Tốc độ ánh sáng

Ở một nơi đó trong không gian ngoài kia, cách Trái Đất hàng tỉ năm ánh sáng, ánh sáng nguyên thủy liên quan tới Vụ nổ Lớn của vũ trụ đang chiếu sáng những vùng đất mới khi nó tiếp tục truyền đi ra xa. Trái ngược lại hoàn toàn, một dạng khác của bức xạ điện từ phát sinh trên Trái Đất, các sóng vô tuyến phát đi từ một chương trình truyền hình nào đó cũng đang lan truyền ra không gian sâu thẳm ngoài kia, mặc dù cường độ của nó yếu hơn nhiều.

Khái niệm cơ bản ẩn sau cả hai sự kiện trên có liên quan tới tốc độ của ánh sáng (và tất cả những dạng khác của bức xạ điện từ), đã được các nhà khoa học xác định một cách kĩ lưỡng, và ngày nay được biểu diễn dưới dạng một giá trị không đổi có mặt trong các phương trình với kí hiệu c. Không hẳn là một hằng số, đúng hơn là tốc độ cực đại trong chân không, tốc độ của ánh sáng, gần 300.000 km/giây, có thể điều chỉnh bằng cách làm thay đổi môi trường hoặc với sự giao thoa lượng tử.

Ánh sáng truyền trong một chất, hay môi trường, đồng chất theo đường thẳng, với tốc độ gần như không đổi, trừ khi nó bị khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ hoặc bị nhiễu loạn theo một số cách khác. Thực tế khoa học đã được hiểu rõ này không phải là sản phẩm của kỉ nguyên Nguyên tử hay thời kì Phục hưng, mà đã được xúc tiến khởi đầu bởi nhà bác học Hi Lạp cổ đại, Euclid, khoảng 350 năm trước Công nguyên, trong chuyên luận mang tính bước ngoặc của ông, Optica. Tuy nhiên, cường độ của ánh sáng (và các bức xạ điện từ khác) tỉ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách truyền đi. Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi được hai lần một khoảng cách cho trước thì cường độ của nó giảm đi bốn lần.

Khi ánh sáng truyền trong không khí đi vào một môi trường khác, chẳng hạn như thủy tinh hoặc nước, tốc độ và bước sóng của ánh sáng giảm đi (xem hình 2), mặc dù tần số vẫn giữ nguyên không đổi. Ánh sáng truyền đi xấp xỉ 300.000 km trên giây trong chân không, môi trường có chiết suất bằng 1,0, nhưng vận tốc sẽ giảm xuống còn 225.000 km/giây trong nước (chiết suất 1,3, xem hình 2), và 200.000 km/giây trong thủy tinh (chiết suất 1,5). Trong kim cương, với chiết hơi cao 2,4, tốc độ của ánh sáng giảm đi khá nhiều (125.000 km/giây), chỉ còn khoảng 60% tốc độ của nó trong chân không.

Do hành trình khổng lồ mà ánh sáng truyền đi trong không gian bên ngoài giữa các thiên hà (xem hình 1) và bên trong Dải Ngân hà, nên sự giãn nở của các sao có thể đo được không chỉ bằng km, mà còn bằng năm ánh sáng, quãng đường mà ánh sáng đi được trong một năm. Một năm ánh sáng bằng 9,5 nghìn tỉ km, hoặc khoảng 5,9 nghìn tỉ dặm. Khoảng cách từ Trái Đất tới ngôi sao gần nhất ngoài hệ Mặt Trời của chúng ta, Proxima Centauri, xấp xỉ 4,24 năm ánh sáng. Có thể so sánh như thế này, Dải Ngân hà có đường kính ước tính chừng 150.000 năm ánh sáng, và khoảng cách đến thiên hà Andromeda là chừng 2,21 triệu năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là ánh sáng rời thiên hà Andromeda 2,21 triệu năm về trước mới tới được Trái Đất, trừ khi trên đường đi nó đã chạm phải các thiên thể phản xạ hoặc các mảnh vỡ khúc xạ.

Khi các nhà thiên văn ngắm nhìn bầu trời đêm là lúc họ đang quan sát một hỗn hợp thời gian thực, quá khứ đã qua, và lịch sử thời cổ đại. Ví dụ, trong thời kì mà các nhà tiên phong người Babilon, các nhà chiêm tinh người A Rập, các nhà thiên văn Hi Lạp mô tả các chòm sao, thì Scorpius (Scorpio đối với các nhà chiêm tinh học) vẫn có hình dạng con bọ cạp. Sao đuôi và các sao khác trong chòm sao này đã xuất hiện dưới dạng sao siêu mới trên bầu trời khoảng giữa năm 500 và 1000 trước Công nguyên, nhưng không còn nhìn thấy nữa đối với các nhà nghiên cứu ngày nay. Mặc dù một số sao quan sát thấy trên bầu trời đêm trên Trái Đất đã chết từ lâu, nhưng sóng ánh sáng mang hình ảnh của chúng vẫn còn chạm tới mắt người và kính viễn vọng. Trong thực tế, ánh sáng từ sự hủy diệt của chúng (và bóng tối của sự vắng mặt của chúng) chưa đi hết khoảng cách khổng lồ trong không gian sâu thẳm vì chưa đủ thời gian.

Empedocles thuộc vùng Acragas, người sống vào khoảng năm 450 trước Công nguyên, là một trong những triết gia đầu tiên được ghi nhận đã nhận định rằng ánh sáng truyền đi với một vận tốc giới hạn. Gần một thiên niên kỉ sau này, khoảng chừng năm 525 sau Công nguyên, nhà bác học và nhà toán học người La Mã Anicius Boethius đã thử dẫn chứng bằng tài liệu tốc độ của ánh sáng, nhưng sau khi bị buộc tội phản quốc và làm ma thuật, ông đã bị chém đầu vì nỗ lực mang tính khoa học của mình. Kể từ những ứng dụng sớm nhất của loại bột đen dùng làm pháo hoa và tín hiệu bởi người Trung Hoa, người ta đã tự hỏi về tốc độ của ánh sáng. Với lóe sáng và màu sắc trước khi có tiếng nổ chừng vài giây, nó không đòi hỏi phải có một tính toán gì ghê gớm để nhận ra rằng tốc độ của ánh sáng hiển nhiên vượt quá tốc độ của âm thanh.

Bí mật ẩn sau các vụ nổ của người Trung Hoa đã dẫn đường cho họ tới phương Tây trong giữa thế kỉ 19, và cùng với họ, đã mang theo những nghi vấn về tốc độ của ánh sáng. Trước thời gian này, các nhà nghiên cứu phải xem lóe sáng của tia chớp theo sau là tiếng sấm rền, thường xuất hiện trong những đám mưa to sấm dữ, nhưng không đưa ra được bất cứ lời giải thích khoa học nào hợp lí về sự chậm trễ đó. Nhà bác học người A Rập Alhazen là nhà khoa học nghiên cứu quang học nghiêm túc đầu tiên cho rằng (vào khoảng năm 1000 sau Công nguyên) ánh sáng có một tốc độ hữu hạn, và vào năm 1250, nhà quang học tiên phong người Anh Roger Bacon đã viết rằng tốc độ của ánh sáng là hữu hạn, mặc dù rất nhanh. Tuy nhiên, đa số các nhà khoa học trong thời kì này vẫn giữ quan điểm cho rằng tốc độ của ánh sáng là vô hạn và không thể nào đo được.

Năm 1572, nhà thiên văn học nổi tiếng người Đan Mạch Tycho Brahe là người đầu tiên mô tả sao siêu mới, xuất hiện trong chòm sao Cassiopeia. Sau khi quan sát một “ngôi sao mới” đột ngột xuất hiện trên nền trời, cường độ sáng của nó giảm dần, và rồi biến mất dần khỏi tầm nhìn trong thời gian 18 tháng, nhà thiên văn cảm thấy bối rối, nhưng lại kích thích trí tò mò. Những quan trắc các thiên thể mới lạ này khiến cho Brahe và những người đương thời với ông đi tới chỗ nghi vấn về khái niệm phổ biến cho rằng vũ trụ hoàn hảo và không thay đổi có tốc độ ánh sáng vô hạn. Niềm tin cho rằng ánh sáng có tốc độ vô hạn khó bị thay thế, mặc dù một vài nhà khoa học đã bắt đầu nghi vấn về tốc độ của ánh sáng vào thế kỉ thứ 16. Mãi tới năm 1604, nhà vật lí người Đức Johannes Kepler chứng minh rằng tốc độ của ánh sáng là tức thời. Ông bổ sung thêm ghi chú cho công trình công bố của ông rằng khoảng chân không trống rỗng không hề làm chậm tốc độ của ánh sáng, làm cản trở, với một mức độ hữu hạn, cuộc truy tìm của những người đương thời của ông tìm kiếm chất ête được cho là lấp đầy không gian và đã mang ánh sáng đi.

Không lâu sau khi phát minh và một số cải tiến tương đối thô đối với kính thiên văn, nhà thiên văn người Đan Mạch Ole Roemer (năm 1676) là nhà khoa học đầu tiên thực hiện một cố gắng nghiêm khắc để ước tính tốc độ của ánh sáng. Bằng cách nghiên cứu vệ tinh Io của sao Mộc và những che khuất thường xuyên của nó, Roemer có thể tiên đoán được tính tuần hoàn của chu kì che khuất đối với vệ tinh này  (hình 3). Tuy nhiên, sau một vài tháng, ông lưu ý rằng những tiên đoán của ông trở nên kém chính xác trước những khoảng thời gian tương đối lâu, tiến tới sai số cực đại khoảng 22 phút (một sự chênh lệch tương đối lớn, nhất là khi xem xét quãng đường mà ánh sáng đi được trong khoảng thời gian này). Rồi sau đó, đúng là kì quặc, những tiên đoán của ông lại trở nên chính xác hơn trong một vài tháng, với chu kì tự lặp lại. Làm việc tại Đài quan sát Paris, Roemer sớm nhận ra rằng những sai lệch quan sát thấy là do sự thay đổi khoảng cách giữa Trái Đất và sao Mộc, do quỹ đạo của các hành tinh này. Khi sao Mộc đi xa khỏi Trái Đất, ánh sáng phải truyền một khoảng cách xa hơn, nên cần nhiều thời gian hơn để tới được Trái Đất. Áp dụng những tính toán tương đối không chính xác cho khoảng cách giữa Trái Đất và sao Mộc được biết vào thời kì đó, Roemer có thể ước tính tốc độ của ánh sáng chừng 137.000 nghìn dặm (hoặc 220.000 km) trên giây. Hình 3 minh họa mô phỏng hình vẽ nguyên thủy của Roemer phác họa phương pháp của ông dùng để xác định tốc độ ánh sáng.

Công trình của Roemer làm xôn xao cộng đồng khoa học, và nhiều nhà nghiên cứu bắt đầu xem xét lại các luận cứ của họ về tốc độ vô hạn của ánh sáng. Chẳng hạn, ngài Isaac Newton đã viết trong một chuyên luận mang tính bước ngoặc của ông vào năm 1687, Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica (Các nguyên lí toán học của triết học tự nhiên), “Bây giờ có thể khẳng định từ hiện tượng các vệ tinh của Mộc tinh, được xác nhận bởi quan trắc của các nhà thiên văn khác, rằng ánh sáng truyền đi liên tục và cần khoảng 7 hoặc 8 phút để truyền từ Mặt Trời tới Trái Đất”, đây thật sự là một ước tính rất gần với tốc độ chính xác của ánh sáng. Quan điểm đáng kính và danh tiếng rộng rãi của Newton là phương tiện để khởi động cuộc cách mạng khoa học, và giúp khởi xướng các nghiên cứu mới bởi các nhà khoa học tán thành rằng tốc độ của ánh sáng là hữu hạn.

Người tiếp theo mang tới một ước tính hữu ích cho tốc độ của ánh sáng là nhà vật lí người Anh James Bradley. Năm 1728, một năm sau khi Newton qua đời, Bradley đã ước tính tốc độ ánh sáng trong chân không xấp xỉ 301.000 km/giây, sử dụng phương pháp quang sai của các sao. Những hiện tượng này là hiển nhiên bởi các thay đổi biểu kiến vị trí của các sao do chuyển động của Trái Đất xung quanh Mặt Trời. Mức độ quang sai của các sao có thể xác định từ tỉ số của tốc độ quỹ đạo của Trái Đất và tốc độ của ánh sáng. Bằng cách đo góc quang sai sao và áp dụng dữ liệu về tốc độ quỹ đạo của Trái Đất, Bradley có thể đi tới một ước tính đặc biệt chính xác.

Năm 1834, Charles Wheatstones, nhà nghiên cứu kính vạn hoa và là nhà tiên phong trong khoa âm học, đã thử đo tốc độ của dòng điện. Wheatstones phát minh ra một dụng cụ sử dụng gương xoay và sự phóng điện qua chai Leyden để làm phát ra và đo thời gian chuyển động của tia lửa điện qua gần như tám dặm dây dẫn. Thật không may, các tính toán của ông (và có lẽ là do dụng cụ của ông) có sai sót nên Wheatstones đã ước tính vận tốc của dòng điện là 288.000 dặm/giây, một sai lầm dẫn ông tới chỗ tin rằng dòng điện truyền nhanh hơn ánh sáng. Nghiên cứu của Wheatstones sau này được mở rộng bởi nhà khoa học người Pháp Dominique Francis Jean Arago. Mặc dù thất bại khi cố gắng hoàn thành công trình của mình trước khi bị hỏng thị lực vào năm 1850, nhưng Arago đã nhận định đúng đắn rằng ánh sáng truyền trong nước chậm hơn so với trong không khí.

Trong khi đó, ở Pháp, các nhà khoa học kình địch nhau là Armand Fizeau và Jean-Bernard-Leon Foucault độc lập nhau đã cố gắng đo tốc độ ánh sáng, không dựa trên các sự kiện thiên thể, mà khai thác những thuận lợi của khám phá của Arago và mở rộng thiết kế gương xoay của Wheatstones. Năm 1849, Fizeau chế tạo được một dụng cụ làm lóe ra một chùm ánh sáng qua một bánh xe răng cưa (thay cho gương xoay) và rồi đi tới một gương cố định đặt cách đấy 5,5 dặm. Bằng cách quay bánh xe ở tốc độ nhanh, ông có thể lái chùm tia qua khe nằm giữa hai răng cưa trên hành trình đi ra xa và bắt lấy tia phản xạ trong khe lân cận trên hành trình quay trở lại. Với tốc độ quay của bánh xe và khoảng cách truyền bởi xung ánh sáng đã biết, Fizeau có thể tính được tốc độ ánh sáng. Ông cũng phát hiện thấy ánh sáng truyền trong không khí nhanh hơn trong nước (xác nhận giả thuyết của Arago), một thực tế mà người đồng hương là Foucault sau đó đã xác minh được bằng thực nghiệm.

Foucault dùng một gương xoay nhanh điều khiển bằng tuabin khí nén để đo tốc độ ánh sáng. Trong thiết bị của ông (xem hình 4), một chùm ánh sáng hẹp truyền qua một kẽ hở và rồi truyền qua một cửa sổ thủy tinh (đóng vai trò bộ tách chùm tia) có mặt chia độ tinh vi trước khi chạm tới gương đang xoay nhanh. Ánh sáng phản xạ từ gương xoay hướng qua một bộ gương cố định theo đường zigzag để tăng chiều dài đường đi của thiết bị lên khoảng 20m mà không phải tăng tương ứng kích thước của dụng cụ. Trong khoảng thời gian cần thiết để ánh sáng phản xạ qua dãy gương và quay trở lại gương xoay, một sự lệch nhỏ của vị trí gương xoay đã xảy ra. Rồi sau đó, ánh sáng phản xạ từ vị trí bị lệch của gương xoay đi theo một hành trình mới trở lại nguồn phát và đi vào kính hiển vi gắn trên thiết bị. Sự lệch nhỏ của ánh sáng có thể nhìn thấy qua kính hiển vi và ghi lại. Bằng việc phân tích dữ liệu thu thập từ thí nghiệm của ông, Foucault có thể tính được tốc độ ánh sáng là 298.000 km/giây (xấp xỉ 185.000 dặm/giây).

Đường đi của ánh sáng trong dụng cụ của Foucault đủ ngắn để dùng trong các phép đo tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác ngoài không khí. Ông phát hiện thấy tốc độ ánh sáng trong nước hoặc trong thủy tinh chỉ khoảng 2/3 giá trị của nó trong không khí, và ông cũng kết luận rằng tốc độ ánh sáng qua một môi trường cho trước tỉ lệ nghịch với chiết suất. Kết quả đáng chú ý này phù hợp với những tiên đoán về hành trạng ánh sáng đã được phát triển hàng trăm năm trước đó từ lí thuyết sóng của sự truyền ánh sáng.

Dưới sự chỉ dẫn của Foucault, nhà vật lí người Mĩ gốc Ba Lan tên là Albert M. Michelson đã nỗ lực gia tăng độ chính xác của phương pháp đó, và đã thành công trong việc đo tốc độ ánh sáng vào năm 1878 với mẫu thiết bị phức tạp hơn đặt dọc theo bức tường dài 2000 foot nằm trên đôi bờ sông Severn ở Maryland. Đầu tư các thấu kính và gương chất lượng cao để hội tụ và phản xạ chùm ánh sáng trên quãng đường dài hơn nhiều so với trong thí nghiệm của Foucault, Michelson tính được kết quả cuối cùng là 186.355 dặm/giây (299.909 km/giây), cho phép sai số trong khoảng 30 dặm/giây. Do độ phức tạp tăng lên trong thiết kế thí nghiệm của ông, nên độ chính xác của phương pháp Michelson cũng cao gấp hơn 20 lần so với phương pháp của Foucault.

Vào cuối những năm 1800, đa số các nhà khoa học vẫn tin rằng ánh sáng truyền qua không gian bằng một môi trường trung chuyển gọi là ête. Michelson đã hợp sức với nhà khoa học Edward Morley vào năm 1887 nghĩ ra một phương pháp thực nghiệm tìm kiếm ête bằng cách quan sát sự thay đổi tương đối tốc độ của ánh sáng khi Trái Đất hoàn thành vòng quay của nó xung quanh Mặt Trời. Để thực hiện mục tiêu này, họ đã thiết kế một chiếc giao thoa kế tách một chùm ánh sáng và lại gửi mỗi chùm tia đi theo hai đường khác nhau, mỗi đường dài 10m, bằng một dãy gương bố trí phức tạp. Michelson và Morley giải thích rằng nếu như Trái Đất chuyển động qua môi trường ête thì chùm tia phản xạ tới lui vuông góc với dòng ête sẽ phải truyền đi xa hơn so với chùm tia phản xạ song song với dòng ête. Kết quả sẽ là sự trễ ở một trong hai chùm tia có thể phát hiện khi hai chùm tia tái kết hợp qua hiện tượng giao thoa.

Thiết bị thí nghiệm do Michelson và Morley xây dựng thật khổng lồ (hình 5). Đặt trên một phiến đá đang quay từ từ rộng khoảng 5 feet vuông và dày 14 inch, thiết bị được bảo vệ thêm bởi một hồ thủy ngân bên dưới đóng vai trò bộ giảm sốc không có ma sát để loại bỏ các dao động ảnh hưởng từ phía Trái Đất. Một khi phiến đá được đưa vào chuyển động, thu được tốc độ lớn nhất là 10 vòng/giờ, mất tới hàng giờ mới có tạm dừng lần nữa. Ánh sáng truyền qua bộ tách chùm, và phản xạ bởi hệ thống gương, được xác định với một chiếc kính hiển vi quan sát vân giao thoa, nhưng cả hai nhà khoa học đều không quan sát thấy gì. Tuy nhiên, Michelson đã sử dụng giao thoa kế của ông để xác định chính xác tốc độ của ánh sáng là 186.320 dặm/giây (299.853 km/giây), một giá trị vẫn được xem là chuẩn trong vòng 25 năm tiếp sau đó. Thất bại trong việc phát hiện sự thay đổi tốc độ ánh sáng bởi thí nghiệm Michelson-Morley đã đặt dấu chấm hết cho cuộc tranh luận về ête, cuối cùng đã đưa tới lí thuyết của Albert Einstein vào đầu thế kỉ 20.

Năm 1905, Einstein công bố thuyết tương đối đặc biệt của ông, sau đó là thuyết tương đối tổng quát vào năm 1915. Lí thuyết thứ nhất đề cập tới sự chuyển động của các vật thể ở vận tốc không đổi tương đối với nhau, còn lí thuyết thứ hai tập trung vào gia tốc và mối liên hệ của nó với hấp dẫn. Do chúng thách thức những giả thuyết đã tồn tại từ lâu, ví dụ như các định luật chuyển động của Isaac Newton, nên lí thuyết của Einstein là một lực lượng cách mạng trong vật lí học. Ý tưởng về tính tương đối thể hiện qua khái niệm cho rằng vận tốc của một vật chỉ có thể được xác định tương đối với vị trí của nhà quan sát. Lấy ví dụ, một người đàn ông đang đi bên trong một chiếc máy bay dân dụng cỡ lớn có vẻ đang đi ở tốc độ khoảng 1 dặm/giờ đối với hệ quy chiếu là chiếc máy bay (còn chính chiếc máy bay đang chuyển động với vận tốc 600 dặm/giờ). Tuy nhiên, đối với một nhà quan sát ở mặt đất, người đàn ông đó đang chuyển động ở vận tốc 601 dặm/giờ.

Einstein đã giả sử trong các tính toán của ông rằng tốc độ của ánh sáng truyền giữa hai hệ quy chiếu vẫn giữ nguyên không đổi đối với các nhà quan sát ở cả hai nơi. Do nhà quan sát ở hệ quy chiếu này sử dụng ánh sáng để xác định vị trí và vận tốc của các vật trong hệ quy chiếu kia, nên điều này làm thay đổi cách mà nhà quan sát có thể liên hệ vị trí và vận tốc của các vật. Einstein sử dụng khái niệm này để tìm ra một vài công thức quan trọng mô tả cách các vật thể trong một hệ quy chiếu xuất hiện khi nhìn từ hệ quy chiếu kia đang chuyển động đều tương đối với hệ quy chiếu thứ nhất. Kết quả của ông đưa tới một số kết quả khác thường, mặc dù hiệu ứng chỉ trở nên đáng kể khi vận tốc tương đối của vật đạt gần tới tốc độ ánh sáng. Tóm lại, hàm ý chính của những lí thuyết cơ bản của Einstein và phương trình tương đối tính thường được trích dẫn của ông

E = mc²

có thể tóm tắt như sau:

• Chiều dài của một vật giảm, tương đối đối với nhà quan sát, khi vận tốc của vật tăng.
• Khi một hệ quy chiếu đang chuyển động, các khoảng thời gian trở nên ngắn hơn. Nói cách khác, một nhà du hành vũ trụ chuyển động với tốc độ ánh sáng hoặc gần tốc độ ánh sáng có thể rời Trái Đất trong nhiều năm và quay trở lại trải qua khoảng thời gian mất có vài ba tháng.
• Khối lượng của một vật đang chuyển động tăng theo vận tốc của nó, và khi vận tốc đạt tới tốc độ ánh sáng thì khối lượng tiến tới vô cùng. Vì lí do này nên người ta giữ niềm tin rằng chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng là không thể có được, bởi vì để gia tốc đến khối lượng vô hạn cần một lượng năng lượng vô hạn.

Mặc dù lí thuyết của Einstein ảnh hưởng đến toàn bộ thế giới vật lí, nhưng nó có những quan hệ đặc biệt quan trọng đối với những nhà khoa học đang nghiên cứu ánh sáng. Lí thuyết giải thích được tại sao thí nghiệm Michelson-Morley thất bại trong việc tạo ra những kết quả như mong đợi, thúc đẩy các nghiên cứu khoa học nghiêm túc hơn về bản chất của ête xem là môi trường trung chuyển ánh sáng. Nó cũng chứng minh được rằng không gì có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân không, và tốc độ này là một hằng số và có giá trị không thay đổi. Trong khi đó, các nhà khoa học thực nghiệm tiếp tục sử dụng các thiết bị ngày càng phức tạp để đo giá trị chính xác của tốc độ ánh sáng và giảm sai số trong các phép đo này.

Các phép đo vận tốc ánh sáng

Vào cuối thế kỉ 19, những tiến bộ đạt được trong công nghệ vô tuyến và vi sóng đã mang lại phương pháp mới lạ cho việc đo tốc độ ánh sáng. Năm 1888, hơn 200 năm sau những quan trắc thiên thể tiên phong của Roemer, nhà vật lí người Đức Heinrich Rudolf Hertz đo được tốc độ của sóng vô tuyến. Hertz thu được giá trị gần 300.000 km/giây, xác nhận lí thuyết của James Clerk Maxwell cho rằng sóng vô tuyến và ánh sáng đều là các dạng của bức xạ điện từ. Một bằng chứng nữa thu thập trong những năm 1940 và 1950, khi nhà vật lí người Anh Keith Davy Froome sử dụng sóng vô tuyến và Louis Essen sử dụng vi sóng tiến hành đo đạc chính xác hơn tốc độ của bức xạ điện từ.

Maxwell cũng được ghi nhận với việc định nghĩa tốc độ ánh sáng và các dạng khác của bức xạ điện từ, không phải bằng phép đo, mà bằng suy luận toán học. Trong nghiên cứu của ông cố gắng tìm kiếm mối liên hệ giữa điện và từ, Maxwell đã lí thuyết hóa rằng một điện trường biến thiên sẽ tạo ra từ trường biến thiên, một điều ngược lại với định luật Faraday. Ông đề xuất rằng sóng điện từ bao gồm các sóng dao động điện và từ kết hợp, và tính được vận tốc của những sóng này truyền trong không gian như sau:

Vận tốc (v) = 1/ (ε . μ)^1/2

trong đó ε là hằng số điện môi, và μ là độ từ thẩm của không gian tự do, hai hằng số này có thể đo được với mức độ chính xác tương đối cao. Kết quả là một giá trị rất gần với tốc độ ánh sáng đo được.

Năm 1891, tiếp tục những nghiên cứu của ông về tốc độ ánh sáng và thiên văn học, Michelson chế tạo một giao thoa kế cỡ lớn sử dụng kính thiên văn khúc xạ tại Đài quan sát Lick ở California. Những quan trắc của ông dựa trên sự trễ thời gian tới của ánh sáng khi quan sát các vật thể ở xa, ví dụ như các sao, có thể phân tích định lượng để đo được cả kích thước của thiên thể và tốc độ ánh sáng. Gần 30 năm sau, Michelson di chuyển thí nghiệm của ông tới Đài quan sát núi Wilson, và áp dụng cùng kĩ thuật trên với kính thiên văn 100 inch, kính thiên văn lớn nhất thế giới lúc bấy giờ.

Bằng cách hợp nhất thêm một gương xoay hình bát giác vào thiết kế thí nghiệm của ông, Michelson đạt tới giá trị 299.845 km/giây cho tốc độ ánh sáng. Mặc dù Michelson chết trước khi hoàn tất thí nghiệm của ông, nhưng người cộng sự của ông tại núi Wilson, Francis G. Pease, tiếp tục sử dụng kĩ thuật có tính sáng kiến chỉ đạo nghiên cứu trong những năm 1930. Sử dụng một giao thoa kế cải tiến, Pease thực hiện hàng loạt phép đo trong vài năm và cuối cùng đã xác định được giá trị chính xác cho tốc độ ánh sáng là 299.774 km/giây, phép đo chính xác nhất thu được tính đến thời điểm đó. Vài năm sau, vào năm 1941, cộng đồng khoa học đã đặt ra một chuẩn cho tốc độ ánh sáng. Giá trị này, 299.773 km/giây, dựa trên một tài liệu biên soạn từ những phép đo chính xác nhất của thời kì đó. Hình 6 biểu diễn những phép đo tốc độ ánh sáng trong vòng 200 năm qua.

Vào cuối thập niên 1960, laser trở thành công cụ nghiên cứu ổn định với tần số và bước sóng có tính xác định cao. Một điều nhanh chóng trở nên hiển nhiên là một phép đo đồng thời cả tần số và bước sóng sẽ mang lại giá trị rất chính xác cho tốc độ ánh sáng, tương tự như phương pháp thực nghiệm đã được tiến hành bởi Keith Davy Froome bằng vi sóng vào năm 1958. Một vài nhóm nghiên cứu ở Mĩ và một số nước khác đã đo tần số của vạch 633 nanomét từ laser helium-neon và thu được kết quả chính xác cao. Năm 1972, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia (Mĩ) đã dùng kĩ thuật laser đo được tốc độ 299.792.458 m/s (186.282 dặm/giây), kết quả cuối cùng trong việc định nghĩa lại đơn vị mét qua một ước tính chính xác cao cho tốc độ ánh sáng.

Khởi đầu với những cố gắng mang tính đột phá vào năm 1676 của Roemer, tốc độ ánh sáng đã được đo ít nhất là 163 lần bằng nhiều kĩ thuật đa dạng bởi hơn 100 nhà nghiên cứu (xem bảng ở trên). Khi các phương pháp và dụng cụ khoa học được cải tiến, giới hạn sai số của sự ước tính được thu hẹp, mặc dù tốc độ ánh sáng không thay đổi đáng kể kể từ những tính toán hồi thế kỉ thứ 17 của Roemer. Cuối cùng, vào năm 1983, hơn 300 năm sau cố gắng đo đạc nghiêm túc đầu tiên, tốc độ ánh sáng được định nghĩa là 299.792,458 km/s bởi Đại hội toàn thể lần thứ 17 về Cân nặng và Đo lường. Như vậy, mét được định nghĩa là khoảng cách mà ánh sáng truyền đi được trong chân không trong khoảng thời gian 1/299.792.458 giây. Tuy nhiên, nói chung (cả trong nhiều tính toán khoa học), tốc độ ánh sáng được làm tròn là 300.000 km (hoặc 186.000 dặm) trên giây. Việc đạt được một giá trị chuẩn cho tốc độ ánh sáng có tầm quan trọng đối với việc thiết lập một hệ đơn vị quốc tế cho phép các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới so sánh dữ liệu và tính toán của họ với nhau.

Có một cuộc tranh luận ôn hòa về bằng chứng tồn tại cho thấy tốc độ ánh sáng đang giảm đi kể từ thời Big Bang, lúc nó có thể di chuyển nhanh hơn nhiều, như một số nhà nghiên cứu đã đề xuất. Mặc dù các luận cứ được đưa ra và phản đối kéo dài cuộc tranh luận này, nhưng đa số các nhà khoa học vẫn đoan chắc rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số. Các nhà vật lí cho rằng tốc độ ánh sáng thực sự như đã đo được bởi Roemer và những người tiếp sau ông không có sự thay đổi đáng kể, mà chỉ có một loạt cải tiến trong các thiết bị khoa học liên quan tới việc làm tăng độ chính xác của phép đo dùng để thiết lập tốc độ ánh sáng. Ngày nay, khoảng cách giữa Mộc tinh và Trái Đất được biết với độ chính xác cao, cũng như đường kính của hệ Mặt Trời và đường đi quỹ đạo của các hành tinh. Khi các nhà nghiên cứu áp dụng dữ liệu này để làm việc lại với những tính toán đã được thực hiện trong vài thế kỉ qua, họ thu được giá trị cho tốc độ ánh sáng có thể so sánh được với giá trị thu được với những thiết bị hiện đại và phức tạp hơn.

Tác giả: Kenneth R. Spring, Thomas J. Fellers, Lawrence D. Zuckerman, và Michael W. Davidson

Bài trước | Bài kế tiếp