Ánh sáng nhanh cỡ nào và vì sao không gì vượt được: giới hạn tốc độ của vũ trụ | Viết bởi sonradio

Ánh sáng đi trong chân không với tốc độ đúng 299.792.458 mét mỗi giây, tức khoảng một tỷ km/h. Ánh sáng phản chiếu từ Mặt Trăng tới mắt chúng ta mất chừng 1,3 giây, còn ánh sáng Mặt Trời mất khoảng 8 phút 19 giây. Nhưng điều làm con số này đặc biệt không nằm ở độ lớn. Theo thuyết tương đối, đây là giới hạn tốc độ của cả vũ trụ: không vật chất, năng lượng hay thông tin nào truyền đi nhanh hơn.

Nhà thiên văn Đan Mạch Ole Rømer (1644-1710). Năm 1676, ông dựa vào thời điểm vệ tinh Io bị Sao Mộc che khuất để đưa ra ước lượng định lượng đầu tiên về tốc độ ánh sáng

Từ "tức thời" đến một con số chính xác

Johannes Kepler và René Descartes từng cho rằng tốc độ ánh sáng là vô hạn. Năm 1638, Galileo đề xuất thí nghiệm hai người cầm đèn lồng đứng cách xa nhau, nhưng không đo được độ trễ nào.

Bước ngoặt đến năm 1676. Ole Rømer nhận thấy chu kỳ của Io, vệ tinh trong cùng của Sao Mộc, có vẻ ngắn đi khi Trái Đất tiến lại gần Sao Mộc và dài ra khi Trái Đất lùi xa. Ông giải thích rằng ánh sáng cần thời gian để vượt khoảng cách thay đổi đó, và ước tính ánh sáng mất 22 phút để đi hết đường kính quỹ đạo Trái Đất. Christiaan Huygens dựa vào kết quả này tính ra khoảng 220.000 km/s, thấp hơn giá trị thật 27%.

Thế kỷ 19, Hippolyte Fizeau đo được tốc độ ánh sáng ngay trên mặt đất bằng một bánh răng quay và tấm gương đặt xa, ra khoảng 315.000 km/s. Năm 1862, Léon Foucault thay bánh răng bằng gương quay và thu được 298.000 km/s. Năm 1865, James Clerk Maxwell đề xuất ánh sáng là sóng điện từ. Đến năm 1983, Hội nghị Cân đo Quốc tế định nghĩa lại mét theo quãng đường ánh sáng đi trong 1/299.792.458 giây, nên tốc độ ánh sáng giờ là một hằng số chính xác tuyệt đối, không còn là kết quả đo.

Bộ phản xạ laser do phi hành đoàn Apollo 11 đặt trên Mặt Trăng năm 1969. Đo thời gian tia laser đi và về, các đài quan sát tính được khoảng cách tới Mặt Trăng

Cuối thế kỷ 19, nhiều nhà vật lý tin rằng ánh sáng lan truyền trong một môi trường vô hình gọi là ête. Năm 1887, Albert Michelson và Edward Morley tìm cách đo chuyển động của Trái Đất xuyên qua ête, nhưng kết quả luôn bằng không trong sai số. Năm 1905, Albert Einstein lấy điều này làm tiền đề: tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau với mọi người quan sát, bất kể nguồn sáng hay người đo đang chuyển động ra sao. Từ đó ra đời thuyết tương đối hẹp.

Hệ quả là khi một vật chạy càng nhanh, đồng hồ của nó chạy chậm lại, chiều dài theo hướng chuyển động co lại, và năng lượng cần để tăng tốc thêm tăng theo một đại lượng gọi là hệ số Lorentz. Ở tốc độ đời thường, hệ số này gần bằng 1 nên ta không nhận ra. Nhưng khi tiến sát tốc độ ánh sáng, nó tăng không giới hạn:

50% tốc độ ánh sáng : hệ số Lorentz khoảng 1,15. 90% : khoảng 2,29. 99% : khoảng 7,09. Đúng 100% : mẫu số bằng 0, hệ số thành vô hạn, tức cần năng lượng vô hạn.

Sơ đồ minh họa: hệ số Lorentz tăng vọt khi tốc độ tiến gần c, nên vật có khối lượng cần năng lượng vô hạn mới đạt tới tốc độ ánh sáng

Vì vậy, hạt có khối lượng chỉ có thể tiến gần chứ không bao giờ đạt tới c. Chỉ những thứ không có khối lượng nghỉ như photon hay sóng hấp dẫn mới luôn đi đúng bằng c. Còn một lý do nữa liên quan tới nhân quả: nếu một tín hiệu đi nhanh hơn ánh sáng, sẽ có những hệ quy chiếu trong đó kết quả xảy ra trước nguyên nhân. Chưa thí nghiệm nào ghi nhận điều đó.

Những thứ trông như nhanh hơn ánh sáng

Ánh sáng trong vật liệu : trong thủy tinh với chiết suất khoảng 1,5, ánh sáng chỉ còn chừng 200.000 km/s. Hạt mang điện có thể chạy nhanh hơn ánh sáng trong nước hay thủy tinh và phát ra bức xạ Cherenkov, nhưng vẫn chậm hơn c. Vũ trụ giãn nở : các thiên hà rất xa đang lùi khỏi chúng ta với tốc độ tính ra lớn hơn c. Đây là không gian giãn ra, không phải vật chuyển động xuyên qua không gian, nên không trái với thuyết tương đối. Neutrino năm 2011 : một thí nghiệm từng báo cáo neutrino nhanh hơn ánh sáng, sau đó được xác định là do lỗi trong thí nghiệm.

Đường hầm của máy gia tốc LHC tại CERN. Proton ở đây chạy tới 99,9999991% tốc độ ánh sáng nhưng vẫn không chạm được c

Theo tài liệu của CERN, ở mức năng lượng thiết kế, proton trong máy gia tốc LHC chạy tới 99,9999991% tốc độ ánh sáng, nhưng muốn tiến thêm một chút cũng phải bơm thêm rất nhiều năng lượng. Vật thể nhanh nhất con người từng chế tạo là tàu thăm dò Mặt Trời Parker Solar Probe, đạt khoảng 192 km/s vào ngày 24/12/2024 theo NASA, mới bằng chừng 0,064% tốc độ ánh sáng.

Tốc độ hữu hạn của ánh sáng cũng có nghĩa mọi thứ ta nhìn thấy đều là hình ảnh của một thời điểm đã qua. Mặt Trời ta thấy là Mặt Trời của hơn 8 phút trước, và tín hiệu giữa Trái Đất với tàu vũ trụ luôn có độ trễ.

Nguồn: Wikipedia , Britannica , CERN - LHC the guide , NASA