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

Sóng: Các nguyên lí của
Ánh sáng, Điện và Từ học
(Phần 4)
Sóng còn có mộthành trạngthú vị khác gọi là sự giao thoa.Để nhìn thấy sự
giao thoatrongbể sóng của mình, bạn sẽ cần tạo sóngvới hai cái bút chì.Giữ hai
cái bútchì cách nhau vài cm. Sauđó, khều mặt nước với cả haibút chìcùng lúc,
theo kiểu đều đặn, tạo ra haitập hợp sóng.
Để ýkhi haitập hợpsóng chồnglấn lênnhau và đi qua nhau,chúng tương
tác với nhau.Ở một số chỗ, chúngtriệttiêu lẫn nhau,còn ở một số chỗ khác thì
chúng cộng gộp tác dụng của chúng với nhau.Hiện tượng nàygọi là giao thoa sóng.
Nếu bạn giữ kiểusóng đều với chuyển độngđều của haicái bútchì, thì bạn sẽ có hệ
vân giaothoa đều đặn.
Một đặc trưngcủa sóng làchúng tạo ra hệ vân giaothoa khichúng chồng lên
nhau. Khi những dònghạt giaonhau, cái người ta muốn thấy làchúng va chạm
nhau. Không aitừng quansát thấy sự va chạmkhi hai chùmánh sáng chiếu xuyên
qua nhau.Nhưng ánh sáng cótạo ra giao thoahay không?
Hai nguồn sóng tạo ra một hệ vân giao thoa.
Năm 1801,nhàvật lí người Anh Thomas Youngđã chứngminh rằng ánh
sáng thật sự nhiễu xạ vàthật sự tạo ra hệ vân giaothoa, giống hệt như những sóng
khác.Có vẻ như câu hỏi ánh sáng làhạt hay là sóng cuốicùng đã có câu trả lời.
Bạn có thể dễ dàng thấyhệ vângiao thoa của ánh sáng với haicái bút chì và
đèn để bàn. Giữ hai cái bút chìở phía trước mắt bạn khi bạn nhìn về phía ngọn đèn.
Di chuyển haicái bút chì đến gầnnhau hơn, cho đến khi chúnggần như chạm vào
nhau. Bạn sẽ nhìnthấy một hệ gồm những vạch sángvà tối rất mịn. Đó là hệ vân
giao thoatạo ra khiánh sángphát ra từ ngọnđèn đi qua khehẹp chiatách giữahai
cái bútchì. Những vạch tối là những nơi tại đó sóng ánhsáng triệt tiêu nhau.Vì ánh
sáng tạo ra hệ vân giao thoagiốngnhư những sóngkhác, nên nó cũng phải là sóng.
Youngcòn tính được kíchcỡ thậtsự của sóng ánh sáng. Bướcsóng của sóng
ánh sáng là rất nhỏ,nhưng Youngđã đođược chúng. Những màu sắc ánh sáng
khác nhau hóara là cóbước sóngkhác nhau.Young tìmthấy bước sóng củaánh
sáng màu đỏ vào khoảng 76phần triệu của một cm. Bướcsóng của ánh sángmàu

lam cònnhỏ hơn nữa, khoảng 38 phần triệu của một cm.
Những phép đocủa Younglí giải tại sao sự nhiễu xạ ánh sáng lại khó nhìn
thấynhư thế. Sự nhiễu xạ xảy ra khisóng bẻ cong vòng quanhmột vậtcản. Nhưng
sóng ánh sáng quá nhỏ nên chúng chỉ có thể bẻ congquanh những vậtcản rất nhỏ -
những vật cản không lớn hơn kíchcỡ nguyên tử bao nhiêu.
Vào giữa thế kỉ 19, người ta dường như chắc chắnrằng ánhsáng có bảnchất
sóng. Nhưngngay cả khi đó vấn đề vẫn chưa đượcgiải quyếtxong. Khoảng năm
1900, những khám phá mới củaMax Planck vàAlbert Einstein đã làm hồisinh lí
thuyết hạt. Kết quả cuối cùng hóara là cả haiphe tranhcãi đều đúng! Ánh sáng
thường hànhxử giống như sóng, nhưng nócũng tác dụng giống như hạt.
Sóng có thể được đo bằng bước sóng hoặc tần số của chúng.
Có mộtđịnh luật mô tả độ sáng củaánhsáng hay không? Có chứ. Những ngôi
sao mờ nhạt mà chúngta thấy trên bầutrời đêmthậtra là nhữngmặt trời đang
bừngcháy. Ánh sáng của chúng mờ đi nhiều sau hành trình đường dài của chúng
đến hành tinh của chúngta. Bạn càngở xamột nguồn phátsáng, thì độ rực rỡ của
ánh sáng càng kém đi.Thật vậy,cường độ của ánh sángphát ratừ mọi nguồn sáng
giảm rất nhanhkhi khoảng cách đến nguồn tănglên. Độ giảm đó tỉ lệ với bình
phươngcủa khoảng cách. Bình phương của khoảng cách cónghĩa nhân khoảng
cách với chính nó.
Mốiliên hệ đặc biệt này giữa độ sángvà khoảngcách đếnnguồn sángđược
gọi là quan hệ tỉ lệ nghịch bình phương. Nhiều lực khác trong tự nhiên giảmđi theo
khoảng cách với quy luật tươngtự. Một lời giải thíchcặn kẽ hơn nguyêndo vì sao
xảy ra như vậy, mời bạntham khảo ở phần sau tập sách này.Trong khi chờ đợi,
hãy thử nghĩ xem Mặt trời củachúng ta cầntạo ra bao nhiêu ánh sáng. Nó cực kì
rực rỡ,mặc dù chúng ta ở cách xanó đến 150triệu kilomet!
Chúng tacần xét đến mộtthực tế nữa về ánh sáng– tốcđộ của
nó. galileoGalilei là nhà khoahọc đầu tiên nỗ lực đo tốc độ của ánh sáng. Ông đứng
trên mộtngọnđồi, tay cầm một cái đèn lồngđậy kín,và để một người trợ lí đứng ở
một ngọnđồi đằng xa,tay cầmmột cái đèn lồng giốngnhư vậy. Ông mở đèn của
mình lên. Ngay khingười trợ lí củaông nhìn thấy ánhsáng, anhta lập tức mở đèn

của mình lên. galileomuốn đo thời giancần thiếtđể ôngnhận lại tín hiệu sáng.
Thật không may, thí nghiệmkhông thành công. Ánh sáng cóvẻ truyền đi
giữahai ngọn đồigần như tức thời. Ánhsáng chuyển độngnhanh đến mứcviệc đo
tốc độ của nó là vô cùngkhó khăn.
Nỗ lực đầutiên thànhcông trong việcđo tốc độ ánh sáng là sử dụng quỹ đạo
của trái đất làmthướcđo. Nhà thiênvăn học ngườiĐan Mạch OlausRømer đã biết
sự che khuất củacác vệ tinhcủa Mộc tinhxảy ra theo lịch địnhhồi cuốithế kỉ 17.
Ông để ý thấy thời gianche khuất biến thiên,tùy thuộcvào Mộctinh và trái đấtở
nơi nào trongquỹ đạo củachúng. Nếu haihành tinhở về hai phía của Mặt trời, thì
sự che khuất sẽ muộn vài ba phút. Nếu haihành tinh ở cùng một phía của Mặt trời,
thì sự che khuấtsẽ sớm vài ba phút.
Rømer nhận thấy độ chênh lệch thời gian có nguyên nhân làsự chênh lệch
khoảng cách mà ánh sáng từ vệ tinh củaMộc tinh phải truyền đi trước khinó được
nhìn thấy trênTrái đất. Rømer đã biết đườngkính gần đúng của quỹ đạo Trái đất.
Ông biết ánhsáng phảiđi thêm baoxa để băngqua quỹ đạo đó. Cho nên, ông có thể
ước tính ánh sáng truyền đi bao nhanhđể băng quakhoảng cách đó. Rømer tính
được ánh sángtruyền đi ở tốc độ khoảng226.000 km mỗi giây.
Năm 1849,nhàvật lí người Pháp Armand Fizeau là khoahọc đầu tiênchế tạo
ra mộtdụng cụ để đo tốc độ ánh sáng trongmột thí nghiệm trong phòng lab. Kể từ
đó, nhiều nhànghiên cứu khác đã tiến hànhnhững phép đo ngày một chínhxác
hơncủa tốc độ ánh sáng. Nổi tiếng nhất trongsố học là nhà vật lí ngườiMĩ Albert
Michelson. Ôngđã dànhphần lớn cuộcđời củamình để xác định chính xáctốc độ
của ánh sáng, Michelson giành giải thưởngNobel năm1907, giải thưởngtôn vinh
nhiều thínghiệm tài tìnhmà ông đã dùng để đo tốc độ ánhsáng càng chínhxác
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 khoahọc đặt tốcđộ ánhsáng là 299.792,5km/s,hay
186.281,7dặm/s.Tốc độ đó thường đượclàm trònlà 300.000 km/shay 186.000
dặm/s.Đây là một số đo rất quan trọng. Tốcđộ của ánh sáng cóthể xem là “giới

hạn tốc độ” của vũ trụ. Như chúng ta biết, khôngcó cái gìcó thể truyền đi nhanh
hơntốc độ ánh sáng.
Tốc độ của ánh sáng là300.000 km/strong chân không(khônggian hoàn
toàntrốngrỗng). Ánhsáng truyền đi trong không khí nhanhgần như thế. Trong
những chất liệu khác, như nước hoặc thủy tinh,tốc độ ánhsáng chậm hơn nhiều.
Thí dụ, ánh sáng truyền đi khoảng 225.000km/s(140.000 dặm/s) ở trong nước
và khoảng 200.000km/s (124.000 dặm/s)ở trong thủy tinh. Chínhsự khác biệt
tốc độ này là nguyên nhân khiến ánh sáng bị khúcxạ, hay bị bẻ cong, khinó đi từ
chất này sang chất khác.
Ánh sánglà một bộ phận quenthuộctrong thế giới hàng ngày của chúngta
nên người ta thườngdễ quên nó đặc biệt và quantrọng như thế nào. Chúng ta có
thể nhìn thấy thế giới củamìnhchỉ vì nó chìm ngập trongmột dòng ánh sángliên
tục,chúngphản xạ khỏinhữngvật xungquanhchúngta và đivào mắt củachúngta.
Vũ trụ ngập tràn ánh sáng truyền đi ở tốc độ hết sức lớn từ những ngôi sao và
thiên hàxa xôi. Chínhánh sáng này cho chúng ta biết cái gì “ở ngoài kia”, bên ngoài
thế giới của riêng chúngta. Ánh sánglà kết nối quantrọng nhấtcủa chúngta với
mọithứ trong vũ trụ nằm bên ngoài hành tinhcủa chúng ta.Khôngcó kiếnthức về
ánh sáng, thìcó lẽ khoahọc không thể hiểu được phần còn lại củavũ trụ.