Luong tinh song hat cua anh sang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI
KHOA SƯ PHẠM KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÀI THUYẾT TRÌNH MÔN LỊCH SỬ VẬT LÝ
CHUYÊN ĐỀ: LƯỠNG TÍNH SÓNG - HẠT CỦA ÁNH
SÁNG

SINH VIÊN THỰC HIỆN
1. Lê Thị Ngọc Chi
2. Trịnh Thị Phương Thảo
3. Trần Thị Thư
4. Phạm Văn Cảnh
5. Đoàn Kim Minh Nga
6. Nguyễn Văn Đại
7. La Gia Nghi
8. Lê Hoa Như Ý
Đồng Nai, 2017
0


MỤC LỤC
A. MỞ ĐẦU..................................................................................................................3
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI...........................................................................................3
2. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI...............................................................................................3
3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU................................................................................3
4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN.........................................3
5. CẤU TRÚC ĐỀ TÀI................................................................................................3
B. NỘI DUNG: LƯỠNG TÍNH SÓNG - HẠT CỦA ÁNH SÁNG..........................4
I. Những nền tảng đầu tiên của bộ môn Quang học.................................................4
1. Sơ lược về sự phát triển của quang học.................................................................4
2. Những nhà khoa học đóng góp vào sự phát triển của quang học.......................9

II. Sự hình thành và phát triển của quang học sóng..............................................15
1. Bối cảnh lịch sử......................................................................................................15
2. Sự phát triển của sóng ánh sáng...........................................................................16
2.1. Bước phát triển mới của quang học sóng...............................................16
2.2. Những nghiên cứu quang học của Huygens...........................................16
2.3. Những nghiên cứu quang học của Leonhard Euler..............................19
2.4. Lý thuyết của Lomonoxop.......................................................................20
2.5. Những nghiên cứu quang học của Young...............................................23
2.6. Những nghiên cứu quang học của Fresnel.............................................25
2.7. Những nghiên cứu khoa học của Fraunhofer........................................30
2.8. Những nghiên cứu khoa học của Maxwell.............................................31
2.9. Môi trường Ete có hay không?................................................................33
2.10. Các công trình thực nghiệm khẳng định tính sóng của ánh sáng......34
III. Cuộc khủng hoảng của vật lý học nửa cuối thế kỷ 19.....................................35
IV. Sự ra đời và phát triển của thuyết quang học hạt............................................37
1. Isaac Newton.........................................................................................................37
2. Malus......................................................................................................................40
3. Max Planck.............................................................................................................41
4. Albert Einstein.......................................................................................................43
5. Các công trình thực nghiệm khẳng định tính hạt của ánh sáng.......................45
6. Những tranh cãi xoay quanh bản chất của ánh sáng – sóng hay hạt ?............45
1


V. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng.......................................................................52
C. KẾT LUẬN...........................................................................................................57

2

A. MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

“Ánh sáng là gì? Ánh sáng bắt nguồn từ đâu? Đâu là bản chất của ánh sáng để
cho phép chúng ta nhìn thấy thế giới xung quanh? Một ngày nào đó nếu như Trái Đất
của chúng ta không còn nhận được bất cứ tia sáng nào từ mặt trời thì chuyện gì sẽ xảy
ra?” Những câu hỏi này đã từng ám ảnh các nhà tư tưởng vĩ đại nhất từ hơn hai nghìn
năm trăm năm nay. Bởi vì ánh sáng từ lâu đã được coi là yếu tố quý giá nhất của tự
nhiên, mắt là bộ phận quý giá nhất của con người, nên các nhà tư tưởng vĩ đại như:
Aristotle, Newton, Huygens, Eintein,… và rất nhiều nhà khoa học khác nữa đã từng
quan tâm đến vấn đề của bản chất ánh sáng và vật lý quang học đã ra đời. Họ đã phát
hiện ra rằng ánh sáng có hai mặt, trong một số hoàn cảnh nào đó ánh sáng trình diện
như một sóng, nhưng trong các hoàn cảnh khác nó lại biến hóa thành hạt, vậy riêng
với Albert Einstein thì ông đã nghiên cứu về nguồn gốc, bản chất về ánh sáng như thế
nào?
Chính vì những lý do trên nên tôi đã chọn đề tài nghiên cứu về “Lịch sử hình
thành và phát triển lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng”. Và tôi cũng tin chắc rằng đề tài
này cũng sẽ gây tò mò, say mê với những người yêu và tìm hiểu về ánh sáng, đặc biệt
là các bạn sinh viên chuyên ngành vật lí.
2. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Tìm hiểu về sự phát triển của ngành quang học vật lý. Nguyên nhân cuộc tranh
cãi của hai nhà khoa học Huyghens và Newton và lịch sử hình thành và phát triển
lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng.
3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Lịch sử phát triển của quang học cùng những nghiên cứu về quang học của các
nhà khoa học qua các giai đoạn lịch sử.
4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN
Để hoàn thành luận văn này cần sử dụng các phương pháp như nghiên cứu lý
thuyết phân tích, tổng hợp và vận dụng các kiến thức để giải thích hiện tượng trong tự
nhiên.

5. CẤU TRÚC ĐỀ TÀI
Đề tài “Lịch sử hình thành và phát triển lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng” với
phần nội dung gồm hai phần. Phần I trình bày về những nền tảng đầu tiên của bộ môn
3


Quang học. Phần II sẽ tìm hiểu về sự hình thành và phát triển của quang học sóng –
quang học hạt và lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng.

4


B. NỘI DUNG: LƯỠNG TÍNH SÓNG - HẠT CỦA ÁNH SÁNG
I. Những nền tảng đầu tiên của bộ môn Quang học.
1.

Sơ lược về sự phát triển của quang học.

Quang học là ngành khoa học vật lí nghiên cứu nguồn gốc và sự truyền của ánh
sáng, cách thức nó biến đổi, những hiệu ứng mà nó gây ra, và những hiện tượng khác
đi cùng với nó. Có hai ngành quang học. Ngành quang lí nghiên cứu bản chất và các
tính chất của ánh sáng. Ngành quang hình học khảo sát các nguyên lí chi phối các
tính chất tạo ảnh của thấu kính, của gương, và các dụng cụ khác, thí dụ như các bộ xử
lí dữ liệu quang học.

Hình 1: Thấu kính Layard
Những trải nghiệm sớm nhất của loài người với ánh sáng và quang học là thuộc
về thế giới tự nhiên: ánh sáng mặt trời, lửa, và các tính chất phản xạ và khúc xạ (bẻ
cong ánh sáng) của nước, các tinh thể, và một số chất khác có mặt trong tự nhiên.
Lửa là một trong những công cụ sớm nhất được tổ tiên của loài người hiện đại sử

dụng, có lẽ từ cách nay khoảng 1,4 triệu năm, nhưng có khả năng nó không được sử
dụng để thắp sáng vào ban đêm cho đến cách nay 500.000 năm. Hồi 15.000 năm về
trước, loài người đã đốt chất béo và dầu trong các loại đèn để thắp sáng bóng đêm, đó
là những dụng cụ nhân tạo đầu tiên dùng để tạo ra ánh sáng.

Hình 2: Đèn đốt dầu nguyên thủy làm từ vỏ động vật
5


3000 năm TCN các nền văn hóa Trung Đông và Châu Á bắt đầu nghiên cứu
ánh sáng và bóng đổ và có khả năng khai thác các tính chất của chúng để giải trí. Các
nền văn minh châu Á đã sản xuất và sử dụng gương.
Quang học bắt đầu với sự phát triển thấu kính của người Ai Cập cổ
đại và Lưỡng Hà. Thấu kính sớm nhất được biết tới làm từ các tinh thể được mài
bóng, thường là thạch anh, có niên đại vào khoảng năm 700 trước Công nguyên
ở Assyria như thấu kính Layard/Nimrud. Người La Mã và Hy Lạp cổ đại đã đổ đầy
các quả cầu kính bằng nước để tạo ra thấu kính. Những cách làm này sau đó được các
nhà triết học Hy Lạp và Ấn Độ phát triển thành lý thuyết ánh sáng và sự nhìn, cũng
như người La Mã phát triển lý thuyết quang hình học. Từ optics xuất phát từ tiếng Hy
Lạp cổ đại, có nghĩa là "biểu hiện, nhìn nhận".
Triết học Hy Lạp chia quang học ra thành hai lý thuyết đối lập dựa trên cách
miêu tả làm sao mắt con người nhìn được, "lý thuyết mắt phát ra tia sáng" và "lý
thuyết mắt thu nhận tia sáng". Lý thuyết mắt thu nhận tia sáng cho rằng con người
nhìn thấy sự vật là do các vật phát ra những bản sao giống y hệt chúng (gọi là eidola)
mà mắt người thu nhận được. Với sự ủng hộ của nhiều triết gia như Democritus,
Epicurus, Aristotle và các môn đệ, lý thuyết này dường như đã có nét giống với lý
thuyết hiện đại về thị giác, nhưng nó vẫn chỉ là các tiên đoán mà thiếu đi các thí
nghiệm kiểm tra.
Plato là người đầu tiên nêu ra lý thuyết mắt người phát ra các tia sáng, lý thuyết
cho rằng cảm nhận thị lực là do các tia sáng phát ra từ mắt người chiếu vào vật thể.

Ông cũng bình luận về tính chẵn lẻ thông qua đối xứng gương khi miêu tả vấn đề ở
trong cuốn Timaeus. Vài trăm năm sau, Euclid viết cuốn sách “Quang học” khi ông
bắt đầu liên hệ sự nhìn với môn hình học, tạo ra những cơ sở đầu tiên cho
ngành quang hình học. Cuốn sách của ông được viết dựa trên cơ sở của lý thuyết phát
tia của Plato và Euclid còn miêu tả các quy tắc toán học của phép phối cảnh cũng như
hiệu ứng khúc xạ một cách định tính, mặc dù vậy ông đặt ra nghi vấn rằng chùm tia
sáng từ mắt người liệu có thể ngay lập tức làm sáng lên các vì sao chỉ trong nháy mắt.
Ptolemy, trong cuốn “Quang học” của ông đã miêu tả một lý thuyết kết hợp cả hai lý
thuyết trên: các tia sáng từ mắt tạo thành một hình nón, với đỉnh nằm trong mắt và
đáy nón xác định lên trường nhìn. Các tia sáng rất nhạy với mọi vật và chúng mang
thông tin chứa hướng và khoảng cách các vật trở lại não của người quan sát. Ông
tổng kết lại các kết quả của Euclid và đi đến miêu tả cách đo góc khúc xạ, mặc dù
ông đã không nhận ra mối liên hệ giữa góc này với góc tới của tia sáng.
6


Trong thời Trung Cổ, các ý tưởng của người Hy Lạp đã được phục hồi và mở
rộng trong các văn tự của thế giới Hồi giáo. Một trong những văn tự sớm nhất là
của Al-Kindi (khoảng 801–873) viết về các giá trị của những ý tưởng của trường phái
Aristote và Euclid về quang học, ủng hộ cho lý thuyết mắt phát tia sáng do có thể
dùng nó để miêu tả định lượng các hiện tượng quang học. Năm 984, nhà toán học Ba
Tư Ibn Sahl viết luận thuyết "Về cách nung chảy tạo gương và thấu kính", ông đã
miêu tả đúng định luật về sự khúc xạ mà có nét tương đương với định luật Snell. Ông
sử dụng định luật này nhằm tính toán hình dạng tối ưu cho thấu kính và các gương
cầu lõm.
Ở đầu thế kỷ 11, Alhazen (Ibnal-Haytham) viết cuốn sách quang học (Kitabalmanazir) trong đó ông giải thích sự phản xạ và khúc xạ và đề xuất một hệ thống mới
giải thích cho khả năng nhìn sự vật và ánh sáng dựa trên các quan sát và thực
nghiệm. Ông phê phán "lý thuyết phát tia sáng" của trường phái Ptolemy về mắt
người phát ra tia nhìn, mà thay vào đó ông có ý tưởng về ánh sáng phản xạ theo
đường thẳng ở mọi hướng từ mọi điểm của vật thể được quan sát và sau đó các tia

sáng đi vào mắt, mặc dù ông không thể giải thích đúng đắn làm thế nào để mắt thu
nhận được các tia sáng. Công trình của Alhazen phần lớn bị lãng quên trong thế giới
Ả Rập nhưng nó đã được một học giả vô danh biên dịch sang tiếng La tinh vào
khoảng năm 1200 và sau này nó được thầy tu người Ba Lan Witelo tổng kết và mở
rộng đưa nó trở thành một cuốn sách mẫu mực về quang học ở châu Âu trong gần
400 năm tiếp theo.
Ở thế kỷ 13, giám mục người Anh Robert Grosseteste viết một tác phẩm về ánh
sáng trên nhiều chủ đề khoa học dưới bốn quan điểm khác nhau: nhận thức luận về
ánh sáng, lý luận siêu hình học về ánh sáng, thuyết nguyên nhân hoặc tính chất vật lý
của ánh sáng, lý luận thần học về ánh sáng, dựa trên các công trình của các trường
phái Aristotle và Plato. Môn đệ nổi tiếng nhất của Grosseteste, Roger Bacon, đã viết
những công trình với nguồn trích dẫn phong phú dựa trên các bản dịch thời đó về các
nghiên cứu quang học và triết học, bao gồm của Alhazen, Aristotle,
Avicenna, Averroes, Euclid, al-Kindi, Ptolemy, Tideus và Constantine the African.
Bacon đã dùng các phần của một khối cầu thủy tinh để làm kính lúp để chứng tỏ ánh
sáng phản xạ từ vật thể hơn là phát ra từ chúng.
Kính mắt đầu tiên được phát minh vào khoảng năm 1286 ở Italia. Điều này dẫn
tới sự ra đời của ngành công nghiệp quang học với mục đích mài cắt và đánh bóng
thấu kính để làm các kính mắt, lúc đầu là ở Venice và Florence vào thế kỷ 13 và sau
7


đó với các trung tâm chế tạo kính quang học ở Hà Lan và Đức. Những nhà chế tạo
kính mắt đã cải tiến các loại thấu kính để hiệu chỉnh hình ảnh dựa trên các kinh
nghiệm thực tiễn thu được từ các quan sát về hiệu ứng của các thấu kính hơn là từ các
lý thuyết quang học thô sơ ngày đó (các lý thuyết hồi đó còn chưa giải thích được
kính mắt hoạt động như thế nào). Những phát triển thực tiễn, làm chủ và thí nghiệm
với các thấu kính dẫn tới phát minh trực tiếp ra kính hiển vi quang học vào khoảng
1595 và kính thiên văn phản xạ năm 1608, cả hai đều được làm ở các trung tâm sản
xuất kính quang học ở Hà Lan.

Đầu thế kỷ 17, Johannes Kepler nghiên cứu mở rộng lĩnh vực quang hình học,
bao gồm thấu kính, sự phản xạ từ gương phẳng và gương cầu, nguyên lý chụp ảnh
qua lỗ hổng, định luật tỷ lệ nghịch đảo bình phương của cường độ ánh sáng và cách
giải thích quang học cho các hiện tượng thiên văn như nguyệt thực và nhật thực và thị
sai. Ông cũng suy luận đúng về vai trò của võng mạc như là một cơ quan ghi nhận
hình ảnh và Kepler có thể đánh giá định lượng một cách khoa học các hiệu ứng mà
các nhà quang học quan sát từ hơn 300 năm là do từ các loại thấu kính khác
nhau. Sau khi kính thiên văn được phát minh ra, Kepler đã thiết lập cơ sở lý thuyết
miêu tả sự hoạt động của chúng và cách để nâng cao khả năng phóng đại của kính
thiên văn, mà ngày nay gọi là kính thiên văn Kepler, với hai thấu kính lồi tạo ra sự
phóng đại ảnh lớn hơn so với kính thiên văn trước đó. Năm 1611, Kepler đã xuất bản
cuốn “Chiết quang học” trong đó ông đã vẽ đường đi của tia sáng trong kính thiên
văn. Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, Kepler đã tìm ra công thức
để xác định tiêu cự của một thấu kính.

Lý thuyết về quang học tiến triển trong giữa thế kỷ 17 với công trình của nhà
bác học René Descartes, ông giải thích nhiều hiện tượng quang học khác nhau như
phản xạ và khúc xạ dựa trên mô hình hạt ánh sáng. Điều này khác cơ bản so với quan
điểm lý thuyết phát xạ của người Hy Lạp cổ đại. Cuối thập kỷ 1660 và 1670, Newton
đã mở rộng ý tưởng của Descartes thành lý thuyết hạt ánh sáng và ông nổi tiếng với
công trình xác định được ánh sáng trắng là tập hợp của các tia sáng đơn sắc mà có thể
tách được nhờ một lăng kính.
Năm 1690, Christiaan Huygens nêu ra lý thuyết sóng ánh sáng dựa trên đề xuất
do Robert Hooke nêu ra vào năm 1664. Chính Hooke đã phê bình lý thuyết của
Newton về hạt ánh sáng và sự phản đối giữa hai người kéo dài cho tới tận khi Hooke
qua đời.
8


Năm 1704, Newton cho xuất bản quyển Opticks, một bản hợp nhất các tác

phẩm và thí nghiệm của ông về ánh sáng, màu sắc và quang học, và là một sự trình
diễn về lí thuyết hạt ánh sáng của ông. Là một kiệt tác vật lí thực nghiệm, quyển sách
này không chỉ trình bày công phu nghiên cứu trước đó của ông về quang học, mà còn
nêu rõ làm thế nào sử dụng các thí nghiệm để khảo sát một đề tài nào đó. Ông giải
thích cách sử dụng các giả thuyết để thúc đẩy thêm thí nghiệm cho đến khi thu thập
đủ thông tin để chính thức đề xuất một lí thuyết. Cuộc tranh luận giữa hai người về
bản chất của ánh sáng dường như có phần thắng thuộc về Newton thời đó.
Trắc quang học là thành tựu quan trọng nhất của quang học thế kỉ XVIII.
Người sáng lập ra trắc quang học là Bughe (1698-1758) và Lambe (1728-1777).
Bughe đã định nghĩa những khái niệm trắc quang học mà ngày nay chúng ta gọi là
“quang thông”, “cường độ sáng của nguồn”, “độ rọi”, “độ chói”. Bughe đã xây dựng
nguyên tắc cơ bản của các phép đo trắc quang học, đã thiết kế được một quang kế
đơn giản và xây dựng phương pháp san bằng độ rọi do nhiều nguồn sáng khác nhau
tạo ra. Ông đã tìm ra định luật hấp thụ ánh sáng: khi bề dày lớp hấp thụ tăng thì
cường độ quang thông giảm theo một quy luật lũy thừa. Định luật đó và định luật về
sự phụ thuộc của độ rọi vào khoảng cách tới nguồn sáng ngày nay được goik một
cách không đúng là các định Lambe. Lambe đã chính xác hóa thêm những khái niệm
cơ bản của trắc quang học và phát minh ra các định luật về sự phụ thuộc của đọ chói
vào góc nghiêng của tia sáng tới và sự thuộc của độ chói nguồn sáng vào góc thoát
của ánh sáng.
Những thành tựu đáng kể khác là việc phát minh ra các ống kính tiêu sắc dùng
cho kính thiên văn và kính viễn vọng (một việc mà Newton cho rằng không thể làm
được) và việc Bratlay phát minh ra hiện tượng tinh sai vào năm 1728. Phát minh này
cho phép xây dựng một phép đo vận tốc ánh sáng và sẽ có vai trò quan trọng trong sự
phát triển quang học của các môi trường chuyển động.
Những thành tựu nghiên cứu quang học của thế kỉ XVIII là rất nghèo nàn.
Thuyết sóng ánh sáng đã ra đời, nhưng cũng chỉ đưa ra được một phương pháp khác
để giải thích những hiện tượng quang học mà thuyết hạt ánh sáng đã giải thích được.
Thuyết sóng ánh sáng chưa đủ sức giải thích được sự nhiễu xạ và giao thoa ánh sáng
được phát hiện từ thế kỉ XVII. Vì vậy cho tới cuối thế kỉ thứ XVIII thuyết hạt ánh

sáng chiếm ưu thế và lí thuyết của Huygens, mặc dù được Euler và Lomonoxop ủng
hộ nhưng đã bị lãng quên.

9


2.

Những nhà khoa học đóng góp vào sự phát triển của quang học.

Hình 3: Empedocle
Empedocle (khoảng 490 – 435 TCN) là tác giả của lý thuyết về thị giác xa xưa
nhất. Liên quan đến ánh sáng. Empedocle 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 Empedocle, ánh sáng không đi
theo một chiều từ mắt tới vật, ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt.

Hình 4: Leucippe
Leucippe (khoảng 460 – 370 TCN): trái ngược với “lửa” trong mắt của
Empedocle thoát ra thế giới bên ngoài, Leucippe 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
10


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.

Hình 5: Democrite
Democrite (460 – 370 TCN): các quan điểm của Democrite về ánh sáng và thị

giác đều dựa trên học thuyết nguyên tử, Ông chấp nhận bốn màu cơ bản của
Empedocle – đen, trắng, đỏ và vàng – xanh, nhưng thêm vào đó các màu khác gọi là
các màu thứ cấp, như lục và nâu. Khác với Empedocle, Democrite không gắn các
màu cơ bản cho bốn nguyên tố, mà gắn cho các nguyên tử có hình dạng khác nhau.
Theo Democrite, các màu (và các đặc tính giác quan khác như mùi và vị) không hiện
hữu trong bản thân các vật.

11


Hình 6: Platon
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 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 thông tin về tình trạng
của vật, màu sắc và kết cấu của nó. Sau đó chùm sáng co lại để truyền đến mắt những
thông tin này.

Hình 7: Aristolte
12


Aristolte (383 – 322 TCN), học trò của Platon, là một triết gia thuộc trường
phái tự nhiên, ông 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 Empedocle, bởi theo ông lý thuyết

này không giải thích được tại sao chúng ta không nhìn thấy trong bóng tối. Ông 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 thông qua dòng vật
chất, mà bởi ấn tượng của chúng lên các giác quan, cũng giống như sáp tiếp nhận dấu
ấn của chiếc nhẫn nhưng không 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 “phẩm chất trung
gian”, ở đây, ông giải thích sự hòa 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 hòa trộn giữa đen
và trắng trong một môi trường bán trong suốt: Đó là trường hợp các màu nâu đỏ hoặc
da cam của cảnh hoàng hôn.

Hình 8: Euclide
Euclide (khoảng 300 TCN): ông đã dùng toán 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 toán hình học, ông đã giải thích được tại
sao cây ở xa trông lại nhỏ hơn cây ở gần.

13


Hình 9: Claude Ptolemee
Claude Ptolemee (khoảng 100 – 178): Ptolemee 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. Ptolemee cũng đưa ra tiên đề về “mặt nón thị giác”, nhưng khác với
Euclide, ông cho rằng mặt nón này không chứa một tập hợp các “tia thị giác” tách
biệt, mà chứa 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 nhòe mờ hơn. Theo ông, “mặt nón thị giác”

bản thân nó không đủ; còn cần phải có thêm ánh sáng bên ngoài 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 ngoài này càng
mạnh thì tương tác càng mạnh. Điều này giải thích tại sao chúng ta không nhìn được
trong bóng tối.
Ptolemee cũng suy nghĩ về hành trang 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 con người. Ông đã vẽ các màu khác nhau trên một bánh xe sau
đó quay bánh xe thật nhanh. Mắt không có đủ thời gian để phân biệt từng màu một,
mà chỉ thấy các màu này bị trộn vào nhau. Ngoài ra, ông còn nhận thấy sự hòa trộn
các màu còn 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.

14


Hình 10: Claude Galien
Claude Galien (130 – 200) cùng với Hippocrate là hai bác sỹ vĩ đại nhất thời
cổ đại. Ông là 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, không khí bao quanh ta chịu một biến đổi làm cho mắt nhìn thấy được.
Các màu sắc cũng làm cho không khí biến đổi. Theo Galien, trung tâm của thị giác là
thủy tinh thể.

Hình 11: Alhazen
Alhazen (965 – 1040): Alhazen đồng ý với quan điểm của Aristolte rằng ánh
sáng đến từ bên ngoài đi vào mắt, chứ không phải ngược lại. Theo ông, các tia sáng
thật sự tồn tại. Chúng lan truyền theo đường thẳng. Khi ánh sáng xung quang chạm
15

vào một vật liền 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.

Hình 12: Rober Bacon
Rober Bacon (1214 – 1292), người Anh. Trong các sách chuyện bàn về ánh
sáng và màu sắc, ông đã cố gắng tổng hợp các quan niệm của Aristolte 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
ông gọi là “loài”. Chẳng hạn, Mặt trời phát ra các “loài” sáng.

Hình 13: Francesco Mario Grimaldi

16


Francesco Mario Grimaldi (1618 – 1663): Ông đã tìm ra phương thức truyền
ánh sáng thứ 4 ngoài 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 ông được
công bố vào năm 1665.
II. Sự hình thành và phát triển của quang học sóng
1.

Bối cảnh lịch sử

Cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất thắng lợi đã loại trừ được ảnh hưởng tư
tưởng của Aristitle và vai trò thống trị của tôn giáo trong khoa học. Phương pháp kinh

viện, giáo điều được thay thế bằng phương pháp thực nghiệm, lấy quan sát và thí
nghiệm làm xuất phát điểm cho mọi lý thuyết khoa học, đem khoa học phục vụ sản
xuất, phục vụ đời sống con người.
Cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất diễn ra trong lúc xã hội châu Âu đang
sôi sục chuyển từ chế độ phong kiến lên chủ nghĩa tư bản. Song song với cuộc cách
mạng chính trị này, ở thế kỷ XVIII cũng diễn ra một cuộc cách mạng công nghiệp,
đầu tiên là ở nước Anh, tiếp theo là ở nước Pháp nhằm thay thế phương thức sản xuất
thủ công bằng phương thức sản xuất bằng máy móc.
Trong thế kỷ XVIII, các nhà khoa học tiếp tục đề cao vai trò của trí tuệ trong
khoa học nên thế kỷ XVIII được gọi là thế kỷ của trí tuệ và cũng từ thế kỷ này khoa
học tự nhiên bắt đầu được tách khỏi triết học. Vật lý học cổ điển bước đầu được hình
thành với các môn: cơ, nhiệt, điện, quang.
2.

Sự phát triển của sóng ánh sáng
2.1.

Bước phát triển mới của quang học sóng

Những thành tựu nghiên cứu quang học của thế kỉ XVIII còn nghèo nàn.
Thuyết sóng ánh sáng đã ra đời, nhưng chưa có đủ sức giải thích được sự nhiễu xạ và
giao thoa ánh sáng được phát hiện từ thế kỉ XVII. Vì vậy, cho đến cuối thế kỉ XVIII
thuyết hạt ánh sáng chiếm ưu thế và lý thuyết của Huygens đã bị lãng quên, mặc dù
được Euler và Lomonoxop ủng hộ.
Tới đầu thế kỉ XIX, những hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ và phân cực ánh
sáng được nghiên cứu tỉ mỉ và làm hồi sinh những tư tưởng của quang học sóng,
quang học sóng đã được xây dựng từng bước và đã từng bước phải đấu tranh gay go
chống lại những tư tưởng cổ truyền của quang học hạt. Trong lĩnh vực quang học đã
17

diễn ra một cuộc cách mạng tương tự như cuộc cách mạng của Copernicus và Galile
trước đó gần ba thế kỉ. Người mở đầu cho cuộc cách mạng đó là Young.
2.2.

Những nghiên cứu quang học của Huygens

Huygens: cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng

Hình 14: Christaan Huygens
Christiaan Huygens (1629-1695) trong một gia đình ưu tú ở Hà Lan, được
coi là nhà toán học và vật lý học lớn nhất thời kì giữa Galile 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 không 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 không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tại như
một thực thể vô hình trong không khí và không gian. Nhờ vậy mà sóng ánh sáng có
thể truyền chuyển động cho tất cả những hạt tiếp xúc với nó và cho tất cả những hạt
cản trở chuyển động của nó.
18




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 của sóng cầu có tâm tại mỗi hạt rung này. Vô 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 giông, 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 không khí và ête. Vận tốc
lan truyền của một sóng tăng theo độ cứng của môi 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 không khí mềm hơn và truyền các
rung động chậm hơn rất nhiều.
Từ đó, ông 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.

Hình 15: Sự phản xạ của sóng
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Huygens cho rằng vận tốc ánh sáng cho
một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Như vậy, vận tốc của ánh sáng trong
không khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong nước.
19

Hình 16: Sự phản xạ của sóng
Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì
chùm tia bị khúc xạ (đổi hướng). Một phần nhỏ của mỗi đầu sóng 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 còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi
trường thứ nhất. Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn
cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền.
Hiện tượng nhiễu xạ: Thuyết sóng của Huygens chưa giải thích được hiện
tượng này. Và để nói lên quan điểm của mình, năm 1660, Huygens công bố “ GIÁO
TRÌNH QUANG HỌC”, đây là công trình đầu tiên về lý thuyết sóng ánh sáng.
2.3.

Những nghiên cứu quang học của Leonhard Euler

20


Hình 17: Leonhard Euler
Leonhard Euler (1707 -1783) là nhà toán học và nhà vật lý học Thụy Sĩ, sinh
ở Basel. 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 về phương thức
lan truyền của chúng. Qua đó, ông đã tiến đến việc tương tự hóa giữa ánh sáng và âm
thanh “có một sự hài hòa 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 lõm 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 kỉ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng là sóng vẫn chìm nổi với chỉ một
tiếng nói bảo vệ thuyết sóng ánh sáng 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 và Huygens
đều không thể có một cách giải thích đúng đắn.
21


2.4.

Lý thuyết của Lomonoxop

Hình 18: Lomonoxop

Nhà bác học vĩ đại M.V. Lomonoxop (1711-1765), một trong những đại diện
xuất sắc nhất của nền khoa học Nga thế kỷ XVIII. Mikhain Vaxilievic
Lomonoxop sinh năm 1711 thuộc tỉnh Ackhăngen, con trai một người nông dân ven
biển vừa làm ruộng, vừa đánh cá. Vùng biển phía Bắc nước Nga lúc đó không có ách
chiếm hữu ruộng đất của địa chủ nên trở thành một vùng trù phú có trình độ văn hóa
phát triển cao, đó là quê hương của những người dũng cảm và những nhà sáng chế.
Tháng 12 năm 1730 được sự đồng ý của cha, Lomonoxop được lên Moskva để học
tập. Ông được nhận vào Viện hàn lâm Slavo - Hy Lạp. Năm 1736, Ông được gửi đến
trường đại học của Viện Hàn lâm khoa học Petecbua và sau vài tháng được cử sang
Đức học tập. Sau 5 năm trở về nước, năm 1745 Ông được cử làm giáo sư (viện sĩ)
Hóa học. Năm 1748 phòng thí nghiệm hóa học ở Viện hàn lâm khoa học được xây
dựng xong và suốt 10 năm (1748-1757) hoạt động chủ yếu của Lomonoxop là nghiên
cứu khoa học lý thuyết và thực nghiệm.
Lomonoxop là nhà bác học bách khoa, Ông vừa là nhà hóa học xuất sắc lại vừa

nổi tiếng như một nhà vật lý học, khoáng vật học và tinh thể học, địa lý, thiên văn
học, luyện kim, quang học, lịch sử, thi sĩ, nghệ sĩ,…Nhà thơ Nga thiên tài Puskin đã
viết về Ông: “Lomonoxop xây dựng trường đại học đầu tiên của nước Nga và nói cho
đúng hơn ông chính là trường Đại học đầu tiên của nước Nga.”

22


Những công trình đầu tiên của Lomonoxo là về hóa học. Các nhà giả kim thuật
thời đó cố tìm cách chế ra “hoàn đá triết học” để biến đá thành vàng. Thất bại của
môn giả kim thuật khiến các nhà hoá học thế kỉ XVII vạch ra cho mình một mục tiêu
thực tế hơn: tìm cách pha chế các loại thuốc chữa bệnh và các chất cần thiết trong
thực tế. Hoá học được gọi là một nghệ thuật và mang nặng tính kinh nghiệm chủ
nghĩa, không dựa trên một cơ sở lí luận nào. Lomonoxop nhận xét rằng hóa học vẫn
còn bị bao phủ trong bóng tối dày đặc và những nguyên nhân thực sự của các hiện
tượng kì lạ đối với ta vẫn còn là điều bí ẩn. Đó là thiếu sót lớn của hóa học thời đó.
Lomonoxop nói: “Nhà hóa học chân chính phải vừa là nhà lí thuyết, vừa là nhà thực
hành” và “trong cùng một con người, phải có một nhà hoá học khéo léo và một nhà
toán học sâu sắc”.
Lomonoxop cho rằng chuyển động của các hạt nhỏ là cơ sở của mọi hiện tượng
hóa học, vì vậy “ai muốn nắm sâu các chân lí hóa học thì phải nghiên cứu cơ học và
muốn nghiên cứu cơ học thì phải am hiểu toán học”. Trong các công trình nghiên cứu
của mình, Lomonoxop giải thích nguyên nhân của nhiệt và của tính đàn hồi của các
chất khí là sự chuyển động của các hạt nhỏ li ti mà giác quan của ta không cảm giác
được. Ông là một trong những người sáng lập ra thuyết cơ học về nhiệt và thuyết
động học chất khí.
Trong hệ thống khoa học của Lomonoxop, “định luật phổ biến” về sự bảo toàn
giữa một vị trí quan trọng. Ông phát biểu định luật đó lần đầu tiên trong một bức thư
gửi Euler năm 1748. Ông viết: “Mọi sự biến đổi trong thiên nhiên đều diễn ra sao cho
nếu thêm một cái gì vào một cái gì đó, thì phải bớt cái ấy đi ở một cái gì khác. Thí dụ

như nếu thêm bao nhiêu vật chất vào một vật nào đó thì có bấy nhiêu vật chất phải bị
bớt đi ở một vật khác, tôi dùng bao nhiêu giờ để ngủ thì phải bớt đi bấy nhiêu giờ để
thức v.v… Vì đó là một định luật phổ biến của thiên nhiên, nên nó cũng áp dụng cả
cho các quy tắc chuyển động: một vật do va chạm mà làm một vật khác chuyển động,
nó mất đi bao nhiêu chuyển động của nó thì lại truyền bấy nhiêu chuyển động cho vật
kia”. Mười hai năm sau, năm 1760, Lomonoxop mới chính thức công bố định luật đó,
nhưng nó cũng vẫn mới chỉ là một phát biểu định tính, chưa phải là một định luật
định lượng chặt chẽ. Điều đó tất nhiên, vì thời Lomonoxop trong cơ học chưa xác
định được cái gì là số đo của chuyển động (đó là động lượng và động năng), trong
điện học và từ học cũng chưa có các nghiên cứu định lượng.
Lomonoxop đã dùng cân để nghiên cứu các phản ứng hóa học về mặt định tính.
Năm 1756, ông đã thực hiện nhiều thí nghiệm và công bố kết quả như sau. Ông cho
23


nhiều loại kim loại vào những bình gắn kín và đốt nóng lên cho kim loại phản ứng
với không khí trong bình. Ông cân cái bình trước và sau phản ứng. Kết quả là nếu
không cho không khí bên ngoài lọt vào bình thì trọng lượng của bình không đổi. Đó
là thí nghiệm đầu tiên trong lịch sử khoa học. Dùng cân để kiểm tra định luật bảo
toàn trọng lượng trong các phản ứng hóa học. Nhưng Lomonoxop không tán thành
quan điểm của Newton cho trọng lượng là số đo lượng vật chất . Vì vậy ông không
coi định luật bảo toàn trọng lượng là định luật bảo toàn vật chất. Ông phân vân,
không tìm ra được cách giải thích sự bảo toàn trọng lượng trong các phản ứng hóa
học. Vì vậy ông chỉ mô tả các thí nghiệm, nhưng không từ đó mà phát biểu thành
định luật bảo toàn trọng lượng. Định luật này về sau được Lavoadie phát biểu khi ông
nghiên cứu lí thuyết về sự cháy.
Năm 1756 Lomonoxop công bố công trình nghiên cứu về nguồn gốc của ánh
sáng và về lí thuyết màu sắc. Ông cho rằng ánh sáng là chuyển động của sóng ête. Có
ba loại hạt ête, ứng với ba loại chất hóa học: ête loại muối sinh ra màu đỏ, ête loại lưu
huỳnh sinh ra màu vàng, ête loại thủy ngân sinh ra màu lam. Các màu khác là sự pha

trộn của ba màu nói trên. Đó là một ý đồ nhằm giải thích các màu sắc của tia sáng
bằng cách gắn màu sắc của các vật với cấu trúc hóa học của chúng. Tuy vậy, thế kỉ
XVIII, thế kỉ của các “chất không trọng lượng”, không công nhận thuyết sóng ánh
sáng.
2.5.

Những nghiên cứu quang học của Young

* Tiểu sử

Thomas Young (1773 -Hình
1829)19:
là Thomas
một nhà Young
bác học người Anh người có trí tuệ
phát triển đặc biệt, hai tuổi đã biết đọc, mười hai tuổi đã nắm vững mười ngoại ngữ
(Latin, Hy Lạp, Pháp, Ý, Do Thái, Ả Rập, Ba Tư,….) ông được gọi là hiện tượng trẻ
24