Vì sao quang lượng tử không phải là hạt vật chất, cũng không phải là sóng?

Quang lượng tử (lượng tử ánh sáng) còn gọi là photon. Danh từ này được Einstein nêu ra đầu tiên trong một bản luận văn nổi tiếng, công bố năm 1905. Do những thành tựu to lớn về lí thuyết photon, Einstein được tặng giải thưởng Nobel về vật lí năm 1921.

Vậy thì, rốt cuộc quang lượng tử là gì nhỉ? Trong đời sống hàng ngày, ánh sáng là thứ quen thuộc nhất đối với con người. Nếu không có ánh sáng, con người quả là không thể nào sống được. Thế mà con người nhận thức bản chất của ánh sáng lại phải trải qua con đường gian nan đầy quanh co trắc trở.

Lí thuyết do Newton đại diện cho rằng, vật thể phát sáng là vì nó phát xạ ra dòng hạt ánh sáng. Sở dĩ chúng ta có thể trông thấy ánh sáng, là do những hạt đó rơi vào mắt, gây nên thị giác. Theo lí thuyết này, người ta giải thích hiện tượng phản xạ của ánh sáng là kết quả của sự va đập đàn hồi của các hạt ánh sáng trên bề mặt phản xạ.

Tuy nhiên, Huygens, người cùng thời với Newton, lại cho rằng ánh sáng do vật thể phát ra là một chuyển động sóng. Loại chuyển động sóng này khác với sóng nước và sóng âm thanh chúng ta thường quan sát thấy – chúng đều có môi trường truyền sóng. Môi trường đó là nước đối với sóng nước, là không khí hoặc chất lỏng và chất rắn khác đối với sóng âm thanh. Còn sóng ánh sáng lan truyền được trong chân không, cũng có nghĩa chân không là môi trường của sóng ánh sáng.

Hai loại lí thuyết này ngay từ đầu đã xảy ra xung đột, song do Newton có uy tín hơn trong giới khoa học, lí thuyết hạt của ánh sáng chiếm vị trí quan trọng trong một quãng thời gian rất dài. Mãi đến đầu thế kỉ XIX, khi Young, Fresnel, Fraunhofer có phát hiện mới về hiện tượng giao thoa, phân cực của ánh sáng, chúng hết sức ăn khớp với lí thuyết sóng của ánh sáng của Huygens. Còn lí thuyết hạt của ánh sáng của Newton lại không sao giải thích được điều này.

Theo đà phát triển của khí cụ quang học, lí thuyết quang học cũng phát triển rất nhiều. Sau khi Maxwell chứng minh sóng ánh sáng là một loại sóng điện từ, lí thuyết sóng của ánh sáng hầu như hoàn toàn được thực nghiệm chứng thực, lí thuyết ánh sáng là chuyển động sóng cũng được mọi người tiếp nhận rộng rãi.

Song lí thuyết này khi đối mặt với kết quả thực nghiệm của hiệu ứng quang điện lại luôn tỏ ra bất lực. Cái gọi là hiệu ứng quang điện chỉ ra rằng: Khi dùng ánh sáng chiếu rọi lên bề mặt kim loại, sẽ làm cho electron trong kim loại văng ra ngoài. Ngay từ năm 1872, Stoletov của Trường đại học Tổng hợp Matxcơva đã phát hiện ra hiện tượng này. Sau đó các nhà vật lí người Đức, Hertz và cộng sự đã nghiên cứu về vấn đề này và đạt được nhiều thành quả.

Khi người ta tìm cách dùng thuyết chuyển động sóng của ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện, kết luận rút ra được là: khi cường độ ánh sáng tăng lên, tốc độ của electron bị văng ra khỏi kim loại cũng phải tăng lên. Song kết quả thực nghiệm cho thấy, khi dùng ánh sáng của cùng một tần số chiếu rọi, bất kể là cường độ ánh sáng lớn bao nhiêu, tất cả electron quan sát được đều có tốc độ như nhau. Cũng có nghĩa là, tốc độ của electron bị văng ra khỏi kim loại không có quan hệ gì với cường độ ánh sáng! Hơn nữa, khi tần số ánh sáng đạt một giá trị cực hạn nào đó thì mới làm cho electron văng ra khỏi kim loại trong điều kiện ánh sáng chiếu đến. Vả lại, electron trong kim loại có thể bị đánh bật ra hay không, vấn đề này có liên quan với tần số của ánh sáng, nghĩa là tốc độ electron văng ra khi dùng ánh sáng tím chiếu rọi lớn hơn khi dùng ánh sáng đỏ chiếu rọi! Thế là thuyết chuyển động sóng của ánh sáng rơi vào tình trạng khó khăn trước các kết quả thực nghiệm.

Với tư duy sáng tạo, Einstein khảo sát hiệu ứng quang điện từ một góc độ hoàn toàn khác. Ông đưa ra lí thuyết về ánh sáng và quang lượng tử. Theo lí thuyết này, năng lượng của ánh sáng do từng suất từng suất năng lượng đơn nguyên nhỏ nhất không liên tục tổ hợp thành, và độ lớn của năng lượng đơn nguyên ấy vừa đúng tỉ lệ thuận với tần số ánh sáng. Ánh sáng vẫn có tần số (hoặc bước sóng) giống như chuyển động sóng, song nó còn có đặc tính “hạt” nhỏ xíu – từng đơn nguyên năng lượng một. Như vậy, ánh sáng chẳng qua là một chùm dòng năng lượng, trong đó năng lượng đơn nguyên thứ nhất gọi là quang lượng tử (photon). Khi ánh sáng chiếu xạ lên bề mặt kim loại, nó trao năng lượng của quang lượng tử cho electron, quang lượng tử liền biến mất, còn electron nhận được năng lượng của photon, lại cộng thêm năng lượng tự có của nó liền có thể từ trong kim loại vọt ra. Do năng lượng của quang lượng tử chỉ liên quan với tần số ánh sáng, cho nên chỉ có ánh sáng có tần số lớn hơn một trị số nhất định, mới có thể cung cấp năng lượng đầy đủ làm cho electron trong kim loại bị bật ra ngoài. Như vậy, lí thuyết quang lượng tử đã dùng phương thức ngắn gọn rõ ràng giải thích hiệu ứng quang điện.

Thành công này đã mang lại cho ông giải thưởng Nobel. Song lí thuyết quang lượng tử lại đưa đến cuộc tranh luận về vấn đề bản chất của ánh sáng xảy ra 100 năm trước đó. Rốt cuộc ánh sáng là gì? Là chuyển động sóng hay là hạt?

Sự phát triển của vật lí học làm cho người ta không thể không tiếp nhận cách lập luận rằng, có lúc ánh sáng xuất hiện với tư cách là chuyển động sóng (như giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng), có lúc nó lại xuất hiện với hạt (như sự tới và sự phản xạ của ánh sáng), song ánh sáng vừa không phải là chuyển động sóng như kiểu sóng nước, sóng âm thanh, cũng không phải là hạt vật chất như kiểu chất điểm nhỏ xíu, ánh sáng có tính hai mặt chuyển động sóng – hạt, cũng tức là tính hai mặt sóng – hạt.

Thế thì tại sao ánh sáng Mặt Trời hoặc ánh sáng phát ra từ các nguồn sáng khác mà chúng ta trông thấy lúc nào cũng ổn định và liên tục, chứ không phải từng phần từng phần một nhỉ? Đó là vì năng lượng của quang lượng tử quá nhỏ bé, biểu thị của nó dưới hình thức toán học là hệ thức Planck nổi tiếng E = hv, trong đó, E là năng lượng photon, v là tần số ánh sáng, h là hằng số Planck có giá trị là 6.62618 × 10-34 J.s. Tuy con số đó nhỏ đến thế, nhưng tác dụng của nó đối với sự phát triển của vật lí học, đối với nhận thức của con người về bản tính của ánh sáng lại rất lớn. Giả dụ chúng ta bật sáng một bóng đèn điện 25 W, và coi ánh sáng phát ra là ánh sáng màu vàng, thế thì chùm ánh sáng ấy liền bao gồm 6 × 1019 đơn nguyên năng lượng của quang lượng tử, hoặc là nói, chùm ánh sáng ấy phát ra 6 × 1019 quang lượng tử, tức là mỗi giây phát ra 60 tỉ tỉ suất đơn nguyên năng lượng. Do mắt người có đặc trưng tạm lưu giữ thị giác, vì vậy, khi con số quang lượng tử nhiều như vậy chiếu đến với tốc độ nhanh như vậy, mắt người hoàn toàn không nhận ra được quang lượng tử từng suất từng suất một, chỉ thấy đó là một chùm sáng liên tục.

Qua đó, có thể thấy, quang lượng tử là đơn nguyên nhỏ nhất của năng lượng. Nó không phải là hạt vật chất. Tuy độ lớn năng lượng của quang lượng tử có quan hệ với tần số, song nó cũng không phải là chuyển động sóng thông thường mà chúng ta trông thấy.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Hỏi đáp & Tư vấn © 2013 Hỏi đáp tư vấn