Tốc độ ánh sáng ppt

Tốc độ ánh sáng
Thiết bị thí nghiệm doMichelsonvà Morleyxây dựng thật khổng lồ (hình 5).
Đặt trên mộtphiến đá đangquaytừ từ rộng khoảng 5 feet vuôngvà dày 14inch,
thiết bị được bảo vệ thêm bởi mộthồ thủy ngânbên dưới đóng vai trò bộ giảmsốc
khôngcó ma sát để loạibỏ các daođộng ảnh hưởng từ phía Trái Đất. Một khi phiến
đá đượcđưa vào chuyểnđộng,thu đượctốc độ lớn nhất là 10 vòng/giờ,mấttới
hàng giờ mới cótạm dừng lần nữa. Ánh sángtruyền quabộ tách chùm,và phản xạ
bởi hệ thốnggương, được xác định với một chiếc kính hiểnvi quan sát vângiao
thoa, nhưngcả hai nhà khoahọc đều không quansát thấy gì.Tuy nhiên, Michelson
đã sử dụng giao thoa kế của ôngđể xác định chính xáctốc độ của ánh sánglà
186.320dặm/giây (299.853km/giây), một giá trị vẫn được xemlà chuẩn trong
vòng 25năm tiếp sauđó. Thấtbại trong việc phát hiệnsự thayđổi tốc độ ánhsáng
bởi thí nghiệmMichelson-Morleyđã đặtdấu chấm hếtcho cuộctranh luận về ête,
cuối cùng đã đưatớilí thuyết của AlbertEinsteinvào đầuthế kỉ 20.
Năm 1905,Einstein công bố thuyết tương đốiđặc biệt của ông,sau đó là
thuyết tươngđối tổng quát vào năm 1915.Lí thuyết thứ nhất đề cập tới sự chuyển
độngcủa các vậtthể ở vận tốckhông đổitương đối với nhau, còn lí thuyết thứ hai
tập trungvàogia tốc vàmối liên hệ của nó với hấp dẫn.Do chúngtháchthức
những giả thuyết đã tồn tại từ lâu, ví dụ như các định luật chuyển động củaIsaac
Newton, nênlí thuyết của Einstein làmột lựclượng cách mạng trong vật lí học. Ý
tưởng về tính tươngđốithể hiệnqua khái niệm cho rằng vận tốccủa một vậtchỉ có
thể được xácđịnhtươngđốivới vị trí của nhà quansát.Lấy ví dụ, mộtngười đàn
ông đang đi bên trongmột chiếc máy bay dândụngcỡ lớn có vẻ đangđi ở tốc độ
khoảng 1dặm/giờ đốivới hệ quy chiếu là chiếcmáy bay(còn chínhchiếcmáy bay
đang chuyển động với vận tốc600 dặm/giờ). Tuy nhiên, đốivớimột nhà quan sát
ở mặt đất, người đànông đó đangchuyển động ở vận tốc 601 dặm/giờ.
Einsteinđã giả sử trongcác tínhtoán củaông rằngtốc độ của ánh sáng
truyền giữa haihệ quychiếu vẫn giữ nguyênkhôngđổi đốivới các nhà quansátở
cả hainơi.Donhàquan sát ở hệ quychiếu này sử dụng ánh sáng để xác định vị trí
và vận tốc củacác vậttrong hệ quychiếu kia, nên điềunày làmthay đổi cách mà
nhà quansát cóthể liênhệ vị trívà vận tốccủa các vật. Einsteinsử dụngkhái niệm

này để tìm ramộtvài côngthứcquan trọng môtả cách các vật thể trong một hệ
quy chiếu xuất hiệnkhi nhìn từ hệ quychiếu kiađang chuyển độngđều tươngđối
với hệ quy chiếu thứ nhất. Kết quả của ông đưa tới một số kếtquả khácthường,
mặc dùhiệu ứngchỉ trở nên đángkể khi vận tốctương đối củavật đạtgần tới tốc
độ ánh sáng. Tóm lại, hàm ý chính của những lí thuyết cơ bản của Einstein và
phươngtrìnhtương đối tính thường được trích dẫncủa ông
E = mc
2
có thể tóm tắtnhư sau:
 Chiềudài của một vậtgiảm, tươngđối đối với nhà quansát, khivận tốc
của vật tăng.
 Khi một hệ quy chiếu đang chuyển động,các khoảngthời gian trở nên
ngắn hơn.Nói cách khác, một nhà duhành vũ trụ chuyểnđộng với tốc độ ánh sáng
hoặc gần tốc độ ánh sáng cóthể rời Trái Đất trong nhiều năm vàquaytrở lạitrải
qua khoảng thời gianmất cóvài ba tháng.
 Khối lượng củamộtvật đang chuyểnđộng tăngtheovận tốc củanó, và
khi vận tốc đạttới tốcđộ ánh sáng thìkhối lượng tiếntới vôcùng.Vì lí donày nên
người ta giữ niềm tin rằng chuyển động nhanhhơn tốc độ ánh sáng là không thể có
được, bởi vìđể gia tốcđến khốilượng vô hạn cần một lượng năng lượng vô hạn.
Mặcdù lí thuyết củaEinstein ảnhhưởngđến toàn bộ thế giới vật lí, nhưng
nó có những quanhệ đặc biệt quantrọngđối vớinhững nhà khoa học đang nghiên
cứu ánhsáng. Lí thuyếtgiải thích đượctại sao thí nghiệm Michelson-Morleythất
bại trong việc tạo ranhững kết quả như mongđợi, thúcđẩy các nghiên cứu khoa
học nghiêm túchơn về bản chất của ête xemlà môi trường trung chuyểnánh sáng.
Nó cũngchứng minhđược rằngkhông gì có thể chuyển động nhanh hơn tốcđộ
ánh sáng trongchânkhông,và tốc độ này là một hằng số và có giá trị không thay
đổi. Trongkhi đó,các nhà khoa học thực nghiệm tiếp tục sử dụngcác thiếtbị ngày
càng phức tạpđể đo giátrị chính xáccủa tốc độ ánh sángvàgiảmsai số trongcác
phép đo này.
Các phép đo vận tốc ánh sáng

N
ăm
Nhà
nghiên cứu
Ph
ương
pháp
Giá trị
ước tính
km/giây
1
667
galileo Ga
lilei
Đè
n lồng có
mái che
333,5
1
676
Ole
Roemer
Vệ
tinh của
sao Mộc
220.000
1
726
James
Bradley

Hiệ
n tượng
quang
sai
301.000
1
834
Charles
Wheatstone
Gư
ơng quay
402.336
1
838
Francis
Arago
Gư
ơng quay
1
849
Armand
Fizeau
Bá
nh xe
quay
315.000
1
862
Leon
Foucault

Gư
ơng quay
298.000
1
868
James
Clerk Maxwell
Tín
h toán lí
thuyết
284.000
1
875
Marie-
Alfred Cornu
Gư
ơng quay
299.990
1
879
Albert
Michelson
Gư
ơng quay
299.910
1
888
Heinrich
Rudolf Hertz
Bứ

c xạ điện
từ
300.000
1
889
Edward
Bennett Rosa
Phé
p đo điện
300.000
1
890s
Henry
Rowland
Qu
ang phổ
kế
301.800
1
907
Edward
Bennett Rosa
Phé
p đo điện
299.788
và Noah
Dorsey
1
923
Andre

Mercier
Phé
p đo điện
299.795
1
926
Albert
Michelson
Gư
ơng quay
(giao
thoa kế)
299.798
1
928
August
Karolus và
Otto
Mittelstaedt
Lá
chắn
Kerr
299.778
1
932 -
1935
Michelso
n và Pease
Gư
ơng quay

(giao
thoa kế)
299.774
1
947
Louis
Essen
Hộ
p cộng
hưởng
299.792
1
949
Carl I.
Aslakson
Ra
dar
Shoran
299.792
,4
1
951
Keith
Davy Froome
Gia
o thoa kế
vô tuyến
299.792
,75
1

973
Kenneth
M. Evenson
las
er
299.792
,457
1
978
Peter
Woods và
Colleagues
las
er
299.792
,4588
Vào cuối thế kỉ 19, những tiếnbộ đạt được trong công nghệ vô tuyến và vi
sóng đã mang lạiphươngpháp mới lạ cho việc đo tốcđộ ánh sáng.Năm 1888, hơn
200 năm saunhững quantrắc thiên thể tiên phong của Roemer,nhàvật lí người
Đức Heinrich RudolfHertzđo được tốc độ của sóng vô tuyến. Hertzthu đượcgiá
trị gần300.000 km/giây,xác nhận lí thuyết của JamesClerk Maxwellchorằng
sóng vô tuyếnvà ánh sáng đềulà các dạng của bức xạ điện từ.Một bằngchứngnữa
thu thậptrongnhững năm 1940và 1950,khinhà vậtlí người AnhKeith Davy
Froome sử dụng sóng vô tuyếnvà Louis Essensử dụngvi sóngtiến hànhđo đạc
chínhxác hơn tốc độ của bức xạ điện từ.
Maxwellcũng được ghi nhậnvới việcđịnh nghĩatốc độ ánh sáng và các dạng
khác của bứcxạ điện từ, không phải bằng phép đo, mà bằng suyluậntoánhọc.
Trongnghiêncứu của ông cố gắng tìm kiếm mối liênhệ giữa điện và từ, Maxwell
đã líthuyết hóarằng một điện trường biến thiên sẽ tạora từ trường biến thiên,
một điều ngược lại vớiđịnh luật Faraday.Ông đề xuất rằng sóngđiệntừ bao gồm

các sóng daođộng điệnvà từ kếthợp, và tínhđược vận tốc củanhững sóng này
truyền trong không giannhư sau:
Vận tốc (v) = 1/ (ε . µ)
1/2
trong đó ε là hằng số điện môi,vൠlà độ từ thẩm của khônggian tự do,hai
hằng số này cóthể đo được với mức độ chính xáctương đối cao. Kết quả là một giá
trị rất gần với tốc độ ánhsáng đo được.
Năm 1891,tiếp tục những nghiên cứu của ông về tốc độ ánhsáng và thiên
văn học,Michelson chế tạo mộtgiao thoa kế cỡ lớn sử dụng kính thiên văn khúcxạ
tại Đàiquansát Lick ở California. Những quantrắc của ông dựa trên sự trễ thời
gian tới của ánhsángkhi quansát các vật thể ở xa, ví dụ như các sao, cóthể phân
tích địnhlượng để đo được cả kích thước của thiên thể và tốc độ ánh sáng. Gần30
năm sau,Michelson dichuyển thí nghiệmcủa ông tới Đài quan sát núiWilson, và
áp dụngcùngkĩ thuật trên với kính thiên văn 100 inch,kính thiên văn lớn nhất thế
giới lúcbấy giờ.
Bằng cách hợp nhấtthêm một gương xoayhình bátgiác vào thiếtkế thí
nghiệmcủa ông,Michelson đạttới giá trị 299.845 km/giây chotốc độ ánh sáng.
Mặcdù Michelson chết trước khihoàn tất thí nghiệm của ông, nhưngngười cộng
sự của ôngtại núi Wilson, Francis G.Pease, tiếptục sử dụng kĩ thuật cótính sáng
kiếnchỉ đạo nghiên cứutrong những năm1930.Sử dụng một giao thoa kế cải tiến,
Pease thực hiện hàng loạt phép đo trong vài năm vàcuối cùng đã xácđịnh được giá
trị chínhxác cho tốc độ ánhsánglà 299.774km/giây, phép đochính xácnhất thu
được tínhđến thời điểm đó. Vài năm sau,vàonăm 1941,cộng đồngkhoahọc đã
đặt ramộtchuẩncho tốcđộ ánh sáng. Giá trị này, 299.773km/giây, dựa trên một
tài liệu biên soạn từ những phép đo chính xác nhất của thờikì đó. Hình6 biểu diễn
những phépđotốc độ ánh sáng trong vòng 200năm qua.
Vào cuối thập niên 1960, lasertrở thành công cụ nghiên cứuổn định với tần
số vàbước sóngcó tínhxác định cao. Một điều nhanhchóng trở nên hiển nhiên là
một phép đođồng thời cả tầnsố và bước sóng sẽ mang lại giátrị rất chính xáccho
tốc độ ánh sáng, tươngtự như phương pháp thực nghiệm đã được tiến hành bởi

Keith Davy Froomebằngvi sóng vào năm 1958. Mộtvài nhómnghiên cứu ở Mĩ và
một số nước khác đã đotần số của vạch 633 nanomét từ laser helium-neonvà thu
được kếtquả chính xáccao. Năm 1972,ViệnTiêu chuẩn và Côngnghệ quốcgia (Mĩ)
đã dùng kĩ thuật laser đođượctốc độ 299.792.458 m/s (186.282dặm/giây), kết
quả cuối cùngtrong việc định nghĩa lại đơnvị mét qua một ướctính chính xác cao
cho tốcđộ ánh sáng.
Khởi đầu với nhữngcố gắngmang tính đột phá vào năm 1676 củaRoemer,
tốc độ ánh sáng đã được đo ít nhất là 163lầnbằng nhiều kĩ thuật đa dạng bởi hơn
100 nhànghiên cứu(xembảngở trên). Khi các phương pháp và dụng cụ khoahọc
được cải tiến, giới hạn saisố của sự ước tính đượcthu hẹp,mặc dù tốc độ ánh sáng
khôngthay đổiđáng kể kể từ những tínhtoán hồi thế kỉ thứ 17của Roemer.Cuối
cùng, vào năm 1983, hơn300 năm saucố gắngđo đạc nghiêmtúc đầu tiên, tốc độ
ánh sáng đượcđịnh nghĩa là 299.792,458km/sbởi Đại hội toàn thể lần thứ 17 về
Cân nặng vàĐo lường.Như vậy, mét được địnhnghĩalà khoảng cách mà ánh sáng
truyền đi đượctrong chân không trong khoảngthời gian1/299.792.458giây. Tuy
nhiên,nói chung(cả trongnhiều tính toán khoahọc), tốcđộ ánh sáng được làm
tròn là 300.000km (hoặc 186.000dặm)trên giây. Việc đạt đượcmột giátrị chuẩn
cho tốcđộ ánh sáng có tầm quantrọng đối vớiviệc thiết lập một hệ đơnvị quốctế
cho phép các nhà khoahọc từ khắp nơi trênthế giới sosánh dữ liệu vàtính toán
của họ với nhau.
Có mộtcuộc tranhluận ôn hòa về bằng chứngtồn tại cho thấy tốc độ ánh
sáng đang giảmđi kể từ thời Big Bang,lúc nócó thể di chuyển nhanhhơnnhiều,
như mộtsố nhà nghiêncứu đã đề xuất. Mặc dù các luận cứ được đưa ravà phản
đối kéo dài cuộc tranhluận này, nhưng đa số các nhà khoahọc vẫnđoan chắc rằng
tốc độ ánh sáng là một hằng số.Các nhà vậtlí cho rằngtốc độ ánh sáng thực sự
như đã đo đượcbởi Roemer và nhữngngười tiếp sauông không có sự thayđổi
đáng kể, mà chỉ có một loạt cải tiến trong các thiết bị khoahọc liên quan tới việc
làm tăng độ chínhxác của phép đo dùng để thiết lập tốc độ ánhsáng.Ngày nay,
khoảng cách giữa Mộc tinhvàTrái Đất đượcbiết với độ chính xác cao, cũngnhư
đườngkính củahệ mặttrời và đường đi quỹ đạo của các hànhtinh. Khi các nhà

nghiêncứu áp dụng dữ liệu này để làm việc lại với những tính toán đã đượcthực
hiện trongvài thế kỉ qua, họ thuđược giá trị chotốc độ ánh sáng có thể sosánh
được với giá trị thu đượcvới những thiết bị hiện đại vàphức tạp hơn.