Vận tốc ánh sáng MỘT SỐ THÍ NGHIỆM ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG

VẬN TỐC ÁNH SÁNG & MỘT SỐ THÍ NGHIỆM ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 Khoa Vật lí Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Mở đầu Vận tốc ánh sáng c chân không số vật lí Nó có ý nghĩa đặc biệt phát triển quang học vật lí học nói chung Chúng ta hẳn quen thuộc với giá trị gần vận tốc ánh sáng chân không Khi ánh sáng truyền không khí v{o mơi trường khác, tốc độ v{ bước sóng ánh sáng giảm đi, tần số giữ nguyên không đổi Những thông tin vừa đề cập kết trình nghiên cứu lâu dài, qua nhiều thời kì Có nhiều nhà khoa học đ~ tiến h{nh đo vận tốc ánh sáng c|c phương ph|p thực nghiệm kh|c Đằng sau phương ph|p lại câu chuyện mang đậm dấu ấn lịch Trong khuôn khổ viết này, ngược dòng khứ để xem người cách ta h{ng nghìn năm, người ta đ~ suy nghĩ, đ~ l{m n{o để x|c định vận tốc ánh sáng Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Mục lục Những tranh cãi Nỗ lực đo đạc a) Thí nghiệm Galileo Galilei b) Roemer đo vận tốc ánh sáng .6 c) James Bradley sử dụng tượng quang sai d) Kĩ thuật thời gian bay e) Lí thuyết Maxwell – thí nghiệm Rosa Dorsey 12 f) Ête giao thoa kế Michelson 12 g) Giai đoạn sau 14 Kết cuối 15 Tổng kết 16 Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Những tranh cãi Từ trước năm 500 TCN, người nghĩ rằng: ánh sáng có khả dịch chuyển tức thời Cũng thật khó trách người thời đó, chuyện xảy xung quanh, chuyện họ chứng kiến cố chứng minh điều họ nghĩ l{ Có thể họ nhóm đóm lửa, họ thấy đóm lửa sáng rực Hay lúc bình minh lên, vừa mở cửa sổ ánh nắng ùa vào phịng Rồi chuyện nhắm mắt, mở mắt thấy thứ xung quanh cách tức khắc… Với niềm tin v{o “khả dịch chuyển tức thời” ánh sáng, cộng với chuyện thường ngày vừa đề cập trên, mà thời đặt vấn đề: Liệu vận tốc ánh sáng có hữu hạn? Hình 1: Empedocles (490 - 430 TCN) Phải đến thời Hy Lạp cổ đại, lo{i người bắt đầu tranh luận chuyện: ánh sáng dịch chuyển tức thời hay có vận tốc hữu hạn (theo ghi nhận nhà khoa học) Người ngược dịng Empedocles, nhà triết học Hy Lạp Ơng cho ánh sáng thứ chuyển động, cần thời gian để quãng đường.[7] Một nhà triết học khác thời l{ Aristotle có quan điểm lập luận ngược lại, ông lại cho ánh sáng thứ khơng di chuyển.[8] Hẳn biết rằng: “Ta nhận biết ánh sáng có ánh sáng truyền vào mắt ta.” V{ “Ta nhìn thấy vật có ánh sáng truyền từ vật v{o mắt ta.” Đó l{ điều kiện nhận biết ánh sáng điều kiện nhận biết vật m{ ta học chương trình Vật lí lớp Nhưng trước đ}y, hai nh{ to|n học Euclid Ptolemy lại có khẳng định tr|i ngược hồn tồn với Hai ông nêu lý thuyết việc nhìn vật: ánh sáng phát từ mắt cho phép người cảm nhận hình ảnh Để dựa lí thuyết đó, Hero, nhà toán học Hi Lạp cổ đại, đ~ lập luận tốc độ ánh sáng vơ hạn vật xa lên dường tức mở mắt Đến năm 1021, Alhazen, nhà toán học Ả Rập, đ~ đưa lập luận nhìn thấy vật sách Book of Optics Ông khẳng định để nhìn thấy vật ánh sáng phải từ vật đến mắt ta.[9] Cũng sách này, ông cho ánh sáng phải với vận tốc hữu hạn, tốc độ ánh sáng biến đổi, giảm vật liệu đặc hơn.[8] Cùng kỉ Al-Biruni (học giả người Iran) đồng ý với thuyết tốc độ ánh sáng hữu hạn, ông nhận vận tốc ánh sáng phải lớn vận tốc âm thanh.[10] Hai kỉ sau, Roger Bacon (triết gia người Anh) cho ánh sáng không khí khơng có tốc độ vơ hạn Ơng đ~ sử dụng lập luận triết học Alhazen Aristotle.[11] Trong năm 70 kỉ XIII, Witelo (một nhà vật lí) lại cho ánh sáng truyền với tốc độ lớn vơ hạn chân khơng, có tốc độ chậm dần môi trường khác.[12] Đến đầu kỉ XVII, nh{ thiên văn học Kepler tin ánh sáng có tốc độ vơ hạn chân khơng, chân khơng khơng có cản trở Hình 2: Alhazen (354 - 430 lịch Hồi Giáo) Một đoạn trích sách Book of Optics:”from each point of every colored body, illuminated by any light, issue light and color along every straight line that can be drawn from that point.” Tạm dịch là:”từ điểm vật thể có màu sắc, mà vật chiếu sáng ánh sáng nào, phát ánh sáng màu sắc dọc theo đường thẳng vẽ từ điểm đó.” Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Nỗ lực đo đạc Những thí nghiệm tiến hành học Muốn tính vận tốc vật chuyển động, ta cần có qu~ng đường x|c định cho |nh s|ng đi, v{ tìm thời gian |nh s|ng hết qu~ng đường Nghe đơn giản thơi, l{ h{ng trăm năm cải tiến c|c phép đo v{ dụng cụ thí nghiệm để kết xác a) Thí nghiệm Galileo Galilei Galileo Galilei số người tiến hành đo đạc vận tốc ánh sáng V{o năm 1638, ơng theo dõi độ trễ việc đóng mở khe chắn sáng từ xa Tất nhiên ông phân biệt trễ tia sáng ấy, v{ đ~ đến kết luận: Nếu ánh sáng truyền với tốc độ hữu hạn phải cực nhanh Đến năm 1667, thành viên Accamedia del Cimento, Florence, Italia đ~ lặp lại thí nghiệm ơng, họ khơng tìm Hình Galileo Galilei (15/02/1564 – 8/1/1642) Một nhà thiên văn học, vật lí học, tốn học triết học người Italia Cụ thể, ông sử dụng |nh s|ng đèn dầu Ơng với trợ lí mình, người cầm đèn, đứng đỉnh đồi cách dặm Người trợ lí lệnh bật đèn thấy đèn Galileo bật lên Vậy tiến trình thí nghiệm là: Galileo bật đèn v{ bắt đầu tính thời gian, |nh s|ng từ đèn ông đến mắt người trợ lí c|ch dặm Người trợ lí thấy |nh đèn bật đèn lên, ánh sáng từ đèn người trợ lí đến Galileo Khi Galileo thấy |nh đèn người trợ lí l{ lúc ơng kết thúc việc tính thời gian Vậy thời gian m{ Galileo đ~ đo thời gian ánh sáng qu~ng đường dặm Nhưng đ~ biết, vận tốc ánh sáng cỡ vào khoảng , ánh sáng hết dặm ( ) khoảng thời gian: Trước Galileo, vào năm 1629, Isaac Beeckman nêu thí nghiệm quan sát tia sáng phát từ nòng pháo phản xạ lại từ gương cách dặm Tuy nhiên thí nghiệm khơng thành cơng Một chớp mắt khoảng 0,2 – 0,4 s, khoảng thời gian ta vừa tính cịn “nhanh chớp mắt” nên tất nhiên Galileo đo đạc Ngo{i ta thấy thí nghiệm có điểm gây sai số đ|ng kể, l{ yếu tố người Khi người trợ lí nhận ánh sáng, cần thời gian phản xạ để bật đèn lên, điều tương tự xảy với Galileo nhận ánh sáng từ trợ lí Chính thời gian phản xạ đ~ l{m kết đo bị sai lệch nhiều, chí thời gian cịn lớn nhiều lần so với thời gian thực tế m{ |nh s|ng Vậy kết sau thí nghiệm Galileo ánh sáng truyền với tốc độ rất nhanh[13] mà Và thắc mắc hữu hạn vận tốc ánh sáng, lúc ẩn số Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng b) Roemer đo vận tốc ánh sáng Như đ~ trình b{y trên, khó khăn gặp phải với việc đo đạc vận tốc ánh sáng thời khoảng thời gian xảy tượng ngắn để người máy móc thời nhận biết Vậy phải làm cho khoảng thời gian ánh sáng di chuyển dài ra, có khả đo đạc Muốn ta phải có qu~ng đường dài hàng triệu dặm cho ánh sáng di chuyển Những qu~ng đường lớn khoảng khơng bao la vũ trụ mà thơi Từ đưa ý tưởng đo thời gian |nh s|ng khoảng cách hai thiên thể vũ trụ Ý tưởng đ~ thực nh{ thiên văn học người Đan Mạch tên Ole Roemer Bằng cách quan sát chu kì quỹ đạo vệ tinh Io (một vệ tinh Mộc), ơng đ~ tính giá trị vận tốc ánh sáng.[14] Hình 4: Ole Roemer (25/09/1644 – 19/09/1710) Nhà thiên văn học Đan Mạch Chúng ta nói chút vệ tinh Io Vệ tinh Io (hay gọi mặt trăng Io) l{ bốn mặt trăng Mộc, nằm gần Mộc Nó phát Galileo Galilei v{o năm 1610 Roemer xem l{ “vệ tinh Mộc”[6] Io vòng quanh Mộc 42,5 giờ, mặt phẳng quỹ đạo gần trùng với mặt phẳng quỹ đạo Mộc quanh Mặt Trời Điều l{m cho l{ phần lớn quỹ đạo nằm phần bóng tối Mộc (ta tạm gọi nhật thực) Từ Tr|i Đất, nhật thực Io m{ quan s|t thuộc hai trạng thái sau:   Hình 5: Vệ tinh Io Io đột ngột biến mất, l{ v{o phần bóng tối Mộc Mặt Trời chiếu s|ng Io để nhìn thấy Hiện tượng gọi immersion Io đột ngột xuất hiện, mà vừa khỏi vùng bóng tối Mộc Ánh sáng Mặt Trời chiếu đến Io phản xạ phía Trái Đất, giúp thấy vệ tinh Hiện tượng gọi emergence Phía bên hình vẽ lại phác thảo Roemer báo cáo năm 1676 Đường tròn lớn bao xung quanh Mặt Trời (vị trí A) quỹ đạo Tr|i Đất năm Tại vị trí điểm B hình vẽ Mộc, đường trịn xung quanh Mộc quỹ đạo vệ tinh Io Phần gạch đen gần Mộc vùng bóng tối Mộc Io từ bóng tối này, qua vị trí D vùng s|ng l{ tượng immersion, Io từ vùng sáng qua vị trí C vào vùng tối tượng emergence m{ đ~ giới thiệu Chu kì Io quanh Mộc ln ln khơng đổi, điều có nghĩa l{ khoảng thời gian hai lần immersion emergence liên tiếp 42,5 Tuy nhiên Roemer quan sát từ Tr|i Đất thời điểm kh|c năm khơng phải lúc chu kì quay Io có gi| trị cố định, cụ thể sau: Hình 6: Bản vẽ lại theo phác thảo Roemer Khi Tr|i Đất vị trí vng góc L quỹ đạo (góc Mặt Trời – Tr|i Đất – Sao Mộc 900), Roemer tiến hành quan sát tượng emergence thấy khoảng thời gian hai lần liên tiếp tượng xảy 42,5 Sau v{i th|ng, Tr|i Đất vị trí K Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng quỹ đạo, Roemer nhận thấy chu kì xuất Io bị trễ so với dự đo|n Nếu ánh sáng truyền lập tức, sau 42,5 lại xuất bầu trời Tuy nhiên lúc chu kì quay Io lại d{i Tr|i Đất vị trí L Từ đó, Roemer cho ánh sáng phải có vận tốc hữu hạn V{ Tr|i Đất xa Mộc hơn, |nh s|ng từ Io cần nhiều thời gian để đến Tr|i Đất Trong trường hợp trên, khoảng thời gian trễ l{ khoảng thời gian |nh s|ng qu~ng đường LK Lập luận tương tự cho vị trí F G cho tượng immersion Ông đ~ tiến hành quan sát thời gian dài, từ năm 1668 – 1678 Hình 7: Bản ghi chép Roemer Tuy nhiên Roemer không đưa số cụ thể vận tốc ánh sáng Ơng đưa kết luận : ánh sáng 22 phút để vượt qua đường kính quỹ đạo Tr|i Đất Cịn cụ thể đường kính quỹ đạo ơng chưa tính Sau này, dựa kết mà Roemer đ~ đo đạc được, cộng với phương ph|p tính quỹ đạo Tr|i Đất, nh{ thiên văn học Christiaan Huygens tính vận tốc ánh sáng theo số liệu Roemer là:[15] Kết thấp khoảng 30% so với kết nay, nhiên đ~ cung cấp chứng hùng hồn rằng: vận tốc ánh sáng hữu hạn, lần đo vận tốc ánh sáng Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng c) James Bradley sử dụng tượng quang sai V{o năm 1729, James Bradley đ~ sử dụng tượng quang sai quan sát bầu trời để x|c định vận tốc ánh sáng.[16] Chúng ta không s}u v{o số liệu cụ thể phương ph|p này, mà tìm hiểu sở lí thuyết m{ James Bradly đ~ dùng Nếu vận tốc ánh sáng hữu hạn (và cụ thể Roemer đ~ tính trước đó), phải vectơ có độ lớn hữu hạn, nghĩa l{ cộng vectơ Ta xét toán sau: Trong hệ quy chiếu gắn với Mặt Trời, xét chùm tia sáng với vận tốc c, với hai thành phần theo trục x y , ⁄ (Hình 9) Nếu Tr|i Đất chuyển động với với góc nghiêng vận tốc v dọc theo trục x nói trên, vận tốc chùm ánh sáng hệ quy chiếu gắn với Tr|i Đất có thành phần: Góc lệch chùm tia s|ng Tr|i Đất lúc là: Sự thay đổi góc lệch làm sai lệch biểu kiến vị trí thiên thể thiên cầu quan s|t thiên văn Hiện tượng gọi tượng quang sai Trên đ}y toán xét chuyển động đơn giản Tr|i Đất hệ quy chiếu gắn với Mặt Trời Có nhiều nguyên nhân gây tượng quang sai này:  Chuyển động tự quay quanh trục Tr|i Đất ngày, gây tượng quang sai ngày  Chuyển động Tr|i Đất xung quanh Mặt Trời năm, g}y tượng quang sai năm  Chuyển động Mặt Trời quanh tâm Ngân Hà, gây tượng quang sai thiên niên James Bradly phát tượng n{y v{o năm 1727, v{ hai năm sau, ơng dựa v{o để tính vận tốc ánh sáng Cụ thể ông đưa kết quả: “Ánh sáng di chuyển nhanh Tr|i Đất quỹ đạo 10 210 lần” (kh| x|c kết 10 066 lần)[16] Dựa vào vận tốc Tr|i Đất quỹ đạo ngày nay, ta tính giá trị vận tốc |nh s|ng m{ James Bradly đ~ ph|t biểu ấy: Tất nhiên sau gần 200 năm Einstein đưa tiên đề tính bất biến tốc độ ánh sáng hệ quy chiếu khác Lúc biến đổi mang tính cổ điển khơng cịn Thay v{o đó, ta phải sử dụng phép biến đổi Lorentz Ta thu thành phần vận tốc: ( Trong Hình 8: James Bradly (03/1693 – 13/07/1762) Một nhà thiên văn học, nhà tu người Anh 𝑥 θ 𝑦 ≡ 𝑥 x φ 𝑦 y Hình Vào năm 1887, thí nghiệm Michelson Morley chứng minh kiện chuyển động quay hệ quy chiếu Trái Đất xung quanh Mặt Trời với vận tốc khoảng 30 km.s-1 không làm thay đổi vận tốc ánh sáng Hiện tượng mâu thuẫn với định luật học cổ điển.[3] ) √ Góc lệch chùm s|ng Tr|i đất là: ( ) ( ) Dẫu giá trị mà James Bradly đưa kh| gần với giá trị vận tốc ánh sáng mà hay sử dụng Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng d) Kĩ thuật thời gian bay Quay trở lại với c|ch đo vận tốc ánh sáng cách truyền thống: đo qu~ng đường |nh s|ng v{ thời gian |nh s|ng hết qu~ng đường Với điều kiện kĩ thuật phát triển dụng cụ đo m{ thời gian n{y, người ta tiến hành thí nghiệm với khoảng cách nhỏ Tr|i Đất Trong có thí nghiệm hai nhà vật lí học người Pháp – Hyppolyte Fizeau Léon Foucault, gọi kĩ thuật thời gian bay.[17] Hình 9: Hyppolyte Fizeau (23/09/1819 – 18/9/1896) Nhà Vật lí người Pháp Trước tiên thí nghiệm Fizeau tiến h{nh v{o năm 1849 Dưới đ}y l{ hình vẽ mơ thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Fizeau Ông cho nguồn phát sáng phát tia sáng vào gương bán mạ, gương b|n mạ phản xạ tia s|ng v{ hướng đến b|nh quay B|nh gồm nhiều v{ khe nằm xen kẽ Tia sáng gặp khe tiếp, gặp tia s|ng bị gi|n đoạn Ánh sáng lọt qua khe đến gương phẳng đặt cách kh| xa Gương phẳng bố trí cho tia sáng phản xạ lại theo đường cũ đến b|nh Gương phẳng Bánh quay Nguồn sáng Gương bán mạ Người quan sát Hình 10: Mơ thí nghiệm Fizeau Nếu bánh có p răng, quay với tốc độ góc Gương đặt cách bánh khoảng d Thì vận tốc ánh sáng c tính cơng thức: ( ) Với n số nguyên.[3] Vậy đặt mắt vị trí người quan sát, ta thấy ánh sáng chớp tắt liên tục b|nh quay Nếu điều chỉnh tốc độ quay b|nh răng, đến thời điểm, ta thấy |nh s|ng Tức toàn ánh sáng qua khe lúc truyền gặp truyền Nói cách khác, thời gian |nh s|ng từ b|nh (qua khe) đến gương phẳng phản xạ lại b|nh (gặp răng) thời gian b|nh quay góc từ khe đến Biết khoảng cách gương v{ b|nh răng, biết tốc độ quay b|nh v{ số răng, ta ho{n to{n tính vận tốc ánh sáng Tất nhiên thí nghiệm có dụng cụ v{ c|ch tính to|n, đo đạc phức tạp nhiều so với mô Và kết m{ Fizeau đưa vận tốc ánh sáng là: Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Đến năm 1862, Foucault đ~ thay b|nh quay gương xoay Để dễ tiếp cận với ngun lí thí nghiệm, theo dõi hình vẽ: Gương phẳng cố định Gương xoay Nguồn sáng Hình 13: Léon Foucault (18/09/1819 – 11/02/1868) Nhà Vật lí người Pháp Nổi tiếng với lắc Foucault Hình 11: Thí nghiệm Foucault Ánh s|ng từ nguồn s|ng đến gương xoay v{ bị phản xạ Với vị trí x|c định gương xoay (vị trí m{u đen) tia s|ng đến gương phẳng cố định Khi đến gương phẳng cố định, ánh sáng bị phản xạ ngược lại theo đường cũ, lúc n{y gương xoay đ~ xoay đến vị trí (vị trí m{u đỏ) Chính thế, tia phản xạ không ngược trở lại nguồn sáng mà bị lệch th{nh tia m{u đỏ hình vẽ, có khoảng lệch so với tia tới Thực tế thí nghiệm phức tạp hơn, v{ mơ tả ảnh đ}y Hình 12: Thiết bị đo tốc độ ánh sáng Foucault Thiết bị nhỏ nhiều so với mơ hình Fizeau Tổng đường tia s|ng nhờ lái hệ thống gương lõm nên có gi| trị 20 m Khi tia s|ng bị lệch ta đo độ lệch kính hiển vi Từ độ lệch ta tìm góc quay gương xoay, kết hợp với tốc độ quay đ~ biết gương xoay, ta ho{n to{n tính thời gian tia s|ng qu~ng đường 20 m Sử dụng thiết bị n{y, Foucault đ~ tính giá trị vận tốc ánh sáng là: Như thí nghiệm Fizeau, số bánh giúp ta tìm góc quay bánh răng, từ tìm thời gian ánh sáng chạy Và ánh sáng phải chạy quãng đường thật dài (cụ thể thí nghiệm Fizeau 16 km) Nếu muốn quy mơ thí nghiệm nhỏ lại thời gian ánh sáng chạy ngắn đi, đồng nghĩa với số bánh phải tăng thêm Việc chế tạo bánh có nhiều với độ xác cao khó Phương án Foucault giúp thu nhỏ quy mô thí nghiệm Nhờ mà đo vận tốc ánh sáng môi trường khác Từ kiểm chứng vận tốc ánh sáng môi trường nhỏ chân không, phù hợp với lí thuyết sóng ánh sáng, đặt dấu chấm hết cho lí thuyết hạt Newton Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 10 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Hình 14: Gương xoay điều khiển khí nén thiết bị Foucault Dưới dẫn Foucault, nhà vật lí người Mĩ gốc Ba Lan tên Albert Abraham Michelson đ~ nỗ lực gia tăng độ xác phương ph|p đó, v{ đ~ th{nh cơng việc đo tốc độ ánh sáng vào năm 1878 với mẫu thiết bị phức tạp đặt dọc theo tường dài 2000 foot nằm đôi bờ sông Severn Maryland Đầu tư c|c thấu kính v{ gương chất lượng cao để hội tụ phản xạ chùm ánh sáng qu~ng đường d{i nhiều so với thí nghiệm Foucault, Michelson công bố kết v{o năm 1879: Với Michelson đ}y khơng phải thí nghiệm mà nhiều người biết đến Chính khơng tìm hiểu kĩ c|ch đo Thí nghiệm làm nên tên tuổi ơng phải thí nghiệm giao thoa kế Michelson – Morley trình bày cụ thể phần sau Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 11 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng e) Lí thuyết Maxwell – thí nghiệm Rosa Dorsey Maxwell cơng bố thuyết điện từ v{o năm 1873, có phương trình vận tốc truyền sóng điện từ: √ Từ đ}y, ho{n to{n đo vận tốc ánh sáng thông qua số điện môi số từ môi chân không Và hai số ho{n to{n x|c định Đến năm 1907, Rosa v{ Dorsey đ~ tiến h{nh đo v{ kết vận tốc ánh sáng: f) Ête giao thoa kế Michelson Sau cơng nhận ánh sáng sóng điện từ lan truyền khơng gian, ta có c|ch kh|c để x|c định vận tốc ánh sáng thông qua x|c định tần số f v{ bước sóng Từ vận tốc ánh sáng Hình 15: James Clerk Maxwell (13/06/1831 – 05/11/1879) Nhà tốn học, vật lí học người Scotland Nổi tiếng với phương trình Maxwell sóng điện từ Trước tiên, ta phải nói đến Ête – thuyết sai lầm nhà vật lí kỉ: Khi lí thuyết sóng ánh sáng Christiaan Huygens hình thành, giải thích tượng nhiễu xạ ánh sáng Tuy nhiên tìm hiểu s}u lý thuyết n{y, người ta gặp phải rắc rối khơng nhỏ, l{ mơi trường truyền sóng Để giải vấn đề người ta đưa môi trường giả định ête Cũng giống môi trường khơng khí truyền âm Hình 16: Môi trường ête cố ête truyền ánh sáng giống Tuy nhiên, ánh sáng (thuộc định Trái Đất chuyển động loại sóng ngang - theo Augustin-Jean Fresnel) khác với âm mơi trường (sóng dọc) nên ête môi trường đặc biệt, phải thấm qua vật chất có vũ trụ để truyền sóng ánh sáng, cố định khơng gian Đồng thời phải thật rắn, sắt, bạch kim, chí rắn kim cương Một môi trường khó hiểu khó chấp nhận khoa học V{ môi trường ête cố định, Tr|i Đất chuyển động mơi trường Thuyết n{y đ~ lật đổ tư tưởng hạt ánh sáng Newton, nhiên chưa kiểm chứng cụ thể Chỉ có Maxwell đưa cách kiểm chứng l{ đề nghị đo vận tốc ánh sáng theo hai chiều ngược so với chiều di chuyển Tr|i Đất chứng minh kết khác Từ suy Tr|i Đất chuyển động mơi trường cố định ête Nhưng chưa l{m điều Arbert Michelson l{ người tin ête tồn tại, ông với người đồng nghiệp l{ Edward Morley đ~ sử dụng giao thoa kế để chứng minh V{ gọi thí nghiệm Michelson – Morley.[18] Chúng ta tìm hiểu cấu tạo giao thoa kế Hình 17: Albert Abraham Michelson (19/12/1852 – 09/05/1931) Nhà Vật lí người Mỹ gốc Ba Lan Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 12 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Hình đ}y l{ sơ đồ máy, v{ đường tia sáng giao thoa kế Michelson S nguồn s|ng điểm (một lỗ tròn nhỏ, chiếu sáng đèn mạnh) đặt tiêu điểm thấu kính hội tụ O1 (đường kính có tới 30 – 40 cm, tiêu cự – m) G gương phẳng, bán mạ, đặt chếch 450 quang trục O1 Tia sáng SI tới gương G bị phân thành hai tia: tia phản xạ IJ1 tia khúc xạ IKJ2 Tia IJ1 phản xạ vng góc gương phẳng M1, truyền trở lại tới I, lại qua G cho tia khúc xạ IR1 (và tia phản xạ trở lại nguồn) Tia IKJ2 phản xạ vuông góc gương M2, truyền trở lại tới I cho tia phản xạ IK’R2 (và tia khúc xạ trở nguồn) Hai tia IR1 IKR2 trùng giao thoa với Hệ v}n giao thoa quan sát kính ngắm L, gồm vật kính O2 thị kính C M1 J1 G’ M2 G I S K’ J2 K O1 O2 L C Hình 18: Giao thoa kế Michelson Một hai gương phẳng (chẳng hạn, gương M2) cố định, cịn gương tịnh tiến theo phương tia sáng, nhờ đinh ốc vi cấp B{n trượt mang gương M1 v{ c|c trượt để định hướng chuyển động b{n chế tạo với mức xác cao, nhằm giữ cho gương ln ln song song với nó, chuyển động Gương M1 quay chút quanh hai trục vng góc, nhờ đinh ốc điều chỉnh thích hợp Hình 19: Edward Williams Morley (29/01/1838 – 24/02/1923) Nhà khoa học người Mỹ Trong hai tia sáng: IJ1IR1 IKJ2KR2, tia thứ hai qua kính G ba lần, tia thứ qua có lần Để giữ cho quang trình hai tia giao thoa ho{n to{n đồng nhất, người ta đặt thêm, đường tia IJ1, G’ ho{n to{n tương tự G không mạ, cho song song với G, gọi bổ Tấm bổ quay chút quanh hai trục nằm ngang để tăng, giảm mức bổ Ngồi ra, tia IJ1IR1 chịu lần phản xạ từ không khí lên thủy tinh, cịn tia lần phản xạ từ thủy tinh lên khơng khí, thành thử, độ dài hình học hai tia nhau, chúng cịn hiệu quang trình [1] Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 13 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Tiến hành thí nghiệm với chùm sáng kết hợp đ~ biết trước tần số f, ta đo bước sóng ánh sáng Và từ tìm vận tốc ánh s|ng V{o năm 1926 kết Michelson là: Điều đ|ng nói thí nghiệm n{y l{ chứng minh rằng: thuyết ête khơng xác, bác bỏ tồn mơi trường ête Đồng thời, thí nghiệm đ~ g}y dựng chứng thực nghiệm cho tiên đề thuyết tương đối hẹp Albert Einstein g) Giai đoạn sau Kể từ sau thí nghiệm Michelson – Morley, hàng loạt thí nghiệm kh|c đ~ thực với phương |n thí nghiệm khác để đo vận tốc ánh sáng Có thể kể đến thí nghiệm cộng hưởng hốc Louis Essen v{ Gordon Smith v{o năm 1946 cho kết quả: Chúng ta thử tiến hành thí nghiệm nhà Vật dụng cần chuẩn bị lò vi sóng túi kẹo dẻo (marshmallow) Đầu tiên bạn xếp kẹo dẻo vào c|i đĩa, ý xếp kín mặt đĩa lớp kẹo Tiếp theo, cho đĩa kẹo vào lị vi sóng, chọn chế độ “low heat” Thơng thường, lị vi sóng l{m nóng thực phẩm cách cho thực phẩm quay đều, tháo phần quay (hoặc dùng gi| đỡ, cho đĩa kẹo đừng quay l{ được) Lúc số điểm kẹo dẻo bắt đầu nóng chảy, l{ điểm bụng sóng (tại sóng có biên độ lớn nhất) Sau đ~ có khoảng 4, điểm bị nóng chảy, ta lấy kẹo dẻo tiến h{nh đo Khoảng cách điểm nóng chảy liền (2 bụng sóng liền nhau) nửa bước sóng lị vi sóng Vậy ta đ~ x|c định bước sóng, cịn tần số? Trên nhãn lị vi sóng thường có ghi giá trị n{y (v{ thường 2450 MHz) Cuối nhân giá trị bước sóng tần số, ta tìm vận tốc ánh sáng[19] Hội nghị toàn thể Cân đo (tiếng Pháp: Conférence générale des poids et mesures, viết tắt CGPM; tiếng Anh: General Conference on Weights and Measures) tổ chức cao ba tổ chức quốc tế thành lập vào năm 1875 theo điều khoản Cơng ước Mét nhằm đại diện cho lợi ích quốc gia thành viên Hai tổ chức lại Văn phòng Cân đo Quốc tế (BIPM) Ủy ban Quốc tế Cân đo (CIPM).[6] Cứ bốn đến sáu năm lần, Hội nghị lại diễn xã Sèvres, tây nam Paris, Pháp Ban đầu mối quan tâm Hội nghị kilôgam mét, nhiên từ 1921 tầm bao quát Hội nghị mở rộng để gồm hết đo lường vật lý tất khía cạnh hệ mét Năm 1960, Hội nghị lần thứ 11 thông qua hệ đo lường quốc tế (SI).[6] Và đến năm 1950, Essen đ~ lặp lại thí nghiệm cho giá trị: Sau v{o năm 1958, phương ph|p giao thoa kế vô tuyến, Keith Davy Froome thu vận tốc ánh sáng: Năm 1972, dựa phương ph|p sau việc định nghĩa lại đơn vị đo độ dài mét từ năm 1960 theo vạch phổ nguyên tử krypton-86, nhóm nhà vật lý Viện tiêu chuẩn công nghệ quốc gia NIST Boulder, Colorado x|c định tốc độ ánh sáng chân không: Tháng 10 năm 1960: Hội nghị Đo lường Quốc tế định: "độ dài mét 1.650.763,73 lần độ dài bước sóng ánh sáng màu vàng cam Kprypton-86 phát chân không".[6] Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 14 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Kết cuối Sau 300 năm kể từ lần Roemer đo tốc độ ánh sáng, giá trị m{ ta thu đ~ có sai số nhỏ Sở dĩ cịn sai số ta sử dụng định nghĩa mét năm 1960 Năm 1975, hội nghị Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) lần thứ 15 đ~ thống sử dụng giá trị tốc độ ánh sáng : Đến năm 1983, hội nghị CGPM lần thứ 17 đ~ định nghĩa l{ đơn vị mét : "Mét độ dài quãng đường ánh sáng truyền chân không với thời gian 1/299 792 458 giây.”[4] Theo định nghĩa n{y, gi| trị tốc độ ánh sáng chân khơng xác trở thành số định nghĩa hệ đơn vị SI Những thí nghiệm n}ng cao độ xác khơng ảnh hưởng đến giá trị tốc độ ánh sáng hệ SI, thay cho phép đo x|c đơn vị mét H{ng trăm thí nghiệm đ~ tiến h{nh để đo đạc vận tốc ánh s|ng, để cuối trở thành số ng{y hơm Trên đ}y giới thiệu phương ph|p đo, thí nghiệm mang tính lịch sử định Chúng ta tổng kết bảng sau[6]: Năm 1638 1667 1675 1729 1849 1862 1879 1907 1926 1950 1958 1972 1983 Nhà nghiên cứu Galileo Galilei Accamedia del Cimento, Florence, Italia Roemer Huyghens James Bradly Hippolyte Fizeau Léon Foucault Albert Abraham Michelson Rosa Dorsey Albert Abraham Michelson Essen Gordon-Smith Keith Davy Froome Viện tiêu chuẩn công nghệ quốc gia NIST Hội nghị CGPM lần thứ 17 Phương pháp Lồng đèn có mái che Lồng đèn có mái che Kết (km/s) Khơng tính Khơng tính Mặt trăng Io Mộc Hiện tượng quang sai Bánh quay Gương xoay Gương xoay Hằng số điện từ trường Giao thoa kế Bộ cộng hưởng hốc Giao thoa kế vô tuyến Giao thoa kế laser 214 636 301 000 315 000 298 000 299 910 ±50 Định nghĩa lại đơn vị mét Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 15 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Tổng kết Vậy l{ đ~ chạy suốt chiều dài lịch sử để thấy cách mà số - vận tốc ánh sáng – hình th{nh v{ đo đạc Từ chỗ hoài nghi xem vận tốc ánh sáng có phải hữu hạn khơng, thí nghiệm cịn thơ sơ với dụng cụ đơn giản Cho đến thí nghiệm có quy mơ, đầu tư kĩ c{ng Những thí nghiệm trước lại l{ sở lí thuyết cho thí nghiệm sau l{ bước ngoặt khoa học quan trọng Tất nỗ lực khẳng định lần khả phản ánh tự nhiên người hồn tồn tuyệt vời đến n{o Tài liệu tham khảo:                    [1] Giáo trình Quang học đại cương – PGS Ngơ Quốc Qnh [2] Giáo trình Quang học – Đặng Thị Mai [3] Giáo trình Quang học – HACHETTE Supérieur [4] Fundamental of Physics – David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker [5] Bài viết “Tốc độ |nh s|ng” - Kenneth R Spring, Thomas J Fellers, Lawrence D Zuckerman, Michael W Davidson – dịch thuvienvatly.com [6] Wikipedia [7] Ancient science through the golden age of Greece – Sarton, G (1993), p 248 [8] Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light – MacKay, RH, Oldford, RW (2000) [9] The Fire That Comes from the Eye – Gross, CG (1999) [10] Abu han Muhammad ibn Ahmad ai-Biruni – O’Connor, JJ; Robertson, EF [11] Bacon and the origins of Perspectiva in the Middle Ages: a critical edition and English translation of Bacon’s Perspectiva, with introduction and notes – Lindberg, DC (1996) Oxford University Press, p 143 [12] Nicole Oresme on the Nature, Reflection, and Speed of Light – Marshall, P (1981) [13] Early Estimates of Velocity of Light – Boyer, CB (1941) [14] Roemer and the first determination of the velocity of light (1676) – Cohen, IB (1940) [15] Traitée de la Lumière – Huygens, C (1690) [16] Account of a new discoved Motion of the Fix’d Stars – Bradly, J (1729) [17] How is the speed of light measured? – Gibbs, P (1997) [18] On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether – Michelson, AA; Morley, EW (1887) [19] Finding the speed of light with Marshmallows – a Take-home Lab, Robert H Stauffer, Jr., Cimarron-Memorial High School, Las Vegas, Nevada, USA The Physics Teacher, vol 35, April 1997, p 231 Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 16 ... tốc ánh sáng, lúc ẩn số Nguyễn Võ Thanh Việt – Y19 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng b) Roemer đo vận tốc ánh sáng Như đ~ trình b{y trên, khó khăn gặp phải với việc đo đạc vận. .. Việt – Y19 13 Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Tiến hành thí nghiệm với chùm sáng kết hợp đ~ biết trước tần số f, ta đo bước sóng ánh sáng Và từ tìm vận tốc ánh s|ng V{o năm... Vận tốc ánh sáng & số thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng Tổng kết Vậy l{ đ~ chạy suốt chiều dài lịch sử để thấy cách mà số - vận tốc ánh sáng – hình th{nh v{ đo đạc Từ chỗ hoài nghi xem vận tốc ánh