Header Ads

Giải Nobel Vật lý năm 2017 vinh danh khám phá sóng hấp dẫn

Tiến sĩ Rainer Weiss tại Viện Công nghệ Massachusetts, cùng Tiến sĩ Kip Thorne và Tiến sĩ Barry Barish tại Viện Công nghệ California, đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2017 cho khám phá của mình về sóng hấp dẫn – thứ sóng không-thời gian được Albert Einstein tiên đoán từ một thế kỷ trước nhưng chưa được quan sát trực tiếp.

Tiến sĩ Rainer Weiss, Tiến sĩ Kip Thorne và Tiến sĩ Barry Barish, đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2017 cho khám phá của mình về sóng hấp dẫn. Đồ họa: NobelPrize.org.
Tiến sĩ Rainer Weiss, Tiến sĩ Kip Thorne và Tiến sĩ Barry Barish, đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2017 cho khám phá của mình về sóng hấp dẫn. Đồ họa: NobelPrize.org.

Tháng 2 năm 2016, nhóm các nhà vật lý và thiên văn đến từ khắp nơi trên thế giới, đã thông báo rằng họ đã ghi lại được tín hiệu của sóng hấp dẫn phát ra từ sự va chạm của hai hố đen khổng lồ cách Trái Đất khoảng một tỷ năm ánh sáng. Trong buổi công bố giải thưởng, Học viện Hoàng gia Thụy Điển đã gọi đây là “một khám phá rung chuyển thế giới.”

Khám phá này đã xác nhận một điều mà nhà vật lý Albert Einstein đã tiên đoán từ rất lâu trong thuyết tương đối tổng quát của ông, rằng không-thời gian có thể bị uốn cong bởi một vật thể có khối lượng lớn di chuyển trong không-thời gian. Sự thay đổi độ cong này lan truyền ra bên ngoài theo dạng sóng với tốc độ ánh sáng và được gọi là sóng hấp dẫn.

Tiến sĩ Weiss sẽ nhận được một nửa giải thưởng trị giá 9 triệu USD, trong khi Tiến sĩ Thorne và Tiến sĩ Barish sẽ cùng nhau chia đôi một nửa còn lại.

Về nghiên cứu đoạt giải

Tiến sĩ Weiss (85 tuổi), Tiến sĩ Thorne (77 tuổi) và Tiến sĩ Barish (81 tuổi), là những người thành lập và thiết kế LIGO - Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (Đài quan trắc Sóng hấp dẫn bằng Giao thoa kế laser), một thiết bị xác định sóng hấp dẫn và là một tổ chức chị em của LIGO Scientific Collaboration (Nhóm cộng tác Khoa học LIGO) với hơn một ngàn nhà khoa học cùng phân tích dữ liệu.

Thuyết tương đối tổng quát của Einstein được công bố lần đầu vào năm 1916, cho biết vật chất và năng lượng sẽ làm biến dạng hình học không-thời gian giống như cách một người nằm lên một tấm nệm và nó bị bẻ cong bề mặt, tạo ra hiệu ứng mà ta gọi là tương tác hấp dẫn.

Phương trình của ông mô tả một vũ trụ mà trong đó không-thời gian có thể thay đổi linh hoạt, nó có thể căng ra và mở rộng, xé nát và sụp đổ vào trong các hố đen. Phương trình được tiên đoán này phần nào cho thấy quan điểm của ông về sự mở rộng của vũ trụ từ sau Vụ nổ lớn, và chuyển động của các vật thể lớn như hố đen hay tàn dư của các ngôi sao chết sẽ bẻ cong không-thời gian bằng sóng hấp dẫn.

Những cơn sóng này sẽ giãn và nén không gian theo những hướng vuông góc với nhau trên đường chúng đi qua giống như sóng âm nén không khí. Chúng ta đã chưa bao giờ quan sát được trực tiếp cho đến khi Tiến sĩ Weiss (một cách độc lập) và Tiến sĩ Drever (dựa trên nghiên cứu của người khác) đã đề xuất phát hiện sóng hấp dẫn bằng cách sử dụng laser để theo dõi khoảng cách giữa một cặp gương.

Giải thưởng được công bố tại Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển ở Stockholm. Hình ảnh: Jonathan Nackstrand/Agence France-Presse – Getty Images.
Giải thưởng được công bố tại Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển ở Stockholm. Hình ảnh: Jonathan Nackstrand/Agence France-Presse – Getty Images.

Năm 1975, Tiến sĩ Weiss và Tiến sĩ Kip Thorne – một nhà lý thuyết nổi tiếng về tương tác hấp dẫn, đã cùng ngồi với nhau cả đêm trong một phòng khách sạn để thảo luận về các thí nghiệm liên quan đến sóng hấp dẫn trong khuôn khổ một cuộc họp mặt khoa học diễn ra ở Washington.

Tiến sĩ Thorne trở về nhà sau cuộc gặp và thuê mướn Tiến sĩ Drever để giúp đỡ phát triển và xây dựng một máy dò sóng hấp dẫn bằng laser ở Caltech. Trong khi đó, Tiến sĩ Weiss cũng làm điều tương tự tại M.I.T.

Sự khó hiểu của công nghệ khiến hai ông khó khăn trong việc gây vốn từ các nhà đầu tư. Họ tính toán rằng một cơn sóng hấp dẫn sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa hai gương bằng một khoảng không thể nhìn thấy: một phần của một triệu tỷ, tức nhỏ hơn cả đường kính của một photon. “Mọi người nghĩ chúng tôi mất trí rồi,” Tiến sĩ Weiss nhớ lại buổi giải thích thí nghiệm cho các nhà bảo trợ tại Quỹ Khoa học Quốc gia.

Quỹ này sẽ chi trả 1 tỷ USD trong 40 năm tiếp theo cho dự án, và yêu cầu hai nhóm của hai ông hợp lại thành một nhóm thống nhất. Kế hoạch ngay sau đó là xây dựng hai anten hai nhánh hình chữ L, một ở Hanford, bang Washington và một ở Livingston, bang Louisiana. Mỗi nhánh chạy dài 4 cây số, là đường hầm chân không lớn nhất thế giới với ánh sáng laser nảy bên trong.

Không ảnh Đài quan trắc của LIGO ở Livingston. Hình ảnh: LIGO.org.
Không ảnh Đài quan trắc của LIGO ở Livingston. Hình ảnh: LIGO.org.

Năm 1987, ba người sáng lập ban đầu là Tiến sĩ Weiss, Tiến sĩ Drever và Tiến sĩ Thorne bỏ mặc dự án và mọi chuyện đều do một người duy nhất quản lý là Rochus Vogt ở Caltech. Tiến sĩ Drever sau đó bị buộc phải rời dự án. Mãi cho đến năm 1994 khi Tiến sĩ Barry Barish, người có kinh nghiệm quản lý các dự án của Big Science, đã tham gia LIGO với chức danh giám đốc.

Tiến sĩ Barish nhanh chóng tổ chức lại các dự án để có thể xây dựng được những thiết bị dò nhạy hơn, cũng như tìm kiếm sự hợp tác quốc tế với các nhà thiên văn và các nhà vật lý trên toàn cầu thông qua LIGO Scientific Collaboration để cùng nhau nghiên cứu và phân tích dữ liệu.

“Không có ông ấy, thì sẽ không có khám phá nào được thực hiện,” Sheldon Glashow, một nhà lý thuyết từng được giải Nobel, hiện đang làm việc tại Đại học Boston, cho biết. Phiên bản tân tiến nhất của LIGO bắt đầu đi vào hoạt động từ tháng 9 năm 2015, và những rung động từ sự va chạm của hai hố đen mà họ phát hiện vào tháng 2 năm 2016, đã làm hai máy dò ở Louisiana và Washington dao động trong một phần năm giây.

Đó cũng là sự dao động mở ra một mảng mới của thiên văn học. Kể từ đó, LIGO (và mới đây là sự tham gia của máy dò Virgo của Âu Châu) đã phát hiện ra thêm ít nhất bốn vụ va chạm của bốn cặp hố đen, mở ra một tầm nhìn mới và không còn gì phải nghi ngờ về những hố đen và các bí mật của nó.

Những người nhận giải thưởng

Tiến sĩ Weiss sinh năm 1932 ở Bá Linh, sau đó đến Nữu Ước qua con đường Tiệp Khắc vào năm 1939. Khi còn là một học sinh trung học, ông đã là một chuyên gia trong việc xây dựng hệ thống âm thanh chất lượng cao và bước chân vào M.I.T. với chuyên ngành kỹ thuật điện. Ông bỏ học và đến Illinois để theo đuổi một mối tình, nhưng rồi nhanh chóng quay lại M.I.T. và làm việc trong một phòng thí nghiệm vật lý rồi nhận được bằng tiến sĩ ở đây.

Tiến sĩ Thorne sinh ra và lớn lên ở Logan, bang Utah, nhận được bằng cử nhân ở Caltech và bằng tiến sĩ ở Princeton dưới sự hướng dẫn luận án của John Archibald Wheeler – một nhà lý thuyết phổ biến rộng rãi các thuật ngữ trong lý thuyết của Einstein, và đã cho Thorne vào thế giới 'đầy huyền bí' này.

Hiện Tiến sĩ Thorne là một Tiến sĩ danh dự tại Caltech, ông là một trong những nhà sáng tạo và sản xuất phim Interstellar vào năm 2014, nói về những phi hành gia đi qua một lỗ sâu và gặp một hố đen khổng lồ để tìm kiếm ngôi nhà mới cho nhân loại.

Từ trái qua: Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne, những người thiết kế và vận hành LIGO, Đài quan trắc Sóng hấp dẫn bằng Giao thoa kế laser. Hình ảnh: Molly Riley/Agence France-Presse – Getty Images.
Từ trái qua: Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne, những người thiết kế và vận hành LIGO, Đài quan trắc Sóng hấp dẫn bằng Giao thoa kế laser. Hình ảnh: Molly Riley/Agence France-Presse – Getty Images.

Tiến sĩ Barish sinh ra ở Omaha, bang Nebraska và lớn lên ở Los Angeles, học tập và nghiên cứu vật lý học tại Đại học California ở Berkeley, nhận được bằng tiến sĩ trước khi bước chân vào Celtech. Là một trong những nhân tố quan trọng của chương trình Big Science, ông đã dẫn đầu một nhóm thiết kế máy dò khổng lồ trị giá 1 tỷ Mỹ kim là Superconducting Supercollider. Đây sẽ là máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới nếu như không bị Quốc hội bãi bỏ vào năm 1993 trước khi được yêu cầu tiếp quản bởi LIGO.

Sau đó, Tiến sĩ Barish tiếp tục dẫn dắt một dự án quốc tế khác để thiết kế Máy gia tốc Tuyến tính Quốc tế (International Linear Collider), và dự kiến khi hoàn thành sẽ là máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới.

Khi trò chuyện qua điện thoại với Ủy ban giải Nobel, Tiến sĩ Weiss cho rằng giải thưởng này nên xem xét trao cho nhóm khoa học gia gồm khoảng một ngàn người, cũng như ông đã chờ đợi giải thưởng này đến 40 năm.

Ông cũng cho biết thêm rằng, khi dao động đầu tiên được ghi nhận vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, “rất nhiều người trong chúng tôi không tin vào nó,” nghĩ rằng có thể một tín hiệu thử nghiệm nào đó đã bị tạp âm vào dữ liệu. Phải mất hai tháng chúng tôi mới tự thuyết phục được mình rằng đó là sự thật.

Trong một cuộc phỏng vấn tại nhà riêng, Tiến sĩ Thorne trả lời với tư cách một nhà lý thuyết và một nhà phổ biến về dự án, ông cảm thấy hơi xấu hổ khi nhận giải thưởng. “Nó (giải thưởng) nên được trao tặng cho những người đã cùng xây dựng nên máy dò và những thành viên của Nhóm cộng tác LIGO-Virgo vì đã nỗ lực làm việc đến phút cuối,” ông chia sẻ.

Tiến sĩ Barish bị đánh thức lúc 2 giờ 41 sáng tại tư gia ở California bởi tiếng chuông điện thoại gọi từ Ủy ban giải Nobel. “Cảm xúc thật lẫn lộn, tôi không nghĩ mình sẽ thắng giải. Đó là khoảnh khắc sự phấn kích và sự khiêm tốn phải diễn ra cùng lúc,” ông cho biết. “Tuy vậy, đây là một nghiên cứu làm theo nhóm, nên thật sự chủ quan khi chỉ chọn ra cá nhân để trao giải.”

Đối với Quỹ Khoa học Quốc gia, giải thưởng Nobel sẽ giúp họ có được một nguồn quỹ 40 năm trị giá 1 tỷ USD. Trong thông cáo báo chí gần đây, France Córdova là giám đốc của quỹ, cho biết: “Sóng hấp dẫn chứa thông tin về nguồn gốc của vụ nổ và tính chất của tương tác hấp dẫn mà không thể thu nhận được qua bất kỳ tín hiệu thiên văn học nào khác. Những quan sát này sẽ mở ra những ngành mới trong thiên văn học sóng hấp dẫn.”

Trong hai năm qua, cùng với Tiến sĩ Drever, họ đã cùng chia sẻ nhau nhiều giải thưởng uy tín khác, bao gồm Giải thưởng Kavli về Vật lý thiên văn, Giải thưởng Vũ trụ học Gruber, Giải thưởng Shaw về Thiên văn học, Giải thưởng Đột phá về Vật lý cơ bản. Tiến sĩ Drever đã qua đời vào tháng 3 vừa qua, Giải thưởng Nobel không truy tặng người đã khuất, cũng như không thể có hơn ba người cùng nhận giải.

Những người khác được Giải Nobel năm nay

Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash và Michael W. Young đã nhận Giải thưởng Nobel Y học vào thứ hai vừa qua cho sự khám phá về cơ chế của phân tử trong việc kiểm soát nhịp sinh học của cơ thể.

Trong tuần này, Giải Nobel Hóa học sẽ được trao vào thứ tư, Giải Nobel Văn học sẽ được trao vào thứ năm, Giải Nobel Hòa bình sẽ được trao vào thứ sáu, Giải Nobel Kinh tế sẽ được trao vào thứ hai tuần sau.

Giải Nobel Vật lý những năm trước

Ba nhà khoa học Anh quốc là David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane và J. Michael Kosterlitz được nhận Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2016 cho nghiên cứu về tính chất kỳ lạ của vật chất ở trạng thái cực độ của vật chất, bao gồm siêu dẫn, siêu lỏng và từ trường mỏng. [Xem bài viết]

Nhà khoa học từ Nhật Bản và Canada đoạt giải Nobel Vật lý 2015 cho khám phá dao động của neutrino, cho thấy rằng neutrino có khối lượng. [Xem bài viết]

Quang Niên
theo The New York Times