Benjamin Crowell: Quang học - Phần 3

1.3 Mô hình tia sáng

Các mô hình ánh sáng

Hãy lưu ý cách thức tôi đã miêu tả không chính thức sự chuyển động của ánh sáng với hình ảnh thể hiện ánh sáng có dạng đường thẳng trên trang giấy. Chính thức hơn thì đây được gọi là mô hình tia sáng. Mô hình tia của ánh sáng có vẻ tự nhiên một khi chúng ta tự thuyết phục bản thân mình rằng ánh sáng truyền đi trong không gian, và quan sát những hiện tượng như những chùm tia sáng mặt trời chiếu xuyên qua khe trống trên những đám mây. Đã từng nêu ra khái niệm ánh sáng là một sóng điện từ, bạn biết rằng ánh sáng không phải là sự thật tối hậu về ánh sáng, nhưng mô hình tia sáng thì đơn giản hơn, và trong mọi trường hợp, khoa học luôn xử lí những mô hình của thực tại, chứ không xử lí bản chất tối hậu của thực tại. Bảng dưới đây tóm tắt ba mô hình ánh sáng.

h/ Ba mô hình ánh sáng

Mô hình tia sáng là một mô hình thông dụng. Bằng cách sử dụng nó, chúng ta có thể nói về đường đi của ánh sáng mà không bận tâm tới bất kì sự mô tả đặc biệt nào của cái gì đang chuyển động dọc theo đường đi đó. Chúng ta sẽ sử dụng mô hình tia đơn giản, xinh đẹp ấy trong đa phần tập sách này, và với nó chúng ta có thể phân tích rất nhiều dụng cụ và hiện tượng. Cho đến chương cuối thì chúng ta mới bàn về quang học sóng, mặc dù trong những chương giữa, thỉnh thoảng tôi sẽ phân tích cùng một hiện tượng với mô hình tia lẫn mô hình sóng.

Lưu ý rằng những phát biểu về khả năng áp dụng của những mô hình khác nhau chỉ là những chỉ dẫn thô. Chẳng hạn, những hiệu ứng giao thoa sóng thường là có thể phát hiện ra, nếu nhỏ, khi ánh sáng đi qua một vật chắn hơi lớn hơn bước sóng một chút. Đồng thời, điều kiện khi chúng ta cần mô hình hạt thật ra có nhiều cái phải làm với thang năng lượng hơn là thang khoảng cách, mặc dù cả hai đều có liên quan.

Độc giả thận trọng có thể để ý thấy mô hình sóng là cần thiết ở những thang đo nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng (vào cỡ 1 micromet đối với ánh sáng nhìn thấy), và mô hình hạt là cần thiết ở thang nguyên tử hoặc nhỏ hơn (một nguyên tử tiêu biểu có kích cỡ chừng 1 nanomet hoặc tương đương). Điều này gợi ý rằng ở những thang bậc nhỏ nhất, chúng ta cần cả mô hình sóng và mô hình hạt. Chúng có vẻ không tương thích với nhau, vậy làm thế nào chúng ta có thể sử dụng chúng đồng thời? Câu trả lời là chúng không hẳn là không tương thích như thoạt trông như thế. Ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt, nhưng sự hiểu rõ trọn vẹn của phát biểu rõ ràng phi trực giác này là một chủ đề cho tập tiếp theo trong bộ sách này.

i/ Các thí dụ của sơ đồ tia sáng

Sơ đồ tia sáng

Cho dù không biết làm thế nào sử dụng mô hình tia sáng để tính toán mọi thứ bằng số, nhưng chúng ta có thể học được rất nhiều thứ bằng cách vẽ ra sơ đồ tia sáng. Chẳng hạn, nếu bạn muốn hiểu làm thế nào kính mắt giúp bạn nhìn rõ nét, thì một sơ đồ tia sáng là nơi thích hợp để bắt đầu. Nhiều học sinh sợ sử dụng sơ đồ tia sáng trong quang học và thay vào đó chỉ ham học thuộc lòng hay thay số vào công thức. Vấn đề xảy ra với chuyện học thuộc lòng và thay số là chúng có thể làm lu mờ cái thật sự đang diễn ra, và dễ đưa tới sai lầm. Thường thì cách tốt nhất là vẽ một sơ đồ tia sáng trước, sau đó tính toán bằng số, và kiểm tra lại kết quả số của bạn xem có phù hợp với cái bạn thu được từ sơ đồ tia sáng hay không.

j/ 1. Đúng. 2. Sai: hàm ý rằng sự phản xạ khuếch tán chỉ cho một tia từ mỗi điểm phản xạ. 3. Đúng: nhưng phức tạp đến mức không cần thiết.

Hình j trình bày một số chỉ dẫn sử dụng sơ đồ tia sáng sao cho hiệu quả. Các tia sáng bẻ cong khi chúng đi ra khỏi bề mặt của nước (một hiện tượng chúng ta sẽ thảo luận chi tiết hơn ở phần sau). Các tia sáng có vẻ như xuất phát từ một điểm phía trên vị trí thật sự của con cá vàng, một hiệu ứng quen thuộc với những ai đã từng đi câu cá.

• Một dòng ánh sáng thật ra không bị hạn chế với một số lượng hữu hạn những đường hẹp. Chúng ta chỉ vẽ nó như thế thôi. Trong hình j/1, cần chọn một số hữu hạn tia sáng để vẽ (5 tia), chứ không vẽ số lượng vô hạn tia như lí thuyết sẽ đi ra từ điểm đó.
• Có một xu hướng không đúng là hình dung các tia sáng như những vật thể. Trong quyển Quang học của ông, Newton đã nêu ra cảnh giác với độc giả về sự nhầm lẫn này, ông nói rằng một số người “xem... sự khúc xạ của... các tia sáng là sự bẻ cong hay phân tách chúng khi chúng đi từ môi trường này ra môi trường khác”. Một tia sáng là một sự ghi lại đường đi mà ánh sáng đã truyền qua, chứ không phải một đối tượng vật chất có thể bị bẻ cong hay phân tách.
• Trên lí thuyết, các tia sáng có thể tiếp tục kéo dài vô hạn về quá khứ hoặc tương lai, nhưng chúng ta nên vẽ các đường có chiều dài hữu hạn. Trong hình j/1, một lựa chọn đúng đắn đó là nơi bắt đầu và kết thúc các tia sáng. Không có điểm nào trong phần kéo dài của những tia sáng ngoài phần hình vẽ, vì chẳng có cái gì mới mẻ và hấp dẫn xảy ra với chúng hết. Còn có một lí do hợp lí nữa để bắt đầu chúng sớm hơn, trước khi bị phản xạ bởi con cá, vì hướng của các tia phản xạ khuếch tán là ngẫu nhiên và không có liên quan tới hướng của những tia tới ban đầu.
• Khi biểu diễn sự phản xạ khuếch tán trong sơ đồ tia sáng, nhiều học trò có suy nghĩ tránh vẽ quá nhiều tia tỏa ra từ cùng một điểm. Thông thường, như trong thí dụ j/2, cái bị hiểu lầm là ánh sáng chỉ có thể phản xạ từ hướng này sang hướng khác.

Một khó khăn nữa đi cùng với sự phản xạ khuếch tán, thí dụ j/3, là xu hướng nghĩ rằng ngoài việc vẽ nhiều tia tỏa ra từ một điểm, chúng ta cũng nên vẽ nhiều tia đến từ nhiều điểm. Trong hình j/1, việc vẽ nhiều tia tỏa ra từ một điểm mang lại thông tin hữu ích, cho chúng ta biết rằng, chẳng hạn, con cá được nhìn từ bất kì góc nào. Việc vẽ nhiều tập hợp tia, như trong hình j/3, không cung cấp thêm cho chúng ta thông tin hữu ích gì nữa, và chỉ làm cho bức tranh trong thí dụ này rối rắm thêm mà thôi. Lí do duy nhất để vẽ tập hợp nhiều tia sáng tỏa ra từ nhiều hơn một điểm là nếu có những cái khác nhau đang xảy ra với những tập hợp tia khác nhau đó.

Câu hỏi thảo luận

A.    Giả sử một con cá sử dụng một công cụ thông minh để... săn người. Hãy vẽ sơ đồ tia sáng thể hiện con cá phải hiệu chỉnh mục tiêu của nó như thế nào. Lưu ý rằng mặc dù các tia sáng lúc này đi từ không khí vào nước, nhưng quy tắc áp dụng vẫn như cũ: tia sáng ở gần pháp tuyến với bề mặt hơn khi chúng ở trong nước, và những tia sáng đi tới ranh giới không khí-nước với góc thấp là bị bẻ cong nhiều nhất.

Quang học
Benjamin Crowell
Trần Nghiêm dịch
Phần tiếp theo >>