Con người khi mới lọt lòng mẹ sinh ra được gọi là mở mắt chào đời. Như vậy là đã tiếp giao ngay với ánh sáng, rồi dần dần nhận ra hình thể, màu sắc và những điều được cho là đẹp, thấy được bằng thị giác. Bài này muốn phiếm luận với các bạn về ánh sáng.
Thị giác
Trong ngũ quan [thị giác, thính giác, khứu giác, vị giác và xúc giác] thì thị giác là giác quan quan trọng giúp ta tiếp nhận được những gì ở xa ta. Vì thế có câu ''thứ nhất đôi mắt''.
Ánh sáng ta thấy là do vật tự phát ra chiếu thẳng vào mắt, nhưng cũng có thể là do ánh sáng mượn từ một nguồn khác chiếu vào vật và phản chiếu, khúc xạ, tán xạ hay hấp thu và phát huỳnh quang rồi mới truyền đến mắt. Nơi đây, ánh sáng xuyên qua thủy tinh thể và thủy dịch trong nhãn cầu và tới võng mạc. Những gì ta thấy thuộc vào tia ánh sáng cuối cùng này.
Võng mạc là một màng tập hợp những tế bào hình nón hay hình que chứa các sắc tố, khi nhận được ánh sáng thì hấp thu và biến thành tín hiệu truyền vào thần kinh thị giác để đưa lên não. Khi có nhiều ánh sáng, tế bào hình nón hoạt động, đường biểu diễn độ nhạy của mắt người cực đại với màu vàng. Khi ánh sáng yếu hay trong bóng tối, tế bào hình que hoạt động có độ nhạy cực đại lui về phía xanh tím.
Lưỡng tính sóng-hạt và màu của ánh sáng. Phổ điện từ
Ngày nay ánh sáng được coi là những hạt quang tử (photon) mang năng lượng truyền đi theo những làn sóng, có bản chất điện từ, gọi quen là bức xạ điện từ. Năng lượng quang tử rất nhỏ tính bằng đơn vị electron-volt eV = 1,6x10-19 joule. Độ dài sóng (ký hiệu l) tỷ lệ nghịch với năng lượng của quang tử. Không quá đáng mà nói là khi nhìn tức là hứng các quang tử bắn vào mắt.
Màu của ánh sáng tùy thuộc năng lượng quang tử. Mắt người ta thấy được bảy màu căn bản như trong cầu vồng (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) có độ nhạy lớn nhất với màu vàng vào l = 0,56 µm, nhỏ dần về hai phía đỏ và tím. Quang tử phía tím có năng lượng lớn, l nhỏ, phía đỏ năng lượng nhỏ, l lớn. Ánh sáng trắng là tổng hợp tất cả các màu trong quang phổ thấy được. Khi ta nói vật màu đen thực sự là không có ánh sáng nào từ vật đến mắt cả.
Màu ánh sáng tùy thuộc bản chất hóa học của nguồn phát sáng (như muối NaCl phát màu vàng của Na). Khảo sát quang phổ phát sáng giúp định được bản chất nguồn.
Có những vật chất trong suốt để ánh sáng truyền qua, và nhiều vật (như hoa lá) hấp thu ánh sáng ít hay nhiều tùy theo bản chất, lộ trình và nồng độ. Chiếu ánh sáng trắng vào rồi khảo sát quang phổ hấp thu xem những ánh sáng nào bị mất cũng định được bản chất và số lượng vật hấp thu.
Mỗi ánh sáng đơn sắc được biểu thị chẳng những bằng màu mà cả cường độ ánh sáng để định lượng. Cường độ ánh sáng tùy thuộc sự tập trung công suất trong góc khối chùm tia sáng. LASER 1 mW có cường độ mạnh gấp trăm lần bóng đèn 100 W vì đèn tỏa ra khắp không gian, trong khi LASER tập trung trong một góc khối rất nhỏ. Thông thường khi nhìn một vật cần có sự hài hòa về màu sắc, độ sáng và cả độ tương phản với những vật hay phong cảnh xung quanh [tương phản về màu, và nếu cùng màu (ton sur ton) thì tương phản về cường độ]. Một cây hoa vàng trên nền xanh cỏ hoặc xanh da trời, hay tranh thủy mạc của Đông phương, một chiếc cravate hay áo len xanh đậm với áo xanh nhạt, ... có sự hài hòa cổ điển.
Trời đẹp trong xanh. Mặt Trời đỏ khi mọc và khi lặn
Ánh sáng Mặt Trời là ánh sáng trắng, tích hợp bởi nhiều màu từ tím-xanh-lục đến vàng-cam-đỏ. Ban ngày, tuy không nhìn thẳng, nhưng Mặt Trời chiếu vào khí quyển và tán xạ đến mắt ta. Lượng ánh sáng tán xạ tỉ lệ nghịch với lũy thừa 4 của độ dài sóng l, chứa nhiều ánh sáng xanh tím (sóng ngắn), nên mắt thấy trời xanh. Nếu nhìn thẳng hướng Mặt Trời lúc bình minh hay lúc hoàng hôn, vì nhìn ngang chân trời, lộ trình tia sáng qua khí quyển dài, sự tán xạ làm ánh sáng mất đi những màu xanh-tím, chỉ còn lại màu vàng-cam-đỏ (sóng dài) nên thấy Mặt Trời đỏ khi mọc và khi lặn.
Vẻ đẹp bầu trời về đêm: ánh trăng
Những đêm thanh vắng, xa nơi đô thị và nhất là ở vùng đồng quê trống rộng, trên bãi biển hay nơi núi đồi trên cao, ít có ai không thấy vẻ đẹp của trăng sao trong bầu trời bao la. Ánh sao có thể là do các định tinh phát sáng, nhưng cũng do phản chiếu ánh sáng Mặt Trời từ những hành tinh như Kim Tinh, Hỏa tinh, … và vệ tinh mặt trăng. Trăng tròn sáng tỏ hay trăng nguyệt thực đều gây nên những cảm quan đẹp và cảm hứng cho người coi.
Trăng rằm sáng tỏ
Gần đây, Trung Thu năm 2015, trên bầu trời một phần Âu Mỹ hiện ra một cảnh tượng đặc biệt là trăng thu to lớn, sáng trắng khác thường, lại thêm có nguyệt thực làm trăng hiện ra màu đỏ gạch. Hiện tượng hiếm hoi này chỉ nhiều năm mới có một lần, nên đã được các cơ quan truyền thông và những người trong giới hâm mộ thiên nhiên chú ý.
Thông tin thiên văn cho biết đêm ấy Rằm tháng Tám ta, vào Chủ Nhật 27-09-2015, trăng ở gần Trái Đất nhất, tại cận điểm trên quỹ đạo ellipse mà Trái Đất là tiêu điểm. Nhìn mặt trăng thấy to hơn 14 % và sáng hơn 30 %, được gọi là ''siêu trăng''.
Nguyệt thực toàn phần
Nhưng chỉ vài tiếng đồng hồ sau thôi, lại có nguyệt thực toàn phần đặc biệt. Trái Đất che khuất, ‘’ăn’’ Mặt Trăng. Nhìn Mặt Trăng, sau khi thấy tối đen thì thấy trăng màu đỏ gạch.
Muốn tìm hiểu cảnh tượng này, tưởng cũng cần phải nói chút ít về sự chuyển vận của các thiên thể và ít định luật về sự truyền ánh sáng.
Mặt Trăng được chiếu sáng do Mặt Trời. Ở Trái Đất, ta nhìn thấy Trăng màu trắng sữa do phản chiếu. Mặt Trăng di chuyển quanh Trái Đất, có lúc Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng sắp thẳng hàng, Mặt Trăng bị Trái Đất che khuất, khi đó có nguyệt thực. Hình vẽ cho thấy có 5 giai đoạn: (1) Mặt Trăng ở ngoài, còn được Mặt Trời chiếu sáng, ta thấy màu trắng ; (2) Mặt Trăng vào vùng bán ảnh (pénombre), một phần màu trắng bị mờ đi, ta thấy trăng khuyết ; (3) Mặt Trăng vào bóng của Trái Đất, bị che khuất hoàn toàn ánh Mặt Trời trực tiếp ; (4) Mặt Trăng sang vùng bán ảnh và (5) ra khỏi vùng bán ảnh, hết nguyệt thực.
Khi có nguyệt thực toàn phần, Trăng không đen như khi nhật thực mà lại có màu đỏ giống như khi thấy Mặt Trời mọc hay Mặt Trời lặn. Cảnh tượng thật là ngoạn mục.
Khi Mặt Trăng vào bóng của Trái Đất, bị Trái Đất che khuất những tia sáng truyền trực tiếp, nhưng nhận được một số ít những tia truyền tới ven biên Trái Đất qua khí quyển, bị khúc xạ và tới Mặt Trăng. Các tia truyền ven biên này qua một lộ trình dài, mất đi một phần xanh tím vì tán xạ nên chỉ còn màu đỏ.
Nguyệt thực đặc biệt siêu trăng này rất hiếm thấy, quan sát được trên trời Âu Mỹ, Úc, đã xảy ra năm 1982 và lần tới phải đợi đến năm 2033.
Năm nay 2019 cũng sẽ có nhiều dịp quan sát nguyệt thực và nhật thực như nguyệt thực toàn phần ngày 21-01, nhật thực toàn phần ngày 02-07, nhật thực vành khuyên ngày 26-12. Nguyệt thực toàn phần ngày 21-01 đầu năm cũng là nguyệt thực toàn phần cuối cùng trong một chuỗi nguyệt thực cứ 6 tháng một lần, phải đợi đến năm 2022 mới có lại, quan sát được ở Mỹ châu, Âu châu, Thái Bình Dương nhưng không ở Úc và Tân Tây Lan.
Gió mặt trời và cực quang
Những nơi vĩ độ cao về phía bắc như Na Uy, Thụy Điển, Phần Lan, Canada và cả Anh, hoặc về phía nam như Tân Tây Lan, Tasmanie và Nam Úc gần địa từ cực, còn có những cảnh tượng thật đẹp về đêm là cực quang (aurore boréale, aurore polaire). Đây là ánh sáng phát ra do khí quyển bị nhiễu loạn do các ion và điện tích từ Mặt Trời phóng ra. Đa số các ion này bị hướng lệch đi do tác dụng của Địa từ trường, nhưng cũng có một số lọt vào khí quyển phía Địa từ cực và tác dụng với những phân tử khí và phát quang như trong ống phóng điện bóng đèn.
Trong hình, Mặt Trời (màu vàng) ở phía trái, phát ra những hạt điện như electron, H+, He2+, ... Trái Đất (màu xanh) có Địa từ trường với những đường sức (mũi tên từ cực bắc địa từ) làm lệch quỹ đạo các hạt điện.
Sự phát quang này gây nên nhiều hiện tượng đẹp. Nhưng chỉ thấy được ở những nước Bắc Âu hay Canada, phía gần bắc hay nam cực Địa từ trường. Ở Pháp và Mỹ, vĩ độ thấp, cũng có cực quang nhưng ít thấy hơn.
Vẻ đẹp bầu trời ban ngày: cầu vồng
Cầu vồng là do các giọt nước mưa tán xạ ánh sáng trắng Mặt Trời sau khi khúc xạ vào, phản chiếu bên trong một hay nhiều lần và khúc xạ trở ra. Sau mỗi lần khúc xạ, các ánh sáng đơn sắc từ đỏ tới tím tách xa nhau như vào một lăng kính. Cầu vồng quan sát được khi quay lưng về mặt trời, nhìn trời mưa ở xa trước mặt.
Khi vào trong giọt mưa, tùy theo số lần phản chiếu bên trong trước khi khúc xạ ra ngoài, mà cho nhìn thấy dưới một góc nhìn khác. Do đó có cầu vồng chính bậc nhất và có thể có cả cầu vồng bậc 2, bậc 3, v.v..., nhưng bậc càng cao, càng yếu đi. Cũng thấy được cầu vồng ở những nơi có giọt bọt hơinước như những thác nước (Niagara, Victoria, …) hay vòi phun nước ở các công viên
Vẻ đẹp cỏ cây hoa lá
Cỏ cây hoa lá đóng một vai trò không nhỏ trong cuộc sống con người. Chẳng những góp phần điều hòa sinh thái, có thể là nguồn dinh dưỡng và dược phẩm, màu sắc cỏ cây hoa lá còn cho con người cảm quan, vẻ đẹp nuôi dưỡng tinh thần [Theo Larousse, đẹp là khi nhìn thấy dễ chịu (joli = agréable à voir)].
Màu lá sắc hoa đối với người muốn thưởng lãm là vẻ đẹp, nhưng thực ra trước tiên là quan trọng trong việc sinh tồn của cỏ cây. Chúng ta đều biết diệp lục tố (chlorophylle) giữ vai trò chính yếu trong quang tổng hợp của cây. Hoa là để thu hút côn trùng như ong đến để truyền phấn hoa. Những hoa trên núi cao có sắc tố flavon để tránh tia tử ngoại …
Màu hoa mà ta nhìn thấy là ánh sáng mặt trời còn lại phản chiếu sau khi đã bị hấp thu do các sắc tố đặc biệt của mỗi loài. Như chlorophylle hấp thu tím-xanh da trời, vàng và đỏ, để lại màu xanh lục phản chiếu. Hoa trắng thực ra cũng có hấp thu một vài ánh sáng đơn sắc, không hoàn toàn phản chiếu tất cả các màu.
Các sắc tố phổ biến nhất là: diệp lục tố (chlorophylle) cho màu xanh lá cây, carotenoid (carotène và xanthophylle) cho màu vàng và cam, flavonoid cho màu vàng kem và anthocyan cho màu đỏ, hồng, xanh, tím, đỏ tía. Carotenoid giữ gìn cho chlorophylle tránh bị quang oxid hóa [photo-oxydation], anthocyan bảo vệ các mô chống ánh sáng tử ngoại mạnh.
Quang phổ mà loài ong thấy được khác quang phổ mắt người nhìn được. Ong thấy được từ vàng đến tử ngoại, không thấy đỏ. Nếu màu hoa khuyến dụ côn trùng tới thì sau khi thụ phấn, nhiều loài hoa đổi màu từ vàng sang đỏ, côn trùng không thấy và không tới nữa.
Hoa hướng dương
Chẳng những là hoa vàng đẹp về màu sắc, hoa hướng dương còn ẩn chứa một điều đẹp khác là tỷ lệ vàng trong cách sắp xếp các hoa nhỏ (fleuron) hay nhị đực (étamine) trên đài hoa. Đếm theo hai chiều, tùy theo hoa to nhỏ, thường thấy 34 và 55, hoặc 21 và 34, ... đường xoắn, lập theo tỷ lệ 34/21 = 1,619 hay 55/34=1,618. Con số 1,618 vừa đúng bằng tỉ lệ vàng Φ mà từ ngàn xưa, Euclide và các nhà toán học Hy Lạp đã để ý thấy nhiều trong hình học. Đưa ra đời sống thì tỷ lệ này “làm mát mắt”, “ưa nhìn” như tượng trưng cho cái đẹp bao quát, phổ thông.
Huỳnh quang và sinh huỳnh quang
[Để tưởng niệm cố GS Nguyễn Chung Tú]
Phát quang (luminescence) là sự phát sáng khi một vật được kích thích do nhận được năng lượng như dòng điện (electroluminescence), phản ứng hóa học (chimioluminescence) hoặc nhiệt độ (thermoluminescence), ... Nếu năng lượng nhận được là do chiếu sáng bởi một nguồn ánh sáng khác thì được gọi là huỳnh quang (fluorescence).
Năng lượng của quang tử ánh sáng phát ra luôn luôn nhỏ hơn năng lượng của quang tử chiếu tới, độ dài sóng huỳnh quang dài hơn độ dài sóng ánh sáng kích thích. Trong quang phổ, ánh sáng huỳnh quang ở về phía đỏ so với ánh sáng kích thích. Thí dụ như trên sân khấu, nếu chiếu ánh sáng tử ngoại (không thấy được, gọi là ánh sáng đen) thì có thể có huỳnh quang thấy được mà màu tùy theo vật chiếu vào. Các đèn ống gọi là néon có lớp bột trên thành ống phát huỳnh quang kích thích bởi tia tử ngoại do khí thủy ngân ở trong.
Nhiều sinh vật như đom đóm hoặc sứa và nhiều thủy sản có gene sản xuất ra những chất phát sinh huỳnh quang. GFP (green flourescent protein) là một thí dụ. Đầu tiên được lấy ra từ một loài sứa [Osamu Shimomura (Marine Biological Laboratory et Boston University Medical School), 1956, Nobel 2008], GFP phát quang màu xanh lục, sau đó được biến chế thêm, các GFP nhân tạo có nhiều màu khác nhau [Martin Chalfie (Columbia University), và Roger Tsien (University of California, San Diego), cùng được giải Nobel với Shimomura] Các GFP này đã được dùng trong nhiều thí nghiệm sinh học và y khoa cần đánh dấu, thí dụ như để theo dõi lộ trình và ước định hiệu suất vận tải thuốc vào trong tế bào. Gần đây, năm 2012, GFP đã được dùng trong giải phẫu bằng cách nhuộm màu đánh dấu những tế bào ung thư để nhìn cho rõ mà cắt đi, và đánh dấu những tế bào thần kinh để tránh không cắt vào.
[Innovation en chirurgie du cancer 05/02/2012]
http://www.ted.com/talks/lang/vi/quyen_nguyen_color_coded_surgery.html]
Ra ngoài quang phổ nhìn được
Ngoài quang phổ nhìn được, còn có các sóng điện từ ngắn hơn phía tím là tia tử ngoại rồi tới quang tuyến X và tia gamma g, mắt đều không thấy được. Năng lượng quang tử các sóng này cao hơn nên có hại cho mắt và những tế bào sinh học. Các quang tử tia X và gamma mạnh gấp hàng 104-106 lần, nên có khả năng xâm nhập và bị hấp thu ít hay nhiều tùy theo vật chất và lộ trình phải đi qua. Có hại, nhưng nhờ xuyên thấu được nên thăm dò được, cũng có nhiều ứng dụng trong y khoa, như chụp hình hoặc scanner tia X.
Chụp hình hồng ngoại - Nhiệt đồ (thermogramme)
Về phía sóng dài, ra ngoài phía đỏ có các bức xạ gọi là hồng ngoại và xa hơn nữa là sóng TV (dùng cho truyền hình), sóng radio (dùng để truyền thanh).
Hồng ngoại gần đỏ do sức nóng phát ra. Quan sát một vật bằng kim loại khi nung nóng, trước là thấy đỏ bầm rồi đỏ tươi và đỏ vàng rồi trở nên trắng khi nhiệt độ nung thật cao. Khi nhiệt độ còn thấp trước khi đỏ bầm, bức xạ phát ra là tia hồng ngoại. Cơ thể con người, động vật, rừng cây, ruộng lúa, nhà cửa, ... là những nguồn phát ra hồng ngoại.
Cường độ tia hồng ngoại tùy thuộc nhiệt độ của vật. Có thể chụp hình nhờ các máy chụp có ống kính trong suốt với hồng ngoại và máy tiếp thu quang điện nhạy trong vùng hồng ngoại. Hình ghi được gọi là nhiệt đồ (thermogramme) cho biết chi tiết nhiệt độ của từng điểm trong nguồn. Nhiệt đồ có nhiều ứng dụng trong quân sự và kỹ nghệ. Hình nhiệt giúp kiểm tra thất thoát nhiệt về gia cư, hoặc khuyết điểm trong cấu trúc...
Cũng như ánh sáng, những tia hồng ngoại từ mỗi điểm vật nhiệt độ T cho một điểm ảnh có cường độ phụ thuộc vào T. Màn tiếp thu là một ma trận quang điện. Tín hiệu được software image processing xử lý ảnh tính ra T và gán một màu giả cho điểm đó [vì không thể yết con số T cho mỗi điểm]. Bên cạnh nhiệt đồ luôn luôn có thang nhiệt độ (cột bên phải hay bên dưới) trong đó ghi màu và nhiệt độ tương ứng. Các màu (giả) tím và xanh để chỉ nhiệt độ thấp, màu vàng, đỏ, và trắng để chỉ nhiệt độ cao.
Trong các nhiệt kế hồng ngoại, chỉ kiểm tra một vùng nhỏ, không cần yết ra hình thì yết nhiệt độ T.
Thay lời kết
Bàn về ánh sáng không thể nào quên việc ghi hình. Những năm gần đây đã có nhiều tiến triển làm đảo lộn những kỹ thuật xưa trên hai phương diện vật liệu và phương pháp. Nhờ kỹ thuật mới đã sản xuất được những ma trận quang điện để thay phim ảnh gọi là ''hóa học'' dùng AgBr. Các tín hiệu điện của từng điểm được ghi vào bộ nhớ và xử lý nhờ những logiciel xử lý ảnh. Kỹ thuật số cho ra các hình ảnh có phẩm chất cao, và nhanh chóng. Ngày nay dùng photoshop có thể sửa hình làm cho đẹp hơn, hoặc ghép hình [như tấm hình dưới đây, đăng trên Scientific American năm 1994, ghép hình Abraham Lincoln (1865) và Marilyn Monroe (1962)]. Nhưng cũng làm cho hình ảnh không còn là bằng cớ chắc chắn của một kỷ niệm.
