Ánh sáng và bóng tối có khối lượng hay không?

Có một câu hỏi đơn giản trong vật lý nhưng không phải ai trong chúng ta cũng biết: “Ánh sáng có khối lượng hay không và nếu có thì nó nặng bao nhiêu?”.

Ánh sáng là một điều kỳ diệu, nó giúp chúng ta có thể nhìn thấy mọi thứ, nó là các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường. Vào ban ngày, chúng ta có thể thấy ánh sáng bao trùm khắp mọi nơi, nó là một phần không thể thiếu của sự sống. Các nhà khoa học đã dành rất nhiều công sức để nghiên cứu ánh sáng, bản chất của nó cùng với những ứng dụng đặc biệt như năng lượng Mặt Trời hay sự quang hợp.

Để trả lời câu hỏi này, trước tiên chúng ta cần biết ánh sáng được tạo thành từ sự di chuyển của các photon, và điều đặc biệt là các photon không có khối lượng. Như vậy chúng ta có thể dễ dàng kết luận rằng ánh sáng không có khối lượng.

Tuy nhiên mọi chuyên không hề đơn giản như vậy, bởi vì các photon không có khối lượng nhưng chúng có năng lượng. Và theo Einstein thì E=mc2; năng lượng tương đương với khối lượng của vật thể nhân với bình phương tốc độ ánh sáng. Như vậy làm thế nào các photon có thể có năng lượng trong khi khối lượng (m) của nó bằng 0.

Trên thực tế những gì Einstein muốn chứng minh là năng lượng và khối lượng có thể hoán đổi cho nhau. Ánh sáng có thể không có khối lượng bất biến – trọng lượng mô tả sức nặng của một đối tượng. Tuy nhiên theo lý thuyết của Einstein chúng ta có thể kết luận rằng: năng lượng và khối lượng cùng tồn tại với nhau.

Trên thực tế, các nhà khoa học đã chứng minh rằng ánh sáng chịu tác động của lực hấp dẫn. Đó là khi ánh sáng bị bẻ cong khi đến gần Mặt Trời, cũng như ánh sáng bị nuốt chửng bởi hố đen vũ trụ. Mà chỉ có các vật có trọng lượng mới chịu tác động của lực hấp dẫn (theo công thức vạn vật hấp dẫn của Newton, F=GMm/r2).

Trong trường hợp này các nhà khoa học gọi nó là khối lượng tương đối, khối lượng khi một đối tượng di chuyển. Như vậy, chúng ta có thể hiểu rằng bản chất ánh sáng không có khối lượng, nó chỉ có khối lượng tương đối khi di chuyển (được hiểu tương đương với năng lượng). Điều cần lưu ý là ánh sáng là sự di chuyển của các photon, chính vì thế ánh sáng luôn luôn di chuyển và cũng có nghĩa là nó luôn luôn có khối lượng tương đối.

Vậy ánh sáng không di chuyển sẽ không có khối lượng, trong khi đó ánh sáng với các photon không di chuyển sẽ không tạo ra các bức xạ nhìn thấy được và đồng nghĩa với bóng tối. Như vậy chúng ta có thể rút ra kết luận rằng bóng tối không có khối lượng, nó cũng không có khối lượng tương đối, bóng tối không có gì hết. Có thể tưởng tượng rằng nếu một chiếc hộp có thể chứa ánh sáng và một chiếc hộp chứa bóng tối thì chiếc hộp chứa ánh sáng sẽ nặng hơn.

Tuy nhiên khối lượng của ánh sáng là bao nhiêu? Hiện nay các nhà khoa học vẫn chưa đưa ra con số chính xác. Tuy nhiên ánh sáng di chuyển có năng lượng, có khối lượng tương đối, cũng có nghĩa là nó tác động lực lên vật thể mà nó chiếu vào. Các nhà khoa học đã đo được lực tương tác này của ánh sáng. Và kết quả là với 1 inch vuông (khoảng 6,5cm²) thì lực tác động này là 1/500.000kg. Nếu tính trên một diện tích rộng lớn hơn chúng ta sẽ có một con số thú vị hơn. Ví dụ như vào một ngày nắng đẹp tại thành phố Chicago thì toàn bộ thành phố phải chịu một lực nén khoảng 140kg từ ánh sáng Mặt Trời.

Tham khảo: howstuffworks, io9, wiki