Đây là một câu hỏi thường gặp đã được thảo luận trong quá khứ, nhưng nhiều người vẫn chưa hiểu. Trên thực tế, nhiều người biết rằng dù dùng vật chứa nào thì ánh sáng cũng không thể bị ngăn chặn. Nhưng bản chất của câu hỏi này là: tại sao ánh sáng không thể bị hạn chế?
Về mặt lý thuyết, ánh sáng có thể được lưu trữ giống như nước.
Nếu bình chứa nước có thể chống rò rỉ thì nước có thể được bảo quản mãi mãi. Giống như thể có ai đó giấu rượu trong hầm vậy. Sau 50 năm, chai rượu vẫn còn đó và ngày càng trở nên êm dịu hơn.
Tuy nhiên, rượu không hoàn toàn là nước mà là hỗn hợp của nước và etanol. Ethanol bốc hơi và thăng hoa nhanh hơn nhiều so với nước, do đó bình chứa phải được đậy kín hơn. Nhưng sau khi lưu trữ trong thời gian dài, ngay cả những lọ kín nhất cũng sẽ mất đi một lượng cồn.
Về mặt lý thuyết, nếu có một vật chứa không rò rỉ bất kỳ photon nào thì ánh sáng có thể được lưu trữ vĩnh viễn trong vật chứa đó. Tuy nhiên, ánh sáng không giống như nước hay rượu. Nó nhỏ, nhẹ và thoát ra nhanh chóng. Việc tìm một vật chứa có thể chứa ánh sáng không dễ như việc tìm một vật chứa có thể chứa nước.
Vậy, liệu có vật chứa nào trên thế giới này có thể chứa được ánh sáng mà không bị rò rỉ một giọt nào không? Chúng ta sẽ tìm ra câu trả lời nếu kiên nhẫn xem xét.
Tính chất cơ bản của ánh sáng
Ánh sáng là phương tiện giúp mắt chúng ta nhìn thấy mọi thứ trong cuộc sống hàng ngày và cũng là một thuật ngữ trong vật lý. Nếu không có ánh sáng, mắt chúng ta sẽ vô dụng và chúng ta sẽ bị mù. Bản chất của ánh sáng là dòng chảy của các photon trong một dải tần số cụ thể. Lý do tại sao một nguồn sáng phát ra ánh sáng là vì các electron của nó thu được thêm năng lượng và giải phóng năng lượng dưới dạng sóng.
Ánh sáng có bản chất kép là sóng và hạt, nghĩa là nó là hạt, tức là lượng tử ánh sáng, và theo nghĩa thống kê, nó chuyển động theo dạng sóng, tức là chuyển động của một số lượng lớn photon thể hiện trạng thái sóng. Ánh sáng không có khối lượng nghỉ, khối lượng nghỉ của nó bằng không, nhưng nó có năng lượng, động lượng và khối lượng động. Theo phương trình khối lượng-năng lượng của Einstein, động khối của một photon có thể được tính toán.
Phương trình khối lượng-năng lượng có thể được sử dụng để tính khối lượng động học của một photon: E=mc^2=hv; do đó, động khối của một photon m=(hv)/c^2. Trong đó m là giới hạn trên của khối lượng photon, h biểu thị hằng số Planck (h≈6,626*10^-34J·s hoặc 4,136*10^-15 eV·s), v biểu thị tần số của bất kỳ sóng điện từ nào và c là tốc độ ánh sáng. Nói cách khác, tần số của photon càng cao thì khối lượng của nó càng lớn.
Khi một photon được sinh ra, nó sẽ không dừng lại mà sẽ di chuyển với tốc độ khoảng 300.000 km/giây (tốc độ ánh sáng trong chân không); không có kết luận chắc chắn về thể tích của một photon, nhưng nó có thể được coi là nhỏ nhất trong thế giới đã biết, lớn hơn thang Planck (1,6*10^-35m); photon là môi trường của lực tương tác điện từ giữa bốn lực cơ bản, điều đó có nghĩa là lực điện từ dựa vào photon để lan truyền.
Photon có thể tương tác với bất kỳ chất nào tham gia vào lực điện từ. Thông qua sự hấp thụ, phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ sau khi tương tác với nhiều chất khác nhau, chúng ta có thể khám phá ra nhiều vật thể khác nhau và màu sắc của những vật thể này. Thứ duy nhất hiện tại không có tác động là vật chất tối, nên mọi người vẫn chưa biết vật chất tối trông như thế nào.
Ánh sáng thực chất là sóng điện từ, bao gồm sóng vô tuyến (sóng dài, sóng trung, sóng ngắn, sóng vi ba), tia hồng ngoại, ánh sáng khả kiến, tia cực tím, tia X, tia gamma, v.v. Tất cả chúng đều dựa vào photon làm môi trường truyền dẫn, và do đó là biểu hiện của ánh sáng ở các dải tần số khác nhau. Ánh sáng mà chúng ta đang thảo luận ngày hôm nay chủ yếu là ánh sáng khả kiến, là loại ánh sáng mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt thường và bước sóng của nó nằm trong khoảng từ 380nm đến 780nm.
"Bình" nào có thể đựng được ánh sáng?
Dựa trên các tính chất của ánh sáng và photon, chúng ta có thể suy ra rằng để chứa ánh sáng mà không "chiếm đoạt" vật liệu thì cần có các tính chất sau: không tích điện, không hấp thụ photon và cực kỳ kín. Để đạt được những điểm này, vật chứa phải được làm từ những vật liệu mà chúng ta chưa biết, khả năng phản xạ ánh sáng của vật liệu này phải đạt 100% và độ kín khí không được để rò rỉ một photon nào.
Vật liệu này không tồn tại ở thế giới của chúng ta. Bởi vì mọi vật chất mà chúng ta biết đều được cấu thành từ các nguyên tử, mà nguyên tử lại được cấu thành từ các proton mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm, nên các photon có thể tương tác với các chất này, do đó hiện tượng "hoại tử" là không thể tránh khỏi.
Nói một cách đơn giản, thùng chứa này chỉ cần thực hiện hai việc: một là tìm hoặc tạo ra vật liệu có khả năng phản chiếu hoàn toàn; cách khác là sử dụng vật liệu này để làm vật chứa không có khoảng trống. Thật không may là hai điểm này không thể đạt được.
Những người nghĩ rằng ánh sáng có thể được chứa trong một chiếc túi thì đang đơn giản hóa vấn đề quá mức. Bạn dùng túi gì? Túi da bò hay bao đựng bột mì? Hay một chiếc túi nhựa phản quang? Khi loại túi này tiếp xúc với ánh sáng, các photon sẽ tương tác với các hạt tích điện tạo nên túi và được chuyển hóa thành năng lượng. Do đó, khi túi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời, nó sẽ nóng lên.
Một số vật liệu có độ phản xạ cao
Về mặt lý thuyết, không có vật liệu nào có thể hấp thụ hoặc phản xạ 100% ánh sáng hoặc bức xạ, điều đó có nghĩa là không có vật thể nào (trừ lỗ đen) có thể "đánh cắp" toàn bộ ánh sáng. Trong vũ trụ, ngoại trừ lỗ đen, mọi vật chất thiên thể đều phản xạ ánh sáng và nguồn sáng là các ngôi sao. Độ phản xạ của Trái Đất là khoảng 35%, độ phản xạ của Mặt Trăng là khoảng 58%, còn sao Kim, sao Hỏa và sao Mộc đều có độ phản xạ rất mạnh. Do đó, ánh trăng sáng có thể được nhìn thấy từ cách xa hàng ngàn dặm và chúng ta có thể nhìn thấy những hành tinh không phát ra ánh sáng.
Phản xạ có thể được chia thành phản xạ khuếch tán và phản xạ gương. Cái gọi là phản xạ khuếch tán có nghĩa là bề mặt của một vật thể không đều, không bằng phẳng và gồ ghề, do đó hướng phản xạ của ánh sáng chiếu vào nó bị phân tán. Do đó, ánh sáng nhìn thấy ở một góc không sáng bằng ánh sáng phản chiếu qua gương, nhưng độ phản xạ toàn phần của phản xạ khuếch tán và phản xạ qua gương của cùng một vật liệu là như nhau.
Mắt người chủ yếu dựa vào sự phản xạ khuếch tán để phân biệt các vật thể. Các phản xạ khuếch tán khác nhau làm cho các vật thể khác nhau xuất hiện ở hình dạng ban đầu của chúng. Nếu hoàn toàn là sự phản chiếu qua gương, sẽ khó có thể phân biệt được hình dáng của vật thể. Độ phản xạ càng cao thì lượng ánh sáng bị hấp thụ càng ít và có thể lưu giữ được càng lâu.
Trong các kim loại thông thường, bạc có độ phản xạ cao nhất, có thể đạt 98~99% theo các bước sóng ánh sáng khác nhau; tiếp theo là đồng, có thể đạt 60~98%; sau đó là vàng, có thể đạt tới 47~98%; và sau đó là nhôm, có thể đạt tới 86~92%. Trong số đó, bạc và nhôm phản xạ toàn bộ dải ánh sáng khả kiến đều nhất, do đó bạc hoặc nhôm thường được dùng để làm lớp phủ gương.
Gương thường được sử dụng trong gia đình thường được làm bằng nhôm vì đây là vật liệu phản chiếu. Do công nghệ chế biến thủy tinh và độ tinh khiết của nhôm không thể hoàn hảo, độ truyền sáng của thủy tinh chỉ khoảng 90% nên bề mặt phản chiếu của gương thông thường nằm ở phía sau kính. Theo cách này, 20% ánh sáng bị mất khi đi qua kính. Ngay cả khi tất cả được phản xạ lại thì cũng chỉ còn lại 80%.
Do đó, độ phản xạ của các loại gương thông dụng chỉ có thể đạt từ 75% đến 85%; trong khi gương được sử dụng trong kính thiên văn và các ngành công nghiệp công nghệ cao sẽ sử dụng bạc làm vật liệu phản xạ, không truyền qua kính, công nghệ xử lý có độ chính xác cao hơn, do đó khả năng phản xạ có thể đạt tới hơn 95%, khả năng phản xạ của các thiết bị nghiên cứu khoa học hàng đầu có thể đạt tới hơn 98%.
Gương phản xạ cao nhất thế giới
Theo báo cáo, một nhóm các nhà khoa học từ Đại học California, Berkeley, đã phát triển một loại gương nano không còn sử dụng bạc làm bề mặt phản chiếu. Thay vào đó, nó sử dụng vật liệu nano công nghệ cao có độ dày chỉ 0,23μm và khả năng phản xạ lên tới 99,9%.
Một nhóm các nhà khoa học từ Viện Công nghệ Massachusetts cũng đã công bố một bài báo trên tạp chí Nature, tuyên bố đã tạo ra một "tấm gương hoàn hảo" có khả năng phản xạ gần 100%. Trước đây, khả năng phản xạ của gương phát điện quang điện mặt trời thông thường chỉ đạt khoảng 94%. Nếu sử dụng "gương hoàn hảo" này, công suất phát điện có thể tăng lên đáng kể.
Nhưng chiếc gương này có khả năng phản xạ 100% đến mức nào? Nhóm Berkeley vẫn chưa đưa ra báo cáo về khả năng phản xạ 99,9% nên có thể vẫn chưa đạt được chỉ số này. Vấn đề là ngay cả khi có một tấm gương có độ phản chiếu cao như vậy, làm sao người ta có thể tạo ra một vật chứa không có khe hở và làm sao họ có thể cho ánh sáng vào trong?
Nói cách khác, ngay cả khi bạn tạo ra một vật chứa hoàn hảo, làm sao bạn có thể lấy được ánh sáng vào? Chúng ta có thể quan sát nó bằng cách nào? Bởi vì một khi bạn có thể quan sát các photon bên trong, điều đó có nghĩa là chúng đã đi vào mắt bạn, có sự mất mát và bình chứa bị "rò rỉ".
Giả sử một thùng chứa không có khoảng hở có độ phản xạ tối đa được đổ đầy ánh sáng
Chúng tôi giả định rằng chúng tôi sử dụng vật liệu có khả năng phản xạ 100% để tạo ra một hộp đựng hoàn toàn kín không có khe hở (lưu ý, không phải túi), sau đó truyền một chùm ánh sáng vào đó mà không bị mất mát. Bất kể ánh sáng bên trong va chạm thế nào, nó cũng không thể bị hấp thụ hoặc thoát ra. Bằng cách này, ánh sáng trong bình chứa có thể được lưu trữ ở đó.
Nhưng đây chỉ là một mong muốn đẹp đẽ. Trên thế giới này không có thứ gì hoàn hảo như vậy. Nếu có bậc thầy nào có thể nghĩ ra được thiết bị này, ngay cả khi đó chỉ là một thí nghiệm tưởng tượng, tôi nghĩ người đó sẽ giành được giải Nobel.
Để thỏa mãn trí tưởng tượng của một số bạn, chúng ta hãy giả sử rằng có một vật chứa liền mạch có thể chứa một chùm ánh sáng mà không bị mất mát và khả năng phản xạ của thành trong của vật chứa có thể đạt tới 99,99%. Chúng ta hãy tính toán xem chùm ánh sáng này có thể được giữ trong bình chứa trong bao lâu?
Giả sử đường kính bên trong của bình chứa này là 1 mét, chúng ta sẽ giữ được ánh sáng mặt trời trong 1 giây. Biết rằng năng lượng bức xạ của Mặt Trời chiếu thẳng đứng xuống Trái Đất là σ=1,4×10^3 J/(s·m^2), năng lượng chiếm bởi ánh sáng khả kiến là η=45%, bước sóng của ánh sáng khả kiến khoảng 380nm~780nm. Theo năng lượng của một photon đơn = hc/λ (λ là bước sóng), có thể kết luận rằng năng lượng của một photon khả kiến nằm trong khoảng từ 2,55*10^-19 đến 5,23*10^-19 J.
Chúng ta hãy thỏa hiệp và tính toán dựa trên năng lượng trung bình là 3,89*10^-19J. Cứ mỗi mét vuông tiếp xúc với ánh sáng mặt trời theo phương thẳng đứng trong 1 giây thì có khoảng 1,6*10^21 photon ánh sáng khả kiến. Ngay cả khi sáu mặt của vật chứa nhận được cùng một lượng photon trực tiếp thì tổng số sẽ vào khoảng 9,7*10^21.
97 nghìn tỷ photon này có thể được bảo quản trong bao lâu?
Tốc độ ánh sáng là 300.000 km/giây. Nếu chúng ta bỏ qua hiện tượng khúc xạ và phản xạ theo phương thẳng đứng, nó sẽ phản xạ 300 triệu lần mỗi giây ở thành trong với khoảng cách 1 mét. Dựa trên tính toán rằng tổn thất là 0,01% mỗi lần, sau 5000 lần phản xạ, sẽ chỉ còn lại chưa đến 1,5 photon trong bình chứa. Về mặt lý thuyết, sau 5100 lần phản xạ, sẽ chỉ còn lại một nửa photon. Nhưng một photon không thể có một nửa photon, nên thực tế là không có photon nào cả.
Phải mất bao lâu để thực hiện 5000 lần phản xạ? Tức là 1/60.000 giây. Nghĩa là, ngay cả khi đó là một quả cầu hoàn toàn kín với độ phản xạ là 99,99% và đưa 97 nghìn tỷ photon vào thì sau một phần sáu mươi nghìn giây, sẽ không còn một photon nào trong số này sót lại. Khái niệm một phần sáu mươi nghìn giây là gì? Mắt người không thể phân biệt được.
Hơn nữa, nếu bạn sử dụng một chiếc túi bị thủng ở mọi mặt để đựng ánh sáng vào ban ngày, rồi sau vài giờ, bạn mở túi ra và vẫn muốn nhìn thấy ánh sáng lan tỏa bên trong, thì tình huống này chỉ có thể xảy ra trong mơ.
Tuy nhiên, các tế bào quang điện ngày nay có thể lưu trữ năng lượng mặt trời vào ban ngày, chuyển đổi thành năng lượng điện và sau đó phát sáng vào ban đêm. Phương pháp "bắt sáng" này dễ hơn nhiều so với việc sử dụng vật chứa để chứa ánh sáng. Cảm ơn bạn đã đọc và hoan nghênh bạn thảo luận.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
