6. Cấu trúc khóa luận
3.2.Thí nghiệm hai khe Young với ánh sáng
Trước khi đi vào phân tích các thí nghiệm khe Young, ta cần phải thống nhất: thế nào là “sóng” và thế nào là “hạt”:
- "Hạt" – là một dạng tồn tại của vật chất (một dạng thực thể vật lý) có kích thước nhỏ, hữu hạn; nó có thể có những "hành vi" nào đó như: rơi, lăn,
dao động... Tập hợp số lượng đủ lớn các hạt có thể gọi là “môi trường” – cũng là một dạng thực thể vật lý; nó có thể có những “hành vi” như: dãn nở, xoáy, sóng…
- "Sóng" – là sự lan truyền dao động của “môi trường”. Ta đã biết đến sóng âm, sóng nước… là sự lan truyền dao động của không khí và của nước…
Hình 3.1 Hình ảnh sóng nước minh họa cho khái niệm sóng ánh sáng.
Khái niệm “sóng” có thể được minh hoạ nhờ Hình 3.1a: đó là sóng nước được tạo ra từ một khe nhỏ. Bề mặt nước có những nửa vòng tròn nhấp nhô xen kẽ nhau, trải rộng ra khắp bề mặt – đó là dao động của nước được lan truyền từ khe nhỏ. Sóng dễ nhận biết được chính nhờ tính chất này.
Nếu thay vì một khe, mà ta đặt hai khe nhỏ gần nhau, thì sẽ thấy có hiện tượng kết hợp hai sóng khác nhau từ hai khe đó như trên Hình 3.1b. Hiện tượng này được biết đến trong Vật lý với tên gọi là “giao thoa”.
Thomas Young, trong quá trình đi giải quyết hiện tượng nhiễu xạ ông đã tìm ra hiện tượng giao thoa ánh sáng, và cũng chính ông là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “giao thoa” trong khoa học. Năm 1801, ông đã giới thiệu một thí nghiệm cơ bản về ánh sáng thường được gọi là thí nghiệm hai khe. Thí nghiệm này của ông đã gây một sự ngạc nhiên lớn bởi lần đầu tiên người ta
nhận thấy khi thêm ánh sáng vào ánh sáng thì sẽ cho ra bóng tối, đây chính là hiện tượng giao thoa ánh sáng.
Hình 3.2 Phân bổ cường độ vân giao thoa
Năm 1802, ông đã tìm ra một định luật đơn giản và tổng quát của hiện tưọng giao thoa là: Khi ánh sáng của cùng một nguồn sáng truyền đến mắt ta bằng hai con đường khác nhau, ánh sáng sẽ mạnh nhất tại những điểm mà hiệu đường đi bằng bội số nguyên của một “độ dài nào đó”.
Fresnel đã công nhận bản chất sóng của ánh sáng qua thí nghiệm về giao thoa mà ông đã tự bố trí (dùng hai gương phẳng đặt lệch nhau một góc gần bằng 180°, thường được gọi là hai gương Fresnel). Fresnel cũng là người đầu tiên theo trường phái sóng ánh sáng đã giải thích thành công hiện tượng phân cực ánh sáng đã khiến cho những người bảo vệ lý thuyết sóng phải rất đau đầu ngay cả Thomas Young. Bởi nếu coi ánh sáng là sóng giống như âm
tượng phân cực ở sóng âm. Để giải thích hiện tượng này, Fresnel đã đưa ra một lời giải mang tính cách mạng: mặc dù cả âm thanh và ánh sáng đều có bản chất sóng, nhưng chúng khác nhau về mặt phẳng dao động. Nói cách khác, Fresnel là người đầu tiên cho rằng ánh sáng là sóng ngang chứ không phải sóng dọc. Nhờ đứng trên quan điểm mới này, Fresnel đã xây dựng được lý thuyết về sự phân cực ánh sáng trong môi trường lưỡng chiết.
Những thí nghiệm của Young và Fresnel đã chứng tỏ bản chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt, Fresnel đã khẳng định một cách chắc nịch rằng ánh sáng là sóng ngang. Trong lý thuyết của ông đã đề cập đến việc tồn tại hai phương dao động của sóng ánh sáng (ông so sánh với dao động của dây đàn violin - vốn cũng là sóng ngang - có thể dao động từ dưới lên trên hoặc từ trái sang phải) tương ứng với hai phân cực của ánh sáng: một phân cực theo phương ngang và một phân cực theo phương thẳng đứng.
Vào thời Young khi làm thí nghiệm hai khe thì ánh sáng nằm trong miền ánh sáng mà mắt thường nhìn thấy được. Việc “nhìn thấy” ánh sáng còn phụ thuộc vào ngưỡng độ nhậy của mắt. Dưới ngưỡng này, chúng ta không còn nhận biết được ánh sáng nữa, và vì thế việc chúng ta cho rằng đã giảm độ sáng xuống đến không thông qua sự biến mất của các vân giao thoa trên màn ảnh là chưa thuyết phục. Ta thay màn ảnh bằng một loại giấy ảnh cực nhạy để có thể thu lại được hình ảnh với ánh sáng yếu dưới ngưỡng độ nhậy của mắt, bức tranh giao thoa với ánh sáng sẽ được hoàn thiện.
Thực tế, khi cường độ ánh sáng rất yếu thì bỗng nhiên xuất hiện những “đốm sáng” lác đác, đặc biệt là những đốm sáng này luôn có cùng độ sáng và xuất hiện ngẫu nhiên trên màn ảnh. Khi tăng thời gian thì số lượng các đốm sáng tăng lên. Dường như có một “bàn tay vô hình” bắt đầu “sắp xếp” chúng như để “khôi phục lại” những “vân giao thoa” ban đầu bằng chính các “đốm sáng” đó.
Hình 3.3 Kết quả thí nghiệm với khe Young với ánh sáng yếu
Mỗi chấm ghi nhận được trên màn ảnh ghi nhận vị trí của một photon khi đi qua hai khe. Điều này nói lên tính chất hạt của sóng ánh sáng và “hạt ánh sáng” cũng có thể tạo nên được bức tranh giao thoa giống với trường hợp thí nghiệm hai khe của Young đã làm.