SỰ KIỆN NOBEL VẬT LÝ 1993

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

99
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giải Nobel Vật lý năm 1993 được trao cho tiến sĩ người Mỹ Russell A. Hulse và giáo sư người Mỹ Joseph H. Taylor Jr. đều ở Đại học Princeton (Princeton, bang New Jersey, Mỹ) "do phát minh ra một loại sao punxa (pulsar) mới và phát minh này đã mở ra những khả năng mới để nghiên cứu sự hấp dẫn".

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: SỰ KIỆN NOBEL VẬT LÝ 1993

GIẢI NOBEL VẬT LÝ 1993 Giải Nobel Vật lý năm 1993 được trao cho tiến sĩ người Mỹ Russell A. Hulse và giáo sư người Mỹ Joseph H. Taylor Jr. đều ở Đại học Princeton (Princeton, bang New Jersey, Mỹ) "do phát minh ra một loại sao punxa (pulsar) mới và phát minh này đã mở ra những khả năng mới để nghiên cứu sự hấp dẫn". Phát minh punxa mới có tác động lớn đến vật lý hấp dẫn. Khi một sao chết và ánh sáng của nó biến mất, nó có thể được biến đổi thành một punxa. Khi đó nó tiêu tan khỏi bầu trời nhìn thấy. Nhưng nó vẫn ở đó, phát ra các tín hiệu vô tuyến thay cho ánh sáng và trong cái vỏ mới của mình nó bắt đầu bộc lộ các đặc tính đáng chú ý. Sao punxa là một vật thể thiên văn rất nhỏ với đường kính khoảng 10 km. Nó chứa đầy vật chất hạt nhân trong đó chủ yếu là các neutron. Mật độ của nó cực cao. Một lượng vật chất nhỏ xíu trong một punxa nặng hàng trăm nghìn tấn. Punxa
quay với tốc độ cực lớn (có thể quay được một nghìn vòng trong một giây). Nó liên tục phát ra tín hiệu vô tuyến thành hai chùm. Các chùm này quét qua không gian giống như chùm ánh sáng từ một hải đăng. Tín hiệu do punxa phát ra là tín hiệu vô tuyến xung động (pulsating) không trông thấy được. Cái tên sao punxa cũng xuất phát từ đó. Phát minh của Hulse và Taylor xảy ra năm 1974 khi hai ông sử dụng kính thiên văn vô tuyến trong đó có bộ thu vô tuyến với đĩa anten có đường kính 300 mét ở Arecibo (Puerto Rico). Taylor khi đó là giáo sư Đại học Massachusetts ở Amherst và nghiên cứu sinh của mình là Hulse đã tiến hành nghiên cứu một cách hệ thống về các sao punxa. Sao punxa là một loại "hải đăng" vũ trụ quay nhanh với khối lượng lớn hơn một chút so với khối lượng Mặt Trời và bán kính khoảng 10 km. Một người trên bề mặt punxa có trọng lượng lớn hơn một trăm nghìn triệu lần so với trọng lượng của người đó trên bề mặt Trái Đất. "Ánh sáng hải đăng" của punxa thường nằm trong vùng sóng vô tuyến. Punxa đầu tiên do Antony Hewish phát hiện vào năm 1967 tại phòng thí nghiệm thiên văn vô tuyến ở Cambridge (Anh) và nhờ đó Hewish được trao Giải Nobel Vật lý năm 1974. Cái mới trong punxa Hulse-Taylor là ở chỗ theo dáng điệu của tín hiệu hải đăng của một punxa có thể suy ra rằng nó kèm theo một punxa cùng đôi (companion) nặng gần như nhau ở khoảng cách tương ứng với chỉ một vài lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng. Hulse và Taylor chứng minh sự tồn tại của punxa đôi dựa vào thực tế là thời gian giữa các xung vô tuyến do punxa mới phát ra là 59 mili giây và thời gian này không phải là không đổi mà thay đổi tuần hoàn. Thứ hai là punxa mới chịu một nhiễu loạn nào đó. Dáng điệu của hệ thiên văn này lệch mạnh khỏi dáng điệu tính toán được đối một cặp vật nặng khi sử dụng lý thuyết Newton. Ở đây "phòng thí nghiệm không gian" cách mạng mới dùng để kiểm tra thuyết tương đối tổng quát của Einstein và các thuyết hấp dẫn. Trước đây, thuyết Einstein đã trải qua các thử nghiệm với thành công lớn. Điều đặc biệt quan tâm là khả năng xác minh với độ chính xác lớn dự đoán của lý thuyết cho rằng hệ sẽ mất năng lượng khi phát ra các sóng hấp dẫn theo gần như cùng một cách như một hệ của các điện tích chuyển động phát ra các sóng điện từ.
Phát minh punxa đôi đầu tiên chủ yếu có ý nghĩa to lớn đối với vật lý thiên văn và vật lý hấp dẫn. Lực hấp dẫn là một loại lực của tự nhiên do con người phát hiện ra đầu tiên. Nó khó nghiên cứu nhất vì nó yếu hơn nhiều so với ba loại lực khác của tự nhiên là lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Sự phát triển của khoa học và công nghệ từ chiến tranh thế giới lần thú II với các tên lửa, vệ tinh, tàu vũ trụ, thiên văn vô tuyến, công nghệ rađa và các phép đo thời gian chính xác khi sử dụng các đồng hồ nguyên tử dẫn đến sự phục hồi nghiên cứu về lực hấp dẫn. Phát minh punxa đôi là điểm mốc rất quan trọng trong sự phát triển của nghiên cứu sự hấp dẫn. Theo thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein, lực hấp dẫn là do những thay đổi trong hình học của không gian và thời gian. Nói rõ hơn là các đường cong không gian - thời gian gần csác khối lượng. Einstein trình bày lý thuyết của mình vào năm 1915 và trở thành một nhân vật nổi tiếng thế giới khi năm 1919 nhà vật lý thiên văn Anh Arthur Eddington thông báo rằng một trong các dự đoán của thuyết Einstein về sự lệch của ánh sáng sao khi nó đi gần bề mặt Mặt Trời (nguyên văn là "ánh sáng hướng về phia Mặt Trời") đã được xác nhận trong kỳ nhật thực. Sự lệch của ánh sáng cùng với đóng góp nhỏ của thuyết tương đối tổng quát vào chuyển động cận nhật của sao Thủy (một sự quay chậm của quĩ đạo elip của sao Thủy xung quanh Mặt Trời) là sự ủng hộ duy nhất (phần nào không thực chắc chắn) cho thuyết Einstein trong một vài thấp kỷ. Trong một thời gian dài, thuyết tương đối được coi là rất đẹp và thỏa mãn về mặt thẩm mỹ, có thể chính xác nhưng ít có ý nghĩa thực tiễn đối với vật lý ngoại trừ những ứng dụng trong vũ trụ học, nghiên cứu nguồn gốc, sự phát triển và cấu trúc của vũ trụ. Tuy nhiên, những quan điểm về thuyết tương đối tổng quát thay đổi trong những năm 1960 khi các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm làm cho vật lý hấp dẫn trở thành vấn đề thời sự của vật lý. Đặc biệt là các nhà khoa học Mỹ R. Dicke và I. Shapiro đã có nhiều đóng góp cho lĩnh vực nghien cứu này. Dicke đã tiến hành các thực nghiệm chính xác trong đó trường hấp dẫn của Mặt Trời trên Trái Đất được sử dụng để xác nhận cái gọi là nguyên lý tương đương. Nguyên lý này cho
rằng có sự đồng nhất giữa khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính. Nguy ên lý tương đương là một trong các nguyên lý cơ bản của thuyết tương đối tổng quát và cũng là một trong một vài lý thuyết hấp dẫn. Shapiro sử dụng những tiếng dội (echo) của rađa từ sao Thủy để đưa ra dự đoán lý thuyết và xác nhận thực nghiệm về một hệ quả mới của thuyết tương đối tổng quát là hiệu ứng trễ thời gian của các tín hiệu điện từ khi đi qua các trường hấp dẫn. Tuy nhiên, toàn bộ các thực nghiệm này chỉ ra các trường hấp dẫn rất yếu của hệ Mặt Trời và do đó các độ lệch nhỏ của các trường này so với lý thuyết hấp dẫn của Newton. Ở đây chỉ có thể kiểm tra thuyết tương đối tổng quát và các lý thuyết khác trong phép gần đúng sau lý thuyết hấp dẫn Newton đầu tiên (first post-Newtonian approximation). Hulse và Taylor đã phát hiện ra punxa đôi đầu tiên năm 1974. Nó được đặt tên là PSR 1913 +16 (PSR là viết tắt của punxa, còn 1913 + 16 xác định tọa độ vị trí của punxa trên bầu trời). Punxa đôi này tạo ra một cuộc cách mạng trong nghiên cứu sự hấp dẫn. Punxa đôi gồm hai vật thể thiên văn rất nhỏ và mỗi một vật có bán kính khoảng 10 km và khối lượng cao hơn một chút so với khối lượng Mặt Trời. Hai vật này ở cách nhau một khoảng bằng một vài lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng. Chính ở đây xuất hiện những độ lệch lớn so với lý thuyết hấp dẫn của Newton. Chẳng hạn như sự thay đổi cận thiên (periastron) (theo định luật thứ nhất của Kepler từ đầu thế kỷ XVII đó là sự quay của quĩ đạo elip mà punxa cần tuân theo trong hệ này) là 4 độ một năm. Sự thay đổi tương đối tương ứng đối với ví dụ được ưa thích nhất trong hệ Mặt Trời là chuyển động cận nhật của sao Thủy là 43 giây cung một thế kỷ. Nó nhỏ hơn một phần mười so với các đóng góp lớn hơn rất nhiều vào chuyển động cận nhật từ các nhiễu loạn của các hành tinh khác trong đó chủ yếu là sao Kim và sao Mộc. Sự khác biệt kích thước giữa các sự thay đổi một phần là do tốc độ quĩ đạo trong punxa đôi (nó lớn hơn gần năm lần so với tốc độ quĩ đạo của sao Thủy) và một phần do punxa thực hiện các quĩ đạo nhiều hơn khoảng 250 lần so với các quĩ đạo mà sao Thủy thực hiện. Thời gian quay theo quĩ đạo của punxa đôi không đến 8 giờ và nó có thể so với một tháng để Mặt Trăng hoàn thành việc quay một vòng quanh Trái Đất theo quĩ đạo. Hulse và Taylor phát hiện thấy rằng punxa chuyển động với tốc độ lên tới 300 km/ giây xung quanh
punxa cùng đôi với nó. Tốc độ này cao hơn 10 lần so với tốc độ của Trái Đất trên quĩ đạo xung quanh Mặt Trời. Một tính chất rất quan trọng của punxa mới là chu kỳ xung của nó cực kỳ ổn định và điều này trái với chu kỳ xung của nhiều punxa khác. Chu kỳ xung của punxa tăng dưới 5% trong vòng 1 triệu năm. Điều đó có nghĩa là punxa có thể được sử dụng như một đồng hồ mà nó có thể cạnh tranh về độ chính xác với các đồng hồ nguyên tử tốt nhất. Điều này rất có ích khi nghiên cứu các đặc điểm của hệ. Chu kỳ xung rất ổn định thực tế là chu kỳ xung trung bình quan sát thấy trên Trái Đất qua thời gian của một quĩ đạo của hệ punxa. Chu kỳ quan sát thấy thực tế thay đổi hàng chục micro giây, nghĩa là sự thay đổi này lớn hơn nhiều so với sự thay đổi về giá trị trung bình. Đó là hiệu ứng Doppler và nó đưa đến kết luận là punxa quan sát thấy chuyển động theo một quĩ đạo tuần hoàn. Điều này có nghĩa là punxa cần có một punxa khác giống nó. Khi punxa tiếp cận Trái Đất, các xung tiến đến Trái Đất thường xuyên hơn. Còn khi punxa đi ra xa Trái Đất, các xung tiến đến Trái Đất ít hơn. Từ sự thay đổi trong chu kỳ xung, có thể xác định tốc độ của punxa trên quĩ đạo của nó và các đặc tính quan trọng khác của hệ. Có thể thu được một quan sát rất quan trọng khi theo dõi hệ trong một vài năm. Đó là sự giảm của chu kỳ quĩ đạo. Hai vật thể thiên văn quay ngày càng nhanh hơn theo một quĩ đạo ngày càng chặt. Sự thay đổi là rất nhỏ. Nó tương ứng với sự giảm của chu kỳ quĩ đạo khoảng 75 phần triệu giây trong một năm. Tuy nhiên, có thể đo được sự giảm của chu kỳ quĩ đạo nếu tiến hành quan sát đủ thời gian. Sự thay đổi này được cho là chắc chắn xảy ra do hệ phát ra năng lượng ở dạng sóng hấp dẫn. Năm 1916 Einstein dự đoán rằng các sóng hấp dẫn xuất hiện khi các khối lượng chuyển động tương đối với nhau. Các vật có khối lượng trong chuyển động rất nhanh (vehement) phát ra một loại bức xạ gọi là bức xạ hấp dẫn. Hiện tượng này cũng được mô tả như một chuyển động sóng và như các sóng gợn trên đường cong của không gian - thời gian. Vì thế bức xạ hấp dẫn còn được gọi là sóng hấp dẫn. Giá trị tính toán lý thuyết từ thuyết tương đối phù hợp trong phạm vi khoảng một nửa phần trăm so với giá trị quan sát. Cuối năm 1978 sau 4 năm phát hiện ra punxa đôi, Taylor và cộng sự đã đưa ra thông báo về hiệu ứng này. Chưa có một ai
thành công trong việc phát hiện ra một sóng hấp dẫn trong một bộ thu trên mặt đất hoặc trong không gian. Punxa đôi của Hulse và Taylor đã thuyết phục chúng ta rằng loại bức xạ này thực sự tồn tại. Điều đó là do chu kỳ quay theo quĩ đạo của punxa xung quanh punxa cùng đôi với nó dần dần giảm theo thời gian mặc dù cực nhỏ nhưng đúng như thuyết tương đối tổng quát dự đoán là kết quả của việc phát ra các sóng hấp dẫn. Thành công lớn này đưa punxa Hulse-Taylor trở thành mọt phòng thí nghiệm tuyệt vời đối với vật lý hấp dẫn. Sự phù hợp tốt giữa giá trị quan sát và giá trị tính toán lý thuyết của quãng đường theo quĩ đạo có thể được xem như một chứng minh gián tiếp về sự tồn tại của các sóng hấp dẫn. Chúng ta có thể phải chờ đợi cho đến thế kỷ XXI về cách chứng minh trực tiếp đối với sự tồn tại sóng hấp dẫn. Người ta đã xây dựng nhiều dự án dài hạn nhằm quan sát sóng hấp dẫn tác động đến Trái Đất. Bức xạ do punxa đôi phát ra là quá yếu để có thể quan sát thấy trên Trái Đất nhờ các kỹ thuật hiện có. Tuy nhi ên, có lẽ các nhiễu loạn mãnh liệt của vật chất mà chúng xảy ra khi hai vật thể thiên văn trong một sao đôi (hoặc một punxa đôi) lại gần nhau đến mức chúng rơi vào nhau có thể sinh ra các sóng hấp dẫn quan sát được trên Trái Đất. Cũng hi vọng có thể quan sát thấy nhiều biến cố mãnh liệt khác trong vũ trụ. Thiên văn sóng hấp dẫn có thể trở thành lĩnh vực mới nhất của thiên văn quan sát mà ở đó thiên văn neutrino là cái có trước (predecessor) trực tiếp nhất. Thiên văn sóng hấp dẫn khi đó sẽ là kỹ thuật quan sát đầu tiên mà nguyên lý cơ bản được kiểm tra đầu tiên đối với nó trong bối cảnh vật lý thiên văn. Russell A. Hulse sinh ngày 28 tháng 11 năm 1950 tại New York và là con của Alan và Betty Joan Hulse. Ông học Trường Trung cao Bronx (1963-1966), Cao đẳng Cooper Union (1966-1970), làm nghiên cứu sinh và bảo vệ luận án tiến sĩ tại Đại học Massachusetts ở Amherst năm 1975. Sau đó, ông thực tập sau tiến sĩ tại Đài Thiên văn vô tuyến Quốc gia (NRAO) ở Charlottesville (Virginia) từ năm 1975 đến năm 1977. Từ năm 1977 Hulse bắt đầu làm việc tại Phòng thí nghiệm vật lý plasma (PPPL) của Đại học Princeton và ở đây lúc đầu ông có nhiệm vụ phát triển các phần mềm máy tính mới để mô hình hóa dáng điệu của các ion tạp trong các hệ plasma nhiệt độ cao của các thiết bị tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển tại PPPL. Thực tế là ông chưa bao giờ tiến hành mô hình hóa trên máy tính trước đó. Kỹ năng và khoa
học về mô hình hóa trên máy tính là một trong những điều giá trị nhất mà Hulse đã học được trong thời gian làm việc tại PPPL. Phần mềm về sự vận chuyển tạp chất nhi ều loại mà nó về cơ bản được phát triển từ công trình đầu tiên nói trên ở PPPL còn được sử dụng cho đến nay. Nó mô hình hóa dáng điệu của các trạng thái điện tích khác nhau của một nguyên tố tạp chất do ảnh hưởng chung của các quá trình nguyên tử và vận chuyển trong plasma. Hulse hướng sự phát triển của phần mềm này vào ứng dụng thực tế của các nhà nghiên cứu quang phổ và các nhà thực nghiệm khác trong việc giải thích số liệu của họ. Một trong những hạnh phúc lớn nhất của ông là phần mềm này được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm oqử PPPL cũng như các phòng thí nghiệm tổng hợp nhiệt hạch khác. Nghiên cứu riêng của Hulse với phần mềm này bao gồm việc xác định các hệ số vận chuyển đối với các ion tạp bằng cách mô hình hóa các quan sát quang phổ về dáng điệu của chúng sau khi đưa chúng vào trong plasma. Liên quan đến việc mô hình hóa dáng điệu của tạp chất Hulse cũng nghiên cứu các quá trình nguyên tử chẳng hạn như giúp làm sáng tỏ vai trò của các phản ứng trao đổi điện tích giữa hyđrô trung hòa và các ion tích điện cao như là một quấ trình tái kết hợp quan trọng của các tạp trong các plasma tổng hợp nhiệt hạch. Gần đây, Hulse phát triển một phần mềm sắp xếp dữ liệu máy tính mà nó được Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA) chọn làm một tiêu chuẩn cho việc tập hợp và trao đổi dữ liệu nguy ên tử đối với các ứng dụng của tổng hợp nhiệt hạch. Hulse còn nghiên cứu mô hình hóa sự vận chuyển electron trong plasma khi bắn các viên đạn (pellet) hyđrô rắn với vận tốc cao vào trong plasma. Một hướng nghiên cứu khác của Hulse nhằm phát triển các cách tiếp cận mới cho việc phát hiện các phần mềm máy tính mo đun dễ phát triển hơn nhiều và áp dụng các mô hình máy tính cho một phạm vi rộng của các ứng dụng trong nghiên cứu, công nghiệp và giáo dục. Hulse theo đuổi nghiên cứu này trong bối cảnh của các hợp đồng nghiên cứu và triển khai hợp tác với một đối tác công nghiệp. Loại hợp đồng hợp tác mới này gần đây đã xuất hiện giữa các phòng thí nghiệm nghiên cứu do Nhà nước tài trợ và khu vực tư nhân. Hulse còn quan tâm đến nhiều khía cạnh khác nhau của các khoa học mới gọi là "các khoa học của sự phức tạp" đặc biệt là xem chúng có thể được khám phá nhờ sử dụng mô hình hoá máy tính như thế nào.
Lúc nhỏ Hulse thích chế tạo vô tuyến, làm đồ gỗ. Ông có nhiều sở thích như chụp ảnh phong cảnh, đi du lịch và ngắm cảnh, bắn súng, nghe nhạc, bơi xuồng, trượt tuyết và các hoạt động ngoài trời khác. Joseph H. Taylor sinh ngày 29 tháng 3 năm 1941 ở Philadelphia (Pennsylvania, Mỹ) và là con trai thứ hai của Joseph Hooton Taylor và Sylvia Evans Taylor. Ông học ở Trường Moore và Cao đẳng Haverford.Ở trường phổ thông, ông thích nhất môn toán. Ở trường cao đẳng, ông thích chơi bóng đá, bóng chuyền, bóng chày, gôn và quần vợt. Taylor học sau đại học tại Đại học Harvard. Sau đó, ông làm việc lúc đầu tại Đại học Massachusetts và sau dó tại Đại học Princeton. Taylor nói rằng ông có may mắn được cộng tác với một só cá nhân tài năng độc nhất vô nhị và đặc biệt tương hợp trong việc tìm kiếm các sự thật và điều lý thú đa dạng như Dick Manchester, Russell Hulse, Peter McCulloch, Joel Weisberg, Thibault Damour và Dan Stinebring. Vợ của Taylor là Marietta Bissson Taylor.