Benjamin Crowell: Quang học - Phần 1 ppt

BenjaminCrowell: Quanghọc - Phần 1 CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH TIA SÁNG Mẫu quảng cáo cho mộtdòng máytính Macintosh khoekhoangrằngnó có thể làm một phép tính số học trongthời gian ngắnhơn thời giancầnthiết để ánh sáng đi từ màn hình đếnmắt củabạn. Chúng ta thấy quảng cáonàyấn tượngvì sự tương phản giữa tốc độ của ánh sáng vàtốc độ chúng tatương tác với những đối tượng vật chất trong môitrườngxung quanh.Có lẽ chẳng có gì bất ngờ đối với chúng ta khimà Newtonđã thành công mĩ mãn trong việc giải thích sự chuyển độngcủa các vật,nhưng ôngkhôngthành côngcho lắmvới sự nghiên cứu ánh sáng. Tập sách này thuộc loạt sách có tên gọichung là Vật chất và Ánh sáng, nhưng phải đến lúc này, ở tập thứ năm trong sáutập, chúngta mới sẵn sàngtập trungtìm hiểu về ánh sáng. Nếu bạn đọc cáctập sáchtheo thứ tự, thì ắt hẳn bạn đã biết rằng đỉnh điểm củasự nghiên cứu của chúngta về điện học và từ học là sự khámphá ra rằng ánhsánglà sóng điện từ. Tuynhiên, biết đượcnhư vậy thì khônggiống như việc biết mọi thứ về mắt và kính thiên văn. Thật ra, sự mô tả trọn vẹn củaánh sáng dướidạng sóng có thể khá cồng kềnh. Thayvì thế, trong tập sách này,chúng ta sẽ khai thác một mô hìnhđơn giản hơncủa ánh sáng,mô hình sử dụng tiện lợi trong đa số những trường hợpthực tế. Khôngnhững thế, chúng ta cũngsẽ lùi lại một chútvà bắt đầu thảo luận nhữngý tưởng cơ bản về ánh sáng vàtầm nhìnđã thấy trướcsự khám phára sóng điện từ. 1.1 Bản chất của ánh sáng Mối liên hệ nhân quả trong sự nhìn Mặcdù 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, nhưngđa số mọi người chưa baogiờ suy nghĩ thận trọngvề ánh sáng và sự nhìn. Ngay cả ngườithông minh đã suy nghĩ kĩ về sự nhìn cũng đi tới những quan niệm không đúng. Người Hi Lạp, ArabvàTrung Hoa cổ đại đã có những lí thuyết về ánh sáng vàsự nhìn, toàn bộ nhữnglí thuyết đó đa phầnlà sailầm, và toàn bộ nhữnglí thuyết đó đã được chấpnhận trong hàng nghìn năm trời. Có mộtđiều mànhững người cổ đại đã nhận thức đúnglà có mộtsự khác biệt giữanhững vật phát ra ánhsáng và nhữngvật không phát ra ánh sáng. Khi bạn nhìn thấy một chiếc lá trongrừng cây, đó là vì bavật khác nhauđang thực thi công việc củachúng:chiếc lá, đôimắt, vàmặt trời.Nhưng nhữngvật tỏa sángnhư mặt trời, ngọn lửa haydây tóc bóng đènđiện có thể nhìn thấy bằng mắt mà khôngcần sự có mặt củamột vật thứ ba. Sự phát xạ ánh sángthường,chứ khôngphải luôn luôn, đi kèm với nhiệt. Trongthời đại ngày nay,chúng ta đã quen thuộc với rất nhiều vật tỏa sáng màkhông bị nungnóng, thí dụ như bóngđèn huỳnh quangvà đồ chơi phát quang trongđêm. Làm thế nào chúngta nhìn thấynhững vật tỏa sáng?Các triết gia Hi Lạp Pythagoras (khoảng 560tCN) vàEmpedocles xứ Acragas (khoảng492 tCN), thật khôngmay là lại rất có sức thuyếtphục, khẳng địnhrằng khibạn nhìn vào một ngọnlửa nến,thì ngọn lửavà mắt bạn cùngphát ra một loại vật chất bí ẩn, vàkhi vật chất của mắt bạn vachạmvới vật chất của ngọn nến, thì ngọn nếnsẽ trở nên hiển hiện trước tầm nhìn của bạn. “Lí thuyết vật chất va chạm” kiểu Hi Lạp như thế trông thật kìquái, nhưng nó có hai điểm tốt.Nó lí giải vì saocả ngọn nến lẫnmắt bạnđều phải có mặt trong sự nhìn củabạn. Lí thuyết trên cũng có thể dễ dàng mở rộng để giải thích làm thế nào chúng ta nhìnthấy nhữngvật không phátsáng. Chẳng hạn, nếu một chiếc lácó mặt tại chỗ va chạm giữa vậtchất của mắt bạn và vậtchất củangọn nến,thì chiếc lá sẽ bị kích thích để hiển hiện bản chất màu lục của nó,cho phépbạn cảm nhận nó có màu lục. Ngườithời hiện đại cóthể cảm thấy không hài lòng với lí thuyết này, vì nó cho rằngtính lụcchỉ tồn tại cho chúngta tiện nhìn, hàm ý rằng con người có quyền ưu tiên cao hơnhiện tượngtự nhiên. Ngày nay, người ta muốn thấy mối liênhệ nhânquả trong sự nhìnnằm ở chỗ khác, với chiếc lá đang làmcái gì đó với mắt chúng ta thay vìmắt chúngta đanglàm gì vớichiếclá. Nhưng bạn cóthể nói như thế nào chứ?Cách phổ biến nhất để phân biệt nguyên nhânvới hệ quả là xác định cái gì xảy ratrước, nhưngquá trìnhnhìn dường như xảyra quánhanh để mà xác định trậttự mọi thứ đã diễn ra. Chắc chắn khôngcó sự trễ thời gian rõràng nào giữathời khắc khibạn cử động đầu của mìnhvà thời khắckhi ảnh phảnxạ củabạn ở trong gương dichuyển. Ngày nay,kĩ thuật nhiếp ảnh mang lại bằng chứngthực nghiệm đơn giản nhất rằngkhôngcó cái gì phát ra từ mắt bạnvà đi tới chiếc lá để làm chonó “có màu lục”. Mộtcamera cóthể chụp ảnh của chiếc lá trongkhi chẳngcó con mắt nào ở gần đó cả. Vì chiếc lá hiển hiện màu lục chodù nó đangđược cảm nhận bởi camera,mắt của bạn, haymắt côntrùng, cho nên điều có ý nghĩa hơnlà nên nói tính lục của chiếc lá là nguyênnhân, và cái gì đó xảy ra trong camera haytrong 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 xétlà ngọnlửa nếnảnh hưởng đến mắtcủa bạn mộtcách trực tiếp, haynó phátra ánhsáng đi vào trongmắt của bạn. Một lầnnữa, tínhnhanh chóngcủa hiệu ứngkhiến người ta khó nói rõcái gì đang xảy ra. Nếu mộtai đó ném mộthòn đá vào ngườibạn, bạn có thể nhìn thấy hòn đá trên đườngđi của nó đếncơ thể bạn, và bạn có thể nói rằngngườiđó tấn công bạn bằngcách gửi vật chất đến đường đi của bạn, thay vì trựctiếp “xử” bạn bằngtay chân,cái đó được gọi là “tác dụng xa”. Thật chẳng dễ dàng gì thựchiện một quan sát tươngtự để xét xemcó “vật chất” nào truyền từ ngọnnến đến mắt bạn hay không,hay đó là trường hợp tácdụng từ xa. a/Ánh sángphátra từ ngọn nếntấtnhiênbị chạmtrúng bởi miếngthủy tinh. Việc đưa miếngthủy tinhvào chặn giữa làmcho vị trí biểu kiến của ngọn nếnbị dời chỗ.Hiệu ứng tươngtự cóthế thấy được khi bạntháo kính đeo mắt xuống và hãy nhìn vào cái bạn trông thấyở gần rìa của thấu kính,nhưng một miếng thủy tinh phẳng sẽ hoạt động giống hệt như thấu kính trong mụcđích này. Vật lí họcNewton baohàm cả tác dụng xa (thí dụ lực hấp dẫn củatrái đất tác dụnglên mộtvật đang rơi)và lực tiếp xúcnhư lực pháptuyến,chỉ cho phép những vật ở xa tác dụng lực lênnhau 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 chứngrằng ngọnnến phát ra vật chất truyền đến mắt bạnlà như trên hìnha/, mộtchất trong suốtchèn vào giữa đường đi làmcho ngọn nến trông như ở vị trí không đúng, cho thấy ánh sáng là cái gì đó tất nhiên có thể bị chạm trúng. Tuynhiên, nhiềungười sẽ bác bỏ loại quan sát này là ảogiác. (Một số hiệu ứng quanghọc là nhữnghiệu ứng thần kinhhoặc tâm lí thuần túy, mặc dù một số hiệu ứng khác, như hiệu ứngnày, hóa racó nguyên nhânlà do hành trạngcủa ánh sáng). Một cách thuyết phục hơnđể xác địnhánh sáng thuộc loại gì là tìm hiểu xem nó mấtthời gianbao lâu để đi từ ngọn nếnđến mắt củabạn; trong vật lí học Newton, tác dụng xađược cholà tức thời. Thực tế hàngngày chúng ta haynói “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 ánhsáng không truyềnđi nhanhvô hạn.galileođã thử, vàthất bại, nhằm phát hiệntốc độ hữuhạn đối với ánh sáng, bằng cách bố trí một người đứng tại một tòa thápở xa dùngđèn lồng phát đi tín hiệutới lui. galileomở đèn của ông ra,vàkhi người kianhìnthấy ánh sáng, anh ta mở đèn của mình. Galileo không thể đo thấy bất kìsự trễ thời gian đángkể nào so với những giới hạn phản xạ của con người. Ngườiđầu tiên chứng minhrằng tốc độ ánhsáng là hữuhạn, và xác định nó bằngsố, là Ole Roemer, trongmộtloạt phép đo tiếnhành trongnăm1675. Roemer đã quan sát Io,một trongnhững vệ tinh của Mộc tinh,trong khoảng thời gian vài năm. Vì Io đượcgiả địnhlà mất một lượng thời gian như nhau để quay trọn một vòng quanhMộctinh, nênnó có thể được xem là một chiếc đồng hồ ở rất xa,rất chínhxác. Một đồnghồ quả lắcthực tế và chính xác mới được phátminh ratrước đó không lâu,nên Roemercó thể kiểm tra tỉ số chu kì của haichiếc đồng hồ, khoảng 42,5giờ trên 1 vòng quỹ đạo, vẫn giữ không đổi hoặc thayđổi chút ít. Nếu quá trìnhngắm vệ tinh xa xôi trên là tức thời, thì sẽ không có sự lígiải nào chohai kết quả lệchnhau. Chodù tốcđộ ánh sánglà hữu hạn,thì bạn có thể trông đợi kết quả cũngsẽ khớp với nhau.Tuynhiên, trái đất chúng ta khôngở một khoảng cách cố định đối với Mộc tinhvà vệ tinhcủa nó. Vì khoảng cách đó thay đổi dần dầndo chuyển động quỹ đạo của hai hành tinh,cho nên mộttốc độ hữu hạn của ánh sáng sẽ làm cho“đồng hồ Io” dườngnhư chạy nhanh hơn khi các hành tinhchuyển động đến gầnnhau, và chạy chậm hơnkhi khoảngcách giữachúng tăng lên. Roemerthật sự tìm thấy một sự biến thiên tốc độ biểu kiến của quỹ đạo của Io,cái làmcho sự che khuất Io bởi Mộc tinh (thời khắc khi Iođi quaphía trướchoặc phía sau Mộc tinh) xảyra sớmkhoảng 7 phútkhi Trái đất ở gần Mộctinh nhất,và muộn 7 phút khi nó ở xa nhất. Dựa trên nhữngphép đo này, Roemerướctính tốcđộ ánhsáng xấp xỉ 2 x 10 8 m/s, giá trị khá gầnvới số đo hiện đại 3x 10 8 m/s. (Tôi khôngrõ sai số thực nghiệm khá lớn như thế chủ yếu là do kiến thức không chính xác về bán kính quỹ đạo củaTrái đất hay là donhững hạn chế về độ tin cậy của đồnghồ quả lắc). b/Ảnh chụpMộc tinh và vệ tinhcủanó(trái) dophithuyền Cassinicungcấp. c/ Trái đất đangchuyển động về phíaMộc tinh và Io.Vì khoảng cách đang rút ngắn, nêntốn ít thời gianhơncho ánhsáng đi từ Io đếnchúng ta, và Io dường như quay xung quanhMộc tinh nhanhhơnbình thường. Sáu tháng sau đó, Trái đất sẽ nằm phía bên kiacủa Mặt trời và lùira xa Mộc tinh và Io, chonên Io dường sẽ quay xungquanhMộc tinh chậm hơn. Ánh sáng có thể truyền trong chân không Nhiều người cảm thấylúng túng trước mối liên hệ giữa âm thanh và ánh sáng.Mặc dù chúng ta sử dụng những cơ quan khácnhau để cảm nhận chúng, nhưng có một số tương đồng.Chẳng hạn, cả ánh sánglẫn âmthanh đềuthường lan tỏa ra mọi hướngtừ nguồn phát củachúng.Các nhạc sĩ thậm chí còn sử dụng những phép ẩndụ thị giác như “tông màu”, hay“âm sắctươi vui” để mô tả âm thanh.Một cáchnhìn nhậnchúng rõ ràng là nhữnghiện tượngkhác nhau là lưu ý đến vận tốc rấtkhác nhaucủa chúng.Chắcchắn, cả haigiátrị vận tốc đều nhanhso với một mũi tênđang bayhay mộtcon ngựađang phinước đại, nhưng như chúng ta thấy, tốc độ ánh sáng lớn đến mức gần như làtức thời trong đa số tình huống. Tuy nhiên, tốc độ của âm thanhthì cóthể dễ dàng quan sát được bằng cáchdõi theo một đám trẻ ở xavài trămmét khichúng vỗ tay hát đồng ca. Có một sự trễ thời gian rõ rànggiữa lúcbạn nhìn thấy bàn tay của chúngvỗ vớinhau và lúc bạn nghe thấy tiếng vỗ tay. Sự khác biệt cơ bản giữa âm thanhvà ánh sánglà ở chỗ âm thanh là một dao độngáp suất khôngkhí, cho nên nócần không khí (haymộtmôi trườngkhác như nước) để truyền đi. Ngày nay,chúngta biết rằng khônggian vũ trụ bên ngoàilà chân không, cho nên thực tế chúng ta thu được ánh sáng từ mặt trời, mặt trăng và các vì saorõ ràng cho thấykhôngkhí là khôngcần thiết đối vớisự truyền ánhsáng. Câu hỏi thảo luận A. Nếu bạnquan sátsấm sét,bạn có thể nói cơn giông bão ở xabao nhiêu. Bạn có cần biếttốc độ của âm thanh,củaánh sáng, haycủacả hai haykhông? B. Khi những hiện tượngnhư 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 xemchúnglà những dạng ánh sáng hay không. C. Tại sao Roemerchỉ cần biếtbán kínhcủa quỹ đạo Trái đất,chứ không cần bán kính của quỹ đạo Mộc tinh,để tìm ra tốc độ ánh sáng? . BenjaminCrowell: Quanghọc - Phần 1 CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH TIA SÁNG Mẫu quảng cáo cho mộtdòng máytính Macintosh khoekhoangrằngnó có thể làm một phép tính số học trongthời gian ngắnhơn. sáchtheo thứ tự, thì ắt hẳn bạn đã biết rằng đỉnh điểm củasự nghiên cứu của chúngta về điện học và từ học là sự khámphá ra rằng ánhsánglà sóng điện từ. Tuynhiên, biết đượcnhư vậy thì khônggiống. đầu thảo luận nhữngý tưởng cơ bản về ánh sáng vàtầm nhìnđã thấy trướcsự khám phára sóng điện từ. 1. 1 Bản chất của ánh sáng Mối liên hệ nhân quả trong sự nhìn Mặcdù có tiêu đề như vậy, nhưng chương