Sidney Perkowitz (Physics World, tháng 5/2010)
Phương tiện kĩ thuật số
Ngoài những công dụng hữu ích và thực tiễn của laser, chúng còn làm được những gì để phục vụ chúng ta nữa? Trước hết, các laser có thể điều khiển chính xác các sóng ánh sáng, cho phép sóng âm được ghi lại dưới dạng những vết nhỏ xíu trong định dạng kĩ thuật số và âm thanh được chơi trở lại với độ trung thực cao. Vào cuối những năm 1970, hãng Sony và Philips đã bắt đầu phát triển âm nhạc kĩ thuật số mã hóa trên những “đĩa compact” (CD) sáng bóng bằng plastic có đường kính 12 cm. Các bit số được biểu diễn bằng những cái lỗ kích cỡ micromet khắc vào plastic và được quét khi phát lại bằng một diode laser trong một máy hát CD. Trong hồi tưởng, công nghệ mới này xứng đáng được tôn vinh với kèn trống nhạc họa của riêng nó, nhưng đĩa CD đầu tiên được công bố, vào năm 1982, là album thương mại Đường số 52 của nghệ sĩ rock Billy Joel.
Vào giữa thập niên 1990, dung lượng 74 phút nhạc của các đĩa CD đã được mở rộng đáng kể qua các đĩa số đa năng hay đĩa video kĩ thuật số (DVD) có thể chứa toàn bộ một bộ phim dài và chất lượng cao. Năm 2009, các đĩa Blu-ray (BD) xuất hiện là một chuẩn mới có thể lưu trữ 50 gigabyte, đủ để chứa một bộ phim với độ phân giải cao ngoại hạng. Sự khác biệt giữa những định dạng này là bước sóng laser dùng để ghi và đọc chúng – 780 nm cho CD, 650 nm cho DVD và 405 nm cho BD. Bước sóng càng ngắn cho các đốm laser giới hạn nhiễu xạ càng nhỏ, cho phép nhiều dữ liệu hơn gói ghém vào một không gian cho trước.
Mặc dù cơn lốc download đã dẫn tới sự suy tàn của thị trường CD – 27% lợi tức âm nhạc hồi năm ngoái là từ download kĩ thuật số - nhưng các laser vẫn cần thiết cho ngành giải trí của chúng ta. Chúng mang âm nhạc, phim ảnh và mọi thứ tuôn tràn hoặc có thể tải xuống qua Internet và các kênh viễn thông, lưu chúng vào trong máy vi tính, điện thoại thông minh và những dụng cụ kĩ thuật số khác của chúng ta.
Những tia chết chóc...
Trong số những bộ phim mà bạn có thể chọn để tải về trên Internet là một số phim trong đó laser đóng vai trò là dụng cụ hủy diệt, kích thích ý nghĩ tiêu cực. Trong bộ phim Thiên tài Đích thực (1985), một nhà khoa học kết nạp hai chàng sinh viên trẻ xuất sắc để phát triển một thứ vũ khí ám sát bằng laser đặt trên máy bay dùng cho quân sự và CIA. Hai chàng sinh viên đã trả thù bằng cách phá hủy laser trên để đốt nóng một bể bỏng ngô khổng lồ, tạo ra một đợt sóng thần hạch nhân nổ lốp bốp thiêu trụi ngôi nhà của nhà khoa học ấy. Bộ phim RoboCop (1987) thể hiện một tin tức báo cáo rằng một laser do Mĩ chế tạo đang ở trên quỹ đạo xung quanh Trái đất đã quét mất phần phía nam California. Đây là một phản ứng châm biếm đối với ý tưởng sử dụng vũ khí laser trong không gian, một giấc mơ mà tổng thống Mĩ khi đó, Ronald Reagan, theo đuổi cuồng nhiệt.
Quân đội Mĩ đã nghĩ tới các vũ khí laser trước khi có các laser CO2 công nghiệp công suất cao có thể làm tan chảy kim loại. Khi Chiến tranh Lạnh làm tăng thêm những lo ngại về sự mâu thuẫn toàn cục với Liên Xô, thì tiềm năng của một thứ vũ khí công nghệ cao mới đã thôi thúc Lầu Năm góc tài trợ cho nghiên cứu laser ngay trước khi có kết quả của Maiman. Nhưng khó mà tạo ra công suất chùm tia đủ mạnh với một dụng cụ có kích cỡ hợp lí – những laser CO2 sơ khai với công suất phát hàng kilowatt to quá cỡ để dùng trên chiến trường. Cuối cùng, năm 1980, Laser Hóa học Tiên tiến Hồng ngoại Trung đã đạt tới công suất xung hàng megawatt, nhưng vẫn là một thiết bị đồ sộ. Tệ hơn nữa, sự hấp thụ và những hiệu ứng khí quyển khác làm cho chùm tia của nó mất hiệu quả lúc nó đi tới mục tiêu.
Tuy nhiên, người ta bắt đầu quan tâm đến các laser chiếu lên không gian để phá hủy các tên lửa đạn đạo liên lục địa có đầu đạn hạt nhân (ICBM) trước khi chúng đi trở vào khí quyển. Sự phát triển các laser có sức mạnh thích hợp thí dụ như các laser phát ra tia X trở thành bộ phận của Sáng kiến Phòng thủ Chiến lược chống ICBM (SDI) tiêu tốn nhiều tỉ đô la do Reagan đề xuất vào năm 1983. Được công chúng, cũng như các nhà khoa học và chính phủ, biết tới là “Chiến tranh giữa các vì sao” thời hậu phim ảnh, kế hoạch trên phảng phất hương vị khoa học viễn tưởng không thể chối cãi. Nhưng sự vũ trang hóa không gian của nước Mĩ chưa bao giờ được hiện thực hóa – vào những năm 1990, những khó khăn kĩ thuật và sự sụp đổ của Liên Xô đã chuyển hướng các phát triển vũ khí laser sang hướng khác. Giờ thì chủ yếu người ta tập trung vào những thứ vũ khí nhỏ hơn như các laser gắn trên máy bay có tầm hoạt động hàng trăm kilomet.
... và những tia sự sống
Trong khi tính luân lí liên quan đến các loại vũ khí có thể là vấn đề gây tranh cãi, thì các laser đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác tốt một cách không thể phủ nhận, thí dụ như trong y khoa. Công dụng y khoa đầu tiên của laser là vào năm 1961, khi các bác sĩ tại Trung tâm Y khoa Đại học Columbia ở New York phá hủy một khối u trên võng mạc của một bệnh nhân với một laser ruby. Vì một chùm laser có thể đi vào mắt mà không gây thương tổn, nên chuyên khoa mắt đã được hưởng lợi ích đặc biệt từ các phương pháp laser, nhưng tính đa dạng của chúng còn mang đến sự chẩn đoán và điều trị bằng laser trong những lĩnh vực y khoa khác.
Trái: Đĩa Blu-ray (Ảnh: GIPhotoStock/Science Photo Library). Phải: Phẫu thuật mắt bằng laser (Ảnh: NIH/Custom Medical Stock Photo/Science Photo Library)
Sử dụng laser CO2 và những loại laser khác với bước sóng, mức độ công suất và tốc độ xung biến thiên, các bác sĩ có thể làm bốc hơi chính xác khối u bướu, và còn có thể cắt khối u đồng thời đốt nó để làm giảm sự thương tổn do phẫu thuật. Một thí dụ của công dụng y khoa là phẫu thuật LASIK trong đó một chùm tia laser định hình lại giác mạc để khắc phục tật khúc xạ của mắt. Năm 2007, chừng 17 triệu người trên khắp thế giới đã trải qua thủ tục y khoa trên.
Trong khoa da liễu, các laser thường được sử dụng để điều trị các khối u da lành tính và ác tính, và còn giúp cải thiện sắc đẹp như loại bỏ vết bớt hoặc những hình xăm không mong muốn. Những công dụng y khoa khác đa dạng như điều trị các khối u não khó tiếp cận với ánh sáng laser dẫn hướng bằng sợi quang, đả thông các tuyến ống bị tắt nghẽn hoặc bị hỏng và xử lí các đĩa thoát vị để xoa dịu chứng đau bụng dưới, một thủ tục được thực hiện trên 500.000 bệnh nhân mỗi năm ở Mĩ.
Nhưng còn một mục tiêu cao cả nữa của việc sử dụng laser là trong nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Một thí dụ nổi tiếng là Thiết bị Đánh lửa Quốc gia (NIF) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California, Mĩ. 192 chùm laser tử ngoại của NIF, chứa trong một tòa nhà 10 tầng, cỡ bằng một sân vận động, được thiết kế để phân phối một xung laser ngắn cường độ hàng trăm terawatt vào một viên nhiên liệu deutrium kích cỡ milimet. Người ta hi vọng thiết bị này tạo ra được những điều kiện giống như những điều kiện bên trong một ngôi sao hay một vụ nổ hạt nhân, cho phép nghiên cứu các quá trình thiên văn học lẫn các loại vũ khí hạt nhân.
Một mục tiêu được công chúng biết tới rộng rãi hơn là kích thích hạt nhân hydrogen để tổng hợp thành helium, như cái xảy ra bên trong Mặt trời, để tạo ra năng lượng khổng lồ. Sau chừng 60 năm nỗ lực sử dụng các cách tiếp cận khác nhau, các nhà khoa học vẫn chưa làm chủ được sức mạnh nhiệt hạch để xây dựng các nhà máy điện công suất lớn hơn. Nếu sự nhiệt hạch bằng laser mang đến thành công nguồn năng lượng không độc hại và vô tận này, thì chi phí vượt mức 3,5 tỉ đô la đầu tư cho NIF là chẳng thấm vào đâu. Mặc dù một số người chỉ trích xem sự nhiệt hạch laser là cuộc đua dài ngày trong vô vọng, nhưng nghiên cứu gần đây tại NIF đã hiện thực hóa một số bước ban đầu của nó, làm tăng thêm lợi thế cho sự nhiệt hạch thành công.
Nền văn hóa công chúng còn hi vọng về vai trò của laser là nguồn năng lượng “xanh”. Mặc dù bộ phim Phản ứng Dây chuyền (1996) chỉ trích khoa học một cách tồi tệ, nhưng nó thật sự thể hiện một laser giải phóng những lượng khổng lồ năng lượng sạch từ hydrogen ở trong nước. Trong bộ phim Người nhện 2 (2004), nhà vật lí tiến sĩ Octavius sử dụng laser để kích hoạt sự nhiệt hạch hydrogen được cho là sẽ giúp ích cho nhân loại; thật không may, đây không phải sự quảng bá cho những lợi ích của năng lượng nhiệt hạch, mà phản ứng ấy đã không kiểm soát được và phá hủy phòng thí nghiệm của ông.
Laser trong nền văn hóa phát triển cao và chưa cao lắm
Nằm giữa những laser cực mạnh có khả năng kích thích sự nhiệt hạch và những đơn vị công suất thấp tại các máy tính tiền là những laser với công suất trung bình có thể cung cấp những ứng dụng dễ thấy trong nghệ thuật và giải trí, như các nghệ sĩ đã nhanh chóng hiện thực hóa. Một cuộc triển lãm nghệ thuật laser đã được tổ chức tại Bảo tàng Nghệ thuật Cincinati hồi năm 1969, và năm 1971 một tác phẩm điêu khắc thực hiện từ các chùm laser đã là bộ phận của phòng trưng bày “Nghệ thuật và Công nghệ” tại Bảo tàng Nghệ thuật Hạt Los Angeles. Năm 1970, nghệ sĩ danh tiếng người Mĩ Bruce Nauman đã trình diễn "Making Faces", một loạt chân dung tự họa laser toàn kí, tại Bảo tàng Nghệ thuật Finch College ở thành phố New York.
Các nghệ sĩ khác cũng nối tiếp sau đó, nhưng các laser rõ ràng có những hướng phát triển rộng lớn hơn nữa. Bắt đầu vào cuối những năm 1960, các hệ quét chùm tia đã được phát minh ra, cho phép các chùm laser sôi nổi nhảy theo điệu nhạc và để lại những hình ảnh nổi bật trong không gian. Điều này đã dẫn tới những sô diễn thí dụ như tại Hội chợ quốc tế Expo ’70 ở Osaka, Nhật Bản, và những trình diễn trong các cung thiên văn. Một loại âm nhạc “không gian” được yêu thích, giống như trong Chiến tranh giữa các vì sao, đi cùng với các hiệu ứng laser.
Nghệ sĩ Hiro Yamagata đã liên hệ khoa học với nghệ thuật trong màn trình diễn “Photon 999” của ông, trong đó nhiều hệ laser nhận chìm các khán giả trong một số diễn ánh sáng linh động. (Ảnh: Hiro Yamagata)
Những buổi trình diễn nhạc rock của Pink Floyd và các nhóm khác còn nổi tiếng vì những sô diễn laser của họ, mặc dù những sô này ngày nay bị kiềm chế gắt gao vì các vấn đề an toàn. Nhưng những tác phẩm ngoạn mục của nghệ thuật laser vẫn tiếp tục ra đời, thí dụ như màn trình diễn ngoài trời “Photon 999” (2001) và "Quantum Field X3" (2004) tại Bảo tàng Gug_gen_heim ở Bilbao, Tây Ban Nha, của nghệ sĩ gốc Nhật Hiro Yamagata, và chương trình hợp tác Đề án Đường phố Hi vọng, trình diễn năm 2008. Màn trình diễn này nối kết hai thánh đường lớn ở Liverpool, Anh quốc, lại với nhau bằng những chùm laser cường độ mạnh – một chùm màu xanh lục trông thấy rõ và một vài chùm không nhìn thấy – mang tiếng nói và tiếng nhạc phát ra xung quanh nghe thấy tại cả hai địa điểm.
Đã 50 năm trôi qua, những màn trình diễn laser ngoạn mục tuy vậy vẫn còn gợi lên sự sợ hãi, và các laser vẫn mang một sắc thái nhuốm màu khoa học viễn tưởng, như chứng minh bởi các nhà đam mê chế tạo súng bắn tia giả từ các diode laser xanh lam. Thật không may, không khí thần bí ấy còn thu hút các sản phẩm như cái gọi là laser hàn lạnh lượng tử, tên gọi của nó sử dụng thuật ngữ khoa học để gây ấn tượng với khách hàng. Nhà sản xuất của nó, Scalar Wave Lasers, khăng khăng cho rằng 16 diode laser đỏ và hồng ngoại của mình mang lại những lợi ích sức khỏe thật sự và sự trẻ hóa. Thậm chí, từ “laser” còn thích hợp để nhấn mạnh tốc độ hay sức mạnh, thí dụ như loại thuyền buồm nhỏ nổi tiếng hiệu Laser và các xe hơi thể thao Chrysler và Plymouth Laser được bán từ giữa thập niên 1980 đến đầu thập niên 1990.
Các tính chất đặc trưng của laser còn được cất trữ trong ngôn ngữ. Từ khóa tìm kiếm của kho cơ sở dữ liệu nghiên cứu đồ sộ Lexis Nexis Academic (chứa đựng hàng nghìn bài báo, dịch vụ điện tín, bản thảo phát thanh và các nguồn tài nguyên khác) trong hai năm gần đây có tới gần 400 tham khảo đến các cụm từ như “tập trung kiểu laser”, “chính xác kiểu laser”, “rõ ràng kiểu laser” và, trong một mô tả của thủ tướng Nga Vladimir Putin thể hiện sự bực dọc của ông với một thương nhân đặc biệt, “cái nhìn kiểu laser”.
Các laser có sức ảnh hưởng to lớn cả trong đời sống thường nhật và trong khoa học. Với các maser, chúng là bộ phận của nghiên cứu, kể cả nghiên cứu ngoài khoa học laser, góp phần cho hơn 10 giải thưởng Nobel, bắt đầu với giải thưởng vật lí năm 1964 trao cho Charles Townes cùng Alexsandr Prokhorov và Nicolay Basov cho công trình cơ bản của họ về laser. Những nghiên cứu đạt giải Nobel khác bao gồm phát minh ra ảnh toàn kí và việc tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên, thực hiện bằng laser làm lạnh một đám mây nguyên tử xuống những nhiệt độ cực thấp. Đồng thời, trong hàng tá ứng dụng từ quang phổ kế Raman cho đến quang học thích nghi dùng cho các kính thiên văn, các laser liên tục đóng góp cho các phương pháp nghiên cứu khoa học. Chúng còn thiết yếu cho nghiên cứu trong những lĩnh vực mới xuất hiện như sự rối lượng tử và làm chậm ánh sáng.
Thật đáng tôn vinh trí tưởng tượng khoa học của các nhà tiên phong laser, cũng như sức hư cấu văn chương của các nhà văn như H G Wells, nhờ đó mà một ý tưởng khoa học viễn tưởng cũ kĩ đã đi trọn vẹn vào trong đời sống. Nhưng ngay cả những nhà văn có sức tưởng tượng phong phú nhất cũng không thể nhìn thấy trước phát minh của Maiman sẽ làm thay đổi thị trường âm nhạc, sáng tạo ra những tác phẩm nghệ thuật độc đáo và hoạt động trong các siêu thị trên khắp toàn cầu. Nhìn ở góc độ tác động văn hóa của laser, chí ít thì sự thật đã thật sự vượt ra ngoài tầm viễn tưởng.
Tác giả Sidney Perkowitz là giáo sư vật lí tại trường Đại học Emory, Hoa Kì. Ông còn là một cây bút khoa học, với quyển sách mới nhất của ông – Khoa học Hollywood: Phim ảnh, Khoa học và Tận cùng Thế giới – vừa được nhà xuất bản Đại học Columbia cho tái bản.
Theo Physics World, tháng 5/2010
