Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ảnh trong cac thành tựu nobel

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

68
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ảnh trong cac thành tựu nobel', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ảnh trong cac thành tựu nobel

B n ch t lư ng tính c a ánh sáng ph n ánh trong các thành t u Nobel Gösta Ekspong Nghiên c u d n t i s hi u bi t b n ch t c a ánh sáng và các quá trình phát x và h p th có t m quan tr ng r t l n. T u nh ng năm 1900, nó ã ưa n s phát tri n c a v t lí lư ng t , t t i nh cao vào th p niên 1920 và ơm hoa k t trái vào nh ng năm tháng gi a th k v i vi c hoàn thành lí thuy t i n ng l c h c Lư ng t (QED) r t thành công. Cách th c nh ng thành t u này ư c xem xét b i y ban Nobel cho gi i thư ng V t lí v a lí thú và trong m t s trư ng h p th t b t ng . Lư ng tính sóng-h t M t h t theo quan i m c i n là s t p trung c a năng lư ng và nh ng tính ch t khác trong không gian và th i gian. Câu h i không bi t ánh sáng là dòng h t (ti u th ) hay là sóng là m t câu h i r t xưa cũ. Công th c “ho c cái này… ho c cái kia…” theo kinh i n là t nhiên và xa l v i l i gi i ti n b “c …l n…”, th m chí “không cái này… ch ng cái kia…” c a ngày nay. u th k 19, các thí nghi m ã xu t và ư c th c hi n cho th y ánh sáng là chuy n ng sóng. Nhân v t ch ch t trong n l c này là Thomas Young, m t trong nh ng nhà khoa h c thông minh và khéo léo nh t t trư c n nay, ngư i ã nghiên c u s nhi u x và giao thoa c a ánh sáng ngay vào năm 1803 v i k t qu cho s ng h m nh m cho lí thuy t sóng c a Christian Huygens ph n i thuy t h t hay thuy t ti u th c a Isaac Newton. Nh ng óng góp khác ã ư c th c hi n b i nhi u nhà nghiên c u khác, trong s h là Augustin Jean Fresnel, ngư i ch ra r ng ánh sáng là sóng ngang. Lí thuy t ánh sáng c a Newton có v thích h p gi i thích s th ng hàng c a bóng s c nét c a các v t t trong chùm tia sáng. Nhưng thuy t sóng c n thi t gi i thích s giao thoa, trong ó cư ng sáng có th tăng cư ng nhau m t s nơi và tri t tiêu nhau nh ng nơi khác phía sau màn ch n có m t khe ho c vài khe. Thuy t sóng cũng có th gi i thích th c t rìa c a bóng không khá s c nét. Lí thuy t toán h c c a i n t h c do James Clerk Maxwell thi t l p vào năm 1864 ưa n quan i m cho r ng ánh sáng có b n ch t i n t , truy n i dư i d ng sóng t ngu n n nơi nh n. Heinrich Hertz ã phát hi n b ng th c nghi m s t n t i c a sóng i n t t n s vô tuy n vào nh ng năm 1880. Maxwell qua i năm 1879 và Hertz qua i lúc ch m i 37 tu i vào năm 1894, hai năm trư c khi Alfred Nobel t th . © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 77
Thí nghi m c a Thomas Young v i hai khe h p ch n gi a ngu n sáng ( ây là laser) và máy dò ( ây là màn ch n). Sóng i ra t khe này ch ng lên sóng i ra t khe kia, t o ra hình nh giao thoa quan sát th y v i các v ch sáng và v ch t i xen k trên màn hình. Vào cu i th k 19, cũng là kho ng th i gian gi i Nobel ư c t ra, b n ch t sóng c a ánh sáng dư ng như ã ư c thi t l p d t khoát. Như th , nghiên c u có tính quy t nh v b n ch t sóng c a ánh sáng ã n quá s m xem xét trao gi i Nobel. Tuy nhiên, có m t ngo i l - ó là trư ng h p tia X. Nh ng khám phá liên quan n b n ch t h t c a ánh sáng thu c v th k c a chúng ta và t ó ngư i ta mong i gi i thư ng Nobel trao cho nh ng thành t u như th . i u này h u như úng – nhưng tài li u Nobel cho th y nhi u câu chuy n ph c t p như s ư c hé m sau ây. Gi i thư ng Nobel cho tia X Vi c khám phá ra tia X b i Wilhelm Conrad Röntgen vào năm 1895 ư c ghi nh n b i gi i thư ng Nobel V t lí u tiên năm 1901. Röntgen ã ch ra trong s nhi u th khác r ng tia X gi ng như ánh sáng, truy n i theo ư ng th ng, nhưng trái v i ánh sáng nó có th âm xuyên sâu qua v t ch t. Röntgen ã th y trư c t m quan tr ng i v i y khoa c a phát hi n c a ông. Khám phá này có quá nhi u h qu quan tr ng nên nó áp ng t t quy nh trong di chúc c a Alfred Nobel là “mang l i l i ích l n nh t cho nhân lo i”. Sau năm 1912 khi Max von Laue, ngư i nh n gi i Nobel v t lí năm 1914, xu t và quan sát th y s khúc x c a tia X thì b c tranh sóng ã nh n ư c s ch p nh n r ng rãi. Wilhelm Conrad Röntgen Max von Laue 78 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Kho ng cách tương tác trong tinh th phù h p khá t t v i bư c sóng c a tia X. von Laue ã i n lí thuy t cho s nhi u x trong cách t ba chi u và ưa ra nh ng tiên oán, chúng ã ư c xác nh n b ng các thí nghi m c a W. Friedrich và P. Knipping. B n ch t c a b c x m i, do Röntgen phát hi n vào năm 1895, không ư c bi t rõ ràng vào năm 1901 khi ông ư c trao gi i Nobel. Ban u, tính ch t duy nh t ư c tìm th y phù h p v i ánh sáng là s truy n i theo ư ng th ng. n năm 1910, x y ra m t cu c tranh lu n n ào gi a Barkla và Bragg; m t ngư i b o v ý ki n cho r ng tia X là sóng gi ng như ánh sáng, còn ngư i kia thì cho r ng chúng bao g m dòng các h t nh . Bài thuy t trình Nobel c a Arthur H. Compton ã l y t a là “Tia X là m t ngành Quang h c”. Nó m u “M t trong nh ng m t quy n rũ nh t c a nghiên c u v t lí trong th i gian g n ây là s m r ng d n c a các nh lu t quen thu c c a quang h c sang các t n s r t cao c a tia X, cho t i nay khó khăn l m m i có m t hi n tư ng trong a h t ánh sáng không tìm th y trong a h t tia X. S ph n x , khúc x , tán x khu ch tán, phân c c, nhi u x , ph phát x và ph h p th , hi u ng quang i n, t t c các c trưng cơ b n này c a ánh sáng cũng ã ư c tìm th y là c i m c a tia X. ng th i, ngư i ta cũng nh n th y m t s trong nh ng hi n tư ng này ch u m t s thay i t t khi chúng ta ti n t i các t n s c c c a tia X, và là k t qu c a nh ng thay i này trong các nh lu t quang h c, chúng ta ã có ư c nh ng thông tin m i xem xét ánh sáng”. B ng ch ng cho b n ch t h t c a ánh sáng Trong các sách giáo khoa v t lí, có hai hi n tư ng thư ng ư c trích d n ch ng minh cho b n ch t h t c a ánh sáng: 1) hi u ng quang i n và 2) s tán x Compton c a tia X. Trong m t s sách v , m t trư ng h p th ba thư ng ư c trích d n sai, g i là phát hi n c a Planck v lư ng t năng lư ng, công trình do ông th c hi n trong phép phân tích c a ông v b c x nhi t. y ban Nobel ã tôn vinh khám phá n tư ng này b ng gi i Nobel v t lí năm 1918, nhưng ã không ph m sai l m ghi nh n Planck vì phát hi n ra b n ch t h t c a ánh sáng. Gi i Nobel V t lí cho Max Planck Khám phá c a Planck ra cái g i là h ng s Planck, h, ư c nh n m nh như ng cơ trao gi i cho ông năm 1918. H ng s m i này c a t nhiên (v i th nguyên năng lư ng nhân th i gian) k t n i lư ng t năng lư ng v i t n s c a ánh sáng, ν, qua công th c E = h ν. Trong bài phát bi u t i l trao gi i Nobel năm 1918, ngư i ta nói “Tích s hν th t ra là lư ng nhi t nh nh t có th phát ra t n s dao ng ν”. Chính Planck ã ph nh ý ki n cho r ng ánh sáng trong chân không truy n i dư i d ng h t, sau này g i tên là photon. Như s làm sáng t t ph n sau, y ban Nobel V t lí ã không công nh n b n ch t h t c a ánh sáng c khi xét gi i năm 1921 (trao gi i năm 1922) cho Albert Einstein “cho khám phá c a ông ra nh lu t quang i n”, l n khi vào năm 1927 trao gi i v t lí cho Arthur Holly Compton “cho khám phá c a ông ra hi u ng sau này mang tên ông”. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 79
Gi i Nobel năm 1921 cho Albert Einstein (trao gi i năm 1922) Albert Einstein vào năm 1905 ã i n k t lu n r ng ánh sáng ôi khi hành x gi ng như h t qua m t phép phân tích th ng kê khéo léo công th c Wein cho s phân b bư c sóng ánh sáng c a b c x nhi t. Einstein nói r ng ý tư ng m i c a ông s mang l i m t l i gi i thích t nhiên c a hi u ng quang i n, t c s phát x electron t b m t kim lo i b ánh sáng r i vào. Lí thuy t sóng ánh sáng không th làm ư c i u ó. ng cơ trao gi i Nobel cho Einstein năm 1922 là d a trên khám phá c a ông ra nh lu t c a hi u ng quang i n. Albert Einstein Einstein l p l i phép tính th ng kê v i công th c Planck làm cơ s , nó t ng quát hơn công th c Wein, và i n k t lu n r ng c khái ni m sóng l n khái ni m h t trong b nhi t ánh sáng trong h p u c n n. Trong m t th o lu n chuyên t i Vi n hàn lâm Ph Berlin năm 1909, Einstein ã s d ng phép tính m i này c g ng thuy t ph c Planck và nh ng ngư i có m t khác s c n thi t ph i xem xét ánh sáng ng th i bao g m m t s h t r i r c. Như ã bi t, Einstein không nh n gi i Nobel cho lí thuy t tương i c a ông vì m t s thành viên có nh hư ng l n trong Vi n hàn lâm Khoa h c Hoàng gia Th y i n có s hoài nghi m nh m vào nh ng lí thuy t ó. Ngư i o t gi i Nobel năm 1911 trong lĩnh v c Sinh lí h c hay Y khoa, Allvar Gullstrand, là m t trong nh ng ngư i theo quan i m cho r ng tính úng n c a thuy t tương i c bi t c a Einstein là d a trên ni m tin – ch không ư c ch ng minh b ng th c ti n, và thuy t tương i r ng theo quan i m c a ông không th nào là m t phân tích quan tr ng tr v ng ư c. Bây gi , có ph i gi i thư ng trao cho Einstein không mang hàm ý r ng Vi n hàn lâm công nh n b n ch t h t c a ánh sáng ? y ban Nobel nói r ng Einstein ã tìm th y s trao i năng lư ng gi a v t ch t và ether x y ra b i các nguyên t phát x hay h p th m t lư ng t năng lư ng, hν. Là h qu c a khái ni m m i v lư ng t ánh sáng (trong thu t ng hi n i là photon), Einstein ã xu t nh lu t r ng m t electron phát ra t m t ch t b i ánh sáng ơn s c có t n s ν ph i có năng lư ng c c i E = hν - P, trong ó P là năng lư ng c n thi t b t electron ra kh i ch t. Robert Andrews Millikan ã ti n hành m t lo t phép o trong kho ng th i gian 10 năm, cu i cùng xác nh n giá tr c a nh lu t này vào năm 1916 v i chính xác cao. Tuy nhiên, Millikan nh n th y ý tư ng lư ng t năng lư ng là không quen thu c và kì l . 80 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
y ban Nobel ã tránh xem xét cho khái ni m h t. Lư ng t ánh sáng hay v i thu t ng hi n i, photon, ư c nh c t i rõ ràng trong các b n báo cáo cơ s cho quy t nh trao gi i ch c p t i các quá trình phát x và h p th . y ban nói r ng ng d ng quan tr ng nh t c a nh lu t quang i n c a Einstein và ng th i xác nh n có s c thuy t ph c nh t c a nó là m u Bohr ã s d ng lí thuy t nguyên t c a ông, chúng gi i thích ư c m t lư ng l n s li u quang ph h c. Niels Henrik David Bohr Trong lí thuy t c a ông v nguyên t , Bohr ã s d ng nh lu t c a Einstein làm i u ki n cơ s cho t n s c a ánh sáng phát ra hay h p th , khi m t nguyên t th c hi n m t chuy n i gi a hai m c năng lư ng lư ng t hóa E1 và E2, dư i d ng ν = (E1 – E2)/h, trong ngôn ng hi n i nó không gì hơn mà là s b o toàn năng lư ng cơ b n v i m t photon phát ra hay h p th có th là m t trư ng h p. Tuy nhiên, Bohr ã ph nh n khái ni m photon trong nhi u năm, mãi cho n kho ng năm1925. Trong bài thuy t trình Nobel năm 1922 c a ông, Bohr ã bi u hi n s ph n i c a ông trong nh ng t sau: “B t ch p giá tr tìm tòi c a nó, gi thuy t lư ng t ánh sáng, nó không phù h p l m v i cái g i là hi n tư ng giao thoa, không th nào soi sáng b n ch t c a b c x ”. Einstein ã ư c m i n nh n gi i thư ng c a ông cùng lúc s ki n ó, nhưng ông không th n, vì ông ph i i Nh t. Như v y, th gi i ã m t i cơ h i ch ng ki n m t cu c tranh lu n s m gi a hai nhân v t l n này trong ngành v t lí v b n ch t c a ánh sáng. M i quan h gi a Einstein và Bohr, mà y ban Nobel v t lí ã nhìn th y, ư c làm cho rõ ràng nh t b ng hai gi i thư ng Nobel trao trong năm 1922: m t gi i dành t năm trư c cho Einstein và gi i hi n t i cho Bohr. Gi i thư ng Nobel cho Arthur Holly Compton (1927) u năm 1923, Arnold Sommerfeld i thăm Mĩ và vi t cho Bohr: “ i u h p d n nh t… là nghiên c u c a Compton St Louis. Sau nó, lí thuy t sóng ánh sáng ã tr nên vô d ng”. Compton ã theo u i m t s ph n c a tia X b tán x kh i hư ng chùm tia có bư c sóng dài hơn bư c sóng b c x t i. Ông ã o s l ch bư c sóng r t chính xác. l ch ó không th nào hi u ư c theo thuy t sóng c i n. L i gi i thích riêng c a Compton cho quá trình tán x là dư i d ng va ch m gi a hai h t – m t h t là electron t do, còn h t kia là photon. D a trên thuy t lư ng t và ng h c tương i tính, Compton ã tính ư c l ch bư c sóng như mong i theo lí thuy t này b ng nh lu t b o toàn năng lư ng và nh lu t b o toàn ng lư ng. Compton s d ng m t quang ph k tia X cho nh ng phép o chính xác bư c sóng © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 81
c a b c x tán x , chúng g m hai thành ph n - m t b l ch và m t không b l ch. Thành ph n b l ch là do s tán x i v i các electron t do hay g n như t do, sao cho chúng có th n y tr l i, t ó ưa n ng lư ng và lư ng năng lư ng có th xác nh, còn thành ph n không b l ch là do s tán x i v i các electron liên k t, trong trư ng h p mà toàn b nguyên t hay th m chí toàn tinh th nh n thêm xung lư ng nhưng ch có lư ng năng lư ng không áng k . Arthur Holly Compton Vi c hi u ư c làm th nào Compton s d ng m t quang ph k như th là d a trên thuy t sóng c a tia X. B ng cách này, ông tìm th y tia X tán x như các h t. Th c t này minh h a rõ ràng cho b n ch t lư ng tính c a ánh sáng. Compton nh n gi i Nobel v t lí năm 1927, nh n chung v i C.T.R. Wilson cho phương pháp bu ng mây c a ông, v i nó Wilson ã nhìn th y các electron n y tr l i t chùm tia X, nh ó mang l i s ng h m nh m cho căn c c a quá trình Compton. Cu i cùng thì Vi n hàn lâm có trao gi i cho khám phá ra b n ch t h t c a ánh sáng không ? Câu tr l i là không. Trong báo cáo th m nh, ngư i ta th y m t câu nói r ng lí thuy t c a Compton lí thuy t c a Compton ngày nay ph i xem là ã l i th i theo quan i m c a nh ng lí thuy t m i nh t. Như v y, b c tranh h t không ư c ch p nh n. V th c a y ban Nobel là có th hi u ư c, vì vào lúc trao gi i Nobel cho Compton không có lí thuy t nào t t cho vi phân ti t di n d a trên khái ni m photon. Nh ng lí thuy t như th v n thu c v tương lai. Nhưng có nh ng lí thuy t xây d ng trên b c tranh sóng, xem electron l n b c x tia X là sóng, cũng mang l i s l ch bư c sóng chính xác. Hi u ng Compton ã ư c y ban Nobel th m nh ngay trong năm 1925 và 1926 nhưng th y lí thuy t ó r t không v a ý. Tuy nhiên, vào năm 1927, i u ó ã thay i. S th m nh m i ư c th c hi n b i Carl Wilhelm Oseen, giáo sư Cơ h c và V t lí toán t i ih c Uppsala. Ông ã ti n hành m t nghiên c u tri t cho y ban. Ông b t u b ng vi c nh c l i nh ng h ng thú l n mà khám phá c a Compton vào năm 1922 ã ăn kh p, ph n nhi u là vì lí thuy t do chính Compton nêu ra. Ông vi t (d ch t ti ng Th y i n sang) “không có gì ng c nhiên trư c s phù h p c a lí thuy t này v i quan sát ư c truy n c m h ng v i nh ng i di n kém quan tr ng hơn cho v t lí lí thuy t quan ni m r ng cu c u tranh dai d ng gi a thuy t sóng và thuy t h t s p i n h i k t thúc c a nó. Phát hi n c a Compton là th các nhà khoa h c này 82 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
xem là b ng ch ng có tính quy t nh cho s th t c a thuy t ti u th . N u như nh ng i u trông i này ơm hoa k t trái, thì khám phá c a Compton ch c ch n ã ánh d u m t bư c ngo c trong s phát tri n c a toàn b lí thuy t b c x ”. Oseen i n cho r ng i u này không h n như th . Quan i m c a ông là hi u ng m i, do Compton phát hi n, tuy th nhưng r t quan tr ng. Oseen mô t làm th nào lí thuy t Bohr ã phá s n vào năm 1925 và r ng hi u ng Compton không có gì làm v i i u ó. Ông c p t i làm th nào cơ h c ma tr n và cơ h c sóng i vào sân kh u mà không có s kích thích t hi u ng Compton. Lí thuy t xưa nh t cho hi u ng Compton ư c xây d ng b i Compton, Debye và Woos. ư c xây d ng trên lí thuy t lư ng t ánh sáng, “chúng có giá tr i v i nghiên c u th c nghi m, nhưng bây gi ph i xem là l i th i theo quan i m c a các lí thuy t m i nh t”. Oseen nh c t i m t vài nghiên c u m i hơn như th , nh t là nghiên c u c a Gordon và m t nghiên c u g n ó c a O. Klein, d a trên thuy t sóng, xem electron và ánh sáng u là sóng. Chúng u i n nh ng phương trình gi ng nhau cho s b o toàn năng lư ng và ng lư ng gi a sóng tán x và electron ph n x như ban u Compton nh n ư c gi s m t va ch m hai h t. “Cơ s cho lí thuy t Compton-Debye như v y ã ư c tìm th y, l n này không ph i là gi thuy t mà là h qu c a thuy t nguyên t ”, Oseen k t lu n, ch ng minh ông phê bình ngư i ti n nhi m c a ông là l i th i. Hơn n a, cách xem xét cơ h c sóng này còn mang l i công th c cho cư ng theo góc tán x (t c là vi phân ti t di n) phù h p v i các phép o t t hơn nhi u so v i tiên oán c a thuy t sóng c i n. Oseen tóm g n b ng cách nói r ng s ti n b trong 18 tháng v a qua là c l p v i khám phá c a Compton và xu hư ng ti n b m i ã chuy n sang cái ngư c l i v i i u ngư i ta mong i sau phát hi n c a Compton. Lí thuy t m i là lí thuy t sóng m c cao hơn b t kì lí thuy t nào trư c ó. S d ng lí thuy t m i ó, ngư i ta có th i t i m t gi i thích nh tính và nh lư ng cho hi u ng Compton. y ban nh n m nh r ng hi u ng Compton tuy th th t quan tr ng, vì nó m t l n n a ch ng minh r t rõ ràng và thuy t ph c r ng các lí thuy t c i n là không th áp d ng ư c trong lĩnh v c v t lí nguyên t và nó mang l i m t kh năng quý giá và ư c hân hoan chào ón ki m tra nh ng ý tư ng m i. Gi i thư ng cho khám phá ra b n ch t lư ng tính c a v t ch t B n ch t lư ng tính c a ánh sáng ã ư c m r ng sang m t s lư ng tính tương t vt ch t. Electron và nguyên t ban u ư c xem là ti u th . Năm 1929, Louis Victor de Broglie ư c trao gi i Nobel v t lí cho “khám phá c a ông ra b n ch t sóng c a electron”. B ng ch ng th c nghi m mang l i b i Clinton Joseph Davisson, New York, và ngài George Paget Thomson London. H cùng nh n gi i Nobel v t lí năm 1937. K t khi Erwin Schrödinger vào năm 1925 ã khám phá ra phương trình sóng phi tương i tính, thì cơ h c sóng electron tr thành m t công c áng giá cho khoa h c t nhiên. Schrödinger ư c trao gi i Nobel v t lí năm 1933. y ban Nobel ban u th n tr ng tránh nói th ng v b n ch t h t c a ánh sáng, nhưng không ng n ng i nói th ng v t ch t ôi khi hành x gi ng như sóng. Ý tư ng c a Bohr v s b sung ã nêu ra hai năm trư c ó, nên trong bài phát bi u t i l trao gi i Nobel năm 1929, ngư i © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 83
ta tìm th y s ph n ánh c a i u ó trong nh ng câu sau: “Như v y, dư ng như ánh sáng ng th i là chuy n ng sóng và là dòng h t nh . M t s trong nh ng tính ch t c a nó gi i thích ư c b ng gi thuy t cũ, m t s tính ch t khác thì b ng gi thuy t th hai. C hai u ph i úng”. Louis-Victor de Broglie Clinton Joseph Davisson George Paget Thomson Gi i Nobel cho lí thuy t gi i ư c bài toán lư ng tính c a ánh sáng V i s ra i c a cơ h c lư ng t năm 1925-1926 ã m ra m t kh năng cho m t l i gi i cho bài toán lư ng tính. Paul Dirac công b năm 1927 m t lí thuy t toán h c cho s tương tác gi a các trư ng i n t , ví d như ánh sáng hay tia X, và các h t tích i n bao g m c hai m t c a ánh sáng – nó là m t lí thuy t c a các trư ng lư ng t hóa. Nh ng óng góp khác n a ư c mang l i b i m t s nhà v t lí và cũng ư c khái quát hóa cho các trư ng v t ch t và ngày nay là m t công c không th thi u trong vi c xem xét các tương tác cơ b n thu c b t kì lo i nào (m nh, y u, hay i n t ). Ba nhà tiên phong, Dirac, Werner Heisenberg, và Wolfgang Pauli, u ư c trao gi i Nobel v t lí, nhưng cho nh ng thành t u khác. Phiên b n ban u c a lí thuy t Dirac k t h p các m t sóng và h t c a ánh sáng, ch có ích v i s g n úng b c m t. Các tính toán cho s ăn kh p h p lí v i thí nghi m; m t s phù h p như th là vi phân ti t di n cho tán x Compton. Tuy nhiên, khi n l c tính toán chính xác hơn, i u c n thi t trong nh ng trư ng h p nh t nh, các k t qu tr nên th t ngu xu n và trên th c t là b ng vô h n. Tình tr ng ó ư c ch a tr trong th p niên 1940 b i nghiên c u c a Sin- Itio Tomonaga, Julian Schwinger và Richard Feynman, h cùng nh n gi i Nobel v t lí năm 1965. Nh nghiên c u c a h , ngày nay ngư i ta có m t trong nh ng lí thuy t p và chính xác nh t mà loài ngư i ã t t i trong lĩnh v c này, lí thuy t QED, hay i n ng l c h c Lư ng t . Nó ư c bi u di n trong ngôn ng toán h c, hoàn h o cho lo i ho t ng này, vư t ra kh i phép bi n ch ng hàng ngày c a lư ng tính sóng và h t v i s t ng h p c a m t trư ng lư ng t . Richard Feynman ã xây d ng cơ s cho phiên b n cơ h c lư ng t c a ông v “tích phân ư ng”. Ông xu t r ng biên xác su t chuy n tr ng thái có th tính b ng cách c ng nh ng óng góp t m i qu o không-th i gian luân phiên c a các h t có h s pha nh t nh. T cách ti p c n này,Feynman nêu ra m t bi u di n hình h c c a biên c a QED, khi n cho lí thuy t d s d ng hơn nhi u. Trong gi n Feynman, các electron và photon ư c hình dung là các ư ng trong m t bi u không-th i gian. Các tương tác có trao i năng lư ng- ng lư ng 84 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
và nh ng tính ch t khác x y ra t i nh ng i m không-th i gian như th , nơi các ư ng h t g p nhau. Gi n Feynman ngày nay là phương pháp chu n dùng tính các tiên oán lí thuy t. Sin-Itiro Tomonaga Julian Schwinger Richard Feynman Tuy nhiên, lí thuy t QED quá ti n b i v i nhi u ng d ng th c ti n và thư ng ch ưa vào d y trong các khóa h c cao c p. M i sinh viên v t lí m i vì th ph i v t l n v i bài toán lư ng tính, cho phép t n t i ng th i c khái ni m h t và sóng và gi quan i m r ng hai tính ch t ó lo i tr l n nhau (như Niels Bohr thi t l p trong Nguyên lí B sung c a ông năm 1927). M t cu n sách nh , cơ b n d a trên nh ng bài gi ng ph bi n c a Feynman, có th b n nên c: “QED. Lí thuy t kì l c a ánh sáng và v t ch t” c a Richard Feynman (Nhà xu t b n i h c Princeton, 1985), trong ó Feynman cung c p b n ch t phiên b n QED c a ông trong ngôn ng ơn gi n và theo ki u tao nhã, th m chí còn mô t các nh lu t c a quang hình h c có th thu nh n như th nào t lí thuy t QED. Lư ng tính sóng-h t trong m t thí nghi m và m t thí nghi m tương t Các thí nghi m v i chùm ánh sáng hay electron ư c th c hi n sao cho c hai m t – sóng và h t – u nhìn th y ư c. cho s giao thoa x y ra thì trong s nh ng th khác, i u c n thi t là chùm tia ph i có nhi u hơn m t ư ng i t ngu n t i máy dò (ví d màn h ng). S giao thoa ư c gi i thích b ng b c tranh sóng. Khi cư ng chùm tia th p và máy dò thích h p thì tác ng c a t ng h t m t có th nhìn th y ư c. Lư ng t năng lư ng khi ó b khu bi t như th các h t trong không gian và th i gian. B trí c a thí nghi m hai khe i v i electron. Hai ư ng i ư c t o s n cho chùm electron. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 85
Tín hi u ra máy dò hi n th trên m t màn hình ây bi u di n t p h p các khung hình; khung hình th nh t là lúc m i b t u, khung hình cu i cùng là sau kho ng th i gian thu th p lâu. Vân giao thoa ư c hình thành t t b i s tác ng c a t ng h t. Kĩ thu t cao hi n i giúp ngư i ta d dàng th c hi n các thí nghi m khá ph c t p v i ánh sáng hay v i electron ho c nguyên t , chúng có v d thư ng khi mô t b ng ho c b c tranh sóng ho c b c tranh h t. Thay l i k t Photon là (h t) trư ng lư ng t óng vai trò trung chuy n l c gi a các h t tích i n. Nó ư c ưa thành công vào trong m t ng c nh l n hơn v i ba h t trung chuy n l c y u – (W+, W-, Z0). Ba h t sau này là nh ng h t r t n ng, còn photon thì không có kh i lư ng. Cùng v i nhau, chúng là nh ng h t trung chuy n l c c a tương tác i n y u th ng nh t. Gi i Nobel năm 1979 trao cho ba nhà lí thuy t Sheldon Glashow, Abdus Salam, và Steven Weinberg, “cho nh ng óng góp c a h vào lí thuy t tương tác y u và tương tác i n t th ng nh t gi a các h t cơ b n, trong ó có, không k nh ng cái khác, tiên oán ra dòng trung hòa y u” và gi i thư ng năm 1984 trao cho Carlo Rubbia và Simon van der Meer “cho nh ng óng góp có tính quy t nh c a h cho d án l n t ó d n t i khám phá ra các h t trư ng W và Z, các h t trung chuy n tương tác y u”. Nguyên b n: The Dual Nature of Light as Reflected in the Nobel Archives (nobelprize.org) hiepkhachquay d ch An Minh, ngày 08/02/2008, 20:20:51 86 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay