Cầu vồng có bảy màu vì Isaac Newton chọn đếm như vậy, chứ không phải vì trên trời có đúng bảy dải tách bạch. Ánh sáng Mặt Trời bị giọt mưa tách thành một dải màu liên tục, từ đỏ chuyển dần sang tím; Newton chia dải ấy thành bảy phần và đặt tên, một phần vì ông muốn nó khớp với bảy nốt của thang âm nhạc. Con số bảy là một quy ước khoa học pha chút triết học, rồi được sách giáo khoa khắp thế giới, kể cả Việt Nam, giữ lại tới hôm nay.
Trước Newton, người ta đếm cầu vồng thế nào
Cầu vồng là hiện tượng ai cũng thấy, nên ai cũng muốn đếm. Aristotle, trong tác phẩm Khí tượng học (thế kỷ 4 TCN), mô tả cầu vồng có ba màu chính: đỏ, lục và tím, cộng thêm một vệt vàng ông cho là do hai màu cạnh nhau tạo ra. Suốt thời Trung cổ châu Âu, nhiều học giả theo con số ba hoặc bốn của Aristotle. Nhà khoa học Ba Tư Kamal al-Din al-Farisi và tu sĩ người Đức Theodoric xứ Freiberg, vào khoảng đầu thế kỷ 14, đã làm thí nghiệm với bình thuỷ tinh tròn đựng nước để mô phỏng giọt mưa và giải thích được đường đi của tia sáng, nhưng vẫn không thống nhất được số màu.
Điều đáng chú ý là người xưa không hề "sai". Một dải màu liên tục thì muốn chia mấy cũng được. Khi mắt người nhìn cầu vồng thật ngoài trời, các vùng giữa thường mờ và hoà vào nhau; nhiều người chỉ phân biệt rõ được đỏ, vàng, lục và một vùng xanh tím. Con số bao nhiêu phụ thuộc vào người đếm, vào ngôn ngữ họ dùng và vào độ đậm của cầu vồng hôm đó.
Thí nghiệm lăng kính và quyết định của Newton
Khoảng năm 1665–1666, khi Đại học Cambridge đóng cửa vì dịch hạch, Newton về quê ở Woolsthorpe và làm nhiều thí nghiệm quang học. Ông cho một chùm sáng Mặt Trời lọt qua lỗ nhỏ trên cửa sổ, chiếu vào lăng kính thuỷ tinh, và thu được trên tường một dải màu dài chứ không phải một đốm tròn. Từ đó ông kết luận: ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều màu, mỗi màu bị lăng kính bẻ lệch một mức khác nhau. Năm 1672 ông công bố kết quả trên tạp chí của Hội Hoàng gia Anh, và năm 1704 in thành sách Opticks.
Trong các ghi chép đầu, Newton mô tả dải màu với năm màu: đỏ, vàng, lục, lam và tím. Về sau ông thêm cam vào giữa đỏ và vàng, thêm chàm (indigo) vào giữa lam và tím, thành bảy. Lý do ông nêu ra là sự tương đồng với âm nhạc: một quãng tám có bảy bậc âm, và Newton tin rằng thiên nhiên có một sự hài hoà chung giữa âm thanh và ánh sáng. Ông thậm chí chia độ rộng của bảy vùng màu theo tỉ lệ các khoảng trong một thang âm. Ngày nay ta biết sự so sánh này không có cơ sở vật lý, nhưng con số bảy thì ở lại.
Bảy cũng là con số mang nhiều ý nghĩa trong văn hoá châu Âu thời đó: bảy ngày trong tuần, bảy thiên thể nhìn thấy bằng mắt thường (Mặt Trời, Mặt Trăng và năm hành tinh), bảy môn khai phóng. Các nhà sử học khoa học thường cho rằng niềm tin vào những con số "đẹp" như vậy góp phần vào lựa chọn của Newton.
Bảy màu tương ứng với bước sóng nào
Vật lý hiện đại mô tả màu của ánh sáng bằng bước sóng, đo bằng nanomet (nm, một phần tỉ mét). Mắt người nhìn thấy được khoảng từ 380 đến 750 nm. Bảng dưới đây là cách chia thường gặp trong sách phổ thông; ranh giới giữa các màu chỉ là gần đúng, mỗi tài liệu có thể lệch vài chục nanomet.
| Màu | Khoảng bước sóng gần đúng | Độ lệch qua lăng kính |
|---|---|---|
| Đỏ | 620–750 nm | Ít nhất |
| Cam | 590–620 nm | Ít |
| Vàng | 570–590 nm | Trung bình |
| Lục | 495–570 nm | Trung bình |
| Lam | 450–495 nm | Nhiều |
| Chàm | khoảng 420–450 nm (còn tranh cãi) | Nhiều hơn |
| Tím | 380–420 nm | Nhiều nhất |
Nhìn bảng sẽ thấy các vùng không đều nhau. Vùng lục rất rộng, vùng vàng và cam lại hẹp. Đó cũng là lý do khi nhìn cầu vồng thật, ta thấy dải vàng mảnh hơn nhiều so với dải lục. Cột cuối cùng giải thích thứ tự màu: ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì bị thuỷ tinh hay nước bẻ cong càng mạnh, nên tím đi lệch nhiều nhất và đỏ đi lệch ít nhất.
"Lam" của Newton có phải là "lam" của chúng ta
Một chi tiết thú vị mà nhiều nhà nghiên cứu đã chỉ ra: từ "blue" thời Newton có thể chỉ một sắc xanh nhạt hơn, gần với màu mà ngày nay ta gọi là xanh lơ (cyan). Còn "indigo" của ông, lấy tên từ thuốc nhuộm chàm nhập từ Ấn Độ, có lẽ lại gần với màu xanh lam đậm hiện nay. Nếu cách hiểu này đúng thì bảy màu của Newton không lệch đi đâu cả, chỉ là tên gọi đã trượt nghĩa qua hơn ba thế kỷ. Đây là một giả thuyết hợp lý chứ chưa phải kết luận chắc chắn, vì ta không thể hỏi lại Newton đã thấy chính xác sắc nào.
Chuyện này cho thấy một điều quan trọng: tên màu luôn gắn với ngôn ngữ và thời đại. Tiếng Việt cũng vậy. Chữ "xanh" trong tiếng Việt có thể chỉ cả màu lá cây lẫn màu trời, nên khi học bảy màu cầu vồng, sách giáo khoa phải dùng hai từ Hán Việt riêng là "lục" và "lam" để tách bạch.
Các nền văn hoá khác đếm mấy màu
Không phải nơi nào cũng nói cầu vồng có bảy màu. Ở nhiều nước, con số bảy chỉ phổ biến sau khi khoa học phương Tây được đưa vào trường học. Một số truyền thống dân gian mô tả cầu vồng có ba, năm hoặc sáu màu. Ở Mỹ hiện nay, nhiều tài liệu phổ thông bỏ hẳn màu chàm và chỉ dạy sáu màu. Khi đọc truyện cổ hay văn bản cũ của một dân tộc, đừng vội cho rằng họ "đếm thiếu"; họ chỉ chia dải màu theo những từ mà ngôn ngữ của họ có.
Ở Việt Nam, dân gian gọi cầu vồng là cái mống, cái vồng, và ít khi đếm màu cụ thể. Con số "bảy sắc cầu vồng" đi vào lời ăn tiếng nói chủ yếu qua sách giáo khoa và văn chương hiện đại.
Góc nhìn hôm nay: nên dạy bảy màu thế nào cho đúng
Bảy màu vẫn là cách dạy tiện lợi: dễ nhớ, có thứ tự rõ, giúp học sinh hình dung khái niệm tán sắc. Điều cần nói thêm là dải màu liên tục, giữa đỏ và cam có vô số sắc chuyển tiếp, và con số bảy là do con người chọn. Một thí nghiệm nhỏ giúp thấy điều này: chiếu đèn pin hay ánh nắng qua một lăng kính hoặc một cốc nước đầy lên tờ giấy trắng, rồi nhờ vài người cùng đếm số màu họ thấy. Kết quả hiếm khi giống nhau.
Ai muốn đọc sâu có thể tìm bản dịch hoặc bản gốc Opticks của Newton (bản tiếng Anh có sẵn miễn phí trên các thư viện số vì đã hết bản quyền), chương tán sắc ánh sáng trong sách Vật lý trung học phổ thông, và các cuốn sách phổ biến khoa học về lịch sử quang học. Những bảo tàng khoa học lớn thường có góc thí nghiệm lăng kính để tự tay tạo dải màu.
Câu hỏi thường gặp
Cầu vồng có mấy màu?
Theo quy ước phổ biến do Newton đặt ra, cầu vồng có bảy màu: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Thực ra dải màu là liên tục, có vô số sắc chuyển tiếp, nên con số bảy là cách chia của con người chứ không phải giới hạn tự nhiên.
Ai là người nói cầu vồng có bảy màu?
Isaac Newton, nhà khoa học người Anh, sau các thí nghiệm lăng kính khoảng năm 1666. Ông ban đầu mô tả năm màu, sau thêm cam và chàm để đủ bảy, một phần vì muốn khớp với bảy bậc của thang âm.
Vì sao trong cầu vồng đỏ luôn ở ngoài, tím ở trong?
Ánh sáng đỏ có bước sóng dài nên bị nước bẻ cong ít nhất, tím có bước sóng ngắn nên bị bẻ cong nhiều nhất. Sự chênh lệch này khiến các màu ló ra khỏi giọt mưa theo những góc hơi khác nhau, và với cầu vồng chính, đỏ nằm ở mép ngoài.
Có phải người Mỹ chỉ dạy sáu màu cầu vồng?
Nhiều tài liệu phổ thông ở Mỹ và một số nước bỏ màu chàm vì khó phân biệt với lam và tím, nên chỉ còn sáu màu. Sách giáo khoa Việt Nam vẫn dạy bảy màu theo truyền thống Newton.
Bước sóng ánh sáng mắt người nhìn thấy là bao nhiêu?
Khoảng 380 đến 750 nanomet. Ngắn hơn là tia tử ngoại, dài hơn là tia hồng ngoại, cả hai mắt người đều không thấy.