Ban tin vat ly thang 11 nam 2007

Các nhà nghiên cứu đã lập mô hình nhiều tần số đa dạng sẽ được tạo ra trong các va chạm electron-photon như một “định luật hàm mũ”, và nhận thấy bằng việc điều chỉnh kích thước số mũ v[r]

BẢN TIN VẬT LÍ THÁNG 11/2007

hiepkhachquay thực hiện

Tài liệu download tại http://www.thuvienvatly.com

An Minh, tháng 11/2007

Kính hiển vi quét đường hầm hoạt động nhanh hơn

Kính hiển vi quét đường hầm thông thường (STM) có khả năng thu thập hình nhanh hơn gấp 100 lần so với từ trước đến nay nhờ một cải tiến đơn giản những khéo léo của các nhà vật lí ở Mĩ Đội nghiên cứu thêm một mạch điện tần số vô tuyến được thiết kế đặc biệt vào STM hiện có, cho phép nó hoạt động ở 10 MHz Kính hiển vi RF-STM như thế có thể giúp các nhà nghiên cứu thu được sự hiểu biết tốt hơn về cách thức chuyển động của các nguyên tử và electron bên trong chất rắn (Nature 450 85)

STM đã có mặt 25 năm và được sử dụng đều đặn để thu nhận hình ảnh ở cấp

độ nguyên tử STM hoạt động bằng cách đo dòng điện tạo ra bởi các electron khi chúng chui hầm từ một vật dẫn sang đầu mũi khảo sát sắc nhọn của kính hiển vi Tuy nhiên, một trở ngại lớn của STM là chúng bị hạn chế độ phân giải thời gian của mình, hay dải thông, đến tần số khoảng 10 kHz vì điện dung tản lạc ở mạch điện đọc dòng điện chui hầm Những thành phần “kí sinh” này xuất hiện khi ta khuếch đại tín hiệu dòng điện nhỏ xíu để chúng có thể đọc được, làm giảm dải thông bởi sự hình thành ngắn mạch ở tần số cao

Kamil Ekinci và các đồng sự tại trường đại học Boston và đại học Cornell vừa thành công trong việc tăng dải thông này lên 10 MHz – một sự cải tiến gấp 100 lần Các nhà nghiên cứu thực hiện việc này bằng cách kết hợp một mạch cộng hưởng cảm-dung vào STM về cơ bản đã vô hiệu hóa các thành phần kí sinh cho phép thay đổi dòng điện chui hầm đến giá trị đo được trong khoảng thời gian ngắn hơn nhiều so với trước đây

Ảnh chụp qua RF-STM của một bậc kích thước nguyên tử trên mặt graphite nhiệt phân định hướng cao: Diện tích quét là 205 nm × 205 nm, và ảnh thu được trong chừng 2 s, với điện trở chui hầm 4

M Ω Dải thông sử dụng trong phép đo này là chừng 2 MHz

“Thuận lợi chủ yếu là chúng tôi bây giờ có thể truy xuất các ‘thành phần tín hiệu cao tần’ của dòng điện chui hầm”, Ekinci nói với physicsworld.com “Điều này

có nghĩa là nếu dòng điện biến thiên ở mức thời gian nhanh chóng thì chúng ta có thể phát hiện ra nó Dải thông lớn về cơ bản cho phép chúng ta nhìn thấy những tín hiệu nhanh hơn này”

Kĩ thuật mới cho phép hai loại ứng dụng mới lạ: các phép đo nhiệt độ nhanh

và chuyển động/vị trí ở cấp độ nanomét “Các nhà nghiên cứu có lẽ muốn thay đổi cấu hình STM hiện có của họ bằng kĩ thuật của chúng tôi, một kĩ thuật có phần khá

dễ thực hiện”, Ekinci đề nghị “Công cụ có thể hữu ích cho những người nghiên cứu các chất kì lạ như chất siêu dẫn chẳng hạn, và chúng có thể thực hiện một số phép

đo mới không thể tiến hành được trước đây Kĩ thuật cũng có thể có ích vào một lúc nào đó cho nghiên cứu về dòng spin electron và có khả năng cho phép các phép đo

vị trí bị hạn chế lượng tử Danh sách sẽ còn kéo dài thêm”

Đội Ekinci hiện đang chế tạo thế hệ RF-STM tiếp theo trong đó họ có thể điều khiển tốt hơn các điều kiện nhiệt độ và chân trong bên trong kính hiển vi “Một khi điều này được thực hiện, nó sẽ là một công cụ mạnh mẽ mà chúng ta có thể sử dụng trong các thí nghiệm”, ông nói thêm

Belle Dumé (physicsworld.com, 31/10/2007)

Chất chiết suất âm làm ngắt/mở ánh sáng

Một trở ngại của cái gọi là siêu chất liệu chiết suất âm (NIM) là chúng có xu hướng hấp thụ nhiều ánh sáng hồng ngoại đi qua chúng Một đội nghiên cứu người

Mĩ vừa làm chuyển sự thiếu sót đó thành lợi thế của chúng, sử dụng nó để thiết kế một loại công tắc quang mới – hay bộ điều biến – hứa hẹn nhanh hơn và chắc chắn hơn những dụng cụ hiện có (App Phys Lett 91 173175)

Các nhà nghiên cứu, đến từ Phòng thí nghiệm Hewlett-Packard ở Palo Alto,

và trường đại học California, Berkeley, khẳng định đây là lần đầu tiên sự điều biến quang học được nhìn thấy trong một NIM ở bước sóng hồng ngoại gần

Đội nghiên cứu đặt bộ điều biến của họ lên một NIM “lưới đánh cá”, vì cấu trúc này được biết là có cả hằng số điện môi âm và độ từ thẩm âm đối với ánh sáng hồng ngoại ở một bước sóng nhất định Đồng thời là nguyên nhân gây ra sự khúc xạ

âm của ánh sáng, “bộ cộng hưởng kép” này cũng ảnh hưởng tới lượng ánh sáng mà NIM truyền qua

Để chế tạo bộ điều biến của họ, đội nghiên cứu kẹp một lớp silicon 80 nm giữa hai lớp bạc 25 nm Các lớp bạc được khoét những lỗ trống hình chữ nhật đều đặn bằng kĩ thuật khắc vết nano và kĩ thuật khắc chùm electron hình thành nên một mảng vuông gồm các dây chéo nhau Các dây cách nhau 320 nm ở cả hai phía, chiều rộng dây là 220 nm ở một hướng và 110 nm ở hướng vuông góc

“Đây là những cấu trúc cộng hưởng cơ bản”, Shih-Yuan Wang, người đứng đầu nghiên cứu ở Hewlett-Packard nói Sự cộng hưởng từ liên quan tới cấu trúc kẹp nhiều lớp, còn sự cộng hưởng điện do các dây bắt chéo gây ra

Dụng cụ sau đó được nghiên cứu bằng cách chiếu hai chùm laser lên nó Một chùm là laser hồng ngoại bước sóng 1700 nm chiếu qua dụng cụ xem ánh sáng truyền qua nó là bao nhiêu Chùm thứ hai là laser khả kiến bước sóng 532 nm dùng

để điều khiển sự truyền của ánh sáng hồng ngoại

Laser khả kiến có thể điều khiển sự truyền hồng ngoại bằng việc tạo ra các cặp electron-lỗ trống trong lớp silicon, sự có mặt của chúng gây ra một sự lệch nhỏ

ở bước sóng mà sự cộng hưởng xảy ra Kết quả là sự tăng 50% lượng ánh sáng hồng ngoại truyền qua dụng cụ khi laser khả kiến mở

Độ thay đổi 50% là đủ để chế tạo ra bộ điều biến có thể sử dụng được, Wang nói, nhưng ông tin rằng một sự tương phản 90% là có thể có với sự cải tiến hơn nữa của cấu trúc đó Hơn nữa, khi lặp lại thí nghiệm sử dụng các xung laser rất ngắn, đội nghiên cứu nhận thấy chất liệu có thể bật tắt trong khoảng thời gian ngắn cỡ 58 ps – con số bị giới hạn bởi thời gian cần thiết cho electron và lỗ trống phản ứng với ánh sáng laser Điều này có nghĩa là bộ điều biến có thể bật và tắt rất nhanh, ở tốc độ vào chục gigahertz trong dụng cụ điện và Wang tin rằng 100 GHz là có thể với dụng cụ tối ưu hóa Tốc độ này nhanh hơn nhiều so với bất kì bộ điều biến thương mại nào có sẵn hiện nay

Bộ điều biến của họ hoạt động ở phần hồng ngoại gần của quang phổ, khiến

nó là một ứng cử viên tốt cho việc sử dụng trong các dụng cụ truyền thông quang học “Đối thủ gần gũi nhất là bộ điều biến hấp thụ điện”, Wang nói “Nhưng với bộ điều biến đó, bạn bị hạn chế với độ rộng khe bán dẫn mà bạn sử dụng Với cấu trúc của chúng tôi, chúng ta có thể thiết kế với bất kì bước sóng nào nếu như chúng ta thay đổi kích thước của mẫu bắt chéo”

Tuy nhiên, còn có nhiều việc phải làm Bộ điều biến được bơm quang học trong dạng thức hiện nay của nó; dụng cụ sử dụng được sẽ yêu cầu kích hoạt bằng điện

Pauline Rigby (physicsworld.com, 31/10/2007)

Đạn nảy khỏi ống nano

Robot cảnh sát có thể sớm ra khỏi vương quốc truyện khoa học viễn tưởng nhờ vào một chất liệu chống đạn mới do các kĩ sư ở Australia đề xuất Theo các mô phỏng máy tính do đội nghiên cứu thực hiện, đạn sẽ không xâm nhập được với áo lót chế tạo từ chất liệu đó, và sẽ nảy dễ dàng ra khỏi áo do độ đàn hồi cao của ống nano Các nhà nghiên cứu khẳng định rằng chất đó, từ trước đến nay vẫn chưa được chế tạo, sẽ là một cải tiến lớn cho quần áo chống đạn hiện có ngăn không cho đạn thâm nhập bằng cách làm phân tán lực của viên đạn – đôi khi vẫn gây ra sự tổn thương nghiêm trọng (Nanotechnology 18 475701)

Ống nano carbon bền, nhẹ, và nhờ độ đàn hồi cao của chúng có thể hấp thụ lượng rất lớn động năng Bằng cách lập mô phỏng hành vi va chạm của các chất liệu nano này, Kausala Mylvaganam và Liangchi Zhang thuộc trường đại học

Sydney vừa chỉ ra rằng ống nano có thể chống lại những viên đạn chuyển động nhanh bằng cách làm bật lại lực của chúng Mô phỏng cũng cho thấy ống nano ngăn được sự phá hủy bởi các va chạm đạn liên tục, đó là một tính chất quan trọng nếu như chúng được sử dụng trong áo giáp

Các vị kĩ sư Australia thu được kết quả của họ bằng cách mô phỏng hành vi của các ống nano carbon thành đơn cố định ở cả hai đầu va chạm với những “viên đạn nhỏ xíu” cấu thành từ kim cương Đạn có tốc độ từ 1000 đến 3500 m/s và bắn vuông góc với trục ống nano Các nhà nghiên cứu khảo sát mối quan hệ giữa bán kính của ống nano, vị trí nơi viên đạn va chạm, tốc độ của nó và năng lượng hấp thụ bởi ống nano

Mô phỏng động lực của ống nano carbon bị đưa vào va chạm đạn: (a) mô hình ban đầu, (b) ống

nano bị biến dạng ở mức hấp thụ năng lượng cực đại của nó

Mylvaganam và Zhang nhận thấy ống nano chống được tốc độ đạn lên tới trên 2000 m/s, ngay cả sau nhiều va chạm (Để so sánh, tốc độ của đạn súng trường

có thể đạt tới 1500 m/s và đa số đạn súng có nòng đạt dưới tốc độ 1000 m/s) Ở chính giữa của ống nano có vẻ là nơi đàn hồi mạnh nhất

Bộ đôi nghiên cứu nói rằng áo giáp chống đạn có thể chế tạo bằng “chỉ sợi” ống nano Ở đây, ống nano carbon sẽ được quay thành sợi, có thể sử dụng một kĩ thuật gọi là quay điện Các nhà nghiên cứu tính được một cái áo giáp chỉ dày 600 micron cấu thành từ 6 lớp chỉ 100 micron có thể làm bật trở ra viên đạn có động năng đến lên tới 300 Joule – đó là động năng tiêu biểu của đạn súng cầm tay

Những chiếc áo lót như thế sẽ tốt hơn quần áo chống đạn hiện nay thường chế tạo từ nhiều lớp sợi Kevlar, Twaron và Dyneema Mặc dù chúng ngăn không cho đạn thâm nhập, nhưng chúng thực hiện việc này bằng cách làm tiêu tan lực trên một diện tích lớn hơn viên đạn, nên có khả năng vẫn gây ra thương tổn gọi là chấn thương lực tù Những chấn thương này bao gồm từ những vết thâm tím dữ dội cho đến sự phá hủy cơ quan nghiêm trọng Mức độ dự trữ năng lượng đàn hồi cao của ống nano carbon có nghĩa là những chấn thương như thế có thể tránh được

Mặc dù nghiên cứu này mang tính lí thuyết, nhưng công trình nghiên cứu trước đây do nhiều nhóm trên khắp thế giới thực hiện cho thấy ống nano có thể thật

sự quay thành chỉ sợi Cho nên đó sẽ là bước kế tiếp cho những ai thật sự muốn chế tạo một nguyên mẫu áo lót như thế

Belle Dumé (physicsworld.com, 31/10/2007)

Bộ cảm biến từ mới có thể khảo sát não

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa phát triển một dụng cụ di động nhỏ xíu đủ nhạy để phát hiện từ trường từ những tín hiệu điện bên trong não Gồm một tế bào chứa đầy hơi nguyên tử rubidium, bộ cảm biến có thể phát hiện những biến thiên từ trường nhỏ cỡ 70 fT – khoảng một phần tỉ từ trường của Trái Đất (Nature Photonics 1 649)

Mặc dù 70 fT chưa phải là tốt như từ kế giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID), chúng có thể phát hiện những thay đổi nhỏ cỡ 3 fT, nhưng bộ cảm biến mới hoạt động ở nhiệt độ phòng Đây là thuận lợi hơn so với SQUID, chúng phải được làm lạnh tới gần không độ tuyệt đối mới đạt tới độ nhạy như thế, khiến cho chúng khó sử dụng và đắt tiền

Nguyên mẫu bộ cảm biến mới chế tạo bởi John Kitching và các đồng sự tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia (NIST) ở Boulder, Colorado, Mĩ Nó gồm một tế bào 6 mm3 chứa đầy khí kim loại kiềm, ví dụ như khí nguyên tử rubidium, đối tượng rất nhạy với những thay đổi từ trường nhỏ

Khi gửi ánh sáng laser phân cực tròn vào trong tế bào, hầu như toàn bộ ánh sáng được truyền qua nếu như spin của các nguyên tử rubidium đều định hướng như nhau Nhưng nếu đặt một vật ở gần tế bào, thì từ trường của nó sẽ làm cho các spin không còn thẳng hàng với nhau – và các nguyên tử hấp thụ một phần ánh sáng laser Lượng ánh sáng bị hấp thụ phụ thuộc vào độ mạnh của từ trường

Tuy nhiên, để là một hệ di động thật sự, tế bào phải được đóng gói với quang học thu nhỏ và một máy dò ánh sáng Nhưng vì nó không yêu cầu thiết bị làm lạnh giống như từ kế SQUID, nên có có thể hoạt động bằng pin và có thể dùng trong những lĩnh vực điều khiển từ xa, ví dụ như trong sân bay, để phát hiện từ trường sinh ra từ những vật kim loại ví dụ như bom

Những ứng dụng tức thời hơn có thể bao gồm việc lập biểu đồ không xâm lấn của những tín hiệu điện phát ra từ não và cả từ tim của trẻ chưa sinh Thật vậy, nhóm nghiên cứu ở NIST đã sử dụng nguyên mẫu thiết bị phát hiện được tín hiệu từ phát ra từ tim của chuột và họ hi vọng nâng độ nhạy lên 10 T để có thể dùng nó lập biểu đồ chức năng não

Michael Banks (physicsword.com, 01/11/2007)

Các nguyên tử nặng làm giảm ma sát ở cấp độ nano

Nếu bạn muốn làm giảm ma sát giữa những vật nhỏ xíu, bạn chỉ cần tăng khối lượng nguyên tử ở một mặt, theo lời các nhà nghiên cứu ở Mĩ Các nguyên tử càng nặng dao động ở tần số càng thấp so với những anh bạn nhẹ hơn của chúng, như đội nghiên cứu đã chỉ ra điều đó làm giảm sự mất mát năng lượng dạng nhiệt khi hai vật cọ xát lên nhau Kết quả có thể hữu ích cho việc thiết kế những chất liệu nano với những tính chất ma sát nhất định và có thể còn mang lại một sự hiểu biết

cơ bản hơn về ma sát – thứ ngày nay vẫn còn thiếu (Science 318 780)

Ma sát giữa hai vật đang trượt liên quan tới sự chuyển hóa động năng thành nhiệt, về cơ bản là sự dao động của các nguyên tử cấu thành nên chất liệu đó Robert Carpick thuộc trường đại học Pennsylvania và các đồng sự vừa thu được một cái nhìn mới về cách thức xảy ra sự chuyển hóa này bằng cách trượt đầu dò kính hiển vi lực nguyên tử (ATM) dọc theo bề mặt kim cương đơn tinh thể và silicon Họ đo được lực ma sát giữa đầu dò và bề mặt phủ một lớp nguyên tử hydrogen hoặc deuterium Deuterium có cùng tính chất hóa học như hydrogen nhưng nặng gấp đôi – cho phép đội nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng nguyên

tử lên sự ma sát mà không phải lo ngại về những hệ quả hóa học

Nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhà nghiên cứu đến từ trường đại học Wisconsin-Madison và đại học Houston, nhận thấy rằng khối lượng của các nguyên

tử ranh giới tại bề mặt càng lớn (trong trường hợp này là deuterium), thì sự mất mát năng lượng thông qua ma sát càng thấp “Khối lượng nguyên tử lớn hơn của deuterium mang lại tần số dao động tự nhiên của các nguyên tử thấp hơn”, Carpick giải thích “Những nguyên tử này va chạm ít thường xuyên hơn với đầu dò trượt trên nó và do đó năng lượng bị tiêu tan khỏi chỗ tiếp xúc ở tốc độ thấp hơn”

Buồng lắng hơi hóa học dây tóc nóng (CVD) dùng để đặt deuterium hoặc hydrogen lên bề mặt kim cương

Nghiên cứu trên mô phỏng do đội nghiên cứu tiến hành cho thấy tần số thấp hơn của deuterium làm giảm tốc độ mà động năng từ đầu dò ATM chuyển hóa thành các dao động Lớp nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò hiệu quả là một môi trường truyền năng lượng và hấp thụ động năng từ đầu dò Lượng năng lượng bị hấp thụ phụ thuộc vào tần số dao động tự nhiên của các nguyên tử bề mặt, với

nguyên tử càng nhẹ thì hấp thụ năng lượng càng nhanh hơn so với các nguyên tử nặng

Kết quả mang lại một sự hiểu biết cơ bản hơn về ma sát, thứ vẫn còn thiếu một mô hình toàn diện “Chúng ta biết làm thế nào một số tính chất – ví dụ như tính bám dính, tính gồ ghề, và độ cứng vật liệu – góp phần gây ra ma sát trên vài cấp độ chiều dài, nhưng nghiên cứu này hiện cho thấy hiện tượng cấp độ nguyên tử thật sự

có thể và thật sự đóng một vai trò có ý nghĩa”, theo lời thành viên đội nghiên cứu, Matthew Brukman, hiện làm việc tại đại học Pennsylvania

Belle Dumé (physicsworld.com, 01/11/2007)

Điều khiển từng spin bằng điện trường

Các nhà nghiên cứu ở Hà Lan cho biết người ta có thể điều khiển spin của một electron riêng lẻ bằng cách sử dụng điện trường chứ không phải từ trường, như trong những trường hợp thông thường Đột phá có thể mang lại những ứng dụng tiềm năng cho công nghệ spin và tính toán lượng tử (Science DOI: 10.1126/science.1148092)

Công nghệ spin là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển khai thác spin cũng như điện tích của electron Nó đã được sử dụng để làm tăng lượng dữ liệu có thể lưu trữ trên ổ đĩa cứng và có thể một ngày nào đó hình thành nên cơ sở của những chiếc máy tính lượng tử thực tế tiến hành tính toán bằng cách điều khiển spin của từng electron một

Một yếu tố then chốt của công nghệ spin là khả năng đảo spin của một electron từ trạng thái up sang trạng thái down Trong công trình mới, đội nghiên cứu đứng đầu là Lieven Vandersypen tại Viện Công nghệ Nano Kavli ở trường đại học Công nghệ Delft, đã cho lắng các cổng vàng kim loại lên trên chất nền gallium arsenide, tạo ra một vùng nhỏ chỉ có một electron có thể cư trú Sau đó các nhà nghiên cứu có thể sử dụng cái gọi là “chấm lượng tử” này điều chỉnh spin của electron theo kiểu điều khiển được

Mặc dù trước đây các nhà nghiên cứu đã có thể làm đảo spin của electron bị nhốt trong những chấm lượng tử này bằng cách áp đặt một từ trường, nhưng thật không dễ dàng gì làm phát sinh một từ trường cục bộ trên một con chip đủ mạnh để làm quay spin “Việc điều chỉnh một dãy spin riêng lẻ hầu như không thể thực hiện được”, Vandersypen nói

Trong thí nghiệm mới của họ, đội nghiên cứu sử dụng hai chấm lượng tử, mỗi chấm cách nhau 2 µm Nếu spin trong hai chấm đó song song nhau, thì cả hai electron đều không thể nhảy từ chấm này sang chấm kia vì nguyên lí loại trừ Pauli Tuy nhiên, việc đặt vào một từ trường làm cho một trong hai spin quay đi

Thật vậy, nếu từ trường đặt vào đủ lâu thì spin của electron đó có thể quay cho đến khi nó đối song với electron kia, khi đó nó có thể nhảy qua chấm bên kia và tạo ra dòng điện Cuối cùng, nếu từ trường đặt vào lâu hơn nữa, thì các spin trở lại song song với nhau Nghiên cứu sinh tiến sĩ của Vandersypen là Katja Nowack và Frank Koppens, những người tiến hành thí nghiệm, nhận thấy dòng điện biến thiên

dạng sin khi lập đồ thị thời gian mà từ trường đặt vào Gọi tên là dao động Rabi, kết quả này chứng tỏ họ có thể điều khiển sự quay của spin

Cơ chế điều khiển đối với điện trường là điều khiển spin của một electron nằm trong tương tác spin quỹ đạo Khi electron quay xung quanh hạt nhân, nó tạo ra một từ trường làm biến đổi moment từ riêng của nó sao cho, trong hệ quy chiếu nghỉ của electron, điện trường xuất hiện giống như từ trường Đội nghiên cứu tính được sự ghép đôi từ điện trường gallium arsenide với spin của một electron riêng lẻ bên trong chấm lượng tử đủ mạnh để có thể làm thay đổi hướng spin của nó khi đặt vào điện trường

Chỉ ra rằng người ta có thể điều khiển từng spin riêng lẻ trong các chấm lượng tử thông qua điện trường cục bộ hóa, các nhà nghiên cứu tại Delft hiện đang lên kế hoạch tạo ra một dãy chấm lượng tử trong đó trạng thái spin của từng electron có thể điều khiển được Họ có kế hoạch sử dụng những dãy này hình thành nên các spin ghép đôi điều khiển được, hiện tượng có thể đặt nền tảng cho việc tạo

ra các trạng thái rối giữa các electron

Michael Banks (physicsworld.com, 03/11/2007)

Các que nhỏ xíu tự lái

Nhiều sinh vật nhỏ xíu như vi khuẩn tự đẩy chúng về phía thức ăn hay ra khỏi chất độc bằng một quá trình gọi là hướng hóa chất Nay các nhà nghiên cứu ở

Mĩ vừa tạo ra những que kim loại nhỏ xíu là những thực thể phi sinh vật đầu tiên biểu hiện hành vi này bằng cách “bơi” về phía các vùng trong một dung dịch có mức độ tập trung cao hơn của một hóa chất nhất định Đội nghiên cứu tin rằng hiệu ứng đó có thể một ngày nào đó có ứng dụng bao gồm từ việc phát hiện hóa chất cho tới việc lắp ráp những cấu trúc nhỏ xíu (Phys Rev Lett 99 178103)

Hướng hóa chất là xu hướng của một số cơ thể sống chuyển động để phản ứng lại một gradient độ tập trung hóa chất, hoặc là hướng về chất thu hút hoặc là hướng ra khỏi chất đẩy Trong các hệ phi sinh vật, tính hướng hóa chất có thể hữu ích trong việc điều khiển chuyển động của các hạt nhỏ trong chất lỏng hay lắp ghép những tập hợp hạt thành cấu trúc nano – không cần áp dụng điện trường hay từ trường bên ngoài Tính hướng hóa chất phi sinh vật cũng có thể dùng để tìm kiếm

sự có mặt của những chất nhất định trong môi trường đối địch với cơ thể sống

Tuy nhiên, tính hướng hóa chất ở tế bào sinh vật là cực kì phức tạp và khiến cho rất khó bắt chước hiệu ứng đó trong các hệ phi sinh vật Ayusman Sen và các đồng sự tại trường đại học bang Pennsylvania vừa tiến tới một cách thực hiện điều này rất đơn giản Đội nghiên cứu tạo ra một số lượng lớn các que kim loại nhỏ xíu dài 2 µm Mỗi que là vàng theo một nửa chiều dài của nó, còn nửa kia là bạch kim Các que được đặt vào một đĩa chứa nước nguyên chất và một mảnh gel chứa hydrogen peroxide Hydrogen peroxide lọc dần dần từ chất gel qua nước, tạo ra một gradient mức độ tập trung trong khối nước xung quanh

Sau khoảng 110 giờ, đội nghiên cứu lưu ý thấy hơn 70% que đã tích góp sang chất gel Theo các nhà nghiên cứu, chuyển động này xảy ra vì hydrogen peroxide chịu các phản ứng hóa học khác nhau ở đầu vàng và đầu bạch kim của que Họ nói, hiện tượng này lái chất lỏng dọc theo que làm cho nó chuyển động Tốc độ của các hạt tăng theo sự tập trung cục bộ của hydrogen peroxide và cứ thứ trung bình các que bị “hút” về phía gel – một biểu hiện thấy rõ đơn giản của tính hướng hóa chất

Ảnh chụp lúc 110, 38 và 0,7 giờ trong thí nghiệm hướng hóa chất: Các que kim loại có thể nhìn thấy đang tập hợp về phía gel (thấm 30% hydrogen peroxide), chúng có mặt tại phần trên bên trái

Ramin Golestanian, một nhà vật lí tại trường đại học Sheffield, Anh, người

đã nghiên cứu về những hệ đẩy nano tương tự nói với physicsworld.com rằng đội nghiên cứu bang Penn đã nêu ra”một vấn đề cơ bản” mà những người đang thiết kế những động cơ bơi nhỏ xíu đối mặt – đó là làm để lái chúng Theo Golestanian, tính hướng hóa chất là lời giải của tự nhiên cho bài toán lái và nó thích hợp cho các nhà công nghệ nano học “đưa cảm xúc [của họ] khỏi cơ chế sinh vật học”

André Brown (physicsworld.com, 06/11/2007)

Va chạm vũ trụ được giải thích không cần vật chất tối

Cụm sao Bullet – một sự va chạm ngoạn mục giữa hai cụm thiên hà – thường được trích dẫn là bằng chứng tốt nhất ghi dấu ngày tháng cho sự tồn tại của vật chất tối Nhưng theo John Moffat tại trường đại học Waterloo và Joel Brownstein tại Viện Vật lí Lí thuyết Perimeter ở Ontario, Canada, thì bản chất của va chạm đó

có thể giải thích được chỉ bằng vật chất thông thường – nghĩa là, nếu bạn sẵn sàng chấp nhận lí thuyết hấp dẫn cải tiến, hay “MOG”

Nằm cách chúng ta hơn ba tỉ năm ánh sáng, cụm sao Bullet gồm một cụm con đang rẽ qua chính giữa của một cụm lớn hơn ở tốc độ sáu triệu dặm một giờ Trong sự va chạm như thế, các sao đi qua nhau ít có ảnh hưởng gì lên nhau đồng thời chất khí nóng ở giữa thì chậm dần

Để xem khối lượng được phân bố như thế nào trong cụm Bullet, các nhà khoa học xem xét cách nó xử sự như một “thấu kính hấp dẫn” khi nó bẻ cong đường

đi của ánh sáng truyền qua Năm 2006, các nhà thiên văn vật lí lưu ý rằng ánh sáng tia X phát ra từ những thiên hà rất xa truyền qua cụm Bullet tới Trái Đất bị bẻ cong nhiều hơn bởi những thiên hà nhỏ ở mặt bên chứ không phải chất khí nóng thống trị

ở vùng trung tâm, chúng đại diện cho đa số vật chất thông thường Điều này ám chỉ rằng có một thành phần khối lượng nữa không liên quan tới vật chất thông thường, đưa nhiều nhà vật lí tới chỗ hoan nghênh nó là bằng chứng mạnh mẽ cho vật chất tối Giả sử lí thuyết thông thường về hấp dẫn là đúng, thì vật chất tối được tiên đoán chiếm khoảng 95% toàn bộ khối lượng hấp dẫn trong vũ trụ

John Moffat và Joel Brownstein cho rằng sự phân bố khối lượng trong cụm Bullet có thể giải thích bằng cách sửa đổi thuyết tương đối rộng của Einstein, chứ không cần đưa thêm vật chất tối vào

Tuy nhiên, Moffat và Brownstein cho rằng MOG có thể mang lại một lời giải thích tự nhiên hơn bằng cách loại bỏ yêu cầu bao hàm vật chất tối bí ẩn Về cơ bản MOG đưa ra thêm các điều kiện vào thuyết hấp dẫn của Einstein – thuyết tương đối rộng – cho phép hằng số hấp dẫn G biến thiên theo không gian và thời gian Các nhà nghiên cứu đã mô phỏng sự phân bố khí nóng bằng lí thuyết MOG của họ, và nhận thấy lực hấp dẫn sẽ mạnh hơn khi bạn đi ra xa trung tâm của cụm Bullet, giải thích sự tụ mạnh hơn nhìn thấy ở vùng rìa

“Hễ khi nào vật chất tối được cho là thống trị một hệ, thì trong MOG, lực hấp dẫn nữa tác dụng một ảnh hưởng mạnh và có thể đo được chỉ dựa trên vật chất [thông thường] có thể quan sát được”, Brownstein giải thích Các nhà nghiên cứu đã

sử dụng MOG trước khi giải thích động lực học của hàng trăm thiên hà và cụm thiên hà Họ cũng cho rằng MOG cũng có thể nguyên nhân cho sự giảm tốc bất thường thấy rõ của tàu thám hiểm Pioneer phóng hồi đầu thập niên 1970, và cả cho năng lượng tối – loại năng lượng kì lạ gây ra sự dãn nở gia tốc của vũ trụ

Những người khác thì hoài nghi hơn “Dứt khoát tôi không đồng ý với kết luận của họ”, theo lời Doug Clowe ở trường đại học Ohio, một trong các nhà nghiên cứu đã thu thập dữ liệu thấu kính hấp dẫn ban đầu từ cụm Bullet, nói với physicsworld.com “Sự dựng lại thấu kính của họ không phù hợp với sự dựng lại thấu kính của cụm thiên hà đó Khẳng định của họ là sự khác biệt có thể giải thích bằng sự hội tụ từ các thiên hà cụm, nhưng không có chỗ nào trong bài báo họ thật

sự chứng minh được điều này”

Bob Swarup (physicsworld.com, 06/11/2007)

Dự báo những sự kiện ozon có hại

Ozon có thể là lớp bảo vệ sự sống trên tầng cao khí quyển, ở đó nó che chắn chúng ta khỏi các tia cực tím có hại, nhưng càng gần về phía mặt đất, nó là một chất ô nhiễm gây ra bệnh hen suyễn ở con người và ức chế sự sinh trưởng ở cây trồng Ở những thành phố lớn như Los Angeles, ozon hình thành nên thành phần chủ yếu của sương mù, sinh ra khi ánh sáng Mặt Trời tương tác với khí thải xe hơi

và các khói bụi khác Tuy nhiên, ozon cũng có thể đi tới mặt đất, ở hàm lượng nhỏ hơn qua “sự thâm nhập” từ tầng bình lưu Wavne Hocking ở trường đại học Western Ontario và các nhà vật lí khác ở Canada vừa chỉ ra rằng có thể dự báo khi nào và ở đâu những sự thâm nhập ozon như thế xảy ra (Nature 450 281)

Hocking và các đồng sự đi đến kết luận của họ bằng cách theo dõi vị trí vùng đỉnh tầng đối lưu – vùng phân cách tầng đối lưu, mở rộng về phía mặt đất, và tầng bình lưu - ở các trạm Montreal và Walsingham ở Canada Để thực hiện việc này, họ

đã sử dụng các “bóng gió”, một loại radar hoạt động ở tần số khoảng 50 MHz phát hiện xem không khí ổn định hay là hỗn loạn, như trong vùng đỉnh tầng đối lưu Họ cũng thả hơn 100 khí cầu mang theo các dụng cụ gọi là khí cụ dò ozon, thiết bị liên tục lấy mẫu không khí phân tích mức độ ozon khi chúng đang bay lên không trung

Wayne Hocking và các đồng sự đang thả một trong các khí cụ dò tìm ozon

Vùng đỉnh tầng đối lưu nằm ở độ cao từ 7 đến 28 km, nhưng thường nằm trong vùng 8 đến 10 km Các nhà nghiên cứu nhận thấy, thỉnh thoảng, độ cao vùng đỉnh tầng đối lưu biến thiên nhanh chóng – suy giảm theo sau sự tăng nhanh – kéo theo hệ quả là một sự thâm nhập đáng kể lượng ozon vào tầng đối lưu, đôi khi chúng đi theo mọi lộ trình xuống tới mặt đất Theo Hocking, vì thế các nhà khoa học phải có thể sử dụng radar mang lại sự cảnh báo trước, 12 giờ đến 2 ngày sắp tới,

về những sự kiện thâm nhập ozon có thể chạm tới mặt đất Điều này sẽ cho phép những người bị chứng khó thở hay dị tật mắt biết trước để ở trong nhà

Martyn Chipperfield, một nhà khoa học khí quyển ở trường đại học Leeds, Anh, nói với physicsworld.com rằng nghiên cứu đó cũng cho thấy người ta có thể tìm ra khi nào sự thâm nhập ozon xảy ra và từ đó tính được có bao nhiêu ozon góp mặt vào lượng ozon trong tầng đối lưu Tuy nhiên, ông cũng nói thêm rằng việc này đòi hỏi kiến thức về khối lượng ozon chuyển tải trong một sự kiện thâm nhập, điều không được đề cập đến trong nghiên cứu của Hocking và các đồng sự “Đây sẽ là một thử thách”, ông nói

Jon Cartwright (physicsworld.com, 07/11/2007)

Bí ẩn tia vũ trụ cuối cùng đã được giải quyết

Một đội các nhà thiên văn quốc tế sử dụng Đài quan sát Pierre Auger đã thu được bằng chứng tốt nhất từ trước đến nay tia vũ trụ năng lượng cực cao va chạm với Trái Đất đến từ các lỗ đen nằm ở tâm của những thiên hà lân cận Sử dụng hàng ngàn máy dò nằm rải rác trên 3000 km2 ở Argentina, đội nghiên cứu đã quản

lí được việc nhận dạng 27 tia vũ trụ như thế với năng lượng trên 1019 eV volt) – khi chúng đang phát ra từ tâm những thiên hà đang hoạt động này Đã giải quyết được bí mật nơi phát ra các tia vũ trụ này, các nhà nghiên cứu hiện đang hi vọng thu được sự hiểu biết tốt hơn xem chính xác thì những hạt tích điện này được gia tốc như thế nào lên mức năng lượng cao như thế (Science 318 938)

(electron-Lần đầu tiên phát hiện ra vào đầu thập niên 1960, các tia vũ trụ năng lượng cực cao (UHECR) là những hạt tích điện năng lượng cao nhất trong vũ trụ Chúng cũng cực kì hiếm – Đài quan sát Pierre Auger chỉ phát hiện khoảng 27 hạt với năng lượng trên 5,7 1019 eV kể từ khi nó bắt đầu thu thập dữ liệu hồi năm 2004

Vì chúng có năng lượng cao như thế, nên UHECR có vẻ được tạo ra trong những sự kiện thiên văn vật lí vô cùng dữ dội Đối tượng hàng đầu là các lỗ đen được cho là nằm ở tâm của hạt nhân thiên hà hoạt động (AGN) Những lỗ đen như thế hút những lượng vật chất khổng lồ, hình thành nên một plasma cực nóng trước khi biến hút vào trong vực thẳm Người ta cho rằng các sóng sốc điện từ tạo ra bởi tính không ổn định từ trong plasma này là nguyên nhân ra sự gia tốc proton hay hạt nhân nặng hơn đến năng lượng cực cao, mặc dù bản chất chính xác của quá trình gia tốc vẫn không được hiểu rõ

Các sóng sốc như thế cũng có thể tạo ra bởi sự hỗn loạn trong không gian giữa các thiên hà, các lỗ đen “hóa thạch” (không nhìn thấy), các sao siêu mới hay các thiên hà hồng ngoại đang hoạt động Tuy nhiên, UHECR mất năng lượng rất dễ dàng do chúng tán xạ khỏi nền vi sóng vũ trụ, nghĩa là chúng không truyền đi rất xa

trong không gian Sự giảm nhanh này ở số lượng tia vũ trụ như thế nằm ở trên một năng lượng xác định – gọi là hiệu ứng Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) – nghĩa là UHECR rất có thể đến từ các nguồn lân cận như các AGN tương đối gần Trái Đất Thật vậy, Venya Berezinsky thuộc Phòng Thí nghiệm quốc gia Gran Sasso, Italia, nói với physicsworld.com rằng rất có thể UHECR với năng lượng trên 5,7 1019 đã truyền đi khoảng không xa hơn chừng 100 Mpc – hay khoảng 300 triệu năm ánh sáng

Trạm dò bề mặt Đài quan sát Auger với dãy Andes ở phông nền phía sau

Phát hiện mới

Tuy nhiên, hiện nay, một đội nghiên cứu sử dụng Đài quan sát Tia vũ trụ Piere Auger ở Argentina vừa tìm thấy bằng chứng có sức thuyết phục đầu tiên cho thấy UHECR thật sự đến từ các AGN lân cận Đài quan sát Auger phát hiện ra tia

vũ trụ bằng cách quan sát những trận “mưa” hạt tạo ra khi tia vũ trụ tương tác với các phân tử không khí

Đài quan sát gồm một dãy 1600 thùng chứa nước phát hiện ánh sáng Cerenkov phát ra bởi các hạt trong trận mưa không khí Bầu trời phía trên các bể nước, chúng nằm cách nhau 1,5 km, được theo dõi bằng 4 máy dò huỳnh quang khí quyển có thể ghi lại dấu vết các trận mưa hạt khi chúng truyền qua khí quyển vào những đêm tối

Sau khi thu thập dữ liệu hơn ba năm rưỡi trời, đài quan sát phát hiện ra 15 tia

vũ trụ với năng lượng lớn hơn khoảng 6 1019 eV Mười hai trong số này có thể lần ngược trở lại trong vòng 3,1 độ của AGN cách Trái Đất dưới 75 Mpc Theo đội

nghiên cứu, rất không thể nào 12 UHECR đến từ các hướng ngẫu nhiên đều đến từ các AGN Còn 12 tia vũ trụ kia được phát hiện với năng lượng thấp hơn một chút,

và đa phần trong số chúng cũng có thể lần theo đến một AGN lân cận

Phổ năng lượng

Người phát ngôn của Auger, Alan Watson thuộc trường đại học Leeds, nói với physicsworld.com rằng đội nghiên cứu đã xác định được 5 “cặp” tia vũ trụ, mỗi cặp có vẻ phát ra từ một AGN Ông hi vọng bằng cách phát hiện một số UHECR đến từ cùng một nguồn, các nhà vật lí sẽ có thể xây dựng một phổ năng lượng có thể giải thích chính xác các tia vũ trụ được tạo ra như thế nào “Khi chúng tôi thu thập ngày càng nhiều dữ liệu hơn, chúng tôi có thể xem xét từng thiên hà theo kiểu chi tiết và hoàn toàn mới”, ông nói “Như chúng tôi đã đoán trước, đài quan sát của chúng tôi đã tạo ra một hình ảnh mới về vũ trụ trên cơ sở các tia vũ trụ thay cho ánh sáng”

Điều trở ngại là bất kì phổ tươm tất nào cũng đòi hỏi phát hiện ra hàng trăm tia vũ trụ đến từ cùng một AGN, tức là Đài quan sát Auger phải mất hàng trăm năm mới thu được Các nhà thiên văn vật lí đang có kế hoạch xây dựng một đài quan sát thứ hai gọi tên là Bắc Auger tại Colorado, Mĩ Mặc dù Bắc Auger được dự tính lớn gấp 3,5 lần anh bạn phương nam của nó, nhưng Watson hi vọng rằng kết quả xác thực của đội nghiên cứu sẽ đưa đến quyết định xây dựng Bắc Auger lớn gấp 10 lần Nam Auger – điều đó về nguyên tắc có thể thực hiện được, ông nói, nhưng có thể rất khó và tốn kém trong xây dựng và duy trì hoạt động

Watson nói với physicsworld.com rằng việc biết được nguồn gốc chính xác của UHECR có thể giúp các nhà thiên văn vật lí thu được sự hiểu biết tốt hơn về từ trường của thiên hà của chúng ta Đấy là do các hạt tích điện hơi bị lệch bởi từ trường, từ trường đó có thể được nghiên cứu là một hàm của năng lượng của hạt và nguồn gốc của chúng Ngoài ra, bằng việc nghiên cứu sự va chạm giữa UHECR và hạt nhân trong bầu khí quyển, các nhà vật lí có thể nghiên cứu ở năng lượng cao hơn nhiều so với hiện nay hay máy gia tốc hạt đang trong kế hoạch xây dựng Máy

Va chạm Hadron Lớn tại CERN chẳng hạn sẽ gia tốc proton lên năng lượng chỉ 7 TeV (7.1012 eV)

Hamish Johnston (physicsworlc.com, 08/11/2007)

FAIR sắp được khởi công

Một khu liên hợp máy gia tốc to lớn mới trị giá 1,2 tỉ bảng Anh ở Đức vừa thu được tín hiệu xuất phát bởi liên doanh của 15 quốc gia Tổ hợp dành cho Nghiên cứu Phản Proton và Ion (FAIR), sẽ được xây dựng tại phòng thí nghiệm GSI

ở Darmstadt, sẽ mang lại cho hơn 3000 nhà khoa học một năm sự lựa chọn các chùm hạt rất mạnh và giàu năng lượng tính Một bản thông cáo đã được các nước đối tác kí vào ngày hôm qua đặt nền tảng cho việc xây dựng sẽ bắt đầu vào cuối năm sau, với tổ hợp FAIR sẽ hoàn thành vào năm 2015

FAIR, sẽ là một trong các trung tâm máy gia tốc lớn nhất thế giới, sẽ cho phép thực hiện nhiều nghiên cứu đa dạng, từ vật lí hạt nhân và plasma cho đến vật lí

y khoa và khoa học vật liệu Thiết bị mới sẽ gồm hai synchrotron có chu vi 1100 m xây dựng chồng lên nhau trong một đường hầm dưới mặt đất

Các ion phát ra từ synchrotron chu vi 200 m hiện có của GSI khi đó sẽ được đưa vào thiết bị vòng kép mới, sẽ nhân cường độ chùm ion lên 100 lần, mang lại tới

1011 ion /giây Các vòng mới cũng sẽ tăng năng lượng cực đại của chùm hạt lên 20 lần, tới khoảng 35 GeV

Các nhà nghiên cứu tại khu liên hợp mới sẽ sử dụng các ion gia tốc để làm phát sinh những hạt nhân kì lạ, không bền bằng cách bắn chùm ion vào bia chẳng hạn là beryllium Những thí nghiệm khác sẽ sử dụng chùm phản proton để nghiên cứu tương tác mạnh, còn hạt nhân nặng cũng sẽ va chạm ở năng lượng cao làm phát sinh ra plasma “quark-gluon” – trạng thái của vật chất được cho là tồn tại trong những thời khắc đầu tiên của Big Bang

Phòng thí nghiệm GSI ở Darmstadt sẽ sớm trở thành nhà của

Tổ hợp dành cho Nghiên cứu Phản Proton và Ion

Trong khi đó, các nhà vật lí plasma hi vọng sử dụng laser công suất cao cũng đang được xây dựng tại GSI để tạo ra plasma bên trong khối vật liệu có nhiệt độ và mật độ xấp xỉ như trong các hành tinh khổng lồ như Mộc tinh Các nhà vật lí nguyên tử cũng sẽ sử dụng tổ hợp để khám phá tính chất của phản hydrogen, cấu thành từ một phản proton và một positron

Chính phủ Đức sẽ cung cấp 65% tổng số tiền tài trợ cho dự án, với 10% nữa

do bang Hesse của Đức tài trợ 25% còn lại do 14 nước đối tác khác cung cấp, trong

đó có Trung Quốc, Pháp, Anh và Ấn Độ Dự án đã được đề xuất tận hồi năm 2001

đó dự kiến sẽ hoàn thành vào năm 2015

Michael Banks (physicsworld.com, 08/11/2007)

Vũ trụ có nguyên tố thứ năm nhẹ hơn ước tính hiện nay

Nếu bạn đã từng cảm thấy bị thu nhỏ lại bởi lượng vật chất trong vũ trụ, bạn

sẽ cảm thấy dễ chịu khi tìm thấy nó có thể nhẹ hơn 20% so với các nhà khoa học trước đây tiên đoán Theo các nhà vật lí ở Mĩ và Phần Lan, đây là vì tia X phát ra từ tâm của các cụm thiên hà có thể được tạo ra trong những va chạm giữa các electron tương đối nhẹ và photon, chứ không phải sự phát xạ nhiệt từ các chất khí nguyên tử nặng hơn nhiều như người ta vẫn nghĩ

Các nhà khoa học đã biết hơn chục năm trước đây rằng các cụm thiên hà phát ra một số lượng cực lớn tia X “mềm” hay tia X năng lượng thấp Một lời giải thích có thể là tâm của các cụm thiên hà chứa gồm những vùng khổng lồ khí ấm, phát xạ nhiệt Nếu đúng là trường hợp này thì phổ tia X mềm phát ra từ các cụm thiên hà phải chứa các vạch phát xạ - các cực đại cường độ ở những bước sóng nhất định – tương ứng với thành phần nguyên tử trong chất khí đó Vấn đề là ở chỗ phổ tia X thu được lại đều đặn

Theo Max Bonamente và các đồng sự, những cụm thiên hà như thế này có thể đánh lừa chúng ta

rằng chúng có nhiều khối lượng hơn thật ra chúng có thể có

Một lời giải thích khác là các electron trong cụm thiên hà va chạm với photon trong nền vi sóng vũ trụ, bức xạ còn sót lại từ thời Big Bang Sau những va chạm này – gọi là hiệu ứng Compton nghịch – một số photon có năng lượng đủ để thành tia X mềm Max Bonamente tại trường đại học Alabama, ở Huntsville và các đồng sự chung cơ quan nghiên cứu và ở Phần Lan đã tính được một quá trình như thế có thể gây ra bao nhiêu cho sự phong phú tia X mềm (Astrophys J 668 796)

Mất khối lượng

Các nhà nghiên cứu đã lập mô hình nhiều tần số đa dạng sẽ được tạo ra trong các va chạm electron-photon như một “định luật hàm mũ”, và nhận thấy bằng việc điều chỉnh kích thước số mũ và bình thường hóa, họ có thể làm cho sự phân bố phù hợp với phổ của Abell 3112 – cụm thiên hà mà Đài quan sát tia X Chandra đã có được dữ liệu hết sức tuyệt vời về sự phát xạ tia X mềm Dữ liệu này cho thấy có tới 50% tia X mềm phát ra từ cụm thiên hà trên có thể do các va chạm electron-photon chứ không phải do các nguyên tử trong chất khí ấm Do electron nhẹ hơn nhiều so với nguyên tử, nên điều này có nghĩa là các cụm thiên hà, và do đó là chính vũ trụ,

có thể có khối lượng nhỏ hơn tới 20% so với ước tính hiện nay của chúng ta

Nếu khẳng định chắc nịch này là đúng, có khả năng là các thiên hà và cụm thiên hà không cần nhiều khối lượng để giữ chúng lại với nhau, theo như lí thuyết được thừa nhận của chúng ta về hấp dẫn do Newton và Einstein mang lại Vì thế, các nhà khoa học sẽ phải khảo sát những lí thuyết khác, ví dụ như động lực học Newton cải tiến, hay MOND, lí thuyết cho khối lượng sức hút hấp dẫn nhiều hơn Mặt khác, khối lượng “còn thiếu” có thể ẩn giấu dưới dạng vật chất tối, đối tượng được người ta tin rằng cấu thành nên tới 95% khối lượng trong vũ trụ

Bonamente nói thêm rằng cũng có những lời giải thích khác cho sự thiếu vạch phát xạ ngoài các va chạm electron-photon Không giống như các dạng quang phổ học khác, ông nói, quang phổ học tia X có độ phân giải rất kém, nên các vạch phát xạ từ những nguyên tố nặng có khả năng không thể phân biệt được Cũng có thể là những đám chất khí đang ở đó, nhưng chúng ở trạng thái “nguyên thủy” theo nghĩa là chúng chỉ chứa các nguyên tố nhẹ hydrogen và helium, những nguyên tố này không tạo ra các vạch phát xạ trong phần tia X mềm của quang phổ “Nhưng đa

số [chất khí] plasma thiên văn vật lí đã được làm giàu [với các nguyên tố nặng], nên đây sẽ là một ngoại lệ”, ông nói

Tuy nhiên, Andrew Fabian, một nhà thiên văn vật lí tại trường đại học Cambridge, Anh, không bị thuyết phục bởi nghiên cứu của Bonamente và các đồng

sự Ông cho rằng các nhà nghiên cứu sử dụng các giá trị hấp thụ đã lỗi thời cho chất khí giữa các sao trong thiên hà của chúng ta, đối tượng ảnh hưởng tới mức độ tia X mềm được cho là đến từ Abell 3112 “Kết quả từ một nghiên cứu mới hơn có thể làm cho sự phong phú tia X mềm biến mất trong cụm thiên hà đó”

Jon Cartwright (physicsworld.com, 08/11/2007)

Hai đã là nhiều đối với các hạt lượng tử

Trong khi một electron riêng lẻ sẽ xử sự như một thực thể lượng tử thuần thúy, thì sự có mặt đơn thuần của một electron khác đủ để làm cho electron thực hiện chuyển đổi từ hành vi lượng tử sang hành vi cổ điển – theo một đội các nhà nghiên cứu quốc tế, những người đã thực hiện một phiên bản đơn giản kì lạ từ trước đến nay của thí nghiệm “hai khe” nổi tiếng Kết quả có thể có những gợi ý quan trọng cho những ai đang cố gắng chế tạo những dụng cụ tính toán lượng tử trạng thái rắn, trong đó việc giảm đến mức tối thiểu các tương tác electron – electron là một thách thức chủ yếu (Science 318 949)

Hành vi giống như sóng, hay hành vi lượng tử, của từng hạt riêng lẻ hiếm khi được nhìn thấy vì các hạt có xu hướng tương tác với môi trường của chúng – ví dụ, thông qua hấp dẫn, tương tác điện hay bức xạ nhiệt Những tương tác này đem lại

sự chuyển biến từ hành vi lượng tử sang hành vi cổ điển gọi là tách kết hợp Sự tách kết hợp đã quan sát thấy các electron, nguyên tử, các phân tử nhỏ, và mới đây hơn

là những vật vĩ mô, ví dụ như các phân tử C60 và C70

Tất cả những thí nghiệm này đều bao gồm việc cho truyền các hạt hay các phân tử cô lập cao qua một khe đôi và quan sát khi hình ảnh giao thoa – dấu hiệu của hành vi lượng tử - trở nên yếu hơn khi các hạt tương tác với môi trường của chúng

Khe đôi nhỏ nhất: Sự hấp thụ một photon làm phát ra hai electron từ một phân tử hydrogen Tương tác giữa hai electron (đường lượn sóng màu vàng) dẫn tới sự mất giao thoa ở sự phân bố góc electron Thí nghiệm cho thấy bước đầu tiên của sự chuyển tiếp từ thế giới lượng tử sang thế giới

cổ điển

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu không chắc chắn khi nào mức tối thiểu của tương tác cần thiết cho sự tách kết hợp xảy ra Reinhard Doerner thuộc trường đại học Frankfurt ở Đức và các đồng sự đã giúp trả lời câu hỏi này bằng nghiên cứu cái

họ g “khe đôi nhỏ nhất từ trước đến nay” – một phân tử hydrogen, chứa hai electron

và hai proton

Các nhà nghiên cứu bắt đầu bắn một photon năng lượng cao vào một phân tử hydrogen, làm phóng ra hai electron từ phân tử đó Một trong hai electron và hai proton hình thành nên một hệ hạt/khe đơn giản Electron này hình thành nên một hình ảnh giao thoa lượng tử khi nó truyền qua khe Electron thứ hai, chuyển động chậm hơn nhiều so với electron thứ nhất, đóng vai trò giống như một môi trường tối thiểu cho electron kia Nó tương tác với electron thứ nhất qua tương tác Coulomb, dẫn tới sự mất tương phản ở các vân giao thoa thu được trong sự phân bố góc của electron này

Thí nghiệm chứng tỏ chỉ có một số lượng rất nhỏ hạt là cần thiết để chuyển một hệ lượng tử thành một hệ cổ điển “Mảnh vỡ của phân tử hydrogen là bài toán 4 vật cũng có thể giải bằng số với việc sử dụng máy tính ngày nay”, Doerner nói với physicsworld.com “Kết quả của chúng tôi bây giờ cũng có thể mang lại một điểm chuẩn cho một số trong những lí thuyết tiên tiến nhất trong một vài ngành vật lí”

Bước tiếp theo, đội nghiên cứu, bao gồm các nhà khoa học đến từ Mĩ, Tây Ban Nha và Nga, lên kế hoạch quan sát sự giao thoa bị phá vỡ như thế nào bởi sự phá vỡ đối xứng của phân tử hydrogen Họ cũng sẽ thực hiện việc này bằng cách thay thế một trong các phân tử hydrogen bằng đồng vị deuterium nặng hơn của nó

Belle Dumé (physicsworld.com, 08/11/2007)

Có thể tạo ra “lỗ sâu đục” từ các chất ngoại lai

Hãy tưởng tượng nhìn vào một cái lỗ, chỉ nhìn thấy một vật ở xa như thể nó

ở ngay phía trước bạn Không camera, không kính viễn vọng phức tạp nào có mặt – thay vào đó, bạn đang nhìn vào một “lỗ sâu đục” điện từ tạo ra trong một chất chế tạo đặc biệt

Đề xuất ra một lỗ sâu đục như thế đến từ Yaroslay Kurylev tại trường đại học College London ở Anh và các đồng sự ở Mĩ và Phần Lan, những người đã đi đến ý tưởng đó bằng cách xây dựng trên lí thuyết mang lại cho chúng ta chiếc áo choàng tàng hình – dụng cụ đã được tiến hành đối với vi sóng hồi năm ngoái Trong khi ở áo choàng tàng hình, các tia sáng bị dẫn xung quanh một thể tích dạng trụ hay cầu giống như nước chảy qua tảng đá, thì lỗ sâu đục có ánh sáng được dẫn xung quanh một hình ống, phức tạp hơn Dụng cụ đó sẽ xuất hiện dưới dạng chất rắn đối với đa số bước sóng ánh sáng, nhưng ở bước sóng tàng hình nó sẽ biến mất, và ánh sáng đi vào ống ở đầu này sẽ đi ra khỏi ống ở đầu kia mà không có đường hầm nào

bị nhìn thấy ở giữa (Phys Rev Lett 99 183901)

Không gian cong

Trong không gian trống rỗng, có chiết suất đồng đều, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng đối với hệ tọa độ Descartes Thủ thuật bẻ cong ánh sáng xung quanh chiếc áo choàng tàng hình hay một lỗ sâu đục là tạo ra một chất có chiết suất không đều biến đổi những tọa độ Descartes này sang tọa độ cong Thật tiện lợi, cơ sở toán học cần thiết cho những phép biến đổi tọa độ độc đoán như thế có thể tìm thấy ở

nền hình học trụ đỡ của thuyết tương đối rộng của Einstein, lí thuyết có thể kết hợp với hệ phương trình Maxwell dùng để mô tả sự truyền sóng điện từ

Kurylev và các đồng sự gọi phép biến đổi đối với áo choàng tàng hình là

“bơm căng lên một điểm”, vì về cơ bản đó là sự kéo căng một không gian nhỏ tí xíu thành một khối cầu Vì thế, để tạo ra lỗ sâu đục, tất cả những việc cần phải làm là

“thổi căng một đường cong” Và, như với áo choàng tàng hình, các nhà nghiên cứu nói rằng dụng cụ đó có thể chế tạo bằng cách tạo ra các siêu chất liệu – những chất liệu nhân tạo, kì lạ có những tính chất điện từ mạnh mẽ - có profile chiết suất không đều cần thiết

Các mô phỏng tia sáng cho thấy một bàn cờ vô hạn sẽ trông như thế nào qua lỗ sâu đục Hình bên trái là đối với một lỗ sâu đục ngắn, tạo ra hiệu ứng giống như thấu kính mắt cá Hình bên phải là

đối với lỗ sâu đục dài hơn, nó bắt đầu xuất hiện thêm sự méo hình và nhân ảnh

Những kế hoạch lạc quan

“Cái họ đề xuất nhất định là một ý tưởng lí thú”, Ulf Leohardt, một trong những nhà vật lí đầu tiên mơ tới chiếc áo choàng tàng hình, nói với physicsworld.com Nhưng ông nói thêm rằng, vì chỉ có những chiếc áo choàng tàng hình dạng trụ thật sự được tạo ra, nên bước tiếp theo sẽ là chế tạo một chiếc áo choàng 3D đích thực “Việc tạo ra một lỗ sâu đục còn phức tạp hơn nữa”, ông nói

Tuy ý tưởng của họ chưa được thực hiện, nhưng Kurylev và các đồng sự đã

có một danh sách những ứng dụng tiềm tàng, bao gồm các sợi “cáp quang” dùng để

đo trường điện từ mà không làm nhiễu loạn chúng, hay tạo ra màn hiển thị video 3D Khi đặt một thanh nam châm ở gần một đầu của lỗ sâu đục, từ trường sẽ xuất hiện có vẻ từ nơi nào đó ở đầu bên kia và trở thành một đơn cực từ, mặc dù Kurylev thật sự không biết nó có thể dùng để làm gì

Các nhà nghiên cứu cũng thừa nhận rằng, vì tính chất quang của dòng siêu vật liệu thay đổi nhanh như một hàm của bước sóng, nên một lỗ sâu đục trên thực tế

có khả năng chỉ hoạt động ở một phạm vi hẹp bước sóng Điều này có nghĩa là, như đối với áo choàng tàng hình, một lỗ sâu đục sẽ hoạt động trên toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến trong chừng mực nào đó là khó thực hiện được “Có những kết quả đầu tiên về sự vô hình ở cấp độ quang học”, Kurylev nói “Vì những kết quả đối với lỗ

sâu đục là song song với những kết quả đối với áo choàng tàng hình, nên tién bộ ở

áo choàng có thể, về nguyên tắc, chuyển thành tiến bộ ở lỗ sâu đục”

Jon Cartwright (physicsworld.com, 09/11/2007)

Cát có thể làm sáng tỏ thêm về plasma quark-gluon

Cát và các quark có điểm gì chung với nhau Câu trả lời, theo các nhà vật lí ở

Mĩ, là chúng đều hành xử giống như chất lỏng dưới những điều kiện nhất định Khi Sidney Nagel và các đồng sự ở trường đại học Chicago bắn các dòng chất dạng hạt giống như cát vào bia bằng chất rắn, một số trong những hình ảnh phun thu được rất giống với cái đã được nhìn thấy khi các hạt nhân nặng va chạm hình thành nên

“plasma quark-gluon” Phát hiện đó có thể làm sáng tỏ tại sao một chất plasma như thế có vẻ xử sự giống như chất lỏng chứ không giống với chất khí – cái đã thách đố các nhà vật lí kể từ khi hành vi đó được nhìn thấy lần đầu tiên vào năm 2005

Trong thí nghiệm của họ, đội nghiên cứu đã bắn các dòng hạt bột thủy tinh hay đồng nhỏ xíu vào bia chất rắn hình trụ và ghi lại hình ảnh phun xịt thu được bằng máy chụp hình tốc độ cao (Phys Rev Lett 99 188001) Họ nhận thấy sau khi chạm phải mục tiêu, dòng hạt hành xử giống như chất lỏng bằng cách trải rộng ra theo mọi hướng vuông góc với dòng hạt tới Đội nghiên cứu cũng nhận thấy khi họ

sử dụng bia có đường kính nhỏ hơn đường kính của dòng hạt, thì dòng hạt chảy qua xung quanh bia, tạo ra hình chuông ở mặt bên kia Hóa ra đây đúng là cái xảy ra khi một tia nước chạm phải một cái bia tương tự và những “chuông nước”như thế đã được nhìn thấy lần đầu tiên hồi thế kỉ 19

Các hạt phản xạ

Những tấm và chuông hạt bột này có lẽ trông thật kì cục nếu bạn nghĩ dòng hạt là một tập hợp của những hạt độc lập, mỗi hạt sẽ va chạm với bia và chỉ này trở lại Tuy nhiên, nếu mật độ dòng hạt đủ cao, các hạt tới có thể va chạm với các hạt phản xạ trong vùng bia và những va chạm này làm cho dòng hạt hành xử giống như chất lỏng Theo Nagel, dòng hạt tới sinh ra một áp suất lên “chất lỏng” này, làm cho

nó phun ra theo mọi hướng vuông góc với dòng hạt

Đội nghiên cứu đã được góc giữa hướng của dòng tới và quỹ đạo cuối cùng của các hạt cho một số bia khác nhau có đường kính tiết diện nhỏ hơn lẫn lớn hơn đường kính dòng hạt Họ tìm được mối quan hệ giữa góc và đường kính bia giống hệt như đối với dòng hạt cấu thành từ bột thủy tinh hay bột đồng - và giống như đối với tia nước có vận tốc lớn Kết quả là Nagel và các đồng sự kết luận rằng tia cát xử

sự giống như chất lỏng

Plasma giống chất lỏng

Ngoài ra, Nagel và các đồng sự tin rằng hành vi giống như chất lỏng này của các hạt va chạm trước đây đã được nhìn thấy – tại Máy Va chạm Ion nặng tương đối tính (RHIC) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Mĩ Hai năm trước, các nhà nghiên cứu ở RHIC đã say sưa với các cặp hạt nhân vàng hình thành nên

“plasma quark-gluon” nhiều hạt Người ta tin rằng một plasma như thế đã có mặt trong Vũ trụ sơ khai- ngay trước khi nó đủ lạnh để cho các quark và gluon kết hợp

và hình thành nên proton và neutron

Chuỗi ảnh chụp cho thấy tia hạt thủy tinh va chạm với bia Trong ảnh ngoài cùng bên trái, dòng chất vừa chạm tới bia Ảnh chụp thứ hai cho thấy sự hình thành đĩa cát vuông góc với tia tới Ảnh

ngoài cùng bên phải chụp cùng hình ảnh trên nhìn theo trục

Các nhà nghiên cứu RHIC ngạc nhiên phát hiện thấy plasma đó hành xử giống chất lỏng hơn là giống chất khí Điều này được chứng minh khi hạt nhân chịu

sự va chạm sớt qua tạo ra plasma hình quả bóng bầu dục hay hình quả hạnh dãn nở nhanh hơn theo những hướng nhất định Việc này gây ngạc nhiên vì sắc động lực học lượng tử (QCD) – lí thuyết mô tả các tương tác quark-gluon – tiên đoán rằng plasma sẽ hành xử giống như chất khí tương tác yếu hơn là một chất lỏng tương tác mạnh

Nagel và các đồng sự thử mô phỏng các va chạm RHIC bằng cách bắn các tia cát có tiết diện hình chữ nhật - chứ không phải hình tròn – vào bia hình trụ Kết quả thu được ở chất lỏng cũng dãn nở theo những hướng ưu tiên hơn Họ đã đo sự bất đẳng hướng này bằng cùng thông số vô hướng dùng để mô tả plasma RHIC và nhận thấy chúng rất giống nhau

Theo Nagel, các tương đồng giữa hai thí nghiệm có nghĩa rằng người ta có khả năng mô tả những tính chất lỏng của plasma quark-gluon dưới dạng những va chạm rất nhanh của một tập hợp dày đặc những quả cầu cứng – giống hệt như các hạt trong tia cát “Tất cả các ngành vật lí đều liên quan với nhau”, ông nói với physicsworld.com “Nghiên cứu ở một ngành giải thích cho những kết quả thuộc những ngành khác trông có vẻ như chẳng có liên hệ gì”

Hamish Johnston (physicsworld.com, 13/11/2007)

Sự khúc xạ âm “có thể bẫy cầu vồng”

Kể từ khi phát minh ra chúng vào năm 2000, các chất kì lạ gọi tên là siêu chất liệu đã mở ra nhiều ứng dụng, ví dụ như thấu kính hoàn hảo hay áo choàng tàng hình Nhưng nay các mô phỏng máy tính do các nhà vật lí ở Anh thực hiện đề xuất ra một ứng dụng khác – làm chậm “cầu vồng” của ánh sáng xuống tới điểm dừng Ý tưởng của họ có thể là lộ trình đầu tiên đưa đến sự truyền thông quang học, lưu trữ băng rộng ở nhiệt độ phòng

“Làm chậm ánh sáng” không đề cập đến tốc độ thật sự của các photon, mà là tốc độ của một gói sóng, đó là sự truyền năng lượng ở một sóng ánh sáng Nó không phải là một thủ thuật gì mới – những cấu trúc chứa những lớp xen kẽ có chiết suất cao và thấp gọi là tinh thể photon tính có thể làm giảm vận tốc nhóm xuống đến lê lết, và một kĩ thuật gọi là sự trong suốt cảm ứng điện từ (EIT) có thể làm dừng ánh sáng hoàn toàn trong các chất khí nguyên tử siêu lạnh

Về mặt tiềm năng, việc làm chậm ánh sáng có thể dùng để thay thế các dụng

cụ điện lưu trữ tín hiệu truyền thông, nhờ đó tránh được sự biến đổi tốn kém thời gian từ môi trường này sang môi trường khác Nhưng EIT hiện nay không thể thực hiện ở một chất khí nhiệt độ phòng, và cả EIT và tinh thể photon tính đều không thể làm chậm ánh sáng ở ngoài một phạm vi hẹp tần số Điều này làm hạn chế công dụng của chúng trong truyền thông thường sử dụng băng rộng

Minh họa mô tả “bẫy cầu vồng” của Hess và các đồng sự

Ý tưởng sáng giá

Ortwin Hess và các đồng sự tại trường đại học Serrey và đại học Salford ở Anh nói câu trả lời cho việc lưu trữ tín hiệu truyền thông ở nhiệt độ phòng và ở một phạm vi tần số có thể nằm ở các siêu chất liệu – các chất nhân tạo biểu hiện những tính chất điện từ khác thường, chẳng hạn như khúc xạ âm Họ đã thực hiện một phép phân tích máy tính của các tia sáng truyền qua một siêu chất liệu chứa một sóng dẫn hình nón, chiết suất âm bao quanh bởi chất khúc xạ dương (Nature 450 397) “Mãi cho đến nay, việc làm chậm ánh sáng bên trong một dụng cụ trạng thái rắn được cho là không thể thực hiện được”, Hess nói

Hễ khi nào ánh sáng truyền qua một sóng dẫn, các tia sáng bị phản xạ giữa các giới hạn của sóng dẫn theo đường zig zag Trong một sóng dẫn cấu thành từ một chất khúc xạ dương – ví dụ như sợi quang – bao quanh bởi một môi trường khúc xạ dương, luôn luôn có một sự lệch pha dương nhỏ ở mỗi lần phản xạ, là cho tia sáng hơi “nhảy” lên phía trước một chút Nếu sóng dẫn khúc xạ âm, thì độ lệch pha là

âm, và bước nhảy thụt lùi Kết quả chủ yếu của phép phân tích tia sáng của nhóm nghiên cứu người Anh là nếu như một sóng dẫn như thế được thu hẹp hơn, thì ánh sáng trải ra khoảng cách càng ngắn hơn giữa các phản xạ, và cuối cùng thì bước nhảy lùi sẽ thống trị - nên vận tốc nhóm bị dừng trong hành trình của nó

Tuy nhiên, điểm dừng sẽ không giống nhau đối với mọi màu sắc của ánh sáng Do tính chất điện từ của một siêu chất liệu phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, thành phần lam sẽ bị dừng trước tiên và bước sóng đỏ bị dừng sau cùng, với “bẫy cầu vồng” ở chính giữa Hess nói, điều này có nghĩa là một dụng cụ lưu trữ quang học dựa trên ý tưởng đó có thể sử dụng để xử lí rời các thành phần khác nhau của ánh sáng “Đương nhiên kế hoạch trước mắt của chúng tôi là bổ sung thực nghiệm của phương pháp ‘bẫy cầu vồng’ ông nói

Jon Cartwright (physicsworld.com, 14/11/2007)

Thuyết tương đối vượt qua phép thử thời gian mới

Nguyên lí tương đối đặc biệt nổi tiếng của Einstein – thời gian trôi chậm đi trên một cái đồng hồ đang chuyển động – vừa được xác nhận chính xác hơn 10 lần

so với từ trước đến nay Kết quả đến từ các nhà vật lí ở Đức và Canada, những người đã đo thời gian “tíc tắc” của các nguyên tử lithium khi chúng va chạm xung quanh một cái vòng ở một phần tốc độ ánh sáng

Đặt hai cái đồng hồ sát bên nhau và, nếu chúng chính xác, chúng sẽ luôn luôn chỉ thời gian giống nhau Nhưng nếu một cái đồng hồ đang chuyển động nhanh, nó sẽ xuất hiện trước người quan sát đang đứng gần trạm đồng hồ là tíc tắc quá chậm Hiệu ứng “dãn nở thời gian” này, đã được Einstein tiên đoán trong thuyết tương đối đặc biệt của ông vào năm 1905, đã nhiều lần được xác nhận – lần đầu tiên

là trong vòng 1% tiên đoán trong một thí nghiệm thực hiện bởi Herbert Ives và G R Stilwell hồi năm 1938, và mới đây hơn là khi so sánh thời gian của các đồng hồ nguyên tử trên Trái Đất với đồng hồ nguyên tử trên quỹ đạo của các vệ tinh định vị toàn cầu (GPS)

Tuy nhiên, những phép đo như thế vẫn không khiến các nhà khoa học ngừng việc đề xuất những sai lệch khỏi thuyết tương đối đặc biệt Chẳng hạn, những người đang tìm kiếm lời giải thích tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ thường viện dẫn sự vi phạm “định lí CPT”, định lí phát biểu rằng các định luật vật lí vẫn là như nhau nếu như điện tích, tính chẵn lẻ và tính nghịch đảo thời gian của một hạt bị đảo ngược lại với nhau Vi phạm CPT có thể chứng minh sự thừa thải vật chất thông thường như đã thấy, nhưng nó cũng có thể ngụ ý rằng những phương trình cơ sở của Mô hình Chuẩn của vật lí hạt, được xây dựng trên thuyết tương đối đặc biệt, là không hoàn chỉnh

Các đồng sự của Gerald Gwinner là Guido Saathoff và Sergei Karpuk đang điều chỉnh laser

Kiểm tra thời gian

Các thí nghiệm tiến hành bởi Gerald Gwinner đến từ trường đại học Manitoba ở Canada, cùng với các đồng sự đến từ nhiều viện nghiên cứu Đức, không mang lại một dấu vết nào của sự lệch như thế khỏi thuyết tương đối đặc biệt và từ

đó là nền vật lí ngoài Mô hình Chuẩn Để kiếm tra lí thuyết của Einstein, họ đã cải tiến một kĩ thuật gọi tên là quang phổ laser bão hòa để đo sự dãn nở thời gian của các nhóm ion lithium-7 bắn ở tốc độ cao vào vòng trữ từ tính, đặt tại Viện Vật lí Hạt nhân Max Planck ở Heidelberg

Khi ở trạng thái nghỉ đối với nhà quan sát, các ion lithium-7 có sự chuyển trạng thái điện tử giữa các mức năng lượng luôn luôn xảy ra ở tần số gần 546 THz – thực sự là “chiếc đồng hồ tíc tắc” Về nguyên tắc, lượng thời gian dãn ra làm thay đổi tần số này đối với các ion lithium-7 đang chuyển động nhanh có thể nhận ra bằng cách rọi sáng chúng bằng một laser từ đằng sau tới và ghi nhận tần số laser đã kích thích sự chuyển trạng thái – thể hiện bằng các ion “huỳnh quang” hay các

photon bị hấp thụ và tái phát xạ theo mọi hướng Trên thực tế, một nhóm ion trong vòng trữ có một sự phân bố vận tốc, làm hạn chế độ chính xác của phép đo

Hai nhà quan sát

Các nhà nghiên cứu tránh sự hạn chế này bằng cách nhắm một laser thứ hai vào chùm ion Mặc dù laser này cũng làm cho tất cả ion phát huỳnh quang, nhưng những ion ở vùng giữa của sự phân bố vận tốc nhận quá nhiều photon nên sự huỳnh quang của chúng bão hòa gây ra một mức chìm cục bộ trong quang phổ nên chỉ những ion có một vận tốc được “đánh dấu”

Vòng trữ từ tính tại Viện Vật lí Hạt nhân Max Planck ở Heidelberg

Gwinner và các đồng sự sau đó tính tích của hai tần số laser, giá trị đó – theo thuyết tương đối đặc biệt – phải bằng với bình phương tần số chuyển trạng thái khi các ion lithium-7 không chuyển động Nhưng vì tần số chuyển trạng thái này không được biết ở mức đủ chính xác cho nhu cầu của chúng, nên các nhà nghiên cứu lặp lại thí nghiệm đối với các ion lithium-7 chuyển động ở cả 3% và 6,4% tốc độ ánh sáng và kiểm tra xem các tích số đó có bằng nhau không

Đúng như mong đợi, các tích số đó thật sự bằng nhau Nhưng độ chính xác của thí nghiệm của Gwinner và các đồng sự, được định lượng bằng “thông số Mansouri-Sexl” thấp hơn 8,4 10 - 8, hay tốt hơn 10 lần so với phép kiểm tra GPS của thuyết tương đối đặc biệt “Có nghĩa là ở mức độ nhạy của thí nghiệm của chúng tôi, và tất cả những thí nghiệm khác tìm kiếm bằng chứng cho nền vật lí mới ngoài Mô hình Chuẩn, cho đến nay vẫn chưa đủ cao để nhìn thấy bất cứ thứ gì”, Gwinner nói với physicsworld.com

Jon Cartwright (physicsworld.com, 14/11/2007)

Tính toán mới nhắm tới sao siêu mới sáng nhất từ trước đến nay

Vào tháng 9/2006, vụ bùng nổ sao – hay sao siêu mới - sáng nhất từ trước đến nay đã được phát hiện ra trong một thiên hà cách Trái Đất 240 triệu năm ánh sáng Đặt tên là SN 2006gy, nó sáng gấp 100 lần một sao siêu mới thông thường, khiến một số nhà thiên văn vật lí tin rằng nó được tạo ra trong sự giãy chết của một ngôi sao nặng gấp 90 hay nhiều hơn nữa so với Mặt Trời Tuy nhiên, hiện nay các nhà nghiên cứu ở Hà Lan nghĩ rằng họ đã biết làm thế nào mà một ngôi sao khối lượng lớn như thế có thể được hình thành ở giai đoạn đầu tiên, còn một nhóm nghiên cứu độc lập khác ở Mĩ đã giải được bài toán làm thế nào mà vụ nổ có thể xảy ra Cả hai kết quả đều được công bố trên ấn phẩm tuần này của tờ Nature

Ảnh minh họa SN 2006gy trông như thế nào với một nhà quan sát ở gần

Ảnh ở dưới bên trái là ảnh hồng ngoại chụp bằng Đài quan sát Lick Đối tượng mờ hơn ở phía thấp bên trái là vùng tâm của thiên hà NGC 1260, còn đối tượng sáng hơn nhiều ở

phía trên bên phải là SN 2006gy

Ảnh ở dưới bên phải là ảnh tia X có cùng tầm nhìn như trên chụp

bằng kính thiên văn không gian Chandra

Khi một ngôi sao già đi, nó đốt hết toàn bộ hydrogen của mình và để lại lõi helium và các nguyên tố nặng hơn Nếu lõi này nặng gấp đôi Mặt Trời của chúng ta, các nhà thiên văn vật lí tin rằng ngôi sao đó sẽ co lại, gây ra một vụ nổ sao siêu mới ngoạn mục bỏ lại đằng sau một lỗ đen hay một sao neutron Một vài trị số khối lượng ngang với Mặt Trời bị phóng vào trong không gian giữa các sao trong vụ bùng nổ sao siêu mới, tạo ra sự biểu hiện khác thường của ánh sáng và màu sắc

Tuy nhiên, số phận của những ngôi sao lớn có khối lượng gấp 40 lần Mặt Trời của chúng ta vẫn chưa được hiểu rõ lắm – khiến cho nguồn gốc của SN 2006gy vẫn là một bí ẩn thật sự Ứng cử viên hàng đầu là một lí thuyết gọi tên là “cặp bất

ổn định xung” Lí thuyết này cho rằng sao siêu mới được tạo ra không chỉ bởi một

vụ bùng nổ khối lượng lớn, mà còn bởi sự va chạm của hai xung vật chất phóng ra

từ một ngôi sao khối lượng lớn bởi hai vụ nổ liên tiếp nhau

Hiện nay, Stan Woosley và các đồng sự tại trường đại học California ở Santa Cruz khẳng định đã chỉ ra được SN 2006gy được hình thành theo cách giống như thế Sự bất ổn định được tin là xảy ra khi một ngôi sao khối lượng lớn cạn kiệt nguồn helium của nó và bắt đầu đốt cháy carbon và oxygen Hiện tượng này làm cho ngôi sao co lại và trở nên nóng hơn nhiều so với trước đấy, tăng thêm năng lượng của các photon mà nó tạo ra Thật vậy, các photon trở nên giàu năng lượng tính đến mức chúng có thể biến đổi thành các cặp electron và positron

Áp suất giảm

Quá trình này, trong đó động năng chuyển hóa thành vật chất, làm cho áp suất của lõi sao giảm đi Ngôi sao phản ứng lại bằng cách co thêm nữa và đốt nóng hơn nữa cho đến khi áp suất phát sinh bởi sự đốt nóng dữ tợn này đủ cao để cho ngôi sao bùng nổ và một số khối lượng vật chất tương đương với Mặt Trời bị phóng

ra Woosley nói với physicsworld.com rằng hiện tượng sẽ tạo ra một “sao siêu mới” tương đối nhỏ, như trong trường hợp SN 2006gy, có khả năng không quan sát thấy trên Trái Đất này

Sau khi phóng thích vật chất, ngôi sao bắt đầu co lại và quá trình tự lặp lại, tiếp tục phóng ra vật chất lần thứ hai Tuy nhiên, Woosley tin rằng sự bùng nổ thật

sự bắt đầu khi xung vật chất thứ hai bắt kịp xung thứ nhất và va chạm đó tạo ra một

sự bùng phát ánh sáng khác thường Theo Woosley, một va chạm như thế có thể tạo

ra lên tới hơn 100 lần ánh sáng so với một sao siêu mới bình thường, vì va chạm xảy ra cách ngôi sao đó một khoảng cách nào đó và sức hút hấp dẫn mạnh của nó Kết quả là đa số động năng của các hạt phóng ra có thể bị chuyển hóa thành ánh sáng Trong một sao siêu mới thông thường, ngược lại, 99% động năng bị tiêu hao

để chống lại lực hấp dẫn

Woosley và các đồng sự kiểm tra giả thuyết của họ bằng cách lập mô phỏng máy tính về cái chết của một ngôi sao bắt đầu sự sống ở khối lượng 110 lần Mặt Trời, cho thấy một ngôi sao như thế sẽ nổ hai lần trong khoảng 5,4 năm và sau đó

co lại thành một sao neutron hay lỗ đen khoảng 15 năm sau lần bùng nổ thứ nhất Đội nghiên cứu cũng tính được ánh sáng phát ra trong những ngày sau đợt bùng nổ thứ hai mà họ khẳng định là so sánh được tuyệt với với những phép đo thực hiện trên SN 2006gy

Va chạm giữa các sao

Trong khi Woosley và các đồng sự đã giải thích được làm sao mà một sao siêu mới sáng như thế có thể xảy ra, thì câu hỏi làm thế nào một ngôi sao khối lượng lớn như thế có thể hình thành trong giai đoạn đầu tiên đã được nêu ra bởi Simon Portegies Zwart và Edward van den Heuvel thuộc trường đại học Amsterdam

ở Hà Lan

Hình minh họa quá trình dẫn đến sự bất ổn định cặp xung Các photon sinh ra trong ngôi sao chuyển hóa thành các cặp electron-positron Quá trình này làm giảm áp suất, cho phép

ngôi sao co lại thêm

Đa số các nhà thiên văn vật lí tin rằng những ngôi sao khối lượng lớn là phổ biến trong vũ trụ sơ khai, nhưng thật rất không chắc chắn cho một ngôi sao hình thành muộn hơn nhiều – như SN 2006gy phải trải qua nếu như nó bùng nổ cách nay chừng 240 triệu năm Một manh mối quan trọng cho nguồn gốc của ngôi sao SN 2006gy là ánh sáng sao siêu mới cho thấy nó có dồi dào hydrogen Điều này gây hoang mang vì một ngôi sao ở cận kề cái chết phải đốt sạch toàn bộ hydrogen của

nó

Portegies Zwart và van den Heuvel tin rằng thay vì là một ngôi sao khối lượng lớn cô lập đã già cỗi, sao SN 2006gy là sản phẩm của một loạt va chạm “bất kham” giữa các sao trong cụm sao trẻ và đậm đặc Những va chạm như thế có thể làm cho một ngôi sao lớn ngày càng lớn hơn bằng cách hấp thụ những ngôi sao trẻ giàu hydrogen Cuối cùng, một ngôi sao như thế có thể đủ lớn để trở thành sao siêu mới – nhưng nó cũng sẽ có một lượng đáng kể hydrogen từ ngôi sao sau cùng mà

với physicsworld.com rằng một khi sao siêu mới lụi tàn trong vòng 1 năm hay ngần

ấy thời gian thì cụm sao phải trở nên nhìn thấy được, sẽ mang lại cho họ một cách kiểm tra giả thuyết của mình

Hamish Johnston (physicsworld.com, 14/11/2007)

Phát hiện ra meson tích điện khác thường

Các nhà vật lí tại thí nghiệm Belle ở phòng thí nghiệm KEK, Nhật Bản, vừa phát hiện ra một hạt mới mang lại bằng chứng tốt nhất từ trước đến nay rằng một số meson chứa tới bốn quark chứ không phải hai như thông thường Được đặt tên là Z(4430), hạt mới này là một trong số vài ba hạt phát hiện ra tại Belle có vẻ không tuân theo “mẫu quark”, lí thuyết đã rất thành công ở việc phân loại các meson theo hai quark thành phần

Minh họa quá trình hình thành và phân hủy meson Z(4430) tại Belle

Được đưa ra vào thập niên 1960 bởi nhà khoa học sau này đạt giải thưởng Nobel vật lí Murray Gell-Mann, quark cho phép các nhà vật lí nhận thức về vô số các hạt sinh ra trong những thế hệ thí nghiệm máy gia tốc kế tiếp nhau Cùng với việc mô tả các proton và neutron quen thuộc, những hạt chứa ba quark, mô hình quark đã thành công ở việc phân loại nhiều meson chứa hai quark – hay chính xác hơn là một quark và một phản quark – giữ lại với nhau bằng lực mạnh

Tuy nhiên, mọi thứ bắt đầu sai lầm khoảng chừng 4 năm trước đây khi hai thí nghiệm – BaBar tại Trung tâm Máy gia tốc thẳng Stanford ở Mĩ, và Belle tại phòng thí nghiệm KEK ở Nhật Bản – bắt đầu phát hiện ra những meson có vẻ không phải

là những cặp đơn giản gồm quark và phản quark Những meson kì lạ này được tạo

ra ở cả hai tổ hợp bằng cách cho các electron và positron đập mạnh vào nhau