© hiepkhachquay | 77

Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ánh
trong các thành tựu Nobel
Gösta Ekspong

Nghiên cứu dẫn tới sự hiểu biết bản chất của ánh sáng và các quá trình phát xạ và hấp thụ
có tầm quan trọng rất lớn. Từ đầu những năm 1900, nó đã đưa đến sự phát triển của vật lí lượng
tử, đạt tới đỉnh cao vào thập niên 1920 và đơm hoa kết trái vào những năm tháng giữa thế kỉ với
việc hoàn thành lí thuyết Điện Động lực học Lượng tử (QED) rất thành công.
Cách thức những thành tựu này được xem xét bởi Ủy ban Nobel cho giải thưởng Vật lí
vừa lí thú và trong một số trường hợp thật bất ngờ.
Lưỡng tính sóng-hạt
Một hạt theo quan điểm cổ điển là sự tập trung của năng lượng và những tính chất khác
trong không gian và thời gian. Câu hỏi không biết ánh sáng là dòng hạt (tiểu thể) hay là sóng là
một câu hỏi rất xưa cũ. Công thức “hoặc cái này… hoặc cái kia…” theo kinh điển là tự nhiên và
xa lạ với lời giải tiến bộ “cả…lẫn…”, thậm chí “không cái này… chẳng cái kia…” của ngày nay.
Đầu thế kỉ 19, các thí nghiệm đã đề xuất và được thực hiện cho thấy ánh sáng là chuyển động
sóng. Nhân vật chủ chốt trong nỗ lực này là Thomas Young, một trong những nhà khoa học
thông minh và khéo léo nhất từ trước đến nay, người đã nghiên cứu sự nhiễu xạ và giao thoa của
ánh sáng ngay vào năm 1803 với kết quả cho sự ủng hộ mạnh mẽ cho lí thuyết sóng của
Christian Huygens phản đối thuyết hạt hay thuyết tiểu thể của Isaac Newton. Những đóng góp
khác đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu khác, trong số họ là Augustin Jean Fresnel,
người chỉ ra rằng ánh sáng là sóng ngang.
Lí thuyết ánh sáng của Newton có vẻ thích hợp để giải thích sự đổ thẳng hàng của bóng
đổ sắc nét của các vật đặt trong chùm tia sáng. Nhưng thuyết sóng cần thiết để giải thích sự giao
thoa, trong đó cường độ sáng có thể tăng cường nhau ở một số nơi và triệt tiêu nhau ở những nơi
khác phía sau màn chắn có một khe hoặc vài khe. Thuyết sóng cũng có thể giải thích thực tế rìa
của bóng đổ không khá sắc nét.
Lí thuyết toán học của điện từ học do James Clerk Maxwell thiết lập vào năm 1864 đưa
đến quan điểm cho rằng ánh sáng có bản chất điện từ, truyền đi dưới dạng sóng từ nguồn đến nơi

© hiepkhachquay | 79

Khoảng cách tương tác trong tinh thể phù hợp khá tốt với bước sóng của tia X. von Laue
đã đi đến lí thuyết cho sự nhiễu xạ trong cách tử ba chiều và đưa ra những tiên đoán, chúng đã
được xác nhận bằng các thí nghiệm của W. Friedrich và P. Knipping.
Bản chất của bức xạ mới, do Röntgen phát hiện vào năm 1895, không được biết rõ ràng
vào năm 1901 khi ông được trao giải Nobel. Ban đầu, tính chất duy nhất được tìm thấy phù hợp
với ánh sáng là sự truyền đi theo đường thẳng. Đến năm 1910, xảy ra một cuộc tranh luận ồn ào
giữa Barkla và Bragg; một người bảo vệ ý kiến cho rằng tia X là sóng giống như ánh sáng, còn
người kia thì cho rằng chúng bao gồm dòng các hạt nhỏ.
Bài thuyết trình Nobel của Arthur H. Compton đã lấy tựa đề là “Tia X là một ngành
Quang học”. Nó mở đầu “Một trong những mặt quyến rũ nhất của nghiên cứu vật lí trong thời
gian gần đây là sự mở rộng dần của các định luật quen thuộc của quang học sang các tần số rất
cao của tia X, cho tới nay khó khăn lắm mới có một hiện tượng trong địa hạt ánh sáng không tìm
thấy trong địa hạt tia X. Sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ khuếch tán, phân cực, nhiễu xạ, phổ phát xạ
và phổ hấp thụ, hiệu ứng quang điện, tất cả các đặc trưng cơ bản này của ánh sáng cũng đã được
tìm thấy là đặc điểm của tia X. Đồng thời, người ta cũng nhận thấy một số trong những hiện
tượng này chịu một sự thay đổi từ từ khi chúng ta tiến tới các tần số cực độ của tia X, và là kết
quả của những thay đổi này trong các định luật quang học, chúng ta đã có được những thông tin
mới để xem xét ánh sáng”.
Bằng chứng cho bản chất hạt của ánh sáng
Trong các sách giáo khoa vật lí, có hai hiện tượng thường được trích dẫn để chứng minh
cho bản chất hạt của ánh sáng: 1) hiệu ứng quang điện và 2) sự tán xạ Compton của tia X.
Trong một số sách vở, một trường hợp thứ ba thường được trích dẫn sai, gọi là phát hiện
của Planck về lượng tử năng lượng, công trình do ông thực hiện trong phép phân tích của ông về
bức xạ nhiệt. Ủy ban Nobel đã tôn vinh khám phá ấn tượng này bằng giải Nobel vật lí năm 1918,
nhưng đã không phạm sai lầm ghi nhận Planck vì phát hiện ra bản chất hạt của ánh sáng.
Giải Nobel Vật lí cho Max Planck
Khám phá của Planck ra cái gọi là hằng số Planck, h, được nhấn mạnh như động cơ trao
giải cho ông năm 1918. Hằng số mới này của tự nhiên (với thứ nguyên năng lượng nhân thời

sáng trong hộp đều cần đến. Trong một thảo luận chuyên đề tại Viện hàn lâm Phổ ở Berlin năm
1909, Einstein đã sử dụng phép tính mới này để cố gắng thuyết phục Planck và những người có
mặt khác sự cần thiết phải xem xét ánh sáng đồng thời bao gồm một số hạt rời rạc.
Như đã biết, Einstein không nhận giải Nobel cho lí thuyết tương đối của ông vì một số
thành viên có ảnh hưởng lớn trong Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển có sự hoài nghi
mạnh mẽ vào những lí thuyết đó. Người đoạt giải Nobel năm 1911 trong lĩnh vực Sinh lí học hay
Y khoa, Allvar Gullstrand, là một trong những người theo quan điểm cho rằng tính đúng đắn của
thuyết tương đối đặc biệt của Einstein là dựa trên niềm tin – chứ không được chứng minh bằng
thực tiễn, và thuyết tương đối rộng theo quan điểm của ông không thể nào là một phân tích quan
trọng trụ vững được.
Bây giờ, có phải giải thưởng trao cho Einstein không mang hàm ý rằng Viện hàn lâm
công nhận bản chất hạt của ánh sáng ? Ủy ban Nobel nói rằng Einstein đã tìm thấy sự trao đổi
năng lượng giữa vật chất và ether xảy ra bởi các nguyên tử phát xạ hay hấp thụ một lượng tử
năng lượng, h
ν
.
Là hệ quả của khái niệm mới về lượng tử ánh sáng (trong thuật ngữ hiện đại là photon),
Einstein đã đề xuất định luật rằng một electron phát ra từ một chất bởi ánh sáng đơn sắc có tần số
ν phải có năng lượng cực đại E = h
ν
- P, trong đó P là năng lượng cần thiết để bứt electron ra
khỏi chất. Robert Andrews Millikan đã tiến hành một loạt phép đo trong khoảng thời gian 10
năm, cuối cùng xác nhận giá trị của định luật này vào năm 1916 với độ chính xác cao. Tuy nhiên,
Millikan nhận thấy ý tưởng lượng tử năng lượng là không quen thuộc và kì lạ.
© hiepkhachquay | 81

Ủy ban Nobel đã tránh xem xét cho khái niệm hạt. Lượng tử ánh sáng hay với thuật ngữ
hiện đại, photon, được nhắc tới rõ ràng trong các bản báo cáo cơ sở cho quyết định trao giải chỉ
đề cập tới các quá trình phát xạ và hấp thụ. Ủy ban nói rằng ứng dụng quan trọng nhất của định
luật quang điện của Einstein và đồng thời xác nhận có sức thuyết phục nhất của nó là mẫu Bohr

là nghiên cứu của Compton ở St Louis. Sau nó, lí thuyết sóng ánh sáng đã trở nên vô dụng”.
Compton đã theo đuổi một số phần của tia X bị tán xạ khỏi hướng chùm tia có bước sóng
dài hơn bước sóng bức xạ tới. Ông đã đo sự lệch bước sóng rất chính xác. Độ lệch đó không thể
nào hiểu được theo thuyết sóng cổ điển. Lời giải thích riêng của Compton cho quá trình tán xạ là
dưới dạng va chạm giữa hai hạt – một hạt là electron tự do, còn hạt kia là photon.
Dựa trên thuyết lượng tử và động học tương đối tính, Compton đã tính được độ lệch bước
sóng như mong đợi theo lí thuyết này bằng định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn
động lượng. Compton sử dụng một quang phổ kế tia X cho những phép đo chính xác bước sóng
82

Những bài báo vật lí hay – Tập 1 | © hiepkhachquay

của bức xạ tán xạ, chúng gồm hai thành phần - một bị lệch và một không bị lệch. Thành phần bị
lệch là do sự tán xạ đối với các electron tự do hay gần như tự do, sao cho chúng có thể nảy trở lại,
từ đó đưa đến động lượng và lượng năng lượng có thể xác định, còn thành phần không bị lệch là
do sự tán xạ đối với các electron liên kết, trong trường hợp mà toàn bộ nguyên tử hay thậm chí
toàn tinh thể nhận thêm xung lượng nhưng chỉ có lượng năng lượng không đáng kể.

Arthur Holly Compton
Việc hiểu được làm thế nào Compton sử dụng một quang phổ kế như thế là dựa trên
thuyết sóng của tia X. Bằng cách này, ông tìm thấy tia X tán xạ như các hạt. Thực tế này minh
họa rõ ràng cho bản chất lưỡng tính của ánh sáng.
Compton nhận giải Nobel vật lí năm 1927, nhận chung với C.T.R. Wilson cho phương
pháp buồng mây của ông, với nó Wilson đã nhìn thấy các electron nảy trở lại từ chùm tia X, nhờ
đó mang lại sự ủng hộ mạnh mẽ cho căn cứ của quá trình Compton.
Cuối cùng thì Viện hàn lâm có trao giải cho khám phá ra bản chất hạt của ánh sáng
không ? Câu trả lời là không.
Trong báo cáo thẩm định, người ta thấy một câu nói rằng lí thuyết của Compton lí thuyết
của Compton ngày nay phải xem là đã lỗi thời theo quan điểm của những lí thuyết mới nhất. Như
vậy, bức tranh hạt không được chấp nhận.

luận, chứng minh ông phê bình người tiền nhiệm của ông là lỗi thời. Hơn nữa, cách xem xét cơ
học sóng này còn mang lại công thức cho cường độ theo góc tán xạ (tức là vi phân tiết diện) phù
hợp với các phép đo tốt hơn nhiều so với tiên đoán của thuyết sóng cổ điển.
Oseen tóm gọn bằng cách nói rằng sự tiến bộ trong 18 tháng vừa qua là độc lập với khám
phá của Compton và xu hướng tiến bộ mới đã chuyển sang cái ngược lại với điều người ta mong
đợi sau phát hiện của Compton. Lí thuyết mới là lí thuyết sóng ở mức độ cao hơn bất kì lí thuyết
nào trước đó. Sử dụng lí thuyết mới đó, người ta có thể đi tới một giải thích định tính và định
lượng cho hiệu ứng Compton.
Ủy ban nhấn mạnh rằng hiệu ứng Compton tuy thế thật quan trọng, vì nó một lần nữa
chứng minh rất rõ ràng và thuyết phục rằng các lí thuyết cổ điển là không thể áp dụng được trong
lĩnh vực vật lí nguyên tử và nó mang lại một khả năng quý giá và được hân hoan chào đón để
kiểm tra những ý tưởng mới.
Giải thưởng cho khám phá ra bản chất lưỡng tính của vật chất
Bản chất lưỡng tính của ánh sáng đã được mở rộng sang một sự lưỡng tính tương tự ở vật
chất. Electron và nguyên tử ban đầu được xem là tiểu thể. Năm 1929, Louis Victor de Broglie
được trao giải Nobel vật lí cho “khám phá của ông ra bản chất sóng của electron”. Bằng chứng
thực nghiệm mang lại bởi Clinton Joseph Davisson, New York, và ngài George Paget Thomson
ở London. Họ cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1937. Kể từ khi Erwin Schrödinger vào năm 1925
đã khám phá ra phương trình sóng phi tương đối tính, thì cơ học sóng electron trở thành một
công cụ đáng giá cho khoa học tự nhiên. Schrödinger được trao giải Nobel vật lí năm 1933.
Ủy ban Nobel ban đầu thận trọng tránh nói thẳng về bản chất hạt của ánh sáng, nhưng
không ngần ngại nói thẳng vật chất đôi khi hành xử giống như sóng. Ý tưởng của Bohr về sự bổ
sung đã nêu ra hai năm trước đó, nên trong bài phát biểu tại lễ trao giải Nobel năm 1929, người
84

Những bài báo vật lí hay – Tập 1 | © hiepkhachquay

ta tìm thấy sự phản ánh của điều đó trong những câu sau: “Như vậy, dường như ánh sáng đồng
thời là chuyển động sóng và là dòng hạt nhỏ. Một số trong những tính chất của nó giải thích
được bằng giả thuyết cũ, một số tính chất khác thì bằng giả thuyết thứ hai. Cả hai đều phải đúng”.

và những tính chất khác xảy ra tại những điểm không-thời gian như thế, nơi các đường hạt gặp
nhau. Giản đồ Feynman ngày nay là phương pháp chuẩn dùng để tính các tiên đoán lí thuyết.

Sin-Itiro Tomonaga Julian Schwinger Richard Feynman
Tuy nhiên, lí thuyết QED quá tiến bộ đối với nhiều ứng dụng thực tiễn và thường chỉ đưa
vào dạy trong các khóa học cao cấp. Mỗi sinh viên vật lí mới vì thế phải vật lộn với bài toán
lưỡng tính, cho phép tồn tại đồng thời cả khái niệm hạt và sóng và giữ quan điểm rằng hai tính
chất đó loại trừ lẫn nhau (như Niels Bohr thiết lập trong Nguyên lí Bổ sung của ông năm 1927).
Một cuốn sách nhỏ, cơ bản dựa trên những bài giảng phổ biến của Feynman, có thể bạn
nên đọc: “QED. Lí thuyết kì lạ của ánh sáng và vật chất” của Richard Feynman (Nhà xuất bản
Đại học Princeton, 1985), trong đó Feynman cung cấp bản chất phiên bản QED của ông trong
ngôn ngữ đơn giản và theo kiểu tao nhã, thậm chí còn mô tả các định luật của quang hình học có
thể thu nhận như thế nào từ lí thuyết QED.
Lưỡng tính sóng-hạt trong một thí nghiệm và một thí nghiệm tương tự
Các thí nghiệm với chùm ánh sáng hay electron được thực hiện sao cho cả hai mặt – sóng
và hạt – đều nhìn thấy được. Để cho sự giao thoa xảy ra thì trong số những thứ khác, điều cần
thiết là chùm tia phải có nhiều hơn một đường đi từ nguồn tới máy dò (ví dụ màn hứng). Sự giao
thoa được giải thích bằng bức tranh sóng. Khi cường độ chùm tia đủ thấp và máy dò thích hợp
thì tác động của từng hạt một có thể nhìn thấy được. Lượng tử năng lượng khi đó bị khu biệt như
thể các hạt trong không gian và thời gian.

Bố trí của thí nghiệm hai khe đối với electron. Hai đường đi được tạo sẵn cho chùm electron.
86

Những bài báo vật lí hay – Tập 1 | © hiepkhachquay Tín hiệu ra ở máy dò hiển thị trên một màn hình ở đây biểu diễn tập hợp các khung hình; khung hình thứ nhất là lúc
mới bắt đầu, khung hình cuối cùng là sau khoảng thời gian thu thập lâu. Vân giao thoa được hình thành từ từ bởi sự
tác động của từng hạt.