Phóng to

TTO - Newton bắt đầu nghiên cứu quang học bằng việc chế tạo một “kính theo kiểu Galileo”. Galileo đã đi vào đầu óc mọi người với vai trò là người đầu tiên hướng kính thiên văn lên trời, vào năm 1609. Với độ phóng đại gấp ba mươi hai lần, kính này cho phép Galileo khám phá rất nhiều kỳ quan.

Trong số các khám phá ngoạn mục nhất của ông phải kể đến bốn mặt trăng lớn của Mộc tinh, ngày nay gọi là các “vệ tinh Galileo”, các vết trên Mặt Trời và các dãy núi trên Mặt Trăng. Kính thiên văn của Galileo hoạt động dựa trên một thấu kính tụ tiêu ánh sáng tới từ một tinh tú xa xôi; khi đi qua thấu kính trong suốt, các tia bị lệch hướng theo các định luật khúc xạ (từ đó kính có tên là “kính thiên văn khúc xạ”) và hội tụ đằng sau thấu kính để tạo thành ảnh ở một vị trí gọi là “tiêu điểm” (H. 13). Nhưng Newton đã nhanh chóng nhận ra rằng các ảnh mà ông thu được bằng kính thiên văn khúc xạ của Galileo có các rìa mép không rõ nét, chúng bị bao quanh bởi một quầng ngũ sắc, với các màu luôn theo một trật tự: tím, chàm, lam, lục, vàng, cam và đỏ.

Để hiểu hiện tượng phát ngũ sắc bí ẩn này, Newton đã quyết định tiến hành các thí nghiệm về ánh sáng bằng cách cho nó đi qua các lăng kính rắn, trong suốt có dạng lăng kính với tiết diện ngang là hình tam giác, có tác dụng phân tách và làm lệch hướng ánh sáng (H. 14). Ông đã tiến hành một loạt các thí nghiệm thuộc loại cơ bản nhất và thanh nhã nhất của vật lý học, và cũng có thể là thuộc loại những thí nghiệm nổi tiếng nhất trong lịch sử về ánh sáng. Ông đã dùng lăng kính thủy tinh để phân tách ánh sáng Mặt Trời (ánh sáng trắng) thành một lễ hội màu sắc mà chúng ta có thể nhìn thấy trong cầu vồng hoặc trong các giọt sương ban mai vương trên cỏ một buổi sáng nắng đẹp (H.1 trong tập hình ảnh màu). Newton nhận ra rằng dãy màu sắc này đích thị là dãy được nhìn thấy trên rìa mép ngũ sắc của ảnh các thiên thể nhìn được bằng kính thiên văn của Galileo.

Hình 13. So sánh kính thiên văn khúc xạ (b) với kính thiên văn phản xạ (a). Hai loại kính thiên văn được sử dụng để nhận và tụ tiêu ánh sáng vũ trụ. Các máy dò điện tử được đặt tại tiêu điểm để ghi ánh sáng. Trong trường hợp kính thiên văn khúc xạ, ánh sáng đi qua thấu kính và được tụ tiêu tại tiêu điểm ở sau thấu kính. Trong trường hợp kính thiên văn phản xạ, ánh sáng được một hệ các gương phản xạ và tụ tiêu. Máy dò điện tử có thể được đặt ở tiêu điểm của gương sơ cấp để ghi ánh sáng do gương sơ cấp phản xạ tới. Các gương sơ cấp lớn nhất trên thế giới có đường kính tới mười mét: đó là hai kính thiên văn Keck được đặt trên đỉnh núi lửa đã tắt Mauna Kea ở Hawaii. Nhưng tiêu điểm của các kính thiên văn phản xạ nằm rất cao, và nói chung sẽ là không thực tế nếu đặt các dụng cụ đo tại đó. Thông thường nhất, ánh sáng trên đường đi của nó từ gương sơ cấp bị chặn bởi một gương thứ cấp nhỏ hơn, có tác dụng lái ánh sáng đến một vị trí thuận lợi hơn. Trong kính thiên văn phản xạ loại Newton (gọi theo tên Newton, người phát minh ra nó), chùm sáng bị làm lệch 90 độ về phía thị kính. Loại kính thiên văn này rất được các nhà thiên văn học nghiệp dư ưa thích.

Bức thư viết năm 1671 gửi Royal Society, tức Viện Hàn lâm Khoa học đầy uy tín của nước Anh, Newton đã miêu tả sự thích thú của mình khi được chơi với ánh sáng như thế này : “Năm 1666, tôi mua một lăng kính tam giác bằng thủy tinh để thực hiện các thí nghiệm về các hiện tượng nổi tiếng về màu sắc. Sau khi đóng kín phòng cho tối và khoét một lỗ cửa để một lượng ánh sáng Mặt Trời thích hợp lọt vào, tôi đặt lăng kính trước cái lỗ đó để ánh sáng bị khúc xạ lên tường đối diện. Ban đầu, đó là một trò giải trí rất thú vị vì được ngắm các màu sắc sống động và mạnh được tạo ra”. Ông viết tiếp: “Nhưng, một lúc sau, khi cố gắng xem xét chúng một cách chi tiết hơn, tôi ngạc nhiên nhận thấy rằng ánh sáng bị tán sắc có hình bầu dục chứ không tròn, như các định luật về khúc xạ dự báo”. Newton hiểu rằng sở dĩ có hình dạng bầu dục này là do ánh sáng Mặt Trời bị tán sắc bởi lăng kính không trải đều theo tất cả các hướng để tạo cho hình ảnh có dạng tròn, mà chỉ theo hướng vuông góc với mặt của lăng kính, tạo cho nó có hình bầu dục.

Hình 14. Nhà bác học người Anh Isaac Newton (1642-1727) đang miệt mài với các thí nghiệm nổi tiếng dùng lăng kính để phân tách ánh sáng trắng của Mặt Trời thành các màu cầu vồng. Các thí nghiệm này thuộc loại quan trọng nhất của lịch sử vật lý (Tranh khắc của Froment theo Guillon, thế kỷ XIX). © Rue des Archives/PVDE.