6. Cấu trúc khóa luận
3.1.Sự hình thành quan niệm lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng
Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt. Ánh sáng được coi như những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng và bay theo đường thẳng trong môi trường đồng chất. Ông bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng vì nếu ánh sáng có bản chất sóng, như âm thanh, thì trong những điều kiện như nhau, chúng ta sẽ phải nhìn thấy ánh sáng giống như nghe thấy âm thanh.
Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các hạt của vật sáng tới mắt. Nhà vật lý học người Hà Lan này cũng bác bỏ quan điểm của Descartes cho rằng ánh sáng như một xung động lan truyền tức thời. Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng giống như sóng được sinh ra khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước.
Huygens dựa trên khái niệm ánh sáng là sóng: Sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể truyền chuyển động không những cho cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với nó mà còn cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với hạt đó và cản chuyển động của nó.
Cho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánh sáng là sóng đã thực sự được xác nhận, đặc biệt là sau kết luận của Maxwell khẳng định ánh sáng là sóng điện từ với vận tốc là 300.000 km/s. Nhưng một vấn đề được đặt ra lúc này là vận tốc này của ánh sáng được tính so với cái gì? Các phương trình của Maxwell không trả lời được cho câu hỏi này. Đi theo vết chân của Newton,
300.000 km/s là so với một chất ête tĩnh choán đầy trong vũ trụ. Nhưng ête ở
đây được làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu và có những tính chấtgì?
Theo các quan điểm của các nhà khoa học khẳng định ánh sáng là sóng từ trước cho đến cuối thế kỉ 18, ta có thể thấy được vấn đề giải mã chất “ête” trong không gian là một vấn đề rất đáng để quan tâm. Chất “ête” được đặt ra như một môi trường để truyền sóng ánh sáng. Các nhà khoa học ban đầu đã đề xuất sóng ánh sáng như sóng âm, tức phải là sóng dọc, nhưng với phát hiện của Augustin Fresnel về hiện tượng phân cực ánh sáng đã dẫn đến nhận định ánh sáng phải là sóng ngang. Như vậy, chất “ête” phải là chất rắn để có thể lan truyền được sóng ngang, nghĩa là môi trường ete phải có một mật độ cứng nhất định. Nhưng bằng cách nào mà Trái đất lại có thể chuyển động trong một môi trường cứng như vậy mà không bị chậm lại và va vào Mặt Trời? Bằng cách nào mà ête lại có thể cùng lúc vừa là một chất rắn đàn hồi lại vừa là một chất lỏng tinh tế được?
Năm 1887, nhà vật lý người Mỹ, Albert Michelson (1852-1931), và đồng nghiệp của ông là Edward Morley (1838-1923) đã thực hiện một thí nghiệm tài tình để kiểm tra sự tồn tại của ête. Hai ông đã chế tạo một dụng cụ gọi là giao thoa kế, dựa trên nguyên lý giao thoa của Thomas Young. Trong giao thoa kế này, một chùm sáng có một tần số duy nhất được chia làm hai chùm. Hai chùm này đi theo hai con đường khác nhau nhưng có cùng chiều dài, một theo phương chuyển động của trái đất, một theo phương vuông góc rồi sau đó kết hợp với nhau. Đúng ở thời điểm chúng tách khỏi nhau, hai chùm tia hoàn toàn trùng khít với nhau, nhưng khi chúng kết hợp thì sự kết hợp phụ thuộc vào vận tốc của hai chùm tia ở thời điểm đó. Nếu có xét đến sự chuyển động của Trái đất thì chắc chắn là vận tốc của 2 chùm tia này là khác nhau, nhưng kết quả thu được lại hoàn toàn khác, hai chùm tia vẫn trùng khít như lúc bị tách ra, điều đó có nghĩa vận tốc ánh sáng truyền theo 2 phương
khác nhau là không thay đổi. Trong dự đoán, với giao thoa kế của mình, Michelson và Morley về nguyên tắc có thể đo được các chênh lệch với cỡ vận tốc khoảng 1,5 km/s, tức là một phần hai mươi vận tốc của Trái đất qua chất ete giả thuyết. Nhưng rõ ràng sau nhiều lần thực hiện thí nghiệm thì hai ông đã kết luận rằng vận tốc ánh sáng không thay đổi dù nó lan truyền theo phương nào đi nữa.
Sau thí nghiệm của Michelson và Morley, con người dần phải chấp nhận rằng chất “ete” chỉ là sản phẩm bởi trí tưởng tượng, dù rằng có nhiều nhà khoa học đã cố gắng để “cứu” lấy khái niệm này. Và mọi chuyện dừng lại ở đó, cho đến khi Albert Einstein (1879-1955) đã khẳng định một nguyên nhân thật đơn giản để lí giải vấn đề trên, ông cho rằng môi trường ête là không hề tồn tại, các sóng ánh sáng, khác với các sóng khác, không cần phải có một môi trường để lan truyền. Ánh sáng có thể lan truyền trong một không gian hoàn toàn trống rỗng. Và Einstein đã giải thích quan điểm của mình bằng thuyết tương đối hẹp của mình.
Như vậy cho đến năm 1905, con người đã có một cái nhìn đúng đắn hơn về sóng ánh sáng, và đặc biệt đó là loại bỏ được khái niệm về môi trường “ete” như các nhà khoa học trước đây vẫn thường đề cập đến. Nhưng cũng trong chính năm đó, một luồng gió mới lại thổi tới trong vấn đề bản chất của ánh sáng với một công trình của chính Albert Einstein về “Hiệu ứng quang điện”. Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng trong đó các electron thoát ra khỏi bề mặt của một tấm kim loại khi có ánh sáng chiếu vào. Theo như quan điểm cổ điển thì với cường độ ánh sáng càng mạnh thì electron ngày càng tích tụ được nhiều năng lượng để bức ra khỏi kim loại, nhưng trên thực tế thí nghiệm lại không phải như vậy. Einstein đã nhận thấy rằng, nếu chiếu một ánh sáng có tần số thấp vào một kim loại, thì hiệu ứng vẫn không thể xảy ra,
với tần số cao, như ánh sáng cực tím thì hiệu ứng lại lập tức xảy ra mà không cần khoảng thời gian để electron tích lũy năng lượng. Để giải thích về hiện tượng kì lạ này, Einstein đã đặt vấn đề cần xem xét lại bản chất của ánh sáng.
Ông đã đưa ra một giả thuyết táo bạo rằng hiệu ứng quang điện chỉ có thể giải thích được nếu sóng ánh sáng bị kim loại hấp thụ không phải là một sóng liên tục mà được cấu thành từ các “hạt” hay các lượng tử năng lượng xác định. Năng lượng này không thể tùy tiện lấy bất kì, mà đúng bằng một bội số của tần số. Einstein đã khai triển thuyết lượng tử của Plank và đưa ra thuyết photon, cho rằng năng lượng ánh sáng tập trung trong những hạt nhỏ gọi là photon hay quang tử. Trong khuôn khổ giả thuyết này thì Einstein đã giải thích được tất cả các sự kiện thực nghiệm quan sát được. Như vậy, một lần nữa ánh sáng lại được khẳng định về bản chất hạt của nó, tuy nhiên ta có thể thấy quan niệm “hạt ánh sáng” do Einstein đưa ra là khác với quan niệm trước đây của Newton, đó không phải là những hạt cơ học đơn giản như quan niệm của Newton mà có những thuộc tính riêng của nó. Nhờ vào giả thuyết về lượng từ ánh sáng này Einstein đã hoàn toàn giải thích được 3 thí nghiệm của mình về hiệu ứng quang điện. Chính “Hiệu ứng quang điện” này là công trình đã mang đến cho Einstein giải thưởng Nobel chứ không phải là “Thuyết tương đối hẹp” như nhiều người vẫn thường lầm tưởng.
Sau đó hơn 10 năm, trong thập niên 1920, lí thuyết của Einstein về tính chất hạt của ánh sáng một lần nữa được củng cố bởi các thí nghiệm của nhà vật lí người Mĩ Arthur H.Compton, người chứng minh được photon có xung lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau, hiệu ứng đó sau này được gọi là hiệu ứng Compton. Đó là hiện tượng xảy ra khi Compton nghiên cứu sự khuếch tán (hay tán xạ) tia X bởi graphit (than chì). Trong thí nghiệm của mình, ông nhận thấy khi
khuếch tán. Khi khảo sát chùm tia khuếch tán ở một góc khuếch tán nhỏ nhờ máy quang phổ, người ta thấy ngoài vạch ứng với độ dài sóng X còn một vách ứng với độ dài sóng X’ lớn hơn X. Compton đã giải thích hiện tượng này bằng sự va chạm giữa photon với electron của chất khuếch tán, trong đó photon như một hạt có tính cơ học. Nếu thừa nhận ánh sáng có bản chất sóng thì Compton sẽ không thể giải thích được hiện tượng đã xảy ra, chỉ khi chấp nhận ánh sáng có bản chất hạt, và sử dụng thuyết photon của Einstein thì ông mới có thể giải thích được trọn vẹn hiện tượng.
Như vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ 20 tồn tại một câu hỏi đặt ra cho các nhà khoa học: bản chất của ánh sáng là sóng hay hạt. Trước khi hiện tượng quang điện xuất hiện con người có thể dễ dàng tin chắc rằng ánh sáng là sóng điện từ với các hiện tượng liên quan đến sự truyền của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ... Tuy nhiên cho đến đầu thế kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sáng con người sẽ không thể lí giải được cho các hiện tượng về sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất như hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton... Để có được đáp án cho những hiện tượng này, con người sẽ phải chấp nhận quan điểm hạt photon của Einstein.
Cùng khoảng thời gian nghiên cứu của Compton, một nhà khoa học người Pháp Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạđều có những tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt. Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, De Broglie đã ngoại suy công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng số Planck:
E = mc2 = hv, (3.1) Trong đó: E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng số Planck, và v là tần số.
và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mới cuối cùng sẽ dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng. Đó chính là ngành cơ học lượng tử.
Qua đó ta thấy, vấn đề đặt ra ở thế kỉ 20 khi tìm hiểu về ánh sáng không phải là sự tranh chấp giữa hai quan điểm để xác định quan điểm nào đúng mà lại là sự thống nhất chúng lại trong một lí thuyết mới. Ngày nay chúng ta công nhận ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt. Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thống nhất là ánh sáng và tùy điều kiện của hiện tượng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia của ánh sáng được hiện ra. Ta có thể coi sóng và hạt là hai tính phụ nhau của ánh sáng. Giữa hai mặt sóng và hạt của ánh sáng có những liên hệ, có tính thống nhất, chứ không hoàn toàn là hai mặt độc lập với nhau. Cho đến đầu thế kỉ 20, việc thừa nhận sự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp con người hiểu được một cách bao quát các đặc tính của ánh sáng. Ánh sáng không là sóng và cũng chẳng là hạt, nói ánh sáng là lưỡng tính sóng - hạt thực chất các nhà khoa học muốn đề cập đến ánh sáng như một đối tượng mới trong vật lí học mà bản chất của nó vừa giống sóng vừa giống hạt. Quan điểm này đã thực sự khép lại những cuộc tranh luận về bản chất ánh sáng là sóng hay hạt. Nhiệm vụ của vật lí học về ánh sáng là tìm hiểu về cái bản chất vô cùng đặc biệt này, và hơn thế nữa, đối tượng “lưỡng tính sóng-hạt ” không chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn được suy rộng ra cho các hạt vật chất, như ta đã biết trong lí thuyết của De Broglie.