Ánh sáng có thể trải dài từ Los Angeles đến New York trong vòng chưa đầy chớp mắt. Mặc dù 1% của bất cứ điều gì nghe không giống nhiều, nhưng với ánh sáng, tốc độ đó vẫn thực sự nhanh - gần 7 triệu dặm một giờ!
Với tốc độ 1% ánh sáng, sẽ mất hơn một giây để đi từ Los Angeles đến New York. Tốc độ này nhanh hơn 10.000 lần so với máy bay phản lực thương mại hiện nay. Tàu thăm dò Mặt trời Parker được thể hiện bởi một nghệ sĩ, là vật thể nhanh nhất từng được con người tạo ra và sử dụng lực hấp dẫn của Mặt trời để di chuyển bằng 0,05% tốc độ ánh sáng.
Viên đạn có thể bay đến 4.200 km/giờ - tức gấp hơn 3 lần tốc độ âm thanh. Máy bay nhanh nhất là máy bay phản lực X3 của NASA, với tốc độ tối đa 11.200 km/giờ. Điều đó nghe có vẻ ấn tượng, nhưng nó vẫn chỉ bằng 0,001% tốc độ ánh sáng. Hiện nay, những vật thể do con người tạo ra nhanh nhất là tàu vũ trụ.
Người ta sử dụng tên lửa để phá vỡ lực hấp dẫn của Trái đất, có tốc độ 40.000km/giờ. Tàu vũ trụ đang di chuyển nhanh nhất là Tàu thăm dò Mặt trời Parker của NASA. Sau khi phóng từ Trái đất vào năm 2018, nó lướt qua bầu khí quyển thiêu đốt của Mặt trời và sử dụng lực hấp dẫn của Mặt trời để đạt vận tốc 535.000 km/giờ. Tốc độ đó nhanh đến chóng mặt - nhưng chỉ bằng 0,05% tốc độ ánh sáng.
Điều gì đang ngăn cản loài người đạt tới 1% tốc độ ánh sáng? Nói một cách ngắn gọn - đó là năng lượng. Bất kỳ vật thể nào đang chuyển động đều có năng lượng do chuyển động của nó. Các nhà vật lý gọi đây là động năng. Để đi nhanh hơn, bạn cần tăng động năng. Vấn đề là cần nhiều động năng để tăng tốc độ? Để làm cho một cái gì đó di chuyển nhanh gấp đôi, cần gấp 4 lần năng lượng. Tạo ra một thứ gì đó nhanh gấp 3 lần đòi hỏi năng lượng gấp 9 lần,...
Ví dụ, để một thiếu niên nặng 50 kg đạt 1% tốc độ ánh sáng, sẽ tốn 200 nghìn tỷ Joules [một phép đo năng lượng]. Lượng đó gần bằng lượng năng lượng mà 2 triệu người ở Mỹ sử dụng trong một ngày. Cánh buồm mặt trời, hình vuông sáng bóng mỏng được nhìn thấy trong bản trình diễn tàu vũ trụ IKAROS của nghệ sĩ Nhật Bản, có thể đẩy một tàu vũ trụ bằng 10% tốc độ ánh sáng.
Chúng ta có thể di chuyển nhanh như thế nào?
Có thể đạt được thứ gì đó bằng 1% tốc độ ánh sáng, nhưng nó sẽ tốn một lượng năng lượng khổng lồ. Con người có thể làm cho một cái gì đó đi nhanh hơn nữa không? Đúng! Nhưng các kỹ sư cần phải tìm ra những cách mới để làm cho mọi thứ di chuyển trong không gian. Tất cả các tên lửa - ngay cả những tên lửa mới kiểu dáng đẹp được SpaceX và Blue Origins sử dụng - đốt cháy nhiên liệu không khác nhiều so với xăng trong ô tô.
Vấn đề là nhiên liệu đốt rất kém hiệu quả. Những phương pháp khác để đẩy tàu vũ trụ liên quan đến việc sử dụng lực điện hoặc lực từ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân - quá trình cung cấp năng lượng cho Mặt trời - cũng hiệu quả hơn nhiều so với nhiên liệu hóa học.
Các nhà khoa học đang nghiên cứu nhiều cách khác để di chuyển cực nhanh - thậm chí là các ổ đĩa dọc, cách di chuyển nhanh hơn ánh sáng được phổ biến bởi Star Trek. Một cách đầy hứa hẹn để đưa một thứ gì đó di chuyển rất nhanh là sử dụng một cánh buồm mặt trời. Đây là những tấm nhựa mỏng, lớn được gắn vào tàu vũ trụ và được thiết kế để ánh sáng mặt trời có thể đẩy vào chúng, giống như gió trong cánh buồm bình thường.
Một số tàu vũ trụ đã sử dụng cánh buồm mặt trời để chứng tỏ rằng chúng hoạt động, và các nhà khoa học nghĩ rằng cánh buồm mặt trời có thể đẩy tàu vũ trụ tới 10% tốc độ ánh sáng. Một ngày nào đó, khi loài người không bị giới hạn trong một phần nhỏ tốc độ ánh sáng, chúng ta có thể du hành tới các vì sao.
Nếu âm thanh nhanh gấp một triệu lần - bằng vận tốc ánh sáng - con người sẽ không thể sống sót do tác động khủng khiếp của sóng âm.
So với ánh sáng có vận tốc 300.000 km mỗi giây, sóng âm rất chậm chạp khi di chuyển trong không khí với vận tốc chỉ 0,3 km mỗi giây. Đó là lý do khiến chúng ta nhìn thấy sét trước khi nghe tiếng sấm. Vậy chuyện gì xảy ra khi vận tốc âm thanh đột nhiên tăng gấp một triệu lần, nghĩa là nhanh tương đương ánh sáng?
Khi đó, con người sẽ nghe thấy tiếng sấm cùng lúc với sét lóe lên. Tuy nhiên, sét sẽ trông rất khác thường.
Sóng âm gồm các hạt, mỗi hạt di chuyển vừa đủ để va chạm với hạt tiếp theo. Điều này tạo ra những khu vực có mật độ cao hơn và thấp hơn trong sóng, theo George Gollin, giáo sư vật lý tại Đại học Illinois. Hãy hình dung về lò xo cầu vồng [lò xo slinky] - khi món đồ chơi này di chuyển, các vòng dây liên tục chụm vào rồi lại tỏa ra. Các sóng âm cũng tương tự như vậy. Ở tốc độ thấp, sự thay đổi về mật độ không thể nhận thấy, nhưng ở tốc độ ánh sáng thì hoàn toàn khác.
"Trong cơn giông, không khí sẽ rất ẩm, sóng âm đi qua và ép chặt mọi thứ, sau đó tỏa rộng ra và áp suất hạ xuống đáng kể", Gollin nói. Áp suất tương ứng với nhiệt độ nên việc áp suất không khí giảm đột ngột sau tiếng sấm khiến không khí ẩm đóng băng. Do đó, con người sẽ nhìn thấy tia sét qua một màn sương dày gồm các tinh thể băng.
Với tốc độ cực nhanh, âm thanh trong thế giới của chúng ta sẽ thay đổi hoàn toàn. Ví dụ, giọng nói có cao độ lớn đến mức không thể nghe thấy. "Thậm chí con chó mà bạn nuôi cũng không nghe được tiếng của chủ", William Robertson, giáo sư khoa vật lý và thiên văn tại Đại học Bang Middle Tennessee, cho biết.
Các dây thanh đới của người phát ra âm thanh bằng cách tạo các sóng dừng, hoạt động giống như những sợi dây thừng nặng gắn vào tường trong phòng gym. Khi người tập lắc chúng đủ nhanh, các sóng bắt đầu dao động lên xuống mà dường như không truyền dọc theo sợi dây. Khi dây thừng bị lắc ngày càng nhanh, số lượng sóng - hay tần số - tăng lên. Tương tự, khi các sóng âm sinh ra từ thanh quản của người tăng tốc, chúng cũng tăng tần số.
Với sóng âm, tần số tăng đồng nghĩa cao độ tăng. Ví dụ, sóng âm di chuyển qua heli nguyên chất nhanh gấp ba lần khi di chuyển qua không khí. Do đó, việc hít khí heli khiến giọng nói của con người trở nên giống nhân vật hoạt hình. Nếu âm thanh tăng tốc gấp một triệu lần, kết quả sẽ ấn tượng hơn nhiều.
Dàn nhạc sẽ chịu ảnh hưởng vô cùng thảm khốc, Robertson nhận xét. Các nhạc cụ hơi hoạt động tương tự dây thanh đới ở người, âm thanh chuyển động qua lại bên trong khoang của kèn oboe hoặc trumpet, từ đó tạo ra sóng dừng. Con người sẽ phải thiết kế nhạc cụ hơi dài gấp một triệu lần để giữ cho chúng đồng điệu với đàn violin và cello. Nguyên nhân là khi vận tốc âm thanh truyền đi trong không khí thay đổi, vận tốc truyền trong dây vẫn giữ nguyên.
Tuy nhiên, con người không thể sống sót để trải nghiệm những thay đổi ấn tượng này vì chỉ một tiếng sáo nhẹ cũng sẽ khiến mọi thứ xung quanh nổ tung thành nhiều mảnh.
Ánh sáng truyền đi trong các sóng điện từ, chúng không cấu tạo từ vật chất. Nhưng sóng âm lại gồm các hạt va chạm với nhau. Một phân tử di chuyển với vận tốc ánh sáng sẽ có năng lượng gần như vô hạn, Gollin cho biết. Nó sẽ thổi tung mọi hạt mà nó chạm trán, khiến các electron văng đi, đồng thời tạo ra một "cơn mưa" vật chất và phản vật chất - loại hạt sinh ra trong những vụ va chạm tốc độ cực cao và mang đặc tính trái ngược với vật chất. "Các tác động khi đó sẽ vô cùng ngoạn mục", Gollin nhận định.
Tốc độ âm thanh với tốc độ ánh sáng Ai nhanh hơn?
Theo các nhà khoa học, so với ánh sáng có vận tốc lên tới 300.000 km/ giây, sóng âm lại cực kỳ chậm chạp trong không khí với vận tốc chỉ là 0,3 km/giây.
Cái gì nhanh hơn tốc độ ánh sáng?
Vì vậy, theo De Rham, thứ duy nhất có khả năng di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng chính là ánh sáng, nhưng chỉ khi không ở trong chân không vũ trụ. Nhà khoa học lưu ý, bất kể trong môi trường nào, ánh sáng cũng không bao giờ vượt quá tốc độ tối đa là 299.792km mỗi giây.
Cái gì nhanh nhất vũ trụ?
Theo kiến thức của con người hiện nay, thứ nhanh nhất vũ trụ là các photon ánh sáng, theo sau là các hạt hạ nguyên tử khi ở trong máy gia tốc hạt hoặc những sự kiện thiên văn năng lượng cao.
Tốc độ âm thanh là bao nhiêu km?
Ở mực nước biển, tại nhiệt độ 21 °C [70 °F] và với áp suất tiêu chuẩn, tốc độ âm thanh trong không khí là khoảng 343.2 m/s [768 mph hay 1236 km/h].