Tốc độ ánh sáng ppt

Tốc độ ánh sáng Thiết bị thí nghiệm doMichelsonvà Morleyxây dựng thật khổng lồ (hình 5). Đặt trên mộtphiến đá đangquaytừ từ rộng khoảng 5 feet vuôngvà dày 14inch, thiết bị được bảo vệ thêm bởi mộthồ thủy ngânbên dưới đóng vai trò bộ giảmsốc khôngcó ma sát để loạibỏ các daođộng ảnh hưởng từ phía Trái Đất. Một khi phiến đá đượcđưa vào chuyểnđộng,thu đượctốc độ lớn nhất là 10 vòng/giờ,mấttới hàng giờ mới cótạm dừng lần nữa. Ánh sángtruyền quabộ tách chùm,và phản xạ bởi hệ thốnggương, được xác định với một chiếc kính hiểnvi quan sát vângiao thoa, nhưngcả hai nhà khoahọc đều không quansát thấy gì.Tuy nhiên, Michelson đã sử dụng giao thoa kế của ôngđể xác định chính xáctốc độ của ánh sánglà 186.320dặm/giây (299.853km/giây), một giá trị vẫn được xemlà chuẩn trong vòng 25năm tiếp sauđó. Thấtbại trong việc phát hiệnsự thayđổi tốc độ ánhsáng bởi thí nghiệmMichelson-Morleyđã đặtdấu chấm hếtcho cuộctranh luận về ête, cuối cùng đã đưatớilí thuyết của AlbertEinsteinvào đầuthế kỉ 20. Năm 1905,Einstein công bố thuyết tương đốiđặc biệt của ông,sau đó là thuyết tươngđối tổng quát vào năm 1915.Lí thuyết thứ nhất đề cập tới sự chuyển độngcủa các vậtthể ở vận tốckhông đổitương đối với nhau, còn lí thuyết thứ hai tập trungvàogia tốc vàmối liên hệ của nó với hấp dẫn.Do chúngtháchthức những giả thuyết đã tồn tại từ lâu, ví dụ như các định luật chuyển động củaIsaac Newton, nênlí thuyết của Einstein làmột lựclượng cách mạng trong vật lí học. Ý tưởng về tính tươngđốithể hiệnqua khái niệm cho rằng vận tốccủa một vậtchỉ có thể được xácđịnhtươngđốivới vị trí của nhà quansát.Lấy ví dụ, mộtngười đàn ông đang đi bên trongmột chiếc máy bay dândụngcỡ lớn có vẻ đangđi ở tốc độ khoảng 1dặm/giờ đốivới hệ quy chiếu là chiếcmáy bay(còn chínhchiếcmáy bay đang chuyển động với vận tốc600 dặm/giờ). Tuy nhiên, đốivớimột nhà quan sát ở mặt đất, người đànông đó đangchuyển động ở vận tốc 601 dặm/giờ. Einsteinđã giả sử trongcác tínhtoán củaông rằngtốc độ của ánh sáng truyền giữa haihệ quychiếu vẫn giữ nguyênkhôngđổi đốivới các nhà quansátở cả hainơi.Donhàquan sát ở hệ quychiếu này sử dụng ánh sáng để xác định vị trí và vận tốc củacác vậttrong hệ quychiếu kia, nên điềunày làmthay đổi cách mà nhà quansát cóthể liênhệ vị trívà vận tốccủa các vật. Einsteinsử dụngkhái niệm này để tìm ramộtvài côngthứcquan trọng môtả cách các vật thể trong một hệ quy chiếu xuất hiệnkhi nhìn từ hệ quychiếu kiađang chuyển độngđều tươngđối với hệ quy chiếu thứ nhất. Kết quả của ông đưa tới một số kếtquả khácthường, mặc dùhiệu ứngchỉ trở nên đángkể khi vận tốctương đối củavật đạtgần tới tốc độ ánh sáng. Tóm lại, hàm ý chính của những lí thuyết cơ bản của Einstein và phươngtrìnhtương đối tính thường được trích dẫncủa ông E = mc 2 có thể tóm tắtnhư sau:  Chiềudài của một vậtgiảm, tươngđối đối với nhà quansát, khivận tốc của vật tăng.  Khi một hệ quy chiếu đang chuyển động,các khoảngthời gian trở nên ngắn hơn.Nói cách khác, một nhà duhành vũ trụ chuyểnđộng với tốc độ ánh sáng hoặc gần tốc độ ánh sáng cóthể rời Trái Đất trong nhiều năm vàquaytrở lạitrải qua khoảng thời gianmất cóvài ba tháng.  Khối lượng củamộtvật đang chuyểnđộng tăngtheovận tốc củanó, và khi vận tốc đạttới tốcđộ ánh sáng thìkhối lượng tiếntới vôcùng.Vì lí donày nên người ta giữ niềm tin rằng chuyển động nhanhhơn tốc độ ánh sáng là không thể có được, bởi vìđể gia tốcđến khốilượng vô hạn cần một lượng năng lượng vô hạn. Mặcdù lí thuyết củaEinstein ảnhhưởngđến toàn bộ thế giới vật lí, nhưng nó có những quanhệ đặc biệt quantrọngđối vớinhững nhà khoa học đang nghiên cứu ánhsáng. Lí thuyếtgiải thích đượctại sao thí nghiệm Michelson-Morleythất bại trong việc tạo ranhững kết quả như mongđợi, thúcđẩy các nghiên cứu khoa học nghiêm túchơn về bản chất của ête xemlà môi trường trung chuyểnánh sáng. Nó cũngchứng minhđược rằngkhông gì có thể chuyển động nhanh hơn tốcđộ ánh sáng trongchânkhông,và tốc độ này là một hằng số và có giá trị không thay đổi. Trongkhi đó,các nhà khoa học thực nghiệm tiếp tục sử dụngcác thiếtbị ngày càng phức tạpđể đo giátrị chính xáccủa tốc độ ánh sángvàgiảmsai số trongcác phép đo này. Các phép đo vận tốc ánh sáng N ăm Nhà nghiên cứu Ph ương pháp Giá trị ước tính km/giây 1 667 galileo Ga lilei Đè n lồng có mái che 333,5 1 676 Ole Roemer Vệ tinh của sao Mộc 220.000 1 726 James Bradley Hiệ n tượng quang sai 301.000 1 834 Charles Wheatstone Gư ơng quay 402.336 1 838 Francis Arago Gư ơng quay 1 849 Armand Fizeau Bá nh xe quay 315.000 1 862 Leon Foucault Gư ơng quay 298.000 1 868 James Clerk Maxwell Tín h toán lí thuyết 284.000 1 875 Marie- Alfred Cornu Gư ơng quay 299.990 1 879 Albert Michelson Gư ơng quay 299.910 1 888 Heinrich Rudolf Hertz Bứ c xạ điện từ 300.000 1 889 Edward Bennett Rosa Phé p đo điện 300.000 1 890s Henry Rowland Qu ang phổ kế 301.800 1 907 Edward Bennett Rosa Phé p đo điện 299.788 và Noah Dorsey 1 923 Andre Mercier Phé p đo điện 299.795 1 926 Albert Michelson Gư ơng quay (giao thoa kế) 299.798 1 928 August Karolus và Otto Mittelstaedt Lá chắn Kerr 299.778 1 932 - 1935 Michelso n và Pease Gư ơng quay (giao thoa kế) 299.774 1 947 Louis Essen Hộ p cộng hưởng 299.792 1 949 Carl I. Aslakson Ra dar Shoran 299.792 ,4 1 951 Keith Davy Froome Gia o thoa kế vô tuyến 299.792 ,75 1 973 Kenneth M. Evenson las er 299.792 ,457 1 978 Peter Woods và Colleagues las er 299.792 ,4588 Vào cuối thế kỉ 19, những tiếnbộ đạt được trong công nghệ vô tuyến và vi sóng đã mang lạiphươngpháp mới lạ cho việc đo tốcđộ ánh sáng.Năm 1888, hơn 200 năm saunhững quantrắc thiên thể tiên phong của Roemer,nhàvật lí người Đức Heinrich RudolfHertzđo được tốc độ của sóng vô tuyến. Hertzthu đượcgiá trị gần300.000 km/giây,xác nhận lí thuyết của JamesClerk Maxwellchorằng sóng vô tuyếnvà ánh sáng đềulà các dạng của bức xạ điện từ.Một bằngchứngnữa thu thậptrongnhững năm 1940và 1950,khinhà vậtlí người AnhKeith Davy Froome sử dụng sóng vô tuyếnvà Louis Essensử dụngvi sóngtiến hànhđo đạc chínhxác hơn tốc độ của bức xạ điện từ. Maxwellcũng được ghi nhậnvới việcđịnh nghĩatốc độ ánh sáng và các dạng khác của bứcxạ điện từ, không phải bằng phép đo, mà bằng suyluậntoánhọc. Trongnghiêncứu của ông cố gắng tìm kiếm mối liênhệ giữa điện và từ, Maxwell đã líthuyết hóarằng một điện trường biến thiên sẽ tạora từ trường biến thiên, một điều ngược lại vớiđịnh luật Faraday.Ông đề xuất rằng sóngđiệntừ bao gồm các sóng daođộng điệnvà từ kếthợp, và tínhđược vận tốc củanhững sóng này truyền trong không giannhư sau: Vận tốc (v) = 1/ (ε . µ) 1/2 trong đó ε là hằng số điện môi,vൠlà độ từ thẩm của khônggian tự do,hai hằng số này cóthể đo được với mức độ chính xáctương đối cao. Kết quả là một giá trị rất gần với tốc độ ánhsáng đo được. Năm 1891,tiếp tục những nghiên cứu của ông về tốc độ ánhsáng và thiên văn học,Michelson chế tạo mộtgiao thoa kế cỡ lớn sử dụng kính thiên văn khúcxạ tại Đàiquansát Lick ở California. Những quantrắc của ông dựa trên sự trễ thời gian tới của ánhsángkhi quansát các vật thể ở xa, ví dụ như các sao, cóthể phân tích địnhlượng để đo được cả kích thước của thiên thể và tốc độ ánh sáng. Gần30 năm sau,Michelson dichuyển thí nghiệmcủa ông tới Đài quan sát núiWilson, và áp dụngcùngkĩ thuật trên với kính thiên văn 100 inch,kính thiên văn lớn nhất thế giới lúcbấy giờ. Bằng cách hợp nhấtthêm một gương xoayhình bátgiác vào thiếtkế thí nghiệmcủa ông,Michelson đạttới giá trị 299.845 km/giây chotốc độ ánh sáng. Mặcdù Michelson chết trước khihoàn tất thí nghiệm của ông, nhưngngười cộng sự của ôngtại núi Wilson, Francis G.Pease, tiếptục sử dụng kĩ thuật cótính sáng kiếnchỉ đạo nghiên cứutrong những năm1930.Sử dụng một giao thoa kế cải tiến, Pease thực hiện hàng loạt phép đo trong vài năm vàcuối cùng đã xácđịnh được giá trị chínhxác cho tốc độ ánhsánglà 299.774km/giây, phép đochính xácnhất thu được tínhđến thời điểm đó. Vài năm sau,vàonăm 1941,cộng đồngkhoahọc đã đặt ramộtchuẩncho tốcđộ ánh sáng. Giá trị này, 299.773km/giây, dựa trên một tài liệu biên soạn từ những phép đo chính xác nhất của thờikì đó. Hình6 biểu diễn những phépđotốc độ ánh sáng trong vòng 200năm qua. Vào cuối thập niên 1960, lasertrở thành công cụ nghiên cứuổn định với tần số vàbước sóngcó tínhxác định cao. Một điều nhanhchóng trở nên hiển nhiên là một phép đođồng thời cả tầnsố và bước sóng sẽ mang lại giátrị rất chính xáccho tốc độ ánh sáng, tươngtự như phương pháp thực nghiệm đã được tiến hành bởi Keith Davy Froomebằngvi sóng vào năm 1958. Mộtvài nhómnghiên cứu ở Mĩ và một số nước khác đã đotần số của vạch 633 nanomét từ laser helium-neonvà thu được kếtquả chính xáccao. Năm 1972,ViệnTiêu chuẩn và Côngnghệ quốcgia (Mĩ) đã dùng kĩ thuật laser đođượctốc độ 299.792.458 m/s (186.282dặm/giây), kết quả cuối cùngtrong việc định nghĩa lại đơnvị mét qua một ướctính chính xác cao cho tốcđộ ánh sáng. Khởi đầu với nhữngcố gắngmang tính đột phá vào năm 1676 củaRoemer, tốc độ ánh sáng đã được đo ít nhất là 163lầnbằng nhiều kĩ thuật đa dạng bởi hơn 100 nhànghiên cứu(xembảngở trên). Khi các phương pháp và dụng cụ khoahọc được cải tiến, giới hạn saisố của sự ước tính đượcthu hẹp,mặc dù tốc độ ánh sáng khôngthay đổiđáng kể kể từ những tínhtoán hồi thế kỉ thứ 17của Roemer.Cuối cùng, vào năm 1983, hơn300 năm saucố gắngđo đạc nghiêmtúc đầu tiên, tốc độ ánh sáng đượcđịnh nghĩa là 299.792,458km/sbởi Đại hội toàn thể lần thứ 17 về Cân nặng vàĐo lường.Như vậy, mét được địnhnghĩalà khoảng cách mà ánh sáng truyền đi đượctrong chân không trong khoảngthời gian1/299.792.458giây. Tuy nhiên,nói chung(cả trongnhiều tính toán khoahọc), tốcđộ ánh sáng được làm tròn là 300.000km (hoặc 186.000dặm)trên giây. Việc đạt đượcmột giátrị chuẩn cho tốcđộ ánh sáng có tầm quantrọng đối vớiviệc thiết lập một hệ đơnvị quốctế cho phép các nhà khoahọc từ khắp nơi trênthế giới sosánh dữ liệu vàtính toán của họ với nhau. Có mộtcuộc tranhluận ôn hòa về bằng chứngtồn tại cho thấy tốc độ ánh sáng đang giảmđi kể từ thời Big Bang,lúc nócó thể di chuyển nhanhhơnnhiều, như mộtsố nhà nghiêncứu đã đề xuất. Mặc dù các luận cứ được đưa ravà phản đối kéo dài cuộc tranhluận này, nhưng đa số các nhà khoahọc vẫnđoan chắc rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số.Các nhà vậtlí cho rằngtốc độ ánh sáng thực sự như đã đo đượcbởi Roemer và nhữngngười tiếp sauông không có sự thayđổi đáng kể, mà chỉ có một loạt cải tiến trong các thiết bị khoahọc liên quan tới việc làm tăng độ chínhxác của phép đo dùng để thiết lập tốc độ ánhsáng.Ngày nay, khoảng cách giữa Mộc tinhvàTrái Đất đượcbiết với độ chính xác cao, cũngnhư đườngkính củahệ mặttrời và đường đi quỹ đạo của các hànhtinh. Khi các nhà nghiêncứu áp dụng dữ liệu này để làm việc lại với những tính toán đã đượcthực hiện trongvài thế kỉ qua, họ thuđược giá trị chotốc độ ánh sáng có thể sosánh được với giá trị thu đượcvới những thiết bị hiện đại vàphức tạp hơn. . đang chuyểnđộng tăngtheovận tốc củanó, và khi vận tốc đạttới tốc ộ ánh sáng thìkhối lượng tiếntới vôcùng.Vì lí donày nên người ta giữ niềm tin rằng chuyển động nhanhhơn tốc độ ánh sáng là không. khivận tốc của vật tăng.  Khi một hệ quy chiếu đang chuyển động,các khoảngthời gian trở nên ngắn hơn.Nói cách khác, một nhà duhành vũ trụ chuyểnđộng với tốc độ ánh sáng hoặc gần tốc độ ánh sáng. chất của ête xemlà môi trường trung chuyểnánh sáng. Nó cũngchứng minhđược rằngkhông gì có thể chuyển động nhanh hơn tốc ộ ánh sáng trongchânkhông,và tốc độ này là một hằng số và có giá trị không