Thuyết tương đối rộng tròn 100 tuổi

Viết bởi Trần Nghiêm Thứ sáu, 13 Tháng 3 2015 13:43

Lí thuyết tương đối rộng của Albert Einstein ngày càng khẳng định vị thế đàn anh của nó sau một thế kỉ trình làng.

Lí thuyết tương đối rộng, được Einstein công bố vào năm 1915, vẫn là nền tảng cho sự nhận thức của các nhà khoa học về nguồn gốc và sự tiến hóa của những phần còn lại của vũ trụ. Nó tiếp tục truyền cảm hứng cho người ta nghiên cứu một số câu hỏi cơ bản nhất chưa được trả lời trong vật lí học và trong thiên văn học.

Lí thuyết tương đối rộng “hiện nay, theo tôi, được chấp nhận rộng rãi là nền tảng cho mô tả của chúng ta của vũ trụ vĩ mô, cái chúng ta gọi là vũ trụ học; của các lỗ đen, của sao neutron và của những hiệu chỉnh nhỏ cho quỹ đạo của các hành tinh và phi thuyền vũ trụ trong hệ mặt trời của chúng ta,” phát biểu của Roger Blandford thuộc Viện Thiên văn Vật lí Hạt cơ bản và Vũ trụ học Kavli tại Đại học Stanford.

Lí thuyết tương đối rộng Einstein tiên đoán rằng các vật thể khối lượng lớn làm uốn cong không-thời gian xung quanh chúng. Phi thuyền Gravity Probe B của NASA đã tìm thấy không-thời gian xung quanh Trái đất thật sự bị uốn cong bởi hành tinh của chúng ta, và bị xoắn bởi chuyển động quay của nó. Ảnh: NASA

Bản chất của lực hấp dẫn

Thuyết tương đối rộng bổ sung thêm lực hấp dẫn cho thuyết tương đối hẹp, lí thuyết Einstein công bố vào năm 1905. Thuyết tương đối hẹp thừa nhận rằng các định luật vật lí là như nhau đối với mọi nhà quan sát không gia tốc, và rằng tốc độ ánh sáng trong chân không là bất biến, cho dù nhà quan sát hay nguồn sáng có đang chuyển động hay không.

Thuyết tương đối hẹp thiết lập mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng, với phương trình nổi tiếng nhất trong lịch sử: E = mc² (“E” là năng lượng; “m” là khối lượng, và “c” là tốc độ ánh sáng trong chân không – khoảng 1,08 tỉ km/h). Lí thuyết này cũng thống nhất không gian và thời gian thành một “không-thời gian” bốn chiều.

Thuyết tương đối rộng mở rộng quan điểm thứ hai này, giải thích rằng vật chất làm uốn cong không-thời gian, giống hệt như một quả bóng bowling đặt trên một tấm bạt làm cong oằn tấm bạt vậy. Nhận thức sâu sắc này không đến với Albert Einstein một cách dễ dàng gì; ông có cách làm việc riêng của ông, sau hơn một thập niên suy nghĩ không ngừng và làm việc cật lực.

“Ông phải đi lại từng bước chân của mình. Ông đề xuất những thứ sau đó ông rút lại. Nhưng ông vẫn tiếp tục bước tới,” Blandford nói. “Ông được chỉ dẫn không phải bởi những quan niệm toán học hay kĩ thuật toán học. Ông được chỉ dẫn trước tiên và trước hết bởi trực giác vật lí: rằng trực giác vật lí hết sức mạnh mẽ mà ông tích góp trong quá khứ không khiến ông dừng lại ở đây.”

Thuyết tương đối rộng mô tả lực hấp dẫn không phải là một lực bẩm sinh tác dụng lên các vật mà là hệ quả của sự cong của không-thời gian. (Hãy tưởng tượng một hòn bi lăn xuống đường dốc tạo ra bởi quả bóng bowling trên tấm bạt.)

Đó là một quan niệm triệt để, đầy uy lực – và nó đã trụ vững một thế kỉ nay, Blandford viết trong một bài bình luận đăng trên tạp chí Science, số trực tuyến ngày 5/3/2015.

Xác nhận từ nhiều phần tư thế kỉ

Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng ánh sáng sẽ đi theo một quỹ đạo cong xung quanh một vật thể khối lượng lớn như một đám thiên hà, nó làm uốn cong đáng kể kết cấu của không-thời gian.

Dự đoán này đã được người ta quan sát thấy; các nhà thiên văn thường sử dụng hiệu ứng “thấu kính hấp dẫn” đó để nghiên cứu các nguồn sáng ở xa. Thật vậy, ở cấp độ thấp hơn một chút, hiện tượng trên còn giúp các nhà săn lùng hành tinh tìm kiếm các thế giới ngoài hệ mặt trời của chúng ta. (Các hành tinh ngoài hệ mặt trời thỉnh thoảng được phát hiện bằng cách nghiên cứu hệ sao của chúng làm bẻ cong ánh sáng từ các vật thể phông nền như thế nào.)

Các dị thường trong quỹ đạo của Kim tinh xung quanh mặt trời cũng là bằng chứng cho thuyết tương đối rộng.

“Nó giải thích sự tiến động dị thường của điểm cận nhật của Kim tinh, hay chuyển động quay của đường nối giữa mặt trời và điểm mà hành tinh này ở gần mặt trời nhất,” Blandford viết trong một bài báo trên tạp chí Science. “Einstein đã sử dụng thuyết tương đối rộng giải thích chừng 10% dị biệt trong sự tiến động đó là do lực hút hấp dẫn của những hành tinh khác, chừng 43% giây cung trên mỗi thế kỉ. Độ chuẩn xác ngày nay là hơn 10 ^{– 4}.”

Những loại bằng chứng quan sát khác cũng giúp củng cố nền tảng cho thuyết tương đối rộng, Blandford nói.

“Chúng ta đã kiểm tra nó theo nhiều, nhiều cách khác nhau,” ông nói. “Tôi cho là có thể nói chắc rằng không có phép đo hay quan sát đáng tin cậy nào khiến người ta nghi ngờ [thuyết tương đối rộng] trong tầm áp dụng của nó.”

Albert Einstein và bảng đen. Ảnh: NASA

Một vũ trụ tối

Thuyết tương đối rộng cũng hàm ý rằng phần lớn vũ trụ mênh mông được cấu tạo bởi loại vật chất mà con người không thể phát hiện trực tiếp hay (tại thời điểm này) thậm chí hiểu được, David Spergel thuộc Đại học Princeton viết trong một bài bình luận trên tạp chí Science, cùng số ra đã nêu.

Nghiên cứu tỉ mỉ chuyển động của vật chất và ánh sáng trong khắp vũ trụ cho thấy chỉ riêng vật chất “bình thường” không thể giải thích được kết cấu cong của không-thời gian, Spergel lưu ý. Thật vậy, các quan sát cho biết chỉ 5% vũ trụ là vật chất nguyên tử quen thuộc, trong khi 25% là vật chất tối và khoảng 70 là năng lượng tối.

Vật chất tối không hấp thụ cũng không phát xạ ánh sáng, sự tồn tại của nó chỉ được lần ra qua các tác dụng hấp dẫn của nó. Trong khi đó, năng lượng tối là một lực bí ẩn đi cùng với không gian trống rỗng và được cho là nguyên nhân gây ra sự dãn nở tăng tốc của vũ trụ.

Năm 1917, Einstein đã đưa một số hạng gọi là “hằng số vũ trụ học” vào thuyết tương đối rộng, là một lực đẩy sẽ đối trọng với lực hấp dẫn và thu được một vũ trụ tĩnh (đó là quan điểm thống lĩnh về bản chất vũ trụ lúc ấy). Sau khi các quan sát nổi tiếng năm 1929 của nhà thiên văn học Edwin Hubble cho thấy vũ trụ thật sự đang tăng tốc, Einstein đã rút lại hằng số vũ trụ học, xem nó là “sai lầm lớn nhất” của đời ông.

Nhưng hằng số đó có giá trị tiên tri đến mức các nhà thiên văn học hiện nay đang tóm lấy nó cho bản chất của năng lượng tối.

“Tại sao vũ trụ lại đang tăng tốc? Khả năng được nghiên cứu nhiều nhất là hằng số vũ trụ học (hay tương đương, năng lượng chân không của không gian trống rỗng) đang chi phối gia tốc vũ trụ,” Spergel viết trong bài báo Science. “Một khả năng khác là có một trường vô hướng đang tiến hóa lấp đầy không gian (giống như trường Higgs hay trường lạm phát chi phối sự dãn nở nhanh lúc đầu của vũ trụ). Cả hai khả năng này mắc kẹt trong ‘năng lượng tối’.

“Bởi vì toàn bộ bằng chứng cho năng lượng tối sử dụng các phương trình của thuyết tương đối rộng để lí giải các quan sát của chúng ta về sự dãn nở và tiến hóa của vũ trụ, cho nên một kết luận khác là cần có một lí thuyết mới của lực hấp dẫn để giải thích các quan sát đó,” ông bổ sung thêm. “Khả năng là gồm các lí thuyết hấp dẫn cải tiến với các chiều bổ sung.”

Tương lai phía trước

Thuyết tương đối rộng sẽ tiếp tục định hình các nỗ lực của các nhà vật lí học, nhà vũ trụ học và nhà thiên văn học cho đến tương lai xa, Blandford nói.

Chẳng hạn, các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục sử dụng lí thuyết này để hiểu rõ hơn các lỗ đen, các sao neutron cùng các thiên thể và hiện tượng khác. Các nhà khoa học cũng sẽ tiếp tục khảo sát bản chất của năng lượng tối và vật chất tối, trong một nỗ lực nhằm tìm hiểu vũ trụ ở những thang bậc vĩ mô nhất.

Cuối cùng, và có lẽ là cái hào hứng nhất, các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục cố gắng thống nhất thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử, để se duyên thế giới của cái rất lớn với thế giới của cái rất nhỏ. “Lí thuyết của tất cả” mà người ta trông mong này đã lãng tránh các nhà vật lí từ trước đến nay, nhưng Blandford cho rằng người ta có thể đạt tới nó.

“Có nhiều quan điểm hấp dẫn ở ngoài kia,” ông nói. “Tôi là người lạc quan và tôi hi vọng các đồng nghiệp của tôi có thể giải quyết được vấn đề này.”

Nguồn: Mike Wall - Space.com

http://360.thuvienvatly.com

Điểm danh 7 vũ khí tối tân của tương lai

Viết bởi KaDick Thứ tư, 23 Tháng 6 2010 15:24

Nhờ khoa học kỹ thuật hiện đại, có nhiều loại vũ khí dường như được lấy ra từ trí tưởng tượng của những nhà văn viết truyện khoa học viễn tưởng. Hãy cùng xem những vũ khí được cho là tối tân nhất trên thế giới.

1. Laser diệt tên lửa

Airborne Laser Testbed

Hãng Boeing đã đưa ra vũ khí laser diệt tên lửa có tên Airborne Laser Testbed (ALTB). ALTB, sản phẩm hợp tác giữa Boeing cùng Northrop Grumman và Lockheed Martin. Được coi là thiết bị laser di động mạnh nhất trên thế giới hiện nay, nó có thể phá hủy các tên lửa đạn đạo đang bay với vận tốc khoảng 6.500 km/giờ. ALTB được mô tả là chùm laser có kích cỡ như quả bóng rổ, có thể đạt vận tốc 1070 triệu km/giờ, bước đầu được trang bị trên máy bay Boeing 747 cải tiến của Không quân Mỹ. Ngoài mẫu thiết kế vũ khí laser của Boeing, Tập đoàn Raytheon cũng đang tiến hành nghiên cứu nhằm “đa dạng hóa” loại vũ khí đặc biệt tối tân này.

2. Đại bác Ngày tận thế

Đây là vũ khí sử dụng năng lượng điện tử thay vì bột thuốc súng để phá hủy mục tiêu bằng động năng thay vì bằng chất nổ. Nó hoạt động bằng cách gửi đi những dòng điện tạo ra lực từ trường đủ mạnh để bắn đạn với tốc độ cao hơn so với những loại sử dụng thuốc súng. Tầm bắn của nó cũng đạt từ 320 km đến 400 km. Khả năng này cho phép những con tàu bắn sâu vào lãnh thổ của quân địch trong khi vẫn có thể đậu ở nơi an toàn. Vì không cần thuốc súng nên những khẩu đại bác này an toàn hơn, không tốn diện tích vận chuyển. Hải quân Mỹ hiện đang thử nghiệm và hy vọng sẽ sử dụng nó vào năm 2018.

3. Vũ khí tàng hình

Đó là những vũ khí dựa vào công nghệ tàng hình, được thiết kế và sử dụng các nhiên liệu khiến cho máy bay, tàu chiến, và xe cộ khó bị radar, những thiết bị cảm ứng nhiệt… phát hiện. Quân đội Anh cho là đã có được công nghệ này. Trong những đợt thử nghiệm bí mật năm 2007, họ đã bọc một chiếc xe tăng bằng silicon, biến nó thành một thiết bị chỉ có trong phim ảnh. Những chiếc camera trên xe tăng ghi lại môi trường xung quanh ở thời gian thực và gửi đi những hình ảnh trên bề mặt xe tăng.

4. Robot mang vác quân dụng

Núi non hiểm trở gây khó khăn đối với binh lính, thậm chí cả khi họ không phải chiến đấu. Trung bình một người lính ở Iraq và Afghanistan phải vác tới 50-60kg. Để giải quyết vấn đề này, Mỹ đã tạo ra hệ thống hỗ trợ có chân (LS3) nhằm giúp mang những thiết bị chiến đấu ở những nơi địa hình mà xe cộ không thể di chuyển được. Nó có thể mang gần 20kg, đi được 32 km và mỗi lần có thể đi trong 24 giờ.

5. Thiết bị giúp nhìn xuyên tường

Năm nay, hải quân Mỹ sẽ cố gắng giúp đội quân ở Afghanistan có được những thiết bị cảm ứng cầm tay có thể nhìn thấu tường, phát hiện chất nổ chôn bên trong và phát hiện quân địch bò dưới đường hầm hay trốn sau những cái cây. Thiết bị quét Eagle5, phiên bản M và P, sử dụng ít  năng lượng, tần số radio băng thông rộng có thể cho ra những hình ảnh phía sau gỗ, đá, gạch, xi măng hay bụi đất. Phiên bản M trông giống như chiếc điện thoại di động cỡ lớn, nặng 1,5kg, được thiết kế để phát hiện chuyển động và có thể tìm ra người cách xa 6 mét phía sau tường xi măng dày 8 inch. Phiên bản P lớn hơn, được thiết kế để phát hiện người dưới những đường hầm và những chất nổ bị chôn ở độ sâu hơn 3 mét.

6. Robot chiến đấu

Để tránh thương vong cho binh lính, quân đội Mỹ đang đặt hàng để tạo ra Hệ thống robot trang bị vũ khí tối thân (MAARS). Nó có thể mở cửa, đặt chất nổ hoặc loại bỏ các vật thể. Ngoài ra, MAARS còn được trang bị súng ngắn M24b và khả năng phát hiện nơi bắn súng đến để có thể bắn trả. Thiết bị này có tầm nhìn 360 độ, giao tiếp 2 chiều, được trang bị tia laser và hoạt động được cả vào ban đêm.

7. Thiết bị bắn mà… không chết

Ngay cả khi trong chiến tranh, có những tình huống không nhất thiết phải dùng vũ khí chết người. Và thiết bị điện XREP đã có mặt, nó có thể làm tê liệt một người mà không gây đau đớn ở khoảng cách 26 mét. Khi chạm tới mục tiêu, XREP làm tê liệt mục tiêu trong vòng 20 giây, đủ để người ta xác minh nạn nhân là bạn hay thù.

Hà Châu (Theo Technewsdaily) - Theo Báo Giáo dục và Thời đại

Nguồn http://360.thuvienvatly.com

Tia gamma là gì?

Viết bởi JK Thứ tư, 25 Tháng 3 2015 17:33

Tia gamma là một dạng bức xạ điện từ, giống như sóng vô tuyến, bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử ngoại, tia X và vi sóng. Tia gamma có thể được dùng để điều trị ung thư, còn các vụ nổ tia gamma thì được nghiên cứu bởi các nhà thiên văn học.

Bức xạ điện từ lan truyền dưới dạng sóng hoặc hạt ở những bước sóng và tần số khác nhau. Vùng rộng bước sóng này được gọi là phổ điện từ. Phổ điện từ thường được phân chia thành bảy vùng theo trật tự giảm dần bước sóng và tăng dần năng lượng và tần số. Các vùng đó là sóng vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại, tia X, và tia gamma.

Tia gamma rơi vào vùng phổ điện từ phía trên tia X mềm. Tia gamma có tần số lớn hơn khoảng 10¹⁸ Hz, và bước sóng nhỏ hơn 100 pico-mét (pm). (Một pico-mét là một phần nghìn tỉ của một mét.) Chúng chiếm giữ chung vùng phổ điện từ với tia X cứng. Khác biệt duy nhất giữa chúng là nguồn phát: tia X được tạo ra bởi các electron đang gia tốc, còn tia gamma được tạo ra bởi các hạt nhân nguyên tử.

Ảnh chụp toàn bầu trời, xây dựng từ hai năm quan sát của Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi của NASA, cho thấy bầu trời trông như thế nào trong ánh sáng tia gamma. Ảnh: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Khám phá tia gamma

Tia gamma lần đầu tiên được quan sát vào năm 1900 bởi nhà hóa học người Pháp Paul Villard khi ông đang nghiên cứu bức xạ phát ra từ radium, theo tư liệu NASA. Vài năm sau đó, nhà hóa học và vật lí học gốc New Zealand, Ernest Rutherford, đề xuất tên gọi “tia gamma”, theo thứ tự tia alpha và tia beta – tên gọi chỉ những hạt khác đã được quan sát thấy từ bức xạ hạt nhân – và tên gọi tia gamma có từ đó.

Nguồn phát tia gamma

Tia gamma chủ yếu được tạo ra bởi bốn phản ứng hạt nhân khác nhau: nhiệt hạch, phân hạch, phân rã alpha và phân rã gamma. Nhiệt hạch là phản ứng cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao. Nó xảy ra trong một quá trình nhiều bước trong đó bốn proton, hay hạt nhân hydrogen, bị nén dưới nhiệt độ và áp suất cực cao để hợp nhất thành một hạt nhân helium gồm hai proton và hai neutron. Hạt nhân helium thu được nhẹ hơn bốn proton khoảng 0,7% khối lượng. Độ chênh lệch khối lượng đó biến đổi thành năng lượng theo phương trình Einstein nổi tiếng E = mc², với khoảng hai phần ba năng lượng đó được phát ra dưới dạng tia gamma. (Phần còn lại ở dạng neutrino, những hạt tương tác cực kì yếu với khối lượng gần như bằng không.) Trong những giai đoạn cuối của cuộc đời của một ngôi sao, khi nó cạn kiệt nhiên liệu hydrogen, nó có thể tạo ra các nguyên tố mỗi lúc nặng hơn qua sự hợp nhất hạt nhân và trong đó có sắt, nhưng những phản ứng này tạo ra một lượng năng lượng giảm dần ở từng giai đoạn.

Một nguồn phát tia gamma quen thuộc khác là sự phân hạch. Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở Mĩ định nghĩa phân hạch là “sự phân tách một hạt nhân nặng thành hai mảnh gần như bằng nhau (tức hạt nhân của những nguyên tố nhẹ hơn), đồng thời giải phóng năng lượng tương đối lớn ở dạng động năng của hai mảnh và ở dạng phát ra neutron và tia gamma.” Trong quá trình này, các hạt nhân nặng, ví dụ uranium và plutonium, bị vỡ thành những nguyên tố nhẹ hơn, ví dụ xenon và strontium, trong các va chạm với các hạt khác. Những hạt thu được từ những va chạm này sau đó có thể tác động lên những hạt nhân nặng khác, thiết lập một phản ứng dây chuyền. Năng lượng được giải phóng bởi vì tổng khối lượng của các hạt thu được nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân nặng ban đầu. Độ chênh lệch khối lượng đó biến đổi thành năng lượng theo công thức E = mc² ở dạng động năng của những hạt nhân nhỏ hơn, neutrino và tia gamma.

Các nguồn phát tia gamma khác là phân rã alpha và phân rã gamma. Phân rã alpha xảy ra khi một hạt nhân nặng giải phóng một hạt nhân helium-4, giảm số nguyên tử của nó đi 2 và giảm trọng lượng nguyên tử của nó đi 4. Quá trình này có thể để lại hạt nhân với năng lượng thừa, và năng lượng đó được phát ra dưới dạng tia gamma. Phân rã gamma xảy ra khi có quá nhiều năng lượng trong hạt nhân của một nguyên tử, làm cho nó phát ra tia gamma mà không làm biến đổi điện tích hay thành phần khối lượng của nó.

Sơ đồ thể hiện toàn bộ phổ điện từ

Liệu pháp tia gamma

Tia gamma thỉnh thoảng được dùng để điều trị các mô ung thư trong cơ thể bằng cách phá hủy ADN của các tế bào mô đó. Tuy nhiên, liệu pháp đòi hỏi sự thận trọng tuyệt đối bởi vì tia gamma cũng có thể phá hủy ADN của các tế bào mô khỏe mạnh xung quanh. Một cách tăng tối đa liều lượng cho các tế bào ung thư đồng thời giảm thiểu sự phơi xạ cho các mô khỏe mạnh là chiếu trực tiếp nhiều chùm tia gamma từ một máy gia tốc thẳng lên trên vùng mục tiêu từ nhiều hướng khác nhau. Đây là nguyên tắc hoạt động của Dao mổ Cyber và Dao mổ Gamma.

Thiên văn học tia gamma

Một trong những nguồn phát tia gamma hấp dẫn hơn là các vụ nổ tia gamma (GRB). Đây là những sự kiện năng lượng cực cao chỉ tồn tại trong vài milli giây đến vài phút. Chúng lần đầu tiên được quan sát thấy vào thập niên 1960, và ngày nay chúng được quan sát thấy ở đâu đó trên bầu trời khoảng mỗi ngày một sự kiện.

“Trong một thời gian dài, người ta tin rằng GRB phải đến từ bên trong thiên hà của chúng ta,” theo trang web của Đại học California. “Dường như không có khả năng chúng ở xa xôi hơn nhiều – để một vụ nổ tia gamma đến từ một thiên hà ở xa, nó sẽ phải hết sức mạnh mới giải thích được độ sáng của nó mà người ta quan sát thấy.” Ngày nay, chúng ta biết rằng phần lớn GRB thật sự đến từ các thiên hà ở xa hơn 100 triệu đến hàng tỉ năm ánh sáng.

Theo Robert Patterson, giáo sư thiên văn học tại Đại học Missouri, GRB từng được người ta cho là đến từ những giai đoạn sau của các lỗ đen mini đang bốc hơi. Ngày nay, người ta tin rằng chúng phát sinh trong các va chạm của các vật thể đậm đặc như các sao neutron. Các lí thuyết khác gán những sự kiện này cho sự suy sụp của những ngôi sao siêu khối để hình thành lỗ đen. Dù là trường hợp nào, các GRB có thể tạo ra đủ năng lượng để, trong một vài giây đồng hồ, chúng có thể sáng hơn cả toàn bộ thiên hà. Vì khí quyển của Trái đất chặn mất đa phần tia gamma, cho nên các quan sát thường được tiến hành bằng các khí cầu bay lên cao và các kính thiên văn trên quỹ đạo.

Nguồn: Jim Lucas – LiveScience

http://360.thuvienvatly.com