Vũ trụ có những điều kiện lý-hoá vô cùng phong phú và tiến hoá liên tục nên tạo ra nhiều hiện tượng thiên nhiên kỳ thú. Khám phá phòng thí nghiệm vũ trụ đòi hỏi những thiết bị tối tân cùng những lý thuyết độc đáo và phức tạp.
Từ
thế giới lượng tử đến vũ
trụ bao la
Vũ trụ nguyên thủy trong máy gia tốc
Vũ trụ có những điều kiện lý-hoá vô cùng phong phú và tiến hoá liên tục nên tạo ra nhiều hiện tượng thiên nhiên kỳ thú. Khám phá phòng thí nghiệm vũ trụ đòi hỏi những thiết bị tối tân cùng những lý thuyết độc đáo và phức tạp. Vũ trụ nguyên thủy gần thời điểm Big Bang là một môi trường chứa những hạt cơ bản có năng lượng cao. Để mô tả những hiện tượng thiên nhiên từ khi vũ trụ mới ra đời cho tới ngày nay, các nhà khoa học phải quan sát tỉ mỉ và luôn tạo ra những lý thuyết mới mẻ để nghiên cứu những đối tượng vừa nhỏ li ti của thế giới hạ nguyên tử (kích thước của siêu dây 10-35 m), vừa vô cùng lớn của những thiên hà (kích thước 10+21 m). Kích thước cuả đối tượng nghiên cứu chênh nhau đến 56 bậc độ lớn (order of magnitude)!
Mới đây, các nhà khoa học thực hiện được hai công trình nổi bật trong lĩnh vực vật lý vi mô thực nghiệm. Đó là sự săn tìm thành công một loại hạt được nhận ra là boson Higgs mà lý thuyết mô hình chuẩn cuả ngành vật lý hạt tiên đoán đóng vai trò then chốt trong quá trình sản sinh ra các hạt vật chất. Và giải Nobel vật lý 2012 đã được trao cho Serge Haroche và David Wineland để tôn vinh công trình nghiên cứu cuả họ và cộng sự trong lĩnh vực quang học lượng tử. Các nhà khoa học này đã nghĩ ra những phương pháp độc đáo và tinh xảo để bẫy từng hạt photon và ion, nhằm nghiên cứu những hiện tượng có tính phù du trong thế giới lượng tử.
Máy gia tốc LHC được xây dựng để phục vụ ngành khoa học cơ bản. Sự phát hiện ra boson Higgs bằng máy LHC giúp các nhà vật lý vượt qua những khó khăn trong sự tìm hiểu cấu tạo cuả vật chất và cuả cả những thiên hà và những hệ sao trong vũ trụ. Theo mô hình chuẩn của vật lý hạt thì các hạt vật chất có được khối lượng là nhờ có sự tương tác với trường Higgs tràn ngập khắp vũ trụ. Boson Higgs là hạt cơ bản kết hợp với trường Higgs và là loại hạt không bền vững. Mô hình chuẩn của vật lý hạt bao gồm lực điện từ và các lực hạt nhân, nhưng chưa kể đến lực hấp dẫn. Tuy yếu, nhưng lực hấp dẫn có tầm tương tác xa và là lực phổ biến nhất trong vũ trụ. Tuy nhiên, tác động của lực hấp dẫn chỉ được thể hiện mạnh mẽ ở những nơi tập trung những khối lượng lớn vật chất như những hệ sao và những thiên hà. Sự phát hiện ra boson Higgs cung cấp cho các nhà vật lý một kết quả thực nghiệm cần thiết để củng cố mô hình chuẩn. Môi trường cực kỳ nóng và đặc của vũ trụ ngay cận thời điểm Big Bang có thể được tái tạo phần nào trong máy gia tốc. Các nhà khoa học sử dụng máy LHC để đi ngược dòng thời gian nhằm tìm hiểu những sự kiện xẩy ra trong vũ trụ ở thời đại nguyên thủy. Đã có dư luận trong quần chúng đề nghị LHC phải ngừng hoạt động vì họ e rằng máy có khả năng tạo ra những lỗ đen, hút sạch mọi thứ ở môi trường xung quanh như trong vũ trụ.
Sự tồn tại của boson Higgs đã được các nhà vật lý lý thuyết tiên đoán từ 5 thập niên về trước. Họ đã kiên trì săn tìm lấy được hạt Higgs vì hạt này là một "mắt xích" hãy còn thiếu trong mô hình chuẩn của ngành vật lý hạt. Sự phát hiện ra boson Higgs là một chương vẻ vang trong lĩnh vực khoa học cơ bản, nhưng cũng chưa phải là mục tiêu cuối cùng của máy LHC. Trong tương lai, những cuộc thí nghiệm với những hạt proton có năng lượng 14 Tev (1 Tev = 1012 ev) cao gấp đôi năng lượng hiện nay sẽ được thực hiện và có khả năng tạo ra những hiện tượng vật lý mới lạ chưa tiên đoán bởi mô hình chuẩn. Bản chất của vật chất tối và năng lượng tối trong vũ trụ cùng những vấn đề đáng quan tâm như sự thiếu hụt phản vật chất cũng vẫn còn cần được xác định và giải thích.
Thế giới lượng tử trong một cái hộp
Các nhà vật lý đã quan sát được hiện tượng "nhảy lượng tử" của các hạt vật chất như electron, nguyên tử và phân tử. Những hạt này có khả năng thay đổi đột ngột trạng thái lượng tử, đặc biệt là nhảy từ mức năng lượng này đến mức năng lượng khác. Nhưng trong trường hợp các hạt photon thì sự quan sát trở nên rất phức tạp, bởi mỗi khi photon tương tác với vật chất thì tự dưng tự hủy. Do đó, khi một photon vừa được phát hiện bằng máy đo thì biến đi hầu như chơi trò trốn tìm! Các nhà vật lý không thể theo dõi quá trình tiến hoá của từng photon. Sở dĩ chúng ta nhìn được thoải mái một vật thể là vì hết hạt photon này đến hạt photon khác liên tục phát ra và đập vào mắt chúng ta.
Sau nhiều năm nghiên cứu, nhà vật lý Haroche và cộng sự đã thực hiện được một cuộc thí nghiệm độc đáo để minh họa những định đề cơ bản cuả vật lý lượng tử. Họ cách ly được từng hạt photon trong một khoảnh khắc (0,13 giây), nhưng cũng đủ lâu để quan sát quá trình tiến hoá cuả hạt photon, từ khi mới xuất hiện đến khi bị tiêu hủy. Phòng thí nghiệm cũng phải tương ứng với đối tượng vi mô, nên chỉ là một cái khoang nhỏ như cái hộp rộng 6 cm mà bên trong là chân không. Trong "hộp photon" có hai cái gương đối diện nhau làm bằng chất siêu dẫn niobium và được duy trì ở nhiệt độ thấp gần bằng không độ tuyệt đối (0,8 Kelvin), để gương dễ phản chiếu ánh sáng.
Những hạt photon vi ba nhiệt (bức xạ Planck) được trữ trong khoang. Trong khoảng thời gian 0,13 giây (nhưng là rất dài trên thang vi mô), hạt photon đã kịp nẩy lên nẩy xuống hơn một tỷ lần trước khi bị hủy. Dụng cụ đo đạc cũng phải có kích thước vi mô và là những hạt nguyên tử rubidium được kích thích bằng laser để có "số lượng tử chính n" lớn, tương ứng với những lớp electron ngoài cùng. Loại nguyên tử được tạo ra bằng cơ chế này được gọi là nguyên tử Rydberg. Kích thước của orbitan của electron trong nguyên tử tỷ lệ với n2. Trong cuộc thí nghiệm cuả Haroche, nguyên tử Rydberg được kích thích tới n= 51, nên có kích thước lớn hàng nghìn lần một nguyên tử bình thường ở trạng thái cơ bản (mức năng lượng thấp nhất). Những mức năng lượng Rydberg có số nguyên tử cao nên rất sít nhau. Khi nguyên tử thay đổi mức năng lượng thì phát ra những bức xạ có tần số thấp thuộc lĩnh vực vi ba. Các nhà thiên văn vô tuyến cũng đã quan sát được những vạch phổ hydro kích thích tới mức năng lượng Rydberg n= 110 bởi tia tử ngoại phát ra từ những ngôi sao.
Nguyên tử Rydberg tương tác dễ dàng với photon, nhưng lại rất nhẹ nhàng nên photon vẫn tồn tại. Nguyên tử được phun vào trong khoang để tương tác với photon. Tuy không nhìn thấy trực tiếp từng hạt photon, nhưng sự hiện diện và tác động của mỗi photon trong khoang được biểu hiện bằng sự thay đổi trạng thái lượng tử của nguyên tử mà các nhà vật lý đo được. Phương pháp này giúp các nhà vật lý theo dõi quá trình tiến hoá cuả từng hạt photon.
Minh họa hiện tượng những hạt photon bị bẫy trong cái hộp và nẩy lên nẩy xuống như những hòn bi cho đến khi photon biến đi đột xuất vì hiện tượng"nhảy lượng tử". (Hình LKB, ENS, CNRS, S. Haroche Lectures).
Cuộc thí nghiệm giả tưởng kinh điển có tính lưỡng nghĩa lượng tử về số phận sống chết bấp bênh của con mèo, do nhà vật lý Schrödinger đề xuất để minh họa nguyên lý chồng chập trong vật lý lượng tử, nay có thể được quan sát cụ thể. Sự xuất hiện và biến đi của photon phản ánh những cú nhảy lượng tử đột ngột của ánh sáng. Quan sát được hiện tượng nhảy lượng tử cuả photon là một bằng chứng thực nghiệm chứng minh tính chất thống kê lượng tử của bức xạ nhiệt mà Planck đã đề xuất một thế kỷ trước đây.
Công trình nghiên cứu cuả Haroche và cộng sự, không những thuộc lĩnh vực cơ bản, mà còn là bước đầu trong công việc thực hiện những nguyên mẫu dự trữ số liệu trong công nghệ thông tin và tính toán lượng tử. Trong máy tính lượng tử, một đơn vị thông tin nhị phân (qubit) có thể là 1 và 0 cùng một lúc, thay vì là 1 hoặc 0 trong máy tính hiện nay. Do đó, thêm mỗi qubit là tăng gấp đôi khả năng chứa thông tin. Tuy nhiên, muốn làm ra máy tính lượng tử còn cần phải vượt những bờ rào kỹ thuật phức tạp. Vấn đề cốt yếu là cách ly được những qubit nhưng đồng thời phải có liên lạc với môi trường bên ngoài để chuyển kết quả tính toán.
Nhà vật lý Wineland và cộng sự bẫy những hạt nguyên tử và ion trong điện trường và dùng laser để điều khiển sự thay đổi trạng thái lượng tử của ion. Chẳng hạn, những hạt ion có thể được bơm để tồn tại ở trạng thái chồng chập giữa hai mức năng lượng sát nhau, như trong cuộc thí nghiệm giả tưởng con mèo vừa sống vừa chết cuả Schrödinger. Những hạt nguyên tử và ion phát ra những bức xạ có tần số cực kỳ chính xác nếu nhiệt độ được giảm xuống tối đa bằng laser. Tần số dao động cuả hạt được dùng như những tiếng tích tắc cuả chiếc đồng hồ. Wineland và cộng sự bẫy những ion Al+ (Aluminium) ở nhiệt độ thấp nhằm chế tạo đồng hồ nguyên tử quang học chính xác hơn đến 10 lần đồng hồ nguyên tử vi ba cesium hiện đại.
Giải Nobel năm 2012 được trao để tôn vinh hai nhà khoa học Haroche và Wineland về những phương pháp rất tinh tế mà họ và cộng sự đã tìm ra để nghiên cứu những hiện tượng mau tan biến và khó hiểu bằng trực giác trong thế giới lượng tử.
Thiên văn vô tuyến, một cuộc cách mạng
trong thiên văn học
Nghiên cứu khoa học không nhất thiết chỉ quan tâm tìm tòi những hiện tượng tiên đoán từ trước bằng lý thuyết. Không có nghĩa là các nhà khoa học không có đầu óc sáng tạo, nhưng sức tưởng tượng của họ cũng chỉ có hạn, so với vô số hiện tượng thiên nhiên. Không ít hiện tượng có tính cơ bản trong vũ trụ đã được phát hiện tình cờ. Bức xạ phông vũ trụ tàn dư của Big Bang cùng những thiên thể kỳ lạ như quasar, pulsar và những hoá chất phức tạp trong môi trường liên sao đã được phát hiện bất ngờ.
Đặc điểm cuả bức xạ tùy thuộc vào điều kiện lý-hoá trong từng thiên thể. Các nhà thiên văn không những quan sát bức xạ khả kiến mà cả những bức xạ trong toàn bộ phổ điện từ, từ bước sóng X, tử ngoại, hồng ngoại đến bước sóng vô tuyến. Quan sát trên bước sóng vô tuyến đã cung cấp nhiều kết quả liên quan đến những hiện tượng cơ bản trong thiên văn học. Thiên văn vô tuyến là một ngành khoa học mới mẻ, bắt nguồn từ những công trình nghiên cứu vô tuyến viễn thông.
Vào nửa đầu thế kỷ trước, nhà vật lý người Mỹ, Karl Jansky, nghiên cứu tại hãng Bell Telephone Laboratories (công ty Mỹ thường gọi tắt là Bell Labs) để xác định hướng của những bức xạ nhiễu phát ra trong những cơn bão có sấm sét, nhằm phục vụ ngành vô tuyến viễn thông giữa Hoa Kỳ và Châu Âu. Jansky làm thiết bị vô tuyến ít tiếng ồn để thu tín hiệu viễn thông và đồng thời triển khai công việc làm ăngten định hướng. Từ năm 1888 nhà vật lý Hertz đã nhận định là bức xạ vô tuyến và bức xạ khả kiến (ánh sáng) đều cùng là những bức xạ trong phổ điện từ. Tuy nhiên, Jansky vẫn không khỏi ngạc nhiên khi tình cờ phát hiện được trong máy thu vô tuyến những tín hiệu rít lên phát ra từ một hướng cố định trên bầu trời. Thực sự là Jansky đã vô tình thu được bức xạ vô tuyến synchrotron trên bước sóng 15 m phát từ vùng trung tâm Dải Ngân hà. Bức xạ vô tuyến phát ra bởi những electron tương đối tính (relativistic) được gia tốc trong từ trường của khoảng không liên sao, như trong máy gia tốc synchrotron. Dãy ăngten của Jansky có bánh xe và quay tròn như cái sàn có mô hình ngựa xe để trẻ con cưỡi. Cứ 20 phút hệ ăngten lại quay được một vòng. Jansky thu được trong đồ thị những đỉnh bức xạ mỗi khi búp ăngten (antenna beam) quét trên bầu trời ngang qua Dải Ngân Hà.
Hệ
ăngten Jansky dùng để
phát hiện lần đầu bức xạ
vô tuyến phát ra từ vũ
trụ.
(Hình NRAO.Edu).
Năm 1933, trong một buổi họp của Hội Khoa học vô tuyến Quốc tế tại Washington, Jansky công bố đã thu được những tín hiệu "nhiễu vô tuyến" dường như phát ra từ bên ngoài trái đất. Tín hiệu vô tuyến vũ trụ cũng biểu hiện như tiếng ồn trong máy thu. Sự kiện này không được cử tọa quan tâm. Hồi đó còn có cuộc Đại Khủng hoảng toàn cầu nên hãng Bell Labs phải sa thải nhân viên và cũng không ý thức được tầm quan trọng cuả sự khám phá cuả Jansky. Công trình cuả Jansky mở đường cho ngành thiên văn vô tuyến, một ngành sau này đã đem lại nhiều cống hiến quý giá cho công việc nghiên cứu vũ trụ. Thiên văn vô tuyến có thể coi là một bước ngoặt trong ngành thiên văn hiện đại. Jansky mất năm 1950 ở tuổi 44, tuy ông không được giải Nobel, nhưng tên ông đã được dùng, như Ampère, Hertz, Coulomb, v.v … để đặt cho đơn vị thông lượng vô tuyến (1 Jansky = 10-26 watt/metre2/Hertz). Bell Labs là cái nôi của những nhà vật lý đoạt giải Nobel. Từ năm 1937 đến năm 2009, các nhà khoa học của Bell Labs đã đoạt được 7 giải Nobel vật lý.
Trong Đại Chiến Thế giới thứ II, kỹ thuật ăngten radar được phát triển để phát hiện tàu thủy, máy bay và tên lửa của phía địch. Nhà thiên văn vô tuyến người Anh, Sir Bernard Lovell, kể lại, tháng hai năm 1942 trong khi chiến tranh đang ở giai đoạn quyết liệt, chiến hạm Đức đi lại được trên eo biển Manche (giữa Pháp và Anh) mà không bị radar đồng minh phát hiện. Radar thu quá nhiều nhiễu nên bị tê liệt! Radar phòng không cũng có vấn đề, chủ yếu mỗi khi hướng về phía mặt trời. Các nhà thiên văn tại đài Thiên văn Greenwich (Anh) còn nhận thấy những ngày radar bị nhiễu là những ngày có nhiều vết đen xuất hiện trên đĩa mặt trời. Những vết đen là nơi xuất phát những vụ bùng nổ phóng các hạt ion ra môi trường liên hành tinh và đột nhập vào trái đất. Bức xạ vô tuyến phát ra từ mặt trời là nguyên nhân cuả sự tê liệt radar quân sự. Radar cũng được dùng để phòng thủ thủ đô London chống tên lửa V-1 và V-2 của Đức. Đôi khi có những lệnh báo động, dù không có tên lửa oanh tạc. Lý do là vì radar cũng bị nhiễu bởi những vệt ion hoá của sao băng để lại trên bầu trời. Do chiến tranh, sự phát hiện bức xạ vô tuyến của mặt trời tạm được giữ kín.
Cuộc cách mạng vô tuyến trong thiên văn học bắt đầu thực sự trong thời bình, sau cuộc Đại Chiến. Vào năm 1949, các chuyên gia đã từng làm nghĩa vụ quân sự sử dụng radar bắt đầu triển khai kế hoạch dùng thiết bị vô tuyến để phục vụ ngành thiên văn. Họ dùng những mạng lưới ăngten lưỡng cực đơn giản ?gYagi?h (loại ăngten TV), hoặc những ăngten radar quân sự để quan sát bức xạ vô tuyến phát ra từ các thiên hà và tàn dư cuả sao siêu mới. Mặt trời, (ngôi sao) gần Trái đất nhất, nên phát ra bức xạ vô tuyến rất mạnh. Bức xạ của mặt trời trong thời kỳ hoạt động tối thiểu, (mặt trời tĩnh), xuất phát từ những electron chuyển động hỗn độn trong khí quyển mặt trời. Bằng kỹ thuật vô tuyến, các nhà thiên văn thăm dò từng lớp khí quyển mặt trời. Từ bề mặt mặt trời lên tới những lớp ở độ cao trong tầng khí quyển (vành nhật hoa), nhiệt độ tăng từ 6000 Kelvin đến hàng triệu Kelvin. Những hạt ion có năng lượng cao phun ra từ mặt trời trong thời gian hoạt động tối đa và truyền tới tận trái đất, nên có khả năng gây ra nhiễu xạ cho vô tuyến viễn thông.
Kính thiên văn càng lớn càng có độ phân giải cao. Chẳng hạn, muốn có độ phân giải cao bằng 0,05 giây cung, tương ứng với kích thước biểu kiến rất nhỏ của những ngôi sao và những thiên hà xa xôi, thì cần phải sử dụng kính thiên văn lớn tới 3800 Km! Xây những ăngten lớn như thế đương nhiên là vượt ra ngoài khả năng kỹ thuật. Các nhà thiên văn vô tuyến đã nghĩ ra một phương pháp khả thi để giải quyết vấn đề này. Dựa trên nguyên lý giao thoa trong quang học, họ xây những hệ gồm nhiều ăngten nhỏ nhưng cách xa nhau. Những ăngten hoạt động tương quan với nhau và càng cách xa nhau càng có độ phân giải cao. Sau này, những hệ kính thiên văn vô tuyến xuyên lục địa gồm những ăngten cách nhau hàng nghìn kilomet đã được sử dụng trong thiên văn học.
Bức xạ vô tuyến trên những bước sóng dài, khoảng 10 cm trở lên, truyền trong không gian mà không bị hấp thụ bởi bụi trong những thiên hà và hơi nước trong khí quyển trái đất. Kính thiên văn vô tuyến được dùng để thăm dò những vùng xa xôi trong vũ trụ.
Vạch phổ hydro trên bước sóng 21 cm và
sự phát hiện cấu trúc
xoắn ốc của Dải Ngân Hà
Môi trường liên sao trong vũ trụ chứa tới 90% nguyên tố hoá học dưới dạng khí hydro. Năm 1944 khi hãy còn là một cậu sinh viên, nhà thiên văn kiêm toán học Hà Lan, van de Hulst, tiên đoán là nguyên tử hydro trung hoà phát ra một vạch phổ trên bước sóng vô tuyến 21 cm. Vạch phổ này được phát ra mỗi khi cặp spin của electron và cuả proton chuyển từ trạng thái song song sang trạng thái đối song, tương ứng với hai mức năng lượng siêu tinh tế (hyperfine energy levels) ở trạng thái năng lượng cơ bản. Vì sự chênh lệch năng lượng giữa hai mức siêu tinh tế rất nhỏ nên photon có năng lượng thấp và phát ra bức xạ vô tuyến trên bước sóng 21 cm (tần số ν = 1420,4 megahertz). Sự chuyển tiếp tự nhiên cuả mỗi nguyên tử hydro từ trạng thái spin song song sang trạng thái đối song rất hiếm và chỉ xẩy ra một lần trong 11 triệu năm ! Nhưng vì hydro là nguyên tố có số lượng rất lớn nên vạch phổ 21 cm trở nên mạnh nhất và phổ biến nhất, so với các vạch phổ của các nguyên tố khác.
Sư phát hiện vạch phổ hydro tiên đoán bởi van de Hulst là một trong những mục tiêu đầu tiên cuả các nhà thiên văn khi họ sử dụng kính vô tuyến. Năm 1951, vạch hydro xuất hiện trong phổ trên tần số như đã xác định bằng lý thuyết. Sau đó, vạch phổ hydro 21 cm được dùng để quan sát cấu trúc cuả Dải Ngân Hà. Kết quả quan sát ở Bắc Bán cầu cuả các nhà thiên văn Hà Lan được bổ sung bằng những kết quả đo được ở Nam bán cầu do các nhà thiên văn Úc cung cấp. Ngân Hà xưa kia được hình dung là một dải ánh sáng mờ ảo vắt ngang nền trời, nay được phát hiện là một thiên hà có cấu trúc xoắn ốc tương tự như vô vàn thiên hà khác trong vũ trụ.
Cấu trúc xoắn ốc cuả những thiên hà đã trở thành một bài toán thủy động lực học. Một trong những giải thích thỏa đáng đề xuất là những nhánh xoắn ốc phản ánh mật độ không đồng đều trong thiên hà và được tạo ra bởi một loại sóng gọi là "sóng mật độ". Tuy nhiên, họa tiết xoắn ốc xuất phát như thế nào vẫn còn là một vấn đề chưa được giải thích.
Dải Ngân Hà là một thiên hà trong đó có mặt trời (Sun) và trái đất. Hệ mặt trời cách trung tâm Ngân Hà khoảng 26.000 năm ánh sáng. Từ trái đất, chúng ta chỉ nhìn thấy thiên hà của chúng ta dưới dạng một dải ánh sáng chiếu lên nền trời. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong các thiên hà. Cấu trúc xoắn ốc cuả Ngân Hà được phát hiện bằng sự quan sát vạch phổ hydro trên bước sóng vô tuyến 21 cm. Sóng vô tuyến có ưu điểm là truyền qua khắp Ngân Hà mà không bị bụi và hơi nước hấp thụ. Những "Nhánh" (Arm) xoắn ốc chứa khí và bụi và những ngôi sao, xuất phát từ vùng trung tâm Ngân Hà trong đó có một cái thanh chứa khí và sao (ở giữa hình) cùng một lỗ đen khổng lồ vô hình nặng bằng 4 triệu lần mặt trời. ác nhánh xoắn ốc mang tên: 3 Kiloparsec, Sagittarius (Nhân Mã, Người bắn Cung), Norma (Củ Xích, Thước Thợ), Scutum-Centaurus (Thuẫn Bài, Lá Chắn - Bán Nhân Mã, Nửa Người nửa Ngựa), Orion (Lạp Hộ, Người đi Săn), Perseus (Anh Tiên, Dũng Sĩ), Outer (Ngoài). (Hình NASA/JPL-Caltech).