Chính xác thì ánh sáng là gì? Vâng, ánh sáng là một loại bức xạ điện từ cụ thể. Lý do của tiêu đề "gợn sóng trong trường điện từ".
Điện trường
Đầu tiên chúng ta hãy giải thích về điện trường: Bạn biết rằng mọi vật có thể nhiễm điện, dương hoặc âm. Các vật có điện tích giống nhau thì đẩy nhau, còn vật có điện tích trái dấu thì hút nhau. Vì vậy, vật chất mang điện luôn cảm thấy một lực, đến từ tất cả các vật mang điện khác trong vũ trụ. Trường lực này (nhà vật lý gọi đây là “trường” vì nó ở khắp mọi nơi) được gọi là điện trường. Bạn có thể coi nó như là GPS cho các hạt tích điện - nó cho họ biết đâu là điểm đến tiếp theo.
Nam châm, chúng làm việc bằng cách nào?
Từ trường khó hiểu hơn một chút. Mọi thứ cũng có thể mang điện tích từ trường, khi đó chúng ta gọi chúng là "từ hóa". Nhưng điện tích từ không chỉ là một con số, giống như điện tích. Đúng hơn, nó có một sức mạnh, đồng thời cũng là một phương hướng. Bạn có thể coi đây là một mũi tên nhỏ được gắn vào vật bị nhiễm từ - mũi tên hướng ra xa cực Bắc và hướng về cực nam của nam châm, và mũi tên càng dài thì nam châm càng mạnh. Giống như điện tích cố gắng đẩy các hạt mang điện xung quanh, nam châm cũng vậy nhưng trong khi các điện tích tác dụng một lực lên các hạt mang điện chỉ đơn giản là vì chúng được tích điện, nam châm chỉ tác dụng một lực lên chúng (gọi là lực Lorentz) nếu chúng chuyển động. Vì vậy, miễn là một proton nằm yên hoàn toàn, một nam châm không thể đẩy nó xung quanh. Chỉ khi proton bắt đầu chuyển động đến một nơi nào đó - có thể là do điện trường - thì các nam châm mới có thể thay đổi đường đi của nó.
Hai mặt của cùng một đồng xu: Lực điện từ
Lực từ đã được biết đến từ hàng ngàn năm trước, miễn là mọi người nhận ra rằng kim làm bằng kim loại nhất định luôn hướng vào cùng một hướng - cực Bắc. Người Hy Lạp cổ đại cũng biết về lực điện. Họ quan sát thấy rằng bằng cách cọ xát hổ phách lên lông động vật gây ra những tia lửa nhỏ. Nhưng phải đến khi vào cuối thế kỷ 19, khi nhà khoa học người Anh James Clerk Maxwell phát hiện ra rằng cả hai thuộc về nhau. Chúng chỉ là hai hiện tượng khác nhau của cùng một tương tác vật lý, mà ngày nay chúng ta gọi là “trường điện từ”. Lực điện và lực từ thuộc về nhau không thể tách rời Các phương trình nổi tiếng đã làm cho J.C. Maxwell trở nên bất tử trên thực tế nói rằng điện trường thay đổi gây ra từ trường - đó là lý do tại sao một điện tích quay hoạt động giống như một nam châm.
Nhưng ngược lại, từ trường thay đổi gây ra điện trường - đó là lý do tại sao nam châm quay được sử dụng trong mọi loại nhà máy điện để đẩy các electron qua dây dẫn (nói cách khác: tạo ra điện). Vì vậy, nếu bạn làm rối loạn điện trường, điều này tạo ra sự thay đổi trong từ trường, từ đó lại thay đổi trong điện trường - theo hướng ngược lại với hướng nhiễu loạn ban đầu. Đây còn được gọi là “quy tắc Lenz”. Đối với từ trường chính xác thì điều này cũng xảy ra, đó là lý do tại sao trường điện từ giống như một tấm cao su đàn hồi: nếu bạn chọc vào nó, nó sẽ muốn trở lại dạng ban đầu, nếu có thể. Tuy nhiên, việc này sẽ trở lại dạng ban đầu không diễn ra ngay lập tức mà phải mất một khoảng thời gian. Đó là lý do tại sao nhiễu động trong trường điện từ - giống như gợn sóng trong tấm cao su - sẽ lan ra, dao động qua lại. Những gợn sóng giống như sóng này lan truyền theo mọi hướng với một tốc độ rất cụ thể. Chúng được gọi là "sóng điện từ", và tốc độ là tốc độ ánh sáng đã biết.
Quang phổ điện từ
Mặc dù tốc độ của các sóng này luôn bằng nhau, nhưng tần số mà chúng làm cho trường điện từ dao động có thể khác nhau. Chúng dao động qua lại càng nhanh (và do đó, bước sóng của chúng càng ngắn), thì càng nhiều năng lượng được lưu trữ trong chúng.
Sóng dài nhất là sóng vô tuyến dài. Bước sóng của chúng trên một km (tức là khoảng một dặm). Sóng ngắn nhất trong số đó là những sóng mà chúng ta thực sự sử dụng trong radio của mình: sóng AM dài từ một km đến một trăm mét, trong khi sóng FM dài khoảng một đến mười mét. Các sóng ngắn hơn tiếp theo được gọi là vi sóng, và bước sóng của chúng từ một mét xuống một milimét. Những cái trong lò vi sóng của bạn thực sự là khoảng 12 cm, hay 4,7 inch. Điều này chưa phải là rất nhiều năng lượng, nhưng tình cờ nó chính xác là năng lượng của sự chuyển đổi lượng tử trong phân tử nước, đó là lý do tại sao những sóng này là lý tưởng để nóng lên bất cứ thứ gì có chứa nước. Các sóng điện từ khoảng một đến một trăm micromet được gọi là bức xạ hồng ngoại (IR). Bức xạ này không thể nhìn thấy bằng mắt người, nhưng chúng ta có thể cảm nhận được nó, như đang ấm lên. Đặt tay của bạn cạnh lò nướng hoặc ngọn lửa đang bùng cháy, và bạn có thể cảm nhận được bức xạ hồng ngoại “tận mắt”.
IR kết thúc khi ánh sáng nhìn thấy bắt đầu - bức xạ điện từ 700 nanomet (màu đỏ) đến khoảng 390 nanomet (màu xanh lam đậm) là ánh sáng nhìn thấy. Đôi mắt con người của chúng ta được tạo ra để chúng ta có thể nhìn thấy bức xạ này. Đó là cái mà chúng ta gọi là ánh sáng, và bao gồm những màu mà bạn có thể nhìn thấy trong cầu vồng - được sắp xếp từ đỏ đến xanh lam. Bây giờ chúng ta đến với những làn sóng ngày càng nhiều năng lượng hơn. Ngoài màu xanh lam trong quang phổ điện từ là bức xạ tử ngoại (UV). Chiều dài của chúng khoảng 10 nanomet, đó là nơi bắt đầu phát tia X. Tia X có bước sóng xuống tới 10 picômét (một phần nghìn tỷ mét). Mặc dù nó có thể khá hữu ích trong chẩn đoán y tế, nhưng loại bức xạ này đã rất năng lượng nên có thể nguy hiểm nếu người ta lạm dụng nó. Và cuối cùng, mọi thứ có sóng thậm chí còn ngắn hơn bức xạ năng lượng cực cao tiếp cận chúng ta từ ngoài không gian, khi các ngôi sao phát nổ, hoặc khi nguyên tử nặng phân rã hạt nhân
It’s a Wave – or Is It?!
Từ thời sơ khai, các nhà triết học tự nhiên đã thắc mắc về bản chất của ánh sáng. Trong một thời gian dài, người ta có ý tưởng rằng ánh sáng bao gồm các hạt nhỏ li ti bay từ các vật thể vào mắt chúng ta. Tuy nhiên, các đặc tính giống như sóng của nó đã được hiểu vào khoảng thế kỷ 18, khi các nhà triết học tự nhiên phát hiện ra rằng ánh sáng, cũng như sóng nước, có thể bị khúc xạ, quang sai và tán xạ. Và với J.C.Maxwell vào thế kỷ 19, cuối cùng đã rõ ràng rằng ánh sáng là một dạng sóng điện từ nhất định. Câu hỏi về bản chất của ánh sáng dường như đã được giải quyết, và ý tưởng về những “hạt ánh sáng” nhỏ bé cuối cùng đã bị chôn vùi. Ít nhất, đây là những gì mọi người nghĩ trong những ngày này.
Khoảng 50 năm sau những ý tưởng của J.C.Maxwell, một nhà khoa học trẻ đã có một khám phá đáng chú ý: Anh ta phát hiện ra rằng người ta không thể đặt một cách tùy tiện năng lượng nhỏ vào một sóng điện từ. Thông thường, năng lượng mà nó mang theo được xác định bởi hai yếu tố: một là bước sóng của nó, và một yếu tố khác là cường độ hoặc độ sáng của nó. Giờ đây, nhà khoa học trẻ này - tên anh ta là Albert Einstein - đã phát hiện ra rằng bạn không thể có cường độ thấp tùy ý trong một sóng điện từ. Hơn nữa, năng lượng trong một sóng chỉ có thể được chuyển đến các hệ thống khác trong các gói có kích thước cố định, hoặc lượng tử. Các lượng tử năng lượng này càng lớn thì bước sóng càng ngắn. Nói cách khác, có thể có hai sóng điện từ có cùng năng lượng - một sóng rất sáng có bước sóng dài và một sóng rất mờ có bước sóng ngắn - nhưng trong sóng thứ nhất có nhiều gói năng lượng có kích thước nhỏ, và trong cái thứ hai chỉ có vài gói, nhưng mỗi gói chứa rất nhiều năng lượng. Các gói năng lượng này được gọi là photon. Chúng có thể được coi là những hạt nhỏ nhỏ mà ánh sáng (hoặc bất kỳ loại bức xạ điện từ nào khác) bao gồm. Einstein sau đó đã nhận được giải Nobel cho khám phá này, và đây là ví dụ rõ ràng đầu tiên cho thấy một hệ thống vật lý có thể hoạt động giống như sóng và hạt. Đây là lý do tại sao Einstein đôi khi được nhắc đến như một trong những người phát minh ra thuyết lượng tử
