Tìm hiểu về vận tốc ánh sáng, tốc độ ánh sáng

Có lẽ hầu hết mọi người đều biết rằng “Vận tốc ánh sáng là hữu hạn, đồng thời cũng là vận tốc lớn nhất trong tự nhiên”. Tuy nhiên, để hiểu rõ về vận tốc ánh sáng là gì thì không nhiều người nắm được. Nếu vậy, hãy cũng LabVIETCHEM tìm hiểu về vận tốc ánh sáng qua các thông tin hữu ích trong bài viết dưới đây.

Vận tốc ánh sáng là vận tốc lớn nhất trong tự nhiên

Tốc độ ánh sáng là gì? Mối quan hệ giữa vận tốc ánh sáng với tốc độ ánh sáng

- Tốc ánh sáng là tốc độ lan truyền của các bức xạ điện tử trong chân không. Nó là một hằng số vật lý cơ bản, có vai trò quan trọng trong vật lý và được xác định bằng 299.792.458 m/s với sai số 4 phần tỷ vào năm 1975 sau nhiều thập kỷ nghiên cứu.a

- Đến năm 1983, đơn vị đo mét được định nghĩa lại trong hệ đo lường chuẩn SI bằng khoảng cách ánh sáng truyền trong chân không trong thời gian bằng 1/299.792.458 của một giây. Kết quả là giá trị số của tốc độ ánh sáng trong đơn vị m/s được định nghĩa cố định và chính xác.

- Tốc độ ánh sáng là tốc độ cho mọi hạt phi khối lượng liên kết với các trường vật lý gồm bức xạ điện từ như proton ánh sáng lan truyền trong chân không, đồng thời nó cũng là tốc độ truyền của hấp dẫn được tiên đoán bởi các lý thuyết hiện tại.

- Vận tốc ánh sáng khi nó truyền qua vật liệu trong suốt như thủy tinh, không khí,….nhỏ hơn tốc độ ánh sáng. Tỷ số giữa tốc độ ánh sáng với vận tốc ánh sáng truyền qua vật liệu chính là chỉ số chiết suất của vật liệu.

Ví dụ: Với ánh sáng khả kiến, chiết suất của thủy tinh khoảng 1.5. Vậy vận tốc ánh sáng truyền qua thủy tinh được xác định là 299.792.458 / 1,5 ≈ 200000 km/s. Chiết suất của không khí cho ánh sáng khả kiến là 1.0003 nên tốc độ trong không khí của ánh sáng chậm hơn 90 km/s so với tốc độ ánh sáng trong chân không.

- Trong thuyết tương đối, tốc độ ánh sáng có liên hệ với thời gian và không gian và nó có trong phương trình E = m.c² của Einstein.

Phương trình tương đương giữa khối lượng và năng lượng

Các cách đo vận tốc ánh sáng

1. Trong thiên văn học

- Cách 1: Ole Christensen Rømer là người đầu tiên dựa trên quan sát thiên văn học để ước lượng tốc độ ánh sáng.

+ Khi đo từ Trái Đất, chu kỳ quỹ đạo của các vệ tinh tự nhiên quay quanh một hành tinh ở xa sẽ ngắn hơn khi khoảng cách từ Trái Đất đến hành tinh đó gần hơn và ngược lại.

+ Khoảng cách ánh sáng lan truyền từ hành tinh đến Trái Đất ngắn nhất khi Trái Đất ở vị trí quỹ đạo gần với hành tinh nhất và khi Trái Đất ở vị trí quỹ đạo xa nhất so với hành tinh đó thì khoảng cách ánh sáng phải truyền cũng là xa nhất.

+ Hiệu hai khoảng cách cực trị này chính bằng đường kính quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời.

+ Quan sát sự thay đổi trong chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh tự nhiên thực chất chính là hiệu thời gian ánh sáng phải lan truyền giữa khoảng cách ngắn và khoảng cách dài hơn. Nhờ vậy, Rømer đã phát hiện ra hiệu ứng này đối với vệ tinh phía trong Io của Sao Mộc và ông kết luận được rằng “Ánh sáng mất 22 phút để đi qua đường kính của quỹ đạo Trái Đất”. Tuy nhiên, ngày nay, giá trị đo được thực tế là hơn 16 phút.

- Cách 2: Sử dụng hiện tượng Quang sai của nhà thiên văn James Bradley, đó là “ Ánh sáng từ nguồn ở xa hiện lên ở vị trí khác đối với một kính thiên văn chuyển động do tốc độ hữu hạn của ánh sáng”.

+ Do hướng của vectơ vận tốc Trái Đất thay đổi liên tục do nó tự quay cũng như quay trên quỹ đạo quanh Mặt Trời nên vị trí biểu kiến của các ngôi sao sẽ di chuyển tròn.

+ Từ góc lệch lớn nhất của vị trí những ngôi sao trên bầu trời, khoảng 20.5 giây cung, chúng ta có thể tính được tốc độ ánh sáng dựa theo vận tốc của Trái Đất trên quỹ đạo quanh Mặt Trời.

+ Bằng cách sử dụng phương pháp này, Bradley đã tính được ánh sáng di chuyển nhanh hơn Trái Đất trên quỹ đạo 10.210 lần

2. Kỹ thuật thời gian bay

Phương pháp này sử dụng dụng cụ Fizeau–Foucault do Hippolyte Fizeau và Léon Founcault phát minh ra.

Ngày nay, trong các trường đại học, sinh viên thường sử dụng dao động ký với độ phân giải nhỏ hơn 1 nano giây để đo tốc độ ánh sáng bằng cách đo độ trễ thời gian của chùm sáng hay laser từ một laser hoặc đèn LED phản xạ từ gương. 

3. Hằng số điện từ

- Phương pháp này sử dụng phương trình liên hệ c với hằng số điện môi ε0 và hằng số từ môi μ0 trong lý thuyết Maxwell: c2 = 1/(ε0μ0).

+ Hằng số điện môi đo theo điện dung của một tụ điên với kích thước hình học đã biết.

+ Hằng số từ môi có giá trị là 4π×10⁻⁷ H×m-1.

- Vận tốc ánh sáng được xác định theo phương pháp này là 299710⁺²² km/s.

4. Sự cộng hưởng trong hốc

Với cách này, người ta tiến hành đo độc lập riêng rẽ tần số f (đo tần số cộng hưởng sử dụng một bộ cộng hưởng hốc) và bước sóng λ của một sóng điện từ trong chân không và tính tốc độ ánh sáng theo theo công thức c = fλ.

5. Giao thoa kế

Giao thoa kế dùng để đo bước sóng của nguồn sáng

Giao thoa kế là một dụng cụ cho phép đo được bước sóng của bức xạ điện từ và từ đó, xác định được tốc độ ánh sáng.

- Một chùm sáng kết hợp đã biết tần số f sau khi bị tách thành hai tia sẽ kết hợp lại với nhau.

- Điều chỉnh quãng đường truyền tia sáng trong khi quan sát ảnh giao thoa và đo quãng đường điều chỉnh, chúng ta có thể xác định được bước sóng λ.

- Tốc độ ánh sáng được xác định bằng công thưc c = λf.

Tại sao chúng ta không thể chế tạo ra phương tiện đi nhanh hơn vận tốc ánh sáng

Có thể tạo ra phương tiện di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng không

Một vật thể tồn tại sẽ tương quan qua lại giữa 3 đại lượng, bao gồm năng lượng, tốc độ và khối lượng. Phương trình thể hiện sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng của Einstein được đưa ra năm 1905 là một công thức nổi tiếng. Nó được xác định như sau:

E = m.c²

Trong đó:

• E là năng lượng.
• m là khối lượng.
• c là tốc độ ánh sáng trong chân không.

Công thức này có nghĩa là “Khối lượng và năng lượng tỉ lệ thuận với nhau theo hằng số c. Năng lượng có thể chuyển thành khối lượng và ngược lại”.

Động lượng của một vật có khối lượng sẽ tăng theo vận tốc, vật có vận tốc ánh sáng sẽ có khối lượng vô cùng lớn. Vì vậy, để tạo ra phương tiện có thể đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng, chúng ta cần:

- Cách 1: Tạo ra một vật có khối lượng vô cùng lớn, ví dụ như một con tàu vũ trụ muốn đạt được tốc độ ánh sáng phải to bằng một nửa trái đất và với kích thước như như thế thì con người không có khả năng chế tạo.

- Cách 2: Gia tăng vận tốc cho một vật có khối lượng đạt vận tốc ánh sáng hoặc gia tốc hữu hạn trong thời gian vô hạn hoặc gia tốc vô hạn trong thời gian hữu hạn.

Cả 2 cách này đều cần một nguồn năng lượng vô hạn mà con người vẫn chưa có cách nào làm được và chưa có một công nghệ nào có thể tạo ra phương tiện vượt qua tốc độ ánh sáng vì chúng ta chưa có cách nào để đột phá, thoát khỏi phương trình của Einstein. Chỉ có những hạt không có khối lượng mới đạt được vận tốc ánh sáng, như photon, những vật có khối lượng chỉ có thể đạt gần bằng vận tốc ánh sáng.

Hy vọng với những thông tin mà LabVIETCHEM chia sẻ ở trên, các bạn đã hiểu thêm phần nào về vận tốc ánh sáng. Để xem thêm nhiều bài viết hay và bổ ích hơn, hãy truy cập trực tiếp vào website labvietchem.com.vn nhé.

Xem thêm: 

• Giải đáp thắc mắc vôi sống là gì và tính ứng dụng trong thực tế
• Vi sinh vật là gì? Phân loại và các ứng dụng của vi sinh vật trong thực tế