Sự hợp nhất giữa lý thuyết và quan sát trong thiên văn học để nghiên cứu vũ trụ sơ khai nhằm tìm ra những bí ẩn của vật lý cơ bản

Hướng tới đào tạo ra các nhà thiên văn học thế hệ mới am hiểu cả lý thuyết và [thực hành] quan sát.

Tương lai của lĩnh vực nghiên cứu vật lý cơ bản chủ yếu là việc quan sát vũ trụ sơ khai và phát triển những mô hình giải thích những dữ liệu thu thập được. Gần đây các nhà khoa học có được những dữ liệu về thời điểm gần thời sơ khai của vũ trụ hơn với độ phân giải cao hơn nhiều, nhờ vậy họ có tiềm năng đột phá và tiến bộ trên phương diện những lý thuyết quan trọng. Những tiến bộ này có thể giải đáp một trong những câu hỏi khó nhất trong vật lý. Nhưng điều này yêu cầu sự tương tác nhiều hơn giữa lý thuyết và quan sát trong thiên văn học, và đặc biệt là cần phát triển được một thế hệ nhà thiên văn học mới am hiểu cả hai mặt.

Đây là kết luận chính trong một hội thảo gần đây được tổ chức bởi Quỹ Khoa Học Châu Âu (ESF) bao gồm những chuyên gia trong ngành vũ trụ, thiên văn và vật lý hạt. Carlos Martins, người tổ chức hội thảo ESF nói: “Tôi nghĩ rằng một kết quả có tác dụng lâu dài của hội thảo là nhận ra tầm quan trọng của việc này, và những gì cần làm để đạt tới bước đó, đặc biệt, chúng ta có rất nhiều việc cần phải làm để tạo ra một ‘nền tảng lý thuyết’ mạnh hơn phục vụ cho việc quan sát trong tương lai. Nghĩa là khi đào tạo thế hệ nhà nghiên cứu kế tiếp trong lĩnh vực này, chúng ta cần nỗ lực nhiều hơn nữa để tạo ra những nhà nghiên cứu ‘song ngữ’, thành thạo cả ngôn ngữ của lý thuyết và quan sát.”

Trên thực tế, thiên văn học đang quay trở về cuội nguồn, về thời mà những người như Galileo có những khám phá vĩ đại đầu tiên, mà những nhà bác học này cho rằng lý thuyết và quan sát là 2 mặt của một đồng xu. Về sau lĩnh vực này được chia làm 2, những nhà lý thuyết và nhà quan sát trở đã trở nên tách hẳn nhau ra và không còn giao tiếp hiệu quả với nhau nữa. Giờ đây đã xuất hiện những nền tảng quan sát rất tinh vi, có khả năng tạo ra phương pháp đo lường khác nhau tùy theo các lý thuyết khác nhau, nghĩa là hai mặt lý thuyết và quan sát lại trở nên gắn kết.

Có hai phát triển then chốt, một là khả năng đưa thiết bị quan sát vào không gian, nơi có thể tiến hành những quan sát chính xác hơn vì không bị ảnh hưởng của bầu khí quyển và từ trường trái đất, và hai là sự xuất hiện của đồng hồ nguyên tử chính xác cao có thể đo lường thời gian tới nano giây.

Đồng thời, có thể thấy rõ ràng khả năng khám phá của các phòng thí nghiệm trên mặt đất là hạn chế, ngay cả những nơi lớn như Máy gia tốc Hạt Hadron lớn ở CERN, Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu ở Thụy Sỹ. Trong khi đó vũ trụ sơ khai là một phòng thí nghiệm tự nhiên với năng lượng và quy mô sẵn có, cho chúng ta tiềm năng khám phá sâu hơn về các quá trình căn bản liên quan tới vật chất và năng lượng. Martin nói: “Ý tưởng là tập hợp các chuyên gia hàng đầu Châu Âu về vũ trụ học, vật lý thiên văn và vật lý hạt, giúp các cộng đồng nhỏ biết được những gì mà các nhóm khác mình đang thực hiện, và tập trung nỗ lực vào việc tận dụng vũ trụ sơ khai như một phòng thí nghiệm, nhờ đó chúng ta có thể thăm dò vật lý cơ bản bằng những cách không bao giờ có thể thực hiện được nếu chúng ta hạn cuộc mình trong những thử nghiệm ở phòng thí nghiệm mặt đất.”

Hội thảo cũng thảo luận về những câu hỏi cơ bản mà những quan sát mới có thể giúp đáp, ví dụ như liệu các trường vô hướng có tồn tại trong phạm vi toàn vũ trụ hay không. Không giống trọng trường và từ trường, có cả giá trị và hướng, trường vô hướng chỉ có giá trị, và giá trị đó thay đổi từ điểm này sang điểm khác trong trường đó.

Đương nhiên là chúng tồn tại trong một số hệ kín, như là phân bố nhiệt độ trong khí quyển trái đất, nhưng chưa rõ là liệu chúng có tồn tại trên quy mô vũ trụ hay không. Theo Martin thì đây là câu hỏi quan trọng bởi vì sự tồn tại của các trường vô hướng có thể giúp giải thích vũ trụ đã phát triển như thế nào từ sau Big Bang rồi trở thành trạng thái mà chúng ta quan sát được ngày nay. Ví dụ các trường vô hướng có thể giải thích sự tồn tại của vật chất và năng lượng tối, đến nay chúng ta chỉ có thể quan sát hai thứ này một cách gián tiếp thông qua tác dụng của nó lên trọng trường ở phần vũ trụ mà chúng ta có thể thấy.

Các quan sát mới cũng giúp xác nhận các luận điểm của lý thuyết hiện tại, như là sự tồn tại của sóng hấp dẫn theo dự đoán của Thuyết Tương Đối Rộng của Einstein. Sóng hấp được cho là những gợn sóng trong thời không bức xạ ra từ một vật chuyển động. Tuy nhiên những gợn sóng này quá nhỏ rất khó để đo lường, đến nay chúng ta chỉ có được những bằng chứng thông qua quan sát các sao xung, là những ngôi sao neutron đôi có mật độ vật chất dày đặc và quay xung quanh nhau. Tốc độ quay của các sao xung chậm dần và tương hợp với [giả thuyết rằng] sự tồn tại của sóng hấp dẫn khiến chúng mất năng lượng, tuy nhiên cần có sự xác minh thêm nữa.

Và kết luận cuối cùng là chúng ta có triển vọng đạt được tiến bộ hơn nữa trong lĩnh vực thiên văn học, ví dụ như bằng cách dùng đồng hồ nguyên tử không gian để hiệu chỉnh các máy quang phổ tiên tiến, rồi sử dụng để tìm kiếm các hành tinh “ngoài hệ mặt trời” trong những hệ sao lân cận.

Hội thảo Những Thử nghiệm Vật lý Thiên văn của Vật lý Cơ bản được tổ chức vào tháng 3/2008 tại Porto, Bồ Đào Nha.

Dịch từ: https://www.pureinsight.org/node/5374