Tốc độ ánh sáng là gì? Tốc độ ánh sáng là bao nhiêu? Mối quan hệ giữa tốc độ ánh sáng và vận tốc ánh sáng như thế nào? Có lẽ nhiều người đã được nghe đến khái niệm tốc độ ánh sáng hay vận tốc ánh sáng. Tuy nhiên, không nhiều người hiểu rõ được nó thực sự là gì. Cùng Kovacova khám phá về chủ đề này trong bài viết dưới đây!
Tốc độ ánh sáng là gì? Mối quan hệ giữa vận tốc ánh sáng với tốc độ ánh sáng
Tốc ánh sáng là tốc độ lan truyền của những bức xạ điện tử trong chân không. Nó là một hằng số vật lý cơ bản, đóng vai trò quan trọng trong vật lý và được xác định bằng 299.792.458 m/s với sai số 4 phần tỷ vào năm 1975 sau nhiều thập kỷ nghiên cứu.
Đến năm 1983, đơn vị đo mét được định nghĩa lại trong hệ đo lường chuẩn SI bằng khoảng cách ánh sáng truyền trong chân không trong thời gian bằng 1/299.792.458 của một giây. Kết quả là giá trị số của tốc độ ánh sáng trong đơn vị m/s được định nghĩa nhất định và chính xác.
Tốc độ ánh sáng là tốc độ cho mọi hạt phi khối lượng liên kết với những trường vật lý gồm bức xạ điện từ như proton ánh sáng lan truyền trong chân không, đồng thời nó cũng là tốc độ truyền của hấp dẫn được tính toán bởi các lý thuyết hiện nay.
Vận tốc ánh sáng khi nó truyền qua chất liệu trong suốt như thủy tinh, không khí,….nhỏ hơn tốc độ ánh sáng. Tỷ số giữa tốc độ ánh sáng với vận tốc ánh sáng truyền qua vật liệu chính là chỉ số chiết suất của vật liệu.
Ví dụ: Với ánh sáng khả kiến, chiết suất của thủy tinh khoảng 1.5. Vậy vận tốc ánh sáng truyền qua thủy tinh được xác định đó là 299.792.458 / 1,5 ≈ 200000 km/s. Chiết suất của không khí cho ánh sáng khả kiến là 1.0003 nên tốc độ trong không khí của ánh sáng chậm hơn 90 km/s so với tốc độ ánh sáng ở trong chân không.
Trong thuyết tương đối thì tốc độ ánh sáng có liên hệ với thời gian, không gian và nó có trong phương trình E = m.c2 của Einstein.
Cách đo vận tốc ánh sáng
1. Trong thiên văn học
Cách 1: Ole Christensen Rømer là người đầu tiên dựa trên quan sát thiên văn học để ước tính tốc độ ánh sáng.
- Khi đo từ trái đất, chu kỳ quỹ đạo của những vệ tinh tự nhiên quay quanh một hành tinh ở xa sẽ ngắn hơn khi khoảng cách từ trái đất đến hành tinh đó gần hơn và ngược lại.
- Khoảng cách ánh sáng lan truyền từ hành tinh đến địa cầu ngắn nhất khi địa cầu ở vị trí quỹ đạo gần với hành tinh nhất và khi trái đất ở vị trí quỹ đạo xa nhất so với hành tinh đó thì khoảng cách ánh sáng phải truyền cũng là xa nhất.
- Hiệu hai khoảng cách cực trị này chính bằng đường kính quỹ đạo trái đất quanh Mặt Trời.
- Quan sát sự thay đổi trong chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh tự nhiên thực chất chính là hiệu thời gian ánh sáng phải lan truyền giữa khoảng cách ngắn và khoảng cách dài hơn. Nhờ vậy, Rømer đã phát hiện ra hiệu ứng này đối với vệ tinh phía trong Io của Sao Mộc và ông kết luận được rằng “Ánh sáng mất 22 phút để đi qua đường kính của quỹ đạo Trái Đất”. Tuy nhiên, ngày nay thì giá trị đo được thực tiễn là hơn 16 phút.
Cách 2: Sử dụng hiện trạng quang sai của nhà thiên văn James Bradley, đó là “Ánh sáng từ nguồn ở xa hiện lên ở nơi khác đối với một kính thiên văn chuyển động do tốc độ hữu hạn của ánh sáng”.
- Do hướng của vectơ vận tốc trái đất thay đổi liên tục do nó tự quay cũng như quay trên quỹ đạo vòng quanh Mặt Trời nên nơi biểu kiến của các ngôi sao sẽ di chuyển tròn.
- Từ góc lệch lớn nhất của vị trí những ngôi sao trên bầu trời, khoảng 20.5 giây cung, chúng ta có thể tính được tốc độ ánh sáng dựa theo vận tốc của địa cầu trên quỹ đạo quanh Mặt Trời.
- Bằng cách sử dụng phương pháp này, Bradley đã tính được ánh sáng di chuyển nhanh hơn trái đất trên quỹ đạo 10.210 lần
2. Kỹ thuật thời gian bay
Phương pháp này sử dụng đồ dùng Fizeau–Foucault do Hippolyte Fizeau và Léon Founcault phát minh ra.
Ngày nay, trong các trường đại học thì sinh viên thường sử dụng dao động ký với độ phân giải nhỏ hơn 1 nano giây để đo tốc độ ánh sáng bằng cách đo độ trễ thời gian của chùm sáng hay laser từ một laser hoặc đèn LED phản xạ 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 từ môi μ0 trong lý thuyết Maxwell: c2 = 1/(ε0μ0).
- Hằng số điện môi đo theo điện dung của một tụ điên với kích thước hình học đã biết.
- Hằng số từ môi có giá trị là 4π×10−7 H×m-1.
Vận tốc ánh sáng được xác định theo phương pháp này đó là 299710+22 km/s.
4. Sự cộng hưởng trong hốc
Với cách này thì người ta tiến hành đo độc lập riêng rẽ tần số f (đo tần số cộng hưởng sử dụng một bộ cộng hưởng hốc) và bước sóng λ của một sóng điện từ trong chân không và tính tốc độ ánh sáng theo theo công thức c = fλ.
5. Giao thoa kế
Giao thoa kế là một dụng cụ cho phép đo được bước sóng của bức xạ điện từ và từ đó, xác định được tốc độ ánh sáng.
Một chùm sáng kết hợp đã biết tần số f sau khi bị tách thành hai tia sẽ kết hợp với nhau.
Điều chỉnh quãng đường truyền tia sáng trong khi quan sát ảnh giao toavà đo quãng đường điều chỉnh, chúng ta có thể lựa chọn được bước sóng λ.
Tốc độ ánh sáng được xác định bằng công thưc c = λf.
Vì sao chúng ta chẳng thể chế tạo ra phương tiện đi nhanh hơn vận tốc ánh sáng
Một vật thể tồn tại sẽ tương quan hỗ trợ giữa 3 đại lượng, gồm năng lượng, tốc độ, khối lượng. Phương trình thể hiện sự tương đương giữa khối lượng cùng năng lượng của Einstein được đưa ra năm 1905 là một công thức nổi danh. Nó được xác định 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 tỉ lệ thuận với nhau theo hằng số c. Năng lượng có thể chuyển thành khối lượng và ngược lại”.
Động lượng của một vật có khối lượng sẽ tăng theo vận tốc và vật có vận tốc ánh sáng sẽ có khối lượng hết sức lớn. Do vậy, để tạo ra phương tiện có thể đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng, chúng ta cần:
- Cách 1: Tạo ra một vật có khối lượng vô cùng lớn, ví dụ như một con tàu vũ trụ muốn đạt được tốc độ ánh sáng phải lớn bằng một nửa trái đất và với kích thước như thế thì con người không thể chế tạo.
- Cách 2: Tăng vận tốc cho một vật có khối lượng đạt vận tốc ánh sáng hoặc gia tốc hữu hạn trong thời gian vô hạn hoặc gia tốc vô biên trong thời gian hữu hạn.
Cả 2 cách này đều cần một nguồn năng lượng vô biên mà con người vẫn chưa có cách nào làm được và cũng chưa có một công nghệ nào có thể tạo ra phương tiện vượt qua tốc độ ánh sáng vì chúng ta chưa có cách nào để đột phá, tiêu diệt phương trình của Einstein.
Chỉ có các hạt không có khối lượng mới đạt được vận tốc ánh sáng, như photon và những vật có khối lượng chỉ có thể đạt gần bằng vận tốc ánh sáng.
Trên đây, Kovacova đã giải đáp cho bạn về tốc độ ánh sáng là gì. Hy vọng những thông tin trên hữu ích với bạn. Cảm ơn bạn đã đọc bài viết của chúng tôi.
>>Xem thêm: Potassium Sorbate là gì