Hiệu ứng Hall tương đối tính

Người ta thường tin rằng những hiệu ứng phát sinh từ thuyết tương đối Einstein, xảy ra khi các vật chuyển động ở gần tốc độ ánh sáng, chủ yếu phát sinh ở những quy mô khoảng cách lớn, ví dụ như chuyển động của các hành tinh và các sao. Tuy nhiên, như Konstantin Bliokh và Franco Nori thuộc Viện Khoa học Cao cấp RIKEN vừa chứng minh, điều này là không nhất thiết. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng một kết hợp của những chuyển động tương đối tính và những hiệu ứng quay có thể dẫn tới một hiện tượng thường gặp hơn xảy ra ở nhiều đối tượng đa dạng, từ các lỗ đen cho đến những chùm ánh sáng nhỏ hay electron.

Khi một vật chuyển động ở gần tốc độ ánh sáng, thì các hiệu ứng tương đối tính xuất hiện. Ví dụ, đối với một người quan sát bên ngoài, một vật đang chuyển động rất nhanh bị nén theo chiều chuyển động của vật đó (hình 1). Đây gọi là sự co Lorentz phát sinh từ khoảng thời gian trong đó ánh sáng đi từ vật chuyển động nhanh đến người quan sát. Bliokh và Nori nay chứng minh rằng nếu lúc đó vật thể cũng đang quay tròn, ví dụ như cái bánh xe, thì chuyển động quay đó cũng bị ảnh hưởng. Các nan hoa trong bánh xe bị méo theo kiểu làm cho chúng dày hơn theo chiều này so với chiều kia. Đây là một hiệu ứng chung. Với các chùm electron chẳng hạn, nó sẽ xuất hiện như thể các electron chủ yếu tập trung ở một bên. Do đó, hiệu ứng được gọi là hiệu ứng Hall tương đối tính, nó là cái tương tự với hiệu ứng Hall bình thường, trong đó các electron chuyển động trong một từ trường bị dồn về một phía của chất liệu.

Hình 1. Bánh xe quay tương đối tính. Khi một bánh xe tròn (a) chuyển động ngang, gần bằng tốc độ ánh sáng, nó bị biến dạng đối với người quan sát (b). Hiệu ứng cửa sập cuộn (c): các chip camera CMOS liên tục đọc từ trái sang phải của hình. Điều này có thể dẫn tới sự biến dạng ảnh của những vật đang chuyển động nhanh giống một cách bất ngờ với những hiệu ứng Hall tương đối tính.

Hiệu ứng trên các nan hoa của bánh xe làm phát sinh một sự tương tự đến bất ngờ với một bài toán trong ngành nhiếp ảnh gọi là hiệu ứng cửa sập cuộn. Trong đó, một bộ cảm biến ảnh gốc CMOS, ví dụ trong camera ở điện thoại di động, liên tục đọc từ phía này sang phía kia gây ra những biến dạng trông rất giống với nan hoa của bánh xe. “Hiệu ứng cửa sập cuộn giống với các biến dạng tương đối tính vì nó xuất hiện một sự trễ thời gian rất giống về mặt toán học với một vật chịu các hiệu ứng tương đối tính,” Bliokh giải thích.

Những sự tương tự như thế với ảnh chụp và video có thể hướng đến những khả năng rộng rãi hơn trong việc quan sát hiệu ứng Hall tương đối tính trong những hệ thực tế giống hệt về mặt toán học với những chuyển động tương đối tính. Nhưng nó cũng có thể áp dụng cho những hệ tương đối tính thật sự. “Hiệu ứng Hall tương đối tính có thể giữ vai trò nhất định trong những hệ thiên văn vật lí như các lỗ đen đang quay tròn hay những chùm ánh sáng dạng xoắn ốc,” Nori nói.

Tham khảo: Bliokh, K.Y. & Nori, F. Relativistic Hall effect. Physical Review Letters 108, 120403 (2012). prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i12/e120403

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: RIKEN