Vận tốc ánh sáng và vai trò của nó

Vận tốc ánh sáng là hữu hạn, cũng là vận tốc lớn nhất trong tự nhiên, điều này ngày nay có lẽ ai cũng biết. Tuy nhiên có lẽ không phải tất cả mọi người đều biết rằng sự hữu hạn đó có ảnh hưởng như thế nào tới nhận thức của chúng ta về không gian và thời gian. Bài viết này sẽ đưa ra một số trao đổi về ý nghĩa của vận tốc ánh sáng đối với những khái niệm và nhận thức của chúng ta về vũ trụ.

Ánh sáng và photon

Trước hết, xin điểm qua một số khái niệm và làm rõ một số điểm đôi khi còn có nhiều hiểu nhầm.

Ánh sáng là bức xạ điện từ. Bức xạ điện từ (electromagnetic radiation) là những sóng gây ra bởi trường điện từ. Nói một cách dễ hiểu, khi một hạt mang điện (chẳng hạn như electron) được gia tốc, nó gây ra bức xạ điện từ truyền đi trong không gian. Cần lưu ý rằng bức xạ điện từ khác với dòng điện, nó không được truyền bởi hạt mang điện mà truyền bằng một loại hạt hoàn toàn không mang điện gọi là photon. Một photon (một số tài liệu tiếng Việt dịch là "hạt ánh sáng" hay "quang tử") là lượng tử của trường điện từ, nó là loại hạt mang năng lượng của trường điện từ và truyền tương tác điện từ (một trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên). Tuỳ theo bước sóng mà bức xạ điện từ được chia thành các loại cơ bản theo thứ tự độ dài của bước sóng từ dài đến ngắn gồm: vô tuyến, vi ba (vi sóng), hồng ngoại, biểu kiến, tử ngoại (cực tím), tia X và tia gamma.

Bức xạ điện từ chia theo bước sóng và năng lượng.

Cũng cần lưu ý rằng khái niệm "ánh sáng" mà chúng ta thường dùng được hiểu là loại bức xạ điện từ có bước sóng phù hợp để gây ra hiện tượng tạo ảnh trên võng mạc của con người. Trên thực tế ánh sáng theo cách dùng quen thuộc này chỉ là một loại bức xạ điện từ, hay chính xác hơn là những bức xạ điện từ có bước sóng phù hợp để chúng ta quan sát được (thường được lấy tương đối là từ 400 đến 700nm (nanomet, một nanomet có độ dài bằng một phần tỷ của một mét). Trong vật lý hiện đại, "ánh sáng" (light) đôi khi còn được dùng để chỉ chung tất cả bức xạ điện từ, vì về bản chất vật lý thì về cơ bản chúng không khác nhau (trừ bước sóng và năng lượng). Nếu nói đầy đủ thì cần gọi loại bức xạ có bước sóng như nêu trên là "ánh sáng biểu kiến" (hay ánh sáng nhìn thấy - visible light). Một số loài động vật có thể nhìn được ban đêm là do bức xạ ở bước sóng hồng ngoại có thể tương tác với mắt của chúng gây ra sự tạo ảnh - có nghĩa là nếu bạn có thể giảng bài cho một con mèo hay một con dơi thì đừng định nghĩa ánh sáng theo bước sóng nêu trên, với chúng thì "ánh sáng" có bước sóng khác một chút.

Định nghĩa "ánh sáng" và "ánh sáng biểu kiến".

Một lưu ý nữa về khái niệm khi chúng ta nói tới vận tốc của ánh sáng: các nhà vật lý đều thường xuyên sử dụng khái niệm "vận tốc ánh sáng" (speed of light) hay thậm chí còn lấy nó ra để qui ước một đơn vị khoảng cách lớn trong thiên văn là "năm ánh sáng" (light year) là bởi ánh sáng biểu kiến là quen thuộc nhất, dễ hình dung nhất đối với tất cả mọi người. Trên thực tế, vận tốc này là vận tốc của bức xạ điện từ ở mọi bước sóng. Sóng hấp dẫn (hoàn toàn khác với sóng điện từ) cũng có cùng vận tốc này. Nó cũng là vận tốc của bất cứ loại hạt cơ bản nào được xác định có khối lượng nghỉ là 0 (không khối lượng).

Vận tốc hữu hạn của ánh sáng

Trước kia, người ta từng tin rằng vận tốc ánh sáng là vô hạn. Điều đó là hệ quả nhận thức tất yếu khi xét trên những qui mô thường ngày. Khi bạn bật một bóng đèn, bạn thấy ánh sáng bao phủ cả căn phòng cùng một lúc, bởi ở khoảng cách nhỏ như vậy thì sự chênh lệch thời gian là nhỏ tới mức mắt của bạn không thể nhận ra. Mặc dù vậy, thực tế là ánh sáng có vận tốc hữu hạn và người ta đã chứng minh được điều đó bằng rất nhiều thực nghiệm.

Vận tốc ánh sáng như đã được xác định chính xác ngày nay là 299.792.458 mét mỗi giây, thường được làm tròn là 3.108m/s hay đơn giản và gần gũi hơn với đa số mọi người là 300.000km/s.

Quan trọng hơn, theo thuyết tương đối hẹp của Einstein đã chỉ ra, vận tốc ánh sáng trong chân không là vận tốc nhanh nhất trong vũ trụ, đồng thời nó không hề bị ảnh hưởng bởi chuyển động của nguồn phát hay hệ qui chiếu của người quan sát. Điều đó có nghĩa là dù nguồn phát có di chuyển hoặc chính bạn di chuyển thì bạn vẫn đo được vận tốc ánh sáng là như nhau.

Tương quan khối lượng và năng lượng

Những đặc điểm nêu trên của vận tốc ánh sáng dẫn tới hệ thức nổi tiếng về liên hệ giữa khối lượng và năng lượng: E = mc2.

Công thức vật lí cực nổi tiếng mà Einstein đã tìm ra.

Trong công thức trên, E là năng lượng của một vật có khối lượng m, còn c là vận tốc ánh sáng. Nếu như c là vô hạn (ánh sáng truyền đi tức thời) hoặc c phụ thuộc vào hệ qui chiếu thì công thức này chắc chắn không được ra đời vì năng lượng của một vật thể không phải vô hạn, cũng không thể phụ thuộc vào chuyển động của người quan sát.

Trong phép biến đổi Lorentz, khi một vật di chuyển thì khối lượng tương đối của nó tăng lên (cần lưu ý rằng khối lượng này gọi là "khối lượng tương đối" vì nó phụ thuộc vào hệ qui chiếu của người quan sát, trong khi đó "khối lượng nghỉ" mới là khối lượng thực tế của vật mà bạn có thể đo trực tiếp).

Theo phép biến đổi Lorentz, hệ số γ (gamma) có giá trị là γ = (1 − v2/c2)1/2 (căn bậc hai của 1 trừ v2/c2). Trong hệ thức này v (vận tốc của vật) luôn nhỏ hơn c (vận tốc ánh sáng) nên luôn có 0 < γ < 1.

Hệ thức biến đổi khối lượng của vật có khối lượng m khi nó chuyển động với vận tốc v là: m' = m/γ. Vì 0 < γ < 1 nên m' lớn hơn m, có nghĩa là vật chuyển động càng nhanh thì khối lượng tương đối của nó càng lớn.

Khi áp dụng phép biến đổi Lorentz vào công thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng như trên thì ta có năng lượng của một vật chuyển động với vận tốc v là E' = m'c2 hay E' = mc2/γ, hoặc E' = E/γ. Điều này được giải thích là cùng một vật thể nhưng khi chuyển động với vận tốc càng lớn thì nó càng mang năng lượng lớn, và đồng nghĩa là khối lượng tương đối của nó lớn. Nó cũng có nghĩa là để gia tốc cho một vật lên vận tốc v thì cần cung cấp cho nó một lượng năng lượng có giá trị bằng E' - E.

Chúng ta thấy rằng khi v = 0 thì γ = 1, tức là khi vật không chuyển động thì năng lượng nội tại mà nó tích trữ là E = mc2. Khi v tăng lên thì E và m đều tăng. Nếu v = c thì γ = 0, có nghĩa là E' = E/0 = ∞. Có nghĩa là để gia tốc một vật có khối lượng m lên vận tốc của ánh sáng thì cần năng lượng lớn vô hạn. Điều này là không thể (hay trong số học thì phép tính với số chia bằng 0 là vô nghĩa) nên nó chứng minh cho việc một vật thể có khối lượng không thể có vận tốc ánh sáng (và tất nhiên càng không thể nhanh hơn). Chỉ những hạt cơ bản không khối lượng như photon mới có thể di chuyển với vận tốc ánh sáng.

Trong một số trao đổi trước đây, tôi bắt gặp khá nhiều người cho rằng việc vận tốc ánh sáng trong chân không là lớn nhất chẳng qua vì khoa học ngày nay chưa tìm được vận tốc lớn hơn. Thực tế không phải như vậy. Như vừa chứng minh, chỉ hạt không khối lượng có thể chuyển động với vận tốc c. Khác với giá trị điện tích, khối lượng của vật thể không thể nhỏ hơn 0 (khối lượng âm chỉ là giả định và không có bất cứ chứng cứ nào cả lý thuyết lẫn thực nghiệm).

Ánh sáng và thời gian

Việc vận tốc ánh sáng được xác định là hữu hạn đồng thời là vận tốc lớn nhất trong vũ trụ không thuần tuý là một phép đo, một chỉ số mà nó gây ảnh hưởng lớn tới nhận thức của chúng ta về vũ trụ, trong đó có không gian và thời gian.

Trong giai đoạn đầu của văn minh nhân loại, không gian và thời gian đều được coi là tuyệt đối (quan điểm của vật lý Aristotle). Cho tới tận thế kỷ 17, Gelileo Gelilei mới chỉ ra rằng không gian chỉ có tính tương đối, vị trí của một vật thể nào đó phụ thuộc vào hệ qui chiếu. Tuy vậy, Galileo vẫn cho rằng thời gian là tuyệt đối, tức là hai sự việc xảy ra đồng thời ở một hệ qui chiếu vẫn là đồng thời khi quan sát từ hệ qui chiếu khác. Tính tuyệt đối như vậy tương ứng với việc ánh sáng phải có vận tốc vô hạn (truyền đi ngay tức khắc), còn với vận tốc hữu hạn mà chúng ta đã biết thì thời gian buộc phải có tính tương đối.

Không chỉ cho biết thời gian có tính tương đối, vận tốc hữu hạn của ánh sáng còn ảnh hưởng tới cách chúng ta nhìn nhận những khái niệm như quá khứ và hiện tại.

Đôi khi có người nói rằng khi nhìn các ngôi sao trên bầu trời là chúng ta đang nhìn vào quá khứ. Điều này xuất phát từ thực tế là ánh sáng cần có thời gian để truyền đi. Nếu một ngôi sao cách chúng ta 1.000 năm ánh sáng, thì có nghĩa là hình ảnh của nó mất 1.000 năm để tới với chúng ta. Nếu bạn thấy một ngôi sao ở khoảng cách đó phát nổ, có nghĩa là việc đó xảy ra cách đây 1.000 năm.

Tuy nhiên, có một thực tế khác là ánh sáng luôn cần thời gian để truyền đi, có nghĩa là ngay cả ở khoảng cách rất ngắn, đòi hỏi một khoảng thời gian ngắn đến mức không thể nhận ra thì hình ảnh bạn nhận được vẫn là hình ảnh trong quá khứ. Bạn nhìn một toà nhà cách xa vài trăm mét hay nhìn một người thân ngay trước mắt mình, thì thực tế hình ảnh bạn thấy cũng không phải ngay tức khắc. Vậy có nên chăng xem lại khái niệm quá khứ và hiện tại?

Vận tốc ánh sáng là lớn nhất trong vũ trụ và đồng thời là vận tốc truyền thông tin tối đa.

Trên thực tế, khi vận tốc ánh sáng là lớn nhất trong vũ trụ và thời gian có tính tương đối, thì vận tốc ánh sáng đồng thời là vận tốc truyền thông tin tối đa. Rất khó để phân định xem hình ảnh của một ngôi sao cách chúng ta 1.000 năm ánh sáng nên được gọi là quá khứ hay hiện tại bởi trên thực tế bạn không thể có bất cứ cách nào cho phép bạn thu được hình ảnh của ngôi sao ở thời điểm gần với hiện tại của bạn hơn.

Tất nhiên, đa số mọi người sẽ ủng hộ ý kiến rằng dù sao đó vẫn là hình ảnh của quá khứ. Giả sử một nhà du hành đi tới một hành tinh có điều kiện rất giống Trái Đất trong hệ gần chúng ta nhất, cách khoảng hơn 4 năm ánh sáng và sau đó liên lạc với trạm điều khiển ở Trái Đất thì thông tin anh ta gửi đi mất hơn 4 năm mới tới được Trái Đất và nếu được hồi âm ngay thì vẫn mất thêm hơn 4 năm nữa để tín hiệu hồi âm tới được với nhà du hành - có nghĩa là mỗi khi gửi một thông tin nào đó, nhà du hành sẽ đợi hơn 8 năm để có hồi âm. Nếu nhà du hành này gặp nạn và qua đời trước khi đợi được hồi âm thì tín hiệu phát đi từ Trái Đất không bao giờ nhận được tín hiệu trả lời, bởi lý do là nhà du hành đã chết "trong quá khứ". Vậy nên có lẽ rằng việc coi hình ảnh của những thiên thể ở xa là quá khứ được nhiều người ủng hộ hơn, mặc dù một số nhà khoa học cho rằng nên coi những gì quan sát được ở hiện tại thì cần coi là hiện tại.

Việc liên lạc khó khăn như trong ví dụ nhỏ nêu trên dường như là điều chẳng ai thích thú, nó gây ra hạn chế lớn cho chúng ta trong việc khám phá và du hành vào không gian. Mặc dù vậy, việc vận tốc ánh sáng là hữu hạn mang lại cho chúng ta nhiều thứ còn đáng giá hơn nhiều.

Nhờ vận tốc hữu hạn của ánh sáng, chúng ta mới có thể quan sát được những sao và thiên hà hình thành và tiến hoá trong giai đoạn sớm hơn của vũ trụ, những đặc điểm của vũ trụ trong thời kỳ đầu của nó. Nhìn thấy quá khứ là một điều tuyệt vời không chỉ vì nó thú vị mà quan trọng hơn là nó cho phép chúng ta tìm hiểu chi tiết về chính vũ trụ của mình, từ những thiên hà và sao khác để khám phá thêm về chính hệ hành tinh của chúng ta và đưa ra những dự đoán về tương lai của hành tinh và môi trường chúng ta đang sống. Đó mới chính là ý nghĩa mà theo tôi là quan trọng nhất của việc nghiên cứu vũ trụ. Điều đó không bao giờ có thể nếu như vận tốc của ánh sáng là vô hạn.

Đặng Vũ Tuấn Sơn.