vật lý hiện đại dhsp2

Họ và tên: ĐÀO THỊ DỊU
Lớp:CH-K19; LL và PPDH bộ môn vật lý

VẬT LÝ HIỆN ĐẠI
Kiểm tra: A2
1, Trình bày hiểu biết về sóng hấp dẫn?
-Trong vật lý học, sóng hấp dẫn là những dao động nhấp nhô bởi độ cong của cấu
trúc không-thời gian thành các dạng sóng lan truyền ra bên ngoài từ sự thăng
giáng các nguồn hấp dẫn (thay đổi theo thời gian), và những sóng này mang năng
lượng dưới dạng bức xạ hấp dẫn. Albert Einstein, vào năm 1916 dựa trên thuyết
tương đối rộng của ông lần đầu tiên đã dự đoán có sóng hấp dẫn. Nhóm cộng tác
khoa học Advanced LIGO đã thu được trực tiếp tín hiệu sóng hấp dẫn từ kết quả
hai lỗ đen sáp nhập vào ngày 14 tháng 9 năm 2015 và phát hiện này được thông
báo trong cuộc họp báo tổ chức ngày 11 tháng 2 năm 2016 bởi Quỹ Khoa học
Quốc gia (NSF). Theo thuyết tương đối rộng, sóng hấp dẫn có thể phát ra từ một
hệ sao đôi chứa sao lùn trắng, sao neutron hoặc lỗ đen. Hiện tượng sóng hấp dẫn
là một trong những hệ quả của tính hiệp biến Lorentz cục bộ trong thuyết tương
đối tổng quát, bởi vì tốc độ lan truyền tương tác bị giới hạn bởi đặc tính này.
Nhưng trong lý thuyết hấp dẫn của Newton tất cả các vật tương tác tức thì với
nhau, vì vậy không có sóng hấp dẫn trong lý thuyết cổ điển này. Các nhà khoa học
đã thăm dò dấu hiệu của bức xạ hấp dẫn bằng các phương pháp gián tiếp khác
nhau. Ví dụ, Russell Hulse và Joseph Taylor tìm thấy hệ sao xung Hulse - Taylor có
chu kỳ quỹ đạo giảm dần theo thời gian do hai sao neutron quay gần về phía
nhau, từ đó cung cấp bằng chứng cho sự tồn tại của sóng hấp dẫn; vì sự phát hiện
này mà vào năm 1993 hai ông được Giải Nobel Vật lý. Các nhà khoa học cũng sử
dụng các trạm dò sóng hấp dẫn để thám trắc hiệu ứng sóng hấp dẫn, ví dụ như
Đài thám trắc sóng hấp dẫn - giao thoa kế laser (LIGO). Thuyết tương đối tổng
quát của Einstein mô tả hấp dẫn là một hiện tượng gắn liền với độ cong của
không-thời gian. Độ cong này xuất hiện vì sự có mặt của khối lượng. Càng nhiều
khối lượng chứa trong một thể tích không gian cho trước, thì độ cong của không
thời gian càng lớn hơn tại biên giới của thể tích này. Khi vật thể có khối lượng di

chuyển trong không thời gian, sự thay đổi độ cong hồi đáp theo sự thay đổi vị trí


của vật. Trong một số trường hợp, vật thể chuyển động gia tốc gây lên sự thay đổi
độ cong này mà lan truyền ra bên ngoài với tốc độ ánh sáng theo như dạng sóng.
Hiện tượng lan truyền này được gọi là sóng hấp dẫn. Khi sóng hấp dẫn truyền tới
một quan sát viên ở xa, bằng dụng cụ phát hiện người đó sẽ kết luận là không thời
gian bị bóp méo. Khoảng cách giữa hai vật tự do sẽ biến đổi tăng giảm một cách
nhịp nhàng (dao động), bằng với tần số của sóng hấp dẫn. Tuy nhiên, trong quá
trình này, các vật là tự do và không có lực tác động giữa chúng, vị trí tọa độ là
không thay đổi, sự thay đổi ở đây là thay đổi hệ tọa độ không gian và thời gian của
khoảng cách giữa chúng. Đối với quan sát viên ở xa, cường độ sóng hấp dẫn tại vị
trí của người này tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ anh ta đến nguồn sóng. Theo dự
đoán của lý thuyết, ở các hệ sao đôi chứa sao neutron chuyển động vòng xoắn ốc
vào nhau với tốc độ lớn trên quỹ đạo elip dẹt, chúng sẽ sáp nhập vào nhau trong
tương lai và là nguồn phát ra sóng hấp dẫn mạnh. Nhưng bởi vì khoảng cách thiên
văn đến chúng quá lớn, cho nên ngay cả các sóng hấp dẫn có cường độ cao nhất
phát từ các sự kiện trong vũ trụ khi lan tới Trái Đất đã yếu đi rất nhiều, với biên độ
dao động khoảng cách giữa hai vật thử thấp hơn 10^(−21). Để phát hiện sự thay
đổi tinh tế này, các nhà khoa học phải tìm cách tăng độ nhạy của máy dò. Tính đến
năm 2012, các máy dò nhạy nhất nằm ở các trạm thám trắc LIGO và VIRGO có độ
chính xác lên tới 5 x 10^(−22). Các nhà vật lý đã tính toán ra ngưỡng giới hạn trên
của tần số của sóng hấp dẫn lan truyền tới Trái Đất. Cơ quan Vũ trụ châu Âu đang
phát triển một hệ thống vệ tinh thám trắc trong không gian để phát hiện sóng hấp
dẫn, tên dự án là Ăngten giao thoa kế Laser trong Vũ trụ (Laser Interferometer
Space Antenna LISA).
Sóng hấp dẫn có thể thâm nhập vào các vùng không gian mà sóng điện từ không
thể xâm nhập. Dựa vào các tính chất thu được từ sóng hấp dẫn có thể giúp tìm
hiểu Vũ trụ tại những vùng sâu nơi một số loại thiên thể kỳ lạ nằm ở đó, chẳng
hạn như các cặp lỗ đen. Những đối tượng như vậy không thể quan sát trực tiếp

theo cách truyền thống bằng kính thiên văn quang học và kính thiên văn vô tuyến.
Ưu điểm này của sóng hấp dẫn cũng là một lợi thế để nghiên cứu trạng thái sớm
nhất của Vũ trụ. Không thể áp dụng các phương pháp quan sát hiện nay bởi vì
trước giai đoạn tái kết hợp electron, Vũ trụ trở lên mờ đục đối với toàn bộ dải
sóng điện từ. Ngoài ra, các phép đo chính xác hơn của sóng hấp dẫn có thể tiếp
tục xác minh thuyết tương đối tổng quát.
Sóng hấp dẫn về mặt lý thuyết có thể tồn tại ở bất kỳ tần số nào, nhưng hầu như
không thể phát hiện được chúng ở tần số rất thấp, và nguồn phát sóng tần số cao
được biết đến là không thể quan sát được. Stephen Hawking và Werner Isreal dự


đoán rằng có thể phát hiện sóng hấp dẫn với tần số trong miền 10^( -7) Hz tới
10^11 Hz. Sóng hấp dẫn GW150914 mà nhóm hợp tác LIGO lần đầu tiên thu nhận
trực tiếp có tần số trong khoảng 35 Hz đến 250 Hz.
-

Những điểm đặc biệt của sóng hấp dẫn

+) Sản sinh từ những xáo động lớn nhất trong vũ trụ, không tương tác với vật chất
nên chúng không bị cản trở khi di chuyển là những điểm đặc biệt về sóng hấp dẫn.
Albert Einstein từng tiên đoán về sóng hấp dẫn thuyết tương đối phổ quát của
ông cách đây một thế kỷ. Theo giả thuyết này, không gian và thời gian quyện lại
với nhau thành một thể là "không thời gian" (spacetime) – tạo ra chiều thứ tư
trong vũ trụ, bên cạnh khái niệm không gian 3 chiều chúng ta có trước kia.

Theo AFP, Einstein phỏng đoán rằng vật chất uốn bẻ không thời gian thông qua lực
hấp dẫn. Một ví dụ phổ biến là coi không thời gian như tấm bạt nhún, còn vật chất
là quả bóng được đặt trên nó. Các vật thể trên bề mặt tấm bạt nhún thường có xu
thế "rơi" về phía trung tâm – tượng trưng cho lực hấp dẫn.
Khi các khối vật chất tăng tốc, như khi hai lỗ đen lao vào nhau, chúng tạo ra các

sóng dọc theo các không thời gian uốn quanh xung quan chúng – hệt như các gợn
sóng trên mặt hồ vậy. Các sóng này di chuyển với tốc độ ánh sáng trong vũ trụ.
Kích cỡ các khối vật chất càng lớn thì sóng sẽ càng mạnh hơn và dễ phát hiện hơn.


Sóng hấp dẫn không tương tác với vật chất nên chúng không bị cản trở khi di
chuyển quanh vũ trụ.
Các sóng mạnh nhất sản sinh từ những xáo động mạnh nhất trong vũ trụ - khi hai
lỗ đen va chạm, các ngôi sao khổng lồ phát nổ hoặc sự ra đời của vũ trụ cách đây
khoảng 13,8 tỷ năm.
+) Phát hiện ra sóng hấp dẫn là một vấn đề quan trọng: Tìm ra bằng chứng về sóng
hấp dẫn chính thức đưa ra bằng chứng cho một trong những tiên đoán quan
trọng của thuyết tương đối của Einstein, điều đã thay đổi cách nhìn nhận của
nhân loại về không gian và thời gian.
Phát hiện về sóng hấp dẫn mở ra những chân trời mới thú vị cho thiên văn học,
cho phép đo đạc các ngôi sao, thiên hà và các hố đen từ rất xa dựa trên bức sóng
mà chúng tạo ra.
Một mặt gián tiếp, nó đưa thêm bằng chứng rằng lỗ đen trên thực tế là có tồn tại
(các nhà khoa học chưa bao giờ trực tiếp quan sát được lỗ đen).
Công bố mới chưa phát hiện ra được sóng hấp dẫn nguyên thủy (loại khó phát
hiện nhất). Nếu tìm được sóng này, sẽ khẳng định hơn nữa học thuyết về "sự giãn
nở" hay mở rộng kích thước vũ trụ theo cấp số nhân.
Sóng nguyên thủy được cho là vẫn đang cộng hưởng khắp vũ trụ hiện nay, dù yếu.
Phát hiện về sóng hấp dẫn sẽ cho chúng ta thấy mức năng lượng cần thiết khi hiện
tượng giãn nở không gian trong vũ trụ xảy ra, làm sáng tỏ thêm về vụ nổ Big Bang.
+) Tại sao sóng hấp dẫn khó phát hiện?
Bản thân Einstein từng nghi ngờ rằng nhân loại sẽ không bao giờ phát hiện ra sóng
hấp dẫn vì kích thước của chúng quá nhỏ. Ví dụ như gợn sóng từ hai lỗ đen nhập
với quy mô tầm 1 triệu km khi đến trái đất chỉ còn kích cỡ một nguyên tử.
Gợn sóng từ cách xa hàng chục triệu năm ánh sáng sẽ biến các chùm sáng dài 4

km xuống chỉ còn kích cỡ của một proton.
Năm 1974, các nhà khoa học phát hiện quỹ đạo của cặp sao neutron trong thiên
hà trở nên nhỏ hơn khi xoay quanh một khối vật chất trung tâm. Điều này phù
hợp với luận điểm năng lượng mất đi thông qua sóng hấp dẫn. Phát hiện này từng
được trao giải Nobel Vật lý vào năm 1993. Các nhà khoa học cho rằng phát hiện
mới này về sóng hấp dẫn cũng có thể sẽ được trao giải Nobel.


Sau khi nhà vật lý người Mỹ Joseph Weber tạo ra máy dò dạng xi lanh nhôm đầu
tiên vào năm 1960, hàng chục năm sau, các phát minh khác ra đời như kính thiên
văn, vệ tinh và chùm tia laser
Kính thiên văn đặt tại trái đất và không gian chuyên dùng để phát hiện bức xạ nền
vi sóng vũ trụ - ánh sáng còn sót lại từ vụ nổ Big Bang, để chứng minh sóng hấp
dẫn bẻ cong và làm kéo dãn không thời gian.
Năm 2014, các nhà thiên văn Mỹ từng thông báo họ xác định được sóng hấp dẫn
qua kính thiên văn BICEP2 đặt tại Nam Cực. Nhưng sau đó, họ thừa nhận rằng họ
đã nhầm lẫn.
+)Chúng ta có thể nhìn thấy chúng bằng cách nào?
Sóng hấp dẫn chạy qua một vật thể sẽ làm thay đổi hình dạng, kéo dài và ép nó
theo hướng sóng đang di chuyển, và để lại dấu vết rất nhỏ.
Để xác định các sóng hấp dẫn, nhóm các nhà khoa học của LIGO sử dụng hệ thống
quang học hình chữ "L". Hệ thống gồm hai phần được đặt tại bang Louisiana và
Washington. Chúng có nhiệm vụ phát hiện các nếp sóng hấp dẫn bằng thiết bị đo
giao thoa laser. Mỗi thiết bị dài hơn 4 km. Các nhà khoa học chia ánh sáng laser
thành hai chùm vuông góc với độ dài vài km.
Chùm laser sau đó được phản chiếu qua lại liên lục giữa 2 tấm kính trước khi
được trả về điểm ban đầu. Bất kỳ sự khác biệt trong chiều dài của hai tia vuông
góc sẽ cho thấy ảnh hưởng của sóng hấp dẫn.

2, Trình bày giải nobel gần nhất

Giải Nobel về vật lý là một trong những giải Nobel được trao hàng năm cho
các nhà vật lý và thiên văn có những khám phá và những đóng góp nổi trội trong
lĩnh vực vật lý hàng năm
Bối cảnh lịch sử của giải nobel vật lý: Alfred Nobel đã viết trong di chúc cuối
cùng rằng ông để dành tài sản và lấy lãi hàng năm để lập nên 5 giải Nobel (vật lý,
hóa học, hay y học, văn học, và hòa bình) cho "những ai, trong những năm trước
khi giải được trao đó, đã đưa đến những lợi ích nhất cho con người.", và …Giải
thưởng cho vật lý và hóa học sẽ do viện Hàn lâm Thụy Điển trao tặng. Dù Nobel đã
viết nhiều di chúc trong suốt cuộc đời của ông, bản di chúc cuối cùng được viết
gần 1 năm trước khi ông qua đời, và ký tại Câu lạc bộ Na Uy-Thụy Điển ở Paris


ngày 27 tháng 11 năm 1895. Nobel dành 94% tổng giá trị tài sản của mình, 31
triệu krona Thụy Điển (tương đương 186 triệu USD thời điểm năm 2008), để thiết
lập 5 Giải Nobel. Do mức độ hoài nghi quanh di chúc này, mãi đến ngày 26 tháng 4
năm 1897 thì Quốc hội Na Uy mới phê duyệt.
Giải thưởng Nobel Vật lí 2015 công nhận Takaaki Kajita người Nhật Bản, và
Arthur B. McDonald người Canada, cho những đóng góp chủ chốt của họ cho các
thí nghiệm chứng minh rằng các neutrino thay đổi các đặc trưng nhận dạng. Sự
biến đổi này đòi hỏi các neutrino có khối lượng. Khám phá của họ đã làm thay đổi
nhận thức của chúng ta về những nguyên lí vận hành sâu xa nhất của vật chất và
có thể đặt cơ sở thiết yếu cho quan niệm của chúng ta về vũ trụ.
Lúc chuyển giao thiên niên kỉ mới, Takaaki Kajita cho công bố khám phá của
ông rằng các neutrino đến từ khí quyển biến đổi qua lại giữa hai đặc trưng nhận
dạng trên đường truyền của chúng đến máy dò hạt Super-Kamiokande ở Nhật
Bản. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu ở Canada do Arthur B. McDonald đứng đầu
có thể chứng minh rằng các neutrino đến từ mặt trời không biến mất trên đường
truyền của chúng đến Trái đất. Thay vậy, chúng bị tóm bắt với một đặc trưng nhận
dạng khác khi truyền tới Đài thiên văn Neutrino Sudbury.
Bài toán neutrino đã khiến các nhà vật lí đau đầu trong nhiều thập kỉ. So với

các tính toán lí thuyết của số lượng neutrino, thì có tới hai phần ba số lượng
neutrino bị thất lạc trong các phép đo tiến hành trên Trái đất. Nay, hai thí nghiệm
chứng minh được rằng các neutrino đã biến đổi các đặc trưng nhận dạng.
Khám phá ấy đưa đến kết luận có sức lan tỏa rằng các neutrino, từng được
xem là không có khối lượng trong quãng thời gian dài, phải có một khối lượng nào
đó, dù là nhỏ thôi.
Đối với ngành vật lí hạt cơ bản thì đây là một khám phá mang tính lịch sử.
Mô hình Chuẩn của nguyên lí vận hành sâu xa nhất của thế giới vật chất đã hết
sức thành công, trụ vững qua mọi thử thách thực nghiệm trong hơn hai mươi
năm trời. Tuy nhiên, vì nó đòi hỏi các neutrino không khối lượng, cho nên các
quan sát mới đã làm sáng tỏ được rằng Mô hình Chuẩn không thể là lí thuyết
hoàn chỉnh của những thành phần cấu trúc căn bản nhất của vũ trụ.
Khám phá giành Giải thưởng Nobel Vật lí năm 2015 đã mang lại những kiến
thức sâu sắc thiết yếu để soi rọi thế giới tàng ẩn của các neutrino. Sau photon, tức
hạt ánh sáng, neutrino chiếm số lượng đông đảo nhất trong toàn cõi vũ trụ. Trái
đất bị chúng oanh tạc liên tục.


Nhiều neutrino được tạo ra trong các phản ứng giữa bức xạ vũ trụ và khí
quyển của Trái đất. Những neutrino khác thì được tạo ra trong các phản ứng hạt
nhân bên trong Mặt trời. Hàng nghìn tỉ neutrino đang xuyên qua cơ thể chúng ta
mỗi giây. Khó có cái gì chặn được đường đi của chúng; neutrino là những hạt sơ
cấp khó tóm bắt nhất trong vũ trụ.
Ngày nay, các thí nghiệm trên thế giới vẫn đang liên tục hoạt động ngày
đêm bên dưới lòng đất để bắt giữ các neutrino và khảo sát các tính chất của
chúng. Những khám phá mới về những bí ẩn sâu sắc nhất của chúng được người
ta trông đợi sẽ làm thay đổi nhận thức của chúng ta hiện nay về lịch sử, cấu trúc
và số phận tương lai của vũ trụ.
* Neutrino là gì, tính chất
- Neutrino (ký hiệu ν) là một trong các loại hạt cơ bản (còn gọi là các “hạ

nguyên tử”, thành phần bé nhỏ tạo thành vật chất) được sản sinh ra bởi sự
phân rã phóng xạ hay va chạm giữa các hạt nhân nguyên tử hay các hạt cơ
bản khác.
- Có ba loại khác nhau của các neutrino với các ký hiệu khác nhau - νe, νμ và
ντ . Mỗi loại hạt neutrino liên quan đến sự hình thành hay biến mất của
chúng với sự tham gia của một trong ba hạt tích điện - electron (e), muon
(μ) hay tau (τ).
- Neutrino không mang điện tích. Nhưng điều quan trọng làm nên Giải
Nobel Vật lý 2015 là: khối lượng của neutrino rất nhỏ nhưng không hoàn
toàn bằng không.
*Neutrino từ đâu đến?
- Phần lớn các neutrino đến trái đất từ vũ trụ. Chúng sinh ra vào khoảng 15
tỷ năm trước đây, ngay sau khi vũ trụ ra đời. Kể từ thời điểm ra đời, vũ trụ
đã không ngừng mở rộng và nguội mát dần và số lượng neutrino khổng lồ
cứ tiếp tục di chuyển. Về mặt lý thuyết, hiện nay có rất nhiều neutrino được
tạo thành nền (hay phông) bức xạ vũ trụ với nhiệt độ 1,9 độ Kelvin (-271,2
độ C).
- Ở trên trái đất, ngoài một lượng “khủng” luôn luôn được đón nhận từ vũ
trụ, các neutrino “nội địa” còn được sản sinh từ các thiết bị hạt nhân như
máy gia tốc hạt, bom hạt nhân …


- Ngoài ra, các cơn bão neutrino còn sinh ra trong các quá trình sinh, va
chạm, và cả “cái chết” của các ngôi sao, đặc biệt là các vụ nổ của siêu tân
tinh.
*Một vài nét lịch sử liên quan Neutrino
# 1931 - Một hạt giả thuyết được dự đoán bởi lý thuyết Wolfgang Pauli. Dự
đoán dựa trên thực tế là năng lượng và động lực đã được bảo tồn tương
ứng trong một số phân rã phóng xạ. Pauli cho rằng một phần năng lượng
“mất tích” có thể được “cáng đáng” bởi một loại hạt vô hình và trung hòa

(không mang điện tích) thoát ra.
# 1934 - Enrico Fermi phát triển một lý thuyết toàn diện về phân rã phóng
xạ, trong đó đưa vào một loại hạt mà Pauli đã đưa vào giả thuyết của mình
trước đây. Fermi đặt tên cho loại hạt đó là các neutrino (tiếng Ý: "một chút
trung tính"). Với sự có mặt của các neutrino, lý thuyết của Fermi giải thích
chính xác được nhiều kết quả quan sát thực nghiệm.
# 1959 - Sự phát hiện một loại hạt phù hợp các đặc điểm dự kiến của các
neutrino được công bố bởi Clyde Cowan và Fred Reines (là thành viên sáng
lập của Super-Kamiokande; là giáo sư danh dự và nhận giải Nobel 1995 về
vật lý).
# 1962 - Các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven và CERN
(các phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân châu Âu) đưa ra một kết quả phát
hiện đáng ngạc nhiên: loại hạt neutrino sinh ra gắn với sự có mặt của các
hạt muon (muon) không hành xử giống như trong trường hợp xuất hiện hạt
electron (e). Trên thực tế, một loại thứ hai của neutrino (neutrino muon) đã
được phát hiện.
# 1978 - Các hạt tau (t) được phát hiện tại SLAC (Linear Accelerator Center
Stanford), nước Mỹ. Chúng được nhận ra sớm rằng, đây là một phiên bản
nặng hơn của các hạt electron và muon, đồng thời sự phân rã của nó tỏ ra
mất cân đối rõ ràng giữa năng lượng và động lựơng như Pauli dùng để dự
đoán sự tồn tại của các neutrino ντ năm 1931. Sự tồn tại của một neutrino
thứ ba liên quan đến tau là vì thế được suy ra, mặc dù neutrino này vẫn
chưa được quan sát trực tiếp.
# 1985 - Một nhóm khoa học gia Nga lần đầu tiên xác định được một số
lượng neutrino có khối lượng khác không. Khối lượng này vô cùng nhỏ (ít


hơn khối lượng của electron cả 10.000 lần), nhưng nỗ lực tiếp theo để tái
tạo một cách độc lập các phép đo khác không thành công.
# 1987 - Kamiokande, một máy đo tìm phân rã proton, và hệ máy tính IMB

phát hiện một vụ nổ đồng thời của neutrino từ Supernova 1987A.
# 1988 – Một Kamiokande khác có khả năng tốt hơn để phân biệt tương tác
muon neutrino với tương tác electron neutrino, báo cáo rằng họ quan sát
thấy chỉ có khoảng 60% số lượng dự kiến của các tương tác muon neutrino.
# 1989 - Các thí nghiệm tại máy gia tốc Large Electron-Positron (LEP) của
CERN xác định rằng không có thêm loại neutrino nào có thể tồn tại ngoài ba
loại đã được biết.
# 1996 – Thiết bị thí nghiệm Super-Kamiokande bắt đầu hoạt động.
# 1997 - Super-Kamiokande báo cáo thâm hụt giữa các muon neutrino vũ
trụ và electron neutrino năng lượng mặt trời, với tỉ lệ tương đồng với các
phép đo bằng thí nghiệm trước đó.
# 1998 - Sự phối hợp Super-Kamiokande thông báo bằng chứng về khối
lượng neutrino khác không ở hội nghị Neutrino '98.