Thursday, October 6, 2011

Giải Nobel Vật lý 2011

Giải Nobel Vật lý năm nay được trao cho 3 nhà khoa học, vì những phát hiện của họ trong quá tình quan sát sự giãn nở của vũ trụ. Họ đã tình cờ phát hiện ra, vũ trụ thay vì đang giãn nở chậm dần thì lại đang giãn nở nhanh dần. Phát hiện này đã thay đổi cách thức mà các nhà thiên văn học nhìn nhận về vũ trụ bấy lâu nay.

Để có thể hiểu thêm về khám phá mới này, ta hãy điểm lại một chút về lịch sử hình thành nên quan niệm vũ trụ hiện thời.

Từ thời Einstein trở lại đây, giả thuyết vũ trụ của ông dựa trên thuyết tương đối rộng vẫn là giả thuyết có tầm ảnh hưởng lớn nhất. Einstein xây dựng một hệ phương trình tổng quát để mô tả vũ trụ, mà ý tưởng chủ đạo là vũ trụ có tính dừng (về cơ bản không thay đổi theo thời gian), đồng tính (các vật chất ở mọi nơi trong vũ trụ có bản chất giống nhau) và đẳng hướng (tương tác theo các phương là như nhau). Tuy vậy, các nghiệm của hệ này lại cho thấy vũ trụ không dừng, mà lại đang giãn nở. Einstein kinh ngạc đến mức ông buộc phải sửa lại phương trình của mình, cho thêm một khái niệm (gọi là "hằng số vũ trụ") để triệt tiêu tính giãn nở này.

Dù vậy, các quan sát thiên văn sau đó - mà công chính được ghi cho Hubble, đã cho thấy một thực tế là vũ trụ đang giãn nở. Và các thiên hà ở càng xa ta thì lại càng lùi xa nhanh hơn. Điều này phù hợp hoàn toàn với hệ phương trình ban đầu mà không cần phải có hằng số vũ trụ. Einstein đã thừa nhận việc cho thêm hằng số vũ trụ là một sai lầm của mình, và ông cho rằng đây là sai lầm lớn nhất trong cuộc đời của ông. Ngày nay, kính thiên văn vũ trụ nổi tiếng Hubble đang hoạt động trên quỹ đạo trái đất, chính là được đặt tên theo nhà thiên văn học Hubble này.

Sau khi xác định được tính giãn nở của vũ trụ, câu hỏi tự nhiên đặt ra là liệu nó có giãn nở mãi mãi không. Về cơ bản, mọi người hình dung ra hai kịch bản chính. Một là kịch bản vũ trụ đóng, trong đó các thiên hà sẽ chuyển động ra xa chậm dần, dừng lại rồi bị hút ngược vào nhau. Vụ nổ lớn (Big Bang) sẽ thay bằng vụ co lớn (Big Crunch). Sau vụ co đó rất có thể lại là một Big Bang nữa, và vũ trụ sẽ "gõ nhịp" theo mỗi chu kỳ chừng 60-80 tỷ năm. Kịch bản thứ hai là vũ trụ mở, các thiên hà sẽ chuyển động ra xa - có thể chậm dần nhưng không bao giờ dừng hẳn. Vụ co lớn không xảy ra, vũ trụ sẽ chết dần.

Các bạn có thể hình dung như đang cầm một sợi dây chun buộc vào một cái ôtô đồ chơi đi ra xa dần. Bạn biết được sức căng của sợi chun, bạn biết được vận tốc tức thời của xe, bạn tìm cách tính khối lượng xe và so với sức căng của sợi chun, xem liệu chun của mình có giữ được xe dừng lại và đổi hướng không, hay là nó cứ đi ra xa mãi. Thật ra có một cách đơn giản hơn, là so sánh vận tốc xe với vận tốc lúc trước của nó. Nếu thấy nó đi chậm lại, thì ta có thể ước lượng được liệu trong tương lai xe sẽ chuyển động thế nào. Tuy nhiên, do thời gian quan sát được của ta quá ngắn so với tuổi vũ trụ, nên cơ bản ta chỉ thấy xe chuyển động đều.

Về mặt lý thuyết, mật độ vật chất quan sát được trong vũ trụ hoàn toàn không đủ để tạo ra vụ co lớn. Tuy nhiên, do những vật chất tối và năng lượng tối bổ sung, mật độ vũ trụ có thể đạt đến điểm bão hòa. Theo quy đổi tương đương khối-năng bằng phương trình nổi tiếng E=mc^2, chừng 70% vũ trụ là năng lượng tối, 25% là vật chất tối, chỉ có 5% là vật chất sáng mà ta quan sát được. Vật chất tối, theo định nghĩa, là vật có khối lượng nhưng không có tương tác điện từ, không phát xạ hay hấp thụ chúng. Năng lượng tối thì còn mù mờ hơn, nghĩa là cũng không có tương tác nhưng lại còn không có cả khối lượng(!). Nếu cộng đủ các con số này lại, các nhà thiên văn hy vọng có thể đạt được vụ co lớn trong tương lai.

Chừng hơn 10 năm về trước, các nhà khoa học đã phát triển một hướng quan sát khác, đó là đo đạc vận tốc giãn nở thông qua các siêu tân tinh (còn gọi là sao siêu mới - supernova). Các sao này bùng nổ và phát sáng cực mạnh trong một thời gian ngắn, rồi sau đó tàn lụi. Do cường độ lớn của vụ nổ, các sao siêu mới giúp ta tiến hành các đo đạc mà bình thường không thể làm được với các thiên hà ở xa như thế. Kết quả của những phép đo này cho thấy, vũ trụ không những đang giãn nở, mà còn giãn nở tăng tốc chứ không phải giãn nở đều hoặc chậm dần, như lúc trước mọi người suy đoán. Đây có thể là một quan sát có giá trị nhất kể từ thời Hubble, sau khi ông phát hiện ra vũ trụ đang giãn nở.

Quay trở lại ví dụ về ô tô đồ chơi của ta, điều này có nghĩa là gì? Ta buộc phải kết luận là cái ô tô đang có dây cót bên trong, và nó đang giải phóng năng lượng để buộc chiếc xe chạy ra xa ta nhanh hơn. So với quan niệm về xe không có dây cót, quả nhiên đây là một thay đổi lớn (bạn cứ hỏi một đứa trẻ 3 tuổi xem nó thích xe dây cót hay thích xe không dây cót khắc biết). Chúng ta cũng buộc phải thừa nhận, vũ trụ sẽ tàn lụi trong giá lạnh, bầu trời đêm sẽ tối dần. Cuối cùng là nếu một ngày nào đó, bạn đủ tiền mua vé đi thăm tinh vân Tiên nữ (may ra ở đó có vài tiên nữ thật chăng), thì nên đi ngay. Sang năm sau, có thể giá vé sẽ tăng lên một ít nữa, lý do chắc chắc không hoàn toàn do lạm phát!

No comments:

Post a Comment