Chuyên đề về quang học

Phổ bức xạ điện từ Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những tính chất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống sóng này

NỘI DUNG

Trang

Bản chất của bức xạ điện từ 1

Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng .14

Nguồn phát ánh sáng khả kiến .22

Tốc độ ánh sáng 30

Kĩ thuật hiển vi huỳnh quang .41

Sự phản xạ ánh sáng .46

Sự khúc xạ ánh sáng .54

Sự giao thoa ánh sáng 64

Sự nhiễu xạ ánh sáng .74

Sự phân cực ánh sáng .81

Thấu kính và quang hình học .93

Các loại gương .101

Lăng kính và bộ tách chùm tia .112

Sự nhìn và cảm giác về màu sắc 123

Các màu cơ bản .137

Quang sai ở hệ thấu kính .142

Hiện tượng lưỡng chiết .148

Ánh sáng và Năng lượng 159

Tổng quan về laser 175

Kĩ thuật an toàn laser 190

Hình 1 Phổ bức xạ điện từ Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những tính chất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống sóng này, như được biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng truyền trong không gian Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện từ (như đã phân loại trong hình 1), trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tia gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bức xạ hồng ngoại, và vi ba, cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp

Mối liên hệ giữa ánh sáng, điện và từ không rõ ràng ngay trước mắt những nhà khoa học buổi đầu làm thí nghiệm với những tính chất cơ bản của ánh sáng và vật chất Ánh sáng hồng ngoại, có bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng đỏ khả kiến, là dạng “vô hình” đầu tiên của bức xạ điện từ được phát hiện Nhà khoa học

và thiên văn học người Anh William Herschel đã nghiên cứu sự liên đới giữa nhiệt

và ánh sáng bằng một nhiệt kế và một lăng kính khi ông nhận thấy nhiệt độ đạt tới cao nhất trong vùng nằm ngoài phần đỏ của phổ ánh sáng khả kiến Herschel cho rằng phải có một loại ánh sáng khác trong vùng này mà mắt người không nhìn thấy được

Bức xạ cực tím, nằm ở phía bên kia của phổ khả kiến, được phát hiện bởi Wilhelm Ritter, một trong những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu năng lượng liên quan đến ánh sáng khả kiến Bằng cách quan sát tốc độ mà các ánh sáng có màu

khác nhau làm kích thích sự sẫm màu của một tờ giấy bạc thấm đẫm dung dịch bạc nitrat, Ritter phát hiện thấy một dạng vô hình khác của ánh sáng, nằm ngoài đầu xanh của quang phổ, có tốc độ này cao nhất

Điện và từ được liên hệ với nhau lần đầu tiên vào năm 1820, khi nhà vật lí người Đan Mạch Hans Christian Oersted phát hiện thấy dòng điện chạy qua một dây dẫn có thể tạo ra sự lệch hướng của kim nam châm Cũng vào cuối năm đó, nhà khoa học người Pháp Andrie Ampère, chứng minh được hai dây dẫn mang dòng điện có thể hút hoặc đẩy lẫn nhau theo kiểu giống như tương tác của các cực từ Trong vài thập niên sau đó, các nghiên cứu khác theo hướng này không ngừng tạo

ra những bằng chứng cho thấy điện và từ có quan hệ gần gũi với nhau

Cuối cùng, vào năm 1865, nhà khoa học người Scotland, James Clerk Maxwell đã mở rộng thuyết động học chất khí của ông về mặt toán học để giải thích mối liên hệ giữa điện và từ Maxwell cho rằng hai hiện tượng quan hệ gần gũi đó thường xuất hiện cùng nhau dưới dạng điện từ, và ông phát hiện thấy dòng điện biến thiên sẽ tạo ra các sóng gồm hai thực thể truyền vào không gian với tốc độ ánh sáng Từ những quan sát này, ông kết luận ánh sáng khả kiến là một dạng của bức

Hình 2 Sóng điện từ

Dù là tín hiệu truyền radio phát đi từ một đài phát thanh, nhiệt phát ra từ một

lò lửa, tia X của nha sĩ dùng để chụp hình răng, hay ánh sáng khả kiến và cực tím phát ra từ Mặt Trời, các dạng khác nhau này của bức xạ điện từ đều có những tính chất sóng cơ bản và đồng nhất Mỗi loại bức xạ điện từ, kể cả ánh sáng khả kiến, đều dao động theo kiểu tuần hoàn với những chỗ lồi và lõm, và biểu lộ một biên độ, bước sóng, và tần số đặc trưng, cùng với việc định rõ hướng truyền, năng lượng và cường độ của bức xạ

Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóng điện từ được biểu diễn trên hình

2, minh họa tính chất sin của các thành phần vectơ dao động điện và từ khi chúng truyền trong không gian Để cho tiện, đa số các minh họa biểu diễn bức xạ điện từ thường cố ý bỏ qua thành phần từ, chỉ biểu diễn vectơ điện trường là một sóng sin

trong hệ tọa độ hai chiều x và y xác định Người ta quy ước thành phần y của sóng sin biểu diễn biên độ của điện trường, còn thành phần x biểu diễn thời gian, khoảng cách truyền, hay mối quan hệ pha với một sóng sin khác

Một số đo chuẩn của mọi bức xạ điện từ là độ lớn của bước sóng (trong chân không), thường dùng ở đơn vị nano mét (một phần ngàn của micromet) đối với phần ánh sáng khả kiến của quang phổ Bước sóng được định nghĩa là khoảng cách giữa hai đỉnh (hay hai lõm) sóng liên tiếp của dạng sóng (xem hình 2) Tần số tương ứng của một sóng phát ra, là số chu kì sin (số dao động, hay số bước sóng) đi qua một điểm cho trước trong một giây, tỉ lệ với nghịch đảo của bước sóng Như vậy, bước sóng càng dài ứng với bức xạ tần số càng thấp, và bước sóng càng ngắn ứng với bức xạ tần số càng cao Tần số thường được biểu diễn bằng đơn vị hertz (Hz), hoặc chu kì/giây (cps)

Hertz được chọn làm đơn vị chuẩn của tần số bức xạ điện từ để ghi nhận kết quả nghiên cứu của nhà vật lí người Đức Heinrich Hertz, người đã thành công trong việc tự tạo ra và thực hiện thành công thí nghiệm với sóng điện từ vào năm 1887, tám năm sau khi Maxwell qua đời Hertz đã tạo ra, thu nhận được, và còn đo được bước sóng (gần 1m) của bức xạ, ngày nay được phân vào nhóm tần số vô tuyến David Hughes, một nhà khoa học sinh quán London, người là giáo sư âm nhạc trong buổi đầu sự nghiệp của mình, có lẽ mới thực sự là nhà nghiên cứu đầu tiên thành công trong việc truyền sóng vô tuyến (năm 1879), nhưng sau khi thuyết phục Hội Hoàng gia không thành, ông quyết định không công bố nghiên cứu của mình,

và cũng không ai biết đến mãi cho tới nhiều năm sau này

Các dạng phong phú của bức xạ điện từ có bước sóng và tần số khác nhau, nhưng về cơ bản giống nhau ở chỗ chúng truyền đi với vận tốc như nhau, khoảng chừng 186.000 dặm một giây (hoặc xấp xỉ 300.000 km một giây), một vận tốc thường được biết đến là tốc độ của ánh sáng (và được kí hiệu là c) Bức xạ điện từ (bao gồm cả ánh sáng khả kiến) truyền đi 149 triệu km (93 triệu dặm) từ Mặt Trời tới Trái Đất mất khoảng 8 phút Trái lại, một ô tô chạy với tốc độ 100 km/h (60 dặm/h) cần đến 177 năm mới đi hết quãng đường trên Chỉ trong một giây, ánh sáng

có thể đi vòng quanh Trái Đất 7 lần

Bước sóng của ánh sáng, và tất cả dạng khác của bức xạ điện từ, liên hệ với tần số bằng một phương trình tương đối đơn giản:

ν

ν = c/λλλ trong đó c là tốc độ ánh sáng (m/s), ν là tần số ánh sáng (Hz), λ là bước sóng ánh sáng (m) Từ mối liên hệ này, người ta có thể kết luận bước sóng ánh sáng tỉ lệ nghịch với tần số của nó Một sự gia tăng tần số tạo ra sự giảm tương ứng bước sóng ánh sáng, với một độ tăng tương ứng dưới dạng năng lượng của các photon có trong ánh sáng Khi đi vào một môi trường mới (như từ không khí đi vào thủy tinh hoặc nước), tốc độ và bước sóng ánh sáng giảm xuống, mặc dù tần số vẫn không thay đổi

Dưới những điều kiện bình thường, khi truyền trong một môi trường đồng tính, như không khí hoặc chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng cho đến khi nó tương tác với môi trường hoặc vật liệu khác khiến nó đổi hướng, qua sự khúc

xạ (bẻ cong) hoặc phản xạ Cường độ ánh sáng cũng giảm do sự hấp thụ bởi môi

trường Nếu sóng ánh sáng truyền qua một khe hẹp hoặc lỗ nhỏ, thì chúng có thể bị nhiễu xạ hoặc phân tán (tán xạ) tạo nên hình ảnh nhiễu xạ đặc trưng Phù hợp với định luật nghịch đảo bình phương nổi tiếng, cường độ (hay độ chói) của bức xạ điện

từ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách mà chúng truyền đi Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi hai lần một khoảng cách cho trước, thì cường độ của nó giảm đi bốn lần

Hình 3 Sự hấp thụ và phát bức xạÁnh sáng khả kiến biểu hiện những tính chất sóng kinh điển, nhưng đồng thời cũng bộc lộ những tính chất có xu hướng hạt, thể hiện rõ ràng qua những thực thể có năng lượng và xung lượng (nhưng không có khối lượng), và được gọi là photon Nguyên tử là nguồn phát ra mọi bức xạ điện từ, dù là loại nhìn thấy hay không nhìn thấy Các dạng bức xạ năng lượng cao, như sóng gamma và tia X, sinh

ra do những sự kiện xảy ra làm phá vỡ trạng thái cân bằng hạt nhân của nguyên tử Bức xạ có năng lượng thấp, như ánh sáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như sóng vô tuyến và vi ba, phát ra từ những đám mây electron bao quanh hạt nhân hoặc do tương tác của một nguyên tử với nguyên tử khác Những dạng bức xạ này xảy ra do thực tế các electron chuyển động trong những quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử sắp xếp vào những mức năng lượng khác nhau trong hàm phân bố xác suất của chúng Nhiều electron có thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện từ bên ngoài (xem hình 3), kết quả là chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn vốn dĩ không bền

Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng năng lượng thừa bằng cách phát ra bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn, và đồng thời rơi trở lại mức năng lượng bền trước đó của nó Năng lượng của bức xạ phát ra bằng với năng lượng ban đầu electron hấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát qua một số quá trình thứ cấp

Các mức năng lượng bức xạ điện từ có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào năng lượng của nguồn electron hoặc hạt nhân Ví dụ, các sóng vô tuyến có năng lượng thấp hơn nhiều so với sóng vi ba, tia hồng ngoại, hoặc ánh sáng khả kiến, và tất cả các sóng này lại chứa ít năng lượng hơn ánh sáng tử ngoại, tia X và sóng gamma Như một quy luật, các năng lượng bức xạ điện từ cao liên quan đến các bước sóng ngắn nhiều hơn các dạng bức xạ có năng lượng thấp Mối liên hệ giữa năng lượng của một sóng điện từ và tần số của nó được cho bởi phương trình:

E = hννν = hc/λλλ

trong đó E là năng lượng (kJ/mol), h là hằng số Planck, và các biến khác đã được định nghĩa ở phần trên Theo phương trình này, năng lượng của sóng điện từ tỉ

lệ trực tiếp với tần số của nó và tỉ lệ nghịch với bước sóng Như vậy, khi tần số tăng (với sự giảm bước sóng tương ứng), thì năng lượng sóng điện từ tăng, và ngược lại Các đặc trưng chọn lọc của các loại bức xạ điện từ khác nhau, như được định rõ bởi bước sóng, tần số và các mức năng lượng của nó, sẽ lần lượt được trình bày trong phần sau đây

Mặc dù bức xạ điện từ thường được mô tả bằng bước sóng và tần số của dạng sóng, nhưng những tính chất đặc trưng khác cũng quan trọng khi xem xét cách thức sóng truyền trong không gian Hình 4 biểu diễn các dạng sóng khác nhau tiêu biểu cho các trạng thái phổ biến thường được dùng để mô tả mức độ đồng đều của bức xạ điện từ Do ánh sáng khả kiến là loại bức xạ được nói tới nhiều nhất, nên các

ví dụ minh họa trong hình 4 miêu tả các bước sóng trong vùng phổ này Ví dụ, ánh sáng đơn sắc gồm các sóng có cùng bước sóng và tần số, hay ở cấp độ vĩ mô, có cùng màu trong ánh sáng khả kiến Trái lại, ánh sáng khả kiến đa sắc thường xuất hiện dưới dạng ánh sáng trắng do sự đóng góp của hỗn hợp tất cả hay đa số các bước sóng nằm trong vùng phổ từ 400 đến 700 nanomet

Hình 4 Dạng sóng của các trạng thái bức xạ điện từKhi ánh sáng không phân cực (hình 4), các vectơ điện trường dao động trong mọi mặt phẳng nằm vuông góc với hướng truyền sóng Ánh sáng phản xạ từ một bề mặt phẳng tại góc tới hạn, hoặc truyền qua các bộ lọc phân cực, sẽ định hướng theo mặt phẳng phân cực, với tất cả các vectơ điện trường dao động trong một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng Ánh sáng phát ra từ Mặt Trời, và đa số các nguồn phát ánh sáng khả kiến phổ biến như bóng đèn nóng sáng hoặc huỳnh quang,

là không phân cực, còn ánh sáng nhìn qua các thấu kính phân cực của kính râm bị phân cực theo chiều đứng Trong một số trường hợp, ánh sáng có thể bị phân cực elip hoặc phân cực tròn khi truyền qua những chất có nhiều hơn một chiết suất (các chất khúc xạ kép)

Đa số các nguồn sáng tự nhiên và nhân tạo phát ra ánh sáng không kết hợp, thể hiện nhiều mối quan hệ pha giữa các bước sóng có mặt trong quang phổ (hình 4) Trong trường hợp này, các đỉnh và lõm của các trạng thái dao động trong từng sóng không đồng bộ với nhau trong không gian hoặc thời gian Ánh sáng kết hợp gồm các bước sóng đồng pha với nhau, và hành xử theo kiểu rất khác với ánh sáng không kết hợp đối với các tính chất quang học và tương tác với vật chất Mặt đầu

sóng do ánh sáng kết hợp tạo ra có các dao động đỉện và từ cùng pha, có góc phân

kì thấp, và thường gồm ánh sáng đơn sắc hoặc các bước sóng có độ phân bố hẹp Laser là nguồn phổ biến phát ra ánh sáng kết hợp

Những sóng ánh sáng có đường đi đồng trục, tương đối không phân kì khi truyền trong không gian được gọi là chuẩn trực Dạng có tổ chức này của ánh sáng không trải ra, hay không phân kì, một mức độ đáng kể trên những khoảng cách tương đối xa Ánh sáng chuẩn trực tạo ra chùm tia rất sít sao, nhưng không cần thiết phải có dải bước sóng hẹp (không cần phải đơn sắc), một mối quan hệ pha chung, hoặc một trạng thái phân cực đã được định rõ Mặt đầu sóng của ánh sáng chuẩn trực là mặt phẳng và vuông góc với trục truyền Trái lại, ánh sáng phân kì, hay không chuẩn trực, lại trải ra một mức độ rộng khi truyền trong không gian, và phải cho đi qua một thấu kính hoặc một lỗ nhỏ mới làm cho nó chuẩn trực, hoặc hội tụ

Tia gamma – Là bức xạ năng lượng cao có tần số cao nhất (và bước sóng ngắn nhất), tia gamma được phát ra do sự chuyển trạng thái bên trong hạt nhân nguyên tử, bao gồm hạt nhân của những chất phóng xạ (tự nhiên và nhân tạo) nhất định Sóng gamma cũng phát ra từ các vụ nổ hạt nhân và các nguồn đa dạng khác trong không gian vũ trụ Những tia uy mãnh này có khả năng đâm xuyên khủng khiếp và được báo cáo là có thể truyền qua 3 mét bêtông ! Mỗi photon tia gamma giàu năng lượng đến mức chúng dễ dàng được nhận ra, nhưng bước sóng cực kì nhỏ của chúng đã hạn chế các quan sát thực nghiệm về những tính chất sóng Tia gamma phát ra từ những vùng nóng nhất của vũ trụ, bao gồm các vụ nổ sao siêu mới, sao neutron, pulsar và lỗ đen, truyền qua khoảng cách bao la trong không gian

để đến Trái Đất Dạng bức xạ năng lượng cao này có bước sóng ngắn hơn một phần trăm của nanomet (10 picomet), năng lượng photon lớn hơn 500 kiloelectron-volt (keV) và tần số mở rộng tới 300 exahertz (EHz)

Hình 5 Ảnh chụp tia X của các vì saoViệc phơi ra trước tia gamma có thể gây ra các đột biến, các sai lạc nhiễm sắc thể, và còn hủy hoại tế bào, như thường quan sát thấy ở một số dạng bức xạ gây nhiễm độc khác Tuy nhiên, bằng việc điều khiển sự phát tia gamma, các chuyên gia tia X có thể làm chủ các mức năng lượng cao để chiến đấu với bệnh tật và giúp điều trị một số dạng ung thư Thiên văn học tia X là một ngành tương đối mới có nhiệm

vụ thu thập các sóng năng lượng cao này để lập bản đồ vũ trụ như minh họa trên hình 5 Kĩ thuật này cho các nhà khoa học cơ hội quan sát các hiện tượng thiên thể ở

xa trong cuộc tìm kiếm những khái niệm vật lí mới, và kiểm tra những lí thuyết không thể thử thách bằng những thí nghiệm thực hiện trên Trái Đất này

Tia X – Bức xạ điện từ có tần số cao hơn vùng tử ngoại (nhưng thấp hơn tia gamma) được phân loại là tia X, và đủ uy mãnh để xuyên qua nhiều vật liệu, như

các mô mềm của động vật Tính đâm xuyên cao của các sóng uy mãnh này, cùng với khả năng phơi sáng nhũ tương nhiếp ảnh của chúng, đã đưa đến việc ứng dụng rộng rãi tia X trong y học, để nghiên cứu cấu trúc cơ thể người, và trong một số trường hợp khác, là phương tiện để chữa bệnh hoặc phẫu thuật Giống như với tia gamma năng lượng cao, việc phơi ra không có điều khiển trước tia X có thể dẫn tới đột biến, sai lệch nhiễm sắc thể, và một số dạng hủy hoại tế bào khác Phương pháp chụp ảnh vô tuyến truyền thống về cơ bản không gì hơn là thu lấy cái bóng của vật liệu đặc, chứ không phải chụp chi tiết hình ảnh Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong kĩ thuật hội tụ tia X bằng gương đã mang lại những hình ảnh chi tiết hơn nhiều của các đối tượng đa dạng bằng việc sử dụng kính thiên văn tia X, kính hiển

vi tia X và giao thoa kế tia X

Các chất khí khí nóng trong không gian vũ trụ phát ra phổ tia X rất mạnh, chúng được các nhà thiên văn học sử dụng để thu thập thông tin về nguồn gốc và đặc trưng của các vùng nằm giữa các vì sao của vũ trụ Nhiều thiên thể cực kì nóng, như Mặt Trời, lỗ đen, pulsar, chủ yếu phát ra trong vùng phổ tia X và là đối tượng nghiên cứu của thiên văn học tia X Phổ tần số của tia X kéo dài ra một vùng rất rộng, với bước sóng ngắn nhất đạt tới đường kính của nguyên tử Tuy nhiên, toàn

bộ vùng phổ tia X nằm trên thang độ dài giữa gần 10 nanomét và 10 picomét Vùng bước sóng này khiến cho bức xạ tia X là công cụ quan trọng đối với các nhà địa chất và hóa học trong việc mô tả tính chất của các chất kết tinh, chúng có đặc điểm cấu trúc tuần hoàn trên cỡ độ dài tương đương với bước sóng tia X

Ánh sáng tử ngoại – Thường được viết tắt (uv - ultraviolet), bức xạ tử ngoại truyền đi ở tần số chỉ trên tần số của ánh sáng tím trong phổ ánh sáng khả kiến Mặc

dù đầu năng lượng thấp của vùng phổ này liền kề với ánh sáng khả kiến, nhưng các tia tử ngoại ở đầu tần số cao trong ngưỡng tần số của chúng có đủ năng lượng để giết chết tế bào, và tạo ra sự phá hủy mô nghiêm trọng Mặt Trời là một nguồn phát bức xạ tử ngoại không đổi, nhưng bầu khí quyển của Trái Đất (chủ yếu là các phân

tử ozon) đã ngăn chặn có hiệu quả phần lớn các bước sóng ngắn của dòng bức xạ có khả năng gây chết chóc này, do đó tạo được môi trường sống thích hợp cho cây cối

và động vật Năng lượng photon trong tia tử ngoại đủ để làm ion hóa các nguyên tử

từ một số phân tử khí trong khí quyển, và đây là quá trình mà tầng điện li được tạo

ra và duy trì liên tục Mặc dù một liều nhỏ ánh sáng có năng lượng tương đối cao này có thể xúc tiến việc tổng hợp vitamin D trong cơ thể, và ít làm sạm da, nhưng quá nhiều bức xạ tử ngoại có thể dẫn tới sự cháy sạm da nghiêm trọng, làm hỏng võng mạc vĩnh viễn, và gây ra ung thư da

Ánh sáng tử ngoại được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khoa học để khảo sát tính chất của những hệ hóa học và sinh học phong phú, và nó cũng quan trọng trong các quan trắc thiên văn về hệ Mặt Trời, thiên hà, và các phần khác của vũ trụ Các vì sao và những thiên thể nóng khác là những nguồn phát mạnh ra bức xạ tử ngoại Phổ bước sóng tử ngoại trải từ khoảng 10 đến xấp xỉ 400 nanomét, có năng lượng photon từ 3,2 đến 100 eV Loại bức xạ này có ứng dụng trong việc xử lí nước

và thực phẩm, là tác nhân diệt khuẩn, là xúc tác quang học giữ các hợp chất, và được dùng trong điều trị y khoa Hoạt động sát trùng của ánh sáng tử ngoại xảy ra ở những bước sóng dưới 290 nanomét Việc ngăn chặn và lọc các hợp chất dùng trong các mỹ phẩm dành cho da, kính mát, và cửa sổ đổi màu, là điều khiển sự phơi sáng trước ánh sáng tử ngoại đến từ Mặt Trời

Một số côn trùng (nhất là ong mật) và chim chóc có thị giác đủ nhạy trong vùng tử ngoại để phản ứng lại những bước sóng dài, và có thể dựa vào khả năng này

để điều hướng Con người bị giới hạn thị giác với bức xạ tử ngoại, do giác mạc hấp thụ các bước sóng ngắn, và thủy tinh thể của mắt hấp thụ mạnh các bước sóng dài hơn 300 nanomét

Hình 6 Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến Ánh sáng khả kiến – Các màu cầu vồng liên quan đến phổ ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho khoảng 2,5% của toàn bộ phổ điện từ, và gồm các photon có năng lượng từ xấp xỉ 1,6 đến 3,2 eV Màu sắc tự nó không phải là tính chất của ánh sáng, mà nhận thức về màu sắc xảy ra qua phản ứng kết hợp của hệ cảm giác dây thần kinh não – mắt người Vùng nhìn thấy của phổ điện từ nằm trong một dải tần

số hẹp, từ xấp xỉ 384 đến 769 terahertz (THz) và được nhận biết dưới dạng màu từ màu đỏ đậm (bước sóng 780nm) đến màu tím đậm (400nm)

Màu đỏ năng lượng thấp, bước sóng dài (622 – 780nm) theo sau trong chuỗi màu là màu cam (597 – 622nm), vàng (577 – 597nm), lục (492 – 577nm), lam (455 – 492nm), và cuối cùng là màu tím năng lượng tương đối cao, bước sóng ngắn (từ 455nm trở xuống) Một cách giúp ghi nhớ thứ tự (theo chiều tăng tần số) của các màu trong phổ ánh sáng khả kiến là ghi nhớ câu “đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím” [ở những nước sử dụng tiếng Anh, họ dùng các từ viết tắt ROY G BIV (Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Indigo, Violet)], như người ta đã dạy cho hàng triệu học sinh trong các nhà trường trong một thế kỉ qua (mặc dù một số nhà khoa học không còn coi màu chàm là một màu cơ bản nữa)

Việc phân chia phổ ánh sáng khả kiến thành các vùng màu dựa trên tính chất vật lí là dễ hiểu, nhưng cách mà màu sắc được cảm nhận thì không rõ ràng được như vậy Nhận thức về màu sắc là kết quả của sự phản ứng mang tính chủ quan của

hệ cảm giác của con người với những vùng tần số phong phú của phổ khả kiến, và những kết hợp đa dạng của các tần số ánh sáng có thể tạo ra cùng một phản ứng thị giác “nhìn thấy” một màu cụ thể nào đó Ví dụ, con người có thể cảm nhận được màu lục, khi phản ứng với sự kết hợp của ánh sáng có vài màu sắc khác nhau, nhưng trong đó không nhất thiết phải có chứa bước sóng “lục”

Ánh sáng khả kiến là cơ sở cho mọi sự sống trên Trái Đất, và nó được bắt bởi những nhà máy nguyên thủy hay các sinh vật tự dưỡng, như cây xanh chẳng hạn Những thành viên cơ sở này của chuỗi thức ăn sinh vật khai thác ánh sáng Mặt

Trời như một nguồn năng lượng dùng cho việc sản xuất thức ăn riêng và những viên gạch cấu trúc sinh hóa của chúng Đáp lại, các sinh vật tự dưỡng giải phóng sản phẩm là khí oxi, thứ chất khí mà mọi động vật đều cần đến

Vào năm 1672, ngài Isaac Newton đã nghiên cứu tương tác của ánh sáng khả kiến với lăng kính thủy tinh và lần đầu tiên nhận thấy ánh sáng trắng thật ra là hỗn hợp của các ánh sáng khác nhau đại diện cho toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến Ánh sáng phát ra từ các nguồn nóng sáng tự nhiên và nhân tạo phong phú như Mặt Trời, các phản ứng hóa học (như lửa), và các dây tóc volfram nóng sáng Phổ phát xạ rộng của các nguồn thuộc loại này thường được gọi là bức xạ nhiệt Các nguồn phát ánh sáng khả kiến khác, như ống phóng điện khí, có khả năng phát ra ánh sáng trong ngưỡng tần số hẹp, hoàn toàn xác định (tương ứng với một màu) phụ thuộc vào sự chuyển mức năng lượng đặc biệt trong các nguyên tử chất nguồn Sự cảm nhận mạnh mẽ về một màu nào đó cũng là do sự hấp thụ, phản xạ hoặc sự truyền đặc trưng của chất và vật được rọi sáng bằng ánh sáng trắng Phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến – tử ngoại của một loại thuốc nhuộm tổng hợp phổ biến, Iris Blue B, được minh họa trong hình 6 Dung dịch phân tử hữu cơ có màu sắc rực rỡ này hấp thụ ánh sáng trong cả vùng khả kiến và tử ngoại của quang phổ, và xuất hiện trước đa

số mọi người dưới màu xanh vừa phải

Bức xạ hồng ngoại – Thường được viết tắt là IR (Infrared Radiation), dải bước sóng hồng ngoại trải rộng từ phần ngoài vùng đỏ của phổ ánh sáng khả kiến (khoảng 700 – 780nm) đến bước sóng khoảng 1mm Với năng lượng photon từ xấp

xỉ 1,2 milielectron-volt (meV) đến dưới 1,7 eV một chút Sóng hồng ngoại có tần số tương ứng từ 300 gigahertz (GHz) đến xấp xỉ 400 terahertz (THz) Loại bức xạ này liên quan đến vùng nhiệt, nơi ánh sáng khả kiến không nhất thiết phải có mặt Ví dụ,

cơ thể người không phát ra ánh sáng khả kiến, mà phát ra các bức xạ hồng ngoại yếu, có thể được cảm nhận và ghi lại dưới dạng nhiệt Phổ phát xạ bắt đầu tại khoảng 3000 nanomét và trải ra ngoài vùng hồng ngoại xa, đạt cực đại tại xấp xỉ 10.000 nanomét

Phân tử của tất cả các đối tượng tồn tại trên không độ tuyệt đối (- 273 độ Celsius) đều phát ra tia hồng ngoại, và lượng phát xạ nói chung là tăng theo nhiệt

độ Khoảng chừng phân nửa năng lượng điện từ của Mặt Trời được phát ra trong vùng hồng ngoại, và các thiết bị trong nhà như bếp lò và bóng đèn cũng phát ra lượng lớn tia hồng ngoại Bóng đèn dây tóc volfram nóng sáng là thiết bị phát sáng không hiệu quả lắm, thực ra chúng phát nhiều sóng hồng ngoại hơn sóng khả kiến

Hình 7 Ảnh chụp hồng ngoại từ vệ tinh Dụng cụ phổ biến dựa trên việc dò bức xạ hồng ngoại là các kính nhìn đêm, các máy dò điện tử, các bộ cảm biến trên vệ tinh và trên máy bay, và những thiết bị thiên văn Cái gọi là tên lửa tầm nhiệt do quân đội sử dụng được dẫn đường bằng

máy dò hồng ngoại Trong vũ trụ, các bước sóng bức xạ hồng ngoại lập nên bản đồ đám bụi thiên thể giữa các sao, như được chứng minh bằng mảng tối lớn nhìn thấy

từ Trái Đất khi quan sát Dải Ngân hà Trong gia đình, bức xạ hồng ngoại giữ vai trò quen thuộc khi sẩy khô quần áo, cũng như cho phép điều khiển từ xa hoạt động của những cánh cửa đóng mở tự động và những đồ giải trí trong nhà

Việc chụp ảnh hồng ngoại khai thác trong vùng phổ hồng ngoại gần, ghi hình trên những tấm phim đặc biệt, có ích trong ngành pháp lí, cảm biến từ xa (khảo sát rừng chẳng hạn), phục hồi tranh vẽ, chụp ảnh qua vệ tinh, và các ứng dụng theo dõi quân sự Thật kì lạ, hình chụp hồng ngoại của kính mát và những bề mặt quang học khác có phủ chất lọc ánh sáng tử ngoại và khả kiến hiện ra trong suốt, và để lộ đôi mắt phía sau thấu kính có vẻ mờ đục Phim chụp ảnh hồng ngoại không ghi lại sự phân bố bức xạ nhiệt do nó không đủ nhạy với những bức xạ có bước sóng dài (hồng ngoại xa) Trên hình 7 là một vài hình chụp qua vệ tinh cảm biến hồng ngoại của hai thành phố ở Mĩ và ngọn núi Vesuvius ở Italia

Sóng vi ba – Hiện nay là cơ sở cho một công nghệ phổ biến dùng trong hàng triệu hộ gia đình để đun nấu thức ăn, phổ bước sóng vi ba trải từ xấp xỉ 1mm đến 30cm Sự hấp dẫn của việc sử dụng vi sóng đun nấu thức ăn là do trường hợp ngẫu nhiên mà các phân tử nước có mặt trong đa số loại thực phẩm có tần số cộng hưởng quay nằm trong vùng vi sóng Ở tần số 2,45 GHz (bước sóng 12,2cm), các phân tử nước hấp thụ hiệu quả năng lượng vi sóng và rồi bức xạ phung phí dưới dạng nhiệt (hồng ngoại) Nếu sử dụng bình làm từ vật liệu không chứa nước để đựng thức ăn trong lò vi sóng, thì chúng vẫn có xu hướng vẫn mát lạnh, đó là một tiện lợi đáng kể của việc nấu nướng bằng vi sóng

Sóng vi ba được tạo thành từ các sóng vô tuyến tần số cao nhất, được phát ra bởi Trái Đất, các tòa nhà, xe cộ, máy bay và những đối tượng kích thước lớn khác Ngoài ra, bức xạ vi ba mức thấp tràn ngập không gian, nó được xem là giải phỏng bởi Big Bang khi khai sinh ra vũ trụ Các sóng vi ba tần số cao là cơ sở cho kĩ thuật radar, viết tắt của cụm từ RAdio Detecting And Ranging (Dò và tầm vô tuyến), kĩ thuật phát và thu nhận dùng theo dõi những đối tượng kích thước lớn và tính toán vận tốc và khoảng cách của chúng Các nhà thiên văn sử dụng bức xạ vi ba ngoài Trái Đất để nghiên cứu Dải Ngân hà và những thiên hà lân cận khác Một lượng đáng kể thông tin thiên văn có nguồn gốc từ việc nghiên cứu một bước sóng phát xạ đặc biệt (21cm, hoặc 1420 MHz) của các nguyên tử hydrogen không tích điện, chúng phân bố rộng khắp trong không gian

Sóng vi ba cũng được dùng trong truyền phát thông tin từ Trái Đất lên vệ tinh nhân tạo trong các mạng viễn thông rộng lớn, chuyển tiếp thông tin từ các trạm phát mặt đất đi những khoảng cách xa, và lập bản đồ địa hình Thật ngạc nhiên, một

số thí nghiệm điện từ đầu tiên sắp đặt bởi Heinrich Hertz, Jagadis Chandra Bosevà Guglielmo Marconi (cha đẻ của kĩ thuật vô tuyến hiện đại) được thực hiện bằng bức

xạ nằm trong hoặc gần vùng vi sóng Những ứng dụng quân sự ban đầu sử dụng một băng thông hẹp và tăng cường điều biến băng thông bằng các vi sóng có khả năng hội tụ, chúng khó bị ngăn chặn và chứa một lượng thông tin tương đối lớn Có một số tranh cãi trong cộng đồng khoa học về khả năng gây hại cho sức khỏe, như gây ung thư, phá hủy mô, liên quan tới bức xạ vi sóng liên tục và lũy tích lâu ngày phát ra từ các tháp điện thoại, rò rĩ lò vi sóng, và hành động đặt điện thoại di động ở

vị trí gần não trong lúc sử dụng

Hình 8 Điều biến tần số sóng vô tuyến Sóng vô tuyến – Phần tần số vô tuyến có xu hướng mở rộng của phổ điện từ gồm các bước sóng từ khoảng 30cm đến hàng nghìn kilomét Bức xạ trong vùng này chứa rất ít năng lượng, và giới hạn trên về tần số (khoảng 1GHz) xảy ra tại cuối dải tần, nơi phát chương trình vô tuyến và truyền hình bị hạn chế Tại những tần số thấp như vậy, photon (hạt) đặc trưng của bức xạ không biểu kiến, và sóng có vẻ truyền năng lượng theo kiểu êm ả, liên tục Không có giới hạn trên về mặt lí thuyết cho bước sóng của bức xạ tần số vô tuyến Ví dụ, dòng điện biến thiên tần số thấp (60Hz) mang bởi dây dẫn có bước sóng khoảng 5 triệu mét (hay tương đương 3000 dặm) Sóng vô tuyến dùng trong truyền thông được điều biến theo một trong hai kiểu kĩ thuật phát: điều biến biên độ (AM) làm thay đổi biên độ sóng, và điều biến tần số (FM, xem hình 8) làm thay đổi tần số sóng Sóng vô tuyến đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, truyền thông, y khoa, và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)

Phần âm thanh và hình ảnh động của truyền hình truyền đi qua bầu khí quyển bằng các sóng vô tuyến ngắn có bước sóng dưới 1m, được điều biến giống hệt như phát thanh FM Sóng vô tuyến cũng được tạo ra bởi các ngôi sao trong những thiên

hà xa xôi, và các nhà thiên văn có thể dò ra chúng bằng những chiếc kính thiên văn

vô tuyến chuyên dụng Những sóng dài, bước sóng vài triệu dặm, được phát hiện đang phát về phía Trái Đất từ không gian sâu thẳm Do tín hiệu quá yếu, nên các kính thiên văn vô tuyến thường được sắp thành dãy song song gồm nhiều ănten thu khổng lồ

Bản chất của mối liên hệ giữa tần số (số dao động trong một đơn vị thời gian) và bước sóng (chiều dài của mỗi dao động) của ánh sáng trở nên rõ ràng khi nghiên cứu phạm vi rộng phổ bức xạ điện từ Các bức xạ điện từ tần số rất cao, như tia gamma, tia X, và ánh sáng tử ngoại, có bước sóng rất ngắn và lượng năng lượng khổng lồ Mặt khác, các bức xạ tần số thấp, như ánh sáng khả kiến, hồng ngoại, sóng vi ba và sóng vô tuyến có bước sóng tương ứng dài hơn và năng lượng thấp hơn Mặc dù phổ điện từ thường được mô tả trải ra trên 24 bậc độ lớn tần số và bước sóng, nhưng thực sự không có giới hạn trên hay giới hạn dưới nào đối với bước sóng và tần số của sự phân bố liên tục này của bức xạ

Tác giả: Mortimer Abramowitz, Thomas J Fellers và Michael W Davidson (davidson@magnet.fsu.edu)

hiepkhachquay dịch

LƯỠNG TÍNH SÓNG-HẠT CỦA ÁNH SÁNG

Bản chất đích thực của ánh sáng khả kiến là một bí ẩn làm lúng túng loài người trong nhiều thế kỉ Các nhà khoa học Hy Lạp thuộc trường phái Pythagore cổ đại cho rằng mỗi một vật khả kiến phát ra một dòng hạt đều đặn, còn Aristotle kết luận rằng ánh sáng truyền đi theo kiểu giống như sóng trên đại dương Mặc dù những ý tưởng này đã trải qua hàng loạt cải tiến và thu được tiến bộ đáng kể trong thế kỉ 20 vừa qua, nhưng điều cốt lõi của cuộc tranh luận do các nhà triết học Hy Lạp đặt ra vẫn kéo dài cho tới ngày nay

Hình 1 Ánh sáng là sóng và là hạtMột quan điểm nhìn nhận ánh sáng giống như sóng trong tự nhiên, chúng tạo

ra năng lượng và truyền trong không gian theo kiểu tương tự như các gợn sóng lan dần ra trên bề mặt của một ao nước phẳng lặng sau khi bị một hòn đá rơi xuống làm nhiễu động Quan điểm đối lập cho rằng ánh sáng gồm dòng các hạt đều đặn, rất giống với những giọt nước nhỏ xíu phun ra từ một vòi tưới vườn Trong vài thế kỉ qua, mỗi quan điểm chỉ được nhất trí trong một khoảng thời gian nào đó, rồi lại bị lật đổ bởi bằng chứng cho quan điểm kia Chỉ trong thập kỉ đầu tiên của thế kỉ 20 cũng là bằng chứng đủ sức thuyết phục mang tới câu trả lời toàn diện, và trước sự ngạc nhiên của nhiều người, hóa ra cả hai lí thuyết đều chính xác, ít nhất là trong từng bộ phận

Vào đầu thế kỉ 19, chủ đề về bản chất ánh sáng đã đẩy cộng đồng khoa học tới chỗ chia phe dựng trại chiến đấu kịch liệt bảo vệ cho giá trị của những lí thuyết

ưa chuộng của họ Một nhóm nhà khoa học, những người tán thành thuyết sóng, tập trung bàn luận về những khám phá của nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens Còn trại bên kia thì trích dẫn thí nghiệm lăng kính của ngài Isaac Newton, xem là bằng chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo một số kiểu khác Mặc dù chính Newton hình như cũng có một số nghi ngờ với thuyết tiểu thể của ông về bản chất ánh sáng, nhưng uy tín của ông trong cộng đồng khoa học có sức nặng quá lớn nên những kẻ ủng hộ ông đã bỏ qua tất cả những bằng chứng khác trong cuộc chiến đấu khốc liệt của mình

Lí thuyết khúc xạ ánh sáng của Huygens, dựa trên khái niệm bản chất giống như sóng của ánh sáng, cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó Nói cách khác, Huygens cho rằng ánh sáng càng bị bẻ cong, hay khúc xạ, khi đi vào một chất, thì nó càng chậm khi truyền qua chất đó Những người ủng hộ ông kết luận rằng nếu ánh sáng là một dòng hạt, thì sẽ xảy ra kết quả ngược lại, 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, chứ không giảm xuống Mặc dù lời hòa giải cho cuộc cãi vã này là đo vận tốc ánh sáng trong các chất khác nhau, không khí và thủy tinh chẳng hạn, nhưng trong thời kì đó, dụng cụ dùng để làm việc này chưa ra đời Thêm nữa, ánh sáng hình như chuyển động với cùng một vận tốc, bất chấp môi trường mà

nó đi qua Phải hơn 150 năm sau, vận tốc của ánh sáng mới được đo với độ chính xác cao để chứng minh thuyết Huygens là đúng

Hình 2 Những nhà tiên phong trong ngành vật lí nghiên cứu ánh sáng khả kiến Bất chấp danh cao vọng trọng của ngài Isaac Newton, số nhà khoa học có danh tiếng vào đầu những năm 1700 không tán thành thuyết tiểu thể của ông Một

số người tranh luận rằng nếu ánh sáng là các hạt, thì khi hai chùm sáng cắt ngang nhau, một số hạt sẽ va chạm lên nhau gây ra sự chệch hướng trong chùm sáng Rõ ràng điều này không xảy ra, nên họ kết luận ánh sáng không thể là tập hợp những hạt rời rạc được

Huygens, với trực giác của mình, đề xuất trong chuyên luận năm 1690 của ông rằng, sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian Công cuộc săn lùng ête ngốn một lượng đáng kể tài nguyên trong thế kỉ 19 trước khi cuối cùng phải dừng lại Thuyết ête tồn tại ít nhất là cho tới cuối những năm

1800, bằng chứng là mô hình do Charles Wheatstone đề xuất, chứng minh ête mang sóng ánh sáng bằng cách dao động theo hướng vuông góc với hướng truyền sóng,

và mô hình chi tiết của James Clerk Maxwell mô tả việc xây dựng chất vô hình này Huygens tin rằng ête dao động cùng hướng với ánh sáng, và tự hình thành một sóng như thể là nó mang sóng ánh sáng Trong tập sách xuất bản sau, nguyên lí Huygens, ông đã mô tả tài tính cách mà mỗi điểm trên sóng có thể tạo ra mặt sóng riêng của

nó, và rồi hợp lại thành đầu sóng Huygens dùng ý tưởng này sáng tạo ra một lí thuyết chi tiết cho hiện tượng khúc xạ, và cũng giải thích tại sao các tia sáng không phá hủy nhau khi đường truyền của chúng cắt nhau

Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì chùm tia bị khúc xạ và đổi hướng khi truyền từ môi trường thứ nhất vào môi trường thứ hai Để xác định xem chùm tia sáng là hạt hay sóng, người ta phải nghĩ

ra mỗi mô hình cho mỗi trường phái để giải thích hiện tượng (hình 3) Theo thuyết sóng của Huygens, một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi trường thứ hai trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất, nhưng sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường

thứ hai cao hơn Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền Trái lại, thuyết hạt

có lúc hơi khó giải thích tại sao các hạt ánh sáng phải đổi hướng khi chúng truyền

từ môi trường này sang môi trường khác Những người đề xướng thuyết hạt cho rằng một lực đặc biệt, hướng vuông góc với mặt phân giới, tác động đến sự thay đổi vận tốc của các hạt khi chúng đi vào môi trường thứ hai Bản chất đích thực của lực này không được nghiên cứu và không có bằng chứng nào được thu thập để chứng minh cho lí thuyết

Hình 3 Sự khúc xạ của hạt và sóngMột so sánh thú vị khác của hai lí thuyết liên quan tới những khác biệt xảy ra khi ánh sáng bị phản xạ từ một bề mặt nhẵn, lung linh, như mặt gương chẳng hạn Thuyết sóng xem 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 (hình 4) Hình dạng của sóng tới phụ thuộc nhiều vào khoảng cách từ nguồn sáng tới gương Ánh sáng phát ra từ một nguồn ở gần vẫn giữ được mặt sóng hình cầu, có độ cong cao, còn ánh sáng phát ra từ một nguồn ở xa sẽ trải rộng hơn và các mặt sóng gần như là phẳng

Hình 4 Hạt và sóng phản xạ bởi gươngTrường hợp bản chất hạt của ánh sáng đối với hiện tượng phản xạ có sức thuyết phục hơn nhiều so với hiện tượng khúc xạ Ánh sáng phát ra từ một nguồn,

dù ở gần hay ở xa, đi tới bề mặt gương dưới dạng một dòng hạt, chúng bị nảy lên, hay là bị phản xạ bởi bề mặt nhẵn mịn Do các hạt rất nhỏ, và có một lượng rất lớn hạt trong chùm ánh sáng lan truyền, nên chúng sẽ chuyển động sát cánh với nhau Khi chạm lên mặt gương, 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, như được minh họa trên hình 4 Cả thuyết hạt và thuyết sóng đều giải thích thỏa đáng sự phản

xạ bởi một bề mặt phẳng Tuy nhiên, thuyết hạt cũng cho rằng 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 Thuyết này rất phù hợp với những quan sát thực nghiệm

Hạt và sóng cũng sẽ hành xử khác nhau khi chúng chạm phải rìa của một vật

và tạo nên bóng đổ (hình 5) Newton sớm chỉ ra trong cuốn Opticks xuất bản năm

1704 của ông rằng: “Ánh sáng không bao giờ truyền đi theo đường cong hay bị bẻ cong thành bóng đổ” Khái niệm này phù hợp với thuyết hạt cho rằng ánh sáng luôn luôn truyền đi theo đường thẳng Nếu các hạt chạm phải rìa của một rào chắn thì chúng sẽ không tạo ra bóng đổ vì các hạt không bị rào chắn ngăn cản tiếp tục chuyển động theo đường thẳng và không trải qua phía sau rìa chắn Ở phạm vi vĩ

mô, quan sát này hầu như là chính xác, nhưng nó không phù hợp với kết quả của thí nghiệm nhiễu xạ ánh sáng xảy ra ở kích thước nhỏ hơn nhiều

Hình 5 Nhiễu xạ của hạt và sóngKhi ánh sáng truyền qua một khe hẹp, chùm tia trải ra và trở nên rộng hơn mong đợi Quan sát quan trọng có tính cơ sở này mang lại nhiều tin cậy cho thuyết sóng ánh sáng Giống như sóng nước, sóng ánh sáng chạm phải rìa của một vật thì uốn cong quanh rìa đó và đi vào vùng bóng hình học của nó, là vùng không được rọi sáng trực tiếp bằng chùm tia sáng Hành trạng này tương tự như sóng nước cuốn quanh phần cuối của bè nổi, thay vì phản xạ ra xa

Gần 100 năm sau khi Newton và Huygens đề xuất lí thuyết của họ, một nhà vật lí người Anh tên là Thomas Young đã thực hiện một thí nghiệm củng cố mạnh

mẽ bản chất giống sóng của ánh sáng Vì ông tin rằng ánh sáng là gồm các sóng, Young giải thích được một số loại tương tác xảy ra khi hai sóng ánh sáng gặp nhau

Để kiểm tra giả thuyết này, ông dùng một màn chứa một khe hẹp để tạo ra chùm ánh sáng kết hợp (gồm các sóng truyền cùng pha với nhau) từ nguồn ánh sáng Mặt Trời Khi các tia sáng Mặt Trời chạm tới khe, chúng trải rộng ra, hay nhiễu xạ, tạo

ra một mặt sóng Nếu như mặt sóng này được cho rọi tới một màn thứ hai có hai khe đặt rất gần nhau, thì hai nguồn ánh sáng kết hợp nữa, hoàn toàn đồng bộ với nhau, được tạo ra (hình 6) Ánh sáng từ mỗi khe truyền tới một điểm nằm giữa hai khe phải hoàn toàn đồng bộ với nhau Tuy nhiên, nếu xét một điểm nào đó nằm về một phía so với điểm chính giữa, thì ánh sáng từ một khe sẽ truyền tới điểm đó qua một đoạn đường dài hơn so với ánh sáng truyền từ khe phía bên kia Ánh sáng từ khe gần hơn sẽ truyền tới điểm thứ hai này trước so với ánh sáng từ khe ở xa, nên hai sóng không còn đồng bộ với nhau, và có thể hủy nhau tạo nên bóng tối

Đúng như ông nghi ngờ, Young phát hiện thấy khi các sóng ánh sáng từ bộ khe thứ hai bị trải ra (hay nhiễu xạ), chúng gặp nhau và chồng chập lên nhau Trong một số trường hợp, sự chồng chập kết hợp đồng bộ chính xác với nhau Tuy nhiên, trong một số trường hợp khác, các sóng ánh sáng kết hợp hoàn toàn không đồng bộ với nhau hoặc chỉ đồng bộ một phần Young nhận thấy khi các sóng gặp nhau đồng

bộ, chúng cộng gộp với nhau bằng một quá trình gọi là giao thoa tăng cường Các sóng gặp nhau không đồng bộ sẽ hủy lẫn nhau, hiện tượng này gọi là giao thoa triệt tiêu Ở giữa hai thái cực này, những mức độ khác nhau của giao thoa tăng cường và triệt tiêu xảy ra làm tạo ra sóng có phổ biên độ rộng Young cũng có thể quan sát thấy các hiệu ứng giao thoa trên màn hình đặt ở một khoảng cách nhất định phía sau hai khe Sau khi nhiễu xạ, ánh sáng tái kết hợp bằng giao thoa tạo ra dải vân sáng và tối dọc theo chiều dài của màn hình

Hình 6 Thí nghiệm hai khe YoungMặc dù có vẻ quan trọng, nhưng kết luận của Young không được chấp nhận rọng rãi vào lúc đó, chủ yếu do bởi niềm tin quá mãnh liệt vào thuyết hạt Ngoài quan sát sự giao thoa ánh sáng, Young còn cho rằng ánh sáng có các màu khác nhau gồm các sóng có chiều dài khác nhau, một khái niệm cơ sở được công nhận rộng rãi hiện nay Trái lại, thuyết hạt chủ trương rằng màu sắc ánh sáng khác nhau là do các hạt có khối lượng khác nhau hoặc truyền đi với vận tốc khác nhau

Hiệu ứng giao thoa không chỉ giới hạn có ánh sáng Các sóng tạo ra trên mặt

hồ, hoặc ao, sẽ trải ra theo mọi hướng và chịu sự hành xử tương tự Khi hai sóng gặp nhau đồng bộ, chúng sẽ cộng gộp với nhau tạo ra một sóng hơn bằng giao thoa tăng cường Các sóng chạm nhau không đồng bộ sẽ hủy nhau qua giao thoa triệt tiêu và tạo ra bề mặt phẳng trên nước

Thêm một bằng chứng nữa cho bản chất giống sóng của ánh sáng được phát hiện khi hành trạng của chùm sáng giữa các kính phân cực đặt chéo nhau được nghiên cứu tỉ mỉ (hình 7) Kính phân cực có cấu trúc phân tử độc nhất vô nhị chỉ cho phép ánh sáng có một định hướng nào đó truyền qua chúng Nói cách khác, kính phân cực có thể được xem như một loại màn che Venice đặc biệt có các hàng thanh nhỏ xíu định theo một hướng bên trong chất phân cực Nếu cho một chùm

sáng tới đập vào kính phân cực, chỉ có những tia sáng định hướng song song với hướng phân cực mới có thể truyền qua kính Nếu đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính thứ nhất và định hưởng giống như kính thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kính thứ hai

Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh sáng truyền qua nó sẽ giảm xuống Khi quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định hướng vuông góc với kính thứ nhất, thì không có ánh sáng nào đã truyền qua được kính thứ nhất sẽ truyền qua được kính thứ hai Kết quả này dễ dàng giải thích được với thuyết sóng, còn việc vận dụng thuyết hạt không thể giải thích được ánh sáng bị chặn lại như thế nào bởi kính thứ hai Thật vậy, thuyết hạt cũng không thể giải thích thỏa đáng hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, những hiệu ứng mà sau này người ta xem là thuộc cùng một hiện tượng

Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực đủ để phát triển khái niệm ánh sáng gồm các sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng Mỗi thành phần ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là

bị chặn lại bởi một kính phân cực Chỉ những sóng có thành phần ngang song song với bộ lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại

Hình 7 Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông gócVào giữa những năm 1800, các nhà khoa học không ngừng bị thuyết phục trước đặc trưng giống sóng của ánh sáng, nhưng vẫn còn một chỗ hổng lớn chưa được lấp Đó là ánh sáng thật ra là gì ? Một đột phá được thực hiện bởi nhà vật lí người Anh James Clerk Maxwell khi ông phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện

từ đều có phổ liên tục và truyền qua chân không với cùng một tốc độ: 186000 dặm một giây Khám phá của Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào buổi bình minh của thế kỉ 20, hình như những câu hỏi cơ bản về ánh sáng và lí thuyết quang học cuối cùng đã được trả lời

Một tai họa lớn ập đến với thuyết sóng vào cuối thập niên 1880, khi các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện thấy, dưới những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể đánh đuổi các electron ra khỏi nguyên tử của một vài kim loại (hình 8) Mặc dù

lúc đầu chỉ là một hiện tượng hiếu kì và không giải thích nổi, nhưng người ta nhanh chóng phát hiện thấy ánh sáng cực tím có thể làm bật ra electron từ nguyên tử của nhiều kim loại, làm cho chúng tích điện dương Nhà vật lí người Đức Phillip Lenard trở nên bị lôi cuốn vào những quan sát này, và ông đã đặt tên cho nó là hiệu ứng quang điện Lenard dùng một lăng kính để tách ánh sáng trắng thành các thành phần màu của nó, và rồi cho hội tụ có chọn lọc mỗi màu lên một đĩa kim loại để tống khứ các electron ra khỏi nó

Cái Lenard phát hiện được làm ông bối rối và ngạc nhiên Đối với một bước sóng ánh sáng cụ thể (chẳng hạn ánh sáng xanh dương), các electron tạo ra một thế không đổi, hay một lượng năng lượng ổn định Việc giảm hoặc tăng lượng ánh sáng tạo ra sự tăng hoặc giảm tương ứng số electron được giải phóng, nhưng mỗi electron vẫn có năng lượng như cũ Nói cách khác, các electron thoát khỏi liên kết nguyên tử có năng lượng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, chứ không phải cường

độ ánh sáng Điều này trái với cái mà thuyết sóng mong đợi Lenard cũng khám phá

ra mối liên hệ giữa bước sóng và năng lượng: các bước sóng càng ngắn làm phát sinh các electron có năng lượng càng lớn

Hình 8 Hiệu ứng quang điện Việc thiết lập mối quan hệ giữa ánh sáng và các nguyên tử có được vào đầu thập niên 1800 khi William Hyde Wollaston khám phá thấy phổ của Mặt Trời không phải là một dải sáng liên tục mà chứa hàng trăm bước sóng bị thiếu Trên 500 vạch hẹp ứng với các bước sóng bị thiếu đã được lập biểu đồ bởi nhà vật lí người Đức Joseph von Fraunhofer, người đặt các kí hiệu chữ cái cho các khe hở lớn nhất Sau này, người ta phát hiện thấy các khe hở sinh ra do sự hấp thụ những bước sóng

cụ thể bởi các nguyên tử trong lớp bên ngoài Mặt Trời Những quan trắc này là một

số liên hệ đầu tiên giữa các nguyên tử và ánh sáng, mặc dù tác dụng cơ bản của nó không được hiểu rõ vào lúc ấy

Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng hạt, bất chấp những bằng chứng tràn ngập cho bản chất giống sóng của ánh sáng Trong khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng các electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon), và như thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài Ông cũng cho rằng nếu năng lượng của photon tỉ lệ nghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những electron có năng lượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của Lenard

Lí thuyết của Einstein được củng cố trong thập niên 1920 bởi các thí nghiệm của nhà vật lí người Mĩ Arthur H Compton, người chứng minh được photon có xung lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau Cũng vào khoảng thời gian đó, nhà khoa học người Pháp Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, de Broglie đã ngoại suy công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng số Planck:

E = mc2= hννν trong đó E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng số Planck và ν là tần số Công trình của de Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lượng và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mới cuối cùng sẽ được dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng Cơ học lượng tử ra đời từ nghiên cứu của Einstein, Planck, de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrodinger, và những người nỗ lực giải thích bức xạ điện từ bằng thuật ngữ lưỡng tính, hay là hành trạng vừa giống sóng vừa giống hạt Có khi ánh sáng hành xử như hạt, và đôi khi lại như sóng Đặc trưng lưỡng tính của hành trạng của ánh sáng có thể dùng để mô tả tất cả các đặc điểm đã biết được quan sát thấy bằng thực nghiệm, từ sự khúc xạ, phản xạ, giao thoa, và nhiễu xạ cho tới các hiệu ứng phân cực ánh sáng và hiệu ứng quang điện Hai đặc trưng của ánh sáng sống hòa thuận cùng nhau và cho phép chúng ta khám phá những nét đẹp của vũ trụ

Tác giả: Kenneth R Spring, Michael W Davidson

(davidson@magnet.fsu.edu)

hiepkhachquay dịch

NGUỒN PHÁT ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN Ánh sáng khả kiến bao gồm chỉ một phần rất nhỏ của toàn bộ phổ bức xạ điện từ, nhưng nó chứa vùng tần số duy nhất mà các tế bào hình que và hình nón của mắt người phản ứng được Bước sóng mà con người bình thường có thể nhìn thấy được nằm trong một vùng rất hẹp, khoảng chừng giữa 400 và 700 nanomét Con người có thể quan sát và phản ứng lại sự kích thích tạo ra bởi ánh sáng khả kiến là do mắt người có những đầu dây thần kinh đặc biệt nhạy với vùng tần số này Tuy nhiên, phần còn lại của phổ điện từ thì không nhìn thấy được

Hình 1 Phổ ánh sáng khả kiến

Có rất nhiều nguồn phát ra bức xạ điện từ, và người ta thường phân loại theo phổ bước sóng mà các nguồn phát ra Các sóng vô tuyến tương đối dài được tạo ra bởi dòng điện chạy trong các ănten phát thanh truyền hình khổng lồ, còn sóng ánh sáng khả kiến ngắn hơn nhiều được tạo ra bởi những xáo trộn trạng thái năng lượng của các electron tích điện âm bên trong nguyên tử Dạng ngắn nhất của bức xạ điện

từ, sóng gamma, là kết quả của sự phân rã các thành phần hạt nhân ở tâm nguyên tử Ánh sáng mà con người có thể nhìn thấy (hình 1) thường là tập hợp nhiều bước sóng có thành phần thay đổi tùy theo nguồn phát

Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta bị “oanh tạc” dữ dội bởi phổ bức xạ điện từ, chỉ một phần nhỏ của nó chúng ta mới thực sự “nhìn thấy” dưới dạng ánh sáng khả kiến Khi mạo hiểm bước ra ngoài trời thì một lượng khủng khiếp ánh sáng khả kiến đập vào người chúng ta được phát ra từ Mặt Trời; Mặt Trời cũng tạo

ra nhiều tần số bức xạ khác không rơi vào vùng khả kiến Còn khi ở trong nhà, chúng ta lại tắm mình trong ánh sáng khả kiến phát ra từ các nguồn sáng nhân tạo, chủ yếu là bóng đèn volfram nóng sáng và đèn huỳnh quang

Ban đêm, ánh sáng tự nhiên được tạo ra bởi các thiên thể, như Mặt Trăng, các hành tinh và các sao, ngoài ra còn có cực quang định kì (ánh sáng phương Bắc),

và thỉnh thoảng có sao chổi hoặc sao băng Những nguồn sáng tự nhiên khác gồm

có tia chớp, núi lửa, lửa cháy rừng, cộng với một số nguồn phát sáng hóa sinh (phát quang sinh học) Các nguồn sáng sinh học gồm có ánh chớp lập lòe của đom đóm quá đỗi quen thuộc, và lung linh huyền ảo trên biển có các loài phát quang sinh học như một số vi khuẩn, tảo, trùng roi, sứa, và một số loài cá

Bảng 1 Bước sóng ánh sáng khả kiến và màu sắc nhận được

Bước sóng (nanomet) Màu sắc nhận được

340-400 Tử ngoại gần (không nhìn thấy) 400-430 Tím

430-500 Lam 500-570 Lục 570-620 Vàng - Cam 620-670 Đỏ chói 670-750 Đỏ sậm Trên 750 Hồng ngoại gần (không nhìn thấy)

Bảng 1 liệt kê sự phân bố màu sắc rạch ròi được nhận ra bởi con người đối với một số dải bước sóng hẹp trong phổ ánh sáng khả kiến Việc liên hệ các màu nhất định với vùng bước sóng cho phép phân biệt giữa các sắc thái, màu sắc và bóng tối Có thể nhiều sự phân bố phổ khác nhau cùng tạo ra cảm giác màu giống nhau (một hiện tượng được biết với cái tên đồng phân dị vị) Ví dụ, cảm giác màu vàng có thể gây ra bởi một bước sóng ánh sáng, chẳng hạn 590nm, hoặc có thể là kết quả của việc nhìn hai lượng ánh sáng bằng nhau có bước sóng riêng, ví dụ 580nm và 600nm Cũng có thể xem màu vàng là một phân bố hẹp gồm toàn bộ các bước sóng nằm giữa 580nm và 600nm Đối với hệ thị giác của con người, bước sóng giữ vai trò đó cho mọi màu sắc trong phổ khả kiến Những nghiên cứu gần đây cho thấy một số loài (nhất là chim chóc) có thể phân biệt giữa các màu nhận được giống như con người

Các nguồn nóng sáng

Loài người buổi đầu đã không có các nguồn sáng chắc chắn suốt những đêm trường, nhưng họ thỉnh thoảng có thể tìm thấy và thu thập những thanh gỗ đang cháy từ những đống lửa trong bụi rậm và rồi giữ lửa cháy rực trong một trại lửa trong một thời gian ngắn Theo tri thức tiến bộ thì loài người đã phát hiện thấy tia lửa điện, và sau đó là lửa có thể phát ra bằng cách cọ xát những loại đá nhất định lên nhau (ví dụ như đá lửa và sắt pirit) hoặc bằng cách chà xát linh hoạt gỗ với gỗ Một khi đã làm chủ được các kĩ thuật này, người ta có thể tạo ra bất cứ khi nào người ta muốn

Khi lửa cháy, năng lượng hóa học được giải phóng dưới dạng nhiệt và ánh sáng Nhiên liệu cháy, hoặc là cỏ, gỗ, dầu, hoặc là một số chất dễ bắt lửa khác, phát

ra chất khí bị đun nóng bởi năng lượng hóa học khổng lồ phát sinh trong quá trình cháy, làm cho các nguyên tử trong chất khí rực lên hoặc nóng sáng Các electron trong nguyên tử chất khí nhày lên mức năng lượng cao bởi kích thích nhiệt, và ánh sáng được giải phóng dưới dạng photon khi các electron rơi xuống trạng thái cơ bản của chúng Màu của ngọn lửa là một dấu hiệu của nhiệt độ và lượng năng lượng được giải phóng Ngọn lửa màu vàng đục thì lạnh hơn nhiều so với ngọn lửa màu xanh chói, nhưng thậm chí ngọn lửa lạnh nhất thì vẫn còn rất nóng (chừng 350

độ C)

Hình 2 Các nguồn sáng sơ khai

Mặc dù nhựa thuốc lá và giẻ rách được dùng để tạo ra những bó đuốc sơ khai, nhưng bước tiến thiết thực đầu tiên trong việc điều khiển lửa chỉ xuất hiện khi đèn dầu được phát minh Những ngọn đèn sơ khai đã hơn 15.000 năm tuổi (hình 2) được phát hiện, làm từ đá và mai động vật, chúng đốt cháy mỡ động vật và dầu thực vật Trước khi đèn khí được phát minh, có một nhu cầu khủng khiếp về dầu động vật Nguồn cấp chủ yếu loại dầu này là mỡ động vật khai thác từ việc nấu sôi các mô chất béo lấy từ động vật biển, ví dụ như cá voi và hải cẩu Đèn dầu sau cùng tiến hóa thành những ngọn nến, chế tạo bằng cách đúc mỡ động vật hoặc sáp ong đông cứng, như minh họa trong hình 2 Những ngọn nến buổi đầu phát ra một chút khói, nhưng không sáng lắm Cuối cùng, người ta phát hiện thấy sáp parafin, khi đổ khuôn thích hợp với một bấc vải dễ thấm, sinh ra ngọn lửa tương đối sáng mà không có lượng khói đáng kể

Trong thế kỉ 19, việc thắp đèn khí thiên nhiên trở nên phổ biến ở nhiều đô thị chính tại châu Âu, châu Á và Mĩ Những ngọn đèn khí buổi đầu hoạt động bằng cách tạo ra một dòng khí cháy (một việc làm khá nguy hiểm), còn các mẫu đèn sau này được lắp thêm măng sông, hoặc một mạng vải mịn đã qua xử lí hóa học, chúng làm phân tán ngọn lửa và phát ra ánh sáng sáng hơn nhiều

Các nhà hiển vi học buổi đầu sử dụng nến, đèn dầu, và ánh sáng Mặt Trời tự nhiên

để cung cấp sự chiếu sáng cho các hệ quang cụ tương đối thô trong kính hiển vi của họ Các nguồn sáng ban sơ này chiếu sáng không đều, khi lập lòe, khi bùng phát rực rỡ, và thường tiềm ẩn mối nguy hiểm về lửa Ngày nay, các bóng đèn nóng sáng cường độ cao đế bằng volfram là nguồn sáng chủ yếu dùng trong kính hiển vi hiện đại và chiếm đa số trong các hệ thống chiếu sáng gia đình

Hình 3 Phổ thu được từ một số nguồn sáng phổ biến

Hình 3 biểu diễn các đường cong phân bố phổ biểu thị năng lượng tương đối theo bước sóng đối với một vài nguồn khác nhau phát ra ánh sáng trắng (là sự pha trộn của tất

cả hay đa số màu trong phổ khả kiến) Đường cong màu đỏ biểu diễn năng lượng tương đối của ánh sáng đèn volfram trên toàn bộ phổ khả kiến Như đã được chỉ rõ trong hình, năng lượng ánh sáng đèn volfram tăng khi bước sóng tăng Kết quả này ảnh hưởng đến nhiệt độ màu trung bình của ánh sáng thu được, đặc biệt khi so sánh với nhiệt độ màu trung bình của ánh sáng Mặt Trời và ánh sáng huỳnh quang (đèn hơi thủy ngân) Đường cong phổ màu vàng mô tả sự phân bố ánh sáng khả kiến từ phổ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên phản xạ bởi Mặt Trăng Dưới những điều kiện bình thường, ánh sáng Mặt Trời chứa nhiều năng lượng nhất, nhưng đường cong minh họa trong hình 3 đã được làm cho bình thường với phổ đèn volfram để tiện so sánh Đường cong màu xanh đậm đặc trưng cho đèn hơi thủy ngân, và biểu hiện một vài chênh lệch đáng kể với phổ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên và đèn

volfram Một số cực đại năng lượng có mặt trong phổ đèn hơi phóng điện xuất hiện là kết quả của từng đường phổ chồng lên nhau phát sinh từ hơi thủy ngân

Phổ ánh sáng khả kiến tạo ra bởi một diode phát quang (LED) phát ra ánh sáng trắng được biểu diễn bằng đường cong màu xanh lá trong hình 3 Diode phát quang là dụng

cụ vốn dĩ đơn sắc, với màu sắc được xác định bởi dải khe giữa các chất liệu bán dẫn khác nhau dùng chế tạo nên diode Diode phát sáng đỏ, xanh lá, vàng và xanh dương là phổ biến, và được sử dụng rộng rãi làm ánh sáng chỉ báo cho máy tính và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác, như máy thu radio, máy thu truyền hình, máy hát đĩa compact, máy ghi đĩa,

và máy hát đĩa kĩ thuật số LED phát ánh sáng trắng được chế tạo từ diode xanh gallium nitride bằng cách phủ ngoài chất bán dẫn lớp chất phôtpho, chất này phát ra một phạm vi rộng bước sóng khả kiến khi bị kích thích bởi ánh sáng phát ta từ diode xanh Phổ laser, thu được từ laser diode hoặc laser khí, rất hẹp, thường bao gồm chỉ một hoặc vài ba bước sóng nhất định Ví dụ minh họa trong hình 3 (đường cong màu xanh lá mạ) là cho laser diode bán dẫn dòng điện thấp có ích trong nhiều ứng dụng đa dạng, như đọc mã vạch và kiểm tra dữ liệu đĩa quang

Nguồn sáng volfram thường được gọi là nóng sáng, vì chúng phát ra ánh sáng khi

bị đun nóng bởi năng lượng điện Dây tóc của các bóng đèn hiện đại thường làm bằng volfram, một kim loại có hiệu suất phát sáng tương đối hiệu quả khi bị đun nóng điện trở bằng dòng điện Các đèn nóng sáng hiện đại có nguồn gốc từ đèn hồ quang carbon do Humphry Davy phát minh, chúng tạo ra ánh sáng bằng sự phóng điện hồ quang giữa hai que than (hoặc các điện cực dây tóc) khi thiết đặt một hiệu điện thế giữa các điện cực Rốt cuộc, đèn hồ quang carbon đã mang tới những chiếc đèn đầu tiên sử dụng dây tóc carbon chứa trong một vỏ bao thủy tinh hàn kín Dây tóc volfram, được sử dụng trước tiên vào năm 1910 bởi William David Coolidge, bốc hơi chậm hơn nhiều so với sợi carbon có nguồn gốc cotton khi bị nung nóng trong chân không của vỏ thủy tinh Dây tóc hoạt động như một điện trở đơn giản, và phát ra một lượng đáng kể ánh sáng, ngoài năng lượng nhiệt phát sinh bởi dòng điện

Đèn volfram nóng sáng là vật bức xạ nhiệt phát ra phổ ánh sáng liên tục trải rộng từ khoảng 300nm, trong vùng tử ngoại, tới gần 1400nm, trong vùng hồng ngoại Cấu trúc, việc chế tạo và hoạt động của chúng rất đơn giản, và có rất nhiều chủng loại đèn này được dùng làm nguồn nóng sáng Loại đèn tiêu biểu gồm một bóng thủy tinh hàn kín (xem hình 4), bên trong chứa đầy một chất khí trơ, và một sợi dây tóc bằng volfram hoạt động mạnh

mẽ khi có dòng điện đi qua Bóng đèn tạo ra một lượng rất lớn ánh sáng và nhiệt, nhưng ánh sáng chỉ chiếm có 5 đến 10% tổng năng lượng mà chúng phát ra

Đèn volfram có xu hướng kém tiện lợi, ví dụ như cường độ của nó giảm theo tuổi thọ và nó làm đen vỏ đựng bên trong do volfram bốc hơi chậm lắng trở lại thủy tinh Nhiệt

độ màu và độ chói của đèn volfram biến thiên theo hiệu điện thế áp dụng, nhưng giá trị trung bình cho nhiệt độ màu biến thiên trong khoảng từ 2200K đến 3400K Nhiệt độ bề mặt của dây tóc volfram lúc hoạt động rất cao, thường trung bình khoảng 2550 độ C đối với một bóng đèn thương mại chuẩn 100 watt Đôi khi bên trong bóng đèn volfram chứa các chất khí quý tộc như krypton hoặc xenon (chất khí trơ), chúng là một sự chọn lựa nhằm tạo ra chân không để bảo vệ dây tóc volfram nóng bỏng Các chất khí này làm tăng hiệu suất của đèn nóng sáng vì chúng làm giảm lượng volfram bốc hơi rồi lắng xuống bên trong bóng thủy tinh bao ngoài

Các đèn halogen, phiên bản hiệu suất cao của đèn volfram nóng sáng, thường chứa một ít iode hoặc brom trong chất khí bên trong để mang volfram bốc hơi quay trở lại dây tóc hiệu quả hơn nhiều so với những chiếc đèn sử dụng chất khí khác Đèn volfram- halogen, được phát triển đầu tiên bởi công ty General Electronic vào những năm 1950 dành cho việc thắp sáng các đầu mút cánh máy bay phản lực siêu âm, có khả năng tạo ra

ánh sáng rất đều trong suốt quãng tuổi thọ của đèn Ngoài ra, đèn halogen nhỏ hơn và hiệu suất cao hơn so với đèn volfram có cường độ tương ứng Tuổi thọ của một bóng đèn volfram-halogen có thể lên tới 10 năm, dưới những điều kiện lí tưởng nhất

Hình 4 Một số kiểu đèn volfram và halogen

Dây tóc của đèn volfram-halogen thường là những sợi xoắn rất chặt gắn trong một

vỏ bao thủy tinh borosilicate-halide (thường gọi là thạch anh nấu chảy) Nhiệt độ cao lúc hoạt động đã giới hạn việc sử dụng bóng đèn volfram-halogen cho các đèn chiếu sáng trong nhà được thông hơi tốt có đế nhiệt hình cánh quạt để loại bớt lượng nhiệt khổng lồ phát sinh bởi những bóng đèn này Nhiều đèn thắp sáng trong nhà được trang bị là đèn volfram-halogen 300 – 500 watt, và tạo ra một lượng lớn ánh sáng tràn ngập căn phòng tốt hơn nhiều các bản sao volfram của chúng phát sáng yếu hơn Khi ghép với ống dẫn sáng sợi quang, bộ lọc hấp thụ hoặc bộ lọc lưỡng sắc, các đèn volfram-halogen chiếu sáng trong nhà mang lại cường độ rọi cao cho nhiều ứng dụng hiển vi quang học đa dạng, nhưng điều bất tiện chủ yếu là chúng tạo ra một lượng lớn ánh sáng hồng ngoại dưới dạng bức xạ nhiệt

có thể dễ dàng làm suy thoái mẫu vật nghiên cứu

Nguồn sáng huỳnh quang

Có nhiều nguồn phát sáng khả kiến không nóng sáng dùng cho việc thắp sáng trong nhà và ngoài đường, cũng như có những ứng dụng quan trọng trong kính hiển vi quang học Đa số các nguồn sáng này hoạt động trên cơ sở phóng điện qua chất khí như thủy ngân, hoặc các khí trơ neon, argon và xenon Sự phát sinh ánh sáng khả kiến trong đèn phóng điện khí dựa trên sự va chạm giữa các nguyên tử và ion trong chất khí với dòng điện truyền qua giữa một cặp điện cực đặt ở hai đầu bóng đèn

Ống thủy tinh của đèn huỳnh quang thông thường được phủ một lớp phosphor ở mặt bên trong và ống chứa đầy hơi thủy ngân ở áp suất rất thấp (xem hình 5) Dòng điện được thiết lập giữa các điện cực đặt ở hai đầu ống, tạo ra dòng electron chạy từ điện cực này tới điện cực kia Khi các electron trong dòng va chạm với các nguyên tử hơi thủy ngân, chúng kích thích electron trong các nguyên tử này lên trạng thái năng lượng cao Năng lượng này được giải phóng dưới dạng bức xạ tử ngoại khi các electron trong nguyên tử thủy ngân rơi trở lại trạng thái cơ bản Bức xạ tử ngoại sau đó tiếp thêm sinh lực cho lớp phosphor phủ bên trong, làm cho nó phát ra ánh sáng trắng rạng rỡ mà chúng ta nhìn thấy

từ đèn huỳnh quang Đèn huỳnh quang có hiệu suất phát ánh sáng khả kiến gấp khoảng 2 đến 4 lần, tạo ra ít hao phí nhiệt hơn, và có tuổi thọ gấp 10 đến 20 lần so với các đèn nóng sáng

Hình 5 Đèn huỳnh quang hơi thủy ngân

Một đặc trưng vô song của nguồn sáng huỳnh quang là chúng phát ra một loạt bước sóng thường tập trung trong những dải hẹp gọi là phổ vạch Kết quả là các nguồn sáng này không tạo ra phổ chiếu sáng liên tục đặc trưng của các nguồn nóng sáng Một ví dụ tiêu biểu cho nguồn phát ánh sáng khả kiến không nóng sáng đơn bước sóng là đèn hơi natri thường dùng để chiếu sáng đường phố Những bóng đèn loại này phát ra ánh sáng màu vàng rất mạnh, với hơn 95% ánh sáng phát xạ gồm ánh sáng 589nm và hầu như không có bước sóng nào khác nữa Có thể chế tạo các đèn phóng điện khí phát ra phổ gần như liên tục, ngoài phổ vạch cố hữu của các đèn thuộc loại này Giải pháp kĩ thuật phổ biến nhất là phủ lên bề mặt bên trong ống các hạt phosphor, chúng sẽ hấp thụ bức xạ do dòng khí phát

ra và biến đổi nó thành phổ ánh sáng khả kiến rộng, trải từ lam tới đỏ

Dưới những điều kiện bình thường, đa số cá nhân không thể nào phân biệt được sự khác biệt giữa phổ vạch và phổ liên tục của các bước sóng Tuy nhiên, một số vật thể lại phản xạ màu sắc đặc biệt trong ánh sáng phát ra từ một nguồn không liên tục, nhất là dưới

sự thắp sáng huỳnh quang Đây là lí do vì sao mà vải vóc, cùng một số hàng hóa dễ bắt màu khác, treo trong cửa hàng thắp sáng bằng đèn huỳnh quang lại trông có màu hơi khác chút xíu so với khi nhìn dưới ánh sáng Mặt Trời hoặc rọi sáng bằng đèn volfram liên tục

Trong kĩ thuật hiển vi nổi ánh sáng phản xạ, đặc biệt khi khảo sát các mẫu nghiệm nhạy nhiệt, đèn huỳnh quang thường dùng là bóng đèn volfram, do hiệu suất cao và công suất nhiệt thấp của chúng Đèn huỳnh quang hiện đại có thể cấu hình cho ống thẳng hoặc đèn chiếu sáng vòng mang đến cho các nhà hiển vi học ánh sáng cường độ mạnh, khuếch tán Nguồn ánh sáng trắng nhân tạo này cạnh tranh được với ánh sáng Mặt Trời (không có nhiệt đi kèm) ở nhiệt độ màu, và loại bỏ đặc tính bập bùng điển hình của các ống huỳnh quang thương mại So với đèn volfram, volfram-halogen, hoặc đèn hồ quang, thì đèn huỳnh quang chiếu sáng kính hiển vi có thể cho khoảng thời gian phục vụ chất lượng cao tương đối lâu (khoảng 7000 giờ) Là nguồn ánh sáng khuếch tán, đèn huỳnh quang tạo ra trường rọi sáng đồng đều mà không có các điểm nóng khó chịu, hoặc ánh chói Kĩ thuật rọi sáng tia catôt lạnh mới hứa hẹn sẽ là một nguồn sáng chuyên dụng dùng trong kĩ thuật hiển

vi quang học, nhất là cho những sự kiện có thời gian sống ngắn được làm tăng thêm bằng

sự kích thích huỳnh quang, và cho những ứng dụng mà nhiệt hao phí hoặc thời gian sưởi

ấm trong nguồn sáng có thể làm cản trở mẫu vật hoặc việc quan sát

Một phương pháp thích hợp để chụp ảnh các mẫu vật đang chuyển động, đặc biệt

có ích trong kính hiển vi rọi sáng yếu, là sử dụng các hệ thống flash chụp ảnh điện tử Các đơn vị flash điện tử hoạt động nhờ sự in hóa trong ống thủy tinh chứa khí xenon được điều khiển bởi sự phóng điện của tụ điện lớn Xung điện thế cao, thời gian sống ngắn phát ra từ máy biến thế làm cho khí xenon ion hóa, cho phép tụ phóng điện qua chất khí lúc này đã dẫn điện Một sự bùng phát ánh sáng rực rỡ đột ngột xuất hiện, sau khi khí xenon nhanh chóng rơi trở lại trạng thái không dẫn điện, và tụ điện nạp điện Ống đèn flash cho độ rọi 5500K trong sự bùng lên tức thời có thể ghi nhận một lượng đáng kể chi tiết vật thể, thích hợp dùng trong kĩ thuật chụp ảnh, ghi hình kĩ thuật số, và chụp ảnh hiển vi

Hình 6 Đèn phóng điện hồ quang

Đèn phóng điện hồ quang, bên trong chứa các chất khí như hơi thủy ngân và xenon, thường được dùng làm nguồn rọi sáng cho một số dạng chuyên dụng của kính hiển vi huỳnh quang Một đèn hồ quang tiêu biểu sáng gấp 10 đến 100 lần bản sao volfram của nó,

và có thể mang lại sự rọi sáng đơn sắc rực rỡ khi kết hợp với các bộ lọc giao thoa lưỡng sắc phủ bên ngoài đặc biệt Không giống như đèn volfram, đèn volfram-halogen, đèn hồ quang không có dây tóc, nhưng lại phụ thuộc vào sự ion hóa chất hơi, mặc dù sự phóng điện hồ quang năng lượng cao giữa hai điện cực sinh ra ánh sáng cường độ mạnh của chúng Nói chung, đèn hồ quang có thời gian sống trung bình 100-200 giờ, và đa số các nguồn cung cấp ngoài được trang bị một máy bấm giờ cho phép các nhà hiển vi học giám sát bao nhiêu thời gian trôi qua Đèn hồ quang thủy ngân (thường gọi là mỏ đèn, xem đèn thủy ngân và xenon minh họa trong hình 6) có công suất từ 50 đến 200 watt và thường gồm hai điện cực hàn kín dưới áp suất hơi thủy ngân cao bên trong ống thủy tinh thạch anh

Đèn hồ quang thủy ngân và xenon không cho cường độ rọi đồng đều trong toàn bộ phổ bước sóng từ tử ngoại tới hồng ngoại Phần lớn sức mạnh của đèn hồ quang thủy ngân tiêu hao trong phổ tử ngoại gần và xanh lam, với đa số cực đại cường độ cao xuất hiện trong ngưỡng 300-450nm, trừ một vài cực đại có bước sóng cao hơn nằm trong vùng phổ xanh lục Trái lại, đèn hồ quang xenon có sản lượng rộng hơn và đồng đều hơn trong phổ khả kiến, và không biểu hiện các cực đại cường độ phổ rất cao đặc trưng như đèn hồ quang thủy ngân Tuy nhiên, đèn xenon lại kém hiệu quả trong vùng tử ngoại, và tiêu hao một lượng lớn sức mạnh của chúng trong vùng hồng ngoại, nên đòi hỏi phải điều chỉnh cẩn thận và phải loại trừ tình trạng quá nhiệt nếu sử dụng các đèn này

Hình 7 Cấu tạo của diode phát ánh sáng trắng

Thời kì sử dụng diode phát quang làm nguồn chiếu sáng kĩ thuật bắt đầu vào thế kỉ

21, và diode là phần bù lí tưởng cho sự hợp nhất công nghệ bán dẫn và hiển vi quang học

Sự tiêu thụ năng lượng tương đối thấp (1 đến 3 volt, 10 đến 100 miliampe) và thời gian hoạt động lâu dài của diode phát quang khiến cho những dụng cụ này trở thành nguồn sáng hoàn hảo khi chỉ yêu cầu cường độ chiếu ánh sáng trắng ở mức trung bình Các kính hiển

vi nối với máy tính giao tiếp qua cổng USB, hoặc được cấp nguồn bằng pin, có thể sử dụng LED làm nguồn sáng bên trong nhỏ gọn, ít tổn hao nhiệt, công suất thấp và giá thành rẻ, dùng cho việc quan sát bằng mắt hoặc ghi ảnh kĩ thuật số Một số kính hiển vi dùng trong học tập và nghiên cứu hiện đang diode phát ánh sáng trắng bên trong, cường độ cao làm nguồn sáng sơ cấp

Diode phát quang hiện nay đã được kiểm tra và thương mại hóa trong nhiều ứng dụng đa dạng, như làm tín hiệu giao thông, mật hiệu, đèn flash, và đèn chiếu sáng kiểu vòng gắn ngoài cho kính hiển vi Ánh sáng do đèn LED trắng phát ra có phổ nhiệt độ màu tương tự với đèn hơi thủy ngân, loại đèn thuộc danh mục chiếu sáng ban ngày Phổ phát xạ

của đèn LED trắng được biểu diễn trong hình 3, cực đại phát tại 460nm là do ánh sáng xanh lam phát ra bởi diode bán dẫn gallium nitride, còn vùng phát sáng rộng cường độ cao nằm giữa 550 và 650nm là do ánh sáng thứ cấp phát ra bởi phosphor phủ bên trong lớp vỏ polymer Sự tổng hợp các bước sóng tạo ra ánh sáng “trắng” có nhiệt độ màu tương đối cao, là vùng bước sóng thích hợp cho việc chụp ảnh và quan sát ở kính hiển vi quang học Nguồn sáng laser

Một nguồn phát ánh sáng khả kiến nữa đang có tầm quan trọng ngày càng cao trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, đó là laser Laser là tên viết tắt từ Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng

sự phát bức xạ cưỡng bức) Một trong những đặc điểm vô song của laser là chúng phát ra chùm ánh sáng liên tục gồm một bước sóng riêng biệt (hoặc đôi khi là một vài bước sóng), cùng pha, đồng nhất, gọi là ánh sáng kết hợp Bước sóng ánh sáng

do laser phát ra phụ thuộc vào loại chất cấu tạo nên laser là tinh thể, diode hay chất khí Laser được sản xuất đa dạng về hình dạng và kích thước, từ những chiếc laser diode bé xíu đủ nhỏ để lắp khít vào lỗ kim, cho tới những thiết bị quân sự và nghiên cứu chiếm đầy cả một tòa nhà

Hình 8 Cấu trúc laser khí Argon-Ion Laser được sử dụng làm nguồn sáng trong nhiều ứng dụng, từ các đầu đọc đĩa compact cho tới các thiết bị đo đạc và dụng cụ phẫu thuật Ánh sáng đỏ quen thuộc của laser helium-neon (thường viết tắt là He-Ne) được dùng để quét mã vạch hàng hóa, nhưng cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống hiển vi quét laser đồng tiêu Ứng dụng laser trong kính hiển vi quang học cũng ngày càng trở nên quan trọng, vừa là nguồn sáng duy nhất, vừa là nguồn sáng kết hợp với các nguồn sáng huỳnh quang và/hoặc nguồn nóng sáng Mặc dù giá thành tương đối cao, nhưng laser cũng tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật huỳnh quang, chiếu sáng đơn sắc, và trong các lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng như kĩ thuật quét laser đồng tiêu, phản xạ nội toàn phần, truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang,

và kính hiển vi nhân quang

Laser argon-ion (hình 8) tạo ra phổ phát xạ mạnh mẽ ở 488 và 514nm, còn laser khí krypton biểu hiện các cực đại lớn tại bước sóng 647,1 và 752,5nm Cả hai loại laser này thường được dùng làm nguồn kích thích trong kính hiển vi laser quét đồng tiêu Laser xung mode khóa tinh thể sapphire pha tạp chất titan được dùng làm

nguồn kích thích nhân quang do cường độ cực đại cao của chúng, nhưng chúng cũng bộc lộ công suất trung bình thấp và chu kì công suất ngắn Là nguồn sáng được ưa chuộng hơn dùng cho kính hiển vi nhân quang, laser xung đắt hơn nhiều và khó hoạt động hơn so với các laser nhỏ, làm nguội bằng không khí dùng trong kính hiển vi đồng tiêu

Công nghệ laser mới gồm các diode laser nền bán dẫn và laser gắn trên chip, làm giảm kích thước và yêu cầu công suất đối với nguồn sáng Diode laser, ví dụ như neodymium:yttrium lithium fluoride (Nd:YLF) và neodymium:yttrium vanadate (Nd:YVO(4)), thường đáp ứng nhanh hơn nhiều so với LED, nhưng cũng tương đối nhỏ và yêu cầu công suất thấp Bất lợi của việc sử dụng laser trong kính hiển vi gồm giá thành thêm vào cho nguồn sáng, sự rủi ro gây thiệt hại đắt tiền, làm tăng giá thành liên đới với thấu kính và gương phủ ngoài, phá hủy mẫu vật, và có thể làm hỏng võng mạc của nhà hiển vi học nếu như quy trình bào vệ và kĩ thuật điều khiển bị xem nhẹ

Tóm lại, mặc dù có nhiều nguồn chiếu sáng đa dạng hiện có sẵn, nhưng chúng ta thường chỉ sử dụng vài nguồn sáng trong cuộc sống hàng ngày Vào ban ngày, Mặt Trời đóng vai trò là nguồn chiếu sáng chủ yếu của chúng ta ở ngoài trời, còn thường thì chúng ta sử dụng đèn huỳnh quang và đèn volfram để thắp sáng trong nhà và vào ban đêm Như đã nói ở phần trên, ba nguồn sáng cơ bản này có tính chất và đặc trưng phổ khác nhau, nhưng cường độ cực đại của chúng đều rơi vào vùng ánh sáng khả kiến Não người tự động điều chỉnh trước các nguồn sáng khác nhau, và chúng ta cảm nhận được màu sắc của đa số các vật xung quanh mình khi chúng được nhìn dưới những điều kiện chiếu sáng khác nhau

Tác giả: Kenneth R Spring, Michael W Davidson

(mailto:davidson@magnet.fsu.edu)

hiepkhachquay dịch

TỐC ĐỘ ÁNH SÁNG

Ở một nơi đó trong không gian ngoài kia, cách Trái Đất hàng tỉ năm ánh sáng, ánh sáng nguyên thủy liên quan tới Vụ nổ Lớn của vũ trụ đang chiếu sáng những vùng đất mới khi nó tiếp tục truyền đi ra xa Trái ngược lại hoàn toàn, một dạng khác của bức xạ điện từ phát sinh trên Trái Đất, các sóng vô tuyến phát đi từ một chương trình truyền hình nào đó cũng đang lan truyền ra không gian sâu thẳm ngoài kia, mặc dù cường độ của nó yếu hơn nhiều

Hình 1 Thiên hà xoắn ốc NGC 4603Khái niệm cơ bản ẩn sau cả hai sự kiện trên có liên quan tới tốc độ của ánh sáng (và tất cả những dạng khác của bức xạ điện từ), đã được các nhà khoa học xác định một cách kĩ lưỡng, và ngày nay được biểu diễn dưới dạng một giá trị không đổi có mặt trong các phương trình với kí hiệu c Không hẳn là một hằng số, đúng hơn là tốc độ cực đại trong chân không, tốc độ của ánh sáng, gần 300.000 km/giây,

có thể điều chỉnh bằng cách làm thay đổi môi trường hoặc với sự giao thoa lượng

Khi ánh sáng truyền trong không khí đi vào một môi trường khác, chẳng hạn như thủy tinh hoặc nước, tốc độ và bước sóng của ánh sáng giảm đi (xem hình 2), mặc dù tần số vẫn giữ nguyên không đổi Ánh sáng truyền đi xấp xỉ 300.000 km trên giây trong chân không, môi trường có chiết suất bằng 1,0, nhưng vận tốc sẽ giảm xuống còn 225.000 km/giây trong nước (chiết suất 1,3, xem hình 2), và 200.000 km/giây trong thủy tinh (chiết suất 1,5) Trong kim cương, với chiết hơi cao 2,4, tốc độ của ánh sáng giảm đi khá nhiều (125.000 km/giây), chỉ còn khoảng 60% tốc độ của nó trong chân không

Do hành trình khổng lồ mà ánh sáng truyền đi trong không gian bên ngoài giữa các thiên hà (xem hình 1) và bên trong Dải Ngân hà, nên sự giãn nở của các

sao có thể đo được không chỉ bằng km, mà còn bằng năm ánh sáng, quãng đường

mà ánh sáng đi được trong một năm Một năm ánh sáng bằng 9,5 nghìn tỉ km, hoặc khoảng 5,9 nghìn tỉ dặm Khoảng cách từ Trái Đất tới ngôi sao gần nhất ngoài hệ Mặt Trời của chúng ta, Proxima Centauri, xấp xỉ 4,24 năm ánh sáng Có thể so sánh như thế này, Dải Ngân hà có đường kính ước tính chừng 150.000 năm ánh sáng, và khoảng cách đến thiên hà Andromeda là chừng 2,21 triệu năm ánh sáng Điều này

có nghĩa là ánh sáng rời thiên hà Andromeda 2,21 triệu năm về trước mới tới được Trái Đất, trừ khi trên đường đi nó đã chạm phải các thiên thể phản xạ hoặc các mảnh vỡ khúc xạ

Hình 2 Tốc độ của ánh sáng Khi các nhà thiên văn ngắm nhìn bầu trời đêm là lúc họ đang quan sát một hỗn hợp thời gian thực, quá khứ đã qua, và lịch sử thời cổ đại Ví dụ, trong thời kì

mà các nhà tiên phong người Babilon, các nhà chiêm tinh người A Rập, các nhà thiên văn Hi Lạp mô tả các chòm sao, thì Scorpius (Scorpio đối với các nhà chiêm tinh học) vẫn có hình dạng con bọ cạp Sao đuôi và các sao khác trong chòm sao này đã xuất hiện dưới dạng sao siêu mới trên bầu trời khoảng giữa năm 500 và 1000 trước Công nguyên, nhưng không còn nhìn thấy nữa đối với các nhà nghiên cứu ngày nay Mặc dù một số sao quan sát thấy trên bầu trời đêm trên Trái Đất đã chết

từ lâu, nhưng sóng ánh sáng mang hình ảnh của chúng vẫn còn chạm tới mắt người

và kính viễn vọng Trong thực tế, ánh sáng từ sự hủy diệt của chúng (và bóng tối của sự vắng mặt của chúng) chưa đi hết khoảng cách khổng lồ trong không gian sâu thẳm vì chưa đủ thời gian

Empedocles thuộc vùng Acragas, người sống vào khoảng năm 450 trước Công nguyên, là một trong những triết gia đầu tiên được ghi nhận đã nhận định rằng ánh sáng truyền đi với một vận tốc giới hạn Gần một thiên niên kỉ sau này, khoảng chừng năm 525 sau Công nguyên, nhà bác học và nhà toán học người La Mã Anicius Boethius đã thử dẫn chứng bằng tài liệu tốc độ của ánh sáng, nhưng sau khi

bị buộc tội phản quốc và làm ma thuật, ông đã bị chém đầu vì nỗ lực mang tính khoa học của mình Kể từ những ứng dụng sớm nhất của loại bột đen dùng làm

pháo hoa và tín hiệu bởi người Trung Hoa, người ta đã tự hỏi về tốc độ của ánh sáng Với lóe sáng và màu sắc trước khi có tiếng nổ chừng vài giây, nó không đòi hỏi phải có một tính toán gì ghê gớm để nhận ra rằng tốc độ của ánh sáng hiển nhiên vượt quá tốc độ của âm thanh

Bí mật ẩn sau các vụ nổ của người Trung Hoa đã dẫn đường cho họ tới phương Tây trong giữa thế kỉ 19, và cùng với họ, đã mang theo những nghi vấn về tốc độ của ánh sáng Trước thời gian này, các nhà nghiên cứu phải xem lóe sáng của tia chớp theo sau là tiếng sấm rền, thường xuất hiện trong những đám mưa to sấm

dữ, nhưng không đưa ra được bất cứ lời giải thích khoa học nào hợp lí về sự chậm trễ đó Nhà bác học người A Rập Alhazen là nhà khoa học nghiên cứu quang học nghiêm túc đầu tiên cho rằng (vào khoảng năm 1000 sau Công nguyên) ánh sáng có một tốc độ hữu hạn, và vào năm 1250, nhà quang học tiên phong người Anh Roger Bacon đã viết rằng tốc độ của ánh sáng là hữu hạn, mặc dù rất nhanh Tuy nhiên, đa

số các nhà khoa học trong thời kì này vẫn giữ quan điểm cho rằng tốc độ của ánh sáng là vô hạn và không thể nào đo được

Năm 1572, nhà thiên văn học nổi tiếng người Đan Mạch Tycho Brahe là người đầu tiên mô tả sao siêu mới, xuất hiện trong chòm sao Cassiopeia Sau khi quan sát một “ngôi sao mới” đột ngột xuất hiện trên nền trời, cường độ sáng của nó giảm dần, và rồi biến mất dần khỏi tầm nhìn trong thời gian 18 tháng, nhà thiên văn cảm thấy bối rối, nhưng lại kích thích trí tò mò Những quan trắc các thiên thể mới

lạ này khiến cho Brahe và những người đương thời với ông đi tới chỗ nghi vấn về khái niệm phổ biến cho rằng vũ trụ hoàn hảo và không thay đổi có tốc độ ánh sáng

vô hạn Niềm tin cho rằng ánh sáng có tốc độ vô hạn khó bị thay thế, mặc dù một vài nhà khoa học đã bắt đầu nghi vấn về tốc độ của ánh sáng vào thế kỉ thứ 16 Mãi tới năm 1604, nhà vật lí người Đức Johannes Kepler chứng minh rằng tốc độ của ánh sáng là tức thời Ông bổ sung thêm ghi chú cho công trình công bố của ông rằng khoảng chân không trống rỗng không hề làm chậm tốc độ của ánh sáng, làm cản trở, với một mức độ hữu hạn, cuộc truy tìm của những người đương thời của ông tìm kiếm chất ête được cho là lấp đầy không gian và đã mang ánh sáng đi

Hình 3 Hình vẽ sự che khuất vệ tinh Io của sao Mộc của Roemer Không lâu sau khi phát minh và một số cải tiến tương đối thô đối với kính thiên văn, nhà thiên văn người Đan Mạch Ole Roemer (năm 1676) là nhà khoa học đầu tiên thực hiện một cố gắng nghiêm khắc để ước tính tốc độ của ánh sáng Bằng cách nghiên cứu vệ tinh Io của sao Mộc và những che khuất thường xuyên của nó, Roemer có thể tiên đoán được tính tuần hoàn của chu kì che khuất đối với vệ tinh này (hình 3) Tuy nhiên, sau một vài tháng, ông lưu ý rằng những tiên đoán của ông

trở nên kém chính xác trước những khoảng thời gian tương đối lâu, tiến tới sai số cực đại khoảng 22 phút (một sự chênh lệch tương đối lớn, nhất là khi xem xét quãng đường mà ánh sáng đi được trong khoảng thời gian này) Rồi sau đó, đúng là kì quặc, những tiên đoán của ông lại trở nên chính xác hơn trong một vài tháng, với chu kì tự lặp lại Làm việc tại Đài quan sát Paris, Roemer sớm nhận ra rằng những sai lệch quan sát thấy là do sự thay đổi khoảng cách giữa Trái Đất và sao Mộc, do quỹ đạo của các hành tinh này Khi sao Mộc đi xa khỏi Trái Đất, ánh sáng phải truyền một khoảng cách xa hơn, nên cần nhiều thời gian hơn để tới được Trái Đất

Áp dụng những tính toán tương đối không chính xác cho khoảng cách giữa Trái Đất

và sao Mộc được biết vào thời kì đó, Roemer có thể ước tính tốc độ của ánh sáng chừng 137.000 nghìn dặm (hoặc 220.000 km) trên giây Hình 3 minh họa mô phỏng hình vẽ nguyên thủy của Roemer phác họa phương pháp của ông dùng để xác định tốc độ ánh sáng

Công trình của Roemer làm xôn xao cộng đồng khoa học, và nhiều nhà nghiên cứu bắt đầu xem xét lại các luận cứ của họ về tốc độ vô hạn của ánh sáng Chẳng hạn, ngài Isaac Newton đã viết trong một chuyên luận mang tính bước ngoặc của ông vào năm 1687, Philosophiae Naturalis Prinicipia Mathematica (Các nguyên lí toán học của triết học tự nhiên), “Bây giờ có thể khẳng định từ hiện tượng các vệ tinh của Mộc tinh, được xác nhận bởi quan trắc của các nhà thiên văn khác, rằng ánh sáng truyền

đi liên tục và cần khoảng 7 hoặc 8 phút để truyền từ Mặt Trời tới Trái Đất”, đây thật

sự là một ước tính rất gần với tốc độ chính xác của ánh sáng Quan điểm đáng kính

và danh tiếng rộng rãi của Newton là phương tiện để khởi động cuộc cách mạng khoa học, và giúp khởi xướng các nghiên cứu mới bởi các nhà khoa học tán thành rằng tốc độ của ánh sáng là hữu hạn

Người tiếp theo mang tới một ước tính hữu ích cho tốc độ của ánh sáng là nhà vật lí người Anh James Bradley Năm 1728, một năm sau khi Newton qua đời, Bradley đã ước tính tốc độ ánh sáng trong chân không xấp xỉ 301.000 km/giây, sử dụng phương pháp quang sai của các sao Những hiện tượng này là hiển nhiên bởi các thay đổi biểu kiến vị trí của các sao do chuyển động của Trái Đất xung quanh Mặt Trời Mức độ quang sai của các sao có thể xác định từ tỉ số của tốc độ quỹ đạo của Trái Đất và tốc độ của ánh sáng Bằng cách đo góc quang sai sao và áp dụng dữ liệu về tốc độ quỹ đạo của Trái Đất, Bradley có thể đi tới một ước tính đặc biệt chính xác

Năm 1834, Charles Wheatstones, nhà nghiên cứu kính vạn hoa và là nhà tiên phong trong khoa âm học, đã thử đo tốc độ của dòng điện Wheatstones phát minh

ra một dụng cụ sử dụng gương xoay và sự phóng điện qua chai Leyden để làm phát

ra và đo thời gian chuyển động của tia lửa điện qua gần như tám dặm dây dẫn Thật không may, các tính toán của ông (và có lẽ là do dụng cụ của ông) có sai sót nên Wheatstones đã ước tính vận tốc của dòng điện là 288.000 dặm/giây, một sai lầm dẫn ông tới chỗ tin rằng dòng điện truyền nhanh hơn ánh sáng Nghiên cứu của Wheatstones sau này được mở rộng bởi nhà khoa học người Pháp Dominique Francis Jean Arago Mặc dù thất bại khi cố gắng hoàn thành công trình của mình trước khi bị hỏng thị lực vào năm 1850, nhưng Arago đã nhận định đúng đắn rằng ánh sáng truyền trong nước chậm hơn so với trong không khí

Trong khi đó, ở Pháp, các nhà khoa học kình địch nhau là Armand Fizeau và Jean-Bernard-Leon Foucault độc lập nhau đã cố gắng đo tốc độ ánh sáng, không

dựa trên các sự kiện thiên thể, mà khai thác những thuận lợi của khám phá của Arago và mở rộng thiết kế gương xoay của Wheatstones Năm 1849, Fizeau chế tạo được một dụng cụ làm lóe ra một chùm ánh sáng qua một bánh xe răng cưa (thay cho gương xoay) và rồi đi tới một gương cố định đặt cách đấy 5,5 dặm Bằng cách quay bánh xe ở tốc độ nhanh, ông có thể lái chùm tia qua khe nằm giữa hai răng cưa trên hành trình đi ra xa và bắt lấy tia phản xạ trong khe lân cận trên hành trình quay trở lại Với tốc độ quay của bánh xe và khoảng cách truyền bởi xung ánh sáng đã biết, Fizeau có thể tính được tốc độ ánh sáng Ông cũng phát hiện thấy ánh sáng truyền trong không khí nhanh hơn trong nước (xác nhận giả thuyết của Arago), một thực tế mà người đồng hương là Foucault sau đó đã xác minh được bằng thực nghiệm

Hình 4 Dụng cụ gương xoay của Foucault Foucault dùng một gương xoay nhanh điều khiển bằng tuabin khí nén để đo tốc độ ánh sáng Trong thiết bị của ông (xem hình 4), một chùm ánh sáng hẹp truyền qua một kẽ hở và rồi truyền qua một cửa sổ thủy tinh (đóng vai trò bộ tách chùm tia) có mặt chia độ tinh vi trước khi chạm tới gương đang xoay nhanh Ánh sáng phản xạ từ gương xoay hướng qua một bộ gương cố định theo đường zigzag để tăng chiều dài đường đi của thiết bị lên khoảng 20m mà không phải tăng tương ứng kích thước của dụng cụ Trong khoảng thời gian cần thiết để ánh sáng phản xạ qua dãy gương và quay trở lại gương xoay, một sự lệch nhỏ của vị trí gương xoay đã xảy ra Rồi sau đó, ánh sáng phản xạ từ vị trí bị lệch của gương xoay đi theo một hành trình mới trở lại nguồn phát và đi vào kính hiển vi gắn trên thiết bị Sự lệch nhỏ của ánh sáng có thể nhìn thấy qua kính hiển vi và ghi lại Bằng việc phân tích

dữ liệu thu thập từ thí nghiệm của ông, Foucault có thể tính được tốc độ ánh sáng là 298.000 km/giây (xấp xỉ 185.000 dặm/giây)

Đường đi của ánh sáng trong dụng cụ của Foucault đủ ngắn để dùng trong các phép đo tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác ngoài không khí Ông phát hiện thấy tốc độ ánh sáng trong nước hoặc trong thủy tinh chỉ khoảng 2/3 giá trị của

nó trong không khí, và ông cũng kết luận rằng tốc độ ánh sáng qua một môi trường cho trước tỉ lệ nghịch với chiết suất Kết quả đáng chú ý này phù hợp với những tiên đoán về hành trạng ánh sáng đã được phát triển hàng trăm năm trước đó từ lí thuyết sóng của sự truyền ánh sáng

Dưới sự chỉ dẫn của Foucault, nhà vật lí người Mĩ gốc Ba Lan tên là Albert

M Michelson đã nỗ lực gia tăng độ chính xác của phương pháp đó, và đã thành công trong việc đo tốc độ ánh sáng vào năm 1878 với mẫu thiết bị phức tạp hơn đặt

dọc theo bức tường dài 2000 foot nằm trên đôi bờ sông Severn ở Maryland Đầu tư các thấu kính và gương chất lượng cao để hội tụ và phản xạ chùm ánh sáng trên quãng đường dài hơn nhiều so với trong thí nghiệm của Foucault, Michelson tính được kết quả cuối cùng là 186.355 dặm/giây (299.909 km/giây), cho phép sai số trong khoảng 30 dặm/giây Do độ phức tạp tăng lên trong thiết kế thí nghiệm của ông, nên độ chính xác của phương pháp Michelson cũng cao gấp hơn 20 lần so với phương pháp của Foucault

Hình 5 Giao thoa kế Michelson-Morley Vào cuối những năm 1800, đa số các nhà khoa học vẫn tin rằng ánh sáng truyền qua không gian bằng một môi trường trung chuyển gọi là ête Michelson đã hợp sức với nhà khoa học Edward Morley vào năm 1887 nghĩ ra một phương pháp thực nghiệm tìm kiếm ête bằng cách quan sát sự thay đổi tương đối tốc độ của ánh sáng khi Trái Đất hoàn thành vòng quay của nó xung quanh Mặt Trời Để thực hiện mục tiêu này, họ đã thiết kế một chiếc giao thoa kế tách một chùm ánh sáng và lại gửi mỗi chùm tia đi theo hai đường khác nhau, mỗi đường dài 10m, bằng một dãy gương bố trí phức tạp Michelson và Morley giải thích rằng nếu như Trái Đất chuyển động qua môi trường ête thì chùm tia phản xạ tới lui vuông góc với dòng ête

sẽ phải truyền đi xa hơn so với chùm tia phản xạ song song với dòng ête Kết quả sẽ

là sự trễ ở một trong hai chùm tia có thể phát hiện khi hai chùm tia tái kết hợp qua hiện tượng giao thoa

Thiết bị thí nghiệm do Michelson và Morley xây dựng thật khổng lồ (hình 5) Đặt trên một phiến đá đang quay từ từ rộng khoảng 5 feet vuông và dày 14 inch, thiết bị được bảo vệ thêm bởi một hồ thủy ngân bên dưới đóng vai trò bộ giảm sốc không có ma sát để loại bỏ các dao động ảnh hưởng từ phía Trái Đất Một khi phiến

đá được đưa vào chuyển động, thu được tốc độ lớn nhất là 10 vòng/giờ, mất tới hàng giờ mới có tạm dừng lần nữa Ánh sáng truyền qua bộ tách chùm, và phản xạ bởi hệ thống gương, được xác định với một chiếc kính hiển vi quan sát vân giao thoa, nhưng cả hai nhà khoa học đều không quan sát thấy gì Tuy nhiên, Michelson

đã sử dụng giao thoa kế của ông để xác định chính xác tốc độ của ánh sáng là 186.320 dặm/giây (299.853 km/giây), một giá trị vẫn được xem là chuẩn trong vòng

25 năm tiếp sau đó Thất bại trong việc phát hiện sự thay đổi tốc độ ánh sáng bởi thí nghiệm Michelson-Morley đã đặt dấu chấm hết cho cuộc tranh luận về ête, cuối cùng đã đưa tới lí thuyết của Albert Einstein vào đầu thế kỉ 20

Năm 1905, Einstein công bố thuyết tương đối đặc biệt của ông, sau đó là thuyết tương đối tổng quát vào năm 1915 Lí thuyết thứ nhất đề cập tới sự chuyển động của các vật thể ở vận tốc không đổi tương đối với nhau, còn lí thuyết thứ hai tập trung vào gia tốc và mối liên hệ của nó với hấp dẫn Do chúng thách thức những giả thuyết đã tồn tại từ lâu, ví dụ như các định luật chuyển động của Isaac Newton, nên lí thuyết của Einstein là một lực lượng cách mạng trong vật lí học Ý tưởng về tính tương đối thể hiện qua khái niệm cho rằng vận tốc của một vật chỉ có thể được xác định tương đối với vị trí của nhà quan sát Lấy ví dụ, một người đàn ông đang

đi bên trong một chiếc máy bay dân dụng cỡ lớn có vẻ đang đi ở tốc độ khoảng 1 dặm/giờ đối với hệ quy chiếu là chiếc máy bay (còn chính chiếc máy bay đang chuyển động với vận tốc 600 dặm/giờ) Tuy nhiên, đối với một nhà quan sát ở mặt đất, người đàn ông đó đang chuyển động ở vận tốc 601 dặm/giờ

Einstein đã giả sử trong các tính toán của ông rằng tốc độ của ánh sáng truyền giữa hai hệ quy chiếu vẫn giữ nguyên không đổi đối với các nhà quan sát ở

cả hai nơi Do nhà quan sát ở hệ quy chiếu này sử dụng ánh sáng để xác định vị trí

và vận tốc của các vật trong hệ quy chiếu kia, nên điều này làm thay đổi cách mà nhà quan sát có thể liên hệ vị trí và vận tốc của các vật Einstein sử dụng khái niệm này để tìm ra một vài công thức quan trọng mô tả cách các vật thể trong một hệ quy chiếu xuất hiện khi nhìn từ hệ quy chiếu kia đang chuyển động đều tương đối với hệ quy chiếu thứ nhất Kết quả của ông đưa tới một số kết quả khác thường, mặc dù hiệu ứng chỉ trở nên đáng kể khi vận tốc tương đối của vật đạt gần tới tốc độ ánh sáng Tóm lại, hàm ý chính của những lí thuyết cơ bản của Einstein và phương trình tương đối tính thường được trích dẫn của ông

• Khối lượng của một vật đang chuyển động tăng theo vận tốc của nó, và khi vận tốc đạt tới tốc độ ánh sáng thì khối lượng tiến tới vô cùng Vì lí

do này nên người ta giữ niềm tin rằng chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng là không thể có được, bởi vì để gia tốc đến khối lượng vô hạn cần một lượng năng lượng vô hạn

Mặc dù lí thuyết của Einstein ảnh hưởng đến toàn bộ thế giới vật lí, nhưng

nó có những quan hệ đặc biệt quan trọng đối với những nhà khoa học đang nghiên cứu ánh sáng Lí thuyết giải thích được tại sao thí nghiệm Michelson-Morley thất bại trong việc tạo ra những kết quả như mong đợi, thúc đẩy các nghiên cứu khoa học nghiêm túc hơn về bản chất của ête xem là môi trường trung chuyển ánh sáng

Nó cũng chứng minh được rằng không gì có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân không, và tốc độ này là một hằng số và có giá trị không thay đổi Trong khi đó, các nhà khoa học thực nghiệm tiếp tục sử dụng các thiết bị ngày càng phức tạp để đo giá trị chính xác của tốc độ ánh sáng và giảm sai số trong các phép

đo này

Các phép đo vận tốc ánh sáng

Năm Nhà nghiên cứu Phương pháp Giá trị ước tính

km/giây

1667 Galileo Galilei Đèn lồng có mái che 333,5

1676 Ole Roemer Vệ tinh của sao Mộc 220.000

1726 James Bradley Hiện tượng quang sai 301.000

1834 Charles Wheatstone Gương quay 402.336

1838 Franci ci cis Arago Gương quay

1849 Armand Fizeau Bánh xe quay 315.000

1862 Leon Foucault Gương quay 298.000

1868 James Clerk Maxwell Tính toán lí thuyết 284.000

1875 Marie-Alfred Cornu Gương quay 299.990

1879 Albert Michelson Gương quay 299.910

1888 Heinrich Rudolf Hertz Bức xạ điện từ 300.000

1889 Edward Bennett Rosa Phép đo điện 300.000

1890s Henry Rowland Quang phổ kế 301.800

1907 Edward Bennett Rosa và Noah Dorsey Phép đo điện 299.788

1923 Andre Mercier Phép đo điện 299.795

1926 Albert Michelson Gương quay (giao thoa kế) 299.798

1928 August Karolus và Otto Mittelstaedt Lá chắn Kerr 299.778

1932 - 1935 Michelson và Pease Gương quay (giao thoa kế) 299.774

1947 Louis Essen Hộp cộng hưởng 299.792

1949 Carl I Aslakson Radar Shoran 299.792,4

1951 Keith Davy Froome Giao thoa kế vô tuyến 299.792,75

1973 Kenneth M Evenson Laser 299.792,457

1978 Peter Woods và Colleagues Laser 299.792,4588

Vào cuối thế kỉ 19, những tiến bộ đạt được trong công nghệ vô tuyến và vi sóng đã mang lại phương pháp mới lạ cho việc đo tốc độ ánh sáng Năm 1888, hơn

200 năm sau những quan trắc thiên thể tiên phong của Roemer, nhà vật lí người Đức Heinrich Rudolf Hertz đo được tốc độ của sóng vô tuyến Hertz thu được giá trị gần 300.000 km/giây, xác nhận lí thuyết của James Clerk Maxwell cho rằng sóng

vô tuyến và ánh sáng đều là các dạng của bức xạ điện từ Một bằng chứng nữa thu thập trong những năm 1940 và 1950, khi nhà vật lí người Anh Keith Davy Froome

sử dụng sóng vô tuyến và Louis Essen sử dụng vi sóng tiến hành đo đạc chính xác hơn tốc độ của bức xạ điện từ

Maxwell cũng được ghi nhận với việc định nghĩa tốc độ ánh sáng và các dạng khác của bức xạ điện từ, không phải bằng phép đo, mà bằng suy luận toán học Trong nghiên cứu của ông cố gắng tìm kiếm mối liên hệ giữa điện và từ, Maxwell

đã lí thuyết hóa rằng một điện trường biến thiên sẽ tạo ra từ trường biến thiên, một điều ngược lại với định luật Faraday Ông đề xuất rằng sóng điện từ bao gồm các sóng dao động điện và từ kết hợp, và tính được vận tốc của những sóng này truyền trong không gian như sau:

Vận tốc (v) = 1/ (εεεε µµµ)1/2

trong đó ε là hằng số điện môi, và µ là độ từ thẩm của không gian tự do, hai hằng số này có thể đo được với mức độ chính xác tương đối cao Kết quả là một giá trị rất gần với tốc độ ánh sáng đo được

Năm 1891, tiếp tục những nghiên cứu của ông về tốc độ ánh sáng và thiên văn học, Michelson chế tạo một giao thoa kế cỡ lớn sử dụng kính thiên văn khúc xạ tại Đài quan sát Lick ở California Những quan trắc của ông dựa trên sự trễ thời gian tới của ánh sáng khi quan sát các vật thể ở xa, ví dụ như các sao, có thể phân tích định lượng để đo được cả kích thước của thiên thể và tốc độ ánh sáng Gần 30 năm sau, Michelson di chuyển thí nghiệm của ông tới Đài quan sát núi Wilson, và

áp dụng cùng kĩ thuật trên với kính thiên văn 100 inch, kính thiên văn lớn nhất thế giới lúc bấy giờ

Bằng cách hợp nhất thêm một gương xoay hình bát giác vào thiết kế thí nghiệm của ông, Michelson đạt tới giá trị 299.845 km/giây cho tốc độ ánh sáng Mặc dù Michelson chết trước khi hoàn tất thí nghiệm của ông, nhưng người cộng sự của ông tại núi Wilson, Francis G Pease, tiếp tục sử dụng kĩ thuật có tính sáng kiến chỉ đạo nghiên cứu trong những năm 1930 Sử dụng một giao thoa kế cải tiến, Pease thực hiện hàng loạt phép đo trong vài năm và cuối cùng đã xác định được giá trị chính xác cho tốc độ ánh sáng là 299.774 km/giây, phép đo chính xác nhất thu được tính đến thời điểm đó Vài năm sau, vào năm 1941, cộng đồng khoa học đã đặt ra một chuẩn cho tốc độ ánh sáng Giá trị này, 299.773 km/giây, dựa trên một tài liệu biên soạn từ những phép đo chính xác nhất của thời kì đó Hình 6 biểu diễn những phép đo tốc độ ánh sáng trong vòng 200 năm qua

Hình 6 Những phép đo tốc độ ánh sáng (1878 – 1983) Vào cuối thập niên 1960, laser trở thành công cụ nghiên cứu ổn định với tần

số và bước sóng có tính xác định cao Một điều nhanh chóng trở nên hiển nhiên là một phép đo đồng thời cả tần số và bước sóng sẽ mang lại giá trị rất chính xác cho tốc độ ánh sáng, tương tự như phương pháp thực nghiệm đã được tiến hành bởi Keith Davy Froome bằng vi sóng vào năm 1958 Một vài nhóm nghiên cứu ở Mĩ và một số nước khác đã đo tần số của vạch 633 nanomét từ laser helium-neon và thu được kết quả chính xác cao Năm 1972, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia (Mĩ) đã dùng kĩ thuật laser đo được tốc độ 299.792.458 m/s (186.282 dặm/giây), kết quả cuối cùng trong việc định nghĩa lại đơn vị mét qua một ước tính chính xác cao cho tốc độ ánh sáng

Khởi đầu với những cố gắng mang tính đột phá vào năm 1676 của Roemer, tốc độ ánh sáng đã được đo ít nhất là 163 lần bằng nhiều kĩ thuật đa dạng bởi hơn

100 nhà nghiên cứu (xem bảng ở trên) Khi các phương pháp và dụng cụ khoa học được cải tiến, giới hạn sai số của sự ước tính được thu hẹp, mặc dù tốc độ ánh sáng không thay đổi đáng kể kể từ những tính toán hồi thế kỉ thứ 17 của Roemer Cuối cùng, vào năm 1983, hơn 300 năm sau cố gắng đo đạc nghiêm túc đầu tiên, tốc độ ánh sáng được định nghĩa là 299.792,458 km/s bởi Đại hội toàn thể lần thứ 17 về Cân nặng và Đo lường Như vậy, mét được định nghĩa là khoảng cách mà ánh sáng truyền đi được trong chân không trong khoảng thời gian 1/299.792.458 giây Tuy nhiên, nói chung (cả trong nhiều tính toán khoa học), tốc độ ánh sáng được làm tròn

là 300.000 km (hoặc 186.000 dặm) trên giây Việc đạt được một giá trị chuẩn cho tốc độ ánh sáng có tầm quan trọng đối với việc thiết lập một hệ đơn vị quốc tế cho phép các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới so sánh dữ liệu và tính toán của họ với nhau

Có một cuộc tranh luận ôn hòa về bằng chứng tồn tại cho thấy tốc độ ánh sáng đang giảm đi kể từ thời Big Bang, lúc nó có thể di chuyển nhanh hơn nhiều, như một số nhà nghiên cứu đã đề xuất Mặc dù các luận cứ được đưa ra và phản đối kéo dài cuộc tranh luận này, nhưng đa số các nhà khoa học vẫn đoan chắc rằng tốc

độ ánh sáng là một hằng số Các nhà vật lí cho rằng tốc độ ánh sáng thực sự như đã

đo được bởi Roemer và những người tiếp sau ông không có sự thay đổi đáng kể, mà chỉ có một loạt cải tiến trong các thiết bị khoa học liên quan tới việc làm tăng độ chính xác của phép đo dùng để thiết lập tốc độ ánh sáng Ngày nay, khoảng cách giữa Mộc tinh và Trái Đất được biết với độ chính xác cao, cũng như đường kính của

hệ Mặt Trời và đường đi quỹ đạo của các hành tinh Khi các nhà nghiên cứu áp dụng dữ liệu này để làm việc lại với những tính toán đã được thực hiện trong vài thế

kỉ qua, họ thu được giá trị cho tốc độ ánh sáng có thể so sánh được với giá trị thu được với những thiết bị hiện đại và phức tạp hơn

Tác giả: Kenneth R Spring, Thomas J Fellers, Lawrence D Zuckerman, và

Michael W Davidson (davidson@magnet.fsu.edu)

hiepkhachquay dịch