10 đột phá vật lí của năm 2017

Tạp chí Physics World của Anh bình chọn các thành tựu quan trắc đa kênh liên quan đến sóng hấp dẫn là Đột phá của năm 2017.

1. Quan trắc đa kênh liên quan đến sóng hấp dẫn

Ngày 17 tháng Tám 2017, các detector sóng hấp dẫn LIGO-Virgo và Kính thiên văn Vũ trụ Tia gamma Fermi dò thấy các tín hiệu cách nhau chỉ 2 giây. Chúng đến từ sự hợp nhất của hai sao neutron – một vật thể ngày nay gọi là GW 170817. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học LIGO-Virgo chứng kiến một sự kiện hợp nhất sao neutron, nhưng chỉ năm giờ sau đó họ đã tìm thấy vị trí của nguồn phát trên bầu trời. Trong vài giờ và vài ngày sau đó, hơn 70 chiếc kính thiên văn đã hướng về GW 170817 và rất nhiều quan trắc được thực hiện trong vùng phổ tia gamma, tia X, ánh sáng nhìn thấy, phổ hồng ngoại và vô tuyến. Các nhà vật lí thiên văn còn tìm kiếm neutrino, nhưng họ không tìm thấy hạt nào.

Các quan trắc phối hợp này đã cung cấp rất nhiều thông tin về cái xảy ra khi sao neutron va chạm trong cái gọi là “kilonova”. Các quan trắc đã đem lại những manh mối quan trọng về cách thức những nguyên tố nặng, ví dụ như vàng, được sản sinh trong vũ trụ. Khả năng đo đạc cả sóng hấp dẫn lẫn ánh sáng nhìn thấy đến từ sự hợp nhất sao neutron còn cung cấp một phương thức mới và độc lập để đo tốc độ dãn nở của vũ trụ. Ngoài ra, các quan trắc còn giúp phân giải một tranh cãi lâu nay về nguồn gốc của những vụ nổ tia gamma năng lượng cao và xảy ra trong thời gian ngắn.

Hình minh họa sự hòa hợp của hai sao neutron quay xung quanh nhau

Hình minh họa sự hòa hợp của hai sao neutron quay xung quanh nhau. Khung hình bên phải minh họa vật chất của hai sao neutron. Khung hình bên trái cho biết không-thời gian bị biến dạng như thế nào ở gần vụ va chạm. Ảnh: Karan Jani/Georgia Tech

Những quan trắc này là thành tựu của hàng nghìn nhà khoa học làm việc trong hơn 50 nhóm hợp tác trên khắp thế giới.

2. Chế tạo “laser tô-pô học” đầu tiên

Boubacar Kanté và các cộng sự tại Đại học California, San Diego, đã chế tạo “laser tô-pô học” đầu tiên. Dụng cụ cho ánh sáng uốn lượn xung quanh một hộp cộng hưởng có hình dạng bất kì mà không tán xạ - giống hệt như chuyển động của các electron trên bề mặt của một chất cách điện tô-pô học. Laser mới hoạt động ở bước sóng viễn thông và có thể đưa đến những mạch quang lượng tử tốt hơn hoặc giúp bảo vệ thông tin lượng tử khỏi bị tán xạ.

Chế tạo “laser tô-pô học” đầu tiên

Boubacar Kanté (trái), Babak Bahari (giữa) và Abdoulaye Ndao là thành viên của đội vừa khám phá ra một hộp cộng hưởng laser tô-pô học mới có thể truyền ánh sáng theo bất kì hình dạng nào. Ảnh: Đại học California, San Diego

3. Tia sét tạo ra các đồng vị phóng xạ

Teruaki Enoto tại Đại học Kyoto và các cộng sự đã cung cấp bằng chứng cụ thể đầu tiên và có sức thuyết phục rằng tia sét có thể dẫn tới sự tổng hợp các đồng vị phóng xạ trong khí quyển. Các nhà vật lí đã biết rằng tia sét có thể tạo ra tia gamma và neutron, và hoài nghi rằng các tương tác giữa bức xạ này và hạt nhân ni-tơ trong không khí có thể tạo ra các hạt nhân phóng xạ. Enoto và các cộng sự đã xác nhận nghi ngờ này bằng cách đo một tín hiệu tia gamma chỉ báo của sự phân hủy hạt nhân đạt cực đại khoảng 1 phút sau mỗi tia sét. Theo họ, đây là bằng chứng cho sự sản sinh các hạt nhân phóng xạ như ni-tơ 13.

4. Kính hiển vi siêu phân giải kết hợp các công nghệ giành giải Nobel

Francisco Balzarotti, Yvan Eilers, Klaus Gwosch, Stefan Hell và các cộng sự tại Viện Hóa Sinh Lí Max Planck, Đại học Uppsala và Đại học Buenos Aires, đã phát triển một loại kính hiển vi siêu phân giải mới có khả năng theo dõi trực tiếp các phân tử sinh học trong tế bào sống. Kĩ thuật mới có tên gọi là kĩ thuật thăm dò kích thích huỳnh quang tối đa thông tin (MINFLUX) và nó kết hợp giá trị của hai kĩ thuật giành giải Nobel – một trong số đó do Hell phát triển. MINFLUX thu được độ phân giải cấp nano-mét nhanh hơn và với số photon phát ra ít hơn so với những kĩ thuật trước đây.

5. Thu được sự truyền thông lượng tử không-cần-hạt trong phòng thí nghiệm

Hatim Salih tại Đại học Bristol cùng các cộng sự, và Jian Wei Pan tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Hoa cùng các cộng sự đã phát triển lí thuyết và hiện thực hóa thực nghiệm về sự truyền thông bằng vật lí lượng tử mà không trao đổi bất kì hạt nào. Cách đây 4 năm, Salih và các cộng sự đã đề xuất một kế hoạch truyền thông lượng tử mới không đòi hỏi truyền đi bất kì hạt vật chất nào. Trong khi một số nhà vật lí tỏ vẻ nghi ngờ thì trong năm nay một đội do Pan chỉ huy đã chế tạo một hệ như thế trong phòng thí nghiệm và sử dụng nó truyền đi một hình ảnh đơn giản, trong tiến trình ấy (hầu như) không gửi đi photon nào. Được đặt tên là “kĩ thuật tạo ảnh phản động”, kĩ thuật này có thể tiện dụng trong việc ghi ảnh những phần tinh vi của các công trình nghệ thuật thời xưa không chịu được sự phơi sáng trực tiếp.

6. Tia vũ trụ năng lượng cực cao có nguồn gốc ngoài thiên hà

Nhóm hợp tác tại Đài thiên văn Piere Auger đã chứng minh rằng tia vũ trụ năng lượng cực cao đến từ bên ngoài Ngân Hà. Trong hàng thập kỉ, các nhà thiên văn vật lí tin rằng nguồn phát tia vũ trụ với năng lượng cao hơn khoảng 1 EeV (1018 eV) có thể được lần theo từ hướng đến của những hạt vũ trụ này. Những tia này không giống với những tia vũ trụ năng lượng thấp hơn, chúng dường như đến từ mọi hướng sau khi bị từ trường của Ngân Hà làm lệch hướng. Nay 1600 detector hạt Cherenkov tại Đài thiên văn Pierre Auger ở Argentina làm sáng tỏ rằng tỉ lệ đến của tia vũ trụ năng lượng cực cao ở một nửa của bầu trời là lớn hơn. Ngoài ra, tỉ lệ cao vượt mức nằm xa tâm của Ngân Hà – cho thấy những tia vũ trụ này có nguồn gốc ngoài thiên hà.

Tia vũ trụ năng lượng cực cao có nguồn gốc ngoài thiên hà

Một trong 1600 detector Cherenkov tại Đài thiên văn Pierre Auger ở Argentina (Ảnh: Steven Saffi)

7. Chế tạo “tinh thể thời gian” trong phòng thí nghiệm

Christopher Monroe cùng các cộng sự tại Đại học Maryland, và Mikhail Lukin cùng các cộng sự tại Đại học Harvard, đã chế tạo thành công “tinh thể thời gian”. Hai nhóm này làm việc độc lập với nhau. Không giống như các tinh thể thông thường, chúng tự phát phá vỡ đối xứng tịnh tiến, các tinh thể thời gian tự phát phá vỡ đối xứng thời gian rời rạc. Tinh thể thời gian lần đầu tiên được dự đoán hồi 5 năm trước và nay hai hệ gốc spin có các đặc tính na ná như tinh thể thời gian đã được tạo ra. Lukin sử dụng spin trong các lỗ hổng kim cương, còn spin của Monroe là các ion bị bẫy.

8. Siêu vật liệu tăng cường sự làm lạnh tự nhiên mà không cần cấp điện

Ronggui Yang và Xiaobo Yin tại Đại học Colorado Boulder và các đồng sự đã chế tạo một màng mỏng siêu vật liệu mới đem lại sự làm lạnh mà không cần cấp nguồn điện. Được làm bằng những quả cầu li ti bằng thủy tinh, polymer và bạc, vật liệu khai thác sự làm lạnh bức xạ thụ động để tiêu tán nhiệt từ vật thể mà nó phủ lên. Nó phát ra năng lượng ở dạng bức xạ hồng ngoại, vì thế nó có thể truyền qua khí quyển và cuối cùng vào không gian vũ trụ. Vật liệu cũng phản xạ ánh sáng Mặt Trời, nghĩa là nó hoạt động cả ngày lẫn đêm. Nhưng có lẽ cái quan trọng nhất là nó có thể được sản xuất với giá rẻ ở quy mô công nghiệp.

Siêu vật liệu tăng cường sự làm lạnh tự nhiên mà không cần cấp điện

Ronggui Yang (phải) và Xiaobo Yin (trái) giới thiệu một cuộn lớn siêu vật liệu thủy tinh-popymer của họ. (Ảnh: Glenn J Asakawa)

9. Đo được sự giao thoa ba photon tồn tại lâu nhất

Sascha Agne và Thomas Jennewein cùng các đồng sự tại Đại học Waterloo, Stefanie Barz, Steve Kolthammer và Ian Walmsley cùng các đồng sự tại Đại học Oxford, đã độc lập nhau đo được sự giao thoa lượng tử liên quan đến ba photon. Việc nhìn thấy hiệu ứng là rất khó bởi vì nó đòi hỏi khả năng phân phối ba photon không thể phân biệt đến cùng một chỗ, cùng một lúc, và đồng thời đảm bảo các hiệu ứng giao thoa photon độc thân và giao thoa hai photon bị loại trừ khỏi phép đo. Ngoài việc đem lại sự am tường mới về những cơ sở của cơ học lượng tử, sự giao thoa ba photon còn có thể sử dụng trong mật mã lượng tử và các mô phỏng lượng tử.

10. Muon làm lộ ra những khoảng trống bí ẩn trong kim tự tháp Ai Cập

Nhóm hợp tác ScanPyramids đã sử dụng các muon tia vũ trụ tìm thấy bằng chứng cho một khoảng trống lớn từ trước đến nay chưa biết tới trong Kim tự tháp Khufu ở Giza, Ai Cập. Bằng cách đặt các loại detector muon khác nhau ở bên trong và xung quanh kim tự tháp, đội nghiên cứu đã đo được những cơn mưa muon bị suy yếu như thế nào khi chúng qua cấu trúc đồ sộ ấy. Các thuật toán máy tính phân tích dữ liệu và làm sáng tỏ một khoảng trống rất lớn và bất ngờ ở sâu bên trong kim tự tháp.

Nguồn: Physics World

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Các bài khác


Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 11)
09/11/2018
Đầu năm 1982, tôi có viết một bài báo đề xuất rằng những khác biệt này phát sinh từ những thăng giáng lượng tử trong
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 10)
09/11/2018
Thế nhưng nhiều nhà khoa học không hài lòng với việc vũ trụ có một khởi đầu, bởi dường như nó ẩn ý rằng vật lí học
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 9)
09/11/2018
Chương 2 Vũ trụ đã ra đời như thế nào? Hamlet từng nói, “Tôi có thể bị mắc kẹt trong một vỏ hạt, và tôi tự xem mình
Trí tuệ nhân tạo: 101 điều bạn nên biết từ hôm nay về tương lai của chúng ta (Phần 2)
07/11/2018
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TRÍ TUỆ NHÂN TẠO Hình 1.1. Các chủ đề trong Chương 1 Trong chương này, bạn sẽ tìm thấy một tổng
Trí tuệ nhân tạo: 101 điều bạn nên biết từ hôm nay về tương lai của chúng ta (Phần 1)
07/11/2018
GIỚI THIỆU  Bạn có biết trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence-AI) đang làm thay đổi thế giới của chúng ta nhanh hơn
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 8)
04/11/2018
Kinh nghiệm hằng ngày của chúng ta khiến chúng ta nghĩ rằng mọi chuyện xảy ra phải có nguyên nhân do cái gì đó xảy ra trước
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn – Stephen Hawking (Phần 7)
04/11/2018
Một lĩnh vực còn lại mà tôn giáo ngày nay có thể quả quyết đó là nguồn gốc của vũ trụ, nhưng thậm chí ở đây khoa học
Vì sao lực hấp dẫn khác với những lực kia? (Phần 3)
04/11/2018
Máy va chạm lỗ đen Tóm lại, lực hấp dẫn quá khác biệt với các anh em lực còn lại của nó nên người ta ngờ rằng nó

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com