Photon – hạt ánh sáng vốn vừa là sóng, vừa là hạt. Nhiều bạn đã thắc mắc: liệu photon có thể di chuyển mãi mãi trong một vũ trụ đang giãn nở?
Bây giờ, chúng ta sẽ đi vào bốn câu hỏi từ cơ bản đến phức tạp:
Câu hỏi 1: Khái niệm photon là gì và nó có những tính chất gì?
Khi nói tới photon, đôi khi các bạn nghe nhắc đến “bức xạ điện từ”, “ánh sáng lượng tử” hay đơn giản là “ánh sáng”. Về bản chất, photon là quantum của trường điện từ, không có khối lượng nghỉ, không mang điện tích và có spin = 1. Vì vậy, trong Mô hình Chuẩn, photon được xếp vào nhóm boson – tức là hạt truyền tương tác điện từ, khác với fermion (electron, proton, neutron…) – thành phần cấu thành vật chất.
Photon vừa thể hiện tính chất sóng (bước sóng, tần số, phân cực) vừa thể hiện tính chất hạt (gói năng lượng E = h·ν). Khi tương tác với electron, photon có thể:
- Tán xạ Compton: thay đổi bước sóng sau va chạm với electron.
- Hiệu ứng quang điện: photon bị hấp thụ và truyền năng lượng cho electron.
- Tạo cặp electron–positron: với photon năng lượng trên 1,022 MeV gần hạt nhân.
Câu hỏi 2: Photon có phản hạt không và tại sao nó truyền lực điện từ?
Theo lý thuyết trường lượng tử, mọi hạt cơ bản đều có phản hạt với cùng khối lượng và điện tích ngược dấu. Tuy nhiên, vì photon không mang điện, nên phản hạt của photon chính là photon. Không có “anti-photon” riêng biệt.
Trong tương tác điện từ giữa các hạt (ví dụ proton–electron), chúng ta thường mô tả là trao đổi photon ảo (virtual photons). Đó không phải photon thực được phát ra, mà là cách diễn giải trong toán học của diagram Feynman để biểu diễn lực điện từ.
Câu hỏi 3: Photon mang thông tin như thế nào?
Mỗi photon phát ra, phản xạ hoặc hấp thụ đều chứa thông tin về nguồn và môi trường:
- Bước sóng (λ), tần số (ν): cho biết năng lượng E = h·ν, nhiệt độ hoặc năng lượng đặc trưng.
- Độ phân cực: mô tả hướng dao động của trường điện từ.
- Phổ hấp thụ/phát xạ: dựa vào các mức năng lượng electron trong nguyên tử, giúp xác định thành phần hóa học, nhiệt độ, mật độ.
Ví dụ:
- Ánh sáng khả kiến, tử ngoại: từ chuyển đổi mức electron.
- Tia X, tia γ: từ quá trình hạt nhân hoặc plasma siêu nóng.
- Sóng vô tuyến: từ biến thiên dòng điện, dùng trong thiên văn vô tuyến để quan sát khí bụi lạnh.
Câu hỏi 4: Vũ trụ lạnh như vậy, làm sao photon tồn tại và thoát ra từ Mặt Trời?
Nguồn gốc photon Mặt Trời bắt đầu ở lõi, từ phản ứng nhiệt hạch tạo ra tia γ. Những photon này trải qua hàng triệu–tỉ lần va chạm với electron, ion trong vùng bức xạ, dần mất năng lượng và chuyển thành tia X, tử ngoại rồi ánh sáng khả kiến–hồng ngoại. Thời gian một photon trung bình khuếch tán từ lõi lên quang quyển ước tính khoảng 10⁴–10⁵ năm, sau đó nó mới bay thẳng ra không gian với tốc độ c ≈ 3×10⁸ m/s.
Quang quyển Mặt Trời (nơi photon thoát ra) có nhiệt độ ~5.800 K, cho ra ánh sáng khả kiến mà chúng ta nhìn thấy. Vậy nên dù vũ trụ lạnh, photon vẫn tồn tại vì khi đến không gian, chúng đã ở dạng năng lượng thấp hơn và không phụ thuộc nhiệt độ môi trường vũ trụ.
Kết luận: Photon là boson truyền lực điện từ, vừa sóng vừa hạt, tự thân là phản hạt, mang thông tin qua bước sóng và phân cực. Photon sinh ra từ nhiệt hạch lõi Mặt Trời phải trải qua hàng vạn năm khuếch tán mới tới lớp quang quyển và trở thành ánh sáng khả kiến mà chúng ta quan sát.
