Làm thế nào để ánh sáng chậm lại?

Hiện tượng ánh sáng chậm lại khi nó đi qua một vật liệu như thủy tinh hoặc không khí là một trong những lĩnh vực vật lý hấp dẫn nhất, liên quan đến sự tương tác phức tạp giữa ánh sáng và vật liệu. Có ba cách để xem xét cùng một tình huống và mỗi cách sử dụng một cách hiểu khác nhau về vật lý.

Tất cả những lời giải thích này đều có điểm mạnh và điểm yếu, nhưng tất cả chúng đều là những công cụ mạnh mẽ để hiểu được sự tương tác hấp dẫn này.

Có liên quan: Làm thế nào để thiên văn học sử dụng quang phổ điện từ?

View số 1: Tất cả là sóng

Quan điểm đầu tiên đến từ Thư ký James Maxwellnhà vật lý người Scotland thế kỷ 19 và là thiên tài toàn diện, người đã khám phá ra lý thuyết thống nhất về điện và từ, đồng thời phát hiện ra rằng ánh sáng được tạo thành từ sóng điện và từ.

Khi những sóng này gặp một vật liệu như thủy tinh hoặc nước, chúng sẽ nhìn thấy một loạt các hạt tích điện. Các phân tử trong vật liệu được làm bằng nguyên tửtrong đó có protonđiện tử – cả hai hạt tích điện. Và các hạt tích điện phản ứng với sóng điện từ đi ngang qua chúng bằng cách lắc lư theo chúng.

Nhưng các hạt tích điện chuyển động cũng tạo ra sóng điện từ của riêng chúng. Kết quả là một mớ hỗn độn khổng lồ, với các sóng điện từ ban đầu giao thoa với tất cả các sóng được tạo ra bởi tất cả các hạt tích điện trong vật liệu (và có rất nhiều). Rất may, hầu hết các sóng đó, ngoại trừ sóng truyền theo hướng ban đầu của ánh sáng, triệt tiêu lẫn nhau. Nhưng vì các sóng do các hạt tạo ra bị trễ một chút nên toàn bộ quần thể di chuyển chậm hơn.

Kết quả cuối cùng: Ánh sáng di chuyển chậm hơn.

Quan điểm số 2: Tất cả đều là hạt

Ánh sáng được tạo thành từ các hạt nhỏ gọi là photon. (Tín dụng hình ảnh: DrPixel qua Getty Images)

Lý thuyết của Maxwell là một bức tranh cổ điển về bức xạ. Ngày nay, chúng ta có một cái nhìn phức tạp hơn nhiều dựa trên cơ học lượng tử, nơi ánh sáng được tạo thành từ vô số hạt nhỏ gọi là photon. Các photon có thể hoạt động riêng lẻ, nhưng khi có đủ số lượng chúng kết hợp với nhau, chúng sẽ hiển thị tất cả các thuộc tính giống như sóng điện từ.

Việc xử lý lượng tử hoàn toàn các photon tương tác với vật liệu có thể trở nên khá khó chịu, nhưng may mắn thay, chúng ta có một phương pháp do nhà vật lý nổi tiếng Richard Feynman phát triển để hướng dẫn chúng ta vượt qua nó. Chúng ta có thể tưởng tượng tất cả các photon của ánh sáng tới đập vào vật liệu. Khi vào bên trong, chúng bắt đầu tương tác với tất cả các hạt tích điện.

Các hạt tích điện đó có thể hấp thụ các photon đó và phát ra photon của riêng chúng, bởi vì đó là công việc của các hạt tích điện. Nhưng những photon này hơi khác một chút. Trong vật lý, chúng được gọi là photon ảo.

Hãy nhớ rằng photon có thể làm hai việc: Chúng có thể di chuyển tự do qua vũ trụtồn tại dưới dạng các thực thể độc lập (đây là ánh sáng) và chúng thực hiện công việc trung gian hóa lực điện từ (giống như lực hút nam châm vào tủ lạnh). Nhưng những photon này không chuyển động tự do; họ có một công việc để làm. Vì vậy, chúng tôi gọi chúng là các photon “ảo” — chúng chỉ tồn tại trong toán học của chúng tôi để giúp chúng tôi tính toán lực điện từ.

Vì vậy, tất cả các hạt tích điện này bắt đầu phát ra một lượng lớn các hạt ảo, và một lần nữa, có một mớ hỗn độn khổng lồ khó hiểu. Feynman đến giải cứu. Ông đã phát triển một kỹ thuật lấy trung bình tất cả các đường đi khả dĩ mà các photon đó có thể đi. Quá trình lấy trung bình đó đã loại bỏ tất cả các photon ương ngạnh, chỉ để lại những photon đi theo hướng ban đầu của ánh sáng. Nhưng tất cả những tương tác đó đều phải trả giá: Phải mất thời gian để một electron hấp thụ và phát lại một photon, và những độ trễ đó cộng lại.

Kết quả cuối cùng: Ánh sáng di chuyển chậm hơn.

Quan điểm số 3: Tất cả đều là phân cực

Cho đến nay, chúng tôi đã tập trung vào các tính chất của ánh sáng, xem nó qua thấu kính dựa trên hạt và thấu kính dựa trên sóng. Nhưng vật liệu này không chỉ là một tập hợp đơn giản của các hạt tích điện chỉ làm bất cứ điều gì chúng được lệnh điện từ để làm.

Vật liệu cũng có thể thú vị. Cụ thể, tất cả các vật liệu đều có thể hỗ trợ rung động — vật nhỏ, vật lớn, vật tồn tại lâu dài, vật rung nhanh chóng biến mất. Tất cả vật chất luôn chuyển động và chuyển động đó ảnh hưởng đến cách vật chất đó tương tác với mọi thứ khác. Để giúp các nhà vật lý vật lộn với sự phức tạp của tất cả các loại rung động liên tục chạy qua các vật liệu, họ đã đề xuất một thực thể gọi là phonon.

Phonon là một loại hạt giả khác, nhưng giống như photon ảo, nó rất hữu dụng. Nó cho phép các nhà vật lý sử dụng ngôn ngữ của cơ học lượng tử để mô tả các dao động trong vật liệu. Ngôn ngữ mới này có ích khi ánh sáng, được tạo thành từ các photon, đi vào vật liệu đó.

Khi các photon và phonon kết hợp với nhau, chúng tạo ra một thứ mới: một phân cực. Theo quan điểm này, khi ánh sáng đi vào một vật liệu, nó sẽ biến mất. Và các phonon trong chính vật liệu cũng vậy. Thay vào đó, chúng được thay thế bằng các phân cực. Những Polariton này chia sẻ nhiều đặc tính với cha mẹ của chúng, nhưng chúng có một đặc tính quan trọng: Chúng di chuyển chậm hơn so với tốc độ ánh sáng.

Tốc độ đó phụ thuộc vào tính chất của vật liệu (các phonon). Theo quan điểm này, không phải ánh sáng đi qua một vật liệu, với vật liệu phản ứng với nó, mà là một vật thể mới, một phân cực, đi qua. Quan điểm này đặc biệt hữu ích, bởi vì trong nhiều tình huống, rất dễ dàng để loại bỏ tất cả phép toán rườm rà của các sóng xung đột hoặc các photon dội lại và chỉ xử lý một thực thể đơn giản, rõ ràng đã mã hóa tất cả thông tin bạn cần.

Ánh sáng đi vào, một phân cực đi qua và ánh sáng tắt.

Kết quả cuối cùng: Ánh sáng di chuyển chậm hơn.

Tìm hiểu thêm bằng cách nghe podcast “Ask A Spaceman”, có sẵn trên itunesaskaspaceman.com. Đặt câu hỏi của riêng bạn trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc bằng cách theo dõi Paul @PaulMattSutterfacebook.com/PaulMattSutter.



Nguồn: Space

Xem thêm nội dung mới và bổ ích tại:

– Kiến thức gia đình

– Tri thức đời sống

– Cẩm nang sức khỏe

– Kênh youtube Kiến thức gia đình