Buộc nút ánh sáng không phải chỉ cho vui

Buộc nút ánh sáng không phải chỉ cho vui

Tiến sĩ Anton Desyatnikov thuộc Trung tâm Vật lí Phi tuyến tại trường Đại học quốc gia Australia là một thành viên thuộc một đội khoa học quốc tế đang thiết kế các nút thắt ở ánh sáng, với những ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực quang học hiện đại, chùm tia laser và cả trong điện toán lượng tử.

Sử dụng các khái niệm toán học và vật lí, mô hình do tiến sĩ Desyatnikov và các đồng sự của ông khảo sát tạo ra những xoáy quang có lõi tối trong một chùm sáng laser rực rỡ, sau đó chúng có thể bị rối tung lên và tạo ra các mối nối và nút thắt.

“Ngoài giá trị hiếu kì của chúng, cái thật sự hấp dẫn và hữu ích ở những cái nút thắt tối này là chúng cho bạn biết dòng năng lượng đang làm gì,” tiến sĩ Desyatnikov nói.

“Là một phần của nền khoa học hết sức tiến bộ, chúng tôi đang bắt đầu làm những việc với ánh sáng mà có thời người ta xem là không thể”.

“Khái niệm một cái nút thắt của ánh sáng là cái các nhà khoa học đã khảo sát trong nhiều năm qua và một vài nhóm đã thu được những nút thắt như thế bằng cách xử lí chính xác những chùm tia laser với những cái nút “nhân tạo”. Còn cái chúng tôi đang nghiên cứu là những mô hình trong đó các nút thắt tự phát hình thành theo kiểu riêng của chúng, giống hệt như những mối nhợ rối beng mà bạn thường gặp ở dây cáp điện.”

“Tuy nhiên, không giống như dây cáp điện thường hay bị thắt nút, ánh sáng không như thế. Các nhà khoa học đã tìm thấy rằng để làm cho các nút thắt hình thành trong những chùm laser bằng cách đưa vào những nhiễu loạn ở dạng đốm laser chỉ rất hiếm khi gây ra nút thắt.”

“Mô hình của chúng tôi cho thấy bạn phải có những thông số quan trọng của ánh sáng trong một ngưỡng nhất định thì bạn mới có thể dễ dàng buộc ánh sáng thành những cái nút, nhưng một khi bạn làm vậy, các nút thắt hầu như thật chắc chắn,” ông nói.

“Cái thật sự hấp dẫn là chúng ta không thể dự đoán chính xác chúng sẽ hình thành ở đâu. Chỉ dưới những trường hợp đặc biệt này thì các xoáy quang mới tự phát tụ nhân và tự buộc chúng thành những cái nút nhỏ.”

Nguồn: thuvienvatly.com

Cho $x, y, z$ là ba số thực dương. Chứng minh rằng: $$\frac{1}{3}\left(\frac{yz}{x^2}+\frac{zx}{y^2}+ \frac{xy}{z^2}\right)+\left(\frac{xyz(x+y+z)}{x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2}\right)^2 \ge 2$$ (Đề OLP 30-4 THPT chuyên Lê Quý Đôn, Bình Định 2012)

Bài làm

Đặt $a=\dfrac{1}{x}, \ b=\dfrac{1}{y}, \ c=\dfrac{1}{z}$, ta cần chứng minh $$\dfrac{1}{3} \left( \dfrac{a^2}{bc}+\dfrac{b^2}{ca}+\dfrac{c^2}{ab} \right) + \left( \dfrac{ab+bc+ca}{a^2+b^2+c^2} \right)^2 \ge 2.$$ Thật vậy, sử dụng bất đẳng thức $Cauchy-Schwarz$ và bất đẳng thức quen thuộc $3abc(a+b+c) \le (ab+bc+ca)^2$, ta có $$\dfrac{1}{3} \left( \dfrac{a^2}{bc}+\dfrac{b^2}{ca}+\dfrac{c^2}{ab} \right) \ge \dfrac{(a^2+b^2+c^2)^2}{3abc(a+b+c)} \ge \dfrac{(a^2+b^2+c^2)^2}{(ab+bc+ca)^2}.$$ Do đó, bất đẳng thức sẽ được chứng minh

Cheops – Sứ mệnh nhỏ tìm kiếm siêu Trái đất

Cheops – Sứ mệnh nhỏ tìm kiếm siêu Trái đất

Vào năm 2017, Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) sẽ phóng một sứ mệnh nhỏ gọi là Cheops để khảo sát tỉ mỉ hơn những ngôi sao sáng ở gần chúng ta được biết có những hành tinh ngoại đang quay xung quanh chúng.

Cheops sẽ đo độ sáng của các ngôi sao đó, tìm kiếm những sự lu mờ hết sức nhỏ đi cùng với sự đi qua của hành tinh – khi một hành tinh ngoại đi qua phía trước ngôi sao của nó, chặn mất một phần ánh sáng đi tới Trái đất chúng ta.

Hình minh họa vệ tinh Cheops (Ảnh: ESA)

“Bằng cách tập trung vào những ngôi sao chủ có hành tinh ngoại đã biết, Cheops sẽ cho phép các nhà khoa học tiến hành các nghiên cứu so sánh các hành tinh xuống đến mức khối lượng Trái đất với độ chính xác không dễ gì thu được từ mặt đất,” phát biểu của Alvaro Giménez-Cañete, tổng giám đốc khoa học và thám hiểm rô bôt của ESA.

“Sứ mệnh trên được chọn lựa từ 26 đề xuất đệ trình lên theo Lời kêu gọi Những sứ mệnh Nhỏ hồi tháng 3, thể hiện sự quan tâm mạnh mẽ của cộng đồng khoa học với những sứ mệnh chuyên dụng, triển khai nhanh tập trung vào những vấn đề mở then chốt trong lĩnh vực khoa học vũ trụ,” Giménez-Cañete bổ sung thêm.

Cheops là tên viết tắt của “CHaracterising ExOPlanets Satellite”

Nguồn: thuvienvatly.com

Làm vướng víu 100.000 photon

Làm vướng víu 100.000 photon

Những xung ánh sáng gồm khoảng 100.000 photon vướng víu đã được tạo ra bởi các nhà vật lí ở Đức và Nga. Những xung ánh sáng đó được tạo ra trong một trạng thái “chân không nén” và đội nghiên cứu tìm thấy sự vướng víu trở nên mạnh hơn khi số lượng photon có trong xung tăng lên. Những xung sáng như vậy có thể ứng dụng trong những công nghệ như mật mã học lượng tử hoặc đo lường học.

Sự vướng víu là một hiệu ứng lượng tử cho phép các hạt như photon có mối liên hệ chặt chẽ hơn so với vật lí cổ điển tiên đoán. Chẳng hạn, người ta có thể tạo ra hai photon trên thực nghiệm, sao cho nếu một hạt được đo là bị phân cực theo phương thẳng đứng, thì phép đo trên hạt kia sẽ cho trạng thái phân cực giống như vậy. Hiệu ứng này xảy ra bất chấp thực tế là một phép đo trên một photon độc thân sẽ cho biết một giá trị ngẫu nhiên của sự phân cực. Trong khi một mối tương quan như thế có thể xảy ra trong thế giới phi lượng tử, nhưng cơ học lượng tử củng cố nó vượt ngoài cái được trông đợi từ vật lí cổ điển. Sự không tương thích này giữa thế giới lượng tử và thế giới cổ điển đã được mô tả súc tích bởi nhà vật lí người Bắc Ireland John Bell vào năm 1964 và đã được xác nhận bởi một loạt thí nghiệm thực hiện hồi thập niên 1970 và 1980.

Nay Maria Chekhova và các đồng sự tại Viện Khoa học Ánh sáng Max Planck và Đại học Moscow vừa tạo ra những trạng thái lượng tử chứa tới 100.000 photon, và tất cả chúng đều bị vướng víu với nhau.

Xung càng sáng, sự vướng víu càng mạnh. (Ảnh: iStockphoto/Mihail Ulianikov)

Những tinh thể phi tuyến

Thí nghiệm của đội khoa học bắt đầu với việc chiếu một xung laser vào một bộ tách chùm tia phân cực, tạo ra hai xung với sự phân cực khác nhau. Hai xung này được chiếu vào hai tinh thể phi tuyến và “bơm” hai tinh thể đó. Nhờ bản chất phi tuyến của hai tinh thể, một photon trong một xung bơm có thể phân hủy thành một cặp photon vướng víu có sự phân cực giống nhau – nhưng có năng lượng khác nhau (A và B). Một photon thuộc vùng hồng ngoại và photon kia thuộc vùng nhìn thấy của phổ điện từ.

Sự phân hủy ban đầu trong tinh thể sẽ xảy ra tự phát và khi cặp photon thứ nhất truyền qua tinh thể nó sẽ kích thích sự phát xạ của những cặp photon kia. Hiệu ứng thác lở sẽ tạo ra một xung photon và toàn bộ bị vướng víu trong cái gọi là một trạng thái “chân không nén”. Xung sáng bị nén bởi vì số lượng photon có trong xung A và B có tương quan chính xác hơn ở những xung laser tiêu biểu có năng lượng bằng nhau. Phần chân không của tên gọi có xuất xứ từ thực tế là xung sáng bắt đầu tự phát với không có photon nào – trạng thái chân không.

Những xung photon vướng víu từ mỗi tinh thể sau đó được kết hợp lại trong một bộ tách chùm tia phân cực thứ hai để tạo ra một xung đơn không phân cực. Xung này được xử lí bằng một “bản lưỡng sắc”, làm hướng phân cực của các photon thuộc một năng lượng nào đó – ví dụ A – quay 90 độ so với hướng phân cực của những photon có năng lượng B. Kết quả là một xung vướng víu là một “trạng thái Bell đơn vĩ mô” – nếu hướng phân cực của photon A đo được là thẳng đứng, thì hướng phân cực của photon B sẽ là nằm ngang và ngược lại. Tính chất này của sự tương quan phân cực đúng cho bất kì sự chọn lựa trạng thái phân cực nào: nếu photon A bị phân cực tròn phải, chẳng hạn, thì photon B bị phân cực tròn trái, vân vân.

Đo sự vướng víu

Thách thức tiếp theo đối với đội nghiên cứu là làm thế nào chứng minh rằng các photon đó thật sự bị vướng víu. Yêu cầu này được thực hiện bằng cách cho xung sáng đi qua một tách chùm tia phân cực cuối cùng, gửi những photon có hướng phân cực ngang về phía một máy dò và những photon có hướng phân cực thẳng đứng về một máy dò thứ hai.

Tổng số photon trong mỗi xung được đếm bởi máy dò và mức độ vướng víu của một xung có thể được xác định bằng cách khảo sát sự tương quan giữa các tín hiệu ở hai máy dò. Đội bằng cách đã không thể kiểm tra sự vướng víu trên bằng cách sử dụng bất đẳng thức Bell bởi vì bất đẳng thức Bell thông thường chỉ có giá trị đối với những cặp photon và không có khả năng áp dụng trong trường hợp này. Sự sai lệch khởi một bất đẳng thức Bell vĩ mô vẫn còn là một thách thức. Tuy nhiên, đội nghiên cứu đã có thể xác lập sự vướng víu bằng cách sử dụng “điều kiện khả năng phân chia” áp dụng cho những hệ như thế. Phân tích cho thấy các xung sáng có mức độ tương qua lớn hơn cái được phép bởi vật lí cổ điển và do đó là bị vướng víu.

Càng nhiều photon, càng vướng víu

Các nhà nghiên cứu còn tính được một thông số của xung sáng gọi là “số Schmidt”, đó là một số đo mức độ vướng víu bên trong xung. Họ tìm thấy rằng số Schmidt tỉ lệ với số photon trung bình có trong xung. Theo đội nghiên cứu, điều này có nghĩa là xung càng sáng thì bị vướng víu nhiều hơn so với những xung yếu.

Xiao-Qi Zhou thuộc trường Đại học Bristol ở Anh đã mô tả thí nghiệm trên là “một phương pháp rất khéo léo nhằm phát hiện ra sự vướng víu ở trạng thái quang lượng tử lớn như thế”. Ông nói, “Người ta biết rằng một trạng thái [chân không nén] lớn là bị vướng víu nhưng không biết làm thế nào chứng minh nó bằng thực nghiệm.”

Zhou tin rằng ứng dụng triển vọng nhất nhất của xung sáng vướng víu trên là trong “đo lường lượng tử thực hành”. Ví dụ như kính hiển vi pha và con quay hồi chuyển quang học.

Chekhova cho biết những xung sáng trên còn có thể sử dụng cho sự phân bố khóa lượng tử, lõ thuật sử dụng sự vướng víu để cho phép hai phe trao đổi thông tin lượng tử với nhau một cách bí mật. “Thông tin lượng tử có thể được mã hóa thành số photon, và khi đó các chùm A và B sẽ được phân bố đến hai người dùng,” bà nói. “Giao thức này sẽ giống với giao thức Ekert đã biết, dựa trên những cặp photon, nhưng ở đây bảng chữ cái sẽ nhiều kí tự hơn.”

Nguồn: thuvienvatly.com

Các electron “phớt lờ” giả thuyết và đi theo một lộ trình khác

Các electron “phớt lờ” giả thuyết và đi theo một lộ trình khác

Người ta có thể chế tạo những sợi dây bằng vàng mỏng đến mức thậm chí không có đủ chỗ cho các electron vượt qua nhau. Cứ như thể chúng đang chạy trên xa lộ một làn xe. Nhưng chính xác thì các electron đi theo đường nào? Các phép đo thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Nano MESA+ thuộc trường Đại học Twente đã mang lại câu trả lời. Thật bất ngờ, người ta tìm thấy các electron không chuyển động qua chính các dây nano đó, mà chuyển động qua những “chỗ hõm” ở giữa chúng. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh điều này trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Physics.

Ảnh chụp hiển vi lực nguyên tử (17 nm x 15 nm) cho thấy các dây nano trên một chất nền germanium

Các dây nano trên có tiết diện không hơn một nanomet vuông (một nanomet là một phần triệu của một millimet) và được gắn với một chất nền làm bằng chất bán dẫn germanium. Các dây nano hầu như không có khiếm khuyết đó được đặt cách nhau chỉ 1,6 nm. Bố trí này buộc các electron phải có hành trạng một chiều.

Trong một bài báo mới đăng trên tạp chí Nature Physics, các nhà nghiên cứu người Đức trình bày rằng các electron thể hiện hành trạng này theo một chiều song song với các dây nano vàng. Nghiên cứu của họ cho thấy “xa lộ một làn xe” nằm dọc theo các “rãnh” dây nano vàng. Các nhà nghiên cứu người Nhật đáp lại với phát biểu rằng thật ra các electron chuyển động theo một chiều vuông góc trục thẳng hàng của các dây nano.

Các nhà nghiên cứu thuộc nhóm Vật lí Tiếp giáp và Vật liệu Nano, do giáo sư Harold Zandvliet đứng đầu, đã quyết định kiểm tra những quan điểm này, họ tạo ra một ảnh không gian của đường dẫn của các electron. Vậy thì nhóm nào đúng? Chiến thắng thuộc về nhóm người Đức, nghĩa là các electron thật sự di chuyển song song theo các dây nano. Tuy nhiên, sự vận chuyển điện tích xảy ra ở những “chỗ hõm” giữa các dây nano, chứ không trên bản thân các dây nano. Như vậy, nghiên cứu trên đã làm sáng tỏ bất ngờ về hành trạng của những hạt mang điện ở thang bậc nguyên tử.

Nguồn: thuvienvatly.com

Công bố bản ghi âm xưa nhất trong lịch sử

Công bố bản ghi âm xưa nhất trong lịch sử

Các nhà nghiên cứu vừa tìm thấy và số hóa cái theo các chuyên gia là bản ghi âm xưa nhất của một giọng nói Mĩ và bản nhạc được ghi lại đầu tiên trong lịch sử.

Máy hát đĩa lá thiếc của Thomas Edison vào năm 1878

Bản ghi âm được thực hiện trên một tấm lá thiếc trên một máy hát đĩa do Thomas Edison phát minh và ghi âm ở St. Louis vào năm 1878. Mở đầu là một bản độc tấu ngắn với kèn cornet, sau đó là giọng một người nam nói có vần điệu. Kết thúc bản ghi âm dài 78 giây là tiếng cười to của giọng nam đó.

Tấm lá thiếc và bản ghi âm mới số hóa được trưng bày tại một bảo tàng ở Schenectady, New York, nơi Edison đã thành lập Công ti General Electric.

Nguồn: thuvienvatly.com

Cá biển tàng hình nhờ lớp da óng ánh bạc

Cá biển tàng hình nhờ lớp da óng ánh bạc

Một số loài cá có vẻ khó nhìn thấy trước những kẻ săn mồi vì màu da bạc của chúng không làm phân cực ánh sáng phản xạ, theo các nhà nghiên cứu ở Anh. Các nhà nghiên cứu đã khảo sát ba loài cá và tìm thấy màu da của chúng có chứa hai loại “tinh thể guanine”, mỗi tinh thể có quang tính khác nhau. Đội nghiên cứu cho biết cơ chế trên có thể dễ dàng áp dụng cho những dụng cụ quang nhân tạo đòi hỏi những gương phản xạ không phân cực để cải thiện hiệu suất chung của chúng.

Nhiều loài cá có da óng ánh bạc và hiện tượng này đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong nhiều năm qua. “Chúng ta biết rằng chúng cố gắng càng bạc càng tốt để [tự] ngụy trang,” Nicholas Roberts thuộc trường Đại học Bristol giải thích. Roberts, cùng với các đồng sự khác tại Bristol, đã cố gắng tìm hiểu mục đích thật sự của lớp áo choàng bạc của cá, ví dụ như cá mòi châu Âu và cá trích Đại Tây Dương. Khi ánh sáng phản xạ khỏi một bề mặt, nó thường bị phân cực. Người ta cho rằng da của cá sẽ hoàn toàn làm phân cực ánh sáng khi phản xạ, cho nên sẽ có một sự suy giảm suất phản xạ toàn phần. Điều này sẽ gây bất lợi đối với cá vì nó sẽ dễ nhìn thấy hơn trước những kẻ săn mồi.

Da cá óng ánh bạc giúp chúng ẩn mình trước những con vật săn mồi của biển. (Ảnh: Shutterstock/Eskemar)

Áo choàng bạc óng ánh

Da cá có cấu trúc phân lớp – nếu bạn đánh bỏ lớp đầu tiên tạo bởi các vẩy, thì còn lại lớp bạc óng ánh. Bên dưới vảy là một lớp mô – gọi là "stratum argenteum" – gồm các tinh thể guanine và tế bào chất. Chính tinh thể guanine là cái người ta quan tâm – chúng có hai loại, mỗi loại có quang tính khác nhau và mỗi loại có mặt với tỉ lệ khác nhau trong da cá.

Hai loại tinh thể guanine có trục quang hoặc song song với trục chính của tinh thể hoặc vuông góc với mặt phẳng tinh thể. Và chính sự sắp xếp này đã làm trung hòa hiệu quả sự phân cực của sự phản xạ và làm cho ánh sáng phản xạ không bị phân cực với một ngưỡng góc rộng.

Khi hai loại tinh thể trên có mặt, ánh sáng bị phản xạ tại mọi góc, và sự giảm suất phản xạ thường do sự phân cực gây ra được tránh khỏi, nên da của chúng vẫn giữ được suất phản xạ cao. Vì không chịu sự suy giảm suất phản xạ, nên chúng không còn nổi bật trước môi trường xung quanh nữa. Sự trung hòa phân cực này phải đặc biệt có ích đối với cá vì một số động vật biển được biết có thị lực không nhạy với màu sắc nhưng có thể phát hiện ra sự chênh lệch phân cực, và chúng sử dụng điểm này làm lợi thế trong khi săn mồi.

Tiếp sau cá...

Thủ thuật quang học đơn giản này có thể có lợi ích lớn ở những dụng cụ nhân tạo, nơi đòi hỏi sự độc lập phân cực cao. Các gương phản xạ nhiều lớp điện môi không phân cực là cần thiết cho các dụng cụ quang và có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực quang học sợi, bộ dẫn sóng điện môi và gương phản xạ ngược LED. Cơ chế phản xạ này của cá “khác với các thiết kế gương không phân cực hiện có ở chỗ, và quan trọng, là không có sự tương phản chiết suất giữa lớp chiết suất thấp ở gương và môi trường bên ngoài. Cơ chế này có thể sẵn sàng đưa vào sản xuất và khai thác trong các dụng cụ quang tổng hợp”.

Trong những tháng tới, Roberts và nhóm của ông tập trung vào khảo sát thêm những loài động vật biển khác có “thị lực nhạy phân cực” và nghiên cứu “cơ sở quang học hấp dẫn” của chúng.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Photonics.

Nguồn: thuvienvatly.com

Đi tìm leptoquark – hạt ‘thú có túi’

Đi tìm leptoquark – hạt ‘thú có túi’

Mọi nguyên tử trong cơ thể của chúng ta có cấu tạo từ electron, proton và neutron, và proton và neutron còn có thể chia nhỏ thành các quark. Như vậy, về cơ bản chúng ta được cấu tạo từ chỉ hai loại hạt: electron và quark. Nhưng những tên gọi này có ý nghĩa gì? Tại sao chúng ta nói các electron và quark khác với nhau?

Vì chúng không có tên gọi giống nhau, nên chúng ta phải định nghĩa hạt qua cách chúng tương tác. Vấn đề có chút tương tự như việc lập danh mục các loài hoang dã trên một lục địa mới – thoạt đầu, mọi thứ thật lạ lẫm, nhưng cuối cùng chúng ta thấy các loài có thể được phân nhóm theo những kiểu hình nhất định nào đó như thế nào. Một số con kêu quác quác và đi lạch bạch nên ta gọi chúng là vịt, trong khi một số con khác thì toàn lông và xây đập nên ta gọi chúng là hải li. Khi các nhà vật lí lần đầu tiên khảo sát thế giới hạ nguyên tử, họ để ý thấy có hai loại tương tác hạt nhân cơ bản, một tương tác mạnh hơn tương tác kia nhiều lần. Cho đến ngày nay, chúng được gọi là lực yếu và lực mạnh vì chúng chưa từng có tên gọi nào tốt hơn nữa.

Các lepton và quark khớp một cách tự nhiên thành ba thế hệ bộ đôi dựa trên cách chúng tương tác với lực yếu. Các nhà vật lí không biết vì sao hai loại hạt này lại khớp kiểu với nhau đến như vậy.

Tương tự như vậy, các hạt vật chất được phân nhóm làm hai họ, lepton và hadron, theo xuất xứ từ nguyên Hi Lạp có nghĩa là nhỏ và lớn. Thật kì lạ, các lepton có vẻ hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi lực mạnh, còn các hadron thì bị lực mạnh thống trị đến cùng cực. Mặc dù các lepton – ví dụ như electron quen thuộc – có thể biến đổi thành lepton khác – muon, tau và neutrino – nhưng tổng số lepton trong vũ trụ dường như không đổi (đếm một lepton vật chất là +1 và một lepton phản vật chất là -1). Điều tương tự cũng đúng đối với các quark, viên gạch cấu trúc cơ bản của hadron. Có một nguyên nhân sâu sắc cho sự tương tự này, nhưng cho đến nay người ta vẫn chưa hiểu rõ.

Sự tương đồng giữa các lepton và quark còn bất ngờ hơn nữa khi chúng ta sắp xếp chúng theo cách chúng tương tác với lực yếu. Nhiều nhà vật lí cho sự tương đồng như thế giữa lepton và quark không phải là tình cờ, và chúng có thể liên hệ với nhau bằng cách nào đó. Nếu vậy thì có thể có một hạt mới thuộc cả hai loại hạt – một leptoquark. Một hạt như thế sẽ gây sốc tương tự như khi phát hiện ra thú có túi, một loài thú đẻ trứng giống như vịt nhưng lại đầy lông giống hải li.

Các nhà vật lí đã bắt đầu tìm kiếm leptoquark trong những năm qua, nhưng chưa tìm ra hạt nào cả. Nếu chúng thật sự tồn tại, thì chúng phải có khối lượng cao hơn những thí nghiệm trước đây có thể với tới. Leptoquark còn cho phép vật chất bình thường phân hủy tự phát, cái chưa từng được quan sát thấy. Nếu leptoquark có một khối lượng lớn, thì các thăng giáng ở vật chất bình thường sẽ hiếm khi đạt tới nó và các phân hủy sẽ rất hiếm nên khó để ý thấy. Cả hai xét đoán này đều hướng tới một thang năng lượng cao, cho nên nơi có thể tìm kiếm leptoquark là tại LHC, cỗ máy năng lượng cao nhất trên thế giới.

Các leptoquark được sinh ra theo cặp, và mỗi cặp sẽ phân hủy thành một lepton và một quark. Đây là một trong những sự kiện giống-leptoquark tìm thấy trong cơ sở dữ liệu CMS. Có quá ít sự kiện như thế này để bác bỏ những lời giải thích theo nền vật lí chuẩn.

Thí nghiệm CMS đã lùng sục toàn bộ kho dữ liệu thu thập trong năm 2011, tương ứng với khoảng 500 nghìn tỉ va chạm proton-proton. Họ đang tìm kiếm những sự kiện trong đó một leptoquark và một phản leptoquark được sinh ra bởi năng lượng va chạm, mỗi hạt phân hủy thành một lepton và một quark (hay tương đương phản vật chất của chúng). Một số lepton, như electron, để lại một vết tích rõ ràng qua máy dò hạt CMS, trong khi những lepton khác, như neutrino, lại vô hình trước máy dò và phải được suy luận ra từ sự mất cân bằng ở các mảnh vỡ. Một quark thì luôn luôn tạo ra một nhánh hạt.

Cuộc tìm kiếm đã nhận ra một số sự kiện với những đặc trưng này, nhưng chúng không được trông đợi từ những quá trình vật lí đã biết. Vì thế, những kết quả này đặt ra những ràng buộc chặt chẽ nhất cho đến nay đối với khối lượng của leptoquark. CMS hiện đang cật lực khảo sát dữ liệu trong năm 2012, trong đó năng lượng va chạm proton là cao hơn và do đó có thể tạo ra nhiều leptoquark nặng hơn, nếu như chúng có tồn tại.

Nguồn: thuvienvatly.com

Phát hiện một hành tinh cỡ Trái đất trong hệ sao Alpha Centauri

Phát hiện một hành tinh cỡ Trái đất trong hệ sao Alpha Centauri

Hệ Alpha Centauri – hệ sao gần Trái đất nhất, chỉ ở xa 4,3 năm ánh sáng – lâu nay vẫn nằm trong giấc mơ của các nhà tương lai học vũ trụ. Bây giờ hệ sao này còn trở nên hấp dẫn hơn khi mà các nhà thiên văn học người châu Âu vừa công bố khám phá ra một hành tinh có khối lượng ngang ngửa với Trái đất đang quay xung quanh một ngôi sao trong hệ Alpha Centauri. Hành tinh này – quay xung quanh ngôi sao Alpha Centauri B – còn là hành tinh ngoại nhẹ cân nhất từng được phát hiện quay xung quanh một ngôi sao giống với mặt trời của chúng ta. Các nhà thiên văn công bố những kết quả của họ trên số ra trực tuyến của tạp chí Nature, ngày 17 tháng 10, 2012.

Hình minh họa Alpha Centauri B và hành tinh của nó, Alpha Centauri A và Mặt trời của chúng ta.

Alpha Centauri là một trong những hệ sao sáng nhất có thể nhìn thấy từ Bán cầu Nam của Trái đất. Cái có vẻ như một ngôi sao trước mắt bạn thật ra là hai ngôi sao liên kết hấp dẫn với nhau, và một ngôi sao thứ ba, Proxima, ở gần đó. Thật ra Proxima chính là ngôi sao gần hệ mặt trời của chúng ta nhất, nhưng xét nguyên tổng thể thì hệ sao Alpha Centauri được xem là hệ sao gần nhất với Trái đất và Mặt trời của chúng ta.

Hai ngôi sao lớn nhất trong hệ Alpha Centauri giống với Mặt trời của chúng ta. Chúng được đặt tên là Alpha Centauri A và B. Hành tinh mới phát hiện quay xung quanh Alpha Centauri B, đó là ngôi sao hơi nhỏ hơn và kém sáng hơn Mặt trời của chúng ta. Hành tinh trên có khối lượng lớn hơn khối lượng của Trái đất một chút. Nó quay cực kì gần ngôi sao của nó – chỉ cách khoảng bốn triệu dặm, tức khoảng sáu triệu km. Để so sánh, Thủy tinh – hành tinh có quỹ đạo hẹp nhất trong Hệ Mặt trời của chúng ta – quay cách Mặt trời từ 50 triệu đến 70 triệu dặm. Trái đất quay cách Mặt trời 93 triệu dặm (150 triệu km).

Vì thế, bạn có thể thấy hành tinh này ở quá gần Alpha Centauri B. Nó không nằm trong vùng ở được của ngôi sao – tức vùng mà trong đó nước lỏng có thể tồn tại trên bề mặt hành tinh. Sự sống như chúng ta biết đòi hỏi có nước lỏng. Như vậy rất không có khả năng có sự sống trên hành tinh mới phát hiện trên.

Bầu trời sẽ trông như thế nào từ hành tinh này, nếu như có sinh vật sinh sống trên đó để nhìn ngắm? Trước tiên, mặt trời của nó – Alpha Centauri – sẽ thống ngự bầu trời ban ngày của hành tinh. Lúc ban đêm, ngôi sao lớn kia trong hệ, Alpha Centauri A, sẽ tỏa sáng trên bầu trời của nó, mặc dù Alpha Centauri A ở xa hành tinh hơn Alpha Centauri B đến hàng trăm lần.

Đội nghiên cứu người châu Âu phát hiện ra hành tinh mới trên qua thiết bị HARPS – viết tắt cho High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher – gắn trên kính thiên văn 3,6 m tại Đài thiên văn La Silla thuộc ESO quản lí ở Chile. Nói cách khác, thiết bị này được thiết kế đặc biệt để tìm kiếm những hành tinh ở xa. Nó hoạt động trên nguyên lí rằng một hành tinh không chỉ quay xung quanh ngôi sao của nó; thay vậy, hành tinh và ngôi sao có một quỹ đạo tương hỗ. Chúng quay xung quanh một khối tâm chung.

Với HARPS, các nhà thiên văn có thể phát hiện ra những chao đảo hết sức nhỏ trong chuyển động của ngôi sao Alpha Centauri B gây ra bởi quỹ đạo tương hỗ của nó với hành tinh đang quay xung quanh của nó. Hiệu ứng là nhỏ - nó làm cho ngôi sao dao động tới lui chưa tới hơn 51 cm/s (1,8 km/h), khoảng bằng tốc độ bò trườn của một đứa trẻ nhỏ. Vậy làm thế nào phát hiện ra được? Bởi vì công nghệ tiến bộ đã cho phép các nhà thiên văn nhìn thấy chuyển động nhỏ xíu này. Theo các nhà thiên văn, khám phá này có độ chính xác cao nhất từng đạt được với phương pháp này.

Ảnh chụp của hệ sao Alpha Centauri. (Ảnh: ESO/Digitized Sky Survey 2, Davide De Martin)

This is the first planet with a mass similar to Earth ever found around a star like the sun. Its orbit isvery close to its star. The planet must be much too hot for life as we know it. But, the astronomers say, it might be just one planet in a system of several.

Đây là hành tinh đầu tiên có khối lượng tương đương với Trái đất từng được tìm thấy quay xung quanh một ngôi sao giống với mặt trời. Nó quay quá gần ngôi sao của nó. Hành tinh này phải quá nóng cho sự sống tồn tại như chúng ta biết. Nhưng, theo các nhà thiên văn, nó có thể chỉ là một hành tinh trong một hệ gồm vài hành tinh.

Nguồn: thuvienvatly.com

Phát hiện một loại tia vũ trụ mới

Phát hiện một loại tia vũ trụ mới

Sử dụng vệ tinh đài thiên văn tia X châu Âu XMM-Newton, các nhà nghiên cứu thuộc NCRS và CEA vừa phát hiện ra một nguồn mới của tia vũ trụ. Trong vùng phụ cận của đám sao Arches, gần trung tâm của Dải Ngân hà, những hạt này được tăng tốc trong sóng xung kích tạo ra bởi hàng chục nghìn ngôi sao trẻ đang di chuyển ở tốc độ khoảng 700.000 km/h. Những tia vũ trụ này tạo ra một phổ tia X đặc trưng bởi sự tương tác với các nguyên tử trong đám khí xung quanh. Nguồn gốc của chúng khác với nguồn gốc của những tia vũ trụ do Victor Hess khám phá hồi đúng 100 năm trước – chúng sinh ra trong những vụ nổ sao siêu mới. Các kết quả được công bố trên tạp chí Astronomy & Astrophysics.

Vùng đám sao Arches nhìn trong phổ tia X (đường contour) và phổ hồng ngoại gần (ảnh nền). Ảnh:V. Tatischeff

100 năm trước, nhà vật lí người Áo Victor Franz Hess đã phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ ion hóa có nguồn gốc ngoài địa cầu, cái ông gọi là tia vũ trụ. Ngày nay, bản chất của chúng đã được hiểu rõ. Khi những ngôi sao nhất định lúc cuối đời của chúng phát nổ và trở thành sao siêu mới, vật chất của chúng được giải phóng ra ở tốc độ siêu thanh, phát ra sóng xung kích làm gia tốc các hạt. Vì thế, một số hạt nhân nguyên tử thu được động năng rất cao và đi vào khí quyển của Trái đất.

Tuy nhiên, những tia vũ trụ năng lượng thấp thì chưa được phát hiện ra trong vùng hành tinh của chúng ta, vì gió mặt trời ngăn cản chúng đi vào nhật quyển. Do đó, người ta biết ít về thành phần hóa học của chúng và thông lượng tia bên ngoài Hệ Mặt trời, mặc dù mọi thứ cho thấy chúng có một vai trò đáng kể trong Thiên hà của chúng ta. Chẳng hạn, bằng cách ion hóa và làm nóng những đám mây đậm đặc nhất giữa các sao, chúng có khả năng điều hòa sự hình thành sao.

Các tác giả của bài báo trên bắt đầu với việc nghiên cứu sự phát xạ tia X trên lí thuyết sẽ được tạo ra bởi tia vũ trụ năng lượng thấp trong môi trường giữa các sao. Sau đó, họ tìm kiếm những dấu hiệu của sự phát xạ trên lí thuyết này trong dữ liệu tia X do vệ tinh XMM-Newton thu thập được kể từ lúc nó được phóng lên quỹ đạo vào năm 1999 đến nay. Bằng cách phân tích tính chất của phổ tia X của sắt giữa các sao do vệ tinh này ghi lại, họ tìm thấy những dấu hiệu của một đám đông ion nhanh trong vùng phụ cận của đám sao Arches, cách tâm của Dải Ngân hà khoảng 100 năm ánh sáng. Những ngôi sao trong đám này đang di chuyển chung với nhau với tốc độ xấp xỉ 700.000 km/h. Các tia vũ trụ đó có khả năng được tạo ra trong sự va chạm tốc độ cao của đám sao trên với một đám mây khí trên đường đi của nó. Trong vùng đặc biệt này, mật độ năng lượng của các ion được gia tốc lớn gấp khoảng một nghìn lần mật độ của tia vũ trụ trong vùng láng giềng của Hệ Mặt trời.

Đây là lần đầu tiên một nguồn phát chính của những tia vũ trụ năng lượng thấp được phát hiện ra bên ngoài Hệ Mặt trời. Nó cho thấy sóng xung kích của sao siêu mới không phải là đối tượng duy nhất có thể gây ra sự gia tốc hàng loạt của các hạt nhân nguyên tử trong Thiên hà. Những kết quả này giúp người ta nhận dạng ra những nguồn phát ion mới trong môi trường giữa các sao, và có thể giúp hiểu rõ hơn tác dụng của những hạt giàu năng lượng này đối với sự hình thành sao.

Nguồn: thuvienvatly.com

Đóng băng các electron đang chuyển động

Đóng băng các electron đang chuyển động

Sử dụng những xung laser nhanh nhất thế giới, các nhà vật lí ở trường Đại học Arizona đã chụp được ảnh thời khắc những phân tử vỡ ra và các electron bị đánh bật ra khỏi nguyên tử. Nghiên cứu của họ giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn những quá trình phân tử và cuối cùng có thể điều khiển chúng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Bộ ảnh “Ngựa phi nước đại” nổi tiếng của Eadweard Muybridge đã đánh dấu sự ra đời của ngành nhiếp ảnh tốc độ cao.

Vào năm 1878, một bộ ảnh chụp nay đã trở thành biểu tượng đã giải quyết tức thời một bí ẩn dai dẳng: Một con ngựa đang phi nước đại có phải lúc nào cũng có chân chạm đất hay không? (Câu trả lời là không). Những ảnh chụp của Eadweard Muybridge tại một trường đua ngựa đã đánh dấu sự ra đời của ngành nhiếp ảnh tốc độ cao.

Gần 134 năm sau, các nhà nghiên cứu ở khoa vật lí, trường Đại học Arizona vừa giải được một bí ẩn tương tự, trong đó các phân tử oxygen siêu kích thích thay thế cho con người, và những xung laser năng lượng cao, cực nhanh thay thế cho những tấm phim nhũ tương của Muybridge.

Sử dụng những xung sáng tử ngoại kéo dài 0,0000000000000002 giây – tức 200 phần tỉ tỉ của một giây – Arvinder Sandhu và đội của ông đã làm đóng băng sự tác dụng nhanh đến mức không thể tưởng tượng xảy ra sau khi các phân tử oxygen bị hạ gục bởi năng lượng cao trong khoảng thời gian hết sức ngắn.

Nhóm của Arvinder Sandhu (phải) đã khai thác những xung laser nhanh nhất thế giới để chụp ảnh những quá trình cực nhanh, ví dụ như các phản ứng hóa học.

Việc quan sát những hiện tượng cực ngắn ở các nguyên tử và phân tử đang ngày trở nên quan trọng khi các nhà khoa học đang cố gắng hiểu rõ hơn các quá trình lượng tử ở cấp độ electron, và cuối cùng là điều khiển những quá trình đó để thiết kế ra những nguồn sáng mới, lắp ráp những phân tử mới, hoặc chế tạo những dụng cụ điện tử cực nhanh mới, trong số vô vàn những ứng dụng khác.

Trong khi nhóm của Sandhu không hề giữ kỉ lục thế giới cho sự tạo ra những xung sáng ngắn nhất, nhưng đây là nhóm đi tiên phong sử dụng chúng làm công cụ để giải quyết nhiều câu hỏi khoa học chưa được trả lời.

Thành tựu mới nhất của nhóm, công bố trên tạp chí Physical Review Letters, là một bộ ảnh chụp nhanh trực tiếp cái xảy ra với một phân tử oxygen khi nó nổ tung ra sau khi hấp thụ quá nhiều năng lượng để duy trì liên kết bền giữa các nguyên tử của nó.

Việc có thể phân giải những quá trình phân tử ở cấp độ thời gian ngắn như thế giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn cơ chế động lực học vi mô của sự hình thành và phân hủy của tầng ozone trong khí quyển Trái đất, chẳng hạn.

Nguồn: thuvienvatly.com

Kỉ lục mới: Rơi tự do từ tầng bình lưu

Kỉ lục mới: Rơi tự do từ tầng bình lưu

Lịch sử ngành hàng không vũ trụ vừa ghi nhận thêm một sự kiện mới hôm 14/10 khi nhà nhảy dù vũ trụ người Áo Felix Baumgartner đã lập một vài kỉ lục trong chuyến nhảy dù đứng tim từ tầng bình lưu, và ông đã trở thành người đầu tiên di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh chỉ với riêng cơ thể của mình.

Baumgartner được nâng lên trong khi capsule đặc biệt gắn với một trong những khí cầu helium lớn nhất từng được sử dụng cho các chuyến bay khí cầu có người điều khiển. Ông nhảy ra từ độ cao cách mặt đất xấp xỉ 39 km, và nay ông giữ tốc độ nhảy dù từ độ cao lớn nhất, nhảy dù nhanh nhất, và bay trong khí cầu có người lái lên cao nhất.

Ông còn phá vỡ hàng rào âm thanh, đạt tốc độ 1,24 Mach hay 1.342 km/h. Ba kỉ lục tương ứng trước đây thuộc về viên sĩ quan Mĩ đã nghỉ hưu Joe Kittinger năm nay 84 tuổi. Kỉ lục duy nhất của Kittinger mà Baumgartner không phá được là thời gian rơi tự do lâu nhất. Baumgartner rơi trong 4 phút 20 giây.

Felix Baumgartner nhảy ra khỏi capsule trong chuyến bay cuối cùng ở Roswell, New Mexico, Mĩ, hôm 14/10/2012.

Cần trục dõi theo khí cầu và capsule trong chuyến bay lên của Baumgartner.

Ảnh nhìn từ camera gắn bên trong capsule khi Baumgartner nhảy ra.

Baumgartner và cái dù ngay trước lúc tiếp đất.

Nguồn: thuvienvatly.com

Cho $a, b, c $ là các số thực dương thoả mãn $a^2+b^2+c^2=3$. Chứng minh rằng: $$\dfrac{1}{2-a}+\dfrac{1}{2-b}+\dfrac{1}{2-c} \ge 3$$

Lời giải

Cách 1.
Ta có bất đẳng thức sau đây đúng
$$ \dfrac{1}{2-a} \ge \dfrac{a^2+1}{2},$$ bởi vì nó tương đương $ a(a-1)^2 \ge 0.$
Thiết lập hai biểu thức tương tự rồi cộng lại, ta có
$$ \dfrac{1}{2-a}+\dfrac{1}{2-b}+\dfrac{1}{2-c} \ge \dfrac{a^2+b^2+c^2+3}{2}=3. $$ Bài toán được chứng minh xong.

Cho $a, b, c$ là các số thực dương thỏa mãn $abc=1$. Chứng minh rằng khi đó ta có $$\frac{(1+a)(1+b)(1+c)}{\sqrt[4]{(1+a^2)(1+b^2)(1+c^2)}} \ge 4\sqrt[4]{2} $$

Lời giải
Bất đẳng thức cần chứng minh tương đương với $$(1+a)(1+b)(1+c)\ge 4\sqrt[4]{2}\cdot  \sqrt[4]{(1+a^2)(1+b^2)(1+c^2)}$$ hay là $$(1+a)^4(1+b)^4(1+c)^4\ge 512 \cdot (1+a^2)(1+b^2)(1+c^2).$$ Sử dụng bất đẳng thức $AM-GM$,

Chứng minh rằng nếu $a,b,c$ là các số thực dương thì: $$\dfrac{(a+b+c)^2}{a^2+b^2+c^2}+\dfrac{1}{2} \left( \dfrac{a^3+b^3+c^3}{abc}-\dfrac{a^2+b^2+c^2}{ab+bc+ca} \right)\geq4 $$

Lời giải
Mình giới thiệu với các bạn một lời giải rất hay của anh Trần Quốc Anh.
Ta sẽ chứng minh bất đẳng thức mạnh hơn là
$$\frac{2(a+b+c)^2}{a^2+b^2+c^2}+\frac{1}{2} \left(\frac{a^3+b^3+c^3}{abc}-\frac{a^2+b^2+c^2}{ab+bc+ca}\right) \ge 7$$
Do $\dfrac{2(a+b+c)^2}{a^2+b^2+c^2} =2+\dfrac{4(ab+bc+ca)}{a^2+b^2+c^2}$nên bất đẳng thức trên có thể viết lại thành
$$\frac{4(ab+bc+ca)}{a^2+b^2+c^2}+\frac{1}{2}\left(\frac{a^3+b^3+c^3}{abc}-\frac{a^2+b^2+c^2}{ab+bc+ca}\right) \ge 5$$
Hay

Khoảnh khắc nước biến thành băng

Khoảnh khắc nước biến thành băng

Ở thể lỏng, những giọt nước có dạng hình cầu, nhưng khi đóng băng chúng trở nên góc cạnh với một đỉnh nhọn ở trên đầu.

Các nhà khoa học đã đặt một giọt nước nhỏ lên trên một bề mặt lạnh tới – 20^oC và quan sát nó đóng băng. Những bức ảnh chụp hết sức độc đáo cho thấy một “cây” băng đã mọc lên từ giọt nước đó.

“Cây” băng lớn lên trên một giọt nước

Phim chụp cho thấy giọt nước đóng băng từ dưới lên, nơi nó tiếp xúc với bề mặt lạnh, và vẫn ít nhiều có dạng cầu trong khi nước ở phía trên vẫn còn ở thể lỏng. Nhưng khi phần cuối cùng của nước đã đóng băng thì mặt phía trên đó bị nước đẩy lên, tạo thành một đầu nhọn “chóp núi”.

Ảnh cận cảnh giọt nước thay đổi hình dạng khi nó đóng băng

Nhưng sau đó thì chuyện bất ngờ xảy ra: đầu nhọn của giọt băng hút lấy hơi nước trong không khí giống hệt như đầu nhọn cột thu lôi hút lấy các điện tích. Sau đó thì một cây băng nhỏ xíu bắt đầu lớn dần lên.

Các nhà nghiên cứu cho biết hiệu ứng trên chưa từng được thấy ở những chất lỏng khác và hiệu ứng xảy ra bởi vì nước giãn nở khi nó đóng băng.

Nguồn: thuvienvatly.com

Giải Nobel Vật lí 2012 cho sự nhìn trộm con mèo Schrödinger

Giải Nobel Vật lý 2012 cho sự nhìn trộm con mèo Schrödinger

Serge Haroche và David J. Wineland độc lập nhau đã phát minh và phát triển những phương pháp mang tính đột phá để đo và xử lí từng hạt một trong khi vẫn giữ nguyên bản chất cơ lượng tử của chúng, theo những cách mà trước đó người ta nghĩ là không thể nào thu được.

Haroche và Wineland đã mở ra một kỉ nguyên thực nghiệm mới cho ngành vật lí lượng tử với việc chứng minh sự quan sát trực tiếp từng hệ lượng tử mà không phá hỏng chúng. Qua những phương pháp thí nghiệm khéo léo của họ, họ đã làm chủ việc đo và điều khiển những trạng thái lượng tử rất mong manh, cho phép lĩnh vực nghiên cứu của họ tiến những bước rất mới hướng đến chế tạo ra một loại máy vi tính mới siêu nhanh, hoạt động dựa trên vật lí lượng tử. Những phương pháp này còn đưa đến việc chế tạo những đồng hồ cực kì chính xác có thể trở thành cơ sở trong tương lai của một chuẩn thời gian mới, với độ chính xác gấp 100 bậc độ lớn so với đồng hồ caesium ngày nay.

Hình 1. Giải Nobel trao cho sự điều khiển hạt lượng tử. Những người thắng giải đã làm chủ được từng hạt bị bẫy, buộc chúng tuân theo các quy luật của cơ học lượng tử.

Với mỗi hạt ánh sáng hay hạt vật chất, các định luật vật lí cổ điển không còn áp dụng được và vật lí lượng tử chiếm ưu thế. Nhưng mỗi hạt không dễ gì tách ra khỏi môi trường xung quanh của chúng và hễ khi chúng tương tác với thế giới bên ngoài chúng sẽ mất đi những tính chất cơ lượng tử bí ẩn của chúng. Như vậy, nhiều hiện tượng có vẻ kì lạ mà cơ học lượng tử dự đoán không thể nào được quan sát trực tiếp, và các nhà nghiên cứu chỉ có thể tiến hành những “thí nghiệm tưởng tượng” trên nguyên tắc có thể biểu hiện những hiện tượng kì lạ này.

Cả hai người đoạt giải Nobel Vật lí năm nay đều làm việc trong ngành quang học lượng tử chuyên nghiên cứu sự tương tác cơ bản giữa ánh sáng và vật chất, một lĩnh vực đã chứng kiến sự tiến bộ to lớn kể từ giữa thập niên 1980. Các phương pháp của họ có nhiều điểm chung. David Wineland bẫy điện các nguyên tử tích điện, hay ion, điều khiển và đo chúng bằng ánh sáng, hay photon. Serge Haroche thì tiếp cận theo hướng ngược lại: ông điều khiển và đo các photon, hay hạt ánh sáng, bị bẫy bằng cách gửi các nguyên tử qua một cái bẫy.

Điều khiển từng ion trong bẫy

Trong phòng thí nghiệm của David Wineland ở Boulder, Colorado, các nguyên tử tích điện, hay ion, được giữ bên trong một cái bẫy bằng cách dùng điện trường bao quanh chúng. Các hạt được tách li khỏi nhiệt và bức xạ trong môi trường của chúng bằng cách thực hiện các thí nghiệm trong chân không ở những nhiệt độ cực thấp.

Một trong những bí mật ẩn sau đột phá của Wineland là sự tinh thông nghệ thuật sử dụng các chùm laser và tạo ra các xung laser. Một laser được sử dụng để khử chuyển động nhiệt của ion ở trong bẫy, đưa ion đó vào trạng thái năng lượng thấp nhất của nó và từ đó cho phép nghiên cứu các hiện tượng lượng tử với ion bị bẫy đó. Một xung laser được điều khiển cẩn thận có thể dùng để đưa ion đó vào một trạng thái chồng chất, đó là một sự tồn tại đồng thời của hai trạng thái khác nhau rạch ròi. Ví dụ, có thể làm cho ion đó chiếm giữ đồng thời hai mức năng lượng khác nhau. Nó bắt đầu trong một trạng thái năng lượng thấp nhất và xung laser chỉ thúc ion đó tiến nửa đường lên một mức năng lượng cao hơn sao cho nó ở lưng chừng giữa hai mức, trong một sự chồng chất của những trạng thái năng lượng, với xác suất có kết cục bằng nhau cho cả hai mức. Theo cách này, người ta có thể nghiên cứu sự chồng chất lượng tử của những trạng thái năng lượng của ion đó.

Hình 2. Trong phòng thí nghiệm của David Wineland ở Boulder, Colorado, các nguyên tử tích điện, hay ion, được giữ bên trong một cái bẫy bằng cách dùng điện trường bao quanh chúng. Một trong những bí mật ẩn sau đột phá của Wineland là sự tinh thông nghệ thuật sử dụng các chùm laser và tạo ra các xung laser. Một laser được sử dụng để đưa ion vào trạng thái năng lượng thấp nhất của nó và từ đó cho phép nghiên cứu các hiện tượng lượng tử với ion bị bẫy đó.

Điều khiển từng photon trong bẫy

Serge Haroche và nhóm nghiên cứu của ông sử dụng một phương pháp khác để làm sáng tỏ những bí ẩn của thế giới lượng tử. Trong phòng thí nghiệm ở Paris, các photon vi sóng phản xạ tới lui bên trong một hộp cộng hưởng nhỏ nằm giữa hai cái gương cách nhau khoảng 3 cm. Hai cái gương được làm bằng vật liệu siêu dẫn và được làm lạnh xuống đến nhiệt độ gần không độ tuyệt đối. Hai cái gương siêu dẫn này thuộc loại sáng chói nhất trên thế giới. Chúng phản chiếu đến mức một photon độc thân có thể bật tới lui bên trong hộp cộng hưởng trong gần một phần mười của một giây trước khi bị hấp thụ mất. Thời gian sống dài kỉ lục như thế này đồng nghĩa là photon đó đi được quãng đường tới 40.000 km, tương đương khoảng một vòng quanh Trái đất.

Trong thời gian sống dài hơi của nó, nhiều thao tác lượng tử có thể được thực hiện với photon bị bẫy đó. Haroche sử dụng những nguyên tử được kích thích đặc biệt, gọi là các nguyên tử Rydberg (mang tên nhà vật lí người Thụy Điển Johannes Rydberg) để vừa điều khiển vừa đo photon vi sóng trong hộp cộng hưởng. Một nguyên tử Rydberg có bán kính khoảng 125 nm, lớn gấp khoảng 1.000 lần so với những nguyên tử tiêu biểu. Những nguyên tử Rydberg hình vòng khuyên khổng lồ này được gửi từng hạt một vào trong hộp cộng hưởng ở một tốc độ được chọn lựa cẩn thận, sao cho sự tương tác với photon vi sóng xảy ra theo một kiểu được điều khiển tốt.

Nguyên tử Rydberg đó chuyển động qua lại và thoát ra khỏi hộp cộng hưởng, để lại photon vi sóng. Nhưng sự tương tác giữa photon và nguyên tử tạo ra một sự biến đổi pha của trạng thái lượng tử của nguyên tử đó: nếu bạn nghĩ trạng thái lượng tử của nguyên tử đó ở dạng sóng, thì đỉnh sóng và hõm sóng bị lệch đi. Sự lệch pha này có thể đo được khi nguyên tử thoát ra khỏi hộp cộng hưởng, nhờ đó tiết lộ sự có mặt hay vắng mặt của một photon bên trong hộp. Không có photon nào thì không có sự lệch pha. Do đó, Haroche có thể đo được một photon độc thân mà không làm hỏng nó.

Với một phương pháp tương tự, Haroche và nhóm của ông đã có thể đếm số photon bên trong hộp, giống như bọn trẻ đếm số viên bi đựng trong bát. Thủ thuật này nghe có vẻ dễ nhưng nó đòi hỏi sự khéo léo cực kì và kĩ năng tốt bởi vì các photon, không giống như những viên bi bình thường, bị hủy mất tức thời khi tiếp xúc với thế giới bên ngoài. Xây dựng trên các phương pháp đếm số photon của ông, Haroche và các cộng sự đã nghĩ ra những phương pháp theo dõi trực tiếp sự diễn tiến từng bước một của một trạng thái lượng tử.

Hình 3. Trong phòng thí nghiệm của Serge Haroche ở Paris, trong chân không và ở một nhiệt độ gần không độ tuyệt đối, các photon vi sóng phản xạ tới lui bên trong một hộp cộng hưởng nhỏ nằm giữa hai cái gương. Hai cái gương đó phản chiếu đến mức một photon sống thọ đến một phần mười của một giây trước khi bị hấp thụ. Trong quãng thời gian sống dài hơi này, nhiều thao tác lượng tử có thể được thực hiện với photon bị bẫy đó mà không làm hỏng nó.

Những nghịch lí của cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử mô tả một thế giới vi mô không nhìn thấy trước mắt trần, nơi các sự kiện xảy ra trái với những trông đợi và kinh nghiệm của chúng ta với những hiện tượng vật lí trong thế giới vĩ mô, cổ điển. Vật lí học trong thế giới lượng tử có một sự bất định hay ngẫu nhiên cố hữu nào đó đi cùng với nó. Một ví dụ của loại hành trạng trái lạ này là sự chồng chất, trong đó một hạt lượng tử có thể ở một vài trạng thái khác nhau đồng thời. Chúng ta thường không nghĩ tới một viên bị vừa ở “chỗ này” vừa ở “chỗ kia” cùng một lúc, nhưng một trường hợp như vậy đó là một viên bi lượng tử. Trạng thái chồng chất của viên bi này cho chúng ta biết chính xác xác suất viên bi ở chỗ này hay ở chỗ kia là bao nhiêu, nếu chúng ta đo chính xác xem nó ở đâu.

>> Xem Phần đầu

Tại sao chúng ta chưa từng nhận ra những phương diện kì lạ này của thế giới của chúng ta? Tại sao chúng ta không thể quan sát một sự chồng chất của viên bi lượng tử trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta? Nhà vật lí người Áo và là người giành Giải Nobel (Vật lí năm 1933) Erwin Schrödinger đã đương đầu với câu hỏi này. Giống như nhiều nhà tiên phong khác của cơ học lượng tử, ông đã chật vật tìm hiểu và lí giải những hàm ý của nó. Đến năm 1952, ông viết: “Chúng ta chưa từng làm thí nghiệm với chỉ một electron hay một nguyên tử hay một phân tử (nhỏ). Trong các thí nghiệm tưởng tượng, thỉnh thoảng chúng ta giả sử chúng ta làm như vậy; nhưng giả sử này luôn đưa đến những hệ quả buồn cười...”

Để minh họa cho những hệ quả vô lí của sự hoán chuyển giữa thế giới vi mô của vật lí lượng tử và thế giới vĩ mô hàng ngày của chúng ta, Schrödinger đã mô tả một thí nghiệm tưởng tượng với một con mèo: con mèo Schrödinger hoàn toàn tách li với thế giới bên ngoài bên trong một cái hộp. Cái hộp còn chứa một lọ chất độc cyanide chỉ mở nắp sau sự phân rã của một nguyên tử phóng xạ nào đó, cũng ở bên trong hộp. Sự phân rã phóng xạ bị chi phối bởi các quy luật của cơ học lượng tử, theo đó vật liệu phóng xạ ở trong một trạng thái chồng chất vừa đã phân rã vừa chưa phân rã. Vì thế, con mèo cũng phải ở trong một trạng thái chồng chất vừa chết vừa sống. Bây giờ nếu bạn nhìn vào bên trong hộp, bạn có nguy cơ giết chết con mèo bởi vì sự chồng chất lượng tử nhạy với sự tương tác với môi trường đến mức một nỗ lực cho dù là nhỏ nhất để quan sát con mèo sẽ lập tức làm “co sụp” “trạng thái-con mèo” đến một trong hai kết cục có thể có – hoặc sống hoặc chết. Theo quan điểm của Schrödinger, thì nghiệm tưởng tượng này đưa đến một kết luận vô lí, và người ta đồn rằng sau này ông đã tạ lỗi vì đã đưa thêm một gút thắt vào mớ lộn xộn lượng tử học.

Cả hai người giành giải Nobel 2012 đều có thể lập bản đồ trạng thái-con mèo lượng tử khi nó tiếp xúc với thế giới bên ngoài. Họ đã nghĩ ra những thí nghiệm tài tình và chứng minh cụ thể hoạt động đo làm cho trạng thái lượng tử co sụp và mất đi đặc tính chồng chất của nó như thế nào. Thay cho con mèo Schrödinger, Haroche và Wineland bẫy các hạt lượng tử và đưa chúng vào những trạng thái chồng chất giống như con mèo. Những hạt lượng tử này không thật sự vĩ mô như một con mèo, nhưng chúng vẫn khá lớn khi xét theo các chuẩn lượng tử.

Hình 4. Con mèo của Schrödinger. Vào năm 1935, nhà vật lí và người đoạt giải Nobel người Áo Erwin Schrödinger đã mô tả một thí nghiệm tưởng tượng với một con mèo trong một cái hộp để minh họa cho những hệ quả vô lí của sự hoán chuyển giữa thế giới vi mô của vật lí lượng tử và thế giới vĩ mô hàng ngày của chúng ta. Một hệ lượng tử, các hạt, các nguyên tử và vật chất khác của thế giới vi mô, có thể ở trong hai trạng thái đồng thời, theo các nhà vật lí gọi là sự chồng chất của các trạng thái. Trong thí nghiệm tưởng tượng của Schrödinger, con mèo ở trong hộp ở trong một sự chồng chất, và như thế nó vừa sống vừa chết. Bây giờ nếu bạn nhìn vào bên trong hộp, bạn có nguy cơ giết chết con mèo bởi vì sự chồng chất lượng tử nhạy với sự tương tác với môi trường đến mức một nỗ lực cho dù là nhỏ nhất để quan sát con mèo sẽ lập tức làm “co sụp” “trạng thái-con mèo” đến một trong hai kết cục có thể có – hoặc sống hoặc chết.

Bên trong hộp cộng hưởng của Haroche, các photon vi sóng được đưa vào những trạng thái kiểu con mèo với pha ngược nhau đồng thời, giống như một cái đồng hồ có kim vừa quay theo chiều kim đồng hồ vừa quay ngược chiều kim đồng hồ. Trường vi sóng bên trong hộp cộng hưởng khi đó được khảo sát bằng các nguyên tử Rudberg. Kết quả là một hiệu ứng lượng tử khó hiểu nữa gọi là sự vướng víu. Sự vướng víu cũng được mô tả bởi Erwin Schrödinger và có thể xảy ra giữa hai hoặc nhiều hạt lượng tử không có sự tiếp xúc trực tiếp nhưng vẫn có thể đọc và ảnh hưởng đến tính chất của nhau. Sự vướng víu của trường vi sóng và các nguyên tử Rydberg đã cho phép Haroche lập bản đồ sự sống và chết của trạng thái kiểu con mèo bên trong hộp cộng hưởng của ông, theo dõi nó từng bước một, từng nguyên tử một, khi nó trải qua một sự chuyển tiếp từ sự chồng chất lượng tử của các trạng thái sang một trạng thái rạch ròi của vật lí cổ điển.

Hướng đến một cuộc cách mạng máy tính mới

Một ứng dụng khả dĩ của bẫy ion mà nhiều nhà khoa học đã mơ tới là máy vi tính lượng tử. Trong các máy vi tính cổ điển ngày nay, đơn vị nhỏ nhất của thông tin là một bit nhận giá trị hoặc 1 hoặc 0. Tuy nhiên, trong một máy vi tính lượng tử, đơn vị cơ bản của thông tin – một bit lượng tử, hay qubit – có thể là 1 và 0 đồng thời. Hai bit lượng tử có thể đồng thời nhận bốn giá trị – 00, 01, 10, và 11 – và thêm mỗi qubit tăng gấp đôi lượng trạng thái có thể có. Với n bit lượng tử có 2ⁿ trạng thái có thể có, và một máy vi tính lượng tử chỉ với 300 qubit có thể giữ 2³⁰⁰ giá trị đồng thời, còn nhiều hơn cả số nguyên tử trong vũ trụ nữa.

Nhóm của Wineland là nhóm đầu tiên trên thế giới chứng minh một phép tính lượng tử với hai bit lượng tử. Vì các hoạt động điều khiển đã thu được với vài ba qubit, cho nên trên nguyên tắc không có lí do gì để tin rằng chẳng thể nào thu được những phép tính như vậy với nhiều qubit hơn. Tuy nhiên, việc chế tạo một máy vi tính lượng tử như thế là một thách thức thực tiễn hết sức to lớn. Người ta phải thỏa mãn hai yêu cầu đối ngược nhau: các qubit cần tách li thỏa đáng khỏi môi trường của chúng để không phá hỏng những tính chất lượng tử của chúng, nhưng chúng cũng phải có thể giao tiếp với thế giới bên ngoài để truyền đạt những kết quả tính toán của chúng. Có lẽ máy vi tính lượng tử sẽ được chế tạo trong thế kỉ này. Nếu vậy, nó sẽ làm thay đổi cuộc sống của chúng ta một cách triệt để giống như máy vi tính cổ điển đã làm thay đổi cuộc sống trong thế kỉ vừa qua.

Những đồng hồ chính xác mới

David Wineland và đội nghiên cứu của ông còn sử dụng các ion trong một cái bẫy để chế tạo một cái đồng hồ chính xác gấp một trăm lần các đồng hồ nguyên tử gốc caesium hiện đang là chuẩn đo thời gian của chúng ta. Thời gian được giữ nhịp bằng cách thiết lập, hay đồng bộ hóa tất cả các đồng hồ dựa trên một chuẩn. Đồng hồ caesium hoạt động trong vùng vi sóng còn đồng hồ ion của Wineland sử dụng ánh sáng nhìn thấy – vì thế mà có tên gọi đồng hồ quang học. Một cái đồng hồ quang học có thể chỉ gồm một hoặc hai ion trong một cái bẫy. Với hai ion, một ion được dùng làm đồng hồ và ion kia được dùng để đọc đồng hồ mà không phá hỏng trạng thái của nó, hay làm cho nó lỡ nhịp. Độ chính xác của một đồng hồ quang học là cao hơn một phần 10¹⁷, nghĩa là nếu người ta đã bắt đầu đo thời gian lúc vũ trụ ra đời trong Vụ Nổ Lớn hồi khoảng 14 tỉ năm trước, thì ngày nay cái đồng hồ quang học đó chỉ mới chạy sai có khoảng 5 giây.

Hình 5. Đồng hồ quang học. Một ứng dụng thực tế của các ion trong một cái bẫy là chế tạo một cái đồng hồ chính xác gấp một trăm lần các đồng hồ nguyên tử gốc caesium hiện đang là chuẩn đo thời gian của chúng ta. Với hai ion, một ion được dùng làm đồng hồ và ion kia được dùng để đọc đồng hồ mà không phá hỏng trạng thái của nó, hay làm cho nó lỡ nhịp.

Với sự đo thời gian chính xác như thế, một số hiện tượng cực kì tinh vi và đẹp đẽ của tự nhiên đã được quan sát, ví dụ như các biến thiên trong dòng chảy của thời gian, hay sự biến thiên nhỏ của lực hấp dẫn, cấu trúc của không-thời gian. Theo thuyết tương đối Einstein, thời gian bị ảnh hưởng bởi sự chuyển động và lực hấp dẫn. Tốc độ càng cao và lực hấp dẫn càng mạnh thì thời gian trôi càng chậm. Chúng ta có lẽ không nhận ra những hiệu ứng này, nhưng thật ra chúng đã trở thành một bộ phận của cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Khi dò đường bằng thiết bị định vị GPS, chúng ta dựa trên những tín hiệu thời gian phát từ vệ tinh với các đồng hồ được chế tạo chính xác, bởi vì lực hấp dẫn ở cao vài trăm kilomet trên bầu trời có phần yếu hơn. Với một đồng hồ quang học, ta có thể đo sự chênh lệch sự trôi qua của thời gian khi tốc độ của các đồng hồ biến thiên chưa tới 10 m/s, hay khi lực hấp dẫn bị biến đổi do hệ quả của sự chênh lệch độ cao của chỉ 30 cm.

Nguồn: thuvienvatly.com

Giải Nobel Vật lí 2012 cho sự điều khiển thế giới lượng tử

Giải Nobel Vật lí 2012 cho sự điều khiển thế giới lượng tử

Giải Nobel Vật lí năm nay đã thuộc về

Serge Haroche (Pháp) và David J. Wineland (Mĩ)

"cho những phương pháp thực nghiệm mang tính đột phá cho phép đo và xử lí từng hệ lượng tử một"

Serge Haroche, công dân Pháp. Sinh năm 1944 ở Casablanca, Morocco. Lấy bằng tiến sĩ vào năm 1971 từ trường Đại học Pierre & Marie Curie, Paris, Pháp. Giáo sư tại trường Collège de France và Ecole Normale Supérieure, Paris, Pháp.

David J. Wineland, công dân Mĩ. Sinh năm 1944 ở Milwaukee, Wisconsin, Mĩ. Lấy bằng tiến sĩ vào năm 1970 từ trường Đại học Harvard, Cambridge, Massachusetts, Mĩ. Trưởng nhóm nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Mĩ (NIST) và Đại học Colorado Boulder, Colorado, Mĩ.

Nguồn: thuvienvatly.com

Nghệ thuật và khoa học dự đoán giải Nobel

Nghệ thuật và khoa học dự đoán giải Nobel

Việc dự đoán giải Nobel chẳng khác mấy với dự báo thị trường chứng khoán. Chuyên gia cũng chẳng hơn gì 'tay ngang'.

Nếu bạn nghe thấy các vị giáo sư hay chuyên gia nào đó dự đoán rằng “hạt thần thánh” sẽ giànhgiải Nobel trong tuần tới, hoặc một nhà văn người Mĩ sắp giành giải Nobel văn chương, thì nhớ hãy thận trọng theo dõi cho đến phút cuối nhé.

“Ứng cử viên ưu tiên số một của tôi chưa từng thắng giải, và đây là năm thứ tư tôi nuôi hi vọng,” nhà nghiên cứu hòa bình người Na Uy, Kristian Harpviken thừa nhận. Ông là một trong những tiếng nói sáng giá nhất trong cuộc chơi dự đoán hằng năm với Giải Nobel Hòa bình. Những ứng viên ông chọn trong những năm qua là học giả người Mĩ Gene Sharp, nhà hoạt động quyền phụ nữ Afghanistan Sima Samar và blogger người Tunisi Lina Ben Mhenni.

Hòa bình và giải thưởng hòa bình thường gây nhiều bàn tán, nhưng việc dự đoán giải Nobel hòa bình không khó như dự đoán giải thưởng hóa học, vật lí học, y học và kinh tế học.

Nhà hóa học và nhà công nghiệp người Thụy Điển Alfred Nobel (1833-1896) là người sáng lập Giải Nobel.

• Những điều có thể bạn chưa biết về giải Nobel Vật lí

Sẽ dễ dàng dự đoán giải thưởng hơn nếu Ủy ban Xét giải Nobel bám theo di chúc của nhà công nghiệp người Thụy Điển sáng lập giải, ông muốn những giải thưởng hằng năm phản ánh những thành tựu to lớn “trong những năm trước đó”. Nhưng quy chế Nobel đã bị sửa lại để các ủy ban có thể trao giải cho những khám phá đã thực hiện trước đó một thập niên, để đảm bảo rằng khám phá đó đã đứng vững trước sự kiểm nghiệm của thời gian.

“Tôi nghĩ ông Nobel cũng sẽ OK thôi,” Per Carlson, cựu chủ tịch ủy ban xét giải vật lí phát biểu. Theo Carlson, nếu xét trao giải quá sớm có thể dẫn tới trao nhầm. Tình trạng đó xảy ra vào năm 1974, khi giải Nobel vật lí được trao cho các nhà thiên văn vô tuyến người Anh Martin Ryle và Antony Hewish. Ông Hewish nhận giải cho sự khám phá ra pulsar, nhưng sau này người ta mới rõ đúng ra giải thưởng nên trao cho các học trò của ông, vì họ mới là người thật sự khám phá ra pulsar (các sao neutron đang quay tròn).

Nhưng việc hoãn thời gian trao giải có thể đánh mất cơ hội cho đột phá khoa học được bàn tán nhiều nhất trong năm nay: sự nhận dạng boson Higgs, một hạt dưới nguyên tử thường gọi đùa là “hạt thần thánh”. Nhà khoa học người Anh Peter Higgs đã dự đoán sự tồn tại của hạt này từ hồi thập niên 1960 nhưng mãi đến tháng 7 năm nay các nhà khoa học tại CERN mới công bố xác nhận đã nhận ra một hạt rất có khả năng là boson Higgs.

Peter Higgs có được đề cử không thì chẳng rõ, vì hạn chót đề cử là hồi tháng 2 và thông tin nội bộ của giải Nobel chỉ được công bố vào 50 năm sau.

Cá cược giải Nobel Văn chương còn khó thắng hơn nhiều. Ladbrokes cược 3 ăn 1 cho nhà văn người Nhật Bản Haruki Murakami và 10 ăn 1 cho ca sĩ-nhạc sĩ người Mĩ Bob Dylan (một người ngoài cuộc vì giải văn chương chưa từng xét trao cho nhạc sĩ nào). Người Mĩ nhận giải Nobel văn chương gần đây nhất là Toni Morrison hồi năm 1993.

Hãng tin Thomson Reuters còn tiến hành phân tích hàng nghìn trích dẫn và bài báo để tìm manh mối cho những người thắng giải khoa học và kinh tế học. Trong số 158 nhà khoa học do hãng này dự đoán kể từ năm 2002, 26 người đã thắng giải, nhưng chỉ có 9 người thắng giải trong đúng năm mà Reuters dự đoán.

Giải Nobel Kinh tế học do Ngân hàng Trung ương Thụy Điển sáng lập kể từ năm 1968 là giải thưởng khó dự đoán nhất. Không giống như những nhà khoa học giành giải Nobel cho những thứ như tia X hay virus AIDS, những người thắng giải kinh tế học thường được trao giải cho những lí thuyết trừu tượng về diễn biến của thị trường.

Giáo sư kinh tế quốc tế Hubert Fromlet, tại trường Đại học Linnaeus ở Thụy Điển, mỗi năm đều nêu ra danh sách “hẹp” gồm 10 nhà kinh tế ông cho là có khả năng giành giải nhất. Ngoài ra, ông còn nêu một danh sách “tương đối hẹp” gồm 20 tên tuổi và một danh sách “rộng” gồm 40 người.

Nhưng với 40 tên tuổi thì phải chăng có dự đoán cũng như không? “Tất nhiên, chỉ cần có một người trong Top 40 của tôi giành giải là tôi cảm thấy mãn nguyện rồi,” Fromlet nói.

Nguồn: thuvienvatly.com