Ảnh chụp phần bên trong của hộp cộng hưởng vi sóng Marburg cho thấy các hình nón được đặt ngẫu nhiên: kích thước bản kim loại là 26 x 3 cm và các hình nón cao 1,5 cm (Ảnh: Lev Kaplan)
Những con sóng ma cao đến 30m trên mực nước biển xung quanh từ lâu đã được tường thuật lại bởi các thủy thủ, và mới đây những nghiên cứu từ vệ tinh cho thấy chúng phổ biến hơn trước nay người ta vẫn nghĩ. Một đội gồm các nhà vật lí ở Đức và Mĩ vừa thu được những kiến thức quan trọng về nguồn gốc có thể có của những con sóng này bằng cách cho tán xạ vi sóng trong phòng thí nghiệm.
Công trình nghiên cứu trên cho rằng những con sóng ma quái ấy có thể xuất hiện từ những tương tác tuyến tính giữa những con sóng – trái với một số lí thuyết cho rằng các tương tác phi tuyến là cần thiết. Đội nghiên cứu tin rằng kiến thức mới thu nhặt được của nhóm có thể dùng để tính ra “chỉ số ma”, giá trị cho biết khả năng bắt gặp những con sóng ma tại những địa điểm đặc biệt trên đại dương.
Thí nghiệm trên được truyền cảm hứng bởi một phép đo thực hiện cách nay đã tám năm bởi một nhóm trong đó có một trong những thành viên của đội hiện nay – Eric Heller thuộc trường Đại học Harvard. Các electron chạy trên một tấm bán dẫn được trông thấy tập trung thành một vài chùm hẹp, thay vì tán xạ theo những hướng ngẫu nhiên như người ta trông đợi. Nguyên do, theo Lev Kaplan ở trường Đại hjc Tulane, là các khiếm khuyết ngẫu nhiên trong chất bán dẫn đóng vai trò như một “thấu kính tồi”, hướng các electron (tác dụng giống như sóng) đến một vài tiêu điểm.
Các dòng chảy ngẫu nhiên
Kaplan và Heller nhận thấy các dòng chảy ngẫu nhiên trong đại dương cũng có thể tác dụng như những thấu kính tồi, làm tập trung những con sóng nhỏ thành những con sóng lớn hơn – và cả sóng ma.
Theo Kaplan, rất khó kiểm tra lí thuyết ấy bằng nước trong một bể sóng vì những thiết bị như thế chỉ dành cho nghiên cứu sóng truyền theo một hướng. Thay vào đó, họ đã hợp tác với Ruven Höhmann, Ulrich Kuhl và Hans-Jürgen Stöckmann tại trường Đại học Marburg để nghiên cứu hiệu ứng ở vi sóng.
Đội nghiên cứu ở Đức đã đưa vi sóng vào trong một hộp cộng hưởng gồm hai bản kim loại đặt song song nhau. Khoảng cách giữa hai bản nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của vi sóng, tạo ra sóng “giả 2D” – giống hệt như sóng đại dương. Sự tán xạ từ những dòng chảy ngẫu nhiên được mô phỏng bởi việc đặt một số nón kim loại ở những vị trí ngẫu nhiên trong hộp cộng hưởng.
Lớn hơn nhiều bậc độ lớn
Đội nghiên cứu đã ghi lại cường độ vi sóng trong hộp và để ý thấy sự xuất hiện của những “đốm nóng”, nơi cường độ lớn hơn 5 lần hoặc nhiều hơn so với các mức nền. Đội đã đếm số lượng sóng ma như thế xuất hiện trong một thời gian hữu hạn và phát hiện thấy chúng phong phú hơn nhiều bậc độ lớn so với trường hợp nếu như chúng có được từ sự chồng chất ngẫu nhiên của các sóng phẳng bên trong hộp. Trước đây người ta nghĩ sự chồng chất ngẫu nhiên chi phối sự hình thành của những con sóng ma trên đại dương, cái có thể giải thích vì sao các thủy thủ và các nhà nhiếp ảnh đại dương dường như không thống nhất với nhau về tần suất của những sự kiện như thế.
Kaplan phát biểu với physicsworld.com rằng các vật hình nón đặt ngẫu nhiên hành xử giống như một thấu kính tồi, thỉnh thoảng chúng có thể làm tập trung vi sóng thành một đốm nóng. Thí nghiệm trên cũng là thí nghiệm đầu tiên xác lập được rằng sóng ma có thể sinh ra qua các tương tác tuyến tính giữa các sóng – vi sóng bên trong hộp chỉ tương tác tuyến tính. Trước đây, nhiều nhà nhiếp ảnh đại dương tin rằng các tương tác phi tuyến – chúng trở nên thịnh hành hơn ở vùng nước nông – là cần thiết để tạo ra những con sóng ma.
Leonid Mezhov-Deglin ở Viện Vật lí Chất rắn thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga phát biểu rằng các thí nghiệm vi sóng sẽ hấp dẫn đối với các nhà vật lí nghiên cứu sóng đại dương và những con sóng bề mặt khác. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng cần có thêm nhiều công trình nữa về đặc điểm của những con sóng ma đại dương trước khi chúng có thể được mô phỏng chính xác bằng vi sóng.
Chỉ số ma
Thí nghiệm trên cũng cho phép Kaplan và các cộng sự trau chuốt “chỉ số ma” của họ, giá trị xác định xác suất bắt gặp một con sóng ma dựa trên tốc độ dòng và tốc độ sóng trung bình và sự phân tán góc của chuyển động sóng. Chỉ số này có thể hỗ trợ các thủy thủ nhận ra những vùng đại dương nơi sóng ma có thể gây trở ngại, nhưng Kaplan chỉ rõ rằng các nhà vật lí sẽ không bao giờ có thể tiên đoán được sự hình thành của từng con sóng một.
56