Mặt nước phản chiếu theo góc: vì sao gần thấy đáy, xa chỉ thấy trời

Nhìn thẳng xuống chân thì mặt nước chỉ phản xạ khoảng 2% ánh sáng, phần còn lại đi xuyên vào nước, nên ta thấy đáy. Nhìn ra xa, tia nhìn lướt gần sát mặt nước, và ở góc lướt ấy mặt nước phản xạ phần lớn ánh sáng như một tấm gương, nên ta chỉ thấy ảnh của trời. Cùng một mặt hồ, độ "gương" của nó thay đổi hoàn toàn theo góc nhìn — đó là quy luật chung của mọi bề mặt trong suốt nhẵn như nước, kính, nhựa bóng.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Đứng trên cầu cạn ven hồ, ao hay trên mạn thuyền một ngày trời quang, nước trong:

• Ngay dưới chân: thấy rõ đá cuội, rong, cá bơi, bóng của chính mình mờ mờ.
• Cách vài mét: đáy bắt đầu nhạt đi, trên mặt nước thấp thoáng ảnh cây bờ bên kia.
• Ra xa hàng chục mét: mặt hồ thành một tấm gương phản chiếu trời, mây, núi; không còn thấy gì bên dưới.

Cảnh quen thuộc này có ở ruộng bậc thang mùa nước đổ vùng Tây Bắc, hồ Tây ở Hà Nội lúc lặng gió, đầm phá ven biển miền Trung. Ảnh chụp ruộng bậc thang "soi bóng trời" luôn được chụp từ xa, ở góc thấp — chụp thẳng từ trên xuống thì chỉ thấy bùn và mạ.

Một biến thể ai cũng gặp: đi xe đêm sau mưa, mặt đường ướt phía xa loá chói đèn pha xe ngược chiều, trong khi đoạn đường ngay trước bánh xe vẫn sẫm màu.

Cơ chế: bao nhiêu ánh sáng bị dội lại

Khi ánh sáng chạm mặt phân cách giữa không khí và nước, nó tách làm hai phần: một phần phản xạ, một phần khúc xạ đi vào nước. Tỉ lệ giữa hai phần không cố định mà phụ thuộc góc tới (góc giữa tia sáng và đường thẳng đứng vuông góc mặt nước). Các công thức mô tả tỉ lệ này mang tên nhà vật lý Pháp Augustin-Jean Fresnel, đưa ra đầu thế kỷ 19.

Các con số là cho mặt nước phẳng lặng và ánh sáng không phân cực; nước có sóng gợn sẽ làm tỉ lệ thay đổi theo từng chỗ.

Vì sao 2% mà đã "chói" được

Chỉ 2% nghe ít, nhưng điều ta cảm nhận là so sánh giữa ánh sáng phản xạ và ánh sáng từ dưới nước đi lên. Đáy hồ thường tối, ánh sáng từ đáy đi lên qua mấy mét nước còn rất yếu. Trời thì sáng. Khi phần phản xạ của trời vượt ánh sáng từ đáy, mắt chỉ còn thấy trời. Ở góc nhìn xa, phần phản xạ đã lên vài chục phần trăm, ánh sáng từ đáy lại phải đi xiên một quãng dài trong nước nên càng yếu — đáy biến mất hoàn toàn.

Cũng vì thế mà mặt hồ phía bờ có cây rậm, nước trông trong hơn: thứ phản chiếu ở đó là tán cây tối, không lấn át được ánh sáng từ đáy.

Mắt ta không quyết định, chính ánh sáng quyết định

Chuyện không phải là "mắt nhìn xa nên kém đi". Đặt máy ảnh ở góc thấp, máy cũng chỉ ghi được ảnh trời. Đặt máy ảnh trên cao chĩa thẳng xuống, máy thấy đáy. Tính chất gương hay trong suốt nằm ở mặt nước và góc của tia sáng.

Biến thể và hiện tượng họ hàng

Mặt biển xa sáng hơn mặt biển gần

Đứng trên bãi nhìn ra biển, phần biển sát chân trời thường sáng bạc, gần như cùng màu với trời, trong khi biển gần bờ xanh thẫm hơn. Phần xa là ảnh phản chiếu của trời ở góc lướt; phần gần là ánh sáng tán xạ từ trong lòng nước mang màu của nước. Màu nước biển là chuyện riêng, nhưng độ sáng tăng dần ra xa là do góc phản xạ.

Cửa sổ của con cá

Theo chiều ngược lại, một con cá nhìn lên từ dưới nước thấy toàn bộ bầu trời bị nén vào một vòng tròn trên đầu (góc mở khoảng 97°); ngoài vòng tròn đó mặt nước như tấm gương phản chiếu đáy hồ. Vòng tròn này được gọi là "cửa sổ Snell". Người lặn có thể tự thấy khi ngửa mặt nhìn lên.

Mặt đường ướt ban đêm

Mặt đường nhựa khô nhám, tán xạ ánh sáng ra mọi hướng. Khi ướt, một màng nước nhẵn phủ lên, biến mặt đường thành gương ở góc lướt. Người lái xe nhìn đường phía xa ở góc rất thấp nên thấy đèn pha xe ngược chiều phản chiếu loá cả một vệt dài, và vạch kẻ đường như biến mất. Đây là lý do lái xe đêm mưa phải giảm tốc độ.

Bàn bóng, sàn gạch men, màn hình tắt

Mọi bề mặt nhẵn đều theo quy luật này. Mặt bàn gỗ đánh bóng nhìn thẳng thấy vân gỗ, nhìn lướt thấy ảnh cửa sổ. Màn hình điện thoại tắt cũng vậy.

Hiểu lầm thường gặp

• "Nhìn xa không thấy đáy vì nước đục hơn." Nước đục có góp phần, nhưng ngay cả hồ cực trong cũng thành gương ở góc lướt. Đứng xuống mép nước nhìn thẳng chỗ xa ấy là lại thấy đáy.
• "Mặt nước phản xạ được là vì có lớp gì đó trên mặt." Không cần lớp dầu hay bụi nào. Bất kỳ ranh giới nào giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau đều phản xạ, nước sạch nguyên chất cũng vậy.
• "Ở góc lướt nước phản xạ toàn phần." Phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi ánh sáng đi từ nước ra không khí. Đi từ không khí vào nước thì phản xạ tăng dần khi góc lướt hơn, chạm 100% chỉ ở góc lướt tuyệt đối.
• "Đáy hồ trông nông là do phản xạ." Đáy trông nông hơn thật là do khúc xạ khi ánh sáng ra khỏi nước, hiện tượng khác.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Thí nghiệm với chậu nước trong nhà

1. Lấy một chậu hoặc khay sâu màu sẫm, đổ đầy nước. Thả xuống đáy một đồng xu hoặc chiếc lá sáng màu.
2. Đặt chậu gần cửa sổ sáng. Đứng nhìn thẳng từ trên xuống: thấy rõ đồng xu.
3. Từ từ hạ thấp người, nhìn chậu ở góc ngày càng xiên. Tới một lúc ảnh cửa sổ phản chiếu sẽ lấn át và đồng xu biến mất dù vẫn nằm đó.
4. Thay chậu nền sẫm bằng chậu nền trắng: đồng xu "biến mất" muộn hơn, vì ánh sáng từ đáy mạnh hơn.
5. Thử lại vào ban đêm với đèn phòng tắt và một đèn pin chiếu vào đáy chậu: tấm gương gần như biến mất, vì không còn gì sáng để phản chiếu.

Quan sát ngoài trời

• Ở bờ hồ, ao, chụp hai tấm cùng một chỗ trên mặt nước: một tấm đứng thẳng chĩa xuống, một tấm ngồi thấp. So hai ảnh.
• Nếu có kính râm phân cực, đeo vào nhìn mặt hồ ở góc chừng 35–40° so với mặt nước: phần lớn ảnh phản chiếu biến mất, đáy hiện lại. Lý do nằm ở bài về kính phân cực.
• Đứng ở chỗ có lan can, bờ kè chắc chắn, không cúi người quá mép nước; trẻ nhỏ luôn có người lớn đi kèm ở ao hồ.