Trong vũ trụ gần như không có tiếng động vì âm thanh cần các hạt vật chất để xô đẩy nhau mà truyền đi, còn khoảng không giữa các hành tinh và vì sao gần như là chân không. Một vụ nổ ngoài không gian có thể sáng rực nhưng không phát ra tiếng nào tới tai người đứng gần, trừ khi rung động đi qua vật rắn hay bầu khí của một hành tinh.
Âm thanh cần "người đưa thư"
Âm thanh không phải một thứ bay tự do như ánh sáng. Nó là rung động truyền từ hạt này sang hạt kia: phân tử không khí đẩy phân tử bên cạnh, phân tử nước đẩy phân tử nước, nguyên tử sắt rung kéo nguyên tử sắt bên cạnh. Mỗi hạt giống một người đưa thư chuyền tin qua tay người kế tiếp.
Ánh sáng thì khác. Ánh sáng là sóng điện từ, tự lan được trong chân không, không cần chỗ dựa nào. Vì thế ánh sáng Mặt Trời đi qua khoảng 150 triệu km trống rỗng để tới Trái Đất, còn tiếng ầm ầm của những cơn bão khí khổng lồ trên Mặt Trời thì không bao giờ tới được tai ta.
| Âm thanh | Ánh sáng, sóng vô tuyến | |
|---|---|---|
| Bản chất | Sóng cơ học: hạt vật chất dao động | Sóng điện từ |
| Cần môi trường không | Cần: khí, lỏng hoặc rắn | Không cần, đi được trong chân không |
| Tốc độ (khoảng) | 343 m/s trong không khí 20 °C | Khoảng 300.000 km/s |
| Ngoài vũ trụ | Gần như không truyền được | Truyền đi xa hàng tỉ năm ánh sáng |
Thí nghiệm chiếc chuông trong bình hút khí
Ý tưởng "âm thanh cần không khí" đã được kiểm chứng từ thế kỷ 17. Khoảng năm 1660, nhà khoa học người Anh gốc Ireland Robert Boyle mô tả thí nghiệm đặt một chiếc đồng hồ tích tắc trong bình thuỷ tinh rồi dùng máy bơm hút dần không khí ra: càng hút, tiếng tích tắc càng nhỏ đi. Về sau, phiên bản với chiếc chuông điện reng liên tục trong bình hút khí trở thành thí nghiệm kinh điển trong lớp học vật lý: búa chuông vẫn đập thấy rõ qua thành kính, nhưng tiếng chuông mờ dần rồi gần như tắt hẳn.
Vì sao thường vẫn còn nghe "lí nhí"? Vì máy bơm không bao giờ hút sạch hoàn toàn, và chuông thường được gắn vào đế bình, rung động vẫn rò qua chân đế, mặt bàn. Muốn tắt hẳn, người làm thí nghiệm phải treo chuông bằng dây mềm. Chi tiết này chính là lời giải cho câu hỏi về vũ trụ: chỉ cần còn đường vật chất nối liền, âm vẫn có thể lọt qua.
Vũ trụ không hoàn toàn trống: vậy sao vẫn im?
Không gian giữa các hành tinh không phải chân không tuyệt đối. Gió Mặt Trời mang theo vài hạt trong mỗi xen-ti-mét khối; khoảng giữa các vì sao còn loãng hơn nữa. So với không khí quanh ta, nơi mỗi xen-ti-mét khối chứa hàng chục tỉ tỉ phân tử, con số đó gần như bằng không.
Trong môi trường loãng như vậy, một hạt phải bay rất xa mới va được hạt khác. Sóng âm muốn truyền đi phải có va chạm liên tục giữa các hạt ở khoảng cách nhỏ hơn bước sóng nhiều lần. Với âm thanh tai người nghe được, bước sóng chỉ từ vài xen-ti-mét tới vài chục mét. Ngoài không gian, các hạt cách nhau quá xa so với thế, nên rung động không thể được chuyền tay thành tiếng. Kể cả nếu có, nó cũng quá yếu để làm rung màng nhĩ của bất kỳ ai.
"Tiếng hát" của đám mây khí quanh hố đen
Có một ngoại lệ thú vị ở quy mô khổng lồ. Năm 2003, các nhà thiên văn dùng kính viễn vọng tia X Chandra của NASA phát hiện những gợn sóng áp suất lan trong đám khí nóng của cụm thiên hà Perseus, do hố đen ở trung tâm tạo ra. Đó thật sự là sóng âm, vì đám khí ấy đủ dày để truyền rung động. Nhưng một chu kỳ của nó kéo dài khoảng gần mười triệu năm. Người ta mô tả nó là nốt Si giáng thấp hơn nốt Đô giữa khoảng 57 quãng tám, sâu tới mức không sinh vật nào có thể nghe được. Những bản "âm thanh hố đen" phát trên mạng là dữ liệu đã được nâng tần số lên hàng trăm triệu tỉ lần cho tai người nghe, gọi là chuyển đổi dữ liệu thành âm thanh, chứ không phải tiếng thu trực tiếp.
Phi hành gia nói chuyện với nhau thế nào
Bên trong trạm vũ trụ, mọi thứ ồn ào như trên mặt đất. Trạm có không khí để người thở, nên giọng nói, tiếng quạt thông gió, tiếng máy bơm đều truyền bình thường. Thật ra, tiếng quạt và máy móc chạy suốt ngày đêm là một trong những điều các phi hành gia hay nhắc tới khi kể về cuộc sống trên quỹ đạo.
Ra ngoài đi bộ không gian thì khác. Mỗi người ở trong bộ đồ kín có không khí riêng. Giữa hai bộ đồ là chân không, nên muốn nói chuyện phải dùng sóng vô tuyến: micro trong mũ biến giọng thành tín hiệu điện, tín hiệu đi bằng sóng vô tuyến, rồi loa nhỏ trong mũ người kia biến lại thành tiếng. Nếu hai người chạm mũ vào nhau, rung động có thể truyền qua lớp vỏ cứng, và họ có thể nghe lờ mờ tiếng nhau, đúng như chiếc chuông chạm đế trong bình hút khí. Người đang làm việc ngoài trạm cũng có thể nghe tiếng dụng cụ của chính mình qua đường rung của găng tay, cánh tay và bộ đồ.
Hành tinh khác thì sao: tiếng gió trên Sao Hoả
Hành tinh có bầu khí quyển thì có âm thanh, chỉ là nghe khác Trái Đất. Năm 2021, xe tự hành Perseverance của NASA mang micro lên Sao Hoả và gửi về những bản ghi tiếng gió, tiếng bánh xe nghiến đá và tiếng tia laser bắn vào đá.
Không khí Sao Hoả rất loãng, áp suất chỉ khoảng dưới một phần trăm Trái Đất, và chủ yếu là khí cacbonic. Nhờ các bản ghi ấy, các nhà khoa học đo được tốc độ âm ở đó khoảng 240 m/s, chậm hơn Trái Đất, và âm bổng đi nhanh hơn âm trầm một chút. Âm cũng tắt rất nhanh khi đi xa, nhất là phần cao. Một người đứng trên Sao Hoả (dĩ nhiên trong bộ đồ bảo hộ) sẽ thấy bạn mình nói chuyện chỉ cách vài mét đã nhỏ và đục như nói qua tấm chăn.
Mặt Trăng thì gần như không có khí quyển, nên đứng trên đó không nghe được tiếng nói qua không khí. Nhưng rung động vẫn đi qua đất đá: các máy đo địa chấn đặt trên Mặt Trăng từng ghi được những rung động kéo dài, và Mặt Trời cũng "rung" bên trong theo những dao động có chu kỳ vài phút mà các nhà khoa học đo bằng cách quan sát bề mặt của nó. Âm thanh không biến mất khỏi vũ trụ, nó chỉ cần đường đi bằng vật chất.
Vì sao phim ảnh vẫn cho tàu vũ trụ nổ ầm ầm
Phần lớn phim khoa học viễn tưởng cho tàu vũ trụ gầm rú, vụ nổ rền vang. Đó là lựa chọn nghệ thuật: khán giả quen nghe tiếng đi kèm hình, cảnh im lặng hoàn toàn có thể làm người xem thấy hụt hẫng. Một số phim chọn cách đúng hơn với khoa học: cảnh ngoài không gian im phăng phắc, chỉ nghe tiếng thở trong mũ, tiếng tim đập, hoặc tiếng rung truyền qua thân tàu khi nhân vật chạm tay vào vỏ. Lần tới xem phim, có thể thử để ý cảnh nào "nghe đúng vật lý", cảnh nào là tiếng thêm cho kịch tính.
Góc nhìn hôm nay: tự làm thí nghiệm "không có đường cho âm"
Không cần bình hút khí, vẫn có thể cảm nhận vai trò của môi trường truyền âm bằng đồ an toàn trong nhà:
- Điện thoại cốc giấy: dây căng thì nghe rõ, dây chùng hoặc bị ai bóp giữa chừng thì tiếng tắt. Dây là "người đưa thư", bóp dây là cắt đường.
- Nghe dưới nước ở bể bơi: tiếng người trên bờ gần như mất, vì phần lớn âm bị dội lại ở mặt nước; nhưng tiếng gõ vào thành bể truyền dưới nước lại rõ. Chỉ thử khi bơi được, có người lớn trông.
- Bịt tai và cắn nhẹ chiếc thìa đang rung sau khi gõ vào cạnh bàn: tiếng đi qua xương hàm lên tai, rõ hơn qua không khí.
Để đọc thêm, có thể tìm những trang giới thiệu bản ghi âm thanh Sao Hoả của NASA, hoặc phần "Môi trường truyền âm" trong sách vật lý phổ thông.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao trong vũ trụ không có âm thanh?
Âm thanh là sóng cơ học, cần các hạt vật chất va chạm liên tục để truyền rung động. Khoảng không gian giữa các thiên thể gần như là chân không, các hạt cách nhau quá xa, nên âm thanh không truyền được thành tiếng.
Ánh sáng đi được trong chân không còn âm thanh thì không, vì sao?
Ánh sáng là sóng điện từ, tự lan truyền mà không cần môi trường. Âm thanh thì là dao động của chính vật chất, không có vật chất thì không có gì để dao động.
Phi hành gia nói chuyện ngoài không gian bằng cách nào?
Khi đi bộ ngoài không gian, họ liên lạc bằng sóng vô tuyến qua micro và loa trong mũ. Bên trong trạm vũ trụ có không khí nên nói chuyện bình thường như trên mặt đất.
Trên Sao Hoả có nghe được âm thanh không?
Có, vì Sao Hoả có bầu khí quyển tuy rất loãng. Micro trên xe Perseverance ghi được tiếng gió và tiếng máy từ năm 2021; âm ở đó đi chậm hơn, khoảng 240 m/s, và tắt nhanh hơn trên Trái Đất.
Âm thanh hố đen trên mạng có phải tiếng thật không?
Đó là dữ liệu sóng áp suất trong đám khí quanh hố đen, được nâng tần số lên rất nhiều lần để tai người nghe được. Sóng gốc có thật nhưng trầm tới mức một chu kỳ kéo dài hàng triệu năm, không thể nghe trực tiếp.
