Điều gì đó từ hư không: Mô hình hóa đường hầm chân không từ một siêu chảy hai chiều
Vào năm 1951, nhà vật lý Julian Schwinger đã đặt giả thuyết bằng khi áp một điện trường thông thường vào một chân không, các cặp electron-positron có thể sẽ tự động tạo ra điều gì đó từ hư không, thông qua một hiện tượng gọi là xuyên hầm lượng tử.
Vấn đề này biến lý thuyết vật chất từ nơi nào đó thành máy sao chép hoặc thiết bị vận chuyển kiểu Star Trek chăng? Có thể cần một điện trường cực cao – yêu cầu này nằm ngoài giới hạn của các thực nghiệm vật lý trực tiếp trong phòng thí nghiệm.
Và kết quả, hiệu ứng Schwinger chưa bao giờ được quan sát.
Giờ thì các nhà vật lý lý thuyết tại trường đại học British Columbia (UBC) đã miêu tả một hiệu ứng song song tại một hệ dễ kiểm soát hơn. Trong mô hình của họ, họ đặt một màng mỏng helium siêu chảy vào chân không, và dòng chảy nền của siêu lỏng cho điện trường cực lớn.
“Helium-4 siêu chảy là một diểu kỳ diệu. Với các lớp có độ dày vài nguyên tử, nó có thể được làm lạnh một cách vô cùng dễ dàng đến một nhiệt độ mà về cơ bản là trong trạng thái chân không phi ma sát”, giải thích của TS. Philip Stamp, một nhà lý thuyết tại UBC nghiên cứu về chất đậm đặc và hấp dẫn lượng tử, và đồng tác giả của bài báo mới xuất bản trên PNAS.
“Khi chúng ta tạo ra một dòng chảy chân không phi ma sát, thay vì các cặp electron-positron xuất hiện, các cặp cuộn xoáy/phản xoáy sẽ xuất hiện một cách tự phát, quay theo các hướng ngược nhau”.
Trong bài báo, TS. Stamp và cộng sự UBC Michael Desrochers đề xauats lý thuyết này và toán học đằng sau nó – vạch ra lộ trình cho một cách tiếp cận chi tiết cho thực nghiệm trực tiếp.
Đường hầm chân không là một quá trình vẫn được quan tâm trong cơ học lượng tử và lý thuyết trường lượng tử. Trong lý thuyết lượng tử, chân không không trống rỗng, nó được lấp dầy với các trường dao động có thể dẫn đến sự xuất hiện và biến mất theo thời gian của các hạt ảo.
“Chúng tôi tin rằng màng mỏng helium-4 đem lại một tương tự thú vị cho nhiều hiện tượng vũ trụ”, TS. Stamp nói. “Chân không trong vũ trụ sâu thẳm, các lỗ đen lượng tử, thậm chí thời điểm khởi sinh vũ trụ. Và đó là những hiện tượng mà chúng ta còn không thể tiếp cận theo bất cứ cách thực nghiệm trực tiếp nào”
Tuy nhiên, TS. Stamp nhấn mạnh là mối quan tâm thực chất của công trình này có thể ít nằm ở phần tương tự – vốn luôn luôn có nhiều giới hạn – nhưng nhiều hơn ở việc làm thay đổi hiểu biết của chúng ta về siêu chảy, và các chuyển pha trong các hệ hai chiều.
“Đó là các hệ vật lý thực chứ không phải tương tự. Và chúng tôi có thể triển khai được những thực nghiệm trên đó”.
Ở cấp độ toán học, các nhà nghiên cứu đã cần nhiều đến các đột phá để xây dựng công trình lý thuyết của mình. Ví dụ, các nhà nghiên cứu trước thường tìm kiếm các cuộn xoáy ở trong siêu chảy đã coi khối lượng xoáy là một hằng số không thay đổi.
TS. Stamp và Desrochers đã chứng tỏ là khối lượng này sẽ biến thiên một cách đột ngột khi các xoáy chuyển động, thay đổi về cơ bản hiểu biết của chúng ta về cả chất lỏng và vũ trụ sớm.
“Thật thú vị để hiểu được khối lượng này biến thiên như thế này và tại sao, và tại sao nó lại ảnh hưởng đến hiểu biết của chúng ta về các quá trình xuyên hầm lượng tử, vốn tồn tại ở khắp các ngành vật lý, hóa học và sinh học”, Desrochers nói.
Stamp cũng lập luận rằng sự biến thiên khối lượng tương tự sẽ xuất hiện với các cặp electron-positron trong hiệu ứng Schwinger, do đó làm biến đổi lý thuyết Schwinger, theo một dạng “trả thù của tương tự”.
Anh Vũ dịch từ University of British Columbia
