1.4 Cơ sở hình học của sự phản xạ phản chiếu
Để làm thay đổi chuyển động của một vật, chúng ta sử dụng lực. Có cách nào tác dụng lực lên một chùm ánh sáng hay không? Các thí nghiệm cho thấy điện trường và từ trường không làm lệch hướng chùm ánh sáng, cho nên rõ ràng ánh sáng không có điện tích. Ánh sáng cũng không có khối lượng, vì thế cho đến thế kỉ 20 người ta tin rằng nó cũng miễn dịch với trường hấp dẫn. Einstein dự đoán rằng những chùm ánh sáng sẽ bị lệch chút ít bởi trường hấp dẫn mạnh, và người ta đã chứng minh ông đúng với những quan sát ánh sáng sao đi qua gần mặt trời, nhưng rõ ràng đó chẳng phải là cái làm cho gương và thấu kính hoạt động!
Nếu chúng ta nghiên cứu ánh sáng bị lệch như thế nào bởi một cái gương, chúng ta sẽ nhận thấy quá trình đó phức tạp khủng khiếp, nhưng kết quả cuối cùng thì đơn giản đến bất ngờ. Cái thật sự xảy ra là ánh sáng cấu thành từ điện trường và từ trường, và những trường này làm gia tốc các electron trong gương. Năng lượng của chùm ánh sáng ngay tức thời biến đổi thành động năng của các electron, nhưng vì các electron đang tăng tốc nên chúng tái phát xạ ánh sáng, biến đổi động năng của chúng trở lại thành năng lượng ánh sáng. Chúng ta trông đợi điều này mang lại một tình huống rất lộn xộn, nhưng đủ bất ngờ, các electron chuyển động với nhau để tạo ra một chùm ánh sáng mới, phản xạ, tuân theo hai quy luật đơn giản:
- Góc của tia phản xạ bằng với góc của tia tới.
- Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến (vuông góc). Mặt phẳng này được gọi là mặt phẳng tới.
k/ Cơ sở hình học của sự phản xạ phản chiếu
Góc phản xạ và góc tới có thể xác định so với pháp tuyến, như góc B và C trên hình, hoặc so với mặt phản xạ, như góc A và góc D. Có một quy ước đã tồn tại hàng trăm năm rằng người ta đo góc so với pháp tuyến, nhưng quy tắc hai góc bằng nhau ở trên có phát biểu là B = C hoặc A = D đều hợp lí.
Hiện tượng phản xạ chỉ xảy ra tại ranh giới giữa hai môi trường, giống như sự thay đổi tốc độ ánh sáng khi đi từ môi trường này sang môi trường khác. Như chúng ta đã thấy trong tập 3 của bộ sách này, đây là cách mà mọi loại sóng hành xử.
Đa số mọi người thấy bất ngờ trước thực tế rằng ánh sáng có thể bị phản xạ ngược từ một môi trường kém đặc hơn. Chẳng hạn, nếu bạn lặn xuống và nhìn ngược lên mặt nước, bạn sẽ nhìn thấy ảnh phản xạ của chính bạn.
Tự kiểm tra
Từng sơ đồ dưới đây biểu diễn hai tia khác nhau đang bị phản xạ từ cùng một điểm trên mặt gương. Sơ đồ nào đúng, và sơ đồ nào không đúng?
Tính thuận nghịch của chiều truyền tia sáng
Thực tế sự phản xạ phản chiếu biểu hiện những góc tới và góc phản xạ bằn nhau có nghĩa là có một sự đối xứng: nếu trong hình trên, tia sáng đi từ phải sang thay vì từ trái sang, thì các góc sẽ trông y hệt như vậy. Đây không hẳn là một chi tiết vô nghĩa về sự phản xạ phản chiếu. Nó là một biểu hiện của một thực tế rất sâu sắc và quan trọng về tự nhiên, đó là các định luật vật lí không phân biệt giữa quá khứ và tương lai. Đạn đại bác và các hành tinh có quỹ đạo thuận nghịch tự nhiên như nhau, và các tia sáng cũng thế. Loại đối xứng này được gọi là đối xứng nghịch đảo thời gian.
Thông thường, đối xứng nghịch đảo thời gian là một đặc trưng của bất kì quá trình nào không liên quan đến nhiệt. Thí dụ, các hành tinh không chịu ma sát khi chúng chuyển động trong không gian trống rỗng, nên không có sự nóng lên do ma sát. Vì thế, chúng ta trông đợi những phiên bản nghịch đảo thời gian của quỹ đạo của chúng tuân theo các định luật vật lí, và đúng như thế. Trái lại, một quyển sách trượt trên bàn thật sự phát sinh nhiệt do ma sát vì nó chuyển động chậm dần, và do đó, không có gì bất ngờ khi loại chuyển động này không có vẻ tuân theo đối xứng nghịch đảo thời gian. Một quyển sách nằm yên trên một cái bàn bằng phẳng không bao giờ tự động bắt đầu trượt, nhận vào năng lượng nhiệt và biến đổi nó thành động năng.
Tương tự, tình huống duy nhất chúng ta quan sát thấy từ trước đến nay, trong đó ánh sáng không tuân theo đối xứng nghịch đảo thời gian là sự hấp thụ, quá trình liên quan đến nhiệt. Da của bạn hấp thụ ánh sáng nhìn thấy từ mặt trời đến và nóng lên, nhưng chúng ta chưa bao giờ quan sát thấy da của người nào phát sáng, biến đổi năng lượng nhiệt thành ánh sáng nhìn thấy. Da người thật sự phát ánh sáng trong vùng hồng ngoại, nhưng điều đó không có nghĩa rằng tình huống đó là đối xứng. Cho dù da của bạn hấp thụ tia hồng ngoại, nhưng bạn không phát ra ánh sáng nhìn thấy, vì da của bạn không đủ nóng để phát xạ trong vùng phổ nhìn thấy.
Những sự bất đối xứng hiển nhiên liên quan đến nhiệt này không phải là những sự bất đối xứng thật sự trong các định luật vật lí. Độc giả quan tâm có thể tham khảo thêm về vấn đề này trong chương tự chọn nhiệt động lực học ở tập 2 của bộ sách này.
Ví dụ 1. Lần theo tia sáng trên máy vi tính
Người ta có thể sử dụng một số kĩ thuật để tạo ra những khung nhìn nhân tạo trong đồ họa máy tính. Hình l thể hiện một khung cảnh như vậy, tạo bằng kĩ thuật xây dựng những sơ đồ tia sáng rất chi tiết trên máy vi tính. Kĩ thuật này yêu cầu rất nhiều phép tính toán, và do đó quá chậm để dùng cho video game và phim động trên máy tính. Một thủ thuật tăng tốc tính toán là khai thác tính thuận nghịch của chiều truyền tia sáng. Nếu người ta lần theo mỗi tia sáng phát ra bởi mỗi bề mặt phản xạ, thì chỉ một phần nhỏ trong số đó thật sự đi vào “camera” ảo, và do đó gần như toàn bộ nỗ lực tính toán sẽ bị lãng phí. Thay vào đó, người ta có thể bắt đầu một tia từ camera, lần theo nó ngược thời gian, và nhìn xem nó đi từ đâu tới. Với kĩ thuật này, không có sự lãng phí công sức nữa.
l/ Bức ảnh được tạo ra hoàn toàn bằng máy tính, bằng cách tính toán một sơ đồ tia sáng phức tạp.
Câu hỏi thảo luận
m/ Câu hỏi thảo luận B
n/ Câu hỏi thảo luận C
A. Nếu một tia sáng có vector vận tốc với các thành phần cx và cy, thì điều gì sẽ xảy ra khi nó bị phản xạ từ một bề mặt nằm dọc theo trục y? Hãy đảm bảo câu trả lời của bạn không hàm ý một sự thay đổi vận tốc của tia sáng.
B. Hãy khái quát hóa sự lí giải của bạn ở câu A, điều gì sẽ xảy ra với thành phần vận tốc của tia sáng đi tới một góc hẹp, như minh họa trên hình, và chịu hai sự phản xạ?
C. Ba tấm kim loại xếp vuông góc nhau như trên hình tạo thành cái gọi là một góc radar. Giả sử góc radar đó là lớn so với bước sóng của sóng radar, để cho mô hình tia sáng có ý nghĩa. Nếu góc radar nằm chìm trong các tia radar, ít nhất thì một phần của chúng sẽ chịu ba sự phản xạ. Hãy khái quát hóa sự lí giải của bạn thêm một lần nữa từ hai câu hỏi thảo luận ở trên, điều gì sẽ xảy ra với ba thành phần vận tốc của một tia như vậy? Góc radar có ích cho ứng dụng gì?
Quang học
Benjamin Crowell
Trần Nghiêm dịch
Phần tiếp theo >>
