Năm ánh sáng: Khi con người ngược về quá khứ

Tốc độ ánh sáng

Trong Hệ Mặt trời, sao Thổ là hành tinh xa Trái đất nhất có thể quan sát bằng mắt thường. Nếu sao Thổ bị phá huỷ bởi một tác động ngoài không gian, con người vẫn có thể nhìn thấy hình ảnh sao Thổ nguyên vẹn trong khoảng 80 phút sau đó.

Bởi lẽ khoảng cách trung bình giữa sao Thổ và Trái đất là 0,00015 năm ánh sáng, tương đương với ánh sáng từ sao Thổ mất khoảng 80 phút để đến mắt người tại Trái đất.

Tương tự, nếu bạn có thể quan sát bất kỳ ngôi sao nào cách Trái đất 100 năm ánh sáng thì hình ảnh bạn nhìn thấy không phải là trạng thái hiện tại của nó mà là “quá khứ” cách đây 100 năm. Đây cũng là lý do tại sao kính thiên văn được gọi là “cỗ máy thời gian thiên văn”.

Việc đo khoảng cách thiên văn bằng dặm hoặc km là không thực tế vì khoảng cách và quy mô số liệu quá lớn. Lựa chọn đơn vị đo là năm ánh sáng cho phép các nhà thiên văn học “quay ngược thời gian” bởi ánh sáng cần một khoảng thời gian tiêu chuẩn để truyền đến mắt chúng ta. Điều này đồng nghĩa mọi thứ con người có thể quan sát trong không gian đều đã xảy ra.

Một quan niệm sai lầm phổ biến về năm ánh sáng là đơn vị đo thời gian. Năm ánh sáng thường được sử dụng để biểu thị khoảng cách giữa Trái đất và các thiên thể bên ngoài Hệ Mặt trời.

Đối với các nhà khoa học, để tính toán chính xác năm ánh sáng cần phải có giá trị của tốc độ ánh sáng. Tốc độ ánh sáng là một hằng số. Trong chân không, ánh sáng truyền đi với tốc độ 670.616.629 mph (1.079.252.849 km/h). Một năm trên Trái đất kéo dài khoảng 365 ngày, tương đương 8.766 giờ, ánh sáng truyền đi quãng đường 9,5 nghìn tỷ km.

Khoảng cách này được coi là một năm ánh sáng. Vì khoảng cách giữa các thiên thể vũ trụ chủ yếu tồn tại dưới dạng hàng triệu và hàng tỷ km nên cần có đơn vị đo lường thuận tiện hơn nên năm ánh sáng được sử dụng làm đơn vị đo khoảng cách thiên văn.

Tuy nhiên từ thời cổ đại, các nhà triết học Hy Lạp đã không thống nhất về bản chất của tốc độ ánh sáng. Nhà triết học Empedocles cho rằng ánh sáng truyền đi và vì vậy cần có tốc độ truyền. Ngược lại, Aristotle cho rằng ánh sáng là tức thời.

Vào giữa những năm 1600, nhà thiên văn học Galileo Galilei đã tiến hành thí nghiệm về tốc độ ánh sáng bằng cách yêu cầu một số người cầm đèn lồng, đứng trên những ngọn đồi cách nhau một dặm (1,6km). Nhưng khoảng cách không đủ xa để ghi lại tốc độ ánh sáng nên ông chỉ kết luận rằng ánh sáng truyền nhanh hơn âm thanh.

Năm 1676, nhà thiên văn học người Đan Mạch, Ole Rømer, tình cờ đưa ra ước tính mới về tốc độ ánh sáng trong khi thiết kế đồng hồ thiên văn cho các thuỷ thủ trên biển. Sau khi quan sát về nguyệt thực của mặt trăng Io, vệ tinh của sao Mộc, ông đã ước tính tốc độ ánh sáng rơi vào 200.000 km/giây.

Tuy nhiên, kết quả này khác với tốc độ ánh sáng mà chúng ta biết ngày nay, là 299.792 km/giây. Sự sai sót không phải do cách tính của Rømer mà do thời điểm đó, con người chưa biết rằng đường kính thực của Trái đất là 12.742 km. Sau đó, nhà toán học người Hà Lan,

Christiaan Huygens, đã tính toán tốc độ ánh sáng là 220 nghìn km/giây, gần với kết quả thực tế, bằng cách áp dụng giá trị thực của đường kính Trái đất trong tính toán của Rømer.

Năm 1879, nhà vật lý Albert A. Michelson sử dụng gương và thấu kính để đo tốc độ ánh sáng, cho kết quả 299.910 km/giây. 40 năm sau, ông sử dụng một ống thép gấp nếp dài 1,6 km để mô phỏng trạng thái chân không gần và đưa ra một phép đo tốt hơn. Từ đó, cho kết quả chỉ thấp hơn một chút so với giá trị được chấp nhận của tốc độ ánh sáng ngày nay.

Thước đo ngược về quá khứ

Năm 1838, nhà vật lý người Đức, Friedrich Wilhelm Bessel, đã sử dụng giá trị của tốc độ ánh sáng để đo khoảng cách giữa Trái đất và hệ sao đôi 61 Cygni. Mặc dù không đề cập rõ ràng đến từ “năm ánh sáng”, ông giải thích rằng ánh sáng sẽ mất 10,3 năm để truyền từ 61 Cygni đến Trái đất.

Đây là lần đầu tiên một nhà vật lý sử dụng năm ánh sáng làm thước đo khoảng cách. Do đó, Bessel được coi là người đã phát hiện ra năm ánh sáng.

Thuật ngữ “năm ánh sáng” được đề cập lần đầu tiên trong một ấn phẩm khoa học của Đức, tên là Lichtjare vào năm 1851. Vào thời điểm nhà khoa học Einstein đưa ra lý thuyết Tương đối Đặc biệt, năm ánh sáng đã trở thành đơn vị phổ biến để đo khoảng cách thiên văn.

Một năm ánh sáng có thể chia thành giờ ánh sáng, phút ánh sáng, giây ánh sáng, thậm chí là nano giây ánh sáng. Ví dụ, ánh sáng từ Mặt trời mất 8 phút để đến Trái đất, đồng nghĩa Mặt trời cách Trái đất 8 phút ánh sáng.

Lịch sử nhân loại đã ghi nhận nhiều sự kiện thú vị liên quan đến năm ánh sáng. Vào năm tháng 11/2021, tàu thăm dò không gian của NASA, Voyager 1, đã truyền tín hiệu từ khoảng cách 21,31 giờ ánh sáng, tương đương 23,12 tỷ km. Đây là khoảng cách xa nhất mà một vật thể nhân tạo có thể truyền đi trong không gian.

Thiên hà được biết đến gần nhất với dải Ngân Hà là Thiên hà lùn Canis Major, cách Mặt trời 25.000 năm ánh sáng. Thiên hà lùn SagDEG là thiên hà gần nhất, cách Mặt trời 70.000 năm ánh sáng.

Thiên hà được biết đến ở vị trí xa Trái đất nhất là GN-z11, được kính thiên văn Hubble phát hiện vào năm 2016. Vào thời điểm đó, nó được cho là cách Trái đất 13,4 tỷ năm ánh sáng, hay 134 tỷ km.

Ngoài năm ánh sáng, các đơn vị khác dùng để tính khoảng cách trong thiên văn như đơn vị thiên văn (AU), khoảng cách Mặt trăng (LD) và parsec (pc). Khoảng cách Mặt trăng thường được sử dụng để biểu thị khoảng cách giữa các vật thể gần Trái đất.

Trong khi đó, parsec được sử dụng để đo khoảng cách ngoài Hệ Mặt trời, như khoảng cách giữa các thiên hà. Đơn vị thiên văn (AU) bằng khoảng cách trung bình từ tâm Trái đất đến tâm Mặt trời.

Khám phá không gian là cuộc tìm kiếm những điều nằm ngoài Trái đất và các vì sao. Là đơn vị đo khoảng cách, năm ánh sáng cũng là lời nhắc nhở chúng ta về việc vũ trụ rộng lớn đến mức nào, nhân loại và khoa học vẫn còn phải học hỏi nhiều ra sao.