Đề tài Giải mã những bí mật về ánh sáng

GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 0 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM KHOA VẬT LÍ    GVHD LÊ VĂN HOÀNG SVTH Mai Thị Đắc Khuê Lê Hoàng Anh Linh Phạm Thị Mai Tháng 5, năm 2009, TP.HCM GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 1 Mục lục .............................................................................................. 1 Lời nói đầu ................................................................................ 3 Nội dung .................................................................................... 6 I. Ánh sáng là gì? Vì sao có ánh sáng?............................................................6 I.1 Ánh sáng................................................................................................6 I.2 Một số đặc trưng quan trọng của ánh sáng .............................................8 I.2.1 Tốc độ ánh sáng ..............................................................................8 I.2.2 Năng lượng, động lượng và khối lượng ....................14 I.2.3 Áp suất ánh sáng: ..........................................................................15 I.2.4 Các lý thuyết về ánh sáng:.............................................................17 I.3 Cuộc đấu tranh đưa đến kết luận bản chất “Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng”:......................................................................................................20 II. Ánh sáng và thị giác – Đường truyền của ánh sáng trong các môi trường..36 II.1 Ánh sáng và thị giác.............................................................................36 II.1.1 Ánh sáng đi từ mắt đến vật hay từ vật đến mắt? ............................37 II.1.2 Cơ chế của sự hình thành ảnh trong mắt là gì? ..............................37 II.1.3 Hành trạng của các tia sáng ...........................................................41 II.2 Nào ta cùng khám phá thế giới tươi đẹp này nhé! ................................54 II.2.1 Cầu vồng .......................................................................................54 II.2.2 Tại sao bầu trời lại xanh? ..............................................................58 II.2.3 Tại sao núi lại xanh?......................................................................59 II.2.4 Hoàng hôn lộng lẫy .......................................................................60 II.2.5 Lục quang tuyến............................................................................62 II.2.6 Hành tinh xanh và bọt trắng ..........................................................64 II.2.7 Bản giao hưởng của các đám mây .................................................65 II.2.8 Sét và cơn giận dữ của các thần.....................................................68 II.2.9 Một mặt trời bị dẹt và biến dạng....................................................69 II.2.10 Mặt trời trên chân trời chỉ là ảo tượng........................................70 II.2.11 Vẻ đẹp lộng lẫy của quang cực ..................................................71 II.3 Tìm hiểu về “Áo tàng hình” .................................................................73 II.3.1 “Đánh lừa thị giác” khó hay dễ? ....................................................73 II.3.2 Áo tàng hình..................................................................................75 II.3.3 Phương pháp mới chế tạo áo tàng hình..........................................75 II.3.4 Hiện tượng khúc xạ âm??? ............................................................77 III. Con người chế ngự ánh sáng ...................................................................82 GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 2 III.1 Lửa - một kỉ nguyên mới ..................................................................82 III.2 Ánh sáng nhân tạo ............................................................................84 III.2.1 Nến không cháy trong các trạm quỹ đạo ....................................84 III.2.2 Đèn dầu......................................................................................86 III.2.3 Ánh sáng không bắt nguồn từ lửa...............................................87 III.2.4 Ánh sáng phẳng của đèn neon....................................................89 III.2.5 Ánh sáng nhân tạo đã tách chúng ta ra khỏi tự nhiên..................91 III.2.6 LAZE.........................................................................................92 III.3 Vận chuyển thông tin bằng cáp quang ..............................................99 III.3.1 Phân loại ..................................................................................100 Phân loại Cáp quang: Gồm hai loại chính:...................................................100 Multimode (đa mode) ..............................................................................100 III.4 Thế kỷ 21 - Thế kỷ của phôtôn .......................................................101 III.4.1 Những đặc tính của phôtôn: .....................................................102 III.4.2 Những khả năng không giới hạn: .............................................103 III.5 PIN MẶT TRỜI .............................................................................115 III.5.1 Cấu tạo và hoạt động của pin quang điện .................................115 III.5.2 Hiệu suất ..................................................................................116 III.5.3 Ứng dụng .................................................................................117 Tài liệu tham khảo ........................................................................ 118 GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 3 Lời nói đầu Vào mỗi sáng khi thức dậy, trước khi bước ra khỏi giường tôi thường có thói quen nhớ và sắp xếp lại những hoạt động sẽ phải thực hiện cho một ngày mới nhằm không bỏ sót bất cứ chi tiết nào: sắp xếp sách, vở cho tiết phương pháp nghiên cứu khoa học vào buổi sáng, chiều học thí nghiệm điện kĩ thuật nên cần phải mang theo tài liệu tham khảo luôn vì trưa nay sẽ không về nhà nữa mà ở lại trường để chiều học tiếp, tối nay lại đi dạy kèm nên cần về nhà sớm để tắm và ăn tối sau khi học thí nghiệm xong thay vì tụ tập với nhóm bạn thân ở căn tin của trường như thường lệ,… Thế đấy, cái đầu bé nhỏ của tôi cứ phải thường xuyên tính toán những việc sẽ phải làm. Nhưng sau khi được đọc tác phẩm “Những con đường của ánh sáng” _ giải thưởng lớn MORON 2007 của tác giả Trịnh Xuân Thuận,(Phạm Văn Thiều – Ngô Vũ dịch), nhà xuất bản trẻ, xuất bản 2008, tôi tự đặt rồi cũng tự trả lời cho mình câu hỏi: Một ngày nào đó, nếu như trái đất thân yêu của chúng ta không còn nhận được bất cứ tia sáng nào từ Mặt Trời, thì chuyện gì sẽ xảy ra? Tất nhiên rồi, khi đó mọi dự định của tôi cũng như tất cả các bạn sẽ “đổ sông, đổ biển”, bởi một lẽ thật đơn giản, khi đó sự sống trên hành tinh này sẽ chẳng thể nào tồn tại nữa. Có thể khẳng định chắc nịch rằng: “Ánh sáng là nguồn gốc của sự sống. Dù là tự nhiên hay nhân tạo, ánh sáng cho phép chúng ta không chỉ ngắm nhìn thế giới, mà còn tương tác với thế giới và tiến hóa trong thế giới. Nó không chỉ ban cho chúng ta nhìn thấy, mà còn ban cho chúng ta tư duy nữa. Từ những thời rất xa xưa cho tới ngày nay, ánh sáng luôn mê hoặc trí tuệ con người, dù đó là nhà khoa học, triết gia, nghệ sĩ hay tu sĩ,…” (trích “Những con đường của ánh ánh sáng”). GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 4 Do đó cũng chẳng có gì là khó hiểu khi tất cả các thành viên trong nhóm tiểu luận của tôi đều đồng ý chọn đề tài nghiên cứu vế “Ánh sáng”. Và chúng tôi tin chắc rằng đề tài này cũng sẽ gây được sự tò mò, say mê đối với những người yêu tìm hiểu về ánh sáng, đặc biệt là các bạn sinh viên chuyên ngành Vật Lí. Những tài liệu nghiên cứu về ánh sáng hiện nay trên các phương tiện thông tin đại chúng có rất nhiều, tuy nhiên không phải ai trong bất cứ sinh viên sư phạm Vật lí nào trong chúng ta đều hiểu hết về bản chất, nguồn gốc, đường truyền của tia sáng khi qua các môi trường - là phần kiến thức quan trọng trong chương trình Vật Lí THPT. Vì thế, bài tiểu luận này như một bài tổng hợp kiến thức về các thuộc tính cơ bản của Ánh sáng; giúp bạn tra cứu thông tin về ánh sáng một cách nhanh nhất. Bài tiểu luận này được phân ra 4 phần chính: Phần đầu tiên bắt đầu với những giới thiệu tổng quát về ánh sáng: khái niệm, nguồn gốc, một số đại lượng liên quan đến ánh sáng, từ đó người đọc sẽ có cái nhìn tổng quát nhất về người bạn tốt của chúng ta. Trên con đường tìm hiểu ánh sáng ấy, đã xuất hiện hai trường phái quan điểm về bản chất của ánh sáng trái ngược nhau. Phần một kết thúc bằng việc tập trung xoay quanh cuộc tranh luận của các nhà bác học về vấn đề này: liệu rằng ánh sáng là hạt, như Newton quả quyết, hay là sóng, như Huyghens, Young và Fresnel khẳng định. Vào thế kỉ XVIII, Young đã chứng minh rằng sự thêm ánh sáng vào ánh sáng có thể dẫn đến bóng tối, điều này chỉ có thể giải thích được nếu ánh sáng có bản chất sóng. Thế nhưng vào thế kỉ thứ XX, Einstein, để giải thích “hiệu ứng quang điện” đã đưa trở lại quan niệm ánh sáng là hạt, nhưng gán cho các hạt này một “lượng tử năng lượng”, ý tưởng được Planck đưa ra trước GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 5 đó. Vậy ánh sáng là sóng hay hạt. Muốn biết, chúng ta hãy cùng gia nhập các cuộc tranh luận căng thẳng ấy nhé! Bạn sẽ trả lời thế nào nếu như một học trò của bạn (hay bất kì ai) hỏi bạn rằng: “Tại sao bầu trời lại xanh nhưng mây thì lại màu trắng? Cầu vồng là gì và khi nào thì ta có thể quan sát được nó rõ nhất?,…”. Phần hai trong cuốn tiểu luận sẽ giúp bạn trả lời câu hỏi đó. Bằng lao động, con người đã, đang, và sẽ chinh phục thiên nhiên tươi đẹp này. Từ việc phát hiện ra, rồi khám phá và bây giờ chúng ta đã chinh phục được ánh sáng. Trong phần ba, chúng tôi cũng sẽ cố gắng giới thiệu với bạn đọc một vài phát minh của con người, bắt đầu bằng công cuộc chinh phục lửa, sau đó đề cập đến ánh sáng nhân tạo và cuối cùng là bóng điện và đèn huỳnh quang. Tiếp theo là sơ lược về phát minh ra Lazer, đứa con của cơ học lượng tử; kết quả của việc “khuyếch đại” ánh sáng nhìn thấy được với vô số những ứng dụng khoa học bắt nguồn từ nó; và việc con người sử dụng ánh sáng để vận chuyển thông tin và kết nối nhân loại. Dựa trên việc tìm kiếm những tư liệu có liên quan về ánh sáng trên internet, sách, báo (đặc biệt là hai cuốn sách : “Những con đường của ánh sáng” - tập I và II), vô tuyến truyền hình và truyền thanh; cũng như sự cố gằng tìm tòi, phân tích, tổng hợp của tất cả các thành viên trong nhóm, chúng tôi hi vọng sẽ tạo ra được sản phẩm nghiên cứu khoa học mang tên “GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VẾ ÁNH SÁNG” thật sự hay và bổ ích cho bạn đọc. Nhóm tiểu luận. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 6 NỘI DUNG I. Ánh sáng là gì? Vì sao có ánh sáng? I.1 Ánh sáng Mắt nhìn thấy một vật nếu vật ấy phát ra ánh sáng đập vào mắt. Ánh sáng nhìn thấy này (thực ra ta nhìn thấy vật chứ không nhìn thấy bản thân ánh sáng) là các sóng điện từ có bước sóng từ 0,4µm đến 0,75µm. Ánh sáng theo nghĩa rộng còn bao gồm cả những sóng điện từ mà mắt không nhìn thấy được, như ánh sáng (tia) tử ngoại, ánh sáng (tia) hồng ngoại… Vấn đề bản chất của ánh sáng được tranh cãi nhiều nhất trong lịch sử Vật lý học (thuyết hạt và thuyết sóng). Trong những điều kiện nhất định không thể coi ánh sáng là sóng, mà lại phải coi nó gồm các hạt (phôtôn). Ta nói rằng ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt. Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có bước sóng xác định. Gọi như vậy vì màu sắc của ánh sáng phụ thuộc vào bước  (hoặc tần số f = c/). Màu đỏ, chẳng hạn, ứng với các bước sóng khoảng 0,75 m. Thực ra không thể tạo được ánh sáng tuyệt đối đơn sắc mà chỉ có thể tạo được ánh sáng có bước sóng nằm trong một khoảng nhỏ từ + đến - ; càng bé thì ánh sáng càng gần với ánh sáng đơn sắc. Ánh sáng trắng là ánh sáng gây ra cho con mắt cảm giác về màu như ánh sáng mặt trời – là tập hợp của rất nhiều bức xạ trong khoảng bước sóng nhìn thấy, gồm 7 màu quy ước (tím, chàm, lam, lục, vàng, da cam, đỏ). Hỗn hợp hai hoặc ba màu thích hợp cũng gây được cảm giác về ánh sáng trắng. Ánh sáng phân cực. Sóng điện từ được đặc trưng bởi các vectơ điện trường và cảm ứng từ dao động trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền. Nếu phương dao động là GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 7 cố định thì ánh sáng được gọi là ánh sáng phân cực thẳng. Nếu phương dao động phân bố đều thì ánh sáng gọi là ánh sáng tự nhiên (không phân cực). Phần lớn các nguồn sáng phát ra gọi là ánh sáng tự nhiên. Ánh sáng mặt trời là ánh sáng tự nhiên. Vi sao có ánh sáng? Hệ Mặt trời bao gồm một hằng tinh là Mặt trời và 9 hành tinh khác là sao Thuỷ, Trái đất, sao Kim, sao Hoả, sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương, sao Hải Vương và sao Diêm Vương. Các hằng tinh trong vũ trụ có nhiệt độ bề mặt từ mấy nghìn tới mấy vạn độ, vì vậy chúng phát ra các loại bức xạ (kể cả ánh sáng nhìn thấy). Mặt trời là hằng tinh gần chúng ta nhất. Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy. Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026 joule tương đương với một máy phát điện có công suất 382 x 1023 W. Nguyên nhân khiến hằng tinh phát sáng? Đây là điều bí ẩn đối với ngành thiên văn học suốt nhiều thế kỷ qua. Mãi cho đến đầu thế kỷ 20, nhà vật lý Einstein dựa vào thuyết tương đối đã đưa ra một công thức có liên quan giữa khối lượng và năng lượng của vật thể, nhờ đó mà các nhà nghiên cứu mới có đáp án cho câu hỏi hóc búa này. Hoá ra trong lòng các hằng tinh, nhiệt độ cao tới hơn 10 triệu độ C khiến các vật chất trong đó tương tác với nhau, xảy ra phản ứng nhiệt GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 8 hạch. Hạt nhân nguyên tử hydro biến thành hạt nhân nguyên tử heli và sản sinh ra một nguồn năng lượng khổng lồ. Năng lượng này truyền từ tâm hằng tinh ra ngoài bề mặt và vào không gian bằng cách bức xạ. Các bức xạ này nằm trong phổ từ ánh sáng hồng ngoại, đến ánh sáng nhìn thấy và sóng cực ngắn. Cứ như vậy hằng tinh duy trì phát sáng không ngừng Nhà bác học Mĩ Betơ (Bethe) đã nêu lên một chỗi phản ứng kết hợp gọi là chu trình cacbon-nitơ gồm 6 phản ứng tiếp nhau, với sự tham gia của cacbon và nitơ như là các chất xúc tác và trung gian, nhưng xét tổng hợp thì cả chu trình rút về sự tạo thành hạt nhân hêli từ các hạt nhân hiđrô. Cả chu trình kéo dài hàng chục triệu năm nhưng từng phản ứng liên tục xảy ra, và chu trình này cung cấp một phần năng lượng cho Mặt Trời (bên cạnh các chu trình khác). Mặt Trời mất năng lượng do bức xạ thì theo hệ thức của Anhxtanh, khối lượng của nó liên tục giảm. Nhưng vì khối lượng Mặt Trời rất lớn nên sự giảm này chỉ đáng kể sau hàng triệu năm. I.2 Một số đặc trưng quan trọng của ánh sáng I.2.1 Tốc độ ánh sáng GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 9 I.2.1.1 Tốc độ ánh sáng trong chân không Trong chân không, các thí nghiệm đã chứng tỏ ánh sáng nói riêng, hay các bức xạ điện từ nói chung, đi với vận tốc không thay đổi, thường được ký hiệu là c = 299.792.458 m/s, thậm chí không phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Hiện tượng này đã thay đổi nhiều quan điểm về cơ học cổ điển của Isaac Newton và thúc đẩy Albert Einstein tìm ra lý thuyết tương đối. I.2.1.2 Các phương pháp đo tốc độ ánh sáng: a. Thí nghiệm của Galileo Galileo tiến hành thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng. Ông và người trợ lý mỗi người cầm một cái đèn, đứng trên đỉnh đồi cách nhau một dặm. Galileo bật đèn, và người trợ lý được dặn là sẽ bật đèn của anh ta ngay khi thấy ánh sáng từ đèn của Galileo. Galileo muốn đo xem mất bao lâu ông ta mới thấy ánh đèn từ bên kia đồi. Thí nghiệm của ông không thành công Vấn đề là vận tốc ánh sáng thường quá lớn để đo được bằng cách này; ánh sáng đi 1 dặm trong 1 thời gian cực ngắn (khoảng 0.000005s) mà khoảng đó thì ko có dụng cụ nào thời của Galileo đo được. b. Phương pháp ROEMER Vào khoảng năm 1670, nhà thiên văn người đan mạch Ole Roemer đã tiến hành quan sát rất cẩn thận mặt trăng IO của Sao Mộc. Đốm đen là bóng của IO. IO mất 1.76 ngày để quay 1 vòng quanh Sao Mộc, và theo lý thuyết thì chu kỳ quay này phải luôn có thời gian như vậy. Thế nên Roemer hy vọng là ông có thể dự đoán chính xác chuyển động này. Trước sự ngạc nhiên của ông, ông thấy rằng vệ tinh này không xuất hiện đúng ở GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 10 chỗ mà nó được dự đoán. Vào một thời điểm chính xác của năm, nó có hơi chậm hơn ngày giờ đã định một chút, còn ở thời điểm khác thì nó sớm hơn một chút. Thật khó hiểu. Tại sao quĩ đạo của nó đôi khi nhanh hơn và đôi lúc chậm hơn? Đó cũng là điều mà Roemer thắc mắc, và không ai có thể nghĩ ra một cách trả lời xác đáng. Tuy nhiên, Roemer ghi nhận rằng IO tới sớm hơn vị trí dự đoán trrên quĩ đạo của nó khi Trái Đất ở gần Sao Mộc hơn. Và nó tới chậm khi Trái Đất ở xa Sao Mộc hơn. Hãy nghĩ thế này: nếu ánh sáng không di chuyển nhanh tức thời, nghĩa là nó sẽ cần 1 khoảng thời gian để đi từ Sao Mộc tới Trái Đất. Cứ cho rằng nó mất 1 tiếng đi. Vậy là khi nhìn Sao Mộc qua kính thiên văn, cái mà bạn nhìn thấy hiện nay là ánh sáng được truyền đi từ 1 tiếng trước, nghĩa là bạn nhìn thấy Sao Mộc và mặt trăng của nó 1 giờ trong quá khứ. Vậy là Roemer đã nhìn thấy IO sớm hơn bình thường, có lẽ là 1 tiếng 15 phút trước thay vì 1 tiếng. Và điều ngược lại sẽ xảy ra nếu Sao Mộc và Trái Đất ở gần nhau hơn. Thật ra IO đã không thay đổi quĩ đạo của nó; nó chỉ xuất hiện ở vị trí khác nhau phụ thuộc vào thời gian ánh sáng cần để đi thôi. Biết được thời gian di chuyển của IO và sự thay đổi khoảng cách giữa Trái Đất và Sao Mộc như thế nào, Roemer có thể tính được vận tốc ánh sáng. Qua đó ông xác định được vận tốc ánh sáng vào cỡ: 214.000 - 300.000 km/s (tuỳ theo thời gian giữa các lần bị che khuất là 1000 s hay là 1400s). c. Phương pháp dùng đĩa răng cưa GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 11 Fizeau là người đầu tiên thực hiện phép đo vận tốc ánh sáng ngay trên mặt đất vào năm 1849. Ánh sáng được phát ra từ khe thứ nhất của một bánh xe quay rất nhanh, truyền đến một cái gương phản xạ trở lại. Thay đổi vận tốc quay của bánh xe và khoảng cách từ bánh xe đến gương sao cho khi ánh sáng phản xạ trở lại đi qua đúng khe tiếp theo của bánh xe. Như vậy thời gian truyền sáng là 2S/c chính bằng thời gian bánh xe quay được giữa hai khe liên tiếp. Fizeau đã đo được vận tốc ánh sáng là 312,000 km/s. d. Phương pháp gương quay Phương pháp này thu ngắn khoảng cách D rất nhiều so với các thí nghiệm của Fizeau, Cornu, và được thực hiện bởi Foucault vào năm 1862. Nếu gương quay M đứng yên hay có vận tốc quay nhỏ, ánh sáng đi về theo quỹ đạo SIJS1JIs.Ta có ảnh cuối cùng s.Nếu gương M quay với vận tốc lớn thì trong thời gian ánh sáng đi về trên quãng đường JS1, gương M đã quay được một góc α. Do đó trong GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 12 lần về, tia phản chiếu trên gương M là JI’. Ta có ảnh cuối cùng là s’.Bằng một kính nhắm vi cấp,ta xác định được khoảng cách ss’. Từ đó suy ra vận tốc ánh sáng. Gọi S’1 là ảnh của S nếu không có gương M. Nhưng vì có gương M nên chùm tia sáng hội tụ tại một điểm S1 trên gương cầu lõm B. Các điểm S1 và S1’ đối xứng qua gương M nên không tùy thuộc vị trí của gương này. Do đó khi M quay, S1’ cố định. Khi gương M quay một góc α, tia phản chiếu quay một góc β = 2α , S1’’ là ảnh của S1 cho bởi gương M. Ta có S1’JS1’’ = β. Dùng kính nhắm vi cấp đo khoảng cách: ss’ =SS’ = β.d ( d là khoảng cách từ nguồn sáng S tới gương quay ). Thời gian ánh sáng từ gương M tới gương cầu lõm B và trở về là : θ = 2D C Vậy β = 2α = 4 N  ( N = số vòng quay mỗi giây của gương M). Suy ra: 8 ND C    Foulcault tính được vận tốc ánh sáng: 8 NDC    Trong thí nghiệm của Foucault, khoảng cách D = 20m, N= 800 vòng/ giây, vận tốc ánh sáng tính được là: C= 298.000  500 km/s Newcomb năm 1882 thực hiện lại thí nghiệm của Fouucault với D =3700 m, N= 210 vòng/ giây, tìm được C= 299.860  50 km/s. e. Phương pháp MICHELSON Michelson đã thực hiện nhiều thí nghiệm để đo vận tốc ánh sáng. Ở đây, ta chỉ đề cập tới các thí nghiệm sau cùng của Michelson được thực hiện trong khoảng thời gian 1924- 1926. Khoảng cách ánh sáng đi về dài 35,4 km giữa hai ngọn núi Wilson và Antonio. Thiết trí thí nghiệm như H4. P là một lăng kính phản xạ 8 mặt, có thể quay xung quanh trục O. M và M’ là hai gương cầu lõm. Lúc đầu, P đứng yên, ánh sáng từ khe sáng S đến mắt a của lăng kính P GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 13 và lần lượt phản chiếu trên các gương : m1, m2, M, M’, m3, M’, M, m4, m5 tới mặt e ( đối diện với mặt a) của lăng kính P, phản chiếu trên mặt này tới gương m6. Quan sát bằng một kính nhắm vi cấp,ta thấy ảnh cuối cùng S’ của khe sáng S. Sau khi đã điều chỉnh hệ thống như trên, người ta cho lăng kính P quay thì ảnh S’ biến mất. Ảnh này lại xuất hiện đúng vị trí cũ nếu trong thời gian ánh sáng đi về, mặt d của lăng kính P quay tới đúng vị trí ban đầu của mặt e, nghĩa là thời gian đi về  của ánh sáng bằng thời gian t để lăng kính P quay được 1/8 vòng. Nếu N là số vòng quay mỗi giây tương ứng của lăng kính P, ta có : 1 8N   Vận tốc ánh sáng là : 2 16DC DN    Trong thí nghiệm trên của Michelson, lăng kính P quay với vận tốc 528 vòng/ giây Thực ra trong các thí nghiệm, hai thời gian  và t khó thể điều chỉnh cho hoàn toàn bằng nhau. Do đó ta có  = t  , nghĩa là mặt d khi tới thế chổ mặt e, hợp với vị trí ban đầu của mặt e một góc . Vì vậy, ta quan sát thấy một ánh sáng S1’ không trùng với vị trí ban đầu S’. Xác định khoảng cách S’S’1 , ta có thể tính được  . Từ đó tính được số hạng hiệu chỉnh cho vận tốc ánh sáng. Trong thời gian từ năm 1924 đến đầu năm 1927, Michelson đã thực hiện phép đo nhiều lần. Kết quả trung bình của các thí nghiệm là 299.976 km/ giây với sai số 4 km/giây. C= 299.976  4 km/s Nhiều năm sau, dụng cụ thiết bị đã phát triển, nhiều người đã đo vận tốc ánh sáng một cách chính xác hơn. Với công nghệ kỹ thuật ngày nay, ta có thể đo nó với độ chính xác không ngờ. Trong chuyến lên Mặt Trăng của tàu Apollo 11,các nhà du hành đã gắn gương phẳng vào 1 hòn đá trên mặt Trăng. Nhà khoa học ở Trái Đất có thể dùng laser chiếu vào gương đó và đo ánh sáng phản chiếu lại, khoảng 2.5 s cho 1 chu kỳ (Ý tưởng này không khác mấy so với Galileo) Và bất cứ ai dùng cách này để đo vận tốc GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 14 ánh sáng, vào bất kỳ thời điểm nào cũng đạt được cùng 1 kết quả: gần bằng 300,000 km/s. Tấm gương phản chiếu tàu Apollo 11 đã để lại trên Mặt Trăng I.2.2 Năng lượng, động lượng và khối lượng Năng lượng của một hạt photon có bước sóng λ là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Photon không có khối lượng nghỉ, do đó động lượng của hạt photon bằng năng lượng của nó chia cho tốc độ ánh sáng, h/λ. Tính toán trên thu được từ công thức của thuyết tương đối: Với: E : năng lượng của hạt P: là động lượng của hạt E2 - p2c2 = m02c4 GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 15 m0: là khối lượng nghỉ I.2.3 Áp suất ánh sáng: Ánh sáng gồm những hạt mang năng lượng và chuyển động. Khi một chùm tia sáng đập vào bề mặt S, các photon sẽ truyền cho mặt này một động lượng, nghĩa là sẽ tác dụng lên bề mặt đó một áp suất, tương tự như khi tác dụng một lực nén lên diện tích S. Áp suất ánh sáng đã được Maxwell đoán trước năm 1874, nhưng không phải dựa trên thuyết photon, mà suy ra từ thuyết sóng điện từ. Tới năm 1900, mới được kiểm chứng lần đầu tiên bởi Lebedew. Ta có thể giải thích hiện tượng áp suất ánh sáng một cách đơn giản dựa trên thuyết photon. Xét một chùm tia sáng có tần số f, mật độ photon là n (số phton trong một đơn vị thể tích) ứng với một năng lượng là u = n h f. Số photon tới thẳng góc một đơn vị diện tích S trong một đơn vị thời gian là nC ứng với một năng lượng là: h hfp nC nC nhf u C     - Nếu bề mặt có tính hấp thụ hoàn toàn thì động lượng p được hoàn toàn truyền cho một đơn vị diện tích S của bề mặt đó. Áp dụng định luật căn bản về động lượng và xét với một đơn vị diện tích trên bề mặt của vật được chiếu sáng, ta có: 'p f t    f là lực do chùm tia sáng tác dụng lên một đơn vị diện tích của bề mặt của vật. là sự biến thiên động lượng ứng với một đơn vị diện tích bề mặt của vật trong thời gian t . Vậy: 'p p u f    ta thấy f chính là áp suát ánh sáng p, vậy p = u - Nếu bề mặt phản xạ một phần với hệ số phản chiếu là thì trong nC photon tới diện tích đơn vị S có (1 )nC  photon bị hấp thụ và nC  photon bị phản xạ trở lại. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 16 (1 )nC  photon bị S hấp thụ nên truyền cho diện tích đơn vị S một động lượng là (1 ) (1 )hfnC u c     . Xét các photon phản xạ. Một photon khi tới diện tích đơn vị S có động lượng là hv c  khi phản xạ trở lại, theo định luật bảo toàn động lượng, có động lượng là hv c  (bằng và ngược chiều với động lượng đến) vậy nếu chỉ xét riêng photon độ biến thiên động lượng có giá trị số là động lượng được truyền cho diện tích đơn vị S. Động lượng đó do , photon phản xạ truyền cho diện tích S là: 2 . 2hf nC u c   Vậy áp suất ánh sáng là: ' ' pp f t     - Nếu phản xạ toàn phần, ta có 1  - Với bề mặt hấp thụ hoàn toàn, 0  ta tìm được công thức : p = u Nhận xét công thức (4.2), ta thấy u là mật độ năng lượng của chùm tia tới, là mật độ của chùm tia phản xạ. Do đó ta có thể viết công thức tổng quát cho 3 trường hợp trên dưới dạng : p u u là tổng số mật độ năng lượng của các chùm tia tới và phản xạ ở trước bề mặt S. Bây giờ ta xét trường hợp chùm tia tới bề mặt của vật dưới một góc i. Để đơn giản, ta vẫn chỉ xét diện tích đơn vị S. Thiết diện thẳng của chùm tia là S cosi = cosi. Số photon tới S trong một đơn vị thời gian là nC.cosi ứng với một động lượng có trị số là : cos . coshfp nc i u i c   Và có phương truyền của tia sáng. Thành phần của P trên phương thẳng góc với S là : 2cos cosNP P i u i  Áp suất ánh sáng bây giờ là : NP P  GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 17 Lặp lại cách chứng minh tương tự trường hợp tia tới thẳng góc, ta được : 2( ).cosP u i  Áp suất ánh sáng rất nhỏ. Áp suất ánh sáng do mặt trời tác dụng vào một bề mặt trong các điều kiện tốt nhất (giữa trưa, chiếu thẳng góc, bề mặt phản xạ hoàn toàn) cũng chỉ khoảng vào 10-5 N/m2 nghĩa là chỉ bằng 10-10 lẫn áp suất khí quyển định (76 cmHg= 105 N/m2). Tuy vậy, tác động của ASAS lên các hạt nhỏ trong vũ trụ cũng tương đương như lực hấp dẫn. ASAS đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành đuôi sao chổi. I.2.4 Các lý thuyết về ánh sáng: Trong lịch sử khám phá, đã có nhiều lý thuyết để giải thích các hiện tượng tự nhiên liên quan đến ánh sáng. Dưới đây trình bày các lý thuyết quan trọng, theo trình tự lịch sử. I.2.4.1 Lý thuyết hạt ánh sáng Lý thuyết hạt ánh sáng, được Isaac Newton đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là dòng di chuyển của các hạt vật chất. Lý thuyết này giải thích được hiện tượng phản xạ và một số tính chất khác của ánh sáng; tuy nhiên không giải thích được nhiều hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ mang tính chất sóng. I.2.4.2 Lý thuyết sóng ánh sáng Lý thuyết sóng ánh sáng, được Christiaan Huygens đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là sự lan truyền của sóng. Lý thuyết này giải thích được nhiều hiện tượng mang tính chất sóng của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ; đồng thời giải thích tốt hiện tượng khúc xạ và phản xạ. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 18 Lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ánh sáng ra đời cùng thời điểm (thế kỷ 17) và đã gây ra cuộc tranh luận lớn giữa hai trường phái. I.2.4.3 Lý thuyết điện từ Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt, lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học, cho thấy ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ. Các thí nghiệm sau này về sóng điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, đều khẳng định tính chính xác của lý thuyết của Maxwell. I.2.4.4 Ête Sau thành công của lý thuyết điện từ, khái niệm rằng ánh sáng lan truyền như các sóng đã được chấp nhận rộng rãi. Các hiểu biết về sóng cơ học, như âm thanh, của cơ học cổ điển, đã dẫn các nhà khoa học đến giả thuyết rằng sóng ánh sáng lan truyền như sóng cơ học trong môi trường giả định ête, tràn ngập khắp vũ trụ, nhưng có độ cứng cao hơn cả kim cương. Cuối TK 19 – đầu TK 20, nhiều thí nghiệm tìm kiếm sự tồn tại của ête, như thí nghiệm Michelson-Morley, đã thất bại, cùng lúc chúng cho thấy tốc độ ánh sáng là hằng số không phụ thuộc hệ quy chiếu; do đó không thể tồn tại môi trường lan truyền cố định kiểu ête. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 19 I.2.4.5 Thuyết tương đối Thuyết tương đối của Albert Einstein ra đời, 1905, với mục đích ban đầu là giải thích hiện tượng vận tốc ánh sáng không phụ thuộc hệ quy chiếu và sự không tồn tại của môi trường ête, bằng cách thay đổi ràng buộc của cơ học cổ điển. Trong lý thuyết tương đối hẹp, các tiên đề của cơ học được thay đổi, để đảm bảo thông qua các phép biến đổi hệ quy chiếu, vận tốc ánh sáng luôn là hằng số. Lý thuyết này đã giải thích được chuyển động của các vật thể ở tốc độ cao và tiếp tục được mở rộng thành lý thuyết tương đối rộng, trong đó giải thích chuyển động của ánh sáng nói riêng và vật chất nói chung trong không gian bị bóp méo bởi vật chất. Thí nghiệm đo sự bẻ cong đường đi ánh sáng của các ngôi sao khi đi qua gần Mặt Trời, lần đầu vào nhật thực năm 1919, đã khẳng định độ chính xác của lý thuyết tương đối rộng. I.2.4.6 Lý thuyết lượng tử ánh sáng Lý thuyết lượng tử của ánh sáng nói riêng và vật chất nói chung ra đời khi các thí nghiệm về bức xạ vật đen được giải thích bởi Max Planck và hiệu ứng quang điện được giải thích bởi Albert Einstein đều cần dùng đến giả thuyết rằng ánh sáng là dòng chuyển động của các hạt riêng lẻ, gọi là quang tử (photon). Vì tính chất hạt và tính chất sóng cùng được quan sát ở ánh sáng, và cho mọi vật chất nói chung, lý thuyết lượng tử đi đến kết luận về lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng và vật chất; đúc kết ở công thức de Broglie, 1924, liên hệ giữa động lượng một hạt và bước sóng của nó. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 20 I.3 Cuộc đấu tranh đưa đến kết luận bản chất “Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng”: Bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng khiến cho giới vật lí chia rẻ sâu sắc trong nhiều thế kỉ, thậm chí có lúc cuộc chiến đi đến chỗ gần như một mất một còn. Bản chất đích thực của ánh sáng khả kiến là một bí ẩn làm lúng túng loài người trong nhiều thế kỉ. Các nhà khoa học Hy Lạp thuộc trường phái Pythagore cổ đại cho rằng mỗi một vật khả kiến phát ra một dòng hạt đều đặn, còn Aristotle kết luận rằng ánh sáng truyền đi theo kiểu giống như sóng trên đại dương. Mặc dù những ý tưởng này đã trải qua hàng loạt cải tiến và thu được tiến bộ đáng kể trong thế kỉ 20 vừa qua, nhưng điều cốt lõi của cuộc tranh luận do các nhà triết học Hy Lạp đặt ra vẫn kéo dài cho tới ngày nay. Hình 1. Ánh sáng là sóng và là hạt GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 21 Một quan điểm nhìn nhận ánh sáng giống như sóng trong tự nhiên, chúng tạo ra năng lượng và truyền trong không gian theo kiểu tương tự như các gợn sóng lan dần ra trên bề mặt của một ao nước phẳng lặng sau khi bị một hòn đá rơi xuống làm nhiễu động. Quan điểm đối lập cho rằng ánh sáng gồm dòng các hạt đều đặn, rất giống với những giọt nước nhỏ xíu phun ra từ một vòi tưới vườn. Trong vài thế kỉ qua, mỗi quan điểm chỉ được nhất trí trong một khoảng thời gian nào đó, rồi lại bị lật đổ bởi bằng chứng cho quan điểm kia. Chỉ trong thập kỉ đầu tiên của thế kỉ 20 cũng là bằng chứng đủ sức thuyết phục mang tới câu trả lời toàn diện, và trước sự ngạc nhiên của nhiều người, hóa ra cả hai lí thuyết đều chính xác, ít nhất là trong từng bộ phận. Vào đầu thế kỉ 19, chủ đề về bản chất ánh sáng đã đẩy cộng đồng khoa học tới chỗ chia phe dựng trại chiến đấu kịch liệt bảo vệ cho giá trị của những lí thuyết ưa chuộng của họ. Một nhóm nhà khoa học, những người tán thành thuyết sóng, tập trung bàn luận về những khám phá của nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens. Còn trại bên kia thì trích dẫn thí nghiệm lăng kính của ngài Isaac Newton, xem là bằng chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo một số kiểu khác. Mặc dù chính Newton hình như cũng có một số nghi ngờ với thuyết tiểu thể của ông về bản chất ánh sáng, nhưng uy tín của ông trong cộng đồng khoa học có sức nặng quá lớn nên những kẻ ủng hộ ông đã bỏ qua tất cả những bằng chứng khác trong cuộc chiến đấu khốc liệt của mình. Lí thuyết khúc xạ ánh sáng của Huygens, dựa trên khái niệm bản chất giống như sóng của ánh sáng, cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Nói cách khác, Huygens cho rằng ánh sáng càng bị bẻ cong, hay khúc xạ, khi đi vào một chất, thì nó càng chậm khi truyền qua chất đó. Những người ủng hộ ông kết luận rằng nếu ánh sáng là một dòng hạt, thì sẽ xảy ra kết quả ngược lại, vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút và vận tốc sẽ tăng GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 22 lên, chứ không giảm xuống. Mặc dù lời hòa giải cho cuộc cãi vã này là đo vận tốc ánh sáng trong các chất khác nhau, không khí và thủy tinh chẳng hạn, nhưng trong thời kì đó, dụng cụ dùng để làm việc này chưa ra đời. Thêm nữa, ánh sáng hình như chuyển động với cùng một vận tốc, bất chấp môi trường mà nó đi qua. Phải hơn 150 năm sau, vận tốc của ánh sáng mới được đo với độ chính xác cao để chứng minh thuyết Huygens là đúng. Hình 2. Những nhà tiên phong trong ngành vật lí nghiên cứu ánh sáng khả kiến Bất chấp danh cao vọng trọng của ngài Isaac Newton, số nhà khoa học có danh tiếng vào đầu những năm 1700 không tán thành thuyết tiểu thể của ông. Một số người tranh luận rằng nếu ánh sáng là các hạt, thì khi hai chùm sáng cắt ngang nhau, một số hạt sẽ va chạm lên nhau gây ra sự chệch hướng trong chùm sáng. Rõ ràng điều này không xảy ra, nên họ kết luận ánh sáng không thể là tập hợp những hạt rời rạc được. Huygens, với trực giác của mình, đề xuất trong chuyên luận năm 1690 của ông rằng, sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian. Công cuộc săn lùng ête ngốn một lượng đáng kể tài nguyên trong thế kỉ 19 trước khi cuối cùng phải GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 23 dừng lại. Thuyết ête tồn tại ít nhất là cho tới cuối những năm 1800, bằng chứng là mô hình do Charles Wheatstone đề xuất, chứng minh ête mang sóng ánh sáng bằng cách dao động theo hướng vuông góc với hướng truyền sóng, và mô hình chi tiết của James Clerk Maxwell mô tả việc xây dựng chất vô hình này. Huygens tin rằng ête dao động cùng hướng với ánh sáng, và tự hình thành một sóng như thể là nó mang sóng ánh sáng. Trong tập sách xuất bản sau, nguyên lí Huygens, ông đã mô tả tài tính cách mà mỗi điểm trên sóng có thể tạo ra mặt sóng riêng của nó, và rồi hợp lại thành đầu sóng. Huygens dùng ý tưởng này sáng tạo ra một lí thuyết chi tiết cho hiện tượng khúc xạ, và cũng giải thích tại sao các tia sáng không phá hủy nhau khi đường truyền của chúng cắt nhau. Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì chùm tia bị khúc xạ và đổi hướng khi truyền từ môi trường thứ nhất vào môi trường thứ hai. Để xác định xem chùm tia sáng là hạt hay sóng, người ta phải nghĩ ra mỗi mô hình cho mỗi trường phái để giải thích hiện tượng (hình 3). Theo thuyết sóng của Huygens, một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi trường thứ hai trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất, nhưng sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn. Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền. Trái lại, thuyết hạt có lúc hơi khó giải thích tại sao các hạt ánh sáng phải đổi hướng khi chúng truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Những người đề xướng thuyết hạt cho rằng một lực đặc biệt, hướng vuông góc với mặt phân giới, tác động đến sự thay đổi vận tốc của các hạt khi chúng đi vào môi trường thứ hai. Bản chất đích thực của lực này không được nghiên cứu và không có bằng chứng nào được thu thập để chứng minh cho lí thuyết. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 24 Hình 3. Sự khúc xạ của hạt và sóng Một so sánh thú vị khác của hai lí thuyết liên quan tới những khác biệt xảy ra khi ánh sáng bị phản xạ từ một bề mặt nhẵn, lung linh, như mặt gương chẳng hạn. Thuyết sóng xem nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hướng. Khi chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng với mỗi sóng phản hồi trở lại tạo ra một ảnh đảo ngược (hình 4). Hình dạng của sóng tới phụ thuộc nhiều vào khoảng cách từ nguồn sáng tới gương. Ánh sáng phát ra từ một nguồn ở gần vẫn giữ được mặt sóng hình cầu, có độ cong cao, còn ánh sáng phát ra từ một nguồn ở xa sẽ trải rộng hơn và các mặt sóng gần như là phẳng. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 25 Hình 4. Hạt và sóng phản xạ bởi gương Trường hợp bản chất hạt của ánh sáng đối với hiện tượng phản xạ có sức thuyết phục hơn nhiều so với hiện tượng khúc xạ. Ánh sáng phát ra từ một nguồn, dù ở gần hay ở xa, đi tới bề mặt gương dưới dạng một dòng hạt, chúng bị nảy lên, hay là bị phản xạ bởi bề mặt nhẵn mịn. Do các hạt rất nhỏ, và có một lượng rất lớn hạt trong chùm ánh sáng lan truyền, nên chúng sẽ chuyển động sát cánh với nhau. Khi chạm lên mặt gương, các hạt bị nảy lên từ những điểm khác nhau, nên trật tự của chúng trong chùm sáng bị đảo ngược lại tạo ra một hình đảo ngược, như được minh họa trên hình 4. Cả thuyết hạt và thuyết sóng đều giải thích thỏa đáng sự phản xạ bởi một bề mặt phẳng. Tuy nhiên, thuyết hạt cũng cho rằng nếu bề mặt quá gồ ghề, thì các hạt bị nảy lên ở nhiều góc khác nhau, kết quả là làm tán xạ ánh sáng. Thuyết này rất phù hợp với những quan sát thực nghiệm. Hạt và sóng cũng sẽ hành xử khác nhau khi chúng chạm phải rìa của một vật và tạo nên bóng đổ (hình 5). Newton sớm chỉ ra trong cuốn Opticks xuất bản năm 1704 của ông rằng: “Ánh sáng không bao giờ truyền đi theo đường cong hay bị bẻ cong thành bóng đổ”. Khái niệm này phù hợp với thuyết hạt cho rằng ánh sáng luôn luôn truyền đi theo đường thẳng. Nếu các hạt chạm phải rìa của một rào chắn thì chúng sẽ không tạo ra GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 26 bóng đổ vì các hạt không bị rào chắn ngăn cản tiếp tục chuyển động theo đường thẳng và không trải qua phía sau rìa chắn. Ở phạm vi vĩ mô, quan sát này hầu như là chính xác, nhưng nó không phù hợp với kết quả của thí nghiệm nhiễu xạ ánh sáng xảy ra ở kích thước nhỏ hơn nhiều. Hình 5. Nhiễu xạ của hạt và sóng Khi ánh sáng truyền qua một khe hẹp, chùm tia trải ra và trở nên rộng hơn mong đợi. Quan sát quan trọng có tính cơ sở này mang lại nhiều tin cậy cho thuyết sóng ánh sáng. Giống như sóng nước, sóng ánh sáng chạm phải rìa của một vật thì uốn cong quanh rìa đó và đi vào vùng bóng hình học của nó, là vùng không được rọi sáng trực tiếp bằng chùm tia sáng. Hành trạng này tương tự như sóng nước cuốn quanh phần cuối của bè nổi, thay vì phản xạ ra xa. Gần 100 năm sau khi Newton và Huygens đề xuất lí thuyết của họ, một nhà vật lí người Anh tên là Thomas Young đã thực hiện một thí nghiệm củng cố mạnh mẽ bản chất giống sóng của ánh sáng. Vì ông tin rằng ánh sáng là gồm các sóng, Young giải GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 27 thích được một số loại tương tác xảy ra khi hai sóng ánh sáng gặp nhau. Để kiểm tra giả thuyết này, ông dùng một màn chứa một khe hẹp để tạo ra chùm ánh sáng kết hợp (gồm các sóng truyền cùng pha với nhau) từ nguồn ánh sáng Mặt Trời. Khi các tia sáng Mặt Trời chạm tới khe, chúng trải rộng ra, hay nhiễu xạ, tạo ra một mặt sóng. Nếu như mặt sóng này được cho rọi tới một màn thứ hai có hai khe đặt rất gần nhau, thì hai nguồn ánh sáng kết hợp nữa, hoàn toàn đồng bộ với nhau, được tạo ra (hình 6). Ánh sáng từ mỗi khe truyền tới một điểm nằm giữa hai khe phải hoàn toàn đồng bộ với nhau. Tuy nhiên, nếu xét một điểm nào đó nằm về một phía so với điểm chính giữa, thì ánh sáng từ một khe sẽ truyền tới điểm đó qua một đoạn đường dài hơn so với ánh sáng truyền từ khe phía bên kia. Ánh sáng từ khe gần hơn sẽ truyền tới điểm thứ hai này trước so với ánh sáng từ khe ở xa, nên hai sóng không còn đồng bộ với nhau, và có thể hủy nhau tạo nên bóng tối. Đúng như ông nghi ngờ, Young phát hiện thấy khi các sóng ánh sáng từ bộ khe thứ hai bị trải ra (hay nhiễu xạ), chúng gặp nhau và chồng chập lên nhau. Trong một số trường hợp, sự chồng chập kết hợp đồng bộ chính xác với nhau. Tuy nhiên, trong một số trường hợp khác, các sóng ánh sáng kết hợp hoàn toàn không đồng bộ với nhau hoặc chỉ đồng bộ một phần. Young nhận thấy khi các sóng gặp nhau đồng bộ, chúng cộng gộp với nhau bằng một quá trình gọi là giao thoa tăng cường. Các sóng gặp nhau không đồng bộ sẽ hủy lẫn nhau, hiện tượng này gọi là giao thoa triệt tiêu. Ở giữa hai thái cực này, những mức độ khác nhau của giao thoa tăng cường và triệt tiêu xảy ra làm tạo ra sóng có phổ biên độ rộng. Young cũng có thể quan sát thấy các hiệu ứng giao thoa trên màn hình đặt ở một khoảng cách nhất định phía sau hai khe. Sau khi nhiễu xạ, ánh sáng tái kết hợp bằng giao thoa tạo ra dải vân sáng và tối dọc theo chiều dài của màn hình. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 28 Hình 6. Thí nghiệm hai khe Young Mặc dù có vẻ quan trọng, nhưng kết luận của Young không được chấp nhận rộng rãi vào lúc đó, chủ yếu do bởi niềm tin quá mãnh liệt vào thuyết hạt. Ngoài quan sát sự giao thoa ánh sáng, Young còn cho rằng ánh sáng có các màu khác nhau gồm các sóng có chiều dài khác nhau, một khái niệm cơ sở được công nhận rộng rãi hiện nay. Trái lại, thuyết hạt chủ trương rằng màu sắc ánh sáng khác nhau là do các hạt có khối lượng khác nhau hoặc truyền đi với vận tốc khác nhau. Hiệu ứng giao thoa không chỉ giới hạn có ánh sáng. Các sóng tạo ra trên mặt hồ, hoặc ao, sẽ trải ra theo mọi hướng và chịu sự hành xử tương tự. Khi hai sóng gặp nhau đồng bộ, chúng sẽ cộng gộp với nhau tạo ra một sóng hơn bằng giao thoa tăng cường. Các sóng chạm nhau không đồng bộ sẽ hủy nhau qua giao thoa triệt tiêu và tạo ra bề mặt phẳng trên nước. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 29 Thêm một bằng chứng nữa cho bản chất giống sóng của ánh sáng được phát hiện khi hành trạng của chùm sáng giữa các kính phân cực đặt chéo nhau được nghiên cứu tỉ mỉ (hình 7). Kính phân cực có cấu trúc phân tử độc nhất vô nhị chỉ cho phép ánh sáng có một định hướng nào đó truyền qua chúng. Nói cách khác, kính phân cực có thể được xem như một loại màn che đặc biệt có các hàng thanh nhỏ xíu định theo một hướng bên trong chất phân cực. Nếu cho một chùm sáng tới đập vào kính phân cực, chỉ có những tia sáng định hướng song song với hướng phân cực mới có thể truyền qua kính. Nếu đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính thứ nhất và định hưởng giống như kính thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kính thứ hai. Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh sáng truyền qua nó sẽ giảm xuống. Khi quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định hướng vuông góc với kính thứ nhất, thì không có ánh sáng nào đã truyền qua được kính thứ nhất sẽ truyền qua được kính thứ hai. Kết quả này dễ dàng giải thích được với thuyết sóng, còn việc vận dụng thuyết hạt không thể giải thích được ánh sáng bị chặn lại như thế nào bởi kính thứ hai. Thật vậy, thuyết hạt cũng không thể giải thích thỏa đáng hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, những hiệu ứng mà sau này người ta xem là thuộc cùng một hiện tượng. Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực đủ để phát triển khái niệm ánh sáng gồm các sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng. Mỗi thành phần ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn lại bởi một kính phân cực. Chỉ những sóng có thành phần ngang song song với bộ lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 30 Hình 7. Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc Vào giữa những năm 1800, các nhà khoa học không ngừng bị thuyết phục trước đặc trưng giống sóng của ánh sáng, nhưng vẫn còn một chỗ hổng lớn chưa được lấp. Đó là ánh sáng thật ra là gì ? Một đột phá được thực hiện bởi nhà vật lí người Anh James Clerk Maxwell khi ông phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ liên tục và truyền qua chân không với cùng một tốc độ: 186000 dặm một giây. Khám phá của Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào buổi bình minh của thế kỉ 20, hình như những câu hỏi cơ bản về ánh sáng và lí thuyết quang học cuối cùng đã được trả lời. Một tai họa lớn ập đến với thuyết sóng vào cuối thập niên 1880, khi các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện thấy, dưới những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể đánh đuổi các electron ra khỏi nguyên tử của một vài kim loại (hình 8). Mặc dù lúc đầu chỉ là một hiện tượng hiếu kì và không giải thích nổi, nhưng người ta nhanh chóng phát hiện thấy ánh sáng cực tím có thể làm bật ra electron từ nguyên tử của nhiều kim loại, làm cho GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 31 chúng tích điện dương. Nhà vật lí người Đức Phillip Lenard trở nên bị lôi cuốn vào những quan sát này, và ông đã đặt tên cho nó là hiệu ứng quang điện. Lenard dùng một lăng kính để tách ánh sáng trắng thành các thành phần màu của nó, và rồi cho hội tụ có chọn lọc mỗi màu lên một đĩa kim loại để tống khứ các electron ra khỏi nó. Cái Lenard phát hiện được làm ông bối rối và ngạc nhiên. Đối với một bước sóng ánh sáng cụ thể (chẳng hạn ánh sáng xanh dương), các electron tạo ra một thế không đổi, hay một lượng năng lượng ổn định. Việc giảm hoặc tăng lượng ánh sáng tạo ra sự tăng hoặc giảm tương ứng số electron được giải phóng, nhưng mỗi electron vẫn có năng lượng như cũ. Nói cách khác, các electron thoát khỏi liên kết nguyên tử có năng lượng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, chứ không phải cường độ ánh sáng. Điều này trái với cái mà thuyết sóng mong đợi. Lenard cũng khám phá ra mối liên hệ giữa bước sóng và năng lượng: các bước sóng càng ngắn làm phát sinh các electron có năng lượng càng lớn. Hình 8. Hiệu ứng quang điện Việc thiết lập mối quan hệ giữa ánh sáng và các nguyên tử có được vào đầu thập niên 1800 khi William Hyde Wollaston khám phá thấy phổ của Mặt Trời không phải là một dải sáng liên tục mà chứa hàng trăm bước sóng bị thiếu. Trên 500 vạch hẹp ứng với các GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 32 bước sóng bị thiếu đã được lập biểu đồ bởi nhà vật lí người Đức Joseph von Fraunhofer, người đặt các kí hiệu chữ cái cho các khe hở lớn nhất. Sau này, người ta phát hiện thấy các khe hở sinh ra do sự hấp thụ những bước sóng cụ thể bởi các nguyên tử trong lớp bên ngoài Mặt Trời. Những quan trắc này là một số liên hệ đầu tiên giữa các nguyên tử và ánh sáng, mặc dù tác dụng cơ bản của nó không được hiểu rõ vào lúc ấy. Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng hạt, bất chấp những bằng chứng tràn ngập cho bản chất giống sóng của ánh sáng. Einstein là khoa học gia được giải Nobel về khoa học (1921) khi ông xác minh được ánh sáng có bản chất hạt trong thí nghiệm quang điện. Ánh sáng được rọi vào một tấm kim loại, là vật liệu giàu điện tử. Khi Einstein thay đổi tần số của ánh sáng tới (tức là thay đổi màu ánh sáng) đến một giá trị nào đó thì cây kim trên máy đo bắt đầu chuyển động, chỉ dấu cho một dòng điện chạy. Thay đổi cường độ ánh sáng không thay đổ cường độ dòng điện, nhưng thay đổi tần số giao động của ánh sáng, thay đổi cường độ dòng quang điện. Từ đó, Einstein mới lập ra lý thuyết quang điện cho rằng ánh sáng được cấu thành bởi những hạt cơ bản; một hạt có năng lượng bằng tần số dao động của ánh sáng tới nhân với một hằng số gọi là hằng số Planck. Hạt cơ bản này gọi là quang tử. Khi tần số của ánh sáng tới lớn hơn một giá trị nào đó thì năng lượng của quang tử đủ lớn để đánh rời hạt điện tử đang liên kết với các nguyên tử trên bề mặt kim loại để chúng tự do bay từ mặt kim loại bên phải (được rọi sáng) qua mặt kim loại bên trái .Sự chuyển động của các hạt điện tử, theo định nghĩa, chính là dòng điện, gọi là quang điện. Trong khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng các electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon), và như thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài. Ông cũng cho rằng nếu năng lượng của photon tỉ lệ nghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những electron có năng GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 33 lượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của Lenard. Mặc dù thí nghiệm quang điện chủ yếu xác minh tính hạt của ánh sáng, nó cũng hàm chứa tính sóng vì năng lượng của quang tử tỉ lệ với tần số dao động - tức là một đặc điểm của tính sóng. Tuy nhiên, cần phải có thí nghiệm Young về hiện tượng giao thoa thì người ta mới biết chắc chắn ánh sáng có tính sóng nữa. Trong thí nghiệm Young một chùm ánh sáng (bao gồm nhiều quang tử) được bắn qua hai kẻ hở sát nhau trên màn chắn .Trên màn hình phía sau, xuất hiện ra những vân sáng và tối xen kẽ nhau. Hiện tượng này được là gọi hiện tượng giao thoa. Giao thoa là bằng chứng của tính sóng (như sóng biển) của ánh sáng. Các vạch sáng tối là do sự cộng hưởng của hai hàm số sóng. Các vạch tối là do sự khử nhau của hai hàm số sóng Schrodinger. Hàm số sóng là gì? Theo thuyết lượng tử, chúng ta không thể biết chính xác vị trí của hạt vi mô (nguyên lý bất định Heinsenberg) nhưng biết được xác suất có thể tìm thấy nó ở đâu. Giá trị bình phương của hàm số sóng chính là xác suất tìm thấy của hạt vi mô đó. Do vậy, các vạch sáng là những nơi tìm thấy được các quang tử; các vạch tối là các vùng "cấm điạ," là nơi quang tử không thể tới được. Do vậy, ánh sáng giao thoa là sự giao thoa của các hàm số sóng của những quang tử.Tuy nhiên, khi người ta bắn từng quang tử một, mổi lần chỉ một hạt, qua hai khe hở thì các vạch sáng và tối vẫn xuất hiện. Đối với một chùm ánh sáng bao gồm nhiều quang tử, thật là dễ giải thích về hiện tượng giao thoa. Đó là các hàm số sóng của các hạt khi thì cộng hưởng với nhau, tạo nên các vạch sáng, khi thì khử nhau tạo nên những vạch tối. Nhưng khi bắn từng quang tử một, thì quang tử đó giao thoa với cái gì? Theo lời giải thích của Schrodinger, là cha đẻ của phương trình hàm số sóng, quang tử được bắn ra đó giao thoa với chính nó! Làm sao nó có thể giao thoa với chính nó, khi nó chỉ có thể lọt qua một trong hai kẻ hở mà thôi? Theo lời giải thích này, đạn đạo của quang tử đó bao gồm nhiều đường khác nhau, qua cả hai khe hở, chứ không phải là một đường, qua GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 34 Hình ảnh các vân giao thoa một khe hở. Đây là điều kỳ cục thứ hai về bản chất của ánh sáng. Nói cách khác, quang tử đó có nhiều trạng thái khác nhau, và hiện hữu cùng một lúc, cho tới khi người ta bịt khe hở bên phải thì hiện tượng giao thoa của một quang tử biến mất. Khi mở nó ra và che khe hở bên trái thì hiện tượng giao thoa cũng biến mất .Hiện tượng giao thoa của một quang tử chỉ xuất hiện khi cả hai khe cùng mở .Tuy nhiện, khi người ta gắn một khí cụ quan sát gần khe hở bên trái thì hiện tượng giao thoa biến mất. Làm lại điều này với khe hở bên phải cũng quan sát được điều tương tự. Đây là điều kỳ cục thứ ba. Nói một cách khác, khi có quan sát viên (khí cụ quan sát) đứng nhìn, thì tất cả các trạng thái khả dĩ của quang tử biến mất hết chỉ trừ có một trạng thái còn lại mà thôi. Người ta gọi đây là sự sụp đổ của các trạng thái lượng tử. Thí nghiệm Young cho ánh sáng cũng áp dụng cho điện tử, nghĩa là người ta cũng quan sát được hiện tượng giao thoa trong trường hợp một chùm điện tử và cả trường hợp chỉ có một điện tử mà thôi. Lí thuyết của Einstein được củng cố trong thập niên 1920 bởi các thí nghiệm của nhà vật lí người Mĩ Arthur H. Compton, người chứng minh được photon có xung lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau. Cũng vào khoảng thời gian đó, nhà khoa học người Pháp Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt. Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, de Broglie đã ngoại suy công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng số Planck: E = h.f =mc2 Trong đó E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng số Planck và f là tần số. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 35 Công trình của de Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lượng và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mới cuối cùng sẽ được dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng. Cơ học lượng tử ra đời từ nghiên cứu của Einstein, Planck, de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrodinger, và những người nỗ lực giải thích bức xạ điện từ bằng thuật ngữ lưỡng tính, hay là hành trạng vừa giống sóng vừa giống hạt. Có khi ánh sáng hành xử như hạt, và đôi khi lại như sóng. Một câu hỏi đắt giá được đặt ra! Khi nào ánh sang khoác chiếc áo song và trong những hoàn cảnh nào nó chưng ra bộ áo hạt? Câu trả lời rất đơn giản: ánh sang là sóng khi chúng ta không đo nó, khi chúng ta không dò bắt nó; nhưng ngay khi chúng ta sử dụng một máy dò để xác định các tính chất của nó, nó liền biến thành hạt. Chúng ta biết điều này nữa nhờ thí nghiệm khe Young. Hãy đặt một máy dò ánh sang ngay sau một trong hai khe để theo dõi photon đi qua. Trong thí nghiệm thứ nhất, máy dò không được bật. Trong trường hợp này, các vân giao thoa xuất hiện trên màn hình, và chúng ta biết rằng ánh sang khoác chiếc áo sóng. Bây giờ chúng ta hãy cho máy dò hoạt động. Ngay lập tức, hai dải ánh sáng xuất hiện tên màn đặt sau các khe; các vân giao thoa không còn ở đó nữa. Vậy là ánh sáng khoác chiếc áo hạt. Trong trường hợp thứ nhất, bởi vì các máy dò không hoạt động, nên chúng ta không biết mỗi photon sẽ đi qua khe nào, khe trái hay khe phải; Trong trường hợp thứ hai vì máy dò hoạt động, nên chúng ta biết điều đó. Để thay đổi bộ dạng của các photon, chúng ta chỉ cần cho máy dò hoạt động. Nói cách khác, người quan sát ở đây đóng một vai trò trung tâm. Trong thế giới nguyên tử, chính người quan sát tạo ra hiện thực. Hiện thực nguyên tử và dưới nguyên tử không còn là khách quan nữa, mà là chủ quan. Giống như Salomon, chúng ta không nói dứt khoát vì ánh sáng vừa là sóng, vừa là hạt. Quan điểm của Einstein (ánh sáng được tạo thành từ các hạt năng lượng) cũng như quan điểm của Huygens, Young, Fresnel, Faraday và Maxwell (ánh sáng có bản chất sóng). Hai cách mô tả không loại trừ nhau, mà bổ sung cho nhau. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 36 Đặc trưng lưỡng tính của hành trạng của ánh sáng có thể dùng để mô tả tất cả các đặc điểm đã biết được quan sát thấy bằng thực nghiệm, từ sự khúc xạ, phản xạ, giao thoa, và nhiễu xạ cho tới các hiệu ứng phân cực ánh sáng và hiệu ứng quang điện. Hai đặc trưng của ánh sáng sống hòa thuận cùng nhau và cho phép chúng ta khám phá những nét đẹp của vũ trụ. II. Ánh sáng và thị giác – Đường truyền của ánh sáng trong các môi trường Khi nghiên cứu về ánh sáng, điều làm tôi quan tâm đầu tiên là trả lời câu hỏi: làm sao chúng ta có thể tri giác được các sự vật, hiện tượng xung quanh. Tất nhiên là nhờ ánh sáng rồi!, nhưng mà cơ chế cụ thể của quá trình tri giác này ra sao? Ví dụ, một đám đông theo dõi một cuộc thi đấu thể thao trong một sân vận động chật cứng người: hình ảnh của các vận động viên chạy trên đường có thể đi vào mắt của hàng nghìn người tại cùng một thời điểm như thế nào? Liệu hình ảnh đó có được nhân lên vô số lần không? Khi chúng ta ngắm nghía những đường viền tinh tế của cánh hoa hồng, các đường cong hài hòa của một bức tượng hay màu đỏ rực rỡ của cảnh hoàng hôn, thì bằng cách nào các hình dạng và màu sắc đó đã tách ra khỏi hoa hồng, bức tượng hay của Mặt Trời để đi vào mắt chúng ta? II.1 Ánh sáng và thị giác Tôi sẽ hãy giải quyết lần lượt từng vấn đề sau: Thứ nhất: Ta có thể nhìn thấy các vật là do một trong hai điều phải xảy ra. Hoặc mắt là một cơ quan thụ động an phận ghi lại màu sắc và hình dạng mà các vật quanh chúng GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 37 ta gửi đến cho nó. Trong trường hợp này, ánh sáng đi từ vật tới mắt. Hoặc mắt là chủ động và dò xét thế giới bên ngoài bằng cách chiếu vào nó các tia sáng. Trong trường hợp này, ánh sáng đi từ mắt thay vì đi vào mắt. Trường hợp nào đúng? II.1.1 Ánh sáng đi từ mắt đến vật hay từ vật đến mắt? Người Hy Lạp là những người đầu tiên suy nghĩ nghiêm túc về ánh sáng, thị giác và màu sắc, cũng như rất nhiều vấn đề khác. Để trả lời câu hỏi đó, nhà bác học người Ả rập Alhazen (965-1039) đã nêu lên lập luận của mình: chúng ta không thể nhìn lâu Mặt Trời mà không bị chói mắt. Nếu ánh sáng đi từ mắt chúng ta, thì sẽ không có lý do gì để chúng ta phải cảm thấy chói mắt như vậy. Ngược lại, nếu ánh sáng mặt trời đi đến mắt chúng ta, thì ánh sáng chói lòa của nó có thể dễ dàng giải thích tại sao chúng ta lại thấy khó chịu như vậy. Alhazen cũng nêu lên hiện tượng lưu ảnh; hãy nhìn một vật trong nắng và sau đó đi vào bóng râm: hình ảnh về vật vẫn đọng lại vài giây trước mắt chúng ta. Một lần nữa, hiện tượng này cũng chỉ có thể giải thích được nếu ánh sáng đi vào mắt chúng ta từ bên ngoài. Mắt không còn là nơi trú ngụ của một thứ ánh sáng thần thánh và thiêng liêng nữa; mắt chờ được được chiếu sáng bởi ánh sáng từ ngoài. Từ vai trò là máy phát ra các tia, mắt chuyển sang vai trò là máy thu. Câu hỏi thứ hai đặt ra: Ảnh của vật được hình thành như thế nào trong mắt, hay nói cách khác, cơ chế của sự hình thành ảnh trong mắt là gì? II.1.2 Cơ chế của sự hình thành ảnh trong mắt là gì? GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 38 Léonard de Vinci (1452-1519) đã làm thí nghiệm buồng tối (được Alhazen miêu tả vào năm 1000): chọc một lỗ nhỏ vào tấm rèm phủ kín một buồng tối, lập tức các hình ảnh của thế giới được chiếu sáng từ bên ngoài sẽ hiện lên bức tường đối diện, nhưng lộn ngược. Trong một cơn xuất thần của trí tưởng tượng sáng tạo, Léonard đã tổng hợp hai sự kiện này lại. Ông là người đầu tiên đã đồng nhất mắt với buồng tối, nơi các hình ảnh của thế giới được phóng chiếu, các tia sáng từ bên ngoài đi vào qua lỗ con ngươi. Các tia sáng này sau đó bị lệch hướng và được tụ tiêu bởi thủy tinh thể trên dây thần kinh thị giác, cũng giống như mắt kính làm lệch hướng và tụ tiêu ánh sáng. Ý tưởng này rất quan trọng. Léonard đã bác bỏ quan niệm của Galien cho rằng thủy tinh thể là trung tâm của thị giác. Vai trò của thủy tinh thể bây giờ bị rút lại thành vai trò của một dụng cụ quang học đơn thuần giống như mắt của một cái kính. Nhưng sự đồng nhất mắt với buồng tối đặt ra một vấn đề: các hình ảnh bị đảo ngược, ấy vậy mà mắt vẫn nhìn thế giới theo đúng tư thế thuận của nó ! Theo Kepler (1571-1630), nếu mắt là một buồng tối và nếu các tia sáng đi vào mắt qua con ngươi có một kích thước nhất định, thì thế giới bên ngoài phải trình diện trước mắt ta một cách mờ nhòe, không rõ nét (cũng giống như trường hợp đường kính của hình ảnh của Mặt Trăng chiếu qua một lỗ vào trong buồng tối lại luôn lớn hơn giá trị mong đợi, bởi kích thước hữu hạn của cái lỗ, làm cho ảnh bị nhòe). Tuy nhiên, thực tế lại không phải như vậy. Do đó, các hình ảnh mà mắt nhìn thấy, phải được hình thành theo một cơ chế khác. Ông đã nhận ra rằng cơ chế này chính là sự khúc xạ. Các tia sáng không lan truyền theo đường thẳng khi đi vào mắt, như trường hợp buồng tối, mà bị lệch hướng khi đi vào thủy tinh thể. Như vậy, mặc dù mượn phần lớn các quan điểm của Alhazen, nhưng Kepler không đồng ý với khẳng định của nhà khoa học Ảrập này theo đó chỉ có những tia đi vuông góc với giác mạc mới đóng góp cho thị giác. Tại sao một tia sáng rất gần với đường vuông góc với mắt lại không giúp gì cho thị giác? Điều đó không đúng ! Kepler đã khẳng định một cách chính xác rằng tất cả các tia sáng đều GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 39 đóng góp cho thị giác và sở dĩ chúng ta nhìn thấy rõ nét các hình ảnh, chính là bởi vì tất cả các tia này đều bị lệch hướng và hội tụ vào một điểm duy nhất khi đi vào mắt người. Để kiểm tra giả thuyết của mình, Kepler đã miệt mài tiến hành các thí nghiệm với các bình thủy tinh tròn chứa đầy chất lỏng, giống như mắt. Ông đã chứng tỏ được rằng các tia sáng đi qua các bình thủy tinh nước ấy đều hội tụ vào một điểm duy nhất, và rằng hình ảnh là sáng và nét nếu độ mở mà các tia đi qua đó là tương đối nhỏ. Mắt có một độ mở nhỏ như thế (con ngươi) và một thấu kính (thủy tinh thể) để hội tụ các tia sáng. Nhưng hình ảnh được hình thành ở đâu? Vẫn rất chính xác, Kepler cho rằng nơi hội tụ các tia sáng và hình thành các hình ảnh là võng mạc - chứ không phải là thủy tinh thể như Alhazen và Galien đã nghĩ. Sau hai nghìn năm lý thuyết về thị giác, vai trò của võng mạc là trung tâm của thị giác cuối cùng đã được thừa nhận. Quay trở lại thắc mắc, tại sao chúng ta không nhìn thấy một thế giới bị đảo ngược? Descartes (1596-1650) đã nói rất dứt khoát, hình ảnh trong não mà chúng ta tri giác được là một phiên bản đơn giản hóa của hình ảnh được gởi tới từ thế giới bên ngoài, và chính não đã bổ khuyết thêm những thông tin còn thiếu. Như vậy, Descartes là người đầu tiên cố gắng khai mở các con đường từ sự tri giác thế giới bên ngoài cho đến não bộ. Theo nghĩa này, ông có thể coi là cha đẻ của ngành sinh lí học thần kinh hiện đại. Nói thật chính xác thì mắt không “nhìn” mà chỉ nhận những kích thích ánh sáng rồi truyền chúng lên não để chuyển đổi và tổng hợp lại hình ảnh của sự vật. Để thu nhận hình ảnh, mắt ta có một thấu kính để tụ tiêu hình ảnh, một mống mắt hay lòng đen để điều chỉnh lượng ánh sáng đi vào mắt và một võng mạc đóng vai trò màn ảnh. Để tiêu tụ ánh sáng đi từ những vật mà ta muốn nhìn, mắt ta co hoặc giãn cơ mi nằm quanh mắt để thay đổi tiêu cự và hình dạng của thấu và giác mạc của mắt. Hình ảnh GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 40 được thấu kính hai mặt lồi đảo chiều và tụ tiêu trên võng mạc. Võng mạc tụ tập hàng triệu tế bào hình nón và hình que nhạy sáng gởi lên xung điện theo tế bào thần kinh thị giác lên não, và tại đây, hình ảnh được chuyển đổi và đảo chiều trở lại để ghi nhận hình ảnh thuận chiều của vật muốn nhìn. Các tế bào thần kinh hình nón ở võng mạc có thể phân biệt và làm nổi lên các chi tiết tinh tế trong hình ảnh. Chúng nằm chủ yếu xung quanh vùng trung tâm của võng mạc gọi là lõm trung tâm, do đó lõm cũng là nơi để nhìn được các vật chi tiết nhất và rõ nhất. Các tế bào thần kinh hình nón cũng nhạy với ánh sáng màu, do đó vùng lõm cũng để phân biệt các màu sắc. Các tế bào hình que nằm xa lõm hơn, chịu trách nhiệm về một hình ảnh tổng thể trên diện rộng nhưng không đi vào chi tiết. Đó cũng là lí do tại sao ta nhìn trực diện vào một vật khi muốn quan sát nó một cách cẩn thận. Hình ảnh lúc đó được tụ tiêu xung quanh lõm trung tâm, nơi mà phần lớn các tế bào hình nón làm nổi lên các chi tiết tinh tế của hình ảnh. Ngoài ra các tế bào hình que cũng hữu ích để nhìn ban đêm. Ánh sáng giúp ta đánh giá được vẻ đẹp, sự lộng lẫy và hài hòa của vũ trụ quanh ta. Ánh sáng điều chỉnh nhịp sinh học của cơ thể chúng ta. Nhưng ở đây có một nghịch lý lớn: nếu ánh sáng cho phép chúng ta nhìn thấy thế giới, thì bản thân ánh sáng lại không nhìn thấy được nếu không có các vật trong môi trường chặn đường đi của nó và làm cho nó bộc lộ mình. Thật vậy, nếu bạn chiếu ánh sáng vào một cái thùng kín và chú ý để cho nó không đập vào bất kỳ vật hay bề mặt nào, bạn sẽ chỉ thấy bóng tối. Chỉ khi nào bạn đưa một vật ngang qua đường đi của ánh sáng và bạn thấy nó được chiếu sáng thì bấy giờ bạn mới biết rằng cái thùng chứa đầy ánh sáng. Tương tự, một nhà thiên văn học nhìn qua cửa sổ của phi thuyền không gian sẽ chỉ thấy không gian sâu thẳm tối đen như mực, mặc dù ánh sáng Mặt Trời choán đầy xung quanh anh ta. Ánh sáng Mặt Trời ở đây không đập vào cái gì nên không nhìn thấy được. Vậy vấn đề thứ ba là, chúng ta thử đi tìm hiểu hành trạng của các tia sáng trong thế giới này nhé! GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 41 II.1.3 Hành trạng của các tia sáng Cùng làm quen với các định luật liên quan đến ánh sáng: II.1.3.1 Ánh sáng truyền thẳng “Trong một môi trường trong suốt, đồng nhất, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng” II.1.3.2 Nhưng khi tia sáng chạm phải một môi trường khác thì sao? Khi ánh sáng gặp một vật, thì một trong hai hiện tượng sẽ xảy ra: hoặc là nó nảy trên bề mặt của vật để quay lại phía sau, và người ta nói ánh sáng bị phản xạ (chẳng hạn, khi bạn nhìn mình trong gương, thì chính ánh sáng của cơ thể bạn được phản xạ bởi gương đi vào trong mắt bạn); hoặc là ánh sáng đi vào môi trường mới trong suốt bằng cách thay đổi hướng, và người ta nói ánh sáng bị khúc xạ. Bốn thế kỷ trước CN, Euclide đã biết định luật phản xạ trên mặt phẳng: góc của tia tới tạo với pháp tuyến của mặt phẳng bằng góc của tia phản xạ với chính pháp tuyến đó. Archimède (khoảng 287-212 tr.CN) đã chứng minh được rằng có thể tập trung toàn bộ ánh sáng tới vào tiêu điểm của gương nếu gương này có dạng parabol. Như vậy, người Hy Lạp đã biết làm chủ kỹ thuật chế tạo gương. Trên thực tế, Archimède đã thiêu rụi hạm đội La Mã đang vây hãm thành phố Syracuse bằng cách dùng các gương parabol khổng lồ tập trung ánh sáng mặt trời lên tàu địch. Ngày nay nguyên lý tập trung ánh sáng này vẫn được dùng trong kỹ thuật để chế tạo các kính thiên văn lớn. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 42 Người Hy Lạp cũng đã biết đến hiện tượng khúc xạ. Trong cuốn Quang học, Ptolémée miêu tả thí nghiệm đã từng được Euclide nhắc đến (bạn có thể dễ dàng tự mình thực hiện thí nghiệm này để bước đầu tìm hiểu các hiệu ứng của khúc xạ ánh sáng): đặt một cái bát to lên bàn và thả xuống đáy bát một đồng tiền xu. Hãy ngồi ở một chỗ sao cho bạn không thể nhìn thấy đồng tiền xu nếu không hơi nhổm người lên. Nghĩa là đồng xu đã nằm ngoài tầm mắt của bạn. Sau đó hãy đổ nước từ từ vào trong bát. Mức nước tăng lên và, đến một lúc nào đó, bạn sẽ nhìn thấy đồng xu mà không phải nhổm người lên. Sở dĩ bạn nhìn thấy đồng xu là nhờ khúc xạ ánh sáng: không có nước, các tia sáng xuất phát từ đồng xu không đi vào mắt; có nước, tia sáng bị lệch về phía đáy và đi vào mắt nên bạn có thể nhìn thấy nó. Một thí nghiệm khác cũng minh hoạ những hiệu ứng lạ của khúc xạ: đặt một cái bút chì vào trong bát nước và bạn thấy cái bút chì này dường như không còn là một vật nguyên vẹn nữa, mà trông cứ như bị cắt làm đôi; khúc xạ làm cho phần bị chìm dưới nước trông cứ như không gắn với phần nằm trên mặt nước. Mặc dù đã nghiên cứu về khúc xạ, nhưng Ptolémée vẫn chưa biết các định luật chi phối ánh sáng khúc xạ . Nhà bác học Arập Alhazen đã đưa ra một lý thuyết về khúc xạ ánh sáng vào năm 1000, nhưng không phải bằng ngôn ngữ toán học. Tuy nhiên, trực giác của ông đã tỏ ra đúng đắn. Ông đã cho ánh sáng một vận tốc hữu hạn và thừa nhận ra rằng vận tốc ánh sáng phụ thuộc vào môi trường mà nó đi qua. Alhazen tách vận tốc ánh sáng làm hai thành phần: một vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, chẳng hạn không khí và nước, và một song song với mặt phân cách ấy; ông nghĩ rằng thành phần song song của tia sáng chậm hơn thành phần nằm vuông góc khi ánh sáng đi vào một môi trường chiết quang hơn (như từ không khí vào nước), làm cho ánh sáng bị lệch về phía pháp tuyến của của mặt phân cách. Để có cái nhìn tổng quát hơn, các bạn theo dõi tiếp nhé!!! GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 43 II.1.3.3 Ánh sáng đi chậm hơn hay nhanh hơn khi đi vào một trường chiết quang hơn? Người đầu tiên thiết lập được công thức toán học về định luật khúc xạ là Kepler. Trong cuốn Khúc xạ học, Kepler cho rằng tỷ số của góc tới (tức là góc lập bởi tia và pháp tuyến) và góc khúc xạ là không đổi. Nhưng định luật này chỉ đúng đối với các góc nhỏ. Phải đợi đến thế kỷ XVI, nhà khoa học người Hà Lan Willibrord Snel (1580-1626) mới phát hiện ra định luật đúng về khúc xạ: tỷ số của sin góc tới và sin góc khúc xạ là không đổi, dù góc tới có là thế nào chăng nữa . Định luật khúc xạ được phát hiện sau khoảng một nghìn năm nghiên cứu này là một trong những định luật đầu tiên của vật lý học được phát biểu một cách định lượng. Nhưng nếu Snel biết miêu tả hành trạng của ánh sáng khúc xạ bằng một công thức toán học, thì ông lại không thể giải thích được nó. Descartes cố gắng tìm ra nguồn gốc của định luật của Snel bằng cách mượn ý tưởng của Alhazen: chính sự thay đổi vận tốc của tia sáng khi đi từ môi trường này sang môi trường khác là nguyên nhân của hiện tượng khúc xạ. Nhưng sơ đồ của ông là ngược với sơ đồ của Alhazen: thay vì phần ánh sáng song song với mặt phân cách giữa hai môi trường chậm lại so với thành phần vận tốc thẳng đứng không thay đổi, Descartes lại cho rằng thành phần vận tốc thẳng đứng tăng lên so với thành phần song song không thay đổi. Ông cho rằng tỷ số sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là không đổi và bằng tỷ số của vận tốc ánh sáng trong nước và vận tốc ánh sáng trong không khí. Nhưng, bởi vì góc tới lớn hơn góc khúc xạ, nên theo Descartes, ánh sáng đi trong nước nhanh hơn đi trong không khí. Vận tốc của ánh sáng tăng khi chuyển từ một môi trường kém chiết quang sang một môi trường chiết quang hơn: một kết quả chí ít cũng là hoàn toàn phi trực giác ! GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 44 Sau này bằng cách mượn lại các quan điểm của Alhazen và Descartes, nhà bác học người Anh Isaac Newton (1642-1727) đã dùng những suy luận theo thủy động lực học để đưa ra một sự biện minh sai lầm: các kênh hẹp hơn trong môi trường đặc hơn sẽ buộc ánh sáng phải đi nhanh hơn, giống như nước chảy nhanh hơn khi chúng ta bóp nhỏ đường kính của ống ở chỗ nước phun ra. Nhưng lương tri của chúng ta chống lại sự biện minh đó: nó mách bảo chúng ta rằng một môi trường càng đặc (tức chiết quang hơn) sẽ cản trở càng mạnh sự truyền của ánh sáng, và ánh sáng càng bị chậm hơn, chứ không phải ngược lại! II.1.3.4 Fermat và nguyên lí tiết kiệm của tự nhiên Quan điểm nào đúng? Ánh sáng đi nhanh hơn hay chậm hơn vào môi trường đặc hơn? Người đưa ra câu trả lời cuối cùng là Pierre Fermat (1601-1665). Ông bác bỏ định đề của Descartes theo đó “chuyển động của ánh sáng trong các môi trường đặc hơn là dễ dàng hơn và nhanh hơn trong các môi trường loãng hơn. Định đề này có vẻ ngược với ánh sáng tự nhiên.” Để chứng minh định lí Snel, ông sử dụng nguyên lí mục đích luận của tự nhiên, theo đó tự nhiên thực hiện mọi việc một cách tiết kiệm và dè sẻn: “chứng minh của chúng tôi dựa trên một định đề duy nhất nói rằng tự nhiên vận hành bằng các phương tiện và con đường dễ nhất và thoải mái nhất”-ông viết. Fernat đã áp dụng nguyên lí này cho hành trạng của ánh sáng: một tia sáng đi từ điểm này đến điểm khác trong một khoảng thời gian ngắn nhất có thể. Khi kết hợp với hai nguyên lí khác, nguyên lí vận tốc áng sáng truyền hữu hạn trong không khí hoặc trong môi trường trong suốt đồng tính, và nguyên lí vận tốc ánh sáng chậm lại trong môi trường đặc hơn, ông đã giải thích được định luật khúc xạ ánh sáng của Snell. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 45 II.1.3.5 Vấn đề cứu người chết đuối Nguyên lý tiết kiệm không chỉ áp dụng cho hành trạng của ánh sáng. Nó còn có các hệ quả khác thực tiễn hơn. Chẳng hạn, vấn đề mà Fermat giải quyết cho đường đi của ánh sáng cũng là bài toán mà một nhân viên cứu hộ phải giải để cứu một người bơi bất cẩn đang bị chìm. Người cứu hộ phải làm thế nào để đến chỗ người chết đuối nhanh nhất có thể. Anh ta có thể lựa chọn đường đi. Có thể chạy thẳng xuống nước theo hướng vuông góc với bờ biển và sau đó bơi đến chỗ người bị nạn. Nhưng bơi sẽ mất nhiều thời gian hơn chạy trên bờ biển, và anh ta có nguy cơ đến muộn. Cũng có thể chạy một khoảng cách dài nhất có thể trên bờ biển nơi anh ta thấy gần người bị nạn nhất rồi sau đó bơi thẳng (vuông góc) từ bờ biển đến chỗ người bị nạn. Hoặc cũng có thể đi theo một con đường nào đó là trung gian giữa hai con đường vừa nêu ở trên. Nguyên lý tiết kiệm nói với chúng ta rằng đường đi nhanh nhất đối với người cứu hộ là sẽ là một trong số những con đường trung gian đó. Các tiến bộ sau này của vật lý đã chứng tỏ rằng Fermat đã đúng và các phê phán đó là sai lầm. Fermat đã nhận ra một đặc tính chung của tự nhiên bao trùm một loạt các tình huống và có thể được phát biểu đơn giản và ngắn gọn thế này: tự nhiên hành động tiết kiệm nhất có thể. Những người sáng tạo ra khoa học về cơ học và chuyển động sẽ thường gặp trên con đường của mình nguyên lý tiết kiệm này, nguyên lý mà họ đặt tên là “nguyên lý tác dụng tối thiểu” . GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 46 II.1.3.6 Grimaldi và nhiễu xạ hay tán xạ, phương thức lan truyền mới của ánh sáng Như vậy ánh sáng có thể lan truyền theo ba cách khả dĩ: theo đường thẳng, bằng phản xạ trên một mặt phẳng như gương chẳng hạn, và bằng khúc xạ khi thay đổi môi trường. Nhưng liệu ánh sáng có chỉ giới hạn trong ba hành trạng này không? Câu trả lời là không, vì năm 1665, năm Fermat qua đời, là năm công bố di cảo một chuyên luận dài mang nhan đề Một luận đề siêu hình học và toán học về ánh sáng, màu sắc và cầu vồng, của một tu sĩ dòng Tên, giáo viên dạy toán ở Bologne (Italia) tên là Francesco Maria Grimaldi (1618-1663). Trong chuyên luận này, Grimaldi đã thông báo một phát hiện quan trọng đạt được trong các nghiên cứu tỉ mỉ về bóng của các vật được chiếu bởi ánh sáng lọc qua các lỗ rất nhỏ. Trên thực tế ông thấy ánh sáng có thể lan truyền theo một cách khác nữa: “Tôi sẽ chứng tỏ với các bạn một phương thức lan truyền thứ tư mà tôi gọi là nhiễu xạ, bởi vì ánh sáng bị phân tán, ngay cả trong một môi trường đồng nhất, ở lân cận một vật cản, thành các nhóm tia khác nhau lan truyền theo các hướng khác nhau”. Một ví dụ đơn giản khác, những rất phổ biến, của sự nhiễu xạ xảy ra khi ánh sáng tán xạ hoặc bị bẻ cong bởi các hạt nhỏ có kích thước vật lí cùng bậc độ lớn với bước sóng ánh sáng. Một ví dụ tốt là sự trải rộng ra của chùm ánh sáng đèn pha ô tô bởi sương mù hoặc các hạt bụi mịn. Lượng tán xạ và góc mở rộng của chùm sáng phụ thuộc vào kích thước và mật độ các hạt gây ra sự nhiễu xạ. Sự tán xạ ánh sáng, một hình thức nhiễu xạ, cũng là nguyên nhân tạo ra màu xanh của bầu trời và cảnh bình minh và hoàng hôn thường rực rỡ có thể thấy ở phía chân trời. Nếu như Trái Đất không có bầu khí quyển (không có không khí, nước, bụi và các mảnh vụn) thì bầu trời sẽ có màu đen, kể cả vào ban ngày. Khi ánh sáng từ Mặt Trời truyền qua bầu khí quyển của Trái Đất, những khối GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 47 phân tử không khí riêng biệt có mật độ biến thiên, do các dao động nhiệt và sự có mặt của hơi nước, sẽ làm tán xạ ánh sáng. Những bước sóng ngắn nhất (tím và xanh dương) bị tán xạ nhiều nhất, làm cho bầu trời có màu xanh thẩm. Khi có một lượng đáng kể bụi hoặc hơi ẩm trong không khí, thì các bước sóng dài (chủ yếu là màu đỏ) cũng bị tán xạ cùng với bước sóng xanh dương, làm cho bầu trời xanh trong có vẻ trắng hơn. Khi Mặt Trời ở trên cao (khoảng giữa trưa) trong bầu khí quyển khô, trong trẻo, đa số ánh sáng khả kiến truyền qua bầu khí quyển không bị tán xạ đáng kể, và Mặt Trời có vẻ như trắng trên nền trời xanh thẩm. Khi Mặt Trời bắt đầu lặn, sóng ánh sáng phải truyền qua lượng nhiều hơn của bầu khí quyển, thường chứa một số lượng lớn các hạt bụi lơ lửng và hơi ẩm. Dưới những điều kiện này, những bước sóng dài hơn của ánh sáng trở nên bị tán xạ và những màu khác bắt đầu lấn át màu của Mặt Trời, biến đổi từ vàng sang cam, cuối cùng chuyển sang đỏ trước khi nó lặn khuất dưới đường chân trời. Chúng ta có thể thường thấy những sắc thái xanh dương, hồng, tía và xanh lá ở các đám mây, phát sinh bởi sự kết hợp của các hiệu ứng khi ánh sáng bị khúc xạ và nhiễu xạ từ những giọt nước trong các đám mây đó. Lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bước sóng càng ngắn bị nhiễu xạ ở góc càng lớn so với bước sóng dài (trong thực tế, ánh sáng xanh dương và tím bị nhiễu xạ ở góc lớn hơn so với ánh sáng đỏ). Thuật ngữ nhiễu xạ và tán xạ cũng thường được dùng hoán đổi nhau và có thể xem gần như là tương đương trong nhiều trường hợp. Sự nhiễu xạ mô tả một trường hợp đặc biệt của sự tán xạ ánh sáng trong đó một vật có các đặc trưng lặp lại đều đặn (ví dụ như vật tuần hoàn hoặc cách tử nhiễu xạ) tạo ra hình ảnh nhiễu xạ có trật tự. Trong thế giới thực, đa số các vật có hình dạng rất phức tạp và phải được xem là gồm nhiều đặc trưng nhiễu xạ riêng rẽ có thể cùng tạo ra một sự tán xạ ánh sáng ngẫu nhiên. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 48 Vậy là chúng ta kết luận: Trong môi môi trường đồng tính, ánh sáng truyền thẳng, khi gặp một vật cản (môi trường khác), ánh sáng sẽ bị tán xạ. Và trong một số trường hợp đặc biệt (bề mặt vật cản nhẵn, chẳng hạn), ta có hiện tượng phản xạ, hoặc khúc xạ, hoặc nhiễu xạ. Bây giờ ta thử lí giải điều trên dựa vào những hiểu biết Vật Lí sau đây: Một điện tích bất kì chuyển động có gia tốc (dao động chẳng hạn) thì bức xạ sóng điện từ. Sự bức xạ càng mạnh nếu gia tốc càng lớn. Mỗi khi sóng điện từ tràn tới điểm nào của môi trường thì sóng điện từ tạo nên ở điểm đó một trường điện từ biến thiên. Từ các điện tích dao động với cùng tần số, các sóng hợp thành sao cho tại các điểm này chúng có thể tăng cường lẫn nhau, còn ở các điểm khác thì dập tắt lẫn nhau (hiện tượng giao thoa). Ánh sáng là sóng điện từ. Khi ánh sáng đi qua một môi trường thuần nhất (đồng tính) thì trường biến thiên của nó kích thích các electron trong nguyên tử chất của môi trường dao động, và các electron bắt đầu tự bức xạ sóng điện từ có cùng tần số ấy. tuy nhiên, như kết quả tính toán chứng tỏ, bức xạ của chúng dập tắt lẫn nhau theo tất cả mọi phương ngoại trừ phuông truyền ánh sáng. Trong môi trường thuần nhất lí tưởng, chúng ta tuyệt nhiên không nhín thấy ánh sáng tán xạ nào cả. Nếu môi trường thiếu đồng tính thì tình hình lại khác. Các tạp chất có mặt đã tạo nên những điều kiện hoàn toàn khác trong việc cộng các sóng thứ cấp và khiến cho ánh ánh sáng tán xạ theo các phương khác nhau. Nếu các tạp chất có kích thước không lớn (bé hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng tới) thì sự tán xạ ánh sáng tuân theo định luật J.Rayleigh: cường độ của ánh sáng tán xạ tỉ lệ nghích với lũy thừa bậc bốn của bước sóng, tức là tỉ lệ thuận với lũy thứa bậc bốn của tần số. Vấn đề thứ tư, tôi muốn các bạn cùng tôi khám phá thế giới đa sắc màu này! GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 49 II.1.3.7 Khám phá thế giới đa sắc màu Có khi nào ta tự hỏi, nếu như ta có thể làm công việc là liệt kê tất cả các màu mà mắt ta có thể cảm nhận được, thì con số cuối cùng là bao nhiêu? (công việc này gần giống như bạn hãy thử giúp tôi phân biệt ranh giới giữa màu “hồng phấn” và màu “hồng nhạt”), nếu như có một tiêu chuẩn nào để phân chia ranh giới rõ ràng giữa các màu thì khi đó ắt hẳn bạn và tôi sẽ lập được một bảng dài kỉ lục về tất cả màu sắc đó. Quan sát hình trên, hãy thử nói xem củ hành có màu gì??? Màu sắc là cảm giác mang đến cho hệ thần kinh của người từ sự kết hợp tín hiệu của ba loại tế bào cảm thụ màu ở mắt người. Cảm giác này cũng bị ảnh hưởng "dài hạn" từ trí nhớ lưu lại quá trình học hỏi từ khi lớn lên trong xã hội, và "ngắn hạn" bởi các hiệu ứng ánh sáng của phông nền. Màu sắc của một tia ánh sáng là cảm giác màu mà tia sáng đó gây nên ở mắt người. Màu sắc của các vật thể là màu sắc của ánh sáng xuất phát từ chúng. Khi ta nhìn thấy các màu là thực ra ta nhìn thấy hiệu ứng của ánh sáng chiếu rọi vào mắt. Khi ánh sáng chiếu vào một vật, nó có thể bị vật đó phản xạ, hấp thụ hoặc cho đi qua. Những vật phản xã tất cả ánh sáng chiếu vào nó sẽ được nhìn thấy có màu trắng, còn những vật hấp thụ tất cả những ánh sáng chiếu tới thì có màu đen. Phần lớn các vật thể nhìn thấy có màu sắc là do cấu trúc hóa học của nó hấp thụ một số bước sóng ánh sáng và phản xạ những bước sóng khác. Những vật trong suốt có màu là do chúng cho đi qua những tia sáng màu tương ứng. Với mắt người: Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người. Có 3 loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 50 người, cảm nhận 3 vùng quang phổ khác nhau (tức ba màu sắc khác nhau), đó là màu đỏ, xanh lục và xanh lam. Sự kết hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ 3 loại tế bào này tạo nên những cảm giác màu sắc phong phú. Độ hấp thụ ánh sáng theo bước sóng của ba tế bào thần kinh hình nón (các đường màu) và của tế bào cảm thụ ánh sáng yếu (đường gạch) ở mắt người Tế bào cảm giác màu đỏ và màu lục có phổ hấp thụ rất gần nhau, do vậy mắt người phân biệt được rất nhiều màu nằm giữa màu đỏ và lục (màu vàng, màu da cam, xanh nõn chuối, ...). Tế bào cảm giác màu lục và màu lam có phổ hấp thụ nằm xa nhau, nên mắt người phân biệt về các màu xanh không tốt. Trong tiếng Việt, từ "xanh" đôi khi hơi mơ hồ - vừa mang nghĩa xanh lục vừa mang nghĩa xanh lam. Với mắt các sinh vật GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 51 Cường độ sáng theo bước sóng của bức xạ điện từ Mặt Trời ngay ngoài khí quyển Trái Đất Các sinh vật khác, con người có thể cảm thụ được nhiều màu hơn (chim cảm thụ được 4 màu gốc) hoặc ít màu hơn (bò cảm thụ được 2 màu gốc) và ở những vùng quang phổ khác (ong cảm nhận được vùng tử ngoại). Hầu hết mắt của các sinh vật nhạy cảm với bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong khoảng từ 300 nm đến 1200 nm. Khoảng bước sóng này trùng khớp với vùng phát xạ có cường độ mạnh nhất của Mặt Trời. Như vậy có thể suy luận là việc các loài vật trên Trái Đất đã tiến hoá để thu nhận vùng bức xạ tự nhiên mạnh nhất đem lại lợi thế sinh tồn cho chúng. Không hề ngẫu nhiên mà bước sóng ánh sáng (vùng quang phổ mắt người nhìn được) cũng trùng vào khu vực bức xạ mạnh này Sự nhìn thấy màu sắc: Tất cả các vật nhìn thấy được đều tỏa ra ánh sáng bằng một trong hai cách. Một số vật thể là nguồn sáng, có nghĩa là chúng thực sự sinh ra ánh sáng, chẳng hạn một cái bóng đèn chớp, sử dụng điện năng để đốt nóng dây tóc đèn, nếu chiếu đèn này vào tường, bức tường cũng tỏa sáng. Chẳng qua bức tường cũng chỉ phản xạ ánh sáng đã được tạo ra từ trước. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 52 Một màu sắc mà ta nhìn thấy đều do tác dụng tổng hợp (hòa trộn) lên mắt ta của các ánh sáng đơn sắc (màu) khác nhau với cường độ khác nhau. Nói cách khác, mọi màu sắc ta nhìn thấy đều do sự “trộn màu” mà có. Người ta phân biệt sự trộn màu ánh sáng (còn gọi là trộn màu cộng) và trộn màu sắc tố (hay trộn màu trừ) Trộn màu cộng: Theo lí thuyết ba màu sơ cấp (hay ba màu cơ bản) của Y- âng, mọi ánh sáng đều được tạo thành từ ba màu ánh sáng sơ cấp: đỏ, lục và xanh lam. Tùy theo tỉ lệ giữa ba thành phần cơ bản này mà có thể tạo ra các ánh sáng màu khác nhau. Nếu trộn lẫn (“cộng”) hai màu sơ cấp với nhau thì ta được một màu thứ cấp. Sở dĩ có tên gọi đó, vì nó là sản phẩm tạo nên từ hai màu sơ cấp. Chẳng hạn, ánh sáng đỏ trộn với ánh sáng lục, cho ta ánh sáng thứ cấp vàng. Ánh sáng đỏ trộn với ánh sáng lam cho ra ánh sáng thứ cấp đỏ thẫm. Cuối cùng, ánh sáng xanh thẫm là ánh sáng thứ cấp của lục trộn với lam. Ví dụ, ánh sáng vàng là màu phụ của ánh sáng lam, xanh thẫm là màu phụ của đỏ, đỏ thẫm là màu phụ của lục. Và dĩ nhiên, mỗi cặp màu phụ hòa trộn lẫn nhau thì cho ra ánh sáng trắng. Trừ màu Khác với trộn màu ánh sáng, sự trộn màu sắc tố chỉ xảy ra khi kết hợp các thuốc màu, các sắc tố hoặc các vật thể khác hấp thụ và phản xạ ánh sáng. Các sắc tố (các chất màu) cơ bản khi trộn lẫn từng đôi một cũng tạo ra các chất màu thứ cấp. Nhưng khác với trộn màu ánh sáng, sắc tố đỏ thẫm là hỗn hợp màu phản xạ các tia đỏ và lam và hấp thụ tia sáng lục. Thuốc màu xanh thẫm thì hấp thụ tia sáng đỏ và phản xạ các tia lục và lam; thuốc màu vàng phản xạ các tia đỏ và lục, hấp thụ tia sáng lam. Trong hàng ngàn năm, người ta luôn tìm kiếm các chất trừ màu hữu hiệu. Chúng được sử dụng trong các thuốc nhuộm, sơn, màu mực,… Tất cả các chất này tạo ra cho thế GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 53 giới của chúng ta thêm sặc sỡ, không phải bằng cách thêm màu mà bằng cách lấy bớt màu đi. Các màu sót lại Khi ba màu cơ bản của quang phổ được kết hợp với nhau từng đôi một, chúng tạo ra ba màu thứ cấp. Các bạn đang nhìn thấy điều gì xảy ra khi các màu thứ cấp: lục lam, vàng và đỏ tía được ánh sáng trắng rọi sáng. Mỗi hình khối màu đều lấy đi hoặc “trừ” đúng một màu cơ bản trong ánh sáng trắng. Màu nhìn thấy được hình thành do bộ não công các màu còn sót lại. Khi hai màu thứ cấp chống lên nhau thì chúng trừ lẫn nhau, để lại một màu cơ bản: đỏ, xanh lục hoặc xanh lam. Ở phần giữa, khi ba khối màu chồng lên nhau, tất cả các màu cơ bản đều bị lấy khỏi ánh sáng trắng, như vậy chẳng còn màu nào sót lại: đó là màu đen. Màu trắng không thể được hình thành bằng việc trừ màu. Đó là lí do tại sao các thuốc, sơn mực,…không thể hòa lẫn để tạo ra màu trắng. Như vậy, bạn và tôi vừa giải quyết xong bốn vấn đề cơ bản giúp ta có cái nhìn tổng quát về ánh sáng và thị giác. Không chỉ là cố gắng giải thích, hãy cùng chúng tôi ngắm nhìn và thưởng thức cảnh sắc của tự nhiên tươi đẹp này nhé! GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 54 II.2 Nào ta cùng khám phá thế giới tươi đẹp này nhé! Ánh sáng là tác giả của nhiều cảnh tượng tự nhiên vô cùng đẹp đẽ làm dịu lòng ta và an ủi tâm hồn ta thông qua trò chơi của nó với những giọt nước nhỏ, với các phân tử không khí và tinh thể băng, khi nảy trên bề mặt của các hạt bụi, cây cối và núi non; khi phản xạ trên mặt nước biển và ao hồ hay len lỏi trong các đám mây và sương mù. II.2.1 Cầu vồng Một trong những cảnh tượng tuyệt diệu nhất của tự nhiên, và cũng là ngắn ngủi nhất, đó chính là cầu vòng, cái vòng đa sắc xuất hiện giữa các giọt nước mưa ở cuối cơn giông. Một vòng cung có kích thước khổng lồ, màu sắc hài hòa và hình dạng hoàn hảo khiến ai cũng phải kinh ngạc, thậm chí sùng bái. Các đặc tính làm nên vinh quang của cầu vòng không chỉ là nó có kích thước đầy ấn tượng và vẻ đẹp lộng lẫy, mà còn là vì nó rất hiếm khi xuất hiện, hơn thế nữa lại sinh ra và biến mất hết sức đột ngột. Sau một trận mưa rào, khi Mặt Trời xuất hiện trở lại, bạn hãy quay đầu thật nhanh về phía đối diện với Mặt Trời, vì cầu vòng chỉ xuất hiện theo hướng đó. Mặt trời và nước mưa phải tồn tại song song trong bầu trời thì cầu vòng mới có thể xuất hiện. Trong một cơn giông mùa hè, cầu vòng dễ xuất hiện hơn, vì bầu GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 55 trời xanh được mặt trời chiếu sáng có thể ló ra qua các đám mây, trong khi vào mùa đông, trời thường tối và bị mây mù bao phủ. Nhưng không phải lúc nào có cả Mặt Trời và mưa thì cầu vồng cũng đều xuất hiện, vì các nhân tố khác có thể xen vào. Độ dày của cầu vòng lớn hơn kích thước góc của Mặt Trăng tròn khoảng 4 lần, tức khoàng 2 độ. Các đầu mút của nó tạo thành với vị trí bạn đang đứng quan sát một góc gần 900. Vòng cung luôn luôn tròn một cách hoàn hảo, nhưng ngay cả khi ngắm nó từ chân trời, qua cửa sổ máy bay chẳng hạn, thì cũng không bao giờ thấy nó là một vòng tròn trọn vẹn, một phần của nó luôn bị che khuất dưới chân trời. Bán kính góc của cung luôn là 420, không bao giờ thay đổi. Hãy tưởng tượng nối tâm của vòng cung cầu vòng (được gọi là điểm đối nhật) với mắt bạn và Mặt Trời bằng một đường thằng, thì đường thẳng này sẽ xuyên qua mặt đất, vì tâm của cung cầu vồng thường nằm dưới đường chân trời. Điều này có nghĩa là vào cuối ngày, do sự thẳng hang của Mặt Trời - mắt - tâm, nên Mặt Trời càng xuống phía chân trời thì cung và tâm của nó càng đi lên gần đường chân trời, cầu vóng vì thế sẽ có hình bán nguyệt đúng vào lúc Mặt Trời lặn xuống dưới đường chân trời. Trái lại, điều này cũng có nghĩa là Mặt Trời đi lên hơn 420 trên đường chân trời, thì cầu vòng sẽ biến mất hoàn toàn dưới đường chân trời và ta sẽ không nhìn thấy nữa. Như vậy khả năng quan sát được cầu vòng phụ thuộc vào độ cao của Mặt Trời trên bầu trời, và do đó phụ thuộc vào thời điểm trong ngày. Bạn sẽ có nhiều cơ hội ngắm cầu vòng hơn vào đầu buổi sáng hoặc cuối buổi chiều: Mặt Trời ở những thời điểm đó nằm thấp nhất trên bầu trời, điểm đối nhật nằm ngay sát chân trời và một nửa vòng cung nằm hoàn toàn bên trên chân trời. Vị trí của Mặt Trời trên bầu trời còn phụ thuộc vào vĩ độ nơi quan sát, và vào mùa. Ở một giờ nhất định trong ngày, Mặt Trời vào mủa GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 56 đông thấp hơn vào mùa hè. Ở các vĩ độ cao, vào mùa hè, Mặt Trời lên cao hơn trên bầu trời so với tại các vùng vĩ độ thấp; điều ngược lại xảy ra vào mùa đông. Chính vì thế, ở vĩ độ của chúng ta, không một ai nhìn được cầu vồng vào giữa ngày mùa hè, khi Mặt Trời lên cao nhất trên bầu trời, tức là có độ cao góc lớn hơn 420. Một đặc tính quan trọng của cầu vồng, đó là lễ hội các màu sắc mà nó mang lại cho chúng ta. Trật tự các màu này không bao giờ thay đổi: đỏ luôn nằm ở mép trên, đỉnh của vòng cung; rồi sau đó lần lượt từ cao xuống thấp, có da cam, vàng, lục lam, chàm và tím ở mép dưới. Trên thực tế , các màu không bao giờ thay đổi đột ngột, mà dần dần, xen vào nhau hết sức tinh tế. Thỉnh thoảng cũng xuất hiện một vòng thứ cấp đi kèm với vòng cung chính; nó mờ hơn và ở độ cao hơn trên bầu trời, nhưng các màu thì được sắp xếp theo trật tự ngược lại: màu tím ở mép trên và màu đỏ ở mép dưới. Bán kính góc của vòng cung thứ cấp này lớn hơn bán kính góc của vòng cung chính và vòng cung thứ cấp tối hơn vòng tròn xung quanh. Cầu vồng không phải là một vật thể, mà là kết quả của một trò chơi ánh sáng thay đổi theo vị trí của người quan sát. Do tính phi vật thể của nó, nên cung hoàn hảo và sự đối xứng của cầu vòng không bao giờ bị ành hưởng. Bạn cũng sẽ không bao giờ nhìn thấy nó soi bóng xuống nước hồ, cũng chẳng bao giờ thấy trong gương. Cầu vồng như một bóng ma thoắt ẩn, thoắt hiện trong không trung. Nó chỉ là sản phẩm của ánh sang đến từ đằng sau chúng ta, bởi vì nó sẽ đổi khác khi chúng ta di chuyển, nên chúng ta không bao giờ có thể bắt hay sờ mó được nó. Đã có rất nhiều nhà khoa học tìm cách giải thích về hiện tượng cầu vồng: Aristote (384-332 TCN) là người đầu tiên thực hiện ý tưởng này trong tác phẩm Khí tượng học. ông ý thức được rằng cầu vồng không thể là một vật thể có một vị trí nhất định trên bầu trời, mà là kết quả của một trò chơi ánh sang phụ thuộc vào hướng nhìn. Năm 1266, triết gia và nhà bác học người Anh Roger Bacon (1220-1292) là người đầu tiên đo được bán kính góc 420 của vòng cung chính của cầu vồng. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 57 Théodoric de Freiberg ( 1250-1310), dựa vào kết quả thực nghiệm với một quả cầu thủy tinh chứa đầy nước mô phổng một giọt nước, đã chừng tỏ rằng cung chính của cầu vòng là sản phẩm của các tia sáng đi vào giọt nước và chịu sự khúc xạ đầu tiên khi ánh sáng từ không khí đi vào giọt nước, phản xạ tại thành trong của giọt nước, rồi khúc xạ lần thứ hai khi ánh sáng từ giọt nước đi ra ngoài. Ông cũng đưa ra giải thích về vòng cung thứ cấp: vòng cung này là sản phẩm của không phải một mà là hai phản xạ liên tiếp của ánh sáng ở thành trong của giọt nước. Vì một phần ánh sáng bị mất đi sau mội lần phản xạ, nên cung thứ cấp mờ hơn cung chính. Năm 1637, Rene Descartes (1596-1650) với công bố phát hiện về cầu vồng của mình trong cuốn Luận về sao băng, đã thêm vào một đóng góp quan trọng: Dựa trên các định luật khúc luật khúc xạ ánh sáng, ông đã chứng minh được rằng phần lớn các tia sáng Mặt Trời thoát ra từ các giọt nước mưa là nguyên nhân gây nên vòng cung chính, sau một lần phản xạ và hai lần khúc xạ theo một hướng yêu thích, với một góc khoảng 420. Lần đấu tiên, một giải thích đã được đưa ra cho bán kính góc của vòng cung chính. Descartes còn đi xa hơn: ông cũng suy nghĩ tới vấn đề vòng cung thứ cấp. Ông chứng minh rằng, nếu ngoài hai khúc xạ trong hai lần đi vào và đi ra khỏi giọt nước, các tia sáng còn phải chịu hai lần phản xạ, thì chúng lại đi ra theo một hướng ưa thích khoảng 510, giá trị quan sát được của bán kính góc của vòng cung thứ cấp. Năm 1666, thiên tài Issac Newton (1642-1727) đã dùng một lăng kính phân tích ánh sáng trắng của Mặt Trời thành các màu cầu vồng, ông cũng đã không chỉ chứng minh rằng, ánh sáng trắng là một hỗn hợp của các màu, mà còn chứng minh rằng, chiết suất của một lăng kính (hay của một giọt nước) là khác nhau đối với các màu khác nhau: ánh sáng bị lệch hướng khác nhau tùy theo màu (hay bước sóng) của nó, một hiện tượng mà các nhà Vật Lí học gọi là “tán sắc”. Bởi vì áng sáng bị tán sắc, nên mỗi một thành phần màu cho ra một vòng cung hơi khác. Như vậy, cái mà chùng ta tin là một và chỉ một thực thể “cầu vồng” duy nhất thật ra là một tập hợp các vòng cung màu khác nhau, vòng cung màu này hơi xê dịch đôi chút so với vòng cung màu kia. Bán GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 58 kính góc của vòng cung chính và vòng cung thứ cấp vì vậy biến thiên nhẹ theo màu sắc của ánh sáng. Như vậy, đối với ánh sáng đỏ và có bước sóng 800nm, góc là 42,6o đối với vòng cung chính và là 49.920 đối với vòng cung thứ cấp. Đối với ánh sáng tím có bước sóng 400nm, các góc này trở thành lần lượt 40.510 và 53.730. Độ lớn của các góc đối với các vòng cung chính (cỡ 20) và của vòng cung thứ cấp (khoảng 40) không gì khác chính là hiệu các góc lệch của các màu đỏ và tím. Phải đợi đến Thomas Young (1773-1829), với quan điểm ánh sáng là sóng (1803), thì cuối cùng vấn đề hóc búa về các cung phụ của cầu vồng mới được làm sáng tỏ. II.2.2 Tại sao bầu trời lại xanh? Câu hỏi bề ngoài có vẻ ngây thơ này, loại câu hỏi mà con trẻ thường đặt ra cho bố mẹ chúng và làm cho họ bực mình vì không biết trả lời như thế nào, lại là một câu hỏi phát lộ chân lí. Câu trả lời chính là do sự tán xạ ánh sáng Mặt Trời, nghĩa là quá trình làm cho một tia tới của Mặt Trời phân tán theo tất cả các hướng khả dĩ, là nguyên nhân làm cho bầu trời có màu xanh lam. Và các hạt vật chất trong không khí có thể làm tán xạ ánh sáng và cho chúng ta một bầu trời màu xanh là các phân tử không khí. Trên thực tế, các phân tử không khí thích tán xạ ánh sáng, và chúng đặc biệt thích ánh sáng màu xanh lam. Bước sóng của ánh sáng càng ngắn, nghĩa là nó càng xanh lam, thì cơ hội nó được tán xạ càng cao, bởi vì xác suất để mọi photon của ánh sáng Mặt trời bị tán xạ bởi một phân tử không khí tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng của nó (một hạt ánh sáng xanh lam có cơ hội được tán xạ lớn hơn ánh sáng màu đỏ gấp 10 lần). Như vậy khi chúng ta nhìn theo bất kì hướng nào của bầu trời, ngoại trừ trực tiếp GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 59 theo hướng Mặt Trời, cơ hội để một photon Mặt Trời màu xanh lam tới mắt của bạn cao hơn một photon đỏ. Và chính vì thế mà bầu trời có màu xanh lam. Còn về các photon Mặt Trời đỏ và vàng, vì ít bị tán xạ, nên chúng đến mắt chúng ta chủ yếu theo hướng Mặt Trời. Tuy vậy, Mặt Trời hơi có màu đỏ vì sự tán xạ củng lấy đi mất các photon Mặt Trời màu xanh lam trong đường ngắm tới Mặt Trời. Và bầu trời ở gần chân trời sáng hơn ở trên đỉnh đầu chúng ta, ngay cả vào một ngày bầu trời rất trong. Chính lượng không khí mà ánh sáng Mặt Trời phải đi qua để đến mắt chúng ta là nguyên nhân của điều đó: trục nhìn của chúng ta đi qua một khối không khí lớn hơn nhiều khi chúng ta nhìn ngang qua đường chân trời so với khi nhìn thẳng đứng lên cao. Xa chân trời, đường nhìn của chúng ta đi qua một lớp không khí mỏng hơn, có ít phân tử không khí hơn, ánh sáng Mặt Trời trung bình chỉ bị tán xạ một lần, và bâu trời có màu xanh lam. Ngược lại, gần chân trời, đường nhìn của chúng ta đi qua một lớp không khí dày hơn, có nhiều phân tử không khí hơn, và các phân từ này tán xạ ánh sáng không chỉ một lần, mà nhiều lần. Đúng là photon lam có nhiều cơ hội tán xạ hơn photon đỏ; nhưng do ánh sáng phải đi qua rất nhiều phân tử không khí, nên tất cả các photon, dù chúng có màu gì, sớm hay muộn đều phải gặp một phân tử, và đường đi của chúng bị lệch hướng. Vì thế các photon thuộc tất cả các màu đều bị tán xạ và phát trở lại rất nhiều lần trước khi đến mắt chúng ta, tới mức chúng hòa trộn vài nhau một cách hoàn hảo. chính vì thế da trời gần chân trời có cùng màu với Mặt trời: màu trắng. II.2.3 Tại sao núi lại xanh? Tại sao ta thấy các núi ở xa có màu xanh lam?. Được rừng bao phủ, lẻ ra chúng phải có màu lục chứ. Sở dĩ nhìn từ xa chúng ta thấy chúng có GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 60 màu xanh lam chứ không phải màu xanh lục, một lần nữa , lại là do các phân tử không khí nằm giữa chúng ta và dãy núi làm tán xạ ánh sáng Mặt Trời. Ngoài ánh sáng phản chiếu từ dãy núi, chúng ta còn thấy “ánh sáng của không khí”. Bởi vì các photon lam có nhiều cơ hội được tán xạ hơn photon đỏ, nên ánh sáng này của không khí có màu lam và sinh ra một tấm voan màu lam giữa núi và chúng ta. Lượng ánh sáng của không khí phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng ta và núi. Khi một trong các dãy núi này tương đối gần, thì ánh sáng Mặt Trời bị nó phản chiếu đến mắt chúng ta dễ dàng., và chúng ta thấy nó qua