Vận tốc ánh sáng trong chân không là 186 282 dặm mỗi giây (299 792 km/s), và lý thuyết cho rằng không gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Nếu tính theo đơn vị đo số dặm một giờ (mph) thì vận tốc ánh sáng là… rất lớn! Cỡ vào khoảng 670 616 629 mph. Con số này lớn đến mức nếu bạn có thể di chuyển với vận tốc ánh sáng, bạn sẽ đi vòng quanh Trái đất 7.5 lần chỉ trong 1 giây!

Các nhà khoa học trước đây đã không thể nhận thức được vận tốc ánh sáng, vì họ cho rằng sự truyền của ánh sáng là ngay tức khắc. Tuy nhiên, sau này các thiết bị đo đạc những chuyển động của sóng hạt ngày càng chính xác. Nhờ công trình của nhà bác học Arbert Einstein và các nhà khoa học khác, ngày nay chúng ta hiểu rằng vận tốc ánh sáng thực chất có giới hạn: Vận tốc ánh sáng – ký hiệu là hằng số “c” – đã từng được nghĩ rằng là không thể đo được vì không có khối lượng (thông qua một số lý do sẽ được giải thích bên dưới). Nhiều nhà văn viết về khoa học viễn tưởng và thậm chí cả những nhà khoa học thật sự lấy nguồn cảm hứng này để tưởng tượng ra những học thuyết khác có thể hiện thực hóa những cuộc “dạo chơi” thần tốc của con người trong vũ trụ!

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Lịch sử của lý thuyết về vận tốc ánh sáng

Các giả thiết đầu tiên về sự tồn tại của vận tốc ánh sáng được đưa ra bởi nhà triết học Hy Lạp cổ đại Aristotle, người đã viết ra những quan điểm bất đồng với nhà khoa học Hy Lạp khác có tên là Empedocles. Empedocles cho rằng vì ánh sáng chuyển động nên chúng sẽ tiêu tốn thời gian nào đó để truyền đi. Aristotle không đồng tình với ý kiến này và ông tin rằng ánh sáng truyền đi là ngay tức.

Vào năm 1667, Galileo - nhà thiên văn học người Ý đã thực hiện thí nghiệm đầu tiên để đo vận tốc ánh sáng. Ông và trợ lý của mình đứng ở hai đỉnh đồi cách nhau gần một dặm, mỗi người cầm một chiếc đèn lồng có thể đóng mở được cho ánh sáng phát ra. Một người sẽ mở chiếc đèn và người kia nhìn thấy ánh sáng thì cũng sẽ mở chiếc đèn của mình để báo hiệu. Bằng cách quan sát bao lâu thì người kia sẽ nhận được tín hiệu ánh sáng (và tính cả thời gian phản xạ mở đèn báo hiệu), Galileo nghĩ rằng ông có thể tính toán được vận tốc ánh sáng. Nhưng không may, khoảng cách ông và trợ lý đứng là quá nhỏ để thấy sự khác biệt, chính vì thế thời đó Galileo chỉ xác định được rằng ánh sáng truyền đi nhanh gấp mười lần vận tốc âm thanh.

Trong những năm 1670, nhà thiên văn học Đan Mạch Ole Römer đã quan sát sự che khuất của Io (một vệ tinh tự nhiên của Sao Mộc) để ước lượng thời gian di chuyển của ánh sáng. Trong suốt nhiều tháng, vệ tinh Io theo quỹ đạo bay qua đằng sau Sao Mộc, Römer tìm ra rằng sự che khuất đó đến chậm hơn so với tính toán ước lượng. Ông xác nhận là ánh sáng đã bỏ một lượng thời gian để di chuyển từ Io tới Trái đất. Sự che khuất này xảy ra sai số lớn nhất so với ước tính khi khoảng cách giữ Sao Mộc và Trái đất là xa nhất, và càng gần với ước tính khi khoảng cách này hẹp lại. Ông kết luận rằng ánh sáng mất 8 đến 11 phút để truyền từ Mặt Trời đến Trái đất. Ước lượng này tuy sai lệch khá nhiều so với con số thực tế là 8 phút 19 giây, nhưng ít nhất trong thời kỳ đó, các nhà khoa học đã có một số liệu cụ thể để tính toán. Tính toán của ông cho kết quả vận tốc ánh sáng là 125 000 dặm trên giây ( 200 000 km/s).

Mãi đến năm 1728, một nhà vật lý người Anh có tên Jame Bradley tính toán dựa trên sự thay đổi của vị trí biểu kiến của các ngôi sao thông qua sự chuyển dộng của Trái đất quanh Mặt trời. Ông tìm ra vận tốc ánh sáng là 185 000 dặm trên giây (tức là 301,000km/s) chính xác trong khoảng sai số 1%.

Hai cố gắng vào giữa những năm 1800 đã đưa câu hỏi về vận tốc ánh sáng quay lại Trái đất! Thứ nhất là nhà vật lý người Pháp Hippolyte Fizeau đã làm thí nghiệm cho tia sáng đi qua một bánh xe răng cưa đang chuyển động nhanh, với một hệ thống gương cách xa gần 5 dặm để phản chiếu ánh sáng ngược lại. Bằng cách thay đổi vận tốc quay của bánh xe, Fizeau tính được khoảng thời gian ánh sáng truyền qua các khe của bánh răng vào gương và quay ngược lại vào các khe. Người thứ hai cũng là một nhà vật lý người pháp Leon Foucault, ông dùng chiếc gương quay thay cho bánh xe. Hai phương pháp này cho kết quả vận tốc ánh sáng sai lệch vào khoảng 1000 dặm trên giây so với con số đo được ngày nay.

Albert Michelson – người Mỹ gốc Phổ, đã xây dựng lại phương pháp của Focault (1879) nhưng với khoảng cách xa hơn và với hệ thống gương kính cao cấp hơn. Kết quả của ông là 186,355 dặm trên giây (299,910 km/s) đã được công nhận là số đo chính xác nhất cho vận tốc ánh sáng trong vòng 40 năm từ khi Michelson bắt đầu đo lại.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Einstein và thuyết tương đối hẹp

Vào năm 1905, Albert Einstein viết trong bài báo của mình về thuyết tương đối hẹp, ông đưa ra tiên đề rằng ánh sáng di chuyển với tốc độ như nhau trong mọi hệ quy chiếu. Kể cả khi dùng những phương pháp đo vận tốc chính xác nhất, vận tốc ánh sáng là không đổi đối với người đứng quan sát dưới đất và người đang di chuyển với vận tốc âm thanh trong chiếc máy bay phản lực. Như vậy, dù Trái đất quay quanh Mặt Trời, trong khi bản thân Mặt Trời cũng đang chuyển động quanh Dải Ngân Hà, và bản thân thiên hà này cũng đang di chuyển trong vũ trụ, thì kết quả đo vận tốc ánh sáng đến từ Mặt trời phải là như nhau bất kể ta đo nó ở bên trong hay bên ngoài thiên hà. Tương tự, Einstein tính toán rằng vận tốc ánh sáng là không đổi với thời gian hay địa điểm.

Năm ánh sáng là gì?

Vận tốc ánh sáng dường như biến vũ trụ thành nơi lưu trữ cỗ máy thời gian. Khoảng cách mà ánh sáng truyền đi trong 1 năm gọi là năm ánh sáng. Đơn vị năm ánh sáng là thước đo của cả thời gian và khoảng cách. Đơn vị này thực chất không quá khó để hiểu, bạn hãy thử tưởng tượng theo cách này: ánh sáng truyền từ Mặt Trăng tới mắt chúng ta là 1 giây, vậy mặt trăng cách chúng ta 1 giây ánh sáng; ánh sáng Mặt Trời mất khoảng 8 phút để đến Trái Đất, vậy Mặt Trời cách chúng ta 8 phút ánh sáng; ánh sáng từ hệ sao gần nhất Alpha Centauri cần khoảng 4.3 năm để truyền tới chúng ta, vậy hệ sao đó cách chúng ta 4.3 năm ánh sáng.

Các ngôi sao và các đối tượng ngoài Hệ Mặt Trời thường cách chúng ta vào khoảng từ một đến vài tỷ năm ánh sáng. Vì vậy, khi các nhà thiên văn học nghiên cứu các đối tượng cách xa trong khoảng này, thực chất họ đang quan sát đối tượng đó từ khi ánh sáng bắt đầu truyền từ nó đi, chứ không phải là đối tượng đó ở thời điểm hiện tại. Theo cách hiểu này, mọi thứ chúng ta nhìn trong vũ trụ ở khoảng cách xa đều hình ảnh quá khứ của chúng.

Với nguyên tắc này, các nhà thiên văn học có thể quan sát được vũ trụ sau vụ nổ Big Bang xảy ra khoảng 13.7 tỷ năm trước. Ví dụ một đối tượng thiên văn được quan sát cách chúng ta 10 tỷ năm ánh sáng, tức là chúng ta đang quan sát sự hiện diện của đối tượng đó cách đây 10 tỷ năm trước, gần thời điểm vũ trụ bắt đầu, chứ không phải sự hiện diện của nó trong hiện tại.

Vận tốc ánh sáng có phải là bất biến?

Ánh sáng truyền đi dạng sóng, cũng như sóng âm, có thể bị chậm lại phụ thuộc vào môi trường nó truyền qua. Không gì có thể nhanh hơn ánh sáng trong chân không. Tuy nhiên, nếu môi trường không đồng nhất, chứa những vật chất như hạt bụi, ánh sáng có thể bị bẻ cong khi nó tiếp xúc với các chất điểm, vì vậy làm giảm tốc độ truyền.

Ánh sáng truyền qua lớp khí quyển của Trái đất nhanh gần tương tự với ánh sáng truyền trong chân không, trong khi ánh sáng truyền qua viên kim cương chậm hơn một nửa vận tốc ban đầu của nó. Dù vậy, nó đi qua viên ngọc này với vận tốc hơn 277 triệu mph (gần 124,000km/s) thì cũng không phải dạng vừa đâu!

Chúng ta có thể đi nhanh hơn ánh sáng?

Khoa học viễn tưởng rất thích suy diễn về vấn đề này, bởi khái niệm tốc độ siêu việt (warp speed) có lẽ được phổ biến đến nhiều người như là “thứ di chuyển nhanh hơn ánh sáng”. Nó cho phép chúng ta di chuyển giữa các vì sao với thời gian là hệ quy chiếu, để chinh phục những khoảng cách dường như là không thể! Và trong khi điều này chưa được chứng minh là không thể xảy ra, thì thực tiễn của chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng chỉ là ý tưởng hư cấu.

Thuyết tương đối rộng của Einstein có đề cập rằng: khi một vật chuyển động đủ nhanh (so với vận tốc ánh sáng), khối lượng nó sẽ tăng lên trong khi chiều dài co rút lại, hay không gian của vật thể đó bị biến dạng. Với vận tốc ánh sáng, vật đó sẽ có khối lượng đạt đến vô hạn, trong khi chiều dài nó co rút về 0 – và điều này là không thể. Vì vậy, về mặt lý thuyết thì không vật thể nào có thể đạt được vận tốc ánh sáng!

Điều này không làm các lý thuyết gia ngừng đề xuất những học thuyết mang tính chất cạnh tranh của họ. Ý tưởng về tốc độ siêu việt (warp speed) không phải là điều không thể. Một số người tin rằng thế hệ loài người trong tương lai có thể có khả năng bay nhảy giữa những vì sao như chúng ta di chuyển giữa những thành phố bây giờ. Một ý tưởng đề xuất cho rằng tàu vũ trụ có khả năng bẻ cong bong bóng không-thời gian quanh chính nó để đạt được vận tốc ánh sáng. Thật tuyệt vời, về mặt lý thuyết!

Nguồn: Space.com

Thành viên Hội thiên văn học Nghiệp dư Hà Nội - HAS; Sinh viên cử nhân Vũ trụ và Ứng dụng tại trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (2014 - 2017).

Bài viết xem nhiều