Ánh sáng và photon
Ánh sáng là bức xạ điện từ. Bức xạ điện từ là những sóng gây ra bởi trường điện từ. Nói một cách dễ hiểu, khi một hạt mang điện được gia tốc, nó gây ra bức xạ điện từ truyền đi trong không gian.
Bức xạ điện từ khác với dòng điện, nó không được truyền bởi hạt mang điện mà truyền bằng một loại hạt hoàn toàn không mang điện gọi là photon. Một photon (hạt ánh sáng hay quang tử) là lượng tử của trường điện từ. Nó là loại hạt mang năng lượng của trường điện từ và truyền tương tác điện từ (một trong 4 tương tác của tự nhiên).
Tùy theo bước sóng mà bức xạ điện từ được chia thành các loại cơ bản theo thứ tự độ dài của bước sóng. Nó được chia từ dài đến ngắn gồm vô tuyến, viba, hồng ngoại, biểu kiến, tử ngoại (cực tím), tia X và tia Gamma.
Cũng cần lưu ý rằng khái niệm “ánh sáng” mà chúng ta thường dùng được hiểu là loại bức xạ điện từ có bước sóng phù hợp để gây ra hiện tượng tạo ảnh trên võng mạc con người. Trên thực tế, ánh sáng theo cách dùng quen thuộc này chỉ là một loại bức xạ điện từ. Hay chính xác hơn là những bực xạ điện từ có bước sóng phù hợp để chúng ta quan sát được (thường được lấy tương đối là từ 400-700nanonet (một nanomet có độ dài bằng một phần tỷ của một mét).
Trong vật lý hiện đại, ánh sáng đôi khi còn được dùng để chỉ chung tất cả bức xạ điện từ. Vì về bản chất vật lý thì về cơ bản chúng không khác nhau (trừ bước sóng và năng lượng). Nếu nói đầy đủ thì cần gọi loại bức xạ có bước sóng như nêu trên là “ánh sáng biểu kiến” (hay ánh sang nhìn thấy).
Một số loài động vật có thể nhìn được ban đêm là do bức xạ ở bước sóng hồng ngoại có thể tương tác với mắt của chúng gây ra sự tạo ảnh. Có nghĩa là nếu bạn có thể giảng bài cho một con mèo hay con dơi thì đừng định nghĩa ánh sáng theo bước sóng nêu trên. Với chúng thì “ánh sáng” có bước sóng khác một chút.
Vận tốc hữu hạn của ánh sáng
Trước kia, người ta từng tin rằng vận tốc của ánh sáng là vô hạn. Đó là hệ quả nhận thức tất yếu khi xét trên những quy mô thường ngày. Khi bạn bật một bóng đèn, bạn thấy ánh sáng bao phủ cả căn phòng cùng một lúc, bởi ở khoảng cách nhỏ như vậy thì sự chênh lệch thời gian là nhỏ tới mức mắt của bạn không thể nhận ra. Mặc dù vậy, thực tế là ánh sáng có vận tốc hữu hạn và người ta đã chứng minh được điều đó bằng nhiều thực nghiệm.
Vận tốc ánh sáng đã được xác định chính xác là 299.792.458 mét mỗi giây, thường được làm tròn là 3.108m/s. Gọi một cách đơn giản và gần gũi hơn với đa số mọi người là 300 nghìn km/s.
Thuyết tương đối hẹp của Einstein đã chỉ ra, vận tốc ánh sáng trong chân không là vận tốc nhanh nhất trong vũ trụ. Đồng thời nó không hề bị ảnh hưởng bởi chuyển động của nguồn phát hay hệ quy chiếu của người quan sát. Điều đó có nghĩa là dù nguồn phát có di chuyển hoặc chính bạn di chuyển thì bạn vẫn đo được vận tốc ánh sáng là như nhau.
Ánh sáng và thời gian
Vận tốc ánh sáng được xác định là hữu hạn. Đồng thời nó là vận tốc lớn nhất trong vũ trụ. Đây không thuần túy là một phép đo, một chỉ số mà nó gây ảnh hưởng lớn tới nhận thức của chúng ta về vũ trụ, trong đó có không gian và thời gian.
Trong giai đoạn đầu của văn minh nhân loại, không gian và thời gian đều được coi là tuyệt đối (quan điểm của vật lý Aristotle). Cho tới thế kỷ 17, Gelileo Gelilei mới chỉ ra rằng không gian chỉ có tính tương đối, vị trí của một vật thể nào đó phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Tuy vậy, Galileo vẫn cho rằng thời gian là tuyệt đối.
Tức hai sự việc xảy ra đồng thời ở một hệ quy chiếu vẫn là không đồng thời khi quan sát từ hệ quy chiếu khác. Tính tuyệt đối như vậy tương ứng với việc ánh sáng phải có vận tốc vô hạn (truyền đi ngay tức khắc), còn với vận tốc hữu hạn mà chúng ta đã biết thì thời gian buộc phải có tính tương đối.
Không chỉ cho biết thời gian có tính tương đối, vận tốc hữu hạn của ánh sáng còn ảnh hưởng tới cách chúng ta nhìn nhận những khái niệm như quá khứ và hiện tại.
Đôi khi có người nói rằng khi nhìn các ngôi sao trên bầu trời là chúng ta đang nhìn vào quá khứ. Điều này xuất phát từ thực tế là ánh sáng cần có thời gian để truyền đi. Nếu một ngôi sao cách ta 1.000 năm ánh sáng thì có nghĩa là hình ảnh của nó mất 1.000 năm để tới chúng ta. Nếu bạn thấy một ngôi sao ở khoảng cách đó phát nổ, có nghĩa việc đó xảy ra cách đây 1.000 năm.
Tuy nhiên có một thực tế khác là ánh sáng luôn cần thời gian để truyền đi. Có nghĩa là ngay cả ở khoảng cách rất ngắn, đòi hỏi một khoảng thời gian ngắn đến mức không thể nhận ra thì hình ảnh bạn nhận được vẫn là hình ảnh trong quá khứ. Bạn nhìn một tòa nhà cách xa vài trăm mét hay nhìn một người đứng ngay trước mắt mình thì thực tế hình ảnh bạn thấy cũng không phải là ngay tức khắc. Vậy có nên chăng xem lại khái niệm quá khứ và hiện tại.
Trên thực tế, khi vận tốc ánh sáng là lớn nhất trong vũ trụ và thời gian có tính tương đối, thì vận tốc ánh sáng đồng thời là vận tốc truyền thông tin tối đa. Rất khó để phân định xem hình ảnh của một ngôi sao cách chúng ta 1.000 năm ánh sáng nên được gọi là quá khứ hay hiện tại. Bởi trên thực tế, chưa có bất cứ cách nào cho phép bạn thu được hình ảnh của ngôi sao ở thời điểm gần với hiện tại của bạn hơn.
Giả sử một nhà du hành đi tới một hành tinh có điều kiện rất giống Trái đất trong hệ gần chúng ta nhất, cách khoảng hơn 4 năm ánh sáng. Sau đó anh ta liên lạc với trạm điều khiển ở Trái đất. Khi đó, thông tin anh ta gửi đi mất hơn 4 năm mới tới được Trái đất. Nếu được hồi âm ngay thì vẫn mất thêm hơn 4 năm nữa để tín hiệu hồi âm tới được với nhà du hành.
Nếu nhà du hành này gặp nạn và qua đời trước khi đợi được hồi âm thì tín hiệu phát đi từ Trái đất không bao giờ nhận được tín hiệu trả lời, bởi lý do nhà du hành đã chết “trong quá khứ”. Vậy nên, việc coi hình ảnh của những thiên thể ở xa là quá khứ được nhiều người ủng hộ hơn. Mặc dù, đôi khi nhà khoa học cho rằng nên coi những gì quan sát được ở hiện tại là… hiện tại.
Mặc dù vậy, việc vận tốc ánh sáng là hữu hạn mang đến cho chúng ta nhiều thứ còn đáng giá hơn nhiều. Nhờ vận tốc hữu hạn của ánh sáng, chúng ta mới có thể quan sát được sao, thiên hà hình thành và tiến hóa trong giai đoạn sớm hơn của vũ trụ, những đặc điểm của vũ trụ trong thời kỳ đầu của nó.
Nhìn thấy quá khứ là một điều tuyệt vời không chỉ vì nó thú vị. Mà quan trọng hơn nó cho phép chúng ta tìm hiểu chi tiết về chính vũ trụ của mình, từ những thiên hà và sao khác để khám phá thêm về chính hệ hành tinh của chúng ta.
Từ đó đưa ra những dự đoán về tương lai của hành tinh và môi trường chúng ta đang sống. Đó mới chính là ý nghĩa quan trọng nhất của nghiên cứu vũ trụ. Điều đó không bao giờ có thể nếu như vận tốc ánh sáng là vô hạn.