Ánh sáng di chuyển trong vũ trụ với tốc độ nhanh nhất mà các nhà thiên văn có thể đo được. Trên thực tế, tốc độ ánh sáng được coi là một giới hạn tốc độ của vũ trụ, và không có gì được biết là di chuyển nhanh hơn nó. Ánh sáng chuyển động nhanh như thế nào? Giới hạn này có thể được đo lường và nó cũng giúp xác định hiểu biết của chúng ta về kích thước và tuổi của vũ trụ.
Ánh sáng là gì: sóng hay hạt?
Ánh sáng truyền nhanh, với vận tốc 299.792.458 mét/giây. Làm thế nào mà ánh sáng có thể làm được điều này? Để hiểu được điều đó, chúng ta cần biết ánh sáng thực sự là gì và đó phần lớn là một khám phá của thế kỷ 20.
Bản chất của ánh sáng là một bí ẩn lớn trong nhiều thế kỷ. Các nhà khoa học đã gặp khó khăn khi nắm bắt được khái niệm về bản chất sóng và hạt của nó. Nếu nó là sóng thì nó truyền qua cái gì? Tại sao nó xuất hiện với tốc độ như nhau trong tất cả các hướng? Và, tốc độ ánh sáng có thể cho chúng ta biết điều gì về vũ trụ? Mãi cho đến khi Albert Einstein mô tả thuyết tương đối hẹp này vào năm 1905, mọi thứ mới được chú ý. Einstein cho rằng không gian và thời gian là tương đối và tốc độ ánh sáng là hằng số kết nối hai yếu tố này.
Tốc độ ánh sáng là gì?
Mọi người thường cho rằng tốc độ ánh sáng là không đổi và không gì có thể truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Điều này không hoàn toàn chính xác. Giá trị 299.792.458 mét trên giây (186.282 dặm trên giây) là tốc độ ánh sáng trong chân không. Tuy nhiên, ánh sáng thực sự chậm lại khi truyền qua các môi trường khác nhau. Ví dụ, khi nó di chuyển qua kính, nó chậm lại và bằng khoảng 2/3 tốc độ của nó trong chân không. Ngay cả trong không khí, gần như chân không, ánh sáng chậm lại một chút. Khi di chuyển trong không gian, nó gặp phải các đám mây khí và bụi, cũng như các trường hấp dẫn, và chúng có thể thay đổi tốc độ một chút. Các đám mây khí và bụi cũng hấp thụ một phần ánh sáng khi nó đi qua.
Hiện tượng này liên quan đến bản chất của ánh sáng, đó là sóng điện từ. Khi nó truyền qua vật liệu, điện trường và từ trường của nó “làm nhiễu động” các hạt mang điện mà nó tiếp xúc. Những nhiễu động này sau đó làm cho các hạt bức xạ ánh sáng cùng tần số, nhưng lệch pha. Tổng của tất cả các sóng này được tạo ra bởi “nhiễu động” sẽ dẫn đến một sóng điện từ có cùng tần số với ánh sáng ban đầu, nhưng có bước sóng ngắn hơn và do đó có tốc độ chậm hơn.
Thật thú vị, ánh sáng di chuyển rất nhanh, và đường đi của nó có thể bị uốn cong khi nó đi qua các vùng trong không gian có trường hấp dẫn cường độ cao. Điều này khá dễ dàng nhận thấy trong các cụm thiên hà, chứa rất nhiều vật chất (bao gồm cả vật chất tối), làm cong đường đi của ánh sáng từ các vật thể ở xa hơn, chẳng hạn như chuẩn tinh.
Tốc độ ánh sáng và Sóng hấp dẫn
Các lý thuyết vật lý hiện tại dự đoán rằng sóng hấp dẫn cũng truyền với tốc độ ánh sáng, nhưng điều này vẫn đang được xác nhận khi các nhà khoa học nghiên cứu hiện tượng sóng hấp dẫn từ các lỗ đen và sao neutron va chạm. Nếu không, không có vật thể nào khác di chuyển nhanh như vậy. Về mặt lý thuyết, chúng có thể đạt gần tốc độ ánh sáng, nhưng không nhanh hơn.
Một ngoại lệ cho điều này có thể là không-thời gian. Dường như các thiên hà xa xôi đang di chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Đây là một “vấn đề” mà các nhà khoa học vẫn đang cố gắng tìm hiểu. Tuy nhiên, một hệ quả thú vị của điều này là một hệ thống du hành dựa trên ý tưởng về một Động cơ warp. Trong một công nghệ như vậy, một con tàu vũ trụ ở trạng thái nghỉ so với không gian và nó thực sự chuyển động trong không gian, giống như một người lướt sóng đang cưỡi sóng trên đại dương. Về mặt lý thuyết, điều này có thể cho phép du hành siêu cực đại. Tất nhiên, có những hạn chế thực tế và công nghệ khác cản trở, nhưng đó là một ý tưởng khoa học viễn tưởng thú vị đang nhận được sự quan tâm của giới khoa học.
Thời gian di chuyển của ánh sáng
Một trong những câu hỏi mà các nhà thiên văn học nhận được từ công chúng là: “Mất bao lâu để ánh sáng đi từ vật thể X đến vật thể Y?” Ánh sáng cung cấp cho họ một cách rất chính xác để đo kích thước của vũ trụ bằng cách xác định khoảng cách. Dưới đây là một số phép đo khoảng cách phổ biến:
- Trái đất đến Mặt trăng: 1,255 giây
- Mặt trời đến Trái đất: 8,3 phút
- Mặt trời của chúng ta đến ngôi sao gần nhất tiếp theo: 4,24 năm
- Băng qua Dải Ngân hà của chúng ta: 100.000 năm
- Đến thiên hà xoắn ốc gần nhất (Andromeda): 2,5 triệu năm
- Giới hạn của vũ trụ có thể quan sát được đối với Trái đất: 13,8 tỷ năm
Điều thú vị là có những vật thể nằm ngoài khả năng nhìn của chúng ta chỉ đơn giản là vì vũ trụ đang mở rộng, và một số ở “phía trên đường chân trời” mà chúng ta không thể nhìn thấy. Chúng sẽ không bao giờ lọt vào tầm nhìn của chúng ta, cho dù ánh sáng của chúng truyền đi nhanh đến đâu. Đây là một trong những hiệu ứng hấp dẫn của việc sống trong một vũ trụ đang giãn nở.
John P. Millis, Ph.D, Carolyn Collins Petersen
