Theo vật lý, một người tàng hình hoàn toàn sẽ bị mù. Muốn nhìn, võng mạc phải hấp thụ ánh sáng, và thuỷ tinh thể phải bẻ cong ánh sáng để hội tụ hình — cả hai việc đều để lại dấu vết người khác thấy được. Nói gọn: muốn thấy thì phải chặn một ít ánh sáng, mà chặn ánh sáng thì sẽ bị thấy. Đây là nghịch lý con mắt của mọi câu chuyện người vô hình.
Mắt nhìn thấy bằng cách "ăn" ánh sáng
Ánh sáng đi vào mắt qua giác mạc và thuỷ tinh thể, được hội tụ lên võng mạc ở đáy mắt. Ở đó có khoảng một trăm triệu tế bào que và vài triệu tế bào nón. Mỗi tế bào chứa sắc tố nhạy sáng — trong tế bào que là rhodopsin. Khi một hạt ánh sáng (photon) bị sắc tố hấp thụ, phân tử đổi hình dạng, kích hoạt một chuỗi phản ứng và cuối cùng gửi tín hiệu điện lên não.
Chữ quan trọng là "hấp thụ". Photon đi xuyên qua mà không bị giữ lại thì không để lại thông tin gì. Một võng mạc trong suốt tuyệt đối sẽ để mọi photon đi qua — và não không nhận được gì. Vì thế đồng tử ta trông đen: ánh sáng đi vào mà gần như không quay ra.
Hai cách một con mắt tự tố cáo
Võng mạc hấp thụ, nên đổ bóng
Hãy tưởng tượng người vô hình đứng trước bức tường trắng. Toàn thân trong suốt, trừ hai lớp võng mạc mỏng. Hai lớp này hấp thụ một phần ánh sáng đi qua, nên phía sau chúng tối hơn một chút. Người quan sát kỹ sẽ thấy hai đốm mờ lơ lửng ngang tầm mắt. Càng nhìn rõ, đốm càng đậm — vì nhìn rõ đòi hỏi hấp thụ nhiều.
Thuỷ tinh thể bẻ ánh sáng, nên lộ hình
Để có ảnh sắc nét, mắt phải hội tụ ánh sáng. Giác mạc và thuỷ tinh thể làm việc đó vì chúng có chiết suất khác không khí (khoảng 1,38 với giác mạc, cao hơn chút với thuỷ tinh thể). Nhưng như mọi vật trong suốt có chiết suất khác môi trường, chúng làm méo cảnh phía sau. Người vô hình sẽ có hai "giọt thuỷ tinh" lơ lửng trong không khí, bẻ cong bức tường phía sau thành hình lạ.
Nếu thuỷ tinh thể có chiết suất bằng đúng không khí, nó không hội tụ được gì, và ảnh trên võng mạc chỉ là một vệt sáng đều — tức là mù theo kiểu khác.
Định lý quang học: không có hấp thụ nào mà không đổ bóng
Trong vật lý sóng có một kết quả gọi là định lý quang học (optical theorem). Nói đơn giản: tổng năng lượng một vật lấy đi khỏi chùm sáng — gồm phần hấp thụ và phần hắt sang hướng khác — luôn thể hiện thành một "cái bóng" ở phía sau vật, theo đúng hướng ánh sáng tới. Vật nào hấp thụ ánh sáng thì chắc chắn làm thay đổi ánh sáng đi thẳng phía sau nó.
Hệ quả: không có thiết kế nào cho phép một vật vừa hấp thụ ánh sáng để "thấy", vừa hoàn toàn không để lại dấu vết. Người ta chỉ có thể làm dấu vết nhỏ đi.
Khoa học thử làm "cảm biến tàng hình"
Năm 2009, Andrea Alù và Nader Engheta (Đại học Pennsylvania) công bố trên Physical Review Letters một ý tưởng tên là "che giấu một cảm biến". Họ chỉ ra rằng có thể bọc một cảm biến nhỏ bằng lớp vỏ được thiết kế sao cho phần ánh sáng tán xạ từ vỏ và từ cảm biến triệt tiêu nhau gần hết, trong khi cảm biến vẫn hấp thụ được một phần đủ để đo. Kết quả không vi phạm định lý quang học: tổng dấu vết giảm mạnh, nhưng không về 0.
Đây là câu trả lời gần nhất của khoa học cho câu hỏi "người tàng hình có nhìn được không": có thể có một con mắt gần như vô hình, nếu chấp nhận nhìn kém, chỉ ở một màu, và vẫn còn một dấu vết rất mờ.
So sánh các phương án "vừa ẩn vừa nhìn"
| Phương án | Thấy được không | Có bị thấy không | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| Hoàn toàn trong suốt, chiết suất bằng không khí | Không | Không | Chỉ có trong truyện |
| Cơ thể trong suốt, mắt bình thường | Có | Có, hai đốm mắt lộ ra | Nhiều sinh vật biển trong suốt |
| Mắt nhỏ lại | Có, nhưng mờ hơn | Ít hơn | Ấu trùng nhiều loài cá |
| Cảm biến bọc vỏ triệt tán xạ | Một phần, ở một tần số | Rất ít | Đề xuất của Alù và Engheta, 2009 |
| Đứng sau gương một chiều, phía tối | Có | Khó, nếu bên kia sáng hơn nhiều | Phòng quan sát |
Thiên nhiên đã trả lời ra sao
Đại dương có hàng nghìn loài gần như trong suốt: sứa, mực thuỷ tinh, ấu trùng cá, giáp xác nhỏ. Điều thú vị là gần như loài nào có mắt thì mắt vẫn sẫm màu. Thiên nhiên không "giải" được nghịch lý — nó chọn hy sinh một phần tàng hình để giữ thị lực. Một số loài thu nhỏ mắt lại, một số có cách giảm vệt tối của mắt bằng ánh sáng sinh học hoặc lớp phản quang (các cách này có bài riêng trong danh mục Sinh vật trong suốt).
Bài học rút ra giống hệt định lý quang học: mắt nhỏ thì dấu vết nhỏ, nhưng nhìn kém hơn. Đó là sự đánh đổi không thể tránh.
Gương một chiều: nhìn mà không bị nhìn, nhờ ánh sáng
Gương một chiều trong phòng quan sát không phải tàng hình, mà là trò của độ sáng. Nó là tấm kính tráng kim loại rất mỏng, phản xạ một phần và cho một phần đi qua — ở cả hai chiều như nhau. Bên sáng, phần phản xạ lấn át, người ta chỉ thấy bóng mình. Bên tối, phần ánh sáng đi qua từ bên sáng lấn át, người ta thấy rõ sang. Tắt đèn bên sáng, bật đèn bên tối thì vai trò đảo ngược. Đây là ví dụ đời thường cho thấy "được thấy hay không" phụ thuộc vào ánh sáng nhiều hơn vào bản thân vật.
Truyện có bỏ qua chi tiết này không
Hầu hết truyện và phim về người vô hình, từ chiếc nhẫn trong thần thoại Hy Lạp đến áo choàng trong truyện thiếu nhi hiện đại, đều để nhân vật nhìn rõ như thường. Một số tác giả tinh ý cho nhân vật gặp rắc rối vật lý khác — mưa vẽ ra đường viền cơ thể, bùn đất bám chân để lại dấu — nhưng hiếm ai đụng tới con mắt, vì một nhân vật vô hình mà mù thì câu chuyện khó đi tiếp. Truyện hay vì nó nói về con người khi không ai thấy mình, không phải vì đúng quang học (các tác phẩm này có bài riêng trong danh mục Người vô hình trong truyện).
Góc nhìn hôm nay: nghịch lý đáng giá để làm gì
Câu hỏi "người tàng hình có nhìn được không" là một bài tập tư duy tuyệt vời cho học sinh: nó buộc ta tách bạch hấp thụ, phản xạ, khúc xạ, và hiểu vì sao đồng tử màu đen. Có thể thảo luận tiếp: một chiếc camera tàng hình có chụp được ảnh không? Một con mắt chỉ nhìn tia hồng ngoại thì bị thấy dưới ánh sáng thường không? Muốn đọc sâu hơn, hãy tìm bài "Cloaking a Sensor" của Alù và Engheta (2009) hoặc các bài phổ biến khoa học về định lý quang học trong giáo trình quang học sóng.
Câu hỏi thường gặp
Người tàng hình có nhìn thấy được không?
Theo vật lý thì không, nếu tàng hình hoàn toàn. Mắt phải hấp thụ ánh sáng ở võng mạc và hội tụ ánh sáng bằng thuỷ tinh thể, nên một con mắt hoạt động được thì luôn để lại dấu vết người khác thấy.
Vì sao đồng tử mắt có màu đen?
Vì ánh sáng đi vào qua đồng tử bị võng mạc và lớp sắc tố phía sau hấp thụ gần hết, rất ít quay ra ngoài. Không có ánh sáng quay ra thì ta thấy màu đen.
Định lý quang học nói gì về tàng hình?
Nó nói vật nào lấy năng lượng khỏi chùm sáng, bằng hấp thụ hay tán xạ, đều tạo một cái bóng phía sau theo hướng ánh sáng tới. Vì vậy không thể vừa hấp thụ ánh sáng để nhìn vừa hoàn toàn vô hình.
Động vật trong suốt có nhìn được không?
Có, nhưng mắt của chúng hầu như vẫn sẫm màu và lộ ra. Thiên nhiên chọn giữ thị lực và chấp nhận đôi mắt là phần dễ thấy nhất của cơ thể.
Gương một chiều hoạt động thế nào?
Đó là kính tráng kim loại mỏng, phản xạ một phần và cho một phần đi qua ở cả hai chiều. Bên sáng chỉ thấy bóng mình, bên tối thấy rõ sang; đổi đèn thì vai trò đảo ngược.
