Tài liệu: Tốc độ ánh sáng

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ở một nơi đó trong không gian ngoài kia, cách Trái Đất hàng tỉ năm ánh sáng, ánh sáng nguyên thủy liên quan tới Vụ nổ Lớn của vũ trụ đang chiếu sáng những vùng đất mới khi nó tiếp tục truyền đi ra xa.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: Tốc độ ánh sáng

Tốc độ ánh sáng Ở một nơi đó trong kh ông gian ngoài kia, cách Tr ái Đất hàng tỉ năm ánh sáng, ánh sáng nguyên thủy liên quan tới Vụ nổ Lớn của vũ trụ đang chiếu sáng những vùng đất mới khi nó tiếp tục truyền đi ra xa. Trái ngược lại hoàn toàn, một dạng khác của bức xạ điện từ phát sinh trên Trái Đất, các sóng vô tuyến phát đi từ một chương trình truyền hình nào đó cũng đang lan truyền ra không gian sâu thẳm ngoài kia, mặc dù cường độ của nó yếu hơn nhiều.
Khái niệm cơ bản ẩn sau cả hai sự kiện trên có liên quan tới tốc độ của ánh sáng (và tất cả những dạng khác của bức xạ điện từ), đã được các nhà khoa học xác định một cách kĩ lưỡng, và ngày nay được biểu diễn dưới dạng một giá trị không đổi có mặt trong các phương trình với kí hiệu c. Không hẳn là một hằng số, đúng hơn là tốc độ cực đại trong chân không, tốc độ của ánh sáng, gần 300.000 km/giây, có thể điều chỉnh bằng cách làm thay đổi môi trường hoặc với sự giao thoa lượng tử. Ánh sáng truyền trong một chất, hay môi trường, đồng chất theo đường thẳng, với tốc độ gần như không đổi, trừ khi nó bị khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ hoặc bị nhiễu loạn theo một số cách khác. Thực tế khoa học đã được hiểu rõ này không phải là sản phẩm của kỉ nguyên Nguy ên tử hay thời kì Phục hưng, mà đã được xúc tiến khởi đầu bởi nhà bác học Hi Lạp cổ đại, Euclid, khoảng 350 năm trước Công nguyên, trong chuyên luận mang tính bước ngoặc của ông, Optica. Tuy nhiên, cường độ của ánh sáng (và các bức xạ điện từ khác) tỉ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách truyền đi. Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi được hai lần một khoảng cách cho trước thì cường độ của nó giảm đi bốn lần. Khi ánh sáng truyền trong không khí đi vào một môi trường khác, chẳng hạn như thủy tinh hoặc nước, tốc độ và bước sóng của ánh sáng giảm đi (xem hình 2), mặc dù tần số vẫn giữ nguyên không đổi. Ánh sáng truyền đi xấp xỉ 300.000 km trên giây trong chân không, môi trường có chiết suất bằng 1,0, nhưng vận tốc sẽ giảm xuống còn 225.000 km/giây trong nước (chiết suất 1,3, xem hình 2), và 200.000 km/giây trong thủy tinh (chiết suất 1,5). Trong kim cương, với chiết hơi cao 2,4, tốc độ của ánh sáng giảm đi khá nhiều (125.000 km/giây), chỉ còn khoảng 60% tốc độ của nó trong chân không. Do hành trình khổng lồ mà ánh sáng truyền đi trong không gian bên ngoài giữa các thiên hà (xem hình 1) và bên trong Dải Ngân hà, nên sự giãn nở của các sao có thể đo được không chỉ bằng km, mà còn bằng năm ánh sáng, quãng đường mà ánh sáng đi được trong một năm. Một năm ánh sáng bằng 9,5 nghìn tỉ km, hoặc khoảng 5,9 nghìn tỉ dặm. Khoảng cách từ Trái Đất tới ngôi sao gần nhất ngoài hệ mặt trời của chúng ta, Proxima Centauri, xấp xỉ 4,24 năm ánh sáng. Có thể so sánh
như thế này, Dải Ngân hà có đường kính ước tính chừng 150.000 năm ánh sáng, và khoảng cách đến thiên hà Andromeda là chừng 2,21 triệu năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là ánh sáng rời thiên hà Andromeda 2,21 triệu năm về trước mới tới được Trái Đất, trừ khi trên đường đi nó đã chạm phải các thiên thể phản xạ hoặc các mảnh vỡ khúc xạ. Khi các nhà thiên văn ngắm nhìn bầu trời đêm là lúc họ đang quan sát một hỗn hợp thời gian thực, quá khứ đã qua, và lịch sử thời cổ đại. Ví dụ, trong thời kì mà các nhà tiên phong người Babilon, các nhà chiêm tinh người A Rập, các nhà thiên văn Hi Lạp mô tả các chòm sao, thì Scorpius (Scorpio đối với các nhà chiêm tinh học) vẫn có hình dạng con bọ cạp. Sao đuôi và các sao khác trong chòm sao này đã xuất hiện dưới dạng sao siêu mới trên bầu trời khoảng giữa năm 500 và 1000 trước Công nguyên, nhưng không còn nhìn thấy nữa đối với các nhà nghiên cứu ngày nay. Mặc dù một số sao quan sát thấy trên bầu trời đêm trên Trái Đất đã
chết từ lâu, nhưng sóng ánh sáng mang hình ảnh của chúng vẫn còn chạm tới mắt người và kính viễn vọng. Trong thực tế, ánh sáng từ sự hủy diệt của chúng (và bóng tối của sự vắng mặt của chúng) chưa đi hết khoảng cách khổng lồ trong không gian sâu thẳm vì chưa đủ thời gian. Empedocles thuộc vùng Acragas, người sống vào khoảng năm 450 trước Công nguyên, là một trong những triết gia đầu tiên được ghi nhận đã nhận định rằng ánh sáng truyền đi với một vận tốc giới hạn. Gần một thiên niên kỉ sau này, khoảng chừng năm 525 sau Công nguyên, nhà bác học và nhà toán học người La Mã Anicius Boethius đã thử dẫn chứng bằng tài liệu tốc độ của ánh sáng, nhưng sau khi bị buộc tội phản quốc và làm ma thuật, ông đã bị chém đầu vì nỗ lực mang tính khoa học của mình. Kể từ những ứng dụng sớm nhất của loại bột đen dùng làm pháo hoa và tín hiệu bởi người Trung Hoa, người ta đã tự hỏi về tốc độ của ánh sáng. Với lóe sáng và màu sắc trước khi có tiếng nổ chừng vài giây, nó không đòi hỏi phải có một tính toán gì ghê gớm để nhận ra rằng tốc độ của ánh sáng hiển nhiên vượt quá tốc độ của âm thanh. Bí mật ẩn sau các vụ nổ của người Trung Hoa đã dẫn đường cho họ tới phương Tây trong giữa thế kỉ 19, và cùng với họ, đã mang theo những nghi vấn về tốc độ của ánh sáng. Trước thời gian này, các nhà nghiên cứu phải xem lóe sáng của tia chớp theo sau là tiếng sấm rền, thường xuất hiện trong những đám mưa to sấm dữ, nhưng không đưa ra được bất cứ lời giải thích khoa học nào hợp lí về sự chậm trễ đó. Nhà bác học người A Rập Alhazen là nhà khoa học nghiên cứu quang học nghiêm túc đầu tiên cho rằng (vào khoảng năm 1000 sau Công nguyên) ánh sáng có một tốc độ hữu hạn, và vào năm 1250, nhà quang học tiên phong người Anh Roger Bacon đã viết rằng tốc độ của ánh sáng là hữu hạn, mặc dù rất nhanh. Tuy nhiên, đa số các nhà khoa học trong thời kì này vẫn giữ quan điểm cho rằng tốc độ của ánh sáng là vô hạn và không thể nào đo được. Năm 1572, nhà thiên văn học nổi tiếng người Đan Mạch Tycho Brahe là người đầu tiên mô tả sao siêu mới, xuất hiện trong chòm sao Cassiopeia. Sau khi quan sát một “ngôi sao mới” đột ngột xuất hiện trên nền trời, cường độ sáng của nó giảm dần, và rồi biến mất dần khỏi tầm nhìn trong thời gian 18 tháng, nhà thiên
văn cảm thấy bối rối, nhưng lại kích thích trí tò mò. Những quan trắc các thiên thể mới lạ này khiến cho Brahe và những người đương thời với ông đi tới chỗ nghi vấn về khái niệm phổ biến cho rằng vũ trụ hoàn hảo và không thay đổi có tốc độ ánh sáng vô hạn. Niềm tin cho rằng ánh sáng có tốc độ vô hạn khó bị thay thế, mặc dù một vài nhà khoa học đã bắt đầu nghi vấn về tốc độ của ánh sáng vào thế kỉ thứ 16. Mãi tới năm 1604, nhà vật lí người Đức Johannes Kepler chứng minh rằng tốc độ của ánh sáng là tức thời. Ông bổ sung thêm ghi chú cho công trình công bố của ông rằng khoảng chân không trống rỗng không hề làm chậm tốc độ của ánh sáng, làm cản trở, với một mức độ hữu hạn, cuộc truy tìm của những người đương thời của ông tìm kiếm chất ête được cho là lấp đầy không gian và đã mang ánh sáng đi. Không lâu sau khi phát minh và một số cải tiến tương đối thô đối với kính thiên văn, nhà thiên văn người Đan Mạch Ole Roemer (năm 1676) là nhà khoa học đầu tiên thực hiện một cố gắng nghiêm khắc để ước tính tốc độ của ánh sáng. Bằng cách nghiên cứu vệ tinh Io của sao Mộc và những che khuất thường xuyên của nó, Roemer có thể tiên đoán được tính tuần hoàn của chu kì che khuất đối với vệ tinh này (hình 3). Tuy nhiên, sau một vài tháng, ông lưu ý rằng những tiên đoán của ông trở nên kém chính xác trước những khoảng thời gian tương đối lâu, tiến tới sai số cực đại khoảng 22 phút (một sự chênh lệch tương đối lớn, nhất là khi xem xét quãng đường mà ánh sáng đi được trong khoảng thời gian này). Rồi sau đó, đúng là kì quặc, những tiên đoán của ông lại trở nên chính xác hơn trong một vài tháng,
với chu kì tự lặp lại. Làm việc tại Đài quan sát Paris, Roemer sớm nhận ra rằng những sai lệch quan sát thấy là do sự thay đổi khoảng cách giữa Trái Đất và sao Mộc, do quỹ đạo của các hành tinh này. Khi sao Mộc đi xa khỏi Trái Đất, ánh sáng phải truyền một khoảng cách xa hơn, nên cần nhiều thời gian hơn để tới được Trái Đất. Áp dụng những tính toán tương đối không chính xác cho khoảng cách giữa Trái Đất và sao Mộc được biết vào thời kì đó, Roemer có thể ước tính tốc độ của ánh sáng chừng 137.000 nghìn dặm (hoặc 220.000 km) trên giây. Hình 3 minh họa mô phỏng hình vẽ nguyên thủy của Roemer phác họa phương pháp của ông dùng để xác định tốc độ ánh sáng. Công trình của Roemer làm xôn xao cộng đồng khoa học, và nhiều nhà nghiên cứu bắt đầu xem xét lại các luận cứ của họ về tốc độ vô hạn của ánh sáng. Chẳng hạn, ngài Isaac Newton đã viết trong một chuyên luận mang tính bước ngoặc của ông vào năm 1687, Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica (Các nguyên lí toán học của triết học tự nhiên), “Bây giờ có thể khẳng định từ hiện tượng các vệ tinh của Mộc tinh, được xác nhận bởi quan trắc của các nhà thiên văn khác, rằng ánh sáng truyền đi liên tục và cần khoảng 7 hoặc 8 phút để truyền từ Mặt Trời tới Trái Đất”, đây thật sự là một ước tính rất gần với tốc độ chính xác của ánh sáng. Quan điểm đáng kính và danh tiếng rộng rãi của Newton là phương tiện để khởi động cuộc cách mạng khoa học, và giúp khởi xướng các nghiên cứu mới bởi các nhà khoa học tán thành rằng tốc độ của ánh sáng là hữu hạn. Người tiếp theo mang tới một ước tính hữu ích cho tốc độ của ánh sáng là nhà vật lí người Anh James Bradley. Năm 1728, một năm sau khi Newton qua đời, Bradley đã ước tính tốc độ ánh sáng trong chân không xấp xỉ 301.000 km/giây, sử dụng phương pháp quang sai của các sao. Những hiện tượng này là hiển nhiên bởi các thay đổi biểu kiến vị trí của các sao do chuyển động của Trái Đất xung quanh Mặt Trời. Mức độ quang sai của các sao có thể xác định từ tỉ số của tốc độ quỹ đạo của Trái Đất và tốc độ của ánh sáng. Bằng cách đo góc quang sai sao và áp dụng dữ liệu về tốc độ quỹ đạo của Trái Đất, Bradley có thể đi tới một ước tính đặc biệt chính xác.
Năm 1834, Charles Wheatstones, nhà nghiên cứu kính vạn hoa và là nhà tiên phong trong khoa âm học, đã thử đo tốc độ của dòng điện. Wheatstones phát minh ra một dụng cụ sử dụng gương xoay và sự phóng điện qua chai Leyden để làm phát ra và đo thời gian chuyển động của tia lửa điện qua gần như tám dặm dây dẫn. Thật không may, các tính toán của ông (và có lẽ là do dụng cụ của ông) có sai sót nên Wheatstones đã ước tính vận tốc của dòng điện là 288.000 dặm/giây, một sai lầm dẫn ông tới chỗ tin rằng dòng điện truyền nhanh hơn ánh sáng. Nghiên cứu của Wheatstones sau này được mở rộng bởi nhà khoa học người Pháp Dominique Francis Jean Arago. Mặc dù thất bại khi cố gắng hoàn thành công trình của mình trước khi bị hỏng thị lực vào năm 1850, nhưng Arago đã nhận định đúng đắn rằng ánh sáng truyền trong nước chậm hơn so với trong không khí. Trong khi đó, ở Pháp, các nhà khoa học kình địch nhau là Armand Fizeau và Jean-Bernard-Leon Foucault độc lập nhau đã cố gắng đo tốc độ ánh sáng, không dựa trên các sự kiện thiên thể, mà khai thác những thuận lợi của khám phá của Arago và mở rộng thiết kế gương xoay của Wheatstones. Năm 1849, Fizeau chế tạo được một dụng cụ làm lóe ra một chùm ánh sáng qua một bánh xe răng cưa (thay cho gương xoay) và rồi đi tới một gương cố định đặt cách đấy 5,5 dặm. Bằng cách quay bánh xe ở tốc độ nhanh, ông có thể lái chùm tia qua khe nằm giữa hai răng cưa trên hành trình đi ra xa và bắt lấy tia phản xạ trong khe lân cận trên hành trình quay trở lại. Với tốc độ quay của bánh xe và khoảng cách truyền bởi xung ánh sáng đã biết, Fizeau có thể tính được tốc độ ánh sáng. Ông cũng phát hiện thấy ánh sáng truyền trong không khí nhanh hơn trong nước (xác nhận giả thuyết của Arago), một thực tế mà người đồng hương là Foucault sau đó đã xác minh được bằng thực nghiệm.
Foucault dùng một gương xoay nhanh điều khiển bằng tuabin khí nén để đo tốc độ ánh sáng. Trong thiết bị của ông (xem hình 4), một chùm ánh sáng hẹp truyền qua một kẽ hở và rồi truyền qua một cửa sổ thủy tinh (đóng vai trò bộ tách chùm tia) có mặt chia độ tinh vi trước khi chạm tới gương đang xoay nhanh. Ánh sáng phản xạ từ gương xoay hướng qua một bộ gương cố định theo đường zigzag để tăng chiều dài đường đi của thiết bị lên khoảng 20m mà không phải tăng tương ứng kích thước của dụng cụ. Trong khoảng thời gian cần thiết để ánh sáng phản xạ qua dãy gương và quay trở lại gương xoay, một sự lệch nhỏ của vị trí gương xoay đã xảy ra. Rồi sau đó, ánh sáng phản xạ từ vị trí bị lệch của gương xoay đi theo một hành trình mới trở lại nguồn phát và đi vào kính hiển vi gắn trên thiết bị. Sự lệch nhỏ của ánh sáng có thể nhìn thấy qua kính hiển vi và ghi lại. Bằng việc phân tích dữ liệu thu thập từ thí nghiệm của ông, Foucault có thể tính được tốc độ ánh sáng là 298.000 km/giây (xấp xỉ 185.000 dặm/giây). Đường đi của ánh sáng trong dụng cụ của Foucault đủ ngắn để dùng trong các phép đo tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác ngoài không khí. Ông phát hiện thấy tốc độ ánh sáng trong nước hoặc trong thủy tinh chỉ khoảng 2/3 giá trị của nó trong không khí, và ông cũng kết luận rằng tốc độ ánh sáng qua một môi trường cho trước tỉ lệ nghịch với chiết suất. Kết quả đáng chú ý này phù hợp với những tiên đoán về hành trạng ánh sáng đã được phát triển hàng trăm năm trước đó từ lí thuyết sóng của sự truyền ánh sáng.
Dưới sự chỉ dẫn của Foucault, nhà vật lí người Mĩ gốc Ba Lan tên là Albert M. Michelson đã nỗ lực gia tăng độ chính xác của phương pháp đó, và đã thành công trong việc đo tốc độ ánh sáng vào năm 1878 với mẫu thiết bị phức tạp hơn đặt dọc theo bức tường dài 2000 foot nằm trên đôi bờ sông Severn ở Maryland. Đầu tư các thấu kính và gương chất lượng cao để hội tụ và phản xạ chùm ánh sáng trên quãng đường dài hơn nhiều so với trong thí nghiệm của Foucault, Michelson tính được kết quả cuối cùng là 186.355 dặm/giây (299.909 km/giây), cho phép sai số trong khoảng 30 dặm/giây. Do độ phức tạp tăng lên trong thiết kế thí nghiệm của ông, nên độ chính xác của phương pháp Michelson cũng cao gấp hơn 20 lần so với phương pháp của Foucault. Vào cuối những năm 1800, đa số các nhà khoa học vẫn tin rằng ánh sáng truyền qua không gian bằng một môi trường trung chuyển gọi là ête. Michelson đã hợp sức với nhà khoa học Edward Morley vào năm 1887 nghĩ ra một phương pháp thực nghiệm tìm kiếm ête bằng cách quan sát sự thay đổi tương đối tốc độ của ánh sáng khi Trái Đất hoàn thành vòng quay của nó xung quanh Mặt Trời. Để thực hiện mục tiêu này, họ đã thiết kế một chiếc giao thoa kế tách một chùm ánh sáng và lại gửi mỗi chùm tia đi theo hai đường khác nhau, mỗi đường dài 10m, bằng một dãy
gương bố trí phức tạp. Michelson và Morley giải thích rằng nếu như Trái Đất chuyển động qua môi trường ête thì chùm tia phản xạ tới lui vuông góc với dòng ête sẽ phải truyền đi xa hơn so với chùm tia phản xạ song song với dòng ête. Kết quả sẽ là sự trễ ở một trong hai chùm tia có thể phát hiện khi hai chùm tia tái kết hợp qua hiện tượng giao thoa.