Lần đầu tiên các nhà khoa học đo được đơn vị thời gian ngắn nhất
Đơn vị đo thời gian ngắn nhất mà các nhà khoa học có thể đo được cho đến nay là zepto giây, đơn vị để đo thời gian một hạt ánh sáng đi qua một phân tử hydro.
Một zepto giây là một phần nghìn tỷ của một phần tỷ của một giây, hay là phần thập phân gồm 20 số 0 rồi đến số 1. Trước đây, các nhà nghiên cứu đã đi sâu tìm hiểu lĩnh vực zepto giây.
Một hạt ánh sáng, được gọi là một photon (mũi tên màu vàng), sinh ra các sóng electron từ một đám mây electron (xám) của một phân tử hydrogen (đỏ: nguyên tử). Kết quả của phản ứng này là cái gọi là vân giao thoa (tím-trắng). Vân giao thoa hơi lệch về bên phải, nhờ đó các nhà nghiên cứu tính toán được thời gian để photon đó đi từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.
Năm 2016, một báo cáo đăng trên tạp chí Vật lý Tự nhiên đã sử dụng tia laser để đo được thời gian thành những phần nhỏ đến 850 zepto giây. Độ chính xác này là một bước nhảy vọt kể từ công trình giành giải Nobel năm 1999, là công trình đầu tiên đo được thời gian đến đơn vị femto giây. Một femto giây bằng một phần triệu của một phần tỷ của một giây.
Mỗi liên kết hóa học mất hàng femto giây để hình thành hoặc phá vỡ, nhưng ánh sáng chỉ mất hàng zepto giây để đi qua một phân tử hydro (H2). Để đo được hành trình vô cùng ngắn ngủi này, nhà vật lý học Reinhard Drner của Trường đại học Goethe, Đức, và các đồng nghiệp đã b.ắn tia X từ máy gia tốc hạt PETRA III của Trung tâm nghiên cứu Elektronen-Synchrotron ở Hamburg, Đức.
Nhóm nghiên cứu đã xác định được mức năng lượng phù hợp của tia X để một photon đơn lẻ, hay một hạt ánh sáng, đ.ánh bật hai electron ra khỏi một phân tử hydrogen. (Một phân tử hydrogen gồm 2 proton và 2 electron). Photon này đ.ánh bật một electron ra khỏi phân tử, sau đó electron còn lại hơi giống như một hòn sỏi nhảy trên mặt hồ.
Video đang HOT
Những tương tác này tạo ra một đồ thị sóng gọi là vân giao thoa, mà nhà vật lý học Drner và các đồng nghiệp có thể đo được bằng một dụng cụ gọi là kính hiển vi phản ứng COLTRIMS. Dụng cụ này là một máy đo hạt cực kỳ nhạy và chính xác có thể ghi lại các phản ứng phân tử và nguyên tử siêu nhanh. Kính hiển vi COLTRIMS đã ghi lại cả vân giao thoa và vị trí của phân tử hydrogen trong suốt phản ứng tương tác đó.
“Vì chúng ta đã biết định hướng không gian của phân tử hydrogen nên chúng tôi sử dụng cách tương tác của các sóng electron để tính toán chính xác khi nào thì photon đó chạm được đến nguyên tử hydrogen thứ nhất và khi nào thì đến nguyên tử thứ hai” – Đồng tác giả nghiên cứu, Tiến sĩ Sven Grundmann của Trường đại học Rostock, Đức, cho biết.
247 zepto giây, với một số khoảng trống tùy vào khoảng cách giữa các nguyên tử hydrogen trong phân tử tại thời điểm chính xác mà photon đó bay qua. Đây cũng chính là khoảng thời gian ánh sáng đi qua một phân tử hydrogen.
Nhà vật lý học Drner cho biết lần đầu tiên nhóm nghiên cứu quan sát thấy lớp vỏ electron trong một phân tử không phản ứng với ánh sáng ở tất cả mọi nơi đồng thời cùng một lúc. Có những khoảng trống thời gian vì thông tin bên trong phân tử chỉ lan truyền với tốc độ ánh sáng.”
Các kết quả nghiên cứu này vừa được công bố trên tạp chí Khoa học, Mỹ, vào ngày 16/10/2020.
Vì sao vũ trụ lại là chân không?
Vũ trụ là môi trường chân không gần như tuyệt đối, và nói ngắn gọn thì trọng lực chính là nguyên nhân.
Nhưng để thực sự hiểu được môi trường chân không của vũ trụ, chúng ta hãy dành chút thời gian tìm hiểu xem thực ra chân không là gì và không phải là gì.
Vậy chân không là gì, và vì sao vũ trụ không thực sự là môi trường chân không?
Trước hết, hãy quên đi chiếc máy hút bụi như một phép loại suy về môi trường chân không của vũ trụ. Chiếc máy hút bụi chân không dùng trong gia đình làm việc thật hiệu quả khi túi lọc của nó chứa đầy bụi và rác hút từ đồ dùng vật dụng trong nhà bạn. Tức là chiếc máy hút bụi gia đình sử dụng áp suất hơi khác so với chân không để tạo ra lực hút. Loại máy này có lẽ nên được gọi là máy làm sạch bằng lực hút (suction cleaner) thay vì máy làm sạch bằng chân không (vacuum cleaner). Chân không của vũ trụ hoàn toàn ngược lại. Theo định nghĩa, chân không tức là không có vật chất. Vũ trụ là một môi trường chân không gần như tuyệt đối, không phải vì sức hút mà vì nó gần như trống rỗng.
Đặc tính trống rỗng đó tạo nên một áp suất cực kỳ thấp. Và mặc dù chúng ta không thể mô phỏng cái trống rỗng này của vũ trụ trên Trái Đất, nhưng các nhà khoa học có thể tạo ra những môi trường áp suất cực thấp được gọi là chân không không hoàn toàn.
Ngay cả khi ngoại suy từ chiếc máy hút bụi chân không thì "hiểu được khái niệm về chân không là điều gần như không thể vì nó quá đối nghịch với cách chúng ta đang tồn tại" - bà Jackie Faherty, nhà khoa học cấp cao của Khoa Vật lý vũ trụ thuộc Bảo tàng Lịch sử tự nhiên Mỹ nói.
Con người hoàn toàn bị giam hãm trong mẫu không gian rất đậm đặc, đông đúng và sôi động của vũ trụ. Vì thế, thật khó để chúng ta thực sự hiểu được thế nào là không có gì hay thế nào là trống rỗng. Nhưng trên thực tế, điều bình thường với chúng ta trên Trái Đất lại thực sự hiếm có trong vũ trụ bao la, nơi mà hầu hết không gian đều gần như trống rỗng.
Trong lực chính là vị vua
Vũ trụ vẫn luôn khá là trống rỗng ngay cả nếu chúng ta không có trọng lực. "Chỉ là không có nhiều sự vật so với quy mô của cả vũ trụ nơi mà chúng ta đặt những sự vật đó vào", nói theo cách của nhà vật lý vũ trụ người Mỹ Cameron Hummels.
Theo Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ, mật độ trung bình của vũ trụ là 5,9 proton (một hạt hạ nguyên tử mang điện tích dương)/ m3. Nhưng rồi trọng lực làm tăng mức độ trống rỗng ở một số vùng nhất định của vũ trụ bằng cách làm cho vật chất trong vũ trụ tập hợp lại với nhau.
Về cơ bản, bất cứ hai vật thể nào có khối lượng đều hấp dẫn nhau. Đó là lực hấp dẫn, hay trọng lực. Nói cách khác là "vật chất thích ở gần một vật chất khác" - bà Faherty nói. Trong không gian, trọng lực kéo các vật thể ở gần đến gần nhau hơn. Khi kết hợp với nhau, khối tổng của chúng càng tăng lên và khối càng tăng có nghĩa là chúng có thể sinh ra lực kéo càng mạnh và kéo càng nhiều vật chất hơn vào đám hỗn tạp vũ trụ của chúng.
Khi các điểm nóng trọng lực này kéo các vật chất ở gần, không gian giữa chúng biến mất, tạo ra cái gọi là khoảng trống vũ trụ. Nhưng vũ trụ không bắt đầu bằng cách đó. Sau vụ Big Bang, vật chất trong vũ trụ phân tán một cách đồng đều hơn, "gần giống như một đám sương mù" - nhà vật lý vũ trụ Hummel nói. Nhưng qua hàng tỷ năm, trọng lực đã tập hợp vật chất đó thành các thiên thạch, các hành tinh, ngôi sao, các hệ mặt trời và các thiên hà; và để lại giữa các vật thể đó những khoảng trống liên hành tinh, liên sao và không gian liên thiên hà.
Nhưng ngay cả chân không của vũ trụ cũng không thực sự tinh khiết. Giữa các thiên hà, trong mỗi mét khối vẫn có ít hơn một nguyên tử, tức là không gian liên thiên hà không hoàn toàn trống rỗng. Tuy nhiên, nó có ít vật chất hơn, ít hơn rất nhiều so với bất cứ chân không nào con người có thể mô phỏng trong một phòng thí nghiệm trên Trái Đất.
Trong khi đó, vũ trụ vẫn liên tục nở ra, đảm bảo chắc chắn rằng các vũ trụ vẫn luôn là những nơi trống rỗng nhất. "Điều này nghe thật cô đơn" - bà Faherty nói.
Cách tạo ra đường hầm du hành thời gian Đường ống Tipler là một giả thuyết của nhà vật lý Frank Tipler về cách con người có thể tạo ra cỗ máy thời gian.
