Bóng tối và bóng nửa tối: vì sao bóng đổ chỗ nét chỗ mờ

Bóng đổ chỗ nét chỗ mờ vì nguồn sáng không phải là một điểm mà có kích thước: một chỗ trên mặt đất có thể bị che khỏi toàn bộ nguồn sáng (bóng tối), bị che một phần (bóng nửa tối), hoặc không bị che (sáng). Vùng bóng nửa tối càng rộng thì mép bóng càng nhoè. Độ rộng ấy tăng theo khoảng cách giữa vật và chỗ bóng rơi, và theo kích thước nguồn sáng — nên bóng bàn tay sát đất thì sắc, bóng ngọn cây thì mờ, bóng dưới đèn tuýp thì nhoè hơn bóng dưới bóng đèn nhỏ.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Đứng ngoài nắng giữa trưa và nhìn bóng của mình: bóng bàn chân sắc lẹm, bóng đầu thì mép mềm hơn hẳn. Bóng cột điện ở chân cột đen đặc và gọn, càng về phía ngọn càng loang, mép nhoè rộng cả gang tay. Bóng chiếc xe máy dựng bên đường: bánh xe sát đất cho bóng nét, tay lái cao cho bóng mờ.

Trong nhà, dưới chiếc đèn tuýp dài hay tấm đèn LED âm trần rộng, bóng tay trên bàn mờ và loang; dưới một bóng đèn sợi đốt nhỏ hay đèn pin, bóng sắc nét. Trong một căn phòng có hai đèn, mỗi vật có hai bóng, chỗ hai bóng chồng lên nhau tối hơn.

Cơ chế: nhìn từ chỗ bóng rơi lên nguồn sáng

Cách nghĩ đơn giản nhất

Muốn biết một điểm trên mặt đất sáng hay tối, hãy tưởng tượng mình là một con kiến đứng tại điểm đó và ngẩng lên nhìn nguồn sáng:

• Nếu con kiến thấy trọn đĩa Mặt Trời: điểm đó được chiếu sáng đầy đủ.
• Nếu vật che mất trọn đĩa Mặt Trời: điểm đó nằm trong bóng tối (umbra).
• Nếu vật chỉ che một phần đĩa: điểm đó nằm trong bóng nửa tối (penumbra), sáng nhiều hay ít tuỳ phần đĩa còn lại.

Khi đi từ ngoài vào trong bóng, con kiến thấy mép vật dần dần nuốt đĩa Mặt Trời — từ không che tới che hết. Quãng đường con kiến phải đi để chứng kiến điều đó chính là độ rộng của mép nhoè.

Mép nhoè rộng bao nhiêu

Mặt Trời rộng khoảng nửa độ. Để mép vật đi qua hết đĩa nửa độ ấy, con kiến phải dịch đi một đoạn bằng khoảng cách từ nó tới mép vật nhân với góc nửa độ — tức khoảng 1/108 khoảng cách. Đây cũng là con số làm nên đường kính đốm nắng tròn dưới tán cây, vì hai hiện tượng cùng do đường kính góc của Mặt Trời quyết định.

Lúc sáng sớm, chiều muộn, nắng chiếu xiên làm bóng kéo dài và mép nhoè cũng bị kéo dài theo hướng bóng.

Bóng tối có thể biến mất

Nếu vật nhỏ hơn nguồn sáng (tính theo góc nhìn) và ở đủ xa chỗ bóng rơi, bóng tối có thể biến mất hoàn toàn, chỉ còn một vệt nửa tối nhạt. Đó là lý do một sợi dây điện mảnh căng cao vài mét gần như không có bóng đen rõ trên mặt đất, chỉ có một vệt mờ. Từ chỗ bóng rơi nhìn lên, sợi dây quá mảnh để che hết đĩa Mặt Trời.

Biến thể và hiện tượng họ hàng

Bóng dưới các loại đèn

Kích thước góc của nguồn sáng quyết định độ mềm của bóng. Mặt Trời dù khổng lồ nhưng ở rất xa, chỉ rộng nửa độ, nên cho bóng khá sắc. Một tấm đèn LED âm trần rộng 60 cm treo cao hai mét rộng gần hai chục độ khi nhìn từ mặt bàn — bóng dưới nó mềm hẳn. Trời âm u thì nguồn sáng là cả bầu trời, bóng gần như biến mất, chỉ còn vùng tối nhẹ sát chân vật. Người chụp ảnh chân dung dùng tấm tản sáng lớn chính là để biến nguồn sáng nhỏ thành nguồn rộng, cho bóng mềm trên mặt.

Đèn mổ không bóng

Đèn trong phòng mổ ghép nhiều bóng đèn nhỏ chiếu từ nhiều hướng vào cùng một chỗ. Bàn tay bác sĩ có che bóng nào thì các bóng khác vẫn rọi tới, vùng thao tác không bị tối. Đây là cách dùng có chủ đích nguyên lý bóng nửa tối.

Hai bóng "dính" vào nhau

Một điều lạ dễ thấy: đưa ngón tay lại gần bóng của một vật khác (ví dụ bóng cột hiên) ngoài nắng, khi hai bóng còn cách nhau một chút, chúng có vẻ phình ra và "hút" lấy nhau, dính lại trước khi thật sự chạm. Đó là vì hai vùng nửa tối chồng lên nhau, mỗi vùng che một phần đĩa Mặt Trời, cộng lại thành một chỗ đủ tối để mắt coi là bóng. Hiện tượng có tên tiếng Anh là shadow blister effect.

Bóng có màu

Ngoài trời quang, bóng không đen tuyền mà hơi xanh, vì chỗ bóng không nhận nắng trực tiếp nhưng vẫn nhận ánh xanh từ bầu trời. Trong phòng có một đèn vàng và một đèn trắng, bóng của đèn này được đèn kia rọi vào nên mang màu của đèn kia. Màu của bóng là chủ đề màu sắc, ở đây chỉ nhắc để thấy bóng không chỉ có một mức tối.

Bóng của Trái Đất và Mặt Trăng

Nhật thực toàn phần chỉ thấy được trong một dải hẹp trên mặt đất — đó là nơi bóng tối của Mặt Trăng chạm tới. Vùng rộng hơn xung quanh chỉ thấy nhật thực một phần, vì nằm trong bóng nửa tối. Cùng một nguyên lý với bóng cột điện, chỉ là phóng to lên cỡ hành tinh.

Hiểu lầm thường gặp

• "Mép bóng mờ là do ánh sáng uốn quanh vật." Ánh sáng có nhiễu xạ quanh mép, nhưng ở cỡ vật thường ngày, hiệu ứng đó cực nhỏ. Mép nhoè ta thấy hầu như hoàn toàn do kích thước nguồn sáng.
• "Mặt Trời là nguồn sáng điểm nên bóng sắc." Mặt Trời không phải điểm. Nó rộng nửa độ, đủ để bóng ngọn cây nhoè vài chục cm. Ngôi sao mới gần như là nguồn điểm.
• "Bóng to hơn vật vì nguồn sáng gần." Đúng với đèn trong phòng, nhưng dưới nắng, các tia gần như song song nên bóng có cỡ gần bằng vật. Cái thay đổi theo khoảng cách dưới nắng là độ nhoè, không phải cỡ.
• "Trời âm u thì không có bóng." Vẫn có, chỉ rất mềm, tập trung sát chân vật nơi một phần lớn bầu trời bị che. Nhìn dưới gầm bàn ngoài sân hôm trời âm sẽ thấy.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Đo mép nhoè của bóng

1. Ngoài nắng, đặt một tờ giấy trắng trên mặt đất. Cầm một cây thước thẳng giơ ngang phía trên tờ giấy.
2. Khi thước sát giấy: mép bóng sắc. Nâng lên 20 cm, 50 cm, 1 m: mép nhoè dần.
3. Ở độ cao 1 m, đo độ rộng vùng chuyển từ đen sang sáng: chừng một centimet, đúng như tính.
4. Thử với một chiếc lược: răng lược giơ sát giấy cho từng vạch bóng rõ; nâng cao, các vạch nhoè rồi biến mất hẳn, vì vùng nửa tối của từng răng chồng lên nhau.

Đổi nguồn sáng trong nhà

1. Tắt đèn phòng. Chiếu một đèn pin nhỏ lên tường trắng, giơ bàn tay giữa đèn và tường: bóng sắc.
2. Che đầu đèn pin bằng một tờ giấy ăn mỏng (để đèn pin loại LED, không dùng đèn nóng): nguồn sáng thành một đĩa rộng hơn, bóng mềm hẳn.
3. Bật thêm một đèn pin thứ hai từ hướng khác: bàn tay có hai bóng, chỗ chồng lên nhau tối nhất. Đó là bóng tối; phần chỉ thuộc một bóng là bóng nửa tối.

Bắt quả tang hai bóng dính nhau

Ngoài nắng, giơ hai ngón tay của hai bàn tay cách mặt đất chừng nửa mét, đưa từ từ lại gần nhau và nhìn bóng trên đất: bóng hai ngón sẽ "nhảy" vào nhau trước khi ngón tay thật chạm nhau. Không nhìn lên Mặt Trời trong lúc làm, chỉ nhìn xuống đất.