Benjamin Crowell
3.3 Sóng âm và sóng ánh sáng
Sóng âm
Hiện tượng âm dễ dàng tìm thấy có đầy đủ những đặc trưng mà chúng ta mong đợi từ một hiện tượng sóng:
- Sóng âm tuân theo sự chồng chất. Âm thanh không triệt tiêu nhau trên đường truyền khi chúng va chạm nhau, và chúng ta có thể nghe nhiều hơn một âm thanh mỗi lần nếu chúng ta chạm đến tai của chúng ta đồng thời.
- Môi trường không di chuyển cùng với âm thanh. Cho dù là đang đứng trước một cái loa khổng lồ đang phát nhạc đinh tai, chúng ta không hề cảm thấy cả cơn chấn động nhỏ nhất.
- Vận tốc của âm thanh phụ thuộc vào môi trường. Âm thanh truyền đi trong helium nhanh hơn trong không khí, và truyền trong nước nhanh hơn trong helium. Đưa thêm năng lượng vào sóng âm làm cho nó mạnh hơn, chứ không nhanh hơn. Ví dụ, bạn có thể dễ dàng phát hiện ra một tiếng vọng khi bạn vỗ tay cách một bức tường phẳng, lớn một khoảng cách ngắn, và tiếng vỗ lớn hơn không vọng lại nhanh hơn.
Mặc dù không phải mọi sóng đều có tốc độ độc lập với hình dạng của sóng, và do đó tính chất này không liên quan đến bộ sưu tập bằng chứng của bạn rằng âm thanh là một hiện tượng sóng, tuy vậy âm thanh thật sự có tính chất này. Chẳng hạn, tiếng nhạc trong một phòng hòa nhạc lớn hay sân vận động có thể mất cỡ một giây để đi tới một người nào đó ngồi ở khu vực chảy máu cam, nhưng chúng ta không chú ý hoặc không quan tâm, vì sự trễ là như nhau đối với mọi âm thanh. Tiếng ghita bass, tiếng trống, và tiếng xướng nhạc pop đều hướng ra xa khỏi sân khấu với tốc độ 340 m/s, bất chấp hình dạng sóng khác nhau của chúng.
Nếu âm thanh có đủ cả những tính chất mà chúng ta mong đợi từ một sóng, vậy sóng này thuộc loại gì ? Nó phải là dao động của một môi trường vật chất như không khí, vì tốc độ của âm thanh khác nhau trong những môi trường khác nhau, ví dụ như helium hay nước. Bằng chứng nữa là chúng ta không nhận được tín hiệu âm thanh đi đến hành tinh của chúng ta từ không gian vũ trụ. Tiếng rít và tiếng la của những con tàu Hollywood thật hào hứng, nhưng sai lầm về mặt khoa học.
Chúng ta cũng có thể nói sóng âm gồm sự nén và dãn, chứ không phải những dao động sang hai bên kiểu như sự uốn lượn của một con rắn. Chỉ có những dao động nén ép mới có thể làm cho màng nhĩ của bạn dao động vào ra. Ngay cả với một âm thanh rất lớn, thì sự nén ép là cực kì nhỏ; sự tăng hay giảm so với áp suất khí quyển bình thường không lớn hơn một phần một triệu. Tai của chúng ta rõ ràng là những cái máy thu rất nhạy!
Sóng ánh sáng
Những quan sát hoàn toàn tương tự đưa chúng ta đến chỗ tin rằng ánh sáng là một sóng, mặc dù khái niệm ánh sáng là một sóng đã có một lịch sử lâu đời và khúc khuỷu. Thật hứng thú lưu ý là Isaac Newton là người chủ trương rất mạnh mẽ quan điểm ngược lại về ánh sáng. Niềm tin rằng vật chất cấu thành từ các nguyên tử thật hợp thời vào lúc đó trong số những nhà tư tưởng cấp tiếp (mặc dù không có bằng chứng thực nghiệm nào cho sự tồn tại của chúng), và dường như thật hợp lí với Newton là ánh sáng cũng sẽ được cấu thành từ những hạt nhỏ xíu mà ông gọi là tiểu thể. Những thành tựu của Newton trong lĩnh vực cơ học, tức là nghiên cứu về vật chất, đã mang đến cho một ông một thanh thế lớn nên chẳng ai lo lắng hoài nghi lí thuyết không đúng của ông về ánh sáng trong 150 năm trời. Một bằng chứng có sức thuyết phục rằng ánh sáng là một sóng là theo lí thuyết của Newton, hai chùm ánh sáng cắt nhau sẽ chịu ít nhất một phần nào đó đổ vỡ do va chạm giữa các tiểu thể của chúng. Cho dù là các tiểu thể cực kì nhỏ, và va chạm vì thế rất hiếm khi, thì ít nhất phần nào đó sự lu mờ phải có thể đo được. Trong thực tế, những thí nghiệm rất tinh vi cho thấy chẳng có sự lu mờ nào cả.
Lí thuyết sóng của ánh sáng hoàn toàn thắng lợi cho đến thế kỉ 20, khi người ta phát hiện thấy không phải mọi hiện tượng ánh sáng có thể giải thích với một lí thuyết sóng thuần túy. Ngày nay, người ta tin rằng cả ánh sáng và vật chất đều cấu thành từ những hạt nhỏ xíu vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Ở đây, chúng ta sẽ tự giới hạn mình với lí thuyết sóng ánh sáng, nó có khả năng giải thích rất nhiều thứ, từ camera cho tới cầu vồng.
Nếu như ánh sáng là một sóng, vậy thì cái gì đang gợn sóng ? Cái gì là môi trường gợn sóng khi một sóng ánh sáng truyền qua ? Nó không phải là không khí. Chân không có khả năng xuyên thủng với âm thanh, nhưng ánh sáng phát ra từ những ngôi sao truyền đi một cách nhàn hạ qua hàng triệu triệu tỉ tỉ dặm trong không gian trống rỗng. Bóng đèn không có không khí bên trong chúng, nhưng điều đó không ngăn cản sóng ánh sáng đi ra khỏi dây tóc. Trong một thời gian dài, các nhà vật lí cho rằng phải có một môi trường bí ẩn cho sóng ánh sáng, và họ gọi nó là aether (không nên nhầm với một chất hóa học). Cho là aether tồn tại ở mọi nơi trong không gian, và miễn nhiễm với bơm chân không. Các chi tiết của câu chuyện được để dành cho phần sau của khóa học này, nhưng kết quả cuối cùng là một loạt thí nghiệm kéo dài đã thất bại trước việc phát hiện bất kì bằng chứng nào cho aether, và người ta không còn tin là nó tồn tại. Thay vì vậy, ánh sáng có thể giải thích là một loại sóng cấu thành từ điện trường và từ trường.
3.4 Sóng tuần hoàn
Chu kì và tần số của một sóng tuần hoàn
Bạn chọn một đài phát thanh bằng cách chọn một tần số nhất định. Chúng ta đã định nghĩa chu kì và tần số cho các dao động, nhưng chúng có ý nghĩa gì trong trường hợp một sóng ? Chúng ta có thể sử dụng lại định nghĩa trước đây của chúng ta dễ dàng bằng cách phát biểu lại nó theo các dao động mà sóng gây ra khi nó đi qua một thiết bị thu tại một điểm nhất định trong không gian. Đối với sóng âm, thiết bị thu này có thể là màng nhĩ hoặc microphone. Nếu các dao động của màng nhĩ tự lặp lại mãi mãi, tức là tuần hoàn, thì chúng ta mô tả sóng âm gây ra chúng là tuần hoàn. Tương tự, chúng ta có thể định nghĩa chu kì và tần số của một sóng theo chu kì và tần số của các dao động mà nó gây ra. Một thí dụ khác, một sóng nước tuần hoàn sẽ là một sóng làm cho một con vịt cao su dập dềnh theo kiểu tuần hoàn khi chúng đi qua nó.
Chu kì của một sóng âm liên quan với cảm giác của chúng ta về độ cao nốt nhạc. Một tần số cao (chu kì ngắn) là một nốt cao. Các âm thật sự xác định nốt nhạc của một bài hát chỉ là những âm tuần hoàn. Bạn không thể nào hát một âm không tuần hoàn kiểu như “sh” với một độ cao rõ ràng.
Tần số của sóng ánh sáng tương ứng với màu sắc. Màu tím là đầu tần số cao của cầu vồng, màu đỏ là phía tần số thấp. Một màu như màu nâu không xuất hiện trong cầu vồng không phải là sóng ánh sáng tuần hoàn. Nhiều hiện tượng chúng ta thường không nghĩ là ánh sáng thật ra chỉ là những dạng ánh sáng không nhìn thấy vì chúng rơi ra ngoài ngưỡng tần số mà mắt chúng ta có thể phát hiện. Nằm ngoài đầu đỏ của cầu vồng nhìn thấy, có sóng hồng ngoại và sóng vô tuyến. Qua khỏi đầu tím, chúng ta có tia tử ngoại, tia X và tia gamma.
Đồ thị sóng là hàm của vị trí
Một số sóng, như sóng âm, dễ dàng nghiên cứu bằng cách đặt một máy dò tại một nơi nhất định trong không gian và nghiên cứu chuyển động là một hàm của thời gian. Kết quả là một đồ thị có trục hoành là trục thời gian. Với sóng nước, mặt khác, cách dễ hơn là nhìn sóng theo đường thẳng. Ảnh nhìn phớt nhanh qua này gắn cho đồ thị chiều cao của sóng nước là hàm của vị trí. Mỗi sóng đều có thể biểu diễn theo một trong hai cách.
Một cách dễ hình dung ra điều này là theo một máy ghi đồ thị bóc trần gồm một cái bút mực ngọ nguậy tới lui khi cuộn giấy được thêm vào bên dưới nó. Nó có thể dùng để ghi điện tâm đồ của con người, hay sóng địa chấn quá nhỏ để cảm nhận là động đất dễ nhận thấy nhưng có thể phát hiện bởi máy ghi địa chấn. Lấy máy đo địa chấn làm ví dụ, đồ thị về cơ bản là bản ghi chuyển động sóng của mặt đất là hàm của thời gian, nhưng nếu tờ giấy được cho vào với tốc độ bằng tốc độ chuyển động của sóng động đất, thì nó sẽ là một biểu diễn đúng kích cỡ của kiểu sóng thật sự. Giả sử, như thường xảy ra, vận tốc sóng là một con số không đổi bất chấp hình dạng của sóng, việc biết chuyển động sóng là hàm của thời gian tương đương với việc biết nó là hàm của vị trí.
Bước sóng
Mọi sóng tuần hoàn cũng sẽ biểu hiện một mẫu hình lặp lại khi vẽ đồ thị là hàm của vị trí. Khoảng cách nối giữa một lần lặp lại được gọi là một bước sóng. Kí hiệu thường dùng cho bước sóng là λ, kí tự Hi Lạp lambda. Bước sóng đối với không gian giống như chu kì đối với thời gian.
Liên hệ giữa vận tốc sóng với chu kì và tần số
Giả sử chúng ta tạo ra một nhiễu loạn lặp lại bằng cách kích động bề mặt của một hồ bơi. Về cơ bản, chúng ta tạo ra một loạt xung sóng. Bước sóng đơn giản là khoảng cách mà một xung có thể truyền đi trước khi chúng ta tạo ra xung tiếp theo. Khoảng cách giữa các xung là λ, và thời gian giữa các xung là chu kì T, nên tốc độ của sóng là quãng đường chia cho thời gian,
Ví dụ 5. Bước sóng của sóng vô tuyến
Tốc độ của ánh sáng là 3,0 x 108 m/s. Hỏi bước sóng của sóng vô tuyến phát đi bởi KKJZ, một đài phát thanh có tần số 88,1 MHz, bằng bao nhiêu ?
@ Giải phương trình cho bước sóng, chúng ta có
λ= v/f
= (3,0 x 108 m/s) / (88,1 x 106 s-1)
= 3,4 m
Kích cỡ của ănten vô tuyến liên quan chặt chẽ với bước sóng của các sóng mà nó muốn thu. Sự ăn khớp không nhất thiết thật chính xác (vì sau hết thảy thì một ănten có thể nhận nhiều hơn một bước sóng!), nhưng ănten “râu” bình thường như ănten của xe hơi là 1/4 bước sóng. Ănten dùng để thu tín hiệu của đài KKJZ sẽ có chiều dài 3,4 m /4 = 0,85 m.
Phương trình v = f λ xác định một mối quan hệ ổn định giữa hai biến bất kì nếu như biến kia giữ không đổi. Tốc độ của sóng vô tuyến trong không khí gần như chính xác bằng nhau đối với mọi bước sóng và tần số (thật là chính xác bằng nhau nếu chúng ở trong chân không), nên có một mối quan hệ ổn định giữa tần số và bước sóng của chúng. Như vậy, chúng ta có thể nói “Chúng ta đang nói về bước sóng bằng nhau phải không ?” hoặc “Chúng ta đang nói về tần số bằng nhau phải không?” đều được.
Một thí dụ khác là hành trạng của sóng truyền từ một vùng nơi môi trường có một tập hợp tính chất này sang một vùng nơi môi trường hành xử khác đi. Tần số bây giờ là không đổi, vì nếu không thì hai phần của sóng sẽ không đồng bộ với nhau, gây ra một nút thắt hay điểm gián đoạn tại ranh giới, điều đó sẽ không thực tế. (Một lập luận thận trọng hơn là rằng một nút thắt hay điểm gián đoạn sẽ có độ cong vô hạn, và sóng có xu hướng bị kéo phẳng ra độ cong của chúng. Một độ cong vô hạn sẽ bị kéo phẳng ra vô hạn nhanh chóng, tức là nó có thể không bao giờ xuất hiện trong trường hợp thứ nhất) Vì tần số phải giữ không đổi, cho nên bất kì sự thay đổi vận tốc nào do môi trường mới cũng phải gây ra sự thay đổi ở bước sóng.
Vận tốc của sóng nước phụ thuộc vào độ sâu của nước, cho nên dựa trên λ= v/f, chúng ta có thể thấy sóng nước chuyển động vào vùng có độ sâu khác phải thay đổi bước sóng của chúng, như thể hiện trong hình bên dưới. Hiệu ứng này có thể quan sát thấy khi sóng đại dương đi vào bờ. Nếu sự giảm tốc của kiểu sóng đủ đột ngột, thì đầu sóng có thể cuộn lên, mang lại một con sóng vỡ tan.
u/ Sóng nước truyền vào cùng có độ sâu khác thay đổi bước sóng của nó.
t/ Siêu âm, tức âm có tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người, được sử dụng để tạo ra hình ảnh này của bào thai. Độ phân giải của ảnh liên quan đến bước sóng, vì các chi tiết nhỏ hơn khoảng một bước sóng không thể phân giải được. Vì thế, độ phân giải cao yêu cầu bước sóng ngắn, tương ứng với tần số cao.
Lưu ý về sóng tán sắc
Trình bày về vận tốc sóng ở đây thật ra là một sự đơn giản hóa quá mức cho một sóng có vận tốc phụ thuộc vào tần số và bước sóng của nó. Một sóng như thế gọi là sóng tán sắc. Hầu như tất cả sóng mà chúng ta nói tới trong khóa học này là không tán sắc, nhưng vấn đề trở nên quan trọng trong quyển 6 của loạt bài giảng này, trong đó nó được trình bày chi tiết hơn ở mục tự chọn 4.2.
Sóng sin
Sóng hình sin là trường hợp đặc biệt quan trọng nhất của sóng tuần hoàn. Thật vậy, nhiều nhà khoa học và kĩ sư sẽ khó chịu với việc định nghĩa một dạng sóng như âm thanh “ah” là có tần số và bước sóng rõ ràng, vì họ xem chỉ có các sóng sin là thí dụ thuần túy có một tần số và bước sóng nhất định. Thiên kiến của họ không phải không hợp lí, vì nhà toán học người Pháp Fourier đã chứng minh được rằng bất kì sóng tuần hoàn nào có tần số f cũng có thể xây dựng là sự chồng chất các của sóng sin với tần số f, 2f, 3f,… Theo ý nghĩa này, các sóng sin là những viên gạch cấu trúc cơ bản, thuần khiết của mọi sóng. (Kết quả của Fourier làm bất ngờ giới toán học Pháp tới mức ông đã bị chế nhạo khi lần đầu tiên ông đưa ra định lí của ông)
Tuy nhiên, việc sử dụng định nghĩa nào là vấn đề tiện lợi. Cảm giác nghe của chúng ta nhận được bất kì hai âm nào có chu kì bằng nhau là có cùng cường độ, cho dù chúng có là sóng sin hay không. Điều này thật rõ ràng vị hệ thống tai-não của chúng ta đã tiến hóa để có thể hiểu được tiếng nói của con người và tiếng ồn của động vật, chúng tuần hoàn nhưng không có dạng sin. Mặt khác, mắt của chúng ta xét đoán một màu sắc là thuần khiết (thuộc dải màu cầu vồng) chỉ nếu như nó là một sóng sin.
A. Giả sử chúng ta chất chồng hai sóng sin có biên độ bằng nhau, nhưng tần số hơi khác nhau, như biểu diễn trên hình. Sóng chồng chất sẽ trông như thế nào ? Sóng này sẽ được nghe như thế nào nếu chúng là sóng âm ?
Còn tiếp...
