Một nhà khoa học từng nghiên cứu quang học là Isaac Newton. Newton biết rằng khi ánh sáng mặt trời bị khúc xạ trong một lăng kính thủy tinh, thì ánh sáng trắng bị phân tách thành một cầu vồng ánh sáng, gọi là quang phổ. Newton đã chứng minh rằng ánh sáng mặt trời thật ra gồm toàn bộ các màu sắc của cầu vồng.
Nhiều năm sau này, nhà thiên văn học William Herschel đã phát hiện ra sự tồn tại của một loại ánh sáng khác – ánh sáng không nhìn thấy. Vào năm 1800, Herschel đang tiến hành đo nhiệt độ của những màu sắc khác nhau trong quang phổ. Ông muốn tìm hiểu xem ánh sáng màu đỏ, cam, vàng, lục hay lam tạo ra nhiều nhiệt lượng nhất. Ông sử dụng một lăng kính thủy tinh để phân tách ánh sáng mặt trời thành một quang phổ. Sau đó, ông dùng một nhiệt kế đo từng màu sắc một.
Một sự tăng nhiệt độ bất ngờ đã dẫn Herschel đến chỗ phát hiện ra ánh sáng hồng ngoại không nhìn thấy.
Phổ điện từ bao gồm những vùng cực rộng của sóng ánh sáng.
Herschel nhận thấy phần nóng nhất của quang phổ nằm phía ngoài đầu đỏ, ở một nơi mà ông không thể nhìn thấy chút ánh sáng nào cả! Nhưng nhiệt kế chứng tỏ rằng có những tia sáng không nhìn thấy ở đấy. Herschel đã khám phá ra sự tồn tại của ánh sáng hồng ngoại.
Một năm sau, ánh sáng ở đầu bên kia của quang phổ được tìm thấy. Ánh sáng này cũng không thể nhìn thấy, nhưng nó thật sự tạo ra ảnh trên các tấm kính ảnh. Ánh sáng này được gọi là ánh sáng tử ngoại. Vào giữa thế kỉ 19, James Clerk Maxwell chứng tỏ rằng quang phổ ánh sáng chứa nhiều hơn cái ánh sáng mà chúng ta có thể nhìn thấy. Ngày nay, chúng ta biết rằng toàn bộ quang phổ không chỉ có ánh sáng nhìn thấy, mà còn có sóng vô tuyến, ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng tử ngoại, tia X và tia gamma.
Những nghiên cứu của Newton về ánh sáng vào cuối thế kỉ 17 và đầu thế kỉ 18 đã làm phát sinh một trong những cuộc tranh cãi dai dẳng nhất trong lịch sử khoa học. Cuộc tranh cãi đó, không phân thắng bại trong hơn hai trăm năm trời, là về bản chất ánh sáng là một cơn mưa gồm những hạt nhỏ xíu hay ánh sáng là những loạt sóng.
Để tìm hiểu câu hỏi trên, bạn cần phải biết một chút về hành trạng của sóng. Sóng có thể dễ thấy nhất là ở trong một bể sóng. Để tạo ra một bể sóng tại nhà, bạn cần có một cái đĩa to bằng thủy tinh trong, một tấm giấy trắng, và một cái đèn để bàn. Bạn cũng cần có hai cái bút chì và vài miếng gỗ nhỏ để làm vật chắn sóng.
Để nước vào ngập hai phần ba cái đĩa to. Đặt nó lên bàn, phía trên một miếng giấy. Đặt cái đèn để bàn sao cho ánh sáng của nó rọi thẳng góc xuống mặt nước. Giờ thì dùng cái đầu tẩy của bút chì khều nhẹ nước ở trong đĩa để tạo sóng. Bạn sẽ thấy sóng tạo ra những cái bóng trên tờ giấy phía dưới, khiến chúng dễ thấy hơn. Hãy nhớ rằng sóng mà bạn đang nhìn thấy là sóng nước, nhưng những sóng khác, trong đó có ánh sáng, có những tính chất tương tự.
Đặt một miếng gỗ nhỏ vào trong đĩa làm vật chắn sóng. Ở một bên của miếng gỗ, hãy dùng bút chì tạo ra sóng. Hãy quan sát cái xảy ra khi sóng đi qua vật cản.
Trong bể sóng, sóng nhiễu xạ, hay cong đi, xung quanh một vật đặt trên đường đi của nó.
Lưu ý rằng sóng cong đi xung quanh vật cản và truyền vào phần bể bị chặn sóng. Sự cong đi như thế này của sóng xung quanh một vật cản được gọi là sự nhiễu xạ. Nhiễu xạ là một đặc trưng của mọi loại sóng.
Đối với các nhà khoa học hồi thế kỉ 17, ánh sáng dường như chẳng nhiễu xạ giống như những sóng khác. Ánh sáng có vẻ truyền đi theo đường thẳng, thay vì cong vòng quanh vật cản. Nếu bạn đặt một vật vào trong ánh sáng mặt trời, nó tạo ra một cái bóng. Nếu ánh sáng mặt trời nhiễu xạ giống như sóng nước, thì bạn nghĩ ánh sáng sẽ đi vòng quanh qua vật và tạo ra một cái bóng lờ mờ. Nhưng ánh sáng mặt trời tạo ra cái bóng có đường bao sắc nét.
Vì lí do này, Newton tin rằng ánh sáng phải gồm những hạt nhỏ xíu, chuyển động nhanh theo đường thẳng. Khi một vật chặn dòng hạt lại, thì kết quả là những cái bóng sắc nét.
Sau khi Newton đề xuất rằng ánh sáng gồm những hạt nhỏ xíu, hai nhà khoa học tiếng tăm khác đã không tán thành. Robert Hooke và Christiaan Huygens cho rằng ánh sáng cũng hành xử giống như sóng. Chúng ta hãy trở lại bể sóng để chứng tỏ lập luận này của họ.
Nếu ánh sáng gồm những hạt nhỏ, bạn sẽ muốn thấy những cái bóng sắc nét (ảnh trên). Nếu ánh sáng là sóng, bạn sẽ muốn thấy cái bóng kém sắc nét hơn (ảnh dưới).
Chặn một phần trong cái bể sóng của bạn, chỉ chừa một lỗ nhỏ thông qua phần bể bên kia. Với cái bút chì của mình, bạn hãy tạo ra sóng trong phần bị chặn kín của bể. Lưu ý cái xảy ra khi chúng đi qua lỗ nhỏ.
Sóng đi qua cái lỗ nhỏ phân tán ra y hệt như cách chúng lan tỏa ra từ chính nguồn phát sóng. Huygens lưu ý rằng bất kì mọi điểm trên phương truyền sóng có thể tác dụng như một nguồn phát sóng mới. Sóng phát ra từ nguồn mới này sẽ có những đặc trưng giống với sóng ban đầu. Quy tắc này được gọi là nguyên lí Huygens.
Đó chính là cái xảy ra khi bạn cho phép ánh sáng chiếu qua một cái lỗ nhỏ. Nó lan tỏa ra từ cái lỗ, cứ như là cái lỗ đó là một nguồn phát sáng.
Trong một bể sóng, sóng truyền qua một cái lỗ nhỏ phân tán ra như thể cái lỗ nhỏ là một nguồn phát sóng thật sự.
Huygens còn trình bày rằng nếu ánh sáng là sóng, thì điều đó sẽ giải thích tính chất khúc xạ của nó. Sóng ánh sáng truyền trong những chất liệu khác nhau sẽ có tốc độ khác nhau. Sự thay đổi tốc độ sẽ làm cho sóng bị bẻ cong đi. Việc lí giải tại sao các “hạt” ánh sáng bị bẻ cong khi chúng đi vào nước hoặc thủy tinh thì khó khăn hơn.
Ánh sáng đi qua một cái lỗ nhỏ hành xử như thể bản thân cái lỗ là một nguồn sáng.
Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học
Paul Fleisher
Trần Nghiêm dịch
![[Sách] Sóng - Các nguyên lí của ánh sáng, điện và từ học](/bai-viet/images/2011/08/song-nguyenli.bmp)
