LƯỠNG TÍNH SÓNG HẠT CỦA ÁNH SÁNG

1. BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG?
René Descartes, một nhà triết học nổi tiếng người Pháp, cho rằng ánh sáng là sóng. Sau đó, nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens đã kế thừa và phát triển ý tưởng này vào những năm cuối thế kỷ 17, khi mà câu hỏi về bản chất của ánh sáng đang chiếm lĩnh vũ đài khoa học. Quan niệm của vật lý cổ điển trong thời điểm đó cho rằng sóng cần một môi trường để lan truyền, rõ ràng môi trường đó không phải là không khí khi ánh sáng có thể truyền qua chân không. Để giải quyết vấn đề này, Huygens đã nêu lên giả thuyết rằng ánh sáng truyền qua một môi trường mà ông gọi là “Ether”.
Ý tưởng của Huygens không thể làm hài lòng các nhà vật lý vào thời điểm đó, đặc biệt là Isaac Newton, một trong những nhà khoa học danh tiếng. Nhà vật lý người Anh đã đề xuất một mô hình xem ánh sáng là các hạt rời rạc. Ông giải thích rằng ánh sáng được phản xạ qua gương phải mang tính chất va chạm của hạt và khúc xạ là kết quả của việc môi trường hút lấy các hạt ánh sáng và làm chúng tăng tốc độ, điều mà chúng ta biết là hoàn toàn sai, mặc dù vậy ông vẫn là người khám phá ra ánh sáng trắng có thể khúc xạ ra thành nhiều màu, dẫn đến sự ra đời của quang phổ học, một trong những đột phá trong lĩnh vực thiên văn học.
2. ÁNH SÁNG LÀ SÓNG ĐIỆN TỪ?
2.1. Thí nghiệm Young
Với danh tiếng của mình, lý thuyết hạt của Isaac Newton về ánh sáng được chấp nhận rộng rãi trong giới khoa học thời bấy giờ. Tuy nhiên, lý thuyết sóng vẫn nhen nhóm cho đến đầu thế kỉ 19. Nhà khoa học người Anh Thomas Young đã thực nghiệm một thí nghiệm đơn giản mà chúng ta đều được học ở cấp 3, thí nghiệm cho ánh sáng Mặt Trời đi qua hai khe hẹp và rọi lên một màn ảnh. Chúng ta có thể quan sát thấy những vạch sáng, tối của hệ vân giao thoa trên màn ảnh, thể hiện rõ ràng rằng ánh sáng phải là sóng.
2.2. Liệu Ether có tồn tại?
Nếu như Young đã đúng về bản chất sóng của ánh sáng, vậy liệu rằng Ether mà Huygens đề xuất cũng thực sự tồn tại? Năm 1887, hai nhà vật lý người Mỹ, Albert Michelson và Edward Morley đã giải quyết vấn đề này một cách hết sức tài tình bằng thí nghiệm Michelson-Morley. Theo lý thuyết, Ether đứng yên trong không gian, nên tốc độ ánh sáng cùng chiều với chiều chuyển động của chúng ta có vẻ nhanh hơn so với ánh sáng vuông
góc với chiều chuyển động. Hai nhà khoa học tài ba đã chế ra một giao thoa kế để gửi các chùm sáng theo hai lộ trình vuông góc trước khi phản xạ và kết hợp trở lại. Nếu tốc độ ánh sáng thật sự biến thiên như trong lý thuyết, các sóng thu được sẽ bị “lệch pha”, tạo ra một mẫu giao thoa dễ nhận biết. Nhưng dù có thử bao nhiêu lần, Michelson và Morley đều nhận được kết quả rằng tốc độ ánh sáng là như nhau với mọi hướng. Vậy Ether không hề tồn tại. Vậy làm thế nào ánh sáng có thể là sóng?
2.3 Thuyết điện từ
Năm 1865, nhà vật lý thực nghiệm Michael Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ cho thấy một mối liên hệ mật thiết giữa lực điện và lực từ vốn được coi là hai đối tượng nghiên cứu riêng biệt, tuy nhiên vì sự thiếu hụt trong nền tảng toán học của Faraday nên mãi đến năm 1865, một mô hình lý thuyết của điện từ trường mới được thiết lập bởi James Clerk Maxwell. Một trong những khám phá quan trọng của ông là sóng điện từ di chuyển tự do trong chân không và truyền đi dưới tốc độ đúng bằng tốc độ ánh sáng! Nếu Ether không tồn tại, có lẽ ánh sáng là sóng điện từ chăng?
3. BỨC XẠ ĐIỆN TỪ LÀ HẠT?
Với sự xuất hiện của ra đời của thuyết điện từ, vật lý cổ điển đã cơ bản được hoàn thiện vào cuối thế kỷ 19, thống trị một cách lâu dài và chắc chắn trong khoa học và tỏ ra rất hoàn chỉnh trong việc giải thích các hiện tượng tự nhiên. Tuy nhiên đến đầu thế kỉ 20, sự ra đời của thuyết tương đối trong nghiên cứu các hạt chuyển động với vận tốc lớn nói riêng và các hạt vi mô nói chung đã bắt đầu cho thấy sự bất lực của cơ học cổ điển trong việc giải thích một số hiện tượng vi mô như thảm họa miền tử ngoại (ultraviolet catastrophe), hiệu ứng quang điện (photoelectric effect) và hiệu ứng Compton.
3.1 Thảm hoạ miền tử ngoại:
Bức xạ nhiệt là bức xạ do vật ở nhiệt độ T > 0K phát ra, bức xạ không phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào các tính chất như hình dạng, tính chất bề mặt, bản chất của vật, vật phản xạ các bức xạ đến nhiều hay ít,… Vì vậy, để đơn giản hoá vấn đề, người ta thường chọn một vật đen tuyệt đối, là vật hấp thụ toàn bộ các bức xạ chiếu đến.
Định luật Rayleigh-Jeans được thiết lập lần đầu tiên vào năm 1900 và 1905 bởi Rayleigh và J.Jeans bằng hai phương pháp khác nhau, diễn tả sự phân bố năng lượng trong phổ của vật đen như một hàm của nhiệt độ.
Tuy nhiên, về mặt thực nghiệm, định luật Rayleigh-Jeans chỉ đúng ở miền tần số thấp và tăng lên vô hạn ở các tần số cao hơn. Sự sai khác giữa lý thuyết và thực nghiệm bắt đầu từ miền tử ngoại nên hiện tượng này còn gọi là “thảm hoạ miền tử ngoại”. Bế tắc này kéo dài mãi đến cuối thế kỷ 19 và được giải quyết nhờ sự ra đời của thuyết lượng tử năng lượng của Planck.
3.2 Thuyết lượng tử năng lượng của Planck:
Tại hội nghị ngày 14 tháng 12 năm 1900, Planck đã tạo nên một giây phút lịch sử khi đề xuất một ý tưởng táo bạo để giải quyết “Thảm họa miền tử ngoại”, rằng năng lượng của bức xạ được hấp thụ hay phát ra bị lượng tử hoá, nghĩa là chúng là bội số nguyên của một lượng năng lượng nhất định. Hiểu một cách đơn giản, nếu ta nói ta chỉ có thể nuôi hai, ba con mèo chứ không phải nửa con mèo, ta có thể nói rằng số con mèo được lượng tử hoá. Tuy là cha đẻ của lý thuyết lượng tử, nhưng tại thời điểm đó, Planck cho rằng đây là một sự can thiệp nhân tạo về mặt toán học để đưa hàm phân bố về gần với kết quả thực nghiệm.
3.3 Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein:
Dù là một trong những người phản đối mạnh mẽ cách diễn giải phi tất định của cơ học lượng tử thông qua câu nói nổi tiếng “Chúa không chơi xúc xắc”, tuy nhiên, ông lại là một trong những người có đóng góp to lớn cho sự phát triển mạnh mẽ của cơ học lượng tử đầu thế kỉ 20. Một trong số đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng khi mà electron bị bắn ra ngoài dưới sự kích thích của một nguồn sáng có tần số lớn hơn một ngưỡng nhất định, được Einstein khám phá ra vào năm 1905.
Nhờ vào hiệu ứng quang điện, ông nhận ra rằng lượng tử hoá năng lượng không chỉ là một can thiệp toán học mà thật sự diễn đạt một tính chất cơ bản của mọi bức xạ điện từ, không chỉ là của vật đen tuyệt đối. Năng lượng của sóng điện từ thay vì được truyền dưới dạng dòng liên tục, được truyền đi dưới dạng từng lượng tử nhỏ gọi là photon.
3.4 Hiệu ứng compton:
Tính chất hạt được thể hiện rõ nhất thông qua thí nghiệm của Compton vào năm 1923 về sự tán xạ của tia X lên tinh thể graphite. Kết quả thí nghiệm cho thấy sau khi đi qua môi trường graphite, chùm tia tán xạ có bước sóng lớn hơn bước sóng của tia tới và độ chênh lệch bước sóng chỉ phụ thuộc vào góc của tia tới và tia tán xạ. Tương tự như hiệu ứng quang điện, độ chênh lệch này không thể giải thích dựa trên quan điểm về sóng mà phải giải thích bằng thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein.
4. SAU TẤT CẢ, ÁNH SÁNG LÀ SÓNG HAY LÀ HẠT?
Sau tất cả những mâu thuẫn giữa các thí nghiệm mà chúng ta đã đi qua, chúng ta lại quay về với câu hỏi làm cho chúng ta đâu đầu, bản chất của ánh sáng là gì, liệu nó là sóng hay hạt, hay là đồng thời cả hai hoặc là chẳng là gì cả? Richard Feynman, một nhà vật lý người Mỹ, đoạt giải Nobel năm 1965 nhờ những đóng góp trong điện động lực học lượng tử, giải thích một cách thuyết phục trong cuốn “Những bài giảng về vật lý của Feynman” rằng: “Nó chẳng là gì trong cả hai”.
Đơn giản là vì mô hình sóng hay hạt mà chúng ta nhìn nhận dưới quan điểm cổ điện cũng chỉ là một hình thức vay mượn để giải thích sự bất lực của chúng ta trước thế giới vi mô.Vì vậy thay vì nói ánh sáng là sóng hay hạt, ta nói rằng ánh sáng đôi khi hành xử như sóng, đôi khi lại hành xử như hạt, nhưng nó chẳng là gì trong cả hai mà chỉ đơn giản là một đối tượng lượng tử mang lưỡng tính sóng hạt. Ta không cần nói bức tranh này là đúng, ta chỉ cần biết là lưỡng tính sóng hạt cần thiết cho việc mô tả đầy đủ các hiện tượng vật lý mà thôi. Dưới quan điểm của vật lý hiện đại ngày nay, ánh sáng hay photon được xem như là trường lượng tử.
5. LƯỠNG TÍNH SÓNG HẠT LÀ TÍNH CHẤT RIÊNG CỦA ÁNH SÁNG?
Năm 1924, trong luận án tiến sĩ của mình, De Broglie đã đưa ra một giả thuyết táo bạo rằng các hạt vật chất cũng có tính sóng. Ông cho rằng một hạt vật chất bất kỳ khối lượng và xung lượng thì tương ứng với một sóng De Broglie. Vậy tại sao chúng ta không thể quan sát được tính chất sóng của các vật trong cuộc sống hằng ngày, ta có thể thử tính bước sóng De Broglie của một con chó nặng 46kg di chuyển với vận tốc 10 m/s sẽ rơi vào khoảng 1.4e-36 m, quá nhỏ để quan sát bằng thực nghiệm! Chỉ khi chúng ta đi vào thế giới vi mô của các đối tượng lượng tử, các bước sóng mới đủ lớn để chúng ta quan sát.
Giả thuyết De Broglie đã được kiểm chứng độc lập nhờ thí nghiệm của Davisson và Germer ở Mỹ vào năm 1926 và G.P. Thompson ở Anh vào năm 1927 sử dụng sự nhiễu loạn của electron lên bề mặt tinh thể Nickel và quan sát sự giao thoa của chùm electron phản xạ từ bề mặt tinh thể. Vì vậy ta có thể thấy, không chỉ ánh sáng mà các hạt vi mô khác như electron cũng mang lưỡng tính sóng hạt, đó là cơ sở cho sự ra đời của cơ học lượng tử phi tất định, với nhiệm vụ mô tả chính xác một thế giới vi mô thông qua hàm sóng.

THAM KHẢO