Lý thuyết tương đối của Einstein cho chúng ta thấy không gian và thời gian có thể bị uốn cong. Ở gần Trái Đất, sự uốn cong này là tương đối ổn định. "Sức kéo hấp dẫn" mà chúng ta trải nghiệm về cơ bản là giống nhau ở bất kỳ hai điểm nào trong thời gian. Tuy vậy, vẫn có một dạng biến động nhẹ nhàng trong sức kéo này. Sự thật này thấy rõ trong sự hiện diện của thủy triều đại dương - là sự thay đổi hấp dẫn từ sức kéo của Mặt Trời và Mặt Trăng làm thay đổi mực nước ở những phần khác nhau của các đại dương. Nhưng chúng ta biết rằng “sức kéo” hấp dẫn thực sự chỉ là sự uốn cong của không - thời gian, do đó sự uốn cong này thay đổi chút ít theo thời gian. Một trong những tiên đoán thú vị nhất của Thuyết tương đối Tổng quát là sự uốn cong thay đổi này có thể di chuyển xuyên qua không gian, rất giống với một gợn sóng truyền trong nước. Nếu chúng ta xoay mái chèo trong nước, các gợn sóng sẽ di chuyển ra ngoài băng qua mặt nước. Trái Đất có quỹ đạo quay quanh Mặt Trời cũng giống như mái chèo xoay đó và khuấy động không - thời gian do đó các gợn sóng hấp dẫn di chuyển ra ngoài xuyên qua không - thời gian.

Định hình lại không gian

Chúng ta có thể hiểu rõ hơn về sóng hấp dẫn bằng cách xem xét sự ảnh hưởng của nó như thế nào đối với những thứ mà nó đi qua. Hãy tưởng tượng có một con tàu trên mặt nước. Khi sóng nước tác động từ phải sang trái, con tàu sẽ lắc lư lên rồi xuống như hình bên dưới.Nhưng nếu sóng hấp dẫn đi qua con tàu cũng theo hướng đó, nó sẽ bị biến dạng, dài ra rồi ngắn lại, đó là cách sóng hấp dẫn tác động lên vật chất, tức bóp méo và kéo dãn bất cứ thứ gì nó đi qua.

Sóng hấp dẫn có một vài đặc trưng quan trọng. Chúng ta đã khá quen thuộc với định nghĩa tốc độ của một làn sóng trên mặt nước, tức vận tốc - là quãng đường mà đỉnh sóng đi được bao xa trong một đơn vị thời gian (dặm/giờ, hoặc mét/giây,...). Ý tưởng tương tự cũng được áp dụng cho sóng hấp dẫn. Trong trường hợp này, đỉnh sóng là điểm mà con tàu bị kéo dài ra nhất. Ở hình bên trên, bạn có thể quan sát khi điểm này di chuyển từ phải sang trái con tàu. Trong thực tế, tốc độ của sóng hấp dẫn luôn bằng với tốc độ ánh sáng. (Trong hình minh họa, chỉ thể hiện tốc độ chậm, nếu không sẽ rất khó quan sát). Một khía cạnh quan trọng khác của loại sóng này là bước sóng. Đó là khoảng cách giữa các đỉnh sóng.

Chúng ta có thể xoay con tàu của ta một chút để quan sát ở ở một góc độ khác. Tưởng tượng, những con sóng tác động vào bên mạn tàu. Đối với sóng nước, nó chỉ nâng con tàu lên ở đỉnh sóng, và hạ xuống ở hõm sóng. Đối với sóng hấp dẫn, nó nén con tàu lại, rồi kéo dãn ra như chúng ta thấy trong hình.


Những bức ảnh này còn thể hiện một đặc tính thú vị khác của sóng hấp dẫn - đó là biên độ, hay kích thước của chúng. Biên độ của sóng nước là khoảng cách giữa điểm mà con tàu di chuyển lên và xuống so với vị trí cân bằng. Còn đối với sóng hấp dẫn, là phần trăm của sự nén lại hoặc dãn ra mà sóng tác động lên con tàu.

Âm thanh của Sóng hấp dẫn

Hãy quan sát lá cờ trên đỉnh của mũi tàu trong bức hình sóng hấp dẫn đầu tiên ở trên. Khi di chuyến tới và lùi, nó đi theo một đường trắc địa. Không có gì đẩy nó tới hay lùi cả; không - thời gian chỉ đơn giản là bị cong đi theo cách mà đường đi của nó là một “đường thẳng”. Đặc biệt, hãy chú ý đến khoảng cách giữa lá cờ và tâm của con tàu cũng đang thay đổi.

Điều tương tự cũng sẽ xảy ra khi sóng hấp dẫn đi qua đầu của bạn. Cụ thể, khoảng cách giữa các bộ phận bên trong tai bạn sẽ thay đổi. Ví dụ như màng nhĩ sẽ di chuyển qua lại. Nhưng đây cũng là nguyên nhân khiến bạn có cảm giác về âm thanh. Vậy liệu bạn có thể nghe thấy sóng hấp dẫn?

Về nguyên tắc, đúng vậy! Nếu sóng hấp dẫn đủ mạnh, và âm thanh nó tạo ra nằm trong khoảng tai người có thể nghe thấy, bạn có thể sẽ nghe thấy khi chúng đi ngang qua bạn. Để nằm đúng trong khoảng đấy, sóng phải làm di chuyển lá cờ trên tàu lên và xuống ít nhất 20 lần trên 1 giây. Dĩ nhiên, nếu sóng đủ mạnh để nghe thấy, bạn có thể sẽ gặp vấn đề. Ngoài ra thì bạn có thể khuyếch đại âm thanh lên nếu có một cái microphone đủ nhạy.

Một câu hỏi đặt ra là liệu có thứ gì trong tự nhiên làm cho âm thanh ở đúng độ cao và đủ to để con người nghe được. Các nhà vật lý thiên văn đã tìm được rất nhiều nguồn âm mà chúng ta có thể nghe thấy. Những bài viết tiếp theo sẽ đưa chúng ta qua hàng loạt các nguồn của sóng hấp dẫn có thể nghe được trong các năm tới. Đây sẽ là bài kiểm tra mạnh nhất từ trước tới nay cho lý thuyết của Einstein về không - thời gian.

(Còn tiếp...)

Nguồn: SXS.

Tham khảo

Mục lục

  1. Sóng hấp dẫn - những gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian
  2. GW1509014: Những gợn sóng hấp dẫn đầu tiên được phát hiện bởi LIGO
  3. Nguồn phát sóng hấp dẫn
    • Các vật thể đặc trong vũ trụ
    • Những khoảnh khắc đầu tiên - Vũ trụ khai sinh bởi một vụ nổ khủng khiếp nhất
    • Những khả năng kỳ lạ - Những đối tượng chỉ mới đang trong tưởng tượng của các nhà vật lý
    • Thứ chưa biết - những kỳ quan chưa được khám phá
  4. Một lĩnh vực hoàn toàn mới của Thiên văn học
  5. Một lĩnh vực hoàn toàn mới của Quan sát thực nghiệm
  6. Mò kim đáy bể

Bài viết xem nhiều