Tài liệu tham khảo: Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ánh trong các thành tựu Nobel

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

82
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu tham khảo: Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ánh trong các thành tựu Nobel

Bản chất lưỡng tính của ánh sáng phản ánh trong các thành tựu Nobel 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 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.
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. Vị thế của Ủy ban Nobel là có thể hiểu được, vì vào lúc trao giải Nobel cho Compton không có lí thuyết nào tốt cho vi phân tiết diện dựa trên khái niệm photon. Những lí thuyết như thế vẫn thuộc về tương lai. Nhưng có những lí thuyết
xây dựng trên bức tranh sóng, xem electron lẫn bức xạ tia X là sóng, cũng mang lại sự lệch bước sóng chính xác. Hiệu ứng Compton đã được Ủy ban Nobel thẩm định ngay trong năm 1925 và 1926 nhưng thấy lí thuyết đó rất không vừa ý. Tuy nhiên, vào năm 1927, điều đó đã thay đổi. Sự thẩm định mới được thực hiện bởi Carl Wilhelm Oseen, giáo sư Cơ học và Vật lí toán tại Đại học Uppsala. Ông đã tiến hành một nghiên cứu triệt để cho Ủy ban. Ông bắt đầu bằng việc nhắc lại những hứng thú lớn mà khám phá của Compton vào năm 1922 đã ăn khớp, phần nhiều là vì lí thuyết do chính Compton nêu ra. Ông viết (dịch từ tiếng Thụy Điển sang) “không có gì ngạc nhiên trước sự phù hợp của lí thuyết này với quan sát được truyền cảm hứng với những đại diện kém quan trọng hơn cho vật lí lí thuyết quan niệm rằng cuộc đấu tranh dai dẳng giữa thuyết sóng và thuyết hạt sắp đi đến hồi kết thúc của nó. Phát hiện của Compton là thứ các nhà khoa học này xem là bằng chứng có tính quyết định cho sự thật của thuyết tiểu thể. Nếu như những điều trông đợi này đơm hoa kết trái, thì khám phá của Compton chắc chắn đã đánh dấu một bước ngoặc trong sự phát triển của toàn bộ lí thuyết bức xạ”. Oseen đi đến cho rằng điều này không hẳn như thế. Quan điểm của ông là hiệu ứng mới, do Compton phát hiện, tuy thế nhưng rất quan trọng. Oseen mô tả làm thế nào lí thuyết Bohr đã phá sản vào năm 1925 và rằng hiệu ứng Compton không có gì để làm với điều đó. Ông đề cập tới làm thế nào cơ học ma trận và cơ học sóng đi vào sân khấu mà không có sự kích thích từ hiệu ứng Compton. Lí thuyết xưa nhất cho hiệu ứng Compton được xây dựng bởi Compton, Debye và Woos. Được xây dựng trên lí thuyết lượng tử ánh sáng, “chúng có giá trị đối với nghiên cứu thực nghiệm, nhưng bây giờ phải xem là lỗi thời theo quan điểm của các lí thuyết mới nhất”. Oseen nhắc tới một vài nghiên cứu mới hơn như thế, nhất là nghiên cứu của Gordon và một nghiên cứu gần đó của O. Klein, dựa trên thuyết sóng, xem electron và ánh sáng đều là sóng. Chúng đều đi đến những phương trình giống nhau cho sự bảo toàn năng lượng và động lượng giữa sóng tán xạ và electron phản xạ như ban đầu Compton nhận được giả sử một va chạm hai hạt. “Cơ sở cho lí thuyết Compton-Debye như vậy đã được tìm thấy, lần này không
phải là giả thuyết mà là hệ quả của thuyết nguyên tử”, Oseen kết 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 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”. Giải Nobel cho lí thuyết giải được bài toán lưỡng tính của ánh sáng Với sự ra đời của cơ học lượng tử năm 1925-1926 đã mở ra một khả năng cho một lời giải cho bài toán lưỡng tính. Paul Dirac công bố năm 1927 một lí thuyết toán học cho sự tương tác giữa các trường điện từ, ví dụ như ánh sáng hay tia X, và các hạt tích điện bao gồm cả hai mặt của ánh sáng – nó là một lí thuyết của các trường lượng tử hóa. Những đóng góp khác nữa được mang lại bởi một số nhà vật lí và cũng được khái quát hóa cho các trường vật chất và ngày nay là một công cụ không thể thiếu trong việc xem xét các tương tác cơ bản thuộc bất kì loại nào (mạnh, yếu, hay điện từ). Ba nhà tiên phong, Dirac, Werner Heisenberg, và Wolfgang Pauli, đều được trao giải Nobel vật lí, nhưng cho những thành tựu khác. Phiên bản ban đầu của lí thuyết Dirac kết hợp các mặt sóng và hạt của ánh sáng, chỉ có ích với sự gần đúng bậc một. Các tính toán cho sự ăn khớp hợp lí với thí nghiệm; một sự phù hợp như thế là vi phân tiết diện cho tán xạ Compton. Tuy nhiên, khi nỗ lực tính toán chính xác hơn, điều cần thiết trong những trường hợp nhất định, các kết quả trở nên thật ngu xuẩn và trên thực tế là bằng vô hạn. Tình trạng đó được chữa trị trong thập niên 1940 bởi nghiên cứu của Sin-Itio
Tomonaga, Julian Schwinger và Richard Feynman, họ cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1965. Nhờ nghiên cứu của họ, ngày nay người ta có một trong những lí thuyết đẹp và chính xác nhất mà loài người đã đạt tới trong lĩnh vực này, lí thuyết QED, hay Điện Động lực học Lượng tử. Nó được biểu diễn trong ngôn ngữ toán học, hoàn hảo cho loại hoạt động này, vượt ra khỏi phép biện chứng hàng ngày của lưỡng tính sóng và hạt với sự tổng hợp của một trường lượng tử. Richard Feynman đã xây dựng cơ sở cho phiên bản cơ học lượng tử của ông về “tích phân đường”. Ông đề xuất rằng biên độ xác suất chuyển trạng thái có thể tính bằng cách cộng những đóng góp từ mỗi quỹ đạo không-thời gian luân phiên của các hạt có hệ số pha nhất định. Từ cách tiếp cận này,Feynman nêu ra một biểu diễn hình học của biên độ của QED, khiến cho lí thuyết dễ sử dụng hơn nhiều. Trong giản đồ Feynman, các electron và photon được hình dung là các đường trong một biểu đồ không-thời gian. Các tương tác có trao đổi năng lượng-động lượng 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. 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.
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. Kĩ thuật cao hiện đại giúp người ta dễ dàng thực hiện các thí nghiệm khá phức tạp với ánh sáng hay với electron hoặc nguyên tử, chúng có vẻ dị thường khi mô tả bằng hoặc bức tranh sóng hoặc bức tranh hạt. Thay lời kết Photon là (hạt) trường lượng tử đóng vai trò trung chuyển lực giữa các hạt tích điện. Nó được đưa thành công vào trong một ngữ cảnh lớn hơn với ba hạt trung chuyển lực yếu – (W+, W-, Z0). Ba hạt sau này là những hạt rất nặng, còn photon thì không có khối lượng. Cùng với nhau, chúng là những hạt trung chuyển lực của tương tác điện yếu thống nhất. Giải Nobel năm 1979 trao cho ba nhà lí thuyết Sheldon Glashow, Abdus Salam, và Steven Weinberg, “cho những đóng góp của họ vào lí thuyết tương tác yếu và tương tác điện từ thống nhất giữa các hạt cơ bản, trong đó có, không kể những cái khác, tiên đoán ra dòng trung hòa yếu” và giải thưởng năm 1984 trao cho Carlo Rubbia và Simon van der Meer “cho những đóng góp có tính quyết định của họ cho dự án lớn từ đó dẫn tới khám phá ra các hạt trường W và Z, các hạt trung chuyển tương tác yếu”.