Dấu ấn của Thuyết lượng tử trong nghiên cứu vũ trụ

Vũ trụ là một phòng thí nghiệm đa dạng cung cấp cho các nhà khoa học những số liệu liên quan đến nhiều hiện tượng lýhóa, từ mức vĩ mô đến mức vi mô. Những bức xạ trong vũ trụ
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Dấu ấn của Thuyết lượng tử trong nghiên cứu vũ trụ Dấu ấn của Thuyết lượng tử trong nghiên cứu vũ trụ Vũ trụ là một phòng thí nghiệm đa dạng cung cấp cho các nhà khoa học những số liệu liên quan đến nhiều hiện tượng lý- hóa, từ mức vĩ mô đến mức vi mô. Những bức xạ trong vũ trụVũ trụ là một phòng thí nghiệm đa dạng cung cấp cho các nhà khoa học những sốliệu liên quan đến nhiều hiện tượng lý-hóa, từ mức vĩ mô đến mức vi mô. Lực hấpdẫn phổ biến của Newton chi phối sự chuyển động của các thiên thể và quá trìnhtiến hoá của vũ trụ trên quy mô lớn. Thuyết Big Bang - tuy vẫn còn phải được cảitiến nhưng được đa số các nhà thiên văn chấp nhận - và những công trình về sựtổng hợp những nguyên tố trong vũ trụ nguyên thủy và trong những ngôi sao đềulà cơ sở để giải thích những hiện tượng thiên văn quan sát thấy hiện nay. Nhữngcông trình của Max Planck và của Albert Einstein đã mở đường cho sự nghiên cứunhững bức xạ vũ trụ. Về mặt kỹ thuật, kính thiên văn quang học và kính thiên vănvô tuyến ngày càng lớn, có độ phân giải cao, cùng những thiết bị thu tín hiệu chếtạo ra từ những vật liệu bán dẫn và siêu dẫn, cũng làm cho ngành thiên văn pháttriển rất nhiều trong những thập niên gần đây. Các nhà thiên văn xử lý số liệu vàáp dụng những định luật lý-hóa để lập ra những mô hình lý thuyết nhằm tìm hiểucơ chế phát những bức xạ và mô tả những hiện tượng quan sát trong vũ trụ. Bức xạđiện từ lan truyền trong không gian như những làn sóng trải dài từ những bướcsóng cực ngắn của tia gamma, tia X và tia tử ngoại đến bước sóng khả kiến vànhững bước sóng cực dài hồng ngoại và vô tuyến. Vì bức xạ có tính chất lưỡng tínhsóng-hạt nên các nhà vật lý dùng khái niệm sóng để mô tả hiện tượng giao thoatrong quang học và khái niệm hạt để giải thích hiệu ứng quang điện hay quá trìnhhấp thụ và phát bức xạ. Trong vũ trụ có vô số thiên hà, mỗi thiên hà là một tập hợp khí và bụi cùngvới những ngôi sao và hành tinh. Những thiên thể đặc có độ dày quang học (opticaldepth) lớn, như những ngôi sao, những hành tinh và những đám mây chứa nhiềukhí và bụi đều tuân theo định luật của vật đen và phát ra bức xạ nhiệt. Tinh vân lànhững đám khí bị ion hoá (plasma) trong đó có electron chuyển động tự do. Khielectron trong tinh vân va chạm và tương tác với những hạt ion cũng phát ra bứcxạ nhiệt. Các nhà thiên văn quan sát bức xạ nhiệt để đo nhiệt độ của các thiên thể.Tàn dư của những ngôi sao đã nổ (sao siêu mới) là những đám khí tương đối loãngtrong đó electron được gia tốc trong từ trường và chuyển động theo những đườnglực với tốc độ cao xấp xỉ bằng tốc độ ánh sáng. Loại thiên thể này phát ra bức xạphi-nhiệt mạnh hơn bức xạ nhiệt rất nhiều. Bức xạ phi-nhiệt trong vũ trụ giốngnhững bức xạ quan sát trong những máy gia tốc “synchrotron”. Quan sát bức xạphi-nhiệt là để tìm hiểu cơ chế gia tốc các hạt vật chất trong các thiên thể và để ướctính từ trường và năng lượng của electron. Thiên thể trong vũ trụ phát ra bức xạnhiệt và bức xạ phi-nhiệt trên những dải tần số rộng. Vật đen là một vật lý tưởng có khả năng hấp thụ hoàn toàn các năng lượngđiện từ. Khi được nung nóng, vật đen phát ra bức xạ nhiệt. Khoảng trống đen kịt vàkín mít bên trong cái lò than có thể được coi là một vật đen. Bức xạ phông vũ trụ,tàn dư của Big Bang, phát ra trên bước sóng vi ba (sóng vô tuyến) và hiện trànngập toàn bộ vũ trụ, cũng là bức xạ vật đen. Planck là nhà vật lý đã đưa ra ý kiếnđộc đáo để lượng tử hóa năng lượng của vật chất nhằm giải quyết mâu thuẫn giữakết quả lý thuyết và kết quả quan sát liên quan đến vấn đề năng lượng của vật đen.Einstein khái quát hoá giả thuyết của Planck để lượng tử hoá bức xạ với mục đíchgiải thích cơ chế phát những vạch phổ nguyên tử và phân tử. Công trình củaEinstein đã dẫn đến sự phát hiện bức xạ cảm ứng (stimulated emission) và sự phátminh những máymaser và laser phát ra những tia xạ có cường độ lớn dùng trongcông nghiệp trên bước sóng vi ba và quang học. Cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 đã đem lại một kỷ nguyên mới cho ngành vậtlý. Các nhà vật lý ở thế kỷ 19 dùng lý thuyết nhiệt động học và vật lý thống kê cùngvới giả thuyết năng lượng được phân bố đều giữa các hướng chuyển động tự dotrong không gian (degree of freedom) để xác định phổ của bức xạ vật đen ở trạngthái cân bằng nhiệt (trạng thái nhiệt độ đồng đều và không thay đổi). Dựa trênnhững lý thuyết cổ điển này, Lord John William Rayleigh và James Jeans tìm thấymột công thức rất đơn giản để tính cường độ của bức xạ vật đen. Theo công thứcRayleigh-Jeans, độ sáng của vật đen không tùy thuộc vào bản chất của vật thể,nhưng có điều kỳ lạ là ở bất cứ nhiệt độ T nào, độ sáng Bn cũng tăng rất nhanh vớitần số n theo luật bình phương (Bn = 2kTn2/c2, k là hằng số Boltzmann và c là tốcđộ ánh sáng). Có nghĩa là một vật đen như cái lò dùng để nung nấu phải phát ranhững bức xạ rất mạnh ở những tần số cao, đặc biệt trên vùng sóng ...