Tìm ra phương pháp làm chậm vận tốc ánh sáng

Ánh sáng và vân tốc ánh sáng trong thuyết tương đối

Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường của con người (tức là từ khoảng 380 nm đến 700 nm).

Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon.

Trong vật lý, photon là một hạt cơ bản, phi khối lượng, không có điện tích và không bị phân rã tự phát trong chân không đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ và ánh sáng cũng như mọi dạng bức xạ điện từ khác.

Cũng giống như mọi hạt cơ bản khác, photon được miêu tả bởi cơ học lượng tử và biểu hiện lưỡng tính sóng hạt.

Vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không

Trong chân không: các thí nghiệm đã chứng tỏ ánh sáng nói riêng, hay các bức xạ điện từ nói chung, đi với vận tốc không thay đổi (hằng số vật lý), thường được ký hiệu là c = 299.792.458 m/s, thậm chí không phụ thuộc vào hệ quy chiếu.

Đây cũng là vận tốc tối đa mà bất cứ thứ gì cũng không thể vượt qua!

Chính hiện tượng này đã tạo ra một cuộc cách mạng vật lý khi chuyển từ cơ học cổ điển của Isaac Newton tới thuyết tương đối của Albert Einstein.

Cũng theo Einstein, mọi thứ là tương đối (không – thời gian) ngoại trừ vận tốc ánh sáng. Bản thân ông cũng “khó chịu” khi phải đưa ra quan điểm này chỉ vì ông tin rằng không có gì là tuyệt đối (thế nên mới có học thuyết tương đối).

Thế nhưng nếu phủ định sự tuyệt đối của vận tốc ánh sáng thì học thuyết của ông cũng bị phá vỡ cùng với không gian cong và thời gian cong.

Với trình độ khoa học tiến bộ vượt bậc, người ta đã chứng minh rằng:

“Tiên đề vận tốc ánh sáng là hằng số tuyệt đối, không thay đổi trong thuyết tương đối của Einstein không phải là chân lý.

Vận tốc ánh sáng cũng chỉ mang tính tương đối chứ không phải là hằng số tuyệt đối, vận tốc ánh sáng cũng bị biến đổi, cũng bị “cong” trong không gian – thời gian“.

Bản thân Einstein đã đưa ra tiên đề thứ 2 trong thuyết tương đối hẹp năm 1905: “Vận tốc ánh sáng là hằng số, không phụ thuộc vào nguồn phát sáng chuyển động trong không gian trống rỗng”.

Thế nhưng chính ông cũng phải nhìn nhận lại tiên đề này mười một năm sau (1916) bằng cách sửa sai bằng thuyết tương đối tổng quát phát biểu rằng vận tốc ánh sáng bị thay đổi trong trường hấp dẫn để giải quyết mâu thuẫn.

Do đó vận tốc ánh sáng không còn là hằng số tuyệt đối đúng trong toàn vũ trụ mà cũng mang tính tương đối (nó chỉ là hằng số tuyệt đối không thay đổi khi không gian và thời gian của hệ quy chiếu tuyệt đối không thay đổi).

Vận tốc ánh sáng có thể nhỏ hơn khi truyền trong môi trường có hệ số chiết suất

Vận tốc của ánh sáng khi nó lan truyền qua vật liệu trong suốt: Như thủy tinh hoặc không khí, nhỏ hơn c. Tỉ số giữa c và vận tốc v của ánh sáng truyền qua vật liệu gọi là chỉ số chiết suất n của vật liệu.

Như vậy vận tốc ánh sáng đạt cực đại là c khi truyền trong môi trường chân không và thấp hơn khi truyền trong môi trường vật chất (phụ thuộc chiết suất của môi trường đó).

Những thực nghiệm về việc làm chậm tốc độ ánh sáng

1. Thí nghiệm của các nhà khoa học Anh

Các nhà khoa học từ ĐH Glasgow và ĐH Heriot-Watt (Scotland, Anh quốc) đã làm giảm thành công tốc độ của các photon.

Bằng cách tạo ra một lớp “mặt nạ” (mask) đặc biệt – được thiết kế để làm chậm tốc độ của photon bằng cách cho các hạt photon chạy qua một thiết bị làm thay đổi cấu trúc của chúng.

Theo Nature World News, nhóm chuyên gia thành công trong thí nghiệm làm chậm photon ánh sáng lên đến 20 bước sóng ở khoảng cách một mét. Sau khi ánh sáng đi qua mặt nạ, photon di chuyển chậm hơn trong không gian tự do.

“Phát hiện trên cho thấy sự truyền ánh sáng có thể bị chậm lại, đến mức nhỏ hơn vận tốc mọi người vẫn công nhận là 299.792.458 m/s, ngay cả khi ánh sáng di chuyển trong không khí hoặc môi trường chân không”, Jacquiline Romero, thành viên nhóm nghiên cứu, nói.

2. Thí nghiệm của các nhà khoa học Philippin

Ngoài ra, mới đây các nhà khoa học từ trường Đại học thuộc Viện vật lý Quốc gia Philippin (Philippines’ National Institute of Physics) còn tiến một bước xa hơn khi mô tả một cách thức mới làm chậm tốc độ ánh sáng: “vặn xoắn” (twist) tia sáng.

Trong thí nghiệm của mình, các nhà vật lý sử dụng chùm sáng có tên Laguerre-Gauss (LG), chùm sáng mang xung lượng góc theo quỹ đạo hay viết tắt là OAM (orbital angular momentum).

Theo đó, các nhà khoa học có thể “vặn xoắn” chùm tia trong không gian khi thay đổi xung lượng góc (angular momentum), từ đó làm cho vận tốc chùm sáng chậm lại.

Không những thế, nhóm nghiên cứu còn có thể tính toán chính xác thời gian chậm lại. Nhưng về cơ bản, cách này không làm thay đổi vận tốc ánh sáng mà đơn gian là làm cho nó phải đi theo hình xoắn ốc, tức quãng đường bị kéo dãn ra.

Không chỉ mang tính đột phá trong khoa học, tiềm năng ứng dụng của nó khiến nhiều nhà khoa học phấn khích vì chùm LG được sử dụng trong hệ thống viễn thông và ứng dụng máy tính.

Do đó, việc tiên đoán chính xác thời gian làm chậm của vận tốc ánh sáng sẽ giúp điều khiển tỉ lệ tia sáng truyền đi, giúp kiểm soát lượng thông tin truyền đi (dòng chảy thông tin) cũng như làm hệ thống hiệu quả hơn.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học Scientific Reports.

Theo Genk