Câu chuyện về sóng hấp dẫn: 100 năm đi tìm bằng chứng cho dự đoán "hoang đường" của Einstein
Câu chuyện về sóng hấp dẫn: 100 năm đi tìm bằng chứng cho dự đoán "hoang đường" của Einstein
Hôm nay giới khoa học thế giới đã chao đảo với đầy sự phấn khích bởi người ta đã tìm thấy sóng hấp dẫn, "tận tai nghe được âm thanh từ vụ va chạm của 2 lỗ đen", vật lý học lại bước sang một trang mới và phát hiện này được ví như tầm quan trọng của tia X đối với ngành y học vậy. Nhân đây, xin kể câu chuyện thú vị về quá trình các nhà khoa học tìm ra nhân tố bí ẩn của vũ trụ này, từ đó phần nào hiểu được những khó khăn mà họ phải trải qua, những kỳ diệu của tạo hóa và cả bộ não tiên tri đi trước thời đại hàng trăm năm của thiên tài Albert Einstein.
Kiểm tra chất lượng quang học của thấu kính trong LIGO, giá mỗi cái chỉ có nửa triệu đô la
Hôm nay giới khoa học thế giới đã chao đảo với đầy sự phấn khích bởi người ta đã tìm thấy sóng hấp dẫn, "tận tai nghe được âm thanh từ vụ va chạm của 2 lỗ đen", vật lý học lại bước sang một trang mới và phát hiện này được ví như tầm quan trọng của tia X đối với ngành y học vậy. Nhân đây, xin kể câu chuyện thú vị về quá trình các nhà khoa học tìm ra nhân tố bí ẩn của vũ trụ này, từ đó phần nào hiểu được những khó khăn mà họ phải trải qua, những kỳ diệu của tạo hóa và cả bộ não tiên tri đi trước thời đại hàng trăm năm của thiên tài Albert Einstein.
Bài có vẻ khá dài nên mình tóm tắt lại bằng mindmap bên dưới đây cho các bạn tiện theo dõi, tuy nhiên nếu đã đọc thì nhiều cái thú vị lắm 
.
.
Chiến tranh giữa các lỗ đen: cách đây rất lâu, ở nơi rất xa trong vũ trụ,...
Cách đây chỉ khoảng vài tỷ năm, nhiều triệu thiên hà đã có mặt, một cặp lỗ đen không biết vì hiềm khích gì đã lao đầu vào nhau, mở đầu cho một trong những câu chuyện hấp dẫn nhưng đầy thách thức của vật lý học hiện đại. Khi đó chúng cuộn xoắn, ngày càng tiến vào nhau trong khoảng một tỷ năm với vũ điệu có thể nói là dữ dội nhưng cũng lãng mạn nhất vũ trụ. Tại thời điểm chỉ còn cách nhau khoảng vài trăm kilomet, chúng đột ngột đảo ngược với tốc độ gần như của ánh sáng, đồng thời "rùng mình" phát ra năng lượng hấp dẫn. Không gian và thời gian khi đó đã bị bóp méo tương tự như bọt nước lăn tăn khi đun sôi lên.
Trong khoảng khắc sắp phải sáp nhập với nhau, chúng phát xạ ra lượng năng lượng lớn hơn bất kỳ ngôi sao nào trong vũ trụ. Một lỗ đen mới được hình thành, nặng hơn Mặt Trời của chúng ta 62 lần và gần như chỉ rộng bằng một tiểu bang Maine của Mỹ. Sau đó, dường như nó có thể tự đánh bóng bôi trơn, tạo thành hình cầu hơi phẳng và bắt đầu thu lấy năng lượng đã trốn thoát. Sau đó, không gian và thời gian lại tiếp tục im lặng một cách đáng sợ như chưa có chuyện gì xảy ra.
Ảnh render mô phỏng khối lượng bẻ cong không thời gian theo giả thuyết của Einstein
Những gợn sóng hấp dẫn được đẩy đi ra mọi hướng và càng đi xa càng suy yếu dần. Khi đó trên Trái Đất, khủng long đã phát sinh, đã phát triển và đã tuyệt chủng nhưng rồi những con sóng ấy vẫn tiếp tục được duy trì dù ngày càng yếu đi. Khoảng 50 ngàn năm trước đây, những con sóng hấp dẫn này đã đi vào thiên hà Milky Way của chúng ta, cũng trong khoảng thời gian đó, Homo sapiens bắt đầu lên thống trị hành tinh mang tên Trái Đất. Và rồi loài người cứ phát triển, xây dựng nền văn minh của họ cho tới cách đây khoảng 100 năm, Albert Einstein, một trong những thành viên cao cấp của Homo sapiens, đã dự đoán sự tồn tại của những con sóng hấp dẫn này và từ đó, ông đã truyền cảm hứng cho những suy đoán và tìm kiếm trong vô vọng suốt nhiều thập kỷ nay.
Lần đầu phát hiện ra sóng hấp dẫn, thế giới rúng động với sự phấn khích và hoài nghi của chính người phát hiện
Macro Drago - người đầu tiên quan sát được tín hiệu của sóng hấp dẫn
Lại nói tới chuyện cách đây 22 năm, người ta bắt đầu xây dựng Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế ( LIGO). Sau đó tới 14/9/2015, một con sóng hấp dẫn đã đi tới Trái Đất và khi đó, Marco Drago, một nghiên cứu sinh tiến sĩ người Ý 32 tuổi đã trở thành người đâu tiên thông báo điều này. Khi đó, ông đang ngồi trước màn hình máy tính tại học viện Albert Einstein ở Hannover, Đức và theo dõi dữ liệu từ LIGO.
Những con sóng khi đó xuất hiện trên màn hình như sóng bị nén lại, nhưng với đôi tai thính nhất mà con người tạo ra của LIGO, những rung động tinh tế chưa tới 1 phần ngàn tỷ cm đã được nghe bởi các nhà khoa học và họ gọi đây là tiếng hót mờ nhạt của vũ trụ. Hôm nay, tại một cuộc họp báo tại Mỹ, nhóm nghiên cứu LIGO chính thức tuyên bố đó thật sự chính là tín hiệu của sóng hấp dẫn - lần đầu tiên trong lịch sử nó được quan sát trực tiếp, nghe tận tai.
Khi Drago nhìn thấy tín hiệu này, ông đã không khỏi choáng váng: "Thật là khó để biết tôi phải làm gì tiếp theo khi chứng kiến điều đó." Khi đó ông đã thông báo với một đồng sự, người đã nhanh trí gọi điện cho phòng vận hành LIGO ở Livingston, Louisiana. Giới khoa học bắt đầu lan truyền với nhau và ngày càng có nhiều người tham gia vào dự án. Tại California, Mỹ, David Reitze, giám đốc điều hành của LIGO cho biết: "Tôi không nhớ là lúc đó đã nói gì nữa. Hình như là chết tiệt, cái quái gì đây".
Vicky Kalogera, giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Northwestern cho biết: "Chồng tôi gọi nhưng tôi bỏ mặc. Tôi hoàn toàn lờ đi và chỉ chạy tới lướt qua hàng loạt các email lạ và nghĩ rằng, điều gì đang xảy ra vậy." Trong khi đó, Rainer Weiss, nhà vật lý học đã lần đầu tiên đề xuất xây dựng LIGO vào năm 1972 lúc đó đang đi nghỉ mát nhận được tin đã đăng nhập vào hệ thống, nhìn thấy tín hiệu và hét lên "Chúa ơi". Tiếng hét đủ lớn để con trai và vợ của ông phải chạy đến hỏi xem có chuyện gì khủng khiếp đã xảy ra. Thật sự quá khủng khiếp.
Một phát hiện phi thường cần những bằng chứng phi thường
Vui đủ rồi, đội ngũ phòng thí nghiệm bắt đầu tiến hành một quá trình gian khổ để kiểm tra dữ liệu, không chỉ 1 lần mà 2 lần, 3 lần, 4 lần,... Reitze cho biết: "Chúng tôi thường nói với nhau rằng Chúng ta đã thực hiện những phép đo chỉ bằng 1 phần nhiều ngàn đường kính của một proton và điều đó sẽ kể với chúng ta câu chuyện về 2 lỗ đen sáp nhập với nhau cách đây hàng tỷ năm. Đây là một tuyên bố phi thường và nó cần phải có những bằng chứng phi thường để xác thực."
Cùng lúc đó, các nhà khoa học tại LIGO đã tuyên thệ tuyệt đối giữ bí mật quá trình nghiên cứu của họ. Tuy nhiên, không tránh khỏi những tin đồn lan rộng ra trong giới khoa học từ tháng 9 năm ngoái cho tới mới đây, các phương tiện truyền thông, các báo khoa học cứ lâu lâu lại đưa tin và có khi, người ta còn dự đoán về một giải Nobel được trao cho nhóm nghiên cứu. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu vẫn tiếp tục âm thầm làm việc và nếu có ai hỏi thì câu trả lời cứ là "vẫn đang phân tích dữ liệu, chưa có gì để thông báo." Thậm chí, các nhà nghiên cứu còn không được nói với chồng hoặc vợ của họ.
Sơ qua một chút về LIGO
Ảnh chụp đài quan sát LIGO nhìn từ trên cao
LIGO bao gồm 2 cơ sở cách nhau gần 3000 km, khoảng 3,5 giờ bay bằng máy bay chở khách nhưng đối với sóng hấp dẫn, nó chỉ mấy khoảng 10 phần vài nghìn giây để bay tới. Một máy dò được đặt ở Livingston, Louisiana, nằm trong một khu đầm lầy ở phía đông Baton Rouge, bao quanh là những từng thông. Cái còn lại đặt ở Hanford, Washington, nằm ở rìa phía tây nam của một trong những khu vực sa mạc bị ô nhiễm hạt nhân cao nhất ở Hoa Kỳ mặc dù các lò phản ứng ở đây đã ngừng hoạt động.
Ảnh chụp từ Google Map khu vực đặt 2 máy dò LIGO
Ở cả 2 khu vực, một cặp ống bê tông cao 3,6 mét kéo dài về 2 phía gần như vuông góc với nhau, do đó nhìn từ trên cao xuống trông như một cái eke mà chúng ta hay dùng để vẽ góc vuông. Mỗi đường ống dài khoảng 4 km và phải được nâng lên khỏi mặt đất khoảng 1 mét ở mỗi đầu để giữ cho chúng nằm thẳng trên mặt đất vốn dĩ cong ở bên dưới. Xây ra công trình lớn và đầy tốn kém như thế nhưng mục đích cuối cùng là khám phá ra thêm bằng chứng về thuyết tương đối phổ quát của Einstein. Lý thuyết được Einstein đưa ra một cách đơn giản nhưng ông nào biết quá trình chứng minh nó khó khăn đến thế. Theo ông thì không thời gian sẽ bị bẻ cong khi có sự hiện diện của khối lượng và độ cong này sẽ tạo ra một hiệu ứng gọi là sự hấp dẫn.
Khi 2 lỗ đen đi vào quỹ đạo của nhau, chúng sẽ kéo căng và siết chặt không thời gian giống như trẻ em đang chạy chơi trên một tấm đệm lò xo, hình thành nên những rung động rất mạnh và những rung động này được gọi là sóng hấp dẫn. Các sóng này luôn du hành từ nguồn phát tới khắp vũ trụ, tới cả chúng ta và về cơ bản thì nó yếu hơn rất nhiều so với các lực cơ bản khác, do đó chúng ta không bao giờ cảm nhận được chúng. Chính Einstein còn nghĩ rằng gần như không bao giờ phát hiện ra được sóng hấp dẫn. Thậm chí có 2 lần Einstein còn cho rằng nó không tồn tại, sau đó lại đổi ý và cho rằng nó tồn tại. Nói vậy chứ chỉ riêng thiết kế và xây dựng nên LIGO cũng mất của các nhà khoa học vài thập kỷ gian khổ chứ chẳng chơi.
Thất bại của Joe Weber và thành công của những người đi sau ông
Thiết bị dò sóng hấp dẫn của Joe Weber
Gần 5 thập kỷ sau tuyên bố của Einstein, chưa có ai nghĩ tới chuyện sẽ xây dựng một công cụ để phát hiện sóng hấp dẫn. Người đầu tiên nghĩ tới chuyện đó là giáo sư Joe Weber tại Đại học Maryland. Ông đã đặt tên cho thiết bị này ăng ten cộng hưởng. Đó là một ống bằng nhôm, về cơ bản hoạt động như một cái chuông và ông tin rằng nó sẽ giúp khuếch đại tín hiệu yếu ớt của sóng hấp dẫn. Khi sóng hấp dẫn chạm vào ống này, nó sẽ rung động rất nhẹ và bằng cách sử dụng những cảm biến xung quanh nó để chuyển thành tín hiệu điện để quan sát được.
Nhằm đảm bảo triệt tiêu hết những dao động khác như xe chạy, động đất nhẹ,... có thể gây nhiễu kết quả, Weber đã phát triển một số biện pháp bảo vệ: ông đặt các ăng ten vào trong chân không, đồng thời chế ra 2 cái để cùng nhau chạy ở 2 vị trí riêng biệt. Nếu cả 2 cùng có phản ứng giống nhau trong gần như cùng một thời điểm thì ông sẽ kết luận rằng đó có thể là sóng hấp dẫn. Vào tháng 6/1969, Weber tuyên bố rằng ăng ten của ông đã có một phát hiện gì đó. Khi đó giới vật lý và báo chí tưởng chừng như Weber đã thành ông. Tờ Time giật tít "một chương mới trong quá trình quan sát vũ trụ của con người đã mở ra".
Sau đó, Weber công bố những tín hiệu mà ông thu thập được. Tuy nhiên, những nghi ngờ bắt đầu xuất hiện khi mà các phòng thí nghiệm khác cũng chế tạo thiết bị dò giống như Weber nhưng không đạt được kết quả như ông. Vào năm 1974, nhiều người kết luận rằng Weber đã sai lầm. Mặc dù vậy, ông tin rằng mình vẫn đúng và vẫn tiếp tục các thử nghiệm cho tới khi qua đời hồi năm 2000. Mặc dù thất bại, nhưng Weber đã để lại một di sản cho những nghiên cứu đi sau ông. Nó cung cấp một lời cảnh báo cho những "thợ săn sóng hấp dẫn" sau này rằng "tất cả chỉ là lừa dối, hãy cẩn thận và chỉ có Chúa mới biết điều gì đã xảy ra."
Và quên kể với các bạn rằng mặc dù mặc dù các nhà khoa học đã không thu được kết quả khi thử chế tạo ra thiết bị giống như của Weber nhưng họ đã được kích thích phải làm cái khác tốt hơn. Một trong số đó chính là nhà vật lý học tại MIT Rainer Weiss và ông chính là người đã bắt đầu thiết kế cái mà bây giờ chúng ta gọi là LIGO. Ông cho biết: "Tôi không thể hiểu những gì Weber đã đạt được. Tôi không nghĩ là nó đúng. Do đó tôi quyết định tự làm một cái khác."
Cách hoạt động của LIGO - thiết bị khổng lồ có hình chữ L
Sơ lược cấu tạo của máy dò LIGO
Theo nhà nghiên cứu Fred Raab, lãnh đạo phòng thí nghiệm tại LIGO tại Hanford thì trong quá trình tìm kiếm sóng hấp dẫn"hầu hết các hoạt động diễn ra bằng điện thoại." Hàng tuần có một cuộc họp để thảo luận dữ liệu và mỗi 2 tuần có thêm một cuộc họp để phối hợp dữ liệu thu được từ 2 máy dò với sự cộng tác của các nhà nghiên cứu đến từ Úc, Ấn Độ, Đức, Anh,... Raab cho biết: "Khi thức dậy vào lúc nửa đêm, cái chúng ta tôi mơ đều là máy dò. Các bạn có thể hiểu được sự thân quen của nó đối với chúng tôi."
Và cách dò của Weiss đề xuất hoàn toàn khác với cách của Weber và nói nôm na chính là một đài quan sát dạng chữ L. Có thể hình dung rằng nó giống như 2 người đang nằm trên sàn nhà, đầu chụm lại và phần cơ thể mở ra để hình thành nên một góc. Khi sóng hấp dẫn chạm vào, một người sẽ được nâng cao lên và người kia sẽ bị nhấn xuống. Một lát sau, điều ngược lại sẽ xảy ra. Và dựa theo ý tưởng này, Weiss đã phát triển nên một thiết bị với kích cỡ cực lớn để theo dõi sự chênh lệch độ cao giữa 2 nhánh của chữ L.
Để đảm bảo độ chính xác của LIGO, Weiss đã sử dụng ánh sáng như một chiếc thước đo. Weiss đã cho đặt bộ tia laser vào trong chỗ gấp khúc của chữ L và nó sẽ phát ra tia laser chạy dọc theo chiều dài của mỗi ống. Tia laser này sẽ chiếu vào một cái gương đặt ở cuối đầu ống, sau đó phản xạ lại máy dò. Tốc độ của ánh sáng di chuyển trong lòng ống là cố định nên không cần biết là nó dài bao nhiêu, chỉ cần đảm bảo không có không khí lọt vào bên trong thì ở điều kiện bình thường, 2 tia phản xạ lại sẽ cùng gập nhau ở góc chữ L. Khi có sóng hấp dẫn bước vào, chiếc gương và tia laser sẽ bị xô lệch đi một chút, dẫn tới sự mất đồng bộ khi phản xạ lại và đây chính là tín hiệu mà người ta tìm kiếm.
Tuy nhiên, trên đây chỉ là ý tưởng mà Weiss đã viết trong một báo cáo vào mùa xuân năm 1972 và thật sự nó chưa bao giờ được công bố rộng rãi. Tuy nhiên, theo Kip Thorne, giáo sư danh dự tại Caltech thì đây là một trong những tờ giấy vĩ đại nhất từng được viết ra. Tuy nhiên, ban đầu Thorne đã xem nhẹ thiết kế của Weiss và thậm chí ông còn từng ra bài tập cho sinh viên của ông, yêu cầu chứng minh rằng việc đo lường sóng hấp dẫn bằng laser kế là phi lý.
2 người đàn ông trong cùng một phòng khách sạn - cuộc nói chuyện định mệnh giữa đêm khuya
Nhà vật lý học Rainer Weiss và giáo sư Kip Thorne, 2 người có công lớn trong quá trình phát triển LIGO
Dù vậy, Thorne đã nhanh chóng thay đổi quan điểm khi ông có cuộc gặp gỡ với Weiss vào năm 1975, khi 2 người cùng được mới tới một cuộc trao đổi do NASA tổ chức. Vào đêm đó, 2 người đàn ông đã nói chuyện với nhau. Weiss hồi tưởng lại: "Tôi không nhớ nó đã xảy ra như thế nào nhưng chúng tôi đã ở chung phòng vào đêm đó. Chúng tôi đã ngồi với nhau trên một chiếc bàn nhỏ, cùng nhau viết nên những tờ phác thảo và các phương trình. Không có nhiều người trên thế giới này có thể nói chuyện như Thorne, nói về cái mà cả 2 đều suy nghĩ trong nhiều năm nay."
Và sau cuộc nói chuyện định mệnh đó, Weiss đã trở về MIT và chế tạo nên một phiên bản nhỏ của máy dò với mỗi đường ống dài 1,5 mét để thử nghiệm. Tuy nhiên, lãnh đạo tại MIT và một số đồng nghiệp của ông lại không đánh giá cao nghiên cứu của ông. Trong đó có cả Phillip Morrison, một nhà vậy lý thiên văn vốn có sức ảnh hưởng lớn trong giới vốn cho rằng lỗ đen không tồn tại, cũng tỏ ra không chú ý tới Weiss. Thật ra vào thời điểm đó thì đa số ý kiến cũng không tin là lỗ đen tồn tại bởi đó cũng chỉ là một hiện tượng giả thuyết, đồng thời nếu có thì sóng hấp dẫn do nó phát ra cũng rất yếu nên Morrison không tin rằng thiết bị của Weiss có thể phát hiện được.
Tuy nhiên, Thorne đã bị Weiss dụ thành công. Vào năm 1981, một nguyên mẫu thiết bị dò đã được Thorne chế tạo ở Caltech với 2 ống dò dài tới 40 mét. Đồng thời, một nhà vật lý người Scotland đã theo dõi toàn bộ quá trình và ông tiến hành cải thiện thiết kế ban đầu của Weiss.
Vào năm 1990, sau 1 năm nghiên cứu, nhóm 3 người là Weiss, Thorne và Drever đã cùng nhau thuyết phục quỹ khoa học quốc gia (NSF) để tài trợ xây dựng LIGO. Tổng chi phí ước tính của dự án là khoảng 272 triệu đô la, số tiền nhiều hơn bất cứ nghiên cứu nào được tài trợ bởi quỹ này. Và điều này lại tiếp tục là một cuộc chiến khi mà nhiều nhà khoa học cho rằng dự án LIGO rồi cũng chẳng đi tới đâu và cuối cùng chỉ là phí tiền. Khi đó giám đốc của NSF là Rich Isaacson đã rất đắn đó xem có nên tài trợ cho dự án hay không.
Rich Isaacson cho biết: "Nó không nên được xây dựng. Một vài thiết bị điên khùng chạy xung quanh nhưng không có tín hiệu nào được phát hiện, đồng thời nó còn phải sử dụng những thiết bị tạo chân không, triệt tiêu xung động địa chấn, hệ thống phản hồi... và có những thứ mà chưa bao giờ được phát minh ra." Tuy nhiên, may mắn là Isaacson đã từng viết một nghiên cứu về bức xạ hấp dẫn và ông tin rằng LIGO có thể là chìa khóa của vấn đề. Sau quá trình thuyết phục day dẳn, cuối cùng thì dự án cũng được chấp nhận và khởi công vào năm 1994.
Xây LIGO: ống chân không tinh khiết nhất thế giới, thiết bị đo nhạy nhất thế giới và còn nhiều cái nhất nữa,...
Các nhà khoa học đang làm việc bên trong đường ống dẫn của LIGO
Thật ra chuyện chưa dừng lại ở đó và người ta phải mất nhiều năm tiếp theo để phát triển đầy đủ những thiết bị dò nhạy nhất trong lịch sử nhân loại với khả năng không bắt được bất cứ thứ gì khác ngoài sóng hấp dẫn. Đơn cử việc rút không khí ra khỏi ống đã mất hết 40 ngày và kết quả là một ống chân không tinh khiết nhất từng được tạo ra trên Trái Đất. Chưa hết, người ta còn phải tìm cách loại bỏ ảnh hưởng của gió, của sóng biển, biến động trong lưới điện, nhiễu jitter của bản thân các nguyên tử, các cơn bão, sấm sét từ rất xa,... vốn có thể làm sai lệch kết quả đo, gây nhầm lẫn với sóng hấp dẫn.
Các thiết bị đều được kiểm tra cẩn thận trong điều kiện tuyệt đối vô trùng
Tất cả mọi thứ đều được loại bỏ hoặc kiểm soát tuyệt đối. Một hệ thống giảm sốc cực nhạy được trang bị cho gương phản chiếu để triệt tiêu các chấn động địa chấn. Các hệ thống cảm biến nhận diện chuyển động gây nhiễu của xe cộ, máy bay, động vật,... cũng được trang bị để tạo nên thứ tinh khiết nhất trên hành tinh này. Nếu được lựa chọn thì có lẽ đây là một trong những nơi yên tĩnh nhất hành tinh chúng ta.
Weiss chia sẻ: "Có hàng chục ngàn thứ, tôi nhấn mạnh là hàng chục ngàn thứ cần phải được kiểm soát. Mọi thứ đều phải được thực hiện một cách hoàn hảo nhất để không gì có thể gây nhiễu tín hiệu. Khi cần tiến hành tinh chỉnh, chúng tôi phải làm việc trong một căn phòng cực kỳ sạch sẽ, khử trùng tất cả mọi thứ, mặc những bộ đồ đảm bảo kín 100% bởi dù một tế bào da hoặc một hạt bụi nhỏ cũng vô tình phá hủy thí nghiệm."
Bên trong khu vực điều hành của LIGO
Cuối cùng vào năm 2001, phiên bản đầu tiên của LIGO đã chính thức đi vào hoạt động. Và trong 9 năm tiếp theo đó, các nhà khoa học liên tục theo dõi hiệu suất hoạt động của các thiết bị, đồng thời không ngừng cải thiện thuật toán phân tích dữ liệu của họ. Bên cạnh đó, 2 phòng thí nghiệm tại Caltech và cơ sở ở Đức liên tục phát triển những thiết bị mới, nâng cao độ nhạy của gương, laser, các công nghệ loại bỏ địa chấn, khử nhiễu,... để ngày càng hoàn thiên LIGO. Tới năm 2010, LIGO tạm dừng hoạt động để nâng cấp trong 5 năm với tổng chi phí 200 triệu đô la. Sau lần nâng cấp này, khả năng của LIGO đã được nâng lên gấp hàng nghìn lần so với trước đó.
Kiểm tra chất lượng quang học của thấu kính trong LIGO, giá mỗi cái chỉ có nửa triệu đô la
Tính riêng cái gương thôi đã rất kỳ công rồi. Mỗi bộ phận gương chỉ rộng khoảng 30 cm, nặng gần 40 kg và mỗi inch vuông trên đó được đánh bóng hàng trăm triệu lần để đảm bảo tạo ra một chiếc gương cầu hoàn hảo. Tiết lộ nhỏ thôi, mỗi chiếc có giá khoảng nửa triệu đô la để hoàn thành. Ban đầu thì những chiếc gương này được treo lên bằng dây thép nên mặc dù đã được xử lý giảm chấn nhưng vẫn chưa hoàn hảo. Sau lần cập nhật, người ta đính nó vào một hệ thống con lắc để hoàn toàn cách ly nó khỏi các chấn động.
Thành công
Vào ngày 13/9, các nhà khoa học vẫn còn dành ra suốt một ngày để tiến hành các bài test thiết bị trong LIGO. Gần như tất cả mọi bài test đều hoàn thành nhưng muộn hơn dự kiến, vẫn còn bài kiểm tra mô phỏng một chiếc xe tải nhấn phanh ở gần máy dò chưa làm, tuy nhiên vào 4 giờ sáng, nhóm vận hành quyết định đóng máy đi về, để cho LIGO tiếp tục tự thu thập dữ liệu. Không lâu sau đó, vào 4:50 theo giờ địa phương, một tín hiệu đã chạy qua 2 máy dò trong khoảng thời gian chưa tới 7 mili giây mỗi cái. Đó là thời điểm chỉ 4 ngày sau khi LIGO chính thức vận hành trở lại.
Giáo sư Reitze cho biết: "Thật sự thì việc kết quả đến sớm như vậy sẽ dẫn tới không ít hoài nghi bởi máy mới vừa được hoạt động trở lại không lâu. Tôi từng nói với mọi người rằng chúng ta sẽ không tìm thấy gì cho tới năm 2017 hoặc 2018 đâu."Nhưng rồi sau khi kiểm tra lại, kết quả đó thật sự là thật. Janna Levin, một giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Columbia, người không thuộc nhóm LIGO nhưng đã ngạc nhiên chia sẻ: "Khi tin đồn bắt đầu loan đi, tôi đã nhủ rằng Đến đi nào. Tín hiệu gần như quá hoàn hảo. Phần lớn chúng ta đều tin rằng nó là hoàn hảo khi mà đã có rất, rất nhiều máy tính, rất nhiều tính toán được tiến hành để tách nó ra khỏi nhiễu âm."
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại LIGO đã lập hẳn một đội ngũ khách quan kiểm chứng lại kết quả này. Mặc dù rất tin tưởng vào kết quả, nhưng nhóm 4 thành viên này phải xem như mù, độc lập kiểm tra lại rất nhiều lần kết quả thu được và cuối cùng, họ xác nhận rằng các sóng hấp dẫn này đến từ đâu đó ở chòm sao Đại Khuyển (Canis Major). Dù vậy, họ vẫn chưa công bố vội và vẫn tiếp tục củng cố bằng chứng. Thậm chí, họ tự đặt ra câu hỏi rằng "có phải ai đó trong nhóm đã làm giả tín hiệu mà chúng ta không biết?". Và công tác kiểm chứng cứ tiếp tục cho tới khi các nhà khoa học đều tin rằng không một ai có thể qua mặt được các tính toán thực hiện bởi các hệ thống mạnh mẽ và những thuật toán chính xác thuộc hàng nhất thế giới này.
Nhóm quyết định lập hồ sơ tuyên bố kết quả, bao gồm cả nêu rõ cách họ canh chỉnh thiết bị, chia sẻ mã nguồn phần mềm họ sử dụng, lên danh sách những nhiễu loạn và cách loại bỏ chúng, bao gồm cả những cơn bão ở Thái Bình Dương, các dao động ở tầng điện ly, một trận bão sét lớn ở châu Phi,.... Cuối cùng, họ tuyên bố rằng loại bỏ các yếu tố gây nhiễu thì phát hiện lần này đạt ngưỡng 5 sigma (một tiêu chuẩn vàng khi tuyên bố một khám phá vật lý).
Quan trọng hơn nữa, họ khẳng định đây chính là sóng hấp dẫn đến từ một cặp lỗ đen va vào nhau. Bằng cách khai thác thêm thông tin từ sóng hấp dẫn, họ biết được thêm về kích thước, khối lượng của lỗ đen, tốc độ quỹ đạo của nó, thời điểm chính xác mà chúng va vào nhau và một lần nữa, khẳng định rằng lỗ đen có tồn tại 100%, không còn bất cứ nghi ngờ nào nữa. Phát hiện lần này đã chứng minh rằng Einstein đã đúng khi nó về khía cạnh vật chất của vũ trụ.
Mặc dù lý thuyết của Einstein nói về lực hấp dẫn nhưng trước giờ người ta mới kiểm chứng được trong khuôn khổ của Hệ Mặt Trời, bây giờ người ta mở rộng ra tính đúng đắn của nó trên phạm vi toàn vũ trụ. Weiss cho biết: "Bạn nghĩ rằng lực hấp dẫn của Trái Đất là cái khiến bạn mệt khi leo cầu thang. Chưa đâu! Khi mà vật lý ngày càng phát triển, đó chỉ là một hiệu ứng nhỏ, vô cùng nhỏ, cực kỳ nhỏ của lực hấp dẫn mà thôi." Vậy làm thế nào hồi năm 1916 Einstein có thể nghĩ ra được điều này, điều mà mãi 100 năm sau người ta mới thật sự quan sát được. Tưởng tượng gương mặt của Einstein sẽ ra sao khi ông biết được mình đã đúng sau 100 năm? Có lẽ ông đang mỉm cười dưới ngôi mộ kia.
Vật lý sẽ không chết, tương lai của vật lý học hiện đại đã khởi đi từ hôm nay
Gõ đã khá mỏi tay nhưng mình thật sự phấn khích với phát hiện lần này. Nếu các nhà khoa học này đến Việt Nam mình sẽ khui hẳn một chai rượu ngon để uống mừng cùng với họ bởi lẽ đây là một thành công vượt bậc, một thành công mà suốt 100 năm qua, nhiều người cho tới lúc nhắm mắt vẫn mong muốn một lần chứng kiến. Cách đây không lâu mình đọc một bài phân tích rằng vật lý học rồi sẽ chết bởi nó đã đạt tới ngưỡng không thể giải thích được các lý thuyết. Phát hiện lần này đã phủ nhận hoàn toàn điều đó.
Kể từ thời của Galileo, người ta cho tới nay vẫn dựa vào ánh sáng để khám phá vũ trụ. Tuy nhiên, thành công lần này của LIGO đã cung cấp thêm một công cụ mới, vẫn đảm bảo tính sờ tận tay, nghe tận tai, thấy tận mắt của khoa học và đưa con người tiến xa hơn vào những bí ẩn của vũ trụ. Con người sẽ bớt sợ vũ trụ hơn, nhiều khám phá khác sẽ được thực hiện trong tương lai. Còn lần này, một điều mà khám phá lần này đã dẫn tới chính là chuyện du hành thời gian, mình sẽ nói với các bạn trong bài viết tới. Cám ơn các bạn đã đọc câu chuyện dài hơi này. Chúc vui vẻ.