Ánh sáng mang những đặc tính giống cả hạt lẫn sóng, có thể di chuyển với tốc độ lên tới khoảng 300.000km mỗi giây trong chân không.
Năm 1676, khi nghiên cứu mặt trăng Io của sao Mộc chuyển động, nhà thiên văn người Đan Mạch Ole Romer tính toán rằng ánh sáng truyền đi với tốc độ hữu hạn. Hai năm sau, dựa trên dữ liệu mà Romer thu thập, nhà khoa học Hà Lan Christiaan Huygens trở thành người đầu tiên cố gắng xác định tốc độ thực của ánh sáng, theo Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Mỹ, thành phố New York.
Minh họa các chùm ánh sáng. (Ảnh: Yuichiro Chino)
Huygens đưa ra con số 211.000km mỗi giây. Con số này không chính xác theo tiêu chuẩn ngày nay, khi các nhà khoa học đo được tốc độ ánh sáng trong chân không là khoảng 299.792 km mỗi giây. Tuy nhiên, tính toán của ông cũng đã cho thấy ánh sáng truyền đi với tốc độ đáng kinh ngạc.
Theo thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein, ánh sáng truyền đi nhanh đến mức trong chân không, không gì trong vũ trụ có thể chuyển động nhanh hơn.
"Chúng ta không thể di chuyển trong chân không vũ trụ nhanh hơn ánh sáng", Jason Cassibry, phó giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ tại Trung tâm Nghiên cứu Lực đẩy, Đại học Alabama, khẳng định.
Vậy khi ánh sáng không ở trong chân không, điều này còn đúng không?
Về mặt kỹ thuật, chính lời khẳng định "không gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng" cũng không hoàn toàn chính xác, ít nhất là trong môi trường không phải chân không, theo Claudia de Rham, nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Hoàng gia London.
Ánh sáng thể hiện những đặc tính giống cả hạt lẫn sóng, do đó có thể coi là cả hạt (photon) và sóng. Điều này gọi là lưỡng tính sóng - hạt.
Nếu coi ánh sáng như sóng thì có nhiều lý do khiến một số sóng có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng trắng (hoặc không màu) trong một môi trường nào đó, theo de Rham. Một lý do là khi ánh sáng truyền qua một môi trường - ví dụ thủy tinh hoặc giọt nước - thì các tần số hoặc màu sắc ánh sáng khác nhau truyền đi với tốc độ khác nhau.
Ví dụ trực quan rõ ràng nhất về điều này xảy ra với cầu vồng. Cầu vồng thường có bước sóng đỏ (dài và nhanh hơn) ở phía trên, bước sóng tím (ngắn và chậm hơn) ở phía dưới, theo Đại học Wisconsin - Madison.
Cầu vồng trên hồ Harper Lake ở Louisville, bang Colorado, Mỹ. (Ảnh: Bambi L. Dingman/dreamstime)
Tuy nhiên, khi ánh sáng truyền qua chân không, điều này không còn chính xác. "Mọi ánh sáng đều là một loại sóng điện từ và tất cả chúng có cùng tốc độ trong chân không. Điều này đồng nghĩa cả sóng vô tuyến và tia gamma đều có tốc độ như nhau", Rhett Allain, giáo sư vật lý tại Đại học Đông Nam Louisiana, giải thích.
Vì vậy, theo de Rham, thứ duy nhất có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng chính là ánh sáng, nhưng chỉ khi không ở trong chân không vũ trụ. Lưu ý, bất kể trong môi trường nào, ánh sáng cũng không bao giờ vượt quá tốc độ tối đa là 299.792 km mỗi giây.
Tuy nhiên, theo Cassibry, có một số điểm cần xem xét khi nói về những thứ chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng. "Có những phần vũ trụ đang giãn nở ra xa khỏi chúng ta với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng vì không - thời gian đang giãn nở", ông nói.
Ví dụ, kính viễn vọng không gian Hubble gần đây đã phát hiện ánh sáng 12,9 tỷ năm tuổi từ ngôi sao Earendel xa xôi. Tuy nhiên, vì vũ trụ đang giãn nở tại mọi điểm, Earendel cũng đang di chuyển ra xa khỏi Trái đất. Nó đã di chuyển như vậy kể từ khi hình thành và hiện cách Trái đất tới 28 tỷ năm ánh sáng.
Trong trường hợp này, không - thời gian đang giãn nở, nhưng vật chất trong không - thời gian vẫn di chuyển trong giới hạn của tốc độ ánh sáng.
Vị trí của Earendel trong ảnh chụp từ kính Hubble. (Ảnh: NASA)
"Chúng ta có thể hình dung việc truyền tin với tốc độ ánh sáng thông qua các hệ thống ngoài hệ Mặt Trời. Nhưng vận chuyển con người với tốc độ ánh sáng thì không thể vì chúng ta không thể tăng tốc bản thân đến mức như vậy", de Rham nói.
"Kể cả trong điều kiện lý tưởng, nơi chúng ta có khả năng liên tục tăng tốc bản thân với tốc độ không đổi - bỏ qua việc làm thế nào để có công nghệ giúp con người tăng tốc liên tục - chúng ta cũng không bao giờ thực sự đạt được tốc độ ánh sáng. Chúng ta có thể tới gần nhưng không bao giờ chạm ngưỡng đó", bà bổ sung.
Cassibry cũng đồng tính với ý kiến này. "Bỏ qua thuyết tương đối, nếu tăng tốc ở mức 1G (trọng lực Trái đất), bạn sẽ mất một năm để đạt tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, bạn sẽ không bao giờ thực sự đạt được vận tốc đó vì khi bạn bắt đầu tiệm cận tốc độ ánh sáng, năng lượng khối lượng của bạn tăng lên, tiến gần đến vô hạn", ông nói.
"Một trong số ít những cách gian lận có thể sử dụng là mở rộng và thu hẹp không - thời gian, qua đó kéo mục tiêu về gần bạn hơn. Dường như không có giới hạn cơ bản nào về tốc độ giãn nở hay co lại của không - thời gian, nghĩa là chúng ta có thể tới gần giới hạn vận tốc này vào một ngày nào đó", Cassibry bổ sung.
Allain cũng nhận định, di chuyển nhanh hơn ánh sáng là điều xa vời, nhưng lưu ý rằng nếu con người muốn khám phá các hành tinh xa xôi, có thể không thực sự cần đạt tốc độ như vậy.
Ông cho rằng lỗ sâu (wormhole) có thể là một giải pháp nếu con người muốn di chuyển nhanh. "Cách này không thực sự khiến chúng ta đi nhanh hơn ánh sáng, nhưng cung cấp cho chúng ta lối tắt đến một số vị trí trong vũ trụ", ông nói.