Ánh Sáng

ÁNH SÁNG

TS. Võ Thanh Tân

Ánh sáng là một thuật ngữ được sử dụng từ đầu thế kỷ XX để chỉ toàn bộ sóng điện từ có bước sóng (lamda) thay đổi từ rất ngắn đến rất dài. Năng lượng photon của tia sáng tỉ lệ nghịch bước sóng (e = hc/lamda) làm cho tính chất của các sóng rất khác nhau. Chỉ có hai dãy ánh sáng tác động lên giác quan các sinh vật. Đó là ánh sáng khả kiến tác động lên thị giác và hồng ngoại tạo nhiệt và tác động lên xúc giác.

Các tia sóng dài như hồng ngoại, sóng radio có năng lượng nhỏ. Chúng yếu ớt, không giữ được phương truyền thẳng nên phát tán rộng trong không gian, mong manh, uyển chuyển và lung linh được gọi là bị nhiễu xạ. Khi chiếu tới bề mặt một vật nào đó, các tia này không đủ năng lượng để xuyên thấu vào trong mà chỉ dội ngược trở ra, được gọi là bị phản xạ.

Ngược lại, các tia sóng ngắn như tia gamma, tia X, tia tử ngoại có năng lượng lớn. Các tia này mạnh mẽ, thô cứng, giữ kiên định phương truyền. Khi chiếu vào bề mặt một vật thì chúng như con thiêu thân, chui thẳng vào bên trong và bị vật hấp thu mất, cũng có khi chúng xuyên qua vật được hay có thể bức xạ lại ra ngoài dưới một dạng khác. Tuy nhiên, nếu loại tia này xuyên qua một tế bào sống thì lại nguy hiểm vì chúng đốt cháy tế bào đó ngay.

Mặt Trời, nguồn cung cấp ánh sáng, quang phổ của nó trải rộng toàn bộ sóng điện từ. Điều kỳ diệu của tạo hóa khi ban sự sống cho Trái Đất là bầu khí quyển đầy những bụi hạt nhỏ. Những hạt bụi này đã hấp thụ toàn bộ các tia sóng rất ngắn (gamma và X), chỉ còn một ít tia tử ngoại có thể vượt qua được lớp bụi và bị hấp thu bởi mặt đất hoặc đại dương. Điều gì xảy ra nếu bầu khí quyển không có bụi? Chắc chắn là sự sống không thể hình thành vì các tia sóng ngắn thiêu cháy mọi sự sống.

Điều kỳ diệu kế tiếp là phần cường độ phát sáng mạnh nhất trong quang phổ Mặt Trời nằm trong khoảng rất hẹp ở giữa dãy sóng điện từ, chỉ từ 350nm đến 800nm, bao trọn vùng “ánh sáng khả kiến”. Vùng này, ánh sáng không quá lung linh, không quá bị bẻ cong mà cũng không quá thô cứng mạnh mẽ. Tất cả dường như chuẩn bị cho đoạn quang phổ tốt nhất nhằm cho ra đời đôi mắt các sinh vật từ vài trăm triệu năm trước.

Những tế bào hình que trong đôi mắt sơ khai có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu về cường độ ánh sáng rồi chuyển về não. Với thông tin về độ sáng tối, não có thể tái lập kích thước của vật giống như người ta xem đoạn phim “trắng đen”.

Sự tiến hóa đòi hỏi não phải phân biệt được các đối tượng khác nhau cùng kích thước nên cần phải tô màu ánh sáng vào mắt và các tế bào hình nón xuất hiện làm nhiệm vụ này. Ở mắt người, có 3 loại tế bào hình nón. Chúng thực hiện việc nhuộm các sóng dài thành đỏ (R), sóng trung bình thành xanh lá (G) và sóng ngắn thành xanh dương (B) trước khi lên não. Tổng hợp của RGB thành vô số các màu.

Vậy màu sắc là không có thật, chúng chỉ là món quà đặc biệt của tạo hoá dành tặng riêng cho đôi mắt.

Phần ánh sáng khả kiến từ Mặt Trời phát xuống có cực đại bức xạ ở màu xanh lá cây 480nm và chúng hợp lại tạo nên ánh sáng vàng nhạt được gọi là “ánh sáng trắng”. Năng lượng photon ánh sáng khả kiến tương đương động năng chuyển động các phân tử không khí nên sự va chạm giữa chúng gây nên tán xạ rất mạnh, truyền đi khắp nơi, làm cho ánh sáng khả kiến lan tỏa đến cả các vùng không được chiếu sáng. Điều này giống như 2 xe cùng khối lượng va chạm nhau làm lệch đường chạy rất mạnh. Đặc biệt, năng lượng photon màu xanh dương gần động năng không khí nhất nên tán xạ mạnh nhất và nhiều nhất làm cho bầu trời có màu xanh thẫm.

Các màu sóng dài (đỏ, cam, vàng) nhiễu xạ mạnh nhất nên lung linh, uyển chuyển, mềm mại, tạo cảm giác rực rỡ, ấm áp, gần hơn, sáng hơn và trông như nguồn màu to hơn, mà trong hội họa được gọi là màu nóng. Chúng còn được dùng làm cảnh báo nguy hiểm trong giao thông, mức độ nguy hiểm càng cao thì màu hiển thị phải có bước sóng càng dài. Các màu sóng ngắn (tím, xám) ít nhiễu xạ, thô cứng, đơn điệu và hơn nữa ít tế bào hình nón trong mắt để cảm thụ màu trong vùng này, tạo cảm giác xa cách, u buồn, nhớ nhung, lạnh lùng và tối hơn. Thế rồi, qua chọn lọc nhân tạo, các bông hoa đỏ thẫm hay vàng rực rỡ giữa tàng lá xanh tạo nên một không gian tuyệt vời và lãng mạn.

Những chiếc lá màu xanh lá vì, với diệp lục, chúng nhận năng lượng Mặt Trời. Tuy nhiên, chúng chỉ cần hấp thu năng lượng rất ít để thực hiện quang hợp, cở 1% ánh sáng chiếu tới. Vậy màu tốt nhất để các chiếc lá hấp thu là đỏ (có năng lượng ít nhất). Trong khi đó, màu mà chúng phản xạ trở ra mạnh nhất, tức là không tiếp nhận và làm người ta nhìn thấy, là màu xanh lá cây vì ánh sáng Mặt Trời bức xạ mạnh nhất ở màu này.

Một màu hiện lên tấm phim có thể được thể hiện vô số sắc thái từ nhạt đến đậm. Tuy nhiên, để số hóa màu đưa lên máy tính thì thông thường mỗi màu chỉ có 2^8 = 256 sắc thái từ nhạt nhất, số 0, đến đậm nhất, số 255, được gọi là 8 bit màu. Với 3 màu R,G và B và thêm 8 bit hỗ trợ sáng-tối thì card màn hình thông thường có 32 bit màu (2^32 = 4.294.967.296 màu được hiển thị). Nếu card chuyên dụng 48 bit màu thì mỗi một màu đơn lẻ được chia đến 2^12 = 4096 sắc thái.

Khi in màu ra giấy thì màu trông thấy chỉ được phản xạ từ mặt giấy và hệ màu được sử dụng là CYMK (Cyan, Yellow, Magenta và Black). Các phần mềm đồ họa phải có thuật toán chuyển đổi từ RGB khi hiển thị lên màn hình sang CYMK khi in ra giấy.

Nguồn sáng tự nhiên và nguồn LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) khác nhau ở chỗ là cách bức xạ photon. Ở nguồn tự nhiên, photon bức xạ một cách ngẫu nhiên. Trong khi đó ở nguồn LASER, photon được tạo ra chưa được bức xạ, phải chờ đến một số lượng đủ lớn thì cùng bức xạ ra một lúc, chúng cùng pha nên gây ra hiệu ứng năng lượng rất lớn mặc dù có công suất nhỏ. Có thể ví như cổng trường luôn được mở cửa và lác đác sinh viên bước ra khỏi cổng như nguồn sáng tự nhiên và cổng trường đóng chặt đến cuối buổi chiều mới được mở và hàng vạn sinh viên bước ra khỏi cổng cùng một lúc như nguồn LASER, chắc chắn điều này gây nên một hiệu ứng vô cùng nghiêm trọng.

Cứ 2 ô nhỏ trên bề mặt đĩa CD tạo nên 1 bit. Nếu bit có giá trị 1 thì bề mặt hai ô bằng nhau, tia LASER chiếu xuống chúng rồi phản xạ lên gặp nhau tạo độ sáng. Nếu bit có giá trị 0 thì tia LASER sẽ đốt vật liệu ở một trong 2 ô (gọi là Burn CD) sao cho nó thấp hơn ô bên kia lamda/4, ánh sáng phản xạ lên từ 2 ô ngược pha vì đường đi lệch lamda/2 nên chỗ gặp nhau triệt tiêu ánh sáng. Đĩa CD dùng LASER đỏ và cho 800MB dung lượng. Đĩa DVD dùng LASER xanh lá, nhiễu xạ ít hơn nên độ rộng của mỗi ô chỉ cần nhỏ hơn là đủ nhận ánh sáng nên đĩa có đến 4GB dung lượng. Đến đĩa Blue Ray sử dụng LASER xanh dương nên cho đến 20GB dung lượng. Tuy nhiên, đến giai đoạn Blue Ray thì công nghệ lưu trữ và đường truyền internet tốt nhiều nên đĩa Blue Ray khó cạnh tranh về thương mại.

Do ánh sáng có vận tốc hữu hạn 300.000km/s nên những gì mà ta nhìn thấy đều thuộc về quá khứ. Cái mà chúng ta đang nhìn thấy Mặt Trời thì đó là hình ảnh của 8 phút trước, tương tự Mặt Trăng là 1,2 giây trước. Do đó, chính ánh sáng làm cho chỉ có chỗ ta đang đứng là hiện tại, mọi nơi chung quanh mình đều là quá khứ. Quá khứ là những mặt cầu đồng tâm, bán kính càng lớn thì quá khứ càng xa, tâm các mặt cầu quá khứ chính là nơi mà mình đang đứng.

Newton đã nói là lực hấp dẫn làm cho các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời. Tuy nhiên, bất cứ hành tinh nào khác đặt nơi Trái Đất, dù khối lượng lớn hay nhỏ, đều sẽ có 365 ngày quay quanh Mặt Trời. Điều này có vẻ như không phải lực hấp dẫn mà chính là trường hấp dẫn của Mặt Trời chi phối chuyển động. Một vật bay ngang qua Mặt Trời thì nó sẽ bị bẻ cong đường đi. Newton bảo là do lực hấp dẫn. Kỳ thực, sự cong của đường bay đó không liên quan gì đến lực hay đến khối lượng của vật mà chỉ liên quan đến khối lượng Mặt Trời và vận tốc bay của vật mà thôi. Do vậy, ánh sáng bị bẻ cong khi bay ngang qua Mặt Trời chỉ liên quan đến khối lượng Mặt Trời. Từ đây, bài toán vật lý với các lực được chuyển thành bài toán hình học phi Euclide với trường hấp dẫn của thuyết tương đối rộng. Và ánh sáng làm cho không gian trở nên cong đi gần nơi khối lượng lớn.

Hình 1: Thang sóng điện từ

Hình 2: đường cong xanh xám là quang phổ lý thuyết của Mặt Trời. Trong phần ánh sáng khả kiến, có sự chênh lệch lớn giữa cường độ đo từ ngoài khí quyển và mặt đất vì ánh sáng khả kiến tán xạ rất mạnh trong khí quyển đưa ánh sáng đến cả những nơi không được chiếu sáng trực tiếp. By Nick84 -