Photon là các hạt nhỏ cấu thành nên ánh sáng. Khi bạn bật công tắc đèn, hàng vạn hạt photon nhỏ li ti phát ra từ bóng đèn sẽ tiếp xúc với cặp mắt của bạn. Chúng được hấp thụ bởi đồng tử mắt và chuyển thành một dạng tín hiệu điện tử trong não để bạn có thể nhìn thấy mọi vật xung quanh.
(Ảnh: Shutterstock)
Hãy tưởng tượng có bao nhiêu hạt photon đang ở xung quanh bạn. Không chỉ là các hạt trong phòng, mà còn ánh sáng chiếu từ mặt trời xuyên qua cửa sổ. Thậm chí cơ thể bạn cũng sản xuất ra photon, nhưng ở dưới dạng năng lượng hồng ngoại, nên bạn chỉ có thể thấy chúng qua kính nhìn trong bóng tối. Ngoài ra, các hạt photon có mặt ở khắp mọi nơi như sóng radio, tia cực tím và các loại ánh sáng khác đang tràn ngập xung quanh bạn.
Những nhóm ánh sáng này tồn tại độc lập và không tương tác, hay nhận biết sự tồn tại của nhau. Theo quy luật vật lý, một hạt photon sẽ chạy xuyên qua một hạt khác mà không có bất kỳ sự va chạm nào. Đây cũng là điều mà các nhà vật lý học nhận định. Tuy nhiên, các thí nghiệm gần đây trong máy gia tốc hạt mạnh nhất trên thế giới đã cho thấy điều không tưởng: các hạt photon tương tác với nhau.
Ánh sáng tương tác với ánh sáng?
Các hạt photon trong môi trường đặc biệt này đã trở nên bất thường, chúng không hoạt động theo quy luật thông thường mà trở thành “ảo”. Bằng cách nghiên cứu những sự tương tác cực kỳ hiếm thấy này, các nhà vật lý mong rằng chúng có thể thể hiện một vài thuộc tính cơ bản của ánh sáng, hoặc thậm chí giúp họ phát hiện ra vài nguyên lý trong ngành vật lý cao năng lượng (high-energy physics), như thuyết đại thống nhất (grand unified theories) và siêu đối xứng (super-symmetry).
Thông thường, các hạt photon không tương tác với nhau là điều tốt, bởi vì nếu va chạm, chúng sẽ tạo nên sự hỗn loạn và khiến các tia sáng không thể đi theo đường thẳng. Vì vậy, các photon đơn thuần chỉ đi xuyên qua nhau mà không hề biết sự có mặt của hạt kia. Điều này xảy ra trong hầu hết các trường hợp.
Trong các thí nghiệm cao năng lượng, người ta có thể khiến 2 photon va chạm với nhau, dù xác suất xảy ra rất nhỏ. Các nhà vật lý học đang rất quan tâm đến điều này vì chúng sẽ mở ra cánh cửa về nguồn gốc của ánh sáng và khai mở các lĩnh vực vật lý khác. Các hạt photon hiếm khi tương tác với nhau vì chúng chỉ liên kết với các hạt có điện tích. Đây là một trong những quy tắc cố định của vũ trụ. Vậy làm sao 2 hạt photon không có điện tích vẫn có thể tương tác với nhau?
Câu trả lời có thể được lý giải bởi thuyết điện động lực học lượng tử (quantum electrodynamics). Trong thế giới hạ nguyên tử (subatomic), một hạt photon không phải lúc nào cũng là photon. Các hạt electron và photon khi di chuyển, chúng liên tục lật qua lại và thay đổi danh tính của mình. Vì vậy, một photon có thể trở thành 1 cặp gồm 1 electron tích điện âm và 1 positron tích điện dương (positron là phản vật chất của electron) rồi di chuyển cùng nhau. Khi positron và electron gặp nhau, như vật chất và phản vật chất tương tác với nhau, chúng sẽ triệt tiêu và trở lại thành một photon. Khi điều này xảy ra, các hạt như vậy được gọi là các “hạt ảo” (virtual particles).
Trong một loạt thí nghiệm được thực hiện với sự hợp tác của tổ chức ATLAS tại máy gia tốc hạt ở biên giới Pháp-Thụy Sĩ, các hạt nhân đã được di chuyển với tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, chúng chưa thật sự va vào nhau, mà cách nhau một khoảng cách rất nhỏ. Bằng cách này, thay vì phải đối phó với một vụ va chạm khổng lồ, bao gồm vô số hạt, các nguồn lực và năng lượng phụ khác, thì các nguyên tử chỉ tương tác qua lực điện từ (electromagnetic force). Và rất hiếm khi, một trong những photon này biến thành 1 cặp gồm 1 positron và 1 electron. Lúc đó, 1 photon khác sẽ có thể tương tác với nó.
Trong tương tác này, hạt photon chỉ va vào electron hoặc positron và không gây ra bất kể tổn thất gì. Cuối cùng, hạt positron hoặc electron đó tìm được cặp đôi cho mình và trở lại thành 1 photon. Vì vậy, kết quả của việc 2 photon va vào nhau chỉ là 2 photon nảy ra khỏi nhau qua va chạm. Tuy nhiên, điều này vô cùng hiếm thấy. Trong hàng tỉ va chạm, người ta tính được chỉ có 59 tương tác tiềm năng.
Mong rằng, khi tiếp tục đào sâu vào bản chất lượng tử, chúng ta có thể khám phá ra những nguyên tắc vật lý mới, vượt qua làn ranh của các quy luật vật lý mà con người đã biết.
Nguồn: Trithucvn/LiveScience