Hỏi Khó: Tốc độ Của ánh Sáng Là 299.792.458 M/s, Thế Còn Tốc độ Bóng

Chuyên mục GizAsk - hãy hỏi trang báo Gizmodo bất cứ thứ gì liên quan tới khoa học, họ sẽ … đi hỏi những chuyên gia khác trong ngành để giải đáp những thắc mắc mà độc giả có. Những thắc mắc của nhân loại thì vốn khó giải quyết, và đa số chúng ta khó có thể tìm ra được câu trả lời dù mất nhiều tiếng Google liên tục.

Câu hỏi lần này lại còn hơi “u tối” chút …

Tốc độ ánh sáng vẫn là một trong những hằng số quan trọng nhất của vật lý học, và vì ánh sáng có từ thuở hồng hoang đến giờ, những triết gia, những nhà khoa học từ thuở xưa đã có những quan sát nhất định về ánh sáng: Aristotle và Empedocles từ xưa kia đã đã bất đồng quan điểm; Aristotle tin rằng ánh sáng có khả năng di chuyển ngay lập tức, còn nhà khoa học Hy Lạp Empedocles cho rằng bởi vì ánh sáng chuyển động, chắc chắn nó phải mất thời gian để di chuyển giữa hai điểm.

Năm 1667, Galileo Galilei đứng từ trên đỉnh đồi, quan sát tốc độ mở chiếc đèn lồng được phủ kín trên tay những người cùng mình thực hiện thí nghiệm, cố gắng tính toán tốc độ ánh sáng. Họ chỉ đứng cách nhau dưới 1 dặm (1,6 km) nên quá khó để nhận ra sự khác biệt. Galileo chỉ ước tính được rằng tốc độ ánh sáng nhanh hơn 10 lần âm thanh.

Phải tới những năm 1670, nhà thiên văn học Ole Rømer mới dựa vào hiện tượng nhật thực trên mặt trăng của Sao Mộc để tính ra được tốc độ của ánh sáng. Ông nhận thấy rằng ánh sáng mất một khoảng thời gian nhất định để tới được Trái Đất, khi quan sát thấy nhật thực sẽ chậm khi Sao Mộc ở vị trí xa Trái Đất nhất, và rất đúng giờ khi Trái Đất và Sao Mộc ở gần nhau hơn.

Đó chính là lý do khiến Rømer tin rằng “ánh sáng di chuyển trong vũ trụ ở một tốc độ nhất định”, rồi đưa ra ước tính rằng ánh sáng mất khoảng 10-11 phút để từ Mặt Trời chạm tới Trái Đất. Dù con số trên sai lệch với con số thực tế (8 phút 19 giây), các nhà khoa học vẫn có được một con số quan trọng để tiến hành nghiên cứu. Lúc đó, Römer tính được tốc độ ánh sáng là 200.000 km/s.

Ole Rømer, một trong những cái tên quan trọng nhất ngành vật lý.

Tốc độ của ánh sáng lướt qua đầu một loạt những nhà khoa học lỗi lạc, như Hippolyte Fizeau và Léon Foucault tới từ Pháp, Albert Michelson người Mỹ gốc Phổ, và khi Albert Einstein bắt đầu viết báo cáo khoa học về nó hồi năm 1905, tốc độ ánh sáng đi kèm một khái niệm ít người nghĩ tới ở thời điểm đó - thuyết tương đối hẹp. Ông đưa ra nhận định ánh sáng sẽ di chuyển ở một tốc độ cố định, dù người quan sát có di chuyển nhanh tới đâu.

Thế giới khoa học kỳ thị sự u ám hay sao mà chẳng thấy công trình nào chỉ ra tốc độ của bóng đêm? Gizmodo đi hỏi một loạt các chuyên gia về hố đen và về vật lý lượng tử, nhận được những câu trả lời rất thú vị.

George Muster

Biên tập viên của hai tạp chí khoa học hàng đầu là Scientific American và Nautilus, tác giả của cuốn sách là Hoạt động Kỳ quái Từ xa: Sự kiện định nghĩa lại Không gian và Thời gian - và Ý nghĩa của nó với Hố đen, Big Bang và Thuyết Vạn Vật, và cuốn sách Hướng dẫn về Thuyết Dây cho Kẻ khờ.

Tốc độ của bóng đêm ư? Câu trả lời đơn giản là nó chính là tốc độ ánh sáng. Tắt Mặt Trời đi, Trái Đất cũng sẽ tối sầm lại sau 8 phút. Nhưng đơn giản thế thì chán lắm! Đầu tiên, thứ chúng ta vẫn quen gọi là “tốc độ ánh sáng” thực chất là tốc độ của sự truyền, và không phải lúc nào nó cũng là yếu tố quyết định con số tốc độ cuối cùng. Ví dụ, khi đèn trên nóc ngọn hải đăng xoay, tốc độ của phần bóng nó tạo nên trên nền đất tăng dần khi tiến ra càng xa khỏi ngọn hải đăng.

Nếu bạn đứng đủ xa so với ngọn hải đăng, bóng của nó lướt trên đầu bạn sẽ còn nhanh hơn cả tốc độ truyền ánh sáng cơ (trong Vũ trụ, sao neutron chính là minh chứng của hiện tượng này). Trong các trường hợp vừa nêu, tốc độ ánh sáng có độ trễ riêng: nếu ánh sáng từ ngọn hải đăng chiếu thẳng tới bạn vào thời điểm 12 giờ đúng, bạn sẽ thấy tia sáng lóe lên chậm một chút. Tuy thế, tốc độ của sự việc diễn ra tại điểm bạn đứng không thay đổi gì.

Nhân tiện, bóng tối có thực sự tồn tại không? Nếu như tắt được Mặt Trời, Trái Đất cũng không chìm trong bóng tối vĩnh hằng đâu. Ánh sáng từ sao, từ tinh vân, từ các vụ bùng nổ trên không gian sẽ tràn ngập bầu trời. Hành tinh này và mọi thứ có trên nó, bao gồm cả cơ thể chúng ta, đều phát ra ánh sáng hồng ngoại. Tùy thuộc vào cách tắt Mặt Trời để xem liệu nó sẽ tiếp tục tỏa sáng theo cách nào nữa. Con người còn thị lực, ta sẽ còn nhìn thấy được thứ gì đó. Không một cơ chế tiếp nhận ánh sáng nào có thể xác định được một bóng đen hoàn toàn cả, bởi lẽ nếu không có gì phát nguồn sáng, sự dao động lượng tử cũng tạo ra ánh sáng. Ngay cả hố đen, vật thể đen đúa nhất ta từng biết, cũng phát ra thứ ánh sáng riêng. Vật lý khác xa với đời thực, ánh sáng luôn đánh tan bóng đêm.

Bóng đêm không thuộc về phạm trù vật lý, mà giống một trạng thái nhận biết hơn. Việc photon có đập vào mắt ta không, tế bào nằm trên võng mạc có ghi nhận ánh sáng để kích thích não bộ tạo hình ảnh không, không giải thích được việc não tiếp nhận bóng đêm ra sao, nó cũng bí ẩn tương tự như độ dài của bước sóng đại diện cho cảm nhận của màu sắc và âm thanh vậy. Trải nghiệm của ý thức con người thay đổi tùy theo thời điểm, nhưng bản chất những trải nghiệm ấy lại không chịu ảnh hưởng bởi thời gian. Hiểu theo nghĩa này, bóng đêm sẽ không có tốc độ.

Neil DeGrasse Tyson

Giám đốc Cung thiên văn Hayden, phó giám đốc nghiên cứu và cũng nhà nhà sáng lập Ban Vật lý Thiên văn trụ tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên, là người dẫn chương trình Vũ trụ: Cuộc phiêu lưu của Không Thời gian.

Tốc độ bóng đêm à … Hãy coi như ánh sáng đánh tan được bóng đêm đi. Tốc độ ánh sáng xóa tan bóng đêm chính là tốc độ ánh sáng, vậy nên tốc độ bóng đêm sẽ là số âm của tốc độ ánh sáng. Nếu như ánh sáng là một vector, có phương và độ lớn, thì tức là số âm của nó sẽ có phương âm. Bóng đêm tan đi với tốc độ nhanh hơn khi nó lan ra, tôi sẽ gọi nó là tốc độ ánh sáng âm.

David Reitze

Giám đốc tại Phòng thí nghiệm LIGO thuộc Viện Công nghệ California

Về cơ bản, tốc độ bóng đêm dựa vào hai thứ, hoặc bạn chính là thứ vật chất bị bóng đêm vô tận của hố đen nuốt trọn, hoặc bạn đứng đủ xa để chiêm ngưỡng thứ gì đó rơi xuống vực đen vĩnh hằng. Nếu bạn là vật chất kém may mắn bị rơi xuống hố đen, tốc độ chắc chắn sẽ rất cao, tương đương với vận tốc ánh sáng.

Nếu như bạn là người quan sát và đứng từ đủ xa để chứng kiến sự việc, tốc độ vật chất bị hố đen nuốt chửng sẽ bị chậm đi nhiều lắm, do một hiệu ứng được biết tới với cái tên sự giãn nở thời gian do lực hấp dẫn - đồng hồ chạy chậm hơn nhiều khi đứng trong một trường lực hấp dẫn lớn, và càng chậm hơn khi ở gần khu vực chân trời sự kiện của hố đen.

“Từ đủ xa” có nghĩa là vị trí của bạn so với hố đen, đủ xa để bạn và cái đồng hồ bạn cầm theo mà không chịu ảnh hưởng từ lực hấp dẫn của hố đen. Trên thực tế, với một người đứng nhìn từ xa, thì họ sẽ mất một lượng thời gian vô tận để chứng kiến một thứ gì đó trôi vào đường chân trời sự kiện của hố đen.

Sarah Caudill

Nhà nghiên cứu tại Trung tâm Leonard E. Parker về Lực hấp dẫn, Vũ trụ học và Vật lý học, trực thuộc Đại học Wisconsin-Milwaukee.

Lực hấp dẫn của một hố đen mạnh tới mức ánh sáng cũng không thoát khỏi đường chân trời sự kiện của nó. Chính do lực hấp dẫn cực mạnh, hiện tượng giãn nở thời gian sẽ ảnh hưởng được tới các quan sát được thực hiện từ ngoài trường lực hấp dẫn cực mạnh này.

Ví dụ, một người đứng từ xa quan sát một vật thể phát sáng rơi vào hố đen, họ sẽ thấy nó từ từ rơi xuống và dần tan biến, rồi sẽ đến lúc ta không thấy chấm sáng nhỏ bé hiện diện nữa. Người đứng quan sát này sẽ không thể thấy vật thể kia vượt qua chân trời sự kiện.

Chúng ta cũng có thể quan sát từ góc nhìn của chính vật thể đang rơi vào hố đen. Ví dụ, một ngôi sao bị vỡ vụn khi chẳng may chạm trán một hố đen, lượng khí gas từ khôi sao đó sẽ tạo thành một đĩa bồi tụ lớn bao lấy hố đen và từ từ bị hút vào trong. Thế nhưng việc vật chất từ ngôi sao chui vào hố đen không diễn ra ngay lập tức.

Có một giới hạn tốc độ nhất định, gây ra bởi áp lực bức xạ từ bên trong khí gas nóng, sẽ đối chọi lại vực lực hấp dẫn kéo vật chất vào của hố đen. Khi hố đen nuốt dần ngôi sao, kích cỡ của nó sẽ lớn lên. Nếu một hố đen có kích cỡ gấp 10 lần Mặt Trời đang hấp thụ đĩa bồi tụ ở tốc độ cao nhất có thể, trong khoảng 1 tỷ năm, khối lượng hố đen sẽ gấp 100 triệu lần Mặt Trời.

Niayesh Afshordi

Trợ lý giáo sư Vật lý thiên văn Lực hấp dẫn tại Ban Vật lý và Thiên văn tại Đại học Waterloo, cán bộ giảng dạy tại Khoa Vũ trụ học và Lực hấp dẫn tại Viện Vật lý Lý thuyết Perimeter.

Tôi tin rằng tốc độ “của bóng đêm” là vô tận! Trong vật lý cổ điển, không gian đen đúa có thể chỉ đơn giản là vùng chân không không có gì mà thôi. Tuy nhiên, cơ học lượng tử chỉ ra cho chúng ta rằng không có bóng tối tuyệt đối trong không gian. Ngay cả khi một khu vực không có ánh sáng cho phép ta quan sát nó, từ trường của hạt vật chất có thể xuất hiện bất kỳ lúc nào, dù chỉ trong một khoảnh khắc. Ngay cả sóng hấp dẫn, hiện tượng rung động tấm nền không thời gian mới được khám phá gần đây, cũng mang những dao động lượng tử này.

Vấn đề hóc búa nằm ở chỗ lực hấp dẫn của những rung động lượng tử này là vô tận. Nói một cách khác, ta chưa luận ra được học thuyết nào giải nghĩa được lực hấp dẫn lượng tử cả. Một trong những cách để tránh vướng mắc vấn đề này, là nếu “tốc độ bóng đêm” - tức là những rung động lượng tử - tới được mốc vô tận ở quy mô nhỏ và trong một thời gian ngắn.

Đó mới chỉ là một khả năng thôi, nhưng vẫn là cách đơn giản nhất (và cách tôi thích nhất) để hiểu được về big bang, hố đen, năng lượng tối và lực hấp dẫn lượng tử.

Mời bạn xem video do NASA làm để thấy tốc độ ánh sáng chậm chạp đến thế nào