Khi tiến hành các thí nghiệm liên quan đến bức xạ nhiệt, nhà khoa học William Herschel đã phát hiện ra ánh sáng hồng ngoại, một loại ánh sáng không nhìn thấy được ở ngoài phạm vi của ánh sáng đỏ.
Nếu một thứ gì đó được truyền đi giống như ánh sáng, khúc xạ và tán sắc giống như ánh sáng thì nó có phải là ánh sáng hay không? William Herschel, một nhà thiên văn học và người xây dựng kính viễn vọng nổi tiếng, trong lúc đang tối ưu hóa các bộ lọc để quan sát Mặt trời thì ông bị phân tâm bởi chuỗi suy nghĩ này. Không lâu sau đó, ông đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để giải đáp thắc mắc của mình. Ông trở thành người đầu tiên phát hiện ra bức xạ hồng ngoại và đề xuất sự tồn tại của ánh sáng ngoài phạm vi nhìn thấy được.
William Herschel sinh ra tại Hanover, Đức vào năm 1738. Cha ông là nhạc công thổi kèn ô-boa trong quân đội, và bản thân ông thời trẻ cũng tham gia ban nhạc quân đội. Đến giữa những năm 1760, ông chuyển đến Bath (Anh), vừa làm nhạc công vừa tự học ngoại ngữ, toán học, quang học và thiên văn học trong thời gian rảnh rỗi.
“Khi bắt đầu nghiên cứu thiên văn học, tôi quyết tâm không tin vào bất kỳ điều gì một cách mù quáng hoặc chỉ dựa vào đức tin, mà phải tận mắt chứng kiến mọi thứ”, Herschel viết trong một bức thư gửi biên tập viên của tạp chí Khoa học và Văn học Göttingen vào năm 1783.
Chiếc kính thiên văn đầu tiên mà Herschel sử dụng để quan sát bầu trời có kích thước khá nhỏ. Vì vậy, ông mong muốn có một công cụ tốt hơn. Sau khi học cách mài và đánh bóng gương, ông đã chế tạo thành công một chiếc kính viễn vọng phản xạ quy mô lớn vào năm 1774. Nó có tiêu cự lên tới 2,1m. Nhờ sự trợ giúp của em gái Caroline vàanh trai Alexander, ông tiếp tục tạo ra những kính thiên văn thậm chí còn lớn hơn nữa, với tiêu cự lần lượt là 3m, 6m, 12m. Đây là những công cụ quan sát bầu trời tốt nhất trong thời đại của họ.
Ngay sau khi Herschel phát hiện ra sao Thiên Vương vào năm 1781, vua George III của nước Anh đã mời ông trở thành nhà thiên văn học phục vụ cho hoàng gia, và ông nhanh chóng trở nên nổi tiếng trong giới học thuật. Những quan sát của ông về Mặt trời đã tạo tiền đề cho bước đột phá mới nhằm tìm hiểu “bản chất của ánh sáng”.
Lúc bấy giờ, “ánh sáng” là thuật ngữ dùng để mô tả ánh sáng nhìn thấy được, hoặc ánh sáng khả kiến. Giới khoa học vẫn chưa khám phá ra ánh sáng hồng ngoại, tia cực tím và phần còn lại của quang phổ điện từ. Nhiều thập kỷ sau, nhà khoa học James Clerk Maxwell mới phát triển lý thuyết bức xạ điện từ và Albert Einstein đề xuất khái niệm photon ánh sáng.
Vào thời điểm đó, thậm chí Isaac Newton còn đang tranh cãi với Christiaan Huygens về vấn đề ánh sáng là một dòng các hạt nhỏ, hay là một dạng sóng? Các nhà khoa học đương thời cũng đang đi sâu vào bản chất của nhiệt. Lý thuyết thịnh hành do Antoine Lavoisier đề xuất cho rằng nhiệt là một chất lỏng vô hình chảy từ vật nóng sang vật lạnh và lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cấu thành nên vật thể. Ánh sáng và nhiệt được coi là những thực thể riêng biệt, cả hai đều chảy từ Mặt trời xuống Trái đất.
Mọi chuyện thay đổi khi Herschel nghiên cứu về vấn đề này. Trong nhiều năm quan sát Mặt trời, ông đã sử dụng các mảnh kính màu để giảm lượng ánh sáng và nhiệt truyền qua kính thiên văn. Khi thử nghiệm những cách kết hợp màu sắc khác nhau [bằng cách xếp chồng các mảnh kính màu], ông đã có một khám phá đáng kinh ngạc. Cụ thể, một số cách kết hợp màu sắc chặn hầu hết nhiệt nhưng lại cho phép hầu hết ánh sáng đi qua, trong khi những cách kết hợp khác chặn hầu hết ánh sáng nhưng lại cho phép nhiệt đi qua dễ dàng. Hơn nữa, các kết hợp màu sắc khác nhau tạo ra hình ảnh Mặt trời có màu sắc riêng biệt.
Trong một bài báo Herschel trình bày trước Hội Hoàng gia London vào tháng 3/1800, ông đặt ra câu hỏi liệu sức nóng của ánh sáng có thay đổi theo màu sắc hay không? “Tôi chợt nghĩ rằng, các tia sáng đi qua lăng kính có khả năng làm nóng các vật thể một cách không đồng đều”, Herschel viết trong bài báo.
Herschel đã kiểm tra sự phân bố nhiệt thông qua một thí nghiệm. Ông đặt một lăng kính ở cửa sổ để ánh sáng Mặt trời xuyên qua, tạo ra cầu vồng trên chiếc bàn gần đó. Sau đó, ông đặt một tấm thẻ nằm giữa lăng kính và bàn. Tấm thẻ có một khe hẹp, có khả năng chặn tất cả các màu sắc trừ một dải màu hẹp chiếu xuống bàn.
Herschel sử dụng ba chiếc nhiệt kế, một chiếc dùng để đo nhiệt độ ở vùng bàn được chiếu sáng và hai chiếc còn lại đo nhiệt độ ở vùng bóng của tấm thẻ trên mặt bàn. Herschel tỉ mỉ ghi lại nhiệt độ đối với các dải ánh sáng đỏ, xanh lá cây và tím.
Ở mỗi lần thử nghiệm, nhiệt độ bên trong vùng ánh sáng đều cao hơn vùng bóng tối. Màu đỏ cho nhiệt độ cao nhất, tiếp theo là xanh lá cây và tím. Herschel kết luận rằng “bức xạ nhiệt” trong ánh sáng Mặt trời bị lăng kính khúc xạ theo định luật tán sắc – giống hệt như ánh sáng.
Herschel đặt ra câu hỏi nghi vấn, nếu bức xạ nhiệt phân bố không đều giữa các màu sắc, thì cường độ chiếu sáng giữa các màu sắc cũng có thể không đồng đều? Nói cách khác, các vật thể dễ dàng được nhìn thấy ở một số màu sắc nhất định so với những màu sắc khác. Để kiểm chứng điều này, ông đặt các vật nhỏ dưới kính hiển vi. Ông chiếu sáng chúng mỗi lần chỉ bằng một màu ánh sáng (cam, vàng, lục, lam, chàm và tím), tương tự như thí nghiệm đầu tiên.
Bằng cách đánh giá cẩn thận mức độ dễ nhìn thấy của các vật thể khác nhau dưới các màu sắc khác nhau, Herschel kết luận: “Cường độ chiếu sáng tối đa nằm ở vùng màu vàng, hoặc xanh lá cây nhạt nhất”. Như chúng ta đã biết, độ nhạy của mắt người đạt mức tối đa trong phạm vi này.
Suy ngẫm về cả hai thí nghiệm, Herschel trình bày trước Hội Hoàng gia London: “Hãy xem xét quang phổ từ ánh sáng tím đến ánh sáng đỏ. Cường độ chiếu sáng bắt đầu ở mức thấp, đạt đỉnh rồi giảm dần. Nhưng bức xạ nhiệt lại bắt đầu ở mức thấp, tăng lên và tiếp tục tăng. Liệu đỉnh nhiệt có nằm ngoài vùng ánh sáng khả kiến hay không?”
Trong các thí nghiệm được ông đề cập trong bài báo khoa học vào tháng 3/1800, Herschel đã tìm ra câu trả lời. Ông viết rằng: “Màu đỏ vẫn chưa đạt đến mức nhiệt tối đa. Nếu đỉnh của bức xạ nhiệt vượt ra ngoài màu đỏ thì các tia sáng Mặt trời phải bao gồm cả loại ánh sáng vô hình, mắt người không nhìn thấy được”. Đây là một ý tưởng mới lạ và có vẻ mâu thuẫn với niềm tin của các nhà khoa học đương thời – khi nhìn nhận một thứ vô hình là ánh sáng, và Herschel đã trở thành người đầu tiên phát hiện ra bức xạ hồng ngoại.
Bài báo của Herschel được cộng đồng khoa học đón nhận một cách tích cực, mặc dù không tránh khỏi những lời chỉ trích do thí nghiệm của ông rất khó lý giải một cách chính xác dựa trên kiến thức thời bấy giờ. Ông bắt đầu quay trở lại công việc quan sát bầu trời, và khám phá thêm những điều mới mẻ trong 20 năm tiếp theo trước khi qua đời vào năm 1822.
Những thí nghiệm về ánh sáng của Herschel là tiền đề để các nhà khoa học như Johann Wilhelm Ritter và Wilhelm Conrad Röntgen khám phá ra toàn bộ quang phổ ánh sáng. Đó cũng là nền móng quan trọng giúp James Clerk Maxwell và Max Planck xây dựng cơ sở lý thuyết cho bức xạ điện từ.