Bức xạ Cherenkov có thể khiến các hạt chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng?

"Vụ nổ ánh sáng", còn gọi là bức xạ Cherenkov, là một loại bức xạ điện từ có bước sóng ngắn chiếm ưu thế, biểu hiện chủ yếu dưới dạng tia sáng xanh.

Kể từ khi thuyết tương đối của Einstein ra đời, tốc độ ánh sáng đã trở thành một hằng số rất quan trọng trong thế giới vật chất, đó là c=299792458m/s. Nói cách khác, tốc độ ánh sáng là khoảng 300.000 km mỗi giây.

Einstein tin rằng không có vật thể nào trên thế giới này, kể cả vật thể vi mô và vĩ mô, có thể đạt tới tốc độ ánh sáng chứ đừng nói đến việc vượt quá tốc độ ánh sáng. Do đó, tốc độ ánh sáng đã trở thành một tham số quan trọng trong nhiều công thức vật lý và nhiều định luật nổi tiếng đã được rút ra từ nó, chẳng hạn như phương trình khối lượng-năng lượng E=MC^2, trong đó E đại diện cho năng lượng, M đại diện cho khối lượng và C đại diện cho tốc độ ánh sáng.

Nói cách khác, năng lượng và khối lượng có thể chuyển hóa lẫn nhau, khối lượng của một vật nhân với bình phương tốc độ ánh sáng chính là năng lượng chứa trong vật đó.

Einstein tin rằng không có vật thể nào trên thế giới này có thể đạt tới tốc độ ánh sáng. (Ảnh minh họa: Zhihu).

Einstein còn thu được hiệu ứng tăng khối lượng của tốc độ và hiệu ứng giãn nở thời gian của tốc độ từ sự giới hạn của tốc độ ánh sáng, tức là tốc độ chuyển động càng nhanh thì hiệu ứng tăng khối lượng càng rõ ràng, vận tốc nhanh hơn sẽ khiến thời gian trôi qua chậm hơn, khi đạt tới tốc độ ánh sáng, động lượng sẽ trở nên vô hạn và thời gian sẽ đứng yên.

Điều này khóa tốc độ chuyển động của thế giới chúng ta và chuyển động của bất kỳ vật thể nào cũng không thể đạt tới tốc độ ánh sáng chứ đừng nói đến việc vượt quá tốc độ ánh sáng.

Tất cả những điều trên minh họa một vấn đề. Trong thế giới của chúng ta, tốc độ ánh sáng là giới hạn. Không có chuyển động nào của vật thể có thể vượt qua được. Nếu không, động lượng sẽ là vô hạn và vũ trụ sẽ sụp đổ; Thời gian đứng yên, mọi thứ đều đứng yên.

Đây được gọi là rào cản tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, tại sao vẫn có nhiều nhà nghiên cứu tin rằng hiện tượng "vụ nổ ánh sáng" có thể khiến cho các hạt đạt vận tốc nhanh hơn cả ánh sáng thông thường?

Trong thế giới của chúng ta, không có chuyển động nào của vật thể có thể vượt qua được tốc độ ánh sáng. (Ảnh minh họa: Zhihu).

Chúng ta biết rằng tiếng nổ siêu âm là sóng xung kích được tạo ra khi một vật thể chuyển động với tốc độ vượt quá tốc độ âm thanh. Nó là mặt sóng xung kích được hình thành do sự “tích tụ” các sóng âm thanh do một vật thể siêu âm tạo ra. Theo đó, vụ nổ ánh sáng được hiểu là sóng rung được tạo ra khi một vật thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Những về mặt lý thuyết, chất được gọi là vượt quá tốc độ ánh sáng trong môi trường chỉ có thể là các hạt cực nhỏ, ví dụ như neutrino chỉ có khối lượng cực kỳ nhỏ, hầu như không có lực điện từ. Theo cách này, trong các môi trường như nước, nước đá, thủy tinh, v.v., tốc độ của nó có thể vượt quá tốc độ ánh sáng.

Vì neutrino không tích điện nên chúng không tương tác với vật chất nên hàng nghìn tỷ neutrino có thể truyền qua bất kỳ vật thể nào nhưng chúng hầu như không để lại dấu vết. Nhưng trong số đó, một hoặc hai hạt đặc biệt của những neutrino này sẽ va chạm với hạt nhân nguyên tử của vật chất, vụ va chạm với tốc độ cực cao sẽ làm vỡ hạt nhân nguyên tử và tạo ra cái gọi là "mảnh đạn" hạ nguyên tử, điểm va chạm ở tốc độ ban đầu sẽ thấp hơn tốc độ ánh sáng một chút, tuy nhiên theo thời gian, tốc độ của những "mảnh đạn" này có thể vượt quá tốc độ ánh sáng, dẫn đến hiện tượng "vụ nổ ánh sáng".

Bức xạ Cherenkov tương tự như hiện tượng bùng nổ âm thanh do chuyến bay siêu âm gây ra.(Ảnh minh họa: Zhihu)

Để thu được những neutrino này, các nhà khoa học đã xây dựng Đài thiên văn IceCube neutrino ở Nam Cực. Đài quan sát này không sử dụng kính viễn vọng đường kính lớn để quan sát không gian như đài quan sát thông thường mà được thiết lập ở độ sâu 1,6 km trong băng với hơn 5.000 cảm biến ghi lại các tia neutrino xảy ra sau khi chúng va chạm với hạt nhân nguyên tử, từ đó xác định những neutrino này đến từ đâu.

"Vụ nổ ánh sáng", còn gọi là bức xạ Cherenkov, là một loại bức xạ điện từ có bước sóng ngắn chiếm ưu thế, biểu hiện chủ yếu dưới dạng tia sáng xanh. Nó được Vich Cherenkov phát hiện vào năm 1934, vì vậy nó được đặt theo tên của ông ấy.

Bức xạ Cherenkov tương tự như hiện tượng bùng nổ âm thanh do chuyến bay siêu âm gây ra, tức là khi một hạt tích điện chuyển động với tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng trong môi trường thì sẽ tạo ra một sóng điện từ hình nón trong môi trường, có đặc điểm là một ánh sáng xanh. 

Bức xạ Cherenkov là một loại bức xạ điện từ có bước sóng ngắn chiếm ưu thế. (Ảnh minh họa: Zhihu).

Trong thực tế, không chỉ các mảnh hạ nguyên tử của va chạm neutrino có thể vượt quá tốc độ ánh sáng trong môi trường mà nhiều hạt có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong các môi trường như nước và băng, chẳng hạn như hiện tượng bức xạ của phản ứng hạt nhân nguyên tử và gia tốc thông qua các máy gia tốc hạt, hạt, tia vũ trụ, v.v.

Vì vậy, chúng ta phải xác định nghiêm ngặt giới hạn của tốc độ ánh sáng, hằng số c=299792458m/s chỉ là tốc độ ánh sáng trong chân không, và tốc độ ánh sáng trong chân không được gọi là tốc độ tối đa.

Cái gọi là hiện tượng siêu ánh sáng của vụ nổ ánh sáng không vi phạm lý thuyết tốc độ ánh sáng của Einstein, tốc độ ánh sáng trong chân không vẫn là tốc độ không thể bị phá vỡ về tốc độ chuyển động trong vũ trụ.