Cho phản xạ các nguyên tử để đo lực hấp dẫn docx

Cho phản xạ các nguyên tử để
đo lực hấp dẫn
Các nhà vật lí ở Mĩ vừa nghĩ ra một phương pháp thực hiện những
phép đo rất chính xác của lực hấp dẫn bằng cách cho bật các nguyên tử lên
xuống khỏi một chùm laser. Không giống như các kĩ thuật thả rơi các nguyên
tử khoảng 10cm, phương pháp mới này chỉ yêu cầu thả rơi khoảng 20 µm.
Đội nghiên cứu còn cải tiến thí nghiệm để tiến hành phép đo giao thoa
nguyên tử, nhờ đó sự giao thoa lượng tử giữa các nguyên tử có thể dùng để
đo những gia tốc rất nhỏ.
Vì kíchthước nhỏ gọn của nó, đội nghiên cứu tin rằngkĩ thuật cóthể dùng để
chế tạo các gia tốc kế chính xáccó thể dùngtrong cáchệ thống đạo hàng cho máy
bay,tàu ngầm và cả phi thuyền vũ trụ. Kĩ thuật đó còncó thể sử dụng trong các thí
nghiệmtìm kiếmnhững sailệchkhỏi địnhluậthấp dẫn củaNewton.
Hơn haithập niên qua, các nhàvậtlí đã trở nên tinh thông ở việc bẫy vàđiều khiển
những số lượngnhỏ nguyên tử bằng laser và trường điệntừ. Giốngnhư mọivật
chất khác, các nguyên tử nàyrơi xuống phía Trái đất, điều đó cho phép cácnhà
khoa họcthực hiệnnhững phép đo rất chínhxác cách thức lực hấp dẫntác dụng
lên những vậtrất nhỏ và trênnhững cự li tương đối ngắn.
10,000 nguyên tử cực lạnh
Kĩ thuật mới doCass Sackett và các đồng sự tại trườngĐại học Virginiaở Mĩ phát
triển, họ đã bắtđầu thínghiệm của mình với một tậphợp khoảng 10.000 nguyên
tử rubidium-87 đã đượclàm lạnh tớinhiệt độ micro-Kelvin.Việcsử dụng các
nguyêntử cực lạnh như thế thật quantrọng vì chúng ít năng lượngnhiệt và dođó
gần như không cònchuyển độngkhi chúng bắt đầu rơi vào trongmộtbuồng chân
không(arXiv:0902.0109).
Ban đầuđược giữ bằngtừ trường, các nguyên tử rơi xuống khitừ trường tắtđi.
Khi chúng rơixuống, đa số các nguyên tử va chạmvới các photon phát ra bởimột
diode laserđặt ngay bên dưới bẫy,chúng phát ra cácxung ánh sáng hướng thẳng
lên trên khoảng mộtxung mỗi 2 ms. Khi các nguyên tử va chạm,mỗi nguyên tử
nhậnđượcđúngmột xung lượngchính xác,đánhbậtchúng trở lại. Các nguyên tử
này sauđó rơi trở xuống lần nữa, vừa đủ để va chạm với xunglasertiếp theo.

Nếu màu sắc củaánh sáng laservà tần số của cácxungđược thiết đặt thích hợp, thì
các nguyên tử sẽ được đưa vào phản xạ và gia tốc do hấp dẫn có thể suyra từ các
thông số thực nghiệm và hằng số Planck. Đội nghiên cứuđã duy trì đượcsự phản
xạ này trong khoảng 100chutrình, theo lờihọ như thế là tương đương với việc thả
rơi cácnguyên tử khoảng 2 cmtrong một thí nghiệm chuẩn bình thường. Saukhi
hiệu chỉnh ảnhhưởng củatừ trường tảnlạclên cácspinnguyên tử, đội nghiên cứu
thu được một giá trị hằng số hấp dẫn bằng 9.814± 0.008 m/s2,phù hợp với giátrị
mongđợi.
“Kĩ thuậtcủa chúngtôi mang lại một phương pháp áp dụng một lực đã đượcbiết
rất tốt chocác nguyên tử”, Sackett giải thích. “Khi biết lực cần thiếtđể cân bằng lực
hấp dẫn, chúng tathu được mộtsố đochính xáccủa lực hấpdẫn”, ôngthêm.
MarkKasevich ở trường Đại học Stanford, người đã đi tiên phong sử dụng các
nguyêntử cựclạnh để đo lực hấpdẫn, phátbiểu với physicsworld.com:“Đúng là
một bàibáo hay –nó cho thấy chắc chắn rằng việc theo đuổi nhữngthí nghiệm đẩy
xa hơnnữa các giới hạnđộ nhạysẽ thật hấp dẫn”.
Sẽ cải tiến thêm
Sackettphát biểu với physicsworld.com rằngđội của ông đang cókế hoạch cải
thiện độ chínhxác của phương pháp bằng cách đưa các nguyên tử vàomộttrh
khôngnhạy với từ trường. Đội cũng còn cókế hoạch giảmsố nguyêntử bị thất
thoát trong thí nghiệm–hiện nay là khoảng 0,1% mỗi lần bật trở lại. Sacketttin
rằng điều này có thể thựchiện bằngcách cải thiện sự điều khiển của họ đối với
cường độ củacác xung laser.
Đội nghiên cứu cũngđã đưa ramộtphương phápsử dụng cácnguyên tử để thực
hiện phép đogiao thoa nguyên tử. Nếu các nguyên tử được gửi dọc theo nhữnglộ
trìnhkhác nhaurồi sau đó kết hợp lại tại detector, hình ảnhvângiao thoathu
được phụ thuộc vào bấtkìsự chênh lệch nào ở gia tốcmà các nguyêntử chịu. Nếu
chế tạo tích hợp với mộtdụngcụ di động,các gia tốc kế kiểunhư vậy cóthể dùng
làm bộ phận của các thiết bị đạohàngchính xác cao có thể hoạt động độclậpcủa
các hệ thốngGPS– khiến chúng thậthấp dẫn đối với tàu ngầm và cácứngdụng
quân sự khác.

Mặcdù kĩ thuật này mang lại một giá trị kémchính xác hơn chogia tốc hấp dẫnso
với chỉ chobậtphản xạ mộtlộ trình, nhưng đội nghiên cứu tin rằng họ cóthể cải
thiện độ chínhxác đó lên chừng một chục lần.
Hơi mất cân bằng
Đối với giao thoakế, cơ cấu hiện nay bị hạn chế bởi một sự hơimất cân bằng giữa
các lực tác dụng lênhai nhóm nguyên tử -và Sackett nói rằngviệc cải thiện sự mất
cân bằng nàylàcó thể,nhưngsẽ khóthực hiện.
Sacketttinrằngmột ứng dụng sớmcủa côngnghệ này có thể là trong các phương
tiện hỗ trợ đạohàng dùng cho xe quân sự, tàu hải dương và máy bay.Một dụngcụ
như vật sẽ giữ vết vị trí của nóbằng cách theodõi gia tốc của nó–không cần một
tín hiệu GPS,cái cóthể bị nhiễu.
Những dụng cụ như vậy cũng có thể dùng trong thămdòdầu mỏ và khoáng sản,
Sackettnói, vì họ đủ nhỏ để hạ xuống vào các lỗ khoanđể đo tỉ trọngcủa đấtđá là
hàm của chiều sâu.
Trongtương lai, Sackett tin rằngkĩ thuật này có thể dùng để thực hiệnnhững phép
đo rất chính xác củalực hấp dẫn trên nhữngthang chiều dài rất ngắn – chúngcó
thể tiết lộ những sailệch khỏi định luậthấp dẫn Newtonnhư mộtsố líthuyết của
ngành vật lí hạtđã tiên đoán.Tuynhiên, ông cảnhbáorằngngay cả việc chophản
xạ trên mộtvài micromet cũngcó thể là mộtkhoảng cáchquá lớn đối với những
những phép đo như vậy
Vệ tinh địa tĩnh
Vệ tinh khí tượng thường có hai loại quỹ đạo cơ bản: quỹ đạo địa tĩnh
(vệ tinh địa tĩnh) và quỹ đạo cực.
Vệ tinh khí tượng địa tĩnhbay vòng quanh Trái Đấtphía trên xích đạo ở độ
cao khoảng 35.880km (22.300dặm). Ở quỹ đạonày, cácvệ tinh có chiều quay
cùng chiều với Trái Đất, do đó nó có vị trí cố địnhso với mặt đất. Do đó,nó có thể
truyền các hình ảnh của bán cầu phíadưới liên tụcbằng các máy ảnhvà bộ cảm
biến hồngngoại của nó.Cáchãngthôngtấn đưa tintứcvề thời tiết dùngcác ảnh từ
vệ tinh nàytrong các chươngtrình dự báo thời tiết như là các ảnhchụp, hoặc ghép
lại thành ảnh động để thể hiện sự thay đổithời tiết.

Hiện nay,cónhiều vệ tinh khí tượngđịatĩnh đang được sử dụng. HoaKỳ có bavệ
tinh đanghoạt động. GOES-9,GOES-10vàGOES-12.GOES-12 đượcmệnhdanhlà
GOES-East, nằm phíatrên sôngAmazonvà cung cấp hầu hết thông tinthời tiết của
Hoa Kỳ. GOES-10 còn được gọi là GOES-Westnằm ở trênphía Đông Thái Bình
Dương.GOES-9 choNhật mượn thông qua một thỏa thuận quốctế do vệ tinhGMS-
5 của Nhật đã hư hỏngvà việc phóng vệ tinh thay thế (vệ tinh MTSAT-1)thất bại;
nó baytrênvùnggiữa Thái Bình Dương. Châu Âucócácvệ tinh Meteosat-6,
Meteosat-7và Meteosat-8bay trên Đại Tây Dương và Meteosat-5bay trênẤnĐộ
Dương.Ngacó vệ tinh GOMSbay trên xíchđạo phía NamMoskva.Ấn Độ cũng có
vệ tinh địatĩnh chứa các thiết bị thời tiết. Trung Quốc có vệ tinhPhong Vân (Tiếng
Anh: Feng-Yun, Tiếng Trung Quốc: 風雲) là vệ tinh địatĩnh.Vệ tinh được phóng
gần đây nhấtlàFY-2C hoạt động tại kinh độ 105°E. Nóđượcphóng vào tháng 10
năm 2004.
Vệ tinh quỹ đạocực bay vòng quanh Trái Đất ở độ cao từ 720 đến 800 km(khoảng
450 đến500dặm) từ hướng bắc đến nam hoặc ngược lại, vàđi ngang quacác địa
cực trên đườngđi. Vệ tinhquỹ đạocựccóquỹ đạo đồng bộ mặttrời, cónghĩa là nó
có thể quansát bất kỳ vị trí nào trêntrái đấtvà mỗi ngày 2lầnvớicùngđiều kiện
ánh sáng vì giờ địa phương chỗ nó đi qua gần như khôngthay đổi. Hoa Kỳ có
những vệ tinh NOAAlà vệ tinh khí tượng quỹ đạo cực, hiện tại NOAA12,NOAA 14
là dự bị,NOAA15 và NOAA16 là tàu phụ, NOAA 17vàNOAA18 làtàu chính. Nga
có nhữngvệ tinh METEOR và RESURS.Trung Quốc và ẤnĐộ cũng có những vệ tinh
quỹ đạo cực.
Ảnh chụp ánh sáng bìnhthường củavệ tinhkhí tượngchụp ban ngày người bình
thường vẫn có thể hiểu được; mây, hệ mây như bão nhiệt đới, hồ,rừng, núi, tuyết,
cháy, ô nhiễm, khói, sương mù đều hiện ra.Ngay cả gió vẫncó thể xác định được
dựa trênhình dạngmây,cách sắpxếp và sự di chuyển từ nhữngbức ảnhtrước đó.
Ảnh hồngngoại và ảnh chụp nhiệtđộ được chụp bằngcácsensorcho phépcác nhà
phân tíchxác định độ cao vàloại mây, tính nhiệt độ mặt đất và mặt nước, đặt điểm
mặtbiển.Các ảnh hồng ngoại mô tả nhữngxoáy nước trên biển và bản đồ các dòng
hải lưucó giá trị kinh tế và công nghiệp hàng hải. Ngư dân vànông dân cũngcần

biết nhiệt độ mặt đất và mặt nước để bảo vệ mùa màng trước sự băng giá hoặc
tăng sản lượngđánh bắt trên biển.Hiện tượng El Niño cũngcóthể được xác định.
Dùng kỹ thuật tô màu ảnhkỹ thuật số, cácsắcđộ xám của ảnhđược chuyểnthành
các màu để xác định cácthông tin mong muốn một cách dễ dàng.