Nhìn ảnh một bể nghiên cứu nơi lò phản ứng hạt nhân được đặt chìm trong nước, bạn sẽ thấy cả bể nước rực lên một thứ ánh sáng xanh lam huyền bí. Không hề bật đèn, cũng không pha màu vào nước, vậy mà vùng quanh lõi lò phản ứng lại nhuộm xanh như thể tự phát sáng.
Bản chất của ánh sáng này chính là “bức xạ Cherenkov (Cherenkov Radiation)”. Bức xạ Cherenkov là ánh sáng tỏa ra theo hình nón khi một hạt mang điện chuyển động trong vật chất như nước hay thủy tinh nhanh hơn ánh sáng trong chính vật chất đó.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu quá trình phát hiện bức xạ Cherenkov, nguyên lý tạo ra ánh sáng, lý do nó có màu xanh lam và nhiều ví dụ ứng dụng ánh sáng này để quan sát vũ trụ và vật chất.
Ánh sáng của hạt vượt mặt ánh sáng trong vật chất
Hành trình làm sáng tỏ bức xạ Cherenkov
Nhiều người đã thoáng thấy bức xạ Cherenkov từ trước, nhưng phải nhờ những thí nghiệm bền bỉ của một nhà nghiên cứu trẻ, bản chất của nó mới được làm rõ.
(1) Những quan sát thoáng qua trước đó
Nhà vật lý người Anh Oliver Heaviside đã đưa ra lý thuyết rằng loại ánh sáng này có thể xuất hiện trong khoảng năm 1888 đến 1889. Năm 1910, Marie Curie thấy ánh sáng xanh lam mờ trong dung dịch radium đậm đặc nhưng không nghiên cứu riêng nguyên nhân của nó.
(2) Thí nghiệm của Cherenkov
Năm 1934, Pavel Cherenkov thuộc Viện Lebedev của Liên Xô, dưới sự hướng dẫn của giáo sư Sergey Vavilov, đã phát hiện ánh sáng xanh lam mờ khi quan sát chất lỏng có ngâm chất phóng xạ. Ông xác nhận ánh sáng này phát ra lệch về một hướng nhất định và kết luận rằng đây là hiện tượng khác với huỳnh quang thông thường. Vì vậy, ánh sáng này còn được gọi là bức xạ Vavilov–Cherenkov.
(3) Lý thuyết và giải Nobel
Năm 1937, hai nhà vật lý đồng nghiệp Igor Tamm và Ilya Frank đã giải thích nguyên lý tạo ra ánh sáng này dựa trên thuyết tương đối hẹp. Nhờ công lao đó, ba người cùng nhận giải Nobel Vật lý năm 1958.
Ý nghĩa của cụm từ “nhanh hơn ánh sáng”
Theo thuyết tương đối của Einstein, không vật thể nào có thể vượt quá tốc độ ánh sáng trong chân không, khoảng 300.000 km mỗi giây. Thế nhưng bức xạ Cherenkov lại được cho là xuất hiện khi hạt nhanh hơn ánh sáng, nghe qua thì có vẻ mâu thuẫn.
- Ánh sáng trong chân không (Speed of Light in Vacuum): Khoảng 300.000 km mỗi giây, là giới hạn tốc độ của vũ trụ mà không hạt nào vượt qua được.
- Ánh sáng trong vật chất (Phase Velocity of Light): Ánh sáng chậm lại khi đi qua vật chất, trong nước chỉ còn khoảng 75% tốc độ trong chân không.
- Chiết suất (Refractive Index): Giá trị cho biết ánh sáng chậm lại bao nhiêu trong vật chất; của nước là khoảng 1,33.
Điểm mấu chốt là mốc so sánh không phải chân không mà là vật chất. Electron bắn ra từ lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc hạt chậm hơn ánh sáng trong chân không, nhưng có thể chạy nhanh hơn ánh sáng trong nước. Chỉ khi đó bức xạ Cherenkov mới xuất hiện.
Nguyên lý ánh sáng lan ra theo hình nón
Bức xạ Cherenkov hình thành theo cách rất giống tiếng nổ siêu thanh do máy bay siêu thanh tạo ra, hay vệt sóng hình chữ V lan ra phía sau một con thuyền chạy nhanh.
(1) Ánh sáng từ vật chất bị kích động
Khi một hạt mang điện đi qua, các phân tử xung quanh bị kích động trong chốc lát rồi phát ra ánh sáng yếu khi trở về trạng thái ban đầu. Khi hạt chuyển động chậm, những ánh sáng này lệch pha và triệt tiêu lẫn nhau nên gần như không thấy được.
(2) Mặt sóng ánh sáng chồng lên nhau và mạnh dần
Nếu hạt nhanh hơn ánh sáng trong vật chất, nó sẽ vượt lên trước và phát ra ánh sáng tiếp theo khi ánh sáng trước đó còn chưa kịp lan ra. Kết quả là các mặt sóng ánh sáng xếp chồng thành một hàng và tăng cường cho nhau, tạo nên ánh sáng hình nón với hạt ở đỉnh.
(3) Góc cho biết tốc độ
Góc mở của hình nón được quyết định bởi tốc độ của hạt và chiết suất của vật chất. Hạt càng nhanh thì hình nón mở càng rộng, nên đo góc là có thể suy ngược ra tốc độ của hạt.
Lý do có màu xanh lam
Bức xạ Cherenkov phát ra càng nhiều ở ánh sáng có bước sóng càng ngắn. Vì vậy, trong ánh sáng mắt ta nhìn thấy được, phía màu xanh lam có bước sóng ngắn nổi bật hơn, và còn lẫn rất nhiều tia cực tím mà mắt không thấy.
Ánh sáng giúp nhìn vào vũ trụ và bên trong cơ thể
Bức xạ Cherenkov là tín hiệu tuyệt vời để bắt những hạt vô hình. Chỉ cần đọc hướng và cường độ của ánh sáng là có thể biết hạt đến từ đâu và nhanh đến mức nào.
(1) Quan sát neutrino trong bể nước khổng lồ
Super-Kamiokande, nằm sâu khoảng 1.000m dưới lòng đất trong mỏ Kamioka ở Nhật Bản, gắn khoảng 11 nghìn đầu dò ánh sáng trên thành một bể chứa 50 nghìn tấn nước tinh khiết. Nó bắt ánh sáng Cherenkov do các hạt bị bắn ra khi neutrino va chạm với nước phát ra, và các quan sát tại đây đã làm sáng tỏ dao động neutrino, dẫn tới giải Nobel Vật lý năm 2015.
(2) Kính thiên văn dùng băng Nam Cực và bầu trời
IceCube ở Nam Cực chôn các đầu dò trong 1 kilômét khối băng để tìm neutrino theo cùng nguyên lý. Các kính thiên văn mặt đất bắt ánh sáng Cherenkov cực ngắn sinh ra khi tia gamma từ vũ trụ va vào khí quyển cũng đang hoạt động ở nhiều nơi trên thế giới.
(3) Lò phản ứng hạt nhân và y học
Ở các bể chứa nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, người ta đôi khi xem cường độ ánh sáng xanh lam để kiểm tra nhiên liệu có được đặt đúng chỗ hay không. Hiện tượng bệnh nhân xạ trị kể rằng thấy chớp sáng trước mắt cũng đã được giải thích khi một nghiên cứu năm 2019 xác nhận ánh sáng Cherenkov sinh ra trong thể thủy tinh của mắt.
Bức xạ Cherenkov không phải là hiện tượng đi ngược quy luật không gì nhanh hơn ánh sáng, mà là kết quả tự nhiên khi ánh sáng bị chậm lại trong vật chất gặp những hạt nhanh hơn nó. Một tia sáng xanh lam trong bể lò phản ứng đôi khi còn mang đến tin tức về những hạt đến từ vũ trụ ở phía bên kia Trái Đất.
Hiểu rằng ngay cả tốc độ ánh sáng quen thuộc cũng có một sân khấu làm mốc so sánh, đó là bước đầu tiên để hiểu bức xạ Cherenkov.
