con đường đi đến ánh sáng

Nhóm the light Lời mở đầu Ánh sáng là gì phải chăng nó chỉ mang ý nghĩa về mặt khoa học mà không mang một ý nghĩa nào khác,con người sống và vô tình quên đi những cái thường ngày mà không hề biết nó là ai nó cho ta những gì chỉ hiển nhiên côi đó là tất yếu phải có.Như giáo sư Trịnh Xuân Thuận đã viết” “Ánh sáng hiện hữu khắp mọi nơi, tới mức chúng ta coi nó là hiển nhiên và đối xử với nó một cách thờ ơ, cho tới khi quanh ta đột nhiên là bóng tối chúng ta mới thấy nhớ ánh sáng”. Ánh sáng cho ta sự sống cho ta ý thức được vũ trụ và là niềm tin hi vọng là sức mạnh vô biên mà con người nhận một cách vô điều kiên…… Vậy chúng ta đã biết gì về ánh sáng?Chúng tôi mời các bạn ghé thăm bài tiểu luận ngắn sơ lược về ánh sáng và mối liên hệ chặt chẽ của nó với con người và qua đó hi vọng sẽ giúp các bạn có cái nhìn đúng đắn nhất về cuộc sồng và chúng ta đã và đang sống. Nội dung I. Con đường hình thành những quan điểm về ánh sáng 1.Ánh sáng dưới con mắt người cổ và trung đại Trang 1 Nhóm the light 2.Ánh sáng ở những thế kỷ XVII đến XIX 3.Ánh sáng vào những thế kỷ XX II. Tốc độ ánh sáng 1.Tốc độ ánh sáng là gì? 2. Lịch sử thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng III. Ánh sáng và cuộc sống con người 1.Về mặt khoa học 2.Về mặt tinh thần IV. Ánh sáng điều kỳ diệu quanh ta I. Con đường hình thành quan điểm về ánh sáng. Ánh sáng nhìn thấy là bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 nm đến 700 nm). Ánh sáng là một trong những điều kì lạ trong thế giới ta đang sống. Ta chưa biết gì nhiều về ánh sáng và những gi ta biết chưa hẳn là đã hoàn toàn chính xác. Người ta mới chỉ có thể dựa trên tác động của ánh sáng để “mô tả”, chứ chưa thể nói là lý giải một cách thích đáng. 1. Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại: Trang 2 Nhóm the light Empédocle (khoảng 490 - 435 TCN) là tác giả của lý thuyết về thị giác xa xưa nhất. Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho rằng mắt truyền các “tia thị giác” đến thế giới bên ngoài.Lý thuyết về các tia thị giác này một phần là do niềm tin dân gian cho rằng các con mắt có chứa “lửa”. Theo Empédocle, ánh sáng không đi theo một chiều từ mắt tới vật; ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt. Leucippe (khoảng 460-370 TCN): trái ngược với “lửa” trong mắt của Empédocle thoát ra thế giới bên ngoài, Leuccipe cho rằng thế giới thị giác đến với chúng ta. Và do đó, về thực chất thị giác là một trải nghiệm thụ động. Dưới tác động của ánh sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta tách khỏi bề mặt của vật, như da của một con rắn lột xác tách khỏi cơ thể, và đi đến mắt chúng ta. Démocrite (460-370 TCN): các quan điểm của Démocrite về ánh sáng và thị giác đều dựa trên học thuyết nguyên tử. Ông chấp nhận bốn màu cơ bản của Empédocle – đen, trắng, đỏ và vàng-xanh, nhưng thêm vào đó các màu khác gọi là các màu thứ cấp, như lục và nâu. Khác với Empédocle, Démocrite không gắn các màu cơ bản cho bốn nguyên tố, mà gắn cho các nguyên tử có hình dạng khác nhau. Theo Démocrite, các màu (và các đặc tính giác quan khác như mùi và vị) không hiện hữu trong bản thân các vật. Platon (428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộc vào hạng siêu hình. Mặt Trời là con của cái Thiện và mắt, nhạy cảm với ánh sáng, là một cơ quan gắn chặt nhất với Mặt Trời. Như vậy thị giác là kết quả của sự tổng hợp của ba quá trình bổ sung cho nhau. Mắt phát ra lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành một chùm sáng duy nhất. Chùm sáng này được phóng thẳng ra phía trước cho đến khi gặp bề mặt của một vật; ở đó, nó gặp tia các hạt do vật phát ra dưới tác dụng của ánh sáng xung quanh và kết hợp với chùm sáng ban đầu. Tia các hạt này chứa thông tin về tình trạng của vật, màu sắc và kết cấu của nó. Sau đó chùm sáng co lại để truyền đến mắt những thông tin này. Aristolte (384-322 TCN), học trò của Platon, Aristolte bác bỏ dứt khoát các “tia thị giác” của Empédocle, bởi theo ông lý thuyết này không giải thích được tại sao chúng ta không nhìn thấy trong bóng tối. Theo ông, sự tri giác các vật được thực hiện không phải thông qua dòng vật chất, mà bởi ấn tượng của chúng lên các giác quan, cũng giống như sáp tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫn nhưng không tước mất của nó cái chất, sắt hay vàng, đã tạo nên chiếc nhẫn đó. Như vậy mắt tiếp nhận các ấn tượng về màu sắc, hình dạng, chuyển động,… Aristolte cho rằng tồn tại hai màu cơ bản: đen và trắng. Tất cả các màu khác bắt nguồn từ sự hòa trộn hai màu cơ bản này và biểu hiện các “phẩm chất trung gian”,ở đây,ông giải thích sự hòa trộn 2 màu cơ bản tạo thành các màu khác có sự đóng góp của “nhiệt”. Các màu khác cũng có thể bắt nguồn từ sự hòa trộn giữa đen và trắng trong một môi trường bán trong suốt: đó là trường hợp các màu nâu đỏ hoặc da cam của cảnh hoàng hôn. Alhazen (965-1040): Alhazen đồng ý với quan điểm của Aristolte rằng ánh sáng đến từ bên ngoài đi vào mắt, chứ không phải ngược lại. Theo ông, các tia Trang 3 Nhóm the light sáng thật sự tồn tại. Chúng lan truyền theo đường thẳng. Khi ánh sáng xung quanh chạm vào một vật liền bị vật này phản xạ, từ mỗi điểm trên bề mặt của một vật có màu, các chùm tia sáng lan tỏa theo tất cả các hướng, và chỉ một tỉ lệ nhỏ của chúng đi vào mắt chúng ta. Ở đây Alhazen đã đưa ra ý tưởng về sự tán xạ ánh sáng. Rober Bacon (1214-1292. Trong các sách chuyên luận về ánh sáng và màu sắc, ông đã cố gắng tổng hợp các quan niệm của Aristote về ánh sáng và màu sắc (vốn là các “dạng thức” phi vật chất) và các quan niệm của Alhazen (màu sắc được truyền bởi các tia phát ra từ tất cả các điểm của vật). Theo Bacon, mọi vật phóng theo đường thẳng về tất cả các hướng một cái gì đó thuộc tinh chất của nó mà ông gọi là “loài”. Chẳng hạn, Mặt trời phát ra các “loài” sáng. Francesco Maria Grimaldi (1618-1663): Ánh sáng phản xạ trên mặt phẳng gương và khúc xạ khi đi qua môi trường khác nhau. Những quan điểm này vừa có những mâu thuẫn không được giải quyết nhưng lại bổ sung cho nhau từ đó bước đàu hình thành những quan điểm đầu tiên về ánh sáng. Và những thế kỷ sau bí ẩn về ánh sáng dần được hé mở. 2. Quan điểm về bản chất ánh sáng thế kỷ XVII đến XIX 2.1 Thế kỉ XVII- XVIII a) Huygens: cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng Christiaan Huygens (1629-1695). Christiaan Huygens (1629-1695) Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các hạt của vật sáng tới mắt. Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng Trang 4 Nhóm the light giống như sóng được sinh ra khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước. Ánh sáng theo quan điểm của Huygens: Huygens dựa trên khái niệm ánh sáng là sóng: Sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể truyền chuyển động không những cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với nó mà còn cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với hạt đó và cản chuyển động của nó. Cơ chế truyền sóng: Theo Huygens, một nguồn sáng bao gồm vô số các hạt rung động. Các hạt này truyền rung động của chúng tới các hạt ête bên cạnh dưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này. Vô số các sóng cầu này được truyền đi, và bán kính tác dụng của chúng tăng dần theo thời gian. Chúng chồng chập lên nhau và biểu hiện hỗn độn của chúng ở gần nguồn sáng giảm dần khi các sóng truyền ra xa nguồn sáng. Càng xa nguồn sáng, sóng càng trở nên trơn và đều đặn hơn. Từ đó, ông giải thích các hiện tượng như sau: * Hiện tượng phản xạ: 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. Trang 5 Nhóm the light * Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Huygens cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó * Hiện tượng nhiễu xạ: thuyết sóng của Huyghens chưa giải thích được hiện tượng này. b) Newton: ánh sáng là hạt Trang 6 Nhóm the light Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt. Ánh sáng được coi như những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng và bay theo đường thẳng trong môi trường đồng chất. Từ cơ sở đó, ông giải thích các hiện tượng như sau: * Nguyên nhân tạo ra màu sắc: do kích thước của các hạt. Các hạt nhỏ nhất tạo ra cảm giác màu tím, các hạt lớn hơn gây ra cảm giác về màu chàm, và cứ tiếp tục như vậy hạt màu đỏ sẽ là lớn nhất. Bởi vì tồn tại bảy màu cơ bản, nên các hạt phải có bảy loại kích thước khác nhau. * Hiện tượng phản xạ: do sự phản xạ của các quả cầu đàn hồi trong chùm sáng khi va chạm và 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 (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. Trang 7 Nhóm the light *Hiện tượng khúc xạ: do tác dụng của mặt phân giới lên hạt ánh sáng làm cho hạt đó thay đổi hướng truyền và bị gãy khúc ở mặt phân cách giữa hai môi trường. Vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút và vận tốc sẽ tăng lên dẫn đến vận tốc ánh sáng trong môi trường nước hay thủy tinh lại lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường khí. *Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: ông đưa ra giả thuyết cho rằng trên bề mặt của một vật trong suốt tồn tại một vùng rất mỏng ở đó có một lực tác dụng để kéo các tia sáng vào bên trong nó. Vì vậy, các hạt màu tím, do chúng nhỏ hơn, sẽ bị hút bởi một môi trường đặc hơn không khí mạnh hơn so với các hạt lớn hơn có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch khỏi đường đi ban đầu của nó nhiều hơn các hạt màu đỏ. *Hiện tượng nhiễu xạ: ông giải thích là do có một lực đẩy có tác dụng đẩy các hạt ánh sáng vào trong bóng tối hình học của một vật. c) Leonhard Euler (1707 – 1783) Sự hồi sinh của lý thuyết sóng ánh sáng: Trang 8 Nhóm the light Sau khi quyển “Optiks” của Newton được xuất bản năm 1704, suốt thế kỷ XVIII đã diễn ra cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng với hai quan điểm trái ngược nhau: quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là sóng và quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là hạt. Suốt thế kỷ này, lý thuyết hạt ánh sáng của Newton đã lấn át tuyệt đối lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đề xuất. Do đó thuyết thuyết hạt ánh sáng được các nhà vật lý trong thời kì này chấp nhận. nhưng vẫn có một quan ddiemr chóng lại quan điểm ánh sáng là hạt đó là quan điểm cau nhà toán học Leonhard Euler (1707 – 1783) Ông cho rằng có sự tương tự hóa giữa ánh sáng và âm thanh “có một sự hài hòa tương tự giữa các nguyên nhân và các tính chất khác của âm thanh và ánh sáng, và như vậy lý thuyết âm thanh chắc chắn sẽ làm sáng tỏ rất nhiều lý thuyết ánh sáng”. Một trong những điểm tiến bộ trong quan niệm sóng của Euler là ông cho rằng: mỗi một màu của ánh sáng được đặc trưng bởi một bước sóng nhất định. Như vậy, Euler là người đầu tiên gắn kết các khái niệm bước sóng và tần số với màu sắc. Thế kỷ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng là sóng vẫn chìm nổi với chỉ một tiếng nói bảo vệ thuyết sóng của Euler. Tuy chưa đầy đủ nhưng luận điểm của Euler đã thể hiện sự tiến bộ so với các tiền bối bởi ông đã đưa ra một cách giải thích chấp nhận được về nguồn gốc các màu sắc mà trước đó cả Newton lẫn Huygens đều không thể có một cách giải thích đúng đắn. 2.2 Thế kỉ XIX Trang 9 Nhóm the light Bước sang thế kỷ XIX, chúng ta sẽ được chứng kiến sự hồi sinh và phát triển vượt bậc của lý thuyết sóng ánh sáng. Ở nửa đầu thế kỷ này đã diễn ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quang học tương tự như cuộc cách mạng của Copernic và Galilée trước đó gần ba thế kỷ. Hai nhân vật có vai trò to lớn cho cuộc cách mạng trong quang học là Thomas Young và Augustin Fresnel. a) Thomas Young (1773 – 1829), người Anh. Ông đã dự vào thí nghiệm hai khe đã đưa ra định luật đơn giản và tổng quát của hiện tượng giao thoa. Trang 10 [...]... Trang 29 Nhóm the light IV Ánh sáng đi u kỳ diệu quanh ta Thế giới con người bắt đầu bằng ánh sáng, tình u thương nảy sinh từ thế giới Phải chăng ánh sáng và con người là một thể thống nhất ánh sáng tạo ra sự sống và con người cho ánh sáng câu trả lời “nó là ai?” Ánh sáng là nguồn sống Nó cho phép chúng ta tri giác và hiểu thế giới, tiến hóa trong... mặt sóng và hạt của ánh sáng có những liên hệ, có tính thống nhất, chứ khơng hồn tồn là hai mặt độc lập với nhau Cho đến đầu thế kỉ 20, việc thừa nhận sự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp con người hiểu được một cách bao qt các đặc tính của ánh sáng Ánh sáng khơng là sóng và cũng chẳng là hạt, nói ánh sáng là lưỡng tính sóng – hạt thực chất các nhà khoa học muốn đề cập đến ánh sáng như một đối... nhận ánh sáng có bản chất hạt, và sử dụng thuyết photon của Einstein thì ơng mới có thể giải thích được trọn vẹn hiện tượng Như vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ 20 tồn tại một câu hỏi đặt ra cho các nhà khoa học: bản chất của ánh sáng là sóng hay hạt Trước khi hiện tượng quang đi n xuất hiện con người có thể dễ dàng tin chắc rằng ánh sáng là sóng đi n từ với các hiện tượng liên quan đến sự truyền của ánh sáng. .. Quan đi m này đã thực sự khép lại những cuộc tranh luận về bản chất ánh sáng là sóng hay hạt Nhiệm vụ của vật lí học về ánh sáng là tìm hiểu về cái bản chất vơ cùng đặc biệt này, và hơn thế nữa, đối tượng “lưỡng tính sóng-hạt” khơng chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn được suy rộng ra cho các hạt vật chất, như ta đã biết trong lí thuyết của De Broglie II Tốc độ ánh sáng 1 tốc độ của ánh sang: Tốc độ ánh sáng. .. tốc ánh sáng Trong lịch sử vật lý, Newton đã thống nhất trời và đất qua định luật vạn vật hấp dẫn thì đến lượt Maxwell đã thống nhất khơng chỉ đi n và từ mà còn cả quang học, ơng được coi là nhà thống nhất vĩ đại thứ hai của vật lý học Ánh sáng - lưỡng tính sóng hạt Cho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánh sáng là sóng đã thực sự được xác nhận, đặc biệt là sau kết luận của Maxwell khẳng định ánh sáng. .. của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ,…Tuy nhiên cho đến đầu thế kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sáng con người sẽ khơng thể lí giải được cho các hiện tượng về sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất như hiệu ứng quang đi n, hiệu ứng Compton… Để có được đáp án cho những hiện tượng này, con người sẽ phải chấp nhận quan đi m hạt photon của Einstein Vậy ánh sáng thực chất là sóng hay hạt? Cùng khoảng thời gian... đo tốc độ ánh sáng Tốc độ ánh sáng được biết đến như là một hằng số cơ bản rất chính xác, đặc biệt quan trọng trong các lónh vực tính toán khoa học Từ xưa các nhà khoa học đã có rất nhiều tranh cãi về tính vô hạn hay hữu hạn của ánh sáng Khoảng những năm 1600, các nhà khoa học đã bắt đầu tiến hành các cuộc thí nghiệm để xác đònh tốc độ của ánh sáng 2.1 Thí nghiệm đầu tiên đo về vận tốc ánh sáng là thí... giữa hai quan đi m để xác định quan đi m nào đúng mà lại là sự thống nhất chúng lại trong một lí thuyết mới Ngày nay chúng ta cơng nhận ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thống nhất là ánh sáng và tùy đi u kiện của hiện tượng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia của ánh sáng được hiện ra Ta có thể coi” sóng và hạt là hai tính phụ nhau của ánh sáng Giữa hai... người đầu tiên phát hiện ra ánh sáng chính là cuộc hơn pối giữa đi n và từ” c) Maxwell Ánh sáng: cuộc hơn phối giữa đi n và từ: Trang 11 Nhóm the light Từ 4 phương trình của Maxwell, Maxwell phát hiện ra rằng sóng đi n từ thực chất cũng chính là sóng ánh sáng Vào năm 1873, Maxwell đã tính tốn chính xác vận tốc truyền sóng đi n từ, đáp số này hồn tồn... là sau kết luận của Maxwell khẳng định ánh sáng là sóng đi n từ với vận tốc là 300.000 km/s 3 Ánh sáng thế kỷ XX Trang 12 Nhóm the light Nhưng đến đầu thế kỷ XX thì các hiện tượng của Hiệu ứng quang đi n khơng thể gải thích được khi ta xem ánh sáng là sóng Từ đó Eintein lại khẳng định lại ánh sáng là các “hạt” hay các lượng tử năng lượng xác định . nghiệm đo tốc độ ánh sáng III. Ánh sáng và cuộc sống con người 1.Về mặt khoa học 2.Về mặt tinh thần IV. Ánh sáng điều kỳ di u quanh ta I. Con đường hình thành quan điểm về ánh sáng. Ánh sáng. với con người và qua đó hi vọng sẽ giúp các bạn có cái nhìn đúng đắn nhất về cuộc sồng và chúng ta đã và đang sống. Nội dung I. Con đường hình thành những quan điểm về ánh sáng 1.Ánh sáng dưới con. ơ, cho tới khi quanh ta đột nhiên là bóng tối chúng ta mới thấy nhớ ánh sáng”. Ánh sáng cho ta sự sống cho ta ý thức được vũ trụ và là niềm tin hi vọng là sức mạnh vô biên mà con người nhận một