Bộ sách vật lí cơ sở của tác giả Benjamin Crowell gồm sáu tập. Trong thời gian qua, Thuvienvatly.com đã giới thiệu cùng các bạn bản dịch của bốn tập đầu (Cơ học Newton, Dao động và Sóng, Các định luật bảo toàn, Điện học). Nay chúng tôi tiếp tục trở lại với bộ sách này. Mong các bạn ủng hộ và nhiệt tình góp ý để bản dịch lần này hoàn thiện hơn những bản trước. Trân trọng cảm ơn.
CHƯƠNG 1
MÔ HÌNH TIA SÁNG
Mẫu quảng cáo cho một dòng máy tính Macintosh khoe khoang rằng nó có thể làm một phép tính số học trong thời gian ngắn hơn thời gian cần thiết để ánh sáng đi từ màn hình đến mắt của bạn. Chúng ta thấy quảng cáo này ấn tượng vì sự tương phản giữa tốc độ của ánh sáng và tốc độ chúng ta tương tác với những đối tượng vật chất trong môi trường xung quanh. Có lẽ chẳng có gì bất ngờ đối với chúng ta khi mà Newton đã thành công mĩ mãn trong việc giải thích sự chuyển động của các vật, nhưng ông không thành công cho lắm với sự nghiên cứu ánh sáng.
Tập sách này thuộc loạt sách có tên gọi chung là Vật chất và Ánh sáng, nhưng phải đến lúc này, ở tập thứ năm trong sáu tập, chúng ta mới sẵn sàng tập trung tìm hiểu về ánh sáng. Nếu bạn đọc các tập sách theo thứ tự, thì ắt hẳn bạn đã biết rằng đỉnh điểm của sự nghiên cứu của chúng ta về điện học và từ học là sự khám phá ra rằng ánh sáng là sóng điện từ. Tuy nhiên, biết được như vậy thì không giống như việc biết mọi thứ về mắt và kính thiên văn. Thật ra, sự mô tả trọn vẹn của ánh sáng dưới dạng sóng có thể khá cồng kềnh. Thay vì thế, trong tập sách này, chúng ta sẽ khai thác một mô hình đơn giản hơn của ánh sáng, mô hình sử dụng tiện lợi trong đa số những trường hợp thực tế. Không những thế, chúng ta cũng sẽ lùi lại một chút và bắt đầu thảo luận những ý tưởng cơ bản về ánh sáng và tầm nhìn đã thấy trước sự khám phá ra sóng điện từ.
1.1 Bản chất của ánh sáng
Mối liên hệ nhân quả trong sự nhìn
Mặc dù có tiêu đề như vậy, nhưng chương này còn cách rất xa sự hiểu biết sơ đẳng của bạn về ánh sáng. Sự hiểu biết có vẻ như là lợi thế, nhưng đa số mọi người chưa bao giờ suy nghĩ thận trọng về ánh sáng và sự nhìn. Ngay cả người thông minh đã suy nghĩ kĩ về sự nhìn cũng đi tới những quan niệm không đúng. Người Hi Lạp, Arab và Trung Hoa cổ đại đã có những lí thuyết về ánh sáng và sự nhìn, toàn bộ những lí thuyết đó đa phần là sai lầm, và toàn bộ những lí thuyết đó đã được chấp nhận trong hàng nghìn năm trời.
Có một điều mà những người cổ đại đã nhận thức đúng là có một sự khác biệt giữa những vật phát ra ánh sáng và những vật không phát ra ánh sáng. Khi bạn nhìn thấy một chiếc lá trong rừng cây, đó là vì ba vật khác nhau đang thực thi công việc của chúng: chiếc lá, đôi mắt, và mặt trời. Nhưng những vật tỏa sáng như mặt trời, ngọn lửa hay dây tóc bóng đèn điện có thể nhìn thấy bằng mắt mà không cần sự có mặt của một vật thứ ba. Sự phát xạ ánh sáng thường, chứ không phải luôn luôn, đi kèm với nhiệt. Trong thời đại ngày nay, chúng ta đã quen thuộc với rất nhiều vật tỏa sáng mà không bị nung nóng, thí dụ như bóng đèn huỳnh quang và đồ chơi phát quang trong đêm.
Làm thế nào chúng ta nhìn thấy những vật tỏa sáng? Các triết gia Hi Lạp Pythagoras (khoảng 560 tCN) và Empedocles xứ Acragas (khoảng 492 tCN), thật không may là lại rất có sức thuyết phục, khẳng định rằng khi bạn nhìn vào một ngọn lửa nến, thì ngọn lửa và mắt bạn cùng phát ra một loại vật chất bí ẩn, và khi vật chất của mắt bạn va chạm với vật chất của ngọn nến, thì ngọn nến sẽ trở nên hiển hiện trước tầm nhìn của bạn.
“Lí thuyết vật chất va chạm” kiểu Hi Lạp như thế trông thật kì quái, nhưng nó có hai điểm tốt. Nó lí giải vì sao cả ngọn nến lẫn mắt bạn đều phải có mặt trong sự nhìn của bạn. Lí thuyết trên cũng có thể dễ dàng mở rộng để giải thích làm thế nào chúng ta nhìn thấy những vật không phát sáng. Chẳng hạn, nếu một chiếc lá có mặt tại chỗ va chạm giữa vật chất của mắt bạn và vật chất của ngọn nến, thì chiếc lá sẽ bị kích thích để hiển hiện bản chất màu lục của nó, cho phép bạn cảm nhận nó có màu lục.
Người thời hiện đại có thể cảm thấy không hài lòng với lí thuyết này, vì nó cho rằng tính lục chỉ tồn tại cho chúng ta tiện nhìn, hàm ý rằng con người có quyền ưu tiên cao hơn hiện tượng tự nhiên. Ngày nay, người ta muốn thấy mối liên hệ nhân quả trong sự nhìn nằm ở chỗ khác, với chiếc lá đang làm cái gì đó với mắt chúng ta thay vì mắt chúng ta đang làm gì với chiếc lá. Nhưng bạn có thể nói như thế nào chứ? Cách phổ biến nhất để phân biệt nguyên nhân với hệ quả là xác định cái gì xảy ra trước, nhưng quá trình nhìn dường như xảy ra quá nhanh để mà xác định trật tự mọi thứ đã diễn ra. Chắc chắn không có sự trễ thời gian rõ ràng nào giữa thời khắc khi bạn cử động đầu của mình và thời khắc khi ảnh phản xạ của bạn ở trong gương di chuyển.
Ngày nay, kĩ thuật nhiếp ảnh mang lại bằng chứng thực nghiệm đơn giản nhất rằng không có cái gì phát ra từ mắt bạn và đi tới chiếc lá để làm cho nó “có màu lục”. Một camera có thể chụp ảnh của chiếc lá trong khi chẳng có con mắt nào ở gần đó cả. Vì chiếc lá hiển hiện màu lục cho dù nó đang được cảm nhận bởi camera, mắt của bạn, hay mắt côn trùng, cho nên điều có ý nghĩa hơn là nên nói tính lục của chiếc lá là nguyên nhân, và cái gì đó xảy ra trong camera hay trong mắt là hệ quả.
Ánh sáng là một thực thể, và nó truyền từ điểm này sang điểm khác
Một vấn đề nữa mà một số người đã xem xét là ngọn lửa nến ảnh hưởng đến mắt của bạn một cách trực tiếp, hay nó phát ra ánh sáng đi vào trong mắt của bạn. Một lần nữa, tính nhanh chóng của hiệu ứng khiến người ta khó nói rõ cái gì đang xảy ra. Nếu một ai đó ném một hòn đá vào người bạn, bạn có thể nhìn thấy hòn đá trên đường đi của nó đến cơ thể bạn, và bạn có thể nói rằng người đó tấn công bạn bằng cách gửi vật chất đến đường đi của bạn, thay vì trực tiếp “xử” bạn bằng tay chân, cái đó được gọi là “tác dụng xa”. Thật chẳng dễ dàng gì thực hiện một quan sát tương tự để xét xem có “vật chất” nào truyền từ ngọn nến đến mắt bạn hay không, hay đó là trường hợp tác dụng từ xa.
a/ Ánh sáng phát ra từ ngọn nến tất nhiên bị chạm trúng bởi miếng thủy tinh. Việc đưa miếng thủy tinh vào chặn giữa làm cho vị trí biểu kiến của ngọn nến bị dời chỗ. Hiệu ứng tương tự có thế thấy được khi bạn tháo kính đeo mắt xuống và hãy nhìn vào cái bạn trông thấy ở gần rìa của thấu kính, nhưng một miếng thủy tinh phẳng sẽ hoạt động giống hệt như thấu kính trong mục đích này.
Vật lí học Newton bao hàm cả tác dụng xa (thí dụ lực hấp dẫn của Trái đất tác dụng lên một vật đang rơi) và lực tiếp xúc như lực pháp tuyến, chỉ cho phép những vật ở xa tác dụng lực lên nhau bằng cách bắn ra một chất nào đó băng qua không gian giữa chúng (thí dụ lực vòi tưới vườn phun nước tác dụng lên bụi cây).
Một bằng chứng rằng ngọn nến phát ra vật chất truyền đến mắt bạn là như trên hình a/, một chất trong suốt chèn vào giữa đường đi làm cho ngọn nến trông như ở vị trí không đúng, cho thấy ánh sáng là cái gì đó tất nhiên có thể bị chạm trúng. Tuy nhiên, nhiều người sẽ bác bỏ loại quan sát này là ảo giác. (Một số hiệu ứng quang học là những hiệu ứng thần kinh hoặc tâm lí thuần túy, mặc dù một số hiệu ứng khác, như hiệu ứng này, hóa ra có nguyên nhân là do hành trạng của ánh sáng).
Một cách thuyết phục hơn để xác định ánh sáng thuộc loại gì là tìm hiểu xem nó mất thời gian bao lâu để đi từ ngọn nến đến mắt của bạn; trong vật lí học Newton, tác dụng xa được cho là tức thời. Thực tế hàng ngày chúng ta hay nói “tốc độ ánh sáng” hàm ý rằng tại một thời điểm nào đó trong lịch sử, một ai đó đã thành công trong việc chứng tỏ rằng ánh sáng không truyền đi nhanh vô hạn. Galileo đã thử, và thất bại, nhằm phát hiện tốc độ hữu hạn đối với ánh sáng, bằng cách bố trí một người đứng tại một tòa tháp ở xa dùng đèn lồng phát đi tín hiệu tới lui. Galileo mở đèn của ông ra, và khi người kia nhìn thấy ánh sáng, anh ta mở đèn của mình. Galileo không thể đo thấy bất kì sự trễ thời gian đáng kể nào so với những giới hạn phản xạ của con người.
Người đầu tiên chứng minh rằng tốc độ ánh sáng là hữu hạn, và xác định nó bằng số, là Ole Roemer, trong một loạt phép đo tiến hành trong năm 1675. Roemer đã quan sát Io, một trong những vệ tinh của Mộc tinh, trong khoảng thời gian vài năm. Vì Io được giả định là mất một lượng thời gian như nhau để quay trọn một vòng quanh Mộc tinh, nên nó có thể được xem là một chiếc đồng hồ ở rất xa, rất chính xác. Một đồng hồ quả lắc thực tế và chính xác mới được phát minh ra trước đó không lâu, nên Roemer có thể kiểm tra tỉ số chu kì của hai chiếc đồng hồ, khoảng 42,5 giờ trên 1 vòng quỹ đạo, vẫn giữ không đổi hoặc thay đổi chút ít. Nếu quá trình ngắm vệ tinh xa xôi trên là tức thời, thì sẽ không có sự lí giải nào cho hai kết quả lệch nhau. Cho dù tốc độ ánh sáng là hữu hạn, thì bạn có thể trông đợi kết quả cũng sẽ khớp với nhau. Tuy nhiên, Trái đất chúng ta không ở một khoảng cách cố định đối với Mộc tinh và vệ tinh của nó. Vì khoảng cách đó thay đổi dần dần do chuyển động quỹ đạo của hai hành tinh, cho nên một tốc độ hữu hạn của ánh sáng sẽ làm cho “đồng hồ Io” dường như chạy nhanh hơn khi các hành tinh chuyển động đến gần nhau, và chạy chậm hơn khi khoảng cách giữa chúng tăng lên. Roemer thật sự tìm thấy một sự biến thiên tốc độ biểu kiến của quỹ đạo của Io, cái làm cho sự che khuất Io bởi Mộc tinh (thời khắc khi Io đi qua phía trước hoặc phía sau Mộc tinh) xảy ra sớm khoảng 7 phút khi Trái đất ở gần Mộc tinh nhất, và muộn 7 phút khi nó ở xa nhất. Dựa trên những phép đo này, Roemer ước tính tốc độ ánh sáng xấp xỉ 2 x 108 m/s, giá trị khá gần với số đo hiện đại 3 x 108 m/s. (Tôi không rõ sai số thực nghiệm khá lớn như thế chủ yếu là do kiến thức không chính xác về bán kính quỹ đạo của Trái đất hay là do những hạn chế về độ tin cậy của đồng hồ quả lắc).
b/ Ảnh chụp Mộc tinh và vệ tinh của nó (trái) do phi thuyền Cassini cung cấp.
c/ Trái đất đang chuyển động về phía Mộc tinh và Io. Vì khoảng cách đang rút ngắn, nên tốn ít thời gian hơn cho ánh sáng đi từ Io đến chúng ta, và Io dường như quay xung quanh Mộc tinh nhanh hơn bình thường. Sáu tháng sau đó, Trái đất sẽ nằm phía bên kia của Mặt trời và lùi ra xa Mộc tinh và Io, cho nên Io dường sẽ quay xung quanh Mộc tinh chậm hơn.
Ánh sáng có thể truyền trong chân không
Nhiều người cảm thấy lúng túng trước mối liên hệ giữa âm thanh và ánh sáng. Mặc dù chúng ta sử dụng những cơ quan khác nhau để cảm nhận chúng, nhưng có một số tương đồng. Chẳng hạn, cả ánh sáng lẫn âm thanh đều thường lan tỏa ra mọi hướng từ nguồn phát của chúng. Các nhạc sĩ thậm chí còn sử dụng những phép ẩn dụ thị giác như “tông màu”, hay “âm sắc tươi vui” để mô tả âm thanh. Một cách nhìn nhận chúng rõ ràng là những hiện tượng khác nhau là lưu ý đến vận tốc rất khác nhau của chúng. Chắc chắn, cả hai giá trị vận tốc đều nhanh so với một mũi tên đang bay hay một con ngựa đang phi nước đại, nhưng như chúng ta thấy, tốc độ ánh sáng lớn đến mức gần như là tức thời trong đa số tình huống. Tuy nhiên, tốc độ của âm thanh thì có thể dễ dàng quan sát được bằng cách dõi theo một đám trẻ ở xa vài trăm mét khi chúng vỗ tay hát đồng ca. Có một sự trễ thời gian rõ ràng giữa lúc bạn nhìn thấy bàn tay của chúng vỗ với nhau và lúc bạn nghe thấy tiếng vỗ tay.
Sự khác biệt cơ bản giữa âm thanh và ánh sáng là ở chỗ âm thanh là một dao động áp suất không khí, cho nên nó cần không khí (hay một môi trường khác như nước) để truyền đi. Ngày nay, chúng ta biết rằng không gian vũ trụ bên ngoài là chân không, cho nên thực tế chúng ta thu được ánh sáng từ mặt trời, mặt trăng và các vì sao rõ ràng cho thấy không khí là không cần thiết đối với sự truyền ánh sáng.
Câu hỏi thảo luận
A. Nếu bạn quan sát sấm sét, bạn có thể nói cơn giông bão ở xa bao nhiêu. Bạn có cần biết tốc độ của âm thanh, của ánh sáng, hay của cả hai hay không?
B. Khi những hiện tượng như tia X và tia vũ trụ lần đầu được khám phá ra, hãy đề xuất một cách mà người ta có thể kiểm tra để biết xem chúng là những dạng ánh sáng hay không.
C. Tại sao Roemer chỉ cần biết bán kính của quỹ đạo Trái đất, chứ không cần bán kính của quỹ đạo Mộc tinh, để tìm ra tốc độ ánh sáng?
Quang học
Benjamin Crowell
Trần Nghiêm dịch
| Phần tiếp theo >>
