Bí mật của ánh sáng đã được tiết lộ ppt

Bí mật của ánh sáng đã
được tiết lộ
Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế lần đầu tiên đã thành công trong
việc lập bản đồ hoàn chỉnh quỹ đạo của photon duy nhất trong thí nghiệm
khe đôi Young nổi tiếng. Phát hiện này đã tạo ra một bước tiến quan trọng
đầu tiên hướng tới việc đo đạc các đại lượng không tương thích của một hệ
lượng tử - mà cho đến bây giờ được coi là không thể do nguyên lý bất định
Heisenberg.
Trongthí nghiệm kheđôi, một chùmánh sáng được chiếu lên màn thông qua
hai khehở, kết quả tạo ra hình ảnh giaothoa trênmàn. Nghịchlý là người ta không
thể nói photon quakhe nàotrong 2 khe, khiđo trực tiếpđiềunày sẽ làm méo mó
hình ảnhgiao thoatrên màn. "Tronghầu hếtcác ngànhkhoa học, hoàn toàn có thể
nhìn xemhệ thống đang làmgìtại thời điểm hiện tạivà như vậy xác địnhđượcquá
khứ hoặc tương lai của nó . Tuy nhiên, trong cơ học lượng tử,nó lại không có khả
năng được đođạc như vậy trong quákhứ. ", ÔngSteinberg Aephraim, nhà vật lý
của Trungtâm Thôngtin và điều khiển lượngtử tại Đại học Toronto,Canada và là
người đứng đầu nghiên cứu này.
Bây giờ,bằng cáchsử dụng mộtkỹ thuật được gọi là "đolường yếu"
Steinbergvà nhóm của mìnhnói rằng họ đã giải quyếtđượcvà đochính xác cả vị
trí vàxung lượngcủa các photon duynhất trongthí nghiệm giaothoa hai khe.
Công trình này lấy ý tưởng từ một trongnhững đồngnghiệp củaSteinberg,
HowardWiseman của Đại học Griffith, Australia,những người đã đề xuấtvào năm
2007 rằng có thể dùng phươngpháp này để đo xung lượng và vị trí trong thí
nghiệmkhe đôi. Steinbergđã ngaylập tức bị cuốn hút và bắt đầu để xem làm thế
nào điều này cóthể thực hiện được.
Nắm bắt ý tưởng.
Các lý thuyếtvề "đo lườngyếu" lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1988 và
được phát triểnbởi các nhàvật lý Yakir Aharonov và nhóm của ôngtại Đại học Tel
Aviv, Israel, đã được quan tâm nhiều trong những nămtrở lại đây.Cáctrạngthái
theo lí thuyếtcó thể thực hiện phép đo "yếu"trên hệ do đó lấy được thôngtin về
một trong nhũng tính chất mà khônglàm nhiễu bản chất của hệ và chotương lai

của toànhệ. Mặc dù các thông tin thu được cho mỗi lầnđo là tối thiểu, trungbình
của nhiều phép đođưa ra sẽ ước lượng được chính xác củaphép đo các đại lượng
mà không làm sailệch kết quả cuối cùng.
Trongthí nghiệm củahọ, các nhànghiên cứu đã gửi một chùmtia đơn hạt
của cácphotonđồng nhấtđi quahệ giaothoa hai khe và thực hiện một phép đo
yếu đo không chính xác độnglượng của từng photon.Điều này thực hiện bằngcách
sử dụng một miếng canxit thạch anh,vai trò như kính phân cực. Tùythuộc vào
hướngtruyền photonđược phân cực khác nhau và hướng đượcđo là một hàm của
vị trí. Tiếp theođó là một phép đocực kỳ chính xác của các vị trí cuối của các điểm
nơi photon đập vào màn, mà trong trườnghợp này, làmộtmáy ảnh. Bằng cách kết
hợp các vị trí đo khôngchính xác ở nhiềuđiểm và độnglượng chínhxác đo được ở
cuối quỹ đạocủa mỗi photon, họ đã có thể xâydựng một môhình chính xáctoàn
bộ dòngcủa các photon.
"Điều này cho thấy việcđo xung lượng yếu khônglàm nhiễuloạn hệ, và giao
thoa vẫn còn quansát thấy. Cả hai phépđo phải được lặpđi lặp lại trênmột tập
hợp lớnđồng nhất của các hạt để có được đầyđủ thông tincho toàn hệ, nhưng
chúng tôi đã khônglàm nhiễu kết quả tí nào. " Steinberg giải thích."Quỹ đạo đo
được của chúng tôi hoàn toàn phù hợp, Wiseman đã dự đoán,với việc giải thích
thực tại khác thường củacơ họclượng tử củacác nhà tư tưởng cóảnh hưởngnhư
David Bohmvà Louis deBroglie,"
Các đơnphoton đượchọ sử dụngtrong thínghiệm được phátra bởi chấm
lượng tử chất lỏng làm mát bằng heliInGaAsđược bơm quang họcbằng laser đặc
biệt đã được phát triển tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ ở Colorado, Mỹ. Các chấm
này phát ra photonđơn ở bướcsóng943 nm.
Quákhứ,hiệntại và tương lai
Thí nghiệm khe đôi bị ảnhhưởng nhiều bởi nguyên líbổ sungphát biểu bởi
Niels Bohr.Các trạng thái bổ sungđược quansát bởi cácbiến bổ sung,chẳng hạn
quỹ đạo của hạt và nhiễu sóng như trong các thí nghiệm giao thoa, phụ thuộc vào
cách màphép đo được thực hiện - cáchệ không thể cùng lúc biểu hiện tính hạt và
sóng cùnglúc. Thí nghiệm gần đây củaSteinberg cho thấy nó không hành xử như

vậy- hệ có thể là cả hai.
Vì vậy, hoặc làEinstein hoặc Bohr sẽ đượchài lònghoặc bất ngờ là thí
nghiệmnày sẽ khôngthể thực hiện được? "Vâng, tôi không nghĩ rằng Einsteinsẽ
ngạc nhiên! Nhưng đồngthời tôi cũngkhông nghĩ rằng điều này sẽ làmcho ông ấy
thoải mái hơn với cơ học lượngtử của các hệ riêng biệt",ôngSteinberg cho rằng
Einsteinđã rất khao khátđể đo chínhxác tất cả các thôngsố củamộthệ lượngtử,
nhưng một số điều chúngta chưa thực hiện được. "Bohr lại có quanđiểm khác
Tôi nghingờ rằng vào thời của mình, ông đã hiểu chínhxác những gìmà mìnhđịnh
nói", Steinberg nói. "Nhưng có thể phépđo này sẽ làm choông ấy[Bohr] sẽ phải
cẩn thận hơn với ngôn ngữ của mình khinói về tínhbổ sung."
Đo lường các đại lượng phi vật lý –
một hướng phát triển mới đầy triển
vọng của kỹ thuật đo lường
Trong khuôn khổ bài viết này, tác giả không thể liệt kê hết được các
lĩnh vực có các đại lượng phi vật lý cần đo. Có điều đây là một lĩnh vực mới
mẻ đầy triển vọng trong ngành kỹ thuật đo lường hiện đại sử dụng kỹ thuật
số có liên quan đến một phương pháp đo mới đó là đo lường angôrit.
Các đại lượng phivật lý làgì?
Để hiểu rõ câu hỏi trên đây có lẽ đầu tiên nên nhắc đến các đại lượng vật lý.
Chúng tađã biết rất rõ các đại lượngvật lý bao gồm 7đại lượngvật lý cơ bản đó là:
độ dài (m), nhiệt độ (Ko), thời gian (s), khối lượng(kg), cườngđộ dòng điện (A),
cường độ ánh sáng (Cd)và số lượng vật chất (mol).Ngoài ra còn có các đại lượng
dẫn xuất như: về điện áp (V), điện trở (ohm),công suất (W), năng lượng(wh); về
cơ: Lực (N), tốc độ (m/s), công(J);về quang:luồng ánh sáng(Lumen), độ chiếu
sáng (Lux)… Nghĩa là những đại lượngcó thể đo được và ta đã có những phương
pháp để đo các đại lượng đó mộtcáchhoàn hảo và hiệu quả trong kỹ thuật cũng
như trong đời sốnghàng ngày.
Tuy nhiên, trongthực tế
sản xuất công nghiệp, trong nghiên cứukhoahọc haytrong đờisống hàng
ngày có nhiều đại lượng phivật lý mà không một phép biến đổi vật lý nào có thể

thực hiện được. Ví dụ người ta đã chế tạora thiết bị phát hiện nói dối, như vậy sự
dối tráchính là một đại lượngphi vật lý, hoặc người ta đo sự tăng trưởng GDP của
một quốc gia hoặc đo lượngthông tin nhận được sau khi nghemộtbản tin… Tất cả
đều là những đạilượng phi vật lý.
Tronglý thuyết đo lường, ta đã nhắc đến cácphép đo lường toán học logic
mà cốt lõi là đo lườngangôrit. Đối với các đại lượngđo phi vật lý, những phátminh
về mặt toán học đã đặt cơ sở cho lý thuyết đo các đạilượng phi vật lý màta gọi là
Đo lường tâm lý.
Nhắcđếncácphươngpháp để đomộtđạilượngnào đó (vậtlýhayphivậtlý)
ta phân biệt cácphương thức sau đây:
Đo trực tiếp: làcách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đoduy
nhất.Cáchđo này thườngáp dụng chocác đại lượngvật lý, biểu hiện kết quả ngay
sau phép đo.
Đo gián tiếp:là cách đo màkết quả suy ratừ sự phối hợp kết quả của nhiều
phép đo dùng cách đo trực tiếp. Cách đo này thường áp dụng để đo một đại lượng
vật lý nào đó mà không thể đotrực tiếp được. Ví dụ:cần đođiện trở củalò điện khi
nó đang làm việc, bắt buộc phải đo bằng phươngpháp gián tiếp thông quađo Uvà
I rồi rútra R. Đo giántiếp cũng có thể để đomột đại lượngphivật lý nàođó. Ví dụ:
khi mộtngười bị stress trong nước bọt sẽ xuất hiện một chấtđặc biệt, nếu đo được
nồngđộ của chất này sẽ xác định được mức độ stress củangười đó.
Đo hợp bộ: cũng là mộtphép đo gián tiếp nhưngđại lượng cầnđo chủ yếu là
phi vật lý. Thôngqua các phépđo trực tiếp, sauđó dẫn đến việc giải phương trình
(hay hệ phương trình)và tính được các đại lượng phivật lý cần tìm.
Ví dụ: Tabiết cảm biến nhiệtđiện trở đồng có đặc tính là:
Rt = Ro(1 + αt)
Cần phải xácđịnh hệ số nở nhiệt α,ta cần phải đocác điện trở Rotạito = 0oC,
và Rt1 tại t = t1 nào đó.Sau đó từ phương trình:Rt1 = Ro(1 + αt1) ta tính đượcα-
một đại lượng phivật lý.
Như vậy, việcđo mộtđại lượng phivật lý có thể thực hiện bằng cách thông
qua đocác đại lượngvật lý hoặc tiến hành phép đo hợp bộ.

Sau đâylàmộtsố lĩnh vựccó chứacác đại lượng phi vật lý phổ biến cần đo.
Lĩnh vực đo lường thốngkê
Khi xử lý số liệu đo hayphân tích các đối tượngngẫu nhiên như đại lượng
ngẫu nhiên, tín hiệu ngẫu nhiên,tín hiệu ngẫunhiên phức và trường ngẫu nhiên ta
phải sử dụng công cụ toán học hiệnđại làtoán học thống kê. Vớitoán học thống kê
áp dụngcho các đối tượngngẫunhiên taphải đo cácđặc tính số là kỳ vọng toán
học, phương sai, hàm tương quanvà mật độ phổ năng lượng. Đây chính là các đại
lượng đo phi vật lý. Để đo được các đạilượng này trước đây người ta sử dụng kỹ
thuật analog để tạo ra thiết bị đo (ví dụ: tương quan kế), nhưng ngày naynhờ có
máy tínhvà sử dụngkỹ thuậtsố lấy mẫu các tín hiệu vật lýtừ đó tính theo angôrit
đã địnhsẵn để tìmra các đại lượng phi vật lýnày. Mộttrong những nhượcđiểm
của việcđo các đại lượng phivật lý theo phương pháp thống kê là tốc độ tínhrất
chậmđặc biệt khi cóyêu cầu độ chínhxáccao. Để khắcphục nhượcđiểm này,
người ta sử dụng cácthế hệ máy tính có tốc độ cao haycác thiết bị đặc chủngcó có
tốc độ nhanh cho việc xử lý thống kê này (ví dụ: DSP chẳng hạn). Một phươngpháp
khác là nghiêncứucác angôrit nhanhđể xử lý thống kê, vídụ thuật toánbiến đổi
Furiê nhanhFFT để phân tích phổ chẳng hạn,hay thuật toán thích nghi tínhnhanh
hàm tương quan của tínhiệu ngẫu nhiên.
Đo lường thôngtin
Tronglĩnh vực truyền, thu nhận vàxử lý thông tin chúngta cũng gặp rất
nhiều đạilượng phi vật lý đó là:lượngthông tinđo, tốcđộ truyền thôngtin, hệ số
lỗi bit, hệ số cắt giảm thôngtin thừa, dung lượngthông tin của kênhliên lạc vàkhả
năng truyền của kênh.
Như vậy trong lĩnh vực thông tinta có nhiềuđại lượng phivật lý. Việcđó
chúng được thôngqua việctính toán theo một angôrit đã địnhsẵn. Ví dụ: để đo
lượng thông tincủa một bản tin mang đến ta phải xác định đượcxác suất xuất hiện
của sự kiện trong bản tin và độ khôngxác địnhcủa nó;hay muốnxác định độ
truyền ta phảixácđịnh được lượngthông tin truyền trongmột đơn vị thời gian;
hay muốn tínhhệ số lỗi bit ta phải xác địnhđược tổng số bit truyền đivà số bit bị
lỗi sau khinhận được.

Rõ ràng để xác địnhđược các đại lượng phivật lý trong lĩnh vực thôngtin
cũng phải dựa vào kỹ thuật số và phải tìm racác angôrit tối ưu saocho thời gian
tính làítnhất và có độ chính xáccao nhất.
Đo lường xã hội
Tronglĩnh vực xã hội cũngcó rất nhiều đại lượng phivật lý cần đo như: chỉ
số tăng trưởng GDP của một quốcgia, chỉ số IQ của một người, chỉ số tăng dân số
của một nước…lànhữngđại lượng phivật lý rấtphổ biến cầnphải đo. Để đo được
chúng cần phải có nhữngquy tắc (angôrit) theoquy định của xã hội. Để có đượcsố
liệu để tínhcácđại lượng phivật lý này phải có quá trình thống kê theothời gian
hoặc theomột lĩnh vực nào đó. Ví dụ:để dự báo nhu cầutiêu dùng điệncho từng
ngành trongtháng cần phảicónhững thống kê về tiêu dùng điện trong quákhứ,
hiện tại và sử dụng phương pháp hồi quy có thể dự báo nhu cầutiêu dùng điện cho
1 ngày, 1 tuần, 1 tháng hay1 năm.
Đo lường tâm sinhlý
Lĩnh vực tâm sinhlý cũng cónhiều đại lượngphivật lý cần đo đó là: đo mức
độ bị stress, máy phát hiệnnói dối, máy đo tìnhcảm, tự độngchuẩn đoán bệnh…
Trạng thái tâm lýcủa mỗi người thườngliên quan rất chặtchẽ đến những
hoạt động của các cơ quanbên trong cơ thể. Ví dụ: khihồi hộp thì nhịp tim sẽ tăng
lên. Mộtngười khi yêu sẽ có một loạihóa chất đặc biệt gọi là hóa chấttình yêu sẽ
xuấthiệntrong máu. Nếu ta đo nồng độ của nó sẽ biết được mứcđộ yêu cầu của
người đó; Hay mức độ ôi thiu của thịt có thể xác địnhnhờ xácđịnh nồngđộ khí
H2S sinhra khithịt bị ôi. Như vậy việcđo các đại lượng trong lĩnh vực tâm sinh lý
thường phải thôngqua việcđo một số đại lượng vật lý liên quan nào đó.Số các đại
lượng vật lý đó có thể ít hay nhiều tùy vào sự biểu hiện của con người về sự liên
quan đó.
Trongtương lai gần chúng tasẽ có chương trìnhchuẩn đoán bệnh.Để làm
được việc đó, nhiều khi phải đonhiều thông số vật lýkhác nhauthông qua các xét
nghiệmvà máy sẽ quyết địnhlàta đã mắc phải bệnh gìthông quahệ chuyên gia đã
được cài đặt trong máy.
Như vậy ta cũngthấy rằng,các đại lượngphívật lý tồn tại ở nhiều lĩnh vực

khác nhau. Trongkhuôn khổ bài viết này, tác giả không thể liệt kê hết đượccác
lĩnh vựccó các đại lượngphivật lý cần đo. Có điều đây là một lĩnhvực mới mẻ đầy
triển vọngtrong ngànhkỹ thuật đo lườnghiện đại sử dụng kỹ thuật số có liên quan
đến một phương pháp đomới đó là đo lường angôrit.