Cho phản xạ các nguyên tử để đo lực hấp dẫn

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

64
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa nghĩ ra một phương pháp thực hiện những phép đo rất chính xác của lực hấp dẫn bằng cách cho bật các nguyên tử lên xuống khỏi một chùm laser.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cho phản xạ các nguyên tử để đo lực hấp dẫn

Cho phản xạ các nguyên tử để đo lực hấp dẫn Các nhà vật lí ở Mĩ vừa nghĩ ra một phương pháp thực hiện những phép đo rất chính xác của lực hấp dẫn bằng cách cho bật các nguyên tử lên xuống khỏi một chùm laser. Không giống như các kĩ thuật thả rơi các nguyên tử khoảng 10cm, phương pháp mới này chỉ yêu cầu thả rơi khoảng 20 µm. Đội nghiên cứu còn cải tiến thí nghiệm để tiến hành phép đo giao thoa nguyên tử, nhờ đó sự giao thoa lượng tử giữa các nguyên tử có thể dùng để đo những gia tốc rất nhỏ. Vì kích thước nhỏ gọn của nó, đội nghiên cứu tin rằng kĩ thuật có thể dùng để chế tạo các gia tốc kế chính xác có thể dùng trong các hệ thống đạo hàng cho máy bay, tàu ngầm và cả phi thuyền vũ trụ. Kĩ thuật đó còn có thể sử dụng trong các thí nghiệm tìm kiếm những sai lệch khỏi định luật hấp dẫn của Newton. Hơn hai thập niên qua, các nhà vật lí đã trở nên tinh thông ở việc bẫy và điều khiển những số lượng nhỏ nguyên tử bằng laser và trường điện từ. Giống như mọi vật chất khác, các nguy ên tử này rơi xuống phía Trái đất, điều đó cho phép các nhà khoa học thực hiện những phép đo rất chính xác cách thức lực hấp dẫn tác dụng lên những vật rất nhỏ và trên những cự li tương đối ngắn. 10,000 nguyên tử cực lạnh Kĩ thuật mới do Cass Sackett và các đồng sự tại trường Đại học Virginia ở Mĩ phát triển, họ đã bắt đầu thí nghiệm của mình với một tập hợp khoảng 10.000 nguyên tử rubidium-87 đã được làm lạnh tới nhiệt độ micro-Kelvin. Việc sử dụng các nguyên tử cực lạnh như thế thật quan trọng vì chúng ít năng lượng nhiệt và do đó
gần như không còn chuyển động khi chúng bắt đầu rơi vào trong một buồng chân không (arXiv:0902.0109). Ban đầu được giữ bằng từ trường, các nguy ên tử rơi xuống khi từ trường tắt đi. Khi chúng rơi xuống, đa số các nguyên tử va chạm với các photon phát ra bởi một diode laser đặt ngay bên dưới bẫy, chúng phát ra các xung ánh sáng hướng thẳng lên trên khoảng một xung mỗi 2 ms. Khi các nguyên tử va chạm, mỗi nguyên tử nhận được đúng một xung lượng chính xác, đánh bật chúng trở lại. Các nguyên tử này sau đó rơi trở xuống lần nữa, vừa đủ để va chạm với xung laser tiếp theo. Nếu màu sắc của ánh sáng laser và tần số của các xung được thiết đặt thích hợp, thì các nguyên tử sẽ được đưa vào phản xạ và gia tốc do hấp dẫn có thể suy ra từ các thông số thực nghiệm và hằng số Planck. Đội nghiên cứu đã duy trì được sự phản xạ này trong khoảng 100 chu trình, theo lời họ như thế là tương đương với việc thả rơi các nguyên tử khoảng 2 cm trong một thí nghiệm chuẩn bình thường. Sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của từ trường tản lạc lên các spin nguyên tử, đội nghiên cứu thu được một giá trị hằng số hấp dẫn bằng 9.814 ± 0.008 m/s2, phù hợp với giá trị mong đợi. “Kĩ thuật của chúng tôi mang lại một phương pháp áp dụng một lực đã được biết rất tốt cho các nguyên tử”, Sackett giải thích. “Khi biết lực cần thiết để cân bằng lực hấp dẫn, chúng ta thu được một số đo chính xác của lực hấp dẫn”, ông thêm. Mark Kasevich ở trường Đại học Stanford, người đã đi tiên phong sử dụng các nguyên tử cực lạnh để đo lực hấp dẫn, phát biểu với physicsworld.com: “Đúng là một bài báo hay – nó cho thấy chắc chắn rằng việc theo đuổi những thí nghiệm đẩy xa hơn nữa các giới hạn độ nhạy sẽ thật hấp dẫn”. Sẽ cải tiến thêm Sackett phát biểu với physicsworld.com rằng đội của ông đang có kế hoạch cải thiện độ chính xác của phương pháp bằng cách đưa các nguyên tử vào mộtt rh không nhạy với từ trường. Đội cũng còn có kế hoạch giảm số nguyên tử bị thất thoát trong thí nghiệm – hiện nay là khoảng 0,1% mỗi lần bật trở lại. Sackett tin rằng điều này có thể thực hiện bằng cách cải thiện sự điều khiển của họ đối với cường độ của các xung laser. Đội nghiên cứu cũng đã đưa ra một phương pháp sử dụng các nguyên tử để thực
hiện phép đo giao thoa nguyên tử. Nếu các nguyên tử được gửi dọc theo những lộ trình khác nhau rồi sau đó kết hợp lại tại detector, hình ảnh vân giao thoa thu được phụ thuộc vào bất kì sự chênh lệch nào ở gia tốc mà các nguyên tử chịu. Nếu chế tạo tích hợp với một dụng cụ di động, các gia tốc kế kiểu như vậy có thể dùng làm bộ phận của các thiết bị đạo hàng chính xác cao có thể hoạt động độc lập của các hệ thống GPS – khiến chúng thật hấp dẫn đối với tàu ngầm và các ứng dụng quân sự khác. Mặc dù kĩ thuật này mang lại một giá trị kém chính xác hơn cho gia tốc hấp dẫn so với chỉ cho bật phản xạ một lộ trình, nhưng đội nghiên cứu tin rằng họ có thể cải thiện độ chính xác đó lên chừng một chục lần. Hơi mất cân bằng Đối với giao thoa kế, cơ cấu hiện nay bị hạn chế bởi một sự hơi mất cân bằng giữa các lực tác dụng lên hai nhóm nguyên tử - và Sackett nói rằng việc cải thiện sự mất cân bằng này là có thể, nhưng sẽ khó thực hiện. Sackett tin rằng một ứng dụng sớm của công nghệ này có thể là trong các phương tiện hỗ trợ đạo hàng dùng cho xe quân sự, tàu hải dương và máy bay. Một dụng cụ như vật sẽ giữ vết vị trí của nó bằng cách theo dõi gia tốc của nó – không cần một tín hiệu GPS, cái có thể bị nhiễu. Những dụng cụ như vậy cũng có thể dùng trong thăm dò dầu mỏ và khoáng sản, Sackett nói, vì họ đủ nhỏ để hạ xuống vào các lỗ khoan để đo tỉ trọng của đất đá là hàm của chiều sâu. Trong tương lai, Sackett tin rằng kĩ thuật này có thể dùng để thực hiện những phép đo rất chính xác của lực hấp dẫn trên những thang chiều dài rất ngắn – chúng có thể tiết lộ những sai lệch khỏi định luật hấp dẫn Newton như một số lí thuyết của ngành vật lí hạt đã tiên đoán. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng ngay cả việc cho phản xạ trên một vài micromet cũng có thể là một khoảng cách quá lớn đối với những những phép đo như vậy
Vệ tinh địa tĩnh Vệ tinh khí tượng thường có hai loại quỹ đạo cơ bản: quỹ đạo địa tĩnh (vệ tinh địa tĩnh) và quỹ đạo cực. Vệ tinh khí tượng địa tĩnh bay vòng quanh Trái Đất phía trên xích đạo ở độ cao khoảng 35.880 km (22.300 dặm). Ở quỹ đạo này, các vệ tinh có chiều quay cùng chiều với Trái Đất, do đó nó có vị trí cố định so với mặt đất. Do đó, nó có thể truyền các hình ảnh của bán cầu phía dưới liên tục bằng các máy ảnh và bộ cảm biến hồng ngoại của nó. Các hãng thông tấn đưa tin tức về thời tiết dùng các ảnh từ vệ tinh này trong các chương trình dự báo thời tiết như là các ảnh chụp, hoặc ghép lại thành ảnh động để thể hiện sự thay đổi thời tiết. Hiện nay, có nhiều vệ tinh khí tượng địa tĩnh đang được sử dụng. Hoa Kỳ có ba vệ tinh đang hoạt động. GOES-9, GOES-10 và GOES-12. GOES-12 được mệnh danh là GOES-East, nằm phía trên sông Amazon và cung cấp hầu hết thông tin thời tiết của Hoa Kỳ. GOES-10 còn được gọi là GOES-West nằm ở trên phía Đông Thái Bình Dương. GOES-9 cho Nhật mượn thông qua một thỏa thuận quốc tế do vệ tinh GMS- 5 của Nhật đã hư hỏng và việc phóng vệ tinh thay thế (vệ tinh MTSAT-1) thất bại;
nó bay trên vùng giữa Thái Bình Dương. Châu Âu có các vệ tinh Meteosat-6, Meteosat-7 và Meteosat-8 bay trên Đại Tây Dương và Meteosat-5 bay trên Ấn Độ Dương. Nga có vệ tinh GOMS bay trên xích đạo phía Nam Moskva. Ấn Độ cũng có vệ tinh địa tĩnh chứa các thiết bị thời tiết. Trung Quốc có vệ tinh Phong Vân (Tiếng Anh: Feng-Yun, Tiếng Trung Quốc: 風雲) là vệ tinh địa tĩnh. Vệ tinh được phóng gần đây nhất là FY-2C hoạt động tại kinh độ 105°E. Nó được phóng vào tháng 10 năm 2004. Vệ tinh quỹ đạo cực bay vòng quanh Trái Đất ở độ cao từ 720 đến 800 km (khoảng 450 đến 500 dặm) từ hướng bắc đến nam hoặc ngược lại, và đi ngang qua các địa cực trên đường đi. Vệ tinh quỹ đạo cực có quỹ đạo đồng bộ mặt trời , có nghĩa là nó có thể quan sát bất kỳ vị trí nào trên trái đất và mỗi ngày 2 lần với cùng điều kiện ánh sáng vì giờ địa phương chỗ nó đi qua gần như không thay đổi. Hoa Kỳ có những vệ tinh NOAA là vệ tinh khí tượng quỹ đạo cực, hiện tại NOAA 12, NOAA 14 là dự bị, NOAA 15 và NOAA 16 là tàu phụ, NOAA 17 và NOAA 18 là tàu chính. Nga có những vệ tinh METEOR và RESURS. Trung Quốc và Ấn Độ cũng có những vệ tinh quỹ đạo cực. Ảnh chụp ánh sáng bình thường của vệ tinh khí tượng chụp ban ngày người bình thường vẫn có thể hiểu được; mây, hệ mây như bão nhiệt đới, hồ, rừng, núi, tuyết, cháy, ô nhiễm, khói, sương mù... đều hiện ra. Ngay cả gió vẫn có thể xác định được dựa trên hình dạng mây, cách sắp xếp và sự di chuyển từ những bức ảnh trước đó. Ảnh hồng ngoại và ảnh chụp nhiệt độ được chụp bằng các sensor cho phép các nhà phân tích xác định độ cao và loại mây, tính nhiệt độ mặt đất và mặt nước, đặt điểm mặt biển. Các ảnh hồng ngoại mô tả những xoáy nước trên biển và bản đồ các dòng hải lưu có giá trị kinh tế và công nghiệp hàng hải. Ngư dân và nông dân cũng cần biết nhiệt độ mặt đất và mặt nước để bảo vệ mùa màng trước sự băng giá hoặc tăng sản lượng đánh bắt trên biển. Hiện tượng El Niño cũng có thể được xác định. Dùng kỹ thuật tô màu ảnh kỹ thuật số, các sắc độ xám của ảnh được chuyển thành các màu để xác định các thông tin mong muốn một cách dễ dàng.