Đáy hồ trông nông hơn thật vì ánh sáng từ đáy đi lên, khi vượt qua mặt nước ra không khí thì bị bẻ hướng, và mắt ta luôn tưởng ánh sáng đi thẳng nên nhìn thấy đáy ở chỗ cao hơn vị trí thật. Với nước trong và nhìn gần như thẳng xuống, độ sâu trông thấy chỉ vào khoảng ba phần tư độ sâu thật. Nhìn xiên thì còn nông hơn nữa.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Tập này mình nói về một hiện tượng nhìn thì vô hại, như chiếc thìa trong ly trà đá trông như gãy, nhưng có liên quan trực tiếp tới tai nạn đuối nước ở những con suối trong vắt mỗi mùa hè. Đó là khúc xạ ánh sáng.
Ánh sáng đổi tốc độ thì đổi hướng
Ánh sáng đi trong không khí nhanh hơn trong nước. Khi một chùm sáng đi xiên từ nước ra không khí, phần đầu của chùm ra không khí trước và tăng tốc trước, phần còn lại vẫn ở trong nước đi chậm hơn. Sự chênh lệch đó làm cả chùm bị bẻ cong hướng ngay tại mặt nước.
Hình dung một hàng lính khoác tay nhau đi chéo từ bãi cát sang mặt đường nhựa. Người chạm đường trước bước nhanh hơn, người còn trên cát bước chậm, cả hàng tự xoay hướng. Ánh sáng làm điều tương tự.
Mức độ bẻ hướng phụ thuộc vào tỷ số tốc độ ánh sáng giữa hai môi trường. Các nhà vật lý gói tỷ số đó vào một con số gọi là chiết suất. Nước có chiết suất khoảng một phẩy ba ba, thuỷ tinh khoảng một phẩy năm, kim cương khoảng hai phẩy bốn.
Nếu ánh sáng đi vuông góc với mặt nước, nó không bị bẻ hướng, chỉ đổi tốc độ. Càng đi xiên, góc bẻ càng lớn.
Vì sao bộ não bị đánh lừa?
Não của chúng ta tiến hoá trong không khí, nơi ánh sáng đi thẳng. Nó có một giả định cài sẵn: ánh sáng tới mắt từ hướng nào thì vật nằm theo hướng đó. Giả định này đúng gần như mọi lúc, chỉ sai khi ánh sáng đã bị bẻ trên đường đi.
Viên sỏi dưới đáy suối gửi ánh sáng lên. Tới mặt nước, tia sáng bị bẻ ra xa phương thẳng đứng hơn trước khi vào mắt bạn. Não lần ngược tia sáng theo đường thẳng và đặt viên sỏi ở một điểm cao hơn thật. Cả đáy suối được não vẽ lại nông hơn.
Chiếc thìa trong ly nước cũng vậy. Phần thìa trên mặt nước gửi ánh sáng thẳng tới mắt, phần dưới nước gửi ánh sáng bị bẻ. Não ghép hai phần lại và thấy chiếc thìa gãy khúc ở đúng mặt nước.
Cá dưới nước nhìn lên cũng thấy thế giới bên trên bị dời chỗ. Người đi xiên cá bằng lao ở vùng sông nước đều biết phải nhắm thấp hơn chỗ mình thấy con cá, đó là kinh nghiệm khúc xạ được truyền qua nhiều đời.
Suối trong và tai nạn đuối nước mùa hè
Đây là phần mình muốn bạn nhớ nhất. Suối, hồ, bãi đá nước trong vắt nhìn thấy rõ đáy thường tạo cảm giác an toàn. Nhìn xuống thấy đáy chỉ ngang đùi, nhưng thực tế có thể ngập ngực hoặc quá đầu một đứa trẻ.
Khi đứng trên bờ nhìn xiên ra xa, độ nông giả còn lớn hơn. Những vũng sâu ở giữa suối trông không khác mấy so với chỗ cạn gần bờ. Trẻ bước xuống, hụt chân, hoảng loạn, và chuyện đáng tiếc xảy ra rất nhanh.
Kèm với khúc xạ còn có những mối nguy khác ở suối: đá rêu trơn, hố sâu đột ngột, dòng chảy mạnh hơn vẻ ngoài, nước lũ từ thượng nguồn đổ về khi trên núi mưa mà chỗ bạn đang nắng.
Nên quy tắc rất đơn giản: không bao giờ đánh giá độ sâu của nước bằng mắt. Thả một cây gậy dài xuống đo, đi từng bước chậm, luôn có người lớn biết bơi đi kèm trẻ, và trẻ mặc áo phao khi chơi ở sông suối.
Phản xạ toàn phần: khi ánh sáng không ra được khỏi nước
Có một hiện tượng đẹp đi kèm khúc xạ. Nếu ánh sáng từ trong nước đi lên rất xiên, tới một góc nào đó nó không ra khỏi mặt nước được nữa mà bị dội ngược lại toàn bộ, như gặp một tấm gương. Hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần.
Bạn thấy nó khi lặn dưới bể bơi và nhìn lên mặt nước theo hướng xiên: mặt nước trông sáng loáng như gương, phản chiếu đáy bể. Chỉ có một vòng tròn phía trên đầu bạn là nhìn xuyên được ra bầu trời.
Cáp quang dẫn internet tới nhà bạn dựa trên chính hiện tượng này. Sợi thuỷ tinh mảnh được bọc lớp có chiết suất thấp hơn. Ánh sáng đi trong lõi gặp lớp vỏ ở góc rất xiên nên bị phản xạ toàn phần hết lần này tới lần khác, chạy dọc sợi cáp đi rất xa mà thất thoát ít.
Kim cương lấp lánh cũng một phần nhờ chiết suất cao: ánh sáng vào trong viên đá dễ bị phản xạ toàn phần nhiều lần trước khi thoát ra ở mặt trên.
Khúc xạ quanh nhà: những thứ bạn có thể tự nhìn
Đặt một đồng xu dưới đáy cái bát, lùi lại cho tới khi mép bát vừa che khuất đồng xu. Nhờ ai đó rót nước từ từ vào bát mà bạn không di chuyển. Đồng xu sẽ hiện ra như được nâng lên. Đó là khúc xạ đưa ánh sáng từ đồng xu vòng qua mép bát tới mắt bạn.
Nhìn qua bể cá từ một góc, bạn có thể thấy hai con cá trong khi thật ra chỉ có một: một ảnh qua mặt kính bên, một ảnh qua mặt kính trước.
Hạt mưa bẻ ánh sáng Mặt Trời thành cầu vồng, ly nước trên bàn hắt những vệt sáng cong lên mặt bàn, và cả cặp kính bạn đeo cũng hoạt động bằng khúc xạ.
Câu hỏi để bạn mang theo: nếu ánh sáng bị bẻ khi đi từ nước ra không khí, thì không khí nóng và không khí lạnh có chiết suất khác nhau một chút có làm ánh sáng cong đi không, và ta có thể thấy điều đó ở đâu vào một trưa hè?
Câu hỏi thường gặp
Chiết suất là gì?
Chiết suất của một môi trường bằng tốc độ ánh sáng trong chân không chia cho tốc độ ánh sáng trong môi trường đó. Chiết suất càng lớn thì ánh sáng đi càng chậm và bị bẻ hướng càng mạnh khi đi xiên vào.
Vì sao bể bơi trông nông hơn khi đứng trên bờ?
Ánh sáng từ đáy bể đi lên bị bẻ ở mặt nước, và đứng trên bờ bạn nhìn xiên nên hiệu ứng mạnh hơn. Đáy bể ở xa trông nông hơn đáy bể ngay dưới chân, dù thật ra có thể sâu hơn.
Đeo kính bơi dưới nước có thấy rõ hơn không?
Có. Mắt người được thiết kế để nhìn trong không khí; khi nước chạm trực tiếp vào giác mạc, khả năng bẻ ánh sáng của giác mạc gần như mất đi nên mọi thứ mờ. Kính bơi giữ một lớp không khí trước mắt nên mắt hoạt động bình thường trở lại.
Khúc xạ có làm Mặt Trời lặn trông muộn hơn không?
Có. Khí quyển bẻ ánh sáng Mặt Trời khi nó ở sát chân trời, nên ta vẫn nhìn thấy Mặt Trời trong một chút thời gian sau khi nó thật sự đã xuống dưới đường chân trời hình học.
Làm sao biết độ sâu của một vũng nước khi đi chơi suối?
Dùng một cây gậy dài thả thẳng xuống đo trước khi bước, đi từng bước chậm và không lội ra chỗ nước có màu sẫm hơn xung quanh. Không đánh giá độ sâu bằng mắt, nhất là với nước trong.
