Lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng

Bản chất đích thực của ánh sáng khả kiến là một bí ẩn làm lúng túng loài người trong nhiều thế kỉ. Các nhà khoa học Hy Lạp thuộc trường phái Pythagore cổ đại cho rằng mỗi một vật khả kiến phát ra một dòng hạt đều đặn, còn Aristotle kết luận rằng ánh sáng truyền đi theo kiểu giống như sóng trên đại dương. Mặc dù những ý tưởng này đã trải qua hàng loạt cải tiến và thu được tiến bộ đáng kể trong thế kỉ 20 vừa qua, nhưng điều cốt lõi của cuộc tranh luận do các nhà triết học Hy Lạp đặt ra vẫn kéo dài cho tới ngày nay.

Một quan điểm nhìn nhận ánh sáng giống như sóng trong tự nhiên, chúng tạo ra năng lượng và truyền trong không gian theo kiểu tương tự như các gợn sóng lan dần ra trên bề mặt của một ao nước phẳng lặng sau khi bị một hòn đá rơi xuống làm nhiễu động. Quan điểm đối lập cho rằng ánh sáng gồm dòng các hạt đều đặn, rất giống với những giọt nước nhỏ xíu phun ra từ một vòi tưới vườn. Trong vài thế kỉ qua, mỗi quan điểm chỉ được nhất trí trong một khoảng thời gian nào đó, rồi lại bị lật đổ bởi bằng chứng cho quan điểm kia. Chỉ trong thập kỉ đầu tiên của thế kỉ 20 cũng là bằng chứng đủ sức thuyết phục mang tới câu trả lời toàn diện, và trước sự ngạc nhiên của nhiều người, hóa ra cả hai lí thuyết đều chính xác, ít nhất là trong từng bộ phận.

Vào đầu thế kỉ 19, chủ đề về bản chất ánh sáng đã đẩy cộng đồng khoa học tới chỗ chia phe dựng trại chiến đấu kịch liệt bảo vệ cho giá trị của những lí thuyết ưa chuộng của họ. Một nhóm nhà khoa học, những người tán thành thuyết sóng, tập trung bàn luận về những khám phá của nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens. Còn trại bên kia thì trích dẫn thí nghiệm lăng kính của ngài Isaac Newton, xem là bằng chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo một số kiểu khác. Mặc dù chính Newton hình như cũng có một số nghi ngờ với thuyết tiểu thể của ông về bản chất ánh sáng, nhưng uy tín của ông trong cộng đồng khoa học có sức nặng quá lớn nên những kẻ ủng hộ ông đã bỏ qua tất cả những bằng chứng khác trong cuộc chiến đấu khốc liệt của mình.

Lí thuyết khúc xạ ánh sáng của Huygens, dựa trên khái niệm bản chất giống như sóng của ánh sáng, cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Nói cách khác, Huygens cho rằng ánh sáng càng bị bẻ cong, hay khúc xạ, khi đi vào một chất, thì nó càng chậm khi truyền qua chất đó. Những người ủng hộ ông kết luận rằng nếu ánh sáng là một dòng hạt, thì sẽ xảy ra kết quả ngược lại, vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút và vận tốc sẽ tăng lên, chứ không giảm xuống. Mặc dù lời hòa giải cho cuộc cãi vã này là đo vận tốc ánh sáng trong các chất khác nhau, không khí và thủy tinh chẳng hạn, nhưng trong thời kì đó, dụng cụ dùng để làm việc này chưa ra đời. Thêm nữa, ánh sáng hình như chuyển động với cùng một vận tốc, bất chấp môi trường mà nó đi qua. Phải hơn 150 năm sau, vận tốc của ánh sáng mới được đo với độ chính xác cao để chứng minh thuyết Huygens là đúng.

Bất chấp danh cao vọng trọng của ngài Isaac Newton, số nhà khoa học có danh tiếng vào đầu những năm 1700 không tán thành thuyết tiểu thể của ông. Một số người tranh luận rằng nếu ánh sáng là các hạt, thì khi hai chùm sáng cắt ngang nhau, một số hạt sẽ va chạm lên nhau gây ra sự chệch hướng trong chùm sáng. Rõ ràng điều này không xảy ra, nên họ kết luận ánh sáng không thể là tập hợp những hạt rời rạc được.

Huygens, với trực giác của mình, đề xuất trong chuyên luận năm 1690 của ông rằng, sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian. Công cuộc săn lùng ête ngốn một lượng đáng kể tài nguyên trong thế kỉ 19 trước khi cuối cùng phải dừng lại. Thuyết ête tồn tại ít nhất là cho tới cuối những năm 1800, bằng chứng là mô hình do Charles Wheatstone đề xuất, chứng minh ête mang sóng ánh sáng bằng cách dao động theo hướng vuông góc với hướng truyền sóng, và mô hình chi tiết của James Clerk Maxwell mô tả việc xây dựng chất vô hình này. Huygens tin rằng ête dao động cùng hướng với ánh sáng, và tự hình thành một sóng như thể là nó mang sóng ánh sáng. Trong tập sách xuất bản sau, nguyên lí Huygens, ông đã mô tả tài tính cách mà mỗi điểm trên sóng có thể tạo ra mặt sóng riêng của nó, và rồi hợp lại thành đầu sóng. Huygens dùng ý tưởng này sáng tạo ra một lí thuyết chi tiết cho hiện tượng khúc xạ, và cũng giải thích tại sao các tia sáng không phá hủy nhau khi đường truyền của chúng cắt nhau.

Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì chùm tia bị khúc xạ và đổi hướng khi truyền từ môi trường thứ nhất vào môi trường thứ hai. Để xác định xem chùm tia sáng là hạt hay sóng, người ta phải nghĩ ra mỗi mô hình cho mỗi trường phái để giải thích hiện tượng (hình 3). Theo thuyết sóng của Huygens, một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi trường thứ hai trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất, nhưng sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn. Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền. Trái lại, thuyết hạt có lúc hơi khó giải thích tại sao các hạt ánh sáng phải đổi hướng khi chúng truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Những người đề xướng thuyết hạt cho rằng một lực đặc biệt, hướng vuông góc với mặt phân giới, tác động đến sự thay đổi vận tốc của các hạt khi chúng đi vào môi trường thứ hai. Bản chất đích thực của lực này không được nghiên cứu và không có bằng chứng nào được thu thập để chứng minh cho lí thuyết.

Một so sánh thú vị khác của hai lí thuyết liên quan tới những khác biệt xảy ra khi ánh sáng bị phản xạ từ một bề mặt nhẵn, lung linh, như mặt gương chẳng hạn. Thuyết sóng xem nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hướng. Khi chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng với mỗi sóng phản hồi trở lại tạo ra một ảnh đảo ngược (hình 4). Hình dạng của sóng tới phụ thuộc nhiều vào khoảng cách từ nguồn sáng tới gương. Ánh sáng phát ra từ một nguồn ở gần vẫn giữ được mặt sóng hình cầu, có độ cong cao, còn ánh sáng phát ra từ một nguồn ở xa sẽ trải rộng hơn và các mặt sóng gần như là phẳng.

Trường hợp bản chất hạt của ánh sáng đối với hiện tượng phản xạ có sức thuyết phục hơn nhiều so với hiện tượng khúc xạ. Ánh sáng phát ra từ một nguồn, dù ở gần hay ở xa, đi tới bề mặt gương dưới dạng một dòng hạt, chúng bị nảy lên, hay là bị phản xạ bởi bề mặt nhẵn mịn. Do các hạt rất nhỏ, và có một lượng rất lớn hạt trong chùm ánh sáng lan truyền, nên chúng sẽ chuyển động sát cánh với nhau. Khi chạm lên mặt gương, các hạt bị nảy lên từ những điểm khác nhau, nên trật tự của chúng trong chùm sáng bị đảo ngược lại tạo ra một hình đảo ngược, như được minh họa trên hình 4. Cả thuyết hạt và thuyết sóng đều giải thích thỏa đáng sự phản xạ bởi một bề mặt phẳng. Tuy nhiên, thuyết hạt cũng cho rằng nếu bề mặt quá gồ ghề, thì các hạt bị nảy lên ở nhiều góc khác nhau, kết quả là làm tán xạ ánh sáng. Thuyết này rất phù hợp với những quan sát thực nghiệm.

Hạt và sóng cũng sẽ hành xử khác nhau khi chúng chạm phải rìa của một vật và tạo nên bóng đổ (hình 5). Newton sớm chỉ ra trong cuốn Opticks xuất bản năm 1704 của ông rằng: “Ánh sáng không bao giờ truyền đi theo đường cong hay bị bẻ cong thành bóng đổ”. Khái niệm này phù hợp với thuyết hạt cho rằng ánh sáng luôn luôn truyền đi theo đường thẳng. Nếu các hạt chạm phải rìa của một rào chắn thì chúng sẽ không tạo ra bóng đổ vì các hạt không bị rào chắn ngăn cản tiếp tục chuyển động theo đường thẳng và không trải qua phía sau rìa chắn. Ở phạm vi vĩ mô, quan sát này hầu như là chính xác, nhưng nó không phù hợp với kết quả của thí nghiệm nhiễu xạ ánh sáng xảy ra ở kích thước nhỏ hơn nhiều.

Khi ánh sáng truyền qua một khe hẹp, chùm tia trải ra và trở nên rộng hơn mong đợi. Quan sát quan trọng có tính cơ sở này mang lại nhiều tin cậy cho thuyết sóng ánh sáng. Giống như sóng nước, sóng ánh sáng chạm phải rìa của một vật thì uốn cong quanh rìa đó và đi vào vùng bóng hình học của nó, là vùng không được rọi sáng trực tiếp bằng chùm tia sáng. Hành trạng này tương tự như sóng nước cuốn quanh phần cuối của bè nổi, thay vì phản xạ ra xa.

Gần 100 năm sau khi Newton và Huygens đề xuất lí thuyết của họ, một nhà vật lí người Anh tên là Thomas Young đã thực hiện một thí nghiệm củng cố mạnh mẽ bản chất giống sóng của ánh sáng. Vì ông tin rằng ánh sáng là gồm các sóng, Young giải thích được một số loại tương tác xảy ra khi hai sóng ánh sáng gặp nhau. Để kiểm tra giả thuyết này, ông dùng một màn chứa một khe hẹp để tạo ra chùm ánh sáng kết hợp (gồm các sóng truyền cùng pha với nhau) từ nguồn ánh sáng Mặt Trời. Khi các tia sáng Mặt Trời chạm tới khe, chúng trải rộng ra, hay nhiễu xạ, tạo ra một mặt sóng. Nếu như mặt sóng này được cho rọi tới một màn thứ hai có hai khe đặt rất gần nhau, thì hai nguồn ánh sáng kết hợp nữa, hoàn toàn đồng bộ với nhau, được tạo ra (hình 6). Ánh sáng từ mỗi khe truyền tới một điểm nằm giữa hai khe phải hoàn toàn đồng bộ với nhau. Tuy nhiên, nếu xét một điểm nào đó nằm về một phía so với điểm chính giữa, thì ánh sáng từ một khe sẽ truyền tới điểm đó qua một đoạn đường dài hơn so với ánh sáng truyền từ khe phía bên kia. Ánh sáng từ khe gần hơn sẽ truyền tới điểm thứ hai này trước so với ánh sáng từ khe ở xa, nên hai sóng không còn đồng bộ với nhau, và có thể hủy nhau tạo nên bóng tối.

Đúng như ông nghi ngờ, Young phát hiện thấy khi các sóng ánh sáng từ bộ khe thứ hai bị trải ra (hay nhiễu xạ), chúng gặp nhau và chồng chập lên nhau. Trong một số trường hợp, sự chồng chập kết hợp đồng bộ chính xác với nhau. Tuy nhiên, trong một số trường hợp khác, các sóng ánh sáng kết hợp hoàn toàn không đồng bộ với nhau hoặc chỉ đồng bộ một phần. Young nhận thấy khi các sóng gặp nhau đồng bộ, chúng cộng gộp với nhau bằng một quá trình gọi là giao thoa tăng cường. Các sóng gặp nhau không đồng bộ sẽ hủy lẫn nhau, hiện tượng này gọi là giao thoa triệt tiêu. Ở giữa hai thái cực này, những mức độ khác nhau của giao thoa tăng cường và triệt tiêu xảy ra làm tạo ra sóng có phổ biên độ rộng. Young cũng có thể quan sát thấy các hiệu ứng giao thoa trên màn hình đặt ở một khoảng cách nhất định phía sau hai khe. Sau khi nhiễu xạ, ánh sáng tái kết hợp bằng giao thoa tạo ra dải vân sáng và tối dọc theo chiều dài của màn hình.

Mặc dù có vẻ quan trọng, nhưng kết luận của Young không được chấp nhận rọng rãi vào lúc đó, chủ yếu do bởi niềm tin quá mãnh liệt vào thuyết hạt. Ngoài quan sát sự giao thoa ánh sáng, Young còn cho rằng ánh sáng có các màu khác nhau gồm các sóng có chiều dài khác nhau, một khái niệm cơ sở được công nhận rộng rãi hiện nay. Trái lại, thuyết hạt chủ trương rằng màu sắc ánh sáng khác nhau là do các hạt có khối lượng khác nhau hoặc truyền đi với vận tốc khác nhau.

Hiệu ứng giao thoa không chỉ giới hạn có ánh sáng. Các sóng tạo ra trên mặt hồ, hoặc ao, sẽ trải ra theo mọi hướng và chịu sự hành xử tương tự. Khi hai sóng gặp nhau đồng bộ, chúng sẽ cộng gộp với nhau tạo ra một sóng hơn bằng giao thoa tăng cường. Các sóng chạm nhau không đồng bộ sẽ hủy nhau qua giao thoa triệt tiêu và tạo ra bề mặt phẳng trên nước.

Thêm một bằng chứng nữa cho bản chất giống sóng của ánh sáng được phát hiện khi hành trạng của chùm sáng giữa các kính phân cực đặt chéo nhau được nghiên cứu tỉ mỉ (hình 7). Kính phân cực có cấu trúc phân tử độc nhất vô nhị chỉ cho phép ánh sáng có một định hướng nào đó truyền qua chúng. Nói cách khác, kính phân cực có thể được xem như một loại màn che Venice đặc biệt có các hàng thanh nhỏ xíu định theo một hướng bên trong chất phân cực. Nếu cho một chùm sáng tới đập vào kính phân cực, chỉ có những tia sáng định hướng song song với hướng phân cực mới có thể truyền qua kính. Nếu đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính thứ nhất và định hưởng giống như kính thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kính thứ hai.

Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh sáng truyền qua nó sẽ giảm xuống. Khi quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định hướng vuông góc với kính thứ nhất, thì không có ánh sáng nào đã truyền qua được kính thứ nhất sẽ truyền qua được kính thứ hai. Kết quả này dễ dàng giải thích được với thuyết sóng, còn việc vận dụng thuyết hạt không thể giải thích được ánh sáng bị chặn lại như thế nào bởi kính thứ hai. Thật vậy, thuyết hạt cũng không thể giải thích thỏa đáng hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, những hiệu ứng mà sau này người ta xem là thuộc cùng một hiện tượng.

Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực đủ để phát triển khái niệm ánh sáng gồm các sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng. Mỗi thành phần ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn lại bởi một kính phân cực. Chỉ những sóng có thành phần ngang song song với bộ lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại.

Vào giữa những năm 1800, các nhà khoa học không ngừng bị thuyết phục trước đặc trưng giống sóng của ánh sáng, nhưng vẫn còn một chỗ hổng lớn chưa được lấp. Đó là ánh sáng thật ra là gì ? Một đột phá được thực hiện bởi nhà vật lí người Anh James Clerk Maxwell khi ông phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ liên tục và truyền qua chân không với cùng một tốc độ: 186000 dặm một giây. Khám phá của Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào buổi bình minh của thế kỉ 20, hình như những câu hỏi cơ bản về ánh sáng và lí thuyết quang học cuối cùng đã được trả lời.

Một tai họa lớn ập đến với thuyết sóng vào cuối thập niên 1880, khi các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện thấy, dưới những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể đánh đuổi các electron ra khỏi nguyên tử của một vài kim loại (hình 8). Mặc dù lúc đầu chỉ là một hiện tượng hiếu kì và không giải thích nổi, nhưng người ta nhanh chóng phát hiện thấy ánh sáng cực tím có thể làm bật ra electron từ nguyên tử của nhiều kim loại, làm cho chúng tích điện dương. Nhà vật lí người Đức Phillip Lenard trở nên bị lôi cuốn vào những quan sát này, và ông đã đặt tên cho nó là hiệu ứng quang điện. Lenard dùng một lăng kính để tách ánh sáng trắng thành các thành phần màu của nó, và rồi cho hội tụ có chọn lọc mỗi màu lên một đĩa kim loại để tống khứ các electron ra khỏi nó.

Cái Lenard phát hiện được làm ông bối rối và ngạc nhiên. Đối với một bước sóng ánh sáng cụ thể (chẳng hạn ánh sáng xanh dương), các electron tạo ra một thế không đổi, hay một lượng năng lượng ổn định. Việc giảm hoặc tăng lượng ánh sáng tạo ra sự tăng hoặc giảm tương ứng số electron được giải phóng, nhưng mỗi electron vẫn có năng lượng như cũ. Nói cách khác, các electron thoát khỏi liên kết nguyên tử có năng lượng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, chứ không phải cường độ ánh sáng. Điều này trái với cái mà thuyết sóng mong đợi. Lenard cũng khám phá ra mối liên hệ giữa bước sóng và năng lượng: các bước sóng càng ngắn làm phát sinh các electron có năng lượng càng lớn.

Việc thiết lập mối quan hệ giữa ánh sáng và các nguyên tử có được vào đầu thập niên 1800 khi William Hyde Wollaston khám phá thấy phổ của Mặt Trời không phải là một dải sáng liên tục mà chứa hàng trăm bước sóng bị thiếu. Trên 500 vạch hẹp ứng với các bước sóng bị thiếu đã được lập biểu đồ bởi nhà vật lí người Đức Joseph von Fraunhofer, người đặt các kí hiệu chữ cái cho các khe hở lớn nhất. Sau này, người ta phát hiện thấy các khe hở sinh ra do sự hấp thụ những bước sóng cụ thể bởi các nguyên tử trong lớp bên ngoài Mặt Trời. Những quan trắc này là một số liên hệ đầu tiên giữa các nguyên tử và ánh sáng, mặc dù tác dụng cơ bản của nó không được hiểu rõ vào lúc ấy.

Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng hạt, bất chấp những bằng chứng tràn ngập cho bản chất giống sóng của ánh sáng. Trong khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng các electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon), và như thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài. Ông cũng cho rằng nếu năng lượng của photon tỉ lệ nghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những electron có năng lượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của Lenard.

Lí thuyết của Einstein được củng cố trong thập niên 1920 bởi các thí nghiệm của nhà vật lí người Mĩ Arthur H. Compton, người chứng minh được photon có xung lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau. Cũng vào khoảng thời gian đó, nhà khoa học người Pháp Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt. Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, de Broglie đã ngoại suy công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng số Planck:

E = mc² = hν

trong đó E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng số Planck và ν là tần số. Công trình của de Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lượng và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mới cuối cùng sẽ được dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng. Cơ học lượng tử ra đời từ nghiên cứu của Einstein, Planck, de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrodinger, và những người nỗ lực giải thích bức xạ điện từ bằng thuật ngữ lưỡng tính, hay là hành trạng vừa giống sóng vừa giống hạt. Có khi ánh sáng hành xử như hạt, và đôi khi lại như sóng. Đặc trưng lưỡng tính của hành trạng của ánh sáng có thể dùng để mô tả tất cả các đặc điểm đã biết được quan sát thấy bằng thực nghiệm, từ sự khúc xạ, phản xạ, giao thoa, và nhiễu xạ cho tới các hiệu ứng phân cực ánh sáng và hiệu ứng quang điện. Hai đặc trưng của ánh sáng sống hòa thuận cùng nhau và cho phép chúng ta khám phá những nét đẹp của vũ trụ.

Tác giả: Kenneth R. Spring, Michael W. Davidson