Trong cả trăm năm qua, các nhà vật lí đã và đang vật lộn với việc dung hòa giữa hai công thức khác nhau mô tả xung lượng ánh sáng truyền qua một môi trường trong suốt. Một công thức, do nhà toán học người Đức Hermann Minkowski thiết lập năm 1908, quy định xung lượng của ánh sáng tăng lên khi nó đi vào một môi trường, trong khi công thức kia, nêu ra một năm sau đó bởi nhà vật lí người Đức Max Abraham, lại phát biểu rằng xung lượng của ánh sáng giảm đi. Giờ thì đến lượt Stephen Barnett thuộc trường Đại học Strathclyde ở Anh kết luận rằng cả hai công thức thật ra đều đúng, với sự khác biệt về cơ bản là vì một người xem xét bản chất sóng của ánh sáng, còn người kia khảo sát bản chất hạt của ánh sáng.

Ánh sáng thay đổi xung lượng khi nó đi vào và ra khỏi một lăng kính: cả Abraham và Minkowski đều đúng. (Ảnh: Spigget)

Mặt khác, công thức của Minkowski thì trông có vẻ tự nhiên hơn nhìn từ quan điểm của cơ học lượng tử. Khi ánh sáng chậm đi bên trong một môi trường, thì bước sóng của nó cũng giảm, nhưng cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng bước sóng càng giảm thì năng lượng càng cao, và do đó xung lượng càng lớn. Thật vậy, cách tiếp cận của Minkowski đề xuất rằng xung lượng của một photon độc thân của ánh sáng tăng lên n lần khi nó đi qua một môi trường. Kết quả này còn được ủng hộ bởi những lập luận lí thuyết chặt chẽ, trong số chúng là một lập luận xét cái xảy ra khi một nguyên tử chuyển động ở một tốc độ nào đó đi qua một môi trường hấp thụ một photon và chịu một sự chuyển tiếp điện tử.

Những nguyên lí vật lí cơ bản đang bị đe dọa

Như Barnett trình bày, vấn đề này đã thu hút sự chú ý của các nhà vật lí trong một thời gian dài vì nó dường như khiến một hoặc nhiều nguyên lí vật lí cơ bản bị đe dọa – một bên là định luật Newton thứ nhất và công thức E = mc2 nổi tiếng của Einstein, và bên kia là quan điểm, quen thuộc với các sóng de Broglie, rằng xung lượng tỉ lệ nghịch với bước sóng.

Cả hai công thức đều nhận được sự ủng hộ của kết quả thực nghiệm, đặc biệt là công thức của  Minkowski. Chẳng hạn, vào năm 2005, Wolfgang Ketterle và các đồng sự tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Mĩ đã báo cáo bằng chứng nghiêng về phe Minkowski: cho truyền xung lượng từ những chùm laser sang sóng vật chất hình thành từ một vài triệu nguyên tử làm lạnh xuống ngay trên không độ tuyệt đối. Tuy nhiên, vào năm 2008, một nhóm do Weilong She đứng đầu tại trường Đại học Zhongshan ở Trung Quốc đã cho truyền một chùm laser qua một dây tóc silica nhỏ xíu và nhận thấy sợi dây bị giật lại khi ánh sáng đi ra, cho thấy, phù hợp với công thức Abraham, ánh sáng thu xung lượng khi nó rời khỏi vật chất.

Tuy nhiên, theo Barnett, cả hai công thức đều đúng. Ông nói công thức do Abraham thiết lập là tương ứng với “xung lượng động” của một vật – khối lượng của nó nhân với vận tốc của nó. Xung lượng Minkowski, mặt khác, là “xung lượng kinh điển” của một vật – hằng số Planck chia cho bước sóng de Broglie của nó. “Hai công thức này phản ánh thực tế là trong những tình huống khác nhau, xung lượng biến đổi khác nhau”, ông nói. “Trong không gian tự do, chúng đồng nhất với nhau, nhưng trong một môi trường vật chất thì không còn đồng nhất như vậy nữa”.

Không thể nhập hai công thức làm một

Các nhà vật lí đã biết trong nhiều năm qua rằng sự khác biệt này có thể giải thích nan đề trên nhưng không ai có thể chứng minh được cả. Nghĩa là, nói thí dụ, họ không thể dung hòa hai công thức khác nhau đó với thuyết điện từ. Barnett đã vượt qua trở ngại này khi ông nhận ra rằng hai cách tiếp cận đó không thể xem xét theo kiểu như nhau về mặt toán học – phương pháp của Abraham đòi hỏi xem xung lượng được truyền đi bởi từng hạt riêng rẻ trong khi phương pháp của Minkowski lại sử dụng mối liên hệ giữa xung lượng và vị trí, một tính chất sóng. “Cho nên khi bạn nhập hai công thức làm một, bạn sẽ gặp rắc rối”, ông nói.

Điểm này được nhấn mạnh bởi Ulf Leonhardt thuộc trường Đại học St Andrews ở Anh, ông nói vấn đề đơn giản là vì Abraham mô tả xung lượng của ánh sáng là một hạt, còn Minkowski mô tả xung lượng của ánh sáng là một sóng. Như vậy, ông đồng ý rằng cả hai công thức đều đúng. Tuy nhiên, ông không nghĩ rằng cuộc tranh luận thật sự đã kết thúc. “Câu hỏi đặt ra là: khi nào thì xung lượng hạt có liên quan, và khi nào thì xung lượng sóng có liên quan? Có hay không những trường hợp một sự hòa hợp của những tính chất sóng và hạt cùng xuất hiện?”, ông nói. “Khi khoa học trả lời được một câu hỏi, thì lại có 10 câu hỏi mới xuất hiện”.

Barnett cũng không hoàn toàn thỏa mãn. “Ngày nay, chúng ta biết rằng Abraham và Minkowski đều đúng cả”, ông nói. “Nhưng chúng ta vẫn không biết vì sao tự nhiên lại cần đến hai xung lượng”.

Nghiên cứu công bố trên tờ Phys. Rev. Lett. 104 070401.

Theo physicsworld.com