Viên Hạt Thủy Tinh Nổi Lên Khám Phá Những Bí Mật của Vũ Trụ

Francesco Ricci đứng bên bàn được phủ đầy dây và gương nhỏ. “Đây là nơi mọi thứ diễn ra,” anh ấy nói, chỉ vào một ống kim loại khoảng bằng kích thước hộp bánh quy. Là sinh viên cao cấp tại Viện Khoa học Quang học ở Barcelona, Ricci đang cho tôi xem một thiết bị mà anh ấy đã xây dựng để khảo sát một vùng đất nước ngoại lai: thế giới nano.

Thu phóng vào thế giới nano và bạn sẽ nhìn thấy nguyên tử hợp tác để tạo thành phân tử, và protein bám chặt vào bề mặt của vi khuẩn. Nhưng khó khăn để nghiên cứu những nhân vật Liliput này một cách rõ ràng. “Bạn không thể sử dụng thiết bị hàng ngày như một cái cân để đo lường,” Ricci nói. Anh ấy động tay với đầu ngón tay to như xúc xích, mỗi ngón tay có thể đẩy những chiếc gương nhỏ trên bàn hoàn toàn lệch khỏi đường. “Bạn cần công cụ chính xác hơn.” Với mục tiêu đó, các nhà khoa học đã phát triển các máy nhẹ nhàng đủ để kéo những sợi DNA và nắm bắt từng nguyên tử.

Nhóm của Ricci đã thêm một công cụ khác vào bộ dụng cụ của họ. Bên trong hộp bánh quy là một cảm biến có thể đo trọng lượng nhẹ hơn 100 triệu lần so với một tế bào vi khuẩn E. coli. Với độ nhạy cao như vậy, các nhà vật lý nghĩ rằng những thiết bị này có thể bắt được những tín hiệu nhỏ chỉ vào hướng chưa biết: có thể là một loại sóng hấp dẫn mới, hoặc thậm chí là các hạt vô hình của vũ trụ tối.

Trái tim của công cụ là một viên hạt thủy tinh nổi lên nhỏ như virus, được duy trì trong không gian bởi một tia laser hồng ngoại tạo ra một đám hình học kiểm soát của các photon. Vì viên hạt nổi lên trong không khí hút, nó trải qua rất ít ma sát, điều này có nghĩa là ngay cả những cú chạm nhẹ nhất cũng có thể làm nó bị chệch khỏi vị trí. Ví dụ, nhà hóa học có thể cân một phân tử duy nhất bằng cách gắn nó vào viên hạt, đẩy nhẹ viên hạt với một lực kiểm soát cẩn thận, và quan sát nhịp những cú đuốc của nó. Sau đó, họ có thể tính toán khối lượng từ nhịp: Phân tử nhẹ di chuyển nhanh hơn.

Đặc điểm nổi bật của công cụ của Ricci là độ chính xác. Những nhà khoa học khác đã phát triển các công cụ nhạy cảm tương tự—có thể phát hiện những biến động trọng lượng nhỏ đến mức của một proton duy nhất. Nhưng đọc số của họ ít đáng tin cậy hơn nhiều, theo lời của nhà vật lý Andrew Geraci của Đại học Northwestern. Một số cảm biến nói về trọng lượng sai lệch 30% trở lên, tương đương với sai số của cái cân phòng tắm khoảng 50 pounds.

Ngược lại, cảm biến của Ricci có thể đạt được độ chính xác khoảng 1%, tương đương với sai số của cái cân phòng tắm khoảng 1.5 pounds. Một mục tiêu cho những cảm biến chính xác như vậy là tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao về từng phân tử protein và các phân tử khác, theo lời của nhà vật lý Adrian Bachtold, một đồng nghiệp của Ricci không liên quan đến công việc này. Bachtold đang phát triển các cảm biến tương tự làm từ ống nano cacbon. Ví dụ, bạn có thể đặt một phân tử duy nhất trong một trường từ, xoay phân tử để nhận dạng chúng vì các nguyên tố riêng biệt xoay ở các tốc độ khác nhau, một cảm biến lực gần có thể phát hiện được tốc độ quay của các nguyên tử để nhận diện chúng.

Cảm biến của Ricci cũng có thể được điều chỉnh để nghiên cứu một số câu đố khó hiểu nhất của vật lý, theo lời của Geraci. Ví dụ, những nhà vật lý đã vật lộn hàng thập kỷ để giải thích tại sao luật về trọng lực, mô tả chính xác cách sao di chuyển ở quy mô thiên hà, không tương thích với các quy tắc siêu vi của cơ học lượng tử. Để hiểu câu hỏi đó, nhóm của Geraci hiện đang thực hiện một thí nghiệm giữa một viên hạt thủy tinh vô cùng nhỏ và một tấm gương vàng nhỏ. Họ đang cố gắng đo lường sự hấp dẫn nhỏ giọt giữa hai vật thể. Nếu thực hiện đúng cách, họ có thể loại bỏ các ý kiến đề xuất về bản chất lượng tử của trọng lực. Kỹ thuật hiệu chuẩn của Ricci có thể giúp họ đạt được độ chính xác này.

Ngoài ra, Geraci đang xây dựng một công cụ sử dụng các hạt nano nổi để tìm kiếm sóng trọng lực tần số cao—những sóng nhỏ trên không gian thời gian mà các phòng thí nghiệm hiện tại như LIGO không được thiết kế để phát hiện. Khi một sóng như vậy di chuyển qua viên hạt thủy tinh, nó sẽ làm thay đổi hình dạng của tia laser giữ viên hạt nổi lên. Viên hạt sẽ di chuyển, và cảm biến có thể phát hiện chuyển động đó. Những lý thuyết dự đoán rằng những sóng trọng lực này nên là hiếm, nhưng chưa ai thực sự tìm kiếm chúng, theo lời của nhà thiên văn học Nergis Mavalvala của Viện Công nghệ Massachusetts.

Chi phí của một máy phát hiện như vậy rất rẻ, nói một cách tương đối. Nhóm của Geraci đã xác định rằng máy chỉ cần dài khoảng 3 feet và có thể đặt trên một bàn. So sánh với LIGO, với hai công cụ hình chữ L có tay căng ra hai và một nửa dặm và có tổng chi phí hơn một tỷ đô la để xây dựng. “Để phát hiện sóng trọng lực tần số cao, bạn có thể xây dựng một cái gì đó kỹ thuật dễ và giá rẻ hơn,” theo lời của Mavalvala.

Nếu phát hiện, những sóng trọng lực hẹp hơn này có thể giúp trong việc tìm kiếm vật chất tối, một chất liệu giả định mà các nhà vật lý nghĩ rằng nên chiếm 85% khối lượng của vũ trụ. Geraci và Asimina Arvanitaki, một nhà vật lý tại Viện Perimeter, đã xác định rằng một hạt tối đa giả định được gọi là axion tương tác với một lỗ đen nên tạo ra những sóng này.

Những nhà khoa học chỉ sắc sảo như công cụ của họ. Trong không gian nano, “rất khó để hiểu bạn đang đo lường cái gì,” theo lời của Bachtold. Một cảm biến được hiệu chuẩn cẩn thận như của Ricci giúp nhà vật lý với câu hỏi meta: họ có thể tin tưởng đo lường của mình đến mức nào.

Những Điều Tuyệt Vời Hơn Tại Mytour

• Nhìn lại cuộc đua đạp đầy đau đớn nhất
• Những tweet của bạn tiết lộ nhiều dữ liệu vị trí hơn bạn nghĩ
• Ký ức hạt nhân của một gia đình, khắc trên bạc
• Khái niệm xe đi bộ của Hyundai tái tạo lại bánh xe
• Alexandria Ocasio-Cortez và một hiện thực chính trị mới
• 👀 Tìm kiếm những thiết bị công nghệ mới nhất? Xem những lựa chọn, hướng dẫn mua sắm và ưu đãi tốt nhất của chúng tôi suốt cả năm
• 📩 Muốn thêm? Đăng ký bản tin hàng ngày của chúng tôi và đừng bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi