Mô phỏng số của sóng hấp dẫn được phát ra bởi sự sáp nhập của hai lỗ đen theo đường xoắn ốc vào trong. Các đường viền xung quanh mỗi lỗ đen tượng trưng biên độ của bức xạ hấp dẫn, các đường màu xanh tượng trưng quỹ đạo của lỗ đen, các mũi tên tượng trưng spin của chúng - Nguồn: C.Henze/NASA Ames Research Center

Họ gồm ông Rainer Weiss (sinh năm 1932) - giáo sư danh dự tại Viện Công nghệ Massachusetts; ông Kip Thorne (1940) - nhà vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California (Caltech) và ông Barry Barish (1936) - giáo sư danh dự ở Caltech. 

Ông Rainer Weiss được nhận một nửa trong số tiền thưởng 9 triệu kronor (825.000 USD), ông Kip Thorne và ông Barry Barish chia nhau nửa còn lại.

Họ đã tìm ra sóng hấp dẫn thế nào?

Trăm năm chờ đợi

Cách đây 101 năm, Einstein sau khi công bố lý thuyết tương đối rộng đã tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Theo lý thuyết này, sóng hấp dẫn là những xung động của không - thời gian được truyền với vận tốc ánh sáng đi khắp vũ trụ. 

Tuy nhiên, ngay cả bản thân Einstein cũng luôn nghi ngờ khả năng quan sát được sóng hấp dẫn. Lý do: sóng này có cường độ quá nhỏ nên rất khó đo đạc!

Để hình dung độ nhỏ của sóng này, ta hãy hình dung Trái đất với đường kính 13.000km thì khi sóng hấp dẫn truyền đến, kích thước của nó sẽ thay đổi một phần nghìn tỉ mét! Với những khoảng cách ngắn hơn thì sự thay đổi này còn nhỏ nữa. 

Vì thế, rất khó để đo đạc tín hiệu gây ra bởi sóng hấp dẫn, đặc biệt khi nhiễu từ môi trường, như rung động gây ra bởi bước chân người, xe cộ chạy ngoài đường, thường lớn hơn như thế rất nhiều.

Từ trái sang: ông Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne - chủ nhân Nobel vật lý 2017 - Ảnh: AFP

Nhưng khoa học là thế. Một khi đã xuất hiện câu hỏi, đặc biệt là những câu hỏi quan trọng, thì nó sẽ ở đó và thôi thúc sự chinh phục. Nhỏ thì nhỏ thật, nhưng cũng phải có cách nào đó để đo đạc nó chứ. 

Câu trả lời là có: hãy sử dụng giao thoa kế laser. Đó chính là con đường mà các nhà khoa học được giải Nobel vật lý năm nay đã đi qua. Họ đã xây dựng một đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser và sử dụng nó để quan sát sóng hấp dẫn.

Đoạn trường ai hay

Nói thì dễ như vậy, nhưng thực hiện không hề dễ chút nào. Còn nhớ năm 1967, Reiner Weiss, khi đó đang ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), đã công bố một phân tích về giao thoa kế và khởi động việc xây dựng một giao thoa kế thử nghiệm dưới sự tài trợ của quân đội Mỹ. Nhưng dự án này đã phải dừng lại. 

Sau đó, năm 1968, Kip Thorne, ở Caltech, đã tính toán lý thuyết về sóng hấp dẫn cùng những nguồn phát sinh ra nó và thấy rằng việc đo đạc sóng hấp dẫn ở Trái đất là hoàn toàn có thể.

Các nhà khoa học ở MIT và Caltech sau đó đã dành nhiều năm theo đuổi dự án này. Sau rất nhiều lần đứt gánh giữa đường và bị từ chối cấp ngân sách cũng như nhiều trục trặc về kỹ thuật và tổ chức thì năm 1994, dưới sự dẫn dắt của Barry C. Barish, ở Caltech, đề án LIGO được cấp ngân sách 395 triệu USD, lớn nhất trong lịch sử tài trợ nghiên cứu của Quỹ khoa học quốc gia Mỹ.

Sau 8 năm xây dựng, LIGO đi vào hoạt động năm 2002. Và tiếp tục 8 năm ròng rã nữa thu thập dữ liệu, LIGO không phát hiện sóng hấp dẫn nào! Năm 2010, LIGO tạm nghỉ để được nâng cấp, đến năm 2015 hoạt động trở lại.

Đến thời điểm đó, các nhà khoa học đã theo đuổi dự án này hơn 40 năm. Nhưng sóng hấp dẫn ở đâu vẫn bặt vô âm tín.

Đền đáp xứng đáng

Kỳ diệu thay, ngay trong lần chạy đầu tiên, LIGO đã quan sát được sóng hấp dẫn lúc 16h51 ngày 14-9-2015 (giờ Việt Nam).

Sự kiện này đến quá bất ngờ, đến mức các nhà khoa học LIGO không dám tin đó là sự thật. Phải 5 tháng sau, sau khi phân tích thật kỹ càng và chắc chắn rằng tín hiệu mình quan sát được là sóng hấp dẫn phát ra từ sự nhập lại của hai lỗ đen cách chúng ta 1,3 tỉ năm ánh sáng, tức sự kiện đã diễn ra cách đây 1,3 tỉ năm về trước nhưng sự xung động không - thời gian bây giờ mới truyền đến chúng ta, 

Đến lúc này, họ mới dám công bố cho cộng đồng khoa học biết vào ngày 11-2-2017.

Việc quan sát được sóng hấp dẫn được coi là một trong những thành tựu khoa học lớn nhất của thế kỷ 20. Điều thú vị là tần số dao động của sóng hấp dẫn nằm trong dải tần nghe được bởi tai người. Vì thế, người ta ví von rằng sóng hấp dẫn là tiếng vọng từ thuở hồng hoang dội đến chúng ta. 

Trên nguyên tắc, chúng ta hoàn toàn có thể "nghe được" sóng hấp dẫn từ khi vũ trụ mới hình thành, tức từ thời sáng thế, vọng đến chúng ta. Đó là viễn cảnh quá ư choáng ngợp, là thành tựu quá lớn của khoa học.

Vì thế, ngay sau khi được công bố, nhiều người đã dự đoán LIGO sẽ được trao giải Nobel năm 2016. Nhưng Ủy ban Nobel xem ra đã cẩn thận lùi lại một năm để xem xét và kiểm chứng. Vì thế, giải Nobel vật lý năm nay đã được nhiều người dự đoán trước nên không bất ngờ.

Đó là ghi nhận và đền đáp hoàn toàn xứng đáng cho 50 năm theo đuổi dự án này của các nhà khoa học LIGO, đặc biệt là các nhà khoa học được vinh danh trong giải thưởng năm nay.