Lịch sử của photon

Bản chất của ánh sáng – cho dù bạn coi nó là hạt hay sóng – là một trong những cuộc tranh luận khoa học lớn nhất. Trong nhiều thế kỷ, các nhà triết học và khoa học đã tranh cãi về vấn đề mà cách đây một thế kỷ vẫn chưa được giải quyết. Các môn đồ của một nhánh triết học Ấn Độ giáo vào thế kỷ thứ sáu trước Công nguyên tên là Vaishedhika có một trực giác vật lý đáng ngạc nhiên về ánh sáng. Giống như người Hy Lạp cổ đại, họ từng tin rằng thế giới dựa trên ‘nguyên tử’ của đất, không khí, lửa và nước. Bản thân ánh sáng được cho là được tạo ra từ các nguyên tử chuyển động rất nhanh gọi là tejas.

Điều đó rất giống với lý thuyết ánh sáng hiện đại của chúng ta và các photon cấu tạo của nó, một thuật ngữ được đặt ra hàng nghìn năm sau vào năm 1926 bởi một nhà hóa học tên là Gilbert Lewis và một nhà vật lý quang học tên là Frithiof Wolfers. Sau đó, vào khoảng năm 300 trước Công nguyên, nhà vật lý Hy Lạp cổ đại Euclid đã tạo ra một bước đột phá lớn khi ông cho rằng ánh sáng truyền theo đường thẳng. Euclid cũng mô tả các quy luật phản xạ và một thế kỷ sau, Ptolemy đã bổ sung bằng các tác phẩm về khúc xạ. Tuy nhiên, mãi đến năm 1021, các định luật khúc xạ mới được chính thức thiết lập trong tác phẩm Kitab al-Manazir hay Book of Optics của Ibn al-Haytham.

Thời kỳ Phục hưng sẽ mở ra một kỷ nguyên khoa học mới về bản chất của ánh sáng. Đáng chú ý là các cuộc xâm nhập của René Descartes trong một bài luận năm 1637 có tên là La dioptrique, nơi ông lập luận rằng ánh sáng được tạo ra từ các xung truyền ngay lập tức khi tiếp xúc với các ‘quả bóng’ trong một môi trường. Sau đó, khi viết trên tạp chí Traité de la lumière xuất bản năm 1690, Christiaan Huygens coi ánh sáng như sóng nén trong môi trường đàn hồi, giống như sóng áp suất âm thanh. Huygens đã chỉ ra cách tạo ra các sóng ánh sáng phản xạ, khúc xạ và sàng lọc, đồng thời giải thích hiện tượng khúc xạ kép.

Đến thời điểm này, các nhà khoa học đã chia thành hai trại cố thủ. Một bên tin rằng ánh sáng là sóng trong khi quan điểm khác cho rằng ánh sáng là các hạt hoặc tiểu thể. Nhà vô địch vĩ đại của cái gọi là ‘nhà khoa học toán học’ không ai khác chính là Isaac Newton, được nhiều người tin tưởng là nhà khoa học vĩ đại nhất từ trước đến nay. Newton không thích lý thuyết sóng vì điều đó có nghĩa là ánh sáng sẽ có thể đi quá xa vào bóng tối. Trong phần lớn thế kỷ 18, lý thuyết phân tử thống trị các cuộc tranh luận xung quanh bản chất của ánh sáng. Nhưng sau đó, vào tháng 5 năm 1801, Thomas Young đã giới thiệu với thế giới về thí nghiệm hai khe nổi tiếng hiện nay của ông, nơi ông chứng minh sự giao thoa của sóng ánh sáng.

Trong phiên bản đầu tiên của thử nghiệm, Young thực sự không sử dụng hai khe mà thay vào đó là một thẻ mỏng. Nhà vật lý chỉ đơn giản che cửa sổ bằng một mảnh giấy với một lỗ nhỏ trên đó có nhiệm vụ tạo ra một chùm ánh sáng mỏng. Với lá bài trên tay, Young chứng kiến chùm tia chia đôi như thế nào. Ánh sáng đi qua một mặt của tấm thẻ đã giao thoa với ánh sáng từ mặt kia của tấm thẻ để tạo ra các vân, có thể quan sát được ở bức tường đối diện. Sau đó, Young đã sử dụng dữ liệu này để tính toán các bước sóng của các màu ánh sáng khác nhau và gần với các giá trị hiện đại một cách đáng kể.

Cuộc biểu tình sẽ cung cấp bằng chứng chắc chắn rằng ánh sáng là sóng, không phải là hạt. Trong khi đó, lần này ở Pháp, chuyển động của các tiểu thể ánh sáng đã đạt được hơi nước sau khi những phát triển gần đây cho rằng sự phân cực của ánh sáng là do sự bất đối xứng nào đó giữa các tiểu thể ánh sáng. Họ đã phải chịu một thất bại nặng nề dưới bàn tay của Augustin Fresnel, người vào năm 1821 đã chỉ ra rằng có thể giải thích được sự phân cực nếu ánh sáng là một sóng ngang không có dao động dọc. Trước đây, Fresnel cũng đã đưa ra lý thuyết nhiễu xạ sóng chính xác. Đến thời điểm này, có rất ít cơ sở ổn định để những người theo Newton tiếp tục tranh luận.

Có vẻ như ánh sáng là một làn sóng và đó là điều đó. Vấn đề là ở chỗ, aether huyền thoại – phương tiện bí ẩn cần thiết để hỗ trợ các trường điện từ và tạo ra các định luật lan truyền của Fresnel – đã bị thiếu mặc dù mọi người đã nỗ lực hết sức để tìm ra nó. Thực ra chưa có ai làm vậy. Một bước đột phá lớn đến vào năm 1861 khi James Clerk Maxwell cô đọng kiến thức lý thuyết và thực nghiệm về điện và từ trong 20 phương trình. Maxwell đã dự đoán về một “sóng điện từ”, có thể tự duy trì, ngay cả trong chân không, khi không có dòng điện thông thường. Điều này có nghĩa là không cần aether để ánh sáng truyền qua!

Hơn nữa, ông dự đoán tốc độ của làn sóng này là 310,740,000 m s-1 – đó chỉ là một vài phần trăm giá trị chính xác của tốc độ ánh sáng. Maxwell viết năm 1865: “Sự thống nhất của các kết quả cho thấy ánh sáng và từ tính là cảm ứng của cùng một chất, và ánh sáng là nhiễu điện từ lan truyền trong trường theo các định luật điện từ”. Kể từ ngày đó trở đi, lần đầu tiên khái niệm ánh sáng được thống nhất với khái niệm điện và từ. Vào ngày 14 tháng 12 năm 1900, Max Planck đã chứng minh rằng bức xạ nhiệt được phát ra và hấp thụ trong các gói năng lượng rời rạc – lượng tử. Sau đó, Albert Einstein đã chỉ ra vào năm 1905 rằng điều này cũng áp dụng cho ánh sáng.

Einstein đã sử dụng thuật ngữ Lichtquant, hay lượng tử ánh sáng. Giờ đây, vào buổi bình minh của thế kỷ 20, một cuộc cách mạng mới trong vật lý một lần nữa sẽ xoay quanh bản chất của ánh sáng. Lần này, vấn đề không phải là ánh sáng là phân tử hay sóng. Đó là cho dù đó là cả hai hay không.

Nguồn: lithaco.vn