Một quy tắc chung của vạn vật có lẽ cần phải viết lại: Ánh sáng lan truyền tự do trong không gian trống rỗng không nhất thiết truyền đi ở tốc độ ánh sáng.
Như các nhà vật lí đều biết, các hạt ánh sáng lan truyền trong không gian trống rỗng có thể lao vèo vèo ở vận tốc đúng bằng 299.792 km/s. Vận tốc này thường được gọi là tốc độ ánh sáng.
Ánh sáng thường truyền đi chậm hơn khi nó đi qua một môi trường như nước hoặc thủy tinh, hoặc qua các cấu trúc nhân tạo gọi là ống dẫn sóng. Nhưng một khi ánh sáng ló ra đầu bên kia của môi trường, nó lập tức sẽ lấy lại phong độ tối đa của nó. Nay một nghiên cứu mới đề xuất một ngoại lệ cho quy tắc này: Ánh sáng sẽ không truyền đi ở tốc độ tối đa trong không gian trống rỗng nếu “cấu trúc” của ánh sáng bị biến đổi trước.
Một thứ đơn giản như kính lúp chẳng hạn có thể làm thay đổi cấu trúc của ánh sáng, theo các tác giả của nghiên cứu mới trên. Thấu kính thu gom ánh sáng phân tán và mang nó vào một điểm sáng. Trong các thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã có thể tách được hiệu ứng làm chậm này bằng cách gửi ánh sáng qua những “mặt nạ” được thiết kế riêng tương tự như những loại thấu kính nhất định.
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng mặc dù các kết quả của họ thoạt trông có chút lạ lùng, nhưng chúng không phủ nhận các định luật vật lí.
“Nó hoàn toàn có nghĩa – nó khớp hoàn hảo với hiểu biết của chúng ta về cách ánh sáng vận hành và cách các sóng vận hành và cách cơ học lượng tử vận hành,” phát biểu của Daniel Giovannini, một trợ lí nghiên cứu tại Đại học Glasgow ở Scotland và là đồng tác giả của nghiên cứu mới.
Trong khi những gợi ý của hiện tượng này đã được báo cáo trước đây, các nhà nghiên cứu cho biết công trình của họ là công trình đầu tiên chứng minh nó một cách trực tiếp và đưa lại một lí giải đầy đủ vì sao nó xảy ra.
“Nó tựa như trò đố xếp chai trên bàn rượu,” Giovannini nói. “Bạn nói, “Tôi cá với anh là tôi có thể làm chậm ánh sáng trong không gian tự do.’ Và mọi người hùa theo, “Không, anh không thể làm được đâu.’ Và khi bạn thật sự làm được, mọi người lại hùa theo, “Ồ, rõ ràng là được kìa.”
Đường đi khúc khuỷu
Đối với các photon, hay hạt ánh sáng, việc đi ra khỏi một cốc nước giống như cố rời một bữa tiệc đông đúc: Photon liên tục len lách giữa các “bạn tiệc” (các phân tử nước), khiến tia sáng bé nhỏ không thể đi thẳng tới cửa. Photon chuyển động nhanh giữa từng phân tử nước, một đường đi zig zag giữa hai điểm thì chậm hơn đường đi thẳng, cho nên cuối cùng hạt photon bị trễ.
Lúc truyền trong môi trường, các photon luôn luôn chuyển động ở vận tốc tối đa của chúng (tốc độ ánh sáng), nhưng bị chậm lại bởi đường đi vòng vo. Vì thế, một khi photon thoát ra không gian mở và lấy lại đường đi thẳng, nó cũng lấy lại tốc độ tối đa của nó. Nhưng theo nghiên cứu mới, việc làm biến đổi cấu trúc của ánh sáng có thể giữ cho photon chuyển động theo đường đi zig zag, và khiến nó chậm lại.
Một loại thấu kính đặc biệt có thể tạo ra cái gọi là chùm Bessel, đó là một chùm sáng được nặn thành hình điểm đen. Các nhà khoa học làm thí nghiệm với những chùm Bessel này – cùng với cái gọi là chùm Gauss, một đốm sáng cường độ mạnh nhất ở chính giữa và từ từ nhòe dần ra bên ngoài – đã lưu ý rằng ánh sáng dường như chuyển động chậm hơn tốc độ của nó trong không gian tự do.
Các thấu kính có thể ảnh hưởng đến tia sáng theo những kiểu khác nhau, cho nên để loại bỏ những hiệu ứng này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các “mặt nạ” chế tạo riêng – về cơ bản là một màng rất mỏng làm bằng các cấu trúc tinh thể – có thể nặn hình đường đi của từng hạt photon.
Photon là một đơn vị của ánh sáng không thể bị phân chia thành những mảnh nhỏ hơn. Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu, một sóng ánh sáng trên phương diện chuyên môn là có đa thành phần. Nó tương tự như một địa điểm địa lí có thể có vĩ độ, kinh độ và cả cao độ: Ba con số khác nhau cùng mô tả một địa điểm. Tương tự như vậy, một photon độc thân có thể được mô tả bởi nhiều thành phần sóng.
Khi sóng ánh sáng đi qua lớp mặt nạ, các thành phần của nó bị gửi theo những đường đi khác nhau; một phần truyền thẳng về phía trước, trong khi các phần kia truyền theo đường đi xiên góc, chậm hơn. Tốc độ của photon là tốc độ trung bình của toàn bộ các thành phần sóng, cho nên toàn bộ photon bị chậm lại bởi những thành phần chệch hướng đó.
Các cấu trúc gọi là ống dẫn sóng có thể tạo ra hiệu ứng làm chậm giống như vậy, nhưng thông thường ánh sáng phải đi qua ống dẫn sóng mới bị làm chậm.
“Nếu bạn gửi ánh sáng qua một ống dẫn sóng, nó bị phản xạ trên các thành bên và truyền đi theo quỹ đạo zig zag,” Giovannini nói. “Cái chúng tôi làm ở đây là tạo ra cấu trúc ít nhiều giống như vậy, ngoại trừ là trong không gian tự do chứ không phải trong ống dẫn sóng. Chúng tôi loại bỏ thành bên, và chúng tôi cho ánh sáng truyền trong không gian tự do sau khi chúng tôi đã cấu trúc nó.”
Các photon đua nhau
Các nhà nghiên cứu đã bố trí một thí nghiệm tách riêng một photon cho gửi qua lớp mặt nạ, còn photon kia thì không. Sau đó họ tiến hành đo giờ đua đối với các photon để xem photon nào cán đích trước. Photon đi qua lớp mặt nạ đã đến trễ một lượng có thể đo được.
“Độ trễ mà chúng tôi đưa vào chùm tia cấu trúc là nhỏ, đo được chừng vài micro-mét [một phần triệu của một mét] trên đường truyền 1 mét, nhưng như thế là đáng kể,” Giovannini nói. Các nhà nghiên cứu cho biết độ trễ này có thể nhìn thấy ở nhóm photon lẫn ở từng photon.
Trước đây, các nhà nghiên cứu làm thí nghiệm với một số loại thấu kính đặc biệt tìm thấy ánh sáng ló ra khỏi những thấu kính này dường như truyền đi hơi chậm hơn tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên hiệu ứng này được tách riêng và nghiên cứu trực tiếp. Giải thích của các nhà nghiên cứu vận dụng đường đi “zig-zag” và cấu trúc của ánh sáng là giải thích lí thuyết đầy đủ đầu tiên cho hiện tượng này.
“Cái chúng tôi đã làm là một thí nghiệm thật sự rõ ràng loại bỏ mọi nhập nhằng,” phát biểu của Jacquiline Romero, một trợ lí nghiên cứu tại Đại học Glasgow và là đồng tác giả của nghiên cứu trên. “Trong khi một số người sẽ nói ‘Ồ, điều đó là hiển nhiên,’ thì có lẽ một số người cũng sẽ nói, ‘Ồ, đẹp đấy!’”
Các kết quả trên không mang lại hàm ý ứng dụng nào trước mắt, nhưng theo các nhà nghiên cứu, các kết quả có thể là quan trọng trong các phép đo chính xác liên quan đến ánh sáng.
“Thật ra nó chỉ là một hiệu ứng tinh xảo mà căn bản chưa ai từng chú ý tới trước đây,” Giovannini nói.
Nguồn: Live Science
