Oxford tạo ra ánh sáng từ bóng tối

Tưởng tượng bạn đang đứng trong một không gian hoàn toàn tối đen – không có gì, không có không khí, không có ánh sáng, chỉ là chân không tuyệt đối. Nhưng các nhà vật lý từ Đại học Oxford và Instituto Superior Técnico tại Lisbon vừa chứng minh rằng ngay cả trong “bóng tối tuyệt đối” ấy, cũng có thể tạo ra ánh sáng. Và không, điều này không phải phép thuật, mà là vật lý lượng tử.

Nghiên cứu của họ, vừa công bố trên tạp chí Communications Physics, đã đi sâu vào một hiện tượng mà trước đây gần như chỉ tồn tại trên giấy tờ: vacuum four-wave mixing. Hiện tượng này xảy ra khi các tia laser siêu mạnh phát ra những trường điện từ dữ dội đến mức có thể “khuấy động” chính chân không, nơi vốn được coi là rỗng không.

Chân không không hề rỗng

Nhiều người thường hình dung chân không là một không gian trống rỗng. Thế nhưng, theo vật lý lượng tử, chân không không thật sự trống – nó đầy những hạt ảo xuất hiện rồi biến mất liên tục, như cặp electron-positron sống rất ngắn ngủi. Khi bị tác động bởi các trường điện từ cực mạnh, những hạt ảo này trở thành “cầu nối” để các photon tương tác với nhau, tạo nên ánh sáng từ hư không.

Trong thí nghiệm mô phỏng, các nhà khoa học sử dụng một phiên bản cải tiến của phần mềm OSIRIS, vốn được phát triển để mô phỏng các tương tác tia laser. Họ bắn ba tia laser cực mạnh hội tụ tại một điểm. Tại đó, các trường điện từ của ba tia này làm phân cực chân không, buộc các photon “va chạm” vào nhau, từ đó tạo ra tia laser thứ tư. Đó chính là quá trình vacuum four-wave mixing.

Không còn chỉ là lý thuyết

Trước đây, vacuum four-wave mixing hầu hết chỉ tồn tại trong các phương trình lý thuyết. Giáo sư Peter Norreys từ Khoa Vật lý Oxford cho biết:

“Đây không còn chỉ là một sự tò mò học thuật. Nó là bước tiến lớn hướng đến xác nhận thực nghiệm các hiệu ứng lượng tử vốn trước nay chỉ có trong lý thuyết.”

Điều khiến nghiên cứu này trở nên cấp bách là vì các hệ thống laser công suất nhiều Petawatt đang dần được đưa vào vận hành trên khắp thế giới. Những cơ sở như Vulcan 20-20 tại Anh, ELI ở châu Âu, hay SHINE và SEL tại Trung Quốc, cùng với OPAL (Mỹ), đều đang đạt đến mức công suất cần thiết để kiểm chứng những hiệu ứng lượng tử cực hiếm này.

Mô phỏng cực kỳ chi tiết

Để đạt độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu đã dùng một trình giải bán cổ điển dựa trên Heisenberg-Euler Lagrangian. Cách tiếp cận này cho phép họ mô phỏng hai hiệu ứng chính trong chân không lượng tử và kiểm tra kết quả so với các dự đoán đã biết, đặc biệt là hiện tượng vacuum birefringence – nơi ánh sáng có thể bị chia tách hoặc lệch hướng khi đi qua một trường điện từ mạnh.

Họ thử nghiệm với cả xung laser phẳng và xung laser Gaussian. Kết quả mô phỏng khớp rất tốt với các lý thuyết hiện có. Trong trường hợp vacuum four-wave mixing, họ đã dùng ba chùm tia Gaussian và theo dõi quá trình hình thành tia thứ tư theo thời gian. Dù mô phỏng cho thấy có một chút astigmatism (tia sáng không hoàn toàn tròn đều), họ vẫn đo đạc chính xác được thời gian tương tác và kích thước khu vực xảy ra hiệu ứng.

Zixin Zhang, nghiên cứu sinh tại Oxford và tác giả chính, chia sẻ:

“Chương trình mô phỏng của chúng tôi tạo ra một ‘cửa sổ 3D theo thời gian’ để nhìn vào những tương tác lượng tử vốn trước đây không thể tiếp cận.”

Tiềm năng tìm ra vật chất tối

Ngoài việc khám phá cơ bản, công cụ mô phỏng mới có thể giúp các nhà khoa học thiết kế thí nghiệm thực tế chính xác hơn, từ cách điều khiển thời gian bắn tia laser cho tới hình dạng và hướng chiếu tia.

Giáo sư Luis Silva, đồng tác giả từ Instituto Superior Técnico và Giáo sư thỉnh giảng tại Oxford, cho biết:

“Nhiều thí nghiệm sắp tới tại các cơ sở laser tiên tiến nhất sẽ được hỗ trợ mạnh mẽ bởi phương pháp tính toán mới của chúng tôi.”

Đặc biệt, mô phỏng này còn được kỳ vọng hỗ trợ truy tìm những hạt mới, như axion hay hạt millicharged, vốn được coi là những ứng viên tiềm năng cho vật chất tối.

Nói cách khác, ánh sáng được tạo ra từ “bóng tối” có thể không chỉ là bước ngoặt trong vật lý lượng tử, mà còn mở ra hy vọng giải mã những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ.