Ảnh minh họa

Trong vũ trụ, lượng tử chân không là một đối tượng phức tạp, gồm các hạt: photon, electron, quark, neutrino… Các hạt này người ta còn gọi là các thăng giáng của điểm không hay năng lượng chân không, chúng là những hạt ảo.

Gần đây, nhiều nhóm thực nghiệm đã chứng minh có thể tách chiết các hạt chân không đó nhờ những thí nghiệm tinh vi. Christophe Westbrook và Denis Borion tại Viện Quang học Palaiseau (Cộng hòa Pháp) cho rằng, các nhà vật lý không còn xa để chế ngự chân không.

Năng lượng chân không đã có ảnh hưởng đến tính chất các hạt và những mức năng lượng electron trong nguyên tử song họ cũng muốn tìm đến khả năng quan sát được trực tiếp các hạt vật chất hóa từ chân không. Họ đã tìm ra những tình huống khi những thăng giáng chân không tạo ra những hạt. Một tình huống đó xuất hiện trong vật lý các lỗ đen.

Lỗ đen

Các ngôi sao với khối lượng lớn hơn hai lần khối lượng của mặt trời, sau khi đã tiêu hao hết năng lượng hạt nhân của mình sẽ bắt đầu co lại dưới lực hấp dẫn lớn. Quá trình co (collapse) xảy ra tương đối nhanh dẫn đến tạo ra một lỗ đen.

Lỗ đen là những vật thể phát sinh trong quá trình co không xảy ra ngược lại được của sao. Đặc điểm chủ yếu của lỗ đen là trường hấp dẫn mạnh của nó, mạnh đến nỗi thậm chí ánh sáng phát ra từ bề mặt của lỗ đen cũng không thoát khỏi để đi xa ra ngoài.

Bức xạ Hawking

Trong chân không, những cặp hạt – phản hạt sinh và hủy liên tục. Theo lý thuyết của Stephen Hawking (Đại học Cambridge, Anh), nếu điều này xảy ra ở gần chân trời của một lỗ đen thì ta có thể quan sát được tình huống là cặp hạt – phản hạt không có cơ may hủy nhau được vì một hạt bị bẫy vào sau chân trời lỗ đen, còn hạt kia bị bắn ra ngoài không gian và tạo thành bức xạ Hawking. Người ta tin rằng, lý thuyết Hawking là đúng song chưa được kiểm nghiệm.

Hiệu ứng casimir lượng tử

Một gương dao động tương tác với các thăng giáng lượng tử của chân không trong đó có các photon ảo. Nếu gương dao động nhanh nó có thể truyền đủ năng lượng cho photon để một cặp photon ảo biến thành thực. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng casimir động học (effect casimir dynami que).

Năm 2011, một nhóm các nhà vật lý thuộc Đại học Công nghệ Chalmers (Thụy Điển) đã thực hiện một thí nghiệm mô tả tương tự hiệu ứng casimir. Họ đã quan sát được bức xạ photon từng cặp với xung lượng ngược chiều, điều này giống như tình huống quan sát được những con sóng trong một cái bể mà ban đầu không có một giọt nước nào (vật chất đột sinh từ chân không).

Các nhà vật lý đã tính ra, nếu một gương chuyển động nhanh trong chân không thì nó có thể cung cấp đủ năng lượng cho một cặp hạt photon ảo biến thành thực: một hạt bị phản chiếu bởi cái gương, hạt kia thì không bị phản chiếu (vậy hai hạt không gặp nhau được để hủy nhau) và như thế, cặp hạt biến thành vật chất (se materialiser) và truyền theo hai hướng khác nhau. Đó là giải thích của lacopo Carusotto thuộc Đại học Trente (Italia).

Khí nguyên tử siêu lạnh

Một thực hiện khác của hiệu ứng casimir được trình bày cách đây vài tháng bởi nhóm Christoph Westbrook và Denis Boiron. Họ dùng một khí nguyên tử siêu lạnh, ở nhiệt độ thấp các nguyên tử cùng rơi vào một trạng thái lượng tử tạo thành ngưng tụ (condensat) Bose – Einstein. Trong condensat các sóng âm – sóng áp suất – lan truyền giống như các sóng điện từ lan truyền trong chân không. Đấy là những photon mà các nhà thực nghiệm mong được quan sát.

Kết luận

Hiện tượng vật chất đột sinh từ chân không là một hiện tượng cơ bản nhất vật lý học, đặc biệt quan trọng đối với vũ trụ học. Bức xạ Hawking gần chân trời lỗ đen minh họa hiện tượng này. Ngoài bức xạ Hawking vốn chưa thể nào quan sát trực tiếp được, các nhà vật lý đã tìm đã nhiều thí nghiệm trong phòng thí nghiệm thực hiện hiện tượng bức xạ Hawking trong quang học, trong các khí nguyên tử siêu lạnh, trong các condensat. Những kết quả đang dần được hoàn thiện để cuối cùng trong tương lai gần có thể quan sát thực nghiệm hiện tượng vật chất đột sinh từ chân không: những cặp hạt ảo – thăng giáng lượng tử của chân không – đã biến thành vật chất dưới những điều kiện nhất định.