Đây là Cách Bạn Có Thể 'Nhìn Thấy' Các Phân Tử—Trên Một 'Hành Tinh Khác

Vậy là bạn có thể đã nghe về dấu hiệu có thể là của sự sống trên Sao Kim. Đúng vậy, lần này là Sao Kim chứ không phải Sao Hỏa. Các nhà khoa học đã phát hiện chữ ký của phân tử phosphine trong khí quyển của hành tinh này bằng cách sử dụng phổ quay. Theo như chúng ta hiểu hiện nay, cách duy nhất để có phosphine là tạo ra nó trong phòng thí nghiệm hoặc như một sản phẩm phụ của một số loại vi khuẩn. Ồ, vi khuẩn trên Sao Kim? Điều này sẽ là một điều lớn đấy.

Bây giờ, có một số vật lý rất tuyệt vời liên quan đến việc phát hiện có thể của phân tử này. Hãy để tôi giải thích một số ý tưởng tuyệt vời nhất để bạn có thể hiểu rõ hơn.

Tín hiệu của phosphine là sóng radio có bước sóng là 1.123 mm. Vậy làm thế nào bạn có thể 'nhìn thấy' sóng radio? Đúng vậy, bạn sử dụng một kính viễn vọng radio. Trong trường hợp này, kính viễn vọng đó là Kính viễn vọng James Clerk Maxwell tại Đài thiên văn Mauna Kea ở Hawaii. Mặc dù một kính viễn vọng radio có thể trông khác biệt so với một kính viễn vọng quang học, chúng cơ bản là cùng một thứ.

Cả ánh sáng nhìn thấy và sóng radio đều là loại sóng elektromagnet. Một sóng elektromagnet bắt đầu với một hạt điện tích như proton hoặc electron. Những điện tích này tạo ra một trường điện xung quanh các hạt này—trường này cho phép các điện tích tương tác với các điện tích khác mà không cần chạm vào nhau. Nhưng một điều khác xảy ra nếu bạn thực sự có thể nắm giữ điện tích này và gia tốc điện tích này lên xuống (điều mà bạn thực sự không thể làm được với một electron—không với tay của bạn). Điện tích gia tốc thay đổi độ lớn của trường điện. Đây là phần tuyệt vời—trường từ trường điện thay đổi này tạo ra một trường điện sao cho trường điện và trường từ trường từ thay đổi này có thể tạo ra một dao động duy trì. Tôi biết, điều đó điên rồ nhưng đó chính xác là điều được biết đến là sóng elektromagnet.

Vậy làm thế nào làm cho sóng radio khác biệt so với sóng ánh sáng nhìn thấy? Sự khác biệt duy nhất là bước sóng. Chúng ta thường phân loại sóng radio là sóng elektromagnet có bước sóng lớn hơn 1 milimét và nhỏ hơn vũ trụ (đó chỉ là một trò đùa). Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 680 nanômét cho đến 380 nm cho ánh sáng tím. Nhưng tất cả các sóng elektromagnet điều du lịch với cùng một tốc độ—tốc độ của ánh sáng là 300 triệu mét mỗi giây.

Mặc dù sóng radio và ánh sáng nhìn thấy đều là sóng elektromagnet, có một điều rất khác biệt—cách chúng tương tác với vật chất. Tất nhiên bạn đã biết điều này. Bạn biết rằng sóng radio mà radio của bạn nhận được có thể đi qua tường rắn, nhưng ánh sáng nhìn thấy từ Mặt Trời hoặc đèn không thể. Nhưng điều đó cũng có nghĩa là thay vì một gương parabol sáng cho kính viễn vọng của bạn, bạn có thể sử dụng kim loại đã được sơn bình thường cho một ống kính viễn vọng radio. Điều này làm cho việc xây dựng các ống kính có đường kính rất lớn như Kính viễn vọng James Clerk Maxwell trở nên dễ dàng (đúng, là cùng một người như trong phương trình Maxwell). Tất nhiên chúng ta luôn muốn một ống kính càng lớn càng tốt cho hình ảnh tốt nhất có thể, nhưng thực tế là bạn thực sự cần một ống kính viễn vọng radio có đĩa parabol lớn hơn vì bước sóng lớn hơn. Kính viễn vọng radio vẫn sẽ hoạt động với một ống kính nhỏ hơn, nhưng bạn sẽ có độ phân giải hình ảnh kém.

Rõ ràng bạn không thể đen đựi "nhìn thấy" phosphine trong khí quyển của Venus. Tuy nhiên, bạn có thể nhìn thấy bằng chứng của nó từ sóng radio mà phosphine hấp thụ—bước sóng radio chính phosphine hấp thụ là một hàm số của cấp năng lượng xoay cụ thể của phosphine.

Hãy bắt đầu với phổ quang sáng rõ ràng cho nguyên tử đơn giản nhất—hydrogen. Hydrogen chỉ bao gồm một proton duy nhất trong hạt nhân và một electron trong lớp quỹ đạo. Vì có một lực hấp dẫn giữa electron tiêu cực và proton dương, nên thường thấy nói về nguyên tử này như nó là một hệ mặt trời nhỏ với electron di chuyển xung quanh theo quỹ đạo tròn xung quanh proton nặng nhiều hơn nhiều.

Tất nhiên, mô hình quỹ đạo hành tinh này không hợp lệ. Nếu electron di chuyển theo đường tròn xung quanh proton, nó sẽ có gia tốc trung tâm và tạo ra bức xạ elektromagnet, làm cho nó mất năng lượng và rơi vào proton—điều đó sẽ làm hại. Cuối cùng, những thứ siêu nhỏ như vậy không tuân theo cùng các quy tắc như các đối tượng lớn như quả bóng chày và chó con. Nhưng, mặc dù mô hình hành tinh này không phải là mô hình tốt nhất, nó vẫn khá hữu ích. Trong quỹ đạo hành tinh, một hành tinh có thể có bất kỳ năng lượng quỹ đạo nào, nhưng đối với quỹ đạo electron—nó chỉ có thể "quay quanh" ở một số cấp năng lượng nhất định. Đúng vậy, đó là điều kỳ cục nhưng những thứ siêu nhỏ thường dường như kỳ cục. Nhưng chờ đã, nó còn kỳ quặc hơn nữa. Hóa ra bạn có thể khiến electron này chuyển đến một cấp năng lượng cao hơn nếu bạn làm xao lạc nó bằng một sóng sáng có tần số cụ thể. Trong thực tế, thậm chí còn có một mối quan hệ giữa thay đổi cấp năng lượng (ΔE) và tần số của ánh sáng (thường chúng ta sử dụng ν). Tất nhiên, cũng có mối quan hệ giữa tần số sóng và bước sóng (λ) nên tôi có thể viết sự thay đổi năng lượng này như sau.

Trong biểu thức này c là tốc độ ánh sáng và h là một hằng số gọi là hằng số của Plank. Để electron trong hydrogen được kích thích từ trạng thái cơ bản (mức năng lượng thấp nhất) lên mức tiếp theo sẽ yêu cầu ánh sáng có bước sóng 122 nanometer. Nhưng chờ đã! Nếu electron ở trong trạng thái năng lượng kích thích đầu tiên và rơi xuống trạng thái cơ bản—nó sẽ tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng. Thật không may, bước sóng này (121 nm) không thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Nhưng có một số chuyển động cấp năng lượng cho hydrogen thực sự tạo ra ánh sáng với bước sóng nhìn thấy. Mỗi quỹ đạo cho phép trong nguyên tử hydrogen đều ở mức năng lượng khác nhau. Điều này có nghĩa là các chuyển động khác nhau cho nguyên tử hydrogen sẽ tạo ra các bước sóng ánh sáng khác nhau và duy nhất. Trên thực tế, ánh sáng do một nguyên tử tạo ra có vẻ giống như dấu vết của nó. Bằng cách nhìn vào phổ này, bạn có thể xác định nguyên tử.

Bằng cách chạy dòng điện qua một khí, bạn có thể khiến electron trong nguyên tử kích thích lên các cấp năng lượng khác nhau. Sau đó, họ tạo ra ánh sáng khi quay trở lại trạng thái cơ bản. Nếu bạn muốn xem bước sóng ánh sáng nào được tạo ra, bạn có thể để ánh sáng đi qua một lưới nứt. Một lưới nứt cơ bản là bó nhiều đường rất nhỏ đã được khắc trên thủy tinh và rất gần nhau. Khi ánh sáng đi qua nó, lưới tạo ra một mô hình nhiễu loạn sao cho các bước sóng khác nhau uốn cong khác nhau. Đó giống như một prisma thủy tinh tạo ra phổ màu, nhưng tốt hơn nhiều. Dưới đây là nhìn nhận của nó với hydrogen. Mỗi một trong những màu sắc ánh sáng này tương ứng với một chuyển động năng lượng. Đối với những bước sóng nhìn thấy này trong hydrogen, đó là một chuyển động từ quỹ đạo cao xuống quỹ đạo năng lượng thứ 2. Nó không phải là hình ảnh bạn sẽ sử dụng để có các đo lường thực sự, nhưng tốt là bạn có thể nhìn thấy các màu sắc khác nhau.

Quan trọng để nhận ra rằng những bước sóng này về cơ bản xác định nguyên tố. Nếu bạn thay thế nguyên tử hydrogen bằng nguyên tử helium, nó vẫn có thể tạo ra ánh sáng—nhưng sẽ với các bước sóng khác nhau tương ứng với cấp năng lượng trong helium. Nhưng bạn không chỉ phải nhìn vào ánh sáng từ khí kích thích như một cách để xác định nguyên tử. Thay vì nhìn vào ánh sáng nguyên tử tạo ra, bạn có thể nhìn vào ánh sáng nguyên tử hấp thụ. Giả sử bạn có một đám khí hydrogen. Khi ánh sáng của tất cả các bước sóng đi qua khí đó, các bước sóng phù hợp với các chuyển động năng lượng có thể bị hấp thụ bởi nguyên tử hydrogen (đó là các bước sóng giống như nó tạo ra). Vì vậy, bạn sẽ thấy các đường tối thay vì các đường sáng—nhưng chúng sẽ ở cùng một vị trí với cùng một "dấu vết."

OK, nhưng điều này liên quan gì đến phosphine và radio telescopes? Khi một phân tử (như phosphine) tương tác với sóng elektromagnet, chuyển động quay của nó thay đổi. Tuy nhiên, giống như cấp năng lượng quay của electron trong nguyên tử hydrogen, các cấp năng lượng quay cho phosphine được lượng tử hóa. Nó chỉ có thể có một số cấp năng lượng rời rạc nhất định. Nhưng vẫn đúng rằng sự thay đổi về cấp năng lượng quay tương ứng với sóng elektromagnet có bước sóng nhất định. Và đối với một thay đổi cụ thể trong cấp năng lượng quay, bạn có một sóng EM với bước sóng 1,123 mm—một sóng radio. Trên thực tế, đó là một sóng radio duy nhất xác định thay đổi cấp năng lượng quay đó thuộc về một phân tử phosphine.

Nhưng sóng radio này bị hấp thụ bởi phosphine đến từ đâu? Chúng đến từ bức xạ nền của hành tinh. Đúng vậy, Venus có một loạt các hiện tượng diễn ra ở tầng khí thấp và trên bề mặt rất nóng tạo ra mọi loại sóng elektromagnet. Một số trong số này có bước sóng radio đi qua khí (với phosphine) trong khí quyển và sau đó di chuyển đến Trái Đất để được phát hiện bởi một kính viễn vọng radio. Sau khi sóng được phát hiện bởi kính viễn vọng, bạn có thể nhìn vào cường độ sóng radio ở các tần số khác nhau để tìm ra bước sóng nào được hấp thụ trong khí quyển của Venus.

Đó là cách bạn có thể xác định có phosphine trên một hành tinh khác. Và với phosphine, có bằng chứng về sự sống... trên một hành tinh khác thật khác thường.

• 📩 Muốn nhận những thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học, và nhiều hơn nữa? Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi!
• Trọng lực, công nghệ, và một lý thuyết lớn về du lịch giữa các hành tinh
• Làm thế nào để đối mặt với lo lắng do sự không chắc chắn
• Liệu plazma siêu nhanh có phải là chìa khóa cho một động cơ xe sạch hơn?
• Sự đạo đức thái quá của việc mở lại các trường đại học đã bị phá hủy
• Gặp gỡ MYTOUR25 của năm nay: Những người đang làm những điều tốt đẹp hơn
• 💻 Nâng cấp công việc của bạn với những chiếc laptop, bàn phím, giải pháp thay thế gõ, và tai nghe chống ồn mà đội ngũ Gear yêu thích của chúng tôi đã chọn