Sóng hấp dẫn công dụng tiềm năng kinh ngạc Phần 2

Sóng hấp dẫn công dụng tiềm năng

Xem thêm: Phần 1: Sóng hấp dẫn phát hiện chấn động lịch sử nhân loại

Sóng hấp dẫn sẽ đem lại cho loài người những ứng dụng quan trọng, và tiềm năng đi xuyên không gian, thời gian là hoàn toàn khả thi.

Việc khám phá ra sóng hấp dẫn quả thực rất quan trọng đối với ngành nghiên cứu khoa học nói riêng và toàn thể nhân loại nói chung. Không chỉ được ứng dụng vào vật lý học, sóng hấp dẫn còn giúp loài người dần dần hé lộ những bí ẩn trong vũ trụ. Nhưng tóm lại, tìm ra sóng hấp dẫn thì con người sẽ làm được những gì? Hãy thử tìm hiểu xem.

Bằng chứng thuyết phục cho Thuyết tương đối và sự ra đời của phương thức nghiên cứu vũ trụ hoàn toàn mới

Trước tiên, cần phải biết rằng việc tìm thấy sóng hấp dẫn là một bằng chứng thuyết phục cho “Thuyết tương đối” nổi tiếng của Albert Einstein.

Vũ trụ – theo quan điểm của Isaac Newton – là một dạng cố định. Einstein phản bác lại điều đó, cho rằng vũ trụ chuyển động liên tục, giống như một bể bơi khổng lồ.

Giống như khi chạm tay vào bể bơi tạo thành sóng lan tỏa, các tinh cầu, ngôi sao trong vũ trụ cũng tạo thành các đợt sóng – chính là sóng hấp dẫn. Và nay, chúng ta đã rõ người chiến thắng là ai.

Trong hàng thiên niên kỷ, chúng ta quan sát các tinh cầu chỉ bằng sóng ánh sáng. Nhưng với việc xác định được sóng hấp dẫn, chúng ta có thể theo dõi cả những đối tượng không phát ra ánh sáng trong vũ trụ: điển hình là hố đen. Thậm chí, sóng hấp dẫn còn đem lại tiềm năng giúp chúng ta tìm thấy những hiện tượng chưa bao giờ được con người biết đến.

Hố đen – khối vật chất bí ẩn nhất trong vũ trụ sẽ được mổ xẻ

Có thể nói sóng hấp dẫn còn cung cấp thêm những bằng chứng thuyết phục cho lỗ đen – ngôi sao chết “lang thang” giữa vũ trụ. Dù đã xuất hiện rộng rãi trên các phương tiện thông tin đại chúng từ rất lâu, nhưng cho đến nay lỗ đen vũ trụ vẫn chỉ là một ẩn số chưa được xác định. Chúng ta chỉ biết đến sự tồn tại của hố đen dựa vào quan sát các bước sóng ánh sáng từ các ngôi sao xung quanh đó.

Nhưng khoảnh khắc ngắn ngủi khi hai hố đen cách Trái đất 1,3 tỉ năm ánh sáng hợp thể đã đi vào lịch sử, khi phát ra một nguồn năng lượng đủ lớn để chúng ta bắt được tín hiệu của sóng hấp dẫn. Và đồng thời, đây cũng là bằng chứng công nhận sự tồn tại của lỗ đen.

Tìm ra sóng hấp dẫn, con người sẽ làm được những điều gì?

Việc xác nhận sự tồn tại của lỗ đen còn giúp con người nghiên cứu về sự ra đời của vũ trụ. Trước đây, có một giả thuyết được đưa ra rằng hố đen lớn nhất vũ trụ là “sản phẩm” từ Vụ Nổ Lớn Big Bang, khai sinh ra toàn bộ Thiên hà.

Do đó, việc khám phá ra sóng hấp dẫn sẽ giúp con người tìm hiểu sâu hơn về lỗ đen, từ đó là tiền đề cho việc nghiên cứu sâu sự hình thành của vũ trụ mà chúng ta đang tồn tại, và tiếp tục nghiên cứu rộng ra về khả năng của những vũ trụ khác.

Tiềm năng… xuyên không

Ước mơ tìm kiếm, chinh phục vũ trụ kéo dài hàng ngàn năm, nhưng con người luôn bị giới hạn bởi khoảng cách, công nghệ và thời gian. Chúng ta có thể quan sát các tinh cầu ở khoảng cách lên tới hàng tỉ năm ánh sáng, nhưng để đến được đó thì còn hơn cả chuyện viễn tưởng.

Tìm ra sóng hấp dẫn, con người sẽ làm được những điều gì?

Tuy nhiên, chứng minh được Einstein đúng, đồng nghĩa với việc công nhận rằng không gian và thời gian trong vũ trụ có thể được uốn cong. Hay nói cách khác, ta có thể bẻ gập không gian vũ trụ, đưa hai điểm từ hai đầu vũ trụ sát lại gần nhau.

Tất nhiên, với công nghệ hiện tại thì đây vẫn là chuyện viễn tưởng. Tuy nhiên, điều này hoàn toàn có thể xảy ra trong tương lai, khi khoa học phát triển lên một nấc thang mới.

Lúc đó, chúng ta có thể rút ngắn thời gian di chuyển giữa các hành tinh. Và thậm chí, chuyến du lịch Sài Gòn – Hà Nội chắc cũng chỉ mất vài giây mà thôi.

Sóng hấp dẫn có thể hé lộ sự tồn tại của chiều không gian mới

Sự tồn tại của các chiều không gian mới bên ngoài vũ trụ 3 chiều vẫn luôn là câu hỏi lớn đối với các nhà vật lý. Sóng hấp dẫn có thể là chìa khóa để quan sát tác động của các chiều không gian kỳ dị.

Sóng hấp dẫn tạo bởi sự sát nhập của hai siêu lỗ đen ẩn giấu thông tin về các chiều không gian mới. Ảnh: SXS.

Các chiều không gian ẩn giấu bên trong vũ trụ có thể chính là nguyên nhân tạo ra các gợn sóng trong không gian 3 chiều bằng cách tác động lên sóng hấp dẫn, theo New Scientist. Các nhà vật lý từ lâu đã tự hỏi tại sao lực hấp dẫn lại yếu hơn nhiều so với các lực cơ bản khác. Một trong những nguyên nhân có thể xảy ra là sự rò rỉ của lực hấp dẫn ra ngoài 3 chiều không gian thông thường mà chúng ta quan sát được.

Một số lý thuyết tìm cách giải thích sự tương thích của lực hấp dẫn và các hiệu ứng lượng tử, bao gồm cả lý thuyết dây với sự xuất hiện của lực hấp dẫn lan truyền qua các chiều không gian mới. Việc tìm ra bằng chứng về những chiều không gian dị thường như vậy có thể giúp xác định lực hấp dẫn, tìm ra cách kết hợp lực hấp dẫn và cơ học lượng tử và lý giải sự nở ra của vũ trụ.

Tuy nhiên, tìm kiếm sự tồn tại của các chiều không gian mới không hề đơn giản. Mọi dấu hiệu nếu tồn tại đều rất tinh tế đến nỗi chúng không gây ra bất cứ xáo trộn nào đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Cho đến giờ, chưa có bất cứ bằng chứng nào về những dấu hiệu vật lý bên ngoài không – thời gian 4 chiều.

Tuy nhiên, trong hai năm gần đây, một khả năng mới xuất hiện. Các sóng hấp dẫn, những gợn sóng trong thời gian – không gian gây ra bởi sự chuyển động của siêu lỗ đen được phát hiện lần đầu tiên năm 2015. Vì trọng lực là lực duy nhất có thể chiếm tất cả các chiều không gian mà chúng tồn tại, sóng hấp dẫn chính là đối tượng đặc biệt hứa hẹn để phát hiện bất kỳ chiều không gian nào nằm ngoài những hiểu biết hiện tại của chúng ta.

“Nếu có thêm các chiều không gian trong vũ trụ, sóng hấp dẫn có thể đi theo bất kỳ chiều nào”, Gustavo Lucena Gómez, thuộc Viện Vật lý hấp dẫn Max Planck ở Potsdam, Đức, cho biết.

Lucena Gomeez và đồng nghiệp David Andriot đã tính toán thành công sự ảnh hưởng của các chiều không gian mới lên sóng hấp dẫn mà chúng ta quan sát trong không gian 3 chiều. Kết quả cho thấy hai hiệu ứng đặc biệt xuất hiện trên các sóng hấp dẫn khi có thêm các chiều không gian mới: sóng lạ ở tần số cao và sự co giãn của sóng hấp dẫn thay đổi trong không gian.

Khi các sóng hấp dẫn lan truyền qua một chiều không gian ngoài 3 chiều đã biết, chúng tạo ra một “tháp” của sóng hấp dẫn ở tần số cao bên cạnh các phân bố đều đặn thông thường. Tuy nhiên, các trạm quan sát hiện nay không thể phát hiện sóng hấp dẫn ở tần số cao, và hầu hết các trạm quan sát được xây dựng trong tương lai gần cũng tập trung vào vùng tần số thấp.

Hiệu ứng thứ hai của các chiều không gian mới có nhiều cơ hội để được phát hiện hơn vì nó làm thay đổi các sóng hấp dẫn chúng ta quan sát được thay vì tạo ra các sóng phụ ở tần số cao.

“Nếu các không gian khác nằm trong vũ trụ của chúng ta, điều này sẽ làm giãn hoặc thu hẹp không – thời gian hiện tại theo một cách khác mà các sóng hấp dẫn thông thường sẽ không bao giờ làm được”, Lucena Gomez cho biết.

Khi các sóng trọng trường lan truyền qua vũ trụ, chúng làm giãn và thu hẹp không gian một cách rất cụ thể. Nó giống như kéo một dải cao su: hình elip được hình thành bởi một chiều bị kéo dài hơn còn một chiều bị kéo ít hơn, và sau đó quay trở lại hình dạng ban đầu khi bạn ngừng kéo.

Tuy nhiên, các chiều không gian mới sẽ tạo ra thêm một cách khác cho sóng hấp dẫn để làm thay đổi hình dạng không gian, có tên gọi là chế độ “thở”. Hiện tượng này giống như phổi của bạn khi thở, không gian nở ra và co lại khi các sóng trọng lực đi qua, ngoài việc kéo dài như mọi khi.

“Với nhiều máy dò hơn, chúng tôi sẽ có thể xem liệu chế độ thở có đang diễn ra hay không”, Lucena Gomez nói.

Emilian Dudas, nhà khoa học tại Đại học Bách Khoa của Pháp cũng cho rằng lực hấp dẫn có thể là chìa khóa để tìm kiếm những chiều không gian mới như vũ trụ song song. “Nó có thể không phải là dấu hiệu duy nhất, nhưng sẽ là một thứ vô cùng thú vị”, Dudas nói.

Sóng hấp dẫn có thể giải thích được lý thuyết dây

Công bố mới “Các dấu hiệu của các chiều dư trên sóng hấp dẫn” (Signatures of extra dimensions in gravitational waves) đề xuất: có thể giải quyết luận điểm đã gây tranh cãi kịch liệt trong vật lý về sự tồn tại của sáu chiều dư, bằng các máy dò sử dụng laser dao cắt.

Lý thuyết dây đã đưa ra kỳ vọng quan trọng về việc đan kết tất cả các lĩnh vực của vật lý vào cùng một khuôn khổ tuyệt vời. Điểm yếu duy nhất là các nhà khoa học vẫn chưa tìm ra bất kỳ chứng cứ thực nghiệm nào chứng minh được là nó đúng – và câu hỏi phản đối là liệu có thể kiểm chứng được các tiên đoán của lý thuyết dây hay không.

Giờ đây một công bố mới đã tuyên bố các phép đo sóng hấp dẫn có thể là chìa khóa giải quyết có thật lý thuyết dây sẽ đạt được các mục tiêu to lớn của mình hay là sẽ bị coi là ý tưởng đáng loại bỏ. Nghiên cứu này đã nêu ra bằng chứng có thể quan sát được đầu tiên về sự tồn tại của các chiều dư, một trong những tiên đoán của lý thuyết dây, có thể đã ẩn trong những gợn lăn tăn của sóng hấp dẫn.

“Điều đó thật đáng kinh ngạc bởi vì thuyết tương đối lớn và Einstein đã không tiên đoán được tí nào”, David Andriot, nhà vật lý tại Viện nghiên cứu Vật lý hấp dẫn Max Planck ở Potsdam và là đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết.

Điểm cốt yếu của lý thuyết dây – mặc dù có nhiều phương án lý thuyết cạnh tranh khác nhau – là tất cả các hạt có thể được xem như là các dây một chiều, mà trên đó các lực cơ bản của tự nhiên lực hấp dẫn, lực điện từ và các lực khác tác động như các mốt (mode) dao động. Vì được giải thích bằng toán học hơn là bằng từ ngữ, lý thuyết này yêu cầu cần có ít nhất sáu chiều không gian dư, bên cạnh chiều thời gian và ba chiều không gian của đời sống hàng ngày.

Các nhà khoa học, nhất là những người đang làm việc tại Cỗ máy gia tốc hạt lớn LHC, đã tìm kiếm năng lượng triệt tiêu trong các chiều dư mang tính giả thuyết đó nhưng đến nay các cố gắng vẫn chưa đem lại kết quả cuối cùng. Một khả năng được đưa ra là các chiều này xoắn chặt đến mức không thể nhận thấy chúng; hoặc có khả năng khác là chúng hoàn toàn không có ở đó.

Andriot hy vọng là thí nghiệm tại Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (Ligo) có thể bắt đầu cho việc đi tìm câu trả lời cho vấn đề này.

Năm 2015, Ligo đã làm nên lịch sử khi lần đầu tiên quan sát được sóng hấp dẫn, sự co dãn của không gian mà Einstein đã tiên đoán, có thể xuất hiện khi một khối lượng [vật chất] chuyển động qua kết cấu vũ trụ. Trong trường hợp này, các máy dò của Ligo đã chọn được những gợn sóng lan truyền qua không – thời gian xuất hiện theo sự va chạm dữ dội của một cặp lỗ đen từ hơn một tỷ năm trước.

Lý thuyết dây dự đoán rằng, trong suốt các biến động lớn này của vũ trụ, các gợn sóng có thể truyền qua các chiều không gian dư và ở đó phải có tương tác một cách tinh tế giữa các sóng thông thườngvà những sóng ẩn ngoài tầm quan sát.

“Nghiên cứu của chúng tôi kết luận rằng nếu có các chiều dư thì có thể dẫn đến mốt (mode) khác của sự co dãn [của không-thời gian]”, Andriot cho biết.

Công bố “Các dấu hiệu của các chiều dư trên sóng hấp dẫn” đăng tải trên tạp chí Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, kết luận điều đó tạo ra một hiệu ứng “hô hấp” chồng trên sóng hấp dẫn chính. Dạng thức này có thể đo được khi máy dò thứ ba có tên gọi là Virgo tham gia tập hợp dữ liệu về sóng hấp dẫn với cặp máy dò Ligo vào cuối năm 2018 hoặc đầu năm 2019, dẫu cho nhóm nghiên cứu không chắc là liệu hiệu ứng đó có đủ lớn để phát hiện ra hay không.

“Nếu có các chiều dư thì chúng ta có thể nhận ra được hiệu ứng này, nhưng những nguyên nhân khác cũng có thể dẫn đến hiệu ứng đó. Đây không phải là bằng chứng quyết định cho các chiều dư”, Andriot cho biết.

Christopher Berry, nhà khoa học đang làm việc cho Ligo tại đại học Birmingham (Anh), cho biết bài báo “Các dấu hiệu của các chiều dư trên sóng hấp dẫn” ưu tiên tìm kiếm các dạng biến đổi tinh tế đối với sóng hấp dẫn. “Đây là một trong những thí nghiệm kinh điển mà chúng tôi muốn làm”, ông nói.

Những quan sát như vậy có ý nghĩa hết sức quan trọng bởi vì chúng không được thuyết tương đối lớn về hấp dẫn của Einstein tiên đoán, điều đó có nghĩa là hiểu biết của chúng ta về hấp dẫn hoạt động như thế nào cần thiết phải được chỉnh sửa lại. Lý thuyết dây là một chọn lựa nhưng bên cạnh nó vẫn còn có cáclý thuyết cạnh tranh khác. Sự vắng mặt của hiệu ứng “hô hấp”có thể giúp chúng ta loại trừ một vài lý thuyết, hoặc thu hẹp vùngmà chúng  có thể xảy ra.

“Chúng tôi chờ đợi bất kỳ sai lệch nào so với thuyết tương đối rộng có thể xảy ra trong những điều kiện tột bực nhất – đó là nơi anh có thể trông chờ lý thuyết bị phá vỡ. Nơi tốt nhất để kiểm nghiệm là sự va chạm của các lỗ đen”.

Bài báo này cũng tiên đoán sóng hấp dẫn phải gợn sóng qua chiều dư tại một tần số đặc trưng– tương tự cách cây đàn organ có các ống hơi với độ dài khác nhau tạo ra các nốt nhạc có cao độ khác nhau. Theo giả thuyết này, các chiều dư rất nhỏ, một chuỗi các sóng hấp dẫn ở tần số cao hơn có thể tiên đoán được, thậm chí có thể là tại tần số cao hơn cả tỷ lần so với giới hạn mà Ligo có thể dò được nhưng vẫn có thể kỳ vọng một ngày nào đó chúng quan sát được bằng máy dò của tương lai.

“Nếu điều đó quan sát được thì chúng ta có thể nói là đã có bằng chứng”, Andriot nói.

Tuy nhiên nhiều người khác vẫn còn hoài nghi vào việc các quan sát này có thể cung cấp được các bằng chứng thực nghiệm đáng tin cậy. Peter Woit, nhà vật lý lý thuyết tại trường đại học Columbia, New York và là người chỉ trích lý thuyết dây từ lâu, nói: “Vấn đề là lý thuyết dây không nói gì hết đến kích cỡ của các chiều dư đó, chúng có thể có bất kỳ kích cỡ nào, từ lớn vô hạn đến nhỏ vô cùng do đó không có bất kỳ một tiên đoán thực sự nào cả. Cho dù chúng ta có nhìn thấy các chiều dư đi nữa, thì vẫn không có lý do cụ thể nào để tin tưởng rằng những thứ đó có bất kỳ liên quan nào với lý thuyết dây”.

Bài liên quan

Nhận thức, hiểu biết Sai Sự thật

Khung phân loại NDP – Phân loại Tri thức theo lĩnh vực

CON ĐƯỜNG TRUNG ĐẠO – Vượt trên cả Nhất Nguyên và Nhị Nguyên