Bí mật của ánh sáng đã được tiết lộ

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

59
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế lần đầu tiên đã thành công trong việc lập bản đồ hoàn chỉnh quỹ đạo của photon duy nhất trong thí nghiệm khe đôi Young nổi tiếng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bí mật của ánh sáng đã được tiết lộ

Bí mật của ánh sáng đã được tiết lộ Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế lần đầu tiên đã thành công trong việc lập bản đồ hoàn chỉnh quỹ đạo của photon duy nhất trong thí nghiệm khe đôi Young nổi tiếng. Phát hiện này đã tạo ra một bước tiến quan trọng đầu tiên hướng tới việc đo đạc các đại lượng không tương thích của một hệ lượng tử - mà cho đến bây giờ được coi là không thể do nguyên lý bất định Heisenberg. Trong thí nghiệm khe đôi, một chùm ánh sáng được chiếu lên màn thông qua hai khe hở, kết quả tạo ra hình ảnh giao thoa trên màn. Nghịch lý là người ta không thể nói photon qua khe nào trong 2 khe, khi đo trực tiếp điều này sẽ làm méo mó hình ảnh giao thoa trên màn. "Trong hầu hết các ngành khoa học, hoàn toàn có thể nhìn xem hệ thống đang làm gì tại thời điểm hiện tại và như vậy xác định được quá khứ hoặc tương lai của nó . Tuy nhiên, trong cơ học lượng tử, nó lại không có khả năng được đo đạc như vậy trong quá khứ. ", Ông Steinberg Aephraim, nhà vật lý của Trung tâm Thông tin và điều khiển lượng tử tại Đại học Toronto, Canada và là người đứng đầu nghiên cứu này. Bây giờ, bằng cách sử dụng một kỹ thuật được gọi là "đo lường yếu" Steinberg và nhóm của mình nói rằng họ đã giải quyết được và đo chính xác cả vị trí và xung lượng của các photon duy nhất trong thí nghiệm giao thoa hai khe. Công trình này lấy ý tưởng từ một trong những đồng nghiệp của Steinberg,
Howard Wiseman của Đại học Griffith, Australia, những người đã đề xuất vào năm 2007 rằng có thể dùng phương pháp này để đo xung lượng và vị trí trong thí nghiệm khe đôi. Steinberg đã ngay lập tức bị cuốn hút và bắt đầu để xem làm thế nào điều này có thể thực hiện được. Nắm bắt ý tưởng. Các lý thuyết về "đo lường yếu" lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1988 và được phát triển bởi các nhà vật lý Yakir Aharonov và nhóm của ông tại Đại học Tel Aviv, Israel, đã được quan tâm nhiều trong những năm trở lại đây. Các trạng thái theo lí thuyết có thể thực hiện phép đo "yếu" trên hệ do đó lấy được thông tin về một trong nhũng tính chất mà không làm nhiễu bản chất của hệ và cho tương lai của toàn hệ. Mặc dù các thông tin thu được cho mỗi lần đo là tối thiểu, trung bình của nhiều phép đo đưa ra sẽ ước lượng được chính xác của phép đo các đại lượng mà không làm sai lệch kết quả cuối cùng. Trong thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã gửi một chùm tia đơn hạt của các photon đồng nhất đi qua hệ giao thoa hai khe và thực hiện một phép đo yếu đo không chính xác động lượng của từng photon. Điều này thực hiện bằng cách sử dụng một miếng canxit thạch anh, vai trò như kính phân cực. Tùy thuộc vào hướng truyền photon được phân cực khác nhau và hướng được đo là một hàm của vị trí. Tiếp theo đó là một phép đo cực kỳ chính xác của các vị trí cuối của các điểm nơi photon đập vào màn, mà trong trường hợp này, là một máy ảnh. Bằng cách kết hợp các vị trí đo không chính xác ở nhiều điểm và động lượng chính xác đo được ở cuối quỹ đạo của mỗi photon, họ đã có thể xây dựng một mô hình chính xác toàn bộ dòng của các photon. "Điều này cho thấy việc đo xung lượng yếu không làm nhiễu loạn hệ, và giao thoa vẫn còn quan sát thấy. Cả hai phép đo phải được lặp đi lặp lại trên một tập hợp lớn đồng nhất của các hạt để có được đầy đủ thông tin cho toàn hệ, nhưng chúng tôi đã không làm nhiễu kết quả tí nào. " Steinberg giải thích. "Quỹ đạo đo được của chúng tôi hoàn toàn phù hợp, Wiseman đã dự đoán, với việc giải thích thực tại khác thường của cơ học lượng tử của các nhà tư tưởng có ảnh hưởng như David Bohm và Louis de Broglie,"
Các đơn photon được họ sử dụng trong thí nghiệm được phát ra bởi chấm lượng tử chất lỏng làm mát bằng heli InGaAs được bơm quang học bằng laser đặc biệt đã được phát triển tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ ở Colorado, Mỹ. Các chấm này phát ra photon đơn ở bước sóng 943 nm. Quá khứ, hiện tại và tương lai Thí nghiệm khe đôi bị ảnh hưởng nhiều bởi nguyên lí bổ sung phát biểu bởi Niels Bohr. Các trạng thái bổ sung được quan sát bởi các biến bổ sung, chẳng hạn quỹ đạo của hạt và nhiễu sóng như trong các thí nghiệm giao thoa, phụ thuộc vào cách mà phép đo được thực hiện - các hệ không thể cùng lúc biểu hiện tính hạt và sóng cùng lúc. Thí nghiệm gần đây của Steinberg cho thấy nó không hành xử như vậy- hệ có thể là cả hai. Vì vậy, hoặc là Einstein hoặc Bohr sẽ được hài lòng hoặc bất ngờ là thí nghiệm này sẽ không thể thực hiện được? "Vâng, tôi không nghĩ rằng Einstein sẽ ngạc nhiên! Nhưng đồng thời tôi cũng không nghĩ rằng điều này sẽ làm cho ông ấy thoải mái hơn với cơ học lượng tử của các hệ riêng biệt ", ông Steinberg cho rằng Einstein đã rất khao khát để đo chính xác tất cả các thông số của một hệ lượng tử, nhưng một số điều chúng ta chưa thực hiện được. "Bohr lại có quan điểm khác ... Tôi nghi ngờ rằng vào thời của mình, ông đã hiểu chính xác những gì mà mình định nói", Steinberg nói. "Nhưng có thể phép đo này sẽ làm cho ông ấy [Bohr] sẽ phải cẩn thận hơn với ngôn ngữ của mình khi nói về tính bổ sung." Đo lường các đại lượng phi vật lý –
một hướng phát triển mới đầy triển vọng của kỹ thuật đo lường Trong khuôn khổ bài viết này, tác giả không thể liệt kê hết được các lĩnh vực có các đại lượng phi vật lý cần đo. Có điều đây là một lĩnh vực mới mẻ đầy triển vọng trong ngành kỹ thuật đo lường hiện đại sử dụng kỹ thuật số có liên quan đến một phương pháp đo mới đó là đo lường angôrit. Các đại lượng phi vật lý là gì? Để hiểu rõ câu hỏi trên đây có lẽ đầu tiên nên nhắc đến các đại lượng vật lý. Chúng ta đã biết rất rõ các đại lượng vật lý bao gồm 7 đại lượng vật lý cơ bản đó là: độ dài (m), nhiệt độ (Ko), thời gian (s), khối lượng (kg), cường độ dòng điện (A), cường độ ánh sáng (Cd) và số lượng vật chất (mol). Ngoài ra còn có các đại lượng dẫn xuất như: về điện áp (V), điện trở (ohm), công suất (W), năng lượng (wh); về cơ: Lực (N), tốc độ (m/s), công (J); về quang: luồng ánh sáng (Lumen), độ chiếu sáng (Lux)… Nghĩa là những đại lượng có thể đo được và ta đã có những phương pháp để đo các đại lượng đó một cách hoàn hảo và hiệu quả trong kỹ thuật cũng như trong đời sống hàng ngày. Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất công nghiệp, trong nghiên cứu khoa học hay trong đời sống hàng ngày có nhiều đại lượng phi vật lý mà không một phép biến đổi vật lý nào có thể thực hiện được. Ví dụ người ta đã chế tạo ra thiết bị phát hiện nói dối, như vậy sự dối trá chính là một đại lượng phi vật lý, hoặc người ta đo sự tăng trưởng GDP của một quốc gia hoặc đo lượng thông tin nhận được sau khi nghe một bản tin… Tất cả đều là những đại lượng phi vật lý.
Trong lý thuyết đo lường, ta đã nhắc đến các phép đo lường toán học logic mà cốt lõi là đo lường angôrit. Đối với các đại lượng đo phi vật lý, những phát minh về mặt toán học đã đặt cơ sở cho lý thuyết đo các đại lượng phi vật lý mà ta gọi là Đo lường tâm lý. Nhắc đến các ph ương ph áp để đo một đại lượng nào đó (vật lý hay phi vật lý) ta phân biệt các phương thức sau đây: Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất. Cách đo này thường áp dụng cho các đại lượng vật lý, biểu hiện kết quả ngay sau phép đo. Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp. Cách đo này thường áp dụng để đo một đại lượng vật lý nào đó mà không thể đo trực tiếp được. Ví dụ: cần đo điện trở của lò điện khi nó đang làm việc, bắt buộc phải đo bằng phương pháp gián tiếp thông qua đo U và I rồi rút ra R. Đo gián tiếp cũng có thể để đo một đại lượng phi vật lý nào đó. Ví dụ: khi một người bị stress trong nước bọt sẽ xuất hiện một chất đặc biệt, nếu đo được nồng độ của chất này sẽ xác định được mức độ stress của người đó. Đo hợp bộ: cũng là một phép đo gián tiếp nhưng đại lượng cần đo chủ yếu là phi vật lý. Thông qua các phép đo trực tiếp, sau đó dẫn đến việc giải phương trình (hay hệ phương trình) và tính được các đại lượng phi vật lý cần tìm. Ví dụ: Ta biết cảm biến nhiệt điện trở đồng có đặc tính là: Rt = Ro (1 + αt) Cần phải xác định hệ số nở nhiệt α, ta cần phải đo các điện trở Ro tại to = 0oC, và Rt1 tại t = t1 nào đó. Sau đó từ phương trình: Rt1 = Ro (1 + αt1) ta tính được α- một đại lượng phi vật lý. Như vậy, việc đo một đại lượng phi vật lý có thể thực hiện bằng cách thông qua đo các đại lượng vật lý hoặc tiến hành phép đo hợp bộ. Sau đây là một số lĩnh vực có chứa các đại lượng phi vật lý phổ biến cần đo. Lĩnh vực đo lường thống kê
Khi xử lý số liệu đo hay phân tích các đối tượng ngẫu nhiên như đại lượng ngẫu nhiên, tín hiệu ngẫu nhiên, tín hiệu ngẫu nhiên phức và trường ngẫu nhiên ta phải sử dụng công cụ toán học hiện đại là toán học thống kê. Với toán học thống kê áp dụng cho các đối tượng ngẫu nhiên ta phải đo các đặc tính số là kỳ vọng toán học, phương sai, hàm tương quan và mật độ phổ năng lượng. Đây chính là các đại lượng đo phi vật lý. Để đo được các đại lượng này trước đây người ta sử dụng kỹ thuật analog để tạo ra thiết bị đo (ví dụ: tương quan kế), nhưng ngày nay nhờ có máy tính và sử dụng kỹ thuật số lấy mẫu các tín hiệu vật lý từ đó tính theo angôrit đã định sẵn để tìm ra các đại lượng phi vật lý này. Một trong những nhược điểm của việc đo các đại lượng phi vật lý theo phương pháp thống kê là tốc độ tính rất chậm đặc biệt khi có yêu cầu độ chính xác cao. Để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng các thế hệ máy tính có tốc độ cao hay các thiết bị đặc chủng có có tốc độ nhanh cho việc xử lý thống kê này (ví dụ: DSP chẳng hạn). Một phương pháp khác là nghiên cứu các angôrit nhanh để xử lý thống kê, ví dụ thuật toán biến đổi Furiê nhanh FFT để phân tích phổ chẳng hạn, hay thuật toán thích nghi tính nhanh hàm tương quan của tín hiệu ngẫu nhiên. Đo lường thông tin Trong lĩnh vực truyền, thu nhận và xử lý thông tin chúng ta cũng gặp rất nhiều đại lượng phi vật lý đó là: lượng thông tin đo, tốc độ truyền thông tin, hệ số lỗi bit, hệ số cắt giảm thông tin thừa, dung lượng thông tin của kênh liên lạc và khả năng truyền của kênh. Như vậy trong lĩnh vực thông tin ta có nhiều đại lượng phi vật lý. Việc đó chúng được thông qua việc tính toán theo một angôrit đã định sẵn. Ví dụ: để đo lượng thông tin của một bản tin mang đến ta phải xác định được xác suất xuất hiện của sự kiện trong bản tin và độ không xác định của nó; hay muốn xác định độ truyền ta phải xác định được lượng thông tin truyền trong một đơn vị thời gian; hay muốn tính hệ số lỗi bit ta phải xác định được tổng số bit truyền đi và số bit bị lỗi sau khi nhận được.
Rõ ràng để xác định được các đại lượng phi vật lý trong lĩnh vực thông tin cũng phải dựa vào kỹ thuật số và phải tìm ra các angôrit tối ưu sao cho thời gian tính là ít nhất và có độ chính xác cao nhất. Đo lường xã hội Trong lĩnh vực xã hội cũng có rất nhiều đại lượng phi vật lý cần đo như: chỉ số tăng trưởng GDP của một quốc gia, chỉ số IQ của một người, chỉ số tăng dân số của một nước… là những đại lượng phi vật lý rất phổ biến cần phải đo. Để đo được chúng cần phải có những quy tắc (angôrit) theo quy định của xã hội. Để có được số liệu để tính các đại lượng phi vật lý này phải có quá trình thống kê theo thời gian hoặc theo một lĩnh vực nào đó. Ví dụ: để dự báo nhu cầu tiêu dùng điện cho từng ngành trong tháng cần phải có những thống kê về tiêu dùng điện trong quá khứ, hiện tại và sử dụng phương pháp hồi quy có thể dự báo nhu cầu tiêu dùng điện cho 1 ngày, 1 tuần, 1 tháng hay 1 năm. Đo lường tâm sinh lý Lĩnh vực tâm sinh lý cũng có nhiều đại lượng phi vật lý cần đo đó là: đo mức độ bị stress, máy phát hiện nói dối, máy đo tình cảm, tự động chuẩn đoán bệnh… Trạng thái tâm lý của mỗi người thường liên quan rất chặt chẽ đến những hoạt động của các cơ quan bên trong cơ thể. Ví dụ: khi hồi hộp thì nhịp tim sẽ tăng lên. Một người khi yêu sẽ có một loại hóa chất đặc biệt gọi là hóa chất tình yêu sẽ xuất hiện trong máu. Nếu ta đo nồng độ của nó sẽ biết được mức độ yêu cầu của người đó; Hay mức độ ôi thiu của thịt có thể xác định nhờ xác định nồng độ khí H2S sinh ra khi thịt bị ôi. Như vậy việc đo các đại lượng trong lĩnh vực tâm sinh lý thường phải thông qua việc đo một số đại lượng vật lý liên quan nào đó. Số các đại lượng vật lý đó có thể ít hay nhi ều tùy vào sự biểu hiện của con người về sự liên quan đó. Trong tương lai gần chúng ta sẽ có chương trình chuẩn đoán bệnh. Để làm được việc đó, nhiều khi phải đo nhiều thông số vật lý khác nhau thông qua các xét nghiệm và máy sẽ quyết định là ta đã mắc phải bệnh gì thông qua hệ chuyên gia đã được cài đặt trong máy.
Như vậy ta cũng thấy rằng, các đại lượng phí vật lý tồn tại ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong khuôn khổ bài viết này, tác giả không thể liệt kê hết được các lĩnh vực có các đại lượng phi vật lý cần đo. Có điều đây là một lĩnh vực mới mẻ đầy triển vọng trong ngành kỹ thuật đo lường hiện đại sử dụng kỹ thuật số có liên quan đến một phương pháp đo mới đó là đo lường angôrit.