Gần đây tôi nhận được nhiều câu hỏi xuất phát từ việc nhiều độc giả tham khảo một số bài báo có nhắc tới bức xạ Cherenkov. Nhiều người hỏi đặt nghi vấn về loại bức xạ này: nó là gì? Nó có nhanh hơn ánh sáng hay không? Nó có thể xuất hiện ở những đâu? Dưới đây là một vài thông tin để làm rõ việc này.
Bức xạ Cherenkov là gì?
Về mặt định nghĩa, đây là loại bức xạ điện từ phát ra khi một hạt mang điện (thường là electron) chuyển động nhanh hơn vận tốc của ánh sáng trong một môi trường điện môi cụ thể.
Để hiểu rõ, bạn không nên bỏ qua bất cứ từ nào trong định nghĩa trên.
Bức xạ Cherenkov ở lò phản ứng ATR đặt tại Idaho, Mỹ
Vận tốc ánh sáng trong các môi trường
Chúng ta cần nhớ rằng vận tốc ánh sáng mà chúng ta thường nói tới là vận tốc ánh sáng trong chân không, tức là ánh sáng không va chạm với bất cứ loại vật chất nào khi nó di chuyển. Vận tốc này được viết tắt là c và có giá trị tương đối chính xác là 299.792.458 m/s. Trên thực tế đây là vận tốc chuyển động của bất cứ hạt không khối lượng nào (ánh sáng là dòng chuyển động của các hạt photon và photon là hạt không khối lượng). Độc giả có thể đọc chi tiết hơn về vận tốc ánh sáng trong một bài viết khác của tôi: Vận tốc ánh sáng và vai trò của nó.
Trong các môi trường không phải chân không, trong đó có cả không khí, ánh sáng mất một khoảng thời gian dài hơn để truyền đi cùng một quãng đường so với khi truyền trong chân không. Vận tốc nhỏ hơn khi tính ra này thường được gọi là vận tốc pha của ánh sáng - dù tôi thì thấy không thực sự hợp lý, vì nó là vận tốc trung bình thì đúng hơn. Trong các môi trường vật chất, hạt photon không di chuyển hoàn toàn bình thường do nó liên tục va chạm với các nguyên tử, phân tử của môi trường. Khi va chạm như vậy, chúng bị hấp thụ và tái phát xạ. Khoảng thời gian giữa hấp thụ và phát xạ đó làm tăng tổng thời gian mà ánh sáng cần có để truyền đi so với khi nó di chuyển trơn tru mà không chịu va chạm. Điều đó có nghĩa là nếu bạn có thể đo được khoảng thời gian mà ánh sáng truyền đi trong một môi trường trong suốt nào đó thật chính xác bạn sẽ thấy vận tốc truyền ánh sáng là nhỏ hơn so với c. Tuy nhiên đây là vận tốc trung bình trên quãng đường chứ không phải vận tốc thực sự của hạt photon, vì photon không hề thay đổi vận tốc. Việc này giống với việc bạn đi xe trên một đoạn đường thẳng nhưng lại có rất nhiều ngã tư có những vòng xuyến khiến bạn buộc phải đi vòng qua chúng để đi tiếp, điều đó khiến bạn mất thời gian hơn cho dù bạn có giữ nguyên vận tốc của xe.
Sự giảm vận tốc trung bình của ánh sáng trong các môi trường (sau đây gọi chung là vận tốc ánh sáng trong một môi trường cụ thể) phụ thuộc vào một chỉ số khá quen thuộc gọi là chiết suất của môi trường. Vận tốc truyền của ánh sáng trong một môi trường nào đó được tính bằng vận tốc ánh sáng trong chân không chia cho chiết suất của môi trường đó (chân không được qui ước có chiết suất là 1).
Không khí trong sạch (khí quyển Trái Đất) có chiết suất là 1,000293, có nghĩa là vận tốc ánh sáng trong không khí là khoảng 299.704.645 m/s, tức là gần như không giảm (đối với không khí ô nhiễm hoặc độ ẩm cao thì độ giảm sẽ cao hơn một chút). Trong khi đó nước có chiết suất là 1,333, có nghĩa là vận tốc ánh sáng ở trong nước chỉ bằng 75% của c. Điều này tạo điều kiện cho một số loại hạt nhất định trong những điều kiện nhất định có thể vượt qua được ánh sáng khi truyền trong nước (hoặc một số vật liệu tương tự).
Nguồn gốc của bức xạ Cherenkov
Khi một hạt mang điện (chẳng hạn như electron) chuyển động, nó làm gián đoạn trường điện từ cục bộ của môi trường quanh nó và gây ra sự phân cực. Nếu hạt chuyển động chậm, cụ thể trong trường hợp này là chậm hơn sóng điện từ, thì ở nơi hạt đi qua sóng điện từ có đủ thời gian để khôi phục lại trạng thái cân bằng của môi trường. Nhưng khi hạt chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường đó, nhiễu loạn nó gây ra vẫn còn lại sau khi nó đã đi qua trong khi các nhiễu loạn tiếp theo vẫn tiếp tục sinh ra. Khi hạt tiếp tục chuyển động, nó tạo ra một mặt giới hạn các sóng nhiễu loạn. Sự chồng chéo năng lượng của các nhiễu loạn này gây ra sự giải phóng năng lượng điện từ dưới dạng một sóng xung kích tương tự như những vụ nổ âm thanh sinh ra khi các máy bay vượt qua vận tốc âm thanh trong không khí. Bức xạ điện từ sinh ra do hạt mang điện chuyển động trong điện môi nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong đó được gọi là bức xạ Cherenkov (lấy theo tên nhà khoa học người Nga đã phát hiện ra nó là Pavel Alekseyevich Cherenkov).
Các electron được giải phóng từ các phản ứng hạt nhân hoặc được gia tốc có thể đạt vận tốc trên 75% c, tức là cao hơn vận tốc ánh sáng trong nước. Vì lý do này bức xạ Cherenkov được sinh ra từ các lò phản ứng hạt nhân đặt trong nước, có thể quan sát thấy dưới dạng ánh sáng màu xanh.
Cơ chế của bức xạ Cherenkov. Khi hạt mang điện (chẳng hạn electron) chuyển động nhanh hơn vận tốc của chính nhiễu loạn nó gây ra, nó gây ra sự chồng chéo các sóng vào một mặt giới hạn và gây ra sự bùng nổ sóng theo hướng vuông góc với mặt giới hạn đó.
Với những cơ sở nêu trên, chúng ta sẽ giải đáp được những câu hỏi còn nhiều người đặt ra về bức xạ này.
1- Bức xạ Cherenkov có vận tốc lớn hơn ánh sáng không?
Câu trả lời là không! Nhiều người khi đọc tài liệu không kỹ hiểu nhầm rằng bức xạ Cherenkov truyền nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong nước. Trên thực tế, bức xạ Cherenkov là bức xạ phát ra do hạt mang điện chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong điện môi (chẳng hạn electron chuyển động trong nước). Bức xạ Cherenkov khác với hạt mang điện. Bản thân bức xạ này là một bức xạ điện từ, nó có vận tốc đúng bằng vận tốc ánh sáng trong cùng môi trường. Bản thân hạt mang điện gây ra bức xạ này cũng không bao giờ có thể đạt vận tốc ánh sáng trong chân không bất kể được gia tốc dưới hình thức nào.
2- Bức xạ Cherenkov có sinh ra trong môi trường chân không hoặc không khí không?
Bức xạ này chỉ sinh ra khi một hạt mang điện chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường điện môi mà nó đi qua. Bất kể được gia tốc ra sao, một hạt mang điện như electron không vượt qua được vận tốc ánh sáng trong chân không. Do đó về mặt lý thuyết thì bức xạ Cherenkov không thể sinh ra trong môi trường chân không hay thậm chí trong khí quyển Trái Đất (vì vận tốc ánh sáng trong không khí chỉ nhỏ hơn vận tốc tuyệt đối rất không đáng kể). Mặc dù vậy, có giả thuyết cho rằng bức xạ này có thể vẫn sinh ra trong chân không ở những cấu trúc làm chậm sóng, tức là vận tốc của ánh sáng bị làm chậm lại dù nó không bị hấp thụ và tái phát xạ bởi môi trường. Nhưng điều này chưa từng được quan sát và xác nhận.
3- Thứ gì có thể chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng?
Cần lưu ý rằng khi không kèm theo phần bổ ngữ cho biết vận tốc ánh sáng trong môi trường nào (không nước, trong thuỷ tinh, ...) thì cụm từ "vận tốc ánh sáng" được hiểu mặc nhiên là vận tốc ánh sáng trong chân không. Vận tốc này đã được chứng minh rất rõ ràng là vận tốc lớn nhất trong tự nhiên (đọc chi tiết hơn ở bài 'Vận tốc ánh sáng và vai trò của nó'). Những bài báo với tiêu đề tuyên bố rằng chuyển động của hạt electron để sinh ra bức xạ Cherenkov nhanh hơn ánh sáng chỉ mang tính chất thu hút người đọc, mặc dù nội dung trong bài có thể vẫn mô tả chính xác thực tế như tôi trình bày ở trên.
Một số bài báo và ý kiến khác cũng đưa ra một vài trường hợp được nhiều người cho là sự vượt qua vận tốc ánh sáng (lạm phát vũ trụ, lỗ sâu, ...). Mặc dù vậy, những thứ này đều không hề vi phạm nguyên lý vận tốc tuyệt đối của ánh sáng. Do bài viết chỉ tập trung giải đáp những vấn đề liên quan đến bức xạ Cherenkov nên tôi xin được trình bày trong một bài viết khác hoặc giải đáp thắc mắc trực tiếp của độc giả ở cuối bài.
Tháng 7 năm 2017
Đặng Vũ Tuấn Sơn
