Phát triển và giảng dạy ngành khoa học vũ trụ

- Nguyễn Quang Riệu — published 15/01/2011 18:00, cập nhật lần cuối 12/04/2016 22:18

Phát triển và giảng dạy ngành khoa học vũ trụ

Nguyễn Quang Riệu

Một ngành khoa học cơ bản, thực nghiệm và ứng dụng

Tại các nước tiên tiến, khoa học cơ bản thường được phát triển song song với khoa học thực nghiệm và ứng dụng. Tách rời những lĩnh vực này và chỉ quan tâm đến phát triển công nghiệp có thể dẫn đến tình trạng mất cân bằng khiến cho sự phát triển khoa học phải phụ thuộc vào nước ngoài. Để có được sự độc lập về mặt khoa học, giáo dục và đào tạo chính là một nền tảng quan trọng.

Thiên văn học là một ngành khoa học, tuy là cơ bản, nhưng có những ứng dụng cụ thể liên quan đến sự sinh hoạt thường ngày cuả con người. Nhờ có những định luật cơ học cuả Newton và Kepler mà các nhà khoa học mới tính được quỹ đạo để phóng những vệ tinh phục vụ ngành vô tuyến viễn thông, như vô tuyến truyền hình và hệ thống điện thoại di động. Hệ định vị toàn cầu nhằm xác định vị trí cuả tàu bè trên biển, máy bay trên không gian và hướng dẫn người lái xe hơi len lỏi để tìm đường phố trong những đô thị, có thể đạt được độ chính xác rất cao, nếu thuyết tương đối cuả Einstein được áp dụng. Kỹ thuật hiện đại làm kính thiên văn được dùng trong ngành y để chẩn đoán bệnh trong võng mạc ở đáy mắt.

Thiên văn học cũng giải đáp được phần nào những thắc mắc siêu hình và triết lý mà nhân loại ấp ủ từ thời xa xưa. Quan sát bầu trời là để tìm hiểu nguồn gốc của vũ trụ và của loài người, là để phát hiện những thế giới văn minh khác, nếu có, trên những hành tinh xa xôi ở ngoài hệ mặt trời. Tại Việt Nam, kiến trúc cuả quần thể Văn Miếu - Quốc tử Giám được coi là dựa trên những quy luật của vũ trụ quan thiên văn - địa lý đời xưa. Giếng Thiên Quang là cái gương phản chiếu ánh sáng mặt trời và các vì sao trong vũ trụ. Giếng tượng trưng trái đất vuông vắn như cái bàn cờ, theo quan niệm vũ trụ cổ xưa. Cửa sổ hình tròn cuả Khuê Văn Các cũng có thể là để gợi hình ảnh mặt trời hay bầu trời. Sao Khuê là một trong 28 chòm sao mà người ta thường gọi là “Nhị thập bát tú”, rọi xuống trái đất nhiều khí tốt lành. Do đó, trung tâm văn hóa Văn Miếu - Quốc tử Giám được coi là nơi quy tụ những tinh hoa của vũ trụ.

Mục tiêu đầu tiên cuả ngành thiên văn vẫn là nghiên cứu những hiện tượng trên bầu trời, sự sinh tử cuả những ngôi sao, của những thiên hà và sự tiến hóa cuả toàn thể vũ trụ. Xác định những điều kiện lý-hóa trong phòng thí nghiệm thiên nhiên vũ trụ cũng là một đề tài không kém quan trọng cuả ngành thiên văn vật lý. Vì bức xạ của những thiên hà xa xôi thu được trong kính thiên văn và ăngten rất yếu, nên các nhà thiên văn phải dùng những kính thiên văn quang học và vô tuyến thật lớn cùng những thiết bị điện tử tối tân để thu từng hạt photon. Họ còn phóng vệ tinh lên không gian để tránh hiện tượng hỗn loạn trong bầu khí quyển của trái đất làm hình những thiên thể kém phần sắc nét. Kỹ thuật xây những kính thiên văn vừa lớn vừa nhẹ và chế ra những máy điện tử thu tín hiệu ngày càng nhạy đã góp phần vào sự phát triển ngành công nghệ tiên tiến.

Sau khi chiến tranh thế giới thứ 2 kết thúc, các kỹ sư trước kia đã từng làm nghĩa vụ quân sự phòng không và phát hiện tàu chiến trên biển bằng radar, nay trở thành những nhà khoa học tiên phong xây những ăngten và máy điện tử để thu tín hiệu vô tuyến trong vũ trụ. Ngành thiên văn vô tuyến đã được phát triển, chính là nhờ những nỗ lực cuả các chuyên gia kỹ thuật radar. Nhiều khám phá thiên văn quan trọng, như sự phát hiện bức xạ phông vũ trụ, một bằng chứng thiết yếu củng cố thuyết Big Bang, đã được thực hiện trên bước sóng vô tuyến. Sự cộng sinh giữa khoa học cơ bản và khoa học kỹ thuật là yếu tố cần thiết trong quá trình phát triển cuả ngành thiên văn hiện đại.

nancay_a

(a)

nancay_b

(b)

Hình 1: (a) Hệ kính thiên văn vô tuyến đặt tại Nancay, vùng đồng quê Sologne (180 km về phía nam Paris), có 2 ăngten khổng lồ đặt cách xa nhau 460 m. Phía bên trái hình là ăngten phẳng (kích thước 200 m x 40 m) quay xung quanh một trục ngang và phản chiếu tín hiệu vô tuyến vũ trụ vào ăngten cong (phía bên phải hình, kích thước 300 m x 35 m). Tín hiệu được hội tụ vào tiêu điểm (toà nhà thấp màu trắng ở giữa 2 ăngten), nơi có máy quang phổ thu và phân tích tín hiệu. (b) Hình ăngten cong, ở phía bên phải trong hình (a), được phóng to ra. Hệ kính Nancay, thuộc Đài Thiên văn Paris, được dùng để thu tín hiệu vô tuyến phát từ những pulsar, nhân cuả những ngôi sao đã nổ, cùng những thiên hà xa xôi. Kính thiên văn vô tuyến Nancay đã được Tổng thống Pháp, Charles de Gaulle, khánh thành mùa xuân năm 1965 (Hình Trung tâm thiên văn vô tuyến Nancay).

Các nhà thiên văn dùng những lý thuyết vật lý mới nhất cùng những kết quả thu được bằng kính thiên văn để tìm hiểu nguồn gốc và sự tiến hóa cuả vũ trụ. Những công trình quan sát đại trà và những mô hình lý thuyết chạy liên tục hàng tháng trong những siêu máy tính đã giúp các nhà thiên văn mô phỏng được cấu trúc cuả toàn thể vũ trụ.

Hình 2: Toàn cảnh của vũ trụ quan sát trên bước sóng hồng ngoại: vũ trụ không đồng đều, những thiên hà (những đốm xanh đỏ) quan sát trong vũ trụ tập trung thành từng chùm chằng chịt như dây mạng nhện. Những chùm thiên hà được hình thành từ những đám khí trong vũ trụ nguyên thủy: trường hấp dẫn làm đám khí sập sụp và trở nên đặc dần. Những thiên hà tượng trưng bằng những đốm đỏ ở xa hơn những thiên hà tượng trưng bằng những đốm màu xanh. Vệt phẳng sáng nằm ngang chính giữa là Dải Ngân hà (Hình T. Jarrett, IPAC, Caltech).

Phổ biến khoa học cũng là một trong những nhiệm vụ của các nhà khoa học. Tổ chức UNESCO (Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa cuả Liên hiệp Quốc) đã công bố năm 2009 là Năm Thiên văn Quốc tế để kỷ niệm một sự kiện xẩy ra đúng 400 năm trước, khi Galileo Galilei trở thành người đầu tiên sử dụng một chiếc kính thiên văn để quan sát bầu trời. Nhân dịp này, UNESCO đã phối hợp với Hội Thiên văn Quốc tế IAU (International Astronomical Union) để tổ chức những hoạt động phổ biến thiên văn học trên toàn cầu. Những thành viên trong Hội Thiên văn Quốc tế đều là những nhà thiên văn chuyên nghiệp thuộc 87 quốc gia. Đối với UNESCO, công việc giáo dục trong lĩnh vực khoa học vũ trụ là động cơ thúc đẩy sự phát triển bền vững và sự tăng trưởng kinh tế thế giới. Thiên văn học thường bị coi là một ngành khoa học xa vời và các nhà thiên văn là những nhà khoa học tự “nhốt” mình trong tháp ngà. Vậy nên qua những hoạt động phổ biến thiên văn, dân chúng có thể ý thức được tác động thiết thực cuả ngành thiên văn đối với đời sống thường ngày.

Nghiên cứu và giảng dạy môn khoa học vũ trụ tại Pháp

Hiện nay trên thế giới, đặc biệt là nước Pháp, thiên văn học không những là một môn khoa học cơ bản mũi nhọn đang được phát triển mà còn được phổ biến rộng rãi thông qua các phương tiện truyền thông đại chúng. Trước thời đại phát triển công nghiệp, bầu trời ban đêm chưa bị ô nhiễm bởi ánh đèn cuả các đô thị, nên đài thiên văn thường được xây tại những chốn phồn hoa đô hội, nơi tập trung nhiều nhà khoa học. Tại nước Pháp nơi có một truyền thống văn hóa và khoa học lâu đời, Đài Thiên văn Paris đã trở thành trung tâm nghiên cứu vũ trụ cổ kính nhất ở phương Tây. Đài được xây từ thế kỷ XVII dưới triều Vua Mặt trời (Louis XIV). Vua đã triệu tập những nhà khoa học danh tiếng ở châu Âu hồi đó, như nhà thiên văn kiêm nhà toán học người Ý, Jean Dominique (JD) Cassini, để đến Đài Thiên văn Paris làm việc. JD Cassini là vị giám đốc đầu tiên cuả Đài Thiên văn Paris. Trong suốt một thế kỷ ròng rã, bốn thế hệ Cassini liên tục công tác tại Paris và đã để lại nhiều công trình nghiên cứu thiên văn làm rạng rỡ nền khoa học Pháp. Cũng tại đây, nhà vật lý nổi tiếng người Pháp ở thế kỷ 19, Léon Foucault, đã áp dụng một phương pháp độc đáo để đo tốc độ ánh sáng. Kết quả chỉ sai khoảng 0,5% so với kết quả đo được bằng những thiết bị hiện đại. Lần đầu tiên, Foucault cũng đã thực hiện tại Đài Thiên văn Paris cuộc thí nghiệm dùng một quả lắc để chứng minh là trái đất tự quay.

Hình 3: Bảo tàng cuả Đài Thiên văn Paris trưng bầy những kính thiên văn và những thiết bị quang học cổ xưa.

Ngày nay, mỗi thành phố lớn ở Pháp đều có một đài thiên văn. Đài Thiên văn Meudon ở ngoại thành Paris đã được sát nhập với Đài Thiên văn Paris. Đài Thiên văn Paris - Meudon trở thành một trong những đài thiên văn lớn nhất trên thế giới về mặt nhân lực cũng như về mặt khoa học. Một phần ba các nhà thiên văn Pháp công tác tại nơi đây. Đài Paris - Meudon không những là một trung tâm nghiên cứu mà còn là một đại học đào tạo sinh viên từ trình độ thạc sĩ đến tiến sĩ. Đài có những bộ môn liên quan đến rất nhiều lĩnh vực, cả lý thuyết lẫn thực nghiệm, như các môn nghiên cứu sự tiến hóa cuả mặt trời, cuả những ngôi sao và những thiên hà, tìm hiểu nguồn gốc của vũ trụ, phát hiện những siêu địa cầu và dấu vết cuả sư sống trong Dải Ngân hà. Đài Thiên văn Paris - Meudon còn là nơi chế tạo những thiết bị quang học để trang bị kính thiên văn. Những buổi thuyết trình và những đêm quan sát bầu trời bằng kính thiên văn cũng được tổ chức thường xuyên để phổ biến ngành thiên văn cho quảng đại quần chúng.

Đài Thiên văn Paris còn được trao nhiệm vụ quản lý hệ thống giờ quốc tế. Chu kỳ tự quay cuả trái đất được dùng để đo thời gian. Tuy nhiên, các nhà thiên văn, khi sử dụng những đồng hồ nguyên tử hiện đại cực kỳ chính xác, đã nhận thấy là trái đất quay chậm dần. Lý do là vì trái đất bị ảnh hưởng cuả trường hấp dẫn, chủ yếu là cuả mặt trăng và mặt trời. Hiện tượng này hoạt động như một cái phanh. Do đó, hệ giờ quốc tế dựa trên chu kỳ quay của trái đất có thể thay đổi. Một hệ 250 đồng hồ nguyên tử trên thế giới, kể cả đồng hồ của Đài Thiên văn Paris, được dùng làm chuẩn thời gian. Lần cuối cùng giờ được điều chỉnh là vào những giây phút cuối của năm 2008. Đúng 23 giờ 59 phút 59 giây (giờ quốc tế) ngày 31 tháng 12 năm 2008, đồng hồ đã được vặn chậm lại một giây: năm 2008 dài thêm một giây đồng hồ. Tuy sự thay đổi một giây là không đáng kể và không có ảnh hưởng đến công việc thường ngày của mọi người, nhưng đối với nhà thiên văn quan sát những thiên thể trên bầu trời lại thành tối quan trọng.

Bầu trời ban đêm ở thành phố Paris cũng như ở đa số các đô thị đều bị ô nhiễm bởi ánh đèn. Các trạm quan sát thiên văn trên thế giới được đặt tại những vùng núi cao hẻo lánh rải rác khắp năm châu. Các nhà thiên văn, không phân biệt quốc tịch, có thể sử dụng những kính thiên văn lớn, nếu họ có những công trình quan sát chính đáng được hội đồng các chuyên gia quốc tế chấp nhận.

Phát triển thiên văn vật lý tại Việt Nam

Việt Nam đ̣ã trải qua những cuộc chiến tranh kéo dài trong nhiều thập niên, nên đã phải có những biện pháp khẩn cấp để đối phó với tình huống kinh tế khó khăn trong thời hậu chiến. Đến nay, sự chấn hưng nền giáo dục và khoa học là điều cần thiết và đã được bàn đến rất nhiều trong cộng đồng các nhà khoa học trong và ngoài nước.

Vốn là một nhà thiên văn vật lý, tôi chỉ nêu lên một số vấn đề liên quan đến lĩnh vực này. Vũ trụ là một môi trường trong đó có đủ các hiện tượng lý-hóa mà chúng ta cần quan sát và nghiên cứu để cũng thực hiện được trong phòng thí nghiệm trên trái đất. Các nhà thiên văn tìm thấy trong Dải Ngân hà chất hữu cơ HC₁₁N thuộc loại cyanopolyyne, một hóa chất có những chuỗi cacbon dài liên kết với nhau. Các nhà hóa học, khi muốn tìm hiểu trong phòng thí nghiệm cơ chế hình thành cuả cyanopolyyne, đã tình cờ chế ra chất fullerene có cấu trúc như một quả bóng đá vi mô chứa toàn là nguyên tử cacbon. Chất fullerene có độ bền rất cao và được dùng trong công nghệ nano. Tìm hiểu cơ chế phát ra năng lượng trong lòng mặt trời và những ngôi sao cũng giúp các nhà vật lý thực hiện được những phản ứng nhiệt hạch giải phóng ra nhiều năng lượng hơn cả những phản ứng phân hạch trong lò nguyên tử.

Việt Nam không nhất thiết phải xây những đài thiên văn đắt tiền và những kính thiên văn lớn để quan sát vũ trụ. Các nhà thiên văn toàn cầu là một cộng đồng không phân biệt biên giới. Trong thời gian đầu chưa có thiết bị, các nhà thiên văn Việt Nam có thể cộng tác với những đồng nghiệp nước ngoài và sử dụng những kính thiên văn sẵn có trên thế giới. Họ không cần phải đến tận đài quan sát, nhưng có thể theo dõi những buổi quan sát từ xa trên máy tính và xử lý số liệu trong phòng thí nghiệm trong nước. Họ cũng có thể dùng máy tính để lập ra những mô hình lý thuyết nhằm giải thích những kết quả thu được.

Điều cốt yếu là đào tạo đủ chuyên gia, dù phải gửi ra nước ngoài, để sau khi về nước họ thành lập được một đội ngũ thiên văn đầu ngành. Trước đây, ngành thiên văn vật lý ở Tây Ban Nha hầu như không phát triển đáng kể. Nhưng chỉ trong ba thập niên, họ đã gửi sinh viên đi du học tại các nước láng giềng có truyền thống thiên văn, như Pháp và Đức. Hiện nay, Tây Ban Nha đã có một đội ngũ thiên văn vô tuyến trẻ rất năng động và có uy tín.

Hành trang cuả các nhà thiên văn vật lý rất đa dạng nên có thể giúp họ hoạt động trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Với sự hỗ trợ cuả Hội Thiên văn Quốc tế, chúng tôi đã tổ chức những khoá học thiên văn vật lý tại Việt Nam. Từ năm 1996 đến năm 2005, chúng tôi đã vận động chính phủ Pháp để trao học bổng cho sinh viên Việt Nam sang Đại học Paris 6 và Đài Thiên văn Paris thực tập và làm luận án tiến sĩ về môn thiên văn vật lý. Họ đã trở về nước công tác, trong số đó có những sinh viên đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ tại Paris. Tuy nhiên, họ không tập trung ở một cơ quan để cùng cộng tác và cũng không đủ đông để thành lập một bộ môn nghiên cứu thiên văn.

Đài thiên văn Phủ Liễn ở Kiến An, thành phố Hải Phòng, đã được chính quyền Pháp xây vào đầu thế kỷ trước, chủ yếu là để dự báo thời tiết và quan sát mặt trời. Giáo sư Nguyễn Xiển là nhà khoa học Việt Nam đầu tiên được cử làm giám đốc Đài Phủ Liễn. Trong thời chiến, kính thiên văn và thiết bị quang học đã được chuyển đi nơi khác. Hiện nay, nhiệm vụ chính của Đài Phủ Liễn là theo dõi khí tượng. Khí hậu nhiệt đới ẩm thấp ở Việt Nam không thuận lợi cho sự quan sát bầu trời trong lĩnh vực quang học và trên những bước sóng ngắn milimet vô tuyến. Đa số kính thiên văn vô tuyến hiện đại trên thế giới hoạt động trên bước sóng milimet. Tuy nhiên, sóng vô tuyến trên những bước sóng dài từ 10 cm trở lên có khả năng truyền tới kính thiên văn, ngay cả khi có mưa, mà không bị khí quyển ẩm ướt hấp thụ. Do đó, ngành thiên văn vô tuyến cũng có thể được phát triển tại Việt Nam. Những nước ở vùng nhiệt đới như Ấn Độ cũng đã xây những hệ giao thoa vô tuyến hoạt động trên những bước sóng dài để thu bức xạ cuả nguyên tử hydro rất phổ biến trong vũ trụ. Do sự dãn nở cuả không gian vũ trụ, vạch hydro phát trên bước sóng 21 cm từ những thiên hà xa xôi đều dịch chuyển về phía những bước sóng dài. Những kết quả quan sát này giúp các nhà thiên văn tìm hiểu vũ trụ ở thời đại nguyên thủy. Ấn Độ cũng là nơi sinh viên Việt Nam có thể thực tập trong ngành thiên văn vô tuyến.

Cố Giáo sư Hoàng Xuân Hãn là người đã quan tâm đến ngành thiên văn nước nhà. Giáo sư là một nhà học giả uyên thâm, không những chỉ trong lĩnh vực khoa học và làm lịch, mà còn đối với những vấn đề văn hóa. Chúng tôi đã có dịp trao đổi với Giáo sư Hãn về lịch sử thiên văn phương Đông để viết và xuất bản những tác phẩm phổ biến khoa học.

(a) (b)

Hình 4: (a) Một cuộc gặp gỡ với cố Giáo sư Hoàng Xuân Hãn (đứng bên phải) nhân buổi Giáo sư đến tham quan Đài Thiên văn Paris - Meudon vào năm 1987. Mái vòm cuả đài quan sát có đường kính 18 m đặt trên nóc một tòa lâu đài cổ kính. (b) Dưới mái vòm có chiếc kính thiên văn dài 16 m gồm hai thấu kính có đường kính 83 cm và 62 cm. Kính thiên văn này hoạt động từ cuối thế kỷ 19 và là một trong những kính thiên văn lớn nhất trên thế giới hồi đó.

Trong khuôn khổ hợp tác khoa học giữa Đại học Quốc gia Hà Nội với Đại học Paris, Pierre và Marie Curie, và Đài Thiên văn Paris, chúng tôi đã tổ chức vào đầu tháng 11 năm 2010 một hội thảo về môn khoa học vũ trụ và khí hậu học tại Việt Nam, nhân dịp Đại lễ 1000 năm Thăng Long - Hà Nội. Các nhà khoa học đầu ngành của Pháp trình bày những kết quả mới nhất thu được bằng kính thiên văn đặt trên mặt đất và phóng lên không gian, cùng khả năng phát triển thiên văn học tại Việt Nam. Các nhà khoa học nhận định rằng khí thải công nghiệp làm trái đất ngày càng nóng lên và có khả năng biến thà̀nh một hành tinh khô cằn. Kỹ thuật thám hiểm vũ trụ cũng được dùng để tiên đoán những diễn biến cuả khí hậu.

Những cuộc thí nghiệm khoa học đơn giản và những buổi trình diễn thiên văn dưới vòm nhà chiếu hình vũ trụ là những biện pháp để nâng cao dân trí. Đã có một đề án Việt - Pháp để xây tại thủ đô Hà Nội một Cung khoa học trong đó có nhà chiếu hình vũ trụ, nhằm phổ biến khoa học cho quảng đại quần chúng. Chúng tôi đã tham gia hoạt động tích cực trong nhiều năm nhằm thực hiện đề án này. Nhưng cho đến nay, công trình xây dựng Cung khoa học vẫn hãy còn tồn tại dưới dạng đồ án thiết kế.

Hình 5: Đồ án xây Cung khoa học tại thủ đô Hà Nội.

Sự thành công rực rỡ của ngành toán học Việt Nam là động cơ thúc đẩy sự phát triển những ngành khoa học khác. Ngay từ bây giờ, chúng ta cần đầu tư nhiều hơn trong lĩnh vực giáo dục và đào tạo, trước hết là để đuổi kịp các nước láng giềng và sau là để đạt được đỉnh cao trong khoa học trên trường quốc tế.