Có lẽ trong chúng ta ai cũng biết đến vận tốc ánh sáng là hữu hạn, và cũng là loại vận tốc lớn nhất trong tự nhiên. Chúng ta cũng đã được tiếp xúc và gặp về vận tốc này qua môn học Vật Lý. Tuy nhiên để biết và hiểu rõ về vận tốc của ánh sáng thật sự là gì, thì nhiều người chưa hiểu được. Vậy nên chúng ta cùng nhau tìm hiểu rõ hơn về vận tốc của ánh sáng qua bài biết dưới đây nhé.
Vận tốc ánh sáng là vận tốc gì?
Vận tốc ánh sáng là tốc độ lan truyền của bức xạ điện có trong chân không, được kí hiệu là c, c chính là một hằng số số quan trọng của vật lý và được xác định bằng 299.792.458 m/s với sự sai số 4 phần tỷ vào năm 1975 sau rất nhiều thập kỷ nghiên cứu.
Vận tốc ánh sáng là tốc độ của mọi hạt phi khối lượng liên kết cùng các trường vật lý gồm bức xạ điện như các phân tử proton ánh sáng được lan truyền trong phân không, đồng thời đó cũng là tốc độ truyền của hấp dẫn được tiên đoán bởi các lý thuyết hiện đại ngày nay.
Vận tốc của ánh sáng có thể truyền được trong môi trường trong suốt như là thuỷ tinh, không khí,… Ví dụ đối với ánh sáng chiết suất của thuỷ tinh có giá trị khoảng 1,5 có nghĩa là ánh sáng truyền qua được thuỷ tinh với vận tốc bằng 200.000 km/s. Chiết suất của không khí cho ánh sáng bằng 1.0003, do vậy nên vận tốc trong không khí của ánh sáng chậm hơn 90km/s so với hằng số c.
Nguồn gốc và cách đo của vận tốc của ánh sáng
Để tìm hiểu và nhận diện về vận tốc ánh sáng, các nhà khoa học đã phải trải qua rất nhiều cuộc thí nghiệm và nghiên cứu. Bởi vì ánh sáng đã có từ rất lâu và xa xưa. Nhưng để tìm thấy được tốc độ của ánh sáng chính xác phải nhờ trí tuệ và phát minh ra của con người và trải ra rất nhiều cuộc nghiên cứu ở nhiều thế kỷ.
Nguồn gốc vận tốc của ánh sáng
Ngay cả thời cận đại con người vẫn chưa biết ánh sáng di chuyển tức thời hay là vận tốc hữu hạn. Tìm ra và ghi nhận đầu tiên là tốc độ của ánh sáng là sự tranh cãi giữa các nhà triết học Hy Lạp cổ đại, hồi giáo và Châu Âu.
Vào năm 1676, nhà thiên văn học người Đan Mạch tên là Ole Roemer đã thực hiện cuộc thí nghiệm vận tốc ánh sáng và đưa ra được kết quả là 309.000km/s (con số ông đo được không chênh lệch nhiều so với tốc độ thực tế), sau đó ông đã đưa ra kết luận bằng cách quan sát mặt trăng của sao Mộc.
Và trong thế kỷ 19, hai nhà khoa học có tên là Hippolyte Fizeau và Léon Foucault – hai nhà khoa học của người Pháp đã dùng hệ thống gương phức tạp để làm thí nghiệm và sau đó cũng đưa ra được kết quả là 298.000k/s.
Cuối cùng đến năm 1924, ông Michelson đã tiến hành làm thí nghiệm tại các đỉnh núi khác nhau của California với khoảng cách giữa các điểm thí nghiệm là 140km. Đến cuối năm 1926, ông đã tiến hành công bố vận tốc ánh sáng ông đo được đó là 300.000km/s.
Cách đo của vận tốc ánh sáng
Các vận tốc ánh sáng có rất nhiều cách đo khác nhau nên chúng ta cùng tìm hiểu qua từng cách nhé.
Đối với thiên văn học
Ole Christensen Roemer đã là người đầu tiên quan sát thiên văn học để ước tính tốc độ ánh sáng.
- Khi đo từ Trái Đất, chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh tự nhiên quay quanh một hành tinh ở xa sẽ ngắn hơn khi khoảng cách của Trái Đất đến hành tinh đó gần hơn và ngược lại.
- Khoảng cách ánh sáng sẽ được lan truyền từ hành tinh đến Trái Đất ngắn nhất, khi Trái Đất ở tại quỹ đạo gần với hành tinh nhất. còn Trái Đất khi ở xa quỹ đạo nhất so với hành tinh đó thì khoảng cách ánh sáng truyền cũng là xa nhất.
- Hiệu 2 khoảng cách cực trị bằng đường kính quỹ đạo của Trái Đất quay quanh Mặt Trời.
- Quan sát sự thay đổi của chu kỳ quỹ đạo nên, Roemer đã phát hiện ra hiệu ứng này trong sao Mộc và ông đã đưa ra kết luận rằng “ ánh sáng cần mất 22 phút để đi qua đường kính quỹ đạo Trái Đất”.
Kỹ thuật của thời gian bay
Ngày nay trong các trường đại học, sinh viên thường dùng dao động ký với độ phân giải nhỏ hơn nhiều 1 nano giây để đo tốc độ ánh sáng bằng cách đo độ trễ thời gian đối với chùm ánh sáng hay laser từ đèn Led phản xạ của gương.
Cộng hưởng
Ngoài cách được đo theo thiên văn học và đo theo kỹ thuật của thời gian bay thì vận tốc của ánh sáng còn được đo theo cộng hưởng, Với cách này, người ta sẽ đo độc lập riêng lẻ tần số (f0 và bước sóng (lamda) để đo tốc độ ánh sáng theo công thức là c = f.lamda.
Giao thoa kế của nguồn sáng
Giao thoa kế chính là một dụng cụ được cho phép đo bước sóng của bức xạ điện từ và sau đó xác định được tốc độ ánh sáng.
- một chùm sáng đã kết hợp cùng tần số f sau khi đã bị tách thành hai tia sẽ cùng kết hợp lại với nhau.
- Điều chỉnh quãng đường truyền tia sáng trong khi quan sát thấy ảnh giao thoa và đo quãng đường điều chỉnh, ta còn có thể xác định được lamda bước sóng.
- Tốc độ ánh sáng đã được đo bằng công thức c = lamda.f
Tại sao vận tốc của ánh sáng thực sự quan trọng
Sự ra đời của thuyết tương đối hẹp của nhà khoa học đồng thời là nhà vật lý học Einstein đã được coi là nền tảng về hằng số tốc độ ánh sáng trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Và ông nói rằng tốc độ ánh sáng rất quan trọng vì nó là tiền đề cho hàng loại các khái niệm khác nhau trong vũ trụ như trong không gian và thời gian. Và vận tốc ánh sáng trong chân không là không đổi.
Mặc dù đã tìm ra tốc độ ánh sáng và đưa ra lý thuyết ánh sáng. Những vấn đề của tốc độ ánh sáng vẫn là đề tài gây tranh cãi của nhiều nhà khoa học.
Những quan điểm khác nhau của vận tốc về ánh sáng
Quan điểm về vận tốc ánh sáng không thay đổi sẽ đặt nghi vấn với một số nhà vật lý học bởi vì tại một lúc nào đó ánh sáng đã di chuyển nhanh hơn hiện tại.
Thông tin về tốc độ ánh sáng và âm thanh
Tốc độ âm thanh là vận tốc lan truyền của sóng âm thanh trong môi trường truyền âm (môi trường truyền âm đứng yên). Vận tốc này không cố định và sẽ thay đổi theo tùy vào môi trường truyền âm.
Còn đối với nhà khoa học tại Imperial College London sau nhiều thập kỷ nghiên cứu đã phát hiện ra ánh sáng đã di chuyển nhanh hơn nhiều so với thời vũ trụ sơ khai.
Ví dụ: như âm thanh truyền trong nước sẽ nhanh hơn trong môi trường của không khí và một số điều kiện vật lý/ hoá học của môi trường này là:
- Trong môi trường truyền âm dị hướng, độ lớn vận tốc âm thanh sẽ phụ thuộc vào hướng truyền.
- Độ lớn của vận tốc âm thanh không được phụ thuộc vào hướng lan truyền
Vận tốc về tốc độ của điện và ánh sáng
Dòng điện chảy theo một hướng, nhưng các điện tích đơn lẻ trong dòng chảy đó là không nhất thiết phải chuyển động thẳng theo dòng.
Ví dụ:
Trong kim loại, electron chuyển động theo hình zigzag, va đập từ nguyên tử này sang nguyên tử kia. Chỉ khi ta nhìn trên tổng thể thì mới thấy xu hướng chung là chúng bị dịch chuyển theo chiều của điện trường. Tốc độ điện, tốc độ di chuyển vĩ mô của các điện tích có thể tìm được qua công thức như sau: I = n.A.v.q
Có vật chất nào di chuyển hơn vận tốc ánh sáng?
Có vật chất nào di chuyển nhanh hơn nhiều lần so với vận tốc ánh sáng hay không? đây là câu hỏi qua nhiều nghiên cứu trong thời gian dài và các nhà khoa học đã đưa ra kết luận như sau:
- Năm 2011, các nhà khoa học đã công bố ghi nhận một số hạt di chuyển nhanh hơn ánh sáng và phát hiện này có thể sẽ bị đảo lộn trong những luật định cơ bản về vũ trụ.
- Antonio Ereditato – là người phát ngôn trong nhóm nhà nghiên cứu quốc tế cho biết rằng các phép đo đạc được thực hiện trong ba năm qua biết được rằng hạt neutrino được bắn ra từ CERN (cơ quan nghiên cứu hạt nhân của Châu Âu), ngoại ô của thành phố Geneva đến Gran Sasso tại Italy đã đến đích nhanh hơn 60 giây nano so với tốc độ ánh sáng.
Thế nhưng nhóm nghiên cứu của Antonio Ereditato đã cho rằng đây là một sai sót đến từ quá trình thí nghiệm. Hiện nay các nghiên cứu về giả thuyết các vật chất nhanh hơn vận tốc đều là khoa học viễn tưởng.
Ứng dụng chính của vận tốc ánh sáng
Vận tốc ánh sáng là một đại lượng có ý nghĩa lớn với ngành khoa học vật lý đặc biệt biệt là thiên văn học. Dựa vào vận tốc của ánh sáng các nhà vật lý học đã xác định khoảng thiên văn với đơn vị là năm ánh sáng. Năm ánh sáng chính là sử dụng để biểu diễn khoảng cách đến giữa các ngôi sao và hành tinh với nhau trong pham vị thiên hà.
Một năm ánh sáng có giá trị thực sự là 9.460.528.400.000 km hay gần 9.5 ngàn tỷ km. Với khoảng cách lớn như vậy nên việc quan sát các hiện tượng về thiên văn học thực ra là chúng ta xem những hiện tượng đã được xảy ra trong quá khứ. Qua đó có thêm nhiều thông tin về vũ trụ rộng lớn.
Tốc độ ánh sáng và bóng đêm
Đã có nhiều người cho rằng, nếu đã xuất hiện vận tốc ánh sáng thì chắc có lẽ phải có vận tốc bóng đêm. Nhưng cơ bản, vận tốc bóng đen chưa từng có sự tồn tại. Bóng đêm không phải là một vật chất hay năng lượng gì hết như ánh sáng. Nó chỉ là một phông nền và luôn luôn vĩnh cửu.
Nhưng nếu ta thực sự tính về vận tốc bóng đêm thì nó thực chất là vận tốc của ánh sáng. Ví dụ như là ở trong một căn phòng kính, việc ta có ánh sáng chính là ánh sáng đã chuyển động, di chuyển đến ta và làm ta có thể thấy được mọi thứ. Còn với ánh sáng đi, mọi thứ sẽ trở về lại đen tối. Vậy nên việc sáng lên và tối đi giống như là ánh sáng đi đến và đi về vậy.
Lời kết
Hy vọng qua bài viết trên bạn sẽ hiểu thêm rõ hơn về vận tốc ánh sáng, một số thông tin quan trọng và chuyên sâu hơn về vận tốc của ánh sáng. Về nguồn gốc, cách đo và tại sao lại tốc độ ánh sáng lại nhanh đến như vậy. Và còn có thêm về ứng dụng chính của vận tốc đó. Mong bạn có thể tiếp nhận thêm được nhiều kiến thức qua bài viết trên.
