Trong vũ trụ có thứ gì nhanh hơn ánh sáng?

Câu chuyện kéo dài hàng thế kỷ, từ thí nghiệm thất bại của Galileo cho đến những kiểm chứng hiện đại của Einstein, đã lý giải điều tưởng chừng bất khả thi.

Từ Galileo đến những phép đo đầu tiên về tốc độ ánh sáng

Trước thế kỷ 17, đa số học thuyết đều tin rằng ánh sáng lan truyền tức thì, hay tốc độ của nó là tuyệt đối. Tuy nhiên, Galileo Galilei trở thành người đầu tiên nghi ngờ giả thuyết này.

Năm 1638, ông cùng trợ lý thực hiện thí nghiệm trên 2 ngọn núi, sử dụng đèn lồng với mục tiêu đo khoảng trễ của ánh sáng. Dẫu vậy, sự chậm trễ quá nhỏ (ở mức micro-giây) khiến thiết bị và phản xạ con người thời bấy giờ không thể đo được tốc độ thực tế của ánh sáng. Dẫu thất bại, Galileo kết luận rằng ánh sáng, “nếu không tức thì, thì hẳn phải vô cùng nhanh”.

Trong vũ trụ có thứ gì nhanh hơn ánh sáng? - 2 — Thí nghiệm của Galileo giúp ông phát hiện ra rằng, tốc độ ánh sáng là hữu hạn, nhưng con số này là vô cùng lớn (Ảnh: Medium).

Chỉ vài thập kỷ sau, nhà thiên văn học Ole Römer đã đưa ra ước tính đầu tiên. Khi quan sát vệ tinh Io của sao Mộc, ông nhận thấy thời điểm Io đi vào và ra khỏi bóng của sao Mộc thay đổi theo vị trí Trái Đất trên quỹ đạo.

Sự sai lệch tích lũy hơn 10 phút này được Römer lý giải là do ánh sáng cần thêm thời gian để đi qua quãng đường xa hơn. Từ đó, ông ước tính vận tốc ánh sáng khoảng 214.000 km/giây, một kết quả mang tính cách mạng thời bấy giờ.

Đến năm 1849, nhà vật lý Hippolyte Fizeau đã lần đầu tiên đo trực tiếp vận tốc ánh sáng bằng bánh răng quay tốc độ cao kết hợp gương phản xạ đặt cách 8 km.

Khi bánh răng quay nhanh tới mức ánh sáng bị chặn bởi răng tiếp theo, Fizeau tính toán ra tốc độ khoảng 315.000 km/giây, sai số chưa tới 5% so với giá trị ngày nay. Đây là bước ngoặt đưa ánh sáng trở thành đối tượng nghiên cứu định lượng chứ không còn là giả thuyết.

Einstein và giới hạn tuyệt đối của vũ trụ

Câu hỏi lớn nhất vẫn còn: tại sao tốc độ ánh sáng lại là giới hạn cuối cùng? Đầu thế kỷ 20, Albert Einstein đã giải bài toán này bằng các học thuyết nổi tiếng.

Ông đặt vấn đề: nếu gắn đèn pin lên một tên lửa di chuyển với tốc độ cao, liệu ánh sáng phát ra có vượt quá ánh sáng trong điều kiện chân không? Câu trả lời bất ngờ là không, bởi thời gian và không gian không tuyệt đối.

Trong vũ trụ có thứ gì nhanh hơn ánh sáng? - 3 — Albert Einstein đã giải bài toán ánh sáng bằng học thuyết của mình (Ảnh: Getty).

Theo thuyết tương đối hẹp (1905), khi một vật chuyển động nhanh, khối lượng của nó tăng lên, đồng thời thời gian trôi chậm lại. Khi đạt tới vận tốc ánh sáng, thời gian sẽ dừng, khối lượng trở thành vô hạn và không thể gia tốc thêm. Điều đó khiến không hạt vật chất nào có thể vượt qua ánh sáng.

Các thí nghiệm sau này đã dần xác nhận lý thuyết của Einstein. Năm 1964, nhà nghiên cứu Bill Bertozzi tại MIT thực hiện gia tốc electron và phát hiện càng gần tốc độ ánh sáng, electron càng trở nên nặng đến mức không thể tăng tốc thêm.

Thập niên 1970, hai nhà vật lý Joseph Hafele và Richard Keating mang đồng hồ nguyên tử cesium lên máy bay bay vòng quanh thế giới. Khi trở về, các đồng hồ di chuyển chậm hơn so với đồng hồ chuẩn trong phòng thí nghiệm. Đây là minh chứng rõ ràng cho hiện tượng giãn nở thời gian.

Ngày nay, ngay cả hệ thống GPS trên vệ tinh cũng phải tính toán hiệu chỉnh thời gian theo thuyết tương đối. Nếu bỏ qua, sai số định vị có thể lên tới hàng km, khiến toàn bộ hệ thống máy móc hiện đại sụp đổ hoàn toàn.

Vận tốc ánh sáng vì thế không chỉ là một con số khô khan, mà là giới hạn cơ bản của tự nhiên, nền tảng của vật lý hiện đại và công nghệ.

Từ những thất bại của Galileo, bước tiến của Römer, sự khéo léo của Fizeau cho đến thiên tài của Einstein, câu chuyện về ánh sáng đã chứng minh một chân lý: trong vũ trụ này, không gì có thể vượt nhanh hơn ánh sáng.

Nguồn: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/trong-vu-tru-co-thu-gi-nhanh-hon-anh-sang-20250929072502675.htm