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

Thêm một ngôi sao đang quay xung quanh lỗ đen siêu khối tại tâm Dải Ngân hà

Thêm một ngôi sao đang quay xung quanh lỗ đen siêu khối tại tâm Dải Ngân hà

Các nhà thiên văn sử dụng kính thiên văn Keck vừa tìm thấy một ngôi sao mới quay rất gần một lỗ đen siêu khối được cho là nằm tại tâm của Dải Ngân hà. Đây là ngôi sao thứ hai mà các nhà nghiên cứu quan sát thấy đã hoàn tất một vòng quỹ đạo – và sự khám phá ra nó xác nhận sự có mặt của lỗ đen mà không nghi ngờ gì nữa. Những quan sát trong tương lai của cả hai ngôi sao đang quay đó có thể cung cấp một phép kiểm tra độc đáo của thuyết tương đối rộng.

Kính thiên văn Keck ngự trên đỉnh Mauna Kea ở Hawaii đã được đưa vào sử dụng kể từ giữa thập niên 1990 để khảo sát có hệ thống khu vực xung quanh tâm của Dải Ngân hà. Trong khi triển khai, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một số ngôi sao dường như đang quay xung quanh một vật thể trung tâm đặt tên là Sgr A* (Sagittarius A Star"). Từ những phép đo đặc trưng quỹ đạo của những ngôi sao đó, người ta tính được rằng Sgr A* phải có khối lượng gấp chừng bốn triệu lần khối lượng của Mặt trời. Vật thể thiên văn duy nhất được biết có thể đồ sộ như thế, nhưng tồn tại trong một không gian nhỏ như thế, là một lỗ đen.

Tuy nhiên, chỉ có quỹ đạo của một ngôi sao – S0-2 – có số liệu bao quát toàn bộ hành trình 16,5 năm của nó xung quanh tâm quay. Số liệu về những ngôi sao còn lại chiếm chưa tới 40% quỹ đạo của chúng. Để mô tả đặc trưng một quỹ đạo, các nhà thiên văn tin rằng cần phải quan sát 50% quỹ đạo của ngôi sao. Với chỉ mới có S0-2 vượt qua ngưỡng này, một số người hoài nghi cho rằng chẳng biết có tồn tại cái lỗ đen trung tâm đó hay không.

Hình này thể hiện giây cung trung tâm của thiên hà chúng ta, nơi người ta tin là có chứa một lỗ đen siêu khối. Các elip màu đỏ và màu vàng tương ứng là quỹ đạo của S0-2 và S0-102. Các elip mờ vào phông nền tương ứng với những ngôi sao khác được cho là quay gần lỗ đen. (Ảnh: Andrea Ghez)

Dụng cụ quang thích nghi tốt hơn

Các nhà thiên văn thuộc nhóm của Andrea Ghez tại trường Đại học California, Los Angeles, vừa công bố phát hiện ra một ngôi sao mới đặt tên là S0-102. “Chu kì quỹ đạo của ngôi sao này chỉ có 11,5 năm – ngắn nhất trong số bất kì ngôi sao nào được biết đang quay xung quanh lỗ đen trên,” Ghez nói. “Các cải tiến dụng cụ quang thích nghi đã cho phép chúng tôi tìm thấy những ngôi sao mờ hơn và đo chúng chính xác hơn,” bà nói. Với cơ sở quang học thích nghi, cái gương của kính thiên văn không phải là một mặt trơn nữa, mà nó là một mặt ngói ghép từ những cái gương nhỏ hơn. Một laser dẫn hướng được chiếu lên bầu trời phía trên kính thiên văn và sự biến dạng của chùm laser do nhiễu loạn khí quyển được đo lại. Hình dạng của cái gương khi đó có thể sửa lại bằng cách di chuyển từng gương nhỏ để bù cho sự méo mó do khí quyển.

Kĩ thuật này cũng sẽ cho phép các quan sát tương lai của S0-102 tại điểm xa lỗ đen nhất (apoapsis) của nó. “Kĩ thuật này sẽ giam sai số của chúng tôi ở các tham số như khối lượng của lỗ đen,” Ghez nói. Việc có một ngôi sao thứ hai để quan sát cũng sẽ cho phép các nhà thiên văn cải thiện kiến thức của họ về quỹ đạo của S0-2. Đặc biệt, nó sẽ giúp mang lại một phép đo chính xác hơn của điểm gần lỗ đen nhất (periapsis) của S0-2 vào năm 2018. Lúc ở gần lỗ đen nhất, ngôi sao chịu một lực hấp dẫn mạnh hơn, gây ra một sự lệch đỏ bổ sung ở ánh sáng của nó. Lượng lệch đỏ chính xác đó được tiên đoán bởi thuyết tương đối rộng Einstein. Thí nghiệm có thể được lặp lại khi S0-102 đi tới điểm gần lỗ đen nhất của nó vào năm 2021.

Thuyết tương đối rộng cũng dự đoán sự tiến động của điểm gần lỗ đen nhất của một ngôi sao. “Thực tế không gian bị uốn cong bởi trường hấp dẫn của lỗ đen có nghĩa là các quỹ đạo đi quá một chút mỗi lần. Điểm gần lỗ đen nhất di chuyển theo hướng ngôi sao đang quay,” Ghez giải thích. Trường hợp này tương tự với sự tiến động của quỹ đạo Thủy tinh trong hệ mặt trời của chúng ta – một câu đố, khi được Einstein giải thích vào năm 1915, đã mang lại sự xác nhận ban đầu của những quan điểm của ông.

Tham số chưa biết

Tuy nhiên, phép kiểm tra đặc biệt này của thuyết tương đối không thể thực hiện với một ngôi sao đơn lẻ. “Tình huống không đơn giản như hai ngôi sao quay xung quanh một lỗ đen,” Ghez nói. “Có khả năng còn có những vật thể khác đang quay xung quanh nữa, ví dụ như những lỗ đen khối lượng sao và sao neutron.” Điều này có nghĩa là các ngôi sao đang quay đó không thấy một sự phân bố khối lượng đối xứng khi chúng đi qua khu vực đông đúc này. Nếu thuyết tương đối được đưa vào kiểm tra, thì nó phải được xem là một tham số chưa biết. Nếu sự phân bố khối lượng là cũng chưa biết, thì bạn cần có hai ngôi sao để giải các phương trình. “Với những tiến bộ trong tương lai về quang học thích nghi, và thế hệ kính thiên văn tiếp theo, chúng ta sẽ có thể thấy thuyết tương đối Einstein có trụ vững trong môi trường hấp dẫn cực độ này hay không,” Ghez nói.

Nils Anderson, trưởng Nhóm Thuyết tương đối Rộng tại trường Đại học Southampton, Anh quốc, hoan ngênh kết quả nghiên cứu trên, nhưng ông tin rằng còn có những phép kiểm tra mạnh hơn nữa của thuyết tương đối rộng. “Tôi nghĩ phép kiểm tra tốt nhất ngoài hệ mặt trời vẫn là hai pulsar đang quay xung quanh nhau. Loại hệ như thế đặt ràng buộc nhiều hơn với lí thuyết của Einstein,” ông nói.

Nguồn: thuvienvatly.com