Chắc hẳn ai trong chúng ta cũng từng thấy chiếc đũa hay ống hút trông như bị "gãy" khi cắm vào ly nước. Đó không phải một trò ảo thuật, mà là một màn trình diễn ấn tượng của vật lý ngay trong cuộc sống hàng ngày. Vậy vì sao nước có thể làm cong ánh sáng và đánh lừa thị giác của chúng ta một cách ngoạn mục như vậy?
Tại sao ánh sáng lại đi chậm hơn khi ở trong nước?
Nguyên nhân sâu xa nhất khiến ánh sáng bị bẻ cong là do tốc độ của nó thay đổi khi đi qua các môi trường khác nhau. Ánh sáng di chuyển với tốc độ cực nhanh trong chân không, nhưng khi đi vào các môi trường vật chất như không khí hay nước, nó sẽ bị chậm lại.
Hãy tưởng tượng bạn đang chạy trong một hành lang trống trải (tượng trưng cho không khí). Bạn có thể chạy rất nhanh. Nhưng nếu hành lang đó đông nghịt người (tượng trưng cho nước), bạn sẽ phải liên tục luồn lách, va chạm và thay đổi hướng đi. Tốc độ tổng thể của bạn sẽ chậm đi đáng kể.
Tương tự, khi ánh sáng đi vào nước, một môi trường có mật độ phân tử dày đặc hơn không khí, các hạt ánh sáng (photon) sẽ tương tác liên tục với các phân tử nước.
Quá trình hấp thụ và phát xạ lại này gây ra một sự "trễ nhịp", làm cho tốc độ di chuyển tổng thể của ánh sáng trong nước chậm hơn so với trong không khí.
>>> Xem bài viết này: Vì sao một ly nước dưới ánh nắng có thể tách ánh sáng thành dải cầu vồng?
Chiết suất là gì và nó ảnh hưởng đến đường đi của ánh sáng ra sao?
Trong ngành quang học, các nhà khoa học dùng một đại lượng gọi là "chiết suất" để đo lường khả năng làm chậm ánh sáng của một môi trường. Bạn có thể hiểu đơn giản, chiết suất là "chỉ số cản trở" của môi trường đối với ánh sáng. Chiết suất càng lớn, ánh sáng đi qua càng chậm.
- Không khí có chiết suất rất thấp, xấp xỉ 1.
- Nước có chiết suất cao hơn đáng kể, khoảng 1.33.
Chính sự chênh lệch về chiết suất này đã quyết định góc bị bẻ cong của ánh sáng. Khi một tia sáng chiếu xiên từ môi trường có chiết suất thấp (không khí) sang môi trường có chiết suất cao (nước), nó sẽ bị bẻ cong một góc về phía gần đường pháp tuyến hơn (đường tưởng tượng vuông góc với mặt nước).
>>> Chi tiết tại: Thí nghiệm ánh sáng: Vì sao một ly nước có thể tạo ra cầu vồng bảy sắc?
Giải mã ảo ảnh "ống hút gãy" dưới góc nhìn quang học
Hiện tượng ống hút "gãy" là ví dụ hoàn hảo nhất để quan sát khúc xạ. Ảo ảnh này được tạo ra do cách bộ não chúng ta diễn giải thông tin mà mắt thu nhận được, dựa trên một quy tắc mặc định: ánh sáng luôn đi theo đường thẳng.
Quá trình diễn ra như sau:
- Phản xạ ánh sáng: Ánh sáng từ môi trường xung quanh chiếu vào phần ống hút chìm trong nước và phản xạ lại.
- Khúc xạ tại mặt nước: Các tia sáng phản xạ từ ống hút đi từ nước ra không khí. Tại mặt phân cách này, do tốc độ tăng đột ngột, chúng bị bẻ cong (khúc xạ) và đi theo một hướng mới đến mắt của bạn.
- Bộ não "dựng hình": Mắt bạn thu nhận các tia sáng đã bị bẻ cong này. Tuy nhiên, bộ não không nhận biết được sự đổi hướng đó. Nó tự động ngoại suy, cho rằng các tia sáng đến mắt theo một đường thẳng. Nó tạo ra một "ảnh ảo" của chiếc ống hút ở một vị trí nông hơn và khác với vị trí thực tế.
Kết quả là phần ống hút thật trong không khí và phần ảnh ảo trong nước không nối liền với nhau, tạo ra cảm giác "gãy" mà chúng ta vẫn thấy.
Đến đây, bạn đã có câu trả lời đầy đủ cho việc vì sao nước có thể làm cong ánh sáng. Tất cả là do sự thay đổi tốc độ khi ánh sáng đi qua các môi trường khác nhau. Khoa học thật kỳ diệu phải không? Đừng chỉ đọc, hãy tự mình làm một thí nghiệm khúc xạ ngay tại nhà.
>>> Bài viết liên quan: Tìm hiểu hiện tượng khúc xạ: Vì sao ánh sáng bị bẻ cong khi đi vào nước?
