Bài viết tìm hiểu về vận tốc ánh sáng là tốc độ di chuyển của ánh sáng.
Vận tốc ánh sáng trong chân không
Trong chân không vận tốc ánh sáng c = 299.792.458(m/s) trong các tính toán vật lí không cần độ chính xác cao c = 3.108 (m/s) = 300.000 (km/s). Trong các môi trường khác nhau vận tốc ánh sáng được xác định bằng công thức \[v=\dfrac{c}{n}\] với n là chiết suất của môi trường.
Vận tốc của ánh sáng trên Trái Đất
Để hình dung được vận tốc ánh sáng lớn thể nào ta có thể ước lượng với vận tốc của một số chuyển động đã biết trên Trái Đất thông qua các hình ảnh minh họa dưới đây.
Việc tìm ra một loại vật chất chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng vẫn còn trong giai đoạn khám phá khi máy gia tốc hạt lớn hoạt động trở lại, có thể tạm kết luận vận tốc ánh sáng là tốc độ lớn nhất trong vũ trụ mà con người biết được cho đến thời điểm này.
Chính vì chuyển động quá nhanh, trong 1 giây khi bạn chưa kịp nháy mắt ánh sáng đã đi được hơn 7 vòng quanh Trái Đất nên trong phạm vi trên Trái Đất những gì con người nhìn thấy bằng mắt gần như xảy ra ngay lập tức, hay nói cách khác bạn đang được chứng kiến và sống trong hiện tại. Ước mơ vượt qua vận tốc ánh sáng vẫn còn là một khao khát của các nhà vật lí học trong tương lai.
Vận tốc ánh sáng trong vũ trụ
Ngược lại với trên Trái Đất với vận tốc lớn nhất của ánh sáng trong chân không chỉ 299.792.458(m/s) lại là một rào cản lớn đối với loài người trong quá trình khám phá và chinh phục vũ trụ.
Một hạt ánh sáng sinh ra từ lõi Mặt Trời phải mất khoảng 100.000 năm để đi ra đến bề mặt của Mặt Trời, và phải mất khoảng 8phút mới di chuyển đến Trái Đất
Trái Đất: Neil ở trên đó thế nào?
… (vài giây trôi qua)
Mặt Trăng: Neil Armstrong đây, kiểm tra radio hết.
… (vài giây trôi qua)
Trái Đất: Đã nhận, to và rõ hết.
Mặt trăng cách Trái Đất khoảng 380.000km mỗi một tín hiệu di chuyển với tốc độ ánh sáng từ đài chỉ huy đến với phi hành gia đứng trên mặt trăng phải mất 1,3 giây để đến nơi và phải mất bằng đó thời gian để tín hiệu từ nhà du hành trên Mặt Trăng phản hồi lại Trái Đất chưa kể thời gian suy nghĩ.
Trên sao Hỏa khoảng thời gian tín hiệu di chuyển với vận tốc ánh sáng truyền qua lại giữa Trái Đất và tàu thăm dò trên đó là 44 phút, và mất hơn 3 giờ để tới phi thuyền CASINI ở sao Thổ và hơn 29 giờ để tới tàu VOYAGER 1 con tàu đang di chuyển hướng ra khỏi Hệ mặt trời.
So với các khoảng cách xa hơn nữa, những khoảng cách mà ta xét đến ở trên là rất rất nhỏ vì vậy trong thiên văn học người ta sử dụng thước đo năm ánh sáng (light year viết tắt là ly) để tính khoảng cách giữa các hành tinh, ngôi sao, thiên hà.
1 ly = 3.108 (m/s).365(ngày).24(giờ).60(phút).60(s) = 9,4608.1015 (m) = 9,4608.1012 (km) = 9460,8 tỉ km tính một chính xác thì 1ly = 9460730472580800 mét
Vậy làm sao các nhà vật lí thiên văn có thể kết luận được ngôi sao A đang cách trái đất 100 triệu năm ánh sáng?
Thước đo khoảng cách vũ trụ
Năm 1672, nhà vật lí thiên văn Giovanni Cassini đã sử dụng phương pháp thị sai (còn gọi là sai số góc), để tìm khoảng cách tới sao Hỏa và đồng thời tính toán ra khoảng cách tới Mặt trời. Một người đồng nghiệp của ông đã đến vùng Guiana thuộc Pháp trong khi bản thân ông ở Paris thông qua kính thiên văn họ đã thiết lập một lưới tam giác từ đó suy ra khoảng cách từ Trái Đất tới sao Hỏa khi biết góc ở đỉnh và khoảng cách từ Guiana tới Paris.
Bằng phương pháp trên và các kiểm chứng trong khoa học hiện đại các nhà vật lí thiên văn đã tính ra được khoảng cách từ Trái Đất tới tất các các hành tinh trong hệ Mặt Trời cũng như khoảng các từ Mặt Trời tới các hành tinh khác.
Quan sát một ngôi sao ngoài Hệ mặt trời tại hai vị trí khác nhau khi Trái Đất quay được nửa vòng quanh Mặt Trời (khoảng 6 tháng) khi đó kết nối hai vị trí quan sát và ngôi sao tạo thành một tam giác cân. Biết góc thị sai và cạnh đáy của tam giác cân sẽ tính ra được khoảng cách từ Trái Đất tới ngôi sao đó như hình minh họa ở dưới
Phương pháp thị sai hay tam giác đạc cũng chỉ xác định được các ngôi sao trong khoảng cách 400 năm ánh sáng trở lại, đối với các Sao ở xa hơn các nhà vật lí thiên văn sử dụng phương pháp đo Parallax.
Phương pháp đo Parallax: lấy một ngôi sao gần trái đất làm chuẩn, sau đó sử dụng kính viễn vọng để quan sát đối tượng trong hai lần tương tự như kỹ thuật đạc tam giác. Dữ liệu từ những lần quan sát sẽ giúp các nhà khoa học vẽ hai hình tam giác có chung đỉnh là ngôi sao. Các nhà thiên văn học sử dụng phương pháp lượng giác để tính toán khoảng cách đến vật thể cần đo. Phương pháp Parallax để phát hiện những hành tinh ở khoảng cách tới 10.000 năm ánh sáng.
Phương pháp pháp ngọn nến chuẩn
Giả sử ta tính toán được năng lượng do một nguồn sáng chuẩn (VD: Mặt Trời) phát ra là E, năng lượng (cường độ sáng) của nguồn sáng chuẩn đó sẽ giảm tỉ lệ với khoảng cách, khi nhận được ánh sáng từ một ngôi sao ở rất xa phát ra bằng cách đo đạc quang phổ các nhà vật lí thiên văn có thể xác định được năng lượng của nguồn sáng so sánh với khoảng cách tiêu chuẩn sẽ suy ra được khoảng cách của ngôi sao đó.
Bằng cách kết hợp giữa phương pháp tam giác đạc, phương pháp đo Parallax, phương pháp ngọn nến chuẩn và phân tích quang phổ các nhà vật lí thiên văn có thể xác định được các thiên hà, ngôi sao cách chúng ta hàng trăm triệu năm ánh sáng.
Với vận tốc ánh sáng trong chân không là 299.792.458(m/s) thì phải mất 8 phút để ánh sáng đến với Trái Đất điều đó đồng nghĩa với việc bạn đang thấy Mặt Trời tại thời điểm cách đó 8 phút. Chứng tỏ những gì các nhà vật lí thiên văn quan sát trong vũ trụ chỉ là quá khứ đã xảy ra, càng nhìn ra xa chúng ta lại càng gần với quá khứ.
Vận tốc ánh sáng, khoảng cách giữa các hành tinh là một điều gì đó quá xa vời đối với cuộc sống của chúng ta, tuy nhiên hiểu một phần về nó giúp chúng ta hiểu được kiến thức và vũ trụ vô tận tới thế nào.