Lịch sử Quang học - Phần 8 | Thư Viện Vật Lý

1900-1933

Thế kỉ cuối cùng của thiên niên kỉ thứ hai bắt đầu với một cuộc cách mạng làm thay đổi ngoạn mục kiến thức của các nhà khoa học về những tính chất cơ bản của vật chất và năng lượng. Một kiến thức mới rằng năng lượng và vật chất là tương đương nhau và rằng, ở cấp độ dưới hiển vi, các quy luật chi phối hành trạng của chúng hoàn toàn khác với các quy luật chi phối của thế giới to lớn hơn, bổ sung hoàn thiện cho các định luật vật lí của Newton.

Máy quang phổ (khoảng 1905)

Kiến thức mới này phát sinh từ một lí thuyết mới tận gốc rễ của ánh sáng mà nhiều nhà khoa học thoạt đầu nhận thấy không thể nào tin nổi. Trong khi nền khoa học thế kỉ thứ 18 xem ánh sáng là hạt, thì nền khoa học thế kỉ thứ 19 xem nó là sóng. Nền khoa học thế kỉ thứ 20 tiến thêm một bước nữa và xác định rằng ánh sáng thật ra vừa là sóng, vừa là hạt.

Năm 1900, nhà vật lí người Đức Max Planck công bố một lí thuyết gây tranh cãi đề xuất rằng các nguyên tử không giải phóng năng lượng của chúng thành một dòng liên tục, như các nhà khoa học vẫn nghĩn, mà thành những gói rời rạc ông gọi là các lượng tử. Trong khi phần lớn cộng đồng vật lí chẳng có ấn tượng gì trước lí thuyết của Planck và không chắc chắn trước những ứng dụng của nó, thì một nhà vật lí lí thuyết người Đức – Albert Einstein – đã mang quan điểm của Planck tiến thêm một bước nữa.

Trong một bài báo công bố vào năm 1905, Einstein đề xuất rằng ánh sáng gồm các “hạt” năng lượng, dưới đa số trường hợp, hành xử giống như sóng. Sử dụng quan điểm này, ông đã làm được một số cái mà nền vật lí truyền thống không làm nổi; ông đã lí giải thành công hiệu ứng quang điện, nhờ đó mà ông được trao giải thưởng Nobel vật lí năm 1921.

Kì quặc và đầy mâu thuẫn, thuyết lượng tử đã làm cách mạng hóa nền vật lí vì nó đã giải thích thành công các hiện tượng vật lí ở cấp độ nguyên tử, cái mà nền vật lí Newton luận không thể giải thích. Mặc dù các hiệu ứng của nó không thể nào quan sát thấy trong thế giới to lớn hơn, nhưng thuyết lượng tử đã giữ một vai trò thiết yếu trong sự phát triển của những công nghệ mới có sức ảnh hưởng to lớn trong thế kỉ mới này.

Kính hiển vi điện tử

Các tiến bộ trong ngành hiển vi học cũng mang lại cho các nhà khoa học những công cụ khảo sát thế giới cực kì nhỏ bé ấy. Năm 1931, Ernst Ruska phát triển các bộ phận dùng cho chiếc kính hiển vi điện tử đầu tiên, cái ông chế tạo ra vào năm 1933 và nhờ đó ông được trao giải Nobel vật lí năm 1986. Nguyên lí của chiếc kính hiển vi này là sử dụng một chùm electron hội tụ, chúng hành xử giống như sóng với một bước sóng rất ngắn, thay cho một nguồn sáng nhìn thấy. Kĩ thuật này làm tăng đáng kể độ phân giải và cho phép các nhà khoa học quan sát những vật quá nhỏ nếu nhìn qua kính hiển vi quang học.

Với những chiếc kính thiên văn ngày một mạnh hơn, các nhà thiên văn học tiếp tục nhận ra những vật thể mới trên bầu trời, từ các tiểu hành tinh cho đến những thiên hà xa xôi. Năm 1930, Pluto được bổ sung vào bảng kê các hành tinh đã biết trong hệ mặt trời [Hiện nay, Pluto không còn nằm trong danh sách này nữa – ND].

Các nhà thiên văn bắt đầu tiến xa hơn việc nhận dạng và lập danh mục các vật thể trên bầu trời, họ phát triển các lí thuyết vũ trụ học giải thích sự phát triển của vũ trụ. Năm 1912, nhà thiên văn người Mĩ Vesto Slipher quan sát thấy các vạch phổ của tất cả các thiên hà đều bị lệch về phía tần số đỏ của quang phổ ánh sáng. Năm 1929, một nhà thiên văn người Mĩ khác, Edwin Hubble, đề xuất rằng sự lệch này có nghĩa là vũ trụ đang giãn nở ở một tốc độ không đổi (hằng số Hubble). Đề xuất này mở ra một cuộc tranh luận rằng vũ trụ có tiếp tục giãn nở mãi mãi hay sẽ bắt đầu co lại vào một lúc nào đó, trong một chuỗi giãn nở và co lại kéo dài vô cùng tận.

Trong khi môi trường vô tuyến tương đối mới mẻ đã phát triển về tính phổ dụng và tính sẵn sàng trong ba thập niên đầu thế kỉ mới, thì một môi trường không dây khác đang trong quá trình phát triển. Một kĩ sư người Scotland, John Baird, đã trình diễn nguyên mẫu hoạt động đầu tiên cho truyền hình – radio có hình.

1900 – 1933

1900	Max Planck (Đức) nêu lí thuyết rằng bức xạ điện từ được phát ra thành từng gói năng lượng rời rạc gọi là các lượng tử,
1902	Philipp E.A. Lenard (Đức) tiến hành các thí nghiệm về hiệu ứng quang điện và tìm thấy có một tần số ngưỡng phải đạt tới để gây ra hiệu ứng. Những tần số ánh sáng dưới ngưỡng đó sẽ không gây ra hiệu ứng quang điện.
1902	Annie Jump Cannon (Mĩ) cho xuất bản tập đầu tiên của Danh mục sao Henry Draper, phân loại sao bằng cỡ sao (nhiệt độ bề mặt). Tổng cộng chín danh mục đã được xuất bản vào năm 1924, liệt kê hơn 225.000 ngôi sao, 300 trong số đó do Cannon phát hiện ra.
1905	Albert Einstein (Đức) công bố một bài báo về hiệu ứng quang điện, nêu ra quan điểm cho rằng bức xạ ánh sáng gồm những gói năng lượng (sau này gọi là photon). Ông còn công bố bốn bài báo khác đã làm cách mạng hóa nền vật lí thế kỉ 20.
1906	Charles Barkla (Anh) làm phân cực tia X (chọn lọc những sóng tia X dao động trong cùng mặt phẳng đó), chứng tỏ tia X là sóng ngang giống như các bức xạ điện từ khác, thí dụ như ánh sáng.
1912	Vesto Melvin Slipher (Mĩ) quan sát thấy các vạch phổ trong quang phổ của tất cả các thiên hà đều bị lệch về phía vùng phổ màu đỏ.
1913	Neils Bohr (Đan Mạch) hoàn thành lí thuyết của ông về cấu trúc nguyên tử, phát biểu rằng sự hấp thụ và phát xạ ánh sáng bởi một nguyên tử xảy ra khi một electron chuyển từ một trạng thái năng lượng quỹ đạo này sang một trạng thái năng lượng quỹ đạo khác. Ánh sáng được hấp thụ hoặc phát xạ thành những lượng rời rạc, hay lượng tử, bằng với năng lượng mà các electron đó nhận vào hoặc mất đi.
1924	Louis de Broglie (Pháp) phát triển một lí thuyết mang tính cách mạng về sóng electron, đề xuất rằng các hạt vật chất có thể hành xử giống như sóng dưới những điều kiện nhất định.
1924	Nhà vật lí người Ấn Độ Satyendra Nath Bose công bố một bài báo làm sáng tỏ mối liên hệ giữa sóng và hạt. Bài báo sẽ dẫn tới một sự hợp tác với Albert Einstein và một lí thuyết gọi là thống kê Bose-Einstein.
1926	Sử dụng một thí nghiệm khéo léo với một chiếc gương quay tám mặt và một ống chân không nối hai đỉnh núi, Albert A. Michelson (Mĩ) thực hiện một phép đo chính xác hơn của tốc độ ánh sáng. Phép đo này tốt hơn những phép đo trước đó của ông mà nhờ chúng ông đã được trao giải Nobel năm 1907.
1926	John Logie Baird (Scotland) trình diễn công khai một nguyên mẫu hoạt động trọn vẹn của truyền hình điện cơ, những hình ảnh động truyền đi bằng điện.
1928	Nhà vật lí người Ấn Độ Chandrasekhara Raman quan sát thấy khi ánh sáng đi qua một chất trong suốt, một phần ánh sáng bị lệch hướng và thay đổi bước sóng. Hiện tượng này cuối cùng được gọi là sự tán xạ Raman, một hệ quả của hiệu ứng Raman.
1928	Edward H. Synge công bố một loạt bài báo lần đầu tiên khái niệm hóa ý tưởng về một chiếc kính hiển vi quang học độ phân giải cực cao. Đề xuất của Synge nêu ra một loại kính hiển vi quang học mới sẽ vượt qua được giới hạn nhiễu xạ cổ điển.
1929	Edwin Powell Hubble (Mĩ) phát hiện thấy vũ trụ đang giãn nở ở một tốc độ không đổi, tốc độ đó sau này được gọi là hằng số Hubble.
1930	Nhà thiên văn học người Mĩ Clyde W. Tombaugh khám phá ra hành tinh Pluto khi khảo sát các ảnh chụp do ông thực hiện tại Đài thiên văn Lowell ở Flagstaff, Arizona.
1930	Bernhard Schmit (Estonia) phát minh ra kính thiên văn Schmit, sử dụng một gương cầu thay cho gương phản xạ parabol, và một tấm hiệu chỉnh dùng làm lỗ ngắm.
1930	Trong khi nghiên cứu các vết nứt trong cách tử nhiễu xạ, Frits Zernike (Hà Lan) khám phá ra nguyên lí tương phản pha cho phép ông quan sát cấu trúc bên trong của những vật trong suốt. Những chất liệu khác nhau cấu tạo nên vật có chiết suất khác nhau, cho nên có thể rọi sáng chúng theo một kiểu mà chúng có thể trông thấy được.
1931	Ernst Ruska (Đức) chế tạo thấu kính electron đầu tiên, một nam châm điện có thể làm hội tụ một chùm electron giống hệt như một thấu kính làm hội tụ một chùm ánh sáng. Vào năm 1933, ông sử dụng một vài thấu kính electron ghép nối tiếp để chế tạo ra chiếc kính hiển vi điện tử đầu tiên.
1932	Edwin H. Land (Mĩ) công bố phát triển bộ lọc phân cực đầu tiên chế tạo bằng vật liệu tổng hợp và đăng kí thương hiệu mang tên “Poloroid”.
1932	RCA (Tập đoàn Vô tuyến Hoa Kì) trình diễn truyền hình điện tử trọn vẹn đầu tiên xây dựng trên iconoscope, thiết bị do Vladimir Zworykin giữ bằng sáng chế vào năm 1923, và một máy thu được trang bị ống tia cathode.