Hai nhà thiên văn Bell Labs đuổi bồ câu để sửa ăng-ten bị nhiễu. Thứ nhiễu ấy hóa ra đến từ vũ trụ sơ khai.

12/10/2026 · VietTechies · Biên tập

Trước khi phát hiện ra bức xạ phông vi sóng vũ trụ vào năm 1965, Arno Penzias và Robert Wilson phải đối phó với hai con chim bồ câu. Hai con chim trú ngụ ở đầu hẹp của một chiếc ăng-ten loa 20 feet tại cơ sở Crawford Hill của Bell Labs ở Holmdel, bang New Jersey, và đã phủ lên mặt trong ăng-ten một lớp “chất màu trắng mà dân thành phố ai cũng quen thuộc”, như cách Wilson gọi về sau.

Hai nhà thiên văn vô tuyến đuổi đôi bồ câu đi rồi dọn dẹp sạch sẽ, mong loại bỏ được một tín hiệu nhiễu yếu và đều đặn mà các phép đo của họ không giải thích được. Mức nhiễu chỉ giảm chút ít.

Tín hiệu nhiễu ấy không phải do ăng-ten trục trặc. Đó là một thứ ánh sáng mờ nhạt thuộc dải vi sóng, còn sót lại từ thời vũ trụ sơ khai nóng bỏng và đến từ mọi hướng. Năm 1978, chính thứ ánh sáng ấy đã mang về cho Penzias và Wilson một nửa giải Nobel Vật lý. Hai ông vốn không đi tìm nó. Điều biến nó thành một phát hiện là một phép đo cẩn thận tới mức không thể gạt đi vài độ chênh lệch chưa có lời giải thích.

Thừa ra vài độ

Năm 1963, khi chiếc ăng-ten loa không còn cần cho các dự án vệ tinh, Penzias và Wilson bắt đầu chuẩn bị đưa nó vào nghiên cứu thiên văn vô tuyến, với kỳ vọng sẽ nắm rõ mọi nguồn nhiễu mà ăng-ten thu vào. Wilson mong đo được một quầng sóng vô tuyến mờ nhạt mà người ta cho là bao quanh dải Ngân Hà.

Một điện trở càng nóng thì càng phát ra nhiều nhiễu điện, nên giới thiên văn vô tuyến quy đổi nhiễu ra nhiệt độ: một điện trở phải nóng tới mức nào mới tạo ra công suất nhiễu tương đương. Máy thu của hai ông chuyển qua lại giữa ăng-ten và một nguồn tham chiếu làm lạnh bằng heli lỏng, nên mọi số đo đều là phép so sánh với một vật mà họ biết chắc là rất lạnh.

Ngay từ bản ghi đầu tiên, số liệu đã có vẻ sai. Nhiệt độ ăng-ten đo được vào khoảng 7,5 kelvin (K), tức 7,5 độ trên độ không tuyệt đối, trong khi khí quyển, thành ăng-ten và mặt đất cộng lại lẽ ra chỉ khoảng 3,3 K. Kể cả khi hai ông có tính sai nhiệt độ của nguồn tham chiếu, nguồn này cũng không thể lạnh hơn heli lỏng đang làm lạnh nó, vốn có nhiệt độ 4,2 K, còn nhiệt độ ăng-ten lại cao hơn mức đó ít nhất 2 K. Wilson viết rằng nếu không hiểu được nguyên nhân, phép đo quầng sóng vô tuyến của họ “sẽ không thể thực hiện được”.

Loại trừ từng nghi phạm

Chính các phép đo bầu trời của hai ông đã loại trừ khả năng khí quyển hấp thụ nhiều hơn dự kiến. Dù chĩa ăng-ten về phía thành phố New York hay về bất cứ đâu trên đường chân trời, số đo cũng không bao giờ cao hơn đáng kể so với mức mà riêng mặt đất ấm tạo ra, nên nhiễu nhân tạo không phải là câu trả lời. Ở những hướng cách xa dải Ngân Hà vắt ngang bầu trời, thiên hà của chúng ta lẽ ra chỉ góp thêm khoảng 0,02 K, và phần đóng góp này hẳn phải thay đổi theo hướng nhìn.

Chỉ còn lại chính chiếc ăng-ten. Hai ông tính được rằng tổn hao do điện trở, lớn nhất ở phần cổ hẹp bằng đồng của ăng-ten, góp thêm 0,9 K, nhưng không có cách nào đo xem các mối nối nhôm tán đinh có thể góp thêm bao nhiêu.

Mùa xuân năm 1965, hai ông lau chùi kỹ chiếc ăng-ten loa, dán băng dính che các mối nối tán đinh và tháo rời phần cổ ăng-ten. Phần nhiệt độ dư gần như không xê dịch. Gần một năm đã trôi qua mà không có gì thay đổi, và điều đó loại thêm được hai nghi phạm: bất cứ thứ gì nằm trong hệ Mặt Trời hẳn cũng đã dịch chuyển trên bầu trời, còn bức xạ từ các hạt mà một vụ nổ hạt nhân ở độ cao lớn năm 1962 đã đưa thêm vào vành đai bức xạ Van Allen của Trái Đất thì lẽ ra phải yếu đi đáng kể.

Cuộc điện thoại

Penzias đang trao đổi với Bernard Burke ở Viện Công nghệ Massachusetts về những chuyện khác thì nhắc tới tín hiệu nhiễu này. Burke nhớ ra mình từng nghe nói P. J. E. Peebles, thành viên nhóm của Robert Dicke ở Đại học Princeton, có làm một nghiên cứu lý thuyết về bức xạ trong vũ trụ. Penzias gọi điện cho Dicke, và Dicke gửi sang bản thảo bài báo chưa đăng của Peebles.

Ý tưởng của Dicke là: nếu vũ trụ từng trải qua một giai đoạn cực nóng, thì bức xạ từ giai đoạn ấy có thể vẫn còn quan sát được. Peebles đã tính ra rằng thứ bức xạ này phải lấp đầy vũ trụ với nhiệt độ ít nhất 10 K, còn Dicke, Peter Roll và David Wilkinson đang chuẩn bị một thí nghiệm để tìm nó. Về sau, khi nói chuyện trên NPR, mạng lưới phát thanh công cộng của Mỹ, Wilson kể lại một câu chuyện ông nghe được từ Wilkinson: Dicke nhận cuộc gọi của Penzias trong một bữa trưa ở văn phòng của mình, gác máy rồi nói: “Thôi, các cậu ạ, chúng ta bị người ta đi trước một bước rồi.”

Nhóm của Dicke tới thăm Bell Labs, và Wilson viết rằng họ “nhanh chóng tin vào độ chính xác trong các phép đo của chúng tôi”. Năm 1965, hai nhóm đăng hai bài báo ngắn cạnh nhau trên tạp chí Astrophysical Journal: một bài lý thuyết của nhóm Princeton và một bài về phép đo của nhóm Bell Labs.

Bài báo của nhóm Bell Labs là một hình mẫu về sự dè dặt. Với nhan đề “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s” (Một phép đo nhiệt độ ăng-ten dư ở 4080 Mc/s, tức 4.080 megahertz theo đơn vị ngày nay), bài báo ghi nhận phần nhiệt độ dư 3,5 K, sai số cộng trừ 1 K, mà hai ông mô tả là “đẳng hướng, không phân cực và không biến đổi theo mùa”. Hai ông chỉ nhắc tới bài của nhóm Princeton như “một cách giải thích khả dĩ”. Trong bài giảng Nobel, Wilson cho biết hai ông không bàn đến vũ trụ học trong bài báo “vì chúng tôi không tham gia vào bất kỳ phần nào của công trình đó. Hơn nữa, chúng tôi nghĩ phép đo của mình độc lập với lý thuyết và có thể tồn tại lâu hơn lý thuyết ấy”.

Từng có người suýt tìm ra

Thứ bức xạ này từng xuất hiện từ trước, chỉ là chưa ai nhận ra đó là gì. Khi mô tả máy thu dùng trên chính chiếc ăng-ten này của Bell Labs để nhận tín hiệu dội lại từ vệ tinh Echo, E. A. Ohm đã ghi nhận nhiệt độ hệ thống cao hơn 3,3 K so với dự kiến. Wilson viết rằng phần dư này nhỏ hơn sai số thực nghiệm, “nên người ta không chú ý nhiều đến nó”.

Lý thuyết cũng đã có từ trước. Wilson viết rằng hai ông “sớm biết rằng dự đoán lý thuyết về bức xạ này đã được đưa ra ít nhất mười sáu năm trước phát hiện của chúng tôi”: cuối thập niên 1940, Ralph Alpher và Robert Herman đã dự đoán rằng ngày nay, bức xạ ấy có nhiệt độ khoảng 5 K.

Peebles, người cùng nhận giải Nobel Vật lý năm 2019, nói trong bài giảng Nobel của chính ông rằng việc chọn Penzias và Wilson nhận giải là “đúng đắn và thỏa đáng, vì họ không chịu từ bỏ việc truy tìm nguồn gốc của phần nhiễu dư, và điều quan trọng không kém, họ cứ phàn nàn về chuyện đó cho tới khi có người nghe thấy và chỉ họ tìm đến Bob Dicke”.

Hai ông thực sự đã làm gì

Penzias và Wilson lập một bảng cân đối nhiễu trung thực. Với ăng-ten chĩa thẳng lên trời, bài báo của hai ông ghi tổng cộng 6,7 K: 2,3 K từ khí quyển, 0,9 từ ăng-ten và phần dư 3,5. Khi các nguồn đã biết cộng lại vẫn không đủ, họ không làm tròn số cho phần dư biến mất, cũng không đổ cho một lỗi mà họ chưa tìm ra. Họ kiểm tra từng cách giải thích, ghi lại xem mỗi lần kiểm tra loại trừ được điều gì, và giữ lại con số. Rồi họ đem chuyện đó kể với người khác. Ngược lại, phần dư của Ohm nằm gọn trong khoảng sai số của ông và ít được chú ý.

Hầu hết kỹ sư đều có một phiên bản 3,5 K của riêng mình: độ trễ lúc nào cũng cao hơn mong đợi một chút, bài test cứ mỗi tuần lại thất bại một lần, những con số trên dashboard chẳng bao giờ khớp hẳn. Một phần dư mà bạn không giải thích được có thể là bug, cũng có thể là một phát hiện, và chỉ khi đo đạc thật cẩn thận rồi kể cho ai đó nghe, bạn mới biết đó là trường hợp nào. Trong công việc của chính bạn, con số nào bạn vẫn đang giải thích cho qua chuyện, thay vì giải thích cho ra lẽ?

Bài liên quan

Đọc bằng ngôn ngữ khác: English