Giải nobel vật lý 2005

giải nobel vật lý 2005 Năm nay giải Nobel vật lý đ−ợc trao tặng cho ba nhà vật lý trong lĩnh vực quang học l−ợng tử: một nửa giải trao cho Roy J Glauber thuộc Đại học Harvard (Hoa Kỳ) do những đóng góp của ông cho lý thuyết l−ợng tử của tính kết hợp quang và một nửa còn lại trao cho John L. Hall thuộc đại học Colorado và Viện Tiêu chuẩn Công nghệ Quốc gia (Hoa Kỳ) và Theodor W. Hansch thuộc Viện Max – Planck về Quang học L−ợng tử (Đức) do những đóng góp của hai ông cho sự phát triển quang phổ học chính xác dựa trên laser cho phép xác định một cách cực kỳ chính xác màu của nguyên tử và phân tử. Roy J. Glauber John L. Hall Theodor W. Họnsch Tr−ớc hết chúng ta hãy nói về những đóng góp của Glauber. Cũng nh− sóng vô tuyến, ánh sáng cũng là một dạng của bức xạ điện từ đã đ−ợc Maxwell mô tả từ những năm 1850. Lý thuyết của Maxwell đã đ−ợc sử dụng trong công nghệ thông tin hiện đại dựa trên sự phát và thu sóng vô tuyến nh− điện thoại di động, truyền hình và phát thanh. Còn với ánh sáng, con ng−ời chúng ta đã gắn bó với chúng từ thuở sơ khai, nhờ nó chúng ta có thể quan sát đ−ợc cả những thiên thể xa xôi trong vũ trụ. Thế nh−ng phải mãi tới thế kỷ 20 chúng ta mới hiểu và xây dựng cho ánh sáng một lý thuyết mà ta th−ờng gọi là quang học l−ợng tử để mô tả l−ỡng tính “sóng và hạt” của nó. Thực ra, ánh sáng mà ta th−ờng gặp là do những vật nung nóng phát ra nh− ngọn đuốc, bóng đèn hay Mặt Trời. Đây là loại ánh sáng hỗn hợp của nhiều bức xạ có b−ớc sóng và pha khác nhau. Và nếu chúng ta tìm đ−ợc cách tạo ra bức xạ có cùng b−ớc sóng (tức ánh sáng đơn sắc) và cùng pha thì đó là một b−ớc tiến bộ v−ợt bậc của khoa học và điều này đã đ−ợc thực hiện vào đầu những năm 1960 do công đầu của Tau và Basov mà bây giờ chúng ta th−ờng gọi là ánh sáng laser. Ngay sau đó, laser đã mang lại một cuộc cách mạng trong công nghệ và có ảnh h−ởng sâu xa tới cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Nh−ng chúng ta hãy trở lại với những đóng góp của Glauber. Để mô tả ánh sáng một cách chính xác chúng ta không thể dùng các ph−ơng trình Maxwell vì các ph−ơng trình này chỉ mô tả một mặt bản chất của ánh sáng là sóng nên dẫn đến những hệ quả không mong muốn, ví nh− phổ tính đ−ợc của ánh sáng Mặt Trời không phù hợp với thực nghiệm. Điều này đã đ−ợc Max Planck (Giải Nobel năm 1918) giải quyết bằng cách đ−a ra quan niệm cho rằng các nguyên tử và phân tử hấp thụ và phát xạ năng l−ợng không liên tục mà thành từng “bó” riêng rẽ, gọi là các “l−ợng tử” năng l−ợng và từ đó đã đ−a ra đ−ợc một công thức mô tả sự phân bố phổ hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm. Sau đó vào năm 1905, Enstein đã phát triển những ý t−ởng của Planck cho rằng bản thân ánh sáng cũng gồm những “bó” năng l−ợng riêng biệt gọi là các l−ợng tử ánh sáng (hay các photon). Và với quan niệm mới đó, Einstein đã giải thích đ−ợc hiệu ứng quang điện. Cụ thể là, khi các photon truyền đến bề mặt một kim loại nó sẽ truyền năng l−ợng cho electron trong kim loại đó, làm cho electron này thoát ra ngoài. Chính nhờ công trình này mà Einstein đã đ−ợc trao giải Nobel về vật lý năm 1921. Nh− vậy, chúng ta có thể đếm đ−ợc số photon bằng cách đếm số các electron. Tr−ớc đây các nguồn sáng đều dựa trên bức xạ nhiệt nên các thực nghiệm nh− giao thoa cần phải có sự bố trí đặc biệt và hình ảnh giao thoa vẫn bị nhoè, do bức xạ không hoàn toàn kết hợp, tức ánh sáng dùng trong thực nghiệm có b−ớc sóng và pha khác nhau. Từ khi có laser, tình hình hoàn toàn thay đổi, các hình ảnh giao thoa hoàn toàn sắc nét và trong hàng loạt thí nghiệm với ánh sáng laser chúng ta cần phải hiểu thấu đáo hơn tính kết hợp của ánh sáng. Chính R.J. Glauber đã đề nghị sử dụng lý thuyết l−ợng tử để mô tả ánh sáng này. Năm 1963 Glauber đã phát triển một ph−ơng pháp nhằm áp dụng sự l−ợng tử hoá tr−ờng điện từ để hiểu chính xác các kết quả thực nghiệm quang học nh− sự tách sóng quang điện (photoelectric detection). Nhờ lý thuyết tr−ờng l−ợng tử sau đó ông đã chứng minh đ−ợc sự bó (bunching) mà R. Hambury và R. Twiss phát hiện chẳng qua chỉ là một hệ quả tự nhiên từ bản chất ngẫu nhiên của bức xạ nhiệt. Vậy làm cách nào có thể giải thích đ−ợc hiện t−ợng một dòng photon gồm các hạt độc lập với nhau lại tao ra hình ảnh giao thoa? ở đây chúng ta có một ví dụ về bản chất hai mặt của ánh sáng. Năng l−ợng tr−ờng điện từ phân bố trên hình ảnh giao thoa đ−ợc xác định bởi quang học cổ điển tức là bởi tính chất sóng của ánh sáng. Trên quan điểm hạt, những nơi là cực đại giao thoa (vân sáng) sẽ có nhiều photon đập vào, còn những nơi là cực tiểu giao thoa (vân tối) sẽ có ít hạơc không coá photon đập tới. Các photon là những cá thể riêng biệt, nh−ng chúng cần phải đi theo những con đ−ờng do “quang học l−ợng tử” đã chỉ ra. Và điều này chỉ có thể hiểu đ−ợc d−ới góc nhìn của lý thuyết l−ợng tử. Một đặc tính cơ bản khi mô tả l−ợng tử đối với các quan sát khi thấy một quang điện tử, tức một photon bị hấp thụ và trạng thái của tr−ờng photon bị thay đổi. Khi một số bộ dò có t−ơng quan với nhau, hệ sẽ trở nên nhạy với hiệu ứng l−ợng tử và hiệu ứng này thể hiện rõ rệt hơn nếu chỉ có một số ít photon có mặt ở trong tr−ờng. Ng−ời ta đã thực hiện các thực nghiệm bao gồm một vài bộ dò quang và chúng hoàn toàn thoả mãn lý thuyết của Glauber. Công trình của Glauber năm 1963 đã đặt cơ sở cho những phát triển t−ơng lai trong lĩnh vực mới là quang học l−ợng tử. Các hiệu ứng l−ợng tử th−ờng có rất ít ứng dụng kỹ thuật. Trong các phép đo ở phòng thí nghiệm, sự bất định của vật lý l−ợng tử hiếm khi xác định giới hạn đo. Và mặc dù sự bất định này luôn tồn tại nh−ng nó th−ờng xuất hiện nh− một biến đổi ngẫu nhiên trong các quan sát Tuy nhiên, “nhiễu l−ợng tử” này lại thiết lập một giới hạn cơ bản đối với độ chính xác của các quan sát quang học. Trong các phép đo tần số đối với độ chính xác cao, bộ khuyếch đại l−ợng tử và các chuẩn tần số, sự nhiễu này cuối cùng chỉ do bản chất l−ợng tử của ánh sáng mà nó thiết lập một giới hạn cơ bản đối với độ chính xác mà các dụng cụ thí nghiệm của chúng ta có thể đạt đ−ợc. Hiếu biết của chúng ta về trạng thái l−ợng tử cũng có thể đ−ợc sử dụng một cách trực tiếp chẳng hạn nh− bảo vệ an toàn thông tin trong công nghệ viễn thông và xử lý thông tin. Bây giờ chúng ta nói về cống hiến của J. L. Hall và T.W. Hansch. Lịch sử đã chứng minh khi nâng cao độ chính xác của phép đo, các nhà khoa học sẽ phát hiện ra các hiện t−ợng và cấu trúc mới. Một ví dụ tuyệt vời là nghiên cứu cấu trúc các mức năng l−ợng nguyên tử. Việc nâng cao độ phân giải đem lại một sự hiểu biết sâu sắc về cấu trúc tinh tế của nguyên tử lẫn tĩnh chất hạt nhân của chúng. Quang phổ, mà đặc biệt là quang phổ laser, cho phép quan sát đối t−ợng trên cơ sở ánh sáng phát ra hay phản xạ trên đối t−ợng đó. Nhiều khi đó là cách duy nhất để tìm hiểu đối t−ợng, nhất là khi đối t−ợng ở quá xa nh− các thiên hà hoặc là quá bé nh− các nguyên tử. Hai nhà khoa học Hall và Hansch đã tiến hành nghiên cứu phổ chính xác trên cơ sở laser đặc biệt là kỹ thuật l−ợc tần số (optical frequency comb technique). Tiến bộ trong lĩnh vực khoa học này có thể đem lại cho chúng ta những khả năng mà tr−ớc đây không thể nào hình dung đ−ợc về nghiên cứu các hằng số tự nhiên, phát hiện sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất và đo đ−ợc thời gian với độ chính xác không thể v−ợt qua đ−ợc nữa. Kỹ thuật laser chính xác, sẽ cải thiện đáng kể hệ thống thông tin liên lạc và định vị toàn cầu. Nhờ phép đo chính xác cao mà chúng ta có nhiều thông tin cơ bản về cấu trúc của thế giới nh− chụp ảnh từng nguyên tử. Độ nét của bức ảnh này có thể đạt đ−ợc nhờ vào việc gửi đi những xung cực ngắn, do đó cho phép chúng ta ghi lại từng giai đoạn của các phản ứng phức tạp xảy ra rất nhanh. Gần đây Hall và Hansch còn chế tạo đ−ợc đồng hồ laser và nhờ đó họ có trong tay một dụng cụ đo l−ờng cực kỳ chính xác. Nghiên cứu của hai ông nhằm giải quyết một số vấn đề cụ thể sau đây. Chiều dài 1 mét đ−ợc định nghĩa nh− là một số lần b−ớc sóng của một vạch quang phổ nhất định của khí trơ krypton. Một giây là thời gian thực hiện một số dao động nhất định ở tần số cộng h−ởng trong nguyên tử xesi. Các định nghĩa trên tạo ra khả năng xác định vận tốc ánh sáng nh− là tích của b−ớc sóng và tần số. Tuy nhiên, độ chính xác của phép đo vận tốc ánh sáng bị giới hạn bởi định nghĩa của mét nêu ở trên. Do đó vào năm 1983 vận tốc ánh sáng đã đ−ợc Hall xác định chính xác là 299.792 m/s và giá trị này phù hợp với các phép đo tốt nhất. Vì vậy 1m là khoảng cách ánh sáng đi đ−ợc trong 1/299.792.458 (s). Việc đo tần số với độ chính xác cực cao đòi hỏi một laser phát ra một số lớn các dao động kết hợp. Nếu các dao động với tần số khác nhau một chút đ−ợc liên kết đồng thời với nhau thì chúng sẽ tạo ra các xung cực ngắn do sự giao thoa. Tuy nhiên, một b−ớc ngoặt thực sự chỉ xảy ra vào năm 1999 khi Hansch nhận thấy rằng có thể sử dụng xung laser cực ngắn mà chúng ta có sẵn vào thời điểm đó để đo trực tiếp các tần số quang đối với đồng hồ xesi. Sở dĩ nh− thế là vì các laser đó có một “l−ợc tần số quang” bao gồm toàn bộ phạm vi ánh sáng nhìn thấy. Do đó, kỹ thuật l−ợc tần số quang dựa trên cơ sở một khoảng tần số đ−ợc phân bố một cách ngang nhau, ít nhiều giống nh− các răng của một cái l−ợc hay các chỗ đánh đấu trên một cái th−ớc. Một tần số ch−a biết cần xác định có thể liên quan đến một trong các tần số dọc theo thanh đo. Hansch và các cộng sự đã chứng minh một cách thuyết phục rằng các chỗ đánh dấu tần số thực sự phân bố bằng phẳng với độ chính xác cực cao. Tuy nhiên, một vấn đề nảy sinh là làm thế nào để xác định giá trị tuyệt đối của tần số. Thậm chí nếu có sự tách biệt rất rõ giữa các răng l−ợc thì vẫn xảy ra một sự dịch chuyển tần số chung ch−a biết. Sự lệch này cần phải xác định một cách chính xác nếu cần phải đo một tần số ch−a biết. Nhằm mục đích này, Hansch đã phát triển một kỹ thuật trong đó tần số đ−ợc ổn định, nh−ng trên thực tế bài toán không đ−ợc giải quyết cho đến khi ông và các cộng sự đ−a ra lời giải vào khoảng năm 2000. Nếu l−ợc tần số có thể đựơc tạo ra rộng đến mức các tần số cao nhất lớn gấp đôi các tần số thấp nhất thì độ dịch chuyển tần số 0f có thể tính đ−ợc một cách đơn giản. Có thể tạo ra các xung thuộc loại này trong các sợi tinh thể photon mà ngày nay đã trở thành một thiết bị sẵn có trên thị tr−ờng. Ví dụ, một tần số laser ch−a biết bây giờ đo đ−ợc bằng cách quan sát sự giao thoa của hai âm thoa và có thể nghe đ−ợc một tần số thấp hơn nhiều do với các âm riêng rẽ. Các kỹ thuật l−ợc tần số gần đây đã đựơc mở rộng cho vùng tần số cao vùng cực tím. Điều này cho phép đạt độ chính xác cực cao ở vùng tần số rất cao và dẫn đến khả năng tạo ra các đồng hồ nguyên tử chính xác cao hơn ở vùng tần số tia X. Một khía cạnh khác của kỹ thuật l−ợc tần số là điều khiển pha của ánh sáng cũng có tầm quan trọng đặc biệt trong các thực nghiệm với các xung femto giây khi có t−ơng tác mạnh giữa xung laser với vật chất. Vậy, kỹ thuật l−ợc tần số có liên quan nhiều đến các phép đo chính xác cả về tần số và thời gian. Kỹ thuật l−ợc tần số có thể tạo ra các phép đo tần số với độ chính xác đến 10-18 giây. Độ chính xác cao này làm cho hệ thống định vị vệ tinh (GPS) càng chính xác hơn, nó trở nên hết sức cần thiết cho các chuyến bay dài ngày trong vũ trụ cũng nh− các dàn kính thiên văn trong không gian để quan sát các sóng hấp dẫn hoặc tiến hành các thử nghiệm chính xác về thuyết t−ơng đối. Độ chính xác cao có thể sử dụng trong nghiên cứu mối quan hệ giữa vật chất và phản vật chất. Và cuối cùng độ chính xác cao hơn có thể dùng để kiểm tra những thay đổi khả dĩ của các hằng số tự nhiên theo thời gian. Tuy cho đến nay ch−a phát hiện đ−ợc sự sai lệch nào, nh−ng nó cho khả năng rút ra những kết luận ngày càng rõ ràng những vần đề cơ bản này. Nguyễn Quang Học (ĐHSP Hà Nội, giới thiệu)