Tin tức Vật Lý

[DHA-AHD]

Theo dõi được chuyển động của các electron bên trong phân tử
Các nhà vật lí ở châu Âu vừa thành công trong việc nhìn thoáng qua chuyển động của các electron trong các phân tử. Các kết quả trên có lợi ích to lớn cho thế giới nghiên cứu. Biết được các electron bên trong phân tử chuyển động như thế nào sẽ thuận tiện cho các quan sát và cung cấp thêm kiến thức cho chúng ta về các phản ứng hóa học.


Động lực học electron trong phân tử hydrogen theo sự ion hóa phát quang bởi một xung laser atto giây. Electron còn lại trong phân tử (vẽ mô tả bằng màu xanh lục) được đo bằng thực nghiệm và được chứng tỏ có diện mạo nhấp nhô như đồi núi. Các ngọn đồi và thung lũng lần lượt tương ứng với xác suất cao tìm thấy electron ở bên trái và bên phải của phân tử. © Christian Hackenberger

Công bố trên tạp chí Nature, nghiên cứu được sự ủng hộ của ba dự án do EU tài trợ.

Các nhà vật lí, đứng đầu là giáo sư Marc Vrakking, giám đốc Viện Max Born Quang học Phi tuyến và Quang phổ Xung Ngắn ở Đức, đã sử dụng các xung laser atto giây để thực hiện thành tựu kĩ thuật mới nhất này. Các nhà khoa học không thể quan sát chuyển động này trước đây vì sự chuyển động quá nhanh của các electron.

Một atto giây là một phần tỉ tỉ của một giây. Ánh sáng truyền đi một quãng đường chưa tới một phần triệu của một mm trong thời gian một atto giây. Về cơ bản đây là khoảng cách từ một đầu của một phân tử nhỏ đến đầu kia. Bằng cách tạo ra các xung laser atto giây, các nhà khoa học có thể chụp ‘ảnh’ của các chuyển động electron bên trong các phân tử.

Với mục đích của nghiên cứu này, các nhà vật lí khảo sát phân tử hydrogen (H2) – với chỉ hai proton và hai electtron, các chuyên gia gọi H2 là ‘phân tử đơn giản nhất’. Đội nghiên cứu sử dụng laser atto giây của họ để xác định sự ion hóa xảy ra như thế nào bên trong một phân tử hydrogen. Trong quá trình ion hóa, một electron bị lấy khỏi phân tử còn trạng thái năng lượng của electron kia thì thay đổi.

‘Trong thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi có thể lần đầu tiên chứng tỏ với sự hỗ trợ của một laser atto giây rằng chúng tôi thật sự có khả năng quan sát thấy chuyển động của các electron trong các phân tử’, giáo sư Vrakking giải thích. ‘Trước tiên, chúng tôi chiếu một xung laser atto giây vào một phân tử hydrogen. Việc này dẫn đến sự loại một electron ra khỏi phân tử đó – phân tử bị ion hóa. Ngoài ra, chúng tôi còn tách phân tử đó thành hai phần, sử dụng một chùm laser hồng ngoại, giống hệt như một cặp kéo nhỏ xíu’, ông bổ sung thêm. ‘Điều này cho phép chúng tôi khảo sát điện tích tự phân bố như thế nào giữa hai phần đó – vì một electron bị lấy mất, một mảnh sẽ là trung hòa và mảnh kia thì tích điện dương. Chúng tôi biết nơi electron còn lại có thể tìm thấy đó là trong phần trung hòa’.

Trong gần 30 năm qua, các nhà khoa học đã sử dụng các laser femto giây để khảo sát các phân tử và nguyên tử. Một femto giây là một phần triệu tỉ của một giây, nó chậm hơn một atto giây 1000 lần. Thật dễ theo dõi chuyển động của các phân tử và nguyên tử khi sử dụng các laser femto giây.

Các nhà khoa học đã giúp xúc tiến công nghệ này bởi việc phát triển các laser atto giây, chúng đang mang lợi ích đến cho các ngành khoa học tự nhiên, trong đó có nghiên cứu vừa trình bày ở đây.

Nhận xét về các phép tính và sự phức tạp của vấn đề, đồng tác giả tiến sĩ Matthias Kling ở Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Đức, nói: ‘Chúng tôi phát hiện đó còn là trạng thái kích thích kép, tức là với sự kích thích của cả hai electron của phân tử hydrogen, có thể góp phần cho cơ sở động học đã quan sát thấy’.

Giáo sư Vrakking kết luận: ‘Chúng tôi không – như ban đầu dự tính – giải quyết được vấn đề đó. Trái lại, chúng tôi đơn thuần chỉ là mở ra một cánh cửa mới mà thôi. Nhưng trên thực tế kết quả này khiến cho toàn bộ dự án quá trình hơn và hấp dẫn hơn rất nhiều’.

PhysOrg.com

[DHA-AHD]

Công lao của Galvani và Volta
Galvani (1737– 1798), nhà vật lý học và nhà y học người Ý đã góp công lớn trong việc xây dựng nền móng cho ngành kỹ thuật điện. Ông Galvani có một phòng thí nghiệm khá đủ tiện nghi để vừa dạy học, vừa tìm tòi nghiên cứu. Một hôm Galvani giảng một bài trong đó dùng tới một con nhái đã lột da. Do tình cờ con vật được đặt trên chiếc bàn mặt kim loại. Khi giảng tới sự phức tạp của các đường gân và các bắp thịt, Galvani lấy xiên đâm vào đùi con nhái. Bỗng nhiên chân nhái co giật lại.

Galvani hết sức ngạc nhiên. Thử lại mấy lần, ông đều thấy như vậy. Sau vài ngày tìm hiểu, Galvani thấy rằng chân nhái co giật khi đầu xiên đâm vào và chạm tới mặt bàn kim loại.
Một ngày khác, Galvani dùng một móc đồng phơi khô một đôi chân nhái phía trên thanh sắt bao lơn. Galvani nhận thấy gió thổi, đưa đi đưa lại đôi chân con vật và cứ mỗi khi đôi chân này chạm vào thành bao lơnt hì lại co giật. Ông ngẫm nghĩ về hiện tượng kỳ lạ này và cố gắng tìm lời giải đáp. Bỗng dưng, một ý tưởng hiện ra trong óc ông: điện! Galvani kết luận rằng có điện tại mọi vật, ngày cả trong đôi chân nhái. Thứ điện này được ông gọi là “điện của sinh vật”.
Galvani liền viết một bài báo nói về sự tìm kiếm của mình. Cả châu Âu phải sửng sốt về điều tìm thấy mới lạ này và điện của sinh vật trở nên đầu đề cho các câu chuyện khoa học thời bấy giờ. Ngày nay, chúng ta biết rằng Galvani đã nhầm lẫn ở chỗ gọi điện của sinh vật và ông ta không tìm ra điện ở đâu mà có. Tuy nhiên điều nhận xét của Galvani đã mở đường cho công việc chế tạo điện bằng kim loại và hóa chất sau này.


Năm 1780, Luigi Galvani đã phát hiện ra rằng, khi chạm hai thanh kim loại khác nhau vào đùi một con ếch (chiếc đùi này đã tách rời khỏi cái thân ếch đã chết), một dòng điện sẽ tạo ra và làm cho chiếc đùi đạp một cái. Phát minh của Galvani đã góp phần to lớn vào việc sử dụng các thiết bị điện để chữa bệnh.
[IMG]http://vatly.webdayhoc.net/images/stories/lichsu-danhnhan
/LS_DTu_Galvani%20(2).jpg[/IMG]

Công lao của Galvani đối với khoa học:
Galvani đã sai lầm khi cho rằng có thể sinh vật tự sinh ra điện nhưng chính sai lầm này của ông rất có lợi vì nó đưa đến khám phá rằng các dây thần kinh mang xung điện và khai sinh ra lĩnh vực điện hóa học.

Alessandro Volta:


Alessandro Volta (1745-1827) là Giáo Sư Vật Lý tại trường Đại Học Pavie nước Ý. Ông đã khảo cứu nhiều về điện học và đã tìm cách tăng hiệu quả của chai tụ điện. Từ khi Galvani phổ biến các nhận xét về điện thì tại các phòng thí nghiệm của châu Âu, các nhà khoa học đã làm nhiều thí nghiệm về đôi chân nhái. Có người lại dùng dây dẫn điện nối chai Leyde với đôi chân nhái và đã thấy đôi chân con vật bị co giật mạnh gấp bội. Do thí nghiệm này, nhiều nhà khoa học bắt đầu nghi ngờ lý thuyết điện của sinh vật. Volta thử lại thí nghiệm của Galvani và lúc đầu chấp nhận ý kiến của Galvani. Nhưng về sau, chính Volta đã chứng minh sự lầm lẫn của Galvani. Theo Volta thì cơ thể con vật chỉ là một chất dẫn điện thường. Điện sinh ra trong các kim loại dị chất đã kích thích các dây thần kinh, và làm hoạt động các cơ. Nói cách khác con vật không thể vừa là chủ động vừa là bị động. Con vật chỉ bị động do điện sinh ra từ bên ngoài nó. Mặt khác, Volta thấy rằng chỉ có sự co giật khi chân nhái được đặt lên mặt bàn bằng kim loại và được đâm bằng một thứ xiên kim loại. Còn trong trường hợp chân nhái treo trên thanh sắt bao lơn bằng một móc đồng, chân nhái chỉ co giật khi chạm vào thanh sắt. Như vậy cần phải có hai thứ kim loại khác nhau để có sự co giật đó. Và để chứng minh sự lầm lẫn của sự Galvani, Volta tạo ra điện với một thanh đồng và một thanh kẽm mà không cần có cơ thể con ếch.
Volta đã làm các miếng tròn bằng đồng và kẽm rồi xếp một miếng đồng cách một miếng kẽm bằng một miếng giấy xốp tẩm dung dịch muối ăn. Sau đó ông nối hai miếng trên cùng và dưới cùng của chồng các miếng tròn bằng một sợi dây dẫn điện, Volta đã thấy dòng điện chạy qua. Như vậy máy phát điện của nhân loại đã ra đời dưới tên gọi là “pin Volta”. Sở dĩ có danh từ “pile” vì đây là một chồng các miếng tròn bằng đồng và kẽm.

Cách biện luận của Volta mang đến kết quả hết sức hữu ích vì nhờ đó mới có hai phát minh rất quan trọng, thứ nhất là pin Volta và thứ nhì là nền tảng cho khoa điện sinh lý học.
Sau đó, Volta tự ép mình làm việc thật vất vả để hoàn tất phát minh pin điện của mình. Ông bắt tay vào những thí nghiệm về các kim loại và hơn thế nữa, về một số lớn chất lỏng. Các thí nghiệm đã giúp ông thiết lập nguyên lý mà theo đó các sức điện động cộng thêm vào nhau khi chúng được cấu tạo từng cặp kim loại ghép với nhau theo cùng một thứ tự. Vd: Đồng- Acid, Kẽm- Đồng, Acid- Kẽm,…
Danh từ pilepin có nguồn gốc từ một từ Latin: “pilum” có nghĩa là cột trụ. Quả thật pin Volta là “cây cột” trên đó người ta xây đắp cả “tòa nhà của Điện Học hiện đại” ngày nay.
Công lao của Volta đối với sự phát triển của điện - từ học:
Volta là người đã tạo ra nguồn điện một chiều đầu tiên. 1801, Napoleon đã phong Volta là bá tước, và tên ông được lấy làm đơn vị của hiệu điện thế.
Ông được xếp vào những nhà khoa học hàng đầu trong lịch sử Vật Lý nhờ phát minh “Bình phát cảm ứng điện vĩnh cửu” (1775) mà ông gọi là nguồn gốc các động cơ cảm ứng từ tương lai. Ngoài ra, nhân loại còn mang ơn ông đã sáng chế ra khí nhiên kế, mà ngày nay dùng để đo lượng oxygen có trong không khí; máy đong điện (1782) và máy điện nghiệm. Cũng chính ông là người đầu tiên khám phá ra khí bốc lên từ các đầm lầy, mà ngày nay gọi là khí mêtan (CH4).

[Zezima]

Giăng buồm trong hệ mặt trời
Được đẩy đi tới bằng áp suất của ánh sáng mặt trời, những cánh buồm lớn khối lượng nhỏ chế tạo bằng plastic tráng nhôm cực mỏng một ngày nào đó có thể sẽ khảo sát đến biên giới của hệ mặt trời của chúng ta và những vì sao khác nưa

Một trong các camera có thể triển khai trên phi thuyền IKAROS của Cơ quan Thám hiểm Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) cho thấy cánh buồm đẩy bằng năng lượng mặt trời là hoàn toàn khả thi. Ảnh: Hội Hành tinh học/JAXA

Bằng cách lắp đặt những mảnh vải bạt lớn trên tàu thuyền, các nhà thám hiểm buổi đầu đã khai thác năng lượng gió để đi lại trên khắp cõi đại dương. Giờ các nhà thám hiểm vũ trụ hiện đại muốn sử dụng các cánh buồm để đưa phi thuyền vũ trụ đến những biên giới xa xôi của hệ mặt trời và ngoài đó nữa. Những cánh buồm này sẽ chế tạo từ những tấm vải plastic lớn, cực mỏng, thay vì sức gió, sẽ được đẩy đi tới bằng ánh sáng mặt trời.

Các hạt ánh sáng, hay photon, tác dụng một áp suất nhỏ khi chúng bật khỏi một bề mặt phản xạ. Kể từ khi James Maxwell chứng tỏ rằng ánh sáng tác dụng áp suất vào thập niên 1860, các nhà thám hiểm vũ trụ đã hình dung đến việc giăng buồm mặt trời. Những phát triển mới đầy thú vị trong năm nay đã và đang biến cái nhìn xa của họ thành thực tế.

Hồi tháng 5, Cơ quan Thám hiểm Vũ trụ Nhật Bản đã phóng thành công IKAROS, phi thuyền đầu tiên sử dụng cánh buồm mặt trời để làm sức đẩy trong vũ trụ. Phi thuyền trên hoàn thành việc giăng buồm trong tháng 6 và hiện đang tăng tốc về hướng Kim tinh dưới áp suất mặt trời. Hai cánh buồm mặt trời nữa cũng sắp lộ diện ở chân trời: NASA có kế hoạch phóng một cánh buồm lên trong mùa thu này, còn Hội Hành tinh học đang nhắm tới một cái tương tự vào năm 2011.

Tại Hội nghị Quốc tế Lần thứ 2 về Giăng buồm Mặt trời (ISSS 2010), tổ chức tại trường Cao đẳng Kĩ thuật thành phố New York hồi tháng 7, 60 chuyên gia từ khắp thế giới đến dự đã nhất trí tán thành rằng “công nghệ giăng buồm mặt trời có thể triển khai cho các hoạt động bay trong vũ trụ”. Ủy ban trên khuyến nghị nên tăng tốc phát triển và kiểm tra công nghệ này.

“Giăng buồm mặt trời là công nghệ duy nhất được biết mà chúng ta có trên trái đất một ngày nào đó sẽ đưa chúng ta đến với các vì sao”, Louis Friedman, chủ tịch Hội Hành tinh học phát biểu.

Những cánh buồm ngập nắng lướt nhanh

Phi thuyền vũ trụ đẩy bằng buồm có thể dùng để theo dõi trái đất hoặc tiếp cận Mặt trời để nghiên cứu các cơn bão và tai lửa mặt trời. Chúng còn có thể dùng để điều chỉnh quỹ đạo của các vệ tinh đang quay xung quanh Trái đất. Nhưng tầm với và tiềm năng thật sự của chúng còn xa hơn nữa: các chuyên gia tin rằng chúng là hệ thống đẩy tốt nhất dùng cho thám hiểm các biên giới ngoài cùng của hệ mặt trời và một ngày nào đó là cả những vì sao khác nữa. Đó là vì không giống như các tên lửa, chúng không đòi hỏi nhiên liệu và chúng thu vận tốc liên tục hễ khi nào có ánh sáng chạm vào chúng; cuối cùng chúng có thể cho phi thuyền bay đi nhanh hơn cả cái tên lửa làm được.

Ảnh minh họa cánh buồm mặt trời LightSail-1 của Hội Hành tinh học. Ảnh: Hội Hành tinh học

“Nếu bạn muốn đi thật sự nhanh chóng đến rìa ngoài của hệ mặt trời, thì bạn nên sử dụng cánh buồm mặt trời”, theo Les Johnson, trưởng ban đại diện của Phòng Các ý tưởng Cấp tiến tại Trung tâm Bay Vũ trụ Marshall của NASA. “Một hệ thống hóa học [thí dụ như] tên lửa sẽ tiêu thụ hết chất khí từ lâu trước khi chúng đến nơi đó. Với các cánh buồm mặt trời, miễn là còn có Mặt trời, bạn vẫn tiếp tục giữ vững hành trình thẳng tiến”.

Các cánh buồm mặt trời hiện nay thường chế tạo bằng các màng mỏng plastic tráng nhôm với bề dày bằng một phần nhỏ của một túi đựng rác. Những chất liệu nhẹ khác như alumina hoặc sợi carbon cũng đã và đang được kiểm nghiệm. Để thu lấy càng nhiều áp suất càng tốt từ ánh sáng mặt trời, chúng cần phải to. Cosmos-1 của Hội Hành tinh học, chẳng hạn, thiết bị không đạt tới quỹ đạo do tên lửa bị hỏng, có diện tích bề mặt là 600 mét vuông, bằng khoảng 1,5 lần kích thước của một sân bóng rổ.

Để đi tới vùng biên của hệ mặt trời sẽ đòi hỏi những cánh buồm rất lớn. Johnson hình dung các cánh buồm thế hệ tiếp theo sẽ phải có mỗi cạnh dài hàng trăm mét. Chúng sẽ triển khai gần Mặt trời để thu lực đẩy và tốc độ cao để chúng có thể lao qua phần hành trình còn lại qua hệ mặt trời.

Trong ba năm, một cánh buồm mặt trời có thể đạt tới tốc độ 150.000 dặm/giờ. Ở tốc độ đó, nó có thể đi tới Diêm Vương tinh trong thời gian chưa tới 5 năm. Các phi thuyền Voyager của NASA mất hơn 12 năm mới đi tới một cự li tương tự. Phi thuyền mới nhất đang hướng về phiad Diêm Vương tinh, sứ mệnh New Horizons của NASA, sẽ mất 9 năm để đi tới mục tiêu của nó; nó sử dụng kết hợp sức đẩy tên lửa và mượn sức hút hấp dẫn để tăng tốc.

Friedman tin rằng một phi thuyền vũ trụ đẩy bằng buồm dùng cho thám hiểm Vành đai Kuiper là có thể trong vòng 9 năm tới. Vượt ngoài quỹ đạo của Mộc tinh, năng lượng từ ánh sáng mặt trời quá yếu để giữ cho các cánh buồm tăng tốc, cho nên để đi ra khỏi hệ mặt trời của chúng ta, phi thuyền có thể cần thêm lực đẩy hỗ trợ. Theo Friedman, ánh sáng có thể cung cấp lực đẩy đó bằng một laser do mặt trời cấp nguồn đặt trên quỹ đạo xung quanh Mặt trời tại một điểm giữa bên trong hệ mặt trời.

Căng buồm cho tương lai

Trải nghiệm đầu tiên của NASA với khái niệm giăng buồm mặt trời xuất hiện vào năm 1974 với phi thuyền Mariner 10, phi thuyền được thiết kế để bay ngang qua Kim tinh và Thủy tinh. Khi hướng bay của phi thuyền cần phải thay đổi và nó đã sử dụng hết chất khí dùng cho tên lửa, các nhà điều khiển đã cho xoay các tấm mặt trời của nó đối mặt trước Mặt trời và làm đổi hướng bay của phi thuyền bằng áp suất mặt trời.

Từ năm 2001 đến 2005, NASA đã chế tạo hai cánh buồm 20 mét được kiểm tra thành công trên mặt đất dưới các điều kiện chân không. Nhưng việc tài trợ cho các dự án đó bị cắt vào năm 2005. Cùng thời gian này, các vệ tinh nhỏ gọn gọi là CubeSats xuất hiện trên vũ đài, mang lại một cơ hội giá thành thấp để phóng một cánh buồm mặt trời.

NanoSail-D của NASA sau một phép triển khai thử thành công trong phòng thí nghiệm. Sau nỗ lực đầu tiên thất bại, NASA có kế hoạch phóng NanoSail-D một lần nữa trong mùa thu này. Ảnh: NASA

Kết quả là NanoSail-D, một cánh buồm hình kim cương mỗi cạnh 3 mét cấu tạo gồm bốn miếng hình tam giác và gói gọn trong một phi thuyền 4,5 kg kích cỡ chừng bằng một chiếc máy bay mô hình. Năm 2008, NanoSail-D đã được phóng trên tên lửa Falcon-1, nhưng nó thất bại, không đạt tới quỹ đạo.

Các nhà khoa học tại Trung tâm Bay Vũ trụ Marshall của NASA có kế hoạch phòng NanoSail-D một lần nữa trong mùa thu này. Trong khi đó, Hội Hành tinh học đang xây dựng LightSail-1, một cánh buồm 32 mét vuông sẽ cân nặng chưa tới 5 kg.

Tính đến thời điểm phóng phi thuyền IKAROS của Nhật Bản hồi tháng 5 rồi, không có cánh buồm mặt trời nào từng được triển khai trong không gian chủ yếu để lấy sức đẩy. IKAROS của một cánh buồm năng lượng mặt trời sử dụng áp suất của Mặt trời làm sức đẩy và có nhúng các tế bào mặt trời màng mỏng để phát điện. Cánh buồm hình vuông cạnh dài 10 mét đó đã được triển khai và giữ phẳng do chuyển động quay tròn của phi thuyền và các đối trọng gắn liền với bốn góc của nó. Đây là nét độc đáo của thiết kế kiểu Nhật, Friedman nói, ông gọi sứ mệnh trên là “một thành tựu lớn và một bước tiến quan trọng hướng đến công nghệ bay bằng buồm mặt trời”.

Trái lại, LíghtSail và NanoSail triển khai cánh buồm bằng một cột buồm rắn chắc từ đó các mảnh buồm gắn vào. Thiết kế mang tính truyền thống hơn này có xu hướng nặng hơn thiết kế IKAROS.

Johnson cho biết thách thức lớn nhất đang chờ các kĩ sư NASA ở phía trước là chế tạo các cột buồm nhẹ hơn. Tổng khối lượng của cánh buồm càng thấp, thì nó gia tốc càng nhiều từ lực đẩy của Mặt trời. Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các chất liệu nhẹ, dai dùng làm cấu trúc trụ đỡ.

Giống hệt như các nhà thám hiểm thời xa xưa sử dụng những cánh buồm lộng gió để đi tìm ‘những thế giới mới’ trên các vùng biển chưa được lập hải đồ, có lẽ một ngày nào đó công nghệ giăng buồm mặt trời sẽ cho phép loài người đi ra khỏi hệ mặt trời của chúng ta và đến thăm những thế giới mới và những thế giới của người ngoài hành tinh ở đâu đó trong thiên hà của chúng ta.

Nguồn: Astrobio.net (Prachi Patel), PhysOrg.com

[Zezima]

Tìm thấy các ranh giới fractal trong tinh thể
Những người thợ rèn làm móng ngựa bằng cách đốt nóng, đập và uốn sắt, nhưng có bao giờ bạn hỏi cái gì đang xảy ra với từng nguyên tử kim loại trong một quá trình như vậy? Các nhà nghiên cứu Cornell, sử dụng mô phỏng điện toán, đang cung cấp cái nhìn mới về cách thức các nguyên tử trong tinh thể sắp xếp lại khi vật liệu bị uốn cong và định hình.

Hai ảnh trên là ảnh mẫu fractal sau khi kéo căng chạy mô phỏng trên máy tính. Còn hai ảnh dưới là ảnh chụp hiển vi từ một đơn tinh thể đồng và đơn tinh thể nhôm sau khi kéo căng.

Các nhà nghiên cứu vừa sáng tạo ra các chương trình tổng hợp trên máy tính mô phỏng các kim loại như nhôm và đồng sẽ trông như thế nào ở cấp độ nguyên tử khi bị kéo căng ra, đốt nóng và nguội đi. Họ mô phỏng cách thức các tinh thể, với các nguyên tử bắt đầu trong một mạng lưới đều đặn, biến đổi khi chúng bị bẻ cong thành những hình dạng khác nhau.

Những lí thuyết mới như vậy có thể mang đến sự hiểu biết tốt hơn về các vật liệu cấu trúc, từ các tòa nhà đến cầu đường, giúp chúng đỡ bị nứt vỡ hơn.

“Thật ra, chúng ta đang ở vào giai đoạn mới bắt đầu thử phát triển một lí thuyết có hệ thống của cách thức các vật liệu tiến triển khi chúng ta biến đổi sức căng và nhiệt độ”, phát biểu của James Sethna, giáo sư vật lí tại trường Đại học Cornell, người đứng đầu nghiên cứu trên.

Công trình của họ được công bố trên số ra ngày 01/09 của tạp chí Physical Review Letters, một ấn phẩm của Hội Vật lí Hoa Kì.

Khi một đơn tinh thể bị bẻ cong, các phần của tinh thể dịch chỗ và tạo ra các khiếm khuyết trong cấu trúc mạng gọi là các lệch mạng. Các nhà nghiên cứu nhận thấy các tinh thể của họ biểu hiện các tính chất trái ngược nhau hoàn toàn tùy thuộc vào nhiệt độ.

Khi các tinh thể nóng bị uốn cong, các lệch mạng sắp xếp thành các ranh giới hạt, là nơi các mặt phẳng mạng đột ngột nghiêng đi. Ở nhiệt độ thấp, các lệch mạng hình thành nên những khuôn mẫu ngẫu nhiên, giống nhau gọi là các fractal.

Nguồn: PhysOrg.com

[Zezima]

Sứ mệnh Solar Probe Plus lao thẳng vào khí quyển Mặt trời
NASA đã bắt đầu phát triển một sứ mệnh đến thăm và nghiên cứu mặt trời ở cự li gần hơn bất kì sứ mệnh nào từ trước đến nay. Dự án không có tiền lệ ấy, tên gọi là Solar Probe Plus, dự kiến sẽ rời bệ phóng không muộn hơn năm 2018.

Phi thuyền Solar Probe Plus với các tấm mặt trời gấp thành các lá chắn bảo vệ của nó, thu thập dữ liệu khi nó tiếp cận với Mặt trời. Ảnh: JHU/APL

Phi thuyền vũ trụ cỡ nhỏ bằng chiếc xe hơi sẽ lao thẳng vào khí quyển của mặt trời ở cự li cách bề mặt ngôi sao của chúng ta chừng bốn triệu dặm. Nó sẽ khảo sát một vùng chưa có phi thuyền nào trước đây từng chạm tới. NASA đã chọn ra năm nghiên cứu khoa học sẽ vén màn những bí ẩn lớn nhất của mặt trời.

“Các thí nghiệm được chọn cho Solar Probe Plus được thiết kế đặc biệt để giải hai câu hỏi chủ yếu của ngành vật lí nghiên cứu mặt trời – tại sao khí quyển bên ngoài của mặt trời nóng hơn nhiều so với bề mặt nhìn thấy của ngôi sao và cái gì đẩy gió mặt trời ra làm ảnh hưởng đến trái đất và hệ mặt trời của chúng ta?”, phát biểu của Dick Fisher, giám đốc Phân viện Vật lí Mặt trời của NASA ở Washington. “Chúng ta đã vật lộn với những câu hỏi như thế này hàng thập niên rồi và sứ mệnh này cuối cùng sẽ mang lại những câu trả lời đó”.

Khi phi thuyền trên tiếp cận mặt trời, lá chắn nhiệt carbon-composite tiên tiến của nó phải chống chọi với nhiệt độ vượt quá 2550 độ Fahrenheit và những đợt bùng phát bức xạ mạnh. Phi thuyền sẽ cung cấp tầm nhìn gần và trực tiếp vào mặt trời, cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn, mô tả và dự báo tốt hơn môi trường bức xạ cho các chuyến thám hiểm vũ trụ trong tương lai.

Hồi năm 2009, NASA đã mời các nhà nghiên cứu đưa ra các đề xuất khoa học. Mười ba đề xuất đã được đánh giá bởi một ủy ban của NASA và các nhà khoa học ngoài. Tổng chi phí đầu tư cho năm nghiên cứu được chọn là xấp xỉ 180 triệu USD cho việc phân tích, thiết kế sơ bộ, phát triển và kiểm tra.

“Dự án này cho phép tài khéo léo của con người đi tới nơi chưa có phi thuyền nào từng tới trước đây”, phát biểu của Lika Guhathakurta, nhà khoa học thuộc chương trình Solar Probe Plus tại tổng hành dinh của NASA ở Washington. “Đây là lần đầu tiên chúng ta sẽ có thể chạm, nếm và ngửi mặt trời của chúng ta”.

Nguồn: JPL/NASA, PhysOrg.com

[Zezima]

Từ trường mặt trời là cong môi trường xung quanh nó

Các cột sáng màu cam rực rỡ của vòng cung chất khí tích điện, siêu nóng (plasma) phát ra từ bề mặt Mặt trời, làm hé lộ cấu trúc của từ trường mặt trời dâng lên thẳng đứng phía trên một vết đen. Ảnh: Hinode, JAXA/NASA

Từ trường trải rộng của Mặt trời mang lại một lá chắn thiết yếu cho các nhà du hành vũ trụ; nếu không có nó, họ sẽ phải hứng chịu những tia vũ trụ chết chóc đến từ bên ngoài hệ mặt trời. Nay một nhóm nghiên cứu ở Anh và Mĩ vừa đưa ra một lời giải thích làm thế nào từ trưởng bảo vệ này được sinh ra và duy trì bởi những quá trình dữ dội tại bề mặt Thái dương. Các kết quả mang lại một cái nhìn sâu sắc nữa vào từ trường mặt trời – một hệ vật lí hết sức phức tạp.

Giống như trái đất, chuyển động hỗn loạn của phần bên trong Mặt trời tạo ra một từ trường quy mô lớn có thành phần chính là một lưỡng cực. Nhưng trong khi trường lưỡng cực của trái đất đảo chiều một lần trong mỗi hàng triệu năm, thì từ trường của Mặt trời lại đảo chiều nhanh hơn, với cực bắc và nam của nó đảo lại trong mỗi 11 năm.

Sự có mặt của từ trường Mặt trời còn tạo ra nhật quyển, một cấu trúc kiểu bọt bóng rộng mênh mông bao xung quanh Mặt trời. Nhật quyển được điều khiển và duy trì bởi gió mặt trời, dòng hạt tích điện phát ra liên tục từ khí quyển tầng trên của Mặt trời. Dòng từ tuôn chảy còn bị kéo vào nhật quyển với gió mặt trời, tạo ra cái các nhà thiên văn vật lí gọi là từ trường “mở” của Mặt trời.

Hơn 50 năm qua, các phi thuyền đã có thể quan sát trực tiếp từ trường mở đó, cho phép các nhà vật lí nghiên cứu mặt trời tìm kiếm các kiểu biến thiên của nó. Đặc biệt, các nhà vật lí đã và đang tìm kiếm một mối liên hệ giữa dòng từ đang biến thiên và chu kì mặt trời 11 năm. Trong vòng tuần hoàn của chu kì mặt trời, lượng mặt trời do Mặt trời phát ra biến thiên từ một thời kì im ắng đến một đợt hoạt động tăng cường, đạt cực đại khi từ trường mặt trời đảo cực.

Nay một đội nghiên cứu đứng đầu là Mathew Owens tại trường Đại học Reading ở Anh vừa tiến thêm một bước hướng đến mục tiêu này với việc xác lập một mối liên hệ giữa dòng từ đang tuôn ra và các điều kiện đang thịnh hành tại bề mặt Mặt trời. Họ tiếp cận vấn đề bằng cách kết hợp một mô hình nhật hoa với các quan sát nhật quyển từ trên mặt đất và trên không gian thu thập trong chu kì mặt trời vừa qua bởi các sứ mệnh như Đài thiên văn Mặt trời và Nhật quyển (SOHO).

Đội của Owen phát hiện thấy tốc độ dòng từ bị mất từ nhật hoa dường như bị chi phối bởi mức độ “sạch” của ranh giới từ giữa các phía bắc và nam của nhật quyển. Nơi ranh giới phân chia bị uốn, nó dẫn tới nhiều thông lượng từ bị kéo ra về phía nhật quyển. “Điều lạ nhất trong bài báo này là họ đưa vào xem xét hình thái học toàn cầu ba chiều của cấu trúc gió mặt trời ảnh hưởng đến sự biến thiên cường độ từ trường của gió mặt trời”, phát biểu của Sarah Gibson, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển (NCAR) ở Colorado.

Tuy nhiên, nghiên cứu trên không liên hệ được các điều kiện trong nhật quyển với các vết đen mặt trời, các vùng trên bề mặt Mặt trời nơi từ trường xuất hiện thành những bó lớn. Các vết đen mặt trời xuất hiện nhiều nhất trong thời kì hoạt động của Mặt trời khi nó đạt tới cường độ mạnh nhất và chúng thường dẫn tới các tai lửa mặt trời có thể là một hiểm họa đối với sự truyền thông trên Trái đất. Vẫn còn nhiều tranh cãi trong cộng đồng khoa học về nguyên do gây ra sự im ắng gần đây trong hoạt động mặt trời, thời kì đã kết thúc đâu hồi năm ngoái và kéo dài hơn thường lệ chừng hai năm.

Owens tin rằng chúng ta đang đối mặt trước một Mặt trời nói chung yên ả hơn trong chu kì mặt trời tiếp theo với ít cơn bão từ hơn, giảm nguy cơ đối với sự truyền thông. Tuy nhiên, sẽ có ít dòng từ bổ sung cho nhật quyển hơn, làm yếu đi lá chắn cho các nhà du hành vũ trụ và các thiết bị khoa học đặt trên không gian trước các tia vũ trụ từ thiên hà đến.

Nguồn: physicsworld.com

[Zezima]

Sứ mệnh nghiên cứu từ quyển của NASA đã vượt qua cột mốc quan trọng
Vũ trụ vẫn mãi là một nơi bí ẩn mà các nhà khoa học biết rất ít về nó, nhưng một sứ mệnh khảo sát từ trường địa cầu của NASA sắp làm sáng tỏ một sự kiện đặc biệt bí ẩn gọi là sự tái kết nối từ. Nó xảy ra khi các đường sức từ giao cắt, triệt tiêu, và nối lại làm giải phóng năng lượng từ ở dạng nhiệt và động năng của hạt tích điện.

Ảnh minh họ bốn phi thuyền Đa cấp Từ quyển (MMS) đang khảo sát sự tái kết nối từ bên trong từ trường của trái đất (từ quyển). Ảnh: Viện Nghiên cứu Tây Nam

Trên mặt trời, sự tái kết nối từ gây ra các tai lửa bùng nổ dữ dội hơn cả vài quả bom nguyên tử hợp sức lại. Trong khí quyển của trái đất, sự tái kết nối từ gây ra những cơn bão từ và cực quang, và trong các phòng thí nghiệm trên Trái đất, nó có thể gây ra những trục trặc lớn ở các lò phản ứng nhiệt hạch.

Mặc dù việc nghiên cứu sự tái kết nối từ đã có từ những năm 1950 và bất chấp vô số bài báo khoa học đã dốc sức giải quyết vấn đề hóc búa này, nhưng các nhà khoa học vẫn không thể đi đến một mô hình được chấp nhận chung.

Năm 2014, NASA có kế hoạch phóng một vệ tinh sẽ làm tăng đáng kể kiến thức của chúng ta về hiện tượng này. NASA sẽ phóng sứ mệnh Đa cấp Từ quyển (MMS), một bộ gồm bốn phi thuyền giống hệt nhau sẽ nghiên cứu sự tái kết nối từ trong phòng thí nghiệm tốt nhất mà người ta có thể có – đó là từ quyển của Trái đất. Bộ tứ phi thuyền sẽ thu về những phép đo cần thiết để kiểm tra các lí thuyết đang thịnh hành như làm thế nào sự tái kết nối từ có thể xảy ra và nó tiến triển qua các giai đoạn như thế nào.

Mới đây, NASA và một ủy ban thẩm định độc lập đã chịu khó xem xét từng khía cạnh của sứ mệnh MMS, và đã hoàn tất thành công bản đánh giá thiết kế thiết yếu của sứ mệnh trên. Việc đánh giá kĩ thuật này được tổ chức nhằm đảm bảo rằng một sứ mệnh có thể tiến tới chế tạo, chứng minh và kiểm nghiệm và có thể đáp ứng các yêu cầu như chi phí, lịch trình, nguy cơ và các ràng buộc hệ thống khác.

Theo nhà khoa học ủy nhiệm của dự án MMS, Mark Adrian thuộc Trung tâm Bay Vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt, Md: “Đây là cuộc đua cuối cùng trước khi các đội phi thuyền và thiết bị bắt tay vào chế tạo phần cứng bay thực sự”.

MMS đã được phê chuẩn cho triển khai hồi tháng 6/2009 sau một đợt đánh giá thiết kế sơ bộ vào tháng 5/2009.

Tiến sĩ James L. Burch thuộc Viện nghiên cứu Tây nam ở San Antonio, Texas, sẽ lãnh đạo đội khoa học MMS. Theo Burch, “Sự tái kết nối từ là một quá trình vật lí cơ bản xảy ra trong khắp vũ trụ. MMS sẽ cho phép chúng ta nghiên cứu quá trình động này trong môi trường không gian gần Trái đất, nơi nó truyền năng lượng từ gió mặt trời vào từ quyển và gây ra các nhiễu loạn gọi là thời tiết vũ trụ”.

Goddard là trung tâm quản lí dự án trên. Các kĩ sư ở đó sẽ thực hiện việc thẩm tra môi trường cần thiết, xây dựng phi thuyền và tích hợp cả bốn bộ thiết bị vào các vệ tinh MMS, cung cấp thiết bị điều hành và tên lửa phóng, và phát triển Trung tâm Điều hành Sứ mệnh để theo dõi và điều khiển phi thuyền trên.

MMS sẽ mang theo các bộ máy phân tích plasma giống hệt nhau, các máy dò hạt năng lượng cao, các từ kế, các thiết bị điện trường và một dụng cụ ngăn không cho phi thuyền tích điện làm quấy nhiễu các phép đo có độ nhạy cao.

Các nhà khoa học và kĩ sư tại Goddard đã thiết kế và sẽ xây dựng một trong các thiết bị trên – Thiết bị Plasma Nhanh, dụng cụ sẽ đo sự phân bố ion và electron cùng điện trường và từ trường với độ phân giải thời gian mili giây và độ chính xác chưa có tiền lệ.

Hiện nay, theo lịch định, MMS sẽ rời bệ phóng vào tháng 8/2014 từ Căn cứ Không quân Mũi Canaveral, Florida, trên tên lửa Atlas V.

Nguồn: PhysOrg.com

[Zezima]

Vũ trụ không nhìn thấy (1)
Michael Rowan-Robinson

Khi chúng ta nhìn vào bầu trời đêm trong sáng, chúng ta thấy chỉ một phần của cái mà vũ trụ chứa trong nó: chủ yếu là các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta phát sáng trong dải bước sóng khả kiến hẹp từ 390 đến 750 nm.

Các kính thiên văn quang học đã mở rộng tầm nhìn đó đến những thiên hà xa xôi, nhưng chỉ trong thế kỉ qua hay chừng khoảng thời gian ấy, khi chúng ta bắt đầu quan sát một ngưỡng rộng những bước sóng điện từ không nhìn thấy, thì vở kịch tổng thể của vũ trụ mới được vén màn bí ẩn.

Bức xạ không nhìn thấy đầu tiên được phát hiện ra là nằm trong vùng hồng ngoại, ở những bước sóng từ 750 nm đến 1 mm. Nó được phát hiện ra vào năm 1800 khi nhà thiên văn học na Anh William Herschel sử dụng một lăng kính để phân tách ánh sáng mặt trời và nhìn thấy mực thủy ngân của một nhiệt kế đặt ngoài đầu đỏ của quang phổ bắt đầu dâng lên.

Thiên văn học hồng ngoại ra đời vào thập niên 1960. Nó nghiên cứu các vật thể trong vũ trụ ở những nhiệt độ từ 10 đến 100 kelvin: các tiểu hành tinh, sao chổi, bụi giữa các sao, những ngôi sao mới chào đời và các thiên hà.

Môi trường giữa các sao của cặp đôi thiên hà Anten chỉ phát ra phổ hồng ngoại – nó trông tối đen tại bước sóng ánh sáng mà mắt chúng ta có thể nhìn thấy. (Ảnh: NASA/ESA/HHT/STSCI/AURA)

Từ bụi đến bụi

Nguồn phát đáng kể nhất của ánh sáng hồng ngoại đi tới trái đất là môi trường giữa các sao. Hỗn hợp khí và bụi này tràn khắp không gian giữa các sao trong các thiên hà và có nhiệt độ từ 10 đến 50 kelvin. Nó chỉ phát xạ trong vùng hồng ngoại, và làm lu mờ ánh sáng nhìn thấy phát ra từ những ngôi sao ở xa, làm đỏ hóa màu sắc của chúng.

Ảnh chụp trực tiếp đầu tiên của bụi giữa các sao xuất hiện vào năm 1983 với Vệ tinh Thiên văn học Hồng ngoại (IRAS), một chiếc kính thiên văn vũ trụ do Mĩ, Hà Lan và Anh quốc tài trợ. Đó là một thời khắc đáng nhớ trong lịch sử thiên văn học. Việc quan sát bụi giữa các sao cho phép chúng ta nhìn thoáng qua chu kì trọn vẹn của cuộc sống và cái chết của ngôi sao, cả sự hình thành của những ngôi sao và hệ hành tinh mới từ bụi – thỉnh thoảng trong những đợt dữ dội như khi các thiên hà xa xôi va chạm nhau – từ lâu trước khi những ngôi sao này trở nên khả kiến trước các kính thiên văn quang học. Một thí dụ tiêu biểu là cặp thiên hà đang ló dạng tên gọi là Anten, cách chúng ta khoảng 45 triệu năm ánh sáng: những vùng hồng ngoại sáng nhất của chúng là tối đen ở những bước sóng nhìn thấy.

Các quan sát hồng ngoại còn cho biết những ngôi sao đang qua đời tống ra các đám mây bụi và khí, làm đầy thêm môi trường giữa các sao. Bụi đó chủ yếu là silicate và carbon vô định hình – cát và bồ hóng. Sự sản sinh chất bụi này là thiết yếu cho sự tồn tại của chúng ta: mỗi nguyên tử carbon trong cơ thể chúng ta được tạo ra trong lõi của một ngôi sao, nó được giải phóng ra khi ngôi sao qua đời, và trôi giạt trong môi trường giữa các sao trước khi bị hút vào hệ mặt trời của chúng ta.

Những thế giới khác

Kính thiên văn vũ trụ hồng ngoại chuyên dụng đầu tiên, IRAS, tìm thấy các đĩa bụi cùng những mảnh vỡ khác xung quanh một số ngôi sao sáng, mang lại phương pháp tìm kiếm các hệ hành tinh. Các khảo sát hồng ngoại kể từ đó đã phát hiện ra nhiều đĩa mảnh vỡ và các hành tinh đang trong quá trình hình thành.

Các hành tinh ngoài hệ mặt trời hình thành trọn vẹn nhất đã được các kính thiên văn quang học phát hiện ra hoặc qua sự biến thiên nhỏ của vận tốc ngôi sao khi hành tinh quay xung quanh nó, hoặc sự giảm đi rất ít độ sáng của ngôi sao khi hành tinh đi qua phía trước ngôi sao. Các thiết bị hồng ngoại, như Kính thiên văn vũ trụ Spitzer, có vai trò bổ sung quan trọng. Chúng tìm kiếm “Mộc tinh nóng”, những hành tinh nặng quỹ đạo gần, khi chúng đi qua phía trước ngôi sao chủ.

Một thiết bị hồng ngoại trên Kính thiên văn Rất Lớn của Đài thiên văn Nam châu Âu là thiết bị đầu tiên cung cấp một ảnh chụp trực tiếp của một hành tinh ngoài hệ mặt trời. Vật thể này, đang quay xung quanh một ngôi sao lùn nâu, nặng hơn Mộc tinh đến năm lần.

Các nguồn gốc thiên hà

Vì các quan sát hồng ngoại do thám các ngôi sao khi chúng hình thành và qua đời, nên chúng ta có thể sử dụng để nhìn ngược về thời gian, tìm hiểu xem các ngôi sao và thiên hà đã hình thành như thế nào trong lịch sử vũ trụ gần như xa đến tận thời Big Bang.

Khi Tàu khảo sát Bức xạ nền Vũ trụ (COBE) của NASA, sứ mệnh vũ trụ phóng lên quỹ đạo vào năm 1999, đo được toàn bộ bức xạ nền ở các bước sóng milimet và dưới milimet, nó tìm thấy một sự đóng góp mạnh mẽ từ những thiên hà ở xa. Hóa ra hơn một nửa năng lượng phát ra bởi những ngôi sao xa xôi ở các bước sóng quang học và tử ngoại bị hấp thụ bởi bụi giữa các sao và phát xạ trở lại trong vùng hồng ngoại trước khi nó đi tới chúng ta, mang lại cơ sở hồng ngoại cho kiến thức vũ trụ của chúng ta.

Bức xạ hồng ngoại còn quan trọng trong việc tìm hiểu xem các thiên hà đầu tiên nhất đã phát sinh như thế nào. Vũ trụ hiện đang giãn nở, nghĩa là đa số các thiên hà đang lùi ra xa chúng ta và bức xạ mà chúng phát ra chịu sự dịch chuyển Doppler sang những bước sóng dài hơn. “Sự lệch đỏ” này có nghĩa là ánh sáng khả kiến phát ra từ các thiên hà xa xôi nhất đã biết, phát ra trong những tỉ năm đầu tiên sau Big Bang, bị kéo giãn sang những bước sóng hồng ngoại khi nó đi tới chỗ chúng ta.

Thiết bị sao: Herschel

Đa số bước sóng hồng ngoại bị hấp thụ bởi nước và carbon dioxide trong khí quyển, với chỉ một vài “cửa sổ” phổ hồng ngoại hẹp đi tới được mặt đất. Do đó, các kính thiên văn hồng ngoại phải được lắp đặt trên đỉnh núi, hoặc tốt hơn là trong không gian.

Nhà vô địch hiện nay trong vương quốc hồng ngoại là kính thiên văn Herschel của Cơ quan Vũ trụ châu Âu, nó bắt đầu hoạt động vào năm 2009. Nó là chiếc kính thiên văn lớn nhất từng được đưa lên quỹ đạo, và nó mang theo một quang phổ kế cùng hai camera bao quát các bước sóng từ 70 đến 500 micromet. Toàn bộ thiết bị này phải được làm lạnh xuống nhiệt độ gần không độ tuyệt đối để ngăn sự phát xạ hồng ngoại riêng của kính ảnh hưởng đến các phép đo.

Trong khi dữ liệu mà kính Herschel thu thập đang trong quá trình phân tích, thì chiếc kính thiên văn này vẫn tiếp tục cung cấp một số hình ảnh ngoạn mục của các đám mây bụi dạng sợi mảnh giữa các sao trong đó các ngôi sao có thể đang hình thành, cũng như ảnh của các thiên hà với những lượng lớn bất ngờ của khí bụi rất lạnh mà những nghiên cứu trước đây đã bỏ qua.

Nguồn: New Scientist

[Zezima]

Sau Big Bang là thời kì hỗn độn
Cách đây 7 năm, nhà vật lí Adilson E. Motter thuộc trường Đại học Northwestern đã phỏng đoán rằng sự giãn nở của vũ trụ vào lúc Big Bang là mang tính hỗn độn cao. Giờ thì ông cùng một người đồng nghiệp đã chứng minh được điều đó với những lập luận toán học chặt chẽ.

Đường thời gian của vũ trụ. Ảnh: NASA/WMAP

Nghiên cứu trên, đăng tải bởi tạp chí Communications in Mathematical Physics, không chỉ báo cáo rằng sự hỗn độn là tuyệt đối mà còn nêu ra những công cụ toán học có thể sử dụng để phát hiện ra nó. Khi áp dụng cho đa số các mô hình được chấp nhận cho sự phát triển của vũ trụ, những công cụ này chứng tỏ rằng vũ trụ sơ khai là hỗn độn.

Những thứ nhất định là tuyệt đối. tốc độ ánh sáng, chẳng hạn, là như nhau đối với bất kì nhà quan sát nào trong không gian trống rỗng. Những thứ khác thì mang tính tương đối. Hãy nghĩ tới tiếng còi xe cứu thương chuyển từ cao xuống thấp khi xe chạy qua trước người quan sát. Một vấn đề tồn tại lâu nay trong ngành vật lí là xác định sự hỗn độn – hiện tượng mà nhờ đó những sự kiện nhỏ bé dẫn tới những thay đổi rất lớn trong sự tiến triển thời gian của hệ, thí dụ như vũ trụ - là tuyệt đối hay là tương đối trong những hệ chi phối bởi thuyết tương đối rộng, trong đó bản thân thời gian là tương đối.

Một mặt cụ thể của nan đề này đề cập tới khả năng của con người xác định một cách rõ ràng xem vũ trụ xem như một tổng thể có bao giờ hành xử hỗn độn hay không. Nếu sự hỗn độn là tương đối, như một số nghiên cứu trước đây đề xuất, thì câu hỏi này đơn giản là không thể trả lời vì những nhà quan sát khác nhau, chuyển động tương đối so với nhau, có thể đi tới những kết luận ngược nhau dựa trên tiếng tíc tắc của đồng hồ riêng của họ.

“Một lời giải thích nặng kí cho rằng hỗn độn có thể là một tính chất của nhà quan sát đó chứ không phải một tính chất của hệ đang được quan sát”, theo Motter, tác giả của bài báo trên và là phó giáo sư vật lí và thiên văn học tại khoa Cao đẳng Nghệ thuật và khoa học Weinberg thuộc trường Northwestern. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy các nhà quan sát khác nhau về phương diện vật lí nhất thiết sẽ tán thành nhau về bản chất hỗn độn của hệ”.

Công trình trên có những gợi ý trực tiếp cho lĩnh vực vũ trụ học và đặc biệt nó chứng tỏ rằng các biến đổi được chăng hay chớ giữa các hướng lệch đỏ và lệch xanh trong vũ trụ sơ khai thật ra là hỗn độn.

Motter làm việc cùng người đồng nghiệp Katrin Gelfert, một nhà toán học đến từ trường Đại học liên bang Rio de Janeiro, Brazil, một cựu giảng viên thỉnh giảng tại Northwestern. Ông cho biết các phương diện toán học của vấn đề trên thật gây cảm hứng và có khả năng dẫn tới những phát triển toán học khác nữa.

Một câu hỏi quan trọng còn bỏ ngỏ trong lĩnh vực vũ trụ học là giải thích tại sao những phần xa xôi của vũ trụ nhìn thấy – kể cả những vùng xa đến mức chưa bao giờ tương tác với nhau – lại giống nhau như vậy.

“Người ta có thể đề xuất rằng ‘Vì vũ trụ vĩ mô đã được tạo ra đồng đều”, Motter nói, “nhưng đây không phải là loại câu trả lời mà các nhà vật lí hoan nghênh”.

Cách đây 50 năm, các nhà vật lí tin rằng câu trả lời thật sự có thể nằm ở cái xảy ra trong một phần nhỏ của một giây sau Big Bang. Dẫu cho các nghiên cứu ban đầu đã thất bại không chỉ ra được một trạng thái ban đầu tùy ý của vũ trụ cuối cùng sẽ đồng quy đến dạng thức hiện nay của nó, nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một số thứ có khả năng còn hấp dẫn hơn nữa: đó là khả năng vũ trụ xem như một tổng thể đã ra đời vốn dĩ hỗn độn.

Vũ trụ ngày nay đang giãn nở và giãn nở theo mọi hướng, dẫn tới sự lệch đỏ của các nguồn sáng ở xa trong cả ba chiều không gian – sự tương tự quang học của tiếng còi trầm xuống khi xe cứu thương đã chạy đi xa. Mặt khác, vũ trụ sơ khai chỉ giãn nở trong hai chiều và co lại trong chiều thứ ba.

Điều này dẫn tới sự lệch đỏ trong hai chiều và sự lệch xanh trong chiều thứ ba. Tuy nhiên, hướng co lại không luôn luôn như nhau trong hệ này. Thay vào đó, nó xen kẽ thất thường giữa x, y và z.

“Theo lí thuyết cổ điển của thuyết tương đối rộng, vũ trụ sơ khai đã trải qua nhiều vô hạn dao động giữa các hướng co vào và giãn ra”, Motter nói. “Điều này có thể có nghĩa là sự phát triển sơ khai của vũ trụ, mặc dù không nhất thiết là trạng thái hiện nay của nó, phụ thuộc rất nhạy vào các điều kiện ban đầu lập ra bởi Big Bang”.

Bài toán này có một hướng giải mới cách đây 22 năm, khi hai nhà nghiên cứu khác, Gerson Francisco và George Matsas, nhận thấy các mô tả khác nhau của những sự kiện giống nhau đang dẫn tới những kết luận khác nhau về bản chất hỗn độn của vũ trụ sơ khai. Vì những mô tả khác nhau có thể đại diện cho góc nhìn của những nhà quan sát khác nhau, nên điều này thách thức giả thuyết cho rằng sẽ có một sự thống nhất giữa những nhà quan sát khác nhau. Trong phạm vi lí thuyết tương đối rộng, một sự thống nhất như vậy được đặt tên là một “bất biến tương đối tính”.

“Về mặt kĩ thuật, chúng tôi đã xác lập các điều kiện dưới đó các dấu hiệu nhận biết của sự hỗn độn là những bất biến tương đối tính”, Motter nói. “Cách mô tả toán học của chúng tôi còn giải thích được những kết quả đang gây tranh cãi hiện nay. Chúng phát sinh bởi các kì dị do sự chọn trục thời gian mang lại, mà sự chọn trục này không có mặt trong những quan sát có thể chấp nhận được về mặt vật lí”.

Nguồn: PhysOrg.com