Động lực nào đã khiến cho ánh sáng chuyển động về phía trước với vận tốc lên tới 300.000 km

Ánh sáng có ở hầu hết khắp mọi nơi, và chúng mang thông tin về các vật thể để lan truyền trong không gian. Khi chúng ta nhận được ánh sáng, chúng ta có thể biết được thông tin do ánh sáng mang theo, vì vậy chúng ta có thể nhìn thấy các vật thể phát ra hoặc phản xạ ánh sáng. Nhân loại từ lâu đã không chỉ nghiên cứu nguồn sáng mà còn nghiên cứu bản thân ánh sáng.

Từ lâu, con người đã cố gắng đo tốc độ ánh sáng. Nhưng vì tốc độ ánh sáng quá nhanh, quá nhanh nên người ta cho rằng nó là vô hạn. Với sự tiến bộ của các loại dụng cụ quan sát và thí nghiệm, nhà thiên văn học Romer lần đầu tiên đo được tốc độ ánh sáng, và đây cũng là lần đầu tiên nhân loại xác định được rằng tốc độ ánh sáng là có giới hạn. Kể từ đó, độ chính xác của thí nghiệm ngày càng cao, tốc độ ánh sáng được đo ngày càng chính xác hơn, và vận tốc của nó là khoảng 300.000 km/giây.

Tốc độ ánh sáng (một cách tổng quát hơn, tốc độ lan truyền của bức xạ điện từ) trong chân không, ký hiệu là c, là một hằng số vật lý cơ bản quan trọng trong nhiều lĩnh vực vật lý. Nó có giá trị chính xác bằng 299.792.458 mét trên giây, bởi vì đơn vị độ dài mét được định nghĩa lại dựa theo hằng số này và giây tiêu chuẩn. Theo thuyết tương đối hẹp, c là tốc độ cực đại mà mọi năng lượng, vật chất, và thông tin trong vũ trụ có thể đạt được. Nó là tốc độ cho mọi hạt phi khối lượng liên kết với các trường vật lý (bao gồm bức xạ điện từ như photon ánh sáng) lan truyền trong chân không. Nó cũng là tốc độ truyền của hấp dẫn (như sóng hấp dẫn) được tiên đoán bởi các lý thuyết hiện tại. Những hạt và sóng truyền với vận tốc c không kể chuyển động của nguồn hay của hệ quy chiếu quán tính của người quan sát.

Sau khi Einstein sáng lập thuyết tương đối, người ta biết thêm rằng tốc độ ánh sáng thực sự rất nhanh, bởi vì tốc độ này là giới hạn trên của tốc độ cục bộ trong vũ trụ, và không có tốc độ nào có thể vượt qua nó. Hơn nữa, dù quan sát ở bất cứ môi trường nào trong hệ quy chiếu thì tốc độ ánh sáng đo được đều hoàn toàn giống nhau.

Dựa trên nguyên tắc tốc độ ánh sáng không đổi trong thuyết tương đối và phép đo tốc độ ánh sáng có độ chính xác cao, thì các nhà vật lý cũng đã xác định tốc độ ánh sáng là 299.792.458 mét/giây mà không ảnh hưởng đến đại lượng vật lý hiện tại. Bằng cách này, con người không còn phải lo lắng về việc đo chính xác tốc độ ánh sáng, và cũng có thể giải quyết vấn đề sai số trong thiết bị được sử dụng để xác định đồng hồ.

Tốc độ ánh sáng lan truyền trong chân không độc lập với cả chuyển động của nguồn sáng cũng như đối với hệ quy chiếu quán tính của người quan sát. Tính bất biến của tốc độ ánh sáng do Einstein nêu thành tiên đề trong bài báo về thuyết tương đối hẹp năm 1905. Các nhà vật lý hiện nay chỉ có thể xác nhận bằng thực nghiệm về tốc độ của ánh sáng theo phương pháp trên hai đường truyền (two-way speed of light) là độc lập với hệ quy chiếu, bởi vì không thể đo được tốc độ ánh sáng trên một đường truyền (one-way speed of light) mà bỏ qua một số quy ước về tính đồng bộ hóa giữa đồng hồ ở nguồn phát và đồng hồ ở máy thu.

Cho dù đó là quá trình chuyển đổi điện tử, phản ứng tổng hợp hạt nhân, phản ứng phân hạch hạt nhân, hay tiêu diệt vật chất âm và dương, những quá trình này đều tạo ra ánh sáng. Một khi ánh sáng được tạo ra, tốc độ của chúng sẽ đạt tới tốc độ ánh sáng ngay lập tức, và chúng sẽ luôn di chuyển với tốc độ này. Nếu ánh sáng không bị vật chất hấp thụ, chúng sẽ không bị tiêu tán trong vũ trụ, và tốc độ sẽ luôn duy trì ở tốc độ ánh sáng. Ví dụ, các photon đầu tiên được tạo ra trong vũ trụ cách đây 13,8 tỷ năm vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay, và chúng di chuyển trong vũ trụ với tốc độ ánh sáng.

Vậy, làm thế nào mà ánh sáng đạt được tốc độ ánh sáng? Làm thế nào để ánh sáng duy trì tốc độ ánh sáng? Động lực thúc đẩy ánh sáng đi về phía trước là gì?

Nếu nó được giải thích từ quan điểm về bản chất hạt của ánh sáng, thì ánh sáng bao gồm các photon không có khối lượng nghỉ. Theo thuyết tương đối hẹp, vì khối lượng tĩnh của các photon bằng 0 nên tốc độ của chúng chỉ có thể là tốc độ ánh sáng. Theo cơ chế Higgs của Mô hình Chuẩn của Vật lý Hạt, khi các photon không có khối lượng tĩnh đi qua trường Higgs trong toàn vũ trụ, các photon sẽ không được ghép nối, do đó chúng sẽ không đạt được khối lượng tĩnh, và tốc độ của chúng sẽ không giảm.

Một khi các photon được tạo ra, tốc độ của chúng sẽ trực tiếp đạt tới tốc độ ánh sáng, và không có gia tốc từ 0 đến tốc độ ánh sáng. Sự lan truyền của các photon không cần năng lượng để truyền động, nếu chúng không bị vật chất hoặc lỗ đen hấp thụ, chúng sẽ luôn di chuyển vô định trong chân không với tốc độ ánh sáng.

Mặt khác, nếu giải thích từ sự bay hơi của ánh sáng thì bản chất của ánh sáng là sóng điện từ. Phương trình điện từ trường của Maxwell cho thấy điện và từ trường về cơ bản là thống nhất, một điện trường thay đổi sẽ kích thích một từ trường, và một từ trường thay đổi sẽ kích thích một điện trường lặp đi lặp lại, tạo ra sóng điện từ.

Vì trường điện từ được hình thành với tốc độ ánh sáng nên sóng điện từ sẽ truyền với tốc độ ánh sáng. Sự phát sinh và tồn tại của trường điện từ không phụ thuộc vào môi trường, vì vậy ánh sáng có thể truyền với tốc độ ánh sáng trong chân không. Mặc dù khi cấu trúc không gian tiếp tục mở rộng, ánh sáng lan truyền trong không gian sẽ xuất hiện dịch chuyển đỏ, nhưng chúng sẽ không hoàn toàn biến mất trong vũ trụ.

Từ khóa liên quan:

vận tốc ánh sáng

tốc độ của ánh sáng

photon

từ trường

điện trường