Vật lí lượng tử là gì?
Vật lí lượng tử mô tả khoa học về cái rất nhỏ, những thứ nhỏ hơn hàng tỉ lần so với một mét, vào cấp độ của nguyên tử, các hạt dưới nguyên tử và bước sóng ánh sáng. Nó cũng cho biết có bao nhiêu tính chất bị “lượng tử hóa” ở những cấp độ nhỏ xíu này, tức là bị chia nhỏ thành những đơn vị rời rạc chứ không phải những đại lượng biến thiên liên tục. Trong thế giới hàng ngày của chúng ta, thật khó mà tưởng tượng những tính chất tìm thấy ở thế giới vi mô này. Ví dụ, có những hạt như electron không có kích thước vật lí nào, và những hạt khác thì không có khối lượng. Tuy nhiên, kì lạ hơn hết thảy là khái niệm rằng các hạt có thể tác dụng giống như sóng và các sóng có thể tác dụng giống như hạt. Thực tế đơn giản nhưng gây hoang mang này ngự tại trung tâm của vật lí lượng tử và mọi thứ suy ra từ nó.
Phải mất một thời gian dài các nhà khoa học mới chấp nhận ý tưởng mới lạ này, và cuộc cách mạng diễn ra tiếp sau đó đã có tác động nổi bật đối với khoa học hiện đại. Nhưng việc khám phá thuyết lượng tử có cội nguồn của nó ở một cuộc tranh luận xa xưa hơn nhiều – tranh luận kéo dài hàng thế kỉ rằng ánh sáng được làm từ sóng hay từ hạt.
“Ai không bị sốc trước thuyết lượng tử thì không hiểu gì về nó.”
- Người ta cho rằng Niels Bohr nói câu này
Ánh sáng là sóng ư?
Thuyết lượng tử có cội nguồn của nó từ một cuộc tranh luận nảy lửa và kéo dài về bản chất của ánh sáng. Câu hỏi ánh sáng được làm từ hạt hay từ sóng đã chiếm lĩnh nền khoa học cuối thế kỉ 17. Năm 1678, nhà khoa học Hà Lan Christiaan Huygens tuyên truyền giả thuyết cho rằng ánh sáng truyền đi ở dạng sóng (dựa trên ý tưởng trước đó của nhà triết học René Descartes).
Tất nhiên, sóng (từ sóng thủy triều trong nước cho đến sóng âm trong không khí) cần một môi trường để nó lan truyền. Rõ ràng sóng ánh sáng không sử dụng không khí làm môi trường – không gian được biết là không có không khí, tuy vậy ta vẫn có thể nhìn thấy ánh sáng đến từ Mặt Trời, các sao và hành tinh. Để giải quyết vấn đề này, Huygens nêu giả thuyết về một môi trường mà ông gọi là “aether truyền sáng”. Ông phớt lờ chuyện lí giải xem aether này rốt cuộc là cái gì, mà chỉ nói nó không có trọng lượng, vô hình và có mặt ở mọi nơi. Chẳng có gì bất ngờ, nhiều nhà khoa học, trong số họ có Isaac Newton, không bị thuyết phục bởi lí thuyết sóng của Huygens. Thay vậy, họ cho rằng ánh sáng phải được làm từ hạt.
Nghiên cứu chuyển động của sóng nước làm sáng tỏ các phương diện của hành trạng sóng, ví dụ như sự nhiễu xạ, hiện tượng cũng xảy ra đối với ánh sáng.
Ánh sáng là hạt ư?
Nhà vật lí nổi tiếng người Anh Isaac Newton đề xuất một mô hình xem ánh sáng là những hạt rời rạc (cái gọi là tiểu thể). Nó không những dựa trên những phản bác với lí thuyết sóng của Huygens, mà còn dựa trên quan sát. Newton hướng tới cách ánh sáng bị phản xạ từ gương: sóng không truyền đi theo đường thẳng cần thiết để tạo ra sự phản xạ, nhưng hạt thì có. Hơn nữa, Newton giải thích sự khúc xạ (sự bẻ cong ánh sáng trong những vật liệu nhất định, ví dụ như nước) là kết quả của một môi trường hút lấy các hạt ánh sáng và làm chúng tăng tốc độ. Cuối cùng, hãy bước chân ra ngoài trời vào một ngày ngập nắng, bạn sẽ thấy một đường rìa sắc cạnh cho cái bóng của bạn, trong khi nếu ánh sáng Mặt Trời được làm bằng sóng, thì cái bóng của bạn chắc chắn sẽ bị nhòe.
Mô hình của Newton trở thành lí thuyết hàng đầu về ánh sáng, nhưng không phải ai cũng chấp nhận nó, và một đối thủ của Newton, Robert Hooke, là một tiếng nói có sức ảnh hưởng vẫn nghiêng về lí thuyết sóng. Rồi vào năm 1801, khi Newton qua đời đã lâu, thí nghiệm hai khe có vẻ như đã bác bỏ các tiểu thể một lần nữa và mãi mãi.
Newton đã sử dụng một cách sai lầm sự khúc xạ ánh sáng đi qua một lăng kính để lập luận cho bản chất giống-hạt của nó, nhưng khám phá của ông rằng ánh sáng trắng có thể phân tách thành nhiều màu vẫn đưa đến những đột phá quan trọng, trong đó có cả một lĩnh vực quang phổ học.
Vật lí Lượng tử Tốc hành | Gemma Lavender
Phần tiếp theo >>
