Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 4) pps

Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 4) Sóng còn có mộthành trạngthú vị khác gọi là sự giao thoa.Để nhìn thấy sự giao thoatrongbể sóng của mình, bạn sẽ cần tạo sóngvới hai cái bút chì.Giữ hai cái bútchì cách nhau vài cm. Sauđó, khều mặt nước với cả haibút chìcùng lúc, theo kiểu đều đặn, tạo ra haitập hợp sóng. Để ýkhi haitập hợpsóng chồnglấn lênnhau và đi qua nhau,chúng tương tác với nhau.Ở một số chỗ, chúngtriệttiêu lẫn nhau,còn ở một số chỗ khác thì chúng cộng gộp tác dụng của chúng với nhau.Hiện tượng nàygọi là giao thoa sóng. Nếu bạn giữ kiểusóng đều với chuyển độngđều của haicái bútchì, thì bạn sẽ có hệ vân giaothoa đều đặn. Một đặc trưngcủa sóng làchúng tạo ra hệ vân giaothoa khichúng chồng lên nhau. Khi những dònghạt giaonhau, cái người ta muốn thấy làchúng va chạm nhau. Không aitừng quansát thấy sự va chạmkhi hai chùmánh sáng chiếu xuyên qua nhau.Nhưng ánh sáng cótạo ra giao thoahay không? Hai nguồn sóng tạo ra một hệ vân giao thoa. Năm 1801,nhàvật lí người Anh Thomas Youngđã chứngminh rằng ánh sáng thật sự nhiễu xạ vàthật sự tạo ra hệ vân giaothoa, giống hệt như những sóng khác.Có vẻ như câu hỏi ánh sáng làhạt hay là sóng cuốicùng đã có câu trả lời. Bạn có thể dễ dàng thấyhệ vângiao thoa của ánh sáng với haicái bút chì và đèn để bàn. Giữ hai cái bút chìở phía trước mắt bạn khi bạn nhìn về phía ngọn đèn. Di chuyển haicái bút chì đến gầnnhau hơn, cho đến khi chúnggần như chạm vào nhau. Bạn sẽ nhìnthấy một hệ gồm những vạch sángvà tối rất mịn. Đó là hệ vân giao thoatạo ra khiánh sángphát ra từ ngọnđèn đi qua khehẹp chiatách giữahai cái bútchì. Những vạch tối là những nơi tại đó sóng ánhsáng triệt tiêu nhau.Vì ánh sáng tạo ra hệ vân giao thoagiốngnhư những sóngkhác, nên nó cũng phải là sóng. Youngcòn tính được kíchcỡ thậtsự của sóng ánh sáng. Bướcsóng của sóng ánh sáng là rất nhỏ,nhưng Youngđã đođược chúng. Những màu sắc ánh sáng khác nhau hóara là cóbước sóngkhác nhau.Young tìmthấy bước sóng củaánh sáng màu đỏ vào khoảng 76phần triệu của một cm. Bướcsóng của ánh sángmàu lam cònnhỏ hơn nữa, khoảng 38 phần triệu của một cm. Những phép đocủa Younglí giải tại sao sự nhiễu xạ ánh sáng lại khó nhìn thấynhư thế. Sự nhiễu xạ xảy ra khisóng bẻ cong vòng quanhmột vậtcản. Nhưng sóng ánh sáng quá nhỏ nên chúng chỉ có thể bẻ congquanh những vậtcản rất nhỏ - những vật cản không lớn hơn kíchcỡ nguyên tử bao nhiêu. Vào giữa thế kỉ 19, người ta dường như chắc chắnrằng ánhsáng có bảnchất sóng. Nhưngngay cả khi đó vấn đề vẫn chưa đượcgiải quyếtxong. Khoảng năm 1900, những khám phá mới củaMax Planck vàAlbert Einstein đã làm hồisinh lí thuyết hạt. Kết quả cuối cùng hóara là cả haiphe tranhcãi đều đúng! Ánh sáng thường hànhxử giống như sóng, nhưng nócũng tác dụng giống như hạt. Sóng có thể được đo bằng bước sóng hoặc tần số của chúng. Có mộtđịnh luật mô tả độ sáng củaánhsáng hay không? Có chứ. Những ngôi sao mờ nhạt mà chúngta thấy trên bầutrời đêmthậtra là nhữngmặt trời đang bừngcháy. Ánh sáng của chúng mờ đi nhiều sau hành trình đường dài của chúng đến hành tinh của chúngta. Bạn càngở xamột nguồn phátsáng, thì độ rực rỡ của ánh sáng càng kém đi.Thật vậy,cường độ của ánh sángphát ratừ mọi nguồn sáng giảm rất nhanhkhi khoảng cách đến nguồn tănglên. Độ giảm đó tỉ lệ với bình phươngcủa khoảng cách. Bình phương của khoảng cách cónghĩa nhân khoảng cách với chính nó. Mốiliên hệ đặc biệt này giữa độ sángvà khoảngcách đếnnguồn sángđược gọi là quan hệ tỉ lệ nghịch bình phương. Nhiều lực khác trong tự nhiên giảmđi theo khoảng cách với quy luật tươngtự. Một lời giải thíchcặn kẽ hơn nguyêndo vì sao xảy ra như vậy, mời bạntham khảo ở phần sau tập sách này.Trong khi chờ đợi, hãy thử nghĩ xem Mặt trời củachúng ta cầntạo ra bao nhiêu ánh sáng. Nó cực kì rực rỡ,mặc dù chúng ta ở cách xanó đến 150triệu kilomet! Chúng tacần xét đến mộtthực tế nữa về ánh sáng– tốcđộ của nó. galileoGalilei là nhà khoahọc đầu tiên nỗ lực đo tốc độ của ánh sáng. Ông đứng trên mộtngọnđồi, tay cầm một cái đèn lồngđậy kín,và để một người trợ lí đứng ở một ngọnđồi đằng xa,tay cầmmột cái đèn lồng giốngnhư vậy. Ông mở đèn của mình lên. Ngay khingười trợ lí củaông nhìn thấy ánhsáng, anhta lập tức mở đèn của mình lên. galileomuốn đo thời giancần thiếtđể ôngnhận lại tín hiệu sáng. Thật không may, thí nghiệmkhông thành công. Ánh sáng cóvẻ truyền đi giữahai ngọn đồigần như tức thời. Ánhsáng chuyển độngnhanh đến mứcviệc đo tốc độ của nó là vô cùngkhó khăn. Nỗ lực đầutiên thànhcông trong việcđo tốc độ ánh sáng là sử dụng quỹ đạo của trái đất làmthướcđo. Nhà thiênvăn học ngườiĐan Mạch OlausRømer đã biết sự che khuất củacác vệ tinhcủa Mộc tinhxảy ra theo lịch địnhhồi cuốithế kỉ 17. Ông để ý thấy thời gianche khuất biến thiên,tùy thuộcvào Mộctinh và trái đấtở nơi nào trongquỹ đạo củachúng. Nếu haihành tinhở về hai phía của Mặt trời, thì sự che khuất sẽ muộn vài ba phút. Nếu haihành tinh ở cùng một phía của Mặt trời, thì sự che khuấtsẽ sớm vài ba phút. Rømer nhận thấy độ chênh lệch thời gian có nguyên nhân làsự chênh lệch khoảng cách mà ánh sáng từ vệ tinh củaMộc tinh phải truyền đi trước khinó được nhìn thấy trênTrái đất. Rømer đã biết đườngkính gần đúng của quỹ đạo Trái đất. Ông biết ánhsáng phảiđi thêm baoxa để băngqua quỹ đạo đó. Cho nên, ông có thể ước tính ánh sáng truyền đi bao nhanhđể băng quakhoảng cách đó. Rømer tính được ánh sángtruyền đi ở tốc độ khoảng226.000 km mỗi giây. Năm 1849,nhàvật lí người Pháp Armand Fizeau là khoahọc đầu tiênchế tạo ra mộtdụng cụ để đo tốc độ ánh sáng trongmột thí nghiệm trong phòng lab. Kể từ đó, nhiều nhànghiên cứu khác đã tiến hànhnhững phép đo ngày một chínhxác hơncủa tốc độ ánh sáng. Nổi tiếng nhất trongsố học là nhà vật lí ngườiMĩ Albert Michelson. Ôngđã dànhphần lớn cuộcđời củamình để xác định chính xáctốc độ của ánh sáng, Michelson giành giải thưởngNobel năm1907, giải thưởngtôn vinh nhiều thínghiệm tài tìnhmà ông đã dùng để đo tốc độ ánhsáng càng chínhxác càng tốt. Rømer đã sử dụng những vị trí khác nhau của quỹ đạo Trái đất để đo tốc độ của ánh sáng mặt trời phản xạ khỏi Mộc tinh. Ngày nay,các nhà khoahọc đặt tốcđộ ánhsáng là 299.792,5km/s,hay 186.281,7dặm/s.Tốc độ đó thường đượclàm trònlà 300.000 km/shay 186.000 dặm/s.Đây là một số đo rất quan trọng. Tốcđộ của ánh sáng cóthể xem là “giới hạn tốc độ” của vũ trụ. Như chúng ta biết, khôngcó cái gìcó thể truyền đi nhanh hơntốc độ ánh sáng. Tốc độ của ánh sáng là300.000 km/strong chân không(khônggian hoàn toàntrốngrỗng). Ánhsáng truyền đi trong không khí nhanhgần như thế. Trong những chất liệu khác, như nước hoặc thủy tinh,tốc độ ánhsáng chậm hơn nhiều. Thí dụ, ánh sáng truyền đi khoảng 225.000km/s(140.000 dặm/s) ở trong nước và khoảng 200.000km/s (124.000 dặm/s)ở trong thủy tinh. Chínhsự khác biệt tốc độ này là nguyên nhân khiến ánh sáng bị khúcxạ, hay bị bẻ cong, khinó đi từ chất này sang chất khác. Ánh sánglà một bộ phận quenthuộctrong thế giới hàng ngày của chúngta nên người ta thườngdễ quên nó đặc biệt và quantrọng như thế nào. Chúng ta có thể nhìn thấy thế giới củamìnhchỉ vì nó chìm ngập trongmột dòng ánh sángliên tục,chúngphản xạ khỏinhữngvật xungquanhchúngta và đivào mắt củachúngta. Vũ trụ ngập tràn ánh sáng truyền đi ở tốc độ hết sức lớn từ những ngôi sao và thiên hàxa xôi. Chínhánh sáng này cho chúng ta biết cái gì “ở ngoài kia”, bên ngoài thế giới của riêng chúngta. Ánh sánglà kết nối quantrọng nhấtcủa chúngta với mọithứ trong vũ trụ nằm bên ngoài hành tinhcủa chúng ta.Khôngcó kiếnthức về ánh sáng, thìcó lẽ khoahọc không thể hiểu được phần còn lại củavũ trụ. . Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 4) Sóng còn có mộthành trạngthú vị khác gọi là sự giao thoa.Để nhìn thấy sự giao thoatrongbể sóng của mình, bạn sẽ cần. dài của chúng đến hành tinh của chúngta. Bạn càngở xamột nguồn phátsáng, thì độ rực rỡ của ánh sáng càng kém đi.Thật vậy,cường độ của ánh sángphát ratừ mọi nguồn sáng giảm rất nhanhkhi khoảng cách. của nh sáng màu đỏ vào khoảng 76phần triệu của một cm. Bướcsóng của ánh sángmàu lam cònnhỏ hơn nữa, khoảng 38 phần triệu của một cm. Những phép đocủa Younglí giải tại sao sự nhiễu xạ ánh sáng lại khó