Lần đầu tiên quay được cảnh phá vỡ bức tường ánh sáng

Khi một vật thể chuyển động nhanh hơn âm thanh, nó sẽ tạo ra vụ nổ siêu âm. Do đó, về lý thuyết, nếu có thứ gì đó chuyển động nhanh hơn ánh sáng, nó cũng sẽ tạo ra một quả "bom ánh sáng".

Như chúng ta đã biết, khi một vật đi nhanh hơn tốc độ âm thanh, nó sẽ tạo ra một vụ nổ được gọi là vụ nổ siêu thanh. Cùng với đó, môi trường xung quanh vào thời điểm bức tường âm thanh bị phá vỡ cũng sẽ rối loạn, tạo thành một cấu trúc hình nón có tên gọi là hình nón Mach.

Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà nghiên cứu đã quay phim lại được hiện tượng tương tự nhưng xảy ra đối với sóng ánh sáng bằng cách sử dụng một máy ảnh siêu tốc có khả năng chụp lại 1000 tỷ khung hình mỗi giây. Được gọi là sự bùng nổ quang tử, một quang tử đã vượt qua được tốc độ của sóng ánh sáng và tạo ra một hình nón Mach.

Trong thuyết tương đối hẹp (hay thuyết tương đối đặc biệt), được công bố vào năm 1905, Albert Einstein nói không có bất kỳ vật chất nào trong vũ trụ có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ của ánh sáng (299.792 km/giây) trong chân không. Vậy làm thế nào mà hiện tượng bùng nổ quang tử có thể xảy ra?

Ảnh mô phỏng quá trình tạo ra hình nón Mach quang tử. (Nguồn ảnh: Newscientist).

Một số nhà vật lý đưa ra các giả thuyết về những khả năng hay hiệu ứng "nhanh hơn ánh sáng" cho rằng, một khu vực méo mó bất thường của không-thời gian có thể cho phép vật chất đạt đến tốc độ nhanh hơn ánh sáng mà ở điều kiện bình thường không thể đạt tới.

Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã làm chậm lại tốc độ của ánh sáng bằng cách sử dụng một số loại vật chất đặc thù. Trong khi vẫn giữ cho một photon riêng lẻ di chuyển với tốc độ bình thường. Đây chính là phương pháp mà các nhà khoa học tạo ra hiện tượng nón Mach quang tử.

Trong thí nghiệm này, một nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi kỹ sư quang học Jinyang Liang của Đại học Washington đã tạo ra một kênh dẫn làm từ cao su silicon và oxit nhôm bột. Khoảng không trong lòng kênh được lấp đầy bằng một lớp sương mù làm từ bột nước đá khô. Và sau đó các nhà khoa học bắn vào một xung laser có tần số 7 phần nghìn tỷ giây. Các photon ánh sánh sẽ bị phản chiếu và dội ra nhiều hướng do va đập với các hạt bụi nước đá khô lơ lửng trong không khí.

Do ánh sáng truyền đi trong những bức tường silicon chậm hơn so với trong sương mù, nên máy quay phim đã ghi lại được hiện tượng nón Mach quang tử.

Hiện tượng nón Mach quang tử đã được các nhà khoa học nghiên cứu trong suốt khoảng thời gian dài. Trong thực tế, những vụ nổ bom ánh sáng này vẫn xảy ra hàng ngày và có thể quan sát bằng mắt thường. Nó được gọi là bức xạ Cherenkov, theo tên nhà khoa học Liên Xô Pavel Alekseyevich Cherenkov, biểu hiện là ánh sáng màu xanh dương trong các lò phản ứng hạt nhân. Ông là người đầu tiên đo đạc nó vào năm 1934 và đoạt giải Nobel vật lý năm 1958 với phát hiện của mình.

Bức xạ này phát ra do lõi của lò phản ứng được nhúng ngập trong nước để làm mát. Trong nước, tốc độ ánh sáng chỉ bằng 75% tốc độ vùng chân không bên ngoài. Do đó, các electron tạo ra từ phản ứng trong lò sẽ đi trong nước nhanh hơn ánh sáng trong nước. Quá trình này làm phát sinh các sóng chấn động của ánh sáng, giống như trường hợp máy bay siêu âm. Những sóng chấn động này thường có màu xanh dương, hoặc đôi khi là các tia cực tím mà mắt thường không nhìn thấy.

Tuy nhiên, trong trường hợp này, tốc độ của các electron chỉ nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong nước, không thực sự đạt đến giới hạn 299.792.458m/s.