Tiếng vọng từ Big Bang pdf

Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 1/11 Tiếng vọng từ Big Bang Craig J. Hogan Sóng hấp dẫn mang tới một phương pháp vô song để nghiên cứu sự lạm phát và những quá trình cơ bản khác của vũ trụ thời rất sơ khai, và có lẽ còn kết nối lí thuyết dây với thế giới thực nghiệm… Cái nhìn của chúng ta về vũ trụ mãi mãi thay đổi. Kể từ khi khoa học bắt đầu, tất cả kiến thức của chúng ta về cái nằm trên, nằm dưới, và nằm xung quanh chúng ta đến từ những dạng năng lượng đã quen thuộc từ lâu nay: đó là ánh sáng, phát ra bởi những đối tượng thiên văn xa xôi; và vật chất, dưới dạng các hạt như tia vũ trụ. Nhưng hiện nay chúng ta đang ở một vị trí nghiên cứu vũ trụ bằng một dạng hoàn toàn khác của năng lượng mà cho tới nay vẫn chưa phát hiện trực tiếp được – đó là các sóng hấp dẫn. Là một tiên đoán chủ yếu của thuyết tương đối rộng Einstein, các sóng hấp dẫn là những dao động của không-thời gian phát sinh bởi sự gia tốc của tất cả các dạng khối lượng và năng lượng. Những môi trường hấp dẫn cực mạnh như lỗ đen hoặc sao đôi neutron phát ra các sóng có biên độ lớn nhất, còn tần số sóng phụ thuộc các nguồn đó chuyển động như thế nào. Những chuyển động quy mô nhỏ, như chuyển động của các lỗ đen khối lượng cỡ sao, phát ra sóng hấp dẫn tần số cao, còn những đối tượng lớn hơn, như các lỗ đen siêu trọng, chuyển động chậm hơn và tạo ra tín hiệu có tần số thấp hơn. Truyền qua tất cả các loại vật chất ở tốc độ ánh sáng, sóng hấp dẫn lấp đầy toàn bộ vũ trụ và do đó có thể mang thông tin từ sự khai sinh của chính không-thời gian. Nguồn phát sóng hấp dẫn mạnh nhất (màu đỏ) là sự hợp nhất của hai lỗ đen (Ảnh: NASA) Trên toàn thế giới, một vài máy dò sóng hấp dẫn hiện đang thu thập dữ liệu, trong niềm hi vọng rằng chúng sẽ lần đầu tiên phát hiện được những nhiễu động nhỏ xíu này của không-thời gian. Những giao thoa kế khổng lồ này – LIGO ở Mĩ, GEO-600 ở Đức, VIRGO ở Italia và TAMA ở Nhật Bản – đều đang từng phút tìm kiếm những thay đổi chiều dài tương đối của hai cánh tay kích cỡ kilomét gây ra bởi sự truyền sóng hấp dẫn. Trong vài năm tới, chúng sẽ có thể phát hiện những tín hiệu tần số cao (cỡ 100 Hz hoặc cao hơn) phát ra bởi những vật thể hấp dẫn mạnh mẽ nhất (xem hình 1). Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 2/11 Các máy dò sóng hấp dẫn không chỉ hạn chế chỉ ở Trái Đất: một dự án quốc tế gọi là Laser Interferometer Space Antenna (LISA) hiện nay đang chờ đủ quỹ tài trợ để có thể phóng lên quỹ đạo vào khoảng năm 2017. Thoát khỏi môi trường ồn ào của hành tinh chúng ta, ba phi thuyền của LISA sẽ sử dụng laser để hình thành một bộ ba cánh tay giao thoa kế, mỗi cánh dài 5 triệu kilomét. Do đó sứ mệnh này sẽ có thể phát hiện được sự nhiễu động trong không-thời gian xuống tới 1 mHz và thấp hơn nữa, thăm dò vùng phổ sóng hấp dẫn được biết là chứa một số lượng lớn và đa dạng nguồn phát. Hình 1. Phổ sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn mở ra một cánh cửa mới nhìn vào vũ trụ sẽ cho phép chúng ta khảo sát những sự kiện mà không có tín hiệu điện từ nào tồn tại. Trong vài năm tới, các giao thoa kế mặt đất GEO- 600, LIGO, VIRGO và TAMA có thể phát hiện được các sóng hấp dẫn tần số cao phát ra bởi những đối tượng thiên văn cực mạnh, mang lại khám phá trực tiếp đầu tiên về những nhiễu động này trong không-thời gian. Với những cánh tay dài hơn nhiều của nó, giao thoa kế LISA, nếu được phóng lên, sẽ có thể phát hiện các sóng hấp dẫn tần số thấp hơn, có khả năng là những sóng đó phát ra bởi những biến đổi pha trong vũ trụ sơ khai. Ở những tần số thấp hơn, những thí nghiệm khác cũng sẽ tìm kiếm các tín hiệu nhỏ xíu của sóng hấp dẫn trong nền vi ba vũ trụ (Ảnh: NASA) Vì sóng hấp dẫn cho phép chúng ta nghiên cứu vũ trụ với một dạng thức mới của năng lượng liên quan đến tất cả mọi thứ, nên các máy dò sóng hấp dẫn có lẽ cũng đưa tới những khám phá hoàn toàn bất ngờ - giống như kính thiên văn và kính hiển vi đã từng thực hiện trong thời đại của chúng. Ngoài ra, sóng hấp dẫn còn mang lại một ghi nhận chi tiết những sự kiện xảy ra trong giây thứ nhất, thứ hai,… của vũ trụ, cho phép chúng ta chế ngự các mô hình như mô hình lạm phát vũ trụ, và những cơ sở vật lí cực đoan và chưa được hiểu rõ khác của vũ trụ sơ khai. Thật vậy, các nhiễu động ma quái này của không-thời gian đã thực sự hướng vũ trụ sơ khai vào phòng thí nghiệm phức tạp cho nền vật lí năng lượng cao, có thể giúp giải quyết bài toán hấp dẫn lượng tử. Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 3/11 Khảo sát vũ trụ lạm phát Sự hấp dẫn đã hé mở cho chúng ta về một vũ trụ không nhìn thấy được. Khoảng 70 năm về trước, Fritz Zwicky đã khám phá ra hiệu ứng hấp dẫn của cái mà ngày nay chúng ta gọi là vật chất tối, khi ông nhận thấy tốc độ chuyển động của những thiên hà nhất định không thể giải thích được bằng lượng vật chất nhìn thấy. Xác định bản chất của riêng vật chất tối – ngày nay được cho là chúng cấu tạo nên khoảng 21% của vũ trụ - là một trong những thách thức lớn của nền vật lí hiện đại. Hơn nữa, khoảng 10 năm trước đây, các nhà thiên văn nhận thấy thậm chí một phần lớn hơn nữa của vũ trụ (chừng 75%) được cấu tạo từ “năng lượng tối” – một chất đẩy hấp dẫn gây ra sự giãn nở của vũ trụ gia tốc. Vậy liệu chúng ta có thể bắt đầu dự đoán cái chúng ta có thể tìm thấy khi sử dụng chính sự hấp dẫn để khảo sát vũ trụ ? Hình 2. Sự tiến hóa của vũ trụ. Vũ trụ đã trải qua những sự thay đổi kịch tính trong lịch sử 13,7 tỉ năm của nó, mặc dù hiểu biết của chúng ta về vũ trụ sơ khai vẫn còn nhiều chỗ hở. Nền vi ba vũ trụ cho biết cường độ và sự phân cực của ánh sáng ban sơ khi nó 380.000 năm tuổi sau Big Bang, lúc vũ trụ trở nên trong suốt với ánh sáng. Do đó chúng ta không thể sử dụng bức xạ điện từ để nghiên cứu trực tiếp vũ trụ trước thời điểm này, mặc dù sự lạm phát ở nhiệt độ và sự phân cực của nền vi ba trên quy mô rất lớn thật sự bảo quản những sự kiện sớm hơn nhiều xảy ra trong sự lạm phát vũ trụ. Mặt khác, sóng hấp dẫn truyền trực tiếp tới máy dò của chúng ta từ chính sự bắt đầu rất sớm của thời gian, mang thông tin về những sự kiện vũ trụ ở mọi quy mô qua toàn bộ lịch sử vũ trụ (Ảnh: NASA) Trong khi chúng ta có khả năng khám phá được những nguồn không biết trước phát ra sóng hấp dẫn trong vũ trụ gần đây (tức là chưa lâu lắm), một hi vọng là các máy dò sóng hấp dẫn sẽ cho chúng ta biết về những điều kiện hấp dẫn cực mạnh tồn tại sớm hơn nhiều trong lịch sử của vũ trụ (xem hình 2). Bức xạ điện từ đã mang tới bằng chứng trực tiếp của nhiều quá trình xảy ra trong thời kì này. Ví dụ, quang phổ từ vật chất ở xa đã gián tiếp soi sáng cách thức hạt nhân nhẹ được tạo ra Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 4/11 trong vài phút đầu tiên của vũ trụ, còn phông nền vi ba vũ trụ cho một bức ảnh chụp nhanh của vũ trụ khi nó mới 380.000 tuổi sau Big Bang. Phông nền này – một biển bức xạ điện từ tần số thấp lạnh lẽo – được tạo ra sau khi vũ trụ giãn nở và đủ lạnh để cho phép nguyên tử hydrogen hình thành (quá trình gọi là tái kết hợp). Các photon trước đó bị tán xạ bởi những hạt tích điện trong plasma nguyên thủy bây giờ có thể truyền đi tự do – bước sóng quan sát được của chúng ngày nay trải ra trong vùng phổ vi sóng. Phông viba vũ trụ cho chúng ta biết nhiều về sự truyền sóng âm trong plasma nguyên thủy, ngoài những kết quả quan trọng khác, chẳng hạn như hình học của không gian. Nhưng sóng hấp dẫn có thể cho chúng ta biết còn nhiều hơn nữa về vũ trụ sơ khai bằng cách khảo sát chuyển động xảy ra ở thời điểm sớm như thế và ở quy mô nhỏ như thế mà những vết tích điện từ của nó đã bị xóa sạch trong trạng thái cân bằng nhiệt (xem hình 2). Ý tưởng hiện nay được trích dẫn nhiều nhất là khả năng phát hiện sóng hấp dẫn từ sự lạm phát vũ trụ, một thời kì giãn nở gia tốc bắt đầu tức thời ngay sau Big Bang trong thể tích của vũ trụ tăng lên tới 10 80 lần trong khoảng thời gian một phần rất nhỏ của một giây. Sự lạm phát là mô hình tốt nhất mà chúng ta có dùng để giải thích cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ - nói cách khác, là sự hình thành vũ trụ to lớn, giải thích cái hích ban đầu cho sự giãn nở của vũ trụ và giải thích sự phát sinh các dao động trong không-thời gian ươm mầm cho sự hình thành thiên hà. Cho đến nay, chúng ta biết rất ít về nền vật lí của những chương vô cùng cơ bản này của lịch sử vũ trụ. Khi sóng hấp dẫn được tạo ra ở quy mô lượng tử trong sự lạm phát, việc phát hiện ra chúng sẽ cho biết sự tồn tại của graviton – hạt giả định trung chuyển hấp dẫn và do đó là của chính không-thời gian. Những lượng tử đơn độc này được cho là có những dao động in dấu vết nhỏ lên cấu trúc của không-thời gian được bơm căng lên quy mô lớn bởi sự lạm phát. Việc phát hiện những sóng hấp dẫn nguyên thủy đó, do đó sẽ kiểm tra xem cơ học lượng tử có còn đúng dưới những mật độ rất cao. Nó cũng cho phép các nhà vũ trụ học ước tính những thông số như tốc độ giãn nở lạm phát hiện nay không được nắm rõ lắm. Các sóng nguyên thủy Cách tốt nhất để tìm kiếm những sóng hấp dẫn sơ khai này là nghiên cứu bức xạ vi ba nền vũ trụ (CMB). Nhờ nhiều kết quả tuyệt vời từ những thí nghiệm như Cosmic Background Explorer (COBE) và Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), chúng ta đã phát hiện được vết tích của những lượng tử khác trong CMB – nhờ công trình đó mà các nhà nghiên cứu ở COBE là John Mather và George Smoot đã được trao giải Nobel Vật lí năm 2006. Sự chênh lệch nhỏ nhiệt độ của nền vi sóng ở một mảng khác của bầu trời là bằng chứng trực tiếp cho các dao động trong “trường lạm phát” đã chi phối sự lạm phát. Những dao động này là lí do tại sao vật chất lại kết khối với nhau để tạo ra các thiên hà và những cấu trúc vũ trụ khác mà chúng ta nhìn thấy ngày nay. Với những cố gắng thực nghiệm còn anh dũng hơn nữa, người ta có thể khám phá ra tín hiệu yếu hơn nhiều của graviton trong phông nền vi sóng. Để tách biệt những đóng góp của các dao động do graviton và do inflaton, chúng ta cần nghiên cứu sự phân cực của CMB. Những photon này trở nên bị phân cực – tức là thành phần điện trường của sóng điện từ có xu hướng ngả về một Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 5/11 hướng nào đó – khi chúng tán xạ khỏi các electron tự do trong sự tái kết hợp hoặc vài trăm triệu năm sau đó khi những ngôi sao đầu tiên hình thành và tái ion hóa chất khí bao xung quanh. Do hình ảnh dao động nhiệt độ trong CMB có một thành phần “tứ cực” – nghĩa là dọc theo một số trục nó sáng hơn so với dọc theo những trục khác – nên các electron sẽ dao động nhẹ dọc theo những hướng nhất định nhiều hơn. Điều này làm tăng những sự phân cực khác, nhưng tín hiệu tứ cực phát ra bởi sóng hấp dẫn thật đặc biệt do chính sóng hấp dẫn có một đặc trưng tứ cực hoàn toàn (Tính chất này cho phép chúng ta phát hiện sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế, xem hình 3). Kết quả là sóng hấp dẫn có thể phát sinh những dao động phân cực xảy ra ở những nơi không có sự nhiễu loạn nhiệt độ cục bộ. Hình 3. Sóng hấp dẫn trên mặt đất. Thiết bị LIGO tại Đài quan sát Hanford ở bang Washington, Mĩ, là một trong số vài giao thoa kế mặt đất có thể sớm thực hiện được sự phát hiện trực tiếp đầu tiên ra sóng hấp dẫn. Thiết bị là một giao thoa kế Michelson, đo những thay đổi rất nhỏ chiều dài của hai cánh tay dài 4 km vuông góc nhau của nó bằng cách làm bật ra một xung laser mạnh khỏi hai cái gương lớn tại đầu của mỗi cánh tay. Thiết kế này được chọn vì sự dịch chuyển khối lượng gây ra bởi sóng hấp dẫn truyền qua có một đặc trưng ngang và tứ cực, sóng trải ra và nén theo hướng vuông góc ngang với hướng truyền sóng. Cánh tay giao thoa kế càng dài thì thiết bị càng nhạy với những sự dịch chuyển như thế (Ảnh: LIGO Laboratory) Năm 2001, các nhà nghiên cứu làm việc ở thí nghiệm DASI tại Nam Cực đã phát hiện những dao động phân cực trong CMB ở mức độ mong đợi – tức là một vài phần trăm của dao động nhiệt – và từ đó những thí nghiệm khác như WMAP, BOOMERANG và Cosmic Bachground Imager đã xác nhận và mở rộng kết quả DASI (xem hình 4). Nhưng việc gỡ rối tín hiệu phân cực có liên quan chỉ có thể mong chờ từ graviton – bao hàm một hình ảnh phân cực giống như xoáy – thì khó hơn nhiều vì những đóng góp của nó quá nhỏ. Việc phát hiện hình ảnh phân cực ở mức độ yếu hơn là mục tiêu của những thí nghiệm mới như Robinson Gravitational Wave Background Telescope ("BICEP") ở Nam Cực và nhiều thí nghiệm đa dạng đã được lên kế hoạch và đề xuất cả ở trên mặt đất và trong không gian, gồm Planck Explorer của Cơ quan Không gian châu Âu, và cuối cùng là Beyond Einstein Inflation Probe của NASA. Thật vậy, một ngày nào đó có thể người ta sẽ phát hiện được những sóng hấp dẫn lạm phát do graviton này bằng một giao thoa kế. Với độ yếu và tần số cao của tín hiệu đã biết, khả năng thực hiện điều này là có thể trong mươi mười năm nữa. Nhưng người ta phải luôn luôn ghi nhớ khả năng có sự bất ngờ. Ví dụ, có những mẫu vũ trụ học “tiền Big Bang” kì lạ, trong đó các sóng tần số cao đủ mạnh để phát hiện được với kĩ thuật hiện nay. Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 6/11 Nếu như hình ảnh graviton được tìm thấy, nó sẽ cho biết nhiều hơn về mức độ nhanh mà vũ trụ giãn nở trong sự lạm phát và thực sự hé mở về chính sự hấp dẫn, vì dấu hiệu trực tiếp của graviton mang lại một sự kiểm tra có sức thuyết phục của cơ học lượng tử dưới những điều kiện hiếm khi gặp và cực đoan. Mặt khác, giống như nhiều hiệu ứng hấp dẫn khác đã mô tả ở đây, người ta không thể nào phát hiện được tất cả. Ví dụ, nếu như sự lạm phát xảy ra quá chậm, sự đóng góp của graviton có thể đơn giản là quá yếu để phát hiện được. Hình 4. Bản đồ phân cực của phông nền vi sóng. Năm 2003, phi thuyền WMAP đã đo được những dao động rất nhỏ - khoảng 1/100.00 – nhiệt độ của bức xạ nền vũ trụ (vùng có màu). Những dao động này, phù hợp tuyệt vời với những tiên đoán của lí thuyết Big Bang, phát ra trong sự lạm phát và tiến triển dưới sự ảnh hưởng của cả hấp dẫn và áp suất của plasma vật chất bức xạ trước khi các hạt trong plasma tái kết hợp hình thành nên nguyên tử hydrogen. Chôn vùi trong hình ảnh này có thể cũng là các dao động từ sóng hấp dẫn nguyên thủy, nhưng với dấu hiệu của chúng, các nhà nghiên cứu phải lập bản đồ chi tiết sự phân cực của các photon cũng như nhiệt độ của chúng (các đường màu trắng biểu diễn vectơ phân cực điện). Vì sóng hấp dẫn tạo ra một tứ cực không đẳng hướng và do đó gây ra sự phân cực mà không có sự dao động nhiệt độ, nên chúng (và chỉ có chúng) có thể phát ra hình ảnh phân cực không thể biểu diễn dưới dạng gradient của một vô hướng (Ảnh: NASA) Sự chuyển pha vũ trụ Có thể là vũ trụ vẫn phẳng lặng về mặt hấp dẫn và yên tĩnh sau khi lạm phát, với một ít sóng hấp dẫn phát ra. Mặt khác, sự lạm phát có thể trở nên không bền khi nó đi tới tận cùng, gây ra chuyển động khối của khối lượng và năng lượng phát ra nhiều sự nhiễu hấp dẫn. Do đó, sóng hấp dẫn mang đến dấu hiệu độc nhất vô nhị của nền vật lí này và những sự chuyển pha chủ yếu khác trong vũ trụ sơ khai làm thay đổi tiến trình lịch sử vũ trụ. Ở cuối kì lạm phát, năng lượng chân không nội khổng lồ chi phối sự giãn nở được cho là chuyển sang năng lượng bình thường, không lạm phát – tức là bức xạ nhiệt dưới dạng nhiều hạt chuyển động nhanh, một số trong chúng tiếp tục trở thành phông nền vi sóng vũ trụ. Sự chuyển pha này xảy ra như thế nào phụ thuộc vào cách mà năng lượng chân không nội của sự lạm phát kết hợp với các trường vật lí khác, ví dụ như các trường đã được mô tả bởi Mô hình Chuẩn của nền vật lí hạt. Mặc dù sự kết hợp này hiện nay không được hiểu rõ lắm, những các mô hình lạm phát cho thấy một phần có thể đo được của năng lượng lạm phát có thể thật sự chuyển thành nhiễu hấp dẫn. Không có lí do gì để nghi ngờ rằng những sự chuyển pha như thế trong vũ trụ lại khác biệt hẳn với những gì nhìn thấy hàng ngày trên Trái Đất. Thật vậy, sự lạm phát có thể có một kết thúc tốt đẹp trong một sự chuyển pha giống như nước chuyển từ thể lỏng sang thể hơi. Khi bạn đun một ấm nước, nhiệt được chuyển thành năng lượng trong nước rồi thành năng lượng trong hơi nước, trong suốt quá Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 7/11 trình đó, dòng vật chất là không bền: hơi nước hình thành trong các bọt nước quá nhiệt vỡ ra dữ dội một khi chúng chuyển sang pha hơi, biến một bình nước nóng yên tĩnh thành những xoáy cuộn tròn. Trong vũ trụ sơ khai, một sự không ổn định tương tự có thể gây ra bởi sự quá lạnh từ sự giãn nở vũ trụ. Dòng năng lượng trong sự chuyển pha vũ trụ giống như trong một thác nước, với sự nhiễu loạn trong chất lỏng vũ trụ gây ra phông nền sóng hấp dẫn ngày nay. Những sự chuyển pha không mới mẻ gì trong vũ trụ học. Trước đây, vào năm 1949, Maria Mayer và Edward Teller đã viết một bài báo nói về những mảng vật chất giàu neutron khối lượng cỡ sao hình thành trong sự chuyển pha hạt nhân vũ trụ. Ngày nay, các nhà vật lí sử dụng Mô hình Chuẩn và máy gia tốc hạt để khảo sát tự nhiên ở những thời điểm còn sớm hơn nữa – và do đó có năng lượng cao hơn - trong lịch sử vũ trụ. Sự chuyển pha là một phần chủ yếu của Mô hình Chuẩn và các mở rộng khác của nó. Ví dụ, sắc động lực học lượng tử (QCD) - phần Mô hình Chuẩn mô tả cách thức các quark tương tác với nhau bằng cách trao đổi gluon – thường liên quan tới sự chuyển pha xảy ra ở năng lượng vài trăm MeV, nhờ đó mà pha “hadron tính” của vật chất hạt nhân quen thuộc (chẳng hạn proton và neutron) hợp nhất từ pha “súp quark” của các quark và gluon tự do. Ở quy mô giàu năng lượng tính hơn nhiều, vào cỡ TeV (10 12 eV), của vũ trụ sơ khai, chân không được cho là đã trải qua một sự chuyển đổi từ chân không “giả” (tương ứng với vũ trụ đối xứng trong đó tất cả các hạt đều không có khối lượng) thành chân không “thật” thuộc vũ trụ mà sự đối xứng bị phá vỡ và các hạt có khối lượng mà chúng ta nhìn thấy ở những mức năng lượng thấp hàng ngày. Việc khống chế các chi tiết của quá trình “phá vỡ đối xứng điện yếu” này, liên quan với nó là boson Higgs nổi tiếng, là mục tiêu ban đầu của Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN sẽ đi vào hoạt động vào đầu năm tới. Ý tưởng tìm kiếm sóng hấp dẫn từ QCD và sự chuyển pha vũ trụ điện yếu đã được đánh dấu từ những bài báo của Edward Witten thuộc trường Đại học Princeton và tôi hồi thập niên 1980. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu khác đã liên hệ sự chuyển pha với những nguyên lí vật lí ít được biết đến nhưng thuộc về vũ trụ học trong vũ trụ rất ban sơ. Ví dụ, năm 1993, Andy Cohen thuộc trường Đại học Boston và David Kaplan và và Ann Nelson thuộc trường Đại học San Diego, cả hai trường đều Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 8/11 ở Mĩ, cho rằng sự không cân xứng là kết quả của sự chuyển pha có lẽ một phần lò do số lượng hơi nhiều các hạt vật chất so với các hạt phản vật chất trong vũ trụ mà chúng ta quan sát thấy hiện nay – một quá trình quan trọng mà với nó chúng ta không hề có dữ liệu nào về sự dư thừa đó. Một khả năng hấp dẫn khác là sự chuyển pha là nguyên nhân tạo ra không gian ba chiều của chúng ta ở một số thời điểm trong vài phần triệu tỉ giây đầu tiên của vũ trụ. Hồi những năm 1990, các nhà lí thuyết dây phát hiện thấy thế giới ba chiều của chúng ta có thể được mô tả đơn thuần dưới dạng một “brane” ba chiều của trường Mô hình Chuẩn nằm trong một không gian nhiều chiều hơn. Không bao lâu sau đó, tôi đã đề xuất rằng sự ổn định của brane của chúng ta là kết quả của sự chuyển pha từ một cấu trúc khác trong những vũ trụ học brane như thế có thể tạo ra nền sóng hấp dẫn quan sát được – thực tế mang lại một sự kiểm tra cho một mẫu lí thuyết dây nhất định. Năm ngoái, Lisa Randall tại trường Đại học Harvard và Geraldine Servant tại CERN đã thực hiện một mô hình động lực học brane ổn định như thế tiên đoán một sự chuyển pha rất mạnh từ pha có số chiều cao hơn ban đầu sang “pha brane Randall-Sundrum”, và với nó bức xạ hấp dẫn có thể dễ dàng phát hiện ra với LISA. Giống như nhiều sự chuyển pha tiêu biểu, phổ sóng hấp dẫn biểu thị một cực đại tại tần số gần với kích thước đường chân trời lệch về phía đỏ, là phạm vi mà ở đó những hoạt động vũ trụ học dữ dội nhất xảy ra, với quy luật lũy thừa, chuyển động quy mô nhỏ có tần số cao hơn, chuyển động phân hủy, chậm hơn có tần số thấp hơn. Vũ trụ tĩnh lặng Sự tồn tại của sự chuyển pha vũ trụ và những dấu hiệu hấp dẫn khả dĩ của chúng do đó cho thấy vũ trụ sơ khai không phải là một nơi yên tĩnh như nhiều người vẫn tưởng. Trong tất cả những ví dụ chuyển pha này, năng lượng được giải phóng trong quá trình lắng dần sang trạng thái mới, năng lượng thấp hơn ban đầu phát sinh dưới dạng chuyển động khối và chỉ sau này mới nhiệt hóa thành chuyển động hạt vi mô. Bằng cách sử dụng sóng hấp dẫn để suy luận ra nhiệt độ tới hạn hay “điểm sôi” của những sự chuyển pha như vậy và lượng nhiệt tiềm tàng của chúng, chúng ta có thể nghiên cứu những quá trình vũ trụ khó lòng đo được bằng các phương pháp khác. Việc chúng ta có thật sự phát hiện được sóng hấp dẫn tạo ra bởi những sự chuyển pha như vậy hay không là tùy thuộc vào tần số và biên độ của chúng. Tần số của sóng được đặt ra bởi thời gian cần thiết để các bọt đặc trưng của “chất lỏng vũ trụ” va chạm nhau, còn biên độ được xác định bởi kích thước của bọt và tốc độ chúng va chạm. Do đó, cả tần số và biên độ đều được xác định bằng sự phân tách đặc thù của các bọt, có thể ước tính thông qua các nguyên lí nhiệt động lực học cơ bản từ nhiệt độ tới hạn và ẩn nhiệt mà không cần biết đến chi tiết vật lí của sự chuyển pha. Ví dụ, chúng ta mong đợi sự tạo thành hạt nhân bọt phát triển nhanh chóng khi vũ trụ lạnh đi xuống dưới nhiệt độ tới hạn của sự chuyển pha và ngừng lại khi sự phân tách giữa các bọt đạt tới gần vài phần trăm kích thước của vũ trụ tại thời điểm chuyển pha. Hiệu suất mà năng lượng được chuyển thành sóng hấp dẫn, yếu tố xác định biên độ của chúng, cũng được ước tính là khoảng 1% hoặc thấp hơn. Con Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 9/11 số này nghe có vẻ rất nhỏ, nhưng vì sự lệch về phía đỏ bởi sự giãn nở của không gian giống hệt như ánh sáng thông thường, nên có thể có một phông nền sóng hấp dẫn nhiễu nữa với mật độ năng lượng thấp hơn 100 lần so với bức xạ nền vũ trụ. Khoản này có thể sánh với lượng ánh sáng sao trong toàn bộ vũ trụ. Tần số của bức xạ sóng hấp dẫn phụ thuộc vào lúc xảy ra sự chuyển pha. Bước sóng ngày nay là bước sóng nguyên thủy của nó (tức là khoảng 1% kích thước của vũ trụ khi đó) trải dài ra bởi lượng vũ trụ giãn nở kể từ đấy. Ví dụ, sự chuyển pha điện yếu có “cỡ bọt” khoảng 1 milimét – thật sự không quá khác biệt với bọt trong ấm đun nước ở nhà bạn – cho nên đó là bước sóng điển hình của sóng hấp dẫn nhiễu khi chúng được tạo ra. Một khi nó bị lệch về phía đỏ đối với thời điểm hiện tại, bước sóng của những sóng hấp dẫn này trải dài ra tới 100 triệu kilomét. Bước sóng này tương ứng với tần số trong ngưỡng milihertz, tần số mà chúng ta có khả năng phát hiện với các giao thoa kế như LISA (hình 5). Hình 5. Dò tìm sóng hấp dẫn trong không gian Một giao thoa kế trong không gian có thể có những cánh tay rất dài và trải qua sự giao thoa nhỏ từ những dao động không mong đợi gây nhiễu tương tự như những thiết bị trên mặt đất. Một dụng cụ như vậy, do đó, có thể nhạy với các sóng hấp dẫn tần số thấp được tạo ra, ví dụ, bởi các lỗ đen siêu trọng, các hệ sao đôi lùn trắng và sự chuyển pha ở bậc tera trong vũ trụ ban sơ. LISA, thiết bị sẽ được phóng lên quỹ đạo trong 10 năm tới, sẽ chứa các khối hợp kim vàng-platin trôi nổi bên trong những cái hộp trong ba phi thuyền (tức là ở nơi chỉ có lực hấp dẫn tác dụng lên chúng). Laser sẽ đo sự chênh lệch hạ nguyên tử giữa vị trí của mỗi khối với những khối tương tự trong hai phi thuyền kia cách đấy 5 triệu kilomét gây ra bởi sóng hấp dẫn truyền qua (Ảnh: ESA) Bản giao hưởng vũ trụ Được xem xét dưới dạng bức xạ hấp dẫn, vũ trụ ban sơ mang tới một phòng thí nghiệm vật lí hiệu quả bổ sung cho các máy gia tốc hạt như LHC. Điều kiện trong vũ trụ sơ khai ở mức năng lượng TeV sẽ sánh được với năng lượng va chạm proton-proton tại LHC, nhưng hệ vũ trụ “tồn tại” lâu hơn nhiều so với các va chạm LHC và liên quan tới nhiều hạt hơn. Thật vậy, với thuật ngữ chuyển pha, bao gồm hiệu ứng tập thể của nhiều hạt, vũ trụ sơ khai mang tới một phòng thí nghiệm thậm chí còn tốt hơn cả LHC ! Tuy nhiên, sự chuyển pha và lạm phát không phải là phương thức duy nhất tạo ra nền sóng hấp dẫn mạnh. Các lí thuyết vật lí tiến xa hơn Mô hình Chuẩn – gọi Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 10/11 là lí thuyết dây – bao gồm những cấu trúc kì lạ như brane và dây, ngoài các hạt và trường thông thường. Ở phạm vi vi mô của hạt nhân nguyên tử, hành trạng giống như dây được suy luận theo kiểu mà lực mạnh liên kết các proton với nhau. Nhưng có thể là tồn tại những dây bền dài hơn nhiều, hơi giống với những lốc xoáy mỏng, dài trong chân không. Những “dây vũ trụ” như thế - nếu như tồn tại – có thể hình thành nhiều trong vũ trụ sơ khai, bị khuyết vào ở cuối kì chuyển pha lạm phát và kéo căng ra đến kích thước lớn bởi sự giãn nở vũ trụ, mất mát năng lượng chủ yếu bởi sự phát ra sóng hấp dẫn. Thỉnh thoảng, chúng có thể còn rạn nứt giống như cái roi da và có “âm thanh” sóng hấp dẫn tí tách dễ phân biệt, một hiện tượng mà Thibaud Damour ở Institut des Hautes Etudes Scientifique ở Paris và Alex Vilenkin ở trường Đại học Tufts, Mĩ, mới đây đã đề xuất sẽ mang lại những dấu hiệu cho biết sự tồn tại của các dây. Tính chất của các dây vũ trụ bị chế ngự bởi sóng hấp dẫn mà chúng sinh ra. Ví dụ, khối lượng trên đơn vị chiều dài của dây phải nhỏ hơn 10 -9 đơn vị không thứ nguyên, nếu không thì nền sóng hấp dẫn của chúng sẽ bị phát hiện ra ngay. Thật vậy, sự ràng buộc về nền sóng hấp dẫn này không đến từ giao thoa kế mà đến từ sự nhịp xung từ những pulsar mili giây xa xôi. Giống như những chiếc bánh đà khổng lồ, các sao neutron đang quay ở xa này quay chậm dần tới tốc độ ổn định mà bạn có thể tiên đoán thời gian đến đều đặn của các xung với độ chính xác khoảng 1 mili giây trên thập kỉ (Những xung này cũng được dùng để theo dõi sự thay đổi quỹ đạo trong hệ do bức xạ hấp dẫn – khám phá mang đến bằng chứng tốt nhất cho sóng hấp dẫn từ trước tới nay và đã đưa tới giải Nobel Vật lí năm 1993 cho Russell Hulse và Joseph Taylor). Sự ổn định khả kiến của các tín hiệu pulsar đó có thể bị phá vỡ nếu như có một nền sóng hấp dẫn vũ trụ như vậy. Tuy nhiên, khi LISA được phóng lên quỹ đạo trong chừng một thập kỉ nữa, thì những giới hạn về dây vũ trụ sẽ đạt được tốt hơn rất nhiều và có lẽ chúng ta sẽ thật sự phát hiện ra các nhiễu hấp dẫn từ chúng. Việc phát hiện các dây vũ trụ từ bức xạ hấp dẫn của chúng sẽ cho chúng ta biết rất nhiều về cách mà các nền vật lí cơ bản tương thích với nhau. Các dây vũ trụ được mô tả cả ở trong lí thuyết dây và lí thuyết trường lượng tử, biểu hiện các mặt vẫn còn tiềm ẩn ở các hạt và trường phát hiện được từ trước tới nay. Điều quan trọng là các nhà vật lí đang thận trọng tìm kiếm nhằm xây dựng mối liên kết giữa lí thuyết dây và các hạt và trường đã biết, và cách thức nối kết chúng với lí thuyết lượng tử hấp dẫn. Khi lí thuyết dây bước vào thập kỉ thứ ba, điều trở nên quan trọng hơn bao giờ hết là kết nối những ý tưởng toán học tuyệt vời này với dữ liệu thực nghiệm thực tế. Nền khoa học mới của các sóng hấp dẫn do đó có thể được hé mở, cùng với việc chính xác hóa và lập bản đồ chi tiết hành trạng các lỗ đen, dấu hiệu của nền vật lí cơ bản mới. Đôi nét về nền sóng hấp dẫn • Một tiên đoán chủ yếu của thuyết tương đối rộng, các sóng hấp dẫn được phát ra khi các hệ khối lượng lớn như một sao đôi gia tốc và thay đổi hình dạng [...]... ra b i các dây vũ tr s k t n i lí thuy t dây v i các h t và trư ng ã bi t, và giúp tìm ki m lí thuy t lư ng t h p d n Craig J.Hogan hiepkhachquay d ch (theo Physics World, tháng 6/2007) Ti ng v ng t Big Bang | Trang 11/11 . Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 1/11 Tiếng vọng từ Big Bang Craig J. Hogan Sóng hấp dẫn mang tới một phương pháp vô song. Ví dụ, có những mẫu vũ trụ học “tiền Big Bang kì lạ, trong đó các sóng tần số cao đủ mạnh để phát hiện được với kĩ thuật hiện nay. Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 6/11 Nếu như hình ảnh graviton. photon này trở nên bị phân cực – tức là thành phần điện trường của sóng điện từ có xu hướng ngả về một Tiếng vọng từ Big Bang | Trang 5/11 hướng nào đó – khi chúng tán xạ khỏi các electron tự do