Vật lý lượng tử đằng sau màn trình diễn pháo hoa

Từ những vụ nổ cho đến các màu sắc rực rỡ độc đáo, những màn trình diễn pháo hoa mà chúng ta yêu thích đều dựa vào vật lý lượng tử.

Thứ Năm, ngày 4 tháng 7 năm 2024, là một ngày đặc biệt vì nhiều lý do. Đây là một ngày trước điểm viễn nhật – thời điểm Trái Đất xa Mặt Trời nhất trong quỹ đạo hình elip quanh Hệ Mặt Trời. Đây cũng là kỷ niệm 248 năm ngày Hoa Kỳ chính thức tuyên bố độc lập và chiến tranh với Anh Quốc. Và đây cũng là ngày mà quốc gia giàu có nhất thế giới sử dụng nhiều chất nổ nhất dưới dạng pháo hoa hơn bất kỳ nước nào khác.

Dù bạn là người chơi pháo hoa nghiệp dư, thợ lắp đặt chuyên nghiệp hay chỉ là khán giả, thì các màn trình diễn pháo hoa vẫn tuân theo các quy luật vật lý chi phối toàn bộ tự nhiên. Mỗi quả pháo hoa đều có bốn thành phần chính: hệ thống phóng, ngòi nổ, thuốc nổ phá và ngôi sao (stars). Nếu không có vật lý lượng tử, không một yếu tố nào trong số này có thể hoạt động. Dưới đây là khoa học đằng sau cách hoạt động của từng thành phần trong những màn trình diễn mãn nhãn này.

Cấu tạo của pháo hoa

Một quả pháo hoa bao gồm nhiều yếu tố và giai đoạn khác nhau. Tuy nhiên, bốn thành phần cơ bản vẫn giống nhau ở mọi loại pháo hoa: thuốc nâng (lift charge), ngòi chính (main fuse), thuốc nổ phá (burst charge) và ngôi sao (stars). Các biến thể về đường kính ống phóng, độ dài ngòi nổ chậm và độ cao của pháo hoa đều cần thiết để đảm bảo ngôi sao được kích nổ trong điều kiện thích hợp khi vụ nổ xảy ra.

Giai đoạn khởi đầu của bất kỳ quả pháo hoa nào là quá trình phóng – vụ nổ ban đầu tạo ra lực đẩy. Kể từ khi pháo hoa được phát minh hơn một thiên niên kỷ trước, ba thành phần đơn giản vẫn luôn đóng vai trò cốt lõi: lưu huỳnh, than củi và kali nitrat. Lưu huỳnh là một chất rắn màu vàng xuất hiện tự nhiên ở các khu vực có hoạt động núi lửa, trong khi kali nitrat có thể tìm thấy nhiều trong phân chim hoặc phân dơi.

Than củi trong pháo hoa không phải là loại than viên nén thường dùng để nướng thịt, mà là phần còn lại của quá trình nhiệt phân gỗ hoặc vật chất hữu cơ khác. Khi nước bị loại bỏ hoàn toàn khỏi than củi, ba thành phần này có thể được trộn đều với nhau bằng chày và cối. Hỗn hợp bột đen mịn thu được chính là thuốc súng – một chất đã có sẵn oxy từ kali nitrat.

Ba thành phần chính của thuốc súng đen (gunpowder) gồm than củi (carbon hoạt tính), lưu huỳnh và kali nitrat. Phần nitrat trong kali nitrat mang theo oxy của riêng nó, điều này có nghĩa là pháo hoa có thể cháy và phát nổ ngay cả khi không có oxy bên ngoài – chúng có thể hoạt động tốt trên Mặt Trăng như khi ở Trái Đất.

Với tất cả các thành phần này được trộn lẫn, có một lượng lớn năng lượng dự trữ trong các liên kết phân tử giữ chúng lại với nhau. Tuy nhiên, có một cấu hình ổn định hơn mà các nguyên tử và phân tử này có thể sắp xếp thành. Khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, các nguyên liệu thô – kali nitrat, carbon và lưu huỳnh – sẽ cháy để tạo thành các hợp chất rắn như kali cacbonat, kali sunfat, kali sulfide, cùng với các khí như carbon dioxide, nitơ và carbon monoxide.

Chỉ cần một nguồn nhiệt nhỏ, như que diêm, là đủ để kích hoạt phản ứng này. Quá trình này là một sự cháy lan nhanh (deflagration) thay vì một vụ nổ ngay lập tức, điều này rất hữu ích trong các thiết bị đẩy. Sự tái sắp xếp của các nguyên tử, cùng với việc nhiên liệu chứa sẵn oxy, cho phép các hạt nhân và electron thay đổi cấu hình, giải phóng năng lượng và duy trì phản ứng. Nếu không có vật lý lượng tử và sự tái sắp xếp này, không thể nào giải phóng năng lượng dự trữ trong thuốc súng.

Vai trò của cơ học lượng tử trong màn trình diễn pháo hoa

Lễ hội pháo hoa Ngày Độc Lập tại Macys ở thành phố New York là một trong những màn trình diễn pháo hoa lớn nhất ở Hoa Kỳ và trên thế giới. Màn trình diễn mang tính biểu tượng này, cùng với toàn bộ ánh sáng và màu sắc rực rỡ, chỉ có thể thực hiện được nhờ vào các quy luật không thể tránh khỏi của cơ học lượng tử.

Khi năng lượng đầu tiên được giải phóng – được gọi là thuốc nâng (lift charge) – nó có hai tác động quan trọng:

1. Thuốc nâng tạo ra một xung lực, khiến phần còn lại của pháo hoa, bao gồm ba thành phần còn lại, tăng tốc. Vì pháo hoa được đặt trong một ống phóng, nên hướng tăng tốc luôn theo phương mong muốn: hướng lên trên.

2. Trong quá trình cháy, thuốc nâng kích hoạt ngòi chính, điều này sẽ dẫn đến việc quả pháo phát nổ khi chạm đến thuốc súng bên trong.

Gia tốc hướng lên phải đủ để đưa pháo hoa đạt đến độ cao an toàn trước khi nổ, đồng thời ngòi nổ cần được tính toán thời gian chính xác để kích nổ tại điểm cao nhất của quỹ đạo. Một màn trình diễn pháo hoa nhỏ có thể sử dụng pháo có đường kính chỉ 5 cm (2 inch), yêu cầu đạt độ cao khoảng 60 m (200 feet). Trong khi đó, những màn trình diễn lớn nhất (chẳng hạn như tại Tượng Nữ Thần Tự Do ở New York) sử dụng quả pháo có đường kính lên đến 90 cm (3 feet), cần đạt độ cao hơn 300 m (1000 feet).

Nhờ các nguyên tắc của vật lý lượng tử trong pháo hoa, từ vụ nổ ban đầu cho đến ánh sáng và màu sắc phát ra, pháo hoa đã trở thành một trong những phát minh hấp dẫn nhất của loài người.

Các quả pháo hoa có đường kính khác nhau sẽ tạo ra các vụ nổ có kích thước khác nhau, đòi hỏi phải được phóng lên độ cao lớn hơn để đảm bảo an toàn và tăng khả năng quan sát. Nhìn chung, pháo hoa có kích thước lớn hơn phải được bắn lên cao hơn, do đó cần lượng thuốc nâng lớn hơn và thời gian cháy của ngòi lâu hơn để đạt được độ cao mong muốn. Những quả pháo hoa lớn nhất thậm chí còn vượt xa những minh họa hoành tráng nhất trong sơ đồ này.

Ngòi nổ là giai đoạn thứ hai, sẽ được kích hoạt bởi giai đoạn đánh lửa khi phóng. Hầu hết các loại ngòi đều dựa vào phản ứng của thuốc súng đen tương tự như trong thuốc nâng, ngoại trừ lõi bột cháy bên trong được bao quanh bởi lớp vải dệt phủ sáp hoặc sơn mài.

Lõi bên trong hoạt động dựa trên sự tái sắp xếp lượng tử của nguyên tử và liên kết electron như bất kỳ phản ứng thuốc súng nào khác. Tuy nhiên, các thành phần còn lại của ngòi phục vụ một mục đích khác: làm chậm quá trình đánh lửa.

Vật liệu dệt thường được làm từ nhiều sợi dây dệt và phủ lớp bảo vệ. Lớp phủ này giúp thiết bị chống nước, cho phép hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết. Các sợi dây dệt kiểm soát tốc độ cháy, phụ thuộc vào loại vật liệu tạo nên chúng, số lượng và đường kính của từng sợi, cũng như đường kính của lõi bột thuốc súng. Ngòi cháy chậm có thể mất 30 giây để cháy hết 30 cm, trong khi ngòi cháy nhanh có thể cháy hàng trăm mét trong một giây.

Cấu hình của pháo hoa

Ba cấu hình chính của pháo hoa bao gồm thuốc nâng, ngòi nổ, thuốc nổ phá và ngôi sao đều có thể nhìn thấy. Trong mọi trường hợp, thuốc nâng sẽ phóng pháo hoa lên từ ống phóng, đốt cháy ngòi nổ, sau đó ngòi tiếp tục cháy cho đến khi kích hoạt thuốc nổ phá, giúp nung nóng và phân tán ngôi sao ra không gian rộng lớn.

Giai đoạn thứ ba là thuốc nổ phá, quyết định kích thước và cách phân bố không gian của ngôi sao bên trong. Nhìn chung, pháo hoa càng được bắn lên cao và vỏ càng lớn, thì thuốc nổ phá càng cần mạnh hơn để đẩy phần bên trong vỏ ra ngoài.

Thông thường, bên trong pháo hoa sẽ có một ngòi nổ nối với thuốc nổ phá, xung quanh được bao bọc bởi ngôi sao tạo màu sắc.

Thuốc nổ phá có thể chỉ đơn giản là một dạng thuốc súng đen như thuốc súng thông thường. Tuy nhiên, nó cũng có thể phức tạp hơn nhiều, như loại thuốc nổ flash phát ra âm thanh lớn và ấn tượng hơn, hoặc một hệ thống nổ nhiều giai đoạn để đẩy ngôi sao theo nhiều hướng khác nhau. Bằng cách sử dụng các hợp chất hóa học khác nhau với các cấu hình lượng tử khác nhau, chúng ta có thể điều chỉnh năng lượng giải phóng, kích thước vụ nổ cũng như thời gian phân tán và kích hoạt của ngôi sao.

Các mô hình hình dạng khác nhau và đường bay của pháo hoa phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc và thành phần hóa học của ngôi sao bên trong. Giai đoạn cuối cùng này là yếu tố tạo ra ánh sáng và màu sắc cho pháo hoa, đồng thời cũng là nơi mà vật lý lượng tử đóng vai trò quan trọng nhất.

Điều thú vị nhất nằm ở giai đoạn cuối cùng: khi ngôi sao bốc cháy. Thuốc nổ phá sẽ nâng nhiệt độ bên trong lên mức đủ cao để tạo ra ánh sáng và màu sắc mà chúng ta thường thấy trong những màn trình diễn pháo hoa ngoạn mục.

Cách giải thích đơn giản là chúng ta có thể đưa các hợp chất hóa học khác nhau vào ngôi sao, và khi chúng đạt đến nhiệt độ thích hợp, chúng sẽ phát ra ánh sáng có màu sắc khác nhau.

Tuy nhiên, cách giải thích này bỏ qua yếu tố quan trọng nhất: cơ chế phát ra các màu sắc này. Khi ta cung cấp đủ năng lượng cho một nguyên tử hoặc phân tử, ta có thể kích thích hoặc thậm chí ion hóa các electron vốn giúp nó giữ trạng thái trung hòa về điện. Khi các electron bị kích thích này quay trở lại trạng thái cơ bản trong nguyên tử, phân tử hoặc ion, chúng sẽ phát ra photon, tạo ra các vạch phát xạ có tần số đặc trưng. Nếu các vạch này nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy, mắt người sẽ có thể quan sát được chúng.

Cơ chế lượng tử quyết định màu sắc của pháo hoa

Mô hình nguyên tử truyền thống, hiện đã hơn 100 năm tuổi, mô tả một hạt nhân mang điện tích dương được các electron mang điện tích âm quay quanh. Mặc dù mô hình Bohr đã lỗi thời, nhưng kích thước của nguyên tử vẫn được xác định bởi tỷ lệ điện tích trên khối lượng của electron. Nếu electron nặng hơn hoặc nhẹ hơn, nguyên tử sẽ nhỏ hơn hoặc lớn hơn, đồng thời cũng sẽ khó hoặc dễ bị ion hóa hơn tương ứng.

Vậy điều gì quyết định các vạch phát xạ mà một nguyên tố hoặc hợp chất sở hữu? Đó chính là cơ học lượng tử của khoảng cách giữa các mức năng lượng vốn có của chất đó. Ví dụ, natri nung nóng sẽ phát ra ánh sáng vàng đặc trưng, với hai vạch phát xạ rất hẹp ở 588 và 589 nanomet. Bạn có thể quen thuộc với hiện tượng này nếu bạn sống ở thành phố, vì hầu hết các đèn đường màu vàng bạn thấy đều được phát sáng bởi natri nguyên tố.

Khi áp dụng vào pháo hoa, có rất nhiều nguyên tố và hợp chất có thể được sử dụng để phát ra nhiều màu sắc khác nhau. Các hợp chất khác nhau của Barium, Natri, Đồng và Strontium có thể tạo ra màu sắc trải dài khắp quang phổ nhìn thấy, và chính các hợp chất được đưa vào ngôi sao của pháo hoa là thứ quyết định những gì chúng ta nhìn thấy.

Thực tế, toàn bộ quang phổ màu sắc có thể đạt được chỉ với một số ít hợp chất thông thường.

Bên trong đường cong này là mối quan hệ giữa màu sắc, bước sóng và nhiệt độ trong không gian sắc độ. Dọc theo các cạnh, nơi màu sắc bão hòa nhất, có thể thấy nhiều nguyên tố, ion và hợp chất với các vạch phát xạ khác nhau. Lưu ý rằng nhiều nguyên tố hoặc hợp chất có nhiều vạch phát xạ liên quan đến chúng, và tất cả những điều này đều được ứng dụng vào pháo hoa.

Do sự dễ dàng trong việc tạo ra barium oxide trong phản ứng đốt cháy, một số màu sắc của pháo hoa, chẳng hạn như xanh lá rừng hoặc xanh đại dương, vẫn còn là một thách thức lớn.

Điều ấn tượng nhất về tất cả những điều này có lẽ là màu sắc mà chúng ta nhìn thấy bằng mắt người không nhất thiết phải giống với màu sắc thực sự được phát ra từ pháo hoa. Ví dụ, nếu bạn phân tích ánh sáng phát ra từ một tia laser màu tím, bạn sẽ thấy rằng các photon phát ra có bước sóng cụ thể tương ứng với vùng tím trong quang phổ.

Các chuyển đổi lượng tử tạo ra laser luôn tạo ra các photon có cùng bước sóng chính xác, và mắt chúng ta nhìn thấy chúng đúng như vậy. Các loại tế bào hình nón trong mắt phản ứng với tín hiệu này theo cách khiến não bộ xây dựng một tín hiệu tương ứng với ánh sáng có màu tím.

Cơ chế hoạt động của Laser

Một bộ bút laser Q-line cho thấy sự đa dạng về màu sắc và kích thước nhỏ gọn, điều nay đã trở nên phổ biến trong công nghệ laser. Bằng cách bơm các electron vào trạng thái kích thích và kích thích chúng bằng một photon có bước sóng mong muốn, ta có thể khiến chúng phát ra một photon khác có cùng năng lượng và bước sóng. Đây chính là cách ánh sáng laser được tạo ra: thông qua quá trình phát xạ kích thích.

Nhưng nếu bạn nhìn vào màu tím không phải từ một nguồn đơn sắc như laser, mà từ màn hình điện thoại hoặc máy tính, bạn sẽ thấy rằng thực tế không có photon nào có màu tím thực sự chiếu vào mắt bạn cả! Thay vào đó, như Chad Orzel đã từng lưu ý:

Mắt chúng ta tạo ra màu sắc mà ta nhìn thấy từ phản ứng của ba loại tế bào trong võng mạc, mỗi loại nhạy với một phạm vi màu sắc cụ thể. Một loại nhạy nhất với ánh sáng có màu xanh lam (bước sóng ngắn), một loại nhạy nhất với ánh sáng đỏ (bước sóng dài), và loại thứ ba nhạy nhất với ánh sáng vàng – xanh lá. Dựa trên mức độ phản ứng của từng tế bào này với ánh sáng tới, não bộ của chúng ta tạo ra cảm nhận về màu sắc.

Nói cách khác, chìa khóa để tạo ra màn trình diễn pháo hoa ấn tượng không nhất thiết phải là phát ra ánh sáng có màu cụ thể tương ứng với một bước sóng nhất định, mà là tạo ra ánh sáng kích thích đúng các tế bào trong mắt chúng ta để khiến não bộ cảm nhận một màu sắc mong muốn.

Một tia laser tím phát ra các photon có bước sóng rất cụ thể và hẹp, vì mỗi photon mang cùng một mức năng lượng. Đường cong màu xanh lam trong hình thể hiện các photon tím được phát ra. Trong khi đó, đường cong màu xanh lá thể hiện cách màn hình máy tính mô phỏng cùng một màu tím bằng cách sử dụng sự pha trộn của nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau. Cả hai đều xuất hiện có cùng màu tím đối với mắt người, nhưng chỉ có một trong hai thực sự phát ra các photon có màu sắc giống như cách mắt ta cảm nhận.

Pháo hoa có vẻ như là những thiết bị nổ tương đối đơn giản. Đặt một liều phóng ở đáy ống để đưa pháo hoa lên độ cao mong muốn, châm ngòi nổ với chiều dài phù hợp để đạt đến khối nổ tại đỉnh quỹ đạo, kích nổ khối nổ để phân tán các ngôi sao ở nhiệt độ cao, và sau đó thưởng thức màn trình diễn ánh sáng và âm thanh đầy màu sắc.

Nhưng nếu ta xem xét kỹ hơn, ta sẽ hiểu được cách vật lý lượng tử đóng vai trò trong từng phản ứng này. Nếu thêm một chút yếu tố bổ sung – chẳng hạn như hệ thống đẩy hoặc nhiên liệu bên trong mỗi ngôi sao, ánh sáng màu sắc có thể xoay tròn, bay lên hoặc di chuyển theo hướng ngẫu nhiên. Hãy tận hưởng ngày Quốc khánh Mỹ một cách an toàn, đồng thời trang bị cho mình kiến thức giúp bạn hiểu rõ hơn về cách màn trình diễn ánh sáng ngoạn mục nhất trong năm thực sự hoạt động!