Tại sao phát hiện ra vận tốc của ánh sáng lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?


Vào thời gian cuối thế kỷ XIX, phát hiện ra vận tốc chính xác của ánh sáng chưa thực sự có tầm quan trọng bởi vì những con số đó chỉ dành cho các nhà thiên văn học. Đơn vị đo khoảng cách trong vũ trụ là năm ánh sáng, tức là khoảng cách truyền đi của ánh sáng trong thời gian một năm. Do vận tốc ánh sáng đo được chỉ là những con số gần đúng nên các nhà khoa học đành chấp nhận sự sai lệch trong kết quả đó là 5% thậm chí 10%.


Albert Einstein đã sáng lập ra phương trình nổi tiếng E = mc2, từ đó vận tốc ánh sáng (c) có ý nghĩa rất quan trọng đối với các tính toán, việc tính chính xác được vận tốc ánh sáng trở nên vô cùng cần thiết. Vận tốc ánh sáng đã trở thành một trong hai hằng số quan trọng nhất trong toàn lĩnh vực vật lý. Khi đó vận tốc ánh sáng chỉ sai số 1% thậm chí 0,1% thôi cũng đã là lớn lắm rồi, sai số đó lớn đến nỗi người ta không thể nào chấp nhận nổi.


Thế nhưng tốc độ ánh sáng quá nhanh nên không có thiết bị đo đạc nào có thể đo kịp. Albert Michelson đã phát minh ra sáu bộ thiết bị chính xác, ông mất tới 50 năm thí nghiệm. Thiết bị này có thể đo chính xác được tốc độ của ánh sáng. Do cống hiến của phát hiện này, Michelson đã trở thành nhà vật lý Mỹ đầu tiên nhận được giải thưởng Nobel.


Vận tốc của ánh sáng đã được đo như thế nào?


Phát minh ra kính viễn vọng của Galileo đã chứng minh các hành tinh khác cũng có vệ tinh, thì việc tính toán ra được vận tốc ánh sáng cũng phải nhờ đến những kỹ thuật và trang thiết bị hiện đại.


Năm 1928, Albert Michelson khi đó đã 74 tuổi nhưng vẫn miệt mài làm thí nghiệm cuối cùng với mục đích đo được tốc độ ánh sáng và đạt được số tuyệt đối c trong phương trình của Einstein. Trong suốt 50 năm, ông đã tự bỏ tiền ra và tiến hành độc lập 12 lần thí nghiệm. Trong lần thí nghiệm cuối cùng này, Michelson quyết định sẽ đo được tốc độ ánh sáng với sai số là 0,001%, mức độ sai số này hoàn toàn có thể đáp ứng những tính toán cần thiết của vật lý hạt nhân.


Bốn năm trước đó, Michelson đã tìm đến sự giúp đỡ của tác giả chế tạo ra con quay hồi chuyển - Elmer Sperry với hy vọng Sperry có thể cải tiến máy đo để đáp ứng được nhu cầu đo tính. Năm 1928, sau ba lần liên tiến hành cải tiến kỹ thuật, Sperry đã cho ra đời một lăng kính bát giác. Cơ sở làm thí nghiệm của Michelson đặt ở núi Baldy thuộc California, lăng kính được đóng trong một thùng gỗ dày và được vận chuyển qua những đoạn đường khúc khuỷu lên đến đỉnh núi.


Michelson thiết kế một thí nghiệm rất đơn giản: ông dùng một chiếc môtơ (cũng do Sperry phát minh ra) để khởi động tám góc của lăng kính làm cho lăng kính xoay với tốc độ cao sau đó ông chiếu tia sáng vào lăng kính. Ở một số điểm khi lăng kính quay đến, vận tốc ánh sáng sẽ được phản chiếu lên một gương cầu cố định trên bức tường phía sau phòng thí nghiệm. Lăng kính quay này chỉ cần một khoảng thời gian chưa đầy một phút là có thể phản chiếu được ánh sáng về phía tấm gương cầu và nó lại tiếp tục quay.


Theo đó, gương cầu sẽ nhận được những mạch xung ánh sáng ngắn từ mỗi mặt của lăng kính. Mỗi mạch xung này sẽ phản chiếu qua một thấu kính hội tụ, đi xuyên qua hốc trên tường và truyền đến núi San Antonio cách đó 22 dặm. Ở đó mạch xung lại tiếp tục phản chiếu qua thấu kính hội tụ thêm một lần nữa và phản hồi thẳng về núi Baldy qua gương cầu. Tại Baldy, mạch xung tiếp tục chiếu lên trên gương cầu phía sau tường và cuối cùng sẽ phản xạ lên trên lăng kính quay.


Mỗi mạch xung ánh sáng chỉ mất có 1/4.000 giây là có thể hoàn thành quãng đường dài 44 dặm, cho dù trong thời gian ngắn ngủi này lăng kính quay đã kịp chuyển động khi mạch xung ánh sáng quay trở lại từ núi Antonio. Tia sáng phản hồi sẽ phản chiếu xuống gương quay và được bắn lên một điểm trên bức tường nhà kho. Dựa vào góc tạo thành giữa lăng kính và điểm trên tường này. Michelson có thể tính ra được lăng kính đã quay được bao xa trong khi mạch xung ánh sáng thực hiện một lộ trình 44 dặm. Và điều đó sẽ cho chúng ta biết vận tốc của ánh sáng là bao nhiêu.


Mặc dù quá trình xem ra có vẻ đơn giản nhưng Michelson phải mất rất nhiều năm nỗ lực mới có thể cải thiện được các thiết bị làm thí nghiệm. Sperry đã tạo ra một loại ánh sáng có khả năng duy trì liên tục suốt 44 dặm, ông còn chế tạo ra một động cơ có độ chính xác cao hơn, do đó mà Michelson có thể biết được tốc độ chuyển động của lăng kính bát giác.


Sperry còn chế tạo ra một chiếc thấu kính hội tụ với độ phẳng nhẵn cao và một lăng kính quay chắc chắn, lăng kính quay này không hề bị rung hay biến dạng khi quay với tốc độ cực cao.


Michelson khởi động môtơ và đèn chiếu, dòng ánh sáng lập tức phóng đến núi San Antonio rồi lại quay về chỉ trong tích tắc. Tia sáng sau khi phản xạ qua lăng kính lập tức bắn về phía bức tường ở cự li xa.


Michelson đã căn cứ vào tốc độ động của lăng kính và điểm đến của tia sáng trên tường để tính ra vận tốc ánh sáng là 186.284 dặm/giây (299.795.612 km/giây), chỉ ít hơn 2 dặm/giờ so với những tính toán khoa học hiện đại, tức là sai số của nó chưa đến 0,001%.


Phát hiện này ra đời đã giúp các nhà khoa học trong các lĩnh vực vật lý, vật lý hạt nhân và vật lý năng lượng cao có cơ sở để tiến hành tính toán và tìm ra năng lượng hạt nhân và vũ khí hạt nhân.

schoolnet@