Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng doc

Lược sử hình thành các
quan điểm về bản chất
ánh sáng
Ánh sáng là một người bạn gẫn gũi của con người trong mọi hoạt động
hằng ngày, đôi khi sự tồn tại của chúng đối với con người như là một điều
hiển nhiên và tự nhiên. Nói như vậy không có nghĩa con người luôn chấp
nhận sự đồng hành của người bạn ánh sáng đi bên cạnh mình mà không đặt
vấn đề tìm hiểu “cội nguồn” của chúng. Vậy ánh sáng từ đâu sinh ra? Bản chất
của ánh sáng là như thế nào?
Vô vàn câu hỏi, và những thắcmắc mà con người đã đặt ra cho ánh sáng.
Nhưng dườngnhư người bạnánhsángcủa chúngta lại rấtthíchchơi trò“đánhđố”,
vì vậy, tuycon người từ thời cổ đại xa xưa đã “hỏi” ánhsáng như vậy, nhưng phải
nói rằng cho đến thế kỉ 20, con người mới thậtsự cóđược cái nhìn đúng đắnhơn
đối với ánh sáng,song vẫn chưa hoàn thiện.Quá trình con người đi tìm câu trả lời
của ánh sáng là rất dài và trải quanhiều giaiđoạn, cónhữnggiai đoạn tưởng chừng
như đã tìm ra, nhưngrồi “gợi ý” mới của ánhsáng lại xuất hiện và con người lại
kiếmtìm. Do đó với đề tài nhỏ này,nhóm chúng tôi muốntìm hiểu về một phần
của quátrình lớncon người đitìm câu trả lời, đó chính là con đường hình thành và
những cuộc “đấu tranh” về bản chấtcủa ánh sáng. Trongphần 1 nhómchúng tôi
tìm hiểu những quan điểm về bản chất củaánh sáng trongthời cổ và trung đại.
Chúng tacó thể nhận ra tầm quantrọng trongviệc nhận thứcbản chấtcủa ánh
sáng khinhững quanđiểm về bản chất của ánhsáng xuất hiệnrất sớm ngaytừ lúc
nền vănminh loài người bắtđầu xuất hiện. Mặc dù có những hạn chế về nhiều mặt
nhưng trong thời kỳ này quá trình nhận thứcvề bản chất ánhsáng củaloài người
cũng đã có nhữngnét đánglưu ý. Trongphần thứ 2 chúng tôi tìm hiểu về quá trình
hình thành vàphát triển về quanđiểm sóngvà hạt của ánh sáng.Ban đầu ánh sáng
chỉ là sóng chứa đựng trongnó những tư tưởng đơn sơ cho đến khi Maxwellchứng
tỏ nó là sóng điện từ. Hay quanđiểm anhsánglà hạtcủa Newtonvới những lýgiải
của ông cũngkhá logic. Không chỉ vậy cuộc đấu tranhgay gắt khôngkhoannhượng
về 2 quan điểm sóng hạt của ánh sáng cũngđược chúngtôi xétđến.Tiếp đến
chúng tôi tìm hiểu về sự hình thành nền tảng kiến thức đượcxem là đúngtrong

thời điểm hiệntại: “ánh sáng – lưỡngtính sóng hạt” với những quan điểm hếtsức
tiến bộ và mangtính cách mạngcủa Einstein.Những khám phánày đã giúp cho
nhânloại hiểu được bản chất thựcsự của ánh sánggiúp nhân loại tiến một bước xa
trên con đườngchinh phụcánh sáng. Cuối cùngtrên cơ sở tìm hiểu phân tích đánh
giá chúng tôi đề ra những kếtluận sư phạm để phục vụ cho công việc giảngdạy ở
trường THPTcủa chúng tôi.Đây là nội dung chính mà trongbài tìm hiểu nàychúng
tôi sẽ trìnhbày cụ thể.
NỘI DUNGCHINH
I. Ánhsángtrong con mắt củangười cổ và trungđại:
Empédocle (khoảng 490- 435 TCN)là tác giả của lý thuyết về thị giác xa xưa nhất .
Liên quanđến ánhsáng, Empédoclecho rằng mắt truyền các“tia thị giác” đến thế
giới bênngoài. Sở dĩ có lý thuyết về các tia thị giác này một phầnlà doniềmtin dân
gian cho rằng các con mắt có chứa “lửa. Theo Empédocle, ánh sáng không đitheo
một chiều từ mắt tới vật; ánhsáng cònđi theo chiềungược lại,từ vật đến mắt.
Leucippe(khoảng460-370TCN): tráingược với “lửa” trong mắt củaEmpédocle
thoát ra thế giới bên ngoài, Leuccipecho rằng thế giới thị giácđến với chúngta, và
do đó, về thực chất, thị giác là một trảinghiệm thụ động.Dưới tác động của ánh
sáng,cáchình ảnh về các vật quanhta – mà Leucippe đặt cho mộttên riêngbằng
tiếngHy Lạp là cáceidonloncó nghĩa là các ảo ảnh– sẽ táchkhỏi bề mặt của vật,
như da của một con rắn lột xác tách khỏicơ thể, và đi đến mắtchúng ta.
Démocrite(460-370TCN): các quanđiểm của Démocritevề ánh sáng và thị giác
đều dựatrên học thuyết nguyên tử. Ông chấp nhận bốnmàu cơ bản của
Empédocle – đen,trắng, đỏ và vàng-xanh,nhưng thêmvào đó các màu khác gọi là
các màu thứ cấp, như lục và nâu. Khácvới Empédocle,Démocritekhông gắncác
màu cơ bản cho bốn nguyên tố,mà gắn cho các nguyên tử có hình dạng khác nhau.
Theo Démocrite,các màu (và các đặctính giác quankhác như mùi vàvị) không
hiện hữu trongbản thâncác vật.
Platon(428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộcvào hạng siêu hình. Mặt Trời là
con của cái Thiện, và mắt, nhạy cảm với ánh sáng, là một cơ quan gắn chặt nhất với
MặtTrời.

Như vậy thị giác là kết quả của sự tổng hợp củaba quá trình bổ sung cho nhau. Mắt
phátra lửa, lửa kết hợp với ánhsáng xungquanh để tạo thành mộtchùm sáng duy
nhất.Chùm sáng này đượcphóng thẳng ra phíatrước cho đến khi gặpbề mặt của
một vật; ở đó, nó gặp tia cáchạt do vậtphát ra dưới tác dụngcủa ánhsáng xung
quanh vàkết hợp vớichùm sángban đầu. Tia các hạt nàychứa thông tinvề tình
trạngcủa vật, màu sắc và kết cấu của nó.Sau đó chùmsángco lại để truyềnđến
mắtnhữngthông tin này.
Aristolte(384-322TCN),học trò củaPlaton, là một triết giathuộc trường pháitự
nhiên,ông có cái nhìn cụ thể hơnvà kinhnghiệm hơnvề hiệnthực, đồng thời ông
cũng là người bác bỏ thế giớiÝ niệm của Platon.Liên quan đến thị giác, Aristolte
bác bỏ dứt khoát các “tiathị giác”của Empédocle, bởitheo ông lýthuyết này không
giảithích được tại saochúng ta khôngnhìn thấy trong bóng tối. Ôngcũng bác bỏ
quan niệm củaPlaton về các hạt thoát ratừ bề mặt các vật để đi vào mắtngười
quan sát. Theo ông, sự tri giác các vật đượcthực hiện không phải thông quadòng
vật chất, mà bởi ấn tượng củachúng lêncác giác quan, cũnggiống như sáp tiếp
nhậndấu ấn của chiếc nhẫn nhưngkhông tước mất của nó cáichất, sắt hayvàng,
đã tạo nên chiếc nhẫn đó. Như vậy mắttiếp nhận các ấn tượng về màu sắc, hình
dạng, chuyển động,…Aristolte cho rằngtồn tại haimàu cơ bản:đen và trắng. Tất
cả các màukhácbắt nguồntừ sự hòa trộnhai màu cơ bản này vàbiểu hiện các
“phẩm chất trunggian”,ở đây,ông giải thích sự hòa trộn 2 màu cơ bản tạothành
các màu kháccó sự đóng góp của “nhiệt”. Các màu kháccũng có thể bắt nguồn từ
sự hòa trộn giữađen và trắng trong một môitrường bán trong suốt: đó là trường
hợp các màu nâu đỏ hoặc da cam của cảnh hoàng hôn.
Euclide (khoảng 300TCN): ông đã dùng toán học để áp dụng chocác hiện tượngtự
nhiên,Euclide đưa ra tiên đề về tập hợp các “tiathị giác” chứa trong một hình nón
mà đỉnhcủa nó làtâm của mắt và đáy là phạmvi nhìn thấy của mắt. Nhờ có tiên đề
mặtnón thị giác này và nhờ các tính toán hìnhhọc, ôngđã giải thích được tại sao
cây ở xa trông lại nhỏ hơn cây ở gần.
ClaudePtolémée (khoảng 100-178):Ptolémée chorằng mắt đồng thời vừa là máy
phátvừa là máy thu:mắt phátra các “tia thị giác” có cùng bảnchất với ánh sáng và

màu sắc. Ptolémée cũngđưa ra tiên đề về “mặt nónthị giác”, nhưng khácvới
Euclide,ông cho rằng mặt nón nàykhôngchứa một tậphợp các “tia thị giác” tách
biệt, mà chứamột continuumcác tia cómật độ lớn nhất ở trung tâm, tại đó mắt
nhìn thấy rõ nhất, nhưng giảmdần ở rìa mép nơi các chi tiết nhoè mờ hơn. Theo
ông, “mặt nónthị giác” bản thân nókhông đủ; còn cần phải có thêm ánh sáng bên
ngoài để đượckhởi phát sự hoạt động của nó. Chẳng hạn,khi “mặt nónthị giác”
quét lênbề mặt của mộtvật, nó chỉ tương tác với vậtấy nếu có ánh sáng xung
quanh. Ánhsáng bên ngoài này càngmạnh thìtương tác càngmạnh. Điều nàygiải
thích tại sao chúng ta không nhìn được trong bóng tối.
Ptolémée cũngsuy nghĩ về hành trạng củaánh sáng khi nó phản xạ trên một bề
mặt(định luậtphản xạ) hayđổi hướngkhi đi từ môi trường này sangmôi trường
khác (định luật khúc xạ). Ông cũng là người đầu tiênmiêu tả các màu hòa trộnvới
nhau như thế nào trong mắt của con người. Ôngđã vẽ các màu khác nhautrên một
bánh xe sauđó quay bánh xethật nhanh. Mắt không cóđủ thờigian để phân biệt
từng màu một, mà chỉ nhìnthấy các màu này bị trộn vào nhau. Ngoài ra, ông còn
nhậnthấy sự hòa trộn cácmàu còn cóthể là kết quả của khoảng cách: một bức
tranh ghép các màu sáng nhìntừ xa có thể cho ấn tượng về màu xám.
ClaudeGalien(130-200)cùngvới Hippocratelà hai bácsỹ vĩ đại nhấtthời Cổ đại.
Ông là một gương mặt lớn góp phần phát triểncác ý tưởngvề ánhsáng. Galienđã
lấy lạimột số quan niệm của Aristolte: dưới ảnh hưởngkết hợp của linhkhí thị
giác và ánh sáng,không khí baoquanhta chịu một biến đổi làm chomắt nhìn thấy
được. Các màu sắc cũng làm cho không khí biến đổi. Theo Galien, trung tâm của thị
giác là thủytinh thể.
Alhazen(965-1040):Alhazen đồng ývới quanđiểm của Aristolterằngánh sáng
đến từ bên ngoài đi vào mắt, chứ khôngphải ngược lại. Theo ông,các tiasáng thật
sự tồn tại. Chúnglan truyền theo đường thẳng. Khiánh sáng xungquanhchạm vào
một vật liền bị vật này phản xạ, từ mỗi điểm trênbề mặt của một vật có màu,các
chùmtia sáng lan tỏa theo tất cả các hướng, và chỉ một tỉ lệ nhỏ của chúng đi vào
mắtchúng ta. Ở đây Alhazenđã đưa raý tưởng về sự tánxạ ánh sáng.
Rober Bacon (1214-1292), người Anh.Trong các sách chuyên luậnvề ánhsáng và

màu sắc, ông đã cố gắng tổnghợp các quanniệmcủa Aristote về ánh sángvà màu
sắc (vốn là các “dạng thức” phi vật chất) và các quanniệm của Alhazen(màu sắc
được truyềnbởi các tia phát ra từ tất cả các điểm củavật). TheoBacon,mọi vật
phóngtheo đườngthẳngvề tất cả các hướngmột cái gì đó thuộc tinh chất của nó
mà ônggọi là “loài”.Chẳng hạn,Mặt trời phát ra các “loài” sáng.
FrancescoMaria Grimaldi (1618-1663): Ông đã tìm raphươngthức truyềnánh
sáng thứ 4ngòai 3 phương thứctrước đó đã tìm thấy làtheo đường thẳng, bằng
phản xạ trên mộtmặt phẳngnhư gương chẳnghạn, và bằng khúcxạ khithay đổi
môitrường.Phương thức thứ 4 đó là nhiễu xạ ánh sáng. Nghiên cứunày của ông
được công bố vào năm 1665.
Huygens:cha đẻ lý thuyết sóngánh sáng
ChristiaanHuygens (1629-1695) trongmột gia đìnhưu tú ở Hà Lan, đượccoi là
nhà toán học và vậtlý học lớn nhất thời kỳ giữa Galileo vàNewton.
ChristiaanHuygens (1629-1695)
Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các hạt của vật
sáng tới mắt. Nhà vậtlý học người HàLan này cũng bác bỏ quan điểm của
Descartescho rằng ánh sángnhư mộtxung độnglan truyền tức thời. Theoông,
ánh sáng lantruyền trong không gian cũnggiống như sóng được sinhra khi ta ném
một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trênkhắp mặtnước.
* Ánhsáng theoquan điểm của Huygens:
· Huygensdựa trênkhái niệm ánh sáng là sóng: Sóng ánh sáng truyền trongkhông
gian qua trunggian ête, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tạinhư một thực
thể vôhình trongkhông khí và không giannhờ vậy mà sóngánh sáng cóthể truyền
chuyển động không những chocho tất cả những hạt khác tiếpxúc với nó mà còn
cho tấtcả những hạt khác tiếpxúc với hạt đó và cảnchuyển động của nó.
· Cơ chế truyền sóng: Theo Huygens, một nguồnsáng bao gồmvô số các hạtrung
động. Các hạtnày truyền rungđộng củachúng tới các hạt ête bên cạnh dướidạng
các sóng cầu cótâm tại mỗi một hạt rung này. Vô số các sóng cầunày được truyền
đi, và bán kính tác dụng của chúng tăng dần theo thời gian. Chúngchồngchập lên
nhau và biểuhiện hỗn độn của chúngở gần nguồn sáng giảmdần khi cácsóng

truyền raxa nguồn sáng. Càng xa nguồn sáng, sóngcàng trở nêntrơnvà đều đặn
hơn.
· Tínhchất của sóng ánh sáng: Ánh sáng truyền nhanhhơn rất nhiều so với âm
thanh,điều mà mọi người cóthể nhận thấy khi trời có giông,ta nhìn thấy chớp
sớm hơn nhiều khinghe thấytiếng sấm. Huygensgiải thích sự chênh lệch lớn về
vận tốcnày là do có độ chênh lệch lớn về độ cứng giữakhông khí và ête. Vận tốc
lan truyền của một sóngtăng theo độ cứng của môi trường trong suốt.Huygens
thừanhận rằng cáchạt ête cứng và rắnđến mức chúngtruyền mọi nhiễuđộng hầu
như tức thời. Chỉ cần một sự rung nhẹ ở đầu bênnày của một hạt ête là ngay lập
tức nó sẽ đượctruyền sang đầu bên kia. Ngượclại, các hạt không khí mềm hơn và
truyền các rungđộng chậm hơnrất nhiều
* Từ đó, ông giải thíchcác hiện tượngnhư sau:
· Hiện tượngphản xạ: Thuyết sóngxem nguồnsáng phát racác sóng ánhsángtrải
ra theo mọi hướng. Khi chạmlên gương,các sóngbị phản xạ theo góc tới, nhưng
với mỗi sóng phản hồitrở lại tạo ramột ảnh đảo ngược.
· Hiện tượngkhúc xạ ánh sáng: Huygens cho rằng vận tốc ánhsáng trongmột chất
bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Như vậy, vận tốc củaánh sáng trong không
khí lớn hơnvận tốc ánh sáng trongnước.
Khi một chùmánhsáng truyền giữa hai môi trường cóchiết suất khácnhau thì
chùmtia bị khúc xạ (đổi hướng). Mộtphần nhỏ của mỗi đầusóng góc phải chạm
đếnmôi trườngthứ hai trước khiphần còn lại củađầu sóngtiếnđến mặt phân giới.
Phần này sẽ bắt đầu đi quamôi trườngthứ hai sẽ chuyển độngchậm hơn do chiết
suất củamôi trường thứ hai cao hơn, trong khiphần còn lại của sóng vẫncòn
truyền trong môi trườngthứ nhất. Domặt sóng lúcnày truyềnở hai tốc độ khác
nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thayđổi hướng
truyền
· Hiện tượngnhiễu xạ: thuyết sóngcủa Huyghenschưa giải thích đượchiện tượng
này.
Và để nói lên quan điểm của mình,năm1960 ,Huyghen công bố “GIÁO TRÌNH
QUANG HỌC”, đâu là công trìnhđầu tiênvề lý thuyết sóng ánh sáng.

Newton: ánh sáng là hạt