5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN LUẬN VĂN
3.2.2Thuyết tƣơng đối hẹp – lƣỡng tính sóng hạt ánh sáng
Cho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánh sáng là sóng đã thực sự đƣợc 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. Nhƣng một vấn đề đƣợc đặt ra lúc này là vận tốc này của ánh sáng đƣợc tính so với cái gì? Các phƣơng trình của Maxwell không trả lời đƣợc cho câu hỏi này. Đi theo vết chân của Newton, Maxwell nghĩ hoàn toàn tự nhiên rằng ánh sáng lan truyền với vận tốc 300.000 km/s là so với một chất ête tĩnh choán đầy trong vũ trụ. Nhƣng ête ở đây đƣợc làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu và có những tính chất gì?
Theo các quan điểm của các nhà khoa học khẳng định ánh sáng là sóng từ trƣớc cho đến cuối thế kỉ XVIII, ta có thể thấy đƣợc vấn đề giải mã chất "ê-te" trong không gian là một vấn đề rất đáng để quan tâm. Chất "ê-te" đƣợc đặt ra nhƣ một môi trƣờng để truyền sóng ánh sáng. Các nhà khoa học ban đầu đã đề xuất sóng ánh sáng nhƣ sóng âm, tức phải là sóng dọc, nhƣng với phát hiện của Augustin Fresnel về hiện tƣợng phân cực ánh sáng đã dẫn đến nhận định ánh sáng phải là sóng ngang. Nhƣ vậy, chất "ê-te" phải là chất rắn để có thể lan truyền đƣợc sóng ngang, nghĩa là môi trƣờng ê-te phải có một mật độ cứng nhất định. Nhƣng bằng cách nào mà Trái đất lại có thể chuyển động trong một môi trƣờng cứng nhƣ 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 đƣợc?
Đó chính là những vấn đề khiến cho các nhà khoa học cuối thế kỉ XIX quan tâm. Có hay không có một môi trƣờng đặc biệt "ê-te" trong sự lan truyền của sóng ánh sáng?
Năm 1887, nhà vật lý ngƣời 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 ê-te. 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 đƣợc chia làm hai chùm. Hai chùm này đi theo hai con đƣờng khác nhau nhƣng có cùng chiều dài, một theo phƣơng chuyển động của trái đất, một theo phƣơng 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, nhƣng 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, nhƣng kết quả thu đƣợc lại hoàn toàn khác, hai chùm tia vẫn trùng khít nhƣ lúc bị tách ra, điều đó có nghĩa vận tốc ánh sáng truyền theo 2 phƣơng khác nhau là không thay đổi. Trong dự đoán, với giao thoa kế của mình, Michelson và Morley về nguyên tắc có thể đo đƣợc các chênh lệch với cỡ vận tốc khoảng 1,5 km/s, tức là một phần hai mƣơi vận tốc của Trái đất qua chất ete giả thuyết. Nhƣng 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 phƣơng nào đi nữa.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 62 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Hình 3.15: Albert Michelson (trái) và Edward Morley (phải)
Sau thí nghiệm của Michelson và Morley, con ngƣời dần phải chấp nhận rằng chất "ê-te"chỉ là sản phẩm bởi trí tƣởng tƣợng, 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 trƣờng ête là không hề tồn tại, các sóng ánh sáng, khác với các sóng khác, không cần phải có một môi trƣờng để lan truyền. Ánh sáng có thể lan truyền trong một không gian hoàn toàn trống rỗng. Và Einstein đã giải thích quan điểm đó bằng thuyết tƣơng đối hẹp của mình.
Bài báo của Einstein vào năm 1905 đã giới thiệu thuyết tƣơng đối hẹp. Thuyết tƣơng đối hẹp dựa trên một tiên đề duy nhất: "mọi định luật vật lý là giống nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính (tức là những hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc không đổi so với nhau)". Do các định luật vật lý giống nhau, mọi ngƣời nằm trong một hệ quy chiếu quán tính không thể làm bất cứ thí nghiệm vật lý nào để xác định trạng thái chuyển động của mình. Với Thuyết tƣơng đối hẹp, không gian và thời gian không phải là bất di bất dịch nhƣ trong quan điểm của Isaac Newton - cha đẻ của vật lý học cổ điển, mà trái lại, nó có thể "co" lại tùy tình hình. Einstein đã thay không gian, thời gian tuyệt đối bằng không gian, thời gian tƣơng đối. Phát biểu ban đầu, Einstein còn đề cập "tiên đề thứ hai" đƣợc phát biểu là: "ánh sáng luôn chuyển động trong chân không với vận tốc không đổi". Tuy nhiên, đây chỉ là hệ quả của tiên đề phát biểu ở trên khi công nhận lý thuyết điện từ. Theo tiên đề trên, lý thuyết điện từ, một lý thuyết đƣa ra công thức tính vận tốc ánh sáng từ các hằng số, là không thay đổi theo hệ quy chiếu quán tính. Vậy hiển nhiên vận tốc ánh sáng, kết quả của lý thuyết điện từ, cũng không thay đổi theo hệ quy chiếu quán tính. Nhƣ vậy cho đến năm 1905, con ngƣời đã có một cái nhìn đúng đắn hơn về sóng ánh sáng, và đặc biệt đó là loại bỏ đƣợc khái niệm về môi trƣờng "ê-te" nhƣ các nhà khoa học trƣớc đây vẫn thƣờng đề cập đến. Nhƣng 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 tƣợng trong đó các electron thoát ra khỏi bề mặt của một tấm kim loại khi có ánh sáng chiếu vào. Theo nhƣ quan điểm cổ điển thì với cƣờng độ ánh sáng càng mạnh thì electrong ngày càng tích tụ đƣợc nhiều năng lƣợng để bức ra khỏi kim loại, nhƣng trên thực tế thí nghiệm lại không phải nhƣ 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, dù chiếu với cƣờng độ mạnh bao nhiêu đi nữa.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 63 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
Ngƣợc lại khi chiều ánh sáng với tần số cao, nhƣ ánh sáng cực tím thì hiệu ứng lại lập tức xảy ra mà không cần khoảng thời gian để electron tích lũy năng lƣợng.‖
Để giải thích về hiện tƣợng kì lạ này, Einstein đã đặt vấn đề cầnxem xét lại bản chất của ánh sáng. Ông đã đƣa ra một giả thuyết táo bạo rằng hiệu ứng quang điện chỉ có thể giải thích đƣợc nếu sóng ánh sáng bị kim loại hấp thụ không phải là một sóng liên tục mà đƣợc cấu thành từ các "hạt" hay các lƣợng tử năng lƣợng xác định. Năng lƣợng này không thể tùy tiện lấy bất kì, mà đúng bằng một bội số của tần số. Einstein đã khai triển thuyết lƣợng tử của Plank và đƣa ra thuyết photon, cho rằng năng lƣợng ánh sáng tập trung trong những hạt nhỏ gọi là photon hay quang tử.