SOHA NEWS
Tốc độ của ánh sáng là hữu hạn
Vào thế kỷ 5 trước Công nguyên, nhà triết học Hy Lạp cổ đại Empedocles là người đầu tiên bàn đến vấn đề tốc độ ánh sáng là hữu hạn. Empedocles lập luận, vì ánh sáng chuyển động nên nó phải mất thời gian di chuyển.
Chưa đầy một thế kỷ sau, Aristotle – một nhà triết học Hy Lạp khác – đưa ra quan điểm ngược lại và ông tin rằng ánh sáng truyền đi một cách tức thì [vận tốc ánh sáng vô hạn].
Một trong những người tiến hành thí nghiệm đầu tiên để kiểm tra xem ánh sáng có tốc độ giới hạn hay không là nhà khoa học Hà Lan, Isaac Beeckman, vào năm 1629. Thí nghiệm của Beeckman liên quan đến việc kích nổ thuốc súng.
Beeckman đặt gương ở nhiều khoảng cách khác nhau từ vụ nổ. Sau đó, ông hỏi những người quan sát xem họ có thấy bất kỳ sự khác biệt nào khi chớp sáng phản chiếu từ mỗi gương vào mắt không. Bạn có thể dễ dàng đoán ra là thí nghiệm này không thu được kết quả cuối cùng.
Galileo Galilei, nhà khoa học thiên tài người Italy, đã tiến hành một thí nghiệm nổi tiếng khác vào năm 1638. Galileo và trợ lý đứng trên hai ngọn đồi cách nhau gần một dặm, mỗi người cầm theo một chiếc đèn lồng có thể đóng/mở để ánh sáng phát ra.
Một người sẽ mở chiếc đèn, và khi người còn lại nhìn thấy ánh sáng cũng sẽ mở đèn của mình để báo hiệu. Bằng cách quan sát mất bao lâu thì người kia nhận được tín hiệu ánh sáng (tính cả thời gian phản xạ mở đèn báo hiệu), Galileo nghĩ rằng ông có thể tính được tốc độ ánh sáng.
Thật không may, khoảng cách giữa Galileo và trợ lý quá gần để nhận thấy sự khác biệt, do đó ông chỉ có thể xác định ánh sáng truyền đi nhanh hơn ít nhất 10 lần âm thanh.
Vào những năm 1670, Ole Roemer, nhà thiên văn học người Đan Mạch, sử dụng hiện tượng mặt trăng Io của sao Mộc bị che khuất (eclipse) như một đồng hồ bấm giờ để ước lượng vận tốc ánh sáng. Trong suốt nhiều tháng, khi Io bay phía sau hành tinh khí khổng lồ, Römer nhận thấy thời điểm che khuất diễn ra muộn hơn so với tính toán từ trước.
Nhưng nhiều tháng khác, thời điểm che khuất đến sớm hơn dự đoán. Roemer kết luận, ánh sáng cần thời gian để di chuyển từ Io đến Trái đất, và sự khác biệt về thời gian nói trên là do Trái đất đang bay gần hoặc xa sao Mộc.
"Thí nghiệm đã mang lại cho Roemer bằng chứng thuyết phục rằng ánh sáng lan truyền trong không gian với một vận tốc nhất định", theo Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA).
Sau khi thực hiện nhiều phép tính, Roemer xác định ánh sáng dường như mất khoảng 10 tới 11 phút để di chuyển khoảng cách bằng nửa đường kính quỹ đạo của Trái đất quanh Mặt trời. Điều này nghĩa là ánh sáng truyền đi với tốc độ khoảng 200.000.000 m/s, thấp hơn 26% so với giá trị thực.
Năm 1728, nhà vật lý người Anh James Bradley xác định vận tốc ánh sáng bằng 295.000.000 m/s. Những tính toán của Bradley dựa trên sự thay đổi vị trí biểu kiến của các ngôi sao do Trái đất di chuyển quanh Mặt trời. Bradley cũng là người đầu tiên khám phá hiện tượng quang sai của ánh sáng sao.
Năm 1905, Albert Einstein viết bài báo đầu tiên về Thuyết tương đối hẹp. Trong đó, ông xác định rằng ánh sáng truyền đi với cùng tốc độ cho dù người quan sát di chuyển nhanh như thế nào.
Ngay cả khi sử dụng các phép đo chính xác nhất có thể, tốc độ ánh sáng vẫn giữ nguyên đối với người quan sát đứng yên trên bề mặt của Trái đất và một người di chuyển trong chiếc máy bay phản lực siêu thanh.
Sau nhiều thập kỷ với những công nghệ đo đạc tiên tiến hơn, Hội nghị Toàn thể về Cân nặng và Đo lường (CGPM) công bố con số chính thức cho vận tốc ánh sáng là 299.792.458 m/s vào năm 1975. Vận ánh sáng được ký hiệu bằng chữ "c". Đây là một hằng số quan trọng để xây dựng nhiều lý thuyết vật lý khác nhau.
Có thể di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng?
Thuyết tương đối của Albert Einstein, thứ làm nền tảng cho các khái niệm hiện đại về không gian và thời gian, được xây dựng dựa trên tiên đề vận tốc ánh sáng trong chân không là không đổi. Khi một vật chuyển động nhanh hơn, khối lượng của nó tăng lên và chiều dài co lại.
Ở tốc độ ánh sáng, một vật thể như vậy có khối lượng vô hạn, trong khi chiều dài của nó bằng 0 – một điều không thể xảy ra. Do đó, về mặt lý thuyết không vật thể nào có thể bay với vận tốc nhanh hơn ánh sáng.
Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review D vào ngày 18/11/2016, Joao Magueijo, giáo sư tại Đại học Hoàng gia London (Anh) và Niayesh Afshordi, tiến sĩ tại Viện Perimeter (Canada) đề xuất ý tưởng cho rằng tốc độ ánh sáng khi vũ trụ mới hình thành cao hơn nhiều so với hiện nay, và tính đúng đắn của lý thuyết này có thể kiểm tra được thông qua chỉ số quang phổ (spectral index).
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết họ đã dành rất nhiều thời gian để xây dựng một lý thuyết không làm mất ổn định sự hiểu biết của chúng ta về vật lý. "Toàn bộ lĩnh vực vật lý đều dựa trên nguyên lý tốc độ ánh sáng không đổi. Vì vậy chúng tôi phải tìm cách thay đổi tốc độ của ánh sáng mà không ảnh hưởng quá nhiều đến mọi thứ", Joao Magueijo cho biết.
Năm 2011, giới khoa học nghĩ rằng họ đã ghi nhận được các hạt di chuyển nhanh hơn ánh sáng –phát hiện có thể đảo lộn một trong những định luật cơ bản của Einstein về vũ trụ.
Theo Antonio Ereditato, người phát ngôn của nhóm nghiên cứu quốc tế tại Tổ chức Nghiên cứu Nguyên tử châu Âu (CERN), các phép đo trong khoảng thời gian 3 năm cho thấy các hạt neutrino trong Máy Gia tốc hạt Lớn (LHC) di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng 60 nano giây.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã bị buộc phải thừa nhận tất cả chỉ là một sai sót do kết nối dây bị lỗi.
Cho đến nay, giả thuyết di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng vẫn chỉ có trong khoa học viễn tưởng.