Ai phát minh ra tốc độ ánh sáng?

Ai phát minh ra tốc độ ánh sáng và lịch sử tìm kiếm

Khám phá ai phát minh ra tốc độ ánh sáng mang lại góc nhìn thú vị về hành trình chinh phục tri thức nhân loại. Chủ đề này cung cấp những kiến thức nền tảng giá trị về hằng số vật lý quan trọng. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết ngay sau đây.

Ai phát minh ra tốc độ ánh sáng? Đính chính một hiểu lầm lịch sử

Câu hỏi về việc ai phát minh ra tốc độ ánh sáng có vẻ như đang dựa trên một cách hiểu chưa hoàn toàn chính xác về mặt khoa học. Thật ra, không ai phát minh ra tốc độ ánh sáng cả, bởi vì đây là một hằng số tự nhiên vốn có của vũ trụ chứ không phải một thực thể nhân tạo. Thay vào đó, các nhà khoa học chỉ phát hiện, đo đạc và chứng minh tính hữu hạn của nó qua nhiều thế kỷ nghiên cứu bền bỉ.

Nói thật, việc nhầm lẫn giữa thuật ngữ phát minh và phát hiện là điều rất phổ biến khi chúng ta mới tiếp cận lịch sử vật lý. Đối với tốc độ ánh sáng, cột mốc vĩ đại nhất thuộc về nhà thiên văn học người Đan Mạch Ole Roemer vào năm 1676 khi ông trở thành người đầu tiên đo tốc độ ánh sáng. Sau ông, nhiều bộ óc thiên tài khác đã tiếp tục cải tiến công nghệ để đưa ra con số ngày càng chính xác.

Cột mốc năm 1676: Ole Roemer và cách ông tìm ra tốc độ ánh sáng

Trước thế kỷ mười bảy, phần lớn các triết gia và nhà khoa học hàng đầu - bao gồm cả Rene Descartes - đều tin rằng ánh sáng truyền đi một cách tức thời. Nghĩa là vận tốc của nó là vô hạn. Ngay cả Galileo Galilei vĩ đại cũng từng cố gắng kiểm tra điều này bằng đèn lồng trên hai ngọn đồi cách xa nhau, nhưng khoảng cách quá ngắn khiến ông thất bại và ngậm ngùi kết luận rằng ánh sáng nếu không tức thời thì cũng nhanh đến mức không thể tưởng tượng nổi.

Mọi chuyện chỉ thay đổi nhờ sự kiên trì của nhà thiên văn học Đan Mạch Ole Roemer tại Đài thiên văn Paris. Thay vì nhìn vào mặt đất, ông hướng chiếc kính viễn vọng của mình lên bầu trời để quan sát Io - một trong những vệ tinh chuyển động quanh Sao Mộc. Ông nhận thấy một hiện tượng kỳ lạ: khoảng thời gian giữa các lần nguyệt thực của Io không hề cố định mà thay đổi liên tục tùy thuộc vào việc Trái Đất đang tiến lại gần hay đi ra xa Sao Mộc.

Khi Trái Đất ở gần Sao Mộc nhất, các sự kiện nguyệt thực diễn ra sớm hơn dự kiến. Ngược lại, khi Trái Đất ở xa nhất, chúng lại bị trễ hẹn. Roemer hiểu rằng bản thân vệ tinh Io không hề chạy nhanh hơn hay chậm đi. Điểm mấu chốt là ánh sáng cần một khoảng thời gian cụ thể để vượt qua quãng đường thay đổi giữa hai hành tinh. Từ những dữ liệu này, ông tính toán rằng ánh sáng mất khoảng 22 phút để đi hết đường kính quỹ đạo của Trái Đất.

Mặc dù Roemer không trực tiếp quy đổi ra một con số cụ thể bằng đơn vị km/s do khoảng cách trong hệ Mặt Trời thời bấy giờ chưa được đo đạc chính xác, phép tính dựa trên dữ liệu của ông cho thấy vận tốc ánh sáng đạt khoảng 214.000 km/s.

Con số này thấp hơn thực tế khoảng 28%. Lý do hoàn toàn là vì sai số của các phép đo khoảng cách thiên văn thời đó. Tuy nhiên, giá trị lịch sử của nó thì không thể đong đếm. Lần đầu tiên trong lịch sử, nhân loại biết rằng ánh sáng có giới hạn tốc độ.

Hành trình đo đạc trong phòng thí nghiệm: Từ bánh răng đến gương xoay

Sau bước đi đột phá của Roemer, các nhà khoa học bắt đầu tìm cách đưa việc đo đạc từ bầu trời bao la về với mặt đất chật hẹp. Bước vào giữa thế kỷ mười chín, hai nhà vật lý người Pháp là Hippolyte Fizeau và Leon Foucault đã tạo nên những cuộc cách mạng thực sự bằng các thiết bị cơ học tinh vi. Đây cũng là những thí nghiệm đầu tiên đo được vận tốc ánh sáng mà không cần dựa vào các quan sát thiên văn phức tạp.

Năm 1849, Hippolyte Fizeau đã thiết lập một hệ thống thí nghiệm độc đáo sử dụng một bánh răng quay nhanh và một tấm gương đặt cách xa nhau 8,63 km.

Ông chiếu một chùm ánh sáng xuyên qua khe hở của bánh răng đến tấm gương để nó phản xạ ngược trở lại. Bằng cách tăng dần tốc độ quay của bánh răng cho đến khi chùm sáng quay về bị chính chiếc răng tiếp theo chặn lại, Fizeau đã tính toán được thời gian di chuyển của ánh sáng. Thí nghiệm này đưa ra kết quả vận tốc ánh sáng là 313.300 km/s, sai số chỉ khoảng 4,5% so với con số hiện đại.

Tôi cũng từng thử tự làm một mô hình quang học nhỏ mô phỏng nguyên lý này thời sinh viên. Nói thật, nó cực kỳ nhạy cảm với độ rung. Chỉ cần một bước chân mạnh bên cạnh là chùm tia lệch khỏi mục tiêu ngay lập tức. Nghĩ đến việc Fizeau phải căn chỉnh thiết bị cơ học thô sơ giữa hai địa điểm cách nhau hơn 8 km vào năm 1849 mà không có công nghệ laser hay cảm biến điện tử, tôi thực sự ngả mũ thán phục.

Đến năm 1862, Leon Foucault đã cải tiến xuất sắc ý tưởng của Fizeau bằng cách thay thế bánh răng bằng một chiếc gương xoay tốc độ cao.

Gương xoay cho phép thu hẹp khoảng cách thí nghiệm xuống còn khoảng 20 mét bên trong phòng thí nghiệm nhưng lại mang lại độ chính xác vượt trội.

Ánh sáng chiếu vào gương xoay, bay đến một gương cố định rồi phản xạ ngược lại. Vì gương sơ cấp vẫn đang xoay trong lúc ánh sáng di chuyển, chùm sáng quay về sẽ bị lệch một góc nhỏ so với ban đầu. Từ góc lệch đó, Foucault tính ra lịch sử tìm ra tốc độ ánh sáng đã sang trang mới khi tốc độ ánh sáng là 298.000 km/s. Kết quả này chỉ còn cách con số chính xác ngày nay chưa đầy 0,6%.

So sánh các kết quả đo tốc độ ánh sáng trong lịch sử

Để thấy rõ sự tiến bộ của công nghệ và tư duy khoa học, chúng ta hãy cùng nhìn lại kết quả đo đạc tốc độ ánh sáng qua các thời kỳ so với giá trị chuẩn hiện đại.

Ole Roemer (Năm 1676)

• Thấp hơn thực tế khoảng 28% do sai số khoảng cách thiên văn
• Quan sát thời gian nguyệt thực của vệ tinh Io quanh Sao Mộc
• Khoảng 214.000 km/s

James Bradley (Năm 1728)

• Chỉ cao hơn thực tế khoảng 1,3%
• Đo hiện tượng tinh sai (stellar aberration) của ánh sáng sao
• Khoảng 301.000 km/s

Hippolyte Fizeau (Năm 1849)

• Cao hơn thực tế khoảng 4,5%
• Sử dụng bánh răng quay tốc độ cao trên mặt đất
• Khoảng 313.300 km/s

Leon Foucault (Năm 1862) ⭐

• Thấp hơn thực tế chưa đầy 0,6%
• Sử dụng gương xoay tốc độ cao trong phòng thí nghiệm
• Khoảng 298.000 km/s

Hành trình hiểu đúng bản chất của Lâm: Từ bài kiểm tra đến đam mê vật lý

Lâm, một học sinh lớp 11 tại Đà Nẵng, từng bị trừ điểm trong bài kiểm tra vật lý vì viết rằng Edison là người phát minh ra tốc độ ánh sáng. Cậu cảm thấy vô cùng bối rối và ấm ức vì nghĩ mình chỉ nhầm tên nhà khoa học chứ không sai bản chất.

Lâm quyết định lên thư viện trường tìm đọc tập tài liệu lịch sử vật lý để tìm ra người thực sự đứng sau. Cậu lục lọi hàng giờ liền, ghi chép lại các thí nghiệm cổ xưa nhưng càng đọc càng thấy rối bời trước các thuật ngữ thiên văn như nguyệt thực Sao Mộc hay hiện tượng tinh sai.

Bước ngoặt đến khi thầy giáo vật lý bắt gặp Lâm đang vò đầu bứt tai bên cuốn sách. Thầy nhẹ nhàng giải thích rằng ánh sáng là hằng số tự nhiên, con người chỉ phát hiện chứ không tạo ra nó, giống như việc chúng ta tìm ra châu Mỹ vậy.

Hiểu rõ bản chất, Lâm không còn ấm ức mà tự tin sửa lại tư duy. Cậu tự vẽ một sơ đồ lịch sử đo đạc từ năm 1676 đến nay, biến lỗi sai lầm ngày trước thành động lực đạt điểm tối đa trong kỳ thi học kỳ sau đó.