Dấuấn của Thuyết lượng tửtrong
nghiên cứu vũtrụ
Vũtrụlà một phòng thí nghiệmđa dạng cung cấp cho các
nhà khoa học những sốliệu liên quan đến nhiều hiện tượng lý-
hóa, từmức vĩmô đến mức vi mô.
Những bức xạtrong vũtr ụ
Vũtrụlà một phòng thí nghiệmđa dạng cung cấp cho các nhà khoa học những số
liệu liên quan đến nhiều hiện tượng lý-hóa, từmức vĩmô đến mức vi mô. Lực hấp
dẫn phổbiến của Newton chi phối sựchuyểnđộng của các thiên thểvà quá trình
tiến hoá của vũtrụtrên quy mô lớn. Thuyết Big Bang - tuy vẫn còn phảiđược cải
tiến nhưng đượcđa sốcác nhà thiên văn chấp nhận - và những công trình vềsự
tổng hợp những nguyên tốtrong vũtrụnguyên thủy và trong những ngôi sao đều
là cơsở để giải thích những hiện tượng thiên văn quan sát thấy hiện nay. Những
công trình của Max Planck và của Albert Einstein đã mở đường cho sựnghiên cứu
những bức xạvũtrụ. Vềmặt kỹthuật, kính thiên văn quang học và kính thiên văn
vô tuyến ngày càng lớn, có độ phân giải cao, cùng những thiết bịthu tín hiệu chế
tạo ra từnhững vật liệu bán dẫn và siêu dẫn, cũng làm cho ngành thiên văn phát
triển rất nhiều trong những thập niên gầnđây. Các nhà thiên văn xửlý sốliệu và
áp dụng những định luật lý-hóa để lập ra những mô hình lý thuyết nhằm tìm hiểu
cơchếphát những bức xạvà mô tảnhững hiện tượng quan sát trong vũtrụ. Bức xạ
điện từlan truyền trong không gian nhưnhững làn sóng trải dài từnhững bước
sóng cực ngắn của tia gamma, tia X và tia tửngoạiđến bước sóng khảkiến và
những bước sóng cực dài hồng ngoại và vô tuyến. Vì bức xạcó tính chất lưỡng tính
sóng-hạt nên các nhà vật lý dùng khái niệm sóng để mô tảhiện tượng giao thoa
trong quang học và khái niệm hạtđể giải thích hiệuứng quang điện hay quá trình
hấp thụvà phát bức xạ.
Trong vũtrụcó vô sốthiên hà, mỗi thiên hà là một tập hợp khí và bụi cùng
với những ngôi sao và hành tinh. Những thiên thể đặc có độ dày quang học (optical
depth) lớn, nhưnhững ngôi sao, những hành tinh và những đám mây chứa nhiều
khí và bụiđều tuân theo định luật củavậtđen và phát ra bức xạnhiệt. Tinh vân là
những đám khí bịion hoá (plasma) trong đó có electron chuyểnđộng tựdo. Khi
electron trong tinh vân va chạm và tương tác với những hạt ion cũng phát ra bức
xạnhiệt. Các nhà thiên văn quan sát bức xạnhiệtđể đo nhiệtđộ của các thiên thể.
Tàn dưcủa những ngôi sao đã nổ(sao siêu mới) là những đám khí tương đối loãng
trong đó electron được gia tốc trong từtrường và chuyểnđộng theo những đường
lực với tốcđộ cao xấp xỉbằng tốcđộ ánh sáng. Loại thiên thểnày phát ra bức xạ
phi-nhiệtmạnh hơn bức xạnhiệt rất nhiều. Bức xạphi-nhiệt trong vũtrụgiống
những bức xạquan sát trong những máy gia tốc “synchr ot r on”. Quan sát bức xạ
phi-nhiệt là để tìm hiểu cơchếgia tốc các hạt vật chất trong các thiên thểvà để ước
tính từtrường và năng lượng của electron. Thiên thểtrong vũtrụphát ra bức xạ
nhiệt và bức xạphi-nhiệt trên những dải tần sốrộng.
Vậtđen là một vật lý tưởng có khảnăng hấp thụhoàn toàn các năng lượng
điện từ. Khi được nung nóng, vậtđen phát ra bức xạnhiệt. Khoảng trống đen kịt và
kín mít bên trong cái lò than có thể được coi là một vậtđen. Bức xạphông vũtrụ,
tàn dưcủa Big Bang, phát ra trên bướcsóng vi ba (sóng vô tuyến) và hiện tràn
ngập toàn bộvũtrụ, cũng là bức xạvậtđen. Planck là nhà vật lý đã đưa ra ý kiến
độcđáođể lượng tửhóa năng lượng của vật chất nhằm giải quyết mâu thuẫn giữa
kết quảlý thuyết và kết quảquan sát liên quan đến vấnđề năng lượng của vậtđen.
Einstein khái quát hoá giảthuyết của Planck để lượng tửhoá bức xạvới mụcđích
giải thích cơchếphát những vạch phổnguyên tửvà phân tử. Công trình của
Einstein đã dẫnđến sựphát hiệnbức xạcảmứng (stimulated emission) và sựphát
minh những máymaser và laser phát ra những tia xạcó cường độ lớn dùng trong
công nghiệp trên bước sóng vi ba và quang học.
Cuối thếkỷ19 và đầu thếkỷ20 đã đem lại một kỷnguyên mới cho ngành vật
lý. Các nhà vật lý ởthếkỷ19 dùng lý thuyết nhiệtđộng học và vật lý thống kê cùng
với giảthuyết năng lượng được phân bố đều giữa các hướng chuyểnđộng tựdo
trong không gian (degree of freedom) để xác định phổcủa bức xạvậtđen ởtrạng
thái cân bằng nhiệt (trạng thái nhiệtđộ đồng đều và không thay đổi). Dựa trên
những lý thuyết cổ điển này, Lord John William Rayleigh và James Jeans tìm thấy
một công thức rấtđơn giảnđể tính cường độ của bức xạvậtđen. Theo công thức
Rayleigh-Jeans, độ sáng của vậtđen không tùy thuộc vào bản chất của vật thể,
nhưng có điều kỳlạlà ởbất cứnhiệtđộ Tnào, độ sáng Bncũng tăng rất nhanh với
tần sốntheo luật bình phương (Bn= 2kTn2/ c2,klà hằng sốBoltzmann và clà tốc
độ ánh sáng). Có nghĩa là một vậtđen nhưcái lò dùng để nung nấu phải phát ra
những bức xạrất mạnh ởnhững tần sốcao, đặc biệt trên vùng sóng tửngoại và
sóng X. Nhưta biết, trên thực tếlò này không phát ra tia tửngoại và tia X độc hại
và không gây ra thảm hoạcho người dùng. Theo công thức Rayleigh-Jeans, toàn bộ
năng lượng của vậtđen (tức là tích phân của hàm Bntheo tần số) cũng là vô tận!
Phương pháp tính cường độ của bức xạvậtđen bằng những lý luận của ngành vật
lý cổ điểnđã dẫnđến những kết quảtỏra là không hợp lý. Công thức Rayleigh-
Jeans đã gây ra chấnđộng làm một sốnhà khoa họcở đầu thếkỷ20 phải gọiđó là
“thảm hoạtửngoại” hay “thảm hoạRayleigh-Jeans”.
Nhiều nhà vật lý nổi tiếng hồiđó nhưJosef Stefan, Ludwig
Boltzmann và Wilhelm Wien tìm cách giải quyết mâu thuẫn giữa lý thuyết và thực
nghiệm liên quan đến vấnđề bức xạvậtđen. Vào đầu thếkỷ20, tuy Max Planck
chưa biết nguyên nhân sâu sắc của vấnđề này trên phương diện vật lý, nhưng
muốn tìm ra một công thức toán học có khảnăng tính được những đường cong để
khớp vớiđường cong của phổvậtđen mà các nhà vật lý đã quan sát được từtrước
bằng phương pháp thực nghiệm. Sau khi đã tìm thấy những đường cong của vật
đen bằng công thức toán học, Max Planck nảy ra ý kiến cho rằng năng lượng của
những hạt dao động, nhưnhững electron trong nguyên tử, không chỉ đơn giản tỷlệ
với nhiệtđộ mà phải bịlượng tửhoá. Năng lượng Ecủa hạt biếnđổi theo từng mức
lượng tửhn (hlà hằng sốPlanck, và nlà tần sốcủa bức xạ). Xác suấtP(E) để có
năng lượng Ephải tỷlệvớiexp(-E/ kT). Độ sáng của vậtđen tính theo lý thuyết
lượng tửlà: Bn= (2hn3/ c2)/ [exp (hn/ kT) – 1)].
Công thức này mang tên công thức Planck cho thấy, dù ởtần sốcao đếnđâu
thì mẫu sốvẫn tăng rất nhanh so với tửsố, làm hàm Bnphải giảm xuống ởvùng tần
sốcao nên tránh được thảm hoạtửngoại. Ởmiền tần sốthấp nhưmiền sóng vi ba
(sóng vô tuyến xentimet và những bước sóng dài hơn) hn/ kT rất nhỏnên công
thức Planck và công thức Rayleigh-Jeans đều dẫnđến những kết quảtương tựnhư
nhau. Công thức Planck cho thấy nhiệtđộ của vậtđen càng cao thì vậtđen càng
sáng. Theo công thức Wien, cựcđại của bức xạxảy ra ởtần sốnmax ~ 3kT/ h, làm cho
đỉnh của những đường cong Planck dịch chuyển vềphía tần sốcao khi nhiệtđộ
tăng lên.
Tuy những ngôi sao đều có khí quyển bao bọc xung quanh nhưng vẫnđược
coi là những vậtđen trên một mứcđộ nào đó. Các nhà thiên văn dùng định luật
Planck và định luật Wien và dựa trên độ sáng và màu của những ngôi sao để sắp
xếp sao thành từng loại. Ngôi sao nào nóng thì sáng và có màu xanh lam, còn
những ngôi sao nguội hơn lại mờhơn và có màu đỏ (tần sốthấp hơn tần sốmàu
xanh). Bềmặt mặt trời nóng khoảng 6000 độ Kelvin nên Mặt trời là một ngôi sao
màu vàng.
Bức xạphông vũtrụtàn dưcủa Big Bang
Vu tru󰈨 nguyen thu󰈖y la mo󰈨t moi trương plasma r t nong trong đo photon (ha󰈨t
anh sang) va cha󰈨m lien tu󰈨c vơi electron nen khong di chuy n đươ󰈨c d dang. Trong
400 000 namđa󰈚u sau khi vu tru󰈨 đươ󰈨c khai sinh tư Big Bang, hie󰈨n tươ󰈨ng tan xa󰈨 nay
lam vu tru󰈨 mơ đu󰈨c va phat r a bưc xa󰈨 nhie󰈨t. Ph cu󰈖a bưc xa󰈨 vu tru󰈨 la ph cu󰈖a mo󰈨t
va󰈨tđen. Sau khi nhie󰈨tđo󰈨 gia󰈖m xu ng chı󰈖 con khoa󰈖ng 3000 Kelvin, electron tai hơ󰈨p
đươ󰈨c vơi proton đe󰈜 ta󰈨o r a hydr o tr ung hoa. Khi đo trong vu tru󰈨 khong con nhi u
electron nen photon di chuy n tư󰈨 do va vu tru󰈨 trơ󰈖 nen trong sang. Va󰈨t ch t khong
con co tacđo󰈨ng đo󰈘i vơi photon, nen bưc xa󰈨 vu tru󰈨 v n giư đươ󰈨cđa󰈨c tınh cu󰈖a mo󰈨t
va󰈨tđen. Vu tru󰈨 ti p tu󰈨c dan nơ󰈖 khong ngưng, nhưng ph bưc xa󰈨 phong vu tru󰈨 v n
đươ󰈨c mo ta󰈖 b ng đi󰈨nh lua󰈨t Planck, tuy ơ󰈖 nhie󰈨tđo󰈨 ngay cang th p. Ph cu󰈖a bưc xa󰈨
phong vu tru󰈨 hie󰈨n nay r t khơp vơiđương cong Planck cu󰈖a mo󰈨t va󰈨tđen ơ󰈖 nhie󰈨tđo󰈨
2,726 Kelvin. Bưc xa󰈨 phong phat r a ma󰈨nh nh t tren bươc song vo tuy n ~ 1,9
milimet (t n s ~ 160 Gigahertz).
Sựphát hiện ra bức xạphông vũtrụkhông những là một bằng chứng củng
cốthuyết Big Bang mà còn giúp các nhà thiên văn nghiên cứu cấu trúc của vũtrụ
trên quy mô rộng. Khi quan sát vềhướng những chùm thiên hà, họnhận thấy
đường cong Planck biểu diễn phổcủa bức xạphông vũtrụcó chút ít sai trệch so
vớiđường cong của vậtđen ởnhiệtđộ 2,726 Kelvin. Lý do là vì môi trường giữa
những thiên hà trong những chùm thiên hà có khí bịion hoá và nóng tới hàng trăm
triệuđộ nên electron có năng lượng cao và phát ra bức xạX. Trong quá trình va
chạm với photon, electron năng lượng cao chuyển năng lượng cho photon (biệt
ngữvật lý là “hiệuứng Compton ngược”). Electron của chùm thiên hà tương tác với
photon của bức xạphông vũtrụqua hiệuứng Compton ngược và làm tăng năng
lượng photon của bức xạphông. Do đó,ởhướng những chùm thiên hà, đường
cong của phổbức xạphông vũtrụthay đổi chút ít. Hiện tượng này được tiên đoán
bởi hai nhà vật lý Sunyaev (Ouzbekistan) và Zeldovich (Nga) nên gọi là “hiệuứng
Sunyaev-Zeldovich” (viết tắt là “hiệuứng SZ”). Sựquan sát hiệuứng SZ là một trong
những phương tiệnđể phát hiện những chùm thiên hà xa xôi và để xác định hằng
sốHubble, dẫnđến sự ước tính tuổi của vũtrụ. Kính thiên văn dùng để quan sát
hiệuứng SZ và để phát hiện bức xạyếuớt của những chùm thiên hà cần có độ
phân giải cao.
Sựtương tác giữa bức xạvà vật chất
Theo quan niệm của Planck, vật chất bịlượng tửhoá và được coi nhưnhững
hạt dao động điều hoà (harmonic oscillator) để phát ra bức xạ. Năng lượng của hạt
được lượng tửhoá trên những mức cách nhau đều. Bohr nhậnđịnh là những mức
năng lượng của những hệnguyên tửkhông nhất thiết phải cách nhau đều. Sau này
các nhà vật lý xác định là khoảng cách của những mức năng lượng của phân tử
cũng không được phân bố đều trên thang năng lượng. Einstein không những dựa