Tốc độ ánh sáng Ở mộtnơiđó trongkhônggianngoàikia,cáchTrái Đất hàngtỉ nămánh sáng, ánh sáng nguyên thủy liên quantới Vụ nổ Lớn của vũ trụ đang chiếu sáng những vùng đất mới khi nó tiếp tục truyền đi ra xa.Trái ngược lại hoàntoàn, một dạng khác của bứcxạ điện từ phát sinh trên Trái Đất, cácsóng vô tuyếnphát đi từ một chương trình truyền hình nào đó cũng đanglan truyền ra không giansâuthẳm ngoài kia, mặcdù cường độ của nó yếu hơn nhiều. Khái niệm cơ bản ẩn saucả hai sự kiện trên có liênquan tới tốc độ của ánh sáng (vàtấtcả nhữngdạng khác của bức xạ điện từ), đã được cácnhà khoahọcxác định một cách kĩ lưỡng, và ngày nay được biểu diễndưới dạng một giá trị không đổi có mặt trong các phương trìnhvới kí hiệu c. Khônghẳn là mộthằngsố, đúng hơnlà tốc độ cực đại trong chân không, tốcđộ của ánh sáng,gần300.000 km/giây, có thể điều chỉnh bằng cách làm thay đổi môi trườnghoặc với sự giao thoa lượng tử. Ánh sángtruyền trongmột chất, hay môi trường, đồngchất theođường thẳng,với tốc độ gần như không đổi, trừ khi nó bị khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ hoặc bị nhiễuloạn theo một số cách khác. Thựctế khoahọc đã được hiểu rõnàykhông phải là sản phẩm của kỉ nguyên Nguyên tử hay thời kì Phụchưng,mà đã đượcxúc tiến khởi đầu bởi nhà bác học Hi Lạp cổ đại, Euclid, khoảng350 năm trướcCông nguyên,trongchuyên luận mangtínhbướcngoặc của ông, Optica.Tuynhiên, cường độ củaánh sáng (và các bức xạ điện từ khác)tỉ lệ nghịchvới bìnhphương của khoảng cách truyền đi. Như vậy,sau khiánh sáng truyền đi đượchai lần một khoảng cách cho trướcthì cường độ của nógiảm đi bốn lần. Khi ánhsángtruyền trong không khíđi vào một môi trườngkhác, chẳnghạn như thủy tinhhoặc nước, tốcđộ và bước sóngcủa ánhsánggiảmđi (xem hình 2), mặc dùtần số vẫn giữ nguyênkhông đổi. Ánhsángtruyền đixấpxỉ 300.000 km trên giây trongchân không, môi trường cóchiết suất bằng1,0, nhưngvậntốc sẽ giảm xuốngcòn 225.000 km/giây trong nước (chiết suất 1,3, xemhình 2),và 200.000km/giây trongthủytinh (chiết suất1,5). Trongkimcương,với chiết hơi cao 2,4, tốc độ của ánh sáng giảm đi khá nhiều (125.000km/giây), chỉ cònkhoảng 60% tốcđộ của nó trong chân không. Do hành trình khổng lồ mà ánhsángtruyền đi trong không gianbên ngoài giữacác thiên hà (xem hình 1)và bên trong Dải Ngânhà, nên sự giãn nở của các sao cóthể đo được khôngchỉ bằng km,mà còn bằngnăm ánhsáng,quãngđường mà ánhsángđi được trong một năm.Một năm ánh sáng bằng 9,5 nghìn tỉ km, hoặc khoảng 5,9nghìn tỉ dặm. Khoảng cách từ Trái Đấttới ngôi sao gầnnhấtngoài hệ mặttrời củachúng ta,ProximaCentauri, xấp xỉ 4,24năm ánh sáng. Có thể so sánh như thế này, Dải Ngânhà có đường kính ước tính chừng 150.000 năm ánh sáng, và khoảng cách đến thiên hà Andromedalà chừng 2,21 triệu năm ánh sáng. Điều này có nghĩalà ánhsángrời thiênhà Andromeda 2,21triệu năm về trước mới tới được Trái Đất,trừ khi trênđường đi nó đã chạm phải cácthiên thể phản xạ hoặc các mảnhvỡ khúc xạ. Khi các nhà thiên văn ngắm nhìn bầu trời đêm là lúchọ đang quansát một hỗnhợp thời gian thực, quá khứ đã qua, và lịch sử thời cổ đại. Ví dụ, trongthời kì mà cácnhà tiên phong người Babilon,các nhà chiêm tinh người ARập, các nhà thiên văn Hi Lạp môtả cácchòmsao, thì Scorpius(Scorpio đốivới các nhà chiêm tinh học) vẫncó hình dạng con bọ cạp. Sao đuôivà cácsao khác trongchòm sao này đã xuất hiện dưới dạng saosiêu mới trên bầu trời khoảnggiữa năm 500và 1000 trước Côngnguyên, nhưng không còn nhìn thấy nữa đối với các nhà nghiên cứu ngày nay. Mặc dùmộtsố saoquansát thấy trên bầu trời đêmtrên Trái Đất đã chết từ lâu, nhưng sóngánhsáng mang hìnhảnh của chúng vẫn cònchạmtới mắt người và kínhviễn vọng. Trongthựctế, ánhsáng từ sự hủy diệt của chúng (và bóng tối của sự vắng mặt của chúng) chưađi hết khoảngcách khổnglồ trong khônggian sâu thẳm vì chưa đủ thời gian. Empedocles thuộc vùngAcragas,ngườisốngvào khoảng năm 450 trước Công nguyên,là một trong nhữngtriết gia đầu tiênđược ghi nhận đã nhậnđịnh rằng ánhsángtruyền đi với mộtvận tốc giới hạn.Gần một thiên niên kỉ saunày, khoảng chừngnăm 525sauCông nguyên,nhà báchọc và nhà toánhọc người La Mã Anicius Boethius đã thử dẫn chứng bằngtài liệu tốc độ của ánh sáng, nhưng sau khi bị buộc tội phản quốcvà làm mathuật, ôngđã bị chém đầuvì nỗ lực mang tính khoahọc của mình.Kể từ những ứngdụngsớmnhất của loại bột đendùng làm pháo hoa và tín hiệu bởingười Trung Hoa, người ta đã tự hỏi về tốc độ của ánh sáng.Với lóe sáng và màu sắc trước khicó tiếng nổ chừng vài giây,nó khôngđòi hỏi phải có mộttính toán gì ghê gớm để nhậnra rằngtốc độ của ánhsánghiển nhiênvượt quá tốc độ của âm thanh. Bí mật ẩn saucác vụ nổ củangười TrungHoa đã dẫn đườngcho họ tới phươngTâytrong giữa thế kỉ 19,và cùng với họ, đã mangtheo những nghivấn về tốc độ của ánhsáng. Trước thời giannày, cácnhà nghiên cứu phải xemlóe sáng của tiachớptheo sau làtiếng sấm rền, thườngxuất hiện trongnhữngđámmưa to sấm dữ, nhưngkhôngđưa ra được bất cứ lời giải thích khoahọc nàohợplí về sự chậmtrễ đó. Nhà bác họcngười A Rập Alhazenlà nhà khoahọc nghiên cứuquang học nghiêm túcđầu tiên cho rằng (vào khoảngnăm 1000 sau Côngnguyên)ánh sáng có một tốcđộ hữu hạn, và vào năm 1250,nhà quang họctiênphong người Anh Roger Baconđã viết rằngtốc độ của ánh sáng là hữu hạn, mặcdù rất nhanh. Tuy nhiên, đa số các nhà khoa học trong thời kì này vẫn giữ quan điểm cho rằng tốc độ của ánhsáng làvô hạnvà khôngthể nào đo được. Năm 1572,nhàthiênvăn họcnổi tiếng người ĐanMạch TychoBrahe là người đầu tiên mô tả sao siêumới, xuất hiện trong chòm saoCassiopeia.Sau khi quan sát một “ngôi saomới” đột ngột xuất hiện trên nền trời, cường độ sáng của nó giảm dần, và rồi biến mấtdần khỏi tầm nhìn trong thờigian 18 tháng,nhà thiên văn cảmthấybối rối, nhưnglại kíchthích trí tò mò. Nhữngquan trắc cácthiên thể mớilạ này khiến choBrahe và những người đươngthời với ông đi tới chỗ nghivấn về khái niệmphổ biến cho rằngvũ trụ hoàn hảo và không thayđổi cótốc độ ánh sáng vôhạn. Niềm tin cho rằngánhsáng có tốc độ vô hạn khó bị thay thế, mặc dù một vài nhà khoahọcđã bắtđầu nghivấn về tốc độ của ánhsáng vào thế kỉ thứ 16. Mãi tới năm 1604, nhà vật lí người ĐứcJohannes Kepler chứng minhrằngtốc độ của ánh sáng là tức thời. Ôngbổ sung thêm ghi chú cho côngtrình công bố của ông rằng khoảng chân không trốngrỗng không hề làm chậm tốc độ của ánh sáng, làm cản trở, vớimột mức độ hữuhạn, cuộc truytìm của nhữngngười đương thời của ông tìmkiếm chất ête được cho là lấp đầy không gianvà đã mangánh sáng đi. Không lâu saukhi phát minhvà mộtsố cải tiến tương đối thôđối với kính thiên văn, nhà thiên văn ngườiĐan Mạch Ole Roemer(năm 1676)là nhà khoa học đầu tiên thựchiện mộtcố gắng nghiêm khắc để ướctính tốcđộ của ánh sáng. Bằng cách nghiêncứu vệ tinh Io của sao Mộc và những chekhuất thườngxuyêncủa nó, Roemercó thể tiên đoán đượctính tuần hoàn của chukì che khuất đối vớivệ tinh này (hình 3).Tuynhiên, saumột vài tháng, ông lưu ý rằng những tiên đoáncủa ông trở nên kém chính xáctrước những khoảng thời gian tương đốilâu, tiến tới sai số cực đại khoảng 22 phút (mộtsự chênh lệch tương đối lớn, nhất là khi xemxét quãngđườngmà ánhsáng đi được trong khoảngthời gian này). Rồisau đó,đúng là kì quặc, những tiên đoán của ônglại trở nên chínhxác hơntrong một vài tháng, với chu kì tự lặp lại. Làm việc tại Đài quan sát Paris, Roemersớm nhận ra rằng những sailệchquan sátthấylà do sự thay đổi khoảngcáchgiữa Trái Đấtvà sao Mộc, do quỹ đạo của các hànhtinh này. Khi saoMộcđi xakhỏi Trái Đất, ánhsáng phải truyềnmột khoảng cáchxa hơn, nêncần nhiều thời gianhơn để tới được Trái Đất. Áp dụng nhữngtính toántươngđối khôngchínhxác chokhoảng cách giữa Trái Đấtvà sao Mộc được biết vào thờikì đó,Roemercó thể ước tínhtốc độ của ánh sáng chừng 137.000nghìn dặm (hoặc 220.000 km)trên giây. Hình3 minh họa mô phỏng hình vẽ nguyên thủy của Roemer phác họa phươngphápcủa ôngdùng để xác định tốc độ ánh sáng. Công trình của Roemer làm xônxao cộng đồngkhoahọc, và nhiềunhà nghiêncứu bắt đầuxem xét lại các luận cứ của họ về tốc độ vô hạn củaánhsáng. Chẳnghạn, ngài Isaac Newtonđã viếttrong một chuyên luận mangtính bước ngoặc củaôngvào năm 1687,Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica (Các nguyên lí toán họccủa triết học tự nhiên),“Bây giờ có thể khẳng định từ hiện tượng cácvệ tinh của Mộc tinh,được xác nhận bởi quantrắc của cácnhà thiên văn khác, rằng ánh sáng truyền đi liên tụcvà cần khoảng 7 hoặc 8 phút để truyền từ Mặt Trời tới Trái Đất”,đây thật sự là một ướctính rất gần với tốc độ chính xác củaánh sáng. Quanđiểm đáng kính và danhtiếng rộngrãi của Newton là phương tiện để khởi động cuộc cách mạng khoa học, vàgiúp khởi xướngcác nghiên cứu mới bởi các nhà khoa học tán thành rằngtốc độ của ánh sáng là hữu hạn. Ngườitiếp theo mangtới mộtước tính hữuích cho tốcđộ của ánh sáng là nhà vật lí người Anh James Bradley. Năm 1728, một năm saukhi Newtonqua đời, Bradleyđã ước tính tốc độ ánh sáng trongchân không xấp xỉ 301.000 km/giây,sử dụngphương pháp quangsaicủa cácsao. Nhữnghiệntượngnày là hiển nhiên bởi các thay đổi biểu kiến vị trí củacác saodo chuyển động của Trái Đất xungquanh MặtTrời. Mứcđộ quang sai củacác saocó thể xác địnhtừ tỉ số củatốc độ quỹ đạo của TráiĐất và tốc độ của ánhsáng.Bằng cách đo góc quang sai sao vàápdụng dữ liệu về tốc độ quỹ đạo của Trái Đất, Bradley có thể đi tới một ước tính đặc biệt chínhxác. Năm 1834,Charles Wheatstones,nhànghiên cứukínhvạn hoavà là nhà tiên phongtrong khoaâmhọc, đã thử đo tốc độ của dòngđiện. Wheatstonesphát minh ra mộtdụng cụ sử dụng gương xoayvà sự phóng điện qua chai Leydenđể làm phát ra và đo thời gianchuyển độngcủa tialửa điện qua gần như tám dặm dâydẫn. Thật không may, cáctính toán của ông(và cólẽ là do dụng cụ của ông) có saisót nên Wheatstonesđã ước tínhvận tốc của dòng điệnlà 288.000dặm/giây, một sai lầm dẫn ông tới chỗ tin rằngdòng điện truyền nhanhhơn ánh sáng. Nghiên cứu của Wheatstonessau này đượcmở rộng bởi nhà khoa học người PhápDominique Francis JeanArago. Mặcdù thất bại khi cố gắng hoàn thành côngtrìnhcủa mình trướckhi bị hỏng thị lực vào năm 1850,nhưng Aragođã nhận định đúng đắn rằng ánh sáng truyền trong nướcchậm hơn so với trong không khí. Trongkhi đó, ở Pháp,các nhàkhoahọc kìnhđịch nhau là ArmandFizeau và Jean-Bernard-LeonFoucaultđộc lậpnhau đã cố gắng đo tốc độ ánh sáng, không dựa trêncácsự kiện thiên thể, mà khaithácnhững thuận lợi của khám phá của Aragovà mở rộng thiếtkế gương xoay củaWheatstones. Năm 1849, Fizeau chế tạo được một dụngcụ làm lóe ra một chùmánhsángqua một bánh xe răng cưa(thay cho gương xoay) và rồi đi tới một gương cố định đặtcáchđấy 5,5 dặm. Bằngcách quay bánh xe ở tốc độ nhanh, ôngcó thể lái chùm tia quakhenằm giữa hairăng cưa trên hành trình đi raxa và bắt lấy tia phản xạ trong khelân cận trên hành trình quay trở lại.Với tốc độ quay của bánh xe vàkhoảng cách truyền bởi xungánh sáng đã biết, Fizeaucó thể tính được tốcđộ ánh sáng.Ôngcũng phát hiện thấyánh sáng truyền trong không khínhanhhơntrong nước(xác nhận giả thuyếtcủa Arago), một thựctế mà ngườiđồng hương là Foucaultsau đó đã xác minh đượcbằng thực nghiệm. Foucaultdùng một gươngxoay nhanhđiều khiển bằngtuabinkhí nén để đo tốc độ ánh sáng. Trongthiết bị của ông (xem hình4), một chùm ánhsáng hẹp truyền quamộtkẽ hở và rồitruyền qua mộtcửa sổ thủy tinh(đóng vaitrò bộ tách chùmtia) cómặt chia độ tinh vitrước khichạm tới gương đang xoaynhanh.Ánh sáng phản xạ từ gương xoayhướngqua một bộ gương cố định theo đườngzigzag để tăng chiềudài đườngđi của thiết bị lên khoảng 20mmà không phải tăng tương ứng kíchthướccủa dụng cụ.Trongkhoảng thời giancần thiết để ánh sáng phảnxạ qua dãy gương và quay trở lại gương xoay,một sự lệch nhỏ của vị trí gương xoay đã xảy ra. Rồi sauđó, ánh sáng phản xạ từ vị trí bị lệch của gươngxoay đi theo một hành trìnhmới trở lại nguồn phát vàđi vào kính hiển vi gắntrên thiết bị.Sự lệch nhỏ của ánh sángcó thể nhìnthấy quakính hiển vi vàghi lại.Bằng việc phân tích dữ liệu thu thậptừ thí nghiệm củaông,Foucault có thể tính được tốcđộ ánh sáng là 298.000km/giây (xấp xỉ 185.000 dặm/giây). Đường đi của ánh sángtrongdụngcụ của Foucault đủ ngắnđể dùng trong các phép đo tốcđộ ánh sángtrong các môi trường khác ngoài khôngkhí. Ông phát hiện thấy tốc độ ánh sáng trongnướchoặc trong thủy tinhchỉ khoảng 2/3 giá trị của nótrongkhôngkhí, và ông cũng kết luận rằng tốc độ ánh sáng qua mộtmôi trường cho trước tỉ lệ nghịch với chiết suất. Kết quả đáng chúý này phù hợp với những tiên đoán về hành trạng ánh sángđã đượcphát triển hàng trăm năm trước đó từ líthuyết sóng của sự truyền ánhsáng. Dưới sự chỉ dẫn củaFoucault,nhà vật lí người Mĩ gốc Ba Lantên là Albert M. Michelson đã nỗ lực gia tăng độ chínhxác của phương pháp đó, vàđã thành công trong việc đo tốc độ ánh sáng vào năm 1878 với mẫu thiết bị phức tạp hơn đặt dọc theo bứctường dài 2000foot nằm trên đôi bờ sông Severnở Maryland.Đầu tư các thấu kínhvàgương chất lượngcao để hội tụ và phản xạ chùm ánh sáng trên quãng đườngdài hơn nhiềuso với trong thí nghiệmcủa Foucault, Michelsontính được kết quả cuối cùng là 186.355dặm/giây(299.909 km/giây), cho phép sai số trong khoảng 30dặm/giây.Do độ phức tạp tănglên trong thiếtkế thí nghiệm của ông, nên độ chính xác củaphươngpháp Michelsoncũng cao gấphơn 20 lần so với phươngphápcủa Foucault. Vào cuối những năm 1800, đasố các nhà khoahọc vẫn tin rằng ánhsáng truyền quakhông gian bằng một môi trường trungchuyển gọi là ête.Michelson đã hợp sức với nhà khoahọc EdwardMorley vào năm1887 nghĩ ra mộtphươngpháp thực nghiệm tìmkiếm ête bằng cách quan sát sự thay đổi tương đối tốc độ của ánh sáng khiTrái Đất hoànthànhvòng quaycủa nó xung quanh Mặt Trời. Để thực hiện mục tiêu này, họ đã thiết kế một chiếcgiao thoa kế tách một chùm ánhsáng và lại gửi mỗi chùm tia đi theo haiđườngkhác nhau,mỗi đường dài 10m, bằngmột dãy gương bố trí phức tạp. Michelson và Morley giải thích rằngnếu như Trái Đất chuyển động qua môitrường ête thì chùm tia phản xạ tới lui vuônggócvới dòng ête sẽ phải truyền đixa hơn so với chùmtia phản xạ song songvới dòng ête. Kết quả sẽ là sự trễ ở một trong haichùmtia có thể phát hiệnkhi hai chùm tia tái kết hợp quahiện tượng giaothoa. . hoàn hảo và không thayđổi c tốc độ ánh sáng vôhạn. Niềm tin cho rằngánhsáng có tốc độ vô hạn khó bị thay thế, mặc dù một vài nhà khoahọcđã bắtđầu nghivấn về tốc độ của ánhsáng vào thế kỉ thứ 16. Mãi. hỏi về tốc độ của ánh sáng. Với lóe sáng và màu sắc trước khicó tiếng nổ chừng vài giây,nó khôngđòi hỏi phải có mộttính toán gì ghê gớm để nhậnra rằngtốc độ của ánhsánghiển nhiênvượt quá tốc độ của. hành trình quay trở lại.Với tốc độ quay của bánh xe vàkhoảng cách truyền bởi xungánh sáng đã biết, Fizeaucó thể tính được tốc ộ ánh sáng. Ôngcũng phát hiện thấyánh sáng truyền trong không khínhanhhơntrong