Bản chất lưỡng tính của ánh
sáng phản ánh trong các thành
tựu Nobel
Dựa trên thuyết lượng tửvà động học tương đối tính, Compton đã tính được
độ lệch bước sóng nhưmong đợi theo lí thuyết này bằng định luật bảo toàn năng
lượng và định luật bảo toàn động lượng. Compton sửdụng một quang phổkếtia X
cho những phép đo chính xác bước sóng của bức xạtán xạ, chúng gồm hai thành
phần - một bịlệch và một không bịlệch. Thành phần bịlệch là do sựtán xạ đối với
các electron tựdo hay gần nhưtựdo, sao cho chúng có thểnảy trởlại, từ đó đưa
đếnđộng lượng và lượng năng lượng có thểxác định, còn thành phần không bị
lệch là do sựtán xạ đối với các electron liên kết, trong trường hợp mà toàn bộ
nguyên tửhay thậm chí toàn tinh thểnhận thêm xung lượng nhưng chỉcó lượng
năng lượng không đáng kể.
Việc hiểuđược làm thếnào Compton sửdụng một quang phổkếnhưthếlà
dựa trên thuyết sóng của tia X. Bằng cách này, ông tìm thấy tia X tán xạnhưcác hạt.
Thực tếnày 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 từchùm tia X, nhờ đó mang lại sự ủng hộmạnh mẽcho căn cứcủa quá trình
Compton.
Cuối cùng thì Viện hàn lâm có trao giải cho khám phá ra bản chất hạt của ánh
sáng không ? Câu trảlời là không.
Trong báo cáo thẩmđịnh, 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. Nhưvậy, bức tranh hạt không được chấp nhận.
VịthếcủaỦy ban Nobel là có thểhiểuđược, 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 nhưthếvẫn thuộc vềtương lai. Nhưng có những lí thuyết
xây dựng trên bức tranh sóng, xem electron lẫn bức xạtia X là sóng, cũng mang lại
sựlệch bước sóng chính xác.
Hiệuứng Compton đã đượcỦy ban Nobel thẩmđịnh ngay trong năm 1925
và 1926 nhưng thấy lí thuyếtđó rất không vừa ý. Tuy nhiên, vào năm 1927, điều
đó đã thay đổi. Sựthẩmđịnh mớiđược thực hiện bởi Carl Wilhelm Oseen, giáo sư
Cơhọc và Vật lí toán tạiĐại học Uppsala. Ông đã tiến hành một nghiên cứu triệtđể
cho Ủy ban. Ông bắtđầu 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 từtiếng ThụyĐiển 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 cuộcđấu tranh dai dẳng
giữa thuyết sóng và thuyết hạt sắpđiđến hồi kết thúc của nó. Phát hiện của
Compton là thứcác nhà khoa học này xem là bằng chứng có tính quyếtđịnh cho sự
thật của thuyết tiểu thể. Nếu nhưnhững điều trông đợi này đơm hoa kết trái, thì
khám phá của Compton chắc chắnđã đánh dấu một bước ngoặc trong sựphát
triển của toàn bộlí thuyết bức xạ”. Oseen điđến cho rằng điều này không hẳn như
thế. Quan điểm của ông là hiệuứng mới, do Compton phát hiện, tuy thếnhưng rất
quan trọng.
Oseen mô tảlàm thếnào lí thuyết Bohr đã phá sản vào năm 1925 và rằng
hiệuứng Compton không có gì để làm vớiđiềuđó. Ông đề cập tới làm thếnào cơ
học ma trận và cơhọc sóng đi vào sân khấu mà không có sựkích thích từhiệuứng
Compton. Lí thuyết xưa nhất cho hiệuứng Compton được xây dựng bởi Compton,
Debye và Woos. Được xây dựng trên lí thuyết lượng tửánh sáng, “chúng có giá trị
đối với nghiên cứu thực nghiệm, nhưng bây giờphải 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 gầnđó của O. Klein, dựa
trên thuyết sóng, xem electron và ánh sáng đều là sóng. Chúng đềuđiđến những
phương trình giống nhau cho sựbảo toàn năng lượng và động lượng giữa sóng tán
xạvà electron phản xạnhưban đầu Compton nhậnđược giảsửmột va chạm hai
hạt. “Cơsởcho lí thuyết Compton-Debye nhưvậyđã được tìm thấy, lần này không
phải là giảthuyết mà là hệquảcủa thuyết nguyên tử”, Oseen kết luận, chứng minh
ông phê bình người tiền nhiệm của ông là lỗi thời. Hơn nữa, cách xem xét cơhọc
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 sựtiến bộtrong 18 tháng vừa qua là độc
lập với khám phá của Compton và xu hướng tiến bộmớiđã chuyển sang cái ngược
lại vớiđiều người ta mong đợi sau phát hiện của Compton. Lí thuyết mới là lí
thuyết sóng ởmứcđộ cao hơn bất kì lí thuyết nào trướcđó. Sửdụng lí thuyết mới
đó, người ta có thể đi tới một giải thích định tính và định lượng cho hiệuứng
Compton.
Ủy ban nhấn mạnh rằng hiệuứng Compton tuy thếthật quan trọng, vì nó
một lần nữa chứng minh rất rõ ràng và thuyết phục rằng các lí thuyết cổ điển là
không thểáp dụng được trong lĩnh vực vật lí nguyên tửvà nó mang lại một khả
năng quý giá và được hân hoan chào đónđể 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 mởrộng sang một sựlưỡng tính
tương tự ở vật chất. Electron và nguyên tửban đầuđược 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 ởLondon. Họcùng nhận giải
Nobel vật lí năm 1937. Kểtừkhi Erwin Schrödinger vào năm 1925 đã khám phá ra
phương trình sóng phi tương đối tính, thì cơhọc sóng electron trởthành một công
cụ đáng giá cho khoa học tựnhiên. Schrödinger được trao giải Nobel vật lí năm
1933.
Ủy ban Nobel ban đầu thận trọng tránh nói thẳng vềbản chất hạt của ánh
sáng, nhưng không ngần ngại nói thẳng vật chấtđôi khi hành xửgiống nhưsóng. Ý
tưởng của Bohr vềsựbổsung đã nêu ra hai năm trướcđó, nên trong bài phát biểu
tại lễtrao giải Nobel năm 1929, người ta tìm thấy sựphản ánh củađiềuđó trong
những câu sau: “Nhưvậy, dường nhưánh sáng đồng thời là chuyểnđộng sóng và
là dòng hạt nhỏ. Một sốtrong những tính chất của nó giải thích được bằng giả
thuyết cũ, một sốtính chất khác thì bằng giảthuyết thứhai. Cảhai đều phảiđúng”.
Giải Nobel cho lí thuyết giảiđược bài toán lưỡng tính của ánh sáng
Với sựra đời của cơhọc lượng tửnăm 1925-1926 đã mởra một khảnăng
cho một lời giải cho bài toán lưỡng tính.
Paul Dirac công bốnăm 1927 một lí thuyết toán học cho sựtương tác giữa
các trường điện từ, ví dụnhưánh 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 tửhóa. Những
đóng góp khác nữađược mang lại bởi một sốnhà vật lí và cũng được khái quát hóa
cho các trường vật chất và ngày nay là một công cụkhông thểthiếu trong việc xem
xét các tương tác cơbản thuộc bất kì loại nào (mạnh, yếu, hay điện từ). Ba nhà tiên
phong, Dirac, Werner Heisenberg, và Wolfgang Pauli, đềuđược 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, chỉcó ích với sựgầnđúng bậc một. Các tính toán cho sự ăn khớp hợp lí với
thí nghiệm; một sựphù hợp nhưthếlà vi phân tiết diện cho tán xạCompton. Tuy
nhiên, khi nỗlực tính toán chính xác hơn, điều cần thiết trong những trường hợp
nhấtđịnh, các kết quảtrởnên thật ngu xuẩn và trên thực tếlà bằng vô hạn. Tình
trạng đó được chữa trịtrong thập niên 1940 bởi nghiên cứu của Sin-Itio
