Vật Lý lượng tử và vũ trụ

Vật lý lượng tử là gì?



Vật lý lượng tử (Quantum Physics), còn gọi là Cơ học lượng tử (Quantum Mechanics), là một trong những nhánh nghiên cứu khoa học đang được quan tâm nhất hiện nay, và là một trong những lĩnh vực mũi nhọn, đi đầu trong việc giúp con người hiểu được các quy luật vận hành của vũ trụ, của thế giới vật chất xung quanh.

Nói đơn giản, vật lý lượng tử là lĩnh vực khoa học chuyên nghiên cứu các quy luật vật lý của thế giới vật chất ở tầng mức vô cùng nhỏ - tầng mức của các hạt nguyên tử (atomic) và hạ nguyên tử (subatomic), tức những hạt như electron, proton, neutron, gluon, quark, neutrino...mà chúng ta đã từng được học trong vật lý & hóa học phổ thông.

Lĩnh vực này bắt đầu được quan tâm & phát triển từ những năm 1900. Max Planck - một nhà vật lý người Đức - được xem là một trong những người có đóng góp đầu tiên & quan trọng nhất trong lĩnh vực này.

Về mặt khái niệm, từ "quantum" trong "Quantum Physics" có nguồn gốc từ tiếng Latin, nghĩa là "đơn vị nhỏ nhất giúp cấu thành một vật chất bất kỳ". Vật lý lượng tử nhìn nhận năng lượng (energy - được cho là thứ căn bản nhất cấu thành vũ trụ) như một dạng vật chất - thay vì cách gọi "trường năng lượng" của vật lý cổ điển, thế nên nó có thể được đo đếm, định lượng, chia nhỏ thành các đơn vị.

Ứng dụng của nó như thế nào?

Vật lý lượng tử được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống như:

Lĩnh vực y-sinh:

Máy cộng hưởng từ (Nuclear Magnetic Resonance Imaging hay MRI) mà bạn thường nghe qua, dùng để chụp cắt lớp cơ thể con người chính là một trong những phát minh dùng vật lý lượng tử - đó là sử dụng tính chất "spin" của các hạt nhân (nucleus) trong các nguyên/phân tử. "Spin" là một tính chất của hạt nhân để chỉ ra khả năng phát ra/tương tác với từ trường của nó. Với từ trường cực dao động cực mạnh (từ máy MRI) ở tần số cộng hưởng của các hạt nhân (hay là proton trong trường hợp nguyên tử Hydrogen), các hạt nhân sẽ có thể được kích thích và sẽ phát ra tín hiệu ở bước sóng radio và sẽ được "đọc" bởi các ăng-ten siêu nhạy. Kết hợp với việc phân tícch vị trí của máy quét, các hình cắt lớp lần lượt được chụp và cuối cùng bạn sẽ thấy một loạt các ánh cắt lớp như vậy.

Lĩnh vực quang học / viễn thông / thương mại:

Dù là trong nghiên cứu khoa học hay trong đời sống, trong viễn thông, tia laser đống một vai trò rất quan trọng. Trong quang học chẳng hạn, nguồn sáng thường dùng nhất là tia laser vì nó có tính liên tục về pha (coherence) và có ánh sáng có thể xem như "đơn sắc" (monochromatic), rất tiện lợi để dùng làm thí nghiệm (kích thích các nguyên tử hydro trong chân không chẳng hạn) hay làm hiện tượng giao thoa (interference). Ngoài ra, trong viễn thông chẳng hạn, ánh sáng laser được truyền đi trong các sợi cáp quang đến nhà bạn, và nhờ đó bạn có thể lướt Facebook) . Trong siêu thị, các máy quét đều dùng tia laser để quét mã vạch của sản phẩm.

Và laser là một trong những siêu phẩm cực kì thành công của vật lý lượng tử. Nhờ sự xem xét ánh sáng là các "hạt" photon và các "hạt" này khi được "chen chắn" trong một môi trường thích hợp. Các "hạt" photon có thể được nhân bản và tạo ra giống nhau như "hai giọt nước", nhờ vào hiện tượng gọi là "kích thích phát ánh sáng" (stimulated emission). Hiện tượng này là nền tảng của tia laser ngày nay.

Và cũng với vô những ứng dụng trên thực tế khác nữa.

Hexagonal boron nitride là gì?



Chắc hẳn các bạn ít người biết về thuật ngữ Hexagonal boron nitride (hBN) - hay còn gọi là boron nitride cấu trúc mạng lục giác - là một vật liệu được tạo bởi nhiều lớp tinh thể, mỗi lớp chỉ dày bằng một nguyên tử Boron hoặc Nitrogen (khoảng 0.3 nano-mét hay ít hơn một phần tỷ của mét). Với độ dày như vậy, một lớp tinh thể hBN được gọi là "vật liệu hai chiều" (two-dimensional material), bởi vì vật liệu bị giới hạn bởi chiều dày, nhưng không bị giới hạn về chiều ngang hay chiều dọc – giới hạn này có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất điện tử và quang học của hBN.

Ứng dụng hBN trong tẩy sạch các vết dầu loang trên mặt biển

Với độ mỏng chỉ bằng một nguyên tử, các lớp tinh thể hBN nếu được bong tách ra hoàn toàn bằng các phương pháp hóa học (ví dụ như bóc tách trong dung môi hữu cơ với sự hỗ trợ của sóng siêu âm) có thể tạo nên một diện tích bề mặt khổng lồ. Mặt khác, các lớp tinh thể hBN có tính “cực ưa dầu” (superhydrophobic), nên có thể được tận dụng làm chất hút dầu rất tốt.

Các nhà khoa học ở đại học Deakin, Úc, gần đây đã chứng minh bằng thực nghiệm và cho thấy hiệu quả hút dầu trên mặt nước là rất cao. Hơn thế nữa, do giá thành rẻ nên việc ứng dụng bột hBN trong lĩnh vực này là rất khả thi và tiềm năng. Tuyệt vời hơn, do tính cao của hBN, vật liệu này có thể được tái sử dụng rất nhiều lần bằng cách đốt cháy đi lớp dầu và để lại lớp bột hBN có tính hút dầu giống như ban đầu. Đây là một giải pháp cực kỳ cần thiết khi mà việc tràn dầu xuống biển xảy ra thường xuyên trên thế giới – hậu quả của các tai nạn tàu bè trên biển và đại dương. Vật liệu hBN như vậy hứa hẹn sẽ đóng góp to lớn vào việc bảo vệ môi trường, bảo vệ nguồn nước sạch cho chúng ta.

Quả thật vật lý luôn được xem như tác nhân chủ yếu để làm cơ sở để các nhà khoa học khám phá, giải đáp để trực tiếp ứng dụng vào đời sống con người và đặc biết nó là cót lỗi trong phát triển công nghệ mới nhằm đáp ứng nhu cầu cầu cuộc sống hiện đại của con người.

Bỏ qua chủ đề vật lý chúng ta sẽ tiếp tục khám phá vũ trụ, vũ trụ luôn là 1 thứ huyền bí mà các nhà khoa học, chiêm tinh học, thiên văn học luôn muốn tìm tòi và khám phá. Nhưng vũ trụ luôn tạo ra cho họ vô số những bất ngờ và thành tựu vĩ đại để giúp con người khám phá thế giới ngoài trái đất. bây giờ chúng ta sẽ đi vào trả lời cho 2 câu hỏi: Vũ trụ là gì? Các chòm sao là gì?

Vũ Trụ là gì?



Vũ trụ bao gồm tất cả các vật chất và không gian hiện có được coi là một tổng thể. Vũ trụ được cho là có đường kính ít nhất 10 tỷ năm ánh sáng và chứa một số lượng lớn các thiên hà; nó đã được mở rộng kể từ khi thành lập ở Big Bang khoảng 13 tỷ năm trước. Vũ trụ bao gồm các hành tinh, sao, thiên hà, các thành phần của không gian liên sao, những hạt hạ nguyên tử nhỏ nhất, và mọi vật chất và năng lượng. Vũ trụ quan sát được có đường kính vào khoảng 28 tỷ parsec (91 tỷ năm ánh sáng) trong thời điểm hiện tại. Các nhà thiên văn chưa biết được kích thước toàn thể của Vũ trụ là bao nhiêu và có thể là vô hạn. Những quan sát và phát triển của vật lý lý thuyết đã giúp suy luận ra thành phần và sự tiến triển của Vũ trụ.

Có thể nói vũ trụ không thể dùng tới phép tính để tính toán được kính thức dựa trên thuyết vụ nổ bigbang thì vũ trụ có đường kính khoảng 13,8 tỷ năm ánh sáng.



Tuy nhiên đây chỉ là con số tính toán theo thước đo của các nhà khoa học dựa trên nguồn gốc của Vũ trụ đó là lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Mô hình Vụ Nổ Lớn miêu tả trạng thái sớm nhất của Vũ trụ có mật độ và nhiệt độ cực kỳ lớn và sau đó trạng thái này giãn nở tại mọi điểm trong không gian. Mô hình dựa trên thuyết tương đối rộng và những giả thiết cơ bản như tính đồng nhất và đẳng hướng của không gian. Phiên bản của mô hình với hằng số vũ trụ học (Lambda) và vật chất tối lạnh, gọi là mô hình Lambda-CDM, là mô hình đơn giản nhất cung cấp cách giải thích hợp lý cho nhiều quan sát khác nhau trong Vũ trụ. Mô hình Vụ Nổ Lớn giải thích cho những quan sát như sự tương quan giữa khoảng cách và dịch chuyển đỏ của các thiên hà, tỉ lệ giữa số lượng nguyên tử hiđrô với nguyên tử heli, và bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

Nhưng trên thực tế kích thước của vũ trụ không thể tính toán được bởi có thể có hàng trang hàng ngàn vụ nổ nhưng vụ nổ bigbang hoặc thậm chí lớn hơn đã xảy ra trong toàn bộ vũ trụ, vì vậy có thể khẳng định kích thước vũ trụ vẫn luôn là câu hỏi không có lời giải.

Các chòm sao là gì?



Chòm sao là một nhóm các ngôi sao được người ta nhìn thấy trên bầu trời về ban đêm là gần nhau theo một hình dạng nhất định nào đó. Trong không gian ba chiều thì phần lớn các ngôi sao mà con người nhìn thấy là gần nhau thì lại không phải như vậy, chúng có rất ít quan hệ với nhau và có thể cách nhau rất xa. Loài người trong lịch sử phát triển của mình đã nghĩ ra các hình mẫu theo trí tưởng tượng để nhóm chúng lại thành các chòm sao.

Chòm sao là một nhóm các ngôi sao được người ta nhìn thấy trên bầu trời về ban đêm là gần nhau theo một hình dạng nhất định nào đó. Trong không gian ba chiều thì phần lớn các ngôi sao mà con người nhìn thấy là gần nhau thì lại không phải như vậy, chúng có rất ít quan hệ với nhau và có thể cách nhau rất xa. Loài người trong lịch sử phát triển của mình đã nghĩ ra các hình mẫu theo trí tưởng tượng để nhóm chúng lại thành các chòm sao.

Mảng sao (tiếng Anh: asterism) là những chòm sao mà rất nhiều người biết đến nhưng không được các nhà thiên văn hay Hiệp hội thiên văn quốc tế (viết tắt IAU) công nhận. Trong thuật ngữ của một số ngôn ngữ khác có sự phân biệt rõ ràng hơn trong tiếng Việt về cách gọi của từng trường hợp.

Từ "chòm sao" dường như đến từ cōnstellātiō của tiếng Latinh, có thể dịch là "bộ sao", và được sử dụng bằng tiếng Anh trong thế kỷ 14. Từ Hy Lạp cổ đại cho chòm sao là "ἄστρον". Một ý nghĩa thiên văn học hiện đại hơn về thuật ngữ "chòm sao" chỉ đơn giản là một mẫu hình có thể nhận biết được của những ngôi sao mà sự xuất hiện của nó có liên quan đến các nhân vật thần thoại hoặc sinh vật, hoặc động vật trên đất liền, hoặc các vật thể. Nó cũng có thể biểu thị cụ thể các chòm sao tên được công nhận chính thức 88 được sử dụng ngày nay.

Cách sử dụng thông thường không tạo ra sự khác biệt rõ rệt giữa "chòm sao" hay "asterisms" nhỏ (kiểu sao), nhưng hiện đại chấp nhận các chòm sao thiên văn sử dụng một sự phân biệt như vậy. ví dụ. Các Pleiades và Hyades là cả hai asterisms, và mỗi trong chúng đều nằm trong các ranh giới của chòm sao Taurus. Một ví dụ khác được biết đến như Big Dipper (Hoa Kỳ) hoặc The Plough (Anh) bao gồm bảy ngôi sao sáng nhất trong khu vực của chòm sao Ursa Major được IAU xác định. Ở phía nam của False Cross, asterism bao gồm các phần của chòm sao Carina và Vela.

Thuật ngữ cụm sao circumpolar được sử dụng cho bất kỳ chòm sao nào, từ một vĩ độ cụ thể trên trái đất, không bao giờ nằm dưới chân trời. Từ Bắc cực hoặc Nam cực, tất cả các chòm sao nam hay bắc của xích đạo trời là các chòm sao tròn. Tùy thuộc vào định nghĩa, các chòm sao xích đạo có thể bao gồm các chòm sao nằm trong khoảng 45 ° bắc và 45 ° Nam hoặc những con đường đi qua dải phân cách của hoàng đạo hay hoàng đạo, nằm giữa 23½ ° bắc, đường xích đạo và 23½ ° nam.

Mặc dù các ngôi sao trong chòm sao xuất hiện gần nhau trên bầu trời, chúng thường nằm ở một khoảng cách xa người quan sát. Vì sao cũng di chuyển dọc theo quỹ đạo của chúng qua Dải Ngân hà, chòm sao này phác hoạ thay đổi theo thời gian. Sau hàng chục đến hàng trăm ngàn năm, đường nét quen thuộc của họ dần dần trở nên không thể nhận ra được. Các nhà thiên văn học có thể dự đoán các chòm sao trong quá khứ hoặc tương lai bằng cách đo các ngôi sao riêng biệt của họ thông thường chuyển động thích hợp hoặc cpm. bằng phép đo chính xác chính xác và vận tốc xuyên tâm của chúng bằng quang phổ thiên văn.