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
(Theo khoahoc.com.vn)
Các bài viết liên quan:
9 hành tinh đáng sợ nhất trong vũ trụ
Những loài côn trùng đẹp đến kỳ ảo
Cây tái sinh sau 400 năm ‘dở sống, dở chết’ dưới sông băng
“Cư dân sao Hỏa” đáng sợ đến đâu?
Phát hiện… cán chổi trong xác ướp ngàn năm
Khảo cổ “chất thải” thời cổ đại ở toilet 800 năm tuổi
PHÁT HIỆN: Thực vật làm toán cực siêu
“Đắp chăn” cho băng tuyết trăm tuổi để tránh bị tan chảy
Chương 10 KHỐI LƯỢNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Một ống dẫn nước có tiết-diện cắt ngang là 1 m^2, nếu vận-tốc dòng chảy là 3 m/s, thì trong 1 giây sẽ có 3 m^3 chảy qua tiết-diện này: ( 3 m/s x 1 m^2 = 3 m^3/s )
Ta gọi trị số này là lưu-lượng dòng chảy
Tương-tự như vậy: Lưu-lượng ánh-sáng Mặt-Trời đi qua 1 m^2 (tiết-diện mặt cắt vuông góc với tia sáng) là: 3×10^8 m^3/s
Theo các số-liệu đo đạc, cứ 1 m^2, trong 1 s, mặt đất nhận được 1360 J từ năng-lượng Mặt-trời (1360 W/m^2). Do đó, trong 1 m^3 khoảng không vũ-trụ sẽ “chứa” được mức năng-lượng là:
E = 1360 J/s / 3×10^8 m^3/s= 4,53 x 10^-6 J/m^3
Mà E = ½ Mf. C^2, Suy ra khối-lượng photon (Mf) tham-gia chuyển-tải năng-lượng là:
Mf = 2E / C2 = 2×4.53×10^-6 / 9×10^16 > 10^-22 kg/m^3 (hay là 0,1 kg cho khối lập phương có mỗi cạnh là 10 000km)
Số liệu 1360 W/m^2 trên đây là công-suất ở cách xa nguồn Mặt-Trời 149,6 triệu km.Trái-Đất chỉ nhận được có 1 phần 2 223 000 000 trong tổng số năng lượng đó (Ta lấy diện-tích mặt cầu có bán-kính 150,3 triệu km, chia cho diện tích hình tròn có bán-kính 6375km, theo như Hình 10-A).Càng gần Mặt-Trời, thì công-suất này càng lớn hơn nhiều. Do đó khối-lượng photon tham gia chuyển tải năng-lượng còn nhiều hơn.
Trị-số 10^-22 kg/m3 không phải là khối lượng riêng của khoảng không vũ-trụ, mà chỉ là khối-lượng photon tham-gia chuyển-tải năng-lượng Mặt-trời mà thôi. Thực sự thì khối lượng riêng của “khoảng không vũ trụ” (không tính khối-lượng Mặt-Trời và các ngôi sao) lớn hơn 10^-22 kg/m3 rất nhiều !
Từ xưa đến nay, người ta vẫn thường nghĩ rằng khoảng không vũ trụ trống rỗng tuyệt đối, không hề có khối lượng. Đó là một ý-nghĩ sai lầm: Bởi vì nếu khoảng không vũ-trụ mà không có photon, thì sóng điện-từ sẽ không có ai để chuyển tải năng-lượng. Điều này cũng ví như Mặt trăng không có không-khí, thì sóng âm-thanh không truyền đi được.
Ngoài photon ra, trong khoảng không vũ-trụ còn có những đám mây bụi khí, hoặc những đám khí loãng khuếch-tán có hình dạng không rõ-rệt.Quang phổ vạch cho thấy gồm có Hydro, Oxy và các khí nhẹ khác. Mật độ của các đám mây khí này vào khoàng 10^-20 đến 10^-18 kg/m3.(theo Giáo trình Thiên-văn của tác giả Phạm Viết Trinh, nxb GD 1995) Căn cứ vào đó, ta khẳng định rằng: Khối-lượng riêng của toàn vũ-trụ (tính luôn khối lượng các ngôi sao và các hành-tinh) phải lớn hơn 10^-22 kg/m3 rất nhiều
Theo thuyết tương đối rộng, thì độ cong của không-gian phụ thuộc vào giá-trị trung-bình của mật-độ vật chất. Nếu mật độ vật- chất bé hơn giá-trị tới hạn, thì độ cong không gian là âm (vũ trụ đang ở trong pha giãn nở). Nếu mật độ bằng giá trị tới hạn thì độ cong bằng zero (vũ trụ không giãn nở). Nếu lớn hơn giá trị tới hạn thì vũ-trụ đang ở trong pha co lại.
Giá trị trung bình tới hạn của mật độ vật chất trong vũ trụ( ρ t.h) được tính theo biểu thức: ρt.h = 3H^2 / 8πG ( H là hằng-số Hubble, G là hằng-số hấp-dẫn)
Với H = 100 km/s.Mps và G = 6.67 x 10^-11 MKS, thì ρt.h = 2 x 10^-26/m3
Theo các số liệu quan trắc được, thì mật độ vật chất vũ-trụ trung-bình là 5 x 10^-29 kg/m^3, nghĩa là nhỏ hơn giá trị tới hạn, nên vũ trụ đang ở trong pha giãn nở
Rất nhiều nhà khoa học hoài nghi mô hình vũ trụ loại này. Trước hết, họ nghi ngờ giá trị trung bình mật độ vật chất đã tính 5 x 10^-29 kg/m^3. Bằng cách nào mà người ta biết được toàn bộ khối lượng vật chất chứa trong vũ trụ? Nếu bây giờ đúng là vũ trụ đang ở trong pha giãn nở, thì trước đây vũ trụ phải có mật độ lớn hơn (tức là ở trạng thái co). Làm sao để phân biệt trạng thái co chuyển sang trạng thái giãn nở?
Ông Bà xưa thường dạy: “nói có sách, mách có chứng”. Vậy xin hỏi các bạn: Với con số 10^-22 kg/m3 này, thế thì vũ-trụ của chúng ta đang co lại phải không?
[email protected]
LÝ THUYẾT THỐNG NHẤT CÁC TRƯỜNG TƯƠNG TÁC https://www.facebook.com/pages/L%C3%BD-Thuy%E1%BA%BFt-Th%E1%BB%91ng-Nh%E1%BA%A5t-C%C3%A1c-Tr%C6%B0%E1%BB%9Dng-T%C6%B0%C6%A1ng-T%C3%A1c/295275303953877