Chân không có ma sát Một quả cầu quay tròn trong một chân không sẽ không bao giờ dừng lại, vì không có ngoại lực nào tác dụng lên nó. Ít nhất thì đó là cái Newton từng phát biểu. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu như chân không tự tạo ra một loại ma sát có tác dụng hãm phanh đối với những vật thể đang quay? Hiệu ứng này, có thể sẽ sớm phát hiện ra thôi, có thể tác dụng lên các hạt bụi giữa các sao. Chân không có ma sát Một quả cầu quaytròn trong một chânkhông sẽ không bao giờ dừng lại, vì khôngcóngoại lực nàotác dụng lên nó. Ít nhấtthì đó là cái Newton từngphátbiểu. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu như chânkhông tự tạo ra một loại ma sát có tácdụng hãm phanh đối với những vật thể đangquay? Hiệu ứng này,có thể sẽ sớm phát hiện rathôi, có thể tác dụng lêncác hạt bụi giữacác sao. Trongcơ học lượng tử, nguyên lí bất định phát biểurằng chúng ta không bao giờ có thể chắc chắn rằng một chân không biểukiếnlà hoàntoàn trống rỗng.Thay vào đó, không gian đangngập tràn cácphoton thoắt ẩn thoắt hiện trước khichúng có thể được đo mộtcáchtrực tiếp. Mặcdù chúng chỉ xuấthiện trong tíctắc,nhưng những photon “ảo”này tác dụnglực điện từ lên cácvật mà chúnggặp giống như các photon thôngthườngvậy. Đừng ép tôi dừnglại nào! (Ảnh: EllinorHall/Johner/Corbis) Alejandro Manjavacasvà F. Javier García de Abajothuộc Viện Quanghọc tại Ủy ban Nghiêncứu Quốc gia Tây Ban Nhaở Madridcho biết nhữnglực này sẽ làm các vật quay chậm dần đi. Y hệt như một va chạm trực diện gâyra hậu quả nghiêm trọng hơnmột cú vaquẹt giữa haixe hơi chạy nối đuôi nhau,một photon ảo đậplên một vật theohướng ngược với chiềuquay của nó sẽ tác dụng lựclớn hơnsovới khi nó đập vàocùngchiều. Theo thời gian, mộtvật đang quaysẽ từ từ chậm dần, dù là số lượng photonảo bắn phá nó từ mọi phía là như nhau. Nănglượng quay mànó mất khi đó được phátra dướidạng các photon thật, có thê phát hiện ra được (PhysicalReview A,DOI: 10.1103/PhysRevA.82.063827). Độ lớn của hiệu ứng phụ thuộc vàothành phần và kích cỡ của vật. Các vậtcó các tính chất điện tử ngăn chúng hấp thụ sóngđiện từ,như vàng chẳnghạn,có thể bị giảm tốc chútít, hoặc không bị giảmtốc. Nhưng những hạt nhỏ, tỉ trọng thấp, có xunglượng quay nhỏ hơn, thì chậmđi đáng kể. Tốc độ giảm tốc cũngphụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậtcàng nóng thì các photonảo thoắt ẩnthoắt hiện càng nhanh,sinh ra masát. Ở nhiệt độ phòng,một hạt graphite rộng 100nanomét (graphitelà chất có mặt dồi dài trong bụi giữa các sao), sẽ mất khoảng 10năm để chậm đi chừngmột phần batốc độ banđầu của nó. Ở 700oC, nhiệt độ trung bình đốivới những khuvực nóng trong vũ trụ,sự giảmtốc ngang ngửa như vậy chỉ mất có 90 ngày. Trongsự lạnh lẽo của không giangiữa cácsao thì mất chừng 2,7 triệu năm. Liệu hiệu ứng nàycó thể kiểm tra trong phòng thí nghiệmkhông? Manjavacas cho biết thí nghiệm sẽ đòi hỏi mộtchân khôngcực cao vàcác laser chính xác cao để bẫy các hạt nano, các điều kiện “khắt khe những có thể đạttới trong tương lai trướcmắt”. John Pendrythuộc trường ImperialCollege ở Londonkêu gọi mọi người phân tích “phần tinhtúy của công trình” vàcho biết nócó thể cungcấp những kiến thức về việc thôngtin lượng tử có từng bị phá hủy haykhông, chẳng hạn, khi nó rơi vào trong một lỗ đen.Ông chobiết các photon thậtphát ratrong quá trìnhgiảm tốc sẽ chứa thôngtin về trạng thái lượng tử của hạt đang quay tròn, giốnghệt như các photonthoát ra từ lỗ đen dướidạngbức xạ Hawking được cho là có mangthông tin mã hóa về các lỗ đen. “Đây làmột trongvài ba quá trình sơ cấp biến đổicái có vẻ là năng lượng cơ cổ điển thuần túy thànhmột trạng thái lượng tử tương quancao”, Pendrynói. Hiệu ứng Doppler nghịch Sự lệch Doppler của âm thanh hoặc sóng ánh sáng phát ra từ một nguồn đang chuyển động đã trở nên quen thuộc đối với các nhà vật lí cũng như những người khác. Nay các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc và Australia vừa nhìn thấy một sự lệch Doppler nghịch, kì lạ hơn, ở ánh sáng đi qua một chất liệu chế tạo từ những thanh silicon nhỏ xíu. Họ cho biết kết quả trên có thể làm tăng thêm công dụng của hiệu ứng Doppler trong mọi loại ứng dụng, từ thiên văn học cho đến y khoa. Tronghiệu ứngDopplerthông thường,tần số của sóng phát ra,hay phản xạ khỏi,một vật đang chuyểnđộng tănglên khi vật đang chuyển độngvề phíangười quan sát và giảmđi khi vật đang chuyển động raxa. Đây là vì trường hợp thứ nhất sóng trở nên bị nénkhi chúng truyền về phía người quansát – và trong trường hợp sauthì sóng bị giãn ra. Năm 1968,nhà vật lí Xô Viết Victor Veselago đã dự đoán rằng sóng điện từ truyền qua những chất liệu có hằngsố điện môiâm và độ từ thẩm âm sẽ xảy ra hiệntượng ngược lại. Tần số sẽ giảm đốivới nguồn đangchuyển độngvề phía ngườiquan sát và tănglên khi nguồnchuyển độngra xa. Đây là vì độ lớncủa hiệu ứngDoppler tỉ lệ vớichiết suấtcủa môi trườngmà sóng truyền qua. Trong khi chiết suất của khôngkhí vànhững môi trườngtự nhiên khác đều lớn (hoặc bằng)một, thì chiết suất củacác chất liệu nhân tạovà Veselagoxét đến có giá trị âm. Hiệu ứngDopplernghịchđã được hainhà vật lí ở Anh quan sát thấy ở tần số vô tuyến vào năm 2003.Công việc này liên quanđến việc điều chỉnhtính chất phân tán của một đường dây truyền điện, sau đó cho phảnxạ một xungvô tuyến khỏi một xungđiện đang chuyển độngbên trong dây và đo sự lệch tần số của sóng. Hiệu ứng Doppler quang nghịch đầu tiên Một đội khoa học hợptác, đứng đầulà Songlin Zhuang ở trường Đại họcKhoa học và Côngnghệ Thượng Hải, và MinGuở trường Đại học Công nghệ Swinburne, Australia, đã nhìn thấy hiệu ứngtrên ở tần số quang học. Các nhà nghiên cứu đã chiếumột chùm laserhồng ngoại quamột mạnglưới gồm các thanh siliconđường kính 2 µmgắn với mộtcái đế đangchuyển độngvà ghi lại sự lệch tần số của ánh sáng rời khỏi mạng.Là một tinh thể lượng tử,mạng lưới trêncó dải khe năng lượng đặc trưng ngăn cấm sự đi qua của một ngưỡng hẹp bước sóng, và cácnhà nghiêncứuchobiết bằng cách điều chỉnhcông suất phátcủa laser của họ saocho bướcsóng của nó phù hợp với rìacủa dải khe năng lượngthì họ có thể cho khúcxạ âm tính ánh sáng laser trên. Cái khólà chứng minhrằng ánh sángbị lệchDoppler nghịch khinó đi quatinh thể lượng tử trên. Không thể định vị trí nguồn và máythu bên trong tinh thể,cho nên các nhà nghiên cứuphải tìm một phương pháp loại trừ sự lệch Dopplerbình thường mà ánh sáng tuân theo khinó truyền qua không khí bên ngoàimạng. Để làm việc này, họ sử dụng phép đo giao thoa.Họ táchchùm tia từ laserphát ra thành haithành phần và điều chỉnhquangtrình của chùm tia không đi qua tinhthể lượng tử sao chonó chịu sự lệch Doppler thông thường giốngnhư chùm tia đi qua tinh thể. Tần số phách thu được từ sự giaothoa của haichùm tiacho biết sự lệch tần số chỉ là dohiệu ứng Dopplernghịch. Theo Gu,thủ thuậtlà sắp xếp các thanh silicon sao cho đảm bảo chùm tia laser đi theo lộ trình đơn giản nhất qua tinhthể lượng tử đó. Tuynhiên, cho biết, việc tính ra độ lệch Doppler nghịchnhư mongmuốn là rất khó và do đó khôngthể so sánhlí thuyết với thí nghiệm được. Độinghiên cứu cũng đã thực hiện thínghiệm trên, sử dụngmột lăng kính thủy tinh bình thường thay chotinh thể lượng tử,và đã nhìn thấysự lệch Dopplerthường như trông đợi. Những ứng dụng thực tiễn Gu chobiết kết quả của nhóm ông có tầm quantrọng về mặt khoahọc, một phần vì vai tròcơ bảncủa hiệu ứngDoppler trongvật lí học và một phầnvì nó cung cấp thêmbằng chứng thựcnghiệm cho hiện tượngkhúc xạ âm mà người ta vẫn còn đang tranhluận. Ngoài ra, nghiên cứu mới này còn có những ứng dụng thực tiễn. Thí dụ, ông nói, nó có thể đưa đến nhữngphân tích cải tiến của vòng tuần hoàn máu, với việc sử dụng hiệu ứngDoppler thuận lẫn hiệuứngDopplernghịch có khả năng chiađôi số phép đo phải thực hiện khi đo tốc độ của nhữngdòng máu phức tạp. VladimirShalaev tại trường Đại học Purdue ở Mĩ mô tả nghiên cứu trên là “mộtđột phá quantrọng” chothấy “một hiện tượng cơ bản có thể tự biểu hiện như thế nào theo một kiểu khác thường”.Ông cho biết thí nghiệm trên “hơi khéo léo và thách thức về mặt kĩ thuật”, nó đòihỏi phải đo độ lệch nhỏ xíucủa tần số (khoảng chừng 10Hz, sovới tần số trung tâm chừng 1013Hz). Và nhìndưới góc độ ứngdụng thực tiễn, ông tin rằng nghiên cứu trên có thể áp dụng chobất kì kĩ thuật nào hiện nay khai thác hiệu ứng Doppler thông thường,thí dụ như sự làm lạnh Doppler của các chất khí nguyêntử. Biểu đồ thể hiện hiệu ứng Dopplernghịch. Ánhsáng phát ra từ một nguồnđang chuyển động từ phải sang trái (vòng tròn màu đỏ và vàng)bị lệch xuống phía tần số thấp hơn (sóngmàu đỏ) vàđược đo bởi một máy thu đứng yên theo hướng chuyển động (đĩa ở bên trái). Tuy nhiên, áp dụngchuyển độngtheo hướng ngược lại (sang phải) bị lệch sang tần số cao hơn (sóngmàu xanh).Đây chính xác là cái ngược lại của hiệu ứng Dopplerthông thường. . Chân không có ma sát Một quả cầu quay tròn trong một chân không sẽ không bao giờ dừng lại, vì không có ngoại lực nào tác dụng lên nó. Ít nhất thì. chân không tự tạo ra một loại ma sát có tác dụng hãm phanh đối với những vật thể đang quay? Hiệu ứng này, có thể sẽ sớm phát hiện ra thôi, có thể tác dụng lên các hạt bụi giữa các sao. Chân không. thể tác dụng lên các hạt bụi giữa các sao. Chân không có ma sát Một quả cầu quaytròn trong một chânkhông sẽ không bao giờ dừng lại, vì khôngcóngoại lực nàotác dụng lên nó. Ít nhấtthì đó là cái