Ánh sáng cấu tạo từ cái gì: sóng hay hạt? Câu hỏi cơ bản này đã thu hút các nhà vật lí kể từ những ngày đầu của lịch sử khoa học. Cơ học lượng tử dự đoán rằng các photon, những hạt ánh sáng, vừa là sóng vừa là hạt đồng thời. Công bố trên tạp chí Science, các nhà vật lí ở trường đại học Bristol vừa nêu ra một minh chứng mới của lưỡng tính sóng-hạt này của các photon, cái được nhà vật lí giành giải Nobel Richard Feynman gọi là “một bí ẩn thật sự của cơ học lượng tử”.
Ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt.
Lịch sử khoa học từng diễn ra cuộc tranh cãi nảy lửa giữa lí thuyết hạt và lí thuyết sóng của ánh sáng. Isaac Newton là nhân vật chính của phe lí thuyết hạt, còn James Clerk Maxwell và lí thuyết điện từ học thành công vang dội của ông thì khởi xướng lí thuyết sóng. Tuy nhiên, mọi thứ đã thay đổi kịch tính vào năm 1905, khi Einstein chứng minh rằng có thể giải thích hiệu ứng quang điện (cái cho đến khi ấy vẫn là một bí ẩn) bằng cách sử dụng quan điểm rằng ánh sáng là hạt photon. Khám phá này có tác động to lớn đối với vật lí học, vì nó góp phần đáng kể cho sự phát triển của cơ học lượng tử - lí thuyết khoa học chính xác nhất từng được phát triển.
Mặc dù thành công, nhưng cơ học lượng tử có một thách thức hết sức to lớn đối với trực giác hàng ngày của chúng ta. Thật vậy, lí thuyết này dự đoán với độ chính xác đáng kể hành trạng của những vật nhỏ như nguyên tử và photon. Tuy nhiên, khi xét kĩ hơn những tiên đoán này, chúng ta buộc phải thừa nhận rằng chúng hết sức phản trực giác. Chẳng hạn, thuyết lượng tử dự đoán rằng một hạt (một photon chẳng hạn) có thể ở những nơi khác nhau cùng một lúc. Thật vậy, nó thậm chí có thể ở vô số nơi đồng thời, giống hệt như sóng vậy. Vì thế khái niệm lưỡng tính sóng-hạt là cơ bản đối với mọi hệ lượng tử.
Thật bất ngờ, khi một photon được quan sát, nó hành xử hoặc là một hạt hoặc là một sóng. Nhưng cả hai mặt chưa bao giờ được quan sát thấy đồng thời. Thật vậy, nó biểu hiện hành trạng nào là tùy thuộc vào phép đo được bố trí. Những hiện tượng kì lạ này đã được nghiên cứu thực nghiệm trong vài năm trở lại đây, sử dụng các dụng cụ đo có thể bật tắt giữa phép đo dạng sóng và dạng hạt.
Trong một bài báo công bố trên tạp chí Science, số ra ngày 1 tháng 11, các nhà vật lí ở trường Đại học Bristol ở Anh đã tạo nên một bước ngoặt mới đối với những khái niệm này. Tiến sĩ Alberto Peruzzo, Peter Shadbolt và giáo sư Jeremy O'Brien thuộc Trung tâm Quang Lượng tử đã hợp tác với các nhà lí thuyết lượng tử, tiến sĩ Nicolas Brunner và giáo sư Sandu Popescu, nghĩ ra một loại thiết bị đo mới lạ có thể đo hành trạng sóng và hạt đồng thời. Dụng cụ mới này hoạt động dựa trên sự phi định xứ lượng tử, một hiệu ứng lượng tử phản trực giác khác nữa.
Tiến sĩ Peruzzo cho biết: “Thiết bị đo đã phát hiện ra sự phi định xứ mạnh, xác nhận rằng photon hành xử là sóng và hạt đồng thời trong thí nghiệm của chúng tôi. Kết quả này phản bác mạnh mẽ những mô hình trong đó photon hoặc là sóng hoặc là hạt”.
Giáo sư O'Brien, giám đốc Trung tâm Quang Lượng tử, nói: “Tiến hành nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng một con chip quang lượng tử, một kĩ thuật được đi tiên phong ở Bristol. Con chip có khả năng cấu hình nên nó có thể được lập trình và điều khiển để thực thi những mạch điện khác nhau. Ngày nay, công nghệ này là một phương pháp dẫn đầu trong cuộc tìm kiếm xây dựng một máy vi tính lượng tử và trong tương lai sẽ cho phép những nghiên cứu mới và phức tạp hơn của những phương diện cơ bản của các hiện tượng lượng tử.”
123physics
Nguồn: ScienceDaily
![[Sách] Sóng - Các nguyên lí của ánh sáng, điện và từ học](/bai-viet/images/2011/08/song-nguyenli.bmp)
