Hành trình Nobel của ánh sáng

Tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Credit: Oliver Pike, Imperial College London
Tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Credit: Oliver Pike, Imperial College London

Ánh sáng, điều kì diệu nhất của tạo hoá. Chúng cung cấp năng lượng sống cho toàn bộ thực vật trên trái đất. Chúng ta hãy nhớ rằng, thực vật có thể sống mà không cần chúng ta, còn chúng ta muốn tồn tại phải cần có thực vật. Các chất diệp lục trong thực vật chuyển hoá năng lượng ánh sáng thành chuỗi phản ứng hoá học, với năng lượng gấp hàng trăm lần năng lượng chúng ta tiêu thụ từ than đá và dầu mỏ từ hàng ngàn năm nay. Hãy tưởng tượng nếu chúng ta ăn cắp được công nghệ xanh này của tự nhiên, chúng ta sẽ không bao giờ phải lo lắng về năng lượng và sự ô nhiễm môi trường, tuy nhiên đó vẫn là thánh thức trong tương lai. Để cảm nhận được năng lượng của ánh sáng, hãy mở cửa sổ và cảm giác ánh nắng trên da bạn, bạn sẽ thấy người bạn bắt đầu nóng ran lên, đó chính là năng lượng của ánh sáng chuyển hoá thành nhiệt năng. Ánh sáng cũng là trung tâm tranh cãi trong khoa học, bản chất ánh sáng là gì? là hạt hay là sóng?. Tranh cãi đã làm các nhà khoa học lỗi lạc dày công nghiên cứu, bắt đầu từ Newton và đến tận ngày nay vẫn chưa có hồi kết. Và trên chặng đường lịch sử đó, chúng ta sẽ điểm lại đã có bao nhiêu giải Nobel được trao. Ở đây chưa liệt kê được tất cả, nhưng nó bao gồm những mốc chính của lịch sử ánh sáng cho tới ngày nay.

Bắt đầu từ nhà khoa học vĩ đại mà dường như ai trong chúng ta cũng biết tới, đó là Einstein với hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện lần đầu tiên được Hertz quan sát vào năm 1887. Hertz quan sát thấy khi ánh sáng chiếu vào một bề mặt kim loại thì các electron sẽ bị đánh bật ra khỏi bề mặt kim loại đó. Một hiện tượng đơn giản nhưng vật lý cổ điển khi đó đã không thể giải thích được. 10 năm sau, Lenard đã thiết kế một thí nghiệm tốt hơn của Hertz. Với một mạch điện đơn giản, Lenard đã có một phát hiện đáng kinh ngạc: cường độ của ánh sáng chiều tới không ảnh hưởng đến năng lượng của các điện tử bị bật ra, một lần nữa cơ học cổ điện lại thất bại – nó không thể giải thích được quan sát của Lenard. Năm 1905, Lenard được trao giải Nobel vật lý. Và mãi cho tới năm 1905, khi Einstein táo bạo áp dụng thuyết lượng tử của Planck và giải thích thành công hiệu ứng quang điện. Năm 1921, Einstein được trao giải Nobel cho nghiên cứu của mình và mở ra một chương mới trong khoa học hiện đại, đó là bản chất sóng hạt của ánh sáng.

Hiệu ứng quang điện (Nguồn: http://www.nobelprize.org/).

Tiếp theo hành trình của ánh sáng đó là thí nghiệm của Rontgen. Trong thí nghiệm của ông, các điện tử được tăng tốc từ một dây tóc nóng bởi một điện thế cao và hướng tới bề mặt kim loại. Khi các điện tử va chạm với các nguyên tử và hạt nhân trên kim loại, ánh sáng được phát ra, được gọi là tia-X. Các tia-X được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1895 bởi Rontgen. Bản chất của tia X là gì? đã gây tranh cãi khi đó. Sau này Barkla từ những quan sát của mình đã chứng minh được tia-X chính là các sóng điện từ và ông được nhận giải Nobel vào năm 1917. Chưa dừng lại đó, Max von Laue tiếp tục phát hiện ra tính chất nhiễu xạ của tia-X và được nhận giải Nobel vào năm 1914. Có thể bạn đang nghĩ là có nhiều giải Nobel cho điều này, tuy nhiên vẫn còn một giải Nobel nữa được trao năm 1915 cho W. H. Bragg và con trai của ông W. Lawrence, khi họ phát triển phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể dựa trên tia-X dẫn đến sự ra đời máy TEM. Ngày nay tia-X được sử dụng trong rất nhiều liên quan đến ngành công nghệ và y học, chắc hẳn bạn biết đến máy X-quang?.

Thí nghiệm của Röntgen.
Tia-X là gì?
Giả thích của Barkla.
Nhiễu xạ của Laue.
Phương pháp xác định cấu trúc tinh thể của Bragg.
Lợi ích của tia-X (Nguồn: http://www.nobelprize.org/).

Hành trình của ánh sáng vẫn tiếp tục. Năm 1927 giải Nobel vật lý đã được trao cho Compton với khám phá mang tên ông, tán xạ Compton. Từ quan sát sự tán xạ của tia-X đối với vật liệu các bon, Compton đã nhận thấy rằng bước sóng thay đổi phụ thuộc vào góc tán xạ. Để giải thích điều này, Compton đã giả sử ánh sáng có bản chất hạt (photon) và áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và động lượng. Tại thời điểm năm 1920, khi hiệu ứng quang điện vẫn còn đang tranh luận, thí nghiệm của Compton đã chứng minh được bản chất hạt của ánh sáng độc lập với Einstein. Thêm vào bộ sưu tầm Nobel liên quan đến bản chất sóng hạt còn có G. P. Thomson, con trai của J. J. Thomson (người đầu tiên phát hiện ra điện tử), với thí nghiệm về sự nhiễu xạ của điện tử thông qua một màng kim loại siêu mỏng, từ đó đã chứng minh được bản chất sóng của điện tử (trước đó điện tử được coi là hạt). Đó là những thí nghiệm có tính cách mạng.

Sơ đồ thí nghiệm của Compton. Bước sóng thay đổi khi góc tán xạ thay đổi (Nguồn: HyperPhysics).

Ánh sáng dường như đã có thể hiểu dựa trên bản chất sóng hạt của chúng. Tuy nhiên một viễn cảnh to lớn hơn ẩn sau nó. Điều đó đã dẫn tới không chỉ một một, mà một loạt giải Nobel đã được trao cho viễn cảnh này. Đó chính là sự tồn tại vật chất và phản vật chất. Có thể kể đến một số cái tên như C. D. Anderson (Nobel 1936), H. Bethe (Nobel 1967), Blackett (Nobel 1948), và có lẽ nổi tiếng nhất là Dirac (Nobel 1933), người đầu tiên phát hiện ra sự tồn tại của phản vật chất. Tôi còn nhớ trong một bài giảng của GS. Shankar, ông nói rằng: Dirac đã thấy nghiệm ảo trong phương trình của mình, bình thường mọi người sẽ bỏ qua, nhưng Dirac đã không làm vậy và ông đã phát hiện ra phản vật chất. Nó kiểu như một phương trình tính khoảng cách của bạn với bức tường, toán học cho ra hai nghiệm là dương 5m và âm 5m. Với nghiệm đầu tiên nghĩa là bạn cách tường 5m, điều này rất dễ mường tượng và đây là nghiệm bạn mong muốn. Tuy nhiên với nghiệm thứ hai nghĩa là bạn đâm sâu vào trong tường 5m, không thể nào, bạn nghĩ vậy và bạn bỏ qua nghiệm đó. Tuy nhiên nếu nó chặt chẽ về mặt toán học, tôi khuyên bạn hãy suy nghĩ thêm về chúng. Vậy phát hiện của Dirac là gì?, nghĩa là một photon (ánh sáng) có thể hình thành một hạt và phản hạt. Nếu cặp hạt này gặp nhau chúng lại biến thành ánh sáng. Chúng ta thường nghĩ rằng chân không là không có gì, nhưng thực ra không phải, trong chân không là một thế giới với hàng tỷ cặp hạt và phản hạt tự sinh ra rồi lại gặp nhau và mất đi, bạn tưởng tượng chúng sôi sùng sục với các bọt bong bóng năng lượng, xuất hiện rồi lại biến mất như bong bóng trong siêu nước sôi vậy. Sự tồn tại của vật chất và phản vật chất là rất kỳ lạ với chúng ta, bạn có một cô gái yêu bạn, thì đâu đó trong vũ trụ sẽ tồn tại một cô gái y hệt nhưng cô ta cực ghét bạn. Bạn đừng cười vì nó ít nhất là đúng với vật lý. Thực tế là chúng ta đã phát hiện ra phản vật chất của nguyên tử Hyđrô với điện tử mang điện tích dương còn hạt nhân mang điện tích âm.

Vật chất và phản vật chất (Nguồn: Riken Research).

Đó là hành trình của ánh sáng mà tôi muốn kể với các bạn. Đó là một hành trình vô định và chúng ta sẽ là những người tiếp tục trên hành trình đó. Tôi tự hỏi còn bao nhiêu giải Nobel trên hành trình bất tận này, ánh sáng cổ xưa nhất từ vụ nổ Big Bang với 13,7 tỷ năm tuổi, và chúng còn tiếp tục cho đến ngày cuối cùng của vũ trụ.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s