Benjamin Crowell: Quang học - Phần 5

1.5* Nguyên lí thời gian tối thiểu cho sự phản xạ

Chúng ta phải chọn giữa một sự giải thích không rộng rãi của sự phản xạ ở cấp độ nguyên tử và một mô tả hình học đơn giản hơn không phải là cơ bản. Có một cách thứ ba mô tả sự tương tác của ánh sáng và vật chất rất sâu sắc và đẹp đẽ. Được nhấn mạnh bởi nhà vật lí thế kỉ 20 Richard Feynman, nó được gọi là nguyên lí thời gian tối thiểu, hay nguyên lí Fermat.

Hãy bắt đầu với sự chuyển động của ánh sáng không tương tác với vật chất nào hết. Trong chân không, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng. Điều này được diễn dịch lại như sau: trong số mọi đường đi khả dĩ ánh sáng có thể đi từ P đến Q, đường đi duy nhất có khả năng xảy ra về mặt vật lí là đường đi tốn ít thời gian nhất.

o/ Những đường liền nét là những đường đi có thể có về mặt vật lí cho tia sáng đi từ A đến B và từ A đến C. Chúng tuân theo nguyên lí thời gian tối thiểu. Những đường đứt nét không tuân theo nguyên lí thời gian tối thiểu, và không có khả năng xảy ra trên phương diện vật lí.

Còn sự phản xạ thì sao? Nếu ánh sáng đang đi từ điểm này đến điểm kia, bị phản xạ trên đường đi, thì đường đi nhanh nhất thật sự là con đường có góc tới và góc phản xạ bằng nhau. Nếu điểm bắt đầu và điểm kết thúc cách đều bề mặt phản xạ, o, thì chẳng khó khăn gì bạn có thể tự thuyết phục mình rằng điều này là đúng, dựa trên sự đối xứng. Còn có một cách chứng minh khéo léo và đơn giản, thể hiện trong hình p, cho trường hợp tổng quát hơn trong đó điểm bắt đầu và điểm kết thúc cách bề mặt phản xạ những khoảng cách khác nhau.

Nguyên lí thời gian tối thiểu không chỉ áp dụng cho ánh sáng trong chân không và ánh sáng đang phản xạ, mà chúng ta sẽ thấy trong một chương ở phần sau, nó cũng áp dụng được cho sự bẻ cong ánh sáng khi ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác.

p/ Đường đi AQB và APB là hai đường đi khả dĩ mà ánh sáng có thể đi từ A đến B với một lần phản xạ, nhưng chỉ đường AQB là có khả năng trên phương diện vật lí. Chúng ta muốn chứng minh đường đi AQB, với góc tới và góc phản xạ bằng nhau, là ngắn hơn bất kì đường đi nào khác, thí dụ như APB. Thủ thuật là xây dựng một điểm thứ ba, C, nằm bên dưới mặt phản xạ, với khoảng cách bằng với điểm B ở trên. Khi đó, đường đi AQC là đường thẳng có chiều dài bằng AQB, và đường đi APC có chiều dài bằng APB. Vì AQC là thẳng nên nó phải ngắn hơn bất kì đường nào khác như APC nối điểm A và điểm C, và do đó AQB phải ngắn hơn bất kì đường đi nào khác như APB chẳng hạn.

Mặc dù trông thật đẹp khi mà toàn bộ mô hình tia sáng có thể giản luận thành một quy tắc đơn giản, nguyên lí thời gian tối thiểu, nhưng có lẽ sẽ có chút ma quái nếu nói tia sáng có trí thông minh và đã thận trọng lên kế hoạch trước tìm lộ trình ngắn nhất hướng tới đích của nó. Làm thế nào nó biết trước nó đang đi về đâu? Chuyện gì xảy ra nếu chúng ta di chuyển gương trong khi ánh sáng đang trên đường đi tới, sao cho những điều kiện theo đường đi đã định của nó không giống với cái nó “trông đợi” nữa? Câu trả lời là nguyên lí thời gian tối thiểu thật ra là một lối tắt để đi tìm những kết quả nhất định của mô hình sóng của ánh sáng, đó là chủ đề cùa chương cuối của tập sách này.

Có hai điểm tinh tế trong nguyên lí thời gian tối thiểu. Thứ nhất, đường đi đó không phải là đường nhanh nhất trong mọi đường đi có thể có; nó chỉ cần nhanh hơn bất kì đường đi nào khác chút xíu với nó mà thôi. Trong hình p, chẳng hạn, ánh sáng có thể đi từ A đến B hoặc qua đường đi phản xạ AQB, hoặc đơn giản là đi thẳng từ A đến B. Mặc dù AQB không phải là đường đi ngắn nhất có thể có, nhưng nó không thể ngắn hơn nữa bằng cách thay đổi nó một lượng rất nhỏ, tức là bằng cách di chuyển điểm Q sang trái hoặc sang phải một chút. Mặt khác, đường đi APB là không thể trên phương diện vật lí, vì người ta có thể thay đổi nó bằng cách dời điểm B sang phải một chút.

q/ Ánh sáng phát ra từ tâm của một cái gương hình elip. Có bốn đường đi có khả năng xảy ra trên phương diện vật lí trong đó tia sáng có thể bị phản xạ và quay trở lại tâm.

Gọi đây là nguyên lí thời gian tối thiểu thì chưa thích hợp cho lắm. Thí dụ, trong hình q, bốn đường đi có khả năng trên phương diện vật lí theo đó ánh sáng có thể quay trở lại tâm gồm hai đường đi thời gian ngắn nhất và hai đường đi thời gian dài nhất. Nói ngắn gọn, chúng ta nên dùng từ nguyên lí thời gian ngắn nhất hoặc thời gian dài nhất, nhưng đa số các nhà vật lí ưa chuộng cái đẹp nhất, và giả sử rằng các nhà vật lí khác đều hiểu cái ngắn nhất và cái dài nhất đều là có thể.

Quang học
Benjamin Crowell
Trần Nghiêm dịch
Phần tiếp theo >>

Bài trước | Bài kế tiếp