Kính phân cực: vì sao mặt nước hết chói và bầu trời xanh đậm hơn

Kính phân cực làm mặt nước hết chói vì ánh sáng phản xạ từ mặt nước phần lớn dao động theo phương nằm ngang, còn tròng kính phân cực chỉ cho ánh sáng dao động theo phương thẳng đứng đi qua. Bầu trời trông xanh đậm hơn vì ánh sáng xanh của trời, ở những vùng cách Mặt Trời khoảng 90°, cũng bị phân cực mạnh, nên kính lọc bớt được phần sáng trắng loãng và để lại màu đậm. Kính râm thường chỉ làm tối đều mọi thứ; kính phân cực thì chọn lọc, chặn đúng thứ ánh sáng gây loá.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Người câu cá, người lái xe, người đi thuyền là những ai biết rõ nhất:

• Ngồi trên bờ ao nhìn xuống: mặt nước loá trắng ảnh trời. Đeo kính phân cực vào, ảnh trời nhạt hẳn, thấy được cá, rong, đáy ao.
• Lái xe giữa trưa: mặt đường, nắp capô xe phía trước loá chói. Kính phân cực dập tắt phần lớn ánh loá đó.
• Đi biển: mặt nước vùng nông ven đảo hiện rõ màu xanh ngọc và rạn san hô thay vì bị phủ một lớp sáng bạc.
• Nhìn trời ở phía vuông góc với Mặt Trời (ví dụ buổi chiều nhìn lên phía bắc hoặc phía nam): trời xanh thẫm, mây trắng nổi bật hẳn.

Và một hiện tượng ai đeo kính phân cực cũng từng giật mình: nghiêng đầu nhìn điện thoại hay màn hình trên ô tô, màn hình bỗng tối đen.

Cơ chế: ánh sáng có "phương dao động"

Ánh sáng thường và ánh sáng phân cực

Ánh sáng là sóng điện từ. Có thể hình dung đơn giản: khi ánh sáng bay tới, nó rung theo một phương vuông góc với hướng bay, giống sợi dây nhảy được lắc. Ánh sáng từ Mặt Trời hay bóng đèn là hỗn hợp của mọi phương rung — lên xuống, ngang, xiên — lẫn lộn ngẫu nhiên. Ta gọi đó là ánh sáng không phân cực. Khi trong hỗn hợp ấy một phương rung chiếm ưu thế, ánh sáng được gọi là phân cực.

Mắt người gần như không phân biệt được phương rung. Hai chùm sáng cùng màu, cùng độ sáng nhưng phân cực khác nhau trông giống hệt nhau. Phải có kính lọc phân cực mới "thấy" được sự khác biệt.

Mặt nước tự phân cực ánh sáng

Khi ánh sáng phản xạ trên mặt nước, kính, đường nhựa, phần rung song song với bề mặt (nằm ngang) bị dội lại nhiều hơn phần rung theo phương còn lại. Ánh sáng phản xạ vì thế thiên về phương ngang. Ở một góc đặc biệt, phần rung theo phương còn lại hoàn toàn không phản xạ, ánh sáng phản xạ phân cực trọn vẹn theo phương ngang. Góc này gọi là góc Brewster, theo tên nhà vật lý Scotland David Brewster. Với nước, góc tới khoảng 53° so với phương thẳng đứng, nghĩa là tia nhìn chếch khoảng 37° so với mặt nước — gần đúng góc nhìn của người đứng trên bờ nhìn xuống mặt ao cách vài bước.

Tròng kính là một hàng rào có khe dọc

Tròng kính phân cực có một lớp phim chứa các phân tử dài xếp song song, chỉ để lọt ánh sáng rung theo một phương. Nhà sản xuất đặt phương đó thẳng đứng. Ánh sáng loá từ mặt nước rung ngang nên bị chặn; ánh sáng từ đáy ao đi lên, tán xạ lung tung, phần rung dọc vẫn lọt qua. Kết quả: ảnh trời phản chiếu yếu hẳn, đáy hiện rõ.

Bầu trời cũng phân cực

Màu xanh của trời đến từ ánh nắng bị các phân tử không khí tán xạ. Ánh sáng tán xạ theo hướng vuông góc với tia nắng tới bị phân cực mạnh. Vì thế bầu trời có một "vành đai" phân cực mạnh nhất nằm cách Mặt Trời khoảng 90°. Nhìn vành đai này qua kính phân cực và xoay đầu, trời có lúc tối hẳn đi, xanh đậm lại. Gần Mặt Trời hoặc ở phía đối diện, gần như không đổi. Trời mù bụi, nhiều hơi nước thì phân cực yếu đi vì ánh sáng bị tán xạ nhiều lần.

Bảng: kính phân cực làm gì với từng nguồn sáng

Hiện tượng họ hàng

Vân màu trên kính ô tô

Đeo kính phân cực nhìn qua kính chắn gió hoặc kính sau của một số ô tô, ta có thể thấy những đốm, vệt tối sáng xếp thành lưới. Đó là dấu vết của ứng suất còn lại trong kính cường lực sau quá trình tôi nhiệt. Kính bị ứng suất làm thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng trời đi qua, và kính râm biến sự thay đổi đó thành sáng tối. Kỹ sư dùng chính hiệu ứng này (quang đàn hồi) để kiểm tra ứng suất trong mô hình chi tiết máy bằng nhựa.

Con ong, con kiến đọc được phân cực

Ong mật và nhiều loài côn trùng có mắt cảm nhận được phương phân cực của bầu trời. Nhờ đó chúng biết hướng Mặt Trời ngay cả khi Mặt Trời bị mây che, miễn còn một mảng trời xanh. Đây là kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng kỹ, bắt đầu từ công trình của Karl von Frisch về ong mật.

"Đá mặt trời" của người Viking

Các truyện kể Bắc Âu thời trung cổ nhắc tới "đá mặt trời". Một số nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng đó là một loại tinh thể như đá băng lan (calcite trong suốt), có thể giúp người đi biển dò ra vị trí Mặt Trời qua phân cực của trời khi trời nhiều mây. Thí nghiệm hiện đại cho thấy cách này khả thi về mặt vật lý, nhưng chưa có bằng chứng khảo cổ chắc chắn rằng người Viking thật sự dùng — đây vẫn là giả thuyết.

Hiểu lầm thường gặp

• "Kính phân cực là kính râm tối hơn." Độ tối không nói lên phân cực. Một tròng kính rất tối vẫn có thể không phân cực, và không cắt được ánh loá mặt nước.
• "Kính phân cực bảo vệ mắt khỏi tia cực tím tốt hơn." Lớp phân cực và lớp chống tia UV là hai thứ riêng. Kính có thể có cái này mà không có cái kia; cần xem nhãn của nhà sản xuất.
• "Đeo kính phân cực có thể nhìn Mặt Trời." Tuyệt đối không. Kính phân cực chỉ giảm một phần ánh sáng, không đủ bảo vệ võng mạc khi nhìn thẳng Mặt Trời, kể cả lúc hoàng hôn hay nhật thực.
• "Kính phân cực luôn tốt hơn khi lái xe." Nó cắt loá rất tốt, nhưng có thể làm khó đọc một số màn hình LCD trong xe hay vết băng mỏng trên đường ở xứ lạnh. Phần lớn người lái vẫn thấy lợi nhiều hơn hại.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Kiểm tra kính của mình có phân cực không

1. Mở điện thoại hoặc màn hình máy tính hiển thị một trang trắng.
2. Cầm kính râm trước màn hình, nhìn qua một tròng, rồi xoay kính từ từ 90°.
3. Nếu màn hình tối hẳn hoặc đổi màu ở một góc xoay: kính phân cực. Nếu chỉ tối đều không đổi: kính thường. (Một số màn hình OLED đời mới có lớp chống loá khiến hiệu ứng yếu; thử thêm màn hình khác.)
4. Hai chiếc kính phân cực đặt chồng lên nhau rồi xoay một chiếc: tới góc 90° hai tròng chồng lên nhau gần như tối đen.

Săn góc Brewster bên ao

1. Đứng ở bờ ao, bờ hồ có lan can an toàn, ngày nắng.
2. Cầm kính phân cực trước mắt, nhìn mặt nước ở những khoảng cách khác nhau: sát chân, cách vài bước, ra xa.
3. Xoay kính qua lại và để ý: ở khoảng cách vài bước (tia nhìn chếch chừng 35–40° so với mặt nước), ánh loá có thể tắt gần như hết khi kính ở đúng góc. Sát chân hay ở rất xa, kính chỉ giảm được một phần.

Tìm vành đai phân cực của bầu trời

1. Quay lưng che Mặt Trời bằng mái nhà hoặc thân cây — không để Mặt Trời lọt vào tầm nhìn.
2. Duỗi thẳng một tay chỉ về phía Mặt Trời (không nhìn theo), tay kia giơ vuông góc với tay đó. Tay thứ hai chỉ vào vùng trời phân cực mạnh.
3. Nhìn vùng trời đó qua kính phân cực, nghiêng đầu sang trái, sang phải: trời tối đi sáng lại rõ rệt. Nhìn về vùng trời khác, hiệu ứng yếu hơn.