Ném một vật lên, vật đó sẽ rơi xuống. Chẳng ai có thể phủ nhận định luật hấp dẫn. Nhưng năm nay, giải Nobel Vật Lý được trao cho 3 nhà khoa học khám phá ra phần bí mật của lực hấp dẫn. Những gì họ tìm thấy có thể đe dọa định luật hấp dẫn đã từng tồn tại hàng thế kỷ.
Ba nhà Vật Lý này là Saul Perlmutter, Adam Riess đều là người Mỹ và Brian Schmidt người Úc, họ đã phát hiện ra rằng vũ trụ không chỉ đang giãn nở, mà tốc độ giãn nở này ngày càng tăng. Công trình nghiên cứu của họ đã dẫn tới thuyết về năng lượng tối, một lực bí ẩn chống lại lực hấp dẫn. Theo tính toán thì năng lượng tối chiếm 74% vũ trụ của chúng ta.
Năng lượng tối chiếm tới 74% vũ trụ.
Nhưng hơn 10 năm sau khi thuyết này ra đời, các nhà khoa học vẫn đang miệt mài định nghĩa về năng lượng tối, và vấn đề này được coi là một trong những bài toán hóc búa nhất của vật lý đương đại.
Liệu lực hấp dẫn có khác so với những gì chúng ta nghĩ?
Trước khi phát hiện ra năng lượng tối, các nhà khoa học cho rằng lực hấp dẫn sẽ khiến cho tốc độ giãn nở của vũ trụ chậm lại.
"Khi tôi ném 1 chùm chìa khóa lên, lực hấp dẫn của Trái Đất sẽ khiến chúng bay chậm lại và rơi xuống” - Phát biểu của Mario Livio, một nhà lý luận vật lý tại Viện Nghiên Cứu Vũ Trụ ở Maryland.
Nhưng sau khi nghiên cứu ánh sáng từ siêu tân tinh, các nhà thiên văn học thấy rằng các siêu tân tinh giữa các thiên hà đang bay xa khỏi nhau với tốc độ tăng dần. Việc quan sát được tốc độ giãn nở của vũ trụ đang tăng lên tương tự như một chiếc chìa đột nhiên tìm thấy ổ khóa. Một trong những thách thức lớn nhất trong việc tìm hiểu năng lượng tối đã hợp nhất với quan sát thực tiễn lẫn lý thuyết.
Michael Turner, một nhà vũ trụ học phát biểu tại Đại Học Chicago – “Chúng ta có giả thuyết chưa được giải đáp một cách thỏa đáng. Có thể hoàn toàn không có năng lượng tối nào hết, và lực hấp dẫn hoạt động khác so với chúng ta tưởng".
Adam Reiss, 1 trong 3 người đoạt giải Nobel vật lý năm nay.
Reiss, một trong 3 nhà vật lý đoạt giải Nobel phát biểu: "Các nhà khoa học luôn rất dè chừng. Chúng ta không muốn vứt định luật hấp dẫn vốn có trong khi vẫn có thể bổ sung cho thêm cho nó. Việc quan sát được tốc độ giãn nở của vũ trụ sẽ khiến chúng ta tự đặt nghi vấn về kiến thức của mình. Một mặt chúng ta có thể trách rằng mình không hiểu đầy đủ lực hấp dẫn, hoặc một mặt khác chúng ta có thể giả định có một lực khác tác động lên vũ trụ”.
Năng lượng tối, một sản phẩm của chân không lượng tử?
Lực này, được coi là năng lượng tối, cũng chính là năng lượng của chân không lượng tử. Ý tưởng này đến từ lý thuyết lượng tử, dự đoán rằng ngay cả trong môi trường chân không thì các hạt cũng tự xuất hiện và tạo ra năng lượng. Khó ở chỗ không ai có thể hợp nhất các phép toán trong lượng tử, vốn mô phỏng vật lý cho các vật chất cực nhỏ với thuyết tương đối, dùng trong các trường hợp lớn hơn.
“Hai lý thuyết này dự trên 2 cơ sở kiến thức khác nhau, và chúng ta biết rằng chúng không thể hòa hợp”.
Thật không may, năng lượng tối lại là 1 trong số ít các trường hợp trong tự nhiên đòi hỏi chúng ta vận dụng cả 2 cơ sở kiến thức trên để có thể hiểu được.
Đo đạc ánh sáng bị kéo dài từ siêu tân tinh
Để giải đáp vấn đề này, NASA và Sở Năng Lượng của Mỹ đã lên kế hoạch lập ra Joint Dark Energy Mission (JDEM), chương trình đầu tiên được tạo ra để tìm hiểu về năng lượng tối. Nhưng dự án về JDEM lại không được cấp kinh phí.
Trong thời gian này, nhiệm vụ của NASA chính là đo đạc năng lượng tối. Theo lời kể của Michael Salamon, nhà khoa học trong chương trình Vật Lý Vũ Trụ của NASA –“Kính thiên văn Hubble đã từng được dùng để tìm hiểu về năng lượng tối, thông qua đo đạc ánh sáng từ các siêu tân tinh.”
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra tốc độ giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ bằng cách nghiên cứu 1 siêu tân tinh – vụ nổ của một sao lùn trắng. Một tia sáng di chuyển từ rất xa tới Trái Đất sẽ bị sự giãn nở của vũ trụ kéo dài ra và sẽ có màu đỏ, màu đỏ càng đậm chứng tỏ quãng đường đi của ánh sáng càng dài, và vụ nổ siêu tân tinh càng cách xa Trái Đất.
Một nguồn sáng di chuyển ngược phía quan sát sẽ cho ánh sáng màu đỏ, cùng phía cho ánh sáng màu xanh.
Vì vậy quan sát nhiều siêu tân tinh có thể giúp chúng ta xác định được tốc độ tách xa nhau của các thiên hà.
Một vụ nổ siêu tân tinh.
Nghiên cứu siêu tân tinh giúp các nhà khoa học nhận ra năng lượng tối đã ảnh hưởng đến các thiên hà kể từ 9 tỉ năm trước. Một nhóm nghiên cứu khác thì tìm kiếm những dấu vết xa xưa hơn trong các sóng ngắn trên khắp vũ trụ, những phóng xạ tàn tích còn lại của vụ nổ Big Bang xảy ra khoảng 13,7 tỉ năm trước.
Năm 2003, chương trình Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) của NASA đã cho ra một bản đồ sóng ngắn đầy đủ và chi tiết của vũ trụ thời kỳ sơ khai. WMAP cũng đã khám phá ra những tiếng rè nhỏ, được cho là nguồn gốc của vũ trụ. Licia Verde, một nhà thiên văn học tại Viện khoa học vũ trụ ở Tây Ban Nha đã phát biểu vào năm 2008 – “Đây là bản giao hưởng của vũ trụ. Bạn có thể nhìn thấy những âm thanh này, và nó có thể giúp chúng ta biết được vũ trụ hình thành như thế nào”.
Năm 2005, các nhà khoa học tìm thấy những sóng xuất hiện 400.000 năm sau vụ nổ Big Bang. Những dữ liệu này đem đến cho các nhà khoa học một phương pháp nữa để đo đạc tốc độ giãn nở của vũ trụ.
Năng lượng tối vẫn là một bí ẩn
Để giải đáp bí mật của năng lượng tối, người ta phải kết hợp rất nhiều phương pháp khác nhau, Riess nhận xét –“Cần phải thực hiện nhiều đo đạc về lịch sử giãn nở của vũ trụ, những đo đạc này cần phải chính xác và kết hợp chúng để tìm ra cách hoạt động của năng lượng tối”.
Mục tiêu của những thí nghiệm tới là đọ đạc tỉ lệ giữa mật độ năng lượng và áp lực của vũ trụ, được viết tắt là w. Giá trị này sẽ cho các nhà vật lý biết được mỗi vật chất sẽ có lực hấp dẫn ra sao, đó là lực hút hay lực đẩy, và mạnh tới cỡ nào. Nếu năng lượng tối là năng lượng chân không, thì w sẽ luôn luôn bằng -1, điều này đúng với dự đoán của thuyết tương đối. Nếu không, thì đã đến lúc viết lại định luật hấp dẫn.
Lawrence Krauss, một nhà lý luận vật lý tại Đại Học Arizona cho rằng đa số kết quả quan sát đều cho w gần bằng -1. Ông cũng cho rằng việc tìm ra w cũng không khiến giúp chúng ta hiểu nhiều hơn về vũ trụ. Tuy nhiên con người luôn luôn phải tìm tòi và nghiên cứu, bởi chúng ta không bao giờ có thể biết được câu trả lời có thể đến từ đâu.
