Tìm hiểu về Tốc độ ánh sáng: định nghĩa, tính chất và một số đo lường thú vị

Định nghĩa tốc độ ánh sáng

Ánh sáng di chuyển qua vũ trụ với tốc độ nhanh nhất mà các nhà thiên văn học có thể đo được. Trên thực tế, tốc độ ánh sáng là giới hạn tốc độ vũ trụ và không có gì được biết là di chuyển nhanh hơn. Ánh sáng di chuyển nhanh như thế nào? Giới hạn này có thể được đo lường và nó cũng giúp xác định sự hiểu biết của chúng ta về kích thước và tuổi của vũ trụ.

Ánh sáng là gì: Sóng hay Hạt?

Ánh sáng truyền đi nhanh, với vận tốc 299, 792, 458 mét mỗi giây. Làm thế nào nó có thể làm điều này? Để hiểu điều đó, thật hữu ích khi biết ánh sáng thực sự là gì và đó phần lớn là một khám phá của thế kỷ 20. Bản chất của ánh sáng là một bí ẩn lớn trong nhiều thế kỷ. Các nhà khoa học đã gặp khó khăn trong việc nắm bắt khái niệm về bản chất sóng và hạt của nó. Nếu nó là sóng thì nó đã lan truyền qua cái gì? Tại sao nó dường như di chuyển với cùng tốc độ theo mọi hướng?

Và, tốc độ ánh sáng có thể cho chúng ta biết gì về vũ trụ? Mãi cho đến khi Albert Einstein mô tả Thuyết tương đối đặc biệt này vào năm 1905 thì tất cả mới được đưa vào trọng tâm. Einstein lập luận rằng không gian và thời gian là tương đối và tốc độ ánh sáng là hằng số kết nối cả hai. Ngoài ra, các nhà khoa học cũng kết luận rằng ánh sáng được cấu thành từ hạt photon, và bản chất của hạt này cũng là ít nhiều gây khó hiểu cho chúng ta.

Tốc độ của ánh sáng là gì?

Người ta thường nói rằng tốc độ ánh sáng là không đổi và không có gì có thể đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Điều này không hoàn toàn chính xác. Giá trị của 299.792.458 mét mỗi giây (186.282 dặm mỗi giây) là vận tốc ánh sáng trong chân không. Tuy nhiên, ánh sáng thực sự chậm lại khi nó đi qua các môi trường khác nhau. Ví dụ, khi nó di chuyển qua kính, nó chậm lại khoảng hai phần ba tốc độ của nó trong chân không. Ngay cả trong không khí, gần như chân không, ánh sáng vẫn bị chậm lại một chút. Khi nó di chuyển trong không gian, nó gặp phải những đám mây khí và bụi, cũng như các trường hấp dẫn và chúng có thể thay đổi tốc độ một chút. Những đám mây khí và bụi cũng hấp thụ một phần ánh sáng khi nó đi qua.

Hiện tượng này có liên quan đến bản chất của ánh sáng, đó là sóng điện từ. Khi nó truyền qua một vật liệu, điện trườngtừ trường của nó “làm phiền” các hạt tích điện mà nó tiếp xúc. Những nhiễu loạn này sau đó làm cho các hạt phát ra ánh sáng ở cùng tần số, nhưng có sự dịch pha. Tổng của tất cả các sóng này được tạo ra bởi các “nhiễu” sẽ dẫn đến một sóng điện từ có cùng tần số với ánh sáng ban đầu, nhưng với bước sóng ngắn hơn và do đó tốc độ chậm hơn.

Thật thú vị, tuy di chuyển với tốc độ cực nhanh nhưng đường đi của nó có thể bị uốn cong khi đi qua các vùng trong không gian với các trường hấp dẫn cực lớn. Điều này khá dễ thấy trong các cụm thiên hà, nơi chứa rất nhiều vật chất (bao gồm cả vật chất tối), làm cong vênh đường đi của ánh sáng từ các vật thể ở xa hơn, chẳng hạn như chuẩn tinh.

Sóng nhẹ và sóng hấp dẫn

Các lý thuyết hiện tại về vật lý dự đoán rằng sóng hấp dẫn cũng truyền đi với tốc độ ánh sáng, nhưng điều này vẫn được xác nhận khi các nhà khoa học nghiên cứu hiện tượng sóng hấp dẫn từ va chạm các lỗ đensao neutron. Nếu không, không có đối tượng khác đi nhanh như vậy. Về mặt lý thuyết, chúng có thể tiến gần đến tốc độ ánh sáng, nhưng không nhanh hơn.

Một ngoại lệ cho điều này có thể là chính không-thời gian. Dường như các thiên hà xa xôi đang di chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Đây là một “vấn đề” mà các nhà khoa học vẫn đang cố gắng tìm hiểu. Tuy nhiên, một hệ quả thú vị của việc này là một hệ thống du lịch dựa trên ý tưởng về một ổ đĩa dọc. Trong một công nghệ như vậy, một con tàu vũ trụ nằm yên so với không gian và nó thực sự là không gian di chuyển, giống như một người lướt sóng cưỡi sóng trên đại dương.

Một số ứng dụng của tốc độ ánh sáng trong đo lường

Một trong những câu hỏi mà các nhà thiên văn học nhận được từ công chúng là “mất bao lâu để đi từ vật thể X sang vật thể Y?” Ánh sáng cho họ một cách rất chính xác để đo kích thước của vũ trụ bằng cách xác định khoảng cách. Dưới đây là một vài trong số các phép đo khoảng cách phổ biến, tính theo đơn vị khoảng cách ánh sáng:

  • Trái đất tới Mặt trăng: 1,255 giây
  • Mặt trời đến Trái đất: 8,3 phút
  • Mặt trời của chúng ta đến ngôi sao gần nhất tiếp theo: 4,24 năm
  • Đi xuyên qua Dải ngân hà của chúng ta: 100.000 năm
  • Đến thiên hà xoắn ốc gần nhất (Andromeda): 2,5 triệu năm
  • Giới hạn của vũ trụ quan sát được đối với Trái đất: 13,8 tỷ năm

Thật thú vị, có những vật thể vượt quá khả năng của chúng ta chỉ đơn giản là vì vũ trụ đang mở rộng, và một số vật thể “vượt qua đường chân trời” mà chúng ta không thể nhìn thấy. Chúng sẽ không bao giờ đi vào tầm nhìn của chúng ta, bất kể ánh sáng đi nhanh như thế nào. Đây là một trong những hiệu ứng hấp dẫn của việc sống trong một vũ trụ đang mở rộng.