Trong không gian tối tăm, những khoảng trống có vẻ như hoàn toàn vắng lặng. Thậm chí ở khu vực vũ trụ giữa các thiên hà, nơi không có bụi mịn, vẫn tồn tại một số lượng nguyên tử hydro nhất định, khoảng vài nguyên tử trong mỗi mét khối. Giờ đây, những mô phỏng nghe như từ một bộ phim khoa học viễn tưởng đã chỉ ra rằng ánh sáng có thể được tạo ra từ hư vô, ít nhất là trong lĩnh vực cơ học lượng tử. Chào mừng bạn đến với không gian chân không lượng tử.
Bạn có bao giờ tự hỏi làm thế nào một chùm ánh sáng có thể xuất hiện từ không khí mà không có một hạt bụi nào xung quanh? Lý thuyết trường lượng tử đã giúp giải thích rằng ngay cả trong những khu vực không gian hoàn toàn trống rỗng, vẫn có những hạt và sóng điện từ thoáng qua. Thông qua một loạt các mô phỏng 3D (sử dụng phần mềm OSIRIS), một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Oxford, do Zixin Zhang dẫn dắt, đã phát hiện ra rằng những chùm tia laser mạnh mẽ có thể làm xáo trộn các hạt khác được đưa vào trường đó và sắp xếp lại chúng thành một dạng khác.
Zhang và nhóm của cô đã tạo ra ảo ảnh được dự đoán bởi vật lý lượng tử, gọi là trộn bốn sóng chân không. Khi hiện tượng này xảy ra, hai hoặc ba bước sóng tương tác có thể tạo ra một hoặc hai bước sóng mới mà không cần thêm bất kỳ thứ gì. Các nghiên cứu trước đây đã giả thuyết rằng các quy trình mạnh mẽ đủ có thể phân cực hoặc thậm chí phá vỡ chân không. Khi ba xung laser mạnh kết hợp trong các mô phỏng, chúng đã phân cực các cặp electron và positron trong chân không, những hạt này vừa đóng vai trò như hạt vừa như sóng (theo nghĩa lượng tử). Phân cực làm cho sóng dao động theo một hướng nhất định so với nguồn gốc của nó.
"Chân không lượng tử chứa đầy những dao động năng lượng, từ đó các cặp electron-positron ảo xuất hiện," Zhang cho biết trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Physics Communications. "Sự hiện diện của những hạt ảo này tạo ra các tính phi tuyến trong chân không, tương tác với các xung laser công suất cao di chuyển qua và làm thay đổi các đặc tính của chúng."
Hiện tượng khác cũng được sản xuất trong thí nghiệm này là lưỡng chiết. Khi ánh sáng đi qua các trường điện từ có cường độ lớn, nó có thể trải qua một sự thay đổi trong phân cực vì ánh sáng bị cong theo hai cách khác nhau. Trong thế giới vật lý, các vật liệu lưỡng chiết thường được sử dụng để làm các lăng kính phân cực, có ứng dụng từ vi sinh cho đến nhiếp ảnh. Trong mô phỏng gần đây, hiện tượng lưỡng chiết chân không đã xảy ra do phân cực của electron và positron thay đổi khi chúng đi qua các chùm laser.
Và không phải là những chùm laser thông thường đâu nhé! Chúng là các laser petawatt. Các laser đa petawatt như Cơ sở Ánh sáng Cực kỳ ở Romania có thể phát ra hai chùm laser với công suất 10 petawatt mỗi chùm. Một petawatt tương đương với 10^15 watt, tương đương khoảng 10.000.000.000.000 bóng đèn thông thường.
Mặc dù những electron và positron trong các mô phỏng này thường không thể quan sát được, nhưng mô phỏng gần đây cho thấy rằng việc chiếu laser vào chúng có thể thay đổi thực tế đó. Điều này mở ra một cánh cửa để thử nghiệm những vật lý kỳ lạ mà trước đây chỉ có thể thấy trên màn hình máy tính, và có thể một ngày nào đó, chúng ta sẽ khám phá được những hình dạng và xung động kỳ lạ trong các chùm laser.
Đặc biệt khi chúng ta đưa vào hoạt động làn sóng laser petawatt tiếp theo. Cơ sở Laser Trung tâm ở Vương quốc Anh sẽ có một chùm chính có thể hoạt động với công suất khoảng 20 petawatt, cộng thêm tám chùm laser phụ có công suất thấp hơn. Đại học Rochester ở New York cũng có kế hoạch phát triển hơn nữa với dự án EP-OPAL, tạo ra hai chùm 25 petawatt, và một trong những thí nghiệm đầu tiên của họ sẽ liên quan đến việc trộn bốn sóng để làm rối loạn photon.
"Nhìn về phía trước, các mô phỏng có thể được áp dụng để nghiên cứu tương tác của các hình dạng xung mới và các chùm laser được hội tụ chặt chẽ," nhóm nghiên cứu của Oxford cho biết. "Kết quả của các mô phỏng có thể bổ sung cho những công trình lý thuyết hiện có và cung cấp tiêu chuẩn cho các thí nghiệm laser công suất cao trong tương lai."
Elizabeth Rayne là một nhà văn. Công việc của cô đã xuất hiện trên các tạp chí như Popular Mechanics, Ars Technica, SYFY WIRE, Space.com, Live Science, Den of Geek, Forbidden Futures và Collective Tales. Cô sống gần New York City cùng với chú vẹt của mình, Lestat. Khi không viết, cô thường vẽ, chơi piano hoặc chuyển hình.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a65046120/light-from-nothing/
Bạn có bao giờ tự hỏi làm thế nào một chùm ánh sáng có thể xuất hiện từ không khí mà không có một hạt bụi nào xung quanh? Lý thuyết trường lượng tử đã giúp giải thích rằng ngay cả trong những khu vực không gian hoàn toàn trống rỗng, vẫn có những hạt và sóng điện từ thoáng qua. Thông qua một loạt các mô phỏng 3D (sử dụng phần mềm OSIRIS), một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Oxford, do Zixin Zhang dẫn dắt, đã phát hiện ra rằng những chùm tia laser mạnh mẽ có thể làm xáo trộn các hạt khác được đưa vào trường đó và sắp xếp lại chúng thành một dạng khác.
Zhang và nhóm của cô đã tạo ra ảo ảnh được dự đoán bởi vật lý lượng tử, gọi là trộn bốn sóng chân không. Khi hiện tượng này xảy ra, hai hoặc ba bước sóng tương tác có thể tạo ra một hoặc hai bước sóng mới mà không cần thêm bất kỳ thứ gì. Các nghiên cứu trước đây đã giả thuyết rằng các quy trình mạnh mẽ đủ có thể phân cực hoặc thậm chí phá vỡ chân không. Khi ba xung laser mạnh kết hợp trong các mô phỏng, chúng đã phân cực các cặp electron và positron trong chân không, những hạt này vừa đóng vai trò như hạt vừa như sóng (theo nghĩa lượng tử). Phân cực làm cho sóng dao động theo một hướng nhất định so với nguồn gốc của nó.
"Chân không lượng tử chứa đầy những dao động năng lượng, từ đó các cặp electron-positron ảo xuất hiện," Zhang cho biết trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Physics Communications. "Sự hiện diện của những hạt ảo này tạo ra các tính phi tuyến trong chân không, tương tác với các xung laser công suất cao di chuyển qua và làm thay đổi các đặc tính của chúng."
Hiện tượng khác cũng được sản xuất trong thí nghiệm này là lưỡng chiết. Khi ánh sáng đi qua các trường điện từ có cường độ lớn, nó có thể trải qua một sự thay đổi trong phân cực vì ánh sáng bị cong theo hai cách khác nhau. Trong thế giới vật lý, các vật liệu lưỡng chiết thường được sử dụng để làm các lăng kính phân cực, có ứng dụng từ vi sinh cho đến nhiếp ảnh. Trong mô phỏng gần đây, hiện tượng lưỡng chiết chân không đã xảy ra do phân cực của electron và positron thay đổi khi chúng đi qua các chùm laser.
Và không phải là những chùm laser thông thường đâu nhé! Chúng là các laser petawatt. Các laser đa petawatt như Cơ sở Ánh sáng Cực kỳ ở Romania có thể phát ra hai chùm laser với công suất 10 petawatt mỗi chùm. Một petawatt tương đương với 10^15 watt, tương đương khoảng 10.000.000.000.000 bóng đèn thông thường.
Mặc dù những electron và positron trong các mô phỏng này thường không thể quan sát được, nhưng mô phỏng gần đây cho thấy rằng việc chiếu laser vào chúng có thể thay đổi thực tế đó. Điều này mở ra một cánh cửa để thử nghiệm những vật lý kỳ lạ mà trước đây chỉ có thể thấy trên màn hình máy tính, và có thể một ngày nào đó, chúng ta sẽ khám phá được những hình dạng và xung động kỳ lạ trong các chùm laser.
Đặc biệt khi chúng ta đưa vào hoạt động làn sóng laser petawatt tiếp theo. Cơ sở Laser Trung tâm ở Vương quốc Anh sẽ có một chùm chính có thể hoạt động với công suất khoảng 20 petawatt, cộng thêm tám chùm laser phụ có công suất thấp hơn. Đại học Rochester ở New York cũng có kế hoạch phát triển hơn nữa với dự án EP-OPAL, tạo ra hai chùm 25 petawatt, và một trong những thí nghiệm đầu tiên của họ sẽ liên quan đến việc trộn bốn sóng để làm rối loạn photon.
"Nhìn về phía trước, các mô phỏng có thể được áp dụng để nghiên cứu tương tác của các hình dạng xung mới và các chùm laser được hội tụ chặt chẽ," nhóm nghiên cứu của Oxford cho biết. "Kết quả của các mô phỏng có thể bổ sung cho những công trình lý thuyết hiện có và cung cấp tiêu chuẩn cho các thí nghiệm laser công suất cao trong tương lai."
Elizabeth Rayne là một nhà văn. Công việc của cô đã xuất hiện trên các tạp chí như Popular Mechanics, Ars Technica, SYFY WIRE, Space.com, Live Science, Den of Geek, Forbidden Futures và Collective Tales. Cô sống gần New York City cùng với chú vẹt của mình, Lestat. Khi không viết, cô thường vẽ, chơi piano hoặc chuyển hình.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a65046120/light-from-nothing/
