Sóng trọng lực và sóng hấp dẫn có phải hai khái niệm khác nhau hay không và chúng có liên quan gì với nhau về bản chất cũng như cách gọi tên. Câu hỏi này đã được nhiều người đặt ra. Trong bài viết này tôi xin làm rõ sự khác biệt của hai khái niệm này.
Sóng hấp dẫn là một khái niệm không mới nhưng bắt đầu thực sự phổ biến và được biết tới bởi đông đảo người yêu thích khoa học thời gian gần đây, từ đầu năm 2016, bắt đầu từ việc nó được ghi nhận trực tiếp bởi đài quan sát LIGO. Mặc dù nó là một khái niệm còn khá trừu tượng với rất nhiều người, nhưng nhờ ý nghĩa to lớn đối với khoa học mà khắp mọi nơi đều nhắc tới nên nó cũng thu hút sự chú ý đáng kể của công chúng yêu khoa học. Bên cạnh đó, đôi khi độc giả có thể đọc thấy đâu đó khái niệm "sóng trọng lực". Đặc biệt hơn là trong các văn bản tiếng Anh, sóng hấp dẫn và sóng trọng lực có cách viết mà nhìn qua rất giống nhau khiến nhiều người có thể hiểu nhầm hoặc dịch không chính xác. Sóng hấp dẫn là "gravitational wave" còn sóng trọng lực là "gravity wave". Trên thực tế, dù cách viết khá giống nhau và dễ bị nhầm lẫn với nhau, đây là hai đối tượng vật lý rất khác nhau.
Sóng hấp dẫn
Sóng hấp dẫn (gravitational wave) là những gợn sóng của độ cong không-thời gian được truyền đi dưới dạng sóng với vận tốc ánh sáng. Mọi vật thể có khối lượng đều gây ra trường hấp dẫn làm thay đổi độ cong của không-thời gian (những vật khối lượng nhỏ gây ra trường hấp dẫn không đáng kể nên thường coi như không tính đến, chỉ những khối lượng cỡ hành tinh trở lên mới thường được xét tới do trường hấp dẫn của chúng khá rõ rệt). Khi vật thể chuyển động và xuất hiện gia tốc, độ cong này lan truyền đi dưới dạng sóng tương tự như khi ném một viên sỏi xuống mặt nước tạo ra sóng nước. Sóng hấp dẫn rất yếu nếu so sánh với sóng điện từ, chỉ đáng kể ở những nguồn rất mạnh hay những sự kiện đặc biệt lớn như từ sự mất năng lượng trên quỹ đạo của các cặp sao, sao neutron hay lỗ đen; các vụ nổ supernova lớn; hoặc sự sáp nhập của các lỗ đen.
Loại sóng này đã được thuyết tương đối rộng của Einstein dự đoán từ năm 1916, nhưng 100 năm sau nó mới được ghi nhận trực tiếp. Việc quan sát sóng hấp dẫn có thể hỗ trợ việc xác định chính xác hơn sự tạo thành các cấu trúc lớn trong vũ trụ, đồng thời cung cấp thêm thông tin về những đối tượng không trực tiếp bức xạ sóng điện từ như lỗ đen.
Sóng hấp dẫn sinh ra khi hai lỗ đen chuyển động trên quỹ đạo quanh nhau và mất dần năng lượng cho tới khi va chạm và sáp nhập
Độc giả có thể tìm hiểu kĩ hơn về sóng hấp dẫn và việc phát hiện ra sóng này qua bài giảng của tôi thực hiện tháng 3 năm 2016 TẠI ĐÂY.
Sóng trọng lực
Sóng trọng lực (gravity wave) hoàn toàn khác với sóng hấp dẫn. Nó là loại sóng xảy ra trong chất lỏng hoặc trên bề mặt tiếp giáp giữa chất lỏng và chất khí, chẳng hạn như trên mặt sông, hồ hay đại dương của Trái Đất. Nó được gọi là sóng trong lực do nó được gây ra bởi chính trọng lực của hành tinh.
Chẳng hạn, khi có gió, sóng trên mặt biển hình thành dưới dạng những vùng nước bị xô đi. Chúng ta đều biết rằng do lực hấp dẫn, hay trọng lực của Trái Đất, lớp nước được sắp xếp sao cho đạt trạng thái cân bằng - ở trạng thái cân bằng đó thì mặt biển phải là một mặt cầu lý tưởng. Khi một phần nước bị xô đi và đẩy cao hơn những phần khác, trọng lực sẽ kéo nó xuống để hướng nó về trạng thái cân bằng. Nhưng việc kéo xuống đó lại nén lớp nước ngay dưới nó và sinh ra lực đẩy theo xu hướng làm nó nổi lên. Việc đó khiến cho khối nước bị đẩy lên đẩy xuống và lan truyền ra dưới dạng sóng. Thuỷ triều và sóng thần chính là những ví dụ tiêu biểu của sóng trọng lực trên mặt biển.
Sóng trọng lực cũng sinh ra đối với không khí. Khi một cơn gió mạnh thổi vào một ngọn núi chắn ngang, một phần của nó bị đẩy lên phía trên. Trọng lực kéo phần đó xuống nhưng đồng thời nó lại chịu lực đẩy nổi lên bởi phần khí phía dưới, gây ra sự nhiễu loạn trong một vùng không khí. Sóng trọng lực trong khí quyển này là nguyên nhân dẫn tới nhiều hiện tượng trong các tầng khí quyển của Trái Đất.
Sóng trọng lực trong khí quyển sinh ra khi gió bị đẩy lên để đi qua một dãy núi
Qua định nghĩa sơ bộ như nêu trên, chúng ta có thể thấy rằng trong khi sóng trọng lực thực ra khá quen thuộc quanh chúng ta thì sóng hấp dẫn lại cực kỳ khó phát hiện. Quan trọng hơn, chúng hoàn toàn khác nhau về bản chất: sóng trọng lực là một dao động cơ học của vật chất, còn sóng hấp dẫn là một loại sóng hoàn toàn khác với bất cứ sóng gì mà chúng ta có thể quan sát thấy hàng ngày.
Tháng 5 năm 2017
Đặng Vũ Tuấn Sơn
