GIẢI NOBEL VẬT LÝ 1993
Giải NobelVật lý năm 1993được traocho tiếnsĩ người Mỹ Russell A. Hulse
và giáo sư người Mỹ JosephH. TaylorJr. đều ở Đại học Princeton (Princeton, bang
New Jersey,Mỹ) "do phát minh ra một loạisao punxa (pulsar)mới và phát minh
này đã mở ra những khả năng mới để nghiên cứu sự hấp dẫn". Phátminhpunxa
mớicó tác động lớn đếnvật lý hấp dẫn.
Khi mộtsao chết và ánh sángcủa nó biến mất,nó có thể được biến đổithành
một punxa.Khi đó nó tiêu tan khỏi bầu trời nhìnthấy. Nhưng nó vẫn ở đó, phát ra
các tín hiệu vô tuyến thaycho ánhsáng và trongcáivỏ mới củamình nó bắt đầu
bộc lộ các đặc tínhđáng chú ý.
Sao punxalà một vật thể thiên văn rất nhỏ với đường kính khoảng 10 km.
Nó chứa đầy vật chấthạt nhân trongđó chủ yếu là các neutron.Mậtđộ của nó cực
cao. Một lượng vật chấtnhỏ xíu trong một punxa nặng hàngtrăm nghìntấn. Punxa
quay vớitốc độ cực lớn (có thể quay được mộtnghìn vòngtrong một giây).Nó liên
tục phát ra tín hiệu vô tuyến thành hai chùm. Các chùm này quét quakhônggian
giống như chùm ánh sáng từ một hải đăng. Tín hiệu dopunxa phát ra làtín hiệuvô
tuyến xungđộng (pulsating)không trông thấy được.Cái tên saopunxa cũng xuất
pháttừ đó.
Phát minhcủa Hulse và Taylor xảy ra năm 1974khi haiông sử dụng kính
thiên văn vô tuyến trong đó cóbộ thu vô tuyến với đĩa anten cóđường kính 300
mét ở Arecibo (PuertoRico). Taylorkhi đó là giáo sư Đại học Massachusetts ở
Amherst và nghiên cứusinh của mình là Hulseđã tiến hànhnghiên cứu mộtcách
hệ thốngvề các sao punxa.Sao punxalà một loại "hải đăng" vũ trụ quaynhanh với
khối lượng lớn hơn mộtchút sovới khối lượng Mặt Trời và bán kính khoảng 10
km. Một người trên bề mặt punxacó trọnglượng lớn hơn mộttrăm nghìn triệu lần
so với trọng lượngcủa người đó trên bề mặt Trái Đất. "Ánh sáng hải đăng" của
punxathường nằm trong vùngsóng vô tuyến.
Punxa đầu tiên doAntonyHewishphát hiện vàonăm 1967 tại phòng thí
nghiệmthiên vănvô tuyến ở Cambridge(Anh) vànhờ đó Hewish được trao Giải
NobelVật lý năm1974. Cái mới trong punxa Hulse-Taylor làở chỗ theo dáng điệu
của tín hiệuhải đăng củamột punxa có thể suy ra rằng nó kèmtheo một punxa

cùng đôi (companion)nặng gần như nhauở khoảng cách tương ứng với chỉ một
vài lầnkhoảng cách từ Trái Đất đến MặtTrăng. HulsevàTaylorchứng minhsự tồn
tại củapunxa đôi dựa vào thực tế là thời giangiữa các xung vô tuyếndo punxamới
phátra là 59 mili giây vàthời giannày khôngphải là không đổi mà thay đổituần
hoàn. Thứ hailà punxamới chịu một nhiễu loạnnào đó. Dáng điệu của hệ thiên
văn nàylệch mạnh khỏi dáng điệu tính toán đượcđối một cặp vật nặngkhi sử
dụnglý thuyết Newton. Ở đây "phòng thí nghiệm khônggian" cách mạngmới dùng
để kiểm trathuyết tươngđối tổngquát của Einstein và cácthuyết hấp dẫn.Trước
đây, thuyết Einstein đã trải qua các thử nghiệmvới thành công lớn. Điều đặc biệt
quan tâm là khả năngxác minhvới độ chínhxác lớn dự đoán của lý thuyết cho
rằng hệ sẽ mất nănglượng khiphátra các sóng hấp dẫn theo gần như cùng một
cách như mộthệ của cácđiện tích chuyển độngphát ra các sóng điện từ.
Phát minhpunxa đôi đầu tiên chủ yếu có ý nghĩa tolớnđối với vật lý thiên
văn và vật lýhấp dẫn. Lựchấp dẫn là một loại lực củatự nhiên docon người phát
hiện rađầu tiên. Nó khó nghiên cứunhất vìnó yếu hơn nhiềuso với ba loại lực
khác của tự nhiên là lực điện từ, lực hạt nhânmạnh và lực hạt nhân yếu. Sự phát
triển của khoa học và côngnghệ từ chiến tranhthế giới lần thú IIvới các tênlửa,
vệ tinh, tàu vũ trụ, thiên văn vô tuyến, công nghệ rađa và các phép đo thờigian
chínhxác khi sử dụng cácđồng hồ nguyên tử dẫn đến sự phục hồi nghiên cứu về
lực hấpdẫn. Phát minhpunxa đôilà điểm mốc rất quan trọngtrong sự phát triển
của nghiên cứusự hấp dẫn.
Theo thuyết tươngđối tổngquát của AlbertEinstein, lực hấpdẫn là do
những thay đổi trong hình học của không gian và thời gian.Nói rõ hơnlà các
đườngcong không gian- thời giangần csác khối lượng. Einsteintrình bày lý
thuyết của mình vào năm 1915 và trở thành một nhân vậtnổi tiếng thế giới khi
năm 1919nhàvật lý thiên văn Anh ArthurEddingtonthông báo rằng mộttrong
các dự đoán củathuyết Einsteinvề sự lệch của ánh sángsao khi nó đi gần bề mặt
MặtTrời (nguyên văn là"ánh sánghướng về phia MặtTrời") đã đượcxác nhận
trong kỳ nhật thực.Sự lệchcủa ánh sáng cùng vớiđóng góp nhỏ của thuyết tương
đối tổng quát vào chuyển động cận nhậtcủa sao Thủy (mộtsự quaychậm củaquĩ

đạo elipcủa sao Thủy xungquanh Mặt Trời) là sự ủnghộ duynhất (phần nào
khôngthực chắcchắn) cho thuyết Einstein trong một vài thấp kỷ.
Trongmột thời gian dài,thuyết tương đối đượccoi là rất đẹp vàthỏa mãn
về mặt thẩm mỹ, có thể chính xác nhưng ítcó ý nghĩathực tiễn đối với vật lý ngoại
trừ những ứng dụngtrong vũ trụ học, nghiên cứunguồn gốc,sự phát triển và cấu
trúccủa vũ trụ.
Tuy nhiên, những quan điểm về thuyết tương đối tổngquát thayđổi trong
những năm 1960khi các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm làmcho vật lýhấp
dẫn trở thành vấn đề thời sự củavậtlý. Đặc biệt là cácnhà khoa học Mỹ R. Dickevà
I. Shapiro đã có nhiều đónggóp cholĩnh vực nghien cứu này. Dickeđã tiến hành
các thực nghiệm chính xác trong đó trường hấp dẫn của Mặt Trờitrên TráiĐất
được sử dụng để xác nhậncái gọi là nguyên lý tương đương. Nguyên lýnày cho
rằng có sự đồngnhất giữa khối lượng hấp dẫn vàkhối lượng quántính. Nguyên lý
tương đương là một trongcác nguyên lý cơ bản của thuyết tươngđối tổngquát và
cũng là một trongmộtvài lý thuyếthấp dẫn. Shapiro sử dụng những tiếng dội
(echo)của rađa từ sao Thủyđể đưara dự đoán lý thuyết và xác nhận thựcnghiệm
về một hệ quả mới của thuyếttương đối tổngquát là hiệu ứng trễ thời gian của các
tín hiệu điện từ khi đi qua các trườnghấp dẫn.
Tuy nhiên, toàn bộ cácthực nghiệm nàychỉ racác trường hấp dẫn rất yếu
của hệ Mặt Trời vàdo đó các độ lệchnhỏ của các trường này so với lý thuyết hấp
dẫn củaNewton.Ở đây chỉ có thể kiểm tra thuyết tươngđối tổng quát vàcác lý
thuyết khác trongphép gần đúng saulý thuyết hấp dẫn Newton đầu tiên (first
post-Newtonian approximation).
Hulse và Taylor đã pháthiện ra punxađôi đầu tiên năm1974. Nó được đặt
tên làPSR 1913 +16(PSR là viết tắt của punxa,còn 1913+ 16 xác định tọa độ vị trí
của punxatrênbầu trời). Punxa đôinày tạo ra một cuộc cách mạngtrong nghiên
cứu sự hấp dẫn.Punxa đôi gồm hai vật thể thiên văn rất nhỏ và mỗi một vật có bán
kính khoảng 10 kmvà khối lượng cao hơnmột chút sovới khối lượngMặt Trời.
Hai vậtnày ở cách nhau một khoảng bằngmột vài lần khoảng cách từ Trái Đấtđến
MặtTrăng. Chínhở đâyxuất hiện những độ lệch lớn sovới lý thuyết hấp dẫn của

Newton. Chẳng hạn như sự thay đổi cận thiên(periastron) (theođịnh luật thứ nhất
của Keplertừ đầu thế kỷ XVII đó là sự quaycủa quĩ đạo elip mà punxacần tuân
theo trong hệ này) là 4độ một năm. Sự thay đổi tương đối tương ứng đối với ví dụ
được ưa thíchnhất tronghệ Mặt Trời là chuyển độngcận nhật của saoThủy là 43
giây cung một thế kỷ.Nó nhỏ hơn một phần mười sovới các đóng góplớn 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 saoMộc.Sự khácbiệt kích thước giữa các sự thay đổi một
phần làdo tốc độ quĩ đạo trong punxađôi (nólớn hơn gần nămlần so với tốc độ
quĩ đạo của sao Thủy)và một phần do punxathực hiện cácquĩ đạonhiều hơn
khoảng 250lần so với cácquĩ đạomà sao Thủy thựchiện. Thờigian quaytheo quĩ
đạo của punxađôi khôngđến 8 giờ và nó cóthể so với một thángđể Mặt Trăng
hoàn thành việc quay một vòng quanh Trái Đất theoquĩ đạo. Hulse và Taylorphát
hiện thấy rằngpunxa chuyển động với tốc độ lên tới 300 km/giâyxung quanh
punxacùng đôi với nó. Tốc độ này cao hơn 10 lần so với tốcđộ của Trái Đất trên
quĩ đạo xung quanhMặt Trời.
Một tính chấtrất quantrọng của punxamới là chu kỳ xungcủa nó cực kỳ ổn
định vàđiều này trái với chu kỳ xung của nhiều punxakhác.Chu kỳ xungcủa
punxatăng dưới 5% trongvòng1 triệu năm.Điều đó có nghĩa là punxa có thể
được sử dụng như một đồng hồ mànó cóthể cạnh tranhvề độ chính xác với các
đồnghồ nguyêntử tốt nhất. Điều này rấtcó ích khinghiên cứucác đặcđiểmcủa hệ.
Chu kỳ xung rất ổn định thực tế là chu kỳ xungtrung bìnhquan sát thấy trên
Trái Đấtqua thời gian của một quĩ đạocủa hệ punxa.Chu kỳ quansát thấythực tế
thayđổi hàng chục micro giây, nghĩalà sự thay đổi này lớn hơn nhiềuso với sự
thayđổi về giá trị trung bình.Đó làhiệu ứng Doppler vànó đưa đến kết luận là
punxaquan sátthấy chuyển động theomộtquĩ đạo tuần hoàn. Điều này có nghĩalà
punxacần có mộtpunxakhác giống nó. Khi punxa tiếp cận Trái Đất, các xung tiến
đến Trái Đất thường xuyên hơn. Còn khipunxa đi raxa Trái Đất, cácxung tiến đến
Trái Đấtít hơn. Từ sự thay đổi trongchu kỳ xung, có thể xác địnhtốc độ của punxa
trên quĩ đạocủa nó vàcác đặc tínhquantrọng khác củahệ.
Có thể thu được mộtquan sát rất quantrọng khitheo dõi hệ trongmột vài

năm. Đó là sự giảm củachu kỳ quĩ đạo. Hai vật thể thiên văn quay ngàycàng nhanh
hơntheo một quĩ đạo ngày càng chặt. Sự thay đổi là rất nhỏ. Nó tươngứng với sự
giảm của chu kỳ quĩ đạo khoảng 75phần triệu giây trongmột năm. Tuynhiên,có
thể đo đượcsự giảmcủa chu kỳ quĩ đạo nếu tiến hành quan sát đủ thời gian.Sự
thayđổi này được cho là chắc chắn xảy rado hệ phát ra nănglượng ở dạng sóng
hấp dẫn. Năm1916 Einsteindự đoán rằng các sóng hấpdẫn xuất hiện khi các khối
lượng chuyểnđộng tươngđối với nhau.Các vật có khốilượngtrong chuyểnđộng
rất nhanh(vehement) phát ra một loại bức xạ gọi là bức xạ hấp dẫn.Hiện tượng
này cũngđượcmô tả như một chuyểnđộng sóng và như các sóng gợn trên đường
cong của không gian - thời gian. Vìthế bức xạ hấp dẫn còn được gọi là sónghấp
dẫn. Giá trị tínhtoán lý thuyết từ thuyết tương đối phù hợp trong phạm vi khoảng
một nửa phần trăm so với giá trị quan sát. Cuối năm1978 sau 4năm phát hiện ra
punxađôi, Taylor và cộngsự đã đưa ra thông báo về hiệu ứng này. Chưacó một ai
thành công trong việc phát hiện ramột sóng hấp dẫn trongmột bộ thu trên mặt
đất hoặc trongkhông gian. Punxađôi củaHulse và Taylor đã thuyết phụcchúng ta
rằng loại bức xạ này thựcsự tồn tại. Điều đó là do chu kỳ quaytheo quĩ đạo của
punxaxung quanhpunxa cùngđôi với nó dầndần giảm theo thời gian mặc dù cực
nhỏ nhưng đúngnhư thuyết tương đối tổngquát dự đoán là kết quả của việc phát
ra các sóng hấp dẫn. Thành công lớn này đưa punxaHulse-Taylor trở thành mọt
phòngthí nghiệm tuyệt vời đốivới vật lýhấp dẫn.
Sự phù hợp tốt giữa giátrị quan sát và giá trị tính toán lý thuyết củaquãng
đườngtheo quĩ đạo có thể được xemnhư một chứng minhgiántiếp về sự tồn tại
của cácsóng hấp dẫn. Chúng ta có thể phải chờ đợi cho đến thế kỷ XXI về cách
chứng minhtrực tiếp đối với sự tồn tại sónghấp dẫn. Người ta đã xâydựng nhiều
dự án dài hạn nhằm quansát sóng hấp dẫntác động đến Trái Đất. Bứcxạ dopunxa
đôi phátra là quá yếu để có thể quan sát thấy trên Trái Đất nhờ các kỹ thuật hiện
có. Tuy nhiên, cólẽ cácnhiễu loạn mãnhliệt của vật chất mà chúng xảy ra khihai
vật thể thiên văn trong một sao đôi (hoặc một punxađôi) lại gần nhauđến mức
chúng rơi vào nhaucó thể sinh ra các sónghấp dẫn quan sát được trênTrái Đất.
Cũng hi vọng có thể quan sát thấynhiều biến cố mãnh liệt kháctrong vũ trụ. Thiên

văn sóng hấp dẫn có thể trở thành lĩnhvực mớinhất của thiên văn quan sát mà ở
đó thiên văn neutrinolà cáicó trước(predecessor)trực tiếpnhất.Thiên vănsóng
hấp dẫn khi đó sẽ là kỹ thuật quansát đầutiên mànguyên lý cơ bản đượckiểm tra
đầu tiên đối vớinó trongbối cảnhvật lý thiên văn.
Russell A.Hulse sinhngày 28 tháng 11năm 1950tại New Yorkvà là con của
Alan vàBettyJoan Hulse.Ông học Trường Trungcao Bronx(1963-1966),Cao đẳng
CooperUnion (1966-1970),làm nghiên cứu sinhvà bảovệ luận án tiến sĩ tại Đại
học Massachusetts ở Amherst năm 1975. Sau đó, ông thực tập sautiến sĩ tại Đài
Thiênvăn vô tuyến Quốc gia(NRAO)ở Charlottesville (Virginia)từ năm 1975đến
năm 1977.Từ năm 1977 Hulse bắt đầu làmviệc tại Phòng thí nghiệmvật lý plasma
(PPPL) của Đại học Princeton và ở đây lúcđầu ông có nhiệm vụ phát triển cácphần
mềm máy tính mới để mô hình hóa dáng điệu củacác ion tạp trong các hệ plasma
nhiệt độ cao củacác thiết bị tổng hợp nhiệthạch có điều khiểntại PPPL. Thựctế là
ông chưabao giờ tiến hànhmô hình hóatrên máy tính trước đó.Kỹ năng và khoa
học về mô hình hóa trên máy tínhlà một trong những điều giátrị nhất mà Hulseđã
học đượctrong thời gianlàm việc tại PPPL.
Phần mềm về sự vận chuyển tạpchất nhiều loại mà nó về cơ bản được phát
triển từ côngtrình đầu tiên nói trên ở PPPL còn đượcsử dụng cho đến nay. Nómô
hình hóadángđiệu của các trạng thái điện tích khácnhau của một nguyên tố tạp
chất do ảnh hưởng chungcủa các quá trình nguyên tử và vận chuyểntrong plasma.
Hulse hướng sự phát triển của phầnmềm này vào ứngdụngthực tế củacác nhà
nghiêncứu quangphổ vàcác nhàthực nghiệm khác trong việc giải thích số liệu
của họ. Một trongnhữnghạnh phúc lớn nhất củaông là phần mềm này được sử
dụngrộng rãi trong nhiều năm oqử PPPL cũng như các phòng thí nghiệm tổnghợp
nhiệt hạch khác. Nghiêncứu riêng của Hulsevới phầnmềm này bao gồmviệc xác
định cáchệ số vận chuyển đối với cácion tạpbằng cách mô hình hóa cácquan sát
quangphổ về dáng điệu của chúngsau khi đưa chúngvào trongplasma.Liên quan
đến việc mô hìnhhóa dángđiệu của tạp chất Hulse cũng nghiên cứu các quá trình
nguyêntử chẳng hạn như giúp làm sáng tỏ vai trò củacác phản ứngtrao đổi điện
tích giữa hyđrô trunghòa và các iontích điện cao như là một quấ trìnhtái kết hợp

quan trọng của các tạptrong các plasmatổng hợp nhiệt hạch. Gần đây, Hulsephát
triển mộtphần mềm sắpxếp dữ liệu máy tínhmà nó đượcCơ quan Năng lượng
nguyêntử Quốc tế (IAEA) chọn làm một tiêu chuẩncho việc tập hợp và traođổi dữ
liệu nguyên tử đối với cácứng dụng của tổng hợp nhiệt hạch. Hulsecòn nghiên
cứu mô hìnhhóa sự vậnchuyểnelectrontrongplasma khibắn cácviên đạn (pellet)
hyđrô rắnvới vậntốc cao vào trong plasma.Một hướng nghiên cứu khác của Hulse
nhằmphát triển các cáchtiếp cận mới choviệc phát hiện các phần mềmmáy tính
mo đun dễ phát triển hơn nhiều và áp dụng các mô hìnhmáy tínhcho mộtphạm vi
rộng củacác ứngdụng trong nghiên cứu, côngnghiệp và giáo dục. Hulse theo đuổi
nghiêncứu 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 tácmới này gần đâyđã xuất hiện
giữacác phòng thínghiệmnghiên cứu do Nhà nước tài trợ và khu vực tư nhân.
Hulse còn quan tâm đến nhiều khía cạnhkhác nhaucủa các khoahọc mớigọi là
"các khoahọc củasự phức tạp" đặc biệtlà xem chúng có thể được khám phánhờ
sử dụng mô hình hoámáy tính như thế nào.
Lúc nhỏ Hulsethích chế tạo vô tuyến, làm đồ gỗ. Ông cónhiều sở thích như
chụp ảnh phong cảnh, đidu lịchvà ngắmcảnh, bắn súng,nghe nhạc, bơi xuồng,
trượttuyết và các hoạt độngngoài trời khác.
JosephH. Taylor sinh ngày29 tháng3 năm 1941 ở Philadelphia
(Pennsylvania, Mỹ) và là con traithứ hai của Joseph Hooton Taylor và Sylvia Evans
Taylor. Ông học ở Trường Moorevà Cao đẳng Haverford.Ở trườngphổ thông,ông
thích nhất môntoán. Ở trường cao đẳng, ông thích chơi bóngđá, bóngchuyền,
bóng chày, gôn và quầnvợt. Taylorhọc sau đại họctại Đại họcHarvard.Sau đó,
ông làmviệc lúc đầu tại Đạihọc Massachusetts và sau dó tại Đại họcPrinceton.
Taylor nói rằngông có maymắn được cộng tác với một só cá nhân tài năng độc
nhất vônhị và đặcbiệt tương hợptrong việc tìm kiếm các sự thật và điều lý thú đa
dạng như DickManchester, Russell Hulse, PeterMcCulloch, Joel Weisberg,
ThibaultDamourvà Dan Stinebring. Vợ của Taylor là MariettaBissson Taylor.