Vật thể nào nhanh nhất trên Trái Đất?

Một con tàu vũ trụ rời bệ phóng, một chiếc xe đua lao đi trên đường, một con báo rượt theo con mồi - Trái Đất, quê hương của chúng ta, đầy những kỳ tích tốc độ cao.

Nhưng thứ nhanh nhất trên Trái Đất là gì? Câu trả lời tùy vào việc bạn định nghĩa thế nào là "thứ gì" và thế nào là "trên Trái Đất". Và những ứng cử viên hàng đầu là hạt neutrino và hạt photon lại là những thứ không nhìn thấy được bằng mắt thường.

Câu trả lời dễ nhất có lẽ là "ánh sáng". Trong chân không, ánh sáng di chuyển với tốc độ khoảng 300.000 km/giây. Không có thứ gì trong vũ trụ mà chúng ta biết đến có thể đi nhanh hơn tốc độ đó.

Nhưng ánh sáng có phải là một "vật" hay một "thứ" không? Các nhà vật lý học không hoàn toàn đồng ý như vậy.

Một số nhà vật lý học cho rằng ánh sáng không phải là một vật vì nó không có khối lượng, một số khác cho rằng có, vì những đặc điểm riêng của cơ học lượng tử, ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Trong khi hầu hết các nhà vật lý học đều cho rằng hạt là vật chất, là một "vật".

Trong vũ trụ chân không, những hạt photon này là những thứ nhanh nhất. Trên Trái Đất, nếu ở ngoài phòng chân không, thì việc này phức tạp hơn. Khi một hạt photon va vào khí quyển Trái Đất, tốc độ của nó giảm đi một chút.

Sau đó, trong những điều kiện thích hợp, nó có thể có "đối thủ cạnh tranh". Đó là vì không phải tất cả các hạt đều bị khí quyển làm chậm lại như hạt photon.

Nhà vật lý học John Mathews ở Trường đại học Utah, Mỹ, cho biết một số hạt có tốc độ cực nhanh và có nguồn gốc từ các tia vũ trụ năng lượng cực cao hoặc từ những cơn mưa hạt hạ nguyên tử rơi xuống Trái Đất. Một trong số những hạt này được các nhà khoa học phát hiện vào năm 1991 và đặt tên là hạt Oh-My-God.

Những loại hạt như vậy bắt đầu chuyển động nhanh gần bằng ánh sáng trong môi trường chân không, nhưng khi chúng và vào khí quyển Trái Đất, chúng vẫn chỉ tiếp tục lao về phía trước, vì thế chúng vượt qua cả tốc độ ánh sáng trong khí quyển.

Điều đó khiến các hạt Oh-My-God trở thành một trong những thứ có khối lượng mà chuyển động nhanh nhất trên Trái Đất. Tuy vậy, chúng vẫn không phải là thứ nhanh nhất, mà chính hạt neutrino mới giữ kỷ lục.

Hạt Oh-My-God là một hạt proton, hay ít nhất là rất giống với proton và như vậy là khá nặng so với các hạt hạ nguyên tử. Một hạt neutrino nhẹ hơn ít nhất là 10 tỷ lần so với một hạt proton, vì thế theo các định luật vật lý cơ bản thì nó có thể di chuyển nhanh hơn với cùng một lượng năng lượng.

Nhưng về lý thuyết thì như vậy, hạt neutrino có thể di chuyển rất nhanh, nhưng lại khá khó để xác định chúng trên thực tế.

Trong một thí nghiệm dài ngày ở Nam Cực, các nhà vật lý học đã đặt máy dò bên trong một khối băng có thể tích 1 km3 với hy vọng tìm thấy neutrino năng lượng cao.

Bên trong băng, một neutrino có đủ năng lượng có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Khi neutrino năng lượng cao đó va chạm với hạt nhân của một nguyên tử trong băng, nó có thể tạo ra các hạt hạ nguyên tử tích điện cũng chuyển động nhanh hơn ánh sáng.

Những hạt cực nhanh này phát ra một tia sáng gọi là bức xạ Cherenkov, khiến neutrino có thể được phát hiện một cách gián tiếp.

Năm 2016, các nhà khoa học tiến hành thí nghiệm đó đã phát hiện thấy neutrino năng lượng cao nhất.

"Theo như những gì chúng ta biết thì đây là những hạt nhanh nhất" - nhà vật lý học Bill Louis ở Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Mỹ, cho biết. Không hạt nào có khối lượng có thể đạt tốc độ ánh sáng trong chân không, nhưng nếu nó cực kỳ nhẹ và có rất nhiều năng lượng, nó có thể đạt gần đến tốc độ ánh sáng.

Gần đến mức nào? Nếu coi một vật chuyển động nhanh bằng 99,99% tốc độ ánh sáng thì giá trị này gồm 4 con số 9, mà hạt neutrino siêu nhanh được phát hiện năm 2016 có tốc độ 33 con số 9, còn hạt Oh-My-God có tốc độ khoảng 20 đến 24 con số 9. Hạt Oh-My-God có nhiều năng lượng hơn nhưng khối lượng cũng lớn hơn.

Chúng ta có thể so sánh với các hạt trong máy gia tốc để thấy rõ hơn sự chênh lệch. Tốc độ nhanh nhất mà các hạt đạt được trong máy gia tốc hạt nhân tạo chỉ có 7 con số 9.

Trong khi đó, những hạt siêu nhanh kỷ lục này lại được tạo ra từ các "máy gia tốc hạt" tự nhiên trong vũ trụ. Chúng ta không biết những "cỗ máy" này hoạt động như thế nào nhưng nó thực sự cho chúng ta thấy thiên nhiên thật tuyệt vời trước hiểu biết của con người.

Theo LiveScience