Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 46)

Tính hai mặt của ánh sáng Tôi đã trình bày những tính chất kì lạ của ánh sáng lúc bắt đầu Chương 4 để giới thiệu về các lỗ đen. Lúc này tôi cần trở lại với đề tài ánh sáng, không phải chỉ vì nó “hữu ích” mà vì nó là cơ sở của toàn bộ thuyết tương đối đặc biệt. Vào cuối thế kỉ thứ 19, Thomas Young (người Anh đã chứng minh Newton sai khi nói ánh sáng là gồm những dòng hạt) và James Clerk Maxwell (người Scotland đã khám phá ra ánh sáng là sóng...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 46) Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 46)Tính hai mặt của ánh sángTôi đã trình bày những tính chất kì lạ của ánh sáng lúc bắt đầuChương 4 để giới thiệu về các lỗ đen. Lúc này tôi cần trở lại vớiđề tài ánh sáng, không phải chỉ vì nó “hữu ích” mà vì nó là cơ sởcủa toàn bộ thuyết tương đối đặc biệt.Vào cuối thế kỉ thứ 19, Thomas Young (người Anh đã chứngminh Newton sai khi nói ánh sáng là gồm những dòng hạt) vàJames Clerk Maxwell (người Scotland đã khám phá ra ánh sánglà sóng điện từ) đã vượt qua mọi nghi ngờ chứng minh rằng ánhsáng hành xử kiểu sóng. Ngày nay, có vô số thí nghiệm bộc lộ rõràng và đẹp đẽ bản chất sóng của ánh sáng. Đúng là cơ họclượng tử đã chứng minh rằng ánh sáng, trong những trường hợpnhất định, cũng có thể hành xử giống như một dòng hạt, trongphần sau đây, chúng ta cần đến bản chất sóng của nó.Một tính chất quan trọng của sóng là chúng cần một cái gì đó đểtruyền; một môi trường qua đó các dao động có thể truyền đi.Khi bạn nói chuyện với ai đó đang đứng gần bạn, thì sóng âm đitừ miệng của bạn đến tai của anh ta cần không khí ở giữa đểtruyền. Tương tự như vậy, sóng nước trên mặt biển cần có nước,và “chỗ lồi” truyền dọc theo chiều dài sợi dây khi nó bị khềunhẹ ở một đầu thì cần có sợi dây. Rõ ràng không có môi trườngmang sóng đi thì sẽ không có sóng. Đây là nguyên do thuyếtphục các nhà vật lí thế kỉ 19 rằng ánh sáng, đã được chứng minhlà sóng, cũng cần một môi trường truyền. Và vì không ai từngnhìn thấy một môi trường như vậy, nên họ phải nghĩ ra một cáchchứng minh sự tồn tại của nó.Môi trường đó được gọi là ether truyền sáng - không nên nhầmlẫn với chất hữu cơ thường dùng làm thuốc tê – và cuộc săn tìmnó bắt đầu. Nếu như nó tồn tại thì nó phải có những tính chấtnhất định. Trước tiên, nó phải thấm đẫm toàn bộ không gian đểánh sáng phát ra từ các ngôi sao có thể đi tới chúng ta. Nó phảitồn tại ở mọi nơi, kể cả trong không gian trống rỗng bên trongcác nguyên tử. Một tính chất quan trọng của ether là nó khôngthể tương tác với các đối tượng vật chất và do đó không thể bịkéo theo cùng với chúng khi chúng chuyển động. Điều này đãđược xác nhận tận hồi năm 1729 do một tính chất của ánh sánggọi là quang sai.Người ta chẳng biết thêm gì khác về ether. Người ta hi vọng mọithứ sẽ rõ ràng hơn với những tiến bộ đạt được trong lĩnh vựcnghiên cứu quang học. Tuy nhiên, chưa ai sẵn sàng cho cái sắpxảy ra cả.Vào năm 1907, A A Michelson trở thành người Mĩ đầu tiêngiành giải Nobel vật lí cho một thí nghiệm ông đã thực hiện hồithập niên 1880 cùng với E W Morley. Có lẽ đó là thí nghiệm nổitiếng nhất trong lịch sử vật lí. Michelson đã phát minh ra mộtdụng cụ gọi là giao thoa kế hoạt động dựa trên bản chất sóng củaánh sáng để đo thời gian cần thiết cho một chùm ánh sáng đi hếtmột quãng đường nhất định. Bằng cách sử dụng khéo léo giaothoa kế của ông để đo xem những chùm ánh sáng chuyển độngnhanh như thế nào, ông đã chứng minh không một chút nghi ngờrằng ether không hề tồn tại!Một thực tế trong vật lí học là mọi sóng truyền đi ở một tốc độkhông phụ thuộc vào tốc độ của nguồn sóng. Hãy nghĩ tới âmthanh của một chiếc xe hơi đang chạy nhanh đến gần. Sóng âmsẽ đi tới tai bạn trước chiếc xe vì chúng truyền đi nhanh hơn,nhưng tốc độ của chúng liên quan đến các phân tử không khí cóthể truyền chúng đang dao động bao nhanh. Chúng không đi tớitai bạn nhanh hơn vì bị chiếc xe đang chuyển động “đẩy tới”.Thay vậy, cái xảy ra là sóng âm bị nén đến tần số cao hơn vàbước sóng ngắn hơn ở phía trước xe (hiệu ứng Doppler) nhưngtốc độ của âm thanh thì không thay đổi.1Sóng âm truyền trong không khí ở tốc độ 1200 km/h. Tốc độnày độc lập với chuyện chiếc xe đang chuyển động bao nhanh.Nếu chiếc xe đang chạy 100 km/h thì người tài xế sẽ thấy sóngâm (giả sử sóng âm có thể nhìn thấy) ở phía trước anh ta với tốcđộ chỉ 1100 km/h (1200 trừ 100). Chiếc xe chạy càng nhanh thìtốc độ tương đối của sóng âm mà người tài xế nhìn thấy sẽ càngnhỏ. Nhưng với một người quan sát đứng yên đang nhìn chiếcxe đang chạy tới, thì sóng âm luôn luôn truyền đi ở tốc độ 1200km/h cho dù chiếc xe đó đang chạy bao nhanh. Nếu người tài xếvà người quan sát đứng yên nêu ra lập luận về tốc độ của âmthanh, thì người tài xế sẽ phải thừa nhận rằng tốc độ mà anh tathấy sóng âm đang di chuyển không phải là tốc độ thật sự củachúng vì anh ta cũng đang chuyển động so với các phân tửkhông khí ...