hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng

Trường Đại học Sư Pham thành phố Hồ Chí Minh
Khoa Vật Lí
Đề tài tiểu luận mơn Lịch Sử Vật Lí

Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Thị Thếp
Nhóm tiểu luận:
1. Nguyễn Cơng Danh

7. Cao Hồng Qui

2. Vũ Thanh Huy

8. Phan Đăng Thanh

3. Hồng Văn Hưng

9. Nguyễn Bá Trình

4. Nguyễn Thị Ngọc Lan (16/10)

10. Bùi Thị Cẩm Tú

5. Lê Hải Mỹ Ngân

11. Đoàn Thị Vân

6. Nguyễn Thảo Ngân


Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

M

L
MỤC
LỤC....................
............................
............................
............................
...................1
LỜI NÓI
ĐẦU...................
............................
............................
............................
..............2
NỘI
DUNG ...............
............................
............................
............................
......................3
I.
Ánh sáng trong con mắt của
người cổ và trung
II.
đại..............................................
.......3
Sự hình thành và cuộc đấu

tranh về quan niệm bản chất
sóng hạt của ánh sáng ........5
1. Huygens:
cha đẻ lý
thuyết sóng
ánh
sáng................
........................
........................
5


2. Newton: ánh sáng là
hạt ..........................................................................................
6
3. Sự hồi sinh của lý thuyết sóng ánh
sáng .................................................................8
III. Ánh sáng: cuộc hơn phối giữa điện và
từ ..................................................................11
IV. Ánh sáng: lưỡng tính sóng
hạt...................................................................................12
V. luận sư
Kết
phạm..................................................................................................
.....15
TÀI LIỆU THAM
KHẢO.........................................................................................
........17

Trang 1

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

L
Đ
Ánh sáng
là một
người
bạn gẫn
gũi của
con
người
trong mọi
hoạt động
hằng
ngày, đôi
khi sự tồn tại của
chúng đối với
con người như là
một điều hiển
nhiên và tự
nhiên. Nói như
vậy khơng có
nghĩa con người
ln chấp nhận
sự đồng hành của
người bạn ánh

sáng đi bên
cạnh mình mà
khơng đặt vấn đề
tìm hiểu “cội
nguồn” của
chúng. Vậy ánh
sáng từ đâu sinh
ra? Bản chất của
ánh sáng là như
thế nào? Vô vàn
câu hỏi, và
những thắc mắc
mà con người
đã đặt ra cho ánh
sáng. Nhưng
dường như người
bạn ánh sáng của
chúng ta lại rất


thích chơi
trị “đánh đố”, vì vậy, tuy con người từ thời cổ đại xa xưa đã
“hỏi” ánh sáng như vậy, nhưng
phải nói rằng cho đến thế kỉ 20, con người mới thật sự có
được cái nhìn đúng đắn hơn đối với
ánh sáng, song vẫn chưa hồn thiện. Q trình con người đi
tìm câu trả lời của ánh sáng là rất
dài và trải qua nhiều giai đoạn, có những giai đoạn tưởng
chừng như đã tìm ra, nhưng rồi “gợi
ý” mới của ánh sáng lại xuất hiện và con người lại kiếm tìm.

Do đó với đề tài nhỏ này, nhóm chúng tơi muốn tìm
hiểu về một phần của quá trình
lớn con người đi tìm câu trả lời, đó chính là con đường hình
thành và những cuộc “đấu
tranh” về bản chất của ánh sáng. Trong phần 1 nhóm chúng
tơi tìm hiểu những quan điểm
về bản chất của ánh sáng trong thời cổ và trung đại. Chúng ta
có thể nhận ra tầm quan trọng
trong việc nhận thức bản chất của ánh sáng khi những quan
điểm về bản chất của ánh sáng
xuất hiện rất sớm ngay từ lúc nền văn minh loài người bắt đầu
xuất hiện. Mặc dù có những
hạn chế về nhiều mặt nhưng trong thời kỳ này quá trình nhận
thức về bản chất ánh sáng của
lồi người cũng đã có những nét đáng lưu ý. Trong phần thứ 2
chúng tơi tìm hiểu về q trình
hình thành và phát triển về quan điểm sóng và hạt của ánh
sáng. Ban đầu ánh sáng chỉ là sóng
chứa đựng trong nó những tư tưởng đơn sơ cho đến khi
Maxwell chứng tỏ nó là sóng điện từ.
Hay quan điểm anh sáng là hạt của Newton với những lý giải
của ông cũng khá logic. Không
chỉ vậy cuộc đấu tranh gay gắt khơng khoan nhượng về 2 quan
điểm sóng hạt của ánh sáng
cũng được chúng tôi xét đến. Tiếp đến chúng tơi tìm hiểu về
sự hình thành nền tảng kiến thức
được xem là đúng trong thời điểm hiện tại: “ánh sáng – lưỡng
tính sóng hạt” với những quan
điểm hết sức tiến bộ và mang tính cách mạng của Einstein.
Những khám phá này đã giúp cho

nhân loại hiểu được bản chất thực sự của ánh sáng giúp nhân
loại tiến một bước xa trên con
đường chinh phục ánh sáng. Cuối cùng trên cơ sở tìm hiểu
phân tích đánh giá chúng tơi đề ra

những kết luận
sư phạm để phục
vụ cho công việc
giảng dạy ở
trường THPT
của chúng tơi.
Đây là nội dung
chính mà trong
bài tìm hiểu này
chúng tơi sẽ trình
bày cụ thể.

N

T


Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

NỘI DUNG CHÍNH
I.
Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại:
 Empédocle (khoảng 490 - 435 TCN) là tác giả

của lý thuyết về thị giác xa xưa nhất .
Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho rằng mắt truyền
các “tia thị giác” đến thế giới bên ngoài.
Sở dĩ có lý thuyết về các tia thị giác này một phần là do
niềm tin dân gian cho rằng các con mắt có
chứa “lửa. Theo Empédocle, ánh sáng khơng đi theo một
chiều từ mắt tới vật; ánh sáng còn đi theo
chiều ngược lại, từ vật đến mắt.
 Leucippe (khoảng 460-370 TCN): trái ngược
với “lửa” trong mắt của Empédocle thoát ra
thế giới bên ngoài, Leuccipe cho rằng thế giới thị giác đến
với chúng ta, và do đó, về thực chất, thị
giác là một trải nghiệm thụ động. Dưới tác động của ánh
sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta –
mà Leucippe đặt cho một tên riêng bằng tiếng Hy Lạp là
các eidonlon có nghĩa là các ảo ảnh – sẽ
tách khỏi bề mặt của vật, như da của một con rắn lột xác
tách khỏi cơ thể, và đi đến mắt chúng ta.
 Démocrite (460-370 TCN): các quan điểm của
Démocrite về ánh sáng và thị giác đều dựa
trên học thuyết nguyên tử. Ông chấp nhận bốn màu cơ bản
của Empédocle – đen, trắng, đỏ và vàngxanh, nhưng thêm vào đó các màu khác gọi là các màu thứ
cấp, như lục và nâu. Khác với Empédocle,
Démocrite không gắn các màu cơ bản cho bốn ngun tố,
mà gắn cho các ngun tử có hình dạng
khác nhau. Theo Démocrite, các màu (và các đặc tính giác
quan khác như mùi và vị) không hiện hữu
trong bản thân các vật.
 Platon (428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộc
vào hạng siêu hình. Mặt Trời là con của

cái Thiện, và mắt, nhạy cảm với ánh sáng, là một cơ quan
gắn chặt nhất với Mặt Trời.
Như vậy thị giác là kết quả của sự tổng hợp của ba
quá trình bổ sung cho nhau. Mắt phát ra
lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành một


chùm sáng duy nhất. Chùm sáng
này được
phóng thẳng ra phía trước cho đến
khi gặp bề mặt của một vật; ở đó,
nó gặp tia các hạt do vật phát ra
dưới tác dụng của ánh sáng xung
quanh và kết hợp với chùm sáng
ban đầu. Tia các hạt này chứa
thơng tin về tình trạng của vật, màu
sắc và kết cấu của nó. Sau đó chùm
sáng co lại để truyền đến mắt
những thơng tin này.
 Aristolte (384-322 TCN),
học trò của Platon, là một triết
gia thuộc trường phái tự
nhiên,
ơng có cái nhìn cụ thể hơn và kinh
nghiệm hơn về hiện thực, đồng thời
ông cũng là người bác bỏ thế
giới Ý niệm của Platon. Liên quan
đến thị giác, Aristolte bác bỏ dứt
khoát các “tia thị giác” của
Empédocle, bởi theo ơng lý thuyết

này khơng giải thích được tại sao
chúng ta khơng nhìn thấy trong
bóng tối. Ơng cũng bác bỏ quan
niệm của Platon về các hạt thoát ra
từ bề mặt các vật để đi vào mắt
người quan sát. Theo ông, sự tri
giác các vật được thực hiện không
phải thơng qua dịng vật chất,
mà bởi ấn tượng của chúng lên
các giác quan, cũng giống như sáp
tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫn
nhưng khơng tước mất của nó cái
chất, sắt hay vàng, đã tạo nên chiếc
nhẫn đó. Như vậy mắt tiếp
nhận các ấn tượng về màu sắc, hình
dạng, chuyển động,… Aristolte cho
rằng tồn tại hai màu cơ bản:
đen và trắng. Tất cả các màu khác
bắt nguồn từ sự hòa trộn hai màu cơ
bản này và biểu hiện các
Trang 3


Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp
“phẩm chất trung
gian”,ở đây,ơng giải
thích sự hịa trộn 2 màu
cơ bản tạo thành các

màu khác có sự
đóng góp của “nhiệt”.
Các màu khác cũng có
thể bắt nguồn từ sự hịa
trộn giữa đen và trắng
trong
một mơi trường bán
trong suốt: đó là trường
hợp các màu nâu đỏ
hoặc da cam của cảnh
hồng hơn.
 Euclide
(khoảng 300
TCN): ơng đã
dùng tốn học để
áp dụng cho các
hiện tượng tự
nhiên,
Euclide đưa ra tiên đề về
tập hợp các “tia thị giác”
chứa trong một hình nón
mà đỉnh của nó là tâm
của mắt và đáy là phạm
vi nhìn thấy của mắt.
Nhờ có tiên đề mặt nón
thị giác này và nhờ các
tính
tốn hình học, ơng đã
giải thích được tại sao
cây ở xa trông lại nhỏ

hơn cây ở gần.
 Claude
Ptolémée (khoảng
100-178):
Ptolémée cho rằng
mắt đồng thời vừa


là máy phát
vừa là máy thu: mắt phát ra các “tia thị giác” có cùng bản chất với
ánh sáng và màu sắc. Ptolémée
cũng đưa ra tiên đề về “mặt nón thị giác”, nhưng khác với Euclide,
ơng cho rằng mặt nón này không
chứa một tập hợp các “tia thị giác” tách biệt, mà chứa một continuum
các tia có mật độ lớn nhất ở
trung tâm, tại đó mắt nhìn thấy rõ nhất, nhưng giảm dần ở rìa mép nơi
các chi tiết nhoè mờ hơn. Theo
ơng, “mặt nón thị giác” bản thân nó khơng đủ; cịn cần phải có thêm
ánh sáng bên ngồi để được khởi
phát sự hoạt động của nó. Chẳng hạn, khi “mặt nón thị giác” quét lên
bề mặt của một vật, nó chỉ
tương tác với vật ấy nếu có ánh sáng xung quanh. Ánh sáng bên ngồi
này càng mạnh thì tương tác
càng mạnh. Điều này giải thích tại sao chúng ta khơng nhìn được
trong bóng tối.
Ptolémée cũng suy nghĩ về hành trạng của ánh sáng khi nó
phản xạ trên một bề mặt (định
luật phản xạ) hay đổi hướng khi đi từ môi trường này sang môi trường
khác (định luật khúc xạ). Ông
cũng là người đầu tiên miêu tả các màu hòa trộn với nhau như thế nào

trong mắt của con người. Ông
đã vẽ các màu khác nhau trên một bánh xe sau đó quay bánh xe thật
nhanh. Mắt khơng có đủ thời
gian để phân biệt từng màu một, mà chỉ nhìn thấy các màu này bị trộn
vào nhau. Ngồi ra, ơng cịn
nhận thấy sự hịa trộn các màu cịn có thể là kết quả của khoảng cách:
một bức tranh ghép các màu
sáng nhìn từ xa có thể cho ấn tượng về màu xám.
 Claude Galien (130-200) cùng với Hippocrate là hai bác sỹ
vĩ đại nhất thời Cổ đại. Ông là
một gương mặt lớn góp phần phát triển các ý tưởng về ánh sáng.
Galien đã lấy lại một số quan niệm
của Aristolte: dưới ảnh hưởng kết hợp của linh khí thị giác và ánh
sáng, khơng khí bao quanh ta chịu
một biến đổi làm cho mắt nhìn thấy được. Các màu sắc cũng làm cho
khơng khí biến đổi. Theo
Galien, trung tâm của thị giác là thủy tinh thể.
 Alhazen (965-1040): Alhazen đồng ý với quan điểm của
Aristolte rằng ánh sáng đến từ bên
ngồi đi vào mắt, chứ khơng phải ngược lại. Theo ông, các tia sáng
thật sự tồn tại. Chúng lan truyền
theo đường thẳng. Khi ánh sáng xung quanh chạm vào một vật liền bị

vật này phản xạ, từ mỗi
điểm
trên bề mặt của một vật
có màu, các chùm tia
sáng lan tỏa theo tất cả
các hướng, và chỉ một tỉ
lệ nhỏ

của chúng đi vào mắt
chúng ta. Ở đây Alhazen
đã đưa ra ý tưởng về sự
tán xạ ánh sáng.
 Rober Bacon
(1214-1292),
người Anh. Trong
các sách chuyên
luận về ánh sáng
và màu sắc,
ông đã cố gắng tổng hợp
các quan niệm của
Aristote về ánh sáng và
màu sắc (vốn là các
“dạng thức”
phi vật chất) và các quan
niệm của Alhazen (màu
sắc được truyền bởi các
tia phát ra từ tất cả các
điểm của vật). Theo
Bacon, mọi vật phóng
theo đường thẳng về tất
cả các hướng một cái gì
đó thuộc
tinh chất của nó mà ơng
gọi là “lồi”. Chẳng hạn,
Mặt trời phát ra các
“lồi” sáng.
T

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp
 Francesco
Maria Grimaldi
(1618-1663): Ơng
đã tìm ra phương
thức truyền ánh
sáng thứ 4
ngịai 3 phương thức
trước đó đã tìm thấy là
theo đường thẳng, bằng
phản xạ trên một mặt
phẳng như
gương chẳng hạn, và
bằng khúc xạ khi thay
đổi môi trường. Phương
thức thứ 4 đó là nhiễu
xạ ánh
sáng. Nghiên cứu này
của ơng được cơng bố
vào năm 1665.

II. hình thành và đấu tranh
Sự
về quan niệm bản chất sóng,
hạt của ánh sáng:
1.
Huygens:

cha đẻ lý
thuyết
sóng ánh
sáng

C
r
i
n
H
y
n
(
2
1
9
t
n
m


t gia đình ưu tú ở Hà Lan,
được coi là nhà toán học và vật lý học lớn nhất
thời kỳ giữa Galileo và Newton.
Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt
nguồn từ sự dịch chuyển các hạt
của vật sáng tới mắt. Nhà vật lý học người Hà
Lan này cũng bác bỏ quan điểm
của Descartes cho rằng ánh sáng như một xung
động lan truyền tức thời. Theo

ông, ánh sáng lan truyền trong khơng gian
cũng giống như sóng được sinh ra
khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước.
Ánh sáng theo quan điểm của Huygens:
• Huygens dựa trên khái niệm ánh sáng là sóng: Sóng ánh
sáng truyền trong khơng gian
qua trung gian ête, một chất bí ẩn khơng trọng lượng, tồn tại như một
thực thể vơ hình trong khơng
khí và khơng gian nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể truyền chuyển
động khơng những cho cho tất cả
những hạt khác tiếp xúc với nó mà cịn cho tất cả những hạt khác tiếp
xúc với hạt đó và cản chuyển
động của nó.
• Cơ chế truyền sóng: Theo Huygens, một nguồn sáng bao
gồm vô
số các hạt rung động. Các hạt này truyền rung động của chúng tới các
hạt ête
bên cạnh dưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này. Vơ
số các
sóng cầu này được truyền đi, và bán kính tác dụng của chúng tăng dần
theo
thời gian. Chúng chồng chập lên nhau và biểu hiện hỗn độn của
chúng ở gần
nguồn sáng giảm dần khi các sóng truyền ra xa nguồn sáng. Càng xa
nguồn
sáng, sóng càng trở nên trơn và đều đặn hơn.
• Tính chất của sóng ánh sáng: Ánh sáng truyền nhanh hơn
rất
nhiều so với âm thanh, điều mà mọi người có thể nhận thấy khi trời
có giơng, ta nhìn thấy chớp sớm

hơn nhiều khi nghe thấy tiếng sấm. Huygens giải thích sự chênh lệch
lớn về vận tốc này là do có độ
chênh lệch lớn về độ cứng giữa khơng khí và ête. Vận tốc lan truyền
của một sóng tăng theo độ cứng
của mơi trường trong suốt. Huygens thừa nhận rằng các hạt ête cứng

và rắn đến mức chúng
truyền
mọi nhiễu động hầu như
tức thời. Chỉ cần một sự
rung nhẹ ở đầu bên này
của một hạt ête là ngay
lập
tức nó sẽ được truyền
sang đầu bên kia. Ngược
lại, các hạt khơng khí
mềm hơn và truyền các
rung
động chậm hơn rất
nhiều.

T


Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp
Từ đó, ơng giải
thích các hiện
tượng như sau:

• Hiện tượng
phản xạ: Thuyết
sóng xem nguồn
sáng phát ra các
sóng ánh sáng
trải ra theo
mọi hướng. Khi chạm
lên gương, các sóng bị
phản xạ theo góc tới,
nhưng với mỗi sóng
phản hồi trở
lại tạo ra một ảnh đảo
ngược.
• Hiện tượng
khúc xạ ánh
sáng: Huygens
cho rằng vận tốc
ánh sáng
trong một chất bất kì tỉ
lệ nghịch với chiết suất
của nó. Như vậy, vận tốc
của ánh
sáng trong khơng khí lớn
hơn vận tốc ánh sáng
trong nước.
n=
n1 v2
Khi một chùm
ánh sáng truyền
giữa hai mơi

trường có chiết
suất khác
nhau thì chùm tia bị
khúc xạ (đổi hướng).
Một phần nhỏ của mỗi
đầu sóng góc
phải chạm đến môi


trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến
mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi trường thứ hai sẽ
chuyển động
chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn, trong khi
phần cịn lại
của sóng vẫn cịn truyền trong mơi trường thứ nhất. Do mặt sóng lúc
này truyền
ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào mơi trường thứ hai,
do đó làm
thay đổi hướng truyền.
• Hiện tượng nhiễu xạ: thuyết sóng 1của Huyghens chưa giải
n2 v
thích được hiện tượng này.
Và để nói lên quan điểm của mình , năm 1960 ,Huyghen cơng
bố “GIÁO TRÌNH QUANG
HỌC”, đâu là cơng trình đầu tiên về lý thuyết sóng ánh sáng.

2. Newton: ánh sáng là hạt
Newton quan niệm ánh sáng có
tính chất hạt. Ánh sáng được coi
như những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé được

phát ra từ các vật phát sáng và
bay theo đường thẳng trong mơi trường
đồng chất.
Ơng bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng
vì nếu ánh sáng có bản chất
sóng, như âm thanh, thì trong những điều
kiện như nhau, chúng ta sẽ phải
nhìn thấy ánh sáng giống như nghe thấy âm
thanh.
Từ cơ sở đó, ơng giải thích các
hiện tượng như sau:
• Ngun nhân tạo ra màu sắc: do
kích thước của các hạt. Các hạt
nhỏ nhất tạo ra cảm giác tím, các hạt lớn hơn gây ra cảm giác về
màu chàm, và cứ tiếp tục như vậy
hạt màu đỏ sẽ là lớn nhất. Bởi vì tồn tại bảy màu cơ bản, nên các hạt
phải có bảy loại kích thước khác
nhau. Như vậy sự tổng giác của chúng ta về các màu là biểu thị chủ
quan của một hiện thực khách
quan được quy định bởi kích thước của các hạt.
Giải thích các định luật phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ, Newton
đã đưa vào các lực hút và đẩy
giữa các hạt ánh sáng, những hạt mà nếu để tự do chúng sẽ truyền
theo đường thẳng.

T


Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp
• Hiện tượng
phản xạ: do sự
phản xạ của các
quả cầu đàn hồi
trong
chùm sáng khi va chạm
và các hạt bị nảy lên từ
những điểm khác nhau,
nên trật
tự của chúng trong chùm
sáng bị đảo ngược lại
tạo ra một hình đảo
ngược (hình
vẽ). Nếu bề mặt quá gồ
ghề thì các hạt bị nảy lên
ở nhiều góc khác nhau,
kết
quả là làm tán xạ ánh
sáng.
• Hiện tượng
khúc xạ: do tác
dụng của mặt
phân giới lên hạt

ánh sáng
làm cho hạt đó thay đổi
hướng truyền và bị gãy
khúc ở mặt phân cách
giữa hai

mơi trường. Vì ánh sáng
đi vào mơi trường đậm
đặc hơn sẽ bị các phân
tử mơi
trường đó hút và vận tốc
sẽ tăng lên dẫn đến vận
tốc ánh sáng trong môi
trường
nước hay thủy tinh lại
lớn hơn vận tốc ánh sáng
trong mơi trường khí.
n


n1 v1

=

• Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: ơng đưa ra giả thuyết cho
rằng trên
bề mặt của một vật trong suốt (như lăng kính, chẳng hạn) tồn tại một
vùng rất mỏng ở đó có một lực
tác dụng để kéo các tia sáng vào bên trong nó. Vì vậy, các hạt màu
tím, do chúng nhỏ hơn, sẽ bị hút
bởi một mơi trường đặc hơn khơng khí (như thủy tinh, chẳng hạn)
mạnh hơn so với các hạt lớn hơn
có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch khỏi đường đi ban đầu của nó
nhiều hơn các hạt màu đỏ. Như
vậy, Newton đã giải thích được tại sao các chùm đơn sắc khác nhau
lại bị lệch hướng khác nhau bởi

n2 v2
cùng một môi trường, và tại sao một chùm đơn sắc bị lệch hướng
khác nhau trong các môi trường
trong suốt khác nhau.
• Hiện tượng nhiễu xạ: ơng giải thích là do có một lực đẩy có
tác dụng đẩy các hạt ánh sáng
vào trong bóng tối hình học của một vật.
Tuy thuyết hạt của Newton đã được sự chấp nhận rộng rãi,
nhưng một thí nghiệm đặc biệt,
cũng do chính ơng thực hiện đã khiến chúng ta phải suy nghĩ.
Khi Newton đặt một thấu kính phẳng lồi lên trên một tấm thủy
tinh (với mặt phẳng ngửa lên
trên) và chiếu sáng tất cả bằng ánh sáng đơn sắc, ông đã phát
hiện ra một hiện tượng quang
học mới rất lạ. Nhiều vòng tròn đồng tâm (ngày nay được gọi
là các “vân tròn Newton”) xuất
hiện, đan xen giữa vân đen và vân màu. Hoàn toàn tự nhiên,
Newton giải thích các vân đen là
vùng ở đó ánh sáng bị thấu kính phản xạ, và các vân màu là
các vùng ở đó ánh sáng được
truyền qua. Nhưng làm thế nào có thể giải thích được một hạt
ánh sáng, khi đến bề mặt của
thấu kính, lúc thì phản xạ lúc thì được truyền qua?
Và do đó ơng lại đặt ra một giả thuyết mới, ông cho rằng mỗi
hạt ánh sáng có một tính chất
gọi là “accès”. Hạt có “accès” truyền qua thì dễ dàng truyền qua cịn
hạt có “accès” phản xạ thì dễ
phản xạ.
Rõ ràng, giả thuyết này của Newton đưa ra lại làm nảy sinh
thêm vấn đề khi cần phỉa có

thêm một lí thuyết mới nữa để giải thích cái tính chất gọi là “accès”

này. Như vậy thì lí
thuyết hạt
của Newton có hồn
tồn hợp lí hay khơng?

T


Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp

3. Sự hồi
sinh của lý
thuyết
sóng ánh
sáng:
Sau khi quyển
“Optiks” của
Newton được
xuất bản năm
1704, suốt thế kỷ
XVIII đã diễn
ra cuộc tranh luận về
bản chất của ánh sáng
với hai quan điểm trái
ngược nhau: quan điểm
cho rằng

bản chất ánh sáng là
sóng và quan điểm cho
rằng bản chất ánh sáng
là hạt. Suốt thế kỷ này,
lý thuyết
hạt ánh sáng của
Newton đã lấn át tuyệt
đối lý thuyết sóng ánh
sáng mà Huygens đề
xuất. Lý thuyết
sóng ánh sáng hầu như
khơng được đề cập tới
bởi uy tín q lớn của
Newton và những hạn
chế của lý
thuyết sóng ánh sáng mà
Huygens đưa ra khơng
giải thích được hiện
tượng giao thoa và nhiễu
xạ ánh
sáng. Do đó lý thuyết
hạt đã được tuyệt đại đa
số các nhà vật lý trong
thế kỷ này chấp nhận.


Tuy
nhiên, vẫn có một (và duy nhất) tiếng nói chống lại quan điểm hạt của
Newton trong thế kỷ XVIII,
một điều bất ngờ vì tiếng nói này khơng phải do một nhà vật lý theo

quan điểm sóng cất lên mà là của
một nhà toán học người Thụy Sĩ, Leonhard Euler.
Leonhard Euler (1707 – 1783), nhà
toán học Thụy Sĩ, sinh ở Bâle.
Năm 1746, Euler xuất bản tác phẩm “Một lý
thuyết mới về ánh sáng và màu
sắc”. Qua cuốn sách này, Euler đã phát triển
quan niệm cho rằng ánh sáng là
sóng bằng cách dựa vào sự tương tự giữa ánh
sáng và âm thanh, đặc biệt là về
phương thức lan truyền của chúng. Qua đó, ơng
đã tiến đến việc tương tự hóa
giữa ánh sáng và âm thanh “có một sự hài hịa
tương tự giữa các nguyên nhân
và các tính chất khác của âm thanh và ánh
sáng, và như vậy lý thuyết âm thanh
chắc chắn sẽ làm sáng tỏ rất nhiều lý thuyết ánh sáng”.
Một trong những điểm tiến bộ trong quan niệm sóng của Euler
là ông cho rằng: mỗi một màu
của ánh sáng được đặc trưng bởi một bước sóng nhất định, tức là
khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai
hõm liên tiếp của sóng hình sin và bởi một tần số nhất định. Như vậy,
Euler là người đầu tiên gắn
kết các khái niệm bước sóng và tần số với màu sắc.
Thế kỷ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng là sóng vẫn chìm
nổi với chỉ một tiếng nói bảo
vệ thuyết sóng của Euler. Tuy chưa đầy đủ nhưng luận điểm của
Euler đã thể hiện sự tiến bộ so với
các tiền bối bởi ông đã đưa ra một cách giải thích chấp nhận được về
nguồn gốc các màu sắc mà

trước đó cả Newton lẫn Huygens đều khơng thể có một cách giải
thích đúng đắn. Bước sang thế kỷ
XIX, chúng ta sẽ được chứng kiến sự hồi sinh và phát triển vượt bậc
của lý thuyết sóng ánh sáng.
Ở nửa đầu thế kỷ này đã diễn ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực
quang học tương tự như cuộc
cách mạng của Copernic và Galilée trước đó gần ba thế kỷ. Hai nhân
vật có vai trị to lớn cho cuộc
cách mạng trong quang học là Thomas Young và Augustin Fresnel.
 Thomas Young (1773 – 1829), người Anh.

− 1779, ông bắt
đầu bước lên sân
khấu của câu
chuyện truyền kỳ
về ánh sáng. Trong q
trình đi giải quyết hiện
tượng nhiễu xạ ơng đã
tìm ra hiện tượng giao
thoa ánh sáng, và cũng
chính ơng là người đầu
tiên sử dụng thuật ngữ
“giao thoa” trong khoa
học.

T


Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp
− 1801, ơng đã
giới thiệu một thí
nghiệm cơ bản về
ánh sáng thường
được gọi là thí
nghiệm hai
khe. Thí nghiệm này của
ông đã gây một sự ngạc
nhiên lớn bởi lần đầu
tiên người ta nhận thấy
khi
thêm ánh sáng vào ánh
sáng thì sẽ cho ra bóng
tối, đây chính là hiện
tượng giao thoa ánh
sáng.
− 1802, ơng đã tìm
ra một định luật
đơn giản và tổng
qt của
hiện tưọng giao thoa là:
Khi ánh sáng của cùng
một nguồn sáng truyền
đến mắt ta bằng hai con
đường khác nhau, ánh
sáng sẽ mạnh nhất tại
những điểm mà hiệu
đường đi bằng bội số
nguyên của một “độ dài

nào
đó”.
Lý thuyết của
Young mặc dù
đã giải thích
được hiện tượng
giao
thoa ánh sáng nhưng đã
khơng được nhiều người
chú ý. Ngồi ra thuyết
sóng ánh sáng của


Young cũng vấp phải một khó khăn khi khơng thể giải thích được
hiện tượng phân
cực ánh sáng do Malus tìm ra năm 1808. Young công nhận sự bất lực
của thuyết sóng ánh sáng trong
vấn đề này, song ơng nói rằng: “khi phát triển một lý thuyết khoa học,
đôi khi cứ phải tiến lên và gạt
sang một bên vài vấn đề chưa được giải quyết, với hy vọng rằng
chúng sẽ được giải quyết trong
những nghiên cứu sau này”.
 Augustin Fresnel (1788 – 1827), người Pháp.
Ông là sinh viên trường Đại học Bách khoa Paris, sau khi học
xong
trường Bách khoa, Fresnel chuyển sang học trường kỹ sư Cầu đường.
Mặc dù
vậy, ánh sáng mới là niềm đam mê thực sự của Fresnel, ông đã dùng
những
lúc rảnh rỗi để giải mã các bí mật của ánh sáng.

Fresnel đã cơng nhận bản chất sóng của ánh sáng qua thí
nghiệm về
giao thoa mà ơng đã tự bố trí (dùng hai gương phẳng đặt lệch nhau
một góc
gần bằng 180o, thường được gọi là hai gương Fresnel).
− 1817, Viện hàn lâm Khoa học Paris phát động cuộc thi giải
thích hiện tượng nhiễu xạ với hy
vọng một ai đó sẽ giải thích được hiện tượng bằng lý thuyết hạt. Tuy
nhiên đến năm 1818, họ đã nhận
được cơng trình của Fresnel trong đó giải thích một cách chính xác và
chi tiết hiện tượng nhiễu xạ
ánh sáng dựa trên giả thiết rằng ánh sáng là một sóng trong ête và
tuân theo nguyên lý giao thoa.
Mặc dù bảo vệ lý thuyết sóng ánh sáng nhưng Fresnel đã xuất sắc
giành chiến thắng trong cuộc thi.
− Fresnel cũng là người đầu tiên theo trường phái sóng ánh sáng
đã giải thích thành cơng hiện
tượng phân cực ánh sáng đã khiến cho những người bảo vệ lý thuyết
sóng phải rất đau đầu ngay cả
Thomas Young. Bởi nếu coi ánh sáng là sóng giống như âm thanh thì
cả hai phải có cùng các hiệu
ứng, trong khi khơng thể tìm ra hiện tượng phân cực ở sóng âm. Để
giải thích hiện tượng này, Fresnel
đã đưa ra một lời giải mang tính cách mạng: mặc dù cả âm thanh và
ánh sáng đều có bản chất sóng,
nhưng chúng khác nhau về mặt phẳng dao động. Nói cách khác,
Fresnel là người đầu tiên cho rằng

ánh sáng là sóng ngang
chứ khơng phải sóng

dọc. Nhờ đứng trên quan
điểm mới này, Fresnel
đã xây
dựng được lý thuyết về
sự phân cực ánh sáng
trong môi trường lưỡng
chiết.

T


Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp
 Những cơng
trình của Young
và Fresnel đã
giúp cho lý
thuyết sóng hồi
sinh và trở nên
áp
đảo lý thuyết hạt vốn
đứng vững bởi uy tín
của Newton. Ngồi ra,
những bằng chứng thực
nghiệm
được thực hiện sau khi
hai ông mất đã khẳng
định sự đúng đắn của lý
thuyết sóng ánh sáng.

 Thí nghiệm
của Hamilton
năm 1832 kiểm
chứng lại lý
thuyết của
Fresnel.
 Thí nghiệm
của Fizeau vào
năm 1849 và
thí nghiệm của
Foucault vào
năm 1850 về đo
vận tốc ánh
sáng trong
nước.
Những kết quả thực
nghiệm này đã góp phần
quan trọng cho sự thắng
lợi của lý thuyết sóng
ánh sáng.
− Năm 1849
Fizeau thực
hiện phép đo
vận tốc ánh


sáng ngay trên mặt đất vào bằng
phương pháp răng cưa:

Kết quả là :

C=312.000
km/s.
− Năm 1850, Foucault dùng dụng cụ gương quay:

Đường đi của ánh sáng trong dụng cụ của Foucault đủ ngắn để
dùng trong các phép đo tốc độ
ánh sáng trong các mơi trường khác ngồi khơng khí. Ơng
phát hiện thấy tốc độ ánh sáng
trong nước hoặc trong thủy tinh chỉ khoảng 2/3 giá trị của nó
trong khơng khí.
Như vậy ,kết quả của 2 thí nghiệm trên cho thấy trái ngược
với kết quả của Newton cho rằng
Vận tốc ánh sáng trong khơng khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong mơi
trường nước.
Những thí nghiệm của Young và Fresnel đã chứng tỏ bản
chất sóng của ánh sáng. Đặc
biệt, Fresnel đã khẳng định một cách chắc nịch rằng ánh sáng là
sóng ngang. Trong lý thuyết của
ông đã đề cập đến việc tồn tại hai phương dao động của sóng ánh
sáng (ơng so sánh với dao động
của dây đàn violin – vốn cũng là sóng ngang – có thể dao động từ
dưới lên trên hoặc từ trái sang
phải) tương ứng với hai phân cực của ánh sáng: một phân cực theo
phương ngang và một phân
cực theo phương thẳng đứng. Tuy nhiên để có thể đưa ra được mơ
hình sóng ánh sáng một cách
đầy đủ, gọn gàng thì chúng ta phải rẽ sang lĩnh vực điện từ gắn
liền với tên tuổi của James Clerk

T

Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp
Maxwell (1831 – 1879),
nhà vật lý người Anh,
ông là người đầu tiên
phát hiện ra “ánh sáng
chính
là cuộc hơn phối giữa
điện và từ”.

III. sáng: cuộc hôn phối
Ánh
giữa điện và từ:
Năm 1864, trong
bài báo “Một lý
thuyết động lực
về trường điện
từ”, Maxwell đã tổng
hợp các kiến thức về
điện và từ đã được các
nhà vật
lý xây dựng trước đó
thành một hệ gồm 4
phương trình, mỗi
phương trình
chỉ dài vỏn vẹn một
dịng và được biểu diễn

bằng ngơn ngữ tốn học
cơ
đọng. Bốn phương trình
này được hậu thế biết
đến với tên gọi “Hệ
p xwell”

h
ư 
∇.B = 0
ơ
n
g
tr
∂t
ì 
n
h
M
a



∂B


∂D

− Phương trình thứ nhất mơ tả định luật Gauss, cho biết đường
sức điện xuất phát hoặc kết

thúc ở các điện tích. Phương trình thứ hai mơ tả các đường
sức của cảm ứng từ là khép kín
hoặc đi ra xa vơ tận, từ đó khơng có cái gọi là “từ tích” hay
“đơn cực từ”.
− Hai phương trình cịn lại mơ tả sự kết hợp giữa điện và từ: từ
trường biến thiên sinh ra điện
trường xốy, đến lượt mình điện trường biến thiên cũng sinh
ra từ trường xốy.
Từ các phương trình trên, Maxwell đã ngạc nhiên khi phát
∇.D = ρ
hiện ra rằng sóng điện từ thực
chất cũng chính là sóng ánh sáng. Bởi thứ nhất, ông đã dựa vào các
 
phương trình để vẽ ra một kịch
∇xE = −

 ∂t
bản về cuộc hơn nhân giữa điện và từ, theo đó điện và từ trở thành
 
một cặp thống nhất không thể tách = j 
∇xH
 +

rời. Chúng là hai thành phần của sóng đện từ lan truyền trong khơng
gian dưới dạng sóng ngang, tức
các đỉnh và các hõm sóng nằm trong một mặt phẳng vng góc với
phương truyền sóng (hình vẽ).
Thứ hai, vào năm 1873, Maxwell đã tính tốn chính xác vận tốc
truyền sóng điện từ, đáp số này
hồn tồn trùng khớp với vận tốc ánh sáng.

Trang 11


Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp
Trong lịch sử vật
lý, Newton đã
thống nhất trời
và đất qua định
luật vạn vật hấp
dẫn thì đến
lượt Maxwell đã thống
nhất khơng chỉ điện và
từ mà cịn cả quang học,
ơng được coi là nhà
thống
nhất vĩ đại thứ hai của
vật lý học.

IV. sáng: lưỡng tính sóng
Ánh
hạt:
Cho đến đầu thế
kỉ XIX, quan
niệm ánh sáng là
sóng đã thực sự
được xác nhận,
đặc biệt là sau

kết luận của Maxwell
khẳng định ánh sáng là
sóng điện từ với vận tốc
là 300.000 km/s. Nhưng
một
vấn đề được đặt ra lúc
này là vận tốc này của
ánh sáng được tính so
với cái gì? Các phương
trình của
Maxwell khơng trả lời
được cho câu hỏi này.
Đi theo vết chân của
Newton, Maxwell nghĩ
hoàn toàn
tự nhiên rằng ánh sáng
lan truyền với vận tốc
300.000 km/s là so với
một chất ête tĩnh choán
đầy


trong vũ trụ. Nhưng ête ở đây được làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu
và có những tính chất gì?
Theo các quan điểm của các nhà khoa học khẳng định ánh
sáng là sóng từ trước cho đến cuối
thế kỉ 18, ta có thể thấy được vấn đề giải mã chất “ête” trong không
gian là một vấn đề rất đáng để
quan tâm. Chất “ête” được đặt ra như một môi trường để truyền sóng
ánh sáng. Các nhà khoa học

ban đầu đã đề xuất sóng ánh sáng như sóng âm, tức phải là sóng dọc,
nhưng với phát hiện của
Augustin Fresnel về hiện tượng phân cực ánh sáng đã dẫn đến nhận
định ánh sáng phải là sóng
ngang. Như vậy, chất “ ête” phải là chất rắn để có thể lan truyền được
sóng ngang, nghĩa là mơi
trường ete phải có một mật độ cứng nhất định. Nhưng bằng cách nào
mà Trái đất lại có thể chuyển
động trong một mơi trường cứng như vậy mà không bị chậm lại và va
vào Mặt Trời? Bằng cách nào
mà ête lại có thể cùng lúc vừa là một chất rắn đàn hồi lại vừa là một
chất lỏng tinh tế được?
Đó chính là những vấn đề khiến cho các nhà khoa học cuối
thế kỉ XIX quan tâm? Có hay
khơng có một mơi trường đặc biệt “ête” trong sự lan truyền của sóng
ánh sáng?

Edwa Albert Michelson
rd
Morle
y

− Năm 1887, nhà vật lý người Mỹ, Albert Michelson (18521931), và đồng nghiệp của ơng
là Edward Morley (1838-1923) đã thực hiện một thí nghiệm tài tình
để kiểm tra sự tồn tại của ête.
Hai ông đã chế tạo một dụng cụ gọi là giao thoa kế, dựa trên nguyên
lý giao thoa của Thomas Young.
Trong giao thoa kế này, một chùm sáng có một tần số duy nhất được
chia làm hai chùm. Hai chùm
này đi theo hai con đường khác nhau nhưng có cùng chiều dài, một

theo phương chuyển động của trái
đất, một theo phương vng góc rồi sau đó kết hợp với nhau. Đúng ở

thời điểm chúng tách
khỏi
nhau, hai chùm tia hồn
tồn trùng khít với nhau,
nhưng khi chúng kết hợp
thì sự kết hợp phụ thuộc
vào vận tốc của hai
chùm tia ở thời điểm đó.
Nếu có xét đến sự
chuyển động của Trái
đất thì chắc
chắn là vận tốc của 2
chùm tia này là khác
nhau, nhưng kết quả thu
được lại hoàn toàn khác,
hai
T