Tìm hiểu về vận tốc ánh sáng, tốc độ ánh sáng

Chu Văn An

Có lẽ hầu hết mọi người đều biết rằng “Tốc độ ánh sáng là hữu hạn, và cũng là tốc độ lớn nhất trong tự nhiên”. Tuy nhiên, không nhiều người hiểu rõ tốc độ ánh sáng là gì. Nếu vậy hãy cùng Labvietchem tìm hiểu về tốc độ ánh sáng qua những thông tin hữu ích trong bài viết dưới đây nhé.

Tốc độ ánh sáng là tốc độ cao nhất trong tự nhiên

Tốc độ ánh sáng là bao nhiêu? Mối liên hệ giữa tốc độ ánh sáng và tốc độ ánh sáng

– Tốc độ ánh sáng là tốc độ lan truyền của bức xạ điện tử trong chân không. Đó là hằng số vật lý cơ bản đóng vai trò quan trọng trong vật lý và được xác định là 299.792.458 m/s với sai số 4 phần tỷ vào năm 1975 sau nhiều thập kỷ nghiên cứu.a

– Đến năm 1983, mét được định nghĩa lại trong hệ đo chuẩn SI là khoảng cách ánh sáng truyền đi trong chân không trong thời gian bằng 1/299.792.458 giây. Kết quả là giá trị số của tốc độ ánh sáng tính bằng m/s được cố định và xác định chính xác.

– Tốc độ ánh sáng là tốc độ của mọi hạt không có khối lượng gắn liền với trường vật lý bao gồm cả bức xạ điện từ như proton ánh sáng lan truyền trong chân không, đồng thời nó cũng là tốc độ truyền của trọng lực được dự đoán bởi các lý thuyết hiện nay.

– Tốc độ ánh sáng khi truyền qua các vật liệu trong suốt như thủy tinh, không khí, v.v. nhỏ hơn tốc độ ánh sáng. Tỷ số giữa tốc độ ánh sáng và tốc độ ánh sáng truyền qua vật liệu là chiết suất của vật liệu.

Ví dụ: Với ánh sáng khả kiến, chiết suất của thủy tinh là 1,5. Vậy tốc độ ánh sáng truyền qua thủy tinh được xác định là 299.792.458 / 1,5 ≈ 200000 km/s. Chiết suất của không khí đối với ánh sáng khả kiến ​​là 1,0003, nên tốc độ ánh sáng trong không khí chậm hơn tốc độ ánh sáng trong chân không 90 km/s.

– Trong thuyết tương đối, tốc độ ánh sáng có liên hệ với thời gian và không gian và nó nằm trong phương trình Einstein E = m.c2.

Phương trình tương đương giữa khối lượng và năng lượng

Các cách đo tốc độ ánh sáng

1. Trong thiên văn học

– Phương pháp 1: Ole Christensen Rømer là người đầu tiên ước tính tốc độ ánh sáng dựa trên quan sát thiên văn.

+ Khi đo từ Trái đất, chu kỳ quỹ đạo của các vệ tinh tự nhiên quay quanh một hành tinh xa sẽ ngắn hơn khi khoảng cách từ Trái đất đến hành tinh đó gần hơn và ngược lại.

+ Khoảng cách ánh sáng truyền từ hành tinh đến Trái đất là ngắn nhất khi Trái đất ở vị trí quỹ đạo gần hành tinh nhất và khi Trái đất ở vị trí quỹ đạo xa hành tinh nhất thì khoảng cách ánh sáng phải truyền đi cũng là xa nhất.

+ Hiệu giữa hai khoảng cách cực trị này bằng đường kính quỹ đạo Trái Đất quay quanh Mặt Trời.

+ Quan sát sự thay đổi chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh tự nhiên về cơ bản là sự chênh lệch về thời gian ánh sáng truyền đi giữa khoảng cách ngắn và khoảng cách xa hơn. Nhờ đó, Rømer đã phát hiện ra hiệu ứng này trên vệ tinh Io bên trong Sao Mộc và ông kết luận rằng “Ánh sáng mất 22 phút để đi qua đường kính quỹ đạo Trái Đất”. Tuy nhiên, ngày nay, giá trị đo được thực tế là hơn 16 phút.

– Cách 2: Sử dụng hiện tượng Quang sai của nhà thiên văn học James Bradley, đó là “Ánh sáng từ một nguồn ở xa xuất hiện ở vị trí khác với kính thiên văn đang chuyển động do tốc độ ánh sáng hữu hạn”.

+ Vì hướng của vectơ vận tốc của Trái Đất thay đổi liên tục do chuyển động quay cũng như quỹ đạo của nó quanh Mặt Trời nên vị trí biểu kiến ​​của các ngôi sao sẽ chuyển động theo hình tròn.

+ Từ góc lệch lớn nhất về vị trí của các ngôi sao trên bầu trời, khoảng 20,5 giây cung, ta có thể tính được tốc độ ánh sáng dựa vào tốc độ của Trái đất trên quỹ đạo quanh Mặt trời.

+ Dùng phương pháp này, Bradley tính được rằng ánh sáng truyền đi nhanh hơn Trái Đất trên quỹ đạo 10.210 lần.

2. Kỹ thuật thời gian bay

Phương pháp này sử dụng thiết bị Fizeau–Foucault do Hippolyte Fizeau và Léon Founcault phát minh.

Ngày nay, trong các trường đại học, sinh viên thường sử dụng máy hiện sóng có độ phân giải dưới 1 nano giây để đo tốc độ ánh sáng bằng cách đo độ trễ thời gian của ánh sáng hoặc chùm tia laser từ tia laser hoặc đèn LED phản chiếu từ gương.

3. Hằng số điện từ

– Phương pháp này sử dụng phương trình liên hệ c với hằng số điện môi ε0 và hằng số điện môi μ0 trong lý thuyết Maxwell: c2 = 1/(ε0μ0).

+ Hằng số điện môi được đo theo điện dung của tụ điện đã biết kích thước hình học.

+ Hằng số từ có giá trị là 4π×10−7 H×m-1.

– Tốc độ ánh sáng xác định bằng phương pháp này là 299710+22 km/s.

4. Cộng hưởng khoang

Bằng cách này, người ta đo độc lập tần số f (đo tần số cộng hưởng bằng bộ cộng hưởng hộp) và bước sóng λ của sóng điện từ trong chân không và tính tốc độ ánh sáng theo công thức c = fλ.

5. Giao thoa kế

Giao thoa kế được sử dụng để đo bước sóng của nguồn sáng

Giao thoa kế là một dụng cụ cho phép đo bước sóng của bức xạ điện từ và từ đó xác định tốc độ ánh sáng.

– Một chùm ánh sáng kết hợp có tần số f đã biết sau khi tách thành hai chùm sẽ kết hợp lại.

– Điều chỉnh đường đi của tia sáng đồng thời quan sát ảnh giao thoa và đo khoảng cách đã điều chỉnh ta xác định được bước sóng λ.

– Tốc độ ánh sáng được xác định theo công thức c = λf.

Tại sao chúng ta không thể tạo ra một phương tiện di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng?

Có thể tạo ra một phương tiện di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng?

Một vật thể hiện có sẽ tương quan qua lại giữa ba đại lượng là năng lượng, tốc độ và khối lượng. Phương trình Einstein biểu diễn sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng, đưa ra năm 1905, là một công thức nổi tiếng. Nó được định nghĩa như sau:

E = m.c2

Trong đó:

• E là năng lượng.
• m là khối lượng.
• c là tốc độ ánh sáng trong chân không.

Công thức này có nghĩa là “Khối lượng và năng lượng tỷ lệ thuận với nhau theo hằng số c. Năng lượng có thể chuyển hóa thành khối lượng và ngược lại”.

Động lượng của một vật có khối lượng sẽ tăng dần theo tốc độ, vật có tốc độ ánh sáng sẽ có khối lượng cực lớn. Vì vậy, để tạo ra một phương tiện có thể đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng, chúng ta cần:

– Cách 1: Tạo ra một vật thể có khối lượng cực lớn, ví dụ như con tàu vũ trụ muốn đạt tốc độ ánh sáng thì phải có kích thước bằng một nửa trái đất, và với kích thước như vậy thì con người không thể tạo ra được.

– Cách 2: Tăng vận tốc của một vật có khối lượng đạt tới tốc độ ánh sáng hoặc gia tốc hữu hạn trong thời gian hữu hạn hoặc gia tốc vô hạn trong thời gian hữu hạn.

Cả hai phương pháp này đều đòi hỏi một nguồn năng lượng vô hạn mà con người vẫn chưa có cách nào làm được và cũng chưa có công nghệ nào có thể tạo ra phương tiện vượt qua tốc độ ánh sáng vì chúng ta không có cách nào để đột phá và thoát khỏi phương trình Einstein. Chỉ những hạt không có khối lượng mới có thể đạt tới tốc độ ánh sáng, chẳng hạn như photon; vật có khối lượng chỉ có thể đạt tới tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.

Hy vọng với những thông tin mà Labvietchem chia sẻ ở trên các bạn sẽ hiểu thêm về nó tốc độ ánh sáng. Để xem thêm nhiều bài viết hay và hữu ích, vui lòng truy cập trực tiếp website labvietchem.com.vn.

Xem thêm:

• Giải đáp thắc mắc vôi sống là gì và ứng dụng thực tế
• Vi sinh vật là gì? Phân loại và ứng dụng vi sinh vật trong thực tế