Trong một ngày mưa bão, bạn sẽ thấy một tia chớp thầm lặng xuất hiện trên bầu trời và khoảng 4 giây sau, bạn mới nghe tiếng sấm ầm ầm, đôi khi làm bạn giật mình. Có lẽ bạn đã biết nguyên nhân của hiện tượng này, do ánh sáng di chuyển nhanh hơn âm thanh rất nhiều. Ánh sáng di chuyển với tốc độ lên đến 300.000 km/giây, trong khi đó, sóng âm di chuyển trong không khí với tốc độ chậm chạp 0,3km/giây.
Nhưng chuyện gì sẽ xảy ra nếu tốc độ âm thanh trong không khí nhanh hơn cả triệu lần, để ngang bằng với tốc độ ánh sáng?
Tất nhiên, nếu như vậy thì bạn sẽ có thể nghe thấy tiếng sấm cùng lúc với tia chóp, có vẻ như rất hoành tráng và hoàn hảo, nhưng thật sự thì bạn sẽ không muốn trải nghiệm cảm giác đó đâu.
Sóng âm bao gồm các hạt, mỗi hạt chuyển động nhẹ đủ để va chạm vào hạt kế bên. George Gollin, giáo sư vật lý tại Đại học Illinois, cho biết điều đó tạo ra các khu vực có mật độ cao hơn và thấp hơn trong sóng âm. Ông lấy ví dụ món đồ chơi lò xo: khi nó di chuyển, các vòng dây liên tục chụm lại với nhau sau đó lại bung ra. Sóng âm thanh cũng tương tự như vậy. Ở tốc độ chậm, sự thay đổi mật độ đó là không thể nhận thấy. Ở tốc độ ánh sáng, đó là một câu chuyện khác.
Quay lại với câu chuyện tia sét và tiếng sấm, nếu ánh sáng và âm thanh có tốc độ ngang nhau, bạn sẽ thấy và nghe cùng một lúc, nhưng lúc đó, bạn sẽ thấy tia sét có hình thù kỳ lạ. “Trong điều kiện không khí ẩm của mưa bão, sóng âm đi qua và ép chặt mọi thứ, sau đó mở rộng và làm áp suất giảm đi rất nhiều. Bởi vì áp suất tương ứng với nhiệt độ, khi áp suất giảm đột ngột sau tiếng sấm sẽ khiến không khí ẩm bị đóng băng. Bạn sẽ thấy tia chớp sau một lớp sương mù dày đặc của các tinh thể băng”, Gollin nói.
Tốc độ âm thanh cực nhanh sẽ thay đổi hoàn toàn âm thanh trên thế giới của chúng ta. Giọng nói của chúng ta sẽ nghe rất khác biệt. Khi chúng ta nói, dây thanh âm của chúng ta rung động để tạo ra sóng âm thanh có nhiều tần số khác nhau, sau đó đưa chúng vào thanh quản. Ở đó, các sóng có cùng tần số cộng lại với nhau để tạo ra sóng lớn hơn nhiều - tức là âm thanh to hơn. Tuy nhiên, không phải tất cả các tần số cộng lại với nhau theo cùng một cách. Một số đồng bộ hóa hoàn hảo, trong khi một số khác can thiệp vào nhau, tạo ra sóng nhỏ hơn và âm thanh yên tĩnh hơn.
Nếu âm thanh di chuyển nhanh hơn trong không khí, nó sẽ thay đổi cách các sóng cộng lại với nhau, làm cho một số tần số lớn hơn và các tần số khác yên tĩnh hơn. Trong sóng âm, tần số tương ứng với độ cao, vì vậy những gì bạn nhận được là một giọng nói the thé rất kỳ quặc.
Để tưởng tượng giọng nói của chúng ta khi ấy thế nào, thì hãy nghĩ đến giọng nói sau khi hít một quả bóng khí heli, giống như giọng của chuột Mickey. William Robertson, giáo sư tại khoa vật lý và thiên văn Đại học bang Middle Tennessee, cho biết đó là bởi vì sóng âm thanh di chuyển nhanh hơn chỉ ba lần qua heli. Và nếu sóng âm có tốc độ ngang với ánh sáng, thì nó sẽ di chuyển nhanh hơn một triệu lần.
Giọng nói của Morgan Freeman sau khi hít khí heli
Cách những công cụ phát âm hoạt động cũng sẽ thay đổi. Ví dụ như các nhạc cụ thổi (kèn, sáo,...), các sóng âm do chúng tạo ra sẽ tăng tốc độ, dẫn đến tăng tần số và dẫn đến tăng độ cao, những nhạc cụ thổi này sẽ tạo ra âm thanh cao đến mức mà con người không thể nghe thấy. Chúng ta phải thiết kế các nhạc cụ này dài hơn 1 triệu lần để chúng có thể hòa hợp với violin và cello. Với các nhạc cụ như violin và cello, Robertson nói rằng sự thay đổi của tốc độ âm thanh khi nó di chuyển trong không khí sẽ không làm thay đổi tốc độ âm thanh dọc theo một sợi dây đàn.
Nhưng bạn cũng không cần phải suy nghĩ quá nhiều về những sự thay đổi khi âm thanh có tốc độ ngang với ánh sáng, vì con người sẽ không thể sống sót nếu đều này xảy ra. Ngay cả tiếng huýt nhẹ nhàng của một cây sáo cũng có thể thổi bay, biến mọi thứ xung quanh nó thành mảnh vụn.
Trong khi ánh sáng truyền đi trong sóng điện từ, không phải là vật chất, thì sóng âm là cơ học, bao gồm các hạt va chạm vào nhau. Gollin nói: một phân tử di chuyển với tốc độ ánh sáng sẽ có “năng lượng gần như vô hạn”. Nó sẽ bay xuyên qua mọi hạt mà nó gặp, giải phóng các electron và tạo ra một vụ phun trào các vật chất và phản vật chất - những hạt được tạo ra trong các vụ va chạm tốc độ cực cao có các đặc tính trái ngược với các đặc tính của vật chất.
“Hậu quả sẽ rất khủng khiếp”, Gollin nói. Có lẽ chúng ta nên hài lòng với thực tế là tiếng sấm sẽ đến sau tia chớp, sẽ không tuyệt chút nào nếu cả hai đến cùng lúc với nhau.
