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

Bản chất lưỡng tính của ánh
sáng phản ánh trong các thành
tựu Nobel
Dựa trên thuyết lượng tử và động học tương đối tính,Comptonđã tính được
độ lệch bướcsóng như mongđợi theolí thuyếtnày bằng địnhluật bảo toàn năng
lượng và định luật bảo toàn độnglượng.Comptonsử dụng mộtquangphổ kế tia X
cho những phép đochính xác bước sóngcủa bức xạ tán xạ, chúnggồmhaithành
phần -mộtbị lệch và một khôngbị lệch. Thànhphần bị lệch là dosự tán xạ đốivới
các electrontự do hay gần như tự do, saocho chúngcó thể nảytrở lại, từ đó đưa
đến độnglượng vàlượngnăng lượng có thể xácđịnh,còn thành phần khôngbị
lệch là dosự tán xạ đối vớicác electronliên kết, trong trườnghợp mà toànbộ
nguyêntử haythậm chí toàn tinhthể nhận thêm xunglượngnhưng chỉ có lượng
năng lượngkhôngđángkể.
Việc hiểu đượclàm thế nào Comptonsử dụng một quang phổ kế như thế là
dựatrênthuyếtsóngcủatia X.Bằngcáchnày, ôngtìm thấytiaXtán xạ như các hạt.
Thựctế này minh họa rõràngcho bản chất lưỡng tính của ánh sáng.
Comptonnhận giải Nobelvật lí năm 1927,nhận chungvới C.T.R. Wilsoncho
phươngpháp buồng mây của ông,với nóWilsonđã nhìn thấy các electronnảy trở
lại từ chùmtia X, nhờ đó mang lạisự ủng hộ mạnhmẽ cho căn cứ của quátrình
Compton.
Cuối cùng thì Viện hàn lâm cótraogiải chokhám phára bản chấthạt củaánh
sáng không ? Câu trả lờilà không.
Trongbáo cáo thẩm định, người ta thấymộtcâu nói rằng lí thuyết của
Comptonlí thuyết của Comptonngàynay phải xemlà đã lỗi thời theo quanđiểm
của nhữnglí thuyếtmới nhất. Như vậy,bức tranhhạt không đượcchấp nhận.
Vị thế của Ủy banNobellà cóthể hiểu được, vì vào lúc trao giải Nobel cho
Comptonkhông có líthuyết nàotốt cho vi phân tiết diện dựa trênkhái niệm
photon.Những lí thuyết như thế vẫn thuộcvề tươnglai. Nhưng cónhữnglí thuyết
xây dựng trên bức tranhsóng,xem electron lẫn bức xạ tiaX là sóng, cũngmanglại
sự lệch bước sóng chínhxác.
Hiệu ứngComptonđã được Ủy ban Nobelthẩm định ngaytrong năm 1925

và 1926nhưng thấylí thuyết đó rấtkhông vừaý. Tuynhiên,vào năm 1927,điều
đó đã thay đổi. Sự thẩm địnhmớiđượcthực hiện bởi Carl Wilhelm Oseen,giáo sư
Cơ học và Vật lí toántại Đại học Uppsala. Ôngđã tiến hành một nghiên cứu triệt để
cho Ủyban. Ông bắt đầubằng việc nhắc lại những hứng thú lớn mà khám phá của
Comptonvào năm 1922đã ăn khớp, phần nhiều làvì lí thuyếtdo chính Compton
nêu ra. Ông viết (dịch từ tiếng Thụy Điểnsang)“khôngcó gì ngạc nhiên trước sự
phù hợp của lí thuyếtnày vớiquansát đượctruyền cảmhứngvới những đại diện
kém quantrọnghơn chovật lí lí thuyết quan niệm rằng cuộc đấu tranhdaidẳng
giữathuyết sóngvà thuyết hạt sắp đi đếnhồi kết thúccủa nó.Phát hiện của
Comptonlà thứ các nhà khoa họcnày xem là bằngchứng có tính quyếtđịnh cho sự
thật của thuyết tiểu thể. Nếu như những điều trông đợi này đơm hoakết trái, thì
khámphácủa Comptonchắcchắn đã đánh dấu một bước ngoặc trong sự phát
triển của toànbộ lí thuyết bứcxạ”. Oseenđi đến cho rằng điều này khônghẳn như
thế. Quanđiểm của ông là hiệu ứng mới, do Compton phát hiện, tuy thế nhưng rất
quan trọng.
Oseenmô tả làm thế nào líthuyết Bohrđã phá sảnvào năm 1925và rằng
hiệu ứng Comptonkhông cógì để làm với điều đó.Ông đề cập tới làmthế nàocơ
học matrận và cơ học sóng đi vào sânkhấumà không có sự kích thíchtừ hiệuứng
Compton. Lí thuyết xưanhất cho hiệu ứngCompton được xây dựng bởi Compton,
Debyevà Woos.Được xây dựng trên lí thuyếtlượngtử ánh sáng,“chúng có giá trị
đối với nghiên cứuthực nghiệm, nhưng bây giờ phải xemlà lỗi thời theo quan
điểm củacác lí thuyết mới nhất”. Oseennhắc tới một vài nghiên cứumớihơn như
thế, nhất là nghiên cứu của Gordonvà một nghiên cứu gầnđó của O.Klein, dựa
trên thuyết sóng, xem electron và ánh sáng đềulà sóng.Chúngđềuđi đến những
phươngtrìnhgiống nhau cho sự bảo toàn năng lượngvà động lượng giữa sóng tán
xạ và electronphản xạ như banđầuCompton nhận được giả sử một vachạm hai
hạt. “Cơ sở cho lí thuyếtCompton-Debyenhư vậy đã đượctìm thấy, lần này không
phải là giả thuyết mà là hệ quả củathuyết nguyên tử”,Oseen kết luận, chứng minh
ông phê bìnhngườitiền nhiệm của ônglà lỗi thời. Hơnnữa, cáchxemxét cơ học
sóng này cònmanglại công thứcchocường độ theo góctán xạ (tức làvi phântiết

diện)phù hợp với các phép đo tốthơn nhiều sovới tiên đoán của thuyết sóng cổ
điển.
Oseentómgọnbằng cách nói rằng sự tiến bộ trong 18 thángvừaqua là độc
lập vớikhámphácủaCompton và xuhướng tiến bộ mớiđã chuyển sangcái ngược
lại với điều người ta mong đợi sau phát hiện củaCompton.Lí thuyết mới là lí
thuyết sóng ở mức độ cao hơnbất kìlí thuyết nào trước đó. Sử dụng lí thuyếtmới
đó, người ta có thể đi tới mộtgiải thích định tínhvàđịnhlượng cho hiệu ứng
Compton.
Ủy bannhấn mạnh rằng hiệu ứng Comptontuy thế thật quan trọng,vì nó
một lầnnữa chứng minhrất rõràngvà thuyết phục rằng các lí thuyếtcổ điển là
khôngthể áp dụngđượctrong lĩnhvựcvật lí nguyên tử và nó mang lại một khả
năng quýgiá và đượchân hoanchào đón để kiểm tra nhữngý tưởng mới.
Giải thưởng cho khám phá rabản chất lưỡngtính củavật chất
Bản chất lưỡng tính củaánh sángđã được mở rộng sangmộtsự lưỡng tính
tương tự ở vật chất. Electronvà nguyên tử ban đầuđược xemlà tiểu thể. Năm
1929, LouisVictor de Broglieđược trao giải Nobelvật lí cho“khám phá của ôngra
bản chất sóng của electron”.Bằng chứngthựcnghiệm mang lại bởi Clinton Joseph
Davisson,NewYork,vàngài GeorgePagetThomson ở London. Họ cùng nhận giải
Nobelvật lí năm1937.Kể từ khiErwinSchrödinger vàonăm 1925đã khám phára
phươngtrìnhsóng phitươngđối tính,thì cơ học sóng electrontrở thành mộtcông
cụ đáng giá cho khoahọctự nhiên. Schrödinger đượctrao giảiNobel vật lí năm
1933.
Ủy banNobel banđầu thận trọngtránhnói thẳng về bản chất hạt của ánh
sáng,nhưngkhông ngần ngại nói thẳng vật chất đôi khihành xử giốngnhư sóng. Ý
tưởng của Bohr về sự bổ sung đã nêu rahai nămtrước đó,nên trong bài phát biểu
tại lễ traogiải Nobel năm 1929, người ta tìm thấy sự phảnánh của điều đó trong
những câu sau:“Như vậy, dườngnhư ánhsáng đồng thời là chuyển động sóngvà
là dònghạtnhỏ. Một số trongnhững tính chất củanó giải thích đượcbằng giả
thuyết cũ, một số tính chấtkhác thì bằnggiả thuyết thứ hai. Cả hai đều phải đúng”.
Giải Nobelcho lí thuyết giải được bài toán lưỡng tínhcủa ánh sáng

Với sự ra đời của cơ họclượngtử năm 1925-1926đã mở ramột khả năng
cho mộtlờigiải cho bài toán lưỡng tính.
PaulDirac côngbố năm 1927mộtlí thuyết toánhọc cho sự tươngtácgiữa
các trường điện từ, vídụ như ánh sáng hay tia X, và các hạt tích điện baogồmcả
hai mặt củaánh sáng – nólà một lí thuyết củacáctrường lượng tử hóa. Những
đónggópkhác nữađượcmanglại bởimộtsố nhà vậtlí và cũng đượckhái quát hóa
cho các trường vật chất và ngày nay làmột công cụ không thể thiếu trong việc xem
xét cáctươngtác cơ bản thuộc bất kì loại nào (mạnh, yếu,hay điện từ). Ba nhà tiên
phong,Dirac, Werner Heisenberg, vàWolfgang Pauli,đều được trao giải Nobelvật
lí, nhưng cho những thành tựu khác.
Phiên bản banđầucủa lí thuyết Dirackết hợpcác mặt sóng và hạt củaánh
sáng,chỉ có ích với sự gần đúngbậc một. Các tínhtoán cho sự ăn khớp hợplí với
thí nghiệm; một sự phù hợp như thế là vi phân tiếtdiện cho tán xạ Compton.Tuy
nhiên,khinỗ lực tính toán chính xáchơn, điều cần thiết trong những trường hợp
nhất định,các kết quả trở nên thật nguxuẩn và trên thựctế là bằngvô hạn. Tình
trạngđó được chữa trị trongthập niên 1940bởi nghiên cứu củaSin-Itio
Tomonaga, JulianSchwingervà Richard Feynman,họ cùng nhận giải Nobelvật lí
năm 1965.Nhờ nghiêncứu của họ, ngày nay người ta có mộttrong những lí thuyết
đẹp vàchính xác nhất mà loài ngườiđã đạt tới trong lĩnh vực này,lí thuyết QED,
hay Điện Động lực học Lượngtử. Nó đượcbiểu diễn trong ngôn ngữ toánhọc,
hoàn hảo cho loại hoạt động này, vượtra khỏi phép biện chứng hàngngày của
lưỡng tính sóngvàhạt với sự tổnghợp của mộttrườnglượng tử.
Richard Feynmanđã xây dựngcơ sở cho phiên bản cơ họclượngtử của ông
về “tích phânđường”. Ông đề xuất rằng biên độ xác suất chuyển trạng thái có thể
tính bằng cáchcộngnhững đóng góp từ mỗi quỹ đạo không-thời gian luân phiên
của cáchạt có hệ số pha nhấtđịnh. Từ cách tiếp cận này,Feynman nêu ra một biểu
diễn hình học của biên độ của QED,khiến cho lí thuyếtdễ sử dụng hơn nhiều.
Tronggiảnđồ Feynman,cácelectronvà photonđược hìnhdunglà các đường
trong một biểu đồ không-thời gian. Các tương tác có trao đổi năng lượng-động
lượng và những tínhchấtkhácxảyra tại nhữngđiểm không-thời gian như thế, nơi

các đườnghạt gặpnhau.Giản đồ Feynmanngày nay là phương pháp chuẩndùng
để tính các tiên đoán lí thuyết.
Tuy nhiên, líthuyết QED quátiến bộ đối với nhiều ứng dụng thựctiễnvà
thường chỉ đưa vào dạy trongcáckhóa họccao cấp. Mỗisinhviên vật lí mới vì thế
phải vật lộn vớibài toán lưỡngtính, cho phép tồn tạiđồng thời cả khái niệm hạt và
sóng và giữ quan điểm rằng haitính chất đó loại trừ lẫn nhau (như NielsBohr thiết
lập trong Nguyên líBổ sung củaôngnăm 1927).
Một cuốn sách nhỏ, cơ bản dựa trên nhữngbàigiảngphổ biến của Feynman,
có thể bạnnên đọc: “QED.Lí thuyết kì lạ của ánh sáng vàvật chất” của Richard
Feynman(Nhàxuất bản Đại họcPrinceton, 1985), trongđó Feynmancungcấpbản
chất phiên bản QEDcủa ông trongngônngữ đơn giản vàtheokiểu tao nhã, thậm
chí còn mô tả các định luật của quang hìnhhọc có thể thu nhận như thế nào từ lí
thuyết QED.
Lưỡngtính sóng-hạt trong mộtthí nghiệm và một thínghiệm tương tự
Các thí nghiệm với chùm ánh sáng hayelectronđược thực hiện sao chocả
hai mặt – sóngvà hạt – đều nhìn thấy được. Để cho sự giao thoa xảy ra thì trongsố
những thứ khác, điều cần thiết là chùm tia phải có nhiều hơn mộtđườngđi từ
nguồntớimáy dò(vídụ màn hứng).Sự giao thoa đượcgiải thích bằngbức tranh
sóng. Khi cường độ chùm tia đủ thấp và máy dò thích hợp thìtácđộng của từng hạt
một cóthể nhìn thấy được. Lượng tử năng lượng khiđó bị khu biệt như thể các hạt
trong không gian vàthờigian.
Bố trí của thí nghiệm hai kheđối với electron.Haiđườngđi được tạo sẵn cho
chùm electron.
Tín hiệuraở máy dòhiển thị trên mộtmàn hìnhở đây biểu diễn tập hợp các
khung hình;khunghìnhthứ nhấtlà lúcmớibắt đầu, khunghìnhcuối cùnglàsau
khoảng thời gianthuthậplâu.Vân giaothoa được hìnhthànhtừ từ bởi sự tác động
của từng hạt.
Kĩ thuật caohiện đại giúpngười ta dễ dàng thực hiện cácthí nghiệmkhá
phức tạp với ánh sáng hayvới electron hoặc nguyên tử, chúngcó vẻ dị thườngkhi
mô tả bằng hoặc bức tranhsóng hoặcbức tranhhạt.

Thay lời kết
Photon là (hạt) trườnglượng tử đóng vaitrò trung chuyểnlựcgiữa các hạt
tích điện. Nóđượcđưa thành công vào trongmộtngữ cảnh lớn hơnvới ba hạt
trung chuyểnlực yếu – (W
+
, W
-
, Z
0
). Ba hạt sau nàylà những hạt rất nặng,còn
photonthì khôngcó khối lượng. Cùngvới nhau, chúng lànhữnghạt trung chuyển
lực của tương tác điện yếu thốngnhất.
Giải Nobelnăm 1979trao cho banhàlí thuyết SheldonGlashow,Abdus
Salam, vàSteven Weinberg, “cho những đóng góp của họ vào lí thuyết tương tác
yếu vàtương tácđiện từ thống nhấtgiữacáchạtcơ bản, trongđó có,khôngkể
những cái khác, tiên đoán radòng trunghòa yếu” vàgiải thưởngnăm 1984trao
cho Carlo Rubbiavà Simon vander Meer“cho những đóng góp có tính quyết định
của họ cho dự án lớn từ đó dẫn tới khám phá racác hạt trườngWvà Z,các hạt
trung chuyểntương tác yếu”.