Vì khoa học tin rằng các photon không có tuổi thọ và không bao giờ chết, về mặt lý thuyết chúng sẽ tập trung ngày càng nhiều trong vũ trụ, tại sao không gian vẫn tối?

Từ nguyên lý vật lý cơ bản, photon là lượng tử của bức xạ điện từ truyền các tương tác điện từ hạt cơ bản. Phổ điện từ chứa sóng vô tuyến có thể dài hơn 10.000 km và ngắn tới 0,01 nanomettia gamma, trong đó ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ khoảng 380 nm đến 760 nm. Các sóng điện từ này, bất kể bước sóng và năng lượng đều được truyền bởi các photon. Do đó, tất cả chúng đều có thể được gọi là "ánh sáng", nhưng chúng có thể được chia thành ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng vô hình.

Không giống như các hạt khác có khối lượng và tuổi thọ giới hạn, photon có khối lượng nghỉ bằng 0. Theo công thức tương đối tính nổi tiếng $E = mc^2$ của Einstein (đối với photon, m = 0, nhưng E = h\nu, trong đó h là hằng số Planck, \nu là tần số). Điều này giúp photon chuyển động với tốc độ ánh sáng không đổi và năng lượng của nó được xác định bởi tần số. Vì không có cấu trúc bên trong để phân rã và không có quá trình tự phát khiến nó biến mất nên các photon sẽ tồn tại mãi mãi nếu không bị hấp thụ hay tương tác với vật chất khác.

Đặc điểm đặc biệt này khiến photon trở thành "sinh vật bất tử" trong thế giới vật lý.

Các photon di chuyển với tốc độ khoảng 300.000 km/giây trong chân không - đây cũng chính là tốc độ ánh sáng, cũng là tốc độ lan truyền của sóng điện từ. Thuyết tương đối hẹp của Einstein lập luận rằng thời gian và không gian là tương đối, thep đó, một vật thể càng di chuyển nhanh thì thời gian của nó càng chậm lại so với người quan sát đứng yên. Khi đạt đến tốc độ ánh sáng, thời gian dừng lại hoàn toàn, và không gian dường như bị nén lại thành một điểm duy nhất.

Theo nghĩa này, đối với photon, tốc độ ánh sáng là trạng thái mặc định. Điều này có nghĩa rằng từ góc nhìn của photon (nếu nó có cảm giác), vũ trụ không có khái niệm khoảng cách hay thời gian. Dù vũ trụ quan sát được có quy mô 93 tỷ năm ánh sáng thì photon vẫn cảm nhận rằng nó có thể tiếp cận mọi ngóc ngách của vũ trụ ngay lập tức.

Tuy nhiên, với người quan sát từ Trái Đất, ánh sáng cần một khoảng thời gian để di chuyển qua khoảng cách này. Ví dụ, ánh sáng từ một thiên hà cách chúng ta 10 tỷ năm ánh sáng sẽ cần đúng 10 tỷ năm để đến được mắt người. Đây dường như là một nghịch lý, bởi vũ trụ có quy mô 93 tỷ năm ánh sáng, ánh sáng cũng sẽ di chuyển 93 tỷ năm, làm sao quy mô có thể bằng không? Nếu photon có tuổi thọ vô hạn và liên tục được sinh ra trong các hiện tượng như phản ứng tổng hợp hạt nhân sao, vụ nổ siêu tân tinh, thì tại sao không gian vũ trụ không ngập tràn ánh sáng?

Lời giải nằm ở hai yếu tố chính: sự giãn nở của vũ trụ và tương tác của photon với vật chất. Theo định luật Hubble, các thiên hà càng xa chúng ta thì tốc độ di chuyển ra xa càng lớn, và một số thiên hà thậm chí lùi nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng. Ánh sáng từ những thiên hà này sẽ không bao giờ chạm tới Trái đất, tạo nên những "vùng tối" trong không gian.

Ngoài ra, khi vũ trụ giãn nở, bước sóng ánh sáng cũng kéo dài ra, dẫn đến hiện tượng dịch chuyển đỏ. Bước sóng dài hơn đồng nghĩa với năng lượng thấp hơn, và ánh sáng trở nên khó quan sát hơn.

Thêm vào đó, photon không chỉ tồn tại độc lập mà còn tương tác với vật chất. Ví dụ, khi va chạm với môi trường giữa các vì sao hoặc bụi không gian, photon có thể bị tán xạ, khúc xạ, hoặc mất năng lượng. Trong một số trường hợp, chúng có thể biến đổi hoàn toàn, chẳng hạn như khi hai photon năng lượng cao tạo thành một cặp electron-positron.

Mặc dù tuổi thọ của photon là vô hạn, chúng không luôn tồn tại mãi ở dạng ban đầu. Tuy vậy, chính bản chất "không có thời gian" của photon đã tạo điều kiện để con người khám phá vũ trụ. Ánh sáng từ các thiên hà cách xa hàng tỷ năm ánh sáng vẫn đến được Trái đất, mang theo thông tin về quá khứ xa xôi của vũ trụ.

Các thiết bị quan sát như kính viễn vọng Hubble hay các đài quan sát bước sóng dài đã giúp con người thu thập ánh sáng từ những thiên thể cổ xưa, thậm chí từ thời kỳ ngay sau vụ nổ Big Bang. Nhờ đó, chúng ta hiểu thêm về nguồn gốc và tiến hóa của vũ trụ, cũng như những bí ẩn vẫn đang chờ lời giải.

Photon không chỉ là hạt ánh sáng mà còn là cầu nối giữa con người và vũ trụ rộng lớn. Sự trường tồn của chúng là minh chứng cho những nguyên lý vật lý sâu sắc, đồng thời mở ra cơ hội để chúng ta tiếp tục tìm hiểu những bí mật của không gian và thời gian. Trong hành trình bất tận ấy, ánh sáng sẽ mãi là ngọn đuốc soi đường, đưa nhân loại đến gần hơn với sự thật của vũ trụ bao la.