Vì sao vật trong suốt vẫn nhìn thấy được: chiết suất giải thích

Vật trong suốt như cốc thuỷ tinh, viên đá lạnh hay túi nilon vẫn nhìn thấy được vì chúng có chiết suất khác với không khí. Chênh lệch ấy làm ánh sáng bị bẻ lệch khi đi qua (cảnh phía sau méo đi), bị hắt lại một phần ở bề mặt (thành vệt bóng loáng), và tách màu ở mép. Trong suốt chỉ có nghĩa là không hấp thụ ánh sáng; muốn thật sự "vô hình", vật còn phải có chiết suất bằng đúng môi trường quanh nó.

Chiết suất là gì, nói cho dễ hiểu

Ánh sáng đi nhanh nhất trong chân không. Khi vào nước, thuỷ tinh hay nhựa, nó chậm lại. Chiết suất là tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và trong chất đó. Không khí có chiết suất khoảng 1,0003 — gần như chân không. Nước khoảng 1,33, nghĩa là ánh sáng trong nước chỉ đi bằng khoảng ba phần tư tốc độ trong chân không.

Con số chính xác thay đổi một chút theo màu ánh sáng, nhiệt độ và thành phần cụ thể, nhưng thứ tự trên là ổn định.

Ba dấu vết làm vật trong suốt lộ ra

Khúc xạ: cảnh phía sau bị bẻ cong

Khi tia sáng đi chéo từ chất có chiết suất này sang chất có chiết suất khác, nó đổi hướng. Đó là lý do chiếc thìa cắm trong cốc nước trông như gãy ở mặt nước. Một vật trong suốt có hình cong — như cốc, chai, giọt nước — hoạt động như một thấu kính méo, làm mọi thứ sau nó bị kéo, lộn hoặc phóng to. Mắt ta không nhìn thấy thuỷ tinh; ta nhìn thấy cảnh phía sau bị làm méo một cách bất thường, và não suy ra có vật ở đó.

Phản xạ: vệt sáng loáng trên bề mặt

Ở mỗi bề mặt tiếp giáp, một phần ánh sáng bị hắt lại. Với thuỷ tinh thường, ánh sáng chiếu thẳng góc thì khoảng 4% bị phản xạ ở mỗi mặt. Con số nhỏ, nhưng đủ để ta thấy bóng mình trên cửa kính vào buổi tối, khi bên ngoài tối hơn bên trong. Nhìn càng chéo, phần phản xạ càng lớn — mặt hồ nhìn từ xa sáng loáng như gương, nhìn thẳng xuống lại thấy đáy. Phần trăm phản xạ phụ thuộc vào độ chênh chiết suất: chênh càng ít, hắt lại càng ít.

Tán sắc: viền cầu vồng ở mép

Chiết suất của một chất hơi khác nhau với từng màu: ánh sáng tím bị bẻ mạnh hơn ánh sáng đỏ. Khi đi qua mép một khối thuỷ tinh, các màu tách ra một chút, tạo viền màu. Kim cương có độ tán sắc lớn, nên lấp lánh nhiều màu — đó là "lửa" của kim cương mà thợ kim hoàn hay nói.

Phản xạ toàn phần: khi mép trong suốt hoá bạc

Có một hiện tượng làm vật trong suốt trông như kim loại. Khi ánh sáng đi từ chất chiết suất cao (như nước, thuỷ tinh) ra chất chiết suất thấp (không khí) với góc đủ chéo, nó không thoát ra được mà bị hắt lại toàn bộ. Nhìn một bể cá từ bên dưới mặt nước lên, mặt nước sáng như gương bạc. Một ống nghiệm nhúng chéo trong cốc nước cũng có lúc trông như ống bạc. Đây là nguyên lý của sợi quang học: ánh sáng bị nhốt trong lõi thuỷ tinh, dội qua dội lại mà đi hàng chục kilomet.

Khi nào vật trong suốt thực sự biến mất

Ba dấu vết kể trên đều sinh ra từ chênh lệch chiết suất. Bỏ chênh lệch đi, cả ba biến mất cùng lúc: không bẻ cong, không hắt lại, không viền màu. Vật vẫn ở đó nhưng ánh sáng đi qua như không có gì.

Đây là hiện tượng khớp chiết suất. Ví dụ quen thuộc nhất là thả một vật bằng thuỷ tinh chịu nhiệt vào dầu ăn có chiết suất gần bằng — vật gần như tan biến (thí nghiệm này có bài riêng trong danh mục). Hạt nhựa ngậm nước (hydrogel) trong suốt gần như biến mất trong nước, vì phần lớn khối lượng hạt chính là nước. Trong phòng thí nghiệm, người ta dùng chất lỏng khớp chiết suất để nhìn vào bên trong các cấu trúc trong suốt phức tạp, hoặc để kiểm tra đá quý.

Ngược lại, viên đá lạnh trong cốc nước vẫn khá dễ thấy dù chiết suất 1,31 và 1,33 rất gần. Lý do: đá tủ lạnh thường có bọt khí và vết nứt bên trong, mỗi bọt là một bề mặt không khí – băng chênh lệch lớn.

Ứng dụng: làm cho trong suốt "trong suốt hơn"

• Lớp phủ chống phản xạ trên kính mắt, ống kính máy ảnh: một lớp mỏng có chiết suất trung gian, dày đúng một phần tư bước sóng, làm hai luồng phản xạ triệt tiêu nhau. Kính mắt có lớp này ít loá hơn hẳn.
• Bề mặt "mắt bướm đêm": mắt của nhiều loài bướm đêm phủ các núm nhỏ hơn bước sóng, làm chiết suất thay đổi dần từ không khí vào giác mạc, nên gần như không phản xạ. Một số màng chống loá cho màn hình bắt chước cấu trúc này.
• Keo dán quang học giữa màn hình và kính cảm ứng điện thoại: lấp khe không khí bằng chất có chiết suất gần thuỷ tinh, màn hình trông rõ và sâu hơn dưới nắng.

Thấy được cả không khí

Không khí nóng có chiết suất thấp hơn không khí lạnh một chút. Chênh lệch nhỏ đến mức mắt thường hầu như không thấy, nhưng kỹ thuật chụp schlieren (do nhà vật lý August Toepler phát triển giữa thế kỷ 19) dùng gương lõm và một lưỡi dao chắn sáng để khuếch đại sự lệch ấy. Ảnh schlieren cho thấy luồng khí nóng bốc lên từ bàn tay, cây nến, hơi thở người — những thứ hoàn toàn trong suốt. Đây là bằng chứng đẹp rằng "trong suốt" không có nghĩa "không để lại dấu vết": chỉ cần chiết suất khác, ánh sáng đã ghi nhận.

Góc nhìn hôm nay: cửa kính và những cú va của chim

Hiểu chiết suất còn có ích rất thực tế. Chim thường đâm vào cửa kính lớn vì kính vừa trong suốt vừa phản chiếu bầu trời, cây cối. Chúng thấy cảnh phía sau hoặc cảnh phản chiếu, không thấy tấm kính. Các tổ chức bảo tồn chim khuyên dán các dải hoặc chấm mờ cách nhau đều trên mặt ngoài kính để phá vẻ "trong suốt hoàn hảo" ấy.

Người muốn tự quan sát có thể thử: nhỏ vài giọt nước lên kính đồng hồ, nhúng chiếc ống hút nhựa vào cốc nước rồi vào cốc dầu ăn và so sánh, hoặc nhìn mặt hồ ở các góc khác nhau. Các bảo tàng khoa học thường có góc thí nghiệm khúc xạ và sợi quang — nơi tốt để thấy tận mắt ánh sáng bị bẻ.