Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng LỜI GIỚI THIỆU – NHỮNG CON ĐƯỜNG CỦA ÁNH SÁNG Ánh sáng người bạn tri kỉ Trong công việc nhà vật lý thiên văn, thường xuyên phải làm việc với Nó phương tiện đặc ân mà có để đối thoại với vũ trụ Các hạt có lượng cao phát từ hấp hối bùng nổ nặng, mà người ta gọi “tia vũ trụ”, hay sóng hấp dẫn, sóng độ cong không gian tạo từ co mạnh lõi khôi nặng để trở thành nơi giam cầm ánh sáng - lỗ đen -, hay từ chuyển động điên cuồng cặp lỗ đen nhảy múa quanh nhau, mang đến cho nhiều thông tin lạ không gian xa xôi Nhưng tia vũ trụ, sóng hấp dẫn sứ giả vũ trụ Chính ánh sáng đảm nhiệm vai trò Không nghi ngờ nữa, phần lớn thông tin vũ trụ mà biết nhờ giúp đỡ hữu hiệu trung thành ánh sáng Đó sứ giả tuyệt vời vũ trụ Chính ánh sáng cho phép giao tiếp kết nối với vũ trụ Chính ánh sáng chuyển tải đoạn nhạc nốt rời rạc giai điệu bí ẩn vũ trụ mà người kỳ công tái dựng với tất vẻ đẹp tráng lệ Ánh sáng đóng vai trò sứ giả vũ trụ nhờ ba tính chất mà bà mụ ban tặng cho lúc chào đời: 1) ánh sáng không lan truyền tức thì, phải khoảng thời gian đến chỗ chúng ta; 2) ánh sáng tương tác với vật chất; 3) ánh sáng thay đổi màu sắc phát nguồn sáng chuyển động người quan sát Bởi ánh sáng không lan truyền tức thì, nên nhìn vũ trụ muộn hơn, điều cho phép lần ngược trở lại theo thời gian, để khám phá khứ vũ trụ tái tạo sử thi hoành tráng kỳ diệu vũ trụ khoảng 14 tỷ năm dẫn đến Ngay ánh sáng lan truyền với vận tốc lớn vũ trụ: 300 000 kilômét giây - nháy mắt ánh sáng chạy bảy vòng quanh Trái Đất! -, thang vũ trụ vận tốc rùa bò Bởi nhìn xa, nghĩa nhìn sớm – nhìn Mặt Trăng muộn hơn giây, Mặt trời gần tám phút, gần bốn năm, thiên hà gần giống dải Ngân Hà chúng ta, thiên hà Andromède, sau 2,3 triệu năm, quasar xa sau khoảng mười hai tỉ năm -, nên kính thiên văn, hay gọi giáo đường thời đại, nơi đón nhận ánh sáng vũ trụ, cỗ máy đích thực lần ngược lại thời gian Các nhà thiên văn học miệt mài chế tạo kính thiên văn tiếp nối kính thiên văn khổng lồ để nhìn thiên thể mờ hơn, có nghĩa xa sớm hơn, lần ngược lại thời gian khoảng 13 tỷ năm ánh sáng, tới tận khoảng tỷ năm sau Big Bang, với hy vọng ngắm nhìn Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng trực tiếp đời thiên hà Bằng cách khám phá khứ vũ trụ, nhà vật lý thiên văn hiểu tiên đoán tương lai Ánh sáng cho phép lần ngược trở lại khứ cần phải khoảng thời gian đến Ánh sáng mang theo mật mã vũ trụ, giải mật mã tiếp cận bí mật cấu tạo hóa học thiên hà, bí mật chuyển động chúng Sở dĩ ánh sáng tương tác với nguyên tử cấu thành vật chất nhìn thấy vũ trụ Trên thực tế, ánh sáng nhìn thấy tương tác với vật Ánh sáng tự thân ánh sáng không nhìn thấy Để ánh sáng nhìn thấy được, đường phải bị vật chặn lại, vật cánh hoa hồng, chất màu bảng màu người họa sỹ, gương kính thiên văn hay võng mạc mắt Tùy theo cấu trúc nguyên tử vật chất mà ánh sáng tiếp xúc, ánh sáng bị hấp thụ lượng lượng xác Tới mức thu quang phổ ánh sáng hay thiên hà phát – hay nói cách khác, dùng lăng kính phân tách thành thành phần lượng hay màu sắc khác –, phát quang phổ không liên tục, mà bị ngắt thành vạch hấp thụ dọc tương ứng với lượng bị nguyên tử hấp thụ Vị trí vạch không tùy tiện, mà phản ánh cách trung thực xếp quỹ đạo electron nguyên tử vật chất Sự xếp độc nguyên tố hoá học Nó dạng dấu vân tay, loại thẻ cước nguyên tố hóa học cho phép nhà vật lý thiên văn nhận nguyên tố cách dễ dàng Ánh sáng cho biết thành phần hóa học vũ trụ cách Ánh sáng cho phép nhà thiên văn học nghiên cứu chuyển động thiên thể Vì trời chẳng có đứng yên Lực hấp dẫn làm cho tất cấu trúc vũ trụ - sao, thiên hà, đám thiên hà… - hút lẫn “rơi” vào Chuyển động rơi hòa vào chuyển động giãn nở chung vũ trụ Thực tế, Trái Đất tham gia vào vũ điệu vũ trụ tuyệt vời Nó mang qua không gian với vận tốc khoảng ba chục kilômét giây chuyến chu du hàng năm quanh Mặt Trời Đến lượt mình, Mặt Trời lại kéo theo Trái Đất, với Trái Đất chúng ta, chuyến chu du quanh trung tâm Ngân Hà, với vận tốc hai trăm ba mươi kilômét giây Thế chưa hết: Ngân Hà lại rơi với vận tốc chín mươi kilômét giây phía thiên hà đồng hành với Andromède Đến lượt mình, cụm thiên hà địa phương chứa thiên hà Andromède lại rơi với vận tốc khoảng sáu trăm kilômét giây đám Vierge, đám lại rơi vào tập hợp lớn thiên hà gọi “Nhân hút Lớn” Bầu trời tĩnh bất động Aristote chết hẳn! Trong vũ trụ, tất vô thường, thay đổi chuyển hóa liên tục Chúng ta không nhìn thấy náo động mãnh liệt thiên thể xa, Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng sống ngắn ngủi Một lần nữa, lại ánh sáng tiết lộ cho vô thường vũ trụ Ánh sáng thay đổi màu sắc nguồn sáng chuyển động so với người quan sát Ánh sáng dịch chuyển phía đỏ (các vạch hấp thụ dọc dịch chuyển phía lượng nhỏ hơn) vật tiến xa, phía xanh lam (các vạch hấp thụ dọc dịch chuyển phía lượng cao hơn) vật tiến lại gần Bằng cách đo dịch chuyển phía đỏ hay phía xanh này, nhà thiên văn học tái chuyển động vũ trụ Như ánh sáng kết nối với vũ trụ Nhưng ánh sáng không thiết yếu nhà thiên văn học Tất đẻ ánh sáng Ánh sáng đến từ Mặt Trời nguồn gốc sống Dù tự nhiên hay nhân tạo, ánh sáng cho phép không ngắm nhìn giới, mà tương tác với giới tiến hóa giới Nó không ban cho nhìn thấy, mà ban cho tư Từ thời xa xưa ngày nay, ánh sáng mê trí tuệ người, dù nhà khoa học, triết gia, nghệ sỹ hay tu sĩ Tôi muốn thuật lại lịch sử hùng tráng nỗ lực người nhằm thâm nhập vào lòng vương quốc ánh sáng để đột phá bí mật Tôi muốn khám phá không chiều kích khoa học công nghệ ánh sáng, mà chiều kích thẩm mỹ, nghệ thuật tâm linh ánh sáng Tôi muốn nghiên cứu không vật lý ánh sáng, mà siêu hình học ánh sáng Ý đồ tìm hiểu xem cách ánh sáng giúp trở thành người Các chương từ đến kể lại nỗ lực người nhằm đột phá bí mật khoa học ánh sáng Chương bắt đầu với khái niệm người Hy Lạp “ngọn lửa bên trong”, mắt chăm quan sát giới cách phóng chiếu lên tia sáng, trái ngược với quan niệm ánh sáng, theo đó, ánh sáng từ mắt tới vật, mà từ vật tới mắt Chương tiếp tục với Euclid hình học ông thị giác mặt nón tia thị giác, với nhà bác học Arập Alhazen, người vứt bỏ khái niệm lửa bên đảo ngược hướng tia sáng, để kết thúc với Léonard de Vinci, người hiểu hình ảnh giới bên phóng chiếu theo chiều bị đảo ngược lên võng mạc mắt Chương phát triển quan niệm ánh sáng đại cách mạng khoa học kỷ XVII mang lại Kepler Descartes phát não đóng vai trò tích cực thị giác, não tái lập lại định hướng vật làm cho nhìn thấy giới vị trí Bằng cách dùng lăng kính phân tách ánh sáng trắng thành bảy màu, bảy sắc cầu vồng, Newton đưa khái niệm màu Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng Chương tập trung quanh tranh luận chất ánh sáng: ánh sáng hạt, Newton quyết, sóng, Huygens, Young Fresnel khẳng định? Vào kỷ XVIII, Young chứng minh thêm ánh sáng vào ánh sáng lại dẫn đến bóng tối, điều giải thích ánh sáng có chất sóng Faraday Maxwell, ngợi ca kết hợp điện từ, chứng tỏ sóng điện từ không khác sóng ánh sáng, củng cố thêm quan niệm sóng ánh sáng Vào kỷ XX, Einstein, cách tự vấn giới trình trước mắt chuyển động nhanh hạt ánh sáng, tạo cách mạng quan niệm thời gian không gian, thống vật chất lượng thuyết tương đối hẹp Để giải thích hành trạng electron phát từ bề mặt kim loại tác dụng ánh sáng - mà người ta gọi “hiệu ứng quang điện” -, Einstein đưa trở lại quan niệm ánh sáng hạt, gán cho hạt “lượng tử lượng”, ý tưởng Planck đưa trước Vậy ánh sáng sóng hay hạt? Bohr đồng nghiệp ông, người sáng lập môn vật lý gọi “cơ học lượng tử”, tuyên bố ánh sáng vừa sóng vừa hạt Giống Janus, ánh sáng có hai khuôn mặt bổ sung cho Nó xuất sóng hạt tùy theo dụng cụ đo sử dụng Chương khám phá dạng ánh sáng thiên thể khác xuất suốt lịch sử dài dằng dặc vũ trụ Chương đặt câu hỏi: tương lai xa ánh sáng trở nên nào? Bắt đầu ánh sáng nguyên thủy, vô nóng, Big Bang, ánh sáng trình trước ngày dạng xạ hóa thạch, bị lạnh nhiều giãn nở vũ trụ choán khắp vũ trụ Sau chương đề cập đến tiến hóa ánh sáng thiên hà, từ đời chết tinh tú gần Chương nhắc đến đối trọng ánh sáng, bóng tối Sau rốt, vật chất sáng thiên hà chiếm 0,5 tổng lượng vật chất lượng vũ trụ Chúng ta sống vũ trụ-tảng băng trôi, nhìn thấy phần nhô lên nhỏ Trong 99,5% lại, 3,5% cấu thành từ vật chất thông thường không phát ánh sáng nhìn thấy nào, 26% vật chất ngoại lai không phát ánh sáng nhìn thấy ánh sáng khác, chất chúng hoàn toàn bí ẩn (người ta gọi “vật chất tối”), 70% lại tạo thành “năng lượng tối”, tác dụng lực đẩy làm tăng giãn nở vũ trụ, chất lượng hoàn toàn bí ẩn Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng Chương đề cập chi tiết ánh sáng mặt trời, nguồn gốc sống lượng, vô số cảnh tượng ánh sáng với tất vẻ đẹp mà ánh sáng mặt trời sinh Trái Đất Chương đề cập đến quang hợp cối, phản ứng sinh hóa quan trọng cho sống Trái Đất, nguy mà người gây cho hành tinh hành động phá hủy dại dột khu rừng nhiệt đới gây ô nhiễm khí trái đất Chương không đề cập đến mặt tích cực, mà mặt tiêu cực ánh sáng mặt trời người ta lạm dụng Tác giả giải thích cảnh tượng huyền diệu cầu vồng, màu đỏ rực rỡ hoàng hôn, “tia xanh” bí hiểm, màu trắng đám mây, màu lam thẫm dãy núi xa xa, màu xanh thẳm đại dương, màu xanh vắt bầu trời quang mây… Chương kể lại cách người chế ngự ánh sáng phục vụ sống giao tiếp với đồng loại, nhờ biến hành tinh thành làng toàn cầu Chương bắt đầu công chinh phục lửa, sau đề cập đến ánh sáng nhân tạo với phát minh đuốc đèn thắp mỡ động vật dầu thực vật, nến, đèn gaz và, cuối bóng điện đèn huỳnh quang Tiếp theo phát minh lazer, đứa học lượng tử, kết “khuếch đại” ánh sáng nhìn thấy được, với vô số ứng dụng đa dạng bắt nguồn từ Sau tác giả đề cập đến việc sử dụng ánh sáng để vận chuyển thông tin kết nối nhân loại Các mạng cáp quang khổng lồ vận chuyển ánh sáng ngang dọc khắp giới Chúng tải hàng triệu điện đàm kết nối tất máy tính hành tinh thành mạng khổng lồ gọi Internet Internet dựa máy điện quang, electron kết hợp chặt chẽ với photon để truyền thông tin Nhưng công nghệ internet điện quang sớm thay Internet quang tử, dựa hoàn toàn ánh sáng Chương kết thúc với máy tương lai, máy lượng tử Làm để sử dụng tính chất lượng tử kỳ diệu ánh sáng để viễn tải hạt (viễn tải lượng tử), để ngăn chặn tin tặc (mật mã lượng tử) tính toán nhanh (máy tính lượng tử)? Chương đề cập đến mối quan hệ mật thiết mắt não, đến cách kết hợp chặt chẽ hai quan phép nhìn thấy Chương khám phá cách thức mà ánh sáng góp phần làm phong phú giới tinh thần nghệ thuật người Mắt dụng cụ quang học kỳ diệu mà tiến hóa sinh học nhào nặn cách độc lập cho nhiều loài Mặc dù mắt người chứa ba loại tế bào thị giác nhạy cảm với ba loại màu: đỏ, xanh tím, nhờ hoạt động não, người tri giác tới khoảng vài trăm sắc thái màu giới Chính nhờ có não mà nhạy cảm với ánh sáng, mà ánh sáng khơi dậy xúc cảm tình cảm Theo Goethe, ánh sáng có chất sâu kín tâm Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng linh, màu “những hành động nỗi đớn đau ánh sáng” Một vật có màu sắc tri giác mắt não Các màu chuyển tải mã, ý nghĩa che khuất, điều cấm kị định kiến mà phản ứng lại cách vô thức Các họa sỹ bậc thầy nghệ thuật sử dụng ánh sáng để gợi ấn tượng cảm giác thực Monet, hoạ sỹ thuộc trường phái ấn tượng, biến ánh sáng thành yếu tố thay đổi tranh ông Ông muốn thâu tóm tranh ông “tính tức thời”, thần thái vật thời điểm định Ánh sáng, vốn thay đổi theo thời gian, màu sắc, vốn thay đổi theo chiếu sáng, phải tính đến giá Bị mê phát kiến khoa học liên quan đến ánh sáng thị giác, Seurat sáng tạo lối vẽ điểm hoạ ông Những biến đổi sắc độ không tạo cách pha trộn màu bảng màu nữa, mà cách bắt mắt não người xem phải tổ hợp điểm màu khác loại “đại tổng hợp thị giác” Từ bỏ phép phối cảnh truyền thống, Cézane tiến hành thử nghiệm với không gian màu sắc Theo ông, hội họa nghệ thuật bắt chước vật Vẽ, sử dụng màu sắc hình khối để thể cảm giác bên mãnh liệt trước giới bên Còn Kandinsky đẩy trừu tượng xa nữa: khẳng định chiều kích tinh thần ánh sáng màu sắc, ông khẳng định hội họa vượt qua hình khối thể đường nét, vết màu, màu sắc biểu lộ cộng hưởng nội riêng có tâm hồn sử dụng cách độc lập với thực thị giác Chiều kích tinh thần ánh sáng tôn giáo truyền thống tâm linh ca ngợi đến cực điểm Trong Cơ đốc giáo, Chúa ánh sáng, nghệ thuật Gothic trước hết nghệ thuật ánh sáng Trong Phật giáo, ẩn dụ ánh sáng sử dụng để tiêu tan vô minh nhận diệu đế Cuốn sách dành cho "chính nhân" không thiết phải có hành trang kỹ thuật, mà cần có óc tò mò ham hiểu biết vật lý siêu hình ánh sáng Trong trình viết sách này, cố gắng để tránh sử dụng thuật ngữ chuyên ngành mà không làm độ xác nghiêm túc khoa học Tôi đặc biệt quan tâm làm hình thức trình bày đơn giản nhất, rõ ràng dễ đọc nhất, nhằm chuyển tải đến bạn đọc khái niệm khô khan, xa lạ khó hiểu Tôi đưa vào nhiều hình ảnh tập hình minh họa màu không để cụ thể hóa trình bày, mà để việc đọc sách thêm vui mắt TRỊNH XUÂN THUẬN (Charlottesville, tháng 11 năm 2006) Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng CON MẮT CỔ ĐẠI VÀ NGỌN LỬA BÊN TRONG Ánh sáng chạm đến tất mặt sống Trong viết, nhìn qua cửa sổ Khung cảnh mùa đông tràn ngập Virginia Mặt trời vàng tỏa sáng toàn lửa bầu trời xanh thẳm, để lộ thân trơ trụi màu nâu, nhà sơn trắng thấp thoáng sau hàng cây, mà đoán đường nét kỷ hà chúng, vài xe đỗ bên đường Chỉ có sóc có lông màu ghi xám nhảy nhót mặt đất trơ trụi chuyền từ cành sang cành kia, phá vỡ yên tĩnh khung cảnh mùa đông Nói tóm lại, tập hợp quen thuộc đường nét, motif, hình ảnh màu sắc mà ánh sáng làm phát lộ trước mắt tâm hồn Ánh sáng cho phép kết nối với giới bên gắn vào Ánh sáng giá đỡ thị giác, mà thị giác, giác quan khác, lại ngự trị đời sống tinh thần Ánh sáng làm cho trải nghiệm thị giác thêm phong phú, giàu sắc thái chi tiết đến mức phân biệt với trải nghiệm giới Cho dù có không nhìn giới cách trực tiếp, ngăn cản tưởng tượng giới, tái giới hình ảnh đầu Ánh sáng cho phép nhận biết giới xây dựng sở liệu hướng dẫn hoạt động hành vi Tôi đưa mắt dạo quanh phòng Tất nói với ánh sáng: hình sáng máy tính bật với dòng chữ xuất trước mắt tôi; cần bật nhẹ công tắc, đèn tỏa đầy bàn quầng sáng dịu; dàn hi-fi phát nốt nhạc du dương sonate viết cho piano ghi đĩa compact đọc chùm sáng gọi laser; đầu đọc DVD giúp hiển thị phim vốn không khác ánh sáng chuyển hóa thành tín hiệu số ghi giá đỡ kim loại; ảnh gắn tường, kết trò bắt ánh sáng nhũ tương hóa học; đài hay tivi cho phép tiếp cận gần đồng thời với tất kiện giới, nghe xem nghệ sỹ mà ưa thích Ánh sáng biến Trái Đất thành làng toàn cầu Mạng cáp quang vận chuyển tín hiệu ánh sáng cho phép kết nối máy tính toàn giới lại với nhau: gửi thư điện tử, thư đến gần tức địa người nhận, từ phòng làm việc đến vùng xa xôi hành tinh Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng ÁNH SÁNG LÀ NGUỒN SỐNG Ánh sáng phần tách rời sống hàng ngày Ánh sáng hữu khắp nơi, tới mức coi hiển nhiên đối xử với cách thờ ơ, quanh ta bóng tối thấy nhớ ánh sáng Chúng ta vui mừng sảng khoái đón chào ngày mới, với hứa hẹn hy vọng nó, chấm dứt đêm tối tăm chứa đầy mối đe dọa nỗi sợ hãi truyền kiếp bắt nguồn từ thời xa lắc xa lơ tổ tiên Ánh sáng đối lập với bóng tối Buổi tối, Mặt Trời lặn xuống đường chân trời, tia nắng xiên khoai khơi dậy ta nỗi hoài niệm, cảm giác mát không an ủi Một bầu trời xanh quang đãng làm dịu lòng ta, bầu trời đầy mây xám ngắt gieo vào đầu óc nỗi chán chường kiểu thi sĩ Beaudelaire Nhưng gắn bó với ánh sáng sâu sắc Ánh sáng chí duyên khởi tồn Mọi sống Trái Đất phụ thuộc vào ánh sáng Mặt Trời Thực tế, ánh sáng chịu trách nhiệm quang hợp cối Khi h hấp thụ ánh sáng Mặt Trời, phân tử diệp lục xanh khởi phát chuỗi phản ứng hóa học chuyển hóa nước khí cacbonic có khí Trái Đất thành ôxy phân tử đường (gọi hydrat cacbon) Trong chừng mực nói phân tử có tác dụng tích trữ lượng Mặt Trời Con người thực chuyển hóa Chúng ta sử dụng lượng Mặt Trời mâm qua cơm việc ăn rau thịt động vật, mà thân vật lại ăn thực vật Chính lượng ánh sáng mà cối thu nhận xác định chuỗi thức ăn đảm bảo tồn Như ánh sáng nguồn sống Nó cho phép tri giác hiểu giới, tiến hóa giới, tương tác với giới, chinh phục vùng đất, đại dương không gian Ánh sáng giúp ta đánh giá vẻ đẹp, lộng lẫy hài hòa vũ trụ quanh ta Ánh sáng điều chỉnh nhịp sinh học thể Nhưng có nghịch lý lớn: ánh sáng cho phép nhìn thấy giới, thân ánh sáng lại không nhìn thấy vật môi trường chặn đường làm cho bộc lộ Thật vậy, bạn chiếu ánh sáng vào thùng kín ý không đập vào vật hay bề mặt nào, bạn thấy bóng tối Chỉ bạn đưa vật ngang qua đường ánh sáng bạn thấy chiếu sáng bạn biết thùng chứa đầy ánh sáng Tương tự, nhà thiên văn học nhìn qua cửa sổ phi thuyền không gian thấy không gian sâu thẳm tối đen Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng mực, ánh sáng Mặt Trời choán đầy xung quanh Ánh sáng Mặt Trời không đập vào nên không nhìn thấy Vậy ánh sáng gì? Ánh sáng bắt nguồn từ đâu? Đâu chất vật kỳ diệu cho phép nhìn thấy giới xung quanh, thân lại nhìn thấy giúp đỡ vật nằm đường nó? Làm tri giác hình ảnh giới bên ngoài? Bản chất hình ảnh gì? Não diễn giải thông tin chứa đựng hình ảnh này? Những câu hỏi ám ảnh nhà tư tưởng vĩ đại từ hai nghìn năm trăm năm Bởi ánh sáng từ lâu coi yếu tố quý giá tự nhiên, mắt người phận quý giá thể người, nên nhà tư tưởng vĩ đại – Aristotle, Ptolemy, Alhazen, Léonard de Vinci, Kepler, Newton, Goethe, Einstein nhiều người khác – quan tâm đến vấn đề chất ánh sáng Xét mặt lịch sử, nghiên cứu ánh sáng chậm phát triển, đường dẫn đến việc giải mã bí mật ánh sáng rắc đầy sai lầm lạc lối trí tuệ người, đầy rẫy lối lầm lạc ngõ cụt, rọi sáng trực giác xuất thần cú nhảy vọt sáng tạo xuất sắc Sở dĩ nghiên cứu ánh sáng liên quan với yếu tố không vật lý (hình ảnh vào mắt nào), mà sinh lý (não giải mã hình ảnh nào) Hiểu ánh sáng, nghĩa phải giải mã bí mật mắt não Ánh sáng, thị giác hoạt động thần kinh gắn bó với tách rời Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng VƯƠNG QUỐC CỦA ÁNH SÁNG Từ thời kỳ xa xưa ngày nay, ánh sáng luôn mê đầu óc người Ánh sáng có ảnh hưởng lớn đến xúc cảm suy nghĩ người, đến cách người quan niệm giới, dù thầy tu, triết gia, nhà thơ, nghệ sỹ hay nhà bác học Rất lâu trước trở thành đối tượng nghiên cứu khoa học, ánh sáng xếp vào hạng tiên nghiệm (ordre transcendental) Các nguồn sáng bầu trời - Mặt Trời, Mặt Trăng, sao, cầu vồng, cực quang – đóng vai trò thần thánh nhiều thần thoại giới Ánh sáng sứ giả thần thánh Mối liên kết ánh sáng với quan niệm cho người sinh từ ánh sáng mật thiết tới mức người ta nói văn hóa xác định hình ảnh mà người ta ban tặng cho ánh sáng Cézane vẽ mệt mỏi nhiều lần núi Sainte – Victoire góc độ chiếu sáng khác Monet chăm theo dõi trò chơi sáng – tối suốt nhiều motif giáo đường Rouen Như ánh sáng mang theo hàm ý thẩm mỹ “cái đẹp” hàm ý tinh thần “cái thiện” Ánh sáng cho phép ngắm nhìn giới giải thích giới Trong khoa học, ánh sáng đóng vai trò hàng đầu Ánh sáng thu hút ý nhà quang học, người chuyên chế tạo kính thiên văn loại kính viễn vọng khác để bắt xạ yếu thiên thể xa Đối với nhà thiên văn, ánh sáng phương tiện đặc ân để tiếp xúc với phần lại vũ trụ Ánh sáng mà nhà thiên văn thu nhận được, thứ ánh sáng đến từ thời xa lắc xa lơ, vượt qua không gian mênh mông thiên hà, mang theo mật mã vũ trụ mà nhà thiên văn phải hoá giải muốn tái dựng khứ, hiểu tiên đoán tương lai vũ trụ Còn nhà vật lý lại quan tâm đến chất ánh sáng Họ phát ánh sáng có hai mặt, giống Janus: số hoàn cảnh đó, ánh sáng trình sóng, hoàn cảnh khác, lại biến hoá thành hạt Về phần mình, nhà sinh vật học muốn hiểu làm mà tiến hóa theo Darwin, kích thích chọn lọc tự nhiên, lại tạo dụng cụ hoàn hảo đến - mắt người Còn nhà thần kinh học lại muốn tìm hiểu làm mà thông tin thị giác mắt truyền lên não lại cho phép não xây dựng biểu tượng giới 10 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng ập lên bạn, mà sóng Chỉ sóng bị vỡ cát thân nước tràn Chuỗi kiện tương tự xảy bạn quan sát chai rỗng phao mặt biển: sóng qua, vật nâng lên hạ xuống, vị trí cũ Như ánh sáng lan truyền thực thể vật chất, mà hình dạng 52 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng ÊTE, THỰC THỂ HUYỀN BÍ VÀ VÔ HÌNH Nhưng, giống sóng nước lan mặt biển, sóng ánh sáng cần phải có thể vật chất để lan truyền Theo Huygens, chất tinh chất, huyền bí không sờ mó được, choán đầy không gian, chất lỏng giả thuyết, không trọng lượng đàn hồi mà người xưa gọi “ête” Theo Huygens, ête giống với không khí Nếu bạn đặt chuông bình hút hết không khí bình ra, bạn nghe tiếng chuông kêu, âm cần có không khí để lan truyền Ngược lại, bạn nhìn thấy chuông, ánh sáng sóng lan truyền ête, ête không bị hút khỏi bình không khí Huygens nghĩ - cách sai lầm, thấy - ánh sáng, giống âm thanh, sóng nén, lan truyền cách nén hạt ête trước Vậy sóng ánh sáng sinh nào? Theo Huygens, nguồn sáng bao gồm vô số hạt rung động Các hạt truyền rung động chúng tới hạt ête bên cạnh dạng sóng cầu có tâm hạt rung (H.12) Vô số sóng cầu truyền đi, bán kính tác dụng chúng tăng dần theo thời gian Chúng chồng chập lên biểu hỗn độn chúng gần nguồn sáng giảm dần sóng truyền xa nguồn sáng Càng xa nguồn sáng, sóng trở nên trơn đặn Ánh sáng tính chất khác cần giải thích: sáng nhanh nhiều âm thanh, nhận thấy trời có giông Chúng ta nhìn thấy chớp sớm nhiều nghe thấy tiếng sấm Vận tốc âm nghe được, có tần số từ 15 Hz (âm trầm) 15 kHz (bổng), khoảng 340 m/s; vận tốc ánh sáng 300 triệu m/s, lớn khoảng triệu lần Huygens giải thích chênh lệch lớn vận tốc có độ chênh lệch lớn độ cứng không khí ête Thật vậy, vận tốc lan truyền sóng tăng theo độ cứng môi trường suốt Để nhận thấy điều đó, bạn kéo căng sợi dây hai cột Đập vào đầu dây nhìn sóng cú đập gây lan truyền sang đầu dây bên Hãy tăng độ cứng dây cách kéo căng chút, lặp lại thí nghiệm Ban thấy nhiễu động sóng chuyển động nhanh Ngược lại, giảm độ căng, sóng chuyển động chậm Huygens thừa nhận hạt ête cứng rắn đến mức chúng truyền nhiễu động tức thời Chỉ cần rung nhẹ đầu bên hạt ête truyền sang đầu bên Ngược lại, hạt không khí mềm truyền rung động chậm nhiều 53 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng Nhờ lý thuyết sóng mà Huygens có nhìn tổng hợp quang học Ông không tìm định luật phản xạ khúc xạ, mà giải thích tượng nhiễu xạ Grimaldi quan sát, điều mà lý thuyết hạt làm Tuy nhiên, lý thuyết sóng ánh sáng ông chưa chiếm ưu Một nhân vật bước lên sân khấu ánh sáng, nhà bác học người Anh Isaac Newton (1642-1727), người lần lại làm nghiêng cán cân sang phía lý thuyết hạt 54 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng NEWTON, THIÊN TÀI CÔ ĐƠN Giống loại truyền tiếp đuốc, Newton sinh vào năm Galileo (1564-1642) Cuộc đời họ xác định thời kỳ đại cách mạng khoa học mà hai người có nhiều đóng góp Khi sinh viên ĐH Cambridge vào năm 1664 1665, chàng trai trẻ Newton thuộc lòng tác phẩm Descartes, Galileo Kepler Để tránh dịch hạch hoành hành thời gian đó, năm 1665, ông nương náu nhà mẹ Woolsthorpe, vùng nông thôn Lincolshire Hai năm tiếp sau thật kỳ diệu quãng thời gian nhà vật lý trẻ làm thay đổi diện mạo giới sức mạnh trí tuệ Ông phát minh phép tính vi tích phân năm hai mươi tư tuổi, có phát chất ánh sáng, đặc biệt xây dựng lý thuyết vạn vật hấp dẫn Truyền thuyết kể nhìn thấy táo vườn rơi xuống chân, trực giác thiên tài ông mách bảo nguyên nhân làm cho táo rơi làm cho Mặt Trăng quay quanh Trái Đất một, lực hấp dẫn Newton phong giáo sư ĐH Cambridge, trường ĐH danh tiếng, bước vào tuổi 29 Nhưng, vài đồng nghiệp biết đến phát minh ông, Newton nhân chứng thiên tài Làm việc đơn độc, ông viết hàng trăm trang tính toán, cuối cất kỹ ngăn kéo bàn Newton không cho đăng công trình nghiên cứu mình, có lẽ ông cho chúng chưa hoàn chỉnh, mà tính ông hay đa nghi hoang tưởng Vị giáo sư trẻ nghĩ việc công bố gây công kích chống lại quan điểm ông, quan điểm ông bị đồng nghiệp ăn cắp cách trắng trợn Thiên tài Newton không phát lộ nghiên cứu toán học lý thuyết Ông chứng tỏ nhà thực nghiệm ngoại hạng Với hy vọng xâm nhập sâu vào bí mật tự nhiên Chúa (Newton người sùng tín), ông lao vào nghiên cứu giả kim thuật thần học Nhưng đời ông có bước ngoặt quan trọng vào năm 1684, khoảng hai mươi năm sau phát định luật vạn vật hấp dẫn, ông gặp nhà thiên văn học hoàng gia Edmund Halley Qua câu chuyện tình cờ, Halley biết gần hai thập kỷ trước Newton giải toán chuyển động hành tinh - hành tinh lại tuân theo định luật Kepler? - kỹ thuật toán học ông sáng tạo - phép tính vi tích phân ! Halley liên tục thúc giục Newton công bố lý thuyết Nhượng trước khích lệ nhà thiên văn học hoàng gia, sau hai năm viết cật lực, năm 1689, cuối Newton xuất 55 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng tiền Halley tuyệt tác Các nguyên lý toán học triết học tự nhiên (thường gọi tắt tên Latinh Principia), ông trình bày tài tình lý thuyết vạn vật hấp dẫn Principia ngày sách vật lý có ảnh hưởng thời đại Vài năm sau, suy sụp tinh thần chấm dứt khả sáng tạo Newton Ông rời Cambridge đến Luân Đôn, ông bổ nhiệm làm “Giám đốc Sở đúc tiền” Ông dành nhiều năm để quan tâm đến vấn đề tiền tệ nước Anh Chính thời kỳ ông viết tác phẩm quan trọng mang tên Optikcs, xuất năm 1704 Trong sách ông mô tả nghiên cứu quang học thực khoảng ba mươi năm trước Các quan điểm ông sau thống trị toàn tư tưởng kỷ XVIII ánh sáng màu sắc Các quan điểm Newton lan rộng khắp lục địa làm ông trở nên tiếng Đóng góp vào người phổ biến khoa học tài đưa khoa học triết học Newton đến với giới trí thức châu Âu Trong số họ, có lẽ xuất sắc tiếng Voltaire (1694-1778), triết gia kỷ nguyên Ánh Sáng người hâm mộ nồng nhiệt Newton, ông công bố Các yếu tố triết học Newton tầm tay người vào năm 1738 Trong sách dành tặng người tình mình, nữ hầu tước Châtelet, Voltaire tự trao cho nhiệm vụ “nhổ gai khỏi trang sách Newton đồng thời không tô điểm thêm cho chúng hoa không thích hợp.” Sau sách xuất bản, đối thủ (các tu sĩ dòng Tên) Voltaire phải thừa nhận “cả Paris vang dội tên tuổi Newton, Paris nghiên cứu học Newton” Hơn hai kỷ sau, Albert Einstein, người khổng lồ khác lâu đài vật lý, nói bậc tiền bối mình: “Newton tổng hoà nhà thực nghiệm, nhà lý thuyết nhà nghệ sỹ Ông sừng sững trước chúng ta, mạnh mẽ, chắn cô đơn: niềm vui ông sáng tạo xác tỉ mỉ ông hiển chữ phép tính.” 56 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng LĂNG KÍNH CỦA NEWTON Newton bắt đầu nghiên cứu quang học việc chế tạo “kính theo kiểu Galileo” Galileo vào đầu óc người với vai trò người hướng kính thiên văn lên trời, vào năm 1609 Với độ phóng đại gấp ba mươi hai lần, kính cho phép Galileo khám phá nhiều kỳ quan Trong số khám phá ngoạn mục ông phải kể đến bốn mặt trăng lớn Mộc tinh, ngày gọi “vệ tinh Galileo”, vết Mặt Trời dãy núi Mặt Trăng Kính thiên văn Galileo hoạt động dựa thấu kính tụ tiêu ánh sáng tới từ tinh tú xa xôi; qua thấu kính suốt, tia bị lệch hướng theo định luật khúc xạ (từ kính có tên “kính thiên văn khúc xạ”) hội tụ đằng sau thấu kính để tạo thành ảnh vị trí gọi “tiêu điểm” (H 13) Nhưng Newton nhanh chóng nhận ảnh mà ông thu kính thiên văn khúc xạ Galileo có rìa mép không rõ nét, chúng bị bao quanh quầng ngũ sắc, với màu theo trật tự: tím, chàm, lam, lục, vàng, cam đỏ Để hiểu tượng phát ngũ sắc bí ẩn này, Newton định tiến hành thí nghiệm ánh sáng cách cho qua lăng kính rắn, suốt có dạng lăng kính với tiết diện ngang hình tam giác, có tác dụng phân tách làm lệch hướng ánh sáng (H 14) Ông tiến hành loạt thí nghiệm thuộc loại nhã vật lý học, thuộc loại thí nghiệm tiếng lịch sử ánh sáng Ông dùng lăng kính thủy tinh để phân tách ánh sáng Mặt Trời (ánh sáng trắng) thành lễ hội màu sắc mà nhìn thấy cầu vồng giọt sương ban mai vương cỏ buổi sáng nắng đẹp (H.1 tập hình ảnh màu) Newton nhận dãy màu sắc dãy nhìn thấy rìa mép ngũ sắc ảnh thiên thể nhìn kính thiên văn Galileo Hình 13 So sánh kính thiên văn khúc xạ (b) với kính thiên văn phản xạ (a) Hai loại kính thiên văn sử dụng để nhận tụ tiêu ánh sáng vũ trụ Các máy dò điện tử đặt tiêu điểm để ghi ánh sáng Trong trường hợp kính thiên văn khúc xạ, ánh sáng qua thấu kính tụ tiêu tiêu điểm sau thấu kính Trong trường hợp kính thiên văn phản xạ, ánh sáng hệ gương phản xạ tụ tiêu Máy dò điện tử đặt tiêu điểm gương sơ cấp để ghi ánh sáng gương sơ cấp phản xạ tới Các gương sơ cấp lớn giới có đường kính tới mười mét: hai kính thiên văn Keck đặt đỉnh núi lửa tắt Mauna Kea Hawaii Nhưng tiêu điểm kính thiên văn phản xạ nằm cao, nói chung không thực tế đặt dụng cụ đo Thông thường nhất, ánh sáng đường từ gương sơ cấp bị chặn gương thứ cấp nhỏ hơn, có tác dụng lái ánh sáng đến vị trí 57 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng thuận lợi Trong kính thiên văn phản xạ loại Newton (gọi theo tên Newton, người phát minh nó), chùm sáng bị làm lệch 90 độ phía thị kính Loại kính thiên văn nhà thiên văn học nghiệp dư ưa thích Bức thư viết năm 1671 gửi Royal Society, tức Viện Hàn lâm Khoa học đầy uy tín nước Anh, Newton miêu tả thích thú chơi với ánh sáng : “Năm 1666, mua lăng kính tam giác thủy tinh để thực thí nghiệm tượng tiếng màu sắc Sau đóng kín phòng cho tối khoét lỗ cửa để lượng ánh sáng Mặt Trời thích hợp lọt vào, đặt lăng kính trước lỗ để ánh sáng bị khúc xạ lên tường đối diện Ban đầu, trò giải trí thú vị ngắm màu sắc sống động mạnh tạo ra” Ông viết tiếp: “Nhưng, lúc sau, cố gắng xem xét chúng cách chi tiết hơn, ngạc nhiên nhận thấy ánh sáng bị tán sắc có hình bầu dục không tròn, định luật khúc xạ dự báo” Newton hiểu có hình dạng bầu dục ánh sáng Mặt Trời bị tán sắc lăng kính không trải theo tất hướng để tạo cho hình ảnh có dạng tròn, mà theo hướng vuông góc với mặt lăng kính, tạo cho có hình bầu dục Hình 14 Nhà bác học người Anh Isaac Newton (1642-1727) miệt mài với thí nghiệm tiếng dùng lăng kính để phân tách ánh sáng trắng Mặt Trời thành màu cầu vồng Các thí nghiệm thuộc loại quan trọng lịch sử vật lý (Tranh khắc Froment theo Guillon, kỷ XIX) © Rue des Archives/PVDE 58 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng BẢY MÀU CƠ BẢN Trong cố gắng hiểu dãy màu, Newton nhớ lại thí nghiệm khác Buộc sợi dây màu đỏ với sợi dây màu lam, quan sát hai sợi dây qua lăng kính, ông thấy sợi màu đỏ bị xê xích nhẹ so với sợi màu lam Thay nằm phần kéo dài sợi màu lam, sợi màu đỏ nhìn bị dịch lên cao hơn, điều giải thích ánh sáng màu lam bị lệch hướng nhiều ánh sáng màu đỏ Thí nghiệm phân tách ánh sáng lăng kính cho kết tương tự (H 15) Nó chứng tỏ ánh sáng màu lam khúc xạ nhiều ánh sáng màu đỏ, lần này, nguồn sáng không sợi dây màu nữa, mà đĩa trắng Mặt Ttrời Làm ánh sáng trắng lại có màu vậy? Hai khả xảy ra: màu tính chất lăng kính tạo cho ánh sáng trắng qua nó; ánh sáng trắng chứa sẵn tất màu cầu vồng, chức lăng kính tách màu Descartes lựa chọn giả thiết thứ Theo ông, ánh sáng vận chuyển hạt, hạt có màu sắc cách quay quanh theo chuyển động quay lăng kính truyền cho Newton bác bỏ giả thuyết Trong thí nghiệm ông hai sợi dây màu, màu tồn hai sợi dây trước ánh sáng qua lăng kính Như lăng kính tạo màu Mặt khác, ông quan sát thấy dãy màu nghiên cứu tương tác ánh sáng với bong bóng xà phòng Như màu lăng kính tạo Nhưng, để chắn ánh sáng trắng kết hỗn hợp màu, Newton có ý tưởng thiên tài đưa ánh sáng bị phân tách lăng kính thành màu khác qua lăng kính thứ hai giống hệt với lăng kính thứ nhất, đặt theo chiều ngược lại Và điều kỳ diệu xảy ra: ánh sáng từ lăng kinh thứ hai lại trở màu trắng! Như ánh sáng trắng chắn tổng hợp bảy màu gọi màu Theo Newton, việc có bẩy màu ngẫu nhiên Với tính ưa thần bí, ông cho màu ánh sáng phải tuân theo nguyên lý hài hòa chi phối âm âm nhạc Theo ông, bẩy màu phân bố quãng tám, tương ứng với bẩy âm thang nguyên Newton người nêu tương tự ánh sáng âm nhạc Trước ông lâu, Aristote so sánh màu sắc với âm Nhưng, ngược với Aristote người cho màu xếp cách tuyến tính, từ trắng đến đen, Newton người nhận thấy bảy màu (không bao gồm màu trắng màu đen) không nối tiếp cách tuyến tính, mà xếp theo vòng tròn, từ tím đến đỏ qua chàm, lam, lục, vàng cam để trở lại tím, giống rắn tự cắn đuôi Bẩy màu nối tiếp 59 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng gối lên Màu trắng (H 16) Newton cách sử dụng vòng tròn màu để biết kết pha hai hay nhiều màu với tỉ lệ khác Như nói ông c òn cha đẻ phép phối màu Hình 16 Bánh xe màu Newton Quang phổ bẩy màu (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm tím) xếp theo vòng tròn cho màu tím màu đỏ nằm cạnh Màu trắng nằm Như Newton người đưa hệ màu vừa thực tiễn vừa xác mặt tâm lý; đỏ tím tồn quan hệ gần gũi 60 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng KÍNH PHẢN XẠ CỦA NEWTON Nhưng Newton không dừng lại Ông muốn có thêm luận chứng để tống khứ dứt khoát vào quên lãng quan điểm cho lăng kính tạo màu cho ánh sáng Trong khoa học, nhiều đối chiếu kết thí nghiệm độc lập tạo niềm tin tính đắn lý thuyết Nhờ chắn, Newton phân chia tia màu từ lăng kính thành nhiều chùm, chùm chứa màu (được gọi chùm đơn sắc) Sau ông cho chùm sáng đơn sắc qua lăng kính thứ hai, lần đặt chiều với lăng kính thứ Câu hỏi đặt là: chùm đơn sắc liệu có bị phân tách thành thành phần không? Câu trả lời không Một tia đỏ lục vào lăng kính thứ hai xác màu đỏ màu lục (H 17) Từ Newton rút kết luận bảy màu lăng kính thứ tách màu bản, phân chia nữa, ánh sáng trắng Hình 17 Experimentum Crucis Một thí nghiệm Newton chứng tỏ chùm sáng đơn sắc bị phân tách lăng kính Hình cho thấy chùm tia sáng Mặt Trời vào qua cửa sổ qua lăng kính phân tách thành bẩy chùm đơn sắc Một chùm đơn sắc sau phóng qua lăng kính thứ hai Lần này, chùm sáng không bị phân tách thành nhiều chùm khác nữa: ánh sáng trắng hỗn hợp, màu Một kết khác khẳng định kết luận Ánh sáng từ lăng kính thứ hai có dạng tròn dạng bầu dục, từ lăng kính thứ Điều có nghĩa lăng kính thứ hai thực tế không làm thay đổi chất ánh sáng tới, ngoại trừ hướng nó, đổi hướng phụ thuộc vào màu chùm tới Từ thí nghiệm Newton kết luận mép thấu kính kính thiên văn Galileo có tác dụng lăng kính, phân tách ánh sáng tới từ tinh tú xa xôi thành nhiều thành phần màu khác nhau, làm lệch hướng chúng cách khác tùy theo màu sắc Như vậy, chùm sáng đơn sắc có tiêu điểm riêng Chẳng hạn, ánh sáng lam bị lệch hướng nhiều hơn, nên tiêu điểm gần thấu kính chút so với ánh sáng đỏ Chính có nhiều tiêu điểm nguyên nhân tạo quầng ngũ sắc Các nhà thiên văn học gọi tượng “sắc sai” (H 18) Hình 18 Sắc sai Các mép thấu kính kính thiên văn khúc xạ xử lăng kính làm lệch thành phần màu theo góc khác Chẳng hạn, thành phần tím bị lệch nhiều tụ tiêu điểm gần thấu kính thành phần đỏ Điều có nghĩa tất 61 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng hình ảnh thu thiên thể có quầng màu, dù vị trí máy dò đặt đâu tiêu điểm ánh sáng tím đỏ Chú ý: chữ ghi hình (từ trái sang phải) !!!!! Ánh sáng trắng; Tím; Đỏ Bởi thấu kính nguyên nhân làm cho ảnh bị mờ nhoè viền mép, nên cần phải loại bỏ để thu ảnh rõ nét! Newton phát minh kính thiên văn ông thay thấu kính gương Chính gương thu nhận, phản xạ tụ tiêu ánh sáng Kính thiên văn gọi kính phản xạ (H 13) Ngoài việc loại bỏ quầng ngũ sắc, kính thiên văn phản xạ có có nhiều ưu điểm khác so với kính thiên văn khúc xạ Trước hết, ánh sáng quý báu đến từ vũ trụ không bị hấp thụ không bị tiêu tán, qua thủy tinh thấu kính Hiệu ứng hấp thụ không lớn ánh sáng nhìn thấy được, lại lớn ánh sáng cực tím hồng ngoại Thứ hai, thấu kính lớn thủy tinh nặng và, đỡ hai đầu mút để không chặn tia sáng tới, nên dễ bị biến dạng tác động trọng lượng nó, điều ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh Trong đó, gương có hình dạng parabolôít (để tụ tiêu tia vào điểm) đỡ toàn mặt phía sau Cuối cùng, thấu kính có hai mặt (một mặt lõm mặt lồi) phải mài cách xác - nhiệm vụ khó khăn - để thu ảnh rõ nét, gương có mặt, điều giúp tiết kiệm nhiều công sức mài nhẵn Chính tất lý mà kính thiên văn lớn đại kính thiên văn phản xạ sử dụng gương để thu nhận ánh sáng vũ trụ Kính thiên văn khúc xạ lớn giới, có thấu kính đường kính khoảng mét, chế tạo cách kỷ, năm 1897, đài thiên văn Yerkes, Wisconsin Kể từ đó, kính thiên văn phản xạ chỗ kính thiên văn khúc xạ Các kính thiên văn lớn có đường kính khoảng 10 mét (đó kính Keck, đài thiên văn Mauna Kea, đảo Hawaii), kính thiên văn khổng lồ đường kính 30 mét lấp ló chân trời Năm 1672 Newton giới thiệu kính thiên văn phản xạ ông với Royal Society Luân Đôn (H 19) Có khả phóng đại hình ảnh gấp khoảng ba mươi tám lần, sáng chế làm cho danh tiếng ông vượt cộng đồng giáo sư hạn hẹp Cambridge 62 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng CÁC ĐÁM MÂY ĐEN ĐÃ THẤP THOÁNG LÓ Ở CHÂN TRỜI Huygens sức bảo vệ lý thuyết sóng ánh sáng ông Ông tìm đồng minh Robert Hooke (1635-1703), nhà thực nghiệm kỳ cựu tiếng Royal Society chuyên chuẩn bị thí nghiệm để cung cấp cho tranh luận thành viên uyên bác Hội Hoàng gia Luân Đôn Hooke trước hết tiếng rộng rãi với vai trò tác giả Micrographia, tác phẩm miêu tả chi tiết giới nhìn qua kính hiển vi Nhờ có khiếu bẩm sinh nhà quan sát tài tuyệt vời hoạ sĩ, thứ khác, Hooke phát chất đích thực mốc cánh hoa hồng, hay dáng vẻ kì lạ số thực vật, nhậy bọ chét chúng phóng đại lên nhiều lần Ông miêu tả sách chi tiết màu tạo lớp vật chất mỏng, thành bong bóng xà phòng hay hai thủy tinh mỏng ép sát vào Ông nhận thấy cách thay đổi độ dầy lớp không khí hai thủy tinh, vòng màu xuất theo trật tự màu cầu vồng Hooke phát triển tác phẩm lý thuyết sóng ánh sáng có nhiều nét giống lý thuyết Huygens Theo ông, ánh sáng bắt nguồn từ chuyển động hạt vật chất Trong vật sáng, hạt rung động rung động chúng lan truyền môi trường xung quanh (ête) dạng sóng, mà vận chuyển vật chất kèm theo Nhưng quan niệm chất sóng ánh sáng không kéo dài lâu Nó bị quét bỏ nhấn chìm sóng phấn khích đón nhận quan điểm hạt Newton Tuy nhiên, lý thuyết túy hạt liệu thực giải thích tất tính chất ánh sáng hay không? Một thí nghiệm đặc biệt, Newton thực hiện, khiến người ta phải suy nghĩ Khi Newton đặt thấu kính phẳng lồi lên thủy tinh (với mặt phẳng ngửa lên trên) chiếu sáng tất ánh sáng đơn sắc, ông phát tượng quang học mới, lạ Nhiều vòng tròn đồng tâm (ngày gọi “vân tròn Newton”) xuất hiện, đan xen vân đen vân màu Hoàn toàn tự nhiên, Newton giải thích vân đen vùng ánh sáng bị thấu kính phản xạ, vân màu vùng ánh sáng truyền qua Nhưng làm quái giải thích hạt ánh sáng, đến bề mặt thấu kính, lúc bị phản xạ, lúc truyền qua? Newton cho rằng, điều kiện thủy tinh thấu kính giống không đổi, nên tính chất hạt ánh sáng phải biến đổi khác Như ông cho hạt ánh sáng tính chất gọi “accès” (đường tới) Các hạt có “accès” truyền qua dễ truyền qua, hạt ánh sáng có “accès” phản xạ dễ 63 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng phản xạ Nhưng “lý thuyết” không giải thích điều gì: làm xuất thêm vấn đề, cần phải có lý thuyết khác để giải thích tính chất gọi “accès” Bất chấp vài đám mây đen báo hiệu có giông bão, công trình Newton tiếp tục có ảnh hưởng gây tiếng vang lớn Tiếng vang thể rõ qua hai câu thơ nhà thơ người Anh Alexandre Pope (1688-1744) khắc bia mộ ông, năm 1727 : Tự nhiên định luật tự nhiên bị bao bọc bóng tối, Chúa nói: “Sẽ có Newton”, tất bừng sáng! 64 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng CÁC HẠT ÁNH SÁNG Newton người ủng hộ mạnh mẽ lý thuyết hạt ánh sáng Theo ông, tia sáng cấu thành từ vô số hạt sáng phát vật chiếu sáng, lan truyền theo đường thẳng qua không gian nối tiếp nhau, xe ô tô đường Ông xem xét, sau bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng Lý lẽ ông người ta nghe thấy rõ tiếng động chỗ rẽ góc phố mà không cần nhìn thấy người vật gây tiếng động Mà, ánh sáng có chất sóng, âm thanh, điều kiện nhau, phải nhìn thấy ánh sáng giống nghe thấy âm Còn tri giác màu chúng ta, nguyên nhân kích thước hạt Chẳng hạn, hạt nhỏ tạo cảm giác tím Các hạt lớn gây cảm giác màu chàm, tiếp tục Bởi tồn bẩy màu bản, nên hạt phải có bẩy loại kích thước khác Như tổng giác màu biểu thị chủ quan thực khách quan quy định kích thước hạt Nhờ mô hình hạt khái niệm gợi ý từ lý thuyết vạn vật hấp dẫn – lý thuyết chi phối rơi táo chuyển động hành tinh - Newton giải thích định luật quang học Chẳng hạn, để giải thích định luật phản xạ, khúc xạ nhiễu xạ, Newton đưa vào lực hút đẩy hạt ánh sáng, hạt mà để tự chúng truyền theo đường thẳng Liên quan đến khúc xạ, ông đưa giả thuyết cho bề mặt vật suốt (như lăng kính, chẳng hạn) tồn vùng mỏng có lực tác dụng để kéo tia sáng vào bên Như vậy, hạt màu tím, chúng nhỏ hơn, bị hút môi trường đặc không khí (như thủy tinh, chẳng hạn) mạnh so với hạt lớn có màu đỏ, tức hạt màu tím bị lệch khỏi đường ban đầu nhiều hạt màu đỏ Như vậy, Newton giải thích chùm màu khác lại bị lệch hướng khác môi trường, chùm đơn sắc bị lệch hướng khác môi trường suốt khác Ông tìm lại định luật khúc xạ Snel cách thừa nhận - cách sai lầm, giống Descartes - ánh sáng nhanh môi trường đặc Để giải thích tia bị nhiễu xạ Grimaldi, ông không viện đến lực hút, mà lực đẩy có tác dụng đẩy hạt ánh sáng vào bóng tối hình học vật Nói cách khác, theo Newton, học ánh sáng đồng với học thiên thể Sau thống trời đất lý thuyết vạn vật hấp dẫn, Newton thống giới vô bé với giới vô lớn học Trong quan niệm tổng thể vũ trụ này, hành trạng vạn vật – từ 65 Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng vật vô bé, hạt ánh sáng, đến vật vô lớn, thiên thể xa xôi - bị chi phối lực học tất định Suốt kỷ sau Opticks công bố (năm 1704), quan niệm hạt Newton thống trị hoàn toàn tranh luận chất ánh sáng Các thí nghiệm ông với lăng kính thực xác dễ hiểu, giải thích ông giàu tính thuyết phục phần lớn nhà vật lý tán thành Mọi tiếng nói khác nhanh chóng bị dập tắt 66 [...]... Những con đường của ánh sáng ÁNH SÁNG TRUYỀN THEO ĐƯỜNG THẲNG Người Hy Lạp là những người đầu tiên suy nghĩ nghiêm túc về ánh sáng, thị giác và màu sắc, cũng như rất nhiều vấn đề khác Theo họ, một trong hai điều phải xảy ra Hoặc mắt là một cơ quan thụ động an phận ghi lại màu sắc và hình dạng mà các vật quanh chúng ta gửi đến cho nó Trong trường hợp này, ánh sáng đi từ vật tới mắt Đó là quan điểm của. .. các vật nhìn thấy được Chính ánh sáng, khi vấp phải bề mặt của một vật không trong suốt, nghĩa là có màu rất đậm, đã lấy ra từ đó màu mà sau đó nó mang đến mắt 30 Trịnh Xuân Thuận Những con đường của ánh sáng ÁNH SÁNG SIÊU HÌNH CỦA ROBERT GROSSETESTE VÀ ROGER BACON Sau các đỉnh cao trí tuệ của Alhazen, lý thuyết thị giác đã ngừng tiến bộ trong thế giới Ảrập Sự vươn rộng của nền văn minh Hồi giáo đã... tưởng cho rằng đường đi của ánh sáng là thẳng là hoàn toàn tự nhiên đối với người Hy Lạp 12 Trịnh Xuân Thuận Những con đường của ánh sáng LỬA TRONG CÁC CON MẮT CỦA EMPÉDOCLE Empédocle (khoảng 490 – 435 tr CN) là tác giả của lý thuyết về thị giác xa xưa nhất mà chúng ta biết Là một người đa tài, ông đồng thời là nhà thơ, triết gia, bác sỹ và giáo sỹ Ông cũng nổi tiếng vì đã chấm dứt cuộc đời của mình một... chúng phát ra ánh sáng Niềm tin này sẽ chẳng có gì là khó hiểu đối với những ai đã từng ngồi quanh đám lửa trại vào ban đêm và nhìn thấy những ánh mắt đe dọa của những động vật hoang dã sáng rực trong bóng tối Nhưng, theo Empédocle, ánh sáng không đi theo một chiều từ mắt tới vật; ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt Như vậy mắt cùng lúc vừa là máy phát vừa là máy thu ánh sáng Như một... Thuận Những con đường của ánh sáng ÁNH SÁNG SIÊU HÌNH CỦA PLATON Platon (428-347 tr CN) đã đẩy quan niệm về sự khác biệt căn bản giữa vẻ bề ngoài và bản chất bên trong đến cực điểm Ông cho rằng có hai cấp độ của thực tại: thực tại của thế giới vật lý mà các giác quan của chúng ta tiếp cận được - đó là thế giới không vĩnh cửu, hay thay đổi và ảo giác – và thực tại của thế giới thực, thế giới của các... cơ quan thu, vừa chủ động vừa thụ động, và vai trò của ánh sáng xung quanh đã được nêu ra một cách rất rõ ràng 17 Trịnh Xuân Thuận Những con đường của ánh sáng ARISTOTLE VÀ ÁNH SÁNG HOẠT HÓA SỰ TRONG SUỐT CỦA KHÔNG KHÍ Aristote (384 – 322 tr CN), học trò của Platon, đưa ra một quan điểm nằm giữa chủ nghĩa duy tâm của Platon và chủ nghĩa duy vật của Démocrite Là một triết gia thuộc trường phái tự nhiên,... ngoài, là ảo giác, cần phải tránh xa chúng Tính hai mặt 11 Trịnh Xuân Thuận Những con đường của ánh sáng giữa ảo giác và hiện thực là một chủ đề cũng thường xuyên nổi lên trong nghiên cứu về sự tri giác qua thị giác Người Hy Lạp đã biết rằng ánh sáng lan truyền theo đường thẳng Xét cho đến cùng, chỉ cần hé mở cửa một phòng tối và nhìn các tia sáng của Mặt Trời, hay nhìn ánh sáng Mặt Trời khoan thủng các... hợp chủ nghĩa Platon của thánh Augustin (354-430), theo đó thế giới có thể được giải thích một cách duy lý bằng toán học, và chủ nghĩa kinh nghiệm của Aristote với tư tưởng của thánh Augustin theo đó Chúa là Ánh sáng là vô thể và vô hạn” Thực tế, siêu hình học về ánh sáng đã đóng vai trò hàng đầu trong tư tưởng của Grosseteste Trong tác phẩm Về ánh sáng, ông đã viết rằng: Ánh sáng là dạng thức vô... (Big Bang) Chúa của Grosseteste, cũng giống như Thượng đế của Platon, đều là một nhà hình học và toán học, nhưng Chúa của Grosseteste có điểm đặc biệt là đã chọn ánh sáng cho sự Sáng thế của Người Theo Grosseteste, ánh sáng này có hai khía cạnh: nó không chỉ là nguyên nhân của sự tồn tại vật lý của chúng ta bằng cách ngưng tụ thành vật chất, mà còn ở cấp độ tinh thần Ánh sáng tinh thần của trí tuệ này... với ánh sáng, là một cơ quan gắn chặt nhất với Mặt Trời Như vậy thị giác là kết quả cảu sự tổng hợp của ba quá trình bổ sung cho nhau Mắt phát ra lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành một chùm sáng duy nhất Chùm sáng này được phóng thẳng ra phía trước cho đến khi gặp bề mặt của một vật; ở đó, nó gặp tia các hạt do vật phát ra dưới tác dụng của ánh sáng xung 16 Trịnh Xuân Thuận Những con