Một nguyên tử kích thích phân huỷ trong chân không chịu một lực rất giống với lực ma sát, đó là kết luận của các nhà vật lí ở Anh. Thoạt nhìn, kết quả trông như vi phạm nguyên lí tương đương Einstein. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tính được rằng thuyết tương đối vẫn có hiệu lực, và khối lượng bị mất từ nguyên tử khi nó phân huỷ sang trạng thái cơ bản cho phép nó mất động lượng mà không phải chuyển động chậm lại.
Thuyết tương đối hẹp Einstein khẳng định nổi tiếng rằng không có cái đại loại như chuyển động tuyệt đối: các định luật vật lí là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Tuy nhiên, các nhà vật lí lí thuyết Matthias Sonnleitner, Nils Trautmann và Stephen Barnett tại Đại học Glasgow để ý thấy một mâu thuẫn rõ nét khi xét một bài toán cơ lượng tử căn bản.
Một nguyên tử kích thích trong chân không phân huỷ sang một trạng thái năng lượng thấp hơn, phát ra một photon theo hướng ngẫu nhiên. Để cho đơn giản, bài toán này thường được giải trong hệ quy chiếu của nguyên tử. Trong hệ quy chiếu này, độ lớn động lượng của photon độc lập với hướng chuyển động của nó, vì một photon có khả năng được phát ra theo bất kì hướng nào, nên giá trị kì vọng của động lượng photon và động lượng giật lùi sau đó của nguyên tử giữ không đổi bằng zero.
Tuy nhiên, bộ ba tác giả cũng xét bài toán trong một hệ quy chiếu trong đó nguyên tử đang chuyển động: do hiệu ứng Doppler, một photon phát ra theo cùng chiều chuyển động của nguyên tử sẽ bị lệch xanh, có tần số của nó, và do đó động lượng của nó, tăng lên; còn một photon phát ra theo hướng ngược lại sẽ bị lệch đỏ và động lượng của nó giảm. Do đó, nguyên tử sẽ chịu một hợp lực tỉ lệ với động lượng của nó nhưng theo hướng ngược lại – nói chung, nó sẽ chịu lực ma sát từ chân không.
Lực ma sát nguyên tử: hiệu ứng nhỏ xíu có lẽ không bao giờ đo được
Điều này có vẻ vi phạm nguyên lí tương đối bởi vì, nếu vận tốc của nguyên tử biến đổi, thì một nhà quan sát có thể đo sự biến đổi vận tốc này và sử dụng nó để xác định chuyển động tuyệt đối của hệ quy chiếu riêng của nhà quan sát. Sonnleitner cho biết ba tác giả đã dành “hàng tuần nghi vấn quan điểm của họ”. Rồi họ phát hiện một bài báo trước đó, đăng trên máy chủ bản thảo arXiv năm 2012, trong đó Wei Guo tại Đại học Charlotte ở Bắc Carolina đã nhận ra bài toán nhưng không thể giải quyết nó.
Cuối cùng các nhà nghiên cứu Glasgow nhận thấy, mặc dù họ đã không bao hàm rõ ràng thuyết tương đối trong tính toán của mình, tuy nhiên bài toán có thể đi cửa sau: khi một nguyên tử phát ra một photon và phân huỷ sang một trạng thái năng lượng thấp hơn, phương trình kinh điển E = mc2 cho biết khối lượng của nó cũng phải giảm. Mặc dù lượng nhỏ bé tí thôi, nhưng nó vừa vặn đủ để bù cho phần giảm động lượng, cho phép vận tốc của nó giữ không đổi. Điều này chỉ vận hành khi một hiệu chỉnh nhỏ, thường bị bỏ qua, được đề xuất vào năm 1888 bởi nhà vật lí Wilhelm Röntgen (người giành Giải Nobel Vật lí 1901 cho việc tìm thấy tia X) được đưa vào để điều chỉnh tương tác giữa lưỡng cực điện của nguyên tử đang chuyển động và từ trường. Trong nghiên cứu mới nhất này, từ trường gắn liền với các thăng giáng chân không lượng tử. “[Bài báo 2012 của Guo] đã bỏ rơi số hạng Röntgen ở đâu đó,” Sonnleitner giải thích. “Số hạng Röntgen là cần thiết để có được sự biến thiên đúng của động lượng. Chỉ khi ấy bạn mới thấy nó đúng là do sự biến thiên khối lượng chứ không phải do biến đổi vận tốc.”
Mặc dù các nhà nghiên cứu chỉ xét tình huống đơn giản nhất có thể, trong đó một nguyên tử trong chân không phân huỷ bằng cách phát xạ photon, nhưng hiện tượng trên, trên nguyên tắc, có thể áp dụng cho bất kể khi nào một nguyên tử hấp thụ hay phát xạ photon. “Nếu hiệu ứng này lớn hơn,” Sonnleitner nói, “thì bạn sẽ thấy đóng góp của nó hễ khi nào bạn cố làm lạnh một nguyên tử, chẳng hạn.” Tuy nhiên, trên thực tế những ảnh hưởng khác là lớn hơn nhiều trong trường hợp này, thành ra hiệu ứng là không đáng kể. “Các thí nghiệm ngày nay đang được thực hiện ngày một tốt nhiều, thành ra thật khó mà nói có cái gì đó chẳng thể nào đo được gì cả, nhưng ít ra trong chừng mực mà tôi thấy thì thí nghiệm này vẫn chưa khả thi.”
“Đây là một kết quả hấp dẫn về mặt ý niệm,” phát biểu của nhà vật lí lí thuyết Peter Milonni tại Đại học Rochester ở Mĩ. “Có lẽ công trình này sẽ lát đường đưa đến những thí nghiệm khảo sát sự khác biệt về mặt ý niệm như vậy giữa sự biến thiên động lượng gắn liền với chuyển động tịnh tiến và sự biến thiên động lượng gắn liền với động lực học nội năng – những loại vấn đề này đã được biết rõ trong vật lí hạt nhân. Liệu nó có dẫn tới các hệ quả thực nghiệm trong lí thuyết làm lạnh và bẫy bằng laser không, và những cách mới bẫy nguyên tử và vân vân nữa: Tôi không nghĩ thế, nhưng tôi có thể sai lắm chứ.”
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Nguồn: physicsworld.com
