Ánh sáng truyền đi như thế nào?

Kể từ thời Democritus – một triết gia Hi Lạp sống hồi thế kỉ thứ 5 đến thế kỉ thứ 4 trước Công nguyên – cho rằng vạn vật được cấu tạo bởi những nguyên tử nhỏ xíu không thể chia nhỏ, các nhà khoa học vẫn không ngừng tìm kiếm bản chất đích thực của ánh sáng. Trong khi các nhà khoa học nhiều lần tiến thoái giữa quan niệm ánh sáng là hạt hay là sóng thì cho đến thời hiện đại, thế kỉ 20 đưa đến những đột phá cho thấy ánh sáng hành xử vừa là sóng vừa là hạt.

Những đột phá này bao gồm việc khám phá electron, sự phát triển thuyết lượng tử, và thuyết tương đối Einstein. Tuy nhiên, vẫn còn đó nhiều câu hỏi hấp dẫn và chưa được trả lời về ánh sáng, nhiều trong số đó phát sinh từ bản chất lưỡng tính của nó. Chẳng hạn, làm thế nào ánh sáng có hiển hiện không có khối lượng, nhưng vẫn hành xử giống như hạt? Và làm thế nào nó có thể hành xử giống như sóng và đi qua chân không, khi mà toàn bộ các sóng khác đều đòi hỏi một môi trường lan truyền?

Ánh sáng truyền đi ở những bước sóng khác nhau, được minh họa ở đây bởi màu sắc khác nhau nhìn thấy trong một lăng kính. Ảnh: NASA và ESA

Lí thuyết ánh sáng cho đến thế kỉ thứ 19

Vào thời kì Cách mạng Khoa học, các nhà khoa học bắt đầu xa rời các lí thuyết khoa học Aristotle đã từng được xem là chuẩn mực trong hàng thế kỉ. Trong số này bao gồm việc bác bỏ lí thuyết ánh sáng của Aristotle xem ánh sáng là một nhiễu loạn trong không khí (một trong bốn “nguyên tố” cấu tạo nên vật chất theo quan niệm của ông), và hướng sang quan điểm cơ giới hơn cho rằng ánh sáng là gồm những nguyên tử không thể chia nhỏ.

Nhìn ở góc độ nào đó thì lí thuyết này đã được quan niệm bởi các nhà nguyên tử luận thời Cổ nhân Kinh điển – ví dụ như Democritus và Lecretius – cả hai ông đều xem ánh sáng là một đơn vị vật chất mà mặt trời giải phóng ra. Vào thế kỉ thứ 17, một vài nhà khoa học bắt đầu chấp nhận quan niệm này, phát biểu rằng ánh sáng là gồm những hạt rời rạc (hay “tiểu thể”). Trong số này có Pierre Gassendi, một người đương thời của René Descartes, Thomas Hobbes, Robert Boyle, và nổi tiếng nhất là ngài Isaac Newton.

Phiên bản đầu tiên của quyển Opticks của Newton, một chuyên luận về sự phản xạ, khúc xạ, sự nhiễu xạ và màu sắc ánh sáng (1704).

Lí thuyết tiểu thể của Newton là một biến thể của quan điểm của ông xem thực tại là một tương tác của các chất điểm thông qua các lực. Lí thuyết này vẫn là quan niệm khoa học được chấp nhận trong hơn 100 năm, các nguyên lí của nó được giải thích trong chuyên luận năm 1704 của ông “Opticks, hay một chuyên luận về sự phản xạ, sự khúc xạ, sự bẻ cong, và màu sắc ánh sáng”. Theo Newton, các nguyên lí của ánh sáng có thể tóm tắt như sau:

Mỗi nguồn sáng phát ra số lượng lớn những hạt nhỏ li ti gọi là tiểu thể trong môi trường xung quanh nguồn sáng đó.
Những tiểu thể này là hoàn toàn đàn hồi, rắn, và không khối lượng.

Lí thuyết tiểu thể của Newton là một thách thức đối với “lí thuyết sóng” được biện hộ bởi nhà thiên văn học người Hà Lan thế kỉ thứ 17 Christiaan Huygens. Các lí thuyết này được trình bày lần đầu tiên vào năm 1678 trước Viện hàn lâm Khoa học Paris và được xuất bản vào năm 1690 trong quyển “Traité de la lumière” (Chuyên luận về ánh sáng) của ông. Trong tác phẩm đó, Huygens chủ trương một quan điểm hiệu chỉnh của quan điểm Descartes, theo đó tốc độ ánh sáng là vô hạn và được truyền đi bởi các sóng cầu phát ra dọc theo đầu sóng.

Thí nghiệm hai khe

Vào đầu thế kỉ 19, các nhà khoa học bắt đầu chia rẽ với lí thuyết tiểu thể. Nguyên nhân một phần là do lí thuyết tiểu thể rõ ràng không giải thích được sự nhiễu xạ, giao thoa và phân cực ánh sáng, ngoài ra còn bởi vì các thí nghiệm đa dạng có vẻ xác nhận quan niệm vẫn cạnh tranh bấy lâu rằng ánh sáng hành xử giống như sóng.

Nổi tiếng nhất trong số này Thí nghiệm hai khe, ban đầu được tiến hành bởi nhà bác học người Anh Thomas Young vào năm 1801 (mặc dù người ta tin rằng Isaac Newton đã tiến hành cái tương tự vào thời của ông). Trong phiên bản thí nghiệm của Young, ông sử dụng một miếng giấy với hai khe cắt, và rồi chiếu một nguồn sáng vào chúng để đo xem ánh sáng đi qua miếng giấy như thế nào.

Theo lí thuyết hạt cổ điển (tức lí thuyết Newton), kết quả của thí nghiệm phải tương ứng với hai khe, trên màn hứng phải xuất hiện hai vạch thẳng đứng. Thay vậy, các kết quả cho thấy các chùm ánh sáng kết hợp giao thoa nhau, tạo ra hệ vân sáng tối xen kẽ trên màn hứng. Kết quả này mâu thuẫn với lí thuyết hạt cổ điển, theo đó các hạt không giao thoa với nhau, mà chỉ đơn thuần là va chạm nhau.

Lời giải thích hợp lí duy nhất cho hệ vân giao thoa này là các chùm ánh sáng thật ra hành xử dạng sóng. Như vậy, thí nghiệm này bác bỏ quan niệm rằng ánh sáng gồm các tiểu thể và giữ một vai trò thiết yếu trong sự chấp nhận lí thuyết sóng của ánh sáng. Tuy nhiên, nghiên cứu tiếp sau đó, liên quan đến khám phá electron và bức xạ điện từ, đưa các nhà khoa học đến chỗ xét lại một lần nữa rằng ánh sáng cũng hành xử dạng hạt, từ đó phát sinh lí thuyết lưỡng tính sóng-hạt.

Thuyết điện từ và thuyết tương đối hẹp

Trước thế kỉ 19 và 20, tốc độ ánh sáng đã được xác định. Những phép đo đầu tiên được ghi chép được tiến hành bởi nhà thiên văn học người Đan Mạch Ole Rømer, thực hiện vào năm 1676, sử dụng các phép đo ánh sáng đến từ vệ tinh Io của Mộc tinh chứng minh rằng ánh sáng truyền đi ở tốc độ hữu hạn (chứ không phải tức thời).

Giáo sư Albert Einstein đang thuyết giảng tại cuộc họp của Hiệp hội Mĩ vì Sự tiến bộ của Khoa học, vào ngày 28 tháng 12 năm 1934. Ảnh: AP Photo

Vào cuối thế kỉ 19, James Clerk Maxwell đề xuất rằng ánh sáng là sóng điện từ, và đã nghĩ ra một vài phương trình (gọi là các phương trình Maxwell) mô tả điện trường và từ trường được sinh ra và chuyển hóa lẫn nhau như thế nào bởi điện tích và dòng điện. Bằng cách tiến hành các phép đo trên các loại bức xạ khác nhau (từ trường, bức xạ tử ngoại và bức xạ hồng ngoại), ông đã có thể tính được tốc độ ánh sáng trong chân không (kí hiệu là c).

Năm 1905, Albert Einstein công bố bài báo “Về điện động lực học của các vật chuyển động”, trong đó ông trình bày một trong những lí thuyết nổi tiếng nhất của ông và đã hạ gục hàng thế kỉ quan niệm chính thống. Trong bài báo của ông, ông trình bày rằng tốc độ ánh sáng là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính, bất chấp chuyển động của nguồn sáng hay vị trí của người quan sát.

Khai thác các hệ quả của lí thuyết này là cái đưa ông đến chỗ đề xuất thuyết tương đối hẹp, nó dung hòa các phương trình Maxwell cho điện học và từ học với các định luật cơ học, đơn giản hóa các phép tính toán học, và phù hợp với tốc độ ánh sáng đã quan sát trực tiếp và giải thích được các sai lệch đã quan sát. Nó còn chứng minh rằng tốc độ ánh sáng có tương quan bên ngoài ngữ cảnh ánh sáng và điện từ học.

Trước hết, nó đưa đến quan điểm rằng các biến đổi quan trọng xảy ra khi vạn vật tiến gần đến tốc độ ánh sáng, bao gồm hệ quy chiếu thời gian-không gian của một vật đang chuyển động dường như chậm lại và co lại theo chiều chuyển động khi đo trong hệ quy chiếu của nhà quan sát. Sau hàng thế kỉ đo lường ngày một chính xác, tốc độ ánh sáng được xác định là 299.792.458 m/s vào năm 1975.

Einstein và photon

Năm 1905, Einstein còn giúp phân giải mớ lộn xộn xung quanh hành trạng của bức xạ điện từ khi ông đề xuất rằng nguyên tử phát xạ electron khi chúng hấp thụ năng lượng từ ánh sáng. Gọi là hiệu ứng quang điện, Einstein xây dựng quan điểm của ông trên công trình trước đó của Planck với các “vật đen” – các vật hấp thụ năng lượng điện từ thay vì làm phản xạ nó (tức là vật trắng).

Lúc ấy, hiệu ứng quang điện của Einstein là nhằm giải thích “bài toán vật đen”, trong đó một vật đen phát ra bức xạ điện từ do nhiệt lượng của vật. Đây là một bài toán dai dẳng trong thế giới vật lí, phát sinh từ khám phá electron, chỉ mới xảy ra trước đó 8 năm (nhờ các nhà vật lí người Anh, đứng đầu là J.J. Thompson và các thí nghiệm sử dụng ống tia cathode).

Lúc ấy, các nhà khoa học vẫn tin rằng năng lượng điện từ hành xử dưới dạng sóng, và do đó họ hi vọng có thể giải thích nó theo vật lí học cổ điển. Lí giải của Einstein đi theo một lối khác, khẳng định rằng bức xạ điện từ hành xử theo kiểu phù hợp với một hạt – một dạng lượng tử của ánh sáng mà ông đặt tên là “photon”. Với khám phá này, Einstein được trao Giải thưởng Nobel năm 1921.

Lưỡng tính sóng-hạt

Các lí thuyết sau đó về hành trạng của ánh sáng tiếp tục tinh chỉnh quan niệm này, bao gồm nhà vật lí người Pháp Louis-Victor de Broglie tính được bước sóng tại đó ánh sáng phát huy tác dụng. Tiếp theo là “nguyên lí bất định” của Heisenberg (phát biểu rằng việc đo chính xác vị trí của một photon sẽ làm nhiễu phép đo động lượng của nó và ngược lại), và nghịch lí Schrödinger khẳng định rằng tất cả các hạt đều có một “hàm sóng”.

Phù hợp với cách lí giải cơ học lượng tử, Schrödinger đề xuất rằng toàn bộ thông tin về một hạt (trong trường hợp này, một photon) được gói gọn trong hàm sóng của nó, một hàm giá trị phức đại khái tương đương với biên độ của một sóng tại mỗi điểm trong không gian. Tại một số nơi, số đo của hàm sóng sẽ ngẫu nhiên “suy sụp”, hay “mất kết hợp”, thành một hàm cực đại. Điều này được minh họa trong nghịch lí Schrödinger nổi tiếng gồm một hộp kín, một con mèo, và một lọ thuốc độc (còn gọi là nghịch lí Con mèo của Schrödinger).

Hình minh họa hai photon truyền đi ở bước sóng khác nhau, mang lại ánh sáng có màu sắc khác nhau. Ảnh: NASA/Đại học Sonoma

Theo lí thuyết này, hàm sóng cũng tiến triển theo một phương trình vi phân (tức là phương trình Schrödinger). Đối với các hạt có khối lượng, phương trình này có nghiệm; nhưng đối với các hạt không có khối lượng, phương trình không tồn tại nghiệm. Các thí nghiệm sau đó sử dụng hai khe đã xác nhận bản chất lưỡng tính của photon, trong đó các dụng cụ đo được bố trí để quan sát các photon khi chúng đi qua hai khe.

Khi tiến hành thí nghiệm, các photon xuất hiện ở dạng hạt và tác động của chúng lên màn hứng tương ứng với hai khe – các đốm nhỏ kích cỡ bằng hạt phân bố theo các đường thẳng đứng. Bằng cách đặt một dụng cụ quan sát đúng chỗ, hàm sóng của các photon suy sụp và ánh sáng lại hành xử như các hạt cổ điển. Đúng như Schrödinger dự đoán, điều này chỉ có thể lí giải bằng cách khẳng định ánh sáng có một hàm sóng, và việc quan sát nó làm cho ngưỡng xác suất hành trạng suy sụp đến điểm tại đó hành trạng của nó trở nên có thể dự đoán.

Lí thuyết trường lượng tử (QFT) đã được phát triển trong các thập niên sau đó để phân giải nhiều mơ hồ xung quanh lưỡng tính sóng-hạt. Và đồng thời, lí thuyết này tỏ ra áp dụng được cho các hạt khác và các lực tương tác cơ bản (ví dụ như lực hạt yếu và lực hạt nhân mạnh). Ngày nay, photon là một bộ phận của Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt sơ cấp, trong đó chúng được phân loại là boson – một họ hạt hạ nguyên tử trung chuyển lực và không có khối lượng.

Vậy tóm lại ánh sáng truyền đi như thế nào? Về căn bản, nó truyền đi ở tốc độ hết sức lớn (299.792.458 m/s) và ở những bước sóng khác nhau, tùy thuộc vào năng lượng của nó. Nó hành xử vừa là sóng vừa là hạt, có thể truyền qua các môi trường (như không khí và nước) cũng như không gian chân không. Nó không có khối lượng, nhưng vẫn có thể bị hấp thụ, phản xạ, hoặc khúc xạ nếu nó đi tới một môi trường nhất định. Và cuối cùng, cái duy nhất có thể làm nó lệch hướng, hay bắt giữ nó, là lực hấp dẫn (tức là trường hợp lỗ đen).

Những điều chúng ta học được về ánh sáng và điện từ học thực sự đã làm cách mạng hóa nền vật lí học vào đầu thế kỉ 20, một cuộc cách mạng đã được khơi nguồn từ trước. Nhờ nỗ lực của các nhà khoa học như Maxwell, Planck, Einstein, Heisenberg và Schrodinger, chúng ta đã tiến những bước xa, nhưng phía trước vẫn còn nhiều điều cần tiếp tục nghiên cứu và tìm hiểu.

Chẳng hạn, tương tác của ánh sáng với lực hấp dẫn (cùng với lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh) vẫn là một bí ẩn. Giải mã được điều này, và do đó khám phá một lí thuyết của tất cả, là cái mà các nhà thiên văn học và vật lí học vẫn đang hướng tới. Biết đâu một ngày nào đó chúng ta sẽ đạt tới điều tưởng chừng như khó với tới đó thì sao!

Nguồn: Universe Today