Lần đầu 'bắt' được ánh sáng trong thời gian ảo

Các nhà vật lý tại Đại học Maryland (Mỹ) vừa đạt được một cột mốc khoa học chưa từng có: quan sát được ánh sáng khi nó di chuyển trong 'thời gian ảo', một khái niệm toán học tưởng chừng không có thực.

Thông thường, khi ánh sáng đi qua một vật liệu trong suốt, nó không di chuyển tự do như trong chân không. Mạng lưới phức tạp của các trường điện từ bên trong vật chất sẽ khiến mỗi photon bị chậm lại, làm trì hoãn hành trình của toàn bộ chùm sáng. 

Hiện tượng này giúp các nhà khoa học hiểu được cách ánh sáng tương tác với cấu trúc vi mô của vật liệu, từ đó khám phá tính chất vật lý của nó.

Từ ảo đến thực

Một phần trong các mô hình toán học mô tả hiện tượng này thường sử dụng các con số gọi là số ảo. Những số này vốn không có giá trị thực trong đời sống thường ngày và thường bị xem là công cụ toán học thuần túy. Thí nghiệm mới đã chứng minh rằng các con số tưởng chừng chỉ tồn tại trên giấy ấy thực chất có thể biểu hiện thành các hiện tượng vật lý hoàn toàn đo được.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, một trong những tạp chí khoa học uy tín hàng đầu trong lĩnh vực vật lý, nhóm của hai nhà vật lý Isabella Giovannelli và Steven Anlage cho biết họ đã sử dụng sóng vi ba, một dạng ánh sáng nằm ngoài vùng nhìn thấy, và cho truyền qua một vòng dây cáp đồng trục khép kín. Thiết bị này mô phỏng một môi trường có kiểm soát để nghiên cứu sự truyền xung ánh sáng qua vật liệu.

Bằng cách đo các dao động tần số siêu nhỏ của sóng vi ba khi đi qua hệ thống, họ phát hiện ra rằng sự dịch chuyển tần số không phải ngẫu nhiên mà chính là biểu hiện vật lý của các số ảo trong phương trình. 

Điều này cho thấy khái niệm thời gian ảo không chỉ là tưởng tượng toán học mà thực sự tồn tại và ảnh hưởng đến quá trình truyền ánh sáng.

Tiến sĩ Anlage nhận định rằng nhóm ông đã phát hiện ra một mức độ tự do ẩn trong sóng ánh sáng, vốn bị bỏ qua trước đây. Nhờ đó, hiện tượng từng được xem là "ảo" đã có thể giải thích bằng các yếu tố hoàn toàn thực tế.

Đáng chú ý, các xung ánh sáng trong môi trường này có thể tạm thời di chuyển nhanh hơn cả các photon tạo nên chúng. Điều này nghe có vẻ nghịch lý nhưng lại là hệ quả hợp lý khi xét đến ảnh hưởng của môi trường và cấu trúc sóng.

Nhiều triển vọng ứng dụng thực tế

Thành công của thí nghiệm này không chỉ đơn thuần là một bước tiến trong lĩnh vực vật lý lý thuyết. Việc quan sát được ánh sáng trong trạng thái gọi là "thời gian ảo" còn mở ra nhiều triển vọng ứng dụng thực tiễn trong đời sống hiện đại. 

Khi con người hiểu rõ hơn về cách mà sóng điện từ, từ ánh sáng cho đến sóng vi ba, di chuyển và biến đổi khi đi qua vật chất, chúng ta có thể tối ưu hóa nhiều công nghệ đang phụ thuộc vào chúng.

Chẳng hạn, trong lĩnh vực truyền thông không dây, kiến thức mới này có thể giúp cải thiện tốc độ và độ chính xác khi truyền tín hiệu. Với radar và các hệ thống cảm biến, nó có thể góp phần tăng độ nhạy và giảm nhiễu, từ đó nâng cao hiệu quả trong các lĩnh vực như hàng không, quân sự, và tự động hóa. 

Đặc biệt, trong thế giới đang phát triển của máy tính lượng tử, nơi mọi tương tác đều phụ thuộc vào hành vi của các hạt vi mô như photon, việc nắm bắt sâu sắc hơn về cách ánh sáng vận động có thể trở thành chìa khóa để thiết kế nên những thiết bị tính toán mạnh mẽ và ổn định hơn trong tương lai.

Nói cách khác, từ một hiện tượng từng được xem là hoàn toàn trừu tượng, giờ đây thời gian ảo đang dần trở thành một phần hữu ích của thế giới công nghệ thực tế.