Lý giả thành công bí ẩn 100 năm về anh sáng

Lý giải thành công bí ẩn 100 năm
về ánh sáng bằng thí nghiệm
THỨ NĂM, 14 THÁNG 5 2009 23:03 VẠN LÝ ĐỘC HÀNH

Từ đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý đã biết được rằng
ánh sáng có xung lượng thông qua thí nghiệm áp suất
ánh sáng của Lebedev năm 1899, nhưng cách thức
mà xung lượng biến đổi khi ánh sáng truyền qua các
môi trường khác nhau vẫn chưa được lý giải rõ ràng
và được coi là một bí ẩn của thế kỷ. Hai lý thuyết đối
nghịch nhau về thời gian đã dự đoán một cách chính
xác hiệu ứng đối nghịch đối với ánh sáng tới một lớp điện môi: một giả thiết
nó đẩy bề mặt theo chiều di chuyển của ánh sáng; một lý thuyết khác lại giả
thiết việc nó kéo bề mặt về phía nguồn phát của ánh sáng. Sau 100 năm đối
nghịch, một nhóm nhà vật lý thực nghiệm ở Trung Hoa tin rằng cuối cùng họ
đã tìm được lời giải chính xác.

Weilong She cùng các cộng sự ở Đại học Tôn Dật Tiên (Quảng Châu, Trung Quốc) đã
nghiên cứu hiệu ứng ánh sáng tại lớp chuyển tiếp giữa không khí và sợi silica và họ đã
phát hiện được rằng ánh sáng tác dụng một lực đẩy lên bề mặt (xem chi tiết trong bài
báo đăng trên Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 101243601), mà như lời của người phản biện
Ulf Leonhardt (một nhà vật lý quang học ở Đại học St. Andrews, Vương quốc Anh) thì
“Bài báo này là một công trình đẹp đẽ và có thể trở thành một trong những công trình
kinh điển cho lý thuyết xung lượng ánh sáng”. Các tác giả đã giả thiết rằng phát hiện
này có thể lát đường cho những ứng dụng mới ví dụ như là phản ứng nhiệt hạch hiệu
suất cao sử dụng ép nén laser
.
Hình 1. Ảnh chụp sợi silica ở trạng thái tĩnh có đường kính 450 nm. Ảnh đốm sáng là
tia sáng truyền ra từ bề mặt sau của sợi silica (Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 101243601).
Nhà vật lý người Đức Hermann Minkowski đã giả thuyết năm 1908 rằng xung lượng
của ánh sáng tỉ lệ thuận với chiết suất vật liệu và năm tiếp theo đó, một nhà vật lý Đức

khác là Abraham đã giả thiết ngược lại rằng xung lượng tỉ lệ nghịch với chiết suất. Và
người ta đã tiên đoán rằng sự tranh luận này chỉ có thể được giải quyết bằng thực
nghiệm nhưng có một thực tế hiển hiện rằng rất khó để ghi lại xung lượng của ánh sáng
trong một chất điện môi. Trong những năm 70 của thế kỷ 20, dường như bí ẩn này đã
được giải quyết bằng một thí nghiệm đơn giản bao gồm một lớp tiếp xúc không khí –
nước. Sự chuyển hóa xung lượng đi đến một kết luận là nếu Abraham đúng, mặt nước
sẽ bị nén đi một chút khi tia sáng truyền qua, nhưng nếu Minskowski đúng thì mặt nước
sẽ bị lồi ra. Sự lồi đã được chứng tỏ và Minkowski đã được công bố là người chiến
thắng.
Nhưng thật không may, vào cuối năm đó, các phân tích chi tiết hơn đã chỉ ra rằng sự lồi
ra trong thí nghiệm trên lại là hiệu ứng không có liên quan đến các tính chất quang học
và nó lại một lần nữa tạo ra một cuộc tranh cãi quyết liệt.

Hình 2. Ảnh chụp video sự biến dạng của sợi silica dưới tác dụng của lực quang học tác
dụng nên sợi silica trong không khí (Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 101243601).
She cùng các cộng sự cuối cùng đã vượt qua những khó khăn này bằng cách thay thế
mặt nước bằng một sợi silica kích thước nanomet. “Chúng tôi trình bày quan sát trực
tiếp lực đẩy trên bề mặt sau của sợi silica tác dụng bởi sáng sáng truyền ra” – She nói.
Với kết quả này, Abraham đã được công bố là người chiến thắng mới và xung lượng
của ánh sáng tỉ lệ thuận trực tiếp với vật liệu mà nó truyền qua. “Thí nghiệm đã miêu tả
một hình thức hiện đại của một vấn đề đẹp đến đơn giản” – Leonhardt nói.
Một ứng dụng có thể bật lên từ kiến thực này là một kỹ thuật chính xác hơn cho lò phản
ứng cầm tù quán tính nhờ laser: một phương pháp sản suất năng lượng phản ứng bằng
cách ép một “viên thuốc con nhộng” nhiên liệu để tạo ra mật độ cao. Một loạt các tia
laser không kết hợp đến từ một quả cầu điện môi trong suốt đặt trong chân không sẽ
khiến cho nó bị co lại dưới áp suất và tạo ra phản ứng hạt nhân.
Mansud Mansuripur ở Đại học Arizona, Hoa Kỳ đã nhận ra ưng thế của áp suất bức xạ
cho lò phản ứng cầm tù quán tính nhưng ông cũng cảnh báo rằng She và các đồng
nghiệp mới chỉ xem xét áp suất bức xạ điện từ mà đã bỏ qua các tác động của lực cơ
học. “Một lượng chính xác cho biến dạng sợi silica trong thí nghiệm sẽ cần thiết cho

việc cân bằng xung lượng” – Mansuripur nói.