Ngôi sao gần nhất ở xa đến nỗi mà tàu vũ trụ nhanh nhất con người từng chế tạo cũng sẽ mất gần 100.000 năm để đến đó. Tuy vậy, chúng ta vẫn rất muốn biết ngôi sao hàng xóm này được cấu tạo từ vật chất gì và nó có khác với Mặt Trời của chúng ta như thế nào. Làm thế nào chúng ta có thể tìm hiểu về thành phần hóa học của các ngôi sao nơi mà việc ghé thăm hoặc thu thập mẫu là vô vọng?

Trong thiên văn học, hầu hết các đối tượng mà chúng ta nghiên cứu hoàn toàn nằm ngoài tầm với của chúng ta. Nhiệt độ của Mặt Trời cao đến mức một con tàu vũ trụ sẽ bị chiên giòn từ rất sớm trước khi tới được, và các ngôi sao thì ở quá xa để có thể ghé thăm kịp trong một cuộc đời của chúng ta với công nghệ hiện có. Ngay cả ánh sáng, di chuyển với tốc độ 300.000 km/giây (km/s), phải mất hơn 4 năm để đến được với chúng ta từ ngôi sao gần nhất. Nếu chúng ta muốn tìm hiểu về Mặt Trời và các ngôi sao, chúng ta phải dựa vào các kỹ thuật cho phép chúng ta phân tích chúng từ xa.

Hình 5.1 Mặt Trời của chúng ta trong ánh sáng cực tím. Bức ảnh Mặt Trời này được chụp ở một số bước sóng tia cực tím khác nhau mà mắt chúng ta không thể nhìn thấy, sau đó được mã hóa màu sắc để cho thấy hoạt động trong bầu khí quyển của Mặt Trời mà chúng ta không thể quan sát được bằng ánh sáng nhìn thấy. Đây là lý do tại sao điều quan trọng là phải quan sát Mặt Trời và các vật thể thiên văn khác ở các bước sóng khác với dải quang phổ nhìn thấy được. Hình ảnh này được chụp bởi vệ tinh từ bên trên bầu khí quyển của Trái Đất, điều này là cần thiết vì bầu khí quyển của Trái Đất hấp thụ phần lớn ánh sáng cực tím từ không gian. (tín dụng: sửa đổi công việc của NASA)

Hành vi của ánh sáng

Được mã hóa thành ánh sáng và các loại bức xạ khác, một loạt thông tin từ các vật thể trong vũ trụ đến được với chúng ta mang thông điệp cho biết các vật thể đó trông như thế nào và hoạt động ra làm sao. Nếu chúng ta có thể giải mã được mã này và đọc các thông điệp trong nó, chúng ta có thể học được rất nhiều điều về vũ trụ mà không bao giờ phải ngay lập tức rời khỏi Trái Đất hoặc môi trường của nó.

Ánh sáng nhìn thấy và các bức xạ khác mà chúng ta nhận được từ các ngôi sao và hành tinh được tạo ra bởi các quá trình ở cấp độ nguyên tử - bởi những thay đổi trong cách các bộ phận của nguyên tử tương tác và chuyển động. Vì vậy, để đánh giá được ánh sáng được tạo ra như thế nào, chúng ta phải khám phá cách hoạt động của các nguyên tử. Có một điều hơi trớ trêu là để hiểu được một số cấu trúc lớn nhất trong vũ trụ, chúng ta phải làm quen với một số cấu trúc nhỏ nhất.

Lưu ý rằng chúng tôi đã hai lần sử dụng cụm từ “ánh sáng và các bức xạ khác”. Một trong những ý tưởng chính được khám phá trong chương này là ánh sáng khả kiến không phải là duy nhất; nó chỉ là một ví dụ quen thuộc nhất về một họ bức xạ lớn hơn nhiều có thể mang thông tin cho chúng ta.

Từ "bức xạ" sẽ được sử dụng thường xuyên trong cuốn sách này, vì vậy điều quan trọng là phải hiểu ý nghĩa của nó. Trong ngôn ngữ hàng ngày, "bức xạ" thường được sử dụng để mô tả một số loại hạt hạ nguyên tử năng lượng cao được giải phóng bởi các vật liệu phóng xạ trong môi trường của chúng ta. (Một ví dụ là loại bức xạ được sử dụng để điều trị một số bệnh ung thư.) Nhưng đây không phải là ý của chúng tôi khi chúng tôi sử dụng từ “bức xạ” trong một văn bản thiên văn học. Bức xạ, như được sử dụng trong cuốn sách này, là một thuật ngữ chung cho các sóng (bao gồm cả sóng ánh sáng) bức xạ ra bên ngoài từ một nguồn.

Lý thuyết về lực hấp dẫn của Newton giải thích chuyển động của các hành tinh cũng như các vật thể trên Trái Đất. Ứng dụng của lý thuyết này vào nhiều vấn đề đã thống trị công việc của các nhà khoa học trong gần hai thế kỷ. Vào thế kỷ 19, nhiều nhà vật lý đã chuyển sang nghiên cứu điện và từ tính, những thứ có liên hệ mật thiết với việc tạo ra ánh sáng.

Nhà khoa học có vai trò trong lĩnh vực này có thể so sánh với vai trò của Newton trong nghiên cứu lực hấp dẫn là nhà vật lý James Clerk Maxwell, sinh ra và học tập ở Scotland (Hình 5.2). Được truyền cảm hứng từ một số thí nghiệm tinh xảo cho thấy mối quan hệ mật thiết giữa điện và từ, Maxwell đã phát triển một lý thuyết mô tả cả điện và từ chỉ với một số phương trình nhỏ. Chính lý thuyết này đã cho chúng ta những hiểu biết quan trọng về bản chất và hành vi của ánh sáng.

Hình 5.2 James Clerk Maxwell (1831–1879). Maxwell đã thống nhất các quy tắc chi phối điện và từ thành một lý thuyết thống nhất.

Thuyết điện từ của Maxwell

Chúng ta sẽ xem xét cấu trúc của nguyên tử chi tiết hơn ở phần sau, nhưng chúng ta hãy bắt đầu bằng cách lưu ý rằng nguyên tử điển hình bao gồm một số loại hạt, một số hạt không chỉ có khối lượng mà còn có một đặc tính bổ sung được gọi là điện tích. Trong hạt nhân (phần trung tâm) của mọi nguyên tử là các proton, mang điện tích dương; bên ngoài hạt nhân là các electron mang điện tích âm.

Lý thuyết của Maxwell đề cập đến các điện tích này và ảnh hưởng của chúng, đặc biệt là khi chúng chuyển động. Trong vùng lân cận của một điện tích electron, một điện tích khác cảm thấy một lực hút hoặc lực đẩy: các điện tích trái dấu thì hút; cùng dấu thì đẩy. Khi các điện tích không chuyển động, chúng ta chỉ quan sát lực hút hoặc lực đẩy điện này. Tuy nhiên, nếu các điện tích chuyển động (vì chúng ở bên trong mọi nguyên tử và trong dây dẫn mang dòng điện), thì chúng ta sẽ đo được một lực khác gọi là lực từ (magnetism).

Lực từ được biết đến nhiều trong các ghi chép lịch sử nhân loại, nhưng nguyên nhân của nó vẫn chưa được hiểu rõ cho đến tận thế kỷ XIX. Các thí nghiệm về điện tích chứng minh rằng lực từ là kết quả của các hạt mang điện chuyển động. Đôi khi như trong các cuộn dây nặng tạo nên nam châm điện công nghiệp với chuyển động rõ ràng. Đôi khi, nó tinh tế hơn, như trong loại nam châm bạn mua ở cửa hàng đồ kim khí, trong đó nhiều hạt điện tử (electron) bên trong các nguyên tử đang quay gần như theo cùng một hướng; chính sự chuyển động thẳng hàng của chúng làm cho vật liệu trở nên từ tính.

Các nhà vật lý sử dụng thuật ngữ trường (field) để mô tả tác dụng của các lực mà một vật thể tác dụng lên các vật thể ở xa khác. Ví dụ: chúng ta nói rằng Mặt Trời tạo ra một trường hấp dẫn (gravitational field) kiểm soát quỹ đạo của Trái Đất, mặc dù Mặt Trời và Trái Đất không tiếp xúc trực tiếp với nhau. Sử dụng thuật ngữ này, chúng ta có thể nói rằng các điện tích đứng yên tạo ra điện trường, và các điện tích chuyển động cũng tạo ra từ trường (magnetic fields).

Trên thực tế, mối quan hệ giữa hiện tượng điện và từ thậm chí còn sâu sắc hơn. Các thí nghiệm cho thấy từ trường thay đổi có thể tạo ra dòng điện (và do đó thay đổi điện trường), và dòng điện thay đổi có thể tạo ra từ trường thay đổi. Vì vậy, một khi bắt đầu, sự thay đổi điện trường và từ trường có thể tiếp tục kích hoạt lẫn nhau.

Maxwell đã phân tích điều gì sẽ xảy ra nếu các điện tích dao động (di chuyển liên tục qua lại) và phát hiện ra rằng kết quả ở dạng điện trường và từ trường sẽ lan rộng ra và di chuyển nhanh chóng trong không gian. Điều tương tự cũng xảy ra khi một hạt mưa rơi xuống mặt nước hoặc một con ếch nhảy xuống ao. Sự xáo trộn di chuyển ra ngoài và tạo ra một mô hình mà chúng ta gọi là sóng nước (Hình 5.3). Thoạt đầu, bạn có thể nghĩ rằng có rất ít trường hợp trong tự nhiên mà các điện tích dao động, nhưng điều này hoàn toàn không phải như vậy. Như chúng ta sẽ thấy, các nguyên tử và phân tử (bao gồm các hạt mang điện) luôn dao động qua lại. Các nhiễu loạn điện từ kết quả là một trong những hiện tượng phổ biến nhất trong vũ trụ.

Hình 5.3 Tạo sóng. Một dao động trong một vũng nước tạo ra một nhiễu động mở rộng được gọi là sóng. (tín dụng: sửa đổi công việc của "giantateparksstaff" / Flickr)

Maxwell đã có thể tính toán tốc độ mà nhiễu loạn điện từ di chuyển trong không gian; ông nhận thấy rằng nó bằng tốc độ ánh sáng, đã được đo bằng thực nghiệm. Trên cơ sở đó, ông suy đoán rằng ánh sáng là một dạng của một họ các nhiễu điện từ có thể xảy ra được gọi là bức xạ điện từ (electromagnetic radiation), một kết luận đã được khẳng định một lần nữa trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Khi ánh sáng (ví dụ phản chiếu từ các trang sách) đi vào mắt người, điện trường và từ trường thay đổi của nó sẽ kích thích các đầu dây thần kinh, sau đó truyền thông tin có trong các trường thay đổi này đến não. Khoa học của thiên văn học chủ yếu là phân tích bức xạ từ các vật thể ở xa để hiểu chúng là gì và cách chúng hoạt động.

Tính chất sóng của ánh sáng

Điện trường và từ trường thay đổi trong ánh sáng tương tự như sóng có thể được tạo ra trong một hồ nước yên tĩnh. Trong cả hai trường hợp, nhiễu động di chuyển nhanh chóng ra ngoài từ điểm gốc và có thể sử dụng năng lượng của nó để làm nhiễu loạn những thứ khác ở xa hơn. (Ví dụ, trong nước, các gợn sóng mở rộng di chuyển ra xa khỏi con ếch có thể làm xáo trộn sự yên bình của một con chuồn chuồn đậu trên một chiếc lá trong cùng một bể nước). Trong trường hợp sóng điện từ, bức xạ được tạo ra bởi một ăng-ten phát chứa đầy các hạt mang điện và các electron chuyển động tại đài phát thanh địa phương. Một lúc sau đó, bức xạ đó có thể làm nhiễu một nhóm electron trong ăng-ten radio trên ô tô của bạn và mang đến cho bạn tin tức và dự báo thời tiết trong khi bạn đang trên xe đến lớp hoặc đi làm vào buổi sáng.

Tuy nhiên, sóng tạo ra bởi các hạt tích điện khác với sóng nước ở một số khía cạnh. Sóng nước cần có nước đi vào. Hay sóng âm thanh mà chúng ta nghe được là nhiễu loạn áp suất cần có không khí di chuyển. Nhưng sóng điện từ không cần nước hoặc không khí: các trường tạo ra nhau và do đó có thể di chuyển trong chân không (chẳng hạn như không gian bên ngoài Trái Đất). Đây là một ý tưởng đáng lo ngại đối với các nhà khoa học thế kỷ 19 khi mà họ nghĩ đã thực sự tạo ra một chất để lấp đầy tất cả không gian — một chất mà không có một mảnh bằng chứng nào — chỉ để sóng ánh sáng có thể có thứ gì đó để truyền qua: họ gọi nó là aether. Ngày nay, chúng ta biết rằng không có aether và các sóng điện từ không gặp khó khăn gì khi di chuyển trong không gian trống (như tất cả các ánh sáng sao nhìn thấy trong đêm rõ ràng chắc chắn phải làm vậy).

Sự khác biệt khác là tất cả các sóng điện từ chuyển động với cùng tốc độ trong không gian trống (đó là tốc độ ánh sáng - xấp xỉ 300.000 km / giây hoặc 300.000.000 mét / giây, cũng có thể được viết là 3×108 m/s), hóa ra là tốc độ nhanh nhất có thể trong vũ trụ. Bất kể sóng điện từ được tạo ra từ đâu và bất kể tính chất nào khác của chúng, khi chúng chuyển động (và không tương tác với vật chất), chúng sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, bạn biết từ kinh nghiệm hàng ngày rằng có nhiều loại ánh sáng khác nhau. Ví dụ, chúng ta nhận thấy rằng các sóng ánh sáng khác nhau ở một đặc tính mà chúng ta gọi là màu sắc. Hãy xem cách chúng ta có thể biểu thị sự khác biệt giữa toàn bộ họ sóng điện từ.

Điều tốt đẹp về một sóng là nó là một hiện tượng lặp lại. Cho dù đó là chuyển động lên xuống của sóng nước hay điện trường và từ trường thay đổi trong một sóng ánh sáng, thì mô hình nhiễu loạn cũng lặp lại theo chu kỳ. Do đó, bất kỳ chuyển động sóng nào cũng có thể được đặc trưng bởi một loạt các đỉnh và đáy (Hình 5.4). Di chuyển từ một đỉnh qua lòng chảo rồi lại sang đỉnh tiếp theo sẽ hoàn thành một chu kỳ. Chiều dài ngang của chu kỳ được gọi là bước sóng (wavelength). Tương tự như ở sóng biển: bước sóng là khoảng cách phân tách các đỉnh sóng liên tiếp nhau.

Hình 5.4 Đặc điểm của sóng. Bức xạ điện từ có đặc điểm giống như sóng. Bước sóng (λ) là khoảng cách giữa các đỉnh, tần số (f) là số chu kỳ trên giây và tốc độ (c) là khoảng cách mà sóng bao phủ trong một khoảng thời gian xác định (ví dụ: km trên giây).

Đối với ánh sáng nhìn thấy, mắt chúng ta cảm nhận các bước sóng khác nhau dưới dạng các màu khác nhau: ví dụ: màu đỏ là bước sóng nhìn thấy dài nhất và màu tím là ngắn nhất. Các màu chính của ánh sáng nhìn thấy từ bước sóng dài nhất đến ngắn nhất có thể được ghi nhớ bằng cụm từ ROY G BIV — cho Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Indigo, Violet (Đỏ, Cam, Vàng, Xanh lục, Xanh lam, Chàm và Tím). Các dạng bức xạ điện từ vô hình khác có các bước sóng khác nhau, chúng ta sẽ tìm hiểu trong phần tiếp theo.

Chúng ta cũng có thể mô tả các sóng khác nhau bằng tần số (frequency) của chúng, là số chu kỳ sóng đi qua mỗi giây. Ví dụ: nếu bạn đếm 10 đỉnh di chuyển mỗi giây, thì tần số là 10 chu kỳ mỗi giây (cps - cycles per second). Để vinh danh Heinrich Hertz, nhà vật lý - có cảm hứng từ công trình của Maxwell - đã phát hiện ra sóng vô tuyến, cps còn được gọi là hertz (Hz). Ví dụ, hãy xem chiếc radio của bạn và bạn sẽ thấy các kênh được chỉ định cho mỗi đài vô tuyến được đặc trưng bởi tần số của nó, thường được tính bằng đơn vị KHz (kilohertz, nghìn hertz) hoặc MHz (megahertz, triệu hertz) .

Bước sóng (λ) và tần số (f) có liên quan với nhau vì tất cả các sóng điện từ đều truyền với tốc độ như nhau. Để hiểu điều này, hãy tưởng tượng một cuộc diễu hành trong đó mọi người lính phải di chuyển với tốc độ chính xác như nhau. Bạn đứng ở một góc và nhìn những làn sóng người diễu hành đi qua. Đầu tiên bạn nhìn thấy hàng lính này sang hàng lính khác. Bởi vì khoảng cách các hàng không rộng lắm và do đó, có bước sóng ngắn hơn, tức là một số lượng lớn hàng lính có thể di chuyển qua bạn mỗi phút; có thể nói các hàng lính có tần suất xuất hiện cao. Tuy nhiên, tiếp theo, hãy đến phần diễu hành của kỵ binh. Những chú ngựa to lớn và diễu hành cùng tốc độ, có thể thấy số hàng đi qua ít hơn rất nhiều trong mỗi phút: Bởi vì các hàng kỵ binh có khoảng cách rộng hơn (bước sóng dài hơn), đại diện cho một tần số thấp hơn.

Công thức cho mối quan hệ này có thể được biểu diễn như sau: đối với bất kỳ chuyển động sóng nào, tốc độ của sóng chuyển động bằng tần số nhân với bước sóng. Sóng có bước sóng dài hơn thì sẽ có tần số thấp hơn. Về mặt toán học, chúng ta có thể diễn đạt điều này dưới dạng

c = λf

trong đó chữ cái Hy Lạp lambda, λ — được sử dụng để biểu thị bước sóng và c là ký hiệu khoa học cho tốc độ ánh sáng. Đối với bước sóng, giá trị này được biểu thị bằng:

λ = c /f

Phương trình cho mối quan hệ giữa tốc độ và các đặc tính khác của sóng có thể được rút ra từ hiểu biết cơ bản của chúng ta về chuyển động. Tốc độ trung bình của bất kỳ thứ gì đang chuyển động là:

tốc độ trung bình = thời gian / khoảng cách

(ví dụ, một ô tô trên đường cao tốc đi với vận tốc 100 km/h sẽ chạy được 100km trong thời gian 1h).

Với một sóng điện từ đi một quãng đường bằng đúng một bước sóng của nó, λ, với tốc độ của ánh sáng, c, ta có c = λ/t. Tần số của sóng là số chu kỳ trong một giây. Nếu một sóng có tần số một triệu chu kỳ trên giây, thì thời gian để mỗi chu kỳ trôi qua là một phần triệu giây. Vì vậy, nói chung, t = 1/f. Thay vào phương trình sóng của chúng ta, ta được c = λ×f. Bây giờ chúng ta hãy sử dụng điều này để tính toán một ví dụ.

VÍ DỤ 5.1.1 Sử dụng phương trình sóng

Bước sóng của ánh sáng nhìn thấy có tần số 5,66×1014 Hz là bao nhiêu?

Đáp án

Giải phương trình sóng cho bước sóng, ta có: λ = cf

Thay thế các giá trị:

Câu trả lời này cũng có thể được viết là 530nm, nằm trong phần màu vàng xanh của quang phổ khả kiến (nm là viết tắt của nanomet, trong đó thuật ngữ “nano” có nghĩa là “phần tỷ”).

VÍ DỤ 5.1.2 Sử dụng phương trình sóng

“Sóng thủy triều” hay còn gọi là sóng thần, là những con sóng do động đất gây ra truyền nhanh qua đại dương. Nếu một cơn sóng thần di chuyển với tốc độ 600 km/h và đến gần bờ với tốc độ một đỉnh sóng sau mỗi 15 phút (4 con sóng/h) thì khoảng cách giữa các đỉnh sóng đó trên biển là bao nhiêu?

Đáp án

Tính chất hạt của ánh sáng

Mô hình sóng điện từ của ánh sáng (theo công thức của Maxwell) là một trong những thành tựu vĩ đại của khoa học thế kỷ XIX. Vào năm 1887, khi Heinrich Hertz thực sự tạo ra sóng điện từ vô hình (thứ mà ngày nay gọi là sóng vô tuyến) ở một bên của căn phòng và phát hiện chúng ở phía bên kia, nó đã mở ra một kỷ nguyên mới dẫn đến kỷ nguyên viễn thông hiện đại. Cuối cùng, thử nghiệm của ông đã dẫn đến công nghệ truyền hình, điện thoại di động và mạng không dây ngày nay trên toàn cầu.

Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ 20, những thí nghiệm phức tạp hơn đã tiết lộ rằng ánh sáng hoạt động theo những cách nhất định mà mô hình sóng không thể giải thích được. Một cách miễn cưỡng, các nhà vật lý phải chấp nhận rằng đôi khi ánh sáng hoạt động giống như một “hạt” — hoặc ít nhất là một gói tự chứa đựng năng lượng — hơn là một sóng. Chúng ta gọi một gói năng lượng điện từ như vậy là một quang tử (photon).

Thực tế rằng ánh sáng hoạt động giống như một sóng trong một số thí nghiệm nhất định và giống như một hạt trong những thí nghiệm khác là một ý tưởng rất đáng ngạc nhiên và khó có thể xảy ra. Suy cho cùng, cảm nhận chung của chúng ta vẫn nói rằng sóng và hạt là hai khái niệm đối lập nhau. Mặt khác, sóng là một sự xáo trộn lặp đi lặp lại bởi bản chất tự nhiên của nó, không chỉ ở một nơi, mà còn lan rộng ra. Mặt khác, một hạt là thứ chỉ có thể ở một nơi tại bất kỳ thời điểm nào. Tuy nhiên, nghe thật kỳ lạ, vô số thí nghiệm hiện nay xác nhận rằng bức xạ điện từ đôi khi có thể hoạt động giống như một sóng và những lúc khác lại giống như một hạt.

Sau đó, một lần nữa, có lẽ chúng ta không nên quá ngạc nhiên khi biết rằng có một thứ gì đó luôn di chuyển với “tốc độ giới hạn” của vũ trụ và không cần phương tiện di chuyển, lại có thể không tuân theo những ý tưởng thông thường hàng ngày của chúng ta. Sự hoang mang mà tính chất hai mặt sóng-hạt của ánh sáng gây ra trong vật lý cuối cùng đã được giải quyết bằng cách đưa ra một lý thuyết phức tạp hơn về sóng và hạt, ngày nay được gọi là cơ học lượng tử, là một trong những lĩnh vực thú vị nhất của khoa học hiện đại.

Trong mọi trường hợp, từ bây giờ bạn nên chuẩn bị tinh thần khi các nhà khoa học đôi khi thảo luận về bức xạ điện từ như thể nó bao gồm các sóng và đôi khi lại coi nó như một dòng quang tử. Một photon (là một gói năng lượng) mang một lượng năng lượng cụ thể. Chúng ta có thể sử dụng ý tưởng về năng lượng để kết nối các mô hình photon và sóng. Năng lượng của một quang tử phụ thuộc vào tần số của nó khi bạn nghĩ về nó như một sóng. Sóng vô tuyến năng lượng thấp có tần số thấp dưới dạng sóng, trong khi tia X năng lượng cao tại phòng khám nha khoa của bạn là sóng tần số cao. Trong số các màu của ánh sáng nhìn thấy, photon ánh sáng tím có năng lượng cao nhất và photon ánh sáng đỏ có năng lượng thấp nhất.

Kiểm tra xem kết nối giữa các photon và sóng có rõ ràng đối với bạn hay không. Trong ví dụ trên, photon nào sẽ có bước sóng dài hơn khi ánh sáng là một sóng: sóng vô tuyến (radio) hay tia X? Nếu bạn trả lời sóng vô tuyến, bạn đã chính xác. Sóng vô tuyến có tần số thấp hơn, do đó chu kỳ sóng dài hơn.

Sự lan truyền ánh sáng

Hãy suy nghĩ một chút về cách ánh sáng từ một bóng đèn di chuyển trong không gian. Khi sóng ánh sáng tỏa ra, chúng sẽ đi ra khỏi bóng đèn, không chỉ về phía mắt bạn mà theo mọi hướng. Do đó, chúng phải bao phủ một không gian ngày càng rộng. Tuy nhiên, tổng lượng ánh sáng hiện có không thể thay đổi sau khi ánh sáng đã rời khỏi bóng đèn. Điều này có nghĩa là, khi cùng một lớp vỏ ánh sáng đang giãn nở bao phủ một khu vực ngày càng lớn, thì sự hiện diện của ánh sáng ngày càng ít đi ở bất kỳ nơi nào trên lớp vỏ. Ánh sáng (và tất cả các bức xạ điện từ khác) ngày càng yếu đi khi nó càng ra xa nguồn của nó.

Sự gia tăng diện tích mà ánh sáng phải bao phủ tỷ lệ với bình phương quãng đường mà ánh sáng đã truyền đi (Hình 5.5). Nếu chúng ta đứng xa nguồn sáng ở một khoảng cách gấp đôi, mắt của chúng ta sẽ bắt được ánh sáng ít hơn một lượng bằng hai bình phương (2 × 2), hay ít hơn bốn lần. Nếu chúng ta đứng cách xa nguồn ở một khoảng cách gấp 10 lần, chúng ta sẽ nhận được ánh sáng ít hơn một lượng bằng bình phương của 10, hay ít hơn 100 lần. Bạn có thể thấy sự suy yếu này có nghĩa là một sự rắc rối đối với các nguồn ánh sáng ở khoảng cách thiên văn là như thế nào. Một trong những ngôi sao gần nhất, Alpha Centauri A, phát ra năng lượng bằng tổng năng lượng của Mặt trời. Nhưng nó ở xa hơn khoảng 270.000 lần, và vì vậy nó xuất hiện mờ hơn khoảng 73 tỷ lần. Không có gì ngạc nhiên khi các ngôi sao, nhìn gần giống như Mặt trời, lại trông giống như những đốm sáng yếu ớt từ rất xa.

Ý tưởng này - rằng độ sáng biểu kiến của một nguồn (độ sáng của nó trông như thế nào đối với chúng ta) sẽ yếu đi theo khoảng cách theo cách chúng ta đã mô tả - được gọi là định luật bình phương nghịch đảo đối với sự truyền ánh sáng. Về mặt này, sự lan truyền của ánh sáng tương tự như ảnh hưởng của lực hấp dẫn. Nhớ rằng lực hấp dẫn giữa hai khối lượng hút nhau cũng tỷ lệ nghịch với bình phương độ phân cách của chúng.

Hình 5.5 Định luật bình phương nghịch đảo đối với Ánh sáng. Khi ánh sáng bức xạ ra khỏi nguồn của nó, nó sẽ lan truyền theo cách sao cho năng lượng trên một đơn vị diện tích (lượng năng lượng truyền qua một trong những ô vuông nhỏ) giảm đi một lượng bằng bình phương khoảng cách từ nguồn của nó.

Ví dụ 5.2.1. Định luật bình phương nghịch đảo đối với Ánh sáng

Cường độ của một bóng đèn 120W quan sát được từ cách xa 2 m là 2,4W/m2. Cường độ sẽ là bao nhiêu nếu khoảng cách này được tăng lên gấp đôi?

Đáp án

Nếu chúng ta di chuyển ra xa gấp đôi, thì câu trả lời sẽ thay đổi theo bình phương nghịch đảo của khoảng cách, do đó cường độ mới sẽ là (1/2)2 = 1/4 cường độ ban đầu, hay 0,6 W/m2.

Ví dụ 5.2.2. Định luật bình phương nghịch đảo đối với Ánh sáng

Một ngôi sao sẽ sáng hơn hoặc mờ hơn bao nhiêu lần nếu nó được dịch chuyển đến vị trí:

  1. gấp đôi khoảng cách hiện tại của nó?
  2. gấp mười lần khoảng cách hiện tại của nó?
  3. một nửa khoảng cách hiện tại của nó?

Đáp án

  1. (1/2)2=1/4 ;
  2. (1/10)2=1/100 ;
  3. (1/½)2=4

(còn tiếp...)

Tham khảo

  • Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy)