Tiểu luận Ánh sáng và cuộc sống con người

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 Con đường hình thành những quan điểm về ánh sáng 1.Ánh sáng dưới con mắt người cổ và trung đại 2.Ánh sáng ở những thế kỷ XVII đến XIX 3.Ánh sáng vào những thế kỷ XX Tốc độ ánh sáng 1.Tốc độ ánh sáng là gì? 2. Lịch sử thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng Ánh sáng và cuộc sống con người 1.Về mặt khoa học 2.Về mặt tinh thần 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 thị giác” đến thế giới bên ngoài.Lý thuyết về các tia thị giác này một phần là do niềm tin dân gian cho rằng các con mắt có chứa “lửa”. Theo Empédocle, ánh sáng không đi theo một chiều từ mắt tới vật; ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt. Leucippe (khoảng 460-370 TCN): trái ngược với “lửa” trong mắt của Empédocle thoát ra thế giới bên ngoài, Leuccipe cho rằng thế giới thị giác đến với chúng ta. Và do đó, về thực chất thị giác là một trải nghiệm thụ động. Dưới tác động 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 của Empédocle – đen, trắng, đỏ và vàng-xanh, nhưng thêm vào đó các màu khác gọi là các màu thứ cấp, như lục và nâu. Khác với Empédocle, Démocrite không gắn các màu cơ bản cho bốn nguyên tố, mà gắn cho các nguyên tử có hình dạng khác nhau. 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 gắn chặt nhất với Mặt Trời. Như vậy thị giác là kết quả của sự tổng hợp của ba quá trình bổ sung cho nhau. Mắt phát ra lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành một chùm sáng duy nhất. Chùm sáng này được phóng thẳng ra phía trước cho đến khi gặp bề mặt của một vật; ở đó, nó gặp tia các hạt do vật phát ra dưới tác dụng của ánh sáng xung quanh và kết hợp với chùm sáng ban đầu. Tia các hạt này chứa thông 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 dứt khoát các “tia thị giác” của Empédocle, bởi theo ông lý thuyết này không giải thích được tại sao chúng ta không nhìn thấy trong bóng tối. Theo ông, sự tri giác các vật được thực hiện không phải thông qua dòng vật chất, mà bởi ấn tượng của chúng lên các giác quan, cũng giống như sáp tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫn nhưng 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 bắt nguồn từ sự hòa trộn hai màu cơ bản này và biểu hiện các “phẩm chất trung gian”,ở đây,ông giải thích sự hòa trộn 2 màu cơ bản tạo thành các màu khác có sự đóng góp của “nhiệt”. Các màu khác cũng có thể bắt nguồn từ sự hòa trộn giữa đen 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 ánh sáng đến từ bên ngoài đi vào mắt, chứ không phải ngược lại. Theo ông, các tia sáng thật sự tồn tại. Chúng lan truyền theo đường thẳng. Khi ánh sáng xung quanh chạm vào một vật liền bị vật này phản xạ, từ mỗi điểm trên bề mặt của một vật có màu, các chùm tia sáng lan tỏa theo tất cả các hướng, và chỉ một tỉ lệ nhỏ của chúng đi vào mắt chúng ta. Ở đây Alhazen đã đưa ra ý tưởng về sự tán xạ ánh sáng. Rober Bacon (1214-1292. Trong các sách chuyên luận về ánh sáng và màu sắc, ông đã cố gắng tổng hợp các  quan niệm của Aristote về ánh sáng và màu sắc (vốn là các “dạng thức” phi vật chất) và các quan niệm của Alhazen (màu sắc được truyền bởi các tia phát ra từ tất cả các điểm của vật). Theo Bacon, mọi vật phóng 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 mặt phẳng gương và khúc xạ khi đi qua môi trường khác nhau. Những quan điểm này vừa có những mâu thuẫn không được giải quyết nhưng lại bổ sung cho nhau từ đó bước đàu hình thành những quan điểm đầu tiên về ánh sáng. Và những thế kỷ sau bí ẩn về ánh sáng dần được hé mở.  2. Quan điểm về bản chất ánh sáng thế kỷ XVII đến XIX 2.1 Thế kỉ XVII- XVIII a) Huygens: cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng  Christiaan Huygens (1629-1695). Christiaan Huygens (1629-1695) 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 không khí và không gian nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể truyền chuyển động không những cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với nó mà còn cho tất cả những hạt khác tiếp 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 cạnh dưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này. Vô số các sóng cầu này được truyền đi, và bán kính tác dụng của chúng tăng dần theo thời gian. Chúng chồng chập lên nhau và biểu hiện hỗn độn của chúng ở gần nguồn sáng giảm dần khi 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 với mỗi 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 theo đường 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 tự của chúng trong chùm sáng bị đảo ngược lại tạo ra một hình đảo ngược (Nếu bề mặt quá gồ ghề thì các hạt bị nảy lên ở nhiều góc khác nhau, kết quả là làm tán xạ ánh 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 hai môi trường. Vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút và vận tốc sẽ tăng lên dẫn đến vận tốc ánh sáng trong môi trường nước 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 hơn các 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 quan điểm trái ngược nhau: quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là sóng và quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là hạt. Suốt thế kỷ này, lý thuyết hạt ánh sáng của Newton đã lấn át tuyệt đối lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đề xuất. Do đó thuyết thuyết hạt ánh sáng được các nhà vật lý trong thời kì này chấp nhận. nhưng vẫn 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 điểm của Euler đã thể hiện sự tiến bộ so với các tiền bối bởi ông đã đưa ra một cách giải thích chấp nhận được về nguồn gốc các màu sắc mà trước đó cả Newton lẫn Huygens 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 tổng quát 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 180o, thường được gọi là hai gương Fresnel). Fresnel cũng là người đầu tiên theo trường phái sóng ánh sáng đã giải thích 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 là sóng giống như âm thanh thì cả hai phải có cùng các hiệu ứng, trong khi không thể tìm 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 hồi sinh 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 khẳng định sự đúng đắn của lý thuyết sóng ánh sáng. Những thí nghiệm của Young và Fresnel đã chứng tỏ bản chất sóng của ánh 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 của James Clerk Maxwell (1831 – 1879), nhà vật lý người Anh, ông là người đầu tiên phát hiện ra “ánh sáng chính là cuộc hôn pối giữa điện và từ”. c) Maxwell Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ: . Từ 4 phương trình của Maxwell, Maxwell phát hiện ra rằng sóng điện từ thực chất cũng chính là sóng ánh sáng. Vào năm 1873, Maxwell đã tính toán chính xác vận tốc truyền sóng điện từ, đáp số này hoàn toàn trùng khớp với vận tốc ánh sáng. Trong lịch sử vật lý, Newton đã thống nhất trời và đất qua định luật vạn vật hấp dẫn thì đến lượt Maxwell đã thống nhất không chỉ điện và từ mà còn cả quang học, ông được coi là nhà thống nhất vĩ đại thứ hai của vật lý học Ánh sáng - lưỡng tính sóng hạt Cho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánh sáng là sóng đã thực sự được xác nhận, đặc biệt là sau kết luận của Maxwell khẳng định ánh sáng là sóng điện từ với vận tốc là 300.000 km/s. 3. Ánh sáng thế kỷ XX 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 đã khai triển thuyết lượng tử của Plank và đưa ra thuyết photon, cho rằng năng lượng ánh 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 là khác với quan niệm trước đây của Newton, đó không phải là những hạt cơ học đơn giản như quan niệm của Newton mà có những thuộc tính riêng của nó. Nhờ vào giả thuyết về lượng tử ánh sáng này Einstein đã hoàn toàn giải thích được 3 thí nghiệm của mình về hiệu ứng quang điện. Chính “Hiệu ứng quang điện” này là công 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 tính chất 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 khuếch tán 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 thích hiện 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 bản chất sóng thì Compton sẽ không thể giải thích được hiện tượng đã xảy ra, chỉ khi chấp nhận ánh sáng có bản chất hạt, và sử dụng thuyết photon của Einstein thì ông mới 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 người Pháp Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có 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 với năng 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 ánh sáng, 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 vực mới cuối cùng sẽ dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh 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 không phải 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 ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt. Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thống nhất là ánh sáng và tùy điều kiện của hiện tượng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia của ánh sáng được hiện ra. Ta có thể coi” sóng và hạt là hai tính phụ nhau của ánh sáng. Giữa hai mặt sóng và hạt của ánh sáng có những liên hệ, có tính thống 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 hiểu được một cách bao quát các đặc tính của ánh sáng. Ánh sáng không là sóng và cũng 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 lại những cuộc tranh luận về bản chất ánh sáng là sóng hay hạt. Nhiệm vụ của vật lí học 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) :là hằng số điện :là độ từ thẩm chân không những hằng số trên không phụ thuộc vào hệ quy chiếu 2. Lịch sử thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng Toác ñoä aùnh saùng ñöôïc bieát ñeán nhö laø moät haèng soá cô baûn raát chính xaùc, ñaëc bieät quan troïng trong caùc lónh vöïc tính toaùn khoa hoïc. Töø xöa caùc nhaø khoa hoïc ñaõ có rất nhiều tranh caõi veà tính voâ haïn hay höõu haïn cuûa aùnh saùng. Khoaûng nhöõng naêm 1600, caùc nhaø khoa hoïc ñaõ baét ñaàu tieán haønh caùc cuoäc thí nghieäm ñeå xaùc ñònh toác ñoä cuûa aùnh saùng. 2.1. Thí nghiệm đầu tiên đo về vận tốc ánh sáng là thí nghiệm ñeøn loàng cuûa Galileo 1667 C = 333.5 km/s Galileo laø ngöôøi ñaàu tieân tieán haønh thí nghieäm.Ông tiến hành thí nghiệm như sau: “Ông và người trợ lý mỗi người cầm một cái đèn, đứng trên đỉnh đồi cách nhau một dặm. Galileo bật đèn, và người trợ lý được dặn là sẽ bật đèn của anh ngay sau khi thấy ánh sáng từ đèn của Galileo. Galileo muốn đo xem mất bao lâu ông 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 Naêm 1676, nhaø thieân vaên hoïc ngöôøi Ñan Maïch laø Roemer ñaõ ñöa ra pheùp ño coù giaù trò ñaàu tieân maëc duø keát quaû vaãn chöa chính xaùc.Baèng caùch quan saùt veä tinh IO cuûa sao Moäc vaø tính toaùn thôøi gian giöõa 2 laàn lieân tieáp veä tinh IO ñi vaøo vuøng toái cuûa sao Moäc, Roemer ñaõ ñöa ra coâng thöùc tính vaän toác aùnh saùng: d: ñöôøng kính quyõ ñaïo Traùi Ñaát Ole Roemer rt: thôøi gian sai bieät khi Traùi Ñaát ôû gaàn vaø xa sao Moäc nhaát C = 222.000 km/s 2.3. Các thí nghiệm của Fizeau a) Thí nghieäm ñóa raêng cöa naêm 1849. Aùnh saùng xuaát phaùt töø 1 nguoàn, sau ñoù ñöôïc phaûn chieáu treân 1 göông nöûa trong suoát truyeàn tôùi ñóa raêng cöa. Fizeau xoay ñóa raêng cöa vôùi toác ñoä taêng daàn. Aùnh saùng seõ loït qua caùc khe, phaûn chieáu treân 1 göông roài tôùi maét cuûa ngöôøi quan saùt. Khi tôùi 1 toác ñoä quay naøo ñoù cuûa ñóa thì aùnh saùng khoâng coøn truyeàn tôùi maét ngöôøi quan saùt nöõa. Töø ñoù, Fizeau ñaõ ñöa ra coâng thöùc: D: khoaûng caùch giöõa 2 traïm n: soá voøng quay cuûa ñóa trong 1 giaây khi maét nhìn thaáy aùnh saùng taét P: soá raêng cuûa ñóa b. Thí nghieäm nöôùc naêm 1851 Aùnh saùng xuaát phaùt töø nguoàn S, sau ñoù phaûn chieáu treân caùc göông. Caùc göông naøy seõ höôùng aùnh saùng theo 2 höôùng ngöôïc nhau xuyeân qua doøng nöôùc ñang chuyeån ñoäng. Sau khi 2 chuøm aùnh saùng naøy gaëp nhau seõ taïo ra giao thoa. Töø ñoù, Fizeau ñaõ ñeà xuaát coâng thöùc tính vaän toác aùnh saùng nhö sau: n: chieát suaát cuûa nöôùc v: vaän toác cuûa nöôùc : heä soá keùo soùng aùnh saùng Nhö vaäy vôùi c/n laø vaän toác cuûa aùnh saùng trong nöôùc ñöùng yeân(n laø chieát suaát cuûa nöôùc) thì trong tröôønghôïp nöôùc chuyeån ñoäng theo chieàu nhö hình veõ, vaän toác trong 2 nhaùnh T1, T2 laø c/n±v. thôøi gian ñeå aùnhsaùng ñi qua 2 nhaùnh T1, T2 laàn löôït laø 1/(c/n ± v), vôùi l laø chieàu daøi chung cuûa T1, T2 Goïi laø heä soá keùo soùng aùnh saùng trong moâi tröôøng chuyeån ñoäng 2.4. Thí nghieäm göông quay cuûa Foucault 1862 Ñaõ ño ñöôïc toác ñoä aùnh saùng baèng phöông phaùp göông quay.Leon Foucault Nguoàn saùng töø S tôùi göông M ñang ñöùng yeân hoaëc ñang quay vôùi vaän toác nhoû thì noù seõ phaûn chieáu xuoáng göông caàu. Aùnh saùng qua göông caàu seõ phaûn chieáu ngöôïc laïi vaø cho aûnh laø s qua kính ngaém vi caáp. Neáu göông M quay vôùi vaän toác lôùn thì aûnh phaûn chieáu cuoái cuøng laø s’ qua kính ngaém vi caáp C = 298.000 ±500 km/s .d (d laø khoaûng caùch töø nguoàn saùng S tôùi göông quay) Vaäy (N laø soá voøng quay moãi giaây cuûa göông) 2.5. Thí nghieäm cuûa Michelson Thí nghieäm Michelson-Morley ñöôïc moâ taû nhö hình veõ. Aùnh saùng ñôn saéc ñoàng pha ñi vaøo moât taám göông baùn maï A, roài ñöôïc chia laøm 2 phaàn gioáng nhau. Moât phaàn cuûa tia saùng ñi vaøo taám göông phaúng B, caùch A moät khoaûng l1, vaø phaûn chieáu laïi. Moät phaàn khaùc cuûa aùnh saùng ñi vaøo taám göông phaúng C, caùch A moät khoaûng l2, vaø cuõng ñöôïc phaûn chieáu laïi. Hai tia phaûn chieáu naøy sau khi quay laïi A seõ ñöôïc phaûn xaï moät phaàn tôùi maùy thu D. Taïi D, C = 299.910 ± 4 km/s, hai tia naøy giao thoa vôùi nhau taïo thaønh vaân giao thoa. Baèng vieäc ñeám caùc vaân giao thoa, suy ra cheânh leäch ñöôøng ñi cuûa hai tia saùng vaø tính ra ñöôïc toác ñoä cuûa aùnh saùng 2.6. Giao thoa keá cuûa Michelson vaø Pease Năm 1930, Michelson coäng taùc vôùi Pease vaø Pearson ñaõ tieán haønh thí nghieäm ño vaän toác aùnh saùng. Ñeå thöïc hieän thí nghieäm naøy, oâng duøng 1 oáng daøi 1600m vaø huùt khoâng khí trong oáng ra (aùp suaát 0.5 mmHg). Aùnh saùng xuaát phaùt töø nguoàn S, sau khi ñi qua göông seõ phaûn chieáu ñeán laêng kính P, tôùi caùc göông M1, M2, M3. Laàn phaûn xaï cuoái cuøng seõ loù ra khoûi oáng chaân khoâng tôùi kính ngaém. Thí nghieäm ñöôïc tieán haønh töø naêm 1930 ñeán khi Michelson maát (khoaûng giöõa naêm 1931). Pease vaø Pearson tieáp tuïc coâng vieäc ñeán naêm 1933 môùi hoaøn thaønh. 2.7. Giao thoa keá voâ tuyeán cuûa Froome 1951 Froome phaùt ra böùc xaï coù taàn soá 72 GHz vaø chuyeån noù qua giao thoa keá. Böùc xaï ñöôïc taùch thaønh 2 chuøm tia ñöôïc daãn qua 2 oáng daãn saùng gioáng nhau vaø ñi ñeán 2 maùy thu. Maùy thu thay ñoåi vò trí laøm ñoåi höôùng ñi cuûa 2 chuøm tia vaø daãn ñeán söï giao thoa trong oáng daãn. N: laø soá laàn giao thoa toái thieåu A: laø haèng soá z la ø ñoä dòch chuyeån cuûa maùy thu 2.8. Thí nghiệm bằng laze 1983 Ñeå tính toaùn vaän toác cuûa aùnh saùng sau nhieàu cuoäc tranh caõi vaø thí nghieäm. Naêm 1969, khi taøu Apollo 11 ñaùp xuoáng Maët Traêng, caùc nhaø du haønh vuõ truï ñaõ ñaët treân Maët Traêng taïi moät ñieåm coá ñònh laø moät vaùch ñaù moät chieác göông phaúng höôùng veà Traùi Ñaát. Sau ñoù, töø Traùi Ñaát, caùc nhaø khoa hoïc ñaõ chieáu moät chuøm tia laser leân Maët Traêng ngay vaøo chieác göông vaø ghi nhaän thôøi ñieåm chuøm tia laser phaûn xaï ngöôïc veà Traùi Ñaát. Hoï ghi nhaän chu kì phaùt-phaûn xaï Traùi Ñaát-Maët Traêng-Traùi Ñaát. Sau nhieàu laàn thí nghieäm phaùt-thu vaøo naêm 1983, caùc nhaø khoa hoïc ñeàu nhaän ñöôïc moät chu kì phaùt-thu chuøm tia laser öùng vôùi chu kì thôøi gian phaùt-nhaän laø nhö nhau: khoaûng 384.400 km, töø ñoù hoï ñaõ tính ñöôïc toác ñoä aùnh saùng töông ñöông toác ñoä aùnh saùng lyù thuyeát ñaõ ñöôïc neâu ra bôûi caùc nhaø baùc hoïc nhö Albert Einstein… laø 299.792,458 km/s trong ñieàu kieän chaân khoâng. Ánh sáng và cuộc sống con người 1. Mặt Trời là nguồn năng lượng khổng lồ Loài người luôn luôn lệ thuộc vào năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời cả trực tiếp dùng cho sưởi ấm, hong khô quần áo, nấu nướng, và gián tiếp mang lại thực phẩm, nước và cả không khí. Kiến thức của chúng ta về giá trị của các tia sáng Mặt Trời suy đi nghĩ lại quẩn quanh theo kiểu mà chúng ta thu lợi từ nguồn năng lượng đó, nhưng có những liên hệ còn cơ bản hơn nhiều xuất phát từ mối liên quan giữa ánh sáng và năng lượng. Dù cho loài người có nghĩ ra được những cơ chế tài tình để khai thác năng lượng Mặt Trời hay không thì hành tinh của chúng ta và môi trường luôn luôn biến đổi chứa trong nó vốn bị chi phối bởi năng lượng của ánh sáng Mặt Trời. Biểu tượng thần Mặt Trời thời Cổ đại Chúng ta đều biết rằng nếu như Mặt Trời không mọc, thì thời tiết của chúng ta sẽ chuyển sang mùa đông lạnh lẽo mãi mãi, ao hồ và sông suối sẽ đóng băng khắp nơi, và thực vật và động vật sẽ nhanh chóng bị diệt vong. Các động cơ sẽ không hoạt động được, và chúng ta không có cách nào để chuyên chở thực phẩm hoặc nhiên liệu, hoặc để phát ra điện. Với chất đốt hạn chế để tạo ra lửa, loài người sẽ sớm không còn nguồn thắp sáng hoặc nguồn cấp nhiệt. Tuy nhiên, với sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về hệ Mặt Trời, chúng ta có thể khá chắc chắn rằng Mặt Trời sẽ mọc lên vào ngày mai, như trước nay nó vẫn mọc kể từ khi Trái Đất lần đầu tiên cô đặc lại từ một đám mây khí của các mảnh vụn vũ trụ. Trong quá khứ chưa lâu lắm, loài người không chắc chắn lắm về điều này. Họ không thể giải thích đưcợ tại sao Mặt Trời lại chuyển động ngang qua bầu trời, họ cũng không biết cách thức nó tạo ra ánh sáng khác biệt giữa ngày và đêm. Nhiều nền văn minh đã ghi nhận tầm quan trọng của Mặt Trời, tôn thờ ngôi sao gần chúng ta nhất này làm thần thánh (xem hình 1) với niềm hi vọng là nó sẽ không biến mất. 2. Cung cấp năng lượng cho sự sống Hướng sáng để phát triển Cấu trúc của tế bào lạp lục Ngoài ra ,lợi dụng nguồn năng lượng khổng lồ từ ánh sáng người ta chế tạo ra các máy móc sử dụng năng lượng mặt trời :pin mặt trời ,thái dương năng …. 3. Trong y tế Tia Hồng Ngoại (Infrared): là sóng điện từ có bước sóng từ 0,76.10-6 m đến 10-3m. a. Đặc tính: + Tác dụng nổi bật nhất của tia hồng ngoại là tác dụng nhiệt. + Mọi vật thể có nhiệt độ cao hơn 00K đều bức xạ ra tia hồng ngoại: như cơ thể người, bóng đèn dây tóc nóng sáng, Mặt trời, vật có nhiệt độ… + Độ dài sóng (tần số) bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. + Để phát hiện ra tia hồng ngoại người ta dùng các loại phim hồng ngoại, camera hồng ngoại. + Phần lớn vật liệu ngăn cản tia sáng thường thì cũng ngăn được tia hồng ngoại: như gỗ, giấy, kim loại,… + Nhưng cũng có một số vật liệu ngăn được tia sáng thường nhưng không ngăn được tia hồng ngoại và ngược lại như: thủy tinh, Ga, As…. + Ánh sáng thường không thể xuyên qua các lớp sương mù, khói, mây dày đặc nhưng tia hồng ngoại có thể. + Tia hồng ngoại đóng vai trò lớn trong hiệu ứng nhà kính. b. Ứng dụng: + Tia hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau: - Thiên văn học, hải dương học, nghiên cứu khí hậu - Nghiên cứu động vật, y học. - Tìm kiếm, cứu nạn, chữa cháy, dẫn đường, quân sự, công nghệ thực phẩm, cơ khí kĩ thuật… - Dùng để sấy khô, sưởi ấm. - Trong công nghiệp, người ta dùng tia hồng ngoại để sấy khô các sản phẩm sơn (như vỏ ôtô, vỏ tủ lạnh…) hoặc hoa quả (chuối,nho…). Tia Tử Ngoại (UV): là sóng điện từ có bước sóng từ 15.10-9m đến 0,4.10-6m. a. Đặc tính: + Thông thường người ta chia làm 3 vùng tử ngoại: - UV-A (3150 A0 đến 4000 A0): gây cháy nắng. - UV-B (2800 A0 đến 3150 A0): gây ung thư. - UV-C (150 A0 đến 2800 A0): bị hấp thụ bởi khí quyển. + Mặt trời, các vì sao có nhiệt độ cao, đèn thủy ngân Hg, hồ quang điện…đều là các nguồn phát tia tử ngoại. b. Ứng dụng: + Tia tử ngoại tác dụng mạnh lên kính ảnh, có thể làm một số chất phát quang. Nó có tác dụng ion hoá không khí, gây một số phản ứng quang hoá, phản ứng quang hợp. + Trong công nghiệp ta sử dụng tia tử ngoại để phát hiện những vết xướt nhỏ, vết sướt trên bề mặt các sản phẩm tiện. Muốn vậy, người ta xoa lên bề mặt sản phẩm một lớp bột phát quang rất mịn. Bột sẽ chui vào các khe nứt, vết xướt. Khi đưa sản phẩm vào chùm tử ngoại, các vết xướt đó sẽ sáng lên. + Trong y học người ta dùng tia tử ngoại để chữa bệnh còi xương. 4. Trong nghệ thuật: vẽ tranh bằng ánh sáng Light Painting được gọi là "vẽ tranh bằng ánh sáng" bởi người ta sử dụng các thiết bị như đèn pin, đuốc, đèn LED... để sáng tạo nên hình thù tưởng tượng trong bóng tối và chụp lại bằng camera có thời gian phơi sáng dài 5. Internet Có thể dùng ánh sáng để kết nối mạng Internet Các nhà nghiên cứu Mỹ  thuộc trường Đại học Boston cho rằng trong một tương lai không xa nữa, ánh sáng có thể được sử dụng làm môi trường để kết nối Internet từ điện thoại hoặc máy tính cá nhân. Có lẽ điều này sẽ làm chúng ta ngạc nhiên nhưng nó lại có  cơ sở khoa học vững chắc. Bởi, thực tế,  ánh sáng hồng ngoại đã được các nhà khoa học sử dụng để truyền tín hiệu từ những thiết bị điều khiển từ xa (remote) đến các thiết bị đầu cuối như tivi, đầu DVD... Thậm chí gần đây, các thiết bị chiếu sáng trong gia đình cũng được điều khiển qua các thiết bị điều khiển từ xa, thậm chí qua Internet. Hiện nay, các nhà  khoa học đang tập trung vào việc nghiên cứu khả năng truyền tín hiệu của ánh sáng phát ra từ đèn LED điện tử (LED là viết tắt của Light Emiting Diode, có nghĩa là điốt phát quang), vì loại đèn này tiêu thụ ít năng lượng, lại có tuổi thọ cao  Theo Little, việc truyền thông bằng ánh sáng sẽ cho phép chúng ta tránh được những trở ngại trên, bởi vì từng thiết bị sẽ nhận được tín hiệu riêng biệt truyền đến, cho dù tín hiệu đó đến từ một tia laser hay một chùm tia sáng. Nguyên lý của phương pháp truyền thông mới sẽ là: các thông tin sẽ được truyền từ một route (thiết bị cho phép các gói dữ liệu dọc theo mạng, gọi tắt là bộ định tuyến) không dây tới các đèn LED được bố trí trong một khoảng không gian kín nhất định (chẳng hạn như một căn hộ). Từ đây các đèn LED sẽ truyền dữ liệu tới các thiết bị cần kết nối Internet, chẳng hạn như máy tính, điện thoại... Little cho biết, đèn LED hiện được sử dụng rất phổ biến trong các máy tính, chẳng hạn như các thiết bị chỉ  báo trạng thái làm việc và có giá thành rất rẻ. Nhưng thực tế, để có thể thực hiện được việc truyền thông tin và chiếu sáng thì phải cần đến loại đèn LED có giá thành cao hơn nhiều - tối thiểu phải từ 30 USD trở lên. Tuy nhiên, bóng đèn LED lại tiêu thụ ít điện năng và có  tuổi thọ trung bình tới hơn 50.000 giờ, lớn hơn nhiều so với loại đèn sợi đốt (khoảng 1.000 giờ). Chính vì vậy, theo Little, những lợi ích đó có thể sẽ làm cho giá thành của bóng đèn LED giảm trong 5-10 năm tới. Đây thực sự là một cơ hội tốt cho ngành sản xuất đèn LED . 6.Công nghệ ánh sáng và sợi quang Những khám phá của Kao đã đặt nền tảng cho công nghệ sợi quang, công nghệ ngày nay được sử dụng trong hầu hết mọi hệ thống điện thoại và truyền thông dữ liệu. Boyle và Smith thì phát minh ra một bộ cảm biến ảnh số - CCD, hay dụng cụ tích điện kép – thiết bị ngày nay trở thành con mắt điện tử trong hầu hết mọi lĩnh vực thuộc ngành nhiếp ảnh. Ánh sáng điều kỳ diệu quanh ta. Thế giới con người bắt đầu bằng ánh sáng, tình yêu thương nảy sinh từ thế giới. Phải chăng ánh sáng và con người là một thể thống nhất ánh sáng tạo ra sự sống và con người cho ánh sáng câu trả lời “nó là ai?” Ánh sáng là nguồn sống. Nó cho phép chúng ta tri giác và hiểu thế giới, tiến hóa trong thế giới, tương tác với thế giới, chinh phục các vùng đất, các đại dương và không gian. Ánh sáng giúp ta đánh giá được vẻ đẹp, sự lộng lẫy và hài hòa của vũ trụ quanh ta. Và ánh sáng cho con người niềm tin hi vọng,một khởi đầu mới mẻ,một trái tim tràn đầy yêu thương và một ngày mai tươi sáng. Hãy yêu cuộc sống vì biết đâu ngày nào đó ta không còn nhìn thấy ánh sáng.       Tài liệu tham khảo. David Halliday-Robert Resnick,Cơ sở vật lý. Tập 6 – Quang học,NXB Giáo Dục,1999.