Chân không có ma sát doc

Chân không có ma sát
Một quả cầu quay tròn trong một chân không sẽ không bao giờ dừng lại,
vì không có ngoại lực nào tác dụng lên nó. Ít nhất thì đó là cái Newton từng
phát biểu. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu như chân không tự tạo ra một loại ma
sát có tác dụng hãm phanh đối với những vật thể đang quay? Hiệu ứng này,
có thể sẽ sớm phát hiện ra thôi, có thể tác dụng lên các hạt bụi giữa các sao.
Chân không có ma sát
Một quả cầu quaytròn trong một chânkhông sẽ không bao giờ dừng lại, vì
khôngcóngoại lực nàotác dụng lên nó. Ít nhấtthì đó là cái Newton từngphátbiểu.
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu như chânkhông tự tạo ra một loại ma sát có tácdụng
hãm phanh đối với những vật thể đangquay? Hiệu ứng này,có thể sẽ sớm phát
hiện rathôi, có thể tác dụng lêncác hạt bụi giữacác sao.
Trongcơ học lượng tử, nguyên lí bất định phát biểurằng chúng ta không bao giờ
có thể chắc chắn rằng một chân không biểukiếnlà hoàntoàn trống rỗng.Thay vào
đó, không gian đangngập tràn cácphoton thoắt ẩn thoắt hiện trước khichúng có
thể được đo mộtcáchtrực tiếp. Mặcdù chúng chỉ xuấthiện trong tíctắc,nhưng
những photon “ảo”này tác dụnglực điện từ lên cácvật mà chúnggặp giống như
các photon thôngthườngvậy.
Đừng ép tôi dừnglại nào! (Ảnh: EllinorHall/Johner/Corbis)
Alejandro Manjavacasvà F. Javier García de Abajothuộc Viện Quanghọc tại Ủy ban
Nghiêncứu Quốc gia Tây Ban Nhaở Madridcho biết nhữnglực này sẽ làm các vật
quay chậm dần đi. Y hệt như một va chạm trực diện gâyra hậu quả nghiêm trọng
hơnmột cú vaquẹt giữa haixe hơi chạy nối đuôi nhau,một photon ảo đậplên một
vật theohướng ngược với chiềuquay của nó sẽ tác dụng lựclớn hơnsovới khi nó
đập vàocùngchiều.
Theo thời gian, mộtvật đang quaysẽ từ từ chậm dần, dù là số lượng photonảo bắn
phá nó từ mọi phía là như nhau. Nănglượng quay mànó mất khi đó được phátra
dướidạng các photon thật, có thê phát hiện ra được (PhysicalReview A,DOI:
10.1103/PhysRevA.82.063827).
Độ lớn của hiệu ứng phụ thuộc vàothành phần và kích cỡ của vật. Các vậtcó các
tính chất điện tử ngăn chúng hấp thụ sóngđiện từ,như vàng chẳnghạn,có thể bị

giảm tốc chútít, hoặc không bị giảmtốc. Nhưng những hạt nhỏ, tỉ trọng thấp, có
xunglượng quay nhỏ hơn, thì chậmđi đáng kể.
Tốc độ giảm tốc cũngphụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậtcàng nóng thì các photonảo
thoắt ẩnthoắt hiện càng nhanh,sinh ra masát. Ở nhiệt độ phòng,một hạt graphite
rộng 100nanomét (graphitelà chất có mặt dồi dài trong bụi giữa các sao), sẽ mất
khoảng 10năm để chậm đi chừngmột phần batốc độ banđầu của nó. Ở 700oC,
nhiệt độ trung bình đốivới những khuvực nóng trong vũ trụ,sự giảmtốc ngang
ngửa như vậy chỉ mất có 90 ngày. Trongsự lạnh lẽo của không giangiữa cácsao
thì mất chừng 2,7 triệu năm.
Liệu hiệu ứng nàycó thể kiểm tra trong phòng thí nghiệmkhông? Manjavacas cho
biết thí nghiệm sẽ đòi hỏi mộtchân khôngcực cao vàcác laser chính xác cao để
bẫy các hạt nano, các điều kiện “khắt khe những có thể đạttới trong tương lai
trướcmắt”.
John Pendrythuộc trường ImperialCollege ở Londonkêu gọi mọi người phân tích
“phần tinhtúy của công trình” vàcho biết nócó thể cungcấp những kiến thức về
việc thôngtin lượng tử có từng bị phá hủy haykhông, chẳng hạn, khi nó rơi vào
trong một lỗ đen.Ông chobiết các photon thậtphát ratrong quá trìnhgiảm tốc sẽ
chứa thôngtin về trạng thái lượng tử của hạt đang quay tròn, giốnghệt như các
photonthoát ra từ lỗ đen dướidạngbức xạ Hawking được cho là có mangthông
tin mã hóa về các lỗ đen.
“Đây làmột trongvài ba quá trình sơ cấp biến đổicái có vẻ là năng lượng cơ cổ
điển thuần túy thànhmột trạng thái lượng tử tương quancao”, Pendrynói.
Hiệu ứng Doppler nghịch
Sự lệch Doppler của âm thanh hoặc sóng ánh sáng phát ra từ một
nguồn đang chuyển động đã trở nên quen thuộc đối với các nhà vật lí cũng
như những người khác. Nay các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc và Australia
vừa nhìn thấy một sự lệch Doppler nghịch, kì lạ hơn, ở ánh sáng đi qua một
chất liệu chế tạo từ những thanh silicon nhỏ xíu. Họ cho biết kết quả trên có
thể làm tăng thêm công dụng của hiệu ứng Doppler trong mọi loại ứng dụng,
từ thiên văn học cho đến y khoa.

Tronghiệu ứngDopplerthông thường,tần số của sóng phát ra,hay phản xạ
khỏi,một vật đang chuyểnđộng tănglên khi vật đang chuyển độngvề phíangười
quan sát và giảmđi khi vật đang chuyển động raxa. Đây là vì trường hợp thứ nhất
sóng trở nên bị nénkhi chúng truyền về phía người quansát – và trong trường
hợp sauthì sóng bị giãn ra.
Năm 1968,nhà vật lí Xô Viết Victor Veselago đã dự đoán rằng sóng điện từ truyền
qua những chất liệu có hằngsố điện môiâm và độ từ thẩm âm sẽ xảy ra hiệntượng
ngược lại. Tần số sẽ giảm đốivới nguồn đangchuyển độngvề phía ngườiquan sát
và tănglên khi nguồnchuyển độngra xa. Đây là vì độ lớncủa hiệu ứngDoppler tỉ
lệ vớichiết suấtcủa môi trườngmà sóng truyền qua. Trong khi chiết suất của
khôngkhí vànhững môi trườngtự nhiên khác đều lớn (hoặc bằng)một, thì chiết
suất củacác chất liệu nhân tạovà Veselagoxét đến có giá trị âm.
Hiệu ứngDopplernghịchđã được hainhà vật lí ở Anh quan sát thấy ở tần số vô
tuyến vào năm 2003.Công việc này liên quanđến việc điều chỉnhtính chất phân
tán của một đường dây truyền điện, sau đó cho phảnxạ một xungvô tuyến khỏi
một xungđiện đang chuyển độngbên trong dây và đo sự lệch tần số của sóng.
Hiệu ứng Doppler quang nghịch đầu tiên
Một đội khoa học hợptác, đứng đầulà Songlin Zhuang ở trường Đại họcKhoa học
và Côngnghệ Thượng Hải, và MinGuở trường Đại học Công nghệ Swinburne,
Australia, đã nhìn thấy hiệu ứngtrên ở tần số quang học. Các nhà nghiên cứu đã
chiếumột chùm laserhồng ngoại quamột mạnglưới gồm các thanh siliconđường
kính 2 µmgắn với mộtcái đế đangchuyển độngvà ghi lại sự lệch tần số của ánh
sáng rời khỏi mạng.Là một tinh thể lượng tử,mạng lưới trêncó dải khe năng
lượng đặc trưng ngăn cấm sự đi qua của một ngưỡng hẹp bước sóng, và cácnhà
nghiêncứuchobiết bằng cách điều chỉnhcông suất phátcủa laser của họ saocho
bướcsóng của nó phù hợp với rìacủa dải khe năng lượngthì họ có thể cho khúcxạ
âm tính ánh sáng laser trên.
Cái khólà chứng minhrằng ánh sángbị lệchDoppler nghịch khinó đi quatinh thể
lượng tử trên. Không thể định vị trí nguồn và máythu bên trong tinh thể,cho nên
các nhà nghiên cứuphải tìm một phương pháp loại trừ sự lệch Dopplerbình

thường mà ánh sáng tuân theo khinó truyền qua không khí bên ngoàimạng. Để
làm việc này, họ sử dụng phép đo giao thoa.Họ táchchùm tia từ laserphát ra
thành haithành phần và điều chỉnhquangtrình của chùm tia không đi qua tinhthể
lượng tử sao chonó chịu sự lệch Doppler thông thường giốngnhư chùm tia đi qua
tinh thể. Tần số phách thu được từ sự giaothoa của haichùm tiacho biết sự lệch
tần số chỉ là dohiệu ứng Dopplernghịch.
Theo Gu,thủ thuậtlà sắp xếp các thanh silicon sao cho đảm bảo chùm tia laser đi
theo lộ trình đơn giản nhất qua tinhthể lượng tử đó. Tuynhiên, cho biết, việc tính
ra độ lệch Doppler nghịchnhư mongmuốn là rất khó và do đó khôngthể so sánhlí
thuyết với thí nghiệm được. Độinghiên cứu cũng đã thực hiện thínghiệm trên, sử
dụngmột lăng kính thủy tinh bình thường thay chotinh thể lượng tử,và đã nhìn
thấysự lệch Dopplerthường như trông đợi.
Những ứng dụng thực tiễn
Gu chobiết kết quả của nhóm ông có tầm quantrọng về mặt khoahọc, một phần vì
vai tròcơ bảncủa hiệu ứngDoppler trongvật lí học và một phầnvì nó cung cấp
thêmbằng chứng thựcnghiệm cho hiện tượngkhúc xạ âm mà người ta vẫn còn
đang tranhluận. Ngoài ra, nghiên cứu mới này còn có những ứng dụng thực tiễn.
Thí dụ, ông nói, nó có thể đưa đến nhữngphân tích cải tiến của vòng tuần hoàn
máu, với việc sử dụng hiệu ứngDoppler thuận lẫn hiệuứngDopplernghịch có khả
năng chiađôi số phép đo phải thực hiện khi đo tốc độ của nhữngdòng máu phức
tạp.
VladimirShalaev tại trường Đại học Purdue ở Mĩ mô tả nghiên cứu trên là “mộtđột
phá quantrọng” chothấy “một hiện tượng cơ bản có thể tự biểu hiện như thế nào
theo một kiểu khác thường”.Ông cho biết thí nghiệm trên “hơi khéo léo và thách
thức về mặt kĩ thuật”, nó đòihỏi phải đo độ lệch nhỏ xíucủa tần số (khoảng chừng
10Hz, sovới tần số trung tâm chừng 1013Hz). Và nhìndưới góc độ ứngdụng thực
tiễn, ông tin rằng nghiên cứu trên có thể áp dụng chobất kì kĩ thuật nào hiện nay
khai thác hiệu ứng Doppler thông thường,thí dụ như sự làm lạnh Doppler của các
chất khí nguyêntử.
Biểu đồ thể hiện hiệu ứng Dopplernghịch. Ánhsáng phát ra từ một nguồnđang

chuyển động từ phải sang trái (vòng tròn màu đỏ và vàng)bị lệch xuống phía tần
số thấp hơn (sóngmàu đỏ) vàđược đo bởi một máy thu đứng yên theo hướng
chuyển động (đĩa ở bên trái). Tuy nhiên, áp dụngchuyển độngtheo hướng ngược
lại (sang phải) bị lệch sang tần số cao hơn (sóngmàu xanh).Đây chính xác là cái
ngược lại của hiệu ứng Dopplerthông thường.