Phóng to

Xét cho cùng, mỗi buổi sáng khi tỉnh dậy và mở mắt ra, chúng ta có cảm giác rằng các hình ảnh của thế giới xung quanh xâm chiếm tức thì ý thức của chúng ta. Địa vị siêu hình học của ánh sáng thời Trung Cổ vẫn còn tiếp tục củng cố niềm tin này: bởi vì ánh sáng là biểu hiện của Chúa mà Chúa thì hiện diện khắp nơi, nên sự lan truyền của ánh sáng phải là tức thời. Ngay cả Kepler và Descartes, những người đã khai mở kỷ nguyên khoa học hiện đại, cũng khư khư giữ chặt quan điểm cho rằng ánh sáng đến với chúng ta mà không cần mất một khoảng thời gian nào.

Trung thành với danh tiếng là người quan sát tự nhiên, Galileo là người đầu tiên tiến hành thí nghiệm để kiểm tra giả thiết này. Ông đặt hai người ở hai vị trí khác nhau, mỗi người cầm một cái đèn lồng. Ông yêu cầu họ gửi cho nhau các chớp sáng bằng cách đưa tay che trước đèn, rồi sau đó rút tay lại. Mỗi người phải trả lời cho người kia bằng một chớp sáng ngay khi nhận được chớp sáng do người kia phát ra. Galileo nhận xét một cách đúng đắn rằng nếu ánh sáng phải mất thời gian để lan truyền, thì các khoảng thời gian giữa hai chớp sáng kế tiếp nhau xuất phát từ cùng một người phải càng dài nếu khoảng cách giữa hai người càng xa. Nhưng, khi tách hai người ra xa hơn, ông không phát hiện ra bất kỳ khác biệt nào. Từ đó Galileo kết luận rằng hoặc là sự lan truyền ánh sáng là tức thời, hoặc là vận tốc của ánh sáng là cực lớn.

Phải mãi tới sau này, nhà thiên văn học người Đan Mạch là Ole Römer (1644-1710) mới chứng minh được rằng kết luận thứ hai của Galileo là đúng. Năm 1671, vua Louis XIV mời Römer đến làm việc tại Đài thiên văn hoàng gia Paris mà ông vừa thành lập. Tại đây, Römer chuyên nghiên cứu vấn đề quỹ đạo của một trong các mặt trăng của Mộc tinh, tên là Io, được Galileo phát hiện năm 1610 ngay sau khi phát minh ra kính thiên văn. Römer xác định thời gian để Io đi hết một vòng quỹ đạo của nó quanh Mộc tinh bằng cách đo khoảng thời gian giữa hai lần nguyệt thực liên tiếp của mặt trăng Mộc tinh, nguyệt thực này xảy ra trong mỗi vòng quay khi Io đi qua phía sau Mộc tinh. Ông phát hiện ra một hiện tượng lạ: thời gian để Io thực hiện được một vòng quay quanh Mộc tinh không cố định, mà thay đổi theo chu kỳ (trung bình là 42 giờ rưỡi). Thời gian này tăng khoảng 20 phút khi Trái Đất, trong chuyến chu du hằng năm quanh Mặt Trời, ở xa Mộc tinh nhất, và giảm cũng chừng ấy thời gian khi Trái Đất gần Mộc tinh nhất (H. 7). Mà thời gian Io quay một vòng quanh Mộc tinh không thể thăng giáng, cũng giống như Mặt Trăng luôn quay quanh Trái Đất một vòng hết đúng một tháng.

Hình 7. Ole Römer (1644-1710) đo vận tốc ánh sáng năm 1676. Nhà thiên văn học Đan Mạch đo khoảng thời gian giữa hai lần nguyệt thực liên tiếp của mặt trăng Io của Mộc tinh, từ hai vị trí khác nhau của Trái Đất trên quỹ đạo của nó quanh Mặt Trời: 1) khi Trái Đất gần Mộc tinh và Io nhất, và 2) khi Trái Đất cách xa chúng nhất. Kết quả của hai phép đo chênh nhau khoảng hai mươi phút: đó là thời gian cần thiết để ánh sáng đi qua khoảng cách bằng đường kính của quỹ đạo Trái Đất. Chỉ cần chia khoảng cách này (tính bằng các kỹ thuật khác) cho thời gian 20 phút là biết vận tốc của ánh sáng.

Römer đã giải thích chính xác độ lệch biểu kiến của chu kỳ quỹ đạo của Io là bằng chứng cho thấy ánh sáng từ Io phải mất một khoảng thời gian nhất định để đến được Trái Đất, và khoảng thời gian gần 20 phút (giá trị chính xác đo được bằng các máy đo hiện đại là 16 phút 36 giây) là ứng với thời gian bổ sung cần thiết để ánh sáng đi từ Io tới vị trí xa nhất của Trái Đất . Sở dĩ Römer thành công ở chỗ mà Galileo đã thất bại, đó là vì khoảng cách Mộc tinh - Trái Đất là khoảng 600 triệu kilômét, trong khi hai người truyền cho nhau các chớp sáng trong thí nghiệm của Galileo chỉ cách nhau vài trăm mét ! Bởi vì vận tốc của ánh sáng là cực lớn (7,5 lần vòng quanh trái đất trong một giây), nên phải dùng các khoảng cách thiên văn mới có thể làm sáng tỏ được sự chênh lệch thời gian mà ánh sáng phải mất để đến được chúng ta. Như vậy quan niệm của Descartes về một plenum truyền tức thời các thay đổi cơ học do ánh sáng gây ra là hoàn toàn sai lầm.