Tạo ánh sáng từ chân không

Các nhà khoa học Thụy Điển vừa hiện thực hóa ý tưởng được nêu từ khoảng 40 năm trước, tạo ra ánh sáng bắt nguồn từ trạng thái chân không tưởng như hoàn toàn trống rỗng. Thí nghiệm dựa trên nguyên lý phản trực giác của cơ học lượng tử, lĩnh vực cho rằng chân không không phải hư vô mà luôn chứa những dao động năng lượng khó quan sát. Trong không gian ấy, các hạt ảo liên tục xuất hiện, tồn tại trong khoảng thời gian cực ngắn rồi biến mất, giống những gợn sóng thoáng qua trong nền tĩnh lặng. Nhóm nghiên cứu do Christopher Wilson thuộc Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, dẫn đầu đã đưa các photon ảo từ trạng thái không thể quan sát thành photon thực. Kết quả tạo ra bức xạ điện từ có thể đo lường, mở ra lần đầu tiên một cách thực nghiệm để phát hiện ánh sáng hình thành từ những dao động chân không. Phát hiện này không có nghĩa bóng đèn được thắp sáng giữa khoảng không tuyệt đối, mà mô tả quá trình năng lượng làm các photon ảo trở nên hiện hữu. Ý tưởng nền tảng xuất phát từ nhà vật lý học Moore, người năm 1970 dự đoán rằng photon ảo có thể biến thành photon thực quanh một chiếc gương chuyển động cực nhanh. Nếu chiếc gương đạt tốc độ ánh sáng, chuyển động của nó có thể trao đổi năng lượng với các dao động lượng tử, làm những photon vốn thoáng biến mất trở nên đo được. Hiện tượng dự đoán ấy mang tên hiệu ứng Casimir động lực học, lần đầu được quan sát nhờ thí nghiệm đặc biệt của các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Chalmers. Tuy nhiên, đưa một chiếc gương vật chất chuyển động với tốc độ gần ánh sáng là nhiệm vụ vượt quá khả năng kỹ thuật thông thường của con người. Vì vậy, nhóm nghiên cứu xây dựng một phương pháp tương đương, thay đổi khoảng cách điện tới một mạch đoản đóng vai trò như gương đối với vi sóng. Cách tiếp cận này thay thế chuyển động cơ học bằng sự điều khiển điện từ, giúp các nhà khoa học tái tạo điều kiện cần thiết mà không phải đẩy gương thật đi. Chiếc gương đặc biệt trong thí nghiệm là một hệ điện lượng tử cực kỳ nhạy với từ trường, có thể phản ứng nhanh trước những biến đổi nhỏ từ môi trường. Bằng cách đổi hướng từ trường hàng tỷ lần mỗi giây, nhóm nghiên cứu khiến hệ thống biểu hiện chuyển động tương đương khoảng 25% tốc độ ánh sáng. Con số này không mô tả một vật thể rắn lao trong không gian, mà phản ánh tốc độ thay đổi hiệu dụng của khoảng cách điện trong mạch đo. Khi được cung cấp năng lượng động lực, chiếc gương lượng tử truyền một phần năng lượng ấy cho photon ảo, giúp chúng thoát khỏi trạng thái ẩn và xuất hiện. Các photon không xuất hiện đơn lẻ mà hình thành từng cặp, đặc điểm cho phép nhóm nghiên cứu ghi nhận chúng dưới dạng bức xạ vi sóng. Việc đo bức xạ vi sóng cung cấp bằng chứng thực nghiệm rõ ràng hơn về hiệu ứng Casimir động lực học, thay vì chỉ dựa trên dự đoán lý thuyết. Theo Phó giáo sư vật lý Göran Johansson, photon xuất hiện thuận lợi vì chúng không có khối lượng, nên cần tương đối ít năng lượng để chuyển đổi. Ngược lại, những hạt có khối lượng như electron hoặc proton về nguyên lý cũng có thể được tạo ra từ chân không, nhưng quá trình đó đòi hỏi năng lượng lớn hơn nhiều. Cơ học lượng tử mô tả chân không như một môi trường luôn dao động, nơi nhiều loại hạt ảo có thể tạm thời xuất hiện rồi biến mất. Phát hiện photon theo từng cặp có thể hỗ trợ nghiên cứu thông tin lượng tử, đặc biệt trong những hướng phát triển máy tính lượng tử. Dù vậy, giá trị lớn nhất của thí nghiệm hiện nằm ở việc mở rộng hiểu biết về các khái niệm vật lý cơ bản, không chỉ ở ứng dụng công nghệ. Một số nhà khoa học còn liên hệ những dao động trong chân không với năng lượng tối, thành phần được cho là chi phối sự giãn nở của vũ trụ.