Giải Nobel Vật lý năm 2006

E-mail | Bản in | Lưu xem sau

Giải Nobel Vật lý năm 2006 đã được trao cho hai nhà vật lý người Mỹ: JOHN  C. MATHER và GEORGE  F. SMOOT, vì những đóng góp lớn trong việc nghiên cứu những chi tiết của CMB (bức xạ phông tàn dư của vũ trụ), khẳng định lý thuyết Bigbang, biến môn vũ trụ học thành một môn khoa học chính xác.
Bức xạ phông vi sóng (CMB - Cosmic Microwave Background)

Vũ trụ có chừng 13,7 tỷ năm tuổi. Khoảng chừng 380.000 năm sau Bigbang, các photon tách rời khỏi các hạt khác và cấu thành CMB, bức xạ tàn dư của vũ trụ. Hiện nay người ta đã quan sát được bức xạ này, nó ứng với nhiệt độ 2,7 K, có phổ của vật đen và choán đầy vũ trụ. Sự quan sát CMB rất quan trọng, vì đây là  nguồn cung cấp thông tin về những giai đoạn sơ sinh của vũ trụ.

Giải thưởng Nobel 2006 về vật lý được trao cho hai nhà vật lý Mỹ do những công trình xuất sắc của họ trong quá trình  nghiên cứu những chi tiết quan trọng của CMB cung cấp bởi vệ tinh COBE (Cosmic Background Explorer - Trạm thăm dò bức xạ phông của vũ trụ).
Các công trình trước đây

Các lý thuyết về vũ trụ giãn nở đã được phát triển đầu tiên nhờ những công trình của Friedmann (1922) và Lemaitre (1927). Vào khoảng năm 1960, các nhà vật lý chia sẻ hai quan điểm: 1/ Vũ trụ giãn nở từ vụ nổ Bigbang; 2/ Vũ trụ luôn tồn tại trong một trạng thái ổn định.

Nếu quan điểm thứ nhất là đúng thì phải tồn tại một bức xạ tàn dư, đây là một bức xạ nhiệt có phổ của vật đen và là một bức xạ đẳng hướng (isotropic). Năm 1964 hai nhà vật lý Mỹ Penzias và Wilson đã phát hiện ra CMB (Nobel 1978). Sau phát hiện này, hầu hết (không phải là tất cả) các nhà vật lý rời bỏ quan điểm thứ hai nêu ở trên. Các công trình lý thuyết về CMB được thực hiện bởi các nhà vật lý Alpher, Hermann và Gamov (1967), Penzias (1979), Wilkinson và Peebles (1983), Weinberg (1993) và Herman (1997).

Nhiều dữ liệu đo quanh mặt đất cho thấy rằng, CMB có phổ của vật đen. Theo ý tưởng chung thì CMB phải đẳng hướng, song để giải thích được sự hình thành của các thiên hà, các cụm thiên hà thì CMB phải chứa những vùng bất đẳng hướng nhỏ nhất định. Các tính toán tương đối tính của Sachs và Wolfe (1967) cho thấy rằng những thăng giáng mật độ sẽ gây nên những bất đẳng hướng về nhiệt độ. Nếu chú ý đến sự tồn tại của vật chất tối thì các bất đẳng hướng về nhiệt độ sẽ chỉ còn cỡ 10-5 thay vì 10-2-10-4 theo các tính toán lý thuyết. Những điều này đã đặt ra những thách thức lớn đối với các quan trắc thực nghiệm.

Lịch sử của COBE bắt đầu từ lúc NASA thông báo về một dự án như thế. Nhờ sự hưởng ứng của nhiều nhà khoa học, ngày 18.1.1989 vệ tinh COBE đã được phóng vào vũ trụ. Hơn 1.000 nhà khoa học, kỹ sư, quản lý đã tham gia vào dự án. Vệ tinh COBE đã mang theo  3 thiết bị quan trọng:

1/ DMR (Differential Microwave Radiometer) nhằm đo các bất đẳng hướng tại các bước sóng 3 mm, 6 mm và 10 mm trong CMB với độ phân giải góc là khoảng 70.

2/ DIRBE (Diffuse Infrared Absolute) nhằm đo bức xạ phông hồng ngoại.

3/ FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer) nhằm đo phân bố phổ của CMB trong giải 0,1 đến 10 mm và so sánh với dạng phổ vật đen suy từ lý thuyết Bigbang.

John Mather là chủ nhiệm của dự án và phụ trách FIRAS. George Smoot là nghiên cứu viên chính của dự án và phụ trách DMR.

Vệ tinh COBE hoạt động rất có hiệu quả và đặc biệt nhờ những kết quả từ DMR và FIRAS, môn vũ trụ học có thể biến thành một khoa học chính xác. Các kết quả từ COBE trùng hợp với những tiên đoán lý thuyết: Thăng giáng nhiệt độ là 10-5, nhiệt độ CBM là 2,725 K, phổ bức xạ trùng với phổ của vật đen. Việc công bố những kết quả này được giới khoa học chào đón nồng nhiệt.
Các bất đẳng hướng

Thiết bị DMR do các thăng giáng nhiệt độ cỡ 10-5 đối với ba tần số 90; 53 và 31,5 GHz (ứng với các bước sóng 3,3; 5,7 và 9,5 mm). Hình 2 cho chúng ta các kết quả quan trọng về thăng giáng nhiệt độ.

Phổ vật đen

Thiết bị FIRAS (Mather et al. 1982) đo phổ của CMB  trong dãy bước sóng từ 0,1 đến 10 mm, kết quả là trùng với phổ vật đen ở nhiệt độ 2,725 ± 0,002K  với độ chính xác lớn.

Kết luận

Sự phát hiện CMB vào năm 1964 kết hợp với các kết quả của COBE năm 1992 đã củng cố một cách thuyết phục lý thuyết Bigbang. Vũ trụ học đã đi vào một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên  trở thành một khoa học chính xác. COBE đã giúp chúng ta khôi phục lại quá trình phát triển của vũ trụ.

Những kết quả về CMB do JOHN  C. MATHER và GEORGE  F. SMOOT thu được từ COBE là những kết quả xuất sắc vô cùng quan trọng đối với lý thuyết Bigbang, đối với vũ trụ học.

(Theo Tạp chí Hoạt động Khoa Học)