Tốc độ ánh sáng

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

122
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thiết bị thí nghiệm do Michelson và Morley xây dựng thật khổng lồ (hình 5). Đặt trên một phiến đá đang quay từ từ rộng khoảng 5 feet vuông và dày 14 inch, thiết bị được bảo vệ thêm bởi một hồ thủy ngân bên dưới đóng vai trò bộ giảm sốc không có ma sát để loại bỏ các dao động ảnh hưởng từ phía Trái Đất. Một khi phiến đá được đưa vào chuyển động, thu được tốc độ lớn nhất là 10 vòng/giờ, mất tới hàng giờ mới có tạm dừng lần nữa. ...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tốc độ ánh sáng

Tốc độ ánh sáng Thiết bị thí nghiệm do Michelson và Morley xây dựng thật khổng lồ (hình 5). Đặt trên một phiến đá đang quay từ từ rộng khoảng 5 feet vuông và dày 14 inch, thiết bị được bảo vệ thêm bởi một hồ thủy ngân bên dưới đóng vai trò bộ giảm sốc không có ma sát để loại bỏ các dao động ảnh hưởng từ phía Trái Đất. Một khi phiến đá được đưa vào chuyển động, thu được tốc độ lớn nhất là 10 vòng/giờ, mất tới hàng giờ mới có tạm dừng lần nữa. Ánh sáng truyền qua bộ tách chùm, và phản xạ bởi hệ thống gương, được xác định với một chiếc kính hiển vi quan sát vân giao thoa, nhưng cả hai nhà khoa học đều không quan sát thấy gì. Tuy nhi ên, Michelson đã sử dụng giao thoa kế của ông để xác định chính xác tốc độ của ánh sáng là 186.320 dặm/giây (299.853 km/giây), một giá trị vẫn được xem là chuẩn trong vòng 25 năm tiếp sau đó. Thất bại trong việc phát hiện sự thay đổi tốc độ ánh sáng bởi thí nghiệm Michelson-Morley đã đặt dấu chấm hết cho cuộc tranh luận về ête, cuối cùng đã đưa tới lí thuyết của Albert Einstein vào đầu thế kỉ 20. Năm 1905, Einstein công bố thuyết tương đối đặc biệt của ông, sau đó là thuyết tương đối tổng quát vào năm 1915. Lí thuyết thứ nhất đề cập tới sự chuyển động của các vật thể ở vận tốc không đổi tương đối với nhau, còn lí thuyết thứ hai tập trung vào gia tốc và mối liên hệ của nó với hấp dẫn. Do chúng thách thức những giả thuyết đã tồn tại từ lâu, ví dụ như các định luật chuyển động của Isaac Newton, nên lí thuyết của Einstein là một lực lượng cách mạng trong vật lí học. Ý tưởng về tính tương đối thể hiện qua khái niệm cho rằng vận tốc của một vật chỉ có
thể được xác định tương đối với vị trí của nhà quan sát. Lấy ví dụ, một người đàn ông đang đi bên trong một chiếc máy bay dân dụng cỡ lớn có vẻ đang đi ở tốc độ khoảng 1 dặm/giờ đối với hệ quy chiếu là chiếc máy bay (còn chính chiếc máy bay đang chuyển động với vận tốc 600 dặm/giờ). Tuy nhiên, đối với một nhà quan sát ở mặt đất, người đàn ông đó đang chuyển động ở vận tốc 601 dặm/giờ. Einstein đã giả sử trong các tính toán của ông rằng tốc độ của ánh sáng truyền giữa hai hệ quy chiếu vẫn giữ nguyên không đổi đối với các nhà quan sát ở cả hai nơi. Do nhà quan sát ở hệ quy chiếu này sử dụng ánh sáng để xác định vị trí và vận tốc của các vật trong hệ quy chiếu kia, nên điều này làm thay đổi cách mà nhà quan sát có thể liên hệ vị trí và vận tốc của các vật. Einstein sử dụng khái niệm này để tìm ra một vài công thức quan trọng mô tả cách các vật thể trong một hệ quy chiếu xuất hiện khi nhìn từ hệ quy chiếu kia đang chuyển động đều tương đối với hệ quy chiếu thứ nhất. Kết quả của ông đưa tới một số kết quả khác thường, mặc dù hiệu ứng chỉ trở nên đáng kể khi vận tốc tương đối của vật đạt gần tới tốc độ ánh sáng. Tóm lại, hàm ý chính của những lí thuyết cơ bản của Einstein và phương trình tương đối tính thường được trích dẫn của ông E = mc2 có thể tóm tắt như sau: Chiều dài của một vật giảm, tương đối đối với nhà quan sát, khi vận tốc  của vật tăng. Khi một hệ quy chiếu đang chuyển động, các khoảng thời gian trở nên  ngắn hơn. Nói cách khác, một nhà du hành vũ trụ chuyển động với tốc độ ánh sáng hoặc gần tốc độ ánh sáng có thể rời Trái Đất trong nhiều năm và quay trở lại trải qua khoảng thời gian mất có vài ba tháng. Khối lượng của một vật đang chuyển động tăng theo vận tốc của nó, và  khi vận tốc đạt tới tốc độ ánh sáng thì khối lượng tiến tới vô cùng. Vì lí do này nên người ta giữ niềm tin rằng chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng là không thể có được, bởi vì để gia tốc đến khối lượng vô hạn cần một lượng năng lượng vô hạn.
Mặc dù lí thuyết của Einstein ảnh hưởng đến toàn bộ thế giới vật lí, nhưng nó có những quan hệ đặc biệt quan trọng đối với những nhà khoa học đang nghiên cứu ánh sáng. Lí thuyết giải thích được tại sao thí nghiệm Michelson-Morley thất bại trong việc tạo ra những kết quả như mong đợi, thúc đẩy các nghiên cứu khoa học nghiêm túc hơn về bản chất của ête xem là môi trường trung chuyển ánh sáng. Nó cũng chứng minh được rằng không gì có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân không, và tốc độ này là một hằng số và có giá trị không thay đổi. Trong khi đó, các nhà khoa học thực nghiệm tiếp tục sử dụng các thiết bị ngày càng phức tạp để đo giá trị chính xác của tốc độ ánh sáng và giảm sai số trong các phép đo này. Các phép đo vận tốc ánh sáng Ph Giá trị N Nhà ương ước tính ăm nghiên cứu pháp km/giây Đè 1 galileo Ga n lồng có 333,5 667 lilei mái che Vệ 1 Ole tinh của 220.000 676 Roemer sao Mộc Hiệ 1 James n tượng 301.000 726 Bradley quang sai 1 Charles Gư 402.336 834 Wheatstone ơng quay
1 Francis Gư 838 Arago ơng quay Bá 1 Armand nh xe 315.000 849 Fizeau quay 1 Leon Gư 298.000 862 Foucault ơng quay Tín 1 James h toán lí 284.000 868 Clerk Maxwell thuyết 1 Marie- Gư 299.990 875 Alfred Cornu ơng quay 1 Albert Gư 299.910 879 Michelson ơng quay Bứ 1 Heinrich c xạ điện 300.000 888 Rudolf Hertz từ 1 Edward Phé 300.000 889 Bennett Rosa p đo điện Qu 1 Henry ang phổ 301.800 890s Rowland kế 1 Phé Edward 299.788 907 p đo điện Bennett Rosa
và Noah Dorsey 1 Andre Phé 299.795 923 Mercier p đo điện Gư 1 Albert ơng quay 299.798 926 Michelson (giao thoa kế) August Lá 1 Karolus và chắn 299.778 928 Otto Kerr Mittelstaedt Gư 1 Michelso ơng quay 932 - 299.774 n và Pease (giao 1935 thoa kế) Hộ 1 Louis p cộng 299.792 947 Essen hưởng Ra 1 Carl I. 299.792 dar 949 Aslakson ,4 Shoran Gia 1 Keith 299.792 o thoa kế 951 Davy Froome ,75 vô tuyến
1 Kenneth las 299.792 973 M. Evenson er ,457 Peter 1 las 299.792 Woods và 978 er ,4588 Colleagues Vào cuối thế kỉ 19, những tiến bộ đạt được trong công nghệ vô tuyến và vi sóng đã mang lại phương pháp mới lạ cho việc đo tốc độ ánh sáng. Năm 1888, hơn 200 năm sau những quan trắc thiên thể tiên phong của Roemer, nhà vật lí người Đức Heinrich Rudolf Hertz đo được tốc độ của sóng vô tuyến. Hertz thu được giá trị gần 300.000 km/giây, xác nhận lí thuyết của James Clerk Maxwell cho rằng sóng vô tuyến và ánh sáng đều là các dạng của bức xạ điện từ. Một bằng chứng nữa thu thập trong những năm 1940 và 1950, khi nhà vật lí người Anh Keith Davy Froome sử dụng sóng vô tuyến và Louis Essen sử dụng vi sóng tiến hành đo đạc chính xác hơn tốc độ của bức xạ điện từ. Maxwell cũng được ghi nhận với việc định nghĩa tốc độ ánh sáng và các dạng khác của bức xạ điện từ, không phải bằng phép đo, mà bằng suy luận toán học. Trong nghiên cứu của ông cố gắng tìm kiếm mối liên hệ giữa điện và từ, Maxwell đã lí thuyết hóa rằng một điện trường biến thiên sẽ tạo ra từ trường biến thiên, một điều ngược lại với định luật Faraday. Ông đề xuất rằng sóng điện từ bao gồm các sóng dao động điện và từ kết hợp, và tính được vận tốc của những sóng này truyền trong không gian như sau: Vận tốc (v) = 1/ (ε . µ)1/2 trong đó ε là hằng số điện môi, và µ là độ từ thẩm của không gian tự do, hai hằng số này có thể đo được với mức độ chính xác tương đối cao. Kết quả là một giá trị rất gần với tốc độ ánh sáng đo được.
Năm 1891, tiếp tục những nghiên cứu của ông về tốc độ ánh sáng và thiên văn học, Michelson chế tạo một giao thoa kế cỡ lớn sử dụng kính thiên văn khúc xạ tại Đài quan sát Lick ở California. Những quan trắc của ông dựa trên sự trễ thời gian tới của ánh sáng khi quan sát các vật thể ở xa, ví dụ như các sao, có thể phân tích định lượng để đo được cả kích thước của thiên thể và tốc độ ánh sáng. Gần 30 năm sau, Michelson di chuyển thí nghiệm của ông tới Đài quan sát núi Wilson, và áp dụng cùng kĩ thuật trên với kính thiên văn 100 inch, kính thiên văn lớn nhất thế giới lúc bấy giờ. Bằng cách hợp nhất thêm một gương xoay hình bát giác vào thiết kế thí nghiệm của ông, Michelson đạt tới giá trị 299.845 km/giây cho tốc độ ánh sáng. Mặc dù Michelson chết trước khi hoàn tất thí nghiệm của ông, nhưng người cộng sự của ông tại núi Wilson, Francis G. Pease, tiếp tục sử dụng kĩ thuật có tính sáng kiến chỉ đạo nghiên cứu trong những năm 1930. Sử dụng một giao thoa kế cải tiến, Pease thực hiện hàng loạt phép đo trong vài năm và cuối cùng đã xác định được giá trị chính xác cho tốc độ ánh sáng là 299.774 km/giây, phép đo chính xác nhất thu được tính đến thời điểm đó. Vài năm sau, vào năm 1941, cộng đồng khoa học đã đặt ra một chuẩn cho tốc độ ánh sáng. Giá trị này, 299.773 km/giây, dựa trên một tài liệu biên soạn từ những phép đo chính xác nhất của thời kì đó. Hình 6 biểu diễn những phép đo tốc độ ánh sáng trong vòng 200 năm qua.
Vào cuối thập niên 1960, laser trở thành công cụ nghiên cứu ổn định với tần số và bước sóng có tính xác định cao. Một điều nhanh chóng trở nên hiển nhiên là một phép đo đồng thời cả tần số và bước sóng sẽ mang lại giá trị rất chính xác cho tốc độ ánh sáng, tương tự như phương pháp thực nghiệm đã được tiến hành bởi Keith Davy Froome bằng vi sóng vào năm 1958. Một vài nhóm nghiên cứu ở Mĩ và một số nước khác đã đo tần số của vạch 633 nanomét từ laser helium-neon và thu được kết quả chính xác cao. Năm 1972, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia (Mĩ) đã dùng kĩ thuật laser đo được tốc độ 299.792.458 m/s (186.282 dặm/giây), kết quả cuối cùng trong việc định nghĩa lại đơn vị mét qua một ước tính chính xác cao cho tốc độ ánh sáng. Khởi đầu với những cố gắng mang tính đột phá vào năm 1676 của Roemer, tốc độ ánh sáng đã được đo ít nhất là 163 lần bằng nhiều kĩ thuật đa dạng bởi hơn 100 nhà nghiên cứu (xem bảng ở trên). Khi các phương pháp và dụng cụ khoa học được cải tiến, giới hạn sai số của sự ước tính được thu hẹp, mặc dù tốc độ ánh sáng không thay đổi đáng kể kể từ những tính toán hồi thế kỉ thứ 17 của Roemer. Cuối cùng, vào năm 1983, hơn 300 năm sau cố gắng đo đạc nghiêm túc đầu tiên, tốc độ
ánh sáng được định nghĩa là 299.792,458 km/s bởi Đại hội toàn thể lần thứ 17 về Cân nặng và Đo lường. Như vậy, mét được định nghĩa là khoảng cách mà ánh sáng truyền đi được trong chân không trong khoảng thời gian 1/299.792.458 giây. Tuy nhiên, nói chung (cả trong nhiều tính toán khoa học), tốc độ ánh sáng được làm tròn là 300.000 km (hoặc 186.000 dặm) trên giây. Việc đạt được một giá trị chuẩn cho tốc độ ánh sáng có tầm quan trọng đối với việc thiết lập một hệ đơn vị quốc tế cho phép các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới so sánh dữ liệu và tính toán của họ với nhau. Có một cuộc tranh luận ôn hòa về bằng chứng tồn tại cho thấy tốc độ ánh sáng đang giảm đi kể từ thời Big Bang, lúc nó có thể di chuyển nhanh hơn nhiều, như một số nhà nghiên cứu đã đề xuất. Mặc dù các luận cứ được đưa ra và phản đối kéo dài cuộc tranh luận này, nhưng đa số các nhà khoa học vẫn đoan chắc rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số. Các nhà vật lí cho rằng tốc độ ánh sáng thực sự như đã đo được bởi Roemer và những người tiếp sau ông không có sự thay đổi đáng kể, mà chỉ có một loạt cải tiến trong các thiết bị khoa học liên quan tới việc làm tăng độ chính xác của phép đo dùng để thiết lập tốc độ ánh sáng. Ngày nay, khoảng cách giữa Mộc tinh và Trái Đất được biết với độ chính xác cao, cũng như đường kính của hệ mặt trời và đường đi quỹ đạo của các hành tinh. Khi các nhà nghiên cứu áp dụng dữ liệu này để làm việc lại với những tính toán đã được thực hiện trong vài thế kỉ qua, họ thu được giá trị cho tốc độ ánh sáng có thể so sánh được với giá trị thu được với những thiết bị hiện đại và phức tạp hơn.