How We Learn

Vật chất tối, Fritz Zwicky và Vera Rubin – Michio Kaku

Vera Rubin, nhà thiên văn học nữ hiếm hoi trong lịch sử, qua đời ngày 25 tháng 12 vừa qua. Trong những năm 1970, Vera Rubin và đồng nghiệp đã quan sát thiên hà Andromeda và xác nhận sự tồn tại của vật chất tối (dark matter) trong vũ trụ, một ý tưởng được Friz Zwicky ở Caltech đưa ra năm 1933. 

Vera Rubin hiểu hơn ai hết sự phân biệt giới trong khoa học, đặc biệt là thiên văn học, một lĩnh vực do nam giới thống trị hàng ngàn năm. No room for woman. Nhiều nhà vật lý đương đại cho rằng ủy ban Nobel bỏ quên Vera Rubin là việc rất đáng trách. 

Dưới đây là “Omega và Vật chất tối” trích từ Các thế giới song song của tác giả Michio Kaku (Nhã Nam, NXB Thế Giới, 2015).

OMEGA VÀ VẬT CHẤT TỐI

Câu chuyện về vật chất tối có lẽ là một trong những chương kỳ lạ nhất trong vũ trụ học. Trở lại thập niên 1930, nhà thiên văn người Thụy Sĩ không theo một khuôn phép nào là Fritz Zwicky của Cal Tech nhận thấy rằng các thiên hà trong quần thiên hà Tóc Tiên (Coma) không di chuyển chính xác theo học thuyết hấp dẫn của Newton. Ông thấy các thiên hà này di chuyển nhanh tới mức lẽ ra chúng phải bay tứ tán và đám thiên hà này phải tan rã, nếu tuân theo các định luật Newton về chuyển động. Ông nghĩ rằng cách duy nhất mà quần thiên hà Tóc Tiên có thể được giữ lại với nhau, thay vì bay tứ tán ra ngoài, là cụm này phải có lượng vật chất nhiều hơn hàng trăm lần so với lượng vật chất có thể nhìn thấy được bằng kính thiên văn. Hoặc là các định luật Newton vì lý do nào đó đã không còn đúng ở các khoảng cách tầm thiên hà hoặc đã có một lượng rất lớn vật chất vô hình bị bỏ sót trong quần thiên hà Tóc Tiên đã giữ nó lại cùng nhau.

Điều này là dấu hiệu đầu tiên trong lịch sử rằng có một cái gì đó hết sức không ổn liên quan tới sự phân bố của vật chất trong vũ trụ. Điều không may là các nhà thiên văn đã đồng loạt từ chối hoặc bỏ qua công trình tiên phong này của Zwicky, vì vài lý do.

Trước hết, các nhà thiên văn khó có thể chấp nhận rằng thuyết hấp dẫn của Newton, vốn đã thống trị vật lý trong vài thế kỷ, lại có thể không đúng. Có một tiền lệ để xử lý các khủng hoảng giống như vậy trong thiên văn học. Khi quỹ đạo của sao Thiên Vương được phân tích trong thế kỷ 19, người ta thấy rằng nó bị lắc lư – bị lệch một lượng nhỏ so với các phương trình của Isaac Newton. Vì vậy, hoặc là Newton sai, hoặc phải có một hành tinh mới mà lực hấp dẫn của nó đã lôi kéo sao Thiên Vương. Hóa ra điều thứ hai là đúng, và sao Hải Vương được tìm thấy ngay từ nỗ lực đầu tiên vào năm 1846 bằng việc phân tích vị trí dự đoán của nó theo các định luật Newton.

Thứ hai, có vấn đề liên quan đến tính cách của Zwicky và đến việc các nhà thiên văn đã đối xử với những “kẻ ngoại đạo” như thế nào. Zwicky là một người nhìn xa trông rộng nhưng thường hay bị chế giễu hay bị bỏ qua trong suốt cuộc đời. Năm 1933, cùng với Walter Baade, ông đã đặt ra từ “supernova” (“sao siêu mới”) và dự đoán đúng rằng một sao nơtron nhỏ, kích thước khoảng 14 dặm (22,5 km), sẽ là tàn tích cuối cùng của một ngôi sao nổ tung. Ý tưởng này kỳ dị tới mức nó đã bị đả kích trong một bức tranh biếm họa trên nhật báo Los Angeles Times vào ngày 19 tháng 1 năm 1934. Zwicky tức giận một nhóm nhỏ các nhà thiên văn thượng lưu, những kẻ mà ông nghĩ rằng đã ra sức không công nhận ông, đã ăn cắp các ý tưởng của ông và không cho ông làm việc trên các kính viễn vọng 100 và 200 inch (2,5 m và 5 m). (Ngay trước khi ông qua đời vào năm 1974, Zwicky tự xuất bản một danh lục liệt kê các thiên hà. Danh lục này mở đầu với tiêu đề: “Một lời nhắc nhở với các Tu sĩ Cao cấp của Thiên văn học Mỹ và những kẻ nịnh hót họ.” Bài tiểu luận này đã đưa ra lời phê phán nghiêm khắc bản chất bè phái, hẹp hòi của tầng lớp thượng lưu trong giới thiên văn học, những kẻ có xu hướng loại trừ những người không tuân theo khuôn phép như ông. “Ngày nay những kẻ nịnh hót và những kẻ trộm cắp rõ ràng dường như được tự do, trong hội Thiên văn học Mỹ nói riêng, chiếm đoạt các khám phá và các sáng kiến do những con sói cô độc và những kẻ không theo lề thói tạo ra,”* ông đã viết như vậy. Ông còn gọi các cá nhân này là “những kẻ chết tiệt béo tròn,” bởi vì “chúng là những kẻ chết tiệt theo bất kỳ cách nào bạn nhìn chúng.” Ông còn điên tiết vì đã bị gạt ra khi giải Nobel được trao cho người khác do thành tích phát hiện ra sao nơtron.*)

Năm 1962, vấn đề lạ lùng nói trên trong chuyển động thiên hà được nhà thiên văn Vera Rubin tái khám phá. Bà đã nghiên cứu chuyển động quay của Ngân Hà và nhận thấy cùng một vấn đề; thế nhưng bà cũng đã nhận được cái nhún vai lạnh lùng từ cộng đồng thiên văn học. Thông thường, một hành tinh càng xa Mặt Trời thì nó càng di chuyển chậm. Và càng gần thì nó càng di chuyển nhanh. Lý do sao Thủy được đặt tên theo thần tốc độ[1] vì nó quá gần Mặt Trời, và vận tốc của sao Diêm Vương chậm hơn vận tốc của sao Thủy 10 lần vì nó ở xa Mặt Trời nhất. Tuy nhiên, khi Vera Rubin phân tích những ngôi sao xanh lam trong thiên hà của chúng ta, bà nhận thấy rằng những ngôi sao đó quay quanh thiên hà với cùng một tốc độ, không phụ thuộc vào khoảng cách của chúng đến tâm thiên hà (gọi là đồ thị tốc độ quay không đổi[2]), do đó chúng vi phạm các quy tắc của cơ học Newton. Trên thực tế, bà nhận thấy rằng Ngân Hà quay nhanh tới mức đúng ra thì nó phải bay nở tóe ra. Tuy nhiên, Ngân Hà vẫn khá ổn định trong khoảng 10 tỉ năm nay; quả là bí ẩn không rõ tại sao đồ thị lại chạy theo phương ngang. Để giữ cho thiên hà không bị tan rã, nó phải nặng gấp 10 lần mức độ mà các nhà khoa học hiện đang hình dung. Rõ ràng, 90% khối lượng của Ngân Hà đã bị bỏ sót!

Vera Rubin đã không được để ý tới, một phần vì bà là phụ nữ. Với một sự đau xót nhất định, bà nhớ lại rằng, khi bà nộp đơn thi vào Đại học Swarthmore College theo chuyên ngành khoa học và tình cờ nói với viên chức của bộ phận tuyển sinh rằng bà thích vẽ, người phỏng vấn đã hỏi: “Đã bao giờ bạn xem xét một nghề nghiệp mà công việc là vẽ những bức tranh về các thiên thể chưa?” bà nhớ lại. “Điều đó đã trở thành một câu nói vui trong gia đình tôi: trong nhiều năm, bất cứ khi nào có điều gì đó không ổn với bất kỳ ai, chúng tôi lại nói: ‘Đã bao giờ bạn xem xét một nghề nghiệp mà công việc là vẽ những bức tranh về các thiên thể chưa?’”* Khi bà nói với thầy giáo vật lý trường trung học phổ thông của bà rằng bà đã được nhận vào trường Vassar, ông thầy liền đáp: “Em sẽ ổn miễn là không lao vào khoa học.” Sau đó bà nhớ lại: “Phải có nghị lực phi thường để nghe những điều như thế mà không bị đánh gục.”

Sau khi tốt nghiệp, Rubin nộp đơn và được chấp nhận vào Harvard, nhưng bà đã từ bỏ vì bà đi lấy chồng và theo chồng mình, một nhà hóa học, tới Cornell. (Bà nhận được một bức thư hồi đáp từ Harvard, với dòng chữ viết tay được viết ở phía dưới: “Những phụ nữ chết tiệt. Cứ mỗi khi tôi nhận được một cô nàng được việc, thì cô ta lại bỏ cuộc và đi lấy chồng.”) Gần đây, bà tham dự một hội nghị thiên văn học tại Nhật Bản, và bà là người phụ nữ duy nhất tại đó. “Quả thật suốt một thời gian dài tôi không thể kể câu chuyện đó mà không rơi nước mắt, vì chắc chắn trong một thế hệ… chắc chả có mấy thay đổi,” bà thú nhận.

Tuy nhiên, sức nặng đáng kể từ công trình cẩn thận của bà, và công trình của những người khác, đã dần dần thuyết phục cộng đồng thiên văn về vấn đề khối lượng vật chất bị bỏ sót. Vào năm 1978, Rubin và các đồng nghiệp của bà đã kiểm tra mười một thiên hà xoắn ốc; tất cả chúng đều quay quá nhanh nên nếu theo các định luật của Newton thì chúng không thể ở lại cùng nhau. Cùng năm đó, nhà thiên văn vô tuyến Hà Lan là Albert Bosma đã công bố phân tích hoàn thiện nhất về hàng chục thiên hà xoắn ốc, gần như tất cả chúng đều thể hiện cùng một hành vi dị thường. Điều này cuối cùng dường như đã thuyết phục được cộng đồng thiên văn rằng vật chất tối quả thật có tồn tại.

Giải pháp đơn giản nhất cho vấn đề cùng quẫn này là giả định rằng các thiên hà được bao quanh bởi một quầng vô hình có chứa vật chất nhiều gấp 10 lần bản thân các ngôi sao. Kể từ đó, các phương pháp khác tinh vi hơn đã được phát triển để đo đạc sự hiện diện của thứ vật chất vô hình này. Một trong những phương pháp ấn tượng nhất là đo sự biến dạng của ánh sáng sao khi nó di chuyển qua vật chất vô hình. Giống như các mắt kính của đôi kính của bạn, vật chất tối có thể uốn cong ánh sáng (do khối lượng khổng lồ nên nó có lực hấp dẫn lớn). Gần đây, bằng phân tích kỹ lưỡng các bức ảnh của kính viễn vọng không gian Hubble nhờ máy tính, các nhà khoa học đã có thể xây dựng các bản đồ phân bố của vật chất tối trong khắp vũ trụ.

Một cuộc tranh giành ác liệt đã xảy ra để khám phá xem vật chất tối được hình thành từ cái gì. Một số nhà khoa học nghĩ rằng nó có thể bao gồm vật chất thông thường, ngoại trừ rằng nó rất mờ (có nghĩa là, hợp thành từ các sao lùn nâu[3], sao nơtron, lỗ đen, v.v. tất cả gần như là vô hình). Những thiên thể như vậy được gộp lại với nhau thành “vật chất baryon”, nghĩa là vật chất hợp thành từ các hạt baryon[4] quen thuộc (như các nơtron và proton). Chúng được gọi một cách tập thể là các MACHO (viết tắt trong tiếng Anh của massive compact halo objects, nghĩa là “các vật thể đặc nặng của quầng”).

Những người khác thì nghĩ rằng vật chất tối có thể bao gồm vật chất phi baryon rất nóng, như các nơtrino (gọi là vật chất tối nóng). Tuy nhiên, các nơtrino di chuyển nhanh tới mức không thể lấy chúng để giải thích cho phần lớn sự kết tụ của vật chất tối và các thiên hà mà chúng ta thấy trong tự nhiên. Còn những người khác thì giơ cả hai tay lên trời chịu thua với ý nghĩ rằng vật chất tối hợp thành từ một kiểu vật chất hoàn toàn mới, được gọi là “vật chất tối lạnh”, hoặc các WIMP (viết tắt trong tiếng Anh của “weakly interacting massive particles”, nghĩa là “các hạt nặng tương tác yếu”), ứng viên hàng đầu để giải thích hầu hết vật chất tối.

 

[1]. Sao Thủy trong các ngôn ngữ phương Tây được đặt theo tên thần Mercury, vị thần truyền tin trong thần thoại La Mã.

[2]. Đồ thị thể hiện vận tốc quay của các sao trong thiên hà lấy theo biến số khoảng cách đến tâm thiên hà cho thấy ban đầu vận tốc quay tăng lên khi ngôi sao xa dần tâm, nhưng đến một giá trị khoảng cách nhất định thì vận tốc quay của sao gần như không đổi cho dù khoảng cách tăng lên. Do đó nó được gọi là flat rotation curve (đồ thị tốc độ quay không đổi).

[3]. Sao lùn nâu là loại sao “thui chột”, có kích thước nhỏ nên không có đủ năng lượng để khởi phát phản ứng hạt nhân và phát sáng như sao thường. Chúng chỉ phát ra các tia hồng ngoại.

[4]. Một loại hạt hạ nguyên tử nặng (baryon gốc từ tiếng Hy Lạp nghĩa là “nặng”) gồm ba hạt quark, cùng với loại hạt meson nhẹ hơn tạo nên họ hạt hadron chịu lực tương tác hạt nhân mạnh.

cac-the-gioi-song-song-01

Tagged as:

2 phản hồi »

  1. Toán và khoa học ít khi đi đôi với chính trị. Tiên đoán thì khác. Năm mới đang đến, tôi xin thử suy đoán tương lai VN sẽ ra sao, gọi là bốc quẻ đầu năm:

    Tôi xin thanh minh trước: Vũ trụ này là một, trong đó, tất cả chúng ta là một.

    Tôi đã từng vạch ra 3 quốc gia lớn nhất thế giới là Nga sô, Trung quốc, và Hoa kỳ. Nga sô lớn vì đất rộng, Trung quốc lớn vì dân đông, Hoa kỳ lớn vì kỹ thuật và kinh tế hàng đầu. Rõ ràng là 3 nước đang tranh giành ảnh hưởng hoặc đang cản trở nhau.

    Nhiều người không thích nghe điều này, nhưng theo tôi, VN đang và sẽ nằm trong quỹ đạo của TQ. Thay vì theo phe này phe nọ, người VN phải thẳng thắn nói chuyện với thế giới rằng: Vũ trụ này là một, trong đó, tất cả chúng ta là một. Từ cái nền tảng đó mà con người có thể xây dựng được hòa bình trên thế giới này.

    Các đế quốc luôn biến đổi tùy từng giai đoạn nào đó. Đây cũng chính là cái luật vô thường của vũ trụ. Ví dụ, vài tiểu bang của HK có thể tách ra thành cộng hòa, hoặc vài tỉnh của TQ có thể tách ra thành tự trị, như thời Soviet Union sụp đổ. Điều này không có gì là lạ. Nhưng cái học thì muôn đời vẫn thế, thánh Gandhi nói: Hãy sống như ngày mai bạn qua đời, nhưng hãy học như bạn chẳng bao giờ chết.

    Like

  2. Vũ trụ này đã từng thu hút được nhiều tâm hồn. Bạn có bao giờ đứng trước bầu trời sao đêm đầy đặc mà xúc động.. đẹp tuyệt vời? Người Tây phương thì thích cân đo đong đếm, người Đông phương thì muốn cảm nhận cái vĩ đại và mầu nhiệm này.

    Hỏi Google có bao nhiêu ngôi sao trên bầu trời, thưa 100 tỉ. Hỏi Google có bao nhiêu bầu trời (galaxies) trong vũ trụ, thưa 100 – 200 billions. Tôi quên tên một nhà vật lý đã nói: Tất cả công thức khi áp dụng vào vũ trụ đều sai vì một yếu tố không biết, đó là T zero, vũ trụ không có thời gian bắt đầu, mặc dù khoa học cho rằng vũ trụ như quả cầu vĩ đại, có bán kính là 15 tỉ năm ánh sáng. Biết chăng, còn nhiều vũ trụ như thế nữa?

    Ta cứ tưởng mình có thể nhìn sâu và khám phá được không gian. Thực sự, chúng ta chỉ đứng yên một nơi, để ánh sáng đập vào mắt những điều vũ trụ muốn tiết lộ.

    Có một điều chắc chắn, bầu trời luôn chuyển động, thời gian thì thảng thốt, chẳng bao giờ ngừng. Thế giới thì vô thường không bao giờ trụ. Đất rộng ngày kia có thể mất, tiền bạc ngày kia có thể tiêu tan, nhưng con người thì bất diệt. 2017 đang đến với giấc mơ

    Like

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

Nhập địa chỉ email để nhận thông báo có bài mới từ Học Thế Nào.

%d bloggers like this: