Cầu vồng xuất hiện khi ánh nắng chiếu vào vô số giọt nước trong không khí: ánh sáng khúc xạ vào giọt, phản xạ ở mặt sau giọt, rồi khúc xạ ra ngoài. Vì nước bẻ mỗi màu ánh sáng một chút khác nhau, ánh sáng trắng bị tách thành dải màu; các giọt nằm ở góc khoảng 40 đến 42 độ so với hướng ngược Mặt Trời gửi màu về mắt bạn, tạo thành vòng cung.
Hiểu cơ chế này giúp bạn đoán trước được nơi và lúc nào có thể thấy cầu vồng, vì sao đỏ luôn nằm ngoài cùng, vì sao đôi khi có cầu vồng thứ hai mờ hơn với thứ tự màu ngược lại. Bài đi từ tán sắc qua lăng kính, hiện tượng có trong chương trình Khoa học tự nhiên, tới cầu vồng, kèm cách học cùng AI.
Tán sắc ánh sáng: ánh sáng trắng không phải một màu
Khi cho một chùm ánh sáng trắng hẹp đi qua lăng kính thuỷ tinh, chùm ló ra bị lệch về phía đáy lăng kính và trải thành một dải màu liên tục, từ đỏ ở phía lệch ít nhất tới tím ở phía lệch nhiều nhất. Hiện tượng đó gọi là tán sắc ánh sáng. Nó xảy ra vì chiết suất của thuỷ tinh với ánh sáng tím lớn hơn với ánh sáng đỏ một chút, nên mỗi màu bị bẻ một góc khác nhau.
Isaac Newton làm những thí nghiệm lăng kính nổi tiếng vào thế kỷ 17. Một bước quan trọng trong lập luận của ông là tách riêng một màu từ dải màu rồi cho đi qua lăng kính thứ hai: màu đó bị lệch nhưng không đổi màu nữa. Từ đó ông kết luận rằng lăng kính không "nhuộm" màu cho ánh sáng, mà ánh sáng trắng vốn là hỗn hợp của nhiều màu, và lăng kính chỉ tách chúng ra.
Tán sắc giải thích vì sao bài khúc xạ thường ghi "chiết suất của nước khoảng 1,33" mà không nói rõ màu: đó là giá trị trung bình cho ánh sáng vàng. Chênh lệch giữa các màu nhỏ, cỡ khoảng một phần trăm, nhưng đủ để tạo nên cầu vồng và làm viền màu xuất hiện quanh vật khi nhìn qua thấu kính rẻ tiền.
Lăng kính: vì sao tia sáng lệch về phía đáy
Lăng kính trong sách giáo khoa là một khối thuỷ tinh có tiết diện tam giác. Tia sáng đi vào một mặt bên, khúc xạ lần thứ nhất và lệch về phía pháp tuyến; đi tới mặt bên thứ hai, khúc xạ lần nữa khi ra không khí và lệch xa pháp tuyến. Do hai mặt bên nghiêng về nhau tại đỉnh, cả hai lần lệch đều cộng dồn theo cùng một chiều: tia ló bị bẻ về phía đáy lăng kính.
Góc giữa tia tới và tia ló gọi là góc lệch. Góc lệch lớn hơn khi chiết suất lớn hơn, nên với cùng một lăng kính, tia tím lệch nhiều hơn tia đỏ. Đó là toàn bộ bí mật của dải màu: không có màu nào được tạo thêm, chỉ là mỗi màu đi một hướng hơi khác.
Khi tự học với AI, bạn có thể yêu cầu nó mô tả đường đi tia qua lăng kính bằng lời để bạn vẽ theo, rồi đổi vai: bạn mô tả, nó vẽ lại bằng chữ và chỉ ra chỗ mô tả còn mơ hồ. Phần tính góc lệch bằng công thức thuộc chương trình nâng cao; ở mức Khoa học tự nhiên lớp 9, hiểu chiều lệch và vì sao tách màu là đủ.
Đường đi của ánh sáng trong một giọt nước
Mỗi giọt mưa gần như là một quả cầu nước nhỏ. Hãy theo một tia nắng đi vào giọt qua năm chặng, nhớ rằng ở mỗi mặt phân cách đều áp dụng đúng định luật phản xạ và khúc xạ bạn đã học.
- Tia nắng chạm vào mặt trước giọt nước, phần lớn khúc xạ vào trong. Ngay tại đây các màu bắt đầu tách nhẹ vì chiết suất khác nhau.
- Ánh sáng đi xuyên giọt tới mặt sau. Tại mặt sau, một phần ló ra ngoài, một phần phản xạ ngược trở lại vào trong giọt. Phần phản xạ này là phần tạo nên cầu vồng chính.
- Ánh sáng phản xạ đi ngược về phía trước giọt và tới mặt phân cách nước với không khí lần nữa.
- Ở đây nó khúc xạ ra ngoài, các màu tách xa thêm. Kết quả: ánh sáng đi ra theo hướng gần ngược với hướng tới, lệch khoảng 40 đến 42 độ so với hướng ngược lại tia nắng.
- Ánh sáng đỏ ra ở góc khoảng 42 độ, tím ở góc khoảng 40 độ, các màu khác ở giữa. Mỗi giọt gửi về mắt bạn chỉ một màu, tuỳ vị trí của giọt đó trên bầu trời.
Tại sao ánh sáng tập trung ở góc khoảng 42 độ mà không trải đều? Vì ứng với mọi điểm tia nắng chạm vào giọt, góc ra đạt giá trị lớn nhất ở quanh 42 độ với ánh sáng đỏ, và rất nhiều tia dồn về gần góc đó. Đây là kết quả tính toán hình học mà ở bậc phổ thông bạn chỉ cần biết kết quả, còn chứng minh thuộc phần nâng cao.
Đoán được nơi và lúc có cầu vồng
Mặt Trời ở sau lưng bạn. Cầu vồng luôn ở phía đối diện với Mặt Trời. Điểm tâm của vòng cung là điểm đối Mặt Trời, tức nơi bóng đầu bạn rơi xuống. Muốn tìm cầu vồng sau cơn mưa, hãy quay lưng về phía Mặt Trời và nhìn về phía mưa đang rời đi.
Mặt Trời phải thấp. Vì cầu vồng nằm ở góc khoảng 42 độ quanh điểm đối Mặt Trời, khi Mặt Trời cao hơn khoảng 42 độ so với chân trời, toàn bộ cung sẽ nằm dưới đường chân trời và người đứng trên mặt đất không thấy được. Đó là lý do cầu vồng hay xuất hiện vào buổi sáng sớm hoặc chiều muộn, ít khi giữa trưa.
Đỏ ngoài, tím trong. Vì ánh sáng đỏ ra ở góc lớn nhất, các giọt gửi màu đỏ về mắt bạn nằm ở vòng ngoài. Màu tím đến từ những giọt ở vòng trong. Thứ tự này không bao giờ đảo ở cầu vồng chính.
Mỗi người thấy một cầu vồng riêng. Cầu vồng không phải một vật nằm ở một chỗ, mà là tập hợp các giọt nằm đúng góc so với mắt mỗi người. Bạn dịch chuyển thì cầu vồng dịch theo, nên không ai đi tới được "chân cầu vồng". Hai người đứng cạnh nhau thấy hai cầu vồng do hai tập giọt khác nhau tạo ra.
Cầu vồng thứ hai và dải trời tối ở giữa
Khi nắng mạnh và mưa dày, đôi khi bạn thấy một cầu vồng thứ hai mờ hơn nằm bên ngoài cầu vồng chính, ở góc khoảng 51 độ. Ánh sáng tạo nên cầu vồng này đã phản xạ hai lần bên trong giọt nước trước khi ra ngoài. Mỗi lần phản xạ lại có một phần ánh sáng thoát ra, nên cầu vồng thứ hai yếu hơn. Lần phản xạ thêm cũng làm thứ tự màu đảo ngược: đỏ ở trong, tím ở ngoài.
Giữa hai cầu vồng, bầu trời thường tối hơn rõ rệt so với phía trong cầu vồng chính. Vùng này được gọi là dải tối Alexander, theo tên một học giả Hy Lạp cổ đại đã mô tả nó. Lý do là các giọt nằm ở vùng góc này không gửi ánh sáng phản xạ một lần hay hai lần về mắt bạn, trong khi phía trong cầu vồng chính vẫn nhận ánh sáng đã lẫn màu thành trắng.
Nếu bạn nhìn từ trên cao, chẳng hạn từ máy bay hay đỉnh núi, khi phía dưới có mưa và Mặt Trời ở sau lưng, đôi khi có thể thấy cầu vồng gần trọn vòng tròn. Trên mặt đất, mặt đất che mất nửa dưới nên ta chỉ thấy một cung.
Không phải dải màu nào cũng là tán sắc
Quầng quanh Mặt Trời. Đôi khi bạn thấy một vòng sáng lớn quanh Mặt Trời, mép trong hơi đỏ. Vòng này thường có bán kính khoảng 22 độ và do các tinh thể băng nhỏ trên tầng mây cao tạo ra; mỗi tinh thể hình lăng trụ sáu cạnh hoạt động như một lăng kính. Đây vẫn là khúc xạ và tán sắc, chỉ khác là qua băng chứ không qua giọt nước.
Bong bóng xà phòng và vệt dầu trên đường ướt. Các màu sặc sỡ ở đây không do tán sắc mà do giao thoa ánh sáng: ánh sáng phản xạ ở mặt trên và mặt dưới của một lớp màng rất mỏng chồng lên nhau, tăng cường một số màu và triệt tiêu màu khác tuỳ bề dày màng. Phần giao thoa thuộc chương sóng.
Mặt sau đĩa nhạc cũ. Dải màu trên mặt đĩa quang đến từ các rãnh nhỏ xếp đều nhau, làm ánh sáng nhiễu xạ theo những hướng khác nhau cho từng màu. Đây cũng là hiện tượng sóng, không phải tán sắc do chiết suất.
Cách phân biệt nhanh. Nếu màu xuất hiện vì ánh sáng đi xuyên qua một môi trường trong suốt có hình dạng như lăng kính hay giọt nước, nghĩ tới tán sắc. Nếu màu xuất hiện trên màng mỏng hay bề mặt có rãnh rất nhỏ và đổi màu khi bạn nghiêng đầu, nghĩ tới giao thoa hoặc nhiễu xạ.
Tự tạo cầu vồng an toàn và học cùng AI
Cầu vồng là hiện tượng hiếm khi chủ động gặp được, nhưng bạn có thể tạo ra một cái nhỏ và dùng AI để biến quan sát thành hiểu biết.
- Buổi sáng hoặc chiều muộn, đứng quay lưng về phía Mặt Trời, dùng vòi tưới phun sương nhẹ về phía trước. Chỉnh hướng nhìn cho tới khi thấy dải màu. Không nhìn thẳng vào Mặt Trời.
- Trong nhà, đặt một cốc nước trong lên bậu cửa có nắng chiếu vào, để tờ giấy trắng phía dưới, xoay cốc tới khi giấy hiện dải màu. Đây là tán sắc như qua lăng kính.
- Ghi lại quan sát bằng chữ: giờ, hướng Mặt Trời, thứ tự màu. Sau đó nhờ AI: "Đây là quan sát của em. Hãy hỏi em ba câu để em tự giải thích vì sao thấy được cầu vồng ở hướng đó."
- Hỏi AI một câu dễ gây nhầm: "Có thể thấy cầu vồng lúc 12 giờ trưa mùa hè ở Việt Nam không?" Tự trả lời bằng góc 42 độ trước khi đọc câu trả lời. Đối chiếu xem AI có nhắc tới độ cao Mặt Trời hay không.
- Nếu AI nói cầu vồng "luôn có đúng bảy màu", hãy hỏi lại vì sao dải màu liên tục lại được chia thành bảy. Câu trả lời hợp lý sẽ nói rằng đó là quy ước lịch sử, không phải ranh giới vật lý.
Con số bảy màu gắn với cách Newton chia dải màu và cách dạy truyền thống: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Thực tế mắt người phân biệt được rất nhiều sắc độ chuyển tiếp trong dải màu, và việc gọi tên từng màu khác nhau giữa các ngôn ngữ.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cầu vồng có hình cung tròn?
Vì các giọt nước gửi màu về mắt bạn đều nằm ở cùng một góc khoảng 40 đến 42 độ so với điểm đối Mặt Trời. Tập hợp các hướng cùng góc như vậy tạo thành một hình nón có đỉnh ở mắt, nhìn ra trời thành một vòng tròn. Mặt đất che mất phần dưới nên ta thấy một cung.
Tán sắc ánh sáng và khúc xạ ánh sáng khác nhau thế nào?
Khúc xạ là ánh sáng đổi hướng khi qua mặt phân cách hai môi trường. Tán sắc là hệ quả của việc mỗi màu có chiết suất hơi khác nhau, nên khúc xạ một góc khác nhau và tách ra. Không có khúc xạ thì không có tán sắc.
Vì sao ban đêm hiếm khi thấy cầu vồng?
Cầu vồng cần nguồn sáng mạnh từ một hướng. Ánh trăng có thể tạo cầu vồng trăng khi trăng sáng và có mưa ở phía đối diện, nhưng nó rất mờ, mắt người trong bóng tối kém phân biệt màu nên thường chỉ thấy một cung nhạt gần như trắng.
Có phải cầu vồng chỉ xuất hiện sau mưa?
Cầu vồng cần nhiều giọt nước nhỏ trong không khí và nắng chiếu từ phía sau người nhìn. Ngoài mưa, bạn có thể thấy nó ở chân thác nước, cạnh vòi phun, tia nước tưới cây hay bụi sóng biển, miễn đủ điều kiện về hướng nắng.
Lăng kính và giọt nước có cùng nguyên lý không?
Cùng nguyên lý tán sắc: ánh sáng trắng khúc xạ qua môi trường có chiết suất phụ thuộc màu nên bị tách. Khác biệt là trong giọt nước có thêm một lần phản xạ ở mặt sau, nên ánh sáng quay ngược về phía người nhìn, còn qua lăng kính ánh sáng đi xuyên tiếp.
Có nên dùng ảnh AI vẽ cầu vồng để học không?
Không nên dùng ảnh do AI sinh ra làm tài liệu học, vì chúng hay vẽ sai thứ tự màu, đặt cầu vồng cùng phía với Mặt Trời, hoặc vẽ cầu vồng thứ hai không đảo màu. Ảnh chụp thật và hình vẽ trong sách giáo khoa đáng tin hơn; ảnh AI có thể dùng làm bài tập tìm lỗi.