Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ánh trong các thành tựu Nobel

Gösta Ekspong

alt

Nghiên cứu dẫn tới sự hiểu biết bản chất của ánh sáng và các quá trình phát xạ và hấp thụ có tầm quan trọng rất lớn. Từ đầu những năm 1900, nó đã đưa đến sự phát triển của vật lí lượng tử, đạt tới đỉnh cao vào thập niên 1920 và đơm hoa kết trái vào những năm tháng giữa thế kỉ với việc hoàn thành lí thuyết Điện Động lực học Lượng tử (QED) rất thành công.

Cách thức những thành tựu này được xem xét bởi Ủy ban Nobel cho giải thưởng Vật lí vừa lí thú và trong một số trường hợp thật bất ngờ.

Lưỡng tính sóng-hạt

Một hạt theo quan điểm cổ điển là sự tập trung của năng lượng và những tính chất khác trong không gian và thời gian. Câu hỏi không biết ánh sáng là dòng hạt (tiểu thể) hay là sóng là một câu hỏi rất xưa cũ. Công thức “hoặc cái này… hoặc cái kia…” theo kinh điển là tự nhiên và xa lạ với lời giải tiến bộ “cả…lẫn…”, thậm chí “không cái này… chẳng cái kia…” của ngày nay. Đầu thế kỉ 19, các thí nghiệm đã đề xuất và được thực hiện cho thấy ánh sáng là chuyển động sóng. Nhân vật chủ chốt trong nỗ lực này là Thomas Young, một trong những nhà khoa học thông minh và khéo léo nhất từ trước đến nay, người đã nghiên cứu sự nhiễu xạ và giao thoa của ánh sáng ngay vào năm 1803 với kết quả cho sự ủng hộ mạnh mẽ cho lí thuyết sóng của Christian Huygens phản đối thuyết hạt hay thuyết tiểu thể của Isaac Newton. Những đóng góp khác đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu khác, trong số họ là Augustin Jean Fresnel, người chỉ ra rằng ánh sáng là sóng ngang.

Lí thuyết ánh sáng của Newton có vẻ thích hợp để giải thích sự đổ thẳng hàng của bóng đổ sắc nét của các vật đặt trong chùm tia sáng. Nhưng thuyết sóng cần thiết để giải thích sự giao thoa, trong đó cường độ sáng có thể tăng cường nhau ở một số nơi và triệt tiêu nhau ở những nơi khác phía sau màn chắn có một khe hoặc vài khe. Thuyết sóng cũng có thể giải thích thực tế rìa của bóng đổ không khá sắc nét.

Lí thuyết toán học của điện từ học do James Clerk Maxwell thiết lập vào năm 1864 đưa đến quan điểm cho rằng ánh sáng có bản chất điện từ, truyền đi dưới dạng sóng từ nguồn đến nơi nhận. Heinrich Hertz đã phát hiện bằng thực nghiệm sự tồn tại của sóng điện từ ở tần số vô tuyến vào những năm 1880. Maxwell qua đời năm 1879 và Hertz qua đời lúc chỉ mới 37 tuổi vào năm 1894, hai năm trước khi Alfred Nobel tạ thế.

alt

Thí nghiệm của Thomas Young với hai khe hẹp chặn giữa nguồn sáng (ở đây là laser) và máy dò (ở đây là màn chắn). Sóng đi ra từ khe này chồng lên sóng đi ra từ khe kia, tạo ra hình ảnh giao thoa quan sát thấy với các vạch sáng và vạch tối xen kẽ trên màn hình.

Vào cuối thế kỉ 19, cũng là khoảng thời gian giải Nobel được đặt ra, bản chất sóng của ánh sáng dường như đã được thiết lập dứt khoát. Như thế, nghiên cứu có tính quyết định về bản chất sóng của ánh sáng đã đến quá sớm để xem xét trao giải Nobel. Tuy nhiên, có một ngoại lệ - đó là trường hợp tia X.

Những khám phá liên quan đến bản chất hạt của ánh sáng thuộc về thế kỉ của chúng ta và từ đó người ta mong đợi giải thưởng Nobel trao cho những thành tựu như thế. Điều này hầu như đúng – nhưng tài liệu Nobel cho thấy nhiều câu chuyện phức tạp như sẽ được hé mở sau đây.

Giải thưởng Nobel cho tia X

Việc khám phá ra tia X bởi Wilhelm Conrad Röntgen vào năm 1895 được ghi nhận bởi giải thưởng Nobel Vật lí đầu tiên năm 1901. Röntgen đã chỉ ra trong số nhiều thứ khác rằng tia X giống như ánh sáng, truyền đi theo đường thẳng, nhưng trái với ánh sáng nó có thể đâm xuyên sâu qua vật chất. Röntgen đã thấy trước tầm quan trọng đối với y khoa của phát hiện của ông.

Khám phá này có quá nhiều hệ quả quan trọng nên nó đáp ứng tốt quy định trong di chúc của Alfred Nobel là “mang lại lợi ích lớn nhất cho nhân loại”. Sau năm 1912 khi Max von Laue, người nhận giải Nobel vật lí năm 1914, đề xuất và quan sát thấy sự khúc xạ của tia X thì bức tranh sóng đã nhận được sự chấp nhận rộng rãi.

alt

Khoảng cách tương tác trong tinh thể phù hợp khá tốt với bước sóng của tia X. von Laue đã đi đến lí thuyết cho sự nhiễu xạ trong cách tử ba chiều và đưa ra những tiên đoán, chúng đã được xác nhận bằng các thí nghiệm của W. Friedrich và P. Knipping.

Bản chất của bức xạ mới, do Röntgen phát hiện vào năm 1895, không được biết rõ ràng vào năm 1901 khi ông được trao giải Nobel. Ban đầu, tính chất duy nhất được tìm thấy phù hợp với ánh sáng là sự truyền đi theo đường thẳng. Đến năm 1910, xảy ra một cuộc tranh luận ồn ào giữa Barkla và Bragg; một người bảo vệ ý kiến cho rằng tia X là sóng giống như ánh sáng, còn người kia thì cho rằng chúng bao gồm dòng các hạt nhỏ.

Bài thuyết trình Nobel của Arthur H. Compton đã lấy tựa đề là “Tia X là một ngành Quang học”. Nó mở đầu “Một trong những mặt quyến rũ nhất của nghiên cứu vật lí trong thời gian gần đây là sự mở rộng dần của các định luật quen thuộc của quang học sang các tần số rất cao của tia X, cho tới nay khó khăn lắm mới có một hiện tượng trong địa hạt ánh sáng không tìm thấy trong địa hạt tia X. Sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ khuếch tán, phân cực, nhiễu xạ, phổ phát xạ và phổ hấp thụ, hiệu ứng quang điện, tất cả các đặc trưng cơ bản này của ánh sáng cũng đã được tìm thấy là đặc điểm của tia X. Đồng thời, người ta cũng nhận thấy một số trong những hiện tượng này chịu một sự thay đổi từ từ khi chúng ta tiến tới các tần số cực độ của tia X, và là kết quả của những thay đổi này trong các định luật quang học, chúng ta đã có được những thông tin mới để xem xét ánh sáng”.

Bằng chứng cho bản chất hạt của ánh sáng

Trong các sách giáo khoa vật lí, có hai hiện tượng thường được trích dẫn để chứng minh cho bản chất hạt của ánh sáng: 1) hiệu ứng quang điện và 2) sự tán xạ Compton của tia X.

Trong một số sách vở, một trường hợp thứ ba thường được trích dẫn sai, gọi là phát hiện của Planck về lượng tử năng lượng, công trình do ông thực hiện trong phép phân tích của ông về bức xạ nhiệt. Ủy ban Nobel đã tôn vinh khám phá ấn tượng này bằng giải Nobel vật lí năm 1918, nhưng đã không phạm sai lầm ghi nhận Planck vì phát hiện ra bản chất hạt của ánh sáng.

Giải Nobel Vật lí cho Max Planck

Khám phá của Planck ra cái gọi là hằng số Planck, h, được nhấn mạnh như động cơ trao giải cho ông năm 1918. Hằng số mới này của tự nhiên (với thứ nguyên năng lượng nhân thời gian) kết nối lượng tử năng lượng với tần số của ánh sáng, n, qua công thức E = h n. Trong bài phát biểu tại lễ trao giải Nobel năm 1918, người ta nói “Tích số hn thật ra là lượng nhiệt nhỏ nhất có thể phát ra ở tần số dao động n”. Chính Planck đã phủ định ý kiến cho rằng ánh sáng trong chân không truyền đi dưới dạng hạt, sau này gọi tên là photon.

Như sẽ làm sáng tỏ từ phần sau, Ủy ban Nobel Vật lí đã không công nhận bản chất hạt của ánh sáng cả khi xét giải năm 1921 (trao giải năm 1922) cho Albert Einstein “cho khám phá của ông ra định luật quang điện”, lẫn khi vào năm 1927 trao giải vật lí cho Arthur Holly Compton “cho khám phá của ông ra hiệu ứng sau này mang tên ông”.

Giải Nobel năm 1921 cho Albert Einstein (trao giải năm 1922)

Albert Einstein vào năm 1905 đã đi đến kết luận rằng ánh sáng đôi khi hành xử giống như hạt qua một phép phân tích thống kê khéo léo công thức Wein cho sự phân bố bước sóng ánh sáng của bức xạ nhiệt.

Einstein nói rằng ý tưởng mới của ông sẽ mang lại một lời giải thích tự nhiên của hiệu ứng quang điện, tức sự phát xạ electron từ bề mặt kim loại bị ánh sáng rọi vào. Lí thuyết sóng ánh sáng không thể làm được điều đó. Động cơ trao giải Nobel cho Einstein năm 1922 là dựa trên khám phá của ông ra định luật của hiệu ứng quang điện.

alt

Einstein lặp lại phép tính thống kê với công thức Planck làm cơ sở, nó tổng quát hơn công thức Wein, và đi đến kết luận rằng cả khái niệm sóng lẫn khái niệm hạt trong bể nhiệt ánh sáng trong hộp đều cần đến. Trong một thảo luận chuyên đề tại Viện hàn lâm Phổ ở Berlin năm 1909, Einstein đã sử dụng phép tính mới này để cố gắng thuyết phục Planck và những người có mặt khác sự cần thiết phải xem xét ánh sáng đồng thời bao gồm một số hạt rời rạc.

Như đã biết, Einstein không nhận giải Nobel cho lí thuyết tương đối của ông vì một số thành viên có ảnh hưởng lớn trong Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển có sự hoài nghi mạnh mẽ vào những lí thuyết đó. Người đoạt giải Nobel năm 1911 trong lĩnh vực Sinh lí học hay Y khoa, Allvar Gullstrand, là một trong những người theo quan điểm cho rằng tính đúng đắn của thuyết tương đối đặc biệt của Einstein là dựa trên niềm tin – chứ không được chứng minh bằng thực tiễn, và thuyết tương đối rộng theo quan điểm của ông không thể nào là một phân tích quan trọng trụ vững được.

Bây giờ, có phải giải thưởng trao cho Einstein không mang hàm ý rằng Viện hàn lâm công nhận bản chất hạt của ánh sáng ? Ủy ban Nobel nói rằng Einstein đã tìm thấy sự trao đổi năng lượng giữa vật chất và ether xảy ra bởi các nguyên tử phát xạ hay hấp thụ một lượng tử năng lượng, hn.

Là hệ quả của khái niệm mới về lượng tử ánh sáng (trong thuật ngữ hiện đại là photon), Einstein đã đề xuất định luật rằng một electron phát ra từ một chất bởi ánh sáng đơn sắc có tần số n phải có năng lượng cực đại E = hn - P, trong đó P là năng lượng cần thiết để bứt electron ra khỏi chất. Robert Andrews Millikan đã tiến hành một loạt phép đo trong khoảng thời gian 10 năm, cuối cùng xác nhận giá trị của định luật này vào năm 1916 với độ chính xác cao. Tuy nhiên, Millikan nhận thấy ý tưởng lượng tử năng lượng là không quen thuộc và kì lạ.

Ủy ban Nobel đã tránh xem xét cho khái niệm hạt. Lượng tử ánh sáng hay với thuật ngữ hiện đại, photon, được nhắc tới rõ ràng trong các bản báo cáo cơ sở cho quyết định trao giải chỉ đề cập tới các quá trình phát xạ và hấp thụ. Ủy ban nói rằng ứng dụng quan trọng nhất của định luật quang điện của Einstein và đồng thời xác nhận có sức thuyết phục nhất của nó là mẫu Bohr đã sử dụng lí thuyết nguyên tử của ông, chúng giải thích được một lượng lớn số liệu quang phổ học.

alt

Trong lí thuyết của ông về nguyên tử, Bohr đã sử dụng định luật của Einstein làm điều kiện cơ sở cho tần số của ánh sáng phát ra hay hấp thụ, khi một nguyên tử thực hiện một chuyển đổi giữa hai mức năng lượng lượng tử hóa E1E2, dưới dạng n = (E­1 – E2)/h, trong ngôn ngữ hiện đại nó không gì hơn mà là sự bảo toàn năng lượng cơ bản với một photon phát ra hay hấp thụ có thể là một trường hợp. Tuy nhiên, Bohr đã phủ nhận khái niệm photon trong nhiều năm, mãi cho đến khoảng năm1925. Trong bài thuyết trình Nobel năm 1922 của ông, Bohr đã biểu hiện sự phản đối của ông trong những từ sau: “Bất chấp giá trị tìm tòi của nó, giả thuyết lượng tử ánh sáng, nó không phù hợp lắm với cái gọi là hiện tượng giao thoa, không thể nào soi sáng bản chất của bức xạ”. Einstein đã được mời đến nhận giải thưởng của ông cùng lúc sự kiện đó, nhưng ông không thể đến, vì ông phải đi Nhật. Như vậy, thế giới đã mất đi cơ hội chứng kiến một cuộc tranh luận sớm giữa hai nhân vật lớn này trong ngành vật lí về bản chất của ánh sáng.

Mối quan hệ giữa Einstein và Bohr, mà Ủy ban Nobel vật lí đã nhìn thấy, được làm cho rõ ràng nhất bằng hai giải thưởng Nobel trao trong năm 1922: một giải dành từ năm trước cho Einstein và giải hiện tại cho Bohr.

Giải thưởng Nobel cho Arthur Holly Compton (1927)

Đầu năm 1923, Arnold Sommerfeld đi thăm Mĩ và viết cho Bohr: “Điều hấp dẫn nhất… là nghiên cứu của Compton ở St Louis. Sau nó, lí thuyết sóng ánh sáng đã trở nên vô dụng”.

Compton đã theo đuổi một số phần của tia X bị tán xạ khỏi hướng chùm tia có bước sóng dài hơn bước sóng bức xạ tới. Ông đã đo sự lệch bước sóng rất chính xác. Độ lệch đó không thể nào hiểu được theo thuyết sóng cổ điển. Lời giải thích riêng của Compton cho quá trình tán xạ là dưới dạng va chạm giữa hai hạt – một hạt là electron tự do, còn hạt kia là photon.

Dựa trên thuyết lượng tử và động học tương đối tính, Compton đã tính được độ lệch bước sóng như mong đợi theo lí thuyết này bằng định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn động lượng. Compton sử dụng một quang phổ kế tia X cho những phép đo chính xác bước sóng của bức xạ tán xạ, chúng gồm hai thành phần - một bị lệch và một không bị lệch. Thành phần bị lệch là do sự tán xạ đối với các electron tự do hay gần như tự do, sao cho chúng có thể nảy trở lại, từ đó đưa đến động lượng và lượng năng lượng có thể xác định, còn thành phần không bị lệch là do sự tán xạ đối với các electron liên kết, trong trường hợp mà toàn bộ nguyên tử hay thậm chí toàn tinh thể nhận thêm xung lượng nhưng chỉ có lượng năng lượng không đáng kể.

alt

Việc hiểu được làm thế nào Compton sử dụng một quang phổ kế như thế là dựa trên thuyết sóng của tia X. Bằng cách này, ông tìm thấy tia X tán xạ như các hạt. Thực tế này minh họa rõ ràng cho bản chất lưỡng tính của ánh sáng.

Compton nhận giải Nobel vật lí năm 1927, nhận chung với C.T.R. Wilson cho phương pháp buồng mây của ông, với nó Wilson đã nhìn thấy các electron nảy trở lại từ chùm tia X, nhờ đó mang lại sự ủng hộ mạnh mẽ cho căn cứ của quá trình Compton.

Cuối cùng thì Viện hàn lâm có trao giải cho khám phá ra bản chất hạt của ánh sáng không ? Câu trả lời là không.

Trong báo cáo thẩm định, người ta thấy một câu nói rằng lí thuyết của Compton lí thuyết của Compton ngày nay phải xem là đã lỗi thời theo quan điểm của những lí thuyết mới nhất. Như vậy, bức tranh hạt không được chấp nhận.

Vị thế của Ủy ban Nobel là có thể hiểu được, vì vào lúc trao giải Nobel cho Compton không có lí thuyết nào tốt cho vi phân tiết diện dựa trên khái niệm photon. Những lí thuyết như thế vẫn thuộc về tương lai. Nhưng có những lí thuyết xây dựng trên bức tranh sóng, xem electron lẫn bức xạ tia X là sóng, cũng mang lại sự lệch bước sóng chính xác.

Hiệu ứng Compton đã được Ủy ban Nobel thẩm định ngay trong năm 1925 và 1926 nhưng thấy lí thuyết đó rất không vừa ý. Tuy nhiên, vào năm 1927, điều đó đã thay đổi. Sự thẩm định mới được thực hiện bởi Carl Wilhelm Oseen, giáo sư Cơ học và Vật lí toán tại Đại học Uppsala. Ông đã tiến hành một nghiên cứu triệt để cho Ủy ban. Ông bắt đầu bằng việc nhắc lại những hứng thú lớn mà khám phá của Compton vào năm 1922 đã ăn khớp, phần nhiều là vì lí thuyết do chính Compton nêu ra. Ông viết (dịch từ tiếng Thụy Điển sang) “không có gì ngạc nhiên trước sự phù hợp của lí thuyết này với quan sát được truyền cảm hứng với những đại diện kém quan trọng hơn cho vật lí lí thuyết quan niệm rằng cuộc đấu tranh dai dẳng giữa thuyết sóng và thuyết hạt sắp đi đến hồi kết thúc của nó. Phát hiện của Compton là thứ các nhà khoa học này xem là bằng chứng có tính quyết định cho sự thật của thuyết tiểu thể. Nếu như những điều trông đợi này đơm hoa kết trái, thì khám phá của Compton chắc chắn đã đánh dấu một bước ngoặc trong sự phát triển của toàn bộ lí thuyết bức xạ”. Oseen đi đến cho rằng điều này không hẳn như thế. Quan điểm của ông là hiệu ứng mới, do Compton phát hiện, tuy thế nhưng rất quan trọng.

Oseen mô tả làm thế nào lí thuyết Bohr đã phá sản vào năm 1925 và rằng hiệu ứng Compton không có gì để làm với điều đó. Ông đề cập tới làm thế nào cơ học ma trận và cơ học sóng đi vào sân khấu mà không có sự kích thích từ hiệu ứng Compton. Lí thuyết xưa nhất cho hiệu ứng Compton được xây dựng bởi Compton, Debye và Woos. Được xây dựng trên lí thuyết lượng tử ánh sáng, “chúng có giá trị đối với nghiên cứu thực nghiệm, nhưng bây giờ phải xem là lỗi thời theo quan điểm của các lí thuyết mới nhất”. Oseen nhắc tới một vài nghiên cứu mới hơn như thế, nhất là nghiên cứu của Gordon và một nghiên cứu gần đó của O. Klein, dựa trên thuyết sóng, xem electron và ánh sáng đều là sóng. Chúng đều đi đến những phương trình giống nhau cho sự bảo toàn năng lượng và động lượng giữa sóng tán xạ và electron phản xạ như ban đầu Compton nhận được giả sử một va chạm hai hạt. “Cơ sở cho lí thuyết Compton-Debye như vậy đã được tìm thấy, lần này không phải là giả thuyết mà là hệ quả của thuyết nguyên tử”, Oseen kết luận, chứng minh ông phê bình người tiền nhiệm của ông là lỗi thời. Hơn nữa, cách xem xét cơ học sóng này còn mang lại công thức cho cường độ theo góc tán xạ (tức là vi phân tiết diện) phù hợp với các phép đo tốt hơn nhiều so với tiên đoán của thuyết sóng cổ điển.

Oseen tóm gọn bằng cách nói rằng sự tiến bộ trong 18 tháng vừa qua là độc lập với khám phá của Compton và xu hướng tiến bộ mới đã chuyển sang cái ngược lại với điều người ta mong đợi sau phát hiện của Compton. Lí thuyết mới là lí thuyết sóng ở mức độ cao hơn bất kì lí thuyết nào trước đó. Sử dụng lí thuyết mới đó, người ta có thể đi tới một giải thích định tính và định lượng cho hiệu ứng Compton.

Ủy ban nhấn mạnh rằng hiệu ứng Compton tuy thế thật quan trọng, vì nó một lần nữa chứng minh rất rõ ràng và thuyết phục rằng các lí thuyết cổ điển là không thể áp dụng được trong lĩnh vực vật lí nguyên tử và nó mang lại một khả năng quý giá và được hân hoan chào đón để kiểm tra những ý tưởng mới.

Giải thưởng cho khám phá ra bản chất lưỡng tính của vật chất

Bản chất lưỡng tính của ánh sáng đã được mở rộng sang một sự lưỡng tính tương tự ở vật chất. Electron và nguyên tử ban đầu được xem là tiểu thể. Năm 1929, Louis Victor de Broglie được trao giải Nobel vật lí cho “khám phá của ông ra bản chất sóng của electron”. Bằng chứng thực nghiệm mang lại bởi Clinton Joseph Davisson, New York, và ngài George Paget Thomson ở London. Họ cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1937. Kể từ khi Erwin Schrödinger vào năm 1925 đã khám phá ra phương trình sóng phi tương đối tính, thì cơ học sóng electron trở thành một công cụ đáng giá cho khoa học tự nhiên. Schrödinger được trao giải Nobel vật lí năm 1933.

Ủy ban Nobel ban đầu thận trọng tránh nói thẳng về bản chất hạt của ánh sáng, nhưng không ngần ngại nói thẳng vật chất đôi khi hành xử giống như sóng. Ý tưởng của Bohr về sự bổ sung đã nêu ra hai năm trước đó, nên trong bài phát biểu tại lễ trao giải Nobel năm 1929, người ta tìm thấy sự phản ánh của điều đó trong những câu sau: “Như vậy, dường như ánh sáng đồng thời là chuyển động sóng và là dòng hạt nhỏ. Một số trong những tính chất của nó giải thích được bằng giả thuyết cũ, một số tính chất khác thì bằng giả thuyết thứ hai. Cả hai đều phải đúng”.

alt

Giải Nobel cho lí thuyết giải được bài toán lưỡng tính của ánh sáng

Với sự ra đời của cơ học lượng tử năm 1925-1926 đã mở ra một khả năng cho một lời giải cho bài toán lưỡng tính.

Paul Dirac công bố năm 1927 một lí thuyết toán học cho sự tương tác giữa các trường điện từ, ví dụ như ánh sáng hay tia X, và các hạt tích điện bao gồm cả hai mặt của ánh sáng – nó là một lí thuyết của các trường lượng tử hóa. Những đóng góp khác nữa được mang lại bởi một số nhà vật lí và cũng được khái quát hóa cho các trường vật chất và ngày nay là một công cụ không thể thiếu trong việc xem xét các tương tác cơ bản thuộc bất kì loại nào (mạnh, yếu, hay điện từ). Ba nhà tiên phong, Dirac, Werner Heisenberg, và Wolfgang Pauli, đều được trao giải Nobel vật lí, nhưng cho những thành tựu khác.

Phiên bản ban đầu của lí thuyết Dirac kết hợp các mặt sóng và hạt của ánh sáng, chỉ có ích với sự gần đúng bậc một. Các tính toán cho sự ăn khớp hợp lí với thí nghiệm; một sự phù hợp như thế là vi phân tiết diện cho tán xạ Compton. Tuy nhiên, khi nỗ lực tính toán chính xác hơn, điều cần thiết trong những trường hợp nhất định, các kết quả trở nên thật ngu xuẩn và trên thực tế là bằng vô hạn. Tình trạng đó được chữa trị trong thập niên 1940 bởi nghiên cứu của Sin-Itio Tomonaga, Julian Schwinger và Richard Feynman, họ cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1965. Nhờ nghiên cứu của họ, ngày nay người ta có một trong những lí thuyết đẹp và chính xác nhất mà loài người đã đạt tới trong lĩnh vực này, lí thuyết QED, hay Điện Động lực học Lượng tử. Nó được biểu diễn trong ngôn ngữ toán học, hoàn hảo cho loại hoạt động này, vượt ra khỏi phép biện chứng hàng ngày của lưỡng tính sóng và hạt với sự tổng hợp của một trường lượng tử.

Richard Feynman đã xây dựng cơ sở cho phiên bản cơ học lượng tử của ông về “tích phân đường”. Ông đề xuất rằng biên độ xác suất chuyển trạng thái có thể tính bằng cách cộng những đóng góp từ mỗi quỹ đạo không-thời gian luân phiên của các hạt có hệ số pha nhất định. Từ cách tiếp cận này,Feynman nêu ra một biểu diễn hình học của biên độ của QED, khiến cho lí thuyết dễ sử dụng hơn nhiều. Trong giản đồ Feynman, các electron và photon được hình dung là các đường trong một biểu đồ không-thời gian. Các tương tác có trao đổi năng lượng-động lượng và những tính chất khác xảy ra tại những điểm không-thời gian như thế, nơi các đường hạt gặp nhau. Giản đồ Feynman ngày nay là phương pháp chuẩn dùng để tính các tiên đoán lí thuyết.

alt

Tuy nhiên, lí thuyết QED quá tiến bộ đối với nhiều ứng dụng thực tiễn và thường chỉ đưa vào dạy trong các khóa học cao cấp. Mỗi sinh viên vật lí mới vì thế phải vật lộn với bài toán lưỡng tính, cho phép tồn tại đồng thời cả khái niệm hạt và sóng và giữ quan điểm rằng hai tính chất đó loại trừ lẫn nhau (như Niels Bohr thiết lập trong Nguyên lí Bổ sung của ông năm 1927).

Một cuốn sách nhỏ, cơ bản dựa trên những bài giảng phổ biến của Feynman, có thể bạn nên đọc: “QED. Lí thuyết kì lạ của ánh sáng và vật chất” của Richard Feynman (Nhà xuất bản Đại học Princeton, 1985), trong đó Feynman cung cấp bản chất phiên bản QED của ông trong ngôn ngữ đơn giản và theo kiểu tao nhã, thậm chí còn mô tả các định luật của quang hình học có thể thu nhận như thế nào từ lí thuyết QED.

Lưỡng tính sóng-hạt trong một thí nghiệm và một thí nghiệm tương tự

Các thí nghiệm với chùm ánh sáng hay electron được thực hiện sao cho cả hai mặt – sóng và hạt – đều nhìn thấy được. Để cho sự giao thoa xảy ra thì trong số những thứ khác, điều cần thiết là chùm tia phải có nhiều hơn một đường đi từ nguồn tới máy dò (ví dụ màn hứng). Sự giao thoa được giải thích bằng bức tranh sóng. Khi cường độ chùm tia đủ thấp và máy dò thích hợp thì tác động của từng hạt một có thể nhìn thấy được. Lượng tử năng lượng khi đó bị khu biệt như thể các hạt trong không gian và thời gian.

alt

Bố trí của thí nghiệm hai khe đối với electron. Hai đường đi được tạo sẵn cho chùm electron.

alt

Tín hiệu ra ở máy dò hiển thị trên một màn hình ở đây biểu diễn tập hợp các khung hình; khung hình thứ nhất là lúc mới bắt đầu, khung hình cuối cùng là sau khoảng thời gian thu thập lâu. Vân giao thoa được hình thành từ từ bởi sự tác động của từng hạt.

Kĩ thuật cao hiện đại giúp người ta dễ dàng thực hiện các thí nghiệm khá phức tạp với ánh sáng hay với electron hoặc nguyên tử, chúng có vẻ dị thường khi mô tả bằng hoặc bức tranh sóng hoặc bức tranh hạt.

Thay lời kết

Photon là (hạt) trường lượng tử đóng vai trò trung chuyển lực giữa các hạt tích điện. Nó được đưa thành công vào trong một ngữ cảnh lớn hơn với ba hạt trung chuyển lực yếu – (W+, W-, Z0). Ba hạt sau này là những hạt rất nặng, còn photon thì không có khối lượng. Cùng với nhau, chúng là những hạt trung chuyển lực của tương tác điện yếu thống nhất.

Giải Nobel năm 1979 trao cho ba nhà lí thuyết Sheldon Glashow, Abdus Salam, và Steven Weinberg, “cho những đóng góp của họ vào lí thuyết tương tác yếu và tương tác điện từ thống nhất giữa các hạt cơ bản, trong đó có, không kể những cái khác, tiên đoán ra dòng trung hòa yếu” và giải thưởng năm 1984 trao cho Carlo Rubbia và Simon van der Meer “cho những đóng góp có tính quyết định của họ cho dự án lớn từ đó dẫn tới khám phá ra các hạt trường W và Z, các hạt trung chuyển tương tác yếu”.

Theo NobelPrize.org

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
MobiPro

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Bạn có thể nhìn thấy hơi nước không?
22/10/2014
Hầu như mọi người đều “biết” rằng hơi nước là có thể nhìn thấy được. Nói chung, người ta có thể nhìn thấy đám
Hành trình tìm kiếm hằng số hấp dẫn G – Phần 5
20/10/2014
Các thí nghiệm khác ngoài cân xoắn Kể từ thập niên 1990, một vài nhóm đã phát triển các thí nghiệm thành công khác ngoài cân
Diode phát quang và giải Nobel Vật lí 2014 – Phần 3
13/10/2014
Cấu trúc dị thể kép và giếng lượng tử Sự phát triển của LED hồng ngoại và diode laser chứng tỏ rằng các lớp tiếp xúc
Diode phát quang và giải Nobel Vật lí 2014 – Phần 2
10/10/2014
Nghiên cứu ban đầu về LED lam Con đường đưa đến sự phát xạ ánh sáng lam tỏ ra khó khăn hơn nhiều. Những nỗ lực ban đầu
Diode phát quang và giải Nobel Vật lí 2014 – Phần 1
08/10/2014
Diode phát quang (LED) là những nguồn sáng dải hẹp hoạt động dựa trên các bộ phận bán dẫn, với bước sóng biến thiên từ
Giải Nobel Hóa học 2014 thuộc về ba nhà vật lí Mĩ và Đức
08/10/2014
Theo tin từ trang chủ NobelPrize.org, Giải thưởng Nobel Hóa học 2014 đã thuộc về ba nhà khoa học: Eric Betzig, người Mĩ Stefan W.
Giải Nobel Vật Lý 2014 cho phát minh về đèn LED
07/10/2014
Ủy ban giải Nobel 2014 đã quyết định trao giải Nobel Vật lý năm 2014 cho Isamu AkasakiĐại học Meijo, Đại học Japan & Nagoya,
Hạt mới vừa là vật chất vừa là phản vật chất
07/10/2014
Kể từ thập niên 1930, các nhà khoa học đã và đang sốt sắng tìm kiếm các hạt đồng thời là vật chất và phản vật chất.

Liên kết hữu ích

Diễn Đàn Vật Lý | Phương pháp dạy & học | Tin Tức Vật Lý | Giáo án điện tử  | Văn phòng phẩm giá rẻ 

Vui Lòng Đợi

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com