Tìm Hiểu Bản Chất Thực Sự Của Ánh Sáng: Hạt Hay Sóng?

Rất nhiều người đam mê vật lý có thể đã từng thắc mắc về điều này, và giờ đây, chúng ta đã có những câu trả lời xác đáng.

Ánh sáng không chỉ hiện diện từ những vì sao xa xôi mà còn hiện hữu ngay trước mắt chúng ta. Tuy nhiên, bản chất thực sự của ánh sáng và cách nó di chuyển đã khiến cho các nhà khoa học phải suy nghĩ trong suốt một thời gian dài. Từ Isaac Newton đến Albert Einstein, các nhà khoa học nổi tiếng đã đặt câu hỏi rằng: liệu ánh sáng là sóng hay là hạt?

Riccardo Sapienza, một nhà vật lý tại Trường Đại học Hoàng gia London, đã khẳng định rằng câu hỏi này đã xuất hiện từ rất lâu, đặc biệt là trong thế giới khoa học thế kỷ XIX.

Hiện nay, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng: ánh sáng tồn tại dưới cả hai trạng thái là hạt và sóng. Nhưng làm thế nào mà các nhà khoa học đến được kết luận phức tạp này?

Hình minh họa ánh sáng với màu sắc rực rỡ. Câu hỏi “ánh sáng là hạt hay là sóng?” đã khiến các nhà khoa học đau đầu trong nhiều thế kỷ (Ảnh: DrPixel/Getty Images).

Trước tiên, chúng ta cần làm rõ định nghĩa giữa sóng và hạt. Sapienza cho biết, “một vật sẽ được mô tả là hạt nếu có thể xác định nó như một điểm trong không gian. Còn sóng thì không thể được định nghĩa như vậy mà cần phải biết tần số dao động và khoảng cách giữa các cực đại và cực tiểu của sóng.”

Năm 1801, Thomas Young đã thực hiện thí nghiệm khe đôi nổi tiếng, từ đó cung cấp bằng chứng đầu tiên cho thấy ánh sáng mang tính chất sóng. Ông đã đặt một màn hình có hai lỗ trước một nguồn sáng, và khi ánh sáng đi qua các khe này, nó tạo ra một mẫu phức tạp với các dải sáng và tối gọi là vân giao thoa.

Khi ánh sáng đi qua từng khe, nó tự tạo ra các sóng hình cầu giao nhau, kết hợp hoặc triệt tiêu lẫn nhau để tạo ra cường độ cuối cùng.

Nếu ánh sáng chỉ là một hạt, chúng ta chỉ thấy hai chùm sáng phía sau màn hình. Nhưng sự xuất hiện của các vân giao thoa cho thấy ánh sáng hoạt động như một dạng sóng.

80 năm sau, Heinrich Hertz đã phân tích và chứng minh tính chất hạt của ánh sáng. Ông phát hiện rằng ánh sáng cực tím khi chiếu vào bề mặt kim loại sẽ sinh ra điện tích, hiện tượng được gọi là hiệu ứng quang điện. Tuy nhiên, những phát hiện lúc đó chưa được hiểu rõ cho đến nhiều năm sau.

Các nguyên tử chứa electron ở các mức năng lượng cố định. Khi ánh sáng chiếu vào, nó sẽ cung cấp năng lượng để các electron thoát ra khỏi nguyên tử. Cường độ ánh sáng càng cao thì tốc độ giải phóng electron càng nhanh. Nhưng một số kết quả trong các thí nghiệm của Hertz lại dường như mâu thuẫn với cách hiểu cổ điển về vật lý.

Cuối cùng, Albert Einstein đã đưa ra giải thích cho hiện tượng này, và ông đã đạt giải Nobel vào năm 1921. Thay vì hấp thụ ánh sáng từ một sóng một cách liên tục, các nguyên tử nhận năng lượng từ những gói ánh sáng được gọi là photon, giải thích cho những hiện tượng kỳ lạ, như sự tồn tại của tần số ngưỡng.

Ánh sáng hoạt động theo dạng hạt và sóng đồng thời cùng lúc. (Ảnh: Livescience)

Vậy điều gì quyết định cách mà ánh sáng hành xử như sóng hay hạt? Theo Sapienza, câu hỏi này là không cần thiết. Ông khẳng định rằng ánh sáng không phải là hạt ở thời điểm này và sóng ở thời điểm khác, mà “nó luôn luôn là cả hạt và sóng. Chúng ta chỉ nhấn mạnh một trong hai thuộc tính tùy thuộc vào thí nghiệm chúng ta thực hiện”.

Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường cảm nhận ánh sáng như một dạng sóng, và đây cũng là dạng mà nhiều nhà vật lý thấy hữu ích khi áp dụng trong nghiên cứu.

Các nhà khoa học cho rằng, bằng cách thiết kế một vật liệu có các đặc tính tương tự như ánh sáng, chúng ta có thể tăng cường khả năng tương tác của ánh sáng với vật liệu đó và kiểm soát các sóng. Chẳng hạn, chúng ta có thể phát triển các chất hấp thụ năng lượng mặt trời với hiệu suất cao hơn trong quá trình sản xuất năng lượng, hoặc tạo ra các thiết bị cộng hưởng từ (MRI) hiệu quả hơn.