"Khoa học là một sức mạnh trí tuệ lớn nhất, nó dốc hết sức vào việc phá vỡ xiềng xích thần bí đang cầm cố chúng ta."
Gorky
Thứ Năm, 9 tháng 12, 2021
TT&HĐ V - 45/h
Khúc xạ ánh sáng & Phản xạ toàn phần
"Cái khó hiểu nhất chính là hiểu được thế giới"
"Có hai cách để sống trên đời: một là xem như không có phép lạ nào cả, hai là xem tất cả đều là phép lạ".
Albert Einstein
“Chính qua cuộc đấu tranh nhằm thống nhất một cách hợp lý cái đa dạng
mà đã đạt được những thành công lớn nhất, dù rằng chính ý đồ đó có thể
gây ra những nguy cơ lớn nhất để trở thành con mồi của ảo vọng”.
Albert Einstein
“Người nhìn thấy cái đa dạng mà không thấy cái đồng nhất thì cứ trôi lăn trong cõi chết”.
CHƯƠNG VI (XXXXV): THỰC CHỨNG
“Tinh thần thời đại cũng có thể là một sự thực khách quan như bất cứ sự thực nào trong khoa học tự nhiên (…).
Do đó, hai quá trình, quá trình khoa học và quá trình nghệ thuật, không phải là rất khác nhau. Cả khoa học và nghệ thuật trong suốt nhiều thế kỷ đã tạo nên ngôn ngữ con người mà nhờ đó chúng ta có thể nói về những phần rất xa xôi của thực tại…”.
Do đó, hai quá trình, quá trình khoa học và quá trình nghệ thuật, không phải là rất khác nhau. Cả khoa học và nghệ thuật trong suốt nhiều thế kỷ đã tạo nên ngôn ngữ con người mà nhờ đó chúng ta có thể nói về những phần rất xa xôi của thực tại…”.
"Nếu bạn sinh ra trong nghèo khó, đó không phải là lỗi của bạn. Nhưng nếu bạn chết trong nghèo khó, thì đó là lỗi của bạn…".
"Cơ hội làm điều ác đến một trăm lần một ngày, và cơ hội làm điều thiện chỉ đến một lần trong một năm".
(Tiếp theo)
Chắc
chắn rằng không có quan sát thì không có nhận thức. Còn nếu thiếu tư
duy trừu tượng thì không thể nâng cao trình độ nhận thức lên được. Quan
sát và suy tưởng là hai hoạt động có mối quan hệ khăng khít, không thể
tách rời của quá trình nhận thức. Có thể nói đối tượng của quan sát là
hiện thực còn đối tượng của suy tưởng là phi hiện thực. Lúc đầu, quan
sát hiện thực đóng vai trò trọng yếu, chủ lực trong quá trình nhận thức
khoa học. Đó là một tất yếu khách quan làm nảy sinh yêu cầu tăng cường
năng lực quan sát sao cho sâu rộng hơn, sáng tỏ hơn, đáng tin cậy hơn trong hoạt động sống còn.
Tình hình đó đòi hỏi phải hiểu rõ sự việc, nắm bắt bản chất các hiện tượng xảy ra trong hiện thực, dẫn đến sự ra đời của khoa học thực chứng nói chung và vật
lý thực chứng nói riêng. Vật lý thực chứng, lấy thực nghiệm làm nòng cốt đã đóng vai trò vô cùng
lớn lao, vô cùng đắc lực trên còn đường đi nhận thức thực tại khách quan
của loài người. Tuy nhiên, đến một lúc nào đó, do sự hạn chế khách quan
của quan sát và sự lũng đoạn chủ quan tất yếu của hiện thực khống chế,
mà vật lý thực nghiệm đơn thuần sẽ không còn đủ khả năng, thậm chí là
hoàn toàn bất lực, không thể trả lời được những câu đố phát sinh từ thực
tại khách quan. Nghĩa là quan sát hiện thực mất đi vai trò chủ lực của
nó đối với sự nhận thức thực tại, nhường lại vai trò đó cho sự suy tưởng
có lý.
Suy
tưởng có lý là sự suy lý đã thăng hoa đến mức cao độ, tồn tại trên nền
tảng thực tiễn nhưng hầu như thoát ly thực tiễn và như đã nói thì đối
tượng của nó là phi hiện thực hay cũng có thể gọi là hiện thực ảo. Vì
vậy, ở một góc độ nào đó, suy tưởng có lý cũng chính là quan sát. Nếu
gọi quan sát hiện thực là quan sát thông thường thì cũng có thể gọi suy
tưởng có lý là quan sát đặc biệt. Ở mức tột độ, suy tưởng có lý trở
thành hoang tưởng có lý (chứ không phải hoang tưởng bệnh lý!), quan sát
đặc biệt trở thành quan sát đặc biệt phi thường.
Không
thể tưởng tượng được nghiên cứu vật lý lại thiếu khâu thực nghiệm.
Chính trên con đường thực nghiệm và suy lý từ thực nghiệm mà vật lý học
đã khám phá ra biết bao nhiêu điều bí ẩn lớn lao của thực tại, đạt được
biết bao nhiêu thành tựu vĩ đại trong nhận thức về Tự Nhiên. Nhưng vì
tính thể hiện “đỏng đảnh”, nhiều khi “giả dối” của hiện thực mà thực
nghiệm cũng có những hạn chế của nó, nhiều ngộ nhận làm cho các nhà
nghiên cứu vật lý gặp phải biết bao nhiêu khó khăn gian khổ trên bước
đường đi chinh phục các bí ẩn đó. Vì vậy mà có lần Feynman (được giải
thưởng Nôben vật lý) đã phải thốt lên: “Hình như các hiện tượng tự nhiên
cùng âm mưu chống lại con người, hết chướng ngại này đến chướng ngại
khác xuất hiện trên con đường của những người đi khám phá”.
Khi
vật lý thực nghiệm không còn đủ khả năng đảm nhận vai trò tiên phong đi
khám phá những bí ẩn của thực tại nữa thì vật lý lý thuyết sẽ đảm nhận
vai trò đó và một cách tất yếu, trước sau gì nó cũng làm xuất hiện quan
sát đặc biệt để quan sát hiện thực ảo mà nó suy diễn, mường tượng ra.
Chúng ta cho rằng, có một bộ phận của hiện thực ảo, hỗ trợ đắc lực và
đầy hiệu quả trong việc rút ra những kết luận từ quan sát đặc biệt, đó
là những thí nghiệm giả tưởng.
Ba
nhà vật lý lúc nãy chê bai chúng ta là phải, vì họ chưa nghe câu nói
của Poincaré: “Một âm mưu thực sự hoàn hảo, bản thân nó, cũng là một qui
luật của tự nhiên”.
Học
đòi những bậc danh nhân, chúng ta góp thêm một câu: “Một sự bịa đặt
hoàn hảo đến mức không ai chối cãi được sẽ trở thành một sự thực khách
quan”…
|
Richard Phillips Feynman
|
|
| Sinh | 11 tháng 5 năm 1918 Far Rockaway, Queens, New York |
|---|---|
| Mất | 15 tháng 2, 1988 (69 tuổi) Los Angeles, California |
| Tôn giáo | Atheist |
| Ngành | Vật lý học |
| Nổi tiếng vì | Điện động lực học lượng tử Lý thuyết hạt Biểu đồ Feynman |
| Giải thưởng |  Giải thưởng Nobel về Vật lý (1965)Huy chương Oersted (1972) |
Jules Henri Poincaré (1854–1912)
|
|
| Sinh | 29 tháng 4, 1854 Nancy, Meurthe-et-Moselle |
|---|---|
| Mất | 17 tháng 7, 1912 (58 tuổi) Paris |
| Nơi cư trú | Pháp |
| Tôn giáo | Giáo hội Công giáo Rôma (tới 1872) |
| Ngành | Toán học và Vật lý học |
| Nổi tiếng vì | Giả thuyết Poincaré Bài toán ba vật thể Tô pô Lý thuyết tương đối hẹp Định lý Poincaré–Hopf Poincaré duality Định lý Poincaré–Birkhoff–Witt Bất đẳng thức Poincaré Chuỗi Hilbert–Poincaré Poincaré metric Rotation number Số Betti Lý thuyết hỗn độn Sphere-world Định lý Poincaré–Bendixson Phương pháp Poincaré–Lindstedt Đệ quy Poincaré |
| Giải thưởng | RAS Gold Medal (1900) Huy chương Sylvester (1901) Huy chương Matteucci (1905) Giải Bolyai (1905) Huy chương Bruce (1911) |
Chữ ký | |
Suy
nghĩ đôi điều lan man một chút như thế cho vui và cũng để củng cố thêm
niềm tin vào con đường chúng ta đã chọn và đang đi, mà tiếp tục “đẻ ra”
những thí nghiệm hoang tưởng giản dị nhất có thể.
Còn bây giờ, chúng ta hãy ngắm nghía hình 2.
Hình 2: Sự lệch hướng truyền của tia sáng
Giả
sử có hai môi trường đều là môi trường chân không I và II (nghĩa là
chúng chẳng khác gì nhau cả!) bị phân cách bởi dải a. Dải a là một dải
đặc biệt, được Tạo Hóa phù phép xuất hiện ở đó và xử sự theo ý của Ngài.
Đường 
vuông
góc với dải a tại O. Cho một tia sáng xuất phát từ S đến O với vận tốc
cực đại c. Một cách hình thức, có thể phân tích c ra hai thành phần vận
tốc ngang và dọc là V1 và V2. Từ O tia sáng tiếp tục được truyền đi. Nhưng truyền đi đâu? Đi đâu là do sở thích của Tạo Hóa.
vuông
góc với dải a tại O. Cho một tia sáng xuất phát từ S đến O với vận tốc
cực đại c. Một cách hình thức, có thể phân tích c ra hai thành phần vận
tốc ngang và dọc là V1 và V2. Từ O tia sáng tiếp tục được truyền đi. Nhưng truyền đi đâu? Đi đâu là do sở thích của Tạo Hóa.
Nếu Ngài phán: tia sáng tuyệt đối không được xuyên qua dải phân cách a, thì vì có hiện tượng tác động tương hỗ mà thành phần V2 sẽ phải chuyển biến thành -V2, còn V1 không đổi. Như vậy từ O, tia sáng tiếp tục truyền theo hướng S1 với vận tốc cực đại bất biến c.
Nếu
Ngài phán: cho phép tia sáng đi qua dải phân cách a và dải phân cách a
không được đụng chạm tí gì đến nó thì nó bình thản giữ nguyên hướng
truyền (S3) và vận tốc c trong môi trường II.
Nếu Ngài phán: tia sáng phải đi vào môi trường II và dải phân cách a không được chạm tới nó, nhưng nó phải tăng thành phần V1 lên một lượng là v, thì khi đó sẽ xuất hiện biểu thức:
Nghĩa là để c bất biến (vì không có bất cứ tác động tương hỗ nào giữa tia sáng và dải a) thì khi V1 tăng lên, V2 phải giảm tương ứng. Vậy hướng truyền của tia sáng trong môi trường II phải lệch đi so với hướng ban đầu và phải là hướng S2.
Nếu Ngài phán: Tương tự như trên nhưng V1 không được tăng mà phải giảm đi một lượng là v thì sẽ có:
Và tia sáng truyền trong môi trường II cũng phải lệch khỏi hướng ban đầu và phải là hướng S4.
Vậy thí nghiệm ở hình 2 cho chúng ta rút ra được những nhận xét gì? Đây:
- Khi tia sáng từ O truyền theo hướng OS1, thì đó chính là hiện tượng phản xạ ánh sáng. Khi truyền theo hướng OS2,
thì hiện tượng tương tự như hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong trường
hợp môi trường II chiết quang hơn (có mật độ năng lượng cao hơn, “đặc”
hơn) môi trường I. Khi không đổi hướng truyền ban đầu (tức theo hướng OS3), thì không thể tồn tại thực dải phân cách a (hai môi trường I và II đồng nhất). Khi truyền theo hướng OS4, thì hiện tượng tương tự với hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong trường hợp môi trường II kém chiết quang hơn môi trường I.
-
Có thể dễ dàng thấy rằng, nguyên nhân làm lệch hướng truyền sáng trong
thí nghiệm ở hình 2 là do sự biến đổi hai thành phần vận tốc V1 và V2 trong mối tương quan đảm bảo sự bất biến vận tốc tổng hợp c của chúng mà không có sự tác động nào của môi trường lên tia sáng.
- Theo nguyên lý nhân quả thì không thể làm biến đổi được hai thành phần vận tốc V1 và V2 nếu
không có “cái gì đó” tác động đến tia sáng và “cái gì đó” ấy chắc chắn
không phải là Hư Vô. Nghĩa là dù Tạo Hóa toàn năng toàn thiện đến mấy
thì cũng không thể phán “suông” khơi khơi mà thỏa mãn ý thích của Ngài
được. Muốn cho tia sáng từ O lệch hướng truyền, dải phân cách a phải là
một tồn tại thực và hơn nữa, phải có sự khác nhau về độ chiết quang (mức
năng lượng) giữa hai môi trường I và II.
- Có thể cho rằng thí nghiệm 2 là trường hợp lý tưởng của các hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng xảy ra trong thực tiễn.
Từ
những nhận xét trên, chúng ta thấy thí nghiệm 2 đã gợi mở ra một điều
quan trọng: có thể giải thích hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng
bằng một cách khác hẳn với các cách chính thống hiện nay và trên cơ sở
những biểu thức đã nêu ở phía trên của chúng ta để xác lập công thức
tính chiết xuất.
Nhưng trước tiên chúng ta sẽ “hàn huyên” một chút với “câu chuyện nhỏ” sau đây:
Trên
hình 3 gồm hai môi trường: môi trường I là chân không, môi trường II là
nước tĩnh, và dĩ nhiên giữa chúng tồn tại thực sự mặt phân cách a.
Hình 3: Sự ngộ nhận về khúc xạ.
Bỏ
qua sự trao đổi chất (và cả “bức xạ nền” nếu có) giữa hai môi trường
ấy. Nếu SO là một tia sáng từ môi trường I truyền đến O và khúc xạ vào
môi trường II thì vì môi trường II có mức năng lượng (mật độ năng lượng)
cao hơn môi trường I thì theo định luật khúc xạ, nó phải truyền tiếp
theo hướng OS1, sao cho thỏa mãn điều kiện 
.
.
Khi SO không phải là tia sáng mà là một đoạn của đoạn thẳng (chiếc đũa chẳng hạn) SS2 với phần bị nhúng vào môi trường II là OS2 thì từ môi trường I, qua làn nước trong, chúng ta thấy dường như nó bị gãy tại O, co ngắn lại và thay cho đoạn OS2 là đoạn OS3. Mặt phẳng chứa SO và 
khác mặt phẳng chứa tia sáng đến mắt và 
). Nếu không suy xét kĩ, chúng ta sẽ lầm tưởng sự khúc xạ thỏa mãn điều kiện 
.
Tuy nhiên nhìn hình 3 thì thấy đó là hiện tượng phản xạ ánh sáng từ cái
que đến O’ trong môi trường II rồi từ O’ chuyển hướng và truyền đến mắt
theo đúng định luật khúc xạ. Đó là thực tại. Chỉ có điều thực tại đã
biến thành hiện thực “lừa dối” trước mắt chúng ta! Phải chăng sự “lừa
dối” ấy đã làm cho Niutơn ngộ nhận, phát biểu định luật khúc xạ một
cách… “ngược đời”?...
khác mặt phẳng chứa tia sáng đến mắt và ). Nếu không suy xét kĩ, chúng ta sẽ lầm tưởng sự khúc xạ thỏa mãn điều kiện .
Tuy nhiên nhìn hình 3 thì thấy đó là hiện tượng phản xạ ánh sáng từ cái
que đến O’ trong môi trường II rồi từ O’ chuyển hướng và truyền đến mắt
theo đúng định luật khúc xạ. Đó là thực tại. Chỉ có điều thực tại đã
biến thành hiện thực “lừa dối” trước mắt chúng ta! Phải chăng sự “lừa
dối” ấy đã làm cho Niutơn ngộ nhận, phát biểu định luật khúc xạ một
cách… “ngược đời”?...
Bây giờ, chúng ta bắt đầu vào “câu chuyện lớn”. Hãy xem hình 4!
Hình 4: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Môi
trường I vẫn là chân không, môi trường II vẫn là nước tĩnh. Tia sáng S
truyền thẳng trong môi trường I, qua O vào môi trường II, bị khúc xạ,
đổi hướng truyền sang hướng OS’. Để tiện theo dõi, trong thí nghiệm này,
chúng ta gọi tia sáng S là “hạt sáng S”.
Trong chân không, hạt sáng S lan truyền theo đường thẳng với vận tốc cực đại c.
Hạt sáng S không thể là Hư Vô được nên dù sao nó cũng phải có một khối
lượng m nào đó để biểu diễn được năng lượng toàn phần của nó. Năng lượng
đó bằng mc2. Theo biểu thức 
thì có thể viết:
thì có thể viết:
mc2=moc2+mc2
Và suy ra moc2
= 0, nghĩa là năng lượng nội tại của hạt sáng S khi lan truyền trong
chân không bằng 0 hay coi như nó không có nội tại. Không thể hình dung
được một thực thể chỉ có ngoài thôi mà không có trong, cho nên phải nghĩ
rằng, hoặc c là vận tốc có thực cực đại của Vũ Trụ nhưng giới hạn vận tốc thực sự cực đại phải là một giá trị nào đó lớn hơn c (dù không một thực thể nào đạt được vận tốc này, kể cả hạt KG), hoặc khi hạt sáng lan truyền với vận tốc c,
nội tại của nó lặn xuống, hòa lẫn với môi trường không gian nên cũng
coi như không có nội tại (nhưng không thể không tồn tại cái gọi là khối
lượng m của nó!).
Môi
trường nước là môi trường có mức năng lượng rõ ràng là cao hơn chân
không nên có tính chiết quang (nghĩa là cản sự truyền ánh sáng) và khi
hạt sáng S truyền (cũng theo đường thẳng) trong đó thì vận tốc của nó
không còn là c nữa mà giảm xuống đến giá trị V nào đó. Nghĩa là khi tia sáng trong chân không truyền đến O, lập tức vận tốc của nó bị giảm một lượng:
v = c - V
hay v2 = c2 - V2
Viết như thế là đã qui ước góc lập giữa véctơ c và véctơ V là bằng 0, nghĩa là chúng trùng nhau về phương chiều.
Theo biểu thức thì đối với hạt sáng S truyền trong môi trường nước, phải viết được:
thì đối với hạt sáng S truyền trong môi trường nước, phải viết được:
mc2 = moc2 + mV2
Vì 
, nên:
, nên:
Đại lượng mv2 chính
là biểu diễn năng lượng nội tại của hạt sáng S trong môi trường nước
nhưng vì mức năng lượng đó “hòa đồng” với mức năng lượng của môi trường
nước nên bị chìm khuất và coi như hạt sáng S cũng không có nội tại trong
môi trường ấy. Có thể suy ra từ hiện tượng này nhận định quan trọng:
những môi trường có mức năng lượng khác nhau thì được qui định những vận
tốc cực đại khác nhau (với giá trị cực đại tuyệt đối là c) và chỉ có sự truyền sáng là đạt được vận tốc cực đại trong một môi trường nhất định.
Nhưng vì sao đường truyền của hạt sáng S trong môi trường nước lại bị khúc xạ, làm đổi hướng?
Thí nghiệm 2 gợi ý cho chúng ta nghĩ rằng, có hiện tượng đó là vì hai thành phần ngang và dọc của vận tốc c trong chân không đã cùng bị biến đổi như thế nào đó và trở thành hai thành phần ngang và dọc của vận tốc V trong
môi trường nước, làm cho hạt sáng S truyền trong đó chậm hơn và bị lệch
hướng. Vậy thì cụ thể tình hình xảy ra như thế nào?
(Còn tiếp)
---------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------
Đăng ký:
Đăng Nhận xét (Atom)
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét