Câu hỏi khoa học, mà trẻ em hỏi cha mẹ, thường xuyên nhất là gì?
Đó là: Tại sao bầu trời lại có màu xanh?
Dữ liệu cho thấy đại đa số các bậc cha mẹ đều gặp khó khăn trong việc trả lời một câu đố được giải cách đây một thế kỷ rưỡi bởi một người Ireland tò mò: nhà vật lý John Tyndall.
Sinh ra ở thị trấn nhỏ Leighlinbridge, con trai của một người cha là cảnh sát và một người mẹ bị tước quyền thừa kế vì kết hôn với cha mình, Tyndall (2 tháng 8 năm 1820 – 4 tháng 12 năm 1893) là một trong những nhà khoa học hiếm hoi có tên trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Đó là: Gây mê, hiệu ứng nhà kính, khử trùng thực phẩm, lần đầu tiên leo lên đỉnh núi Weisshorn, các nguyên tắc của sợi quang hoặc bay từ trường. Vâng, chính là John Tyndall.
Chính thức, John Tyndall bắt đầu sự nghiệp của mình với tư cách là một nhà vật lý nổi tiếng nhờ những nghiên cứu về ‘lực nghịch từ’, lực đẩy làm cơ sở cho các chất siêu dẫn hoặc từ tính máy bay.
Những nghiên cứu này đã mang lại cho ông sự đánh giá cao từ nhà vật lý Michael Faraday, người đã trở thành người cố vấn của ông. Tuy nhiên, có lẽ những đóng góp nguyên bản nhất của Tyndall là trong lĩnh vực năng lượng bức xạ – sau này được gọi là tia hồng ngoại – của chất khí.
Chứng minh hiệu ứng nhà kính
Chính điều này đã khiến ông phát hiện ra sự hấp thụ tia hồng ngoại cao của hơi nước, từ đó chứng minh hiệu ứng nhà kính của bầu khí quyển trái đất, điều mà cho đến lúc đó chỉ là suy đoán.
Nhưng những nghiên cứu này cũng đưa ông đến một con đường kỳ lạ: Bằng cách phát minh ra một thiết bị đo lượng CO2 mà hơi thở con người thở ra thông qua sự hấp thụ tia hồng ngoại của nó, ông đã đặt nền móng cho kỹ thuật chụp ảnh động, hệ thống được sử dụng ngày nay để theo dõi hô hấp của người gây mê hoặc chăm sóc bệnh nhân.
Đây không phải là bước đột phá duy nhất của Tyndall vào y sinh học, cũng không phải là bước đột phá khiến Đại học Tübingen trao cho ông bằng bác sĩ danh dự.
Nửa thế kỷ trước Alexander Fleming, ông là một trong số các nhà khoa học đã nghiên cứu độc lập đặc tính diệt khuẩn của nấm Penicillium. Mối quan tâm của Tyndall đối với không khí, tài liệu nghiên cứu chính của ông, đã giúp ông thành công trong việc bảo quản nước dùng đun sôi trong môi trường không có mầm bệnh, một thí nghiệm mà Louis Pasteur đã bỏ lỡ.
Và khi các bào tử vi khuẩn làm nhiễm bẩn nước dùng của ông, ông đã phát minh ra phương pháp khử trùng thực phẩm đầu tiên để tiêu diệt những dạng kháng thuốc này.
Trong khi tình yêu leo núi đã đưa ông lên đỉnh Weisshorn lần đầu tiên và dẫn đầu một trong những người đầu tiên leo núi Matterhorn, Tyndall tự giải trí bằng cách nghiên cứu động lực học của sông băng.
Và giữa nghề này với nghề khác, ông vẫn có thời gian để thực hiện một niềm đam mê lớn khác, đó là phổ biến khoa học. Sách của ông là một trong những ví dụ tiên phong tốt nhất về việc phổ biến khoa học cho độc giả không chuyên.
Phát biểu trước đông đảo khán giả ở Anh và Mỹ, Tyndall đã khiến khán giả kinh ngạc khi chỉ ra cách một tia sáng bị bẻ cong, khi đi qua một dòng nước, nguyên tắc dựa trên sợi quang học.
Bí ẩn của bầu trời xanh
Và Tyndall giải thích tại sao bầu trời có màu xanh. Ông đã làm như vậy vào những năm 1860 tại Học viện hoàng gia ở London, nơi ông giảng dạy vật lý trong 34 năm.
Trong quá trình nghiên cứu năng lượng bức xạ của không khí, ông đã chế tạo một ống thủy tinh mô phỏng bầu khí quyển, với một nguồn sáng trắng ở đầu đóng vai trò là mặt trời. Tyndall quan sát thấy rằng, khi khói được hút vào trong ống, chùm ánh sáng xuất hiện hơi xanh từ một bên của ống, nhưng hơi đỏ từ đầu đối diện với nguồn.
Hiện tượng này khiến ông đề xuất rằng, các hạt bụi và hơi nước trong bầu khí quyển đã phân tán ánh sáng xanh đến mắt chúng ta. Ngày nay chúng ta biết rằng, màu xanh tán xạ nhiều hơn do bước sóng ngắn hơn, trong khi màu đỏ xuyên qua nhiều hơn vì đây là bước sóng dài nhất của ánh sáng khả kiến.
Khi đường đi của ánh sáng trong không khí tăng lên, như xảy ra vào lúc mặt trời mọc và lặn với mặt trời thấp hơn, màu lam tán xạ trước khi nó đến đường ngắm của chúng ta và chúng ta quan sát thấy sự tán xạ của màu đỏ.
Điều thú vị là Tyndall đã hiểu sai.
Cái gọi là hiệu ứng Tyndall ngày nay mô tả hiện tượng phân tán các hạt mịn này trong chất lỏng, nhưng những gì chúng ta thấy trên bầu trời thực sự là cái gọi là tán xạ Rayleigh, gây ra bởi chính các phân tử không khí có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng (và không phải do các hạt bụi lớn).
