8 điều có thể bạn chưa biết về ánh sáng

Ánh sáng có ở khắp xung quanh chúng ta. Nhưng liệu bạn biết bao nhiêu về những hạt photon đang lao đi vèo vèo này? Dưới đây là 8 thông tin thú vị có thể bạn chưa biết về các hạt ánh sáng.

1. Các photon có thể tạo ra sóng xung kích trong nước hoặc không khí, tương tự như tiếng nổ siêu thanh

Không gì có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân không. Tuy nhiên, ánh sáng chậm lại trong không khí, trong nước, thủy tinh và các liệu khác vì các photon tương tác với các nguyên tử, gây ra một số hệ quả thú vị.

Các tia gamma năng lượng cao đến từ vũ trụ va chạm với khí quyển Trái Đất, chúng chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong không khí. Các photon này tạo ra sóng xung kích trong không khí, giống hệt như các vụ nổ siêu thanh, nhưng hiệu ứng sinh ra nhiều photon hơn thay cho âm thanh. Các đài thiên văn như VERITAS ở bang Arizona, Hoa Kì, tìm kiếm các photon thứ cấp đó, chúng được gọi là bức xạ Cherenkov. Các lò phản ứng hạt nhân cũng biểu hiện ánh sáng Cherenkov trong nước bao xung quanh nhiên liệu hạt nhân.

2. Đa số loại ánh sáng mắt người không nhìn thấy được

Màu sắc là cách bộ não của chúng ta lí giải bước sóng của ánh sáng: quãng đường ánh sáng truyền đi được trước khi diện mạo sóng tự lặp lại. Nhưng màu sắc mà ta thấy – gọi là “phổ điện từ.

Màu đỏ là bước sóng ánh sáng dài nhất mà chúng ta thấy, nếu kéo dài bước sóng thêm nữa thì ta có tia hồng ngoại, vi sóng và sóng vô tuyến. Các bước sóng ngắn hơn màu tím bao gồm tia tử ngoại, tia X và tia gamma. Bước sóng cũng là một hiện thân cho năng lượng: Sóng vô tuyến bước sóng dài có năng lượng thấp, và tia gamma bước sóng ngắn có năng lượng cao nhất, vì thế mà chúng nguy hiểm đối với mô sống.

3. Các nhà khoa học có thể tiến hành các phép đo trên từng photon độc thân

Ánh sáng gồm các hạt gọi là photon, các gói trường điện từ mang một năng lượng nhất định. Với các thí nghiệm đủ nhạy, bạn có thể đếm số lượng photon hoặc thậm chí tiến hành các phép đo trên từng photon độc thân. Các nhà nghiên cứu còn đông lạnh ánh sáng tạm thời.

Nhưng bạn không nên nghĩ các photon giống như các quả bóng bàn. Chúng cũng có tính chất sóng: chúng có thể giao thoa với nhau tạo nên các vân sáng và tối. Mô hình photon là một trong những thành tựu đầu tiên của vật lí học lượng tử; các nghiên cứu sau đó cho thấy electron và các hạt vật chất khác cũng có các tính chất sóng.

4. Các photon từ máy gia tốc hạt được sử dụng trong hóa học và sinh học

Bước sóng của ánh sáng khả kiến lớn hơn kích thước nguyên tử và phân tử, vì thế ta không thể nhìn thấy các thành phần của vật chất theo nghĩa đen. Tuy nhiên, bước sóng ngắn của tia X và tia tử ngoại là thích hợp để trình hiện cấu trúc nhỏ như thế. Với các phương pháp nhìn vào các loại ánh sáng năng lượng cao này, các nhà khoa học có được cái nhìn thoáng qua vào thế giới nguyên tử.

Các máy gia tốc hạt có thể tạo ra các photon thuộc bước sóng nhất định bằng cách dùng điện trường làm gia tốc các electron; ánh sáng này được gọi là “bức xạ synchrotron”. Các nhà nghiên cứu sử dụng máy gia tốc hạt tạo ra tia X và tia tử ngoại để nghiên cứu cấu trúc của các phân tử và virus và thậm chí quay phim các phản ứng hóa học.

5. Ánh sáng là hiện thân của một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên

Các photon mang lực điện từ, một trong bốn lực cơ bản (cùng với lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh, và lực hấp dẫn). Khi một hạt electron chuyển động trong không gian, các hạt tích điện khác cảm nhận nó nhờ lực hút hoặc lực đẩy điện. Do hiệu ứng bị hạn chế bởi tốc độ ánh sáng, nên các hạt khác thật sự tương tác với vị trí của hạt electron trước đó thay vì vị trí hiện tại của nó. Vật lí lượng tử giải thích điều này bằng cách mô tả không gian trống rỗng là một món súp hạt ảo. Các electron giải phóng các photon ảo, chúng truyền đi ở tốc độ ánh sáng và va chạm với các hạt khác, trao đổi năng lượng và động lượng.

6. Các photon dễ dàng được tạo ra và phân hủy

Không giống như vật chất, vạn vật có thể tạo ra hoặc phân hủy các photon. Nếu bạn đang đọc thông tin này trên màn hình máy vi tính, thì ánh sáng màn hình nền đang tạo ra các photon đi tới mắt bạn, nơi chúng được hấp thu - và phân hủy.

Chuyển động của các electron là nguyên nhân cho sự sinh tạo và phân hủy photon, và đó là nguyên nhân cho sự sinh và hấp thu ánh sáng hàng loạt. Một electron chuyển động trong từ trường mạnh sẽ tạo ra các photon do sự gia tốc của nó.

Tương tự, khi một photon ánh sáng có bước sóng thích hợp va chạm với một nguyên tử, nó biến mất và truyền toàn bộ năng lượng của nó để kích hoạt eletron vào một mức năng lượng mới. Một photon mới được tạo ra và phát ra khi electron đó rơi trở lại vị trí ban đầu của nó. Sự hấp thụ và phát xạ là nguyên nhân cho quang phổ mà mỗi loại nguyên tử hoặc phân tử có, đó là một phương pháp quan trọng để các nhà hóa học, nhà vật lí, và nhà thiên văn học nhận dạng các chất hóa học.

7. Khi vật chất và phản vật chất hủy nhau, sản phẩm là ánh sáng

Electron và positron có cùng khối lượng, nhưng các tính chất lượng tử khác như điện tích thì trái nhau. Khi chúng gặp nhau, các tính chất đối nghịch đó hủy lẫn nhau, biến đổi khối lượng hạt thành năng lượng ở dạng một cặp photon tia gamma.

8. Bạn có thể cho các photon va chạm để tạo ra hạt vật chất mới

Photon là phản hạt riêng của chúng. Ở đây có một chút thú vị: các định luật vật lí chi phối các photon là đối xứng trong thời gian. Điều đó có nghĩa là nếu ta có thể cho một electron va chạm với một positron để tạo ra hai photon tia gamma, thì ta cũng có thể cho hai photon có năng lượng thích hợp va chạm và thu được một cặp electron-positron.

Trên thực tế, điều đó không dễ thực hiện: các thí nghiệm thành công thường sử dụng các hạt khác chứ không phải ánh sáng. Tuy nhiên, bên trong cỗ máy LHC, vô số photon được tạo ra trong các va chạm proton đồng nghĩa là một số trong số chúng thi thoảng va chạm với nhau.

Một số nhà vật lí đang nghĩ với việc xây dựng một cỗ máy va chạm photon-photon, nó sẽ chiếu các chùm photon vào một hộp cộng hưởng chứa đầy các photon khác để nghiên cứu các hạt sinh ra bởi các va chạm.

Nguồn: Symmetry Magazine

Bài trước | Bài kế tiếp