Ánh sáng không có khối lượng nhưng tại sao nó lại bị hấp dẫn bởi trọng lực?

Khám phá bản chất của ánh sáng

Ánh sáng, như một sóng điện từ, có nhiều tính chất độc đáo. Mặc dù ánh sáng truyền đi cực kỳ nhanh và thể hiện hành vi giống hạt, nhưng thực tế nó không có khối lượng. 

Tốc độ lan truyền của ánh sáng rất nhanh. Theo thuyết tương đối của nhà vật lý lý thuyết Einstein, tốc độ ánh sáng được coi là thứ nhanh nhất trong vũ trụ. Trong chân không, tốc độ ánh sáng đạt khoảng 300.000 km mỗi giây, tương đương với tốc độ ánh sáng cần thiết để truyền đi bảy vòng quanh xích đạo Trái Đất. Tốc độ đáng kinh ngạc này là biểu hiện trực tiếp của bản chất không khối lượng của ánh sáng.

Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất chủ yếu dựa trên tính chất sóng điện từ của ánh sáng chứ không phải khối lượng của nó. Sóng ánh sáng có thể bị khúc xạ, phản xạ và tán xạ, những hiện tượng này đều dựa trên sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất, liên quan đến sự tương tác giữa điện trường dao động và từ trường của ánh sáng và không liên quan gì đến chất lượng của ánh sáng. 

Hành vi của ánh sáng có thể được giải thích bằng lý thuyết hạt, ví dụ nổi tiếng nhất trong số đó là giả thuyết lượng tử về ánh sáng do Einstein đề xuất. Theo giả định này, ánh sáng có thể được xem như bao gồm một loạt các hạt rời rạc, gọi là photon. Photon là đơn vị cơ bản của ánh sáng, mỗi photon mang năng lượng và truyền đi với tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù photon thể hiện tính chất hạt nhưng chúng không có khối lượng. Đây là một biểu hiện khác của bản chất không khối lượng của ánh sáng.

Lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng là một bằng chứng quan trọng về tính chất không khối lượng của ánh sáng. Theo lý thuyết lưỡng tính sóng-hạt, ánh sáng có thể biểu hiện cả đặc tính sóng, chẳng hạn như hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, lẫn đặc tính hạt, chẳng hạn như sự rời rạc hóa năng lượng ánh sáng giữa các hạt photon. Lưỡng tính sóng-hạt này có nghĩa là ánh sáng có cả tính chất sóng và hạt, điều này đã tạo ra nhiều hiện tượng và hiệu ứng thú vị trong nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế.

Tại sao trọng lực tác dụng lên ánh sáng?

Trọng lực không chỉ thu hút các vật thể lại với nhau mà còn ảnh hưởng đến ánh sáng. Điều này đặt ra một câu hỏi: Ánh sáng bị ảnh hưởng bởi trọng lực như thế nào? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần hiểu các nguyên tắc cơ bản của thuyết tương đối rộng.

Thuyết tương đối tổng quát là một lý thuyết vật lý mới do Einstein đề xuất vào đầu thế kỷ 20. Nó đã lật đổ khái niệm cơ học Newton và đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích hành vi của trọng lực và ánh sáng. Nói cách khác, khối lượng của vật thể làm biến dạng không-thời gian xung quanh, ảnh hưởng đến đường đi của ánh sáng.

Trong lý thuyết hấp dẫn của Newton, lực hấp dẫn được hiểu là lực hút lẫn nhau giữa hai vật thể. Tuy nhiên, trong thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn được coi là độ cong của không-thời gian. Hiệu ứng của độ cong này làm cho các vật chuyển động dọc theo những đường cong trong thời gian và không gian. Khi ánh sáng truyền qua không-thời gian bị biến dạng, đường đi của nó bị lệch và được coi là bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn.

Theo thuyết tương đối rộng, đường truyền của ánh sáng trong không-thời gian cong sẽ đi theo một đường cong gọi là “trắc địa”. Đường cong này được xác định bởi khối lượng và trường hấp dẫn của vật thể. Khi ánh sáng truyền qua trường hấp dẫn, nó đi theo đường cong này, làm cho đường đi của nó lệch khỏi đường thẳng.

Một ví dụ kinh điển là hành vi của ánh sáng Mặt Trời khi nó đi qua gần Mặt Trời. Vì nó quá lớn nên nó làm biến dạng không-thời gian xung quanh, tạo thành trường hấp dẫn. Khi ánh sáng đi gần Mặt Trời, nó sẽ di chuyển dọc theo một đường cong được xác định bởi trường hấp dẫn của mặt trời, dẫn đến cái gọi là hiệu ứng "thấu kính hấp dẫn". Đây là lý do tại sao trong một số trường hợp, chúng ta có thể nhìn thấy các ngôi sao phía sau mình vì ánh sáng của chúng bị trường hấp dẫn của Mặt trời bẻ cong trước khi đến mắt chúng ta.

Ngoài Mặt Trời, các ngôi sao khác cũng sẽ tạo ra hiệu ứng tương tự. Ví dụ, lỗ đen là một thiên thể cực kỳ nặng có trường hấp dẫn cực kỳ mạnh và có thể bẻ cong không-thời gian xung quanh đến một mức độ cực độ. Khi ánh sáng đi vào vùng lân cận của lỗ đen, nó không thể thoát khỏi lực hấp dẫn của lỗ đen và cuối cùng bị hút vào bên trong lỗ đen.

Trong nghiên cứu và quan sát khoa học, việc sử dụng tác dụng của trọng lực lên ánh sáng có thể cung cấp một số thông tin quan trọng. Ví dụ, bằng cách quan sát thấu kính hấp dẫn trong các cụm thiên hà, các nhà khoa học có thể suy ra sự phân bố vật chất tối có trong cụm. Điều này cung cấp những manh mối có giá trị cho sự hiểu biết của chúng ta về cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ.

Tác dụng của lực hấp dẫn lên ánh sáng là một dự đoán quan trọng của thuyết tương đối rộng. Theo lý thuyết này, ánh sáng đi theo đường trắc địa trong không-thời gian cong và bị ảnh hưởng bởi khối lượng và trường hấp dẫn của vật thể. Nguyên lý này không chỉ giải thích hiện tượng ánh sáng bị hấp dẫn làm lệch hướng mà còn cung cấp một công cụ quý giá cho nghiên cứu khoa học. Bằng cách nghiên cứu tác dụng của trọng lực lên ánh sáng, chúng ta có thể hiểu rõ hơn những bí ẩn của vũ trụ.

Tham khảo: Zhihu