Liệu có đúng rằng photon thực sự sống mãi mãi?

Trong toàn bộ Vũ trụ, chỉ có một vài hạt là ổn định vĩnh cửu. Photon – lượng tử của ánh sáng – có thời gian tồn tại vô hạn. Nhưng có thật như vậy không?

Một trong những ý tưởng bền vững nhất trong toàn bộ Vũ trụ là mọi thứ đang tồn tại hiện nay sẽ một ngày nào đó chấm dứt sự tồn tại của chúng. Các ngôi sao, thiên hà và thậm chí các lỗ đen trong không gian của Vũ trụ chúng ta cuối cùng cũng sẽ lụi tàn, tan biến hoặc phân rã, để lại trạng thái mà chúng ta gọi là cái chết nhiệt: nơi không còn bất kỳ năng lượng nào có thể được khai thác, dưới bất kỳ hình thức nào, từ một trạng thái cân bằng, đồng nhất và đạt cực đại entropy.

Thực thể ổn định duy nhất của Vũ trụ

Tuy nhiên, có lẽ sẽ có những ngoại lệ đối với quy tắc chung này, và một số thứ sẽ thực sự sống mãi mãi. Một ứng viên cho thực thể ổn định thực sự: photon

Một ứng viên cho thực thể ổn định vĩnh cửu là photon: lượng tử của ánh sáng. Tất cả bức xạ điện từ tồn tại trong Vũ trụ đều được tạo thành từ photon, và photon, theo những gì chúng ta biết, có thời gian tồn tại vô hạn.

Liệu điều này có nghĩa là ánh sáng sẽ thực sự sống mãi mãi? Đây không phải là một câu hỏi dễ dàng để trả lời. Chúng ta có thể hình dung các tình huống mà photon tồn tại vĩnh viễn, nhưng cũng có thể tưởng tượng các trường hợp mà chúng phân rã, chuyển đổi thành các hạt khác, hoặc thậm chí biến thành một thứ gì đó hoàn toàn mới mẻ và bất ngờ. Đây là một câu hỏi lớn và hấp dẫn, đưa chúng ta tới giới hạn của mọi hiểu biết về Vũ trụ. Và dưới đây là câu trả lời tốt nhất mà khoa học hiện nay có thể cung cấp.

Như lần đầu được Vesto Slipher ghi nhận vào những năm 1910, một số vật thể mà chúng ta quan sát được thể hiện các dấu hiệu quang phổ của sự hấp thụ hoặc phát xạ từ các nguyên tử, ion hoặc phân tử cụ thể, nhưng với sự dịch chuyển có hệ thống về phía đỏ hoặc phía xanh của quang phổ ánh sáng.

Khi kết hợp với các phép đo khoảng cách tới những vật thể đó, dữ liệu này đã làm nảy sinh ý tưởng ban đầu về Vũ trụ giãn nở: các thiên hà càng xa thì ánh sáng của chúng càng bị dịch chuyển đỏ nhiều hơn khi đến mắt và dụng cụ của chúng ta.

Lần đầu tiên câu hỏi về việc photon có thời gian tồn tại hữu hạn xuất hiện, đó là vì một lý do rất chính đáng: chúng ta vừa phát hiện ra bằng chứng quan trọng về Vũ trụ giãn nở. Các tinh vân xoắn ốc và tinh vân hình elip trên bầu trời được chứng minh là các thiên hà, hoặc các Vũ trụ đảo như chúng được gọi khi đó, nằm xa hơn rất nhiều so với quy mô và phạm vi của Dải Ngân Hà.

Những tập hợp của hàng triệu, hàng tỷ, hoặc thậm chí hàng nghìn tỷ ngôi sao này nằm cách chúng ta ít nhất hàng triệu năm ánh sáng, đặt chúng nằm hoàn toàn bên ngoài Dải Ngân Hà. Hơn nữa, nhanh chóng được chứng minh rằng những vật thể xa xôi này không chỉ cách xa chúng ta mà còn dường như đang rời xa chúng ta, vì chúng càng xa, ánh sáng của chúng càng bị dịch chuyển đều đặn về các bước sóng đỏ hơn.

Nguồn gốc của thuyết ánh sáng mệt mỏi

Tất nhiên, khi dữ liệu này được phổ biến rộng rãi vào những năm 1920 và 1930, chúng ta đã hiểu rõ về bản chất lượng tử của ánh sáng, điều này dạy rằng bước sóng của ánh sáng quyết định năng lượng của nó.

Chúng ta cũng đã nắm vững cả thuyết tương đối hẹp và rộng, dạy rằng một khi ánh sáng rời khỏi nguồn phát, cách duy nhất để thay đổi tần số của nó là:

1. Để nó tương tác với một dạng vật chất và/ hoặc năng lượng.

2. Để người quan sát di chuyển tới gần hoặc ra xa nguồn sáng.

3. Để các thuộc tính đường cong của không gian tự thay đổi, chẳng hạn như do sự dịch chuyển đỏ hoặc xanh của trọng lực hoặc sự giãn nở/thâu hẹp của Vũ trụ.

Lời giải thích đầu tiên, đặc biệt, đã dẫn tới sự hình thành một vũ trụ học thay thế thú vị: vũ trụ học ánh sáng mệt mỏi.

Được Fritz Zwicky đề xuất lần đầu vào năm 1929 – đúng vậy, chính Fritz Zwicky đã đặt ra thuật ngữ siêu tân tinh, đưa ra giả thuyết về vật chất tối và từng thử làm dịu không khí nhiễu loạn trong khí quyển bằng cách bắn súng qua ống kính kính thiên văn của mình – giả thuyết ánh sáng mệt mỏi đưa ra ý tưởng rằng ánh sáng mất năng lượng khi truyền qua các va chạm với các hạt khác trong không gian giữa các thiên hà.

Lý luận là: càng có nhiều không gian để truyền qua, ánh sáng càng mất nhiều năng lượng hơn do các tương tác này. Điều đó sẽ giải thích, thay vì vận tốc riêng biệt hay sự giãn nở vũ trụ, tại sao ánh sáng từ các vật thể xa xôi lại bị dịch chuyển đỏ nghiêm trọng hơn.

Tuy nhiên, để kịch bản này đúng, cần có hai dự đoán phải được kiểm chứng.

Đầu tiên, khi ánh sáng truyền qua một môi trường, dù là một môi trường loãng, nó sẽ giảm tốc độ từ tốc độ ánh sáng trong chân không xuống tốc độ ánh sáng trong môi trường đó. Sự giảm tốc độ này sẽ ảnh hưởng tới ánh sáng ở các tần số khác nhau với mức độ khác nhau.

Giống như ánh sáng khi đi qua một lăng kính bị tách thành các màu sắc khác nhau, ánh sáng truyền qua một môi trường giữa các thiên hà tương tác với nó cũng sẽ bị giảm tốc độ với các bước sóng khác nhau. Khi ánh sáng đó quay trở lại một chân không thật sự, nó sẽ tiếp tục di chuyển với tốc độ ánh sáng trong chân không.

Tuy nhiên, khi chúng ta quan sát ánh sáng từ các nguồn ở những khoảng cách khác nhau, không có sự phụ thuộc nào vào bước sóng trong lượng dịch chuyển đỏ mà ánh sáng thể hiện.

Thay vào đó, ở mọi khoảng cách, tất cả các bước sóng của ánh sáng phát ra đều bị dịch chuyển đỏ cùng một tỷ lệ. Không có sự phụ thuộc vào bước sóng đối với hiện tượng dịch chuyển đỏ.

Vì kết quả quan sát này không cho thấy điều gì khác biệt, nên dự đoán đầu tiên của thuyết ánh sáng mệt mỏi đã bị bác bỏ.

Tiếp theo, nếu ánh sáng mất năng lượng khi truyền qua không gian, thì năng lượng đó phải được truyền sang một thứ gì đó khác. Năng lượng không thể tự biến mất – đây là một trong những nguyên tắc cơ bản của bảo toàn năng lượng.

Nếu photon mất năng lượng khi va chạm với các hạt khác trong môi trường giữa các thiên hà, thì các hạt này sẽ phải nhận năng lượng đó, dẫn đến các thay đổi có thể quan sát được, chẳng hạn như sự gia tăng động năng của các hạt tương tác hoặc sự phát ra bức xạ mới dưới dạng ánh sáng bước sóng dài hơn.

Tuy nhiên, chúng ta không hề quan sát được bất kỳ dấu hiệu nào như vậy. Bất chấp mọi nỗ lực tìm kiếm, không có bằng chứng nào chỉ ra rằng ánh sáng từ các nguồn xa xôi truyền qua không gian lại gây ra sự gia tăng năng lượng cho các hạt hoặc dẫn đến bất kỳ dạng bức xạ phụ nào.

Những quan sát này đã bác bỏ hoàn toàn thuyết ánh sáng mệt mỏi như một lời giải thích khả thi cho hiện tượng dịch chuyển đỏ.

Điều này có nghĩa là dịch chuyển đỏ mà chúng ta quan sát được từ ánh sáng của các thiên hà xa xôi không thể giải thích bằng cơ chế mất năng lượng của photon qua không gian. Thay vào đó, các lý thuyết hiện đại về sự giãn nở của không gian – nền tảng của thuyết Vụ Nổ Lớn (Big Bang) – vẫn là lời giải thích tốt nhất cho hiện tượng này.

Nếu ánh sáng từ những nguồn xa hơn mất năng lượng nhiều hơn khi truyền qua một môi trường có tổn hao lớn hơn so với ánh sáng từ những nguồn gần hơn, thì các vật thể ở xa hơn đó sẽ xuất hiện mờ dần đi, càng xa càng mờ so với những vật thể gần hơn.

Và một lần nữa, khi chúng ta kiểm tra dự đoán này, chúng ta thấy rằng nó hoàn toàn không phù hợp với các quan sát. Các thiên hà xa hơn, khi được quan sát cùng với các thiên hà gần hơn, xuất hiện sắc nét và có độ phân giải cao tương đương như các thiên hà gần hơn. Điều này đúng, chẳng hạn, đối với cả năm thiên hà trong Stephan’s Quintet, cũng như đối với các thiên hà nền nằm phía sau cả năm thành viên của nhóm này. Dự đoán này cũng bị bác bỏ.

Thiên hà chính của Stephan’s Quintet, được công bố bởi Kính Viễn Vọng Không Gian James Webb (JWST) vào ngày 12 tháng 7 năm 2022. Thiên hà bên trái chỉ cách chúng ta khoảng ~15% khoảng cách so với các thiên hà còn lại, và các thiên hà nền ở phía sau thì xa hơn hàng chục lần. Tuy nhiên, tất cả chúng đều sắc nét như nhau qua mắt kính của JWST, chứng minh rằng Vũ trụ tràn ngập các ngôi sao và thiên hà ở hầu như mọi nơi chúng ta quan sát. Nguồn: NASA, ESA, CSA và STScI

Mặc dù những quan sát này đủ để bác bỏ thuyết ánh sáng mệt mỏi – và trên thực tế, chúng đủ mạnh để bác bỏ lý thuyết này ngay khi nó được đề xuất – đó chỉ là một cách mà ánh sáng có thể trở nên không ổn định. Ánh sáng có thể bị tiêu tan hoặc chuyển hóa thành các hạt khác, và có nhiều cách thú vị để suy nghĩ về những khả năng này.

Hiện tượng dịch chuyển đỏ và sự giãn nở của Vũ trụ

Khả năng đầu tiên đơn giản xuất phát từ thực tế là chúng ta có dịch chuyển đỏ vũ trụ. Mỗi photon được tạo ra, bất kể nó được sinh ra như thế nào – từ quá trình nhiệt, từ một chuyển tiếp lượng tử hay từ bất kỳ tương tác nào khác – sẽ lan truyền qua Vũ trụ cho đến khi nó va chạm và tương tác với một lượng tử năng lượng khác.

Nhưng nếu bạn là một photon được phát ra từ một chuyển tiếp lượng tử, trừ khi bạn có thể tham gia vào phản ứng lượng tử ngược trong thời gian ngắn, bạn sẽ bắt đầu di chuyển qua không gian giữa các thiên hà, với bước sóng của bạn kéo dài ra do sự giãn nở của Vũ trụ. Nếu bạn không may mắn bị hấp thụ bởi một trạng thái lượng tử ràng buộc có tần số chuyển tiếp phù hợp, bạn sẽ tiếp tục bị dịch chuyển đỏ cho đến khi bước sóng của bạn vượt quá giới hạn dài nhất có thể khiến bạn bị hấp thụ lần nữa.

Tuy nhiên, có một tập hợp các khả năng khác đối với mọi photon: chúng có thể tương tác với các hạt lượng tử tự do khác, gây ra bất kỳ số lượng hiệu ứng nào.

Điều này bao gồm hiện tượng tán xạ, nơi một hạt mang điện – thường là electron – hấp thụ và sau đó phát ra một photon. Điều này liên quan đến việc trao đổi cả năng lượng lẫn động lượng và có thể khiến hạt mang điện hoặc photon tăng năng lượng, đổi lại khiến đối tượng kia mất năng lượng.

Ở các năng lượng đủ cao, va chạm giữa một photon với một hạt khác – thậm chí với một photon khác, nếu năng lượng đủ lớn – có thể tự phát tạo ra một cặp hạt-phản hạt, miễn là có đủ năng lượng khả dụng để tạo chúng qua phương trình E = mc² của Einstein.

Trên thực tế, các tia vũ trụ có năng lượng cao nhất có thể thực hiện điều này ngay cả với các photon năng lượng cực thấp thuộc về bức xạ phông vi sóng vũ trụ: ánh sáng còn sót lại từ Vụ Nổ Lớn. Đối với các tia vũ trụ có năng lượng trên ~10¹⁷ eV, một photon CMB điển hình có khả năng tạo ra cặp electron-positron.

Ở năng lượng thậm chí cao hơn, khoảng ~10²⁰ eV, một photon CMB có khả năng lớn chuyển hóa thành pion trung hòa, điều này nhanh chóng làm mất năng lượng của tia vũ trụ. Đây là lý do chính giải thích tại sao có sự giảm mạnh trong số lượng các tia vũ trụ có năng lượng cao nhất: chúng vượt qua ngưỡng năng lượng tới hạn này.

Vũ trụ đầy ắp photon

Nói cách khác, ngay cả các photon năng lượng cực thấp cũng có thể bị chuyển đổi thành các hạt khác – không phải photon – bằng cách va chạm với một hạt khác có năng lượng đủ cao.

Ngoài ra, còn có một cách thứ ba để thay đổi một photon ngoài việc giãn nở vũ trụ hoặc chuyển hóa thành các hạt có khối lượng nghỉ khác 0: đó là thông qua tán xạ với một hạt dẫn đến việc tạo ra thêm các photon. Trong hầu như mọi tương tác điện từ, hoặc tương tác giữa một hạt mang điện và ít nhất một photon, đều có các hiệu chỉnh bức xạ xuất hiện trong lý thuyết trường lượng tử.

Mỗi lần bạn có một hạt năng lượng cao với khối lượng nghỉ dương và nhiệt độ dương, các hạt đó cũng sẽ phát ra photon: mất năng lượng dưới dạng photon.

Photon rất, rất dễ tạo ra, và mặc dù có thể hấp thụ chúng bằng cách gây ra các chuyển tiếp lượng tử thích hợp, hầu hết các trạng thái kích thích sẽ giảm kích thích sau một khoảng thời gian nhất định. Giống như câu nói cũ rằng Cái gì đi lên phải đi xuống, các hệ lượng tử được kích thích lên năng lượng cao hơn thông qua việc hấp thụ photon cuối cùng sẽ giảm kích thích, tạo ra ít nhất số photon bằng số photon đã hấp thụ, thường với tổng năng lượng ròng tương đương.

Khi một nguyên tử hydro hình thành, electron và proton có khả năng tương đương để có spin thẳng hàng hoặc ngược chiều nhau. Nếu chúng ngược chiều, sẽ không có chuyển tiếp nào xảy ra, nhưng nếu chúng thẳng hàng, chúng có thể xuyên hầm lượng tử để chuyển đến trạng thái năng lượng thấp hơn, phát ra một photon có bước sóng rất cụ thể (21 cm) trong những khoảng thời gian rất dài và chính xác.

Độ chính xác của chuyển tiếp này đã được đo lường tốt hơn 1 phần trong một nghìn tỷ và không thay đổi trong nhiều thập kỷ từ khi được phát hiện. Đây là ánh sáng đầu tiên được phát ra trong Vũ trụ sau khi các nguyên tử trung hòa hình thành, thậm chí trước cả khi các ngôi sao đầu tiên xuất hiện. Hiện tượng này cũng tái diễn bất cứ khi nào các ngôi sao mới được hình thành, bức xạ cực tím sẽ ion hóa các nguyên tử hydro, và dấu hiệu này xuất hiện trở lại khi các nguyên tử tái hình thành tự nhiên.

Dù có rất nhiều cách để tạo ra photon, bạn có thể sẽ tò mò tìm hiểu cách hủy diệt chúng. Chờ đợi hiệu ứng dịch chuyển đỏ vũ trụ làm giảm năng lượng photon đến giá trị tiệm cận thấp là một quá trình kéo dài vô tận.

Mỗi khi Vũ trụ mở rộng gấp đôi kích thước, mật độ năng lượng từ photon giảm đi 16 lần – tương đương (2^4).

– Một yếu tố giảm đi 8 lần là do số lượng photon vẫn cố định, trong khi thể tích của Vũ trụ quan sát được tăng gấp 8 lần.

– Yếu tố thứ tư là do sự giãn nở vũ trụ kéo dài bước sóng photon gấp đôi, làm giảm một nửa năng lượng trên mỗi photon.

Theo thời gian dài, mật độ năng lượng photon trong Vũ trụ sẽ tiệm cận về 0, nhưng sẽ không bao giờ đạt đến giá trị đó.

Năng lượng tối là một dạng năng lượng vốn có trong không gian. Khi không gian mới được tạo ra trong Vũ trụ giãn nở, mật độ năng lượng tối vẫn giữ nguyên.

Điều này có nghĩa là ngay cả khi năng lượng photon giảm tiệm cận về 0, các hiện tượng liên quan đến năng lượng tối vẫn đảm bảo rằng photon không bao giờ biến mất hoàn toàn.

Khả năng chuyển đổi photon thành hạt khác

Một số giả thuyết cho rằng photon có thể chuyển đổi thành các hạt có khối lượng nghỉ nhỏ, như axion, axino, hoặc các cặp Cooper kỳ lạ, nhưng điều này chỉ xảy ra nếu photon có năng lượng đủ cao để chuyển đổi thông qua (E = mc^2).

Khi năng lượng photon bị dịch chuyển đỏ dưới một ngưỡng nhất định, khả năng này sẽ không còn xảy ra.

Tương tự, photon có thể bị hấp thụ khi chúng gặp lỗ đen. Một khi photon vượt qua chân trời sự kiện, chúng không thể thoát ra và sẽ góp phần tăng khối lượng lỗ đen.

Tuy nhiên, ngay cả điều này cũng có giới hạn. Khi mật độ Vũ trụ giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, các lỗ đen sẽ bắt đầu phân rã thông qua bức xạ Hawking nhanh hơn tốc độ chúng tăng trưởng.

Trong khoảng (10^{100}) năm tới, mọi lỗ đen trong Vũ trụ sẽ hoàn toàn phân rã, và sản phẩm phân rã chủ yếu là photon.

Dù vậy, photon sẽ không bao giờ thực sự biến mất, bởi vẫn còn một yếu tố khác duy trì sự hiện diện của chúng.

Vũ trụ vẫn chứa năng lượng tối. Giống như một vật thể với chân trời sự kiện, như lỗ đen, liên tục phát ra photon do sự khác biệt gia tốc gần và xa chân trời sự kiện, Vũ trụ với chân trời vũ trụ cũng tạo ra bức xạ nhiệt liên tục.

Theo hằng số vũ trụ học hiện tại, điều này tạo ra một phổ bức xạ vật đen với nhiệt độ khoảng (10^{-30}) K, sẽ luôn tràn ngập không gian bất kể thời gian trôi qua bao lâu.

Nói cách khác, dù qua hàng tỷ tỷ năm nữa, photon sẽ luôn tồn tại, duy trì sự hiện diện của chúng như một phần cơ bản của Vũ trụ.

Từ bên ngoài lỗ đen, mọi vật chất rơi vào sẽ phát ra ánh sáng và luôn có thể nhìn thấy, trong khi không có gì từ phía sau chân trời sự kiện có thể thoát ra.

Nhưng nếu bạn là người rơi vào lỗ đen, năng lượng của bạn có thể tái xuất hiện dưới dạng một phần của Vụ Nổ Lớn nóng trong một Vũ trụ mới được sinh ra.

Vũ trụ không bao giờ đạt đến nhiệt độ không tuyệt đối

Ngay cả vào thời điểm cuối cùng, bất kể chúng ta tiến xa đến đâu trong tương lai, Vũ trụ sẽ luôn tiếp tục tạo ra bức xạ, đảm bảo rằng nó sẽ không bao giờ đạt đến nhiệt độ không tuyệt đối.

Điều này đồng nghĩa với việc nó sẽ luôn chứa photon, và ngay cả ở mức năng lượng thấp nhất mà photon có thể đạt được, sẽ không có điều gì khác để photon phân rã hoặc chuyển hóa thành.

Mặc dù mật độ năng lượng của Vũ trụ sẽ tiếp tục giảm khi Vũ trụ mở rộng, và năng lượng vốn có của mỗi photon sẽ tiếp tục giảm theo thời gian, nhưng sẽ không bao giờ tồn tại thứ gì cơ bản hơn để chúng chuyển đổi thành.

Có những kịch bản kỳ lạ mà chúng ta có thể tưởng tượng ra để thay đổi câu chuyện này.

– Có lẽ photon thực sự có một khối lượng nghỉ khác 0, khiến chúng chậm lại dưới tốc độ ánh sáng khi thời gian trôi qua đủ lâu.

– Có lẽ photon thực sự không ổn định, và chúng có thể phân rã thành thứ gì đó thực sự không có khối lượng, như sự kết hợp của các hạt graviton.

– Và có lẽ sẽ có một dạng chuyển pha xảy ra trong tương lai xa, nơi photon sẽ bộc lộ tính không ổn định thực sự và phân rã thành một trạng thái lượng tử chưa được biết đến.

Nhưng nếu tất cả những gì chúng ta có chỉ là photon như cách chúng ta hiểu trong Mô Hình Chuẩn, thì photon thực sự ổn định.

Một Vũ trụ chứa năng lượng tối đảm bảo rằng, ngay cả khi các photon hiện tại bị dịch chuyển đỏ đến mức năng lượng cực thấp, những photon mới sẽ luôn được tạo ra.

Điều này dẫn đến một Vũ trụ luôn có một số lượng photon hữu hạn và mật độ năng lượng photon dương ở mọi thời điểm.

Chúng ta chỉ có thể chắc chắn về các quy luật đến mức mà chúng ta đã đo lường được, nhưng trừ khi còn một mảnh ghép lớn mà chúng ta chưa khám phá, chúng ta có thể tin tưởng rằng photon có thể mờ dần, nhưng chúng sẽ không bao giờ thực sự biến mất.