ gần nó, mọi tia sáng sau khi chui vào nó (đi qua chân trời sự kiện) đều không thể thoát ra khỏi nó (chính vì thế mà nó “đen xì” và gọi là hố đen).

Nếu coi Vũ trụ là đồng tính đẳng hướng (nguyên lý của vũ trụ), tức là vật chất phân bố khối lượng đồng đều ở thang độ khoảng cách rất lớn, thì Friedman từ phương trình tổng quát của AE đã đưa ra một cặp phương trình sau này mang tên ông. Vấn đề là khi giải phương trình này, Vũ trụ lại giãn nở!

Sau này, Hubble đã kiểm nghiệm lại được bằng thực nghiệm và đưa ra một định luật mang tên ông, Định luật Hubble. Định luật này phát biểu rằng các ngôi sao luôn chạy ra xa nhau. Khi ta đứng một chỗ và quan sát mọi ngôi sao xung quanh, ta thấy các ngôi sao đều chạy ra xa ta. Ngôi sao càng xa thì chạy ra xa càng nhanh, vận tốc chạy ra xa v tỉ lệ với khoảng cách r qua hằng số tỉ lệ H (viết tắt tên ông): v = H.r

Nếu Vũ trụ giãn nở, thì lại còn nhiều điều khác nảy sinh. Thứ nhất, lần mãi về phía quá khứ, sẽ có lúc Vũ trụ này cô đặc thành một chấm. Từ một chấm, nó nổ bùm, không thời gian sinh ra với năng lượng và vật chất chứa trong nó, và vũ trụ tiếp tục dãn nở. Quả nổ ban đầu này gọi là Big Bang (Vụ nổ bùm vĩ đại). Thứ hai, khi Vũ trụ dãn nở, nó sẽ “nguội” dần đi.

Theo lý thuyết lượng tử, năng lượng một bức xạ điện từ (sóng điện từ, trong đó có ánh sáng) sẽ là tổng năng lượng của các lượng tử năng lượng photon, mà năng lượng của photon lại tỉ lệ nghịch với bước sóng của bức xạ điện từ. Bước sóng là chiều dài. Khi vũ trụ giãn nở thì năng lượng này giảm vì mọi chiều dài trong vũ trụ đều tăng. Chưa kể là mật độ năng lượng mới là quan trọng, ví dụ một quả bom nổ mà chia cho một quận thì kinh, nhưng chia cho cả quả đất thì chả xi nhê gì. Mà mật độ lại tỉ lệ nghịch với thể tích, thể tích là chiều dài mũ 3 (V = a x b x c). Kết lại, mật độ năng lượng bức xạ điện từ giảm theo hàm mũ bậc 4 theo sự giãn nở của vũ trụ. Từ Vụ nổ bùm vĩ đại với mật độ năng lượng và nhiệt độ vô cùng cao, Vũ trụ giãn nở và “nguội” dần, mà hệ quả là sẽ tồn tại phông bức xạ tàn dư của vụ nổ này đến bây giờ.

Đo được bức xạ nền này của vũ trụ, ta có bằng chứng về thuyết tiến hoá của Vũ trụ như đã nói trên. Ta cũng sẽ ước lượng được tuổi của Vũ trụ, biết được tình trạng hiện giờ của Vũ trụ… Với bước sóng của bức xạ nền vũ trụ đo được, dễ tính ra Vũ trụ hiện giờ rất rất lạnh, nhiệt độ cỡ 3 K, tức là -270 độ C. Chúng ta biết nếu nhiệt độ cỡ 0K thì tất cả đóng cứng không vận động. Vật chất luôn vận động nên không thể có 0K (tuy nhiên các nhà Vật lý đã có thể tạo ra những vùng vật chất có nhiệt độ cỡ một phần triệu K, sát sàn sạt 0K).

Hình elip dẹp post cùng bài là bản đồ phông nền bức xạ tàn dư của vũ trụ nhìn từ mọi hướng. Màu xanh thì lạnh hơn chút so với màu vàng và đỏ, ta thấy cũng khá đều.

Câu chuyện về Vũ trụ học còn nhiều điều thú vị. Những thành tựu ngày nay đã trải qua bao bước đường gian nan nhưng vô cùng hứng khởi. Các nhà Vật lý cứ bền bỉ và vui thích xây lên ngôi nhà Vật lý, như chim làm tổ.

Theo FB Nguyễn Đức Dũng

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Google photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s