Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa thực hiện cái Albert Einstein nghĩ là không thể - đo vận tốc tức thời của một hạt chịu sự chuyển động Brown. Các phép đo, thực hiện trên các hạt thủy tinh lơ lửng kích cỡ micron, chứng minh trực tiếp rằng động năng của một hạt Brown là độc lập với kích cỡ của nó, như trường hợp với các nguyên tử và phân tử, và đề ra một phương pháp nghiên cứu các tính chất lượng tử của các hạt vĩ mô.
Năm 1905, Einstein đã công bố một mô tả lí thuyết của chuyển động Brown – chuyển động ngẫu nhiên của các hạt nhỏ trong một chất lỏng hoặc chất khí là hệ quả của sự bắn phá liên tục bởi các phân tử trong chất lưu. Công trình này đã làm sáng tỏ những nghiên cứu gây tranh cãi trước đó về các hạt Brown, chúng đề xuất rằng vận tốc của hạt sẽ tiến tới vô hạn khi đo trong những khoảng thời gian rất ngắn.
Ảnh chụp thí nghiệm chuyển động Brown cho thấy ánh sáng laser xanh lục dùng để làm treo lơ lửng một hạt nhỏ xíu trong không khí. (Ảnh: Mark Raizen)
Bằng cách kết hợp nhiệt động lực học và cơ học thống kê, Einstein đã chỉ ra rằng sự dịch chuyển của một hạt liên tục chịu những va chạm ngẫu nhiên tỉ lệ với căn bậc hai của thời gian chứ không phải thời gian, như trường hợp một hạt đi theo một quỹ đạo “thẳng”, không bị quấy nhiễu. Do đó, các nhà thực nghiệm đã đo đại lượng không thích hợp – vận tốc trong trường hợp này không đơn giản là độ dịch chuyển chia cho thời gian.
Không thể theo dõi
Tiên đoán của Einstein được xác nhận bằng thực nghiệm vài năm sau đó bởi nhà hóa lí Jean Perrin. Tuy nhiên, Einstein biết rằng công thức của ông chỉ áp dụng được trên một thang chiều dài nhất định - ở những khoảng cách nhỏ nhất thì ngay cả các hạt Brown cũng thể hiện chuyển động thẳng. Nhưng ông tin rằng theo dõi chuyển động này trong thực tế sẽ là không thể, do những khoảng thời gian ngắn đến mức khó tin trong đó các thăng giáng Brown diễn ra. Thí dụ, một quả cầu silic có đường kính 1 µm dìm trong nước có vận tốc biến thiên cả về hướng lẫn độ lớn trong mỗi 100 ns (10-7 s), đòi hỏi hệ thống máy dò phải có thời gian phản ứng chưa tới chừng 10 ns.
Mark Raizen, Tongcang Li và các đồng nghiệp tại trường đại học Texas ở Austin vừa tìm ra một phương pháp giải quyết vấn đề này bằng cách nghiên cứu các hạt trong không khí thay vì trong chất lỏng. Do không khí kém đậm đặc hơn nhiều so với nước, nên các phân tử của nó ở xa nhau hơn và do đó khoảng cách, và thời gian, giữa các va chạm Brown là lớn hơn nhiều. Thật vậy, vận tốc của một hạt Brown biến thiên một lần trong khoảng 100 µs trong không khí.
Tuy nhiên, không khí lại không đủ đậm đặc để giúp các hạt cho dù là nhẹ nhất kháng lại trọng lực. Thay vào đó, đội của Raizen treo lơ lửng một hạt silic oxide cỡ micron trong không khí bằng áp suất bức xạ của một cặp chùm laser gọi là nhíp quang. Khi hạt bị bắn phá tới lui bởi các phân tử không khí, thì độ dịch chuyển nhẹ của nó khỏi tâm của bẫy laser được đo bằng sự lệch nhỏ xíu của một trong các chùm tia, chùm này được tách ra làm hai và người ta đo sự khác biệt công suất giữa hai nửa chùm tia đó.
Những quỹ đạo thẳng
Các nhà nghiên cứu đã lập biểu đồ thể hiện sự dịch chuyển biến thiên với cỡ thời gian đo. Như trông đợi, họ nhận thấy trên cỡ micro giây, mối quan hệ tuân theo tỉ lệ thuật như đã tiên đoán cho các quỹ đạo thẳng. Sau đó, họ đã tính vận tốc tức thời dọc theo những quỹ đạo thẳng này (đơn giản bằng cách chia độ dời cho thời gian) và nhận thấy chúng tuân theo phân bố Maxwell-Boltzmann, đúng như thuyết động học phân tử tiên đoán.
Vận tốc tức thời trung bình được tìm thấy rất gần với giá trị tính toán sử dụng định lí phân bố đều năng lượng, định lí phát biểu rằng trong trạng thái cân bằng nhiệt, mỗi bậc tự do của một hạt có động năng trung bình bằng nhau – ½ kT – cho dù hạt đó nặng bao nhiêu. Do đó, thí nghiệm trên cung cấp sự xác nhận trực tiếp của lí thuyết này của các hạt Brown, Raizen nói, và chứng tỏ rằng một hạt thủy tinh cỡ micron có động năng trung bình bằng với một phân tử không khí.
Các nhà nghiên cứu cho biết kĩ thuật của họ còn có thể dùng để làm giảm bớt chuyển động của một hạt lơ lửng trong chân không, bằng cách tác dụng một lực có độ lớn thích hợp theo hướng ngược với vận tốc tức thời tại mỗi thời điểm. Thật vậy, họ tin rằng sẽ có thể làm lạnh một hạt xuống đến trạng thái lượng tử cơ bản của nó. Ở đây, họ cho biết, định lí phân bố đều năng lượng sẽ không còn đúng nữa vì sự tồn tại của năng lượng điểm không, nghĩa là động năng của hạt sẽ không tiến tới không ngay cả ở 0 K.
‘Một bước tiến quan trọng’
Mark Haw thuộc trường đại học Strathclyde ở Anh mô tả công trình trên là “một bước tiến quan trọng” trong sự hiểu biết của chúng ta về chuyển động Brown. Ông cho biết thêm rằng nó có thể có những ứng dụng quan trọng trong những hệ bị ảnh hưởng mạnh bởi sự chuyển động như vậy, bao gồm các tế bào sống và các cỗ máy cỡ nano. Nhưng ông cảnh báo rằng sẽ khó đạt tới chế độ lượng tử trên. “Sự cải tiến cần thiết cho độ chính xác có thể mất một khoảng thời gian”, ông giải thích.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.
Theo physicsworld.com
