Ánh sáng không có khối lượng — nhưng có động lượng: p = E/c, một trong những hệ quả lạnh gáy nhất của điện từ học Maxwell và E = mc². Nghĩa là chiếu đèn vào vật là đẩy nó, theo đúng nghĩa cơ học. Câu hỏi chỉ là: đẩy mạnh bao nhiêu, và ai đủ kiên nhẫn để dùng?
Lực bé nhất từng được đem ra làm động cơ
Nắng toàn phần rọi vuông góc: 1361 W/m² chia cho c ra 4,5 µN mỗi mét vuông nếu hấp thụ — gương phản xạ ăn cú hích gấp đôi, 9 µN, vì photon không chỉ dừng mà còn bật ngược (va chạm đàn hồi ăn xung lượng gấp đôi va chạm mềm, phiên bản ánh sáng). Chín micro-newton: trọng lượng một hạt cát mịn, đè lên nguyên một mét vuông. Toàn bộ nắng chiếu vào Trái Đất cũng chỉ “đẩy” hành tinh ~6×10⁸ N — bằng lực vài chục chiếc máy bay, chia cho 6×10²⁴ kg thì khỏi bàn.
Nhưng nhìn dòng cuối của demo: buồm mỏng 10 g/m² nhận gia tốc ~0,9 mm/s² — và cộng dồn 78 m/s mỗi ngày, không tốn một giọt nhiên liệu, không bao giờ nghỉ. Sau một năm: gần 30 km/s — ngang tốc độ Trái Đất quanh Mặt Trời. Động cơ hoá học mạnh gấp tỉ lần nhưng cháy vài phút là hết; buồm ánh sáng là con rùa trong ngụ ngôn, và ngoài vũ trụ không có vạch đích để thỏ kịp tỉnh dậy. Nhật Bản đã chứng minh bằng thép và Mylar: tàu IKAROS (2010) căng buồm 196 m², nhận ~1,8 mN, và đo được từng thay đổi quỹ đạo đúng dự tính — cánh buồm nắng đầu tiên của loài người ra khơi thành công.
Thiên nhiên dĩ nhiên chơi trò này trước: đuôi bụi sao chổi bị áp suất ánh sáng thổi dạt, nên đuôi không kéo sau sao chổi mà luôn chĩa ra xa Mặt Trời — sao chổi rời xa Mặt Trời thì đuôi đi… trước đầu. Với hạt bụi đủ nhỏ, lực đẩy ánh sáng thắng cả hấp dẫn (cả hai cùng giảm theo 1/r² — cuộc tỉ thí không phụ thuộc khoảng cách, chỉ phụ thuộc cỡ hạt), và Mặt Trời tự quét sạch bụi mịn khỏi hệ của mình.
Chiếc nhện quay trong tủ kính — và cú lừa trăm năm
Vật chứng nổi tiếng nhất của áp suất ánh sáng hoá ra là… bằng chứng giả. Radiometer Crookes — chong chóng bốn cánh đen/bạc trong bóng thuỷ tinh, bày bán ở mọi cửa hàng quà khoa học — quay tít khi rọi đèn, và bao thế hệ được kể “áp suất ánh sáng đấy”. Kiểm tra chiều quay là lộ: nó quay theo hướng cánh đen thụt lùi — ngược hẳn dự đoán (cánh bạc phản xạ phải ăn lực gấp đôi cánh đen!). Thủ phạm thật là hiệu ứng nhiệt của chút khí còn sót trong bóng: mặt đen nóng hơn, phân tử khí bật khỏi đó hăng hơn. Hút chân không thật sâu, chong chóng đứng im — còn áp suất ánh sáng chân chính thì phải đến 1901 mới được Nichols và Hull đo nổi, bằng sợi xoắn tinh vi hơn nhiều. Bài học đắt giá cho mọi người làm thí nghiệm: hiện tượng đúng hướng đồn đại chưa chắc đúng cơ chế — chiều quay là một dữ kiện, và nó không tha cho lời giải thích sai.
Trường hợp biên: đẩy bằng đèn nhà mình
Đẩy công thức về phía phòng thí nghiệm: laser 5 mW lên gương cho 33 pico-newton. Vô dụng? Đảo lại tỉ lệ: với hạt cỡ micron, vài trăm mW hội tụ tạo lực đủ tóm và giữ hạt trong tiêu điểm — đó là nhíp quang học (optical tweezers, Nobel 2018), công cụ đang kẹp từng con vi khuẩn, kéo căng từng sợi DNA đo lực bằng pico-newton trong các phòng sinh học phân tử. Còn đẩy về phía cuồng vọng: dự án Breakthrough Starshot đề xuất dàn laser 100 GW bắn vào buồm 4 m nặng vài gam — gia tốc chục nghìn g, đạt 20% tốc độ ánh sáng trong vài phút, tới Alpha Centauri trong 20 năm. Cùng một công thức p = E/c từ đầu bài — chỉ khác ai cầm đèn, và đèn to cỡ nào.