Mọi ngành khoa học đều được dẫn dắt bởi những câu hỏi lớn. Đối với Vật lý học, một trong những câu hỏi lớn nhất là liệu chúng ta có thể vượt qua tốc độ ánh sáng hay không. Bởi nếu có thể, thì đây là hy vọng duy nhất để vươn đến những hành tinh xa xôi trên bầu trời.
Khi Einstein lần đầu tiên tiên đoán rằng ánh sáng dịch chuyển với tốc độ giống nhau ở bất cứ đâu trong vũ trụ, nhà vật lý vĩ đại nhất thế kỉ 20 đã 'đóng nhãn' tốc độ của nó là 299.792,458 km/giây.
Nhưng đó không phải là tất cả. Trên thực tế, đây mới chỉ là bước khởi đầu của câu chuyện dài về tốc độ ánh sáng.
Trước thế kỉ 20, khối lượng - thứ làm nên bạn, tôi và tất cả những gì chúng ta nhìn thấy - và năng lượng được coi là độc lập với nhau.
Nhưng vào năm 1905, Lý thuyết Tương Đối Hẹp của Einstein đã thay đổi mãi mãi cách mà các nhà vật lý nhìn vũ trụ, bằng việc ràng buộc khối lượng và năng lượng vào một phương trình tuy đơn giản nhưng cực kì quan trọng E=mc^2.
Về bản chất, phương trình này tiên đoán không có bất cứ thứ gì có khối lượng có thể đạt vận tốc bằng ánh sáng, chứ đừng nói là nhanh hơn.
Nỗ lực thành công nhất của loài người trong việc tiệm cận tốc độ ánh sáng nằm trong các máy gia tốc hạt siêu mạnh như Máy Gia tốc Hạt Lớn [LHC] của CERN hay Tevatron của Mỹ.
Các cỗ máy khổng lồ này [LHC thậm chí còn có chu vi vắt ngang qua dãy Alps, nằm trên cả lãnh thổ Pháp và Thụy Sĩ] có khả năng tăng tốc độ các hạ nguyên tử lên đến 99.99% tốc độ ánh sáng, tuy nhiên theo giải thích của nhà vật lý đạt giải Nobel David Gross, những hạt này sẽ không bao giờ chạm đến ngưỡng tốc độ vũ trụ.
Bởi, để làm như thế cần vô hạn năng lượng [E], và trong quá trình đó, khối lượng [m] của vật thể cũng sẽ đi tới vô hạn, vốn là điều bất khả. Đó là lý do tại sao photon - phân tử của ánh sáng lại đạt được tốc độ này, vì chúng về bản chất không có khối lượng.
Einstein là một biểu tượng điên rồ trong thời đại của ông. Tuy nhiên điên rồ lại luôn là đặc tính chung của các nhà vật lý, thế nên kể từ Einstein, họ đã luôn cố gắng tìm ra những thứ có khả năng đạt tốc độ nhanh hơn cả ánh sáng, mà vẫn tuân theo các nguyên tắc vũ trụ của Thuyết Tương Đối Hẹp.
Rất nhiều ý tưởng sáng tạo trong số đó - trong khi không bác bỏ thế giới quan vũ trụ của Einstein - đã cho chúng ta một cái nhìn sâu sắc hơn về đặc tính của ánh sáng cũng như địa hạt lượng tử.
1. Big Bang và Giãn nở Vũ Trụ
Bạn đã bao giờ tự hỏi, liệu có một luồng ánh sáng siêu mạnh nào có thể đi xuyên qua vũ trụ? Câu trả lời là KHÔNG. Đơn giản là vì vũ trụ của chúng ta không ngừng giãn nở với tốc độ cao hơn nhiều so với ánh sáng. Tốc độ này nằm khoảng 67.15 ± 1.2 [km/s]/Mpc, tức là gần 68 kilomet/ giây/ megaparcec.
Điều này có nghĩa là bất cứ thiên hà nào đang cách chúng ta 10 megaparcec [khoảng 30 triệu năm ánh sáng] sẽ dần dần rời xa khỏi chúng ta với tốc độ 680 km/giây. Có 'hack' trời thì ánh sáng từ Trái đất cũng không bao giờ có thể đến được thiên hà đó.
Mặc dù theo thuyết Tương Đối Hẹp, không vật thể có khối lượng nào có thể đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng, tuy nhiên câu hỏi đặt ra là, liệu có thể có những vật thể không có khối lượng như chính photon ánh sáng?
Bạn ít nhất không cần phải dựa dẫm vào các nhà bác học điên với những thuyết kì dị để tìm ra những hạt "vô lượng" như thế. Khoảng không vũ trụ của chúng ta, do không chứa bất kì một thứ vật chất nào, chính là một 'vật thể' không có khối lượng.
Có thể nói thuyết tương đối áp dụng với tất cả những vật thể bên trong vũ trụ, nhưng không phải là chính bản thân vũ trụ.
Đây chính là những gì mà các nhà vật lý Alan Guth và Andrei Linde giả thiết vào những năm 1980, về điều đã xảy ra ngay tức khắc sau Vụ Nổ Lớn Big Bang.
Trong một phần một triệu tỉ tỉ [10^-24] của giây đầu tiên sau vụ nổ, vũ trụ đã liên tục tăng gấp đôi kích cỡ, và kết quả là rìa ngoài của nó mở rộng nhanh chóng, nhanh hơn tốc độ ánh sáng rất nhiều.
2. Rối lượng tử
Nghe qua thì Rối Lượng Tử có vẻ khó hiểu, bí hiểm và ... hơi "rối", nhưng hiểu theo nghĩa sơ khai nhất thì đây chỉ là cách mà các hạt hạ phân tử "giao tiếp" với nhau. Và điều thú vị mà các nhà nghiên cứu đã chỉ ra, đó là quá trình giao tiếp này thậm chí còn nhanh hơn cả ánh sáng.
"Nếu tôi đặt hai electron nằm rất gần nhau, chúng sẽ giao động cùng tần số theo thuyết lượng tử," nhà vật lý Kaku Michio lý giải với Big Think. Giờ nếu chia rẽ hai electron đó sao cho chúng cách nhau hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn năm ánh sáng, và chúng sẽ giữ cho kết nối chốc lát này mở rộng.
"Nếu tôi lắc nhẹ một electron, thì ngay lập tức electron còn lại sẽ 'cảm nhận' được rung chấn, nhanh hơn so với tốc độ ánh sáng. Einstein cho rằng không có gì có thể đi nhanh hơn ánh sáng, vậy nên trong quá khứ ông đã là một trong những người phản đối thuyết lượng tử quyết liệt nhất," Kaku viết thêm.
Trên thực tế vào năm 1935, Einstein cùng với Boris Podolsky và Nathan Rosen đã thử bác bỏ thuyết lượng tử bằng một thí nghiệm tư duy mà Einstein gọi là "các tác động ma quỷ ở khoảng cách xa".
Khá hài hước khi thí nghiệm này của họ lại đặt nền móng cho cái mà ngày nay chúng ta gọi là nghịch lý EPR[ Einstein-Podolsky-Rosen], một nghịch lý mô tả chính xác hiện tượng kết nối tức thì trong rối lượng tử vừa được miêu tả ở trên.
3. Tachyon
Khả năng về một loại hạt dịch chuyển nhanh hơn ánh sáng lần đầu được đề xuất vào năm 1962 bởi nhà vật lý E.C.G Sudarshan và các đồng sự, mặc dù lúc đầu họ sử dụng thuật ngữ "siêu-hạt"
Trong bài luận văn viết năm 1967 của mình, Gerald Feinberg đã lần đầu sử dụng thuật ngữ "Tachyon" - vốn bắt nguồn từ từ Tachy có nghĩa là 'nhanh' trong tiếng Hy Lạp - đồng thời đề xuất các hạt tachyon có thể trở thành một lượng tử [ nghĩa là- một lượng nhỏ nhất của năng lượng phát xạ] trong vật lý với một 'khối lượng tưởng tượng".
Tuy nhiên cộng đồng khoa học đã sớm nhận ra rằng sự kích thích trường khối lượng tưởng tượng như thế, về bản chất không truyền nhanh hơn ánh sáng, mà thay vào đó biểu diễn một trạng thái không ổn định được biết tới với cái tên ngưng tụ tachyon.
Nếu một hạt như thế tồn tại, loài người có thể xây nên những "tachyonic antitelephone", một thiết bị tưởng tượng có khả năng truyền sóng nhanh hơn ánh sáng, và thậm chí, truyền ngược về quá khứ. Đây có thể chính là nền tảng của du hành thời gian!
Einstein [bạn còn kỳ vọng khác nữa?] một lần nữa bác bỏ điều này trong thí nghiệm nổi tiếng của mình năm 1907, khi chứng minh các tín hiệu nhanh hơn ánh sáng có thể dẫn đến việc vi phạm luật nhân quả.
Luật nhân quả khẳng định tất cả những sự kiện diễn ra trong đường biên ở phần nào của nón thì sẽ phải xuất hiện trong đường biên của phần còn lại
4. Lỗ Giun
Mặc dù Einstein đã chà đạp không thương tiếc lên giấc mộng du hành vũ trụ của chúng ta với thuyết Tương Đối Hẹp, nhưng may quá ông lại còn nghĩ ra thêm Thuyết Tương Đối rộng. Hẹp thì kết nối khối lượng với năng lượng lại, trong khi Rộng lại đan quện thời gian với không gian vào nhau.
"Cách duy nhất để đạp đổ giới hạn tốc độ ánh sáng là thông qua thuyết Tương Đối rộng và sự bẻ cong không thời gian," Kaku viết. Sự bẻ cong này được chúng ta gọi thông tục là "lỗ giun" hay "cầu Einstein-Rosen", với giả định rằng nó sẽ giúp du hành một khoảng cách xa trong nháy mắt
Vào năm 1988, nhà vật lý lý thuyết Kip Thorne đã sử dụng các phương trình của thuyết tương đối rộng để tiên đoán về khả năng 'mở khóa' lỗ giun thông qua cái gọi là "vật chất tối".
"Một điều phi thường là nếu thuần túy dựa vào các định luật vật lý lượng tử, việc tồn tại các "vật chất tối" hoàn toàn có thể xảy ra," Thorne viết trong cuốn sách "Khoa học giữa các vì sao" của mình
Việc nghiên cứu vật chất tối thậm chí đã xuất hiện trong nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới, tuy nhiên sau gần 30 năm kể từ ngày Thorne lần đầu đưa khái niệm này ra công chúng, kết quả nghiên cứu vẫn hầu như dậm chân tại chỗ
Niềm hy vọng về tính ổn định của vật chất tối, giờ đây hầu như chỉ có thể hy vọng vào một học thuyết rất hiện đại của thế kỉ 20 - Lý thuyết dây hay String theory - lý thuyết đi đầu trong hy vọng nối kết giữa trọng trường và thuyết lượng tử
5. Bức xạ Cherenkov
Khi các vật thể dịch chuyển nhanh hơn vận tốc âm thanh, chúng tao ra vụ nổ âm thanh. Tương tự, khi thứ gì đó dịch chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, chúng cũng tạo ra một thứ gọi là "vụ nổ ánh sáng".
Về mặt vật lý mà nói, ánh sáng dịch chuyển với tốc độ c/n ở môi trường có chỉ số khúc xạ n [không phải môi trường chân không]. Điều thú vị là ở chỗ trong một vài môi trường như vậy, tồn tại các hạt di chuyển nhanh hơn tốc độ c/n [nhưng vẫn chậm hơn c], và điều nãy dẫn đến hiện tượng bức xạ Cherenkov.
Bức xạ Cherenkov sở dĩ bừng sáng là bởi nguyên lý cốt lõi trong Lò phản ứng Thí nghiệm Cao cấp là việc giữ nó trong nước để làm lạnh.
Trong nước, ánh sáng chỉ còn di chuyển với 75% tốc độ mà nó di chuyển trong chân không, tuy nhiên các electron được tạo nên bởi phản ứng trong lò di chuyển trong nước nhanh hơn cả ánh sáng .
Các hạt như electron vượt qua tốc độ ánh sáng trong nước, hay các dung môi khác như thủy tinh, tạo nên các sóng kích tương tự như từ các vụ nổ âm thanh.
Theo Theo Trí thức trẻ
Theo nhiều nghiên cứu khoa học nhận định rằng, vận tốc ánh sáng đạt gần 300.000km/s, tương đương với khoảng 1 tỷ km/h. Nói cách khác, chỉ với 1 giây, ánh sáng có thể đi được quãng đường bằng 7 vòng trái đất. Và cũng không quá một giây để đi đến mặt trăng và chưa đến 8 phút để chạm tới mặt trời. Thế nhưng, không phải ai cũng hiểu vận tốc ánh sáng là gì? Vận tốc ánh sáng trong không khí ra sao? Và ánh sáng truyền đi trong không khí với vận tốc gần bằng bao nhiêu? Trong bài viết dưới đây, chúng ta sẽ cùng nhau đi tìm lời giải đáp cho những câu hỏi trên nhé.
Vận tốc là đại lượng thể hiện quãng đường di chuyển của một vật bất kỳ nào đó trong đơn vị thời gian nhất định. Vận tốc thường là đại lượng véc tơ bao gồm cả độ lớn và phương hướng để đo chính xác được vị trí và tốc độ của vật.
Theo kiến thức cơ bản, công thức tính vận tốc là: v = s/t
Trong đó:
- v: vận tốc, được tính bằng km/h, m/s
- s: quãng đường vật di chuyển, đo bằng km, m
- t: thời gian di chuyển, đo bằng h, s.
Vận tốc hay còn gọi là tốc độ ánh sáng trong chân không, được hiểu là tốc độ lan truyền của bức xạ điện từ. Đại lượng này có kí hiệu là c, là một hằng số vật lý và c = 299.792.458 m/s.
Theo thuyết tương đối hẹp, vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không đạt đến cực đại. Các vật chất và năng lượng thông thường sẽ khó có thể đạt được tốc độ này. Chúng dùng tốc độ này chủ yếu chỉ để liên kết các hạt phi khối lượng với các trường vật lý, như: photon.
Mặt khác, với thuyết tương đối, vận tốc ánh sáng trong chân không không có mối quan hệ với thời gian cũng như không gian lan truyền. Do đó, chúng được biểu thị dưới dạng biểu thức: E = mc^2. Trong đó:
- E: năng lượng
- m: khối lượng vật
Dĩ nhiên, ánh sáng truyền đi trong không khí với vận tốc gần bằng bao nhiêu chưa rõ nhưng thường sẽ nhỏ hơn giá trị của c – vận tốc ánh sáng trong chân không.
Để tính được đại lượng này, người thực hiện phải dựa trên chỉ số chiết suất. Đó chính là tỉ số giữa vận tốc ánh sáng chân không và vận tốc ánh sáng không khí.
Đa số chiết suất môi trường không khí cho ánh sáng đi qua sẽ là 1,0003. Con số này tương ứng với vận tốc ánh sáng rơi vào khoảng 90km/h.
Để tìm ra được cách đo chính xác vận tốc ánh sáng, các nhà khoa học qua từng thời kỳ đã phải thử nghiệm rất nhiều cách, trải qua nhiều quá trình. Có thể kể đến những dấu mốc đáng chú ý như sau:
- 1676: Nhà thiên văn học người Đan Mạch Ole Roemer đã thực hiện thí nghiệm quan sát mặt trăng của Sao Mộc. Sau đó, đưa ra kết quả đo vận tốc ánh sáng là 309000km/s. Đây là con số không có sai lệch nhiều so với tốc độ trên thực tế.
- Thế kỷ 19, hai nhà khoa học người Pháp là Hippolyte Fizeau và Léon Foucault đã sử dụng các hệ thống gương phức tạp để tiến hành thí nghiệm. Tốc độ ánh sáng được đo khi này là 298.000 km/s.
- 1924: Michelson đã tiến hành thí nghiệm trên các đỉnh núi khác nhau của California với khoảng cách giữa các điểm là 140km. Hai năm sau, ông công bố kết luận vận tốc của ánh sáng là 300.000km/s.
- Tính đến ngày nay, các nhà khoa học thực nghiệm đều cho rằng tốc độ ánh sáng chính xác là 299.792.450 m/s. Và khi truyền qua không khí, sẽ có giá trị gần bằng 300 000 000 m/s.
Câu hỏi: Ánh sáng truyền đi trong không khí với vận tốc gần bằng bao nhiêu?
A.10,08 triệu km/h
B.1,08 triệu km/h
C.108 triệu km/h
D.1080 triệu km/h
Đáp án:
Vận tốc ánh sáng truyền đi trong không khí là 300.000km/s
Như vậy, cứ 1 giây, ánh sáng đi được 300.000 km
Đổi 1 giây = 1/3600 giờ
Vậy ánh sáng truyền đi trong không khí với vận tốc gần bằng:
v = s/t = 300000/[1/3600] = 300000 . 3600 = 1080000000 [km/h]
Vậy D là đáp án chính xác.
Ánh sáng truyền đi trong không khí với vận tốc gần bằng bao nhiêu là câu hỏi nằm trong sách giáo khoa Vật lý lớp 7, chương 1 – Quang học. Từ những chia sẻ về hệ thống lý thuyết, bạn có thể đưa ra lời giải dễ dàng, nhanh chóng. Hi vọng bài viết trên sẽ giúp ích cho bạn phần nào trong quá trình học tập, nghiên cứu cũng như cuộc sống.