Bức xạ Cherenkov là loại bức xạ điện từ phát ra khi một hạt mang điện (thường là electron) chuyển động nhanh hơn vận tốc của ánh sáng trong một môi trường điện môi cụ thể.

Vận tốc ánh sáng trong các môi trường

Vận tốc ánh sáng chúng ta thường nói tới là vận tốc ánh sáng trong chân không, tức là ánh sáng không va chạm với bất cứ loại vật chất nào khi nó di chuyển. Vận tốc này viết tắc là C và có giá trị tương đối chính xác là 299.792.458 m/s.

Thực tế đây là vận tốc chuyển động của bất cứ hạt không có khối lượng nào (ánh sáng là dòng chuyển động của các hạt photon. Photon là hạt không khối lượng).

Trong các môi trường không phải chân không, trong đó có cả không khí, ánh sáng mật một khoảng thời gian dài hơn để truyền đi cùng một quãng đường so với khi truyền trong chân không. Vận tốc nhỏ hơn khi tính ra này thường được gọi là vận tốc pha của ánh sáng.

Trong các môi trường vật chất, hạt photon không di chuyển hoàn toàn bình thường do nó liên tục va chạm với các nguyên tử, phân tử của môi trường. Khi va chạm như vậy, chúng bị hấp thụ và tái phát xạ. Khoảng thời gian giữa hấp thụ và phát xạ đó làm tăng tổng thời gian mà ánh sáng cần có để truyền đi so với khi nó di chuyển trơn tru mà không chịu va chạm.

Bức xạ Cherenkov là loại bức xạ điện từ phát ra khi một hạt mang điện.

Điều đó có nghĩa là nếu bạn có thể đo được khoảng thời gian mà ánh sáng truyền đi trong một môi trường trong suốt nào đó thật chính xác bạn sẽ thấy vận tốc truyền ánh sáng là nhỏ hơn so với C.

Tuy nhiên, đây là vận tốc trung bình trên quãng đường chứ không phải vận tốc thực sự của hạt photon, vì photon không hề thay đổi vận tốc. Việc này giống như bạn đi xe trên một đoạn đường thẳng những lại có rất nhiều ngã tư có những vòng xuyến khiến bạn phải đi vòng qua chúng để đi tiếp, điều đó khiến bạn mất nhiều thời gian hơn cho dù bạn có giữ nguyên vận tốc của xe.

Sự giảm vận tốc trung bình của ánh sáng trong các môi trường phụ thuộc vào một chỉ số khá quen thuộc gọi là chiết suất môi trường. Vận tốc truyền của ánh sáng trong một môi trường nào đó được tính bằng vận tốc ánh sáng trong chân không chia hết cho chiết suất của môi trường đó (chân không được quy ước là có chiết suất 1).

Không khí trong sạch (khí quyển Trái đất) có chiết suất là 1,000293, có nghĩa là vận tốc ánh sáng trong không khí là khoảng 299.704.645 m/s, tức là gần như không giảm (đối với không khí ô nhiễm hoặc có độ ẩm cao thì độ giảm sẽ cao hơn một chút).

Trong khi đó nước có chiết suất là 1,333, có nghĩa là vận tốc ánh sáng trong nước chỉ bằng 75% vận tốc trong môi trường chân không. Điều này tạo điều kiện cho một số loại hạt nhất định trong những điều kiện nhất định có thể vượt qua được ánh sáng khi truyền trong nước.

Nguồn gốc của bức xạ Cherenkov

Khi một hạt mang điện (chẳng hạn như electron) chuyển động, nó làm gián đoạn trường điện từ cục bộ của môi trường quanh nó và gây ra sự phân cực. Nếu hạt chuyển động chậm, cụ thể trong trường hợp này là chậm hơn sóng điện từ, thì ở nơi hạt đi qua sóng điện từ có đủ thời gian để khôi phục lại trạng thái cân bằng của môi trường.

Nhưng khi hạt chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường đó, nhiễu loạn nó gây ra vẫn còn lại sau khi nó đã đi qua trong khi các nhiễu loạn tiếp theo vẫn tiếp tục sinh ra. Khi hạt tiếp tục chuyển động, nó tạo ra một mặt giới hạn các sóng nhiễu loạn.

Sự chồng chéo năng lượng của các nhiễu loạn này gây ra sự giải phóng năng lượng điện từ dưới dạng một sóng xung kích thương tự như những vụ nổ âm thanh sinh ra khi các máy bay vượt qua vận tốc âm thanh trong không khí.

Bức xạ điện từ sinh ra do hạt mang điện chuyển động trong điện môi nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong đó được gọi là bức xạ Cherenkov (lấy theo tên nhà khoa học người Nga đã phát hiện ra nó là Pavel Alekseyevich Cherenkov).

Các electron được giải phóng từ các phản ứng hạt nhân hoặc được gia tốc có thể đạt vận tốc trên 75% C, tức là cao hơn vận tốc ánh sáng trong nước. Vì lý do này bức xạ Cherenkov được sinh ra từ các lò phản ứng hạt nhân đặc trong nước, có thể quan sát thấy dưới dạng ánh sáng màu xanh.

Với những cơ sở nêu trên, chúng ta sẽ giải đáp được câu hỏi nhiều người đặt ra về bức xạ này

1. Bức xạ Cherenkov có vận tốc lớn hơn ánh sáng không?

Câu trả lời là không. Nhiều người khi đọc tài liệu không kỹ lắm hiểu nhầm bức xạ Cherenkov truyền nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong nước. Trên thực tế, bức xạ Cherenkov là bức xạ phát ra do hạt mang điện chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong điện môi (chẳng hạn electron chuyển động trong nước).

Bức xạ Cherenkov khác với hạt mang điện. Bản thân bức xạ này là một bức xạ điện từ, nó có vận tốc đúng bằng vận tốc ánh sáng trong cùng môi trường. Bản thân hạt mang điện gây ra bức xạ này cũng không bao giờ có thể đạt vận tốc ánh sáng trong chân không bất kết được gia tốc dưới hình thức nào.

2. Bức xạ Cherenkov có sinh ra trong môi trường chân không hoặc khí không?

Bức xạ này chỉ sinh ra khi một hạt mang điện chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường điện môi mà nó đi qua. Bất kể được gia tốc ra sao, một hạt mang điện như electron không vượt qua được vận tốc ánh sáng trong chân không.

Do đó về mặt lý thuyết thì bức xạ Cherenkov không thể sinh ra trong môi trường chân không hay thậm chí trong khí quyển Trái đất (vì vận tốc ánh sáng trong không khí chỉ nhỏ hơn vận tốc tuyệt đối rất không đáng kể).

Mặc dù vậy, có giả thuyết cho rằng bức xạ này có thể vẫn sinh ra trong chân không ở những cấu trúc làm chậm sóng, tức là vận tốc của ánh sáng bị làm chậm lại dù nó không bị hấp thụ và tái phát xạ bởi môi trường. Nhưng điều này chưa từng được quan sát và xác nhận.

3. Thứ gì có thể chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng?

Cần lưu ý rằng khi không kèm theo phần bổ ngữ cho biết vận tốc ánh sáng trong môi trường nào (không nước, trong thủy tinh.... ) thì cụm từ “vận tốc ánh sáng” được hiểu mặc nhiên là vận tốc ánh sáng trong chân không. Vận tốc này đã được chứng minh rất rõ ràng là vận tốc lớn nhất trong tự nhiên.

Những bài báo với tiêu đề tuyên bố chuyển động của các hạt electron để sinh ra bức xạ Cherenkov nhanh hơn ánh sáng chỉ mang tính chất thu hút người đọc, không có ý nghĩa khoa học. Một số ý kiến khác cho rằng có một vài trường hợp có thể vượt qua vận tốc ánh sáng như lạm phát vũ trụ, lỗ sâu. Mặc dù vậy, những thứ này đều không hề vi phạm nguyên lý vận tốc tuyệt đối của ánh sáng.