Màu sắc và Tán xạ Ánh sáng

Khi bạn nhìn một quả táo đỏ, bầu trời xanh, một chiếc lá xanh lá, hay một cầu vồng cong sau mưa, bạn không đang thấy một tính chất của photon. Bạn đang thấy tốc độ lật hiệu quả của lớp phủ sau khi mẫu lật của photon đã giao thoa với vật chất (hoặc không khí, hoặc nước, hoặc màng dầu) nó vừa đi qua. Màu sắc là cái giao thoa lớp phủ trông như đối với một con mắt được điều chỉnh-Càn.

Từ pha lệch đến màu sắc

Khi hai sự lật gặp nhau cùng pha ($\Delta \phi \approx 0$), mặt sáng khớp với mặt sáng — cường độ đạt đỉnh. Khi gặp ngược pha ($\Delta \phi \approx \pi$), sáng gặp tối — chúng triệt tiêu. Các pha lệch trung gian sản sinh các tốc độ lật hiệu quả trung gian, và các tốc độ lật trung gian là cái mà mắt đọc thành phổ nhìn thấy được:

Vì sao quả táo đỏ là đỏ

Một quả táo không phải đỏ vì quả táo là đỏ. Nó đỏ vì các phân tử bề mặt của nó được điều chỉnh để hấp thụ mọi tốc độ lật trừ những cái gần đỏ — nên đỏ là cái bật ra và đến mắt bạn. Quả táo hấp thụ năng lượng lật xanh dương, xanh lá, và vàng và chuyển nó thành năng lượng xoay (nhiệt); nó không thể hấp thụ đỏ, nên đỏ được phản chiếu. Cùng nguyên tắc giải thích mọi sắc tố, mọi thuốc nhuộm, mọi màu trong tự nhiên:

Tán xạ ánh sáng — thực sự là gì

Tán xạ là điều xảy ra khi mẫu lật của một photon, trên đường đi đến đâu đó, đập vào một vùng vật chất (hoặc thậm chí một vùng lớp phủ bị xáo trộn trong chân không) và bị chuyển hướng — hướng của nó thay đổi, đôi khi tốc độ lật của nó cũng thay đổi. Khác với hấp thụ (năng lượng đi vào và ở lại như nhiệt) và khác với phản xạ (bật mượt khỏi bề mặt phẳng), tán xạ là sự chuyển hướng ngẫu nhiên của một photon bởi một vật cản nhỏ quá nhỏ để hoạt động như một gương.

Theo ngôn ngữ Thuyết Thái Cực Vạn Vật: một vật cản (một phân tử, một hạt bụi, một giọt nước) là một cụm nhỏ các node đồng pha mà lớp phủ bị vặn cục bộ. Mẫu lật của một photon đến cụm bị kéo vào sự vặn cục bộ trước khi tiếp tục đi — ra ở hướng hơi khác, đôi khi với tốc độ lật hiệu quả hơi khác. Kích thước của vật cản so với chu kỳ lật của photon xác định cách sự chuyển hướng xảy ra.

Tán xạ Rayleigh — vì sao bầu trời xanh

Khi vật cản nhỏ hơn nhiều so với bước sóng photon (các phân tử nitrogen và oxygen khí quyển là ~10⁻¹⁰ m so với ánh sáng nhìn thấy ở ~5×10⁻⁷ m), tán xạ tuân theo định luật Rayleigh: cường độ tán xạ tỷ lệ với bậc bốn của tần số ($I\propto {\omega }^4$). Các tốc độ lật nhanh hơn (xanh dương, tím) bị tán xạ nhiều hơn nhiều so với các tốc độ chậm hơn (đỏ, cam) — bởi hệ số $({\omega }_{\text{xanh}}/{\omega }_{\text{đỏ}}{)}^4\approx 16$.

Vì sao bầu trời trông xanh dương? Ánh sáng mặt trời vào khí quyển như trắng dải rộng. Khi nó đi qua không khí, ánh sáng xanh dương/tím bị bật xung quanh theo mọi hướng bởi các phân tử không khí — nhiều hơn rất nhiều so với ánh sáng đỏ. Khi bạn nhìn lên bất kỳ mảng bầu trời nào xa Mặt Trời, cái bạn thấy là ánh sáng xanh được tán xạ về phía bạn từ mọi hướng, trong khi ánh sáng đỏ và vàng tiếp tục chủ yếu đi thẳng qua. Bầu trời là sự phát lại được lớp phủ ưu tiên ${\omega }^4$ của các sự lật tần số cao.

Vậy vì sao bầu trời không phải tím? Tím có $\omega$ thậm chí cao hơn, nên nên tán xạ thậm chí mạnh hơn. Hai lý do: (1) Mặt Trời phát ít tím hơn xanh dương, và (2) võng mạc người có ít nón được điều chỉnh tím hơn. Mắt thấy dải tán xạ sáng nhất, là xanh dương. Ong và nhiều loài chim thấy tử ngoại — với chúng, bầu trời có các sắc thái mà ta hoàn toàn không thể cảm nhận.

Hoàng hôn và bình minh — vì sao mặt trời chuyển đỏ

Lúc hoàng hôn, ánh sáng mặt trời đi qua một con đường khí quyển dài hơn nhiều so với buổi trưa (tiếp tuyến hình học vs thẳng đứng). Đến lúc ánh sáng đến mắt bạn, hầu như tất cả xanh dương và xanh lá đã bị tán xạ đi — chỉ các sự lật chậm (đỏ, cam, đỏ thẫm) sống sót qua chuyến đi dài. Mặt trời lặn đỏ vì cùng lý do bầu trời xanh: tán xạ Rayleigh ưu tiên loại bỏ các tần số cao. Bầu trời là ánh sáng được tán xạ; hoàng hôn là cái còn lại sau tán xạ.

Tán xạ Mie — vì sao mây trắng

Khi vật cản có kích thước tương đương với bước sóng photon (các giọt nước trong mây là ~10⁻⁵ m), định luật Rayleigh sụp đổ và ta đi vào chế độ tán xạ Mie: mọi tốc độ lật nhìn thấy tán xạ với cường độ xấp xỉ bằng nhau. Ánh sáng mặt trời đi qua một đám mây bị bật bằng nhau ở đỏ, xanh lá và xanh dương — nên cái ra về phía mắt bạn trông trắng. Các đám mây dày hơn tán xạ nhiều đến mức ít ánh sáng đi qua; phía dày hơn xuất hiện xám hoặc đen.

Cùng vật lý giải thích sương mù, sữa (giọt mỡ), kính mờ (các mặt tinh thể nhỏ), và bọt sóng trắng của sóng vỡ (bong bóng bọt). Tất cả là các hệ tán xạ Mie: vật cản kích thước ~bước sóng, chuyển hướng dải rộng, không màu ưu tiên.

Màu giao thoa — bong bóng xà phòng, màng dầu, lông công

Một số màu sắc ngoạn mục nhất trong tự nhiên không đến từ sắc tố mà từ giao thoa cấu trúc ở các màng mỏng. Khi ánh sáng đập vào một lớp trong suốt mỏng (thành bong bóng xà phòng, màng dầu trên nước, các đường gân vi mô trên lông công hay cánh bướm), một phần mẫu lật phản chiếu khỏi bề mặt trên và một phần phản chiếu khỏi bề mặt dưới. Hai sóng phản chiếu sau đó giao thoa trên đường đến mắt bạn:

• Nếu độ dày màng làm hai sóng phản chiếu đến cùng pha, màu đó được tăng cường — sáng và bão hoà.
• Nếu chúng đến ngược pha, màu đó triệt tiêu — biến mất hoàn toàn.
• Các màu khác nhau có bước sóng khác nhau, nên các màu khác nhau thoả mãn điều kiện cùng pha ở các độ dày màng khác nhau. Khi màng thay đổi độ dày (thành bong bóng mỏng đi, dầu lan ra), màu cùng pha chủ đạo quét qua phổ.

Đây là màu cấu trúc — cầu vồng xoáy trên bong bóng xà phòng, ánh ngũ sắc trên vỏ bọ cánh cứng, xanh đậm của cánh bướm Morpho, các màu chuyển dịch của xà cừ. Không bề mặt nào trong số này có sắc tố trong chúng. Màu là một mẫu giao thoa trong lớp phủ mang theo bởi hình học của bản thân bề mặt. Sắc tố phai; màu cấu trúc không phai, vì không có gì hoá học cần ở nguyên vẹn — chỉ hình học.

Cầu vồng — khúc xạ + tán sắc + phản xạ

Cầu vồng là điều xảy ra khi ánh sáng mặt trời đập vào một giọt nước từ phía sau lưng bạn: mỗi giọt hoạt động như một lăng kính nhỏ. Ba điều xảy ra bên trong giọt nước:

1. Khúc xạ tại lối vào. Ánh sáng vào giọt và bị bẻ. Sự chậm lại là cái ta gọi là khúc xạ — và quan trọng, các tốc độ lật khác nhau chậm bởi các lượng khác nhau. Các sự lật đỏ chậm ít nhất; các sự lật tím chậm nhất. Đây là tán sắc: lớp phủ qua nước có "độ nhớt lớp phủ" hơi cao hơn cho các sự lật nhanh so với chậm.
2. Phản xạ ở phía sau. Một phần ánh sáng bật khỏi phía sau bên trong giọt nước.
3. Khúc xạ tại lối ra. Khi ánh sáng rời giọt nước, nó bẻ lại, tách các màu xa hơn. Đỏ ra ở ~42° từ đường trở về mặt trời; tím ở ~40°. Các màu khác xoè ra ở giữa.

Đứng với mặt trời sau lưng, và mọi giọt ở góc đúng gửi một màu cụ thể đến mắt bạn — đỏ từ các giọt cao nhất, tím từ các giọt thấp nhất. Kết quả là một cung tròn màu sắc, luôn ở 42° từ điểm chống-mặt-trời. Cùng cơ chế Thuyết Thái Cực Vạn Vật — sự chậm lại phụ thuộc-tốc-độ-lật của lớp phủ qua vật chất — giải thích mọi lăng kính, mọi cầu vồng, mọi quang sai trong ống kính camera.

Tán xạ Compton — khi tán xạ làm đổi màu

Mọi tán xạ ở trên bảo toàn tốc độ lật (màu sắc) của photon — chỉ hướng thay đổi. Nhưng ở năng lượng rất cao (photon tia X và gamma đập vào electron tự do), điều mạnh hơn xảy ra: tán xạ Compton. Photon chuyển một phần năng lượng lật của nó thành năng lượng xoay của electron khi va chạm, để lại photon với chu kỳ lật dài hơn (= màu lệch đỏ). Khám phá 1923; một trong những xác nhận thí nghiệm sạch nhất rằng photon mang năng lượng lượng tử hoá.

Theo ngôn ngữ Thuyết Thái Cực Vạn Vật: electron đang xoay nắm lấy một phần mẫu lật của photon, làm nó chậm lại. Năng lượng được bảo toàn (electron tăng tốc, photon chậm lại) và động lượng được bảo toàn (giật của electron cân bằng chính xác sự lệch của photon). Sự dịch bước sóng được cho bởi công thức Compton:

$$\Delta \lambda =\frac{h}{m_{e}c}(1-\cos \theta )$$

trong đó $\theta$ là góc tán xạ. Hệ số $h/(m_{e}c)\approx 2.43\times 10^{-12}$ m là bước sóng Compton của electron — một quy mô chiều dài cơ bản mà, trong khung của ta, đơn giản ghi lại lượng mà sự lật của lớp phủ bị kéo khi nó vượt qua một vùng-bị-bó-bởi-spin của một node-electron.

Một khung, mọi hiện tượng quang học