Tốcđộ ánh sáng
Thiết bịthí nghiệm do Michelson và Morley xây dựng thật khổng lồ(hình 5).
Đặt trên một phiếnđá đang quay từtừrộng khoảng 5 feet vuông và dày 14 inch,
thiết bị được bảo vệthêm bởi một hồthủy ngân bên dướiđóng vai trò bộgiảm sốc
không có ma sát để loại bỏcác dao động ảnh hưởng từphía Trái Đất. Một khi phiến
đá đượcđưa vào chuyểnđộng, thu được tốcđộ lớn nhất là 10 vòng/giờ, mất tới
hàng giờmới có tạm dừng lần nữa. Ánh sáng truyền qua bộtách chùm, và phản xạ
bởi hệthống gương, được xác định với một chiếc kính hiển vi quan sát vân giao
thoa, nhưng cảhai nhà khoa họcđều không quan sát thấy gì. Tuy nhiên, Michelson
đã sửdụng giao thoa kếcủa ông để xác định chính xác tốcđộ của ánh sáng là
186.320 dặm/giây (299.853 km/giây), một giá trịvẫnđược xem là chuẩn trong
vòng 25 năm tiếp sau đó. Thất bại trong việc phát hiện sựthay đổi tốcđộ ánh sáng
bởi thí nghiệm Michelson-Morley đã đặt dấu chấm hết cho cuộc tranh luận vềête,
cuối cùng đã đưa tới lí thuyết của Albert Einstein vào đầu thếkỉ20.
Năm 1905, Einstein công bốthuyết tương đốiđặc biệt của ông, sau đó là
thuyết tương đối tổng quát vào năm 1915. Lí thuyết thứnhấtđề cập tới sựchuyển
động của các vật thể ở vận tốc không đổi tương đối với nhau, còn lí thuyết thứhai
tập trung vào gia tốc và mối liên hệcủa nó với hấp dẫn. Do chúng thách thức
những giảthuyếtđã tồn tại từlâu, ví dụnhưcác định luật chuyểnđộng của Isaac
Newton, nên lí thuyết của Einstein là một lực lượng cách mạng trong vật lí học. Ý
tưởng vềtính tương đối thểhiện qua khái niệm cho rằng vận tốc của một vật chỉcó
thể được xác định tương đối với vịtrí của nhà quan sát. Lấy ví dụ, một ngườiđàn
ông đang đi bên trong một chiếc máy bay dân dụng cỡlớn có vẻ đang điởtốcđộ
khoảng 1 dặm/giờ đối với hệquy chiếu là chiếc máy bay (còn chính chiếc máy bay
đang chuyểnđộng với vận tốc 600 dặm/giờ). Tuy nhiên, đối với một nhà quan sát
ởmặtđất, ngườiđàn ông đó đang chuyểnđộng ởvận tốc 601 dặm/giờ.
Einstein đã giảsửtrong các tính toán của ông rằng tốcđộ của ánh sáng
truyền giữa hai hệquy chiếu vẫn giữnguyên không đổiđối với các nhà quan sát ở
cảhai nơi. Do nhà quan sát ởhệquy chiếu này sửdụng ánh sáng để xác định vịtrí
và vận tốc của các vật trong hệquy chiếu kia, nên điều này làm thay đổi cách mà
nhà quan sát có thểliên hệvịtrí và vận tốc của các vật. Einstein sửdụng khái niệm
này để tìm ra một vài công thức quan trọng mô tảcách các vật thểtrong một hệ
quy chiếu xuất hiện khi nhìn từhệquy chiếu kia đang chuyểnđộng đều tương đối
với hệquy chiếu thứnhất. Kết quảcủa ông đưa tới một sốkết quảkhác thường,
mặc dù hiệuứng chỉtrởnên đáng kểkhi vận tốc tương đối của vậtđạt gần tới tốc
độ ánh sáng. Tóm lại, hàm ý chính của những lí thuyết cơbản của Einstein và
phương trình tương đối tính thường được trích dẫn của ông
E = mc2
có thểtóm tắt nhưsau:
Chiều dài của một vật giảm, tương đốiđối với nhà quan sát, khi vận tốc
của vật tăng.
Khi một hệquy chiếuđang chuyểnđộng, các khoảng thời gian trởnên
ngắn hơn. Nói cách khác, một nhà du hành vũtrụchuyểnđộng với tốcđộ ánh sáng
hoặc gần tốcđộ ánh sáng có thểrời Trái Đất trong nhiều năm và quay trởlại trải
qua khoảng thời gian mất có vài ba tháng.
Khối lượng của một vậtđang chuyểnđộng tăng theo vận tốc của nó, và
khi vận tốcđạt tới tốcđộ ánh sáng thì khối lượng tiến tới vô cùng. Vì lí do này nên
người ta giữniềm tin rằng chuyểnđộng nhanh hơn tốcđộ ánh sáng là không thểcó
được, bởi vì để gia tốcđến khối lượng vô hạn cần một lượng năng lượng vô hạn.
Mặc dù lí thuyết của Einstein ảnh hưởng đến toàn bộthếgiới vật lí, nhưng
nó có những quan hệ đặc biệt quan trọng đối với những nhà khoa họcđang nghiên
cứu ánh sáng. Lí thuyết giải thích được tại sao thí nghiệm Michelson-Morley thất
bại trong việc tạo ra những kết quảnhưmong đợi, thúc đẩy các nghiên cứu khoa
học nghiêm túc hơn vềbản chất của ête xem là môi trường trung chuyển ánh sáng.
Nó cũng chứng minh được rằng không gì có thểchuyểnđộng nhanh hơn tốcđộ
ánh sáng trong chân không, và tốcđộ này là một hằng sốvà có giá trịkhông thay
đổi. Trong khi đó, các nhà khoa học thực nghiệm tiếp tục sửdụng các thiết bịngày
càng phức tạpđể đo giá trịchính xác của tốcđộ ánh sáng và giảm sai sốtrong các
phép đo này.
Các phép đo vận tốc ánh sáng
N
ăm
Nhà
nghiên cứu
Ph
ương
pháp
Giá trị
ước tính
km/giây
1
667
galileo Ga
lilei
Đè
n lồng có
mái che
333,5
1
676
Ole
Roemer
Vệ
tinh của
sao Mộc
220.000
1
726
James
Bradley
Hiệ
n tượng
quang
sai
301.000
1
834
Charles
Wheatstone
Gư
ơng quay 402.336
1
838
Francis
Arago
Gư
ơng quay
1
849
Armand
Fizeau
Bá
nh xe
quay
315.000
1
862
Leon
Foucault
Gư
ơng quay 298.000
1
868
James
Clerk Maxwell
Tín
h toán lí
thuyết
284.000
1
875
Marie-
Alfred Cornu
Gư
ơng quay 299.990
1
879
Albert
Michelson
Gư
ơng quay 299.910
1
888
Heinrich
Rudolf Hertz
Bứ
c xạ điện
từ
300.000
1
889
Edward
Bennett Rosa
Phé
pđođiện300.000
1
890s
Henry
Rowland
Qu
ang phổ
kế
301.800
1
907
Edward
Bennett Rosa
Phé
pđođiện299.788
và Noah
Dorsey
1
923
Andre
Mercier
Phé
pđođiện299.795
1
926
Albert
Michelson
Gư
ơng quay
(giao
thoa kế)
299.798
1
928
August
Karolus và
Otto
Mittelstaedt
Lá
chắn
Kerr
299.778
1
932 -
1935
Michelso
n và Pease
Gư
ơng quay
(giao
thoa kế)
299.774
1
947
Louis
Essen
Hộ
p cộng
hưởng
299.792
1
949
Carl I.
Aslakson
Ra
dar
Shoran
299.792
,4
1
951
Keith
Davy Froome
Gia
o thoa kế
vô tuyến
299.792
,75