Trong không gian tối tăm, những khoảng trống dường như là những vùng không có gì cả, nhưng thực tế, ngay cả không gian giữa các vì sao, khi không có các hạt bụi, vẫn có khoảng vài nguyên tử hydro xuất hiện mỗi mét khối. Mới đây, những mô phỏng dường như chỉ có trong phim khoa học viễn tưởng đã chỉ ra rằng ánh sáng có thể, ít nhất là trong thế giới lượng tử, được tạo ra từ "hư không." Hãy cùng khám phá khái niệm "khoảng trống lượng tử."
Bạn có bao giờ tự hỏi làm thế nào một tia sáng có thể xuất hiện từ không khí mà không có cả một hạt bụi nhỏ nào? Lý thuyết trường lượng tử giải thích rằng ngay cả ở những vùng không gian hoàn toàn không có vật chất, vẫn tồn tại những hạt và sóng điện từ thoáng qua. Một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Oxford, dưới sự dẫn dắt của Zixin Zhang, đã thực hiện một loạt mô phỏng 3D bằng phần mềm OSIRIS, cho thấy rằng những chùm tia laser cực mạnh có thể gây ra sự rối loạn trong các hạt khác được đưa vào trường đó và sắp xếp chúng thành những dạng khác nhau.
Zhang và nhóm của cô đã thành công trong việc tạo ra hiện tượng mà vật lý lượng tử gọi là "trộn sóng bốn trong khoảng chân không." Hiện tượng này xảy ra khi hai hoặc ba bước sóng tương tác có thể tạo ra thêm một hoặc hai bước sóng mới mà không cần thêm bất kỳ yếu tố nào khác. Các cuộc nghiên cứu trước đây đã suy đoán rằng những quá trình đủ mạnh có thể làm phân cực hoặc thậm chí phá vỡ khoảng chân không. Khi ba chùm laser mạnh đã hợp lực trong các mô phỏng, chúng đã phân cực các cặp electron và positron trong khoảng chân không, những đối tượng này vừa đóng vai trò là hạt vừa là sóng (trong ngữ cảnh lượng tử). Hiện tượng phân cực khiến sóng dao động theo một hướng cụ thể so với nguồn phát.
“Khoảng chân không lượng tử được lấp đầy bởi những biến động năng lượng từ đó các cặp electron-positron ảo xuất hiện,” Zhang chia sẻ trong một bài nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Physics Communications. “Sự hiện diện của những hạt ảo này tạo ra những tính chất phi tuyến trong khoảng chân không, tương tác với các chùm tia laser mạnh đang lan truyền qua nó, thay đổi thuộc tính của chúng.”
Một hiện tượng kỳ lạ khác đã xuất hiện từ thí nghiệm này là hiện tượng tách màu (birefringence). Khi ánh sáng đi qua những trường điện từ mạnh, nó có thể trải qua sự thay đổi phân cực vì ánh sáng bị uốn cong theo hai cách khác nhau. Trong thế giới vật lý, các vật liệu tách màu thường được dùng để chế tạo lăng kính phân cực, với nhiều ứng dụng từ kính hiển vi đến nhiếp ảnh. Trong mô phỏng gần đây, hiện tượng tách màu khoảng chân không xảy ra khi phân cực của electron và positron thay đổi khi chúng đi qua các chùm laser.
Những chùm laser này không phải là những loại thông thường, chúng là các chùm laser petawatt. Các laser đa petawatt như Cơ sở Ánh sáng Cực đoan (ELI) tại Romania có khả năng phát ra hai chùm laser với công suất mỗi chùm lên tới 10 petawatt. Một petawatt tương đương với 1 triệu tỷ watt, tức khoảng 10.000.000.000.000 bóng đèn điện tiêu chuẩn.
Dù rằng các electron và positron trong các mô phỏng này thường không thể quan sát được, nhưng những mô phỏng gần đây đã chỉ ra rằng việc kích thích chúng bằng laser có thể thay đổi điều đó. Điều này mở ra cơ hội để thử nghiệm một số lý thuyết vật lý kỳ lạ bên ngoài màn hình máy tính, và trong tương lai, chúng ta có thể khám phá những hình dạng và xung nhịp kỳ lạ trong chùm laser.
Điều này đặc biệt hứa hẹn khi chúng ta đưa vào hoạt động thế hệ laser petawatt tiếp theo. Cơ sở Laser Trung tâm tại Vương Quốc Anh sẽ có một chùm laser chính có khả năng hoạt động ở mức 20 petawatt và được hỗ trợ bởi tám chùm laser ít mạnh hơn. Đại học Rochester tại New York cũng có kế hoạch đưa công nghệ xa hơn với dự án EP-OPAL, sẽ sản xuất hai chùm laser 25 petawatt, và một trong những thí nghiệm đầu tiên sẽ khám phá hiện tượng trộn sóng bốn, gây tán xạ photon.
“Nhìn về tương lai, thuật toán này có thể được áp dụng để nghiên cứu sự tương tác của các hình dạng xung mới và các chùm laser tập trung chặt chẽ,” nhóm nghiên cứu từ Oxford cho biết. “Các kết quả mô phỏng có thể bổ sung cho những công trình lý thuyết hiện có và cung cấp các tiêu chuẩn cho các thí nghiệm laser công suất cao trong tương lai.”
Elizabeth Rayne là một nhà viết lách, cô đã có nhiều tác phẩm 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. Hiện cô sống gần New York City cùng với con vẹt của mình, Lestat. Khi không viết lách, bạn có thể tìm thấy cô đang vẽ, chơi piano hoặc khám phá những hình dạng khác nhau.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a65046120/light-from-nothing/
Bạn có bao giờ tự hỏi làm thế nào một tia sáng có thể xuất hiện từ không khí mà không có cả một hạt bụi nhỏ nào? Lý thuyết trường lượng tử giải thích rằng ngay cả ở những vùng không gian hoàn toàn không có vật chất, vẫn tồn tại những hạt và sóng điện từ thoáng qua. Một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Oxford, dưới sự dẫn dắt của Zixin Zhang, đã thực hiện một loạt mô phỏng 3D bằng phần mềm OSIRIS, cho thấy rằng những chùm tia laser cực mạnh có thể gây ra sự rối loạn trong các hạt khác được đưa vào trường đó và sắp xếp chúng thành những dạng khác nhau.
Zhang và nhóm của cô đã thành công trong việc tạo ra hiện tượng mà vật lý lượng tử gọi là "trộn sóng bốn trong khoảng chân không." Hiện tượng này xảy ra khi hai hoặc ba bước sóng tương tác có thể tạo ra thêm một hoặc hai bước sóng mới mà không cần thêm bất kỳ yếu tố nào khác. Các cuộc nghiên cứu trước đây đã suy đoán rằng những quá trình đủ mạnh có thể làm phân cực hoặc thậm chí phá vỡ khoảng chân không. Khi ba chùm laser mạnh đã hợp lực trong các mô phỏng, chúng đã phân cực các cặp electron và positron trong khoảng chân không, những đối tượng này vừa đóng vai trò là hạt vừa là sóng (trong ngữ cảnh lượng tử). Hiện tượng phân cực khiến sóng dao động theo một hướng cụ thể so với nguồn phát.
“Khoảng chân không lượng tử được lấp đầy bởi những biến động năng lượng từ đó các cặp electron-positron ảo xuất hiện,” Zhang chia sẻ trong một bài nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Physics Communications. “Sự hiện diện của những hạt ảo này tạo ra những tính chất phi tuyến trong khoảng chân không, tương tác với các chùm tia laser mạnh đang lan truyền qua nó, thay đổi thuộc tính của chúng.”
Một hiện tượng kỳ lạ khác đã xuất hiện từ thí nghiệm này là hiện tượng tách màu (birefringence). Khi ánh sáng đi qua những trường điện từ mạnh, nó có thể trải qua sự thay đổi phân cực vì ánh sáng bị uốn cong theo hai cách khác nhau. Trong thế giới vật lý, các vật liệu tách màu thường được dùng để chế tạo lăng kính phân cực, với nhiều ứng dụng từ kính hiển vi đến nhiếp ảnh. Trong mô phỏng gần đây, hiện tượng tách màu khoảng chân không xảy ra khi phân cực của electron và positron thay đổi khi chúng đi qua các chùm laser.
Những chùm laser này không phải là những loại thông thường, chúng là các chùm laser petawatt. Các laser đa petawatt như Cơ sở Ánh sáng Cực đoan (ELI) tại Romania có khả năng phát ra hai chùm laser với công suất mỗi chùm lên tới 10 petawatt. Một petawatt tương đương với 1 triệu tỷ watt, tức khoảng 10.000.000.000.000 bóng đèn điện tiêu chuẩn.
Dù rằng các electron và positron trong các mô phỏng này thường không thể quan sát được, nhưng những mô phỏng gần đây đã chỉ ra rằng việc kích thích chúng bằng laser có thể thay đổi điều đó. Điều này mở ra cơ hội để thử nghiệm một số lý thuyết vật lý kỳ lạ bên ngoài màn hình máy tính, và trong tương lai, chúng ta có thể khám phá những hình dạng và xung nhịp kỳ lạ trong chùm laser.
Điều này đặc biệt hứa hẹn khi chúng ta đưa vào hoạt động thế hệ laser petawatt tiếp theo. Cơ sở Laser Trung tâm tại Vương Quốc Anh sẽ có một chùm laser chính có khả năng hoạt động ở mức 20 petawatt và được hỗ trợ bởi tám chùm laser ít mạnh hơn. Đại học Rochester tại New York cũng có kế hoạch đưa công nghệ xa hơn với dự án EP-OPAL, sẽ sản xuất hai chùm laser 25 petawatt, và một trong những thí nghiệm đầu tiên sẽ khám phá hiện tượng trộn sóng bốn, gây tán xạ photon.
“Nhìn về tương lai, thuật toán này có thể được áp dụng để nghiên cứu sự tương tác của các hình dạng xung mới và các chùm laser tập trung chặt chẽ,” nhóm nghiên cứu từ Oxford cho biết. “Các kết quả mô phỏng có thể bổ sung cho những công trình lý thuyết hiện có và cung cấp các tiêu chuẩn cho các thí nghiệm laser công suất cao trong tương lai.”
Elizabeth Rayne là một nhà viết lách, cô đã có nhiều tác phẩm 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. Hiện cô sống gần New York City cùng với con vẹt của mình, Lestat. Khi không viết lách, bạn có thể tìm thấy cô đang vẽ, chơi piano hoặc khám phá những hình dạng khác nhau.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a65046120/light-from-nothing/
