Một khía cạnh quan trọng của chuyển động Brown đã được dự đoán hàng thập niên trước đây lần đầu tiên vừa được các nhà nghiên cứu ở châu Âu quan sát thấy. Đội khoa học đã đo những quả cầu kích cỡ micromet tương tác như thế nào với một chất lỏng xung quanh và đã chứng tỏ rằng các quả cẩu “ghi nhớ” chuyển động trước đó của chúng. Theo các nhà nghiên cứu, kĩ thuật thực nghiệm của họ có thể dùng làm một bộ cảm biến y sinh.

Chuyển động Brown - chưa chắc Einstein đã đúng

Đã được Albert Einstein giải thích đình đám hồi năm 1905, Chuyển động Brown mô tả sự chuyển động lộn xộn của một hạt nhỏ xíu trong một chất lỏng. Nó có nguyên nhân do nhiều “cú sút” nhỏ mà hạt phải nhận lấy là hệ quả của chuyển động nhiệt của chất lỏng. Ban đầu, Einstein và những nhà vật lí khác tin rằng những cú sút này là độc lập với chuyển động của hạt và được đặc trưng bởi sự nhiễu trắng.

   Ảnh minh họa một quả cầu nhỏ xíu (ở giữa) được giữ bởi những nhíp quang học và chịu những cú sút ngẫu nhiên từ chất lỏng xung quanh. (Ảnh: Alain Doyon và Sylvia Jeney)

Ghi nhớ chuyển động

Tuy nhiên, vào giữa thế kỉ 20, các nhà vật lí bắt đầu nhận ra rằng khi mật độ của hạt và của chất lỏng bằng nhau, thì những cú sút đó không hoàn toàn ngẫu nhiên nữa. Thay vậy, người ta dự đoán có những “tương quan bền bỉ” giữa chuyển động của chất lỏng và hạt. Những tương quan này phát sinh do các hạt chuyển động trong một chất lỏng sẽ làm cho chất lỏng xung quanh chuyển động, thành ra sẽ ảnh hưởng đến chuyển động của hạt, và cứ thế. Thí dụ, một người đang bơi ở một tốc độ không đổi sẽ đẩy một phần nước xung quanh đi cùng với họ. Nhưng nếu họ dừng lại đột ngột, thì họ sẽ chịu một lực đẩy về phía trước từ khối nước đang chuyển động. Các nhà nghiên cứu gọi đây là “bộ nhớ thủy động lực học”, nhưng người ta vẫn khó quan sát thấy nó vì những hạt nhỏ xíu chịu sự chuyển động Brown.

Nay Sylvia Jeney tại EPFL ở Thụy Sĩ và các đồng nghiệp ở Thụy Sĩ và Đức khẳng định đã nhìn thấy bằng chứng rõ ràng cho hiệu ứng này trong sự chuyển động Brown của các hạt. Phép đo của họ xây dựng trên quan điểm rằng “bộ nhớ” thủy động lực học này làm cho phổ năng lượng của hạt được mô tả bởi “sự nhiễu màu”, thay vì nhiễu trắng.

Trong khuôn khổ chuyển động Brown, sự nhiễu trắng có nghĩa là hạt thăng giáng với cường độ (hay năng lượng) như nhau, bất kể tần số thăng giáng. Tuy nhiên, các thí nghiệm của Jeney cho thấy những tần số cao thật sự có độ lớn thăng giáng cao hơn – nghĩa là sự nhiễu không còn trắng nữa mà đã có màu.

Cái bẫy chuyên dụng

Nhóm của Jeney đã tiến hành phép đo bằng cách bẫy một quả cầu melamine kích cỡ micromet trong những cái nhíp quang tạo ra bởi một chùm laser tập trung cao. Mặc dù tương tự như một cơ cấu thương mại mà các nhà vật lí y sinh hay dùng, nhưng các nhà nghiên cứu đã mất đến vài năm tối ưu hóa thiết bị của họ. Đặc biệt, họ đã cải tiến độ phân giải thời gian của hệ lên 1000 lần và tăng độ phân giải không gian của nó nên nó có thể đo những khoảng cách chưa tới một nanomet.

Các thí nghiệm cho những hạt độc thân bị bẫy bằng nhíp quang và dìm trong chất lỏng. Các thông số của thí nghiệm được chọn sao cho thời gian cần thiết cho chất lỏng khuếch tán trên đường kính của hạt vào khoảng một phần sáu thời gian cần thiết cho quả cầu đi tới vị trí cân bằng của nó trong nhíp quang. Thời gian khuếch tán này là khoảng thời gian mà người ta trông đợi bộ nhớ thủy động lực học xảy ra và do đó cơ cấu đã cho phép các nhà khoa học nghiên cứu hành trạng tương quan giữa chất lỏng và hạt.

“Hiện nay, có lẽ có hai phòng thí nghiệm trên thế giới đã có những cơ cấu chính xác cao giống như vậy”, Jeney giải thích. Bà cho biết đội khoa học của bà muốn dùng kĩ thuật bẫy quang trên làm một công cụ y sinh tiên tiến.

 

Mô tả chuyển động của Hạt vật chất - Chuyển động Brown (hương trình mô phỏng hình ảnh thực khi quan sát qua ống kính)

Nguồn: physicsworld.com và ipt.hcmute.edu.vn

Bạn muốn tìm kiếm gì không?