Tốc độ ánh sáng trong chân không là đúng 299.792.458 mét mỗi giây, tức gần 300.000 km/s. Con số này "đúng tuyệt đối" vì từ năm 1983 người ta dùng chính nó để định nghĩa mét. Còn chuyện đo ra nó thì bắt đầu từ năm 1676, khi nhà thiên văn Đan Mạch Ole Rømer nhận ra các lần nguyệt thực của vệ tinh Io quanh Sao Mộc lúc sớm lúc muộn tuỳ Trái Đất ở gần hay xa Sao Mộc.
Ánh sáng có cần thời gian để đi không?
Suốt nhiều thế kỷ, câu hỏi này không có lời đáp chắc chắn. Nhiều học giả cổ đại và cả René Descartes ở thế kỷ 17 cho rằng ánh sáng truyền tức thì, không mất chút thời gian nào. Lý do rất dễ hiểu: trong đời thường, bật đèn là sáng, không ai thấy độ trễ.
Galileo Galilei là một trong những người đầu tiên tìm cách thử. Trong cuốn Hai khoa học mới (1638), ông mô tả phép thử với hai người cầm đèn lồng đứng trên hai ngọn đồi: người thứ nhất mở nắp đèn, người thứ hai thấy ánh sáng thì mở đèn của mình, người thứ nhất đo xem phải chờ bao lâu. Ở khoảng cách chưa tới hai cây số, ông không phân biệt được gì. Ngày nay ta biết vì sao: ánh sáng đi quãng đó chưa tới một trăm nghìn phần giây, nhỏ hơn thời gian phản ứng của con người hàng chục nghìn lần. Galileo chỉ kết luận được một điều khiêm tốn mà đúng: nếu ánh sáng có tốc độ hữu hạn thì nó cực kỳ nhanh.
Rømer năm 1676: chiếc đồng hồ treo trên trời
Muốn đo một thứ nhanh như vậy, cần một quãng đường thật dài. Rømer tìm thấy quãng đường đó trong Hệ Mặt Trời. Io, vệ tinh gần Sao Mộc nhất trong bốn vệ tinh lớn mà Galileo phát hiện, cứ khoảng 42,5 giờ lại khuất vào bóng của Sao Mộc một lần. Thời điểm Io biến mất đều như một chiếc đồng hồ, và các nhà thiên văn thời đó đã lập bảng dự báo để dùng cho việc xác định kinh độ trên biển.
Làm việc tại Đài thiên văn Paris, Rømer để ý rằng khi Trái Đất đang chạy ra xa Sao Mộc, các lần Io khuất bóng đến muộn dần so với bảng; khi Trái Đất chạy lại gần, chúng đến sớm dần. Ông giải thích: ánh sáng từ Io cần thêm thời gian để vượt quãng đường dài hơn. Năm 1676, ông dự báo một lần khuất bóng sẽ muộn khoảng 10 phút so với tính toán, và quan sát xác nhận điều đó.
Rømer ước tính ánh sáng cần khoảng 22 phút để vượt qua đường kính quỹ đạo Trái Đất. Con số đúng ngày nay là khoảng 16 phút 40 giây, nhưng ý tưởng mới là cái quan trọng. Christiaan Huygens kết hợp ước tính của Rømer với kích thước quỹ đạo Trái Đất được biết lúc bấy giờ, ra tốc độ cỡ 210.000–220.000 km/s. Sai khoảng một phần tư, nhưng lần đầu tiên loài người có một con số cho ánh sáng.
Các mốc đo tốc độ ánh sáng
| Năm | Người đo | Cách làm | Kết quả (làm tròn) |
|---|---|---|---|
| 1638 | Galileo (mô tả) | Hai đèn lồng trên hai ngọn đồi | Không đo được, chỉ biết là rất nhanh |
| 1676 | Ole Rømer | Lần khuất bóng của vệ tinh Io | Ánh sáng có tốc độ hữu hạn; Huygens tính ra khoảng 210.000–220.000 km/s |
| 1729 | James Bradley | Quang sai của sao: vị trí sao xê dịch theo chuyển động của Trái Đất | Khoảng 300.000 km/s |
| 1849 | Hippolyte Fizeau | Bánh xe răng cưa quay, chùm sáng đi về hơn 8 km giữa Suresnes và Montmartre | Khoảng 313.000 km/s |
| 1862 | Léon Foucault | Gương quay trong phòng thí nghiệm | Khoảng 298.000 km/s |
| 1926 | Albert Michelson | Gương quay, quãng đường giữa hai đỉnh núi ở California | Khoảng 299.796 km/s |
| 1972 | Nhóm Evenson (Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ) | Đo tần số và bước sóng của tia laser | 299.792.456 m/s, sai số khoảng 1 m/s |
| 1983 | Đại hội Cân đo Quốc tế | Định nghĩa lại mét theo ánh sáng | Đúng bằng 299.792.458 m/s |
Bánh xe răng cưa của Fizeau
Fizeau là người đầu tiên đo tốc độ ánh sáng trên mặt đất, không cần nhìn lên trời. Ông chiếu một chùm sáng qua khe giữa hai răng của một bánh xe quay, cho nó đi tới một tấm gương ở cách xa hơn 8 km rồi dội về. Khi bánh xe quay chậm, ánh sáng dội về vẫn lọt qua đúng khe cũ. Khi quay đủ nhanh, lúc ánh sáng quay về thì răng kế tiếp đã chắn ngang, và người quan sát thấy tối. Biết tốc độ quay, số răng và quãng đường, ông tính ra thời gian ánh sáng đi hết hơn 17 km: khoảng 55 phần triệu giây.
Vì sao năm 1983 người ta "đóng đinh" con số
Tới thập niên 1970, phép đo tốc độ ánh sáng bằng laser đã chính xác tới mức sai số lớn nhất không nằm ở ánh sáng, mà nằm ở chính định nghĩa cây mét lúc ấy (dựa trên bước sóng của một vạch phát xạ krypton). Thay vì tiếp tục đo, Đại hội Cân đo Quốc tế lần thứ 17 năm 1983 làm ngược lại: lấy tốc độ ánh sáng làm hằng số cố định, và định nghĩa mét là quãng đường ánh sáng đi trong chân không trong 1/299.792.458 giây. Vì thế ngày nay không ai "đo tốc độ ánh sáng" nữa; đo nó tức là đang đo lại cây mét.
Ánh sáng nhanh cỡ nào nếu đặt cạnh đời thường
- Trong một giây, ánh sáng có thể chạy quanh xích đạo Trái Đất khoảng 7,5 vòng.
- Ánh sáng từ Mặt Trăng tới ta mất khoảng 1,3 giây. Các nhà khoa học vẫn bắn laser lên những tấm phản xạ do các chuyến bay Apollo để lại và đo thời gian đi về để biết khoảng cách Trái Đất – Mặt Trăng với độ chính xác cỡ centimét.
- Ánh sáng Mặt Trời mất khoảng 8 phút 20 giây để tới Trái Đất. Mặt Trời bạn nhìn thấy là Mặt Trời của hơn 8 phút trước.
- Trong một nano giây (một phần tỉ giây), ánh sáng chỉ đi được khoảng 30 cm. Nhà khoa học máy tính Grace Hopper nổi tiếng với việc phát cho học viên những đoạn dây dài chừng ấy để họ "cầm được" một nano giây trong tay.
Ánh sáng chậm lại khi đi qua vật chất
Con số 299.792.458 m/s chỉ đúng trong chân không. Khi đi qua nước, ánh sáng chậm còn khoảng 225.000 km/s; qua thuỷ tinh thông thường còn khoảng 200.000 km/s. Tỉ số giữa tốc độ trong chân không và tốc độ trong một chất gọi là chiết suất của chất đó: nước khoảng 1,33, thuỷ tinh khoảng 1,5, kim cương khoảng 2,4.
Điều này có hệ quả rất thực tế. Tín hiệu internet chạy trong sợi cáp quang bằng thuỷ tinh, nên chỉ đi khoảng hai phần ba tốc độ ánh sáng trong chân không. Một tín hiệu đi xuyên Thái Bình Dương bằng cáp quang mất vài chục mili giây chỉ riêng tiền đường, chưa kể thời gian xử lý ở các trạm. Đó là giới hạn vật lý, nâng cấp thiết bị bao nhiêu cũng không xoá được.
Một hệ quả đẹp hơn: trong nước, một số hạt mang điện có thể chạy nhanh hơn ánh sáng trong nước (dù vẫn chậm hơn ánh sáng trong chân không). Khi đó chúng phát ra một thứ ánh sáng xanh lam gọi là bức xạ Cherenkov, thấy được trong bể nước của lò phản ứng nghiên cứu.
Thí nghiệm tại nhà: đo tốc độ ánh sáng bằng lò vi sóng và thanh sô-cô-la
Lò vi sóng phát sóng điện từ, cùng họ với ánh sáng nên đi với cùng tốc độ. Bên trong lò, sóng dội qua lại tạo ra các điểm nóng cách đều nhau. Bạn có thể dùng điều đó để ước lượng tốc độ ánh sáng. Làm cùng người lớn:
- Tháo đĩa xoay ra (để thức ăn đứng yên). Đặt một đĩa sứ úp ngược lên đế để kê, rồi đặt lên đó một đĩa phẳng có rải một lớp sô-cô-la thanh hoặc phô mai lát.
- Bật lò ở công suất cao trong khoảng 15–20 giây, đến khi thấy vài chỗ bắt đầu chảy. Không để lâu hơn, không cho kim loại vào lò.
- Lấy ra, đo khoảng cách giữa hai chỗ chảy kế nhau. Thường được khoảng 6 cm.
- Xem tần số ghi trên nhãn phía sau lò, gần như luôn là 2.450 MHz. Tốc độ ánh sáng ≈ 2 × khoảng cách × tần số. Với 6,1 cm: 2 × 0,061 × 2.450.000.000 ≈ 299.000.000 m/s.
Kết quả thường lệch vài phần trăm vì các điểm chảy không rõ nét. Nhưng tự tay tính ra một con số gần 300 triệu mét mỗi giây từ một thanh sô-cô-la là cảm giác khó quên.
Góc nhìn hôm nay
Câu chuyện của Rømer là bài học tuyệt vời về cách khoa học làm việc: một sai lệch vài phút trong bảng dự báo, thay vì bị bỏ qua như lỗi đo, đã trở thành bằng chứng cho một điều không ai thấy được bằng mắt. Ngày nay tốc độ ánh sáng có mặt trong đời sống hằng ngày theo cách ta ít để ý: định vị GPS tính khoảng cách tới vệ tinh từ thời gian tín hiệu đi, nên sai một phần tỉ giây là lệch khoảng 30 cm. Muốn đọc thêm, các sách lịch sử vật lý phổ thông và trang của Viện Đo lường Quốc tế (BIPM) về hệ đơn vị SI là nguồn đáng tin.
Câu hỏi thường gặp
Tốc độ ánh sáng là bao nhiêu km/s?
Trong chân không, ánh sáng đi đúng 299.792.458 mét mỗi giây, làm tròn là khoảng 300.000 km/s. Con số này chính xác tuyệt đối vì từ năm 1983 nó được dùng để định nghĩa cây mét.
Ai là người đầu tiên đo được tốc độ ánh sáng?
Ole Rømer, nhà thiên văn người Đan Mạch, năm 1676 đã chứng minh ánh sáng có tốc độ hữu hạn nhờ quan sát vệ tinh Io của Sao Mộc. Người đầu tiên đo trên mặt đất là Hippolyte Fizeau năm 1849 với bánh xe răng cưa.
Ánh sáng Mặt Trời tới Trái Đất mất bao lâu?
Khoảng 8 phút 20 giây, tuỳ thời điểm trong năm vì khoảng cách Trái Đất – Mặt Trời thay đổi đôi chút. Ánh sáng từ Mặt Trăng mất khoảng 1,3 giây.
Có gì nhanh hơn ánh sáng không?
Theo thuyết tương đối, không vật chất hay thông tin nào đi nhanh hơn ánh sáng trong chân không. Trong nước hay thuỷ tinh, ánh sáng chậm lại, nên một số hạt có thể nhanh hơn ánh sáng trong môi trường đó và phát ra bức xạ Cherenkov.
Vì sao ánh sáng đi trong cáp quang chậm hơn?
Vì cáp quang làm bằng thuỷ tinh có chiết suất khoảng 1,5, nên ánh sáng trong đó chỉ đi khoảng 200.000 km/s, chừng hai phần ba tốc độ trong chân không. Đây là một phần của độ trễ khi truyền dữ liệu đi xa.
