Người đầu tiên đo vận tốc ánh sáng là ai

Vận tốc ánh sáng là 229.729,458 mét mỗi giây, các nhà khoa học đã nỗ lực đo đạc trong suốt chiều dài lịch sử nhằm xóa bỏ những sai số để có được con số chính xác như ngày hôm nay ta thấy. Bài viết giới thiệu tốc độ ánh sáng và lịch sử cơ sở lý thuyết.

1. Vận tốc ánh sáng là bao nhiêu?

Vận tốc ánh sáng (hay tốc độ ánh sáng) trong chân không là 186.282 dặm mỗi giây, nói một cách chính xác là 299.729,458 mét mỗi giây. Mặc dù trong bầu khí quyển của Trái đất, tốc độ ánh sáng có giảm nhưng vẫn nhanh như trong chân không. Khi đi qua một viên kim cương, nó giảm tốc độ xuống dưới một nửa tốc độ ban đầu. Lúc này, tốc độ của nó là 124.000.000 m/s. Tốc độ ánh sáng được ký hiệu là “c”.

Về mặt lý thuyết không có gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Ánh sáng của Mặt trời mất 8 phút 17 giây để đi hết quãng đường tới Trái đất. Nếu một người có thể đi với tốc độ ánh sáng thì người ấy có thể đi quanh Trái đất 7,5 lần trong một giây hoặc lên mặt trăng trong khoảng 9 giây.

Các nhà khoa học ban đầu không thể cảm nhận được chuyển động của ánh sáng. Họ chỉ cho rằng nó phải truyền đi ngay lập tức. Tuy nhiên, theo thời gian, các phép đo chuyển động của các hạt giống như sóng này ngày càng chính xác hơn. Nhờ công trình của các nhà khoa học, giờ đây chúng ta hiểu tốc độ ánh sáng là một giới hạn.

Người đầu tiên đo vận tốc ánh sáng là ai
Vận tốc ánh sáng đã được con người quan tâm từ lâu

2. Lịch sử lý thuyết

Từ thời cổ đại các nhà khoa học và nhiều người khác đã muốn biết thêm về ánh sáng.

2.1. Những cơ sở ban đầu

Bài diễn thuyết đầu tiên được biết đến về vận tốc ánh sáng đến từ nhà triết học Hy Lạp cổ đại Aristotle. Ông đã đưa ra quan điểm bất đồng với một nhà khoa học Hy Lạp khác là Empedocles. Empedocles lập luận rằng bởi ánh sáng có thể di chuyển và nó phải mất thời gian để tới nơi. Còn Aristotle lại tin rằng ánh sáng truyền đi tức thì.

Năm 1667, nhà thiên văn học người Ý Galileo Galilei thực hiện một thí nghiệm. Trong đó có hai người đứng trên một ngọn đồi ở khoảng cách chưa đầy một dặm. Mỗi người cầm một chiếc đèn lồng được che chắn. Một người bắt đầu mở chiếc đèn lồng của mình để người kia nhìn thấy.

Đến lần thứ hai thử nghiệm khi ông quan sát thời gian phản ứng của người còn lại khi thấy ánh sáng. Cuối cùng Galileo cũng phát hiện ra tốc độ của ánh sáng. Thật không may, khoảng cách của Galileo quá nhỏ để có thể nhìn thấy sự khác biệt. Vì vậy ông chỉ có thể xác định rằng ánh sáng truyền đi nhanh hơn âm thanh ít nhất mười lần.

2.2. Đo được vận tốc ánh sáng

Vào những năm 1670, nhà thiên văn học Đan Mạch Ole Römer đã sử dụng nguyệt thực của Sao Mộc làm máy đo tốc độ ánh sáng thực đầu tiên. Trong vài tháng, khi mặt trăng (vệ tinh của sao Mộc) đi về phía sau hành tinh khí khổng lồ, Römer nhận thấy rằng nguyệt thực đến muộn hơn so với những tính toán dự đoán.

Từ đó, ông xác định rằng ánh sáng cần có thời gian để truyền từ mặt trăng đó đến Trái đất. Nguyệt thực trễ nhất khi sao Mộc và Trái đất ở xa nhau nhất. Và đúng lịch trình khi chúng ở gần nhau hơn.

Römer thuyết phục rằng ánh sáng lan truyền trong không gian với một vận tốc nhất định. Và đó là 125.000 dặm mỗi giây (200.000 km/s). Ông kết luận rằng ánh sáng mất từ ​​10 đến 11 phút để đi từ mặt trời đến Trái đất. Đây là một ước tính quá cao vì thực tế nó mất 8 phút 19 giây.

Năm 1728, nhà vật lý người Anh James Bradley dựa trên các tính toán của mình về sự thay đổi vị trí biểu kiến ​​của các ngôi sao do Trái đất di chuyển quanh mặt trời. Ông tính vận tốc ánh sáng là 185.000 dặm mỗi giây (301.000 km/s).

Albert Michelson sinh ra ở Phổ, lớn lên ở Hoa Kỳ, đã cố gắng sao chép phương pháp của Foucault vào năm 1879 nhưng sử dụng khoảng cách xa hơn, cũng như gương và thấu kính chất lượng cực cao. Kết quả thu được là 186.355 dặm mỗi giây (299.910 km/s). Con số này được chấp nhận như là việc đo lường chính xác nhất của vận tốc ánh sáng trong suốt 40 năm.

Nhà vật lý người Pháp Hippolyte Fizeau thiết lập một chùm ánh sáng trên một bánh xe có răng chuyển động nhanh. Cùng với một tấm gương cách đó 5 dặm để phản xạ ánh sáng trở lại. Thay đổi tốc độ của bánh xe cho phép Fizeau tính được thời gian mất bao lâu để ánh sáng đi ra khỏi lỗ, đến gương và quay trở lại qua khe. Một nhà vật lý người Pháp khác là Leon Foucault, đã sử dụng một gương quay thay vì một bánh xe.

Người đầu tiên đo vận tốc ánh sáng là ai
Albert Einstein đo được vận tốc ánh sáng

2.3. Vận tốc chính xác

Albert Michelson sinh ra ở Phổ, lớn lên ở Hoa Kỳ. Ông đã cố gắng sao chép phương pháp của Foucault vào năm 1879, nhưng sử dụng khoảng cách xa hơn, cũng như gương và thấu kính chất lượng cực cao. Kết quả thu được là 186.355 dặm mỗi giây (299.910 km/s). Con số này được chấp nhận như là việc đo lường chính xác nhất của vận tốc ánh sáng trong suốt 40 năm.

Nhà vật lý thiên văn Ethan Siegal viết trên blog khoa học Forbes, Starts With:

“Thí nghiệm – và công trình nghiên cứu của Michelson – mang tính cách mạng đến nỗi ông ấy trở thành người đoạt giải Nobel.”

3. Kết

Như vậy, ánh sáng đã được con người quan tâm từ rất lâu. Và có nhiều người nỗ lực tìm hiểu xem nó có thực sự di chuyển. Đã có những thí nghiệm nổi bật trong suốt chiều dài lịch sử để tìm ra vận tốc ánh sáng chính xác nhất cho đến ngày nay.

Bài chi tiết: Vận tốc ánh sáng

Năm 1676, nhà thiên văn Đan Mạch Römer ( 1644 - 1710 ) ở đài thiên văn Paris khi quan sát các sự che khuất của một trong các vệ tinh của sao Mộc đã nhận thấy rằng, các khoảng giữa hai lần che khuất liên tiếp ngắn hơn khi Trái Đất đến gần sao Mộc và dài hơn khi Trái Đất đi xa khỏi sao Mộc. Khoảng trung bình giữa hai lần che khuất tính sau 398 ngày đêm, nghĩa là sau thời gian để cho các vị trí tương đối như nhau của Trái Đất, Mặt Trời và sao Mộc được lặp lại, vẫn không đổi từ năm này sang năm khác. Römer giải thích điều đó là do ánh sáng lan truyền với vận tốc hữu hạn và khoảng cách mà ánh sáng đi qua thay đổi tùy thuộc vào vị trí của Trái Đất trên quỹ đạo của nó. Thời gian chậm trễ của sự che khuất tại vị trí thứ hai của Trái Đất so với lúc xảy ra sự che khuất đó tính từ sự quan sát tại vị trí thứ nhất bằng thời gian cần thiết để cho ánh sáng đi qua đường kính của quỹ đạo Trái Đất. Việc xác định thời gian đó cho phép ta tìm được vận tốc ánh sáng, vì đường kính quỹ đạo của Trái Đất đã biết. Römer đã thu được giá trị của vận tốc ánh sáng bằng c = 215000 k m / s {\displaystyle c=215000km/s} . Những phép đo hiện đại về vận tốc ánh sáng theo phương pháp của ông đã cho kết quả là c = 300870 k m / s {\displaystyle c=300870km/s} .

Phương pháp Bradley

Năm 1727, nhà thiên văn Bradley ( 1693 -1762 ) đã khám phá ra hiện tượng tinh sai, nội dung như sau : tất cả những tinh tú trong vòng một năm đều vẽ lên trong bầu trời những elip có bán trục lớn được quan sát thấy từ Trái Đất dưới góc φ = 20 , 5 ″ {\displaystyle \varphi =20,5''} . Hiện tượng này đã được giải thích bằng chuyển động của Trái Đất trên quỹ đạo quanh Mặt Trời với vận tốc v = 29 , 8 k m / s {\displaystyle v=29,8km/s} . Để quan sát ngôi sao từ Trái Đất chuyển động , cần phải hướng ống kính thiên văn về phía trước theo phương chuyển động. Thực vậy, sau thời gian ánh sáng đi qua ống, thị kính cùng với Trái Đất đã chuyển động về phía trước. Hiển nhiên rằng : tan ⁡ φ = v c {\displaystyle \tan \varphi ={\tfrac {v}{c}}} , suy ra c = 299839 k m / s {\displaystyle c=299839km/s}

Phương pháp Fizeau

Năm 1849, A.Fizeau ( 1819 - 1896 ) lần đầu tiên đã xác định được vận tốc ánh sáng bằng cách dùng nguồn sáng trên mặt đất trong các điều kiện của phòng thí nghiệm. Ánh sáng từ nguồn S {\displaystyle S} chiếu trên bản A {\displaystyle A} bán trong suốt, phản xạ một phần trên nó, đi qua giữa các răng của bánh xe răng cưa B {\displaystyle B} đến gương C {\displaystyle C} , sau khi phản xạ trên gương này ánh sáng lại đi qua giữa các răng và một phần của nó đi qua bản sẽ được quan sát trong thị kính D {\displaystyle D} . Ứng với tần số quay ν 1 {\displaystyle \nu _{1}} nào đó của bánh xe, người quan sát thôi không thấy ánh sáng nữa, rồi ứng với tần số ν 2 {\displaystyle \nu _{2}} lớn người đó lại thấy ánh sáng. Rõ ràng là sau thời gian ánh sáng đi được đoạn B C {\displaystyle BC} rồi lại trở về, thì ứng với tần số ν 1 {\displaystyle \nu _{1}} luồng sáng phát đi từ khe giữa hai răng khi trở về, lại chạm phải một răng, còn ứng với tần số ν 2 {\displaystyle \nu _{2}} , luồng sáng phát đi ( từ khe giữa hai răng ) khi trở về lại gặp luồng sáng bên cạnh ( từ khe cạnh khe trước ). Nếu n {\displaystyle n} là số các răng của bánh xe và l = B C {\displaystyle l=BC} , thì vận tốc ánh sáng : c = 2 l 1 2 n ν 1 = 2 l 1 n ν 2 {\displaystyle c={\tfrac {2l}{\tfrac {1}{2n\nu _{1}}}}={\tfrac {2l}{\tfrac {1}{n\nu _{2}}}}} . Fizeau đã thu được kết quả : c = 315000 k m / s {\displaystyle c=315000km/s} .

Phương pháp Foucault

Phương pháp của Léon Foucault ( 1819 - 1868 ) thực hiện năm 1862 dựa trên ý kiến đề xuất của Arago vào năm 1838. Sơ đồ thí nghiệm như sau : Ánh sáng đi từ nguồn S {\displaystyle S} được hướng về gương quay A {\displaystyle A} nhờ một thấu kính, nó phản xạ trên gương đó theo hướng về gương cầu lõm thứ hai B {\displaystyle B} có tâm nằm trên trục quay, rồi phản xạ trở lại về gương A {\displaystyle A} . Sau khi phản xạ trên gương A {\displaystyle A} , ánh sáng được được quan sát bằng cách dùng bản D {\displaystyle D} bán trong suốt qua thị kính. Sau thời gian τ {\displaystyle \tau } ánh sáng đi qua khoảng cách A B {\displaystyle AB} hai lần. Cũng trong thời gian đó gương A {\displaystyle A} quay với tần số quay đã biết sẽ quay đi một góc, mà ta có thể dễ dàng xác định được dựa theo sự dịch chuyển của chấm sáng trong thị kính so với chấm sáng từ gương đứng yên. Phương pháp Foucault đã cho phép tiến hành phép đo vận tốc ánh sáng ở trong nước sau khi đã rút khoảng cách A B {\displaystyle AB} đến 4 m {\displaystyle 4m} . Người ta thấy rằng, phù hợp với thuyết sóng của ánh sáng, vận tốc ánh sáng trong nước nhỏ hơn trong không khí.

Phương pháp Michelson

Năm 1926 nhà vật lý Mỹ Albert Abraham Michelson ( 1852 - 1931 ), sau khi cải biên phương pháp Foucault đã xác định được vận tốc ánh sáng rất chính xác, Trong thí nghiệm của Michelson, gương quay là một lăng trụ bằng thép có tám mặt. Ánh sáng đi được một đoạn đường toàn phần trong khoảng thời gian lăng trụ quay được một góc nhỏ hơn, ánh sáng phản xạ từ lăng trụ sẽ không được quan sát thấy ở trong ống của thị kính.

Phương pháp Bergstrand

Năm 1949, Bergstrand đã thu được giá trị cực kì chính xác của ánh sáng bằng cách dùng hiện tượng Kerr. Chùm sáng có cường độ thay đổi và tần số 8 , 3.10 6 H z {\displaystyle 8,3.10^{6}Hz} nhờ ở cái ngắt Kerr K {\displaystyle K} lan truyền từ nguồn S {\displaystyle S} đến gương B {\displaystyle B} , sau khi phản xạ trên gương này nó được gương C {\displaystyle C} tụ tiêu trên tế bào quang điện F {\displaystyle F} . Độ nhạy của tế bào này tự động thay đổi với cùng tần số như cường độ của chùm tia sáng. Dòng quang điện trung bình phụ thuộc vào hiệu số pha giữa các dao động của cường độ sáng và các dao động của độ nhạy tế bào quang điện, nhưng hiệu số pha này phụ thuộc vào đoạn đường đi được của ánh sáng, nghĩa là phụ thuộc vào vị trí của gương B {\displaystyle B} . Nếu ứng với một vị trí nào đó của gương, dòng quang điện cực đại, thì hiệu số pha bằng không. Khi đưa gương B {\displaystyle B} ra xa khỏi nguồn sáng, dòng quang điện trung bình đầu tiên giảm, sau đó lại đạt tới giá trị cực đại. Nếu độ dịch chuyển của gương B {\displaystyle B} trong trường hợp này là x {\displaystyle x} , thì ánh sáng đi được đoạn đường 2 x {\displaystyle 2x} trong khoảng thời gian bằng một chu kì dao động của cường độ của nó. Việc ứng dụng sơ đồ điện đặc biệt với việc dùng phương pháp số không, là phương pháp cho phép ấn định các cực đại và cực tiểu của dòng quang điện theo chỉ số không của điện kế nhạy, đã nâng độ chính xác của phương pháp Bergstrand lên rất nhiều.

Các kết quả của những thí nghiệm xác định vận tốc ánh sáng bằng các phương pháp khác nhau được nêu trong bảng :

Người nghiên cứuNăm tiến hành thí nghiệmVận tốc ánh sáng tính ra km/sSai số cực đại tính ra km/s
Romer16763008702700
Bradley1727299640750
Fiseau1849315000_
Foucault18622980002200
Cornu (theo phương pháp Fiseau)1876300000300
Perroten (theo phương pháp Fiseau )190229987050
Michelson190229989060
Michelson192629979618
Bergstrand1949299792,71,1
Giá trị hiện đại1958299792,50,4