con đường đi đến ánh sáng

Theo ông, sự tri giáccác vật được thực hiện không phải thông qua dòng vật chất, mà bởi ấn tượng củachúng lên các giác quan, cũng giống như sáp tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫnnhưng không

Lời mở đầu

Ánh sáng là gì phải chăng nó chỉ mang ý nghĩa về mặt khoa học mà không mang một ý nghĩa nào khác,con người sống và vô tình quên đi những cái thường ngày mà không hề biết nó là ai nó cho ta những gì chỉ hiển nhiên côi đó là tất yếu phải có.Như giáo sư Trịnh Xuân Thuận đã viết” “Ánh sáng hiện hữu khắp mọi nơi, tới mức chúng

ta coi nó là hiển nhiên và đối xử với nó một cách thờ ơ, cho tới khi quanh ta đột nhiên là bóng tối chúng ta mới thấy nhớ ánh sáng” Ánh sáng cho ta sự sống cho ta ý thức được vũ trụ và là niềm tin hi vọng là sức mạnh vô biên mà con người nhận một cách vô điều kiên…… Vậy chúng ta đã biết gì về ánh sáng?Chúng tôi mời các bạn ghé thăm bài tiểu luận ngắn sơ lược về ánh sáng và mối liên hệ chặt chẽ của nó với con người và qua đó hi vọng sẽ giúp các bạn có cái nhìn đúng đắn nhất

về cuộc sồng và chúng ta đã và đang sống.

Nội dung

I Con đường hình thành những quan điểm về ánh sáng

IV Ánh sáng điều kỳ diệu quanh ta

I Con đường hình thành quan điểm về ánh sáng.

Ánh sáng nhìn thấy là bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn

thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 nm đến 700 nm).

Ánh sáng là một trong những điều kì lạ trong thế giới ta đang sống.

Ta chưa biết gì nhiều về ánh sáng và những gi ta biết chưa hẳn là đã hoàn toàn chính xác Người ta mới chỉ có thể dựa trên tác động của ánh sáng để “mô tả”, chứ chưa thể nói là lý giải một cách thích đáng

1 Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại:

Empédocle (khoảng 490 - 435 TCN) là tác giả của lý thuyết về thị giác

xa xưa nhất Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho rằng mắt truyền các “tia thịgiác” đến thế giới bên ngoài.Lý thuyết về các tia thị giác này một phần là do niềmtin dân gian cho rằng các con mắt có chứa “lửa” Theo Empédocle, ánh sángkhông đi theo một chiều từ mắt tới vật; ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từvật đến mắt

Leucippe (khoảng 460-370 TCN): trái ngược với “lửa” trong mắt củaEmpédocle thoát ra thế giới bên ngoài, Leuccipe cho rằng thế giới thị giác đến vớichúng ta Và do đó, về thực chất thị giác là một trải nghiệm thụ động Dưới tácđộng của ánh sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta tách khỏi bề mặt của vật, như

da của một con rắn lột xác tách khỏi cơ thể, và đi đến mắt chúng ta

Démocrite (460-370 TCN): các quan điểm của Démocrite về ánh sáng

và thị giác đều dựa trên học thuyết nguyên tử Ông chấp nhận bốn màu cơ bản củaEmpédocle – đen, trắng, đỏ và vàng-xanh, nhưng thêm vào đó các màu khác gọi làcác màu thứ cấp, như lục và nâu Khác với Empédocle, Démocrite không gắn cácmàu cơ bản cho bốn nguyên tố, mà gắn cho các nguyên tử có hình dạng khácnhau Theo Démocrite, các màu (và các đặc tính giác quan khác như mùi và vị)không hiện hữu trong bản thân các vật

Platon (428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộc vào hạng siêu hình.Mặt Trời là con của cái Thiện và mắt, nhạy cảm với ánh sáng, là một cơ quan gắnchặt nhất với Mặt Trời

Như vậy thị giác là kết quả của sự tổng hợp của ba quá trình bổ sungcho nhau Mắt phát ra lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành mộtchùm sáng duy nhất Chùm sáng này được phóng thẳng ra phía trước cho đến khigặp bề mặt của một vật; ở đó, nó gặp tia các hạt do vật phát ra dưới tác dụng củaánh sáng xung quanh và kết hợp với chùm sáng ban đầu Tia các hạt này chứathông tin về tình trạng của vật, màu sắc và kết cấu của nó Sau đó chùm sáng co lại

để truyền đến mắt những thông tin này

Aristolte (384-322 TCN), học trò của Platon, Aristolte bác bỏ dứtkhoát các “tia thị giác” của Empédocle, bởi theo ông lý thuyết này không giảithích được tại sao chúng ta không nhìn thấy trong bóng tối Theo ông, sự tri giáccác vật được thực hiện không phải thông qua dòng vật chất, mà bởi ấn tượng củachúng lên các giác quan, cũng giống như sáp tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫnnhưng không tước mất của nó cái chất, sắt hay vàng, đã tạo nên chiếc nhẫn đó.Như vậy mắt tiếp nhận các ấn tượng về màu sắc, hình dạng, chuyển động,…Aristolte cho rằng tồn tại hai màu cơ bản: đen và trắng Tất cả các màu khác bắtnguồn từ sự hòa trộn hai màu cơ bản này và biểu hiện các “phẩm chất trunggian”,ở đây,ông giải thích sự hòa trộn 2 màu cơ bản tạo thành các màu khác có sựđóng góp của “nhiệt” Các màu khác cũng có thể bắt nguồn từ sự hòa trộn giữađen và trắng trong một môi trường bán trong suốt: đó là trường hợp các màu nâu

đỏ hoặc da cam của cảnh hoàng hôn

Alhazen (965-1040): Alhazen đồng ý với quan điểm của Aristolte rằng

sáng thật sự tồn tại Chúng lan truyền theo đường thẳng Khi ánh sáng xung quanhchạm vào một vật liền bị vật này phản xạ, từ mỗi điểm trên bề mặt của một vật cómàu, các chùm tia sáng lan tỏa theo tất cả các hướng, và chỉ một tỉ lệ nhỏ củachúng đi vào mắt chúng ta Ở đây Alhazen đã đưa ra ý tưởng về sự tán xạ ánhsáng.

Rober Bacon (1214-1292 Trong các sách chuyên luận về ánh sáng vàmàu sắc, ông đã cố gắng tổng hợp các quan niệm của Aristote về ánh sáng và màusắc (vốn là các “dạng thức” phi vật chất) và các quan niệm của Alhazen (màu sắcđược truyền bởi các tia phát ra từ tất cả các điểm của vật) Theo Bacon, mọi vậtphóng theo đường thẳng về tất cả các hướng một cái gì đó thuộc tinh chất của nó

mà ông gọi là “loài” Chẳng hạn, Mặt trời phát ra các “loài” sáng

Francesco Maria Grimaldi (1618-1663): Ánh sáng phản xạ trên mặtphẳng gương và khúc xạ khi đi qua môi trường khác nhau

Những quan điểm này vừa có những mâu thuẫn không được giải quyếtnhưng lại bổ sung cho nhau từ đó bước đàu hình thành những quan điểm đầu tiên

Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các hạt

của vật sáng tới mắt Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng

giống như sóng được sinh ra khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên

khắp mặt nước

Ánh sáng theo quan điểm của Huygens:

Huygens dựa trên khái niệm ánh sáng là sóng: Sóng ánh sáng truyền

trong không gian qua trung gian ête, tồn tại như một thực thể vô hình trong khôngkhí và không gian nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể truyền chuyển động khôngnhững cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với nó mà còn cho tất cả những hạt kháctiếp xúc với hạt đó và cản chuyển động của nó

Cơ chế truyền sóng: Theo Huygens, một nguồn sáng bao gồm vô số các

hạt rung động Các hạt này truyền rung động của chúng tới các hạt ête bên cạnhdưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này Vô số các sóng cầu nàyđược truyền đi, và bán kính tác dụng của chúng tăng dần theo thời gian Chúngchồng chập lên nhau và biểu hiện hỗn độn của chúng ở gần nguồn sáng giảm dầnkhi các sóng truyền ra xa nguồn sáng Càng xa nguồn sáng, sóng càng trở nên trơn

và đều đặn hơn

Từ đó, ông giải thích các hiện tượng như sau:

* Hiện tượng phản xạ: nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra

theo mọi hướng Khi chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng vớimỗi sóng phản hồi trở lại tạo ra một ảnh đảo ngược

* Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Huygens cho rằng vận tốc ánh sáng

trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó

* Hiện tượng nhiễu xạ: thuyết sóng của Huyghens chưa giải thích được

hiện tượng này

b) Newton: ánh sáng là hạt

Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt Ánh sáng được coi như

những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng và bay theođường thẳng trong môi trường đồng chất

Từ cơ sở đó, ông giải thích các hiện tượng như sau:

* Nguyên nhân tạo ra màu sắc: do kích thước của các hạt Các hạt

nhỏ nhất tạo ra cảm giác màu tím, các hạt lớn hơn gây ra cảm giác về màu chàm,

và cứ tiếp tục như vậy hạt màu đỏ sẽ là lớn nhất Bởi vì tồn tại bảy màu cơ bản,

nên các hạt phải có bảy loại kích thước khác nhau

* Hiện tượng phản xạ: do sự phản xạ của các quả cầu đàn hồi trong

chùm sáng khi va chạm và các hạt bị nảy lên từ những điểm khác nhau, nên trật tựcủa chúng trong chùm sáng bị đảo ngược lại tạo ra một hình đảo ngược (Nếu bềmặt quá gồ ghề thì các hạt bị nảy lên ở nhiều góc khác nhau, kết quả là làm tán xạánh sáng

*Hiện tượng khúc xạ: do tác dụng của mặt phân giới lên hạt ánh sáng

làm cho hạt đó thay đổi hướng truyền và bị gãy khúc ở mặt phân cách giữa haimôi trường Vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môitrường đó hút và vận tốc sẽ tăng lên dẫn đến vận tốc ánh sáng trong môi trườngnước hay thủy tinh lại lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường khí

*Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: ông đưa ra giả thuyết cho rằng trên

bề mặt của một vật trong suốt tồn tại một vùng rất mỏng ở đó có một lực tác dụng

để kéo các tia sáng vào bên trong nó Vì vậy, các hạt màu tím, do chúng nhỏ hơn,

sẽ bị hút bởi một môi trường đặc hơn không khí mạnh hơn so với các hạt lớn hơn

có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch khỏi đường đi ban đầu của nó nhiều hơncác hạt màu đỏ

*Hiện tượng nhiễu xạ: ông giải thích là do có một lực đẩy có tác dụng

đẩy các hạt ánh sáng vào trong bóng tối hình học của một vật

c) Leonhard Euler (1707 – 1783)

Sự hồi sinh của lý thuyết sóng ánh sáng:

Sau khi quyển “Optiks” của Newton được xuất bản năm 1704, suốt

thế kỷ XVIII đã diễn ra cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng với hai quanđiểm trái ngược nhau: quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là sóng và quan điểmcho rằng bản chất ánh sáng là hạt Suốt thế kỷ này, lý thuyết hạt ánh sáng củaNewton đã lấn át tuyệt đối lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đề xuất Do đóthuyết thuyết hạt ánh sáng được các nhà vật lý trong thời kì này chấp nhận nhưngvẫn có một quan ddiemr chóng lại quan điểm ánh sáng là hạt đó là quan điểm cau

nhà toán học Leonhard Euler (1707 – 1783)

Ông cho rằng có sự tương tự hóa giữa ánh sáng và âm thanh “có một

sự hài hòa tương tự giữa các nguyên nhân và các tính chất khác của âm thanh và ánh sáng, và như vậy lý thuyết âm thanh chắc chắn sẽ làm sáng tỏ rất nhiều lý thuyết ánh sáng”.

Một trong những điểm tiến bộ trong quan niệm sóng của Euler là ông

cho rằng: mỗi một màu của ánh sáng được đặc trưng bởi một bước sóng nhất định.

Như vậy, Euler là người đầu tiên gắn kết các khái niệm bước sóng và tần số với màu sắc.

Thế kỷ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng là sóng vẫn chìm nổi với

chỉ một tiếng nói bảo vệ thuyết sóng của Euler Tuy chưa đầy đủ nhưng luận điểmcủa Euler đã thể hiện sự tiến bộ so với các tiền bối bởi ông đã đưa ra một cách giảithích chấp nhận được về nguồn gốc các màu sắc mà trước đó cả Newton lẫnHuygens đều không thể có một cách giải thích đúng đắn

2.2 Thế kỉ XIX

Bước sang thế kỷ XIX, chúng ta sẽ được chứng kiến sự hồi sinh và phát triển vượt bậc của lý thuyết sóng ánh sáng Ở nửa đầu thế kỷ này đã diễn ra

một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quang học tương tự như cuộc cách mạng của Copernic và Galilée trước đó gần ba thế kỷ Hai nhân vật có vai trò to lớn cho

cuộc cách mạng trong quang học là Thomas Young và Augustin Fresnel

a) Thomas Young (1773 – 1829), người Anh

Ông đã dự vào thí nghiệm hai khe đã đưa ra định luật đơn giản và tổngquát của hiện tượng giao thoa

Lý thuyết của Young mặc dù đã giải thích được hiện tượng giao thoa

ánh sáng nhưng đã không không thể giải thích được hiện tượng phân cực ánh sáng do Malus tìm ra năm 1808 nên không được nhiều người chú ý.

b) Augustin Fresnel (1788 – 1827), người Pháp.

Fresnel đã công nhận bản chất sóng của ánh sáng qua thí nghiệm về giao thoa mà ông đã tự bố trí (dùng hai gương phẳng đặt lệch nhau một góc gần bằng 180 o , thường được gọi là hai gương Fresnel).

Fresnel cũng là người đầu tiên theo trường phái sóng ánh sáng đã giảithích thành công hiện tượng phân cực ánh sáng đã khiến cho những người bảo vệ

lý thuyết sóng phải rất đau đầu ngay cả Thomas Young Bởi nếu coi ánh sáng làsóng giống như âm thanh thì cả hai phải có cùng các hiệu ứng, trong khi không thểtìm ra hiện tượng phân cực ở sóng âm Để giải thích hiện tượng này, Fresnel đã

đưa ra một lời giải mang tính cách mạng: mặc dù cả âm thanh và ánh sáng đều có bản chất sóng, nhưng chúng khác nhau về mặt phẳng dao động

Những công trình của Young và Fresnel đã giúp cho lý thuyết sóng hồisinh và trở nên áp đảo lý thuyết hạt vốn đứng vững bởi uy tín của Newton Ngoài

ra, những bằng chứng thực nghiệm được thực hiện sau khi hai ông mất đã khẳngđịnh sự đúng đắn của lý thuyết sóng ánh sáng

Những thí nghiệm của Young và Fresnel đã chứng tỏ bản chất sóng củaánh sáng Đặc biệt, Fresnel đã khẳng định một cách chắc nịch rằng ánh sáng là

sóng ngang Tuy nhiên để có thể đưa ra được mô hình sóng ánh sáng một cách đầy

đủ, gọn gàng thì chúng ta phải rẽ sang lĩnh vực điện từ gắn liền với tên tuổi củaJames Clerk Maxwell (1831 – 1879), nhà vật lý người Anh, ông là người đầu tiênphát hiện ra “ánh sáng chính là cuộc hôn pối giữa điện và từ”

c) Maxwell

Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ:

Nhưng đến đầu thế kỷ XX thì các hiện tượng của Hiệu ứng quang điện

không thể gải thích được khi ta xem ánh sáng là sóng Từ đó Eintein lại khẳng định lại ánh sáng là các “hạt” hay các lượng tử năng lượng xác định Năng lượng

này không thể tùy tiện lấy bất kì, mà đúng bằng một bội số của tần số Einstein đãkhai triển thuyết lượng tử của Plank và đưa ra thuyết photon, cho rằng năng lượngánh sáng tập trung trong những hạt nhỏ gọi là photon hay quang tử

Tuy nhiên ta có thể thấy quan niệm “hạt ánh sáng” do Einstein đưa ra làkhác với quan niệm trước đây của Newton, đó không phải là những hạt cơ học đơngiản như quan niệm của Newton mà có những thuộc tính riêng của nó Nhờ vàogiả thuyết về lượng tử ánh sáng này Einstein đã hoàn toàn giải thích được 3 thínghiệm của mình về hiệu ứng quang điện Chính “Hiệu ứng quang điện” này làcông trình đã mang đến cho Einstein giải thưởng Nobel chứ không phải là

“Thuyết tương đối hẹp” như nhiều người vẫn thường lầm tưởng

Sau đó hơn 10 năm, trong thập niên 1920, lí thuyết của Einstein về tínhchất hạt của ánh sáng một lần nữa được củng cố bởi các thí nghiệm của nhà vật lí

người Mĩ Arthur H.Compton, người chứng minh được photon có xung lượng, một

yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho

nhau, hiệu ứng đó sau này được gọi là hiệu ứng Compton Đó là hiện tượng xảy ra

khi Compton nghiên cứu sự khuếch tán (hay tán xạ) tia X bởi graphit (than chì).Trong thí nghiệm của mình, ông nhận thấy khi cho một chùm tia X có độ dài sóng

l đi qua một khối graphit, chùm tia bị khuếch tán Khi khảo sát chùm tia khuếchtán ở một góc khuếch tán j nhờ máy quang phổ, người ta thấy ngoài vạch ứng với

độ dài sóng l còn một vách ứng với độ dài sóng l’ lớn hơn l Compton đã giải thíchhiện tượng này bằng sự va chạm giữa photon với electron của chất khuếch tán,trong đó ông photon như một hạt có tính cơ học Nếu thừa nhận ánh sáng có bảnchất sóng thì Compton sẽ không thể giải thích được hiện tượng đã xảy ra, chỉ khichấp nhận ánh sáng có bản chất hạt, và sử dụng thuyết photon của Einstein thì ôngmới có thể giải thích được trọn vẹn hiện tượng

Như vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ 20 tồn tại một câu hỏi đặt ra cho các nhà khoa học: bản chất của ánh sáng là sóng hay hạt Trước khi hiện tượng quang điện xuất hiện con người có thể dễ dàng tin chắc rằng ánh sáng là sóng điện từ với các hiện tượng liên quan đến sự truyền của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ,…Tuy nhiên cho đến đầu thế kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sáng con người

sẽ không thể lí giải được cho các hiện tượng về sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất như hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton… Để có được đáp án cho những hiện tượng này, con người sẽ phải chấp nhận quan điểm hạt photon của Einstein Vậy ánh sáng thực chất là sóng hay hạt?

Cùng khoảng thời gian nghiên cứu của Compton, một nhà khoa học

những tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck,

De Broglie đã ngoại suy công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng vớinăng lượng chứa luôn hằng số Planck:

E = mc2 = hf

Trong đó :E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánhsáng, h là hằng số Planck, và f là tần số

Công trình của De Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lượng

và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vựcmới cuối cùng sẽ dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt củaánh sáng Đó chính là ngành cơ học lượng tử

Qua đó ta thấy, vấn đề đặt ra ở thế kỉ 20 khi tìm hiểu về ánh sáng khôngphải là sự tranh chấp giữa hai quan điểm để xác định quan điểm nào đúng mà lại là

sự thống nhất chúng lại trong một lí thuyết mới Ngày nay chúng ta công nhận ánhsáng có lưỡng tính sóng – hạt Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thốngnhất là ánh sáng và tùy điều kiện của hiện tượng khảo sát, bản chất này hay bảnchất kia của ánh sáng được hiện ra Ta có thể coi” sóng và hạt là hai tính phụ nhaucủa ánh sáng Giữa hai mặt sóng và hạt của ánh sáng có những liên hệ, có tínhthống nhất, chứ không hoàn toàn là hai mặt độc lập với nhau Cho đến đầu thế kỉ

20, việc thừa nhận sự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp con người hiểuđược một cách bao quát các đặc tính của ánh sáng Ánh sáng không là sóng vàcũng chẳng là hạt, nói ánh sáng là lưỡng tính sóng – hạt thực chất các nhà khoa

học muốn đề cập đến ánh sáng như một đối tượng mới trong vật lí học mà bản

chất của nó vừa giống sóng vừa giống hạt Quan điểm này đã thực sự khép lạinhững cuộc tranh luận về bản chất ánh sáng là sóng hay hạt Nhiệm vụ của vật líhọc về ánh sáng là tìm hiểu về cái bản chất vô cùng đặc biệt này, và hơn thế nữa,

đối tượng “lưỡng tính sóng-hạt” không chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn được suy

rộng ra cho các hạt vật chất, như ta đã biết trong lí thuyết của De Broglie

II Tốc độ ánh sáng

1 tốc độ của ánh sang:

Tốc độ ánh sáng (hay đôi khi được gọi là vận

tốc ánh sáng) là độ lớn vô hướng của vận tốc lan truyền

của ánh sáng Trong chân không, các thí nghiệm đã chứng

tỏ ánh sáng đi với tốc độ không thay đổi, thường được ký

hiệu là c = 299 792 458 m/s (xấp xỉ 300 nghìn km/s)

1 2

Khoảng những năm 1600, các nhà khoa học đã bắt đầu tiếnhành các cuộc thí nghiệm để xác định tốc độ của ánh sáng.

2.1 Thí nghiệm đầu tiên đo về vận tốc ánh sáng là thí nghiệm đèn lồng của Galileo 1667

C = 333.5 km/s

Galileo là người đầu tiên tiến hành thí nghiệm.Ơng tiến hành thínghiệm như sau: “Ơng và người trợ lý mỗi người cầm một cái đèn, đứng trên đỉnhđồi cách nhau một dặm Galileo bật đèn, và người trợ lý được dặn là sẽ bật đèn củaanh ngay sau khi thấy ánh sáng từ đèn của Galileo Galileo muốn đo xem mất baolâu ơng ta mới thấy ánh đèn từ bên kia đồi” nhưng kết quả chưa chính xác do dụng

cụ thí nghiệm quá đơn giản

2.2 Thí nghiệm của Roemer 1676

Năm 1676, nhà thiên văn học người Đan

Mạch là Roemer đã đưa ra phép đo có giá trị đầu tiên

mặc dù kết quả vẫn chưa chính xác.Bằng cách quan

sát vệ tinh IO của sao Mộc và tính toán thời gian giữa

0

µ