Ba cách chuyển động (gần) tốc độ ánh sáng

Một trăm năm trước đây, các đo đạc của một hiện tượng nhật thực (ngày 29/5/1919) đã đưa ra một trong những xác nhận đầu tiên cho thuyết tương đối của Einstein. Trước đó, Einstein đã phát triển Thuyết tương đối hẹp, vốn cách mạng hóa cách chúng ta hiểu về ánh sáng. Cho tới ngày nay, nó vẫn tiếp tục dẫn dắt những hiểu biết của chúng ta về cách các hạt di chuyển trong vũ trụ - một lĩnh vực đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu để giúp các tàu vũ trụ và các phi hành gia an toàn khỏi bức xạ mặt trời.

Thuyết tương đối hẹp chứng tỏ các hạt ánh sáng – các photon, chuyển động qua một khu vực chân không với một tốc độ không đổi là 670.616.629 dặm mỗi giờ – một vận tốc vô cùng khó đạt tới và không thể băng qua được môi trường này.  Tất cả các dạng vật chất chuyển động trong vũ trụ, từ các lỗ đen đến môi trường gần trái đất, các hạt trên thực tế được gia tốc đến những tốc độ lớn không tưởng, một vài vận tốc thậm chí còn đạt tới 99,9% tốc độ ánh sáng.

Một trong số các nhiệm vụ của NASA là hiểu biết sâu sắc hơn về cách các hạt được gia tốc. Việc nghiên cứu các hạt chuyển động siêu nhanh, hoặc tương đối, có thể giúp giữ an toàn cho các nhiệm vụ khám phá hệ mặt trời, du hành tới Mặt trăng và có thể giúp chúng ta có được kiến thức về những thiên hà lân cận, ví dụ một hạt có vận tốc gần vận tốc ánh sáng và được hướng đích tốt có khả năng tới gần các thiết bị điện tử trên tàu và ngay cả có nhiều hạt tới cùng một lúc cũng có thể tạo ra hiệu ứng bức xạ tiêu cực cho các phi hành gia khi họ du hành tới mặt trăng, hoặc xa hơn nữa.

Dưới đây là ba cách mà sự gia tốc các hạt có thể xảy ra.

1. Các điện từ trường

Một trong những quá trình này là gia tốc các hạt đến những tốc độ đủ khả năng hoạt động trong các điện từ trường – lực đương đương tới lực đủ sức giữ các nam châm trên tủ lạnh. Hai hợp phần, điện trường và từ trường, giống như hai mặt của đồng xu, hoạt động cùng nhau để đưa các hạt tới những tốc độ tương đối khắp vũ trụ.

Về bản chất, điện từ trường gia tốc các hạt mang điện tích bởi các hạt cảm thấy một lực trong điện từ trường thúc đẩy chúng, tương tự cách lực hấp dẫn đẩ một vật thể mang khối lượng. Trong các điều kiện thích hợp, điện từ trường có thể gia tốc các hạt tới vận tốc gần vận tốc ánh sáng.

Tại môi trường trái đất, điện trường thường được khai thác trên các quy mô nhỏ để tăng tốc các hạt tại các phòng thí nghiệm. Các máy gia tốc hạt, ví dụ như Cỗ máy gia tốc hạt lớn LHC và Fermilab, thường sử dụng các điện từ trường xung để gia tốc các hạt mang điện tích tới 99,99999896% tốc độ ánh sáng. Tại tốc độ đó, các hạt này có thể được “thúc” chuyển động nhanh hơn cùng với việc tạo ra các va chạm với năng lượng vô cùng lớn. Điều này cho phép các nhà khoa học nhìn sâu vào các hạt cơ bản và hiểu được những gì mà vũ trụ trải qua trong những “tích tắc” vô cùng nhỏ của giây đầu tiên sau Big Bang.

2. Những bùng nổ từ

Từ trường có ở mọi nơi trong vũ trụ, bao quanh trái đất và kéo dài hệ mặ trời. Chúng hướng dẫn các hạt mang điện tích chuyển động qua không gian, vốn chuyển động theo hình xoắn ốc quanh các trường này.

Khi các từ trường này “chạy” xuyên nhau, chúng có thể bị rối. Khi sức căng giữa các đường biên trở nên quá lớn, các đường này sẽ tạo ra nổ và sắp xếp lại trong một quá trình mà người ta gọi là tái liên kết từ. Sự thay đổi nhanh chóng này trong từ trường của một vùng sẽ tạo ra điện trường, vốn là nguyên nhân dẫn đến khả năng các hạt mang điện tích bị văng xa với tốc độ cao. Các nhà khoa học nghi ngờ tái liên kết từ là một cách để các hạt – ví dụ, gió mặt trời, vốn là dòng chảy không đổi của các hạt mang điện tích từ mặt trời, được gia tốc đến tốc độ tương đối.

Các hạt đạt tốc độ đó tạo ra một loạt các hiệu ứng biên gần các hành tinh. Tái liên kết từ thường xuất hiện gần chúng ta tại các điểm khi từ trường của mặt trời đẩy theo hướng ngược lại với từ quyển của trái đất – khoảng không gian bao quanh có chức năng trái đất. Khi tái liên kết từ xuất hiện về phía tráu đất xa mặt trời, các hạt này có thể được phóng vào bầu khí quyển bên trên trái đất, nơi chúng phát ra các cực quang. Tái liên kết từ cũng được cho là có mặt xung quang các hành tinh khác như Jupiter và Saturn, dẫu cho theo những cách có phần khác nhau.

Những vụ nổ lớn nhưng vô hình đang xuất hiện một cách liên tục trong không gian quanh trái đất. Những vụ nổ đó là kết quả của các từ trường xoắn bị đứt gãy và tái sắp xếp, bắn các hạt qua không gian. Nguồn: NASA’s Goddard Space Flight Center

Tàu vũ trụ Đa tỉ lệ từ quyển của NASA đã được thiết kế và xây dựng để các nhà khoa học có thể tập trung nghiên tìm hiểu mọi khía cạnh của tái liên kết từ. Việc sử dụng bốn tàu vũ trụ giống hệt nhau, nhiệm vụ này sẽ thực hiện theo lộ trình bay quanh trái đất để bắt lấy tái liên kết từ đang hoạt động. Các kết quả từ dữ liệu được phân tích có thể giúp các nhà khoa học hiểu được việc gia tốc các hạt tại tốc độ tương đối quanh trái đất và trong vũ trụ.

3. Các tương tác sóng – hạt

Các hạt có thể được tăng tốc bằng các tương tác với các sóng điện từ, vẫn được gọi là những tương tác sóng – hạt. Khi các sóng điện từ va chạm, trường của chúng có thể trở nên đặc lại. Việc các hạt mang điện tích bật lên và xuống giữa các sóng có thể tăng năng lượng tương tự như một quả bóng nẩy giữa hai bức tường.

Các dạng tương tác này được xuất hiện liên tục ở không gian gần trái đất và có vai trò gia tốc các hạt để đạt tới tốc độ có thể phá hủy các thiết bị điện trên tàu vũ trụ và vệ tinh trong không gian. Các nhiệm vụ của NASA, như Van Allen Probes, giúp các nhà khoa học hiểu về các tương tác sóng từ.

Các tương tác sóng từ được cho là liên quan đến việc gia tốc một số tia vũ trụ được hình thành bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Sau một vụ nổ siêu tân tinh, một lớp vỏ dày và nóng của khí nén bị loại khỏi lõi sao. Đầy ắp từ trường và các hạt mang điện tích, các tương tác sóng – hạt trong các bong bóng có thể phóng các tia vũ trụ năng lượng cao với tốc độ đạt 99,6% tốc độ ánh sáng. Các tương tác sóng hạt có thể có một phần tác động gia tốc gió mặt trời và tia vũ trụ từ mặt trời.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-05-ways.html