Ánh sáng, cái trong kinh nghiệm hàng ngày thường truyền theo những chùm tia thẳng, đã bị giữ lại trên mặt cong phức tạp. Đây không phải là một trò khoa học tiêu khiển – nó có thể giúp người ta hình dung ra ánh sáng truyền đi như thế nào trong cấu trúc cong của không gian.
Theo thuyết tương đối rộng Einstein, sự hấp dẫn là kết quả của khối lượng của một vật làm biến dạng bản thân không gian, giống như một quả bóng bowling trên tấm vải bạt. Để mô phỏng đường đi của ánh sáng sẽ thay đổi như thế nào trong không gian cong đi bởi sự hấp dẫn, Ulf Peschel thuộc trường Đại học Erlangen-Nuremberg ở Đức và các đồng nghiệp đã xây dựng những vật thể 3D nhẵn và cho những chùm tia laser bắn dọc trên bề mặt của chúng.
Họ khai thác lợi ích của thực tế là ánh sáng uốn cong, hay khúc xạ, khi nó đi từ một môi trường này sang một môi trường khác. Trong thí nghiệm đơn giản nhất của họ, họ chiếu ánh sáng laser vào gờ của một quả cầu thủy tinh rắn. Góc của chùm tia được chọn sao cho ánh sáng – thoạt đầu truyền đi trong không khí – sẽ bị bẻ cong vừa đủ khi nó đi vào trong thủy tinh để nó tiếp tục phản xạ bên trong mặt cầu, và vì thế truyền đi dọc theo đó. Khi ánh sáng bên trong quả cầu phản xạ từ mặt trong của nó, một phần ánh sáng cũng truyền qua thủy tinh, tạo ra một vòng sáng ở mặt phía bên ngoài (xem hình).
Sáng lên cùng chùm tia (Ảnh: Physical Review Letters)
Đội nghiên cứu còn xây dựng một vật thể hình dạng giống như hai cái kèn trumpet dính liền nhau – gọi là mặt hyperbol. Vật thể được tạo bằng nhôm và sau đó tráng dầu. Ánh sáng đưa vào trong lớp dầu bị giữ lại ở đó, phản xạ giữa các ranh giới kim loại và không khí. Chùm tia phân tán ra nhanh hơn nữa, tạo ra một lóe sáng hình kèn trumpet (xem hình).
Ánh sáng laser bị bẫy lại trên hai mặt cong khác nhau (Ảnh: U Peschel et al.)
Để ánh sáng bị bẫy lại trong hai chiều, bề mặt của vật thể cần phải đủ nhẵn để dễ dàng phản xạ đa phần ánh sáng đi vào trong lớp dầu thay vì làm tán xạ nó ra ở mọi góc.
Các thí nghiệm trên giúp người ta hình dung ánh sáng truyền đi như thế nào trong không gian bị cuộn lại bởi sự hấp dẫn. Quả cầu, chẳng hạn, thể hiện không gian bị bẻ cong như thế nào xung quanh một ngôi sao hay một khối lượng khác – ánh sáng đi qua không gian bị cuộn này bẻ cong theo một hiệu ứng gọi là thấu kính hấp dẫn. Bề mặt hyperbol, nó có cái gọi là độ cong âm vì bề mặt của nó uốn cong lên xuống đồng thời, giống như cái yên ngựa, có thể biểu diễn một hình dạng khả dĩ của vũ trụ.
“Đó là một thí nghiệm cơ bản đẹp”, phát biểu của Ulf Leonhardt thuộc trường Đại học St Andrews ở Anh, người không có liên quan trong nghiên cứu trên. “Vật lí học đúng là vui và hấp dẫn”.
Nguồn: New Scientist
