Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 4)

Sóng còn có một hành trạng thú vị khác gọi là sự giao thoa. Để nhìn thấy sự giao thoa trong bể sóng của mình, bạn sẽ cần tạo sóng với hai cái bút chì. Giữ hai cái bút chì cách nhau vài cm. Sau đó, khều mặt nước với cả hai bút chì cùng lúc, theo kiểu đều đặn, tạo ra hai tập hợp sóng.

Để ý khi hai tập hợp sóng chồng lấn lên nhau và đi qua nhau, chúng tương tác với nhau. Ở một số chỗ, chúng triệt tiêu lẫn nhau, còn ở một số chỗ khác thì chúng cộng gộp tác dụng của chúng với nhau. Hiện tượng này gọi là giao thoa sóng. Nếu bạn giữ kiểu sóng đều với chuyển động đều của hai cái bút chì, thì bạn sẽ có hệ vân giao thoa đều đặn.

Một đặc trưng của sóng là chúng tạo ra hệ vân giao thoa khi chúng chồng lên nhau. Khi những dòng hạt giao nhau, cái người ta muốn thấy là chúng va chạm nhau. Không ai từng quan sát thấy sự va chạm khi hai chùm ánh sáng chiếu xuyên qua nhau. Nhưng ánh sáng có tạo ra giao thoa hay không?

Hai nguồn sóng tạo ra một hệ vân giao thoa.

Năm 1801, nhà vật lí người Anh Thomas Young đã chứng minh rằng ánh sáng thật sự nhiễu xạ và thật sự tạo ra hệ vân giao thoa, giống hệt như những sóng khác. Có vẻ như câu hỏi ánh sáng là hạt hay là sóng cuối cùng đã có câu trả lời.

Bạn có thể dễ dàng thấy hệ vân giao thoa của ánh sáng với hai cái bút chì và đèn để bàn. Giữ hai cái bút chì ở phía trước mắt bạn khi bạn nhìn về phía ngọn đèn. Di chuyển hai cái bút chì đến gần nhau hơn, cho đến khi chúng gần như chạm vào nhau. Bạn sẽ nhìn thấy một hệ gồm những vạch sáng và tối rất mịn. Đó là hệ vân giao thoa tạo ra khi ánh sáng phát ra từ ngọn đèn đi qua khe hẹp chia tách giữa hai cái bút chì. Những vạch tối là những nơi tại đó sóng ánh sáng triệt tiêu nhau. Vì ánh sáng tạo ra hệ vân giao thoa giống như những sóng khác, nên nó cũng phải là sóng.

Young còn tính được kích cỡ thật sự của sóng ánh sáng. Bước sóng của sóng ánh sáng là rất nhỏ, nhưng Young đã đo được chúng. Những màu sắc ánh sáng khác nhau hóa ra là có bước sóng khác nhau. Young tìm thấy bước sóng của ánh sáng màu đỏ vào khoảng 76 phần triệu của một cm. Bước sóng của ánh sáng màu lam còn nhỏ hơn nữa, khoảng 38 phần triệu của một cm.

Những phép đo của Young lí giải tại sao sự nhiễu xạ ánh sáng lại khó nhìn thấy như thế. Sự nhiễu xạ xảy ra khi sóng bẻ cong vòng quanh một vật cản. Nhưng sóng ánh sáng quá nhỏ nên chúng chỉ có thể bẻ cong quanh những vật cản rất nhỏ - những vật cản không lớn hơn kích cỡ nguyên tử bao nhiêu.

Vào giữa thế kỉ 19, người ta dường như chắc chắn rằng ánh sáng có bản chất sóng. Nhưng ngay cả khi đó vấn đề vẫn chưa được giải quyết xong. Khoảng năm 1900, những khám phá mới của Max Planck và Albert Einstein đã làm hồi sinh lí thuyết hạt. Kết quả cuối cùng hóa ra là cả hai phe tranh cãi đều đúng! Ánh sáng thường hành xử giống như sóng, nhưng nó cũng tác dụng giống như hạt.

Sóng có thể được đo bằng bước sóng hoặc tần số của chúng.

Có một định luật mô tả độ sáng của ánh sáng hay không? Có chứ. Những ngôi sao mờ nhạt mà chúng ta thấy trên bầu trời đêm thật ra là những mặt trời đang bừng cháy. Ánh sáng của chúng mờ đi nhiều sau hành trình đường dài của chúng đến hành tinh của chúng ta. Bạn càng ở xa một nguồn phát sáng, thì độ rực rỡ của ánh sáng càng kém đi. Thật vậy, cường độ của ánh sáng phát ra từ mọi nguồn sáng giảm rất nhanh khi khoảng cách đến nguồn tăng lên. Độ giảm đó tỉ lệ với bình phương của khoảng cách. Bình phương của khoảng cách có nghĩa nhân khoảng cách với chính nó.

Mối liên hệ đặc biệt này giữa độ sáng và khoảng cách đến nguồn sáng được gọi là quan hệ tỉ lệ nghịch bình phương. Nhiều lực khác trong tự nhiên giảm đi theo khoảng cách với quy luật tương tự. Một lời giải thích cặn kẽ hơn nguyên do vì sao xảy ra như vậy, mời bạn tham khảo ở phần sau tập sách này. Trong khi chờ đợi, hãy thử nghĩ xem Mặt trời của chúng ta cần tạo ra bao nhiêu ánh sáng. Nó cực kì rực rỡ, mặc dù chúng ta ở cách xa nó đến 150 triệu kilomet!

Chúng ta cần xét đến một thực tế nữa về ánh sáng – tốc độ của nó. Galileo Galilei là nhà khoa học đầu tiên nỗ lực đo tốc độ của ánh sáng. Ông đứng trên một ngọn đồi, tay cầm một cái đèn lồng đậy kín, và để một người trợ lí đứng ở một ngọn đồi đằng xa, tay cầm một cái đèn lồng giống như vậy. Ông mở đèn của mình lên. Ngay khi người trợ lí của ông nhìn thấy ánh sáng, anh ta lập tức mở đèn của mình lên. Galileo muốn đo thời gian cần thiết để ông nhận lại tín hiệu sáng.

Thật không may, thí nghiệm không thành công. Ánh sáng có vẻ truyền đi giữa hai ngọn đồi gần như tức thời. Ánh sáng chuyển động nhanh đến mức việc đo tốc độ của nó là vô cùng khó khăn.

Nỗ lực đầu tiên thành công trong việc đo tốc độ ánh sáng là sử dụng quỹ đạo của Trái đất làm thước đo. Nhà thiên văn học người Đan Mạch Olaus Rømer đã biết sự che khuất của các vệ tinh của Mộc tinh xảy ra theo lịch định hồi cuối thế kỉ 17. Ông để ý thấy thời gian che khuất biến thiên, tùy thuộc vào Mộc tinh và Trái đất ở nơi nào trong quỹ đạo của chúng. Nếu hai hành tinh ở về hai phía của Mặt trời, thì sự che khuất sẽ muộn vài ba phút. Nếu hai hành tinh ở cùng một phía của Mặt trời, thì sự che khuất sẽ sớm vài ba phút.

Rømer nhận thấy độ chênh lệch thời gian có nguyên nhân là sự chênh lệch khoảng cách mà ánh sáng từ vệ tinh của Mộc tinh phải truyền đi trước khi nó được nhìn thấy trên Trái đất. Rømer đã biết đường kính gần đúng của quỹ đạo Trái đất. Ông biết ánh sáng phải đi thêm bao xa để băng qua quỹ đạo đó. Cho nên, ông có thể ước tính ánh sáng truyền đi bao nhanh để băng qua khoảng cách đó. Rømer tính được ánh sáng truyền đi ở tốc độ khoảng 226.000 km mỗi giây.

Năm 1849, nhà vật lí người Pháp Armand Fizeau là khoa học đầu tiên chế tạo ra một dụng cụ để đo tốc độ ánh sáng trong một thí nghiệm trong phòng lab. Kể từ đó, nhiều nhà nghiên cứu khác đã tiến hành những phép đo ngày một chính xác hơn của tốc độ ánh sáng. Nổi tiếng nhất trong số học là nhà vật lí người Mĩ Albert Michelson. Ông đã dành phần lớn cuộc đời của mình để xác định chính xác tốc độ của ánh sáng, Michelson giành giải thưởng Nobel năm 1907, giải thưởng tôn vinh nhiều thí nghiệm tài tình mà ông đã dùng để đo tốc độ ánh sáng càng chính xác càng tốt.

Rømer đã sử dụng những vị trí khác nhau của quỹ đạo Trái đất để đo tốc độ của ánh sáng mặt trời phản xạ khỏi Mộc tinh.

Ngày nay, các nhà khoa học đặt tốc độ ánh sáng là 299.792,5 km/s, hay 186.281,7 dặm/s. Tốc độ đó thường được làm tròn là 300.000 km/s hay 186.000 dặm/s. Đây là một số đo rất quan trọng. Tốc độ của ánh sáng có thể xem là “giới hạn tốc độ” của vũ trụ. Như chúng ta biết, không có cái gì có thể truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Tốc độ của ánh sáng là 300.000 km/s trong chân không (không gian hoàn toàn trống rỗng). Ánh sáng truyền đi trong không khí nhanh gần như thế. Trong những chất liệu khác, như nước hoặc thủy tinh, tốc độ ánh sáng chậm hơn nhiều. Thí dụ, ánh sáng truyền đi khoảng 225.000 km/s (140.000 dặm/s) ở trong nước và khoảng 200.000 km/s (124.000 dặm/s) ở trong thủy tinh. Chính sự khác biệt tốc độ này là nguyên nhân khiến ánh sáng bị khúc xạ, hay bị bẻ cong, khi nó đi từ chất này sang chất khác.

Ánh sáng là một bộ phận quen thuộc trong thế giới hàng ngày của chúng ta nên người ta thường dễ quên nó đặc biệt và quan trọng như thế nào. Chúng ta có thể nhìn thấy thế giới của mình chỉ vì nó chìm ngập trong một dòng ánh sáng liên tục, chúng phản xạ khỏi những vật xung quanh chúng ta và đi vào mắt của chúng ta. Vũ trụ ngập tràn ánh sáng truyền đi ở tốc độ hết sức lớn từ những ngôi sao và thiên hà xa xôi. Chính ánh sáng này cho chúng ta biết cái gì “ở ngoài kia”, bên ngoài thế giới của riêng chúng ta. Ánh sáng là kết nối quan trọng nhất của chúng ta với mọi thứ trong vũ trụ nằm bên ngoài hành tinh của chúng ta. Không có kiến thức về ánh sáng, thì có lẽ khoa học không thể hiểu được phần còn lại của vũ trụ.

Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học
Paul Fleisher
Trần Nghiêm dịch

Phần tiếp theo >>

Bài trước | Bài kế tiếp