ÁNH SÁNG
ÁNH SÁNG MẶT TRỜI – NGUỒN SỐNG CÁC SINH VẬT
Dù là ngẫu nhiên hay tất nhiên từ vô số các diễn tiến trong vũ trụ, tạo hóa đã định hình sự sống trên Trái Đất có dạng thức như đang hiện hữu. Mọi nguồn sống trên Trái Đất đều đến từ ánh sáng Mặt Trời.
Quang phổ Mặt Trời trải dài từ bước sóng ngắn nhất đến dài nhất. Những bức xạ cực ngắn (tia gamma, X, một phần tia tử ngoại), có khả năng đốt cháy các tế bào đều bị giữ lại từ tầng cao bầu khí quyển, đã tạo điều kiện tốt nhất để các sinh vật có khả năng tồn tại và tiến hóa.
Phần bức xạ giàu năng lượng nhất trong quang phổ Mặt Trời chỉ nằm trong một dải rất hẹp, từ 0,4 micromet đến 0,76 micromet, được gọi là “ánh sáng khả kiến”. Vùng khả kiến có những tính chất đặc biệt mà bước sóng dài hơn hoặc ngắn hơn không thể có được khiến cho “ánh sáng khả kiến” như một món quà tuyệt vời của tạo hóa để tạo đôi mắt các sinh vật. Mặc dù, những con ong có khả năng nhìn được một phần tia tử ngoại hay loài rắn có khả năng cảm thụ một phần vùng hồng ngoại.
Ờ bước sóng dài (hồng ngoại, sóng radio), tia sáng mềm mại, lung linh, không giữ được phương truyền thẳng (nhiễu xạ) và phản xạ mạnh nên phát tán khắp nơi và nguồn thu không thể phát hiện tia sáng đó đến từ nơi đâu. Nếu mắt người nhìn được vùng này thì bị chói lòa đến mức không còn thấy vật gì trước mắt nữa vì khắp nơi đều lấp đầy hồng ngoại và sóng radio.
Ở sóng ngắn (tia tử ngoại), tia sáng thô cứng, chui thẳng vào bên trong vật (bị hấp thu) mà ít bị phản xạ. Dưới mái nhà, không có Mặt Trời chiếu trực tiếp, hầu như không còn tia tử ngoại. Nếu mắt người cảm nhận được vùng tử ngoại thì chỉ lờ mờ nhận được hình dạng của vật thôi vì tia tử ngoại hầu hết bị vật hấp thụ mà ít bị phản xạ để vào mắt.
MÀU SẮC
Sóng điện từ không có màu. Màu sắc chỉ được hình thành từ trong quá trình tiến hóa của các sinh vật. Khả năng sinh tồn cao hơn nếu phân biệt được hai con vật khác nhau cùng kích thước (chẳng hạn, một thiện và một ác). Các tế bào hình nón được hình thành trong mắt để tô màu các sóng điện từ. Số tế bào hình nón nhiều nhất trong mắt người thuộc vùng vàng – cam nên màu này trông dịu hơn so với các màu khác.
Ánh sáng khả kiến có bảy màu (đúng ra là vô số màu). Tuy thế, mắt người có khả năng cảm nhận được nhiều màu hơn so với ánh sáng tự nhiên. Đó là các màu có được từ sự kết hợp giữa các bước sóng hay sự trộn màu như màu hồng, màu nâu, màu đỏ tía,…
Các màu bước sóng dài (đỏ, cam, vàng) nhiễu xạ mạnh nên ánh sáng lung linh, rực rỡ, tạo cảm giác gần gũi và dường như sáng hơn, thường dùng để làm cảnh báo nguy hiểm trong giao thông.
Trong nhà hoặc đèn flash máy ảnh, người ta sử dụng ánh sáng trắng (tổng hợp của các màu) để tăng cường độ sáng. Tuy nhiên, với đường đi dài như ở ngoài trời, ánh sáng trắng lại có nhược điểm. Mỗi màu có độ nhiễu xạ và khúc xạ khác nhau, với đường đi dài, chúng tạo vết không rõ nét trên nền. Thế nên, đèn đường được sử dụng màu đơn sắc, mà tốt nhất là vàng – cam, như đã phân tích ở trên. Ngay cả chụp ảnh chân dung nghệ thuật, người ta vẫn sử dụng đèn vàng – cam.
Ánh đèn sân khấu luôn là đèn màu. Ngoài yếu tố nghệ thuật từ các màu sắc khác nhau, ánh đèn màu làm rõ nét người nghệ sĩ trên sàn diễn hơn là ánh sáng trắng.
Các photon khi vào bầu khí quyển va chạm với các phân tử không khí (hoặc nước) gây nên hiện tượng tán xạ, lan ra khắp nơi, Thế nên, trong nhà, không có ánh sáng Mặt Trời chiếu trực tiếp vẫn có ánh sáng tán xạ. Điều này không thể xảy ra ở Mặt Trăng hay Thủy Tinh vì chúng không có khí quyển.
Photon màu xanh dương (blue) tán xạ mạnh nhất nên bầu trời hay nước biển có màu này. Thế nên, photon màu xanh dương và photon màu xanh lá (chiếm nhiều nhất trong quang phổ Mặt Trời) đầy khắp trong căn phòng hơn là các photon màu khác làm cho các vật mang màu này không được nổi bật trong căn phòng. Do vậy, các màu xanh dương và xanh lá ít được sử dụng trong thời trang vì chúng không làm nổi bật người mẫu. Người mẫu phải có làn da thật trắng mới có thể sử dụng hai màu này về phương diện thời trang. (Điều này, tôi không chắc lắm!).
Vào buổi tối, đồng tử giãn to hơn để nhận ánh sáng. Thế nhưng, màu xanh dương lại tán xạ khắp thủy tinh thể mà không tập trung vào võng mạc làm mắt mau mỏi do phải điều tiết. Do đó, trên điện thoại di động hay Windows của máy tính có chức năng “lọc ánh sáng xanh” để chỉ còn các màu khác và tập trung ánh sáng vào võng mạc dễ dàng hơn. (Điều này, tôi cũng không chắc lắm).
Công nghệ đèn LED, một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực thắp sáng, tiết kiệm điện năng đến 90% so với đèn dây tóc. Tuy nhiên, ánh sáng đèn LED vẫn còn nhiều ánh sáng xanh gây chói. Thế nên, đèn sử dụng trên sân khấu vẫn là loại dây tóc. Mặc dù, đèn dây tóc tỏa sức nóng, chủ yếu phát xạ vùng hồng ngoại, nhưng không gây chói mắt nghệ sĩ vì ít có ánh sáng xanh.
Vào sáng sớm hay chiều tối, ánh sáng Mặt Trời qua bầu khí quyển cũng giống như qua lăng kính. Chỉ còn màu đỏ là đến người quan sát, trong khi các màu khác và tia tử ngoại lệch mạnh nên truyền xuống phía dưới. Thế nên khi tắm nắng, tốt nhất là khoảng 8 giờ sáng khi có một lượng tử ngoại bước sóng dài trong ánh nắng. Tương tự như vậy, “siêu trăng” hay “trăng máu” quan sát được vào các ngày rằm và khi Mặt Trăng vào cận điểm Trái Đất, chỉ nhận được màu đỏ máu khi nó còn ở phía gần chân trời, tức là vào khoảng 7 giờ - 9 giờ tối.
Ánh sáng tự nhiên dao động theo đủ mọi phương. Thế nhưng, khi phản xạ trên gương hay trên mặt nước, nó bị phân cực. Khi chụp ảnh, các tia phản xạ này làm chói phim. Vậy nên, người ta sử dụng “kính lọc màu phân cực” đặt trước vật kính và chỉ cần xoay vài độ là triệt tiêu các tia sáng gây chói đó.
ÁNH SÁNG VÀ VŨ TRỤ
Vận tốc ánh sáng là hữu hạn, 300.000km/s, nên những gì người ta nhìn thấy trong vũ trụ đều thuộc về quá khứ, chỉ duy nhất nơi ta đang đứng là hiện tại. Càng xa chừng nào thì càng lùi về quá khứ chừng đó. Từ đây, mô hình vũ trụ - quá khứ được tạo ra. Đó là những mặt cầu quá khứ đồng tâm. Biên của nó là thời điểm Big Bang, 13,7 tỷ năm trước, và nơi chúng ta đang đứng là trung tâm vũ trụ.
Cái “vũ trụ mà ta đang thấy” này cũng giống như “lãnh địa” của con kiến khi nó leo lên cây cao quan sát. Lãnh địa của kiến là một mặt tròn phẳng mà biên là đường chân trời. Con kiến không bao giờ đến được biên lãnh địa của nó. Khi nó di chuyển thì lãnh địa cũng thay đổi theo và nó luôn luôn ở trung tâm lãnh địa của mình. Nếu con kiến còn sức có thể, nó đi thẳng mãi thì cuối cùng trở về vị trí ban đầu.
Tương tự, “vũ trụ mà ta đang thấy” cũng vậy. Chúng ta đang ở trung tâm vũ trụ. Nếu loài người di chuyển đến thiên hà Andromeda, cách Trái Đất hai triệu năm ánh sáng, thì vẫn ở trung tâm của một vũ trụ mới. Một số thiên thể không thấy nữa nhưng một số khác, xa lạ hoàn toàn, xuất hiện thêm. Và cứ đi thẳng mãi trong vũ trụ thì cuối cùng trở về nơi xuất phát, giống y như con kiến vậy.
Mọi vậy bay ngang qua Mặt Trời đều bị bẻ cong quỹ đạo. Độ cong của quỹ đạo không phụ thuộc vào lực hấp dẫn mà chỉ phụ thuộc vào khối lượng Mặt Trời và vận tốc bay của vật. Thế nên, ánh sáng, với vận tốc hữu hạn, bay ngang qua Mặt Trời cũng bị bẻ cong, tạo nên không gian cong theo lý thuyết của Einstein. Khi xảy ra nhật thực, các sinh viên vật lý thường đến nơi đó để đo độ cong ánh sáng từ Mặt Trời khi bay sượt ngang qua Mặt Trăng. Ngày xưa, độ cong không gian là nỗi đau duy nhất của Newton. Giả sử, lúc nào đó, theo tính toán của Newton thì Thủy Tinh ẩn phía sau Mặt Trời nhưng khi thực nghiệm qua kính thiên văn thì vẫn nhìn thấy Thủy Tinh! Tất cả chỉ vì ánh sáng từ Thủy Tinh đã bị bẻ cong khi bay đến Trái Đất mà Newton ngày đó đã không thể hiểu.
Không gian cong nơi gần thiên thể tạo nên sự trôi chậm của thời gian và Einstein đã thể hiện qua “thuyết tương đối” nổi tiếng từ đầu thế kỷ thứ XX.
Nguyên tử phát sáng tạo ra các vạch trong quang phổ của nó. Hydro đun nóng thì phát ra các vạch thuộc dãy Lyman, Balmer, Pasen,… Dưới nền quang phổ liên tục (như trong Mặt Trời), chúng trở thành quang phổ hấp thụ. Mỗi loại nguyên tử phát sáng đều cho các vạch quang phổ khác nhau. Các vạch quang phổ này giống dấu vân tay để xác định nguyên tố. Mặc dù helium là nguyên tố phổ biến nhưng đến giữa thế kỷ XIX, nguyên tố có 2 điện tích hạt nhân vẫn còn để trống trong bảng phân loại tuần hoàn vì nó trơ đối với mọi phản ứng hóa học. Khi quan sát quang phổ Mặt Trời, ngoài các vạch phổ của hydro và các vạch phổ của các nguyên tố đã biết, người ta còn phát hiện các vạch quang phổ lạ. Ngay sau đó, chúng được nhận dạng và bảng phân loại tuần hoàn được lấp kín. Nguyên tố đó được mang tên “nguyên tố Mặt Trời - Helium” do chữ Helios có nghĩa là Mặt Trời.
Đầu thế kỷ XX, khi quan sát các ngôi sao, Hubble nhận ra rằng tất cả các vạch quang phổ đều có bước sóng dài hơn một chút so với khi quan sát trên Trái Đất, gọi là “dịch chuyển đỏ”. Điều này cũng giống như khi ta nghe tiếng còi xe chạy ra xa có tần số bị giảm đi. Nghĩa là các ngôi sao đang chạy ra xa chúng ta. Từ đây dẫn đến lý thuyết vũ trụ đang giãn nở, với khởi nguồn của nó là Big Bang, và tốc độ giãn nỡ ngày càng tăng lên…
Tương lai của vũ trụ vẫn còn là điều khó đoán!
Dù là ngẫu nhiên hay tất nhiên từ vô số các diễn tiến trong vũ trụ, tạo hóa đã định hình sự sống trên Trái Đất có dạng thức như đang hiện hữu. Mọi nguồn sống trên Trái Đất đều đến từ ánh sáng Mặt Trời.
Quang phổ Mặt Trời trải dài từ bước sóng ngắn nhất đến dài nhất. Những bức xạ cực ngắn (tia gamma, X, một phần tia tử ngoại), có khả năng đốt cháy các tế bào đều bị giữ lại từ tầng cao bầu khí quyển, đã tạo điều kiện tốt nhất để các sinh vật có khả năng tồn tại và tiến hóa.
Phần bức xạ giàu năng lượng nhất trong quang phổ Mặt Trời chỉ nằm trong một dải rất hẹp, từ 0,4 micromet đến 0,76 micromet, được gọi là “ánh sáng khả kiến”. Vùng khả kiến có những tính chất đặc biệt mà bước sóng dài hơn hoặc ngắn hơn không thể có được khiến cho “ánh sáng khả kiến” như một món quà tuyệt vời của tạo hóa để tạo đôi mắt các sinh vật. Mặc dù, những con ong có khả năng nhìn được một phần tia tử ngoại hay loài rắn có khả năng cảm thụ một phần vùng hồng ngoại.
Ờ bước sóng dài (hồng ngoại, sóng radio), tia sáng mềm mại, lung linh, không giữ được phương truyền thẳng (nhiễu xạ) và phản xạ mạnh nên phát tán khắp nơi và nguồn thu không thể phát hiện tia sáng đó đến từ nơi đâu. Nếu mắt người nhìn được vùng này thì bị chói lòa đến mức không còn thấy vật gì trước mắt nữa vì khắp nơi đều lấp đầy hồng ngoại và sóng radio.
Ở sóng ngắn (tia tử ngoại), tia sáng thô cứng, chui thẳng vào bên trong vật (bị hấp thu) mà ít bị phản xạ. Dưới mái nhà, không có Mặt Trời chiếu trực tiếp, hầu như không còn tia tử ngoại. Nếu mắt người cảm nhận được vùng tử ngoại thì chỉ lờ mờ nhận được hình dạng của vật thôi vì tia tử ngoại hầu hết bị vật hấp thụ mà ít bị phản xạ để vào mắt.
MÀU SẮC
Sóng điện từ không có màu. Màu sắc chỉ được hình thành từ trong quá trình tiến hóa của các sinh vật. Khả năng sinh tồn cao hơn nếu phân biệt được hai con vật khác nhau cùng kích thước (chẳng hạn, một thiện và một ác). Các tế bào hình nón được hình thành trong mắt để tô màu các sóng điện từ. Số tế bào hình nón nhiều nhất trong mắt người thuộc vùng vàng – cam nên màu này trông dịu hơn so với các màu khác.
Ánh sáng khả kiến có bảy màu (đúng ra là vô số màu). Tuy thế, mắt người có khả năng cảm nhận được nhiều màu hơn so với ánh sáng tự nhiên. Đó là các màu có được từ sự kết hợp giữa các bước sóng hay sự trộn màu như màu hồng, màu nâu, màu đỏ tía,…
Các màu bước sóng dài (đỏ, cam, vàng) nhiễu xạ mạnh nên ánh sáng lung linh, rực rỡ, tạo cảm giác gần gũi và dường như sáng hơn, thường dùng để làm cảnh báo nguy hiểm trong giao thông.
Trong nhà hoặc đèn flash máy ảnh, người ta sử dụng ánh sáng trắng (tổng hợp của các màu) để tăng cường độ sáng. Tuy nhiên, với đường đi dài như ở ngoài trời, ánh sáng trắng lại có nhược điểm. Mỗi màu có độ nhiễu xạ và khúc xạ khác nhau, với đường đi dài, chúng tạo vết không rõ nét trên nền. Thế nên, đèn đường được sử dụng màu đơn sắc, mà tốt nhất là vàng – cam, như đã phân tích ở trên. Ngay cả chụp ảnh chân dung nghệ thuật, người ta vẫn sử dụng đèn vàng – cam.
Ánh đèn sân khấu luôn là đèn màu. Ngoài yếu tố nghệ thuật từ các màu sắc khác nhau, ánh đèn màu làm rõ nét người nghệ sĩ trên sàn diễn hơn là ánh sáng trắng.
Các photon khi vào bầu khí quyển va chạm với các phân tử không khí (hoặc nước) gây nên hiện tượng tán xạ, lan ra khắp nơi, Thế nên, trong nhà, không có ánh sáng Mặt Trời chiếu trực tiếp vẫn có ánh sáng tán xạ. Điều này không thể xảy ra ở Mặt Trăng hay Thủy Tinh vì chúng không có khí quyển.
Photon màu xanh dương (blue) tán xạ mạnh nhất nên bầu trời hay nước biển có màu này. Thế nên, photon màu xanh dương và photon màu xanh lá (chiếm nhiều nhất trong quang phổ Mặt Trời) đầy khắp trong căn phòng hơn là các photon màu khác làm cho các vật mang màu này không được nổi bật trong căn phòng. Do vậy, các màu xanh dương và xanh lá ít được sử dụng trong thời trang vì chúng không làm nổi bật người mẫu. Người mẫu phải có làn da thật trắng mới có thể sử dụng hai màu này về phương diện thời trang. (Điều này, tôi không chắc lắm!).
Vào buổi tối, đồng tử giãn to hơn để nhận ánh sáng. Thế nhưng, màu xanh dương lại tán xạ khắp thủy tinh thể mà không tập trung vào võng mạc làm mắt mau mỏi do phải điều tiết. Do đó, trên điện thoại di động hay Windows của máy tính có chức năng “lọc ánh sáng xanh” để chỉ còn các màu khác và tập trung ánh sáng vào võng mạc dễ dàng hơn. (Điều này, tôi cũng không chắc lắm).
Công nghệ đèn LED, một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực thắp sáng, tiết kiệm điện năng đến 90% so với đèn dây tóc. Tuy nhiên, ánh sáng đèn LED vẫn còn nhiều ánh sáng xanh gây chói. Thế nên, đèn sử dụng trên sân khấu vẫn là loại dây tóc. Mặc dù, đèn dây tóc tỏa sức nóng, chủ yếu phát xạ vùng hồng ngoại, nhưng không gây chói mắt nghệ sĩ vì ít có ánh sáng xanh.
Vào sáng sớm hay chiều tối, ánh sáng Mặt Trời qua bầu khí quyển cũng giống như qua lăng kính. Chỉ còn màu đỏ là đến người quan sát, trong khi các màu khác và tia tử ngoại lệch mạnh nên truyền xuống phía dưới. Thế nên khi tắm nắng, tốt nhất là khoảng 8 giờ sáng khi có một lượng tử ngoại bước sóng dài trong ánh nắng. Tương tự như vậy, “siêu trăng” hay “trăng máu” quan sát được vào các ngày rằm và khi Mặt Trăng vào cận điểm Trái Đất, chỉ nhận được màu đỏ máu khi nó còn ở phía gần chân trời, tức là vào khoảng 7 giờ - 9 giờ tối.
Ánh sáng tự nhiên dao động theo đủ mọi phương. Thế nhưng, khi phản xạ trên gương hay trên mặt nước, nó bị phân cực. Khi chụp ảnh, các tia phản xạ này làm chói phim. Vậy nên, người ta sử dụng “kính lọc màu phân cực” đặt trước vật kính và chỉ cần xoay vài độ là triệt tiêu các tia sáng gây chói đó.
ÁNH SÁNG VÀ VŨ TRỤ
Vận tốc ánh sáng là hữu hạn, 300.000km/s, nên những gì người ta nhìn thấy trong vũ trụ đều thuộc về quá khứ, chỉ duy nhất nơi ta đang đứng là hiện tại. Càng xa chừng nào thì càng lùi về quá khứ chừng đó. Từ đây, mô hình vũ trụ - quá khứ được tạo ra. Đó là những mặt cầu quá khứ đồng tâm. Biên của nó là thời điểm Big Bang, 13,7 tỷ năm trước, và nơi chúng ta đang đứng là trung tâm vũ trụ.
Cái “vũ trụ mà ta đang thấy” này cũng giống như “lãnh địa” của con kiến khi nó leo lên cây cao quan sát. Lãnh địa của kiến là một mặt tròn phẳng mà biên là đường chân trời. Con kiến không bao giờ đến được biên lãnh địa của nó. Khi nó di chuyển thì lãnh địa cũng thay đổi theo và nó luôn luôn ở trung tâm lãnh địa của mình. Nếu con kiến còn sức có thể, nó đi thẳng mãi thì cuối cùng trở về vị trí ban đầu.
Tương tự, “vũ trụ mà ta đang thấy” cũng vậy. Chúng ta đang ở trung tâm vũ trụ. Nếu loài người di chuyển đến thiên hà Andromeda, cách Trái Đất hai triệu năm ánh sáng, thì vẫn ở trung tâm của một vũ trụ mới. Một số thiên thể không thấy nữa nhưng một số khác, xa lạ hoàn toàn, xuất hiện thêm. Và cứ đi thẳng mãi trong vũ trụ thì cuối cùng trở về nơi xuất phát, giống y như con kiến vậy.
Mọi vậy bay ngang qua Mặt Trời đều bị bẻ cong quỹ đạo. Độ cong của quỹ đạo không phụ thuộc vào lực hấp dẫn mà chỉ phụ thuộc vào khối lượng Mặt Trời và vận tốc bay của vật. Thế nên, ánh sáng, với vận tốc hữu hạn, bay ngang qua Mặt Trời cũng bị bẻ cong, tạo nên không gian cong theo lý thuyết của Einstein. Khi xảy ra nhật thực, các sinh viên vật lý thường đến nơi đó để đo độ cong ánh sáng từ Mặt Trời khi bay sượt ngang qua Mặt Trăng. Ngày xưa, độ cong không gian là nỗi đau duy nhất của Newton. Giả sử, lúc nào đó, theo tính toán của Newton thì Thủy Tinh ẩn phía sau Mặt Trời nhưng khi thực nghiệm qua kính thiên văn thì vẫn nhìn thấy Thủy Tinh! Tất cả chỉ vì ánh sáng từ Thủy Tinh đã bị bẻ cong khi bay đến Trái Đất mà Newton ngày đó đã không thể hiểu.
Không gian cong nơi gần thiên thể tạo nên sự trôi chậm của thời gian và Einstein đã thể hiện qua “thuyết tương đối” nổi tiếng từ đầu thế kỷ thứ XX.
Nguyên tử phát sáng tạo ra các vạch trong quang phổ của nó. Hydro đun nóng thì phát ra các vạch thuộc dãy Lyman, Balmer, Pasen,… Dưới nền quang phổ liên tục (như trong Mặt Trời), chúng trở thành quang phổ hấp thụ. Mỗi loại nguyên tử phát sáng đều cho các vạch quang phổ khác nhau. Các vạch quang phổ này giống dấu vân tay để xác định nguyên tố. Mặc dù helium là nguyên tố phổ biến nhưng đến giữa thế kỷ XIX, nguyên tố có 2 điện tích hạt nhân vẫn còn để trống trong bảng phân loại tuần hoàn vì nó trơ đối với mọi phản ứng hóa học. Khi quan sát quang phổ Mặt Trời, ngoài các vạch phổ của hydro và các vạch phổ của các nguyên tố đã biết, người ta còn phát hiện các vạch quang phổ lạ. Ngay sau đó, chúng được nhận dạng và bảng phân loại tuần hoàn được lấp kín. Nguyên tố đó được mang tên “nguyên tố Mặt Trời - Helium” do chữ Helios có nghĩa là Mặt Trời.
Đầu thế kỷ XX, khi quan sát các ngôi sao, Hubble nhận ra rằng tất cả các vạch quang phổ đều có bước sóng dài hơn một chút so với khi quan sát trên Trái Đất, gọi là “dịch chuyển đỏ”. Điều này cũng giống như khi ta nghe tiếng còi xe chạy ra xa có tần số bị giảm đi. Nghĩa là các ngôi sao đang chạy ra xa chúng ta. Từ đây dẫn đến lý thuyết vũ trụ đang giãn nở, với khởi nguồn của nó là Big Bang, và tốc độ giãn nỡ ngày càng tăng lên…
Tương lai của vũ trụ vẫn còn là điều khó đoán!
Nhận xét
Đăng nhận xét