Language
Country/Area
No result found
Nguồn gốc bí ẩn của positron: Tại sao dự đoán của Dirac năm 1928 lại làm thay đổi cộng đồng khoa học?
Năm 1928, nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã đề xuất một lý thuyết không chỉ làm thay đổi bối cảnh của vật lý hạt mà còn có tác động sâu sắc đến sự phát triển của cơ học lượng tử. Trong bài báo này, ông đã giới thiệu phương trình Dirac, cho phép chúng ta hiểu rằng electron không chỉ có giải pháp năng lượng âm mà còn có thể có giải pháp năng lượng dương. Tác động tiếp theo của khám phá này cuối cùng đã dẫn tới dự đoán về phản electron hay positron.
Positron là phản hạt của electron, có cùng khối lượng và spin nhưng điện tích +1e. Khi va chạm với electron, phản ứng hủy diệt xảy ra.
Cơ sở lý thuyết
Sự ra đời của phương trình Dirac là sự thống nhất mang tính bước ngoặt của cơ học lượng tử và thuyết tương đối hẹp. Khi Dirac đưa ra lời giải cho năng lượng âm, ông không kết luận ngay cho đến khi làm rõ ý nghĩa của nó trong một bài báo tiếp theo vào năm 1929. Ông cho rằng mọi trạng thái năng lượng âm đều được "đầy", nghĩa là các electron không thể tùy ý nhảy giữa các trạng thái năng lượng dương và âm. Giả thuyết này cũng đưa ra một ý tưởng mang tính cách mạng hơn: không gian là một "đại dương" chứa đầy các electron năng lượng âm.
Dirac tuyên bố trong bài báo của mình: "...một electron có năng lượng âm chuyển động trong trường điện từ bên ngoài trông giống hệt như một electron có điện tích dương."
Ý tưởng này đã làm dấy lên một cuộc tranh luận học thuật bị các nhà khoa học từ Oppenheimer đến Weill phản biện, cung cấp những hiểu biết toán học quan trọng để dự đoán các lý thuyết trong tương lai. Trong bài báo năm 1931, Dirac đã dự đoán sự tồn tại của một hạt được gọi là "phản electron", có cùng khối lượng với electron nhưng có điện tích trái dấu. Các thí nghiệm tiếp theo đã chứng minh tính xác thực của lý thuyết này và hé lộ bí ẩn về phản vật chất.
Sự ra đời của khám phá thực nghiệm
Việc khám phá ra positron bằng thực nghiệm không hề đơn giản. Mặc dù Dmitri Skobeltsyn lần đầu tiên quan sát thấy sự tồn tại có thể có của positron vào năm 1923, nhưng ông không thể xác định được danh tính của nó. Năm 1932, Carl David Anderson đã quan sát thấy các hạt tích điện trong một buồng mây mà sau này được xác nhận là positron, một khám phá đã mang về cho ông giải Nobel năm 1936. Ông đã phát hiện ra phản electron bằng cách đặt một từ trường bên trong buồng mây để phân biệt điện tích của các hạt. Khoảnh khắc này được coi là cột mốc quan trọng trong nghiên cứu vật lý hạt và phản vật chất.
"Việc phát hiện ra phản electron khiến tôi nhận ra rằng đây không chỉ là một khái niệm lý thuyết mà là một thực thể thực sự tồn tại trong tự nhiên", Anderson viết.
Positron trong cuộc sống
Positron không chỉ tồn tại trong phòng thí nghiệm; chúng còn có thể được tìm thấy trong tự nhiên. Sự phân rã beta của một số đồng vị phóng xạ (như kali-40) tạo ra positron, tự nhiên tạo ra một số positron trong cơ thể con người. Khoảng 4.000 positron mỗi giây chết trong cơ thể con người và tạo ra electron bằng cách hủy diệt. Tia gamma. Quá trình này liên quan đến việc sử dụng phương pháp chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) trong y tế, giúp bác sĩ có được hình ảnh ba chiều về hoạt động trao đổi chất của bệnh nhân.
Sự tồn tại của positron trong vũ trụ
Ngoài việc được tạo ra trên Trái Đất, nghiên cứu thiên văn học cho thấy positron cũng tồn tại trong vũ trụ. Các thí nghiệm vệ tinh đã quan sát các positron từ các tia vũ trụ nguyên thủy, điều này đã làm dấy lên nhiều cuộc thảo luận về nguồn gốc của phản vật chất. Một số nhà nghiên cứu cho rằng sự hình thành positron có thể liên quan đến sự hủy diệt vật chất tối, điều này có thể giúp chúng ta hiểu sâu hơn về vũ trụ.
Các nhà khoa học suy đoán rằng nguồn gốc của positron có thể đến từ sự tương tác giữa các tia vũ trụ và vật chất tối, thay vì từ các khu vực phản vật chất chưa được phát hiện.
Sản xuất nhân tạo positron và triển vọng tương lai
Với sự tiến bộ của công nghệ, các nhà khoa học đã bắt đầu có khả năng sản xuất ra một lượng lớn positron trong môi trường nhân tạo. Ví dụ, tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Liverpool ở Hoa Kỳ, các nhà khoa học đã sử dụng tia laser mạnh để chiếu vào một mục tiêu nhằm tạo ra hơn 100 tỷ positron. Ngoài ra, nghiên cứu hợp tác giữa CERN và Đại học Oxford đã đạt được bước đột phá trong việc tạo ra 10 nghìn tỷ cặp electron-positron trong thí nghiệm. Tiến bộ này đã mở ra một cách mới để nghiên cứu hành vi của các hạt trong môi trường khắc nghiệt trong vũ trụ.
Nghiên cứu về positron không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc khám phá vật lý cơ bản mà còn mở ra những khả năng vô hạn trong chụp ảnh y tế, khoa học vật liệu và các thí nghiệm trong tương lai về vật lý hạt. Khi chúng ta dần dần khám phá ra bí ẩn về positron, có lẽ chúng ta cũng tự hỏi: Còn bao nhiêu bí ẩn chưa được giải đáp trong đại dương phản vật chất này đang chờ chúng ta khám phá?
