Benjamin Crowell: Quang học - Phần 2

1.2 Tương tác của ánh sáng với vật chất

Sự hấp thụ ánh sáng

Lí do mặt trời gây cảm giác ấm áp trên da bạn là vì ánh sáng mặt trời đang bị hấp thụ, và năng lượng ánh sáng đang biến đổi thành năng lượng nhiệt. Điều tương tự xảy ra với ánh sáng nhân tạo, cho nên kết quả chung của việc bật đèn sáng là làm nóng căn phòng. Cho dù nguồn sáng có nóng, như mặt trời, ngọn lửa, hay bóng đèn nóng sáng, hoặc lạnh, như bóng đèn huỳnh quang. (Nếu nhà của bạn có lò sưởi điện, thì tuyệt đối đừng bao giờ tắt hết đèn trong mùa đông; bóng đèn giúp sưởi ấm căn phòng với chi phí ngang bằng lò sưởi điện đấy).

Quá trình nóng lên bởi sự hấp thụ như thế này hoàn toàn khác với sự nóng lên do dẫn nhiệt, như khi bếp điện làm nóng món sốt spaghetti trong chão. Nhiệt chỉ có thể dẫn qua vật chất, nhưng có khoảng chân không giữa chúng ta và mặt trời, hoặc giữa chúng ta và dây tóc của một bóng đèn nóng sáng. Đồng thời, sự dẫn nhiệt chỉ có thể truyền năng lượng từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn, nhưng một bóng đèn huỳnh quang nguội hoàn toàn có khả năng làm nóng bất cứ cái gì vốn bắt đầu đã nóng hơn bản thân bóng đèn.

Làm thế nào chúng ta nhìn thấy những vật không phát sáng

Không phải toàn bộ ánh sáng đi tới một vật đều bị biến đổi thành nhiệt. Một phần ánh sáng bị phản xạ, và điều này đưa chúng ta đến câu hỏi làm thế nào chúng ta nhìn thấy những vật không phát sáng? Nếu bạn hỏi một người bình thường làm thế nào chúng ta nhìn thấy một cái bóng đèn, câu trả lời có khả năng nhất là “Bóng đèn phát ra ánh sáng, và ánh sáng đi tới mắt chúng ta”. Nhưng nếu bạn hỏi làm thế nào chúng ta nhìn thấy một quyển sách, họ có khả năng sẽ nói “Bóng đèn thắp sáng căn phòng, và ánh sáng đó cho phép chúng ta nhìn thấy quyển sách”. Toàn bộ vấn đề ánh sáng đi vào mắt chúng ta đã biến mất một cách bí ẩn.

Đa số mọi người sẽ không tán thành nếu bạn bảo họ rằng ánh sáng bị phản xạ từ quyển sách đi tới mắt, vì họ nghĩ sự phản xạ là cái gì đó xảy ra với cái gương, chứ không phải với một thứ như quyển sách. Họ hình dung sự phản xạ đi cùng với sự tạo thành ảnh phản xạ, mà ảnh đó không có vẻ sẽ xuất hiện trên một tờ giấy.

Hãy tưởng tượng bạn đang nhìn vào ảnh phản xạ của bạn trên một lá nhôm phẳng, bóng, không có gấp nếp nào. Bạn nhận thấy gương mặt, chứ không phải một miếng kim loại. Có lẽ bạn cũng nhìn thấy ảnh phản xạ sáng rỡ của một bóng đèn trên vai phía sau bạn. Giờ thì hãy tưởng tượng lá nhôm đó hơi kém nhẵn đi một chút. Những phần khác nhau của ảnh giờ bắt đầu hơi lệch hàng với nhau. Não của bạn có thể vẫn nhận ra gương mặt và cái bóng đèn, nhưng nó hơi bị nhòe, giống như tranh Picasso vậy. Giờ giả sử bạn dùng một lá nhôm đã từng cuộn gấp và đã dát phẳng ra trở lại. Những phần của ảnh nhòe đến mức bạn không thể nhận ra ảnh nữa. Thay vào đó, não của bạn mách bảo rằng bạn đang nhìn vào một bề mặt gồ ghề có ánh bạc.

Phản xạ gương

d/ Hai bức chân dung tự chụp của tác giả, một chụp trong gương và một chụp với một lá nhôm.

Sự phản xạ kiểu gương ở một góc nhất định được gọi là phản xạ phản chiếu, còn sự phản xạ ngẫu nhiên theo nhiều hướng khác nhau được gọi là phản xạ khuếch tán. Phản xạ khuếch tán là cách chúng ta nhìn thấy những vật không phát sáng. Phản xạ phản chiếu chỉ cho phép chúng ta nhìn thấy ảnh của những vật khác ngoài vật đang phản xạ. Trong phần trên của hình d, hãy tưởng tượng các tia sáng đang phát ra từ mặt trời. Nếu bạn nhìn xuống một bề mặt phản chiếu, thì không có cách nào cho hệ mắt-não của bạn bảo rằng các tia sáng đó thật sự không phát ra từ mặt trời nằm ở bên dưới chỗ bạn.

Phản xạ ánh sáng

e/ Phản xạ phản chiếu và phản xạ khuếch tán

Hình f thể hiện một thí dụ khác của cách chúng ta không thể tránh được kết luận rằng ánh sáng phản xạ khỏi những vật khác ngoài các loại gương ra. Đèn ống là cái tôi có trong nhà mình. Nó có một bóng sáng, đặt trong một tấm chắn kim loại hình lòng chão hoàn toàn mờ đục. Con đường duy nhất ánh sáng có thể đi ra khỏi đèn ống là đi qua phần trên của lòng chão. Thực tế tôi có thể đọc một quyển sách ở tư thế như trong hình có nghĩa là ánh sáng phải phản xạ khỏi trần nhà, sau đó phản xạ khỏi quyển sách, rồi cuối cùng đi vào mắt của tôi.

Phản xạ ánh sáng

f/ Ánh sáng phản xạ khỏi trần nhà, sau đó phản xạ khỏi quyển sách

Đây là chỗ những thiếu sót của lí thuyết Hi Lạp về sự nhìn trở nên rõ ràng hiển nhiên. Theo lí thuyết Hi Lạp, ánh sáng phát ra từ bóng đèn và “các tia mắt” bí ẩn của tôi đều được cho là đi tới quyển sách, tại đó chúng va chạm nhau, cho phép tôi nhìn thấy quyển sách. Nhưng lúc này chúng ta có tổng cộng bốn vật: bóng đèn, mắt, quyển sách và trần nhà. Vậy thì trần nhà nằm ở chỗ nào? Nó có gửi ra những “tia trần nhà” bí ẩn của riêng nó, góp phần vào một va chạm tay ba tại quyển sách hay không? Điều đó đúng là quá kì quái để mà tin!

Sự khác biệt giữa màu trắng, màu đen, và những bóng xám khác nằm ở chỗ bao nhiêu phần trăm ánh sáng mà chúng hấp thụ và bao nhiêu phần trăm ánh sáng mà chúng phản xạ. Đó là lí do vì sao vải vóc màu sáng thông dễ nhìn hơn vào mùa hè, và màn thảm màu sáng trong xe hơi trông mát mẻ hơn màn thảm màu đen.

Số đo cường độ sáng

Chúng ta vừa thấy rằng cảm giác sinh lí của tiếng ồn có liên quan đến cường độ âm thanh (công suất trên đơn vị diện tích), nhưng không tỉ lệ thuận với nó. Nếu âm A có cường độ 1 nW/m², âm B có cường độ 10 nW/m², và âm C là 100 nW/m², thì sự tăng mức cường độ từ B lên C được cảm nhận ngang bằng với sự tăng từ A lên B, chứ không phải lớn hơn 10 lần. Nghĩa là cảm giác mức cường độ âm là hàm logarithm.

Điều tương tự đúng với cường độ sáng. Độ sáng liên hệ với công suất trên đơn vị diện tích, nhưng mối liên hệ sinh lí là hàm logarithm thay cho hàm tỉ lệ thuận. Trên phương diện vật lí, chúng ta quan tâm đến công suất trên đơn vị diện tích. Đơn vị liên quan là W/m². Một cách xác định cường độ sáng là đo độ tăng nhiệt độ của một vật đen đặt trước ánh sáng đó. Năng lượng ánh sáng bị biến đổi thành năng lượng nhiệt, và phần năng lượng nhiệt bị hấp thụ trong một thời gian cho trước có thể liên hệ với công suất hấp thụ, sử dụng nhiệt dung đã biết của vật. Những dụng cụ đo cường độ ánh sáng thực tế hơn, thí dụ như những máy đo ánh sáng chế tạo trong một số camera, hoạt động dựa trên sự biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện, nhưng những máy đo này phải được chế tạo để khắc phục những số đo nhiệt.

Câu hỏi thảo luận

A. Màn cửa trong một căn phòng nọ đã kéo xuống, nhưng có một khe nhỏ cho phép ánh sáng đi qua, chiếu một đốm sáng lên trên sàn nhà. Người ta có thể hoặc cũng không có thể nhìn thấy chùm ánh sáng mặt trời đi xuyên qua phòng, tùy thuộc vào điều kiện nhìn. Cái gì diễn ra tiếp sau đó?

B. Các chùm laser là ánh sáng. Trong phim khoa học viễn tưởng, các chùm laser thường được thể hiện là những đường sáng bắn từ súng laser lên trên phi thuyền vũ trụ. Tại sao sự mô tả như thế là không đúng về mặt khoa học?

C. Một nhà làm phim tư liệu đã đến lễ tốt nghiệp năm 1987 của trường Harvard và phỏng vấn sinh viên tốt nghiệp, trước camera, yêu cầu giải thích các mùa trong năm. Chỉ có 2 trong số 23 người có thể cho lời giải thích đúng, nhưng giờ thì bạn đã có mọi thông tin cần thiết để tự mình trả lời, giả sử bạn chưa biết gì hết. Hình bên dưới thể hiện trái đất ở vị trí mùa đông và mùa hè so với mặt trời. Gợi ý: Xét những đơn vị dùng để đo cường độ ánh sáng, và nhớ rằng mặt trời trong mùa đông thì hơi thấp, nên các tia sáng của nó chiếu xiên một góc nông hơn.

Mùa hè và mùa đông