Điều gì sẽ xảy ra nếu...?

9

Điều gì sẽ xảy ra nếu…?

D. L. TARASOV,
Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
L. V. TARASOV

“Chuyện gì sẽ xảy ra nếu…?” Những câu hỏi thuộc loại này có thể rất khác nhau; từ “nếu” có thể dẫn đến nhiều câu khác nhau, bao gồm cả những câu liên quan đến một số quá trình hoặc hiện tượng vật lý. Mỗi lần những câu hỏi như vậy cho phép chúng ta xem xét một số tình huống vật lý và từ đó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất của một số hiện tượng, vai trò và phạm vi của các định luật vật lý nhất định.

Điều gì sẽ xảy ra nếu tốc độ ánh sáng trong mọi môi trường trong suốt đột nhiên bằng tốc độ ánh sáng trong chân không? Có lẽ ngày nay câu hỏi này sẽ có vẻ xa vời. Tuy nhiên, như chúng ta sẽ thấy, đáp số về anh ta, chúng ta sẽ phải tìm ra nhiều điều quen thuộc và dường như rất quan trọng. Và bên cạnh đó, câu hỏi này có thể đã được đặt ra từ nhiều năm trước và khá nghiêm túc.

Chúng ta hãy nhớ: vào thế kỷ 17-18, cách tiếp cận thuần túy cơ học đối với các hiện tượng quang học đã chiếm ưu thế. Người Odinians tuân theo “lý thuyết cạn kiệt” của Newton, theo đó ánh sáng được xem như một dòng các “hạt” nhỏ đang bay nhanh. Những người khác, theo Huygens, coi ánh sáng là sự lan truyền của sóng đàn hồi trong một môi trường đặc biệt - ether - lấp đầy mọi không gian vi mô, kể cả các vật thể ngang. Để giải thích các hiện tượng quan sát được, cần phải ban cho ether những đặc tính đáng kinh ngạc và đôi khi không thể giải thích được. Vì vậy, cần phải đề xuất rằng tốc độ của sóng ánh sáng “đàn hồi” trong ether phụ thuộc vào loại vật thể nào “lấp đầy” ether. Điều này không rõ ràng đối với làn sóng; thoạt nhìn có vẻ như tốc độ lan truyền nhiễu loạn đàn hồi trong ether trôi nổi ở đây sẽ giống nhau. Khi đó câu hỏi có thể được đặt ra: tốc độ ánh sáng có thực sự giống nhau trong mọi vật thể và trong chân không hay không?

Chúng ta hãy giả sử rằng thực tế là như vậy và hãy xem đề xuất này sẽ dẫn đến “hậu quả” gì. Tất nhiên, chúng ta sẽ sử dụng kiến ​​thức về bản chất thực sự của các hiện tượng quang học, một lý thuyết phù hợp với kinh nghiệm hàng ngày. Chúng ta biết rằng tốc độ v của ánh sáng trong mọi môi trường luôn bằng tốc độ ánh sáng c trong chân không. Luôn luôn c>v. Tỷ lệ c/v là một chỉ số về nguồn cung cấp ánh sáng n cho một môi trường nhất định.

Giả sử tốc độ ánh sáng trong mọi môi trường trong suốt bằng tốc độ ánh sáng trong chân không: v=c. Do đó, đối với tất cả các môi trường hiện tại n=1. Đặc biệt, điều này có nghĩa là sự khúc xạ của tia sáng ở ranh giới của môi trường đã biến mất. Khi truyền từ không khí sang nước, chùm sáng không còn đổi hướng nữa. Chúng ta sẽ không thấy một chiếc thìa trong cốc nước bị “vỡ” và khoảng cách đến một đồng xu ở đáy bể sẽ không xuất hiện đối với chúng ta.

Hình 1. Chùm sáng ở ranh giới của hai môi trường trong tình huống chung (a) và trong tình huống mới (b).

11

tia phylote, tia nhỏ nhất có màu đỏ.

Vì bây giờ chiết suất luôn bằng nhau - và điều này có nghĩa là nó không phụ thuộc vào sự lựa chọn môi trường, hay bước sóng ánh sáng, hay bất kỳ yếu tố nào khác - sự tán sắc sẽ biến mất và bạn sẽ không còn quan sát thấy bất kỳ sự phân hủy nào thành màu sắc trong dấu (hình 4). Điều này có nghĩa là sắp xếp lại gần như tất cả các máy quang phổ và máy quang phổ. Chúng ta sẽ không thể chiêm ngưỡng được niềm vui trên thiên đường…

Vì vậy, trong tình hình mới, thế giới đã trở nên nghèo hơn đáng kể: sự khúc xạ của các tia ở ranh giới của môi trường đã biến mất, sự khúc xạ ánh sáng trong khí quyển đã biến mất và sự phân tán cũng biến mất. Điều gì sẽ xảy ra với sự phản ánh? Với sự phản xạ ánh sáng thông thường từ bề mặt của một môi trường trong suốt? Nó cũng sẽ biến mất! (Điều này có thể đã mệt mỏi từ hình 1, 6). Hình ảnh trở nên ấn tượng. Ở trên bờ hồ, bây giờ chúng ta không thấy cây cối, bụi rậm, mây soi bóng trên mặt nước, không thấy con đường trăng đêm trên mặt nước. Chúng ta không nhìn thấy tia sáng, dòng sông hay biển nào cả - chúng ta sẽ chỉ nhìn thấy đáy! Đồng ý, đây sẽ là một sự thay đổi rất đáng kể trong cảnh quan. Nhưng đó chưa phải là tất cả, thậm chí còn có những thay đổi ấn tượng hơn nữa sẽ diễn ra.

Tại sao bầu trời lại có màu xanh? Đó là tất cả về sự tán xạ ánh sáng trong bầu khí quyển của trái đất. Cường độ của ánh sáng tán xạ tỷ lệ nghịch với $\lambda^4$, trong đó $\lambda$ là bước sóng của ánh sáng. Điều này có nghĩa là trong ánh sáng tán xạ, phần quang phổ gần đầu philotine của nó có cường độ lớn hơn. Kết quả là, quang phổ của ánh sáng tán xạ dường như bị dịch chuyển về phía sóng ngắn hơn - thay vì ánh sáng trắng, thu được ánh sáng xanh. Nhìn lên bầu trời, chúng ta thấy ánh sáng bị tán xạ bởi bầu khí quyển và bầu trời có màu xanh. Khi chúng ta nhìn vào mặt trời lặn hoặc đơn giản là hướng mặt trời, chúng ta chủ yếu cảm nhận được không phải ánh sáng tán xạ mà là các tia mặt trời trực tiếp chỉ xuyên qua một lớp khí quyển mà không bị tán xạ. Quang phổ của ánh sáng như vậy được dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn. Vì vậy, mặt trời lặn có màu đỏ và bầu trời gần đó được “tô màu” với tông màu cam và đỏ.

Bây giờ chúng ta hãy nghĩ xem điều gì sẽ xảy ra với tất cả những điều này trong tình huống mới đó,

cái nào chúng ta đang thảo luận. Chính xác thì ánh sáng bị phân tán ở đâu? Về sự thay đổi mật độ không khí do chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử. Những thay đổi này rất hữu ích: mật độ hỗn loạn thay đổi từ điểm này sang điểm khác và từ thời điểm này sang thời điểm khác. Sự tán xạ ánh sáng là do sự thay đổi ngẫu nhiên chiết suất của không khí, gắn liền với sự thay đổi mật độ của nó. Nói cách khác, ánh sáng bị tán xạ bởi sự không nhất quán quang học của khí quyển, gây ra bởi chuyển động nhiệt của các phân tử của nó. Trong tình huống mới của chúng tôi, những thay đổi về mật độ không khí không dẫn đến sự xuất hiện của tính rẻ tiền của quang học. Điều này có nghĩa là sự tán xạ ánh sáng trong bầu khí quyển sẽ biến mất - chúng ta sẽ thấy một bầu trời đầy sao màu đen và trên đó là đĩa Mặt trời trắng sáng.

Nhưng trên thực tế, liệu chúng ta có thấy được điều gì không? Rốt cuộc, ngay khi tốc độ ánh sáng trong môi trường bằng tốc độ ánh sáng trong chân không, thì thấu kính của mắt chúng ta - thấu kính này do chính thiên nhiên tạo ra - sẽ ngừng thực hiện các chức năng của nó. Con mắt sẽ biến thành một thứ giống như một chiếc máy ảnh lỗ kim đơn giản. Liệu anh ấy có thể nhìn thấy được không? Chẳng phải kết quả của “viễn thị” có phải là quá lớn không?

Đây là những tình huống không rõ ràng mà chỉ một câu hỏi đã đưa chúng ta đến: điều gì sẽ xảy ra nếu tốc độ ánh sáng trở thành trong chân không.