Ánh sáng vừa có tính chất của sóng vừa có tính chất của hạt. Khi đi qua hai khe hẹp, nó tạo ra những vạch sáng tối xen kẽ như sóng nước giao nhau. Khi đập vào một mặt kim loại hay một tấm pin Mặt Trời, nó trao năng lượng theo từng gói riêng lẻ như những hạt. Ánh sáng không phải sóng hay hạt theo nghĩa đời thường, mà là một thứ mà ngôn ngữ đời thường chưa có từ để gọi.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Câu hỏi ánh sáng là gì đã khiến những bộ óc lớn nhất cãi nhau hàng trăm năm. Tập này mình kể lại cuộc tranh cãi đó, và bạn sẽ thấy câu trả lời hiện đang nằm ngay trên mái nhà của nhiều gia đình Việt Nam.
Cuộc cãi nhau hàng trăm năm
Vào thế kỷ mười bảy, Isaac Newton cho rằng ánh sáng là dòng những hạt rất nhỏ. Điều này giải thích tốt vì sao ánh sáng đi thẳng và tạo bóng sắc nét. Cùng thời, nhà khoa học Hà Lan Christiaan Huygens lại cho rằng ánh sáng là sóng lan truyền.
Uy tín của Newton lớn tới mức thuyết hạt được ưa chuộng hơn trong một thời gian dài. Nhưng rồi một thí nghiệm đơn giản đã đổi chiều cuộc tranh luận.
Đầu thế kỷ mười chín, nhà khoa học người Anh Thomas Young cho ánh sáng đi qua hai khe hẹp đặt sát nhau rồi chiếu lên màn. Nếu ánh sáng là hạt, bạn chỉ thấy hai vạch sáng tương ứng hai khe. Thay vào đó, trên màn hiện ra một dãy vạch sáng tối xen kẽ.
Đó đúng là hình ảnh bạn thấy khi thả hai viên sỏi cùng lúc xuống mặt ao: hai vòng sóng lan ra, chỗ đỉnh gặp đỉnh thì sóng cao hơn, chỗ đỉnh gặp đáy thì triệt tiêu. Hiện tượng gọi là giao thoa, dấu hiệu rõ ràng của sóng.
Ánh sáng là sóng điện từ
Thế kỷ mười chín tiếp tục củng cố thuyết sóng. Nhà vật lý James Clerk Maxwell viết ra những phương trình mô tả điện và từ, và từ đó suy ra rằng dao động điện từ lan truyền đúng bằng tốc độ ánh sáng. Kết luận của ông: ánh sáng là sóng điện từ.
Điều này mở ra một bức tranh lớn. Ánh sáng nhìn thấy chỉ là một khoảng nhỏ trong một dải rất rộng. Sóng dài hơn là hồng ngoại, vi sóng, sóng vô tuyến dùng cho đài phát thanh. Sóng ngắn hơn là tia cực tím, tia X. Tất cả cùng một bản chất, chỉ khác bước sóng.
Tới cuối thế kỷ mười chín, nhiều nhà vật lý nghĩ câu hỏi ánh sáng là gì đã được trả lời xong. Nhưng còn vài hiện tượng nhỏ chưa khớp.
Một trong số đó là chuyện ánh sáng chiếu vào kim loại làm bật điện tử ra. Chính hiện tượng nhỏ này sẽ lật lại cả cuộc tranh luận.
Hiệu ứng quang điện: ánh sáng đến từng gói
Khi chiếu ánh sáng vào một số kim loại, điện tử bị bật ra khỏi bề mặt. Theo thuyết sóng, ánh sáng càng mạnh thì điện tử càng được đẩy mạnh. Nhưng thí nghiệm cho thấy điều lạ: với ánh sáng đỏ, dù chiếu mạnh đến đâu, có kim loại không bật ra điện tử nào. Chuyển sang ánh sáng tím hay cực tím, dù rất yếu, điện tử bật ra ngay.
Năm một nghìn chín trăm linh năm, Einstein đưa ra một lời giải táo bạo: ánh sáng mang năng lượng theo từng gói riêng biệt, về sau gọi là phô tôn. Mỗi phô tôn có năng lượng phụ thuộc vào màu: phô tôn tím mang nhiều năng lượng hơn phô tôn đỏ.
Một điện tử chỉ bật ra khi nhận một phô tôn đủ năng lượng. Ánh sáng đỏ mạnh nghĩa là rất nhiều phô tôn, nhưng từng cái đều quá yếu, giống như ném cả nghìn hạt đậu vào cửa kính cũng không vỡ, còn một viên sỏi thì đủ.
Chính công trình này, chứ không phải thuyết tương đối, đã mang lại cho Einstein giải Nobel vật lý.
Vậy rốt cuộc là sóng hay hạt?
Câu trả lời của vật lý hiện đại là: cả hai, tuỳ bạn đo cái gì. Và điều kỳ lạ nhất xuất hiện khi làm lại thí nghiệm hai khe với ánh sáng cực yếu, yếu tới mức mỗi lần chỉ có một phô tôn đi qua.
Mỗi phô tôn chạm màn tại một điểm, như một hạt. Nhưng khi để hàng nghìn phô tôn đi qua lần lượt, các điểm chạm dần xếp thành đúng những vạch sáng tối của giao thoa. Như thể mỗi phô tôn, dù đi một mình, vẫn đi qua cả hai khe và giao thoa với chính nó.
Các nhà vật lý gọi đây là lưỡng tính sóng hạt. Và không chỉ ánh sáng: điện tử, thậm chí cả những phân tử khá lớn, cũng thể hiện tính sóng trong những thí nghiệm tương tự.
Cách hiểu sâu xa của hiện tượng này vẫn là đề tài bàn luận giữa các nhà vật lý và triết học. Nhưng các phương trình mô tả nó thì chính xác tới mức kinh ngạc, và là nền tảng của gần như mọi thiết bị điện tử hiện đại.
Tấm pin Mặt Trời trên mái nhà liên quan gì?
Tấm pin Mặt Trời hoạt động dựa trên một hiệu ứng họ hàng gần với hiệu ứng quang điện. Mỗi phô tôn nắng đập vào lớp vật liệu bán dẫn trong pin, nếu đủ năng lượng, sẽ đánh bật một điện tử khỏi vị trí của nó. Cấu trúc bên trong pin dẫn các điện tử đó đi theo một chiều, tạo thành dòng điện.
Vì vậy, hiệu quả của pin phụ thuộc vào việc phô tôn có đủ năng lượng không, và vật liệu tận dụng được bao nhiêu phần của ánh nắng. Phô tôn quá yếu thì không đánh bật được điện tử, phô tôn quá mạnh thì phần năng lượng dư biến thành nhiệt. Đó là một lý do pin Mặt Trời có giới hạn hiệu suất.
Máy ảnh trong điện thoại, cảm biến tự bật đèn đường khi trời tối, cửa tự động ở siêu thị cũng dùng những nguyên lý liên quan tới việc ánh sáng trao năng lượng từng gói.
Lần tới nhìn một chùm nắng lọt qua khe ngói, những hạt bụi lơ lửng lấp lánh trong đó, bạn có thể nghĩ rằng chùm sáng kia vừa là sóng vừa là mưa phô tôn. Có thứ gì khác trong đời bạn mà cũng không chịu nằm gọn trong một cái tên không?
Câu hỏi thường gặp
Phô tôn là gì?
Phô tôn là đơn vị nhỏ nhất của ánh sáng, một gói năng lượng điện từ. Nó không có khối lượng khi đứng yên và luôn di chuyển với tốc độ ánh sáng trong chân không.
Vì sao ánh sáng tím mang nhiều năng lượng hơn ánh sáng đỏ?
Năng lượng của mỗi phô tôn tỉ lệ với tần số của ánh sáng. Ánh sáng tím có tần số cao hơn, tức bước sóng ngắn hơn, nên mỗi phô tôn mang năng lượng lớn hơn phô tôn ánh sáng đỏ.
Tia cực tím nguy hiểm vì sao?
Phô tôn tia cực tím mang đủ năng lượng để làm hỏng các phân tử trong tế bào da, kể cả ADN. Đó là lý do nắng gắt gây cháy nắng và phơi nắng nhiều lâu dài làm tăng nguy cơ ung thư da.
Điện tử có giao thoa như ánh sáng không?
Có. Các thí nghiệm bắn điện tử qua hai khe cũng tạo ra vân giao thoa, chứng tỏ điện tử có tính sóng. Kính hiển vi điện tử tận dụng tính sóng này để quan sát những vật nhỏ hơn nhiều so với kính hiển vi quang học.
Pin Mặt Trời có hoạt động khi trời râm không?
Có, nhưng tạo ra ít điện hơn, vì lượng phô tôn tới tấm pin ít hơn. Ánh sáng tán xạ qua mây vẫn mang năng lượng, chỉ yếu hơn nắng trực tiếp.
