Trọng lực, nguyên tử và ánh sáng. Đây là những thành phần thiết yếu trong việc tái tạo vũ trụ mà chúng ta trải nghiệm ngày nay. Cả trên Trái Đất và ngoài các vì sao, chúng ta thấy một loạt các quá trình vật lý và phản ứng chịu trách nhiệm khiến mọi thứ xảy ra trong không gian. Nhưng tất cả những điều này có thể được giản lược thành chỉ bốn lực cơ bản của tự nhiên, đã viết nên các định lý vật lý trong những giai đoạn đầu tiên của thời gian. Trọng lực là một trong những tương tác cơ bản này, trong khi ánh sáng tạo thành một phần của lực khác.
Và bằng cách hiểu tất cả bốn lực này, chúng ta có thể đạt được cái nhìn toàn diện về cách thức thực sự vận hành của thực tại, từ các hạt cơ bản nhất đến các thiên hà lớn nhất. Trong video này, chúng ta sẽ làm điều đó, giải mã những bí ẩn của các lực tự nhiên, khảo sát hành vi, nguồn gốc và tác động tổng thể của chúng lên vũ trụ trẻ. Đây sẽ là một cuộc hành trình kỳ thú, đưa chúng ta trở lại tận cùng của thời gian. Hãy chuẩn bị tinh thần khi chúng ta đắm chìm trong những nguyên tố kết nối vũ trụ, bốn lực cơ bản.
Như đã đề cập, có bốn loại tương tác cơ bản thực thi các định lý vật lý trong vũ trụ ngày nay. Một cách rõ ràng, đó là trọng lực, lực bí ẩn của sự hấp dẫn giữ chặt mạng vũ trụ và gắn kết các thiên thể như các hành tinh. Tiếp theo là hai lực hạt nhân, một lực gắn kết các nguyên tử lại với nhau và một lực khác phá vỡ chúng. Cuối cùng, chúng ta có lực điện từ, những “cây cọ” vẽ nên vũ trụ với vô vàn bức xạ, bao gồm ánh sáng khả kiến chiếu sáng cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Cùng nhau, bốn lực này tạo điều kiện cho vô số tương tác diễn ra trong không gian, mỗi lực đều được truyền tải bởi loại hạt mang lực của riêng mình, được gọi là boson, một hạt mang tin nhắn hoạt động như một tác nhân cho hành vi của lực đó. Mô hình chuẩn đã được xác lập và kiểm nghiệm nghiêm ngặt trong vật lý hạt, khoa học có trong sách giáo khoa, lớp học và thư viện, mô tả các hạt cho ba trong số bốn lực này, ba lực đối xứng ảnh hưởng đến các nguyên tử trong thế giới lượng tử, đối với chúng ta có rất nhiều hiểu biết.
Tuy nhiên, khi nói đến trọng lực, mô hình chuẩn không thể giải thích, và không đưa ra lời giải thích nào về cơ chế của nó. Để làm được điều đó, chúng ta phải quay về với Albert Einstein và lý thuyết Tương đối Tổng quát năm 1915 của ông. Bộ quy tắc và phương trình này, nổi bật là thành tựu vĩ đại nhất của ông, cung cấp nền tảng cho hiểu biết hiện đại về trọng lực của chúng ta, và đã trải qua nhiều thử nghiệm thực nghiệm và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Vấn đề ở chỗ, lý thuyết tương đối là lý thuyết cổ điển, không phải lý thuyết cơ học lượng tử có thể cho chúng ta biết về hành vi của các hạt. Thay vào đó, Einstein đã mô phỏng trọng lực như những sóng cong trong một trường khối lượng, không bao giờ rõ ràng nhắc đến một boson mang lực hấp dẫn. Và mặc dù hạt Graviton được cho là đang ẩn náu đâu đó trong không gian nền, nó chưa bao giờ được quan sát trong thực tế và hầu hết các thí nghiệm trên Trái Đất đều không thể nhìn thấy nó.
Kết quả là, chưa ai có thể hòa giải hành vi của trọng lực ở mức hạt với ba lực đối xứng còn lại mà mô hình chuẩn đã chỉ ra. Để làm được điều này, sẽ là một công trình thống nhất hai lĩnh vực khoa học mâu thuẫn trong một lý thuyết vĩ đại về tất cả mọi thứ, có thể giải thích toán học về bản chất của cả bốn lực cơ bản cùng một lúc. Tuy nhiên, trong thời gian chờ đợi, lĩnh vực trọng lực lượng tử, hay cách mà nó hoạt động ở mức hạt, vẫn là một trong những vấn đề lớn trong vũ trụ học hiện đại.
Quả thật, trọng lực là một trong những lực cơ bản khó nắm bắt nhất, với cơ chế vẫn còn được bao phủ bởi những bí ẩn. Mặc dù là lực yếu nhất, trọng lực vẫn có phạm vi ảnh hưởng rộng nhất và phạm vi lớn nhất. Nó không cần bất kỳ yếu tố phức tạp nào để hoạt động, chẳng hạn như ánh sáng hay nhiệt độ, tất cả những gì nó cần là khối lượng. Khối lượng tạo ra các tương tác với lực hấp dẫn, vì vậy nếu bạn có khối lượng, bạn có trọng lực. Do đó, trọng lực đã đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc hình thành vũ trụ suốt gần 14 tỷ năm qua, đảm bảo sự ổn định của không gian ở các quy mô lớn nhất. Tuy nhiên, cách thức hoạt động của nó lại bị vây quanh bởi những mâu thuẫn khó hiểu và những câu hỏi chưa có lời giải đáp, khiến chúng ta phải nghi ngờ những giả định cơ bản nhất về lực này.
Ở các quy mô cục bộ, khoảng 85% khối lượng cần thiết để xây dựng các thiên hà và cụm thiên hà vẫn còn thiếu. Điều này được cho là do một hạt vô hình chưa được phát hiện, được gọi là vật chất tối, mà người ta thấy có vai trò như bộ khung của không gian, nhưng chưa bao giờ được quan sát trực tiếp. Sau đó, ở các quy mô vũ trụ vĩ mô, nơi trọng lực đã là lực thống trị trong hàng tỷ năm qua, hiện nay có vẻ như điều này không còn đúng nữa. Khi mạng vũ trụ đang bị tách rời với tốc độ gia tăng, bởi một thành phần kỳ lạ chống trọng lực của lực này, được gọi là năng lượng tối, cũng chưa bao giờ được xác định rõ ràng.
Những mâu thuẫn này, cùng với sự vắng mặt rõ ràng của một boson liên quan, khiến trọng lực trở thành yếu tố khác biệt lớn nhất trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ học. Kết quả là, chúng ta chưa thể giải quyết được nguồn gốc của trọng lực trong vũ trụ sơ khai và lực vĩ đại mà nó đã được sinh ra cùng. Như đã đề cập, ba lực còn lại, điện từ và hai lực hạt nhân, đều có thể được giải thích thông qua khoa học của mô hình chuẩn. Và nếu mỗi lực có một khoa học chung, thì có thể chúng cũng có bản chất chung, như những sự mở rộng khác biệt của cùng một lực tạo ra chúng.
Nếu đúng như vậy, thì sẽ có một nhiệt độ rất cao, tại đó các lực đối xứng sẽ hợp nhất hành vi của chúng. Khi các hạt của cả vật chất và ánh sáng bị kích thích mạnh mẽ, sự phân biệt giữa chúng sẽ hoàn toàn biến mất, tạo ra một lực vĩ đại thống nhất, có thể điều khiển tất cả ba loại tương tác hạt. Những nhiệt độ như vậy chỉ tồn tại ngay sau khi vũ trụ được sinh ra, khi nó lần đầu tiên có kích thước và nhiệt độ hữu hạn. Tại thời điểm không gian bắt đầu, vũ trụ sơ khai có thể đã xuất hiện như một điểm kỳ dị, với tất cả các thành phần của vũ trụ hiện tại bị nén vào một vùng không gian có thể nhỏ hơn rất nhiều so với thậm chí là các hạt vi mô nhỏ nhất, và đốt cháy ở nhiệt độ theo thang Planck.
Tuy nhiên, chỉ sau một phần nhỏ của một micro giây, vũ trụ vi mô đã bắt đầu giãn nở và tiến hóa. Các thành phần của nó dần nguội đi khi chúng được phân tán ra một thể tích ngày càng lớn. Chỉ sau giây từ lúc khởi sinh, nhiệt độ không gian đã giảm xuống còn khoảng Kelvin. Đây là thời điểm mà những điều đầu tiên bắt đầu xảy ra, khi các lực cơ bản lần đầu tiên thiết lập chính mình trong quá trình khởi động của vụ nổ Big Bang.
Ban đầu, chỉ có hai lực cơ bản. Một trong số đó là trọng lực. Như đã đề cập, chúng ta không thể giải quyết được bản chất của trọng lực theo mô hình chuẩn, vì vậy chúng ta không thể chắc chắn liệu có tồn tại một năng lượng nhiệt độ tại đó hành vi của trọng lực sẽ hợp nhất với các lực đối xứng hay không. Dù sao đi nữa, chính tại điểm này, trong giai đoạn đại hợp nhất, trọng lực đã xuất hiện như một lực riêng biệt, ngay lập tức lắng xuống phía sau không gian. Chỉ còn lại đối tác của nó, lực điện hạt nhân, chi phối hành vi của vũ trụ sơ khai.
Nếu một lực như vậy tồn tại, nó có thể đã được điều phối bởi một loại hạt boson riêng biệt, các hạt giả thuyết X và Y boson. Những hạt này, được gọi là "hạt thần thánh" của thời kỳ tiền vũ trụ, rất ít được biết đến về đặc tính hoặc vai trò mà chúng có thể đã chơi, nhưng chúng nhanh chóng biến mất, như một phần của quá trình chuẩn bị cho những hạt boson thông thường hơn, như Higgs boson, khi lực vĩ đại trở nên không ổn định.
Chỉ sau giây kể từ khi vũ trụ ra đời, nhiệt độ của nó tiếp tục giảm xuống dưới Kelvin, có vẻ như dưới mức năng lượng hợp nhất cần thiết để hòa trộn các lực đối xứng. Kết quả là, giai đoạn đại hợp nhất của vũ trụ kết thúc, khi lực điện hạt nhân phân tách qua một quá trình gọi là phá vỡ đối xứng, tạo ra hai lực mới, rõ rệt, là lực mạnh và lực điện yếu.
Mặc dù lực hợp nhất vĩ đại vẫn là một khái niệm lý thuyết khó nắm bắt, nhưng cơ sở cho lực điện-yếu, nối kết điện từ và các tương tác yếu, đã được đặt nền tảng vững chắc trong khoa học vào những năm 1960, như một trong những phát hiện quan trọng trong việc thiết lập mô hình chuẩn hiện đại. Lực này phân rã từ lực điện-hạt nhân, bắt đầu giai đoạn điện-yếu của vũ trụ sơ khai, mở ra một chuỗi sự kiện sẽ khiến nó trở nên không thể nhận ra vào thời kỳ tiếp theo. Khi các yếu tố của trọng lực, tương tác mạnh, và lực điện-yếu phát triển, sự đồng tồn tại của chúng đã tạo ra một cái gọi là trường áp suất chân không, giải phóng một sự kiện thay đổi kích thước mạnh mẽ trong vũ trụ vi mô, như một cú hất đẩy vũ trụ vào những con đường dẫn đến thể tích không thể đo đếm mà chúng ta biết ngày nay.
Bắt đầu từ giây sau thời điểm không gian bắt đầu, vũ trụ nguyên thủy đã được mở rộng ít nhất gấp 26 lần, giống như kéo dài một nanomet đến chiều dài của một năm ánh sáng trong một phần nhỏ của giây. Kết thúc ở giây, sự giãn nở vũ trụ này đã hoàn toàn thay đổi vũ trụ sơ khai, đồng thời làm nguội nó thêm nữa xuống còn khoảng Kelvin. Tại thời điểm này, trường năng lượng bí ẩn kích hoạt sự giãn nở đã suy giảm trước khi phân rã thành một biển năng lượng, nơi các sự kiện liên quan đến những mô tả cổ điển về lý thuyết Big Bang diễn ra. Và chỉ sau giây, năng lượng từ sự giãn nở này đã ngưng tụ thành một plasma, chứa đựng các hạt vật chất đầu tiên của vũ trụ, được gọi là quark, giao thoa với gluon, các hạt trung gian của lực hạt nhân mạnh mới thức tỉnh.
Lực mạnh là một trong bốn lực cơ bản trong vũ trụ học hiện đại, và nó bắt đầu có ảnh hưởng chỉ ngay sau trọng lực trong những sự kiện của vũ trụ sơ khai. Như tên gọi của nó, lực mạnh là lực mạnh nhất, mạnh gấp lần trọng lực. Tuy nhiên, có một điều kiện: lực mạnh chỉ hoạt động trong phạm vi rất hạn chế, ở quy mô vi mô khoảng một femtometer, kích thước điển hình của một hạt nhân nguyên tử. Quả thật, lực mạnh là "keo" giữ các hạt nhân nguyên tử lại với nhau. Trong khi trọng lực là lực thu hút trên quy mô lớn, lực mạnh giữ vững sự ổn định của vật chất ở cấp độ nguyên tử, đảm bảo rằng các thành phần cơ bản của cơ thể chúng ta không bị phân tán hay sụp đổ thành một vật chất đặc hơn.
Trong hạt nhân của nguyên tử, các hạt proton và neutron bị giữ chặt với nhau bởi lực mạnh, được trung gian bởi các hạt gluon, dưới một lực ghì chặt không thể so sánh với trọng lực, tạo thành nền tảng cho nhiều loại chất kỳ lạ, bao gồm nhiều nguyên tố và kim loại trong bảng tuần hoàn.
Ở quy mô lớn hơn hạt nhân, lực mạnh cũng là một lực thu hút như trọng lực. Tuy nhiên, ở các quy mô nhỏ hơn và khi các hạt bị nén chặt hơn, nó thay đổi vai trò và bắt đầu hoạt động như một lực đẩy, khi các hạt subatomic bị nén quá mức sẽ tạo ra áp suất thoái hoá nhờ lực mạnh. Điều này đảm bảo rằng lõi các nguyên tử không bị phá vỡ dưới bất kỳ lực hợp lý nào, cũng như không bị nén quá chặt đến mức cấu trúc của chúng bị mất đi khi chúng hòa trộn với nhau.
Đây cũng là hiện tượng giữ vững cấu trúc của các sao neutron, khi một lượng lớn áp suất thoái hoá neutron ngăn cản khối lượng lên đến hai mặt trời không sụp đổ hoàn toàn thành một hố đen. Proton và neutron, những hạt cơ bản cấu thành các nguyên tử, là hai loại hadron, có cấu trúc bên trong là sự kết hợp của hai hoặc nhiều quark, các hạt nguyên thủy mà chúng ta đã đề cập trước đó, được giữ chặt với nhau nhờ lực mạnh.
Khoảng giây sau khi vũ trụ ra đời, thời kỳ quark bắt đầu, khi những "pixel" vật chất đầu tiên xuất hiện trong biển plasma. Và trong suốt giây tiếp theo, các hạt quark sẽ được trung gian bởi lực mạnh để tạo thành các tổ hợp hadron, những khối xây dựng đầu tiên của các nguyên tử trong vũ trụ sơ khai. Nhưng trước khi chúng có thể bắt đầu, một sự kiện phá vỡ đối xứng khác sẽ thiết lập bốn loại tương tác như chúng ta biết ngày nay.
Khi nhiệt độ của không gian giảm xuống dưới một quadrillion Kelvin, lực điện-yếu phân rã, nhường chỗ cho cả điện từ và lực hạt nhân yếu. Lực yếu là một trong những loại tương tác hạt nhân ảnh hưởng đến các nguyên tử và hạt, nhưng khác với lực mạnh, lực yếu không xây dựng chúng lên mà lại là lực phân rã, khi các cấu trúc bị phá vỡ để tạo ra các hạt và năng lượng mới.
Như tên gọi của nó, lực yếu yếu hơn nhiều so với đối tác mạnh, và hoạt động trong phạm vi ngắn hơn nữa. Lý do là lực yếu được trung gian bởi các hạt boson và , mỗi hạt nặng hơn hàng chục lần so với một proton, khiến phạm vi của chúng bị giới hạn chỉ vào khoảng một phần mười kích thước của hạt nhân nguyên tử. Tuy nhiên, chúng là chất xúc tác trong một số quá trình vật lý kỳ lạ và quan trọng, diễn ra cả ngay tại Trái Đất và ngoài các vì sao.
Lực hạt nhân yếu là lực duy nhất có khả năng thay đổi "hương vị" của các hạt cơ bản, chuyển đổi chúng trong các quá trình như phân rã beta. Hai trong số những tương tác yếu nổi tiếng nhất là phân rã beta âm (beta-minus decay), khi một neutron bị phân rã thành một proton, electron và phản neutrino, và phân rã beta dương (beta-plus decay), nơi các vai trò đảo ngược, khi một proton chuyển đổi thành một electron, positron và electron neutrino.
Nếu điều này khó hiểu, chỉ cần biết rằng khả năng chuyển đổi các khối xây dựng cơ bản của tự nhiên thành các loại và trạng thái khác nhau khiến lực yếu tham gia vào vô số quá trình tự nhiên, từ quá trình phân hạch trong các nhà máy điện ở Trái Đất đến quá trình tổng hợp trong lõi các vì sao. Mặc dù phần lớn hoạt động của mặt trời phụ thuộc vào lực mạnh, lực yếu vẫn đảm nhiệm các bước đầu tiên quan trọng trong chuỗi phản ứng proton-proton tạo ra năng lượng cho các sao như mặt trời. Và đối với các sao lớn hơn, lực yếu đóng vai trò lớn hơn trong chu trình carbon-nitrogen-oxygen, nơi quá trình phân rã thúc đẩy tổng hợp các nguyên tố nặng hơn. Sau đó, khi những ngôi sao này phát nổ trong một siêu tân tinh, quá trình bắt giữ neutron nhanh chóng đưa một lượng lớn neutron vào các nguyên tử còn lại, nhờ sự can thiệp của lực yếu, để tạo ra các kim loại nặng nhất trong vũ trụ, thậm chí còn giàu hơn cả sắt.
Nói về siêu tân tinh, một trong những đối tượng khó nắm bắt nhất của lực yếu, neutrino, cũng đóng vai trò quan trọng trong những vụ nổ sao này. Khi lớp vỏ ngoài của sao khổng lồ bị sụp đổ, chúng có thể ép lõi sao cho đến khi va đập với áp suất thoái hoá neutron. Nhưng điều này không phải là nguyên nhân của vụ nổ mạnh mẽ. Thay vào đó, nó tạo ra môi trường cực kỳ khắc nghiệt, nơi các hạt neutrino bắt đầu tương tác với vật chất bình thường, giải phóng một phần năng lượng dư thừa của chúng để tăng cường năng lượng của lớp vỏ sao đang bật lại, xúc tác cho vụ nổ sáng chói, dẫn đến sự hình thành của một hố đen hoặc sao neutron.
Điều này chứng tỏ một liên kết vật lý rõ ràng giữa các lực cơ bản ở các mức năng lượng cao nhất. Thông thường, các neutrino hầu như không tương tác với vật chất bình thường, trôi nổi như các hạt ma quái trong không gian. Tuy nhiên, ở nhiệt độ năng lượng cực cao, như trong một vụ siêu tân tinh, những hạt này bắt đầu tương tác với vật chất bình thường, ám chỉ rằng có một liên kết vật lý trong bản chất của chúng ở một mức độ cao hơn rất nhiều, trong điều kiện cực kỳ mạnh mẽ và năng lượng cao. Điều kiện của vũ trụ sơ khai, sau khi kết thúc thời kỳ quark.
Khoảng một giây sau khi vũ trụ ra đời, sau khi lực điện-yếu phân tách, các cặp hạt hadron và phản-hadron mới được hình thành đã kết nối với nhau và tiêu diệt nhau. Điều này cho phép lực yếu mới thiết lập chuyển đổi các sản phẩm phụ của chúng thành một loại hạt nguyên thủy khác, gọi là leptons. Một lớp hạt bao gồm electron, muon, taon và neutrino, trong đó không hạt nào có tương tác mạnh như bình thường. Tuy nhiên, trong thời kỳ lepton, nhiệt độ của vũ trụ trẻ sẽ rất cao đến mức cả hai loại tương tác hạt nhân đều ảnh hưởng đến các hạt mới được hình thành này.
Nhưng khi thêm một giây thời gian vũ trụ trôi qua, nhiệt độ không gian tiếp tục giảm xuống dưới một tỷ Kelvin. Đây là thời điểm mà neutrino có thể tách rời hành vi của chúng khỏi vật chất bình thường và chìm vào nền không gian như những hạt ma quái mà chúng ta biết ngày nay. Sự kiện tách rời này chắc chắn đã in sâu dấu ấn không thể thay đổi của các tương tác cuối cùng với vật chất vào cấu trúc không gian, tương tự như nền bức xạ vi sóng vũ trụ (CMB), hiện là cái nhìn sớm nhất của chúng ta về vũ trụ trẻ.
Tuy nhiên, CMB được hình thành khi vũ trụ gần 400.000 tuổi. Hãy tưởng tượng những bí mật tuyệt vời mà chúng ta có thể khám phá nếu chúng ta có thể ghi lại nền bức xạ neutrino vũ trụ, phát ra chỉ sau hai giây từ khi vũ trụ ra đời. Một bức ảnh sâu sắc như vậy sẽ hoàn toàn cách mạng hóa bức tranh của chúng ta về vũ trụ nguyên thủy. Đáng tiếc là, ngay cả trong những điều kiện tốt nhất, neutrino vẫn truyền đi với tốc độ rất thấp về năng lượng có thể phát hiện, và các thí nghiệm về chúng là vô cùng rộng lớn, phức tạp và đắt đỏ để xây dựng. Đối với neutrino cổ xưa nhất, lạnh nhất và có năng lượng thấp nhất của vũ trụ, câu chuyện lại hoàn toàn khác, vượt xa khả năng thực hiện trong suốt cuộc đời của chúng ta.
Vì vậy, bản đồ quyến rũ này về vũ trụ sơ khai, cùng với "chứng cứ khói" sẽ xác minh tất cả những gì chúng ta đã thảo luận, sẽ có lẽ vẫn bị ẩn giấu mãi mãi, chỉ trêu đùa nhân loại từ bóng tối. Hiện tại, cái nhìn sớm nhất của chúng ta về không gian chính là bức xạ vi sóng vũ trụ đã được đề cập, là dấu hiệu phát ra từ bức xạ điện từ cổ xưa nhất, khi vũ trụ trở nên tối tăm.
Lực cơ bản cuối cùng, và là lực cuối cùng thiết lập bản thân, là lực điện từ, mà các tác nhân của nó bắt đầu chi phối hành vi của vũ trụ vào cuối thời kỳ lepton, khoảng mười giây sau khi vũ trụ ra đời. Mặc dù không mạnh mẽ như các tương tác mạnh, nhưng điện từ vẫn nắm giữ một sức mạnh đáng kể, chịu trách nhiệm cho nhiều quá trình năng lượng rộng lớn, bao gồm cả việc phát ra ánh sáng nhìn thấy mà chúng ta có thể thấy.
Lực điện từ hoạt động bằng cách truyền cho các hạt một điện tích, có thể là dương như proton hoặc âm như electron. Tính chất điện tích này tạo ra các tương tác với lực điện từ, tạo ra một vùng ảnh hưởng xung quanh hạt được gọi là trường tĩnh điện, làm cho các điện tích trái dấu hút nhau, trong khi các điện tích cùng dấu đẩy nhau. Sự chuyển động của các hạt mang điện này sau đó tạo ra một trường từ, một hiện tượng đặc biệt nhưng có mối liên hệ chặt chẽ với điện từ.
Tương tác tĩnh điện là lớp kết dính cuối cùng giữ cho cấu trúc của các nguyên tử. Bên ngoài hạt nhân, nơi mà lực mạnh không ảnh hưởng, các dòng điện này giữ cho các electron mang điện quay xung quanh, như một phần không thể thiếu trong cấu trúc nguyên tử. Chúng cũng cho phép việc liên kết các cấu trúc lớn hơn, các phân tử vĩ mô như protein, vốn là thành phần thiết yếu của sự sống trên Trái Đất.
Hơn nữa, lực điện từ đóng vai trò trong gần như tất cả các quá trình công nghệ đang diễn ra trên Trái Đất, không chỉ trong việc tạo ra, biến đổi và phân phối điện, mà còn cho các dịch vụ internet, phát sóng radio, và hầu hết các hình thức điều hướng, tất cả đều được thực hiện thông qua các tác nhân của lực điện từ, chính là photon (hạt ánh sáng). Photon là một trong những loại hạt mang lực đáng chú ý nhất, vì khác với các tác nhân hạt nhân, chúng không bị giới hạn bởi phạm vi nhỏ của hạt dưới nguyên tử do khối lượng của chúng. Ngược lại, photon được cho là không có khối lượng, không có trọng lượng hay số lượng nào để ngăn cản hoặc hạn chế sự tương tác của chúng. Thay vào đó, photon di chuyển quanh vũ trụ ở mọi quy mô với tốc độ nhanh nhất có thể đạt được, 299.792 km/giây, hay khoảng 186.000 dặm/giây, tức là tốc độ ánh sáng. Nhưng không chỉ là tốc độ của ánh sáng, đây còn là giới hạn tốc độ. Vì tốc độ truyền của cả trọng lực và điện từ, đây chính là tốc độ xử lý của không gian, một giới hạn cứng mà không thể vượt qua.
Bất kỳ vật thể nào có khối lượng đều không thể đạt đến giới hạn này, vì để tăng tốc đến tốc độ đó và duy trì nó sẽ cần một lượng năng lượng vô hạn. Tuy nhiên, photon được cho là không có khối lượng vì chúng ngược lại, chúng không có bất kỳ đặc tính nào có thể cản trở chúng, và do đó chúng di chuyển quanh không gian vô hạn cho đến khi bị hấp thụ, không bao giờ chậm lại trong suốt quá trình đó. Chính bản thân những photon không có khối lượng này không làm được gì nhiều, và chúng luôn là một phần của một tập hợp các hạt ánh sáng quan trọng hơn gọi là sóng điện từ. Và khi kết hợp lại, chính tần số của những sóng này và cường độ của các photon tạo thành chúng quyết định loại bức xạ theo phổ điện từ, tạo thành bảng màu tô điểm vũ trụ, từ bức xạ tần số thấp như sóng vô tuyến đến bức xạ gamma gây ung thư, với ánh sáng nhìn thấy mà chúng ta có thể nhìn thấy nằm đâu đó ở giữa.
Ở đầu xa của phổ này, nơi các sóng photon có tần số thấp nhất, và do đó có bước sóng dài nhất, ta tìm thấy phổ sóng vô tuyến. Đây là các tập hợp photon hiếm đến mức chúng không thể được nhìn thấy, và thay vào đó phải được nghe thấy. Điều này khiến chúng trở thành công cụ hữu ích, gần như vô hại trong việc truyền tải thông tin mã hóa, điều này mang đến vai trò quan trọng của sóng vô tuyến trong đời sống hàng ngày. Nhân loại đã nghe sóng phát thanh suốt hơn một thế kỷ qua, và nhiều nơi trên thế giới vẫn sử dụng chúng để phân phối tín hiệu truyền hình. Hơn nữa, photon vô tuyến ít bị hấp thụ bởi khí quyển và điều kiện thời tiết xấu, khiến chúng trở thành phương tiện lựa chọn cho các hệ thống thông tin vệ tinh. Hệ thống điều hướng GPS, rất quan trọng đối với hàng hải, hàng không, và thậm chí cả các công việc trong nước, phụ thuộc vào tín hiệu vô tuyến truyền từ không gian xuống mặt đất, chưa kể đến tất cả các dịch vụ quý giá khác mà vệ tinh cung cấp.
Và tất nhiên, còn có lĩnh vực thiên văn vô tuyến, ra đời vào những năm 1960, và kể từ đó đã tiết lộ những phát hiện sâu sắc về vũ trụ của chúng ta, từ bản chất của các sao neutron đến tiếng ồn còn lại từ chính vụ nổ Big Bang. Đó chính là bức xạ vi sóng vũ trụ đã được đề cập trước đó. Dấu hiệu tĩnh của không gian này có thể được tìm thấy ở các dải tần vi sóng hơi cao hơn, thuộc phần phổ sóng vô tuyến.
Vi sóng đóng vai trò tương tự trong nhiều công nghệ truyền thông và vệ tinh, nhưng sự hấp thụ hơi cao hơn của chúng cũng khiến chúng trở thành công cụ hiệu quả để theo dõi thời tiết. Vi sóng cũng được sử dụng trong y tế, từ phát hiện ung thư bằng radar đến quá trình đông máu của các tế bào ung thư. Chúng thậm chí còn có một số ứng dụng trong đời sống, có lẽ nổi bật nhất là trong bếp, nơi các lò vi sóng làm nóng và rã đông thực phẩm bằng cách làm rung các phân tử nước bên trong.
Khi tần số sóng tăng lên và bước sóng tiếp tục rút ngắn, chúng ta sẽ sớm đạt đến ranh giới của phổ sóng vô tuyến, nơi chúng ta sẽ vượt qua vào dải sóng quang học, bao gồm bức xạ mà chúng ta có thể nhìn thấy. Điểm dừng đầu tiên của chúng ta là trong các dải hồng ngoại, một phạm vi tần số đang rất được quan tâm hiện nay, khi kính thiên văn James Webb tìm kiếm trong bầu trời.
Bức xạ hồng ngoại cho phép chúng ta cơ hội nghiên cứu một số góc khuất sâu thẳm, tối tăm nhất của không gian, những khu vực xa xôi đến mức ánh sáng nhìn thấy của chúng đã mờ nhạt và chuyển sang dải hồng ngoại do sự giãn nở dần dần của không gian. Vì vậy, tần số hồng ngoại cung cấp cho chúng ta những kênh hoàn hảo để đưa những thiên hà cổ xưa, xa xôi nhất vào tầm nhìn từ rìa của chân trời vũ trụ, giúp Webb chụp được những hình ảnh siêu chi tiết, độ phân giải cao của những vùng không gian xa xôi nhất.
Gần hơn với Trái Đất, và ánh sáng phát ra mạnh mẽ trở lại với bước sóng nhìn thấy. Bước tiếp theo trên phổ quang học, bao gồm tất cả các tần số mà mắt người có thể nhìn thấy. Bước sóng nhìn thấy bản thân nó là một phổ nhỏ gồm bảy màu sắc riêng biệt, từ đỏ đến tím, với tất cả các sự kết hợp màu sắc có thể giao thoa ở giữa. Từ ánh sáng mặt trời và ánh sáng của mặt trăng cho đến bóng đèn chiếu sáng nhà bạn, và thậm chí cả màn hình bạn đang xem video này, ánh sáng nhìn thấy quyết định cách chúng ta tương tác với thế giới xung quanh, trao cho lực điện từ có lẽ ảnh hưởng lớn nhất đối với cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
Ánh sáng chiếu sáng các con phố và đường cao tốc, cung cấp năng lượng cho nhà cửa và các tòa nhà, vai trò của nó trong điện năng là vô cùng quan trọng đối với sự tiếp diễn của sự sống như chúng ta biết. Chỉ đứng sau ánh sáng mặt trời duy trì các chu kỳ tự nhiên của Trái Đất.
Nói về ánh sáng mặt trời, nếu chúng ta tiếp tục nén các sóng ánh sáng nhìn thấy và tăng tần số photon của chúng, chúng ta cuối cùng sẽ ra ngoài từ đầu tím của phổ nhìn thấy và chuyển sang các dải tia cực tím (UV). UV là loại bức xạ quang học mạnh nhất và là dạng bức xạ phổ biến nhất có trong ánh sáng mặt trời. Giống như các loại khác, nó có một vài tần số, mỗi loại có tác dụng không mong muốn riêng đối với cơ thể con người.
Tia UVA được biết là có thể xuyên qua da và làm tổn hại các tế bào DNA, có thể thúc đẩy sự phát triển của các loại ung thư khác nhau. Trong khi đó, tia UVB là thủ phạm gây bỏng nắng. Loại tia có bước sóng ngắn nhất và mạnh nhất, tia UVC, gây nguy hiểm lớn nhất đối với sự sống trên Trái Đất, nhưng phần lớn tia UVC phát ra từ mặt trời đã bị lớp ozon của hành tinh hấp thụ, một lớp khí phân tử liên tục được hình thành và bị phá hủy dưới tác động của tia sáng mặt trời.
Do đó, sự thay đổi độ dày của lớp ozon thường theo các mô hình theo mùa, vĩ độ và hoạt động mặt trời, với sự suy giảm luôn mang tính tạm thời, sau đó sẽ có một giai đoạn phục hồi. Tuy nhiên, vào những năm 1970, đã rõ ràng rằng hành động của loài người đang làm tổn hại và suy giảm lớp lá chắn bảo vệ này vượt xa bất kỳ giải thích tự nhiên nào, khi một lỗ ozon lớn xuất hiện trên Nam Cực. Thủ phạm đã nhanh chóng được xác định là các hợp chất hiện nay được gọi là chất làm suy giảm ozon, bao gồm CFCs, HCFCs, tetraclorua carbon và methyl chloroform. Những hợp chất này được phát tán bởi cả các thiết bị công nghiệp và gia dụng, sau đó sẽ mất từ hai đến năm năm để bay lên không khí, nơi chúng bị phân hủy bởi bức xạ mặt trời để tạo ra các nguyên tử clo và brom, là những tác nhân tiêu diệt ozon trong tầng bình lưu.
Chỉ một nguyên tử clo đơn lẻ có thể phá hủy tới 100.000 phân tử ozon trước khi thoát khỏi khí quyển, khiến nhiều quốc gia phải hạn chế việc sử dụng CFCs để ngừng sự suy giảm thêm. Và từ những năm 1990, bước vào thiên niên kỷ mới, xu hướng suy giảm ozon thực sự đã bắt đầu ổn định, bao gồm cả xung quanh lỗ ozon theo mùa ở Nam Cực. Nhưng lỗ ozon này chưa bao giờ biến mất và không tự phục hồi như nhiều người vẫn tin. Suy giảm ozon tiếp tục là một mối lo ngại lớn đối với nhân loại cho đến ngày nay, không ít vì những hợp chất có hại này vẫn được sử dụng trên toàn thế giới, khi những ứng dụng mới cho chúng đã được phát hiện. Điều này chỉ càng làm nổi bật tầm quan trọng của việc hiện đại hóa công nghệ của chúng ta, để đảm bảo rằng các hoạt động trong tương lai không làm đảo lộn sự cân bằng tự nhiên mong manh của Trái Đất.
Tiếp tục với chủ đề công nghệ hiện đại, ở các bước sóng ngắn hơn hàng trăm lần so với UVC, chúng ta vượt ra khỏi dải quang học và lạc vào lãnh địa của bức xạ năng lượng cao, bức xạ ion hóa. Mạnh mẽ đến mức có thể tước đi các electron khỏi các nguyên tử, gây ra đủ mọi vấn đề cho con người mỏng manh của chúng ta. Điểm dừng đầu tiên của chúng ta là tia X. Còn được gọi là bức xạ Röntgen, tia X là một tập hợp các tần số nổi tiếng có một vị trí đặc biệt trong cả y học và văn hóa. Mặc dù có hại khi dùng liều cao, photon tia X có thể xuyên qua các vật liệu mềm và đi qua chúng, mặc dù chúng vẫn bị hấp thụ bởi các chất cứng hơn. Điều này khiến chúng trở thành công cụ lý tưởng để tạo ra các cắt lớp xương người để phân tích các vết gãy xương cũng như các bệnh lý khác. Khả năng của chúng trong việc bỏ qua các vật liệu mềm cũng mang đến các ứng dụng khác trong khảo cổ học, địa chất và nông nghiệp, để nghiên cứu đá, đất, nước và không khí.
Nhưng do những nguy hiểm do bức xạ ion hóa gây ra cho con người, việc sử dụng chúng bị quản lý chặt chẽ ở hầu hết các nơi trên thế giới. Và đối với bức xạ mạnh hơn cả tia X, câu chuyện là hoàn toàn khác. Tia gamma là loại bức xạ điện từ có năng lượng mạnh nhất, mạnh gấp hàng triệu lần và có bước sóng ngắn hơn tia X. Các photon của chúng dày đặc đến mức có thể đi qua không gian giữa các nguyên tử trong một chiếc gương và do đó không thể bị bắt hoặc phản xạ. Khác với các loại khác, tia gamma chỉ được tạo ra bởi những vật thể nóng nhất và có năng lượng cao nhất trong vũ trụ, trên Trái Đất là do sét, trong các lò phản ứng hạt nhân và trong các vụ nổ hạt nhân. Trong không gian, chúng được phát ra với số lượng khổng lồ từ siêu tân tinh, sao neutron và lỗ đen. Bầu trời tia gamma cháy sáng với những hiện tượng sáng nhất trong vũ trụ.
Nếu chúng ta có thể nhìn thấy tia gamma như chúng ta nhìn thấy ánh sáng nhìn thấy, bầu trời đêm của chúng ta sẽ liên tục nhấp nháy và phát sáng với những đống sáng, hầu hết trong số đó sẽ đến từ các cụm thiên hà cách chúng ta hàng tỷ năm ánh sáng. Trong vũ trụ xa xôi, trẻ trung, tia gamma phun ra từ các quasar và các loại thiên hà hoạt động khác, có lỗ đen trung tâm chứa các đĩa bồi tụ sáng đến mức chúng làm cho cả thiên hà chủ của chúng bị chìm trong ánh sáng, từ điểm nhìn của chúng ta, là những vật thể sáng nhất trong vũ trụ. Tia gamma cũng được phát ra khi lớp vỏ của các sao neutron mạnh nhất, magnetar, bị nứt và gãy để giải phóng năng lượng. Những cơn địa chấn sao này đã được biết đến là phát ra đủ tia gamma để để lại dấu vết đáng chú ý trên tầng điện ly của hành tinh chúng ta từ khoảng cách hơn 40.000 năm ánh sáng.
Một lần nữa, nếu sự kiện như vậy xảy ra gần hơn với hệ mặt trời, nó chắc chắn sẽ báo hiệu ngày tận thế cho loài người. May mắn thay, các nguồn tia gamma gần nhất với Trái Đất đều cách chúng ta hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm ánh sáng, quá xa để gây nguy hiểm thực sự. Tuy nhiên, đây vẫn là một lời nhắc nhở lạnh gáy về sức mạnh mà lực điện từ và bốn lực cơ bản nói chung nắm giữ. Mỗi lực trong số chúng đều tác động lên các khía cạnh khác nhau của thực tại, điều khiển sự tồn tại của chúng ta và xác định các định lý vật lý. Có thể một ngày nào đó, ai đó sẽ tìm ra hạt graviton và mô tả hành vi của nó trong khuôn khổ mô hình chuẩn, tạo ra một lý thuyết tổng hợp về mọi thứ, có khả năng làm sáng tỏ bản chất thực sự điều khiển vũ trụ của chúng ta.
Cho đến khi đó, tuy nhiên, chúng ta bị giới hạn bởi các giới hạn của mô hình chuẩn. Dù đã đưa chúng ta đi xa đến thế, khung lý thuyết này vẫn còn nhiều khiếm khuyết chưa được giải thích. Và chỉ khi giải đáp được những câu hỏi này trong bối cảnh của lực hấp dẫn, chúng ta mới có thể hiểu rõ hơn về các lực tự nhiên.
Với điều đó, tôi xin chúc bạn ngủ ngon. Hẹn gặp lại, tôi xin ký tên.
0 Comments
Đăng nhận xét