Dự đoán của Einstein đã đúng! Các nhà khoa học phát hiện ra tốc độ của trọng lực thực chất là tốc độ ánh sáng

Ngày 17/8/2017, trong phòng điều khiển của Đài quan sát LIGO (Mỹ), một tín hiệu đỏ bất ngờ nhấp nháy trên màn hình. Dữ liệu cho thấy một sự biến dạng cực nhỏ, chỉ bằng một phần nghìn đường kính của một proton, xuất hiện dọc theo ống chân không dài bốn km của giao thoa kế laser. Đây là dấu hiệu rõ ràng của một sóng hấp dẫn vừa đi qua Trái Đất.

Hai giây sau đó, Kính viễn vọng Không gian Fermi cũng báo cáo phát hiện một vụ nổ tia gamma mạnh ở cùng hướng chòm sao Hydra. Khi hai dữ kiện được đặt cạnh nhau, chúng cùng chỉ đến một tọa độ duy nhất: thiên hà NGC 4993, cách chúng ta 144 triệu năm ánh sáng. Khoảnh khắc ấy, một câu hỏi kéo dài suốt 300 năm dường như có lời giải.

Từ thế kỷ 17, Isaac Newton với định luật vạn vật hấp dẫn đã đặt nền móng cho vật lý hiện đại, nhưng ông không hề đưa yếu tố thời gian vào mô tả lực hút. Điều này khiến nhiều thế hệ sau mặc nhiên tin rằng lực hấp dẫn lan truyền tức thời. Nếu mặt trời biến mất, Trái Đất sẽ ngay lập tức văng khỏi quỹ đạo.

Đến năm 1915, Albert Einstein đã thay đổi quan niệm này với thuyết tương đối rộng, trong đó lực hấp dẫn được coi như những "nếp gấp" trong không-thời gian, và sóng hấp dẫn phải di chuyển với cùng tốc độ ánh sáng.

Trong suốt nhiều thập kỷ, tranh cãi chưa bao giờ lắng xuống. Năm 2002, nhà khoa học Sergei Kopeikin từng công bố phép đo cho thấy lực hấp dẫn có tốc độ gấp 1,06 lần tốc độ ánh sáng, nhưng nhanh chóng bị đồng nghiệp phản bác rằng đó chỉ là tốc độ sóng vô tuyến.

Đến năm 2013, một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đưa ra bằng chứng gián tiếp từ dữ liệu thủy triều rắn, củng cố giả thuyết lực hấp dẫn truyền đi với vận tốc ánh sáng, song sai số vẫn quá lớn để được công nhận. Trở ngại nằm ở chính sự tinh vi của sóng hấp dẫn: chúng quá yếu để tạo ra trong phòng thí nghiệm, còn các vụ va chạm lỗ đen lại không phát ra ánh sáng, khiến việc xác định thời điểm va chạm trở nên bất khả thi.

Chính vì vậy, các nhà khoa học đặt hy vọng vào sao neutron. Đây là tàn dư đặc biệt của các ngôi sao khổng lồ, đặc hơn cả hạt nhân nguyên tử, chỉ xếp sau lỗ đen. Khi hai sao neutron va chạm, chúng phát ra đồng thời sóng hấp dẫn và bức xạ điện từ - một "đồng hồ vũ trụ" lý tưởng để đo tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn.

Tuy nhiên, việc chuẩn hóa thiết bị của LIGO cũng không hề đơn giản. Đội ngũ nghiên cứu từng mất hai năm chỉ để khắc phục lỗi ổn định laser, thậm chí một vết nứt 0,01 mm trong vật liệu bịt kín cũng khiến toàn bộ dữ liệu bị vô hiệu.

Sau lần đầu tiên ghi nhận sóng hấp dẫn từ vụ sáp nhập lỗ đen năm 2015, sự hứng khởi nhanh chóng nhường chỗ cho thất vọng, bởi lỗ đen không phát sáng nên không thể xác định được điểm mốc chính xác của sự kiện. Phải đến năm 2017, vụ nổ tia gamma đi kèm sóng hấp dẫn từ sao neutron mới mang lại cơ hội vàng.

Nhóm nghiên cứu đã so sánh chênh lệch thời gian hai giây giữa sóng hấp dẫn và ánh sáng với khoảng cách khổng lồ 144 triệu năm ánh sáng. Kết quả thật ngoạn mục: tốc độ sóng hấp dẫn khớp gần như hoàn toàn với tốc độ ánh sáng, sai số chỉ khoảng 5%.

Phát hiện này không chỉ xác nhận dự đoán hơn một thế kỷ trước của Einstein mà còn kết thúc cuộc tranh luận về tốc độ của lực hấp dẫn. Lý do cho sự chậm trễ hai giây cũng được giải thích: sóng hấp dẫn đạt đỉnh ngay khi hai sao neutron chạm nhau, còn tia gamma chỉ được giải phóng sau vụ va chạm.

Tuy nhiên, câu trả lời này lại mở ra nhiều câu hỏi mới. Nếu lực hấp dẫn thực sự truyền đi với tốc độ ánh sáng, điều này có ý nghĩa gì với cơ học lượng tử - nơi lực hấp dẫn được giả thuyết do các hạt "graviton" truyền tải? Hai cách diễn đạt dường như đến từ hai "ngôn ngữ vật lý" khác nhau, và làm thế nào để thống nhất chúng vẫn là bài toán chưa có lời giải.

Kết quả năm 2017 đã mở ra kỷ nguyên quan sát đa sứ giả - nơi sóng hấp dẫn, tia gamma, và cả tín hiệu quang học cùng nhau kể lại câu chuyện của vũ trụ. Các nhà khoa học đang tiếp tục nâng cấp hệ thống máy dò, xây dựng mạng lưới quan sát toàn cầu nhằm theo dõi những vụ va chạm sao neutron ở xa hơn. Biết đâu trong tương lai, từ những tín hiệu mờ nhạt ấy, chúng ta có thể tìm ra bằng chứng cho những giả thuyết lớn lao như thuyết dây hay bản chất thật sự của vật chất tối.

Một thế kỷ trước, trong bản thảo viết tay năm 1916, Einstein từng ghi chú rằng "tốc độ của sóng hấp dẫn bằng tốc độ ánh sáng". Hơn 100 năm sau, với sự trợ giúp của những công cụ hiện đại và tín hiệu từ sâu thẳm vũ trụ, nhân loại đã chứng minh lời tiên đoán đó. Và từ đây, cánh cửa đến những bí mật lớn hơn của vũ trụ lại hé mở.