Chương 4 - Những điều kỳ lạ trong thế giới vi mô(5)

Vậy rốt cuộc ánh sáng là sóng hay là hạt ?

Ai cũng biết rằng nước - và từ đó cả những sóng nước - đều được tạo thành từ một số rất lớn các phân tử. Như vậy, liệu có đáng ngạc nhiên hay không nếu sóng ánh sáng cũng tạo bởi một số rất lớn hạt, cụ thể là các photon? Câu trả lời là có. Nhưng sự ngạc nhiên nằm trong các chi tiết. Bạn chắc đã biết, hơn ba trăm năm trước Newton đã khẳng định rằng ánh sáng gồm một dòng các hạt, vì vậy ý tưởng này không có gì là mới cả. Tuy nhiên, một số đồng nghiệp của Newton hồi đó, mà chủ yếu là nhà vật lý người Hà Lan Christian Huygens, đã không đồng ý với ông và cãi rằng ánh sáng là sóng. Cuộc tranh luận diễn ra gay gắt cho tới đầu thế kỷ XIX, khi mà những thí nghiệm của nhà vật lý người Anh Thomas Young được thực hiện vào những năm 1800 chứng minh được rằng Newton là sai.







Hình 4.3. Trong thí nghiệm Young, chùm sáng chiếu vào một màn chắn có hai khe, ánh sáng đi qua hai khe được ghi lại trên tấm kính ảnh khi một trong hai khe hoặc cả hai khe đều mở.

Sơ đồ thí nghiệm của Young, mà sau này người ta thường gọi là thí nghiệm hai khe, được minh họa trên Hình 4.3. Feynman rất thích nói rằng, có thể thâu tóm được toàn bộ cơ học lượng tử từ sự nghiền ngẫm thấu đáo những hệ quả rút ra chỉ từ thí nghiệm này, và vì vậy nó đáng để chúng ta thảo luận ở đây. Như ta thấy từ Hình 4.3, ánh sáng được chiếu tới một màn chắn trên đó có hai khe hẹp. Một tấm kính ảnh đặt ở phía sau có nhiệm vụ chụp lại ánh sáng tới nó sau khi đã đi qua hai khe: vùng sáng hơn trên bức ảnh cho biết có nhiều ánh sáng tới đó hơn. Thí nghiệm có mục đích so sánh các hình chụp được trên kính ảnh khi một trong hai khe hoặc cả hai khe đều mở và có ánh sáng chiếu vào.







Hình 4.4. Trong thí nghiệm này khe bên phải mở còn khe bên trái bị chắn. Hình chụp được trên tấm kính như ta thấy trên hình vẽ.

Nếu che khe bên trái và mở khe bên phải, thì ảnh chụp được như ta thấy trên Hình 4.4. Điều này cũng thật dễ hiểu, bởi lẽ ánh sáng đập vào tấm kính ảnh phải đi qua chỉ một khe mở và do đó nó sẽ tập trung ở phần bên phải của tấm kính ảnh.







Hình 4.5. Như Hình 4.4, nhưng bây giờ khe bên trái mở còn khe bên phải bị chắn.

Tương tự, nếu ta che bên phải lại và mở khe bên trái, ảnh chụp được như ta thấy trên Hình 4.5. Nếu cả hai khe đều mở, quan niệm hạt về ánh sáng của Newton sẽ tiên đoán rằng bức ảnh chụp được như ta thấy trên Hình 4.6, tức là nó là gộp của hai Hình 4.4 và 4.5.







Hình 4.6. Quan điểm hạt về ánh sáng của Newton tiên đoán rằng khi cả hai khe đều mở, hình chụp được trên kính ảnh là gộp của hai ảnh trên các Hình 4.4 và 4.5.

Về căn bản, nếu bạn nghĩ về các hạt ánh sáng của Newton như là những viên đạn bi nhỏ mà bạn bắn lên tường, thì những viên đi qua sẽ tập trung vào hai vùng nằm song song với hai khe, tựa như hai vùng sáng trên Hình 4.6. Ngược lại, khi hai khe đều mở, thì quan niệm sóng về ánh sáng lại dẫn tới một tiên đoán hoàn toàn khác. Bây giờ chúng ta sẽ xem nó khác như thế nào.

Bây giờ hãy tạm hình dung thay vì dùng các sóng ánh sáng ta sử dụng sóng nước. Kết quả mà chúng ta tìm thấy cũng sẽ hệt như thế, chỉ có điều với sóng nước chúng ta dễ hình dung hơn mà thôi. Khi sóng nước đập vào một vách chắn, các sóng tròn đi ra từ mỗi khe trên vách rất giống như các sóng tạo thành khi ta ném một viên sỏi xuống hồ như được minh họa trên Hình 4.7.

(Thí nghiệm này bạn có thể tự làm không khó khăn gì bằng cách dùng một tấm bìa cáctông rạch sẵn hai khe rồi nhúng trong một chậu nước). Do các sóng ló ra từ hai khe chồng chập lên nhau, bạn sẽ thấy xuất hiện một điều khá lý thú. Tại những chỗ có hai đỉnh sóng chồng lên nhau, thì độ cao của sóng nước tại đó tăng lên. Nó chính là tổng độ cao của hai đỉnh sóng nước thành phần. Tương tự, tại những chỗ có hai hõm sóng chồng lên nhau, thì độ sâu của hõm sóng cũng tăng. Và cuối cùng nếu đỉnh sóng ló ra từ một khe chồng lên một hõm sóng ló ra từ khe khác, thì chúng sẽ triệt tiêu nhau. (Thực tế, ý tưởng này chính là cơ sở để chế tạo các tai nghe tinh xảo có khử nhiễu: chúng đo hình dạng của sóng âm tới rồi tạo ra một dạng khác của nó nhưng “ngược” hoàn toàn, để cho chúng triệt tiêu lẫn nhau).







Hình 4.7 Các sóng nước tròn ló ra từ hai khe chồng lên nhau tạo ra sóng tổng hợp được tăng cường ở một số nơi và yêu đi ở một số nơi khác.

Ở giữa chừng xảy ra sự chồng lên nhau đặc biệt nói ở trên, cụ thể là đỉnh chồng lên đỉnh, hõm chồng lên hõm và đỉnh chồng lên hõm, là những chỗ xảy ra sự tăng độ cao hoặc triệt tiêu nhau một phần. Nếu bạn cùng với một nhóm bạn bè đặt một số chiếc thuyền giấy nằm thẳng hàng song song với vách chắn rồi mỗi người quan sát và nói một cách chính xác con thuyền của mình dập dềnh hay yếu thế nào khi sóng tổng hợp đi qua thì bạn sẽ nhận được kết quả giống như minh họa ở phần bên phải của Hình 4.7. Những nơi mà thuyền dập dềnh mạnh là ở đó đỉnh (hoặc hõm) của sóng từ hai khe chồng lên nhau; những nơi mà thuyền dập dềnh nhỏ nhất hoặc gần như đứng yên là ở đó đỉnh của sóng từ khe này chồng lên hõm sóng tới từ khe kia và chúng sẽ khử lẫn nhau.


Vì tấm kính ảnh ghi lại nó bị ánh sáng tới làm cho “dập dềnh” mạnh tới mức nào, nên nếu áp dụng y xì những lập luận ở trên cho các sóng ánh sáng, thì ta sẽ thấy rằng, khi cả hai khe đều mở, bức ảnh mà ta chụp được sẽ nhìn





Hình 4.8 Nếu ánh sáng là sóng, thì khi cả hai khe đều mở, sẽ có sự giao thoa giữa các sóng tới từ hai khe. giống như trên Hình 4.8. Những vùng sáng nhất trên Hình 4.8 là những nơi các đỉnh (hoặc hõm) sóng tới từ hai khe chồng lên nhau. Còn những vùng tối là những nơi mà đỉnh sóng tới từ khe này chồng lên hõm sóng tới từ khe kia và triệt tiêu lẫn nhau. Dãy những vạch sáng và tối xen kẽ nhau được gọi là bức tranh các vân giao thoa. Hiển nhiên, bức ảnh này khác hẳn với bức ảnh trên Hình 4.6 và như vậy là ta có một thí nghiệm phân biệt được quan niệm hạt và quan niệm sóng về ánh sáng. Young đã thực hiện thí nghiệm trên và những kết quả của ông hoàn toàn phù hợp với Hình 4.8, do đó nó khẳng định tính đúng đắn của quan niệm sóng. Như vậy, quan niệm hạt về ánh sáng của Newton đã thất bại (mặc dù cũng phải mất một thời gian khá dài nữa các nhà vật lý mới chấp nhận điều đó). Và sau đó, Maxwell đã xây dựng một cơ sở toán học vững chắc cho quan điểm sóng vừa chiến thắng.


Nhưng Einstein, người đã từng lật đổ lý thuyết đầy uy tín về hấp dẫn của Newton, dường như giờ đây lại phục hồi mô hình hạt về ánh sáng của Newton bằng cách đưa vào các hạt photon. Tất nhiên, chúng ta vẫn phải đối mặt với chính câu hỏi trước đây: quan niệm hạt về ánh sáng làm thế nào có thể giải thích được bức tranh giao thoa trên Hình 4.8? Thoạt nhìn, bạn có thể đưa ra gợi ý sau: thì nước chả gồm các phân tử H2O và các hạt này chả là “hạt” của nước là gì. Thế mà khi nhiều phân tử này chuyển động cùng với nhau, chúng vẫn có thể tạo nên sóng nước với những tính chất giao thoa như được minh họa trên Hình 4.7 đấy thôi. Và như vậy, vẫn sẽ là hợp lý nếu ta tiên đoán rằng những tính chất sóng, như bức tranh giao thoa chẳng hạn, vẫn có thể xuất hiện từ quan niệm hạt về ánh sáng, miễn là có sự tham gia của một số rất lớn các hạt photon, tức các hạt ánh sáng.

Tuy nhiên, trong thực tế, thế giới vi mô còn tinh quái hơn thế nhiều. Ngay cả khi cường độ của nguồn sáng trên Hình 4.8 giảm dần dần tới mức các photon riêng rẽ lần lượt từng hạt một được phóng tới màn chắn, chẳng hạn với tốc độ 1 hạt trong 10 giây, thì bức ảnh thu được vẫn còn giống như trên Hình 4.8. Nếu chúng ta đợi đủ lâu để cho một số lớn các bó ánh sáng rời biệt này (tức các photon - ND) có đủ thời gian đi qua hai khe và mỗi photon được ghi lại bằng một chấm duy nhất ở nơi chúng đập vào kính ảnh, thì những chấm này sẽ tích tụ và tạo nên hình ảnh của bức tranh giao thoa như trên Hình 4.8. Điều này thật đáng ngạc nhiên. Làm thế nào mà những hạt photon riêng rẽ lần lượt đi qua màn chắn và đập riêng rẽ lên kính ảnh lại có thể đồng mưu với nhau để tạo nên các vân sáng và tối của sóng giao thoa? Những suy luận thông thường nói với chúng ta rằng mỗi photon hoặc là đi qua khe bên trái hoặc là đi qua khe bên phải, do đó chúng ta chờ đợi sẽ nhận được bức tranh như trên Hình 4.6. Nhưng thực tế lại không phải như vậy.

Nếu như bạn không hề cảm thấy ngạc nhiên trước sự kiện này của tự nhiên, thì điều đó có nghĩa là, hoặc bạn đã từng biết nó từ trước và cảm thấy nhàm chán hoặc là sự trình bày của chúng tôi chưa đủ gây ấn tượng cho bạn. Nếu đó là trường hợp thứ hai, thì chúng tôi xin mô tả lại một lần nữa, nhưng theo một cách hơi khác. Bây giờ bạn hãy bịt khe bên trái lại, và bắn các photon từng hạt một tới màn chắn. Một số hạt sẽ đi qua được và một số hạt thì không. Những hạt đi qua khe sẽ tạo trên kính ảnh từng chấm một và cuối cùng ta sẽ nhận được hình như trên Hình 4.4. Sau đó, bạn thay tấm kính ảnh mới và làm lại thí nghiệm trên, nhưng lần này cả hai khe đều mở. Gần như là tự nhiên bạn sẽ nghĩ rằng, điều này chỉ làm tăng số photon đi qua các khe trên màn chắn và đập vào kính ảnh, do đó phim được phơi sáng nhiều hơn so với lần thí nghiệm đầu tiên. Nhưng khi xem xét bức ảnh nhận được sau đó, bạn mới thấy rằng không những chỉ có những chỗ mà trong lần thí nghiệm thứ nhất là tối thì bây giờ là sáng đúng như ta chờ đợi, mà còn có những chỗ trên kính ảnh là sáng trong lần thí nghiệm thứ nhất thì bây giờ lẽ ra phải là sáng hơn, nhưng thực tế lại là tối, như ta thấy trên Hình 4.8. Bằng cách tăng số photon riêng rẽ đập vào kính ảnh, bạn lại làm giảm độ sáng trong một số vùng nào đó. Hóa ra, bằng cách nào đó, các hạt photon tách biệt nhau về thời gian lại có thể triệt tiêu lẫn nhau. Bạn hãy thử nghĩ xem, lẽ nào điều này lại không điên rồ hay sao: các photon đi qua hai khe bên phải rồi đập vào kính ảnh và tạo một chấm sáng ở đúng chỗ một vân tối trên Hình 4.8 lại không làm được như vậy khi mở cả khe bên trái (chính vì thế mới có vân tối này khi mở cả hai khe). Nhưng làm thế nào mà một photon đi qua khe bên phải lại chịu ảnh hưởng của việc khe bên trái có mở hay không. Như Feynman đã từng nhận xét, điều này cũng lạ lùng như khi bạn bắn súng máy lên màn chắn và khi cả hai khe đều mở, những viên đạn được bắn độc lập và tách rời nhau bằng cách nào đó lại có thể triệt tiêu nhau và để lại trên bia những vị trí còn nguyên vẹn, mặc dù khi mở chỉ một khe những vị trí đó đều bị đạn bắn vào.

Những thí nghiệm như vậy cho thấy các hạt của Einstein hoàn toàn khác các hạt của Newton. Không hiểu bằng cách nào mà các photon - mặc dù là các hạt - lại thể hiện cả những đặc điểm tựa như sóng của ánh sáng. Việc năng lượng của các hạt này được xác định bởi tần số - một đặc trưng của sóng - chính là manh mối đầu tiên cho sự kết hợp lạ lùng đó. Hiệu ứng quang điện chứng tỏ rằng ánh sáng có tính chất hạt. Thí nghiệm hai khe lại chứng minh rằng ánh sáng thể hiện những tính chất giao thoa của các sóng. Gộp cả hai lại, chúng chứng tỏ rằng ánh sáng có cả tính chất sóng lẫn tính chất hạt. Thế giới vi mô yêu cầu phải vứt bỏ trực giác của chúng ta cho rằng một vật nào đó chỉ có thể sóng hoặc chỉ có thể là hạt và chấp nhận khả năng nó đồng thời là cả hai. Chính ở đây, tuyên bố của Feynman nói rằng “không ai có thể hiểu được cơ học lượng tử” mới thể hiện hết ý nghĩa của nó. Chúng ta có thể phát biểu những cụm từ như “lưỡng tính sóng hạt”. Chúng ta có thể phiên các từ này thành một hình thức luận toán học có khả năng mô tả được những thí nghiệm trong thế giới thực với một độ chính xác đáng kinh ngạc. Nhưng hiểu được ở mức trực giác và sâu xa đặc tính bí ẩn này của thế giới vi mô là một việc cực kỳ khó khăn.