QUANG HỌC SÓNG
Tới giữa thế kỷ XVII người ta đã biết khá nhiều về các tia sáng: rằng chúng truyền thẳng, không bị ảnh hưởng khi cắt nhau, tuân theo các định luật phản xạ và khúc xạ. Nhưng vẫn còn bí ẩn chủ yếu: ánh sáng là gì, nó được truyền ra sao, vì sao lại có màu sắc khác nhau?
Để tìm lời giải đáp còn cần mấy thế kỷ nữa để làm nên bức tranh mới của thế giới. Chính vào giữa thế kỷ XVII người ta đã phát minh ra các hiện tượng mâu thuẫn hẳn với những quy luật đã biết. Đó là kết quả quan sát của Francesco Maria Grimaldi (1618 - 1663), giáo sư Trường Dòng Tên (giống các trường đại học ngày nay) ở Bologna (Italia) trình bày trong khảo luận ''Khoa học vật lý về ánh sáng màu sắc và cầu vồng'' xuất bản năm 1665 sau cái chết của tác giả. Khi quan sát cái bóng của những đối tượng khác nhau được chiếu rọi qua một lỗ nhỏm nhà bác học nhận thấy rằng ánh sáng không phải luôn luôn truyền thẳng. Nó có thể thay đổi hướng và vòng tránh qua vật cản. Ví dụ khi ánh sáng đi qua khe hẹp một phần tia sẽ rọi lên vùng mà ở đó đáng lẽ phải là bóng tối Grimaldi gọi đó là hiện tượng nhiễu xạ.
Còn một phát minh như thế nữa cũng không ''ăn nhập'' với bức tranh về thế giới thời bấy giờ: hai tia phản xạ từ cùng một nguồn sáng không chỉ góp sức làm mạnh thêm mà còn dập tắt lẫn nhau. Hình như điều ấy mâu thuẫn với tư duy lành mạnh. Nhưng hai người Anh là Robert Boyle (1627 - 1691) vào năm 1663 và Robert Hooke (1635 - 1703) vào năm 1665 độc lập với nhau đều quan sát thấy hiện tượng mà ngày nay gọi là các vòng vân Newton. Các vân tròn này phát sinh nếu trên một tấm thủy tinh phẳng ta đặt thấu kính lồi (hội tụ) yếu: xung quanh các điểm tiếp xúc hình thành ra các vòng sáng và tối và có màu sắc khác nhau.
R. Hooke lần đầu tiên cố giải thích hiện tượng đó và đề ra một giả thuyết táo bạo: ánh sáng là các dao động rất nhanh. Chúng truyền từ vật được chiếu sáng với vận tốc như nhau theo các hướng khác nhau trong một môi trường đàn hồi đặc biệt - là ête thế giới, choán đầy tất cả không gian và mọi vật có trong đó.
Lập luận của Hooke về điều vì sao các tia sáng gặp nhau sau khi phản xạ lại có thể được làm mạnh hay làm yếu lẫn nhau đã không thuyết phục được các học giả, nhưng ý tưởng về bản chất sóng của ánh sáng thì rất hấp dẫn. Sự phát triển ý tưởng ấy gắn liền với tên tuổi nhà bác học Hà Lan Christiaan Huygens (1625 - 1695).
Ông đã biến giả thuyết Hooke thành một lý thuyết hoàn chỉnh. Trong ''khảo luận về ánh sáng'' xuất bản năm 1690 Huygens dựa vào ý tưởng ấy để giải thích quá trình truyền ánh sáng hiện tượng phản xạ và khúc xạ phát biểu nguyên lý xây dựng sóng ánh sáng phát đi từ một vật phát sáng.
Theo nguyên lý Huygens, nếu ở một điểm không gian nào đó xảy ra dao động ête, thì nó sẽ thành nguồn sóng hình cầu lan truyền về mọi phía. Bất kỳ một hạt khác nào mà sóng chạm tới, tự nó lại kích thích một sóng ête mới, nhỏ hơn về biên độ. Sóng kết quả tổng cộng các sóng được dựng thành hình bao của tất cả các sóng nguyên tố.
Huygens sử dụng nguyên lý của mình để mô tả các hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng. Sự đi vòng vật cản - sự nhiễu xạ - cũng dễ dàng hình dung là như kết quả sự chạy ''tạt vào” của các sóng thứ cấp tới được nơi đáng ra là bóng tối. Nhưng Huygens không biết giải thích vì sao lại tồn tại các tia sáng hẹp: theo lý thuyết của ông thì rìa bờ của tia sáng cần phải không ngừng mở rộng, lan tỏa về mọi phía và bản thân tia sáng phải xòe rộng dần ra! Vì thế bất chấp những kết quả hiển nhiên Huygens cho rằng sóng bao hình ở phía sau vật cản là không tồn tại và nhiễu xạ tiếp tục vẫn là câu đố bí hiểm của tự nhiên. Lý thuyết sóng đi vào ngõ cụt. Nó không thể đồng thời giải thích các vòng vân Newton, nhiễu xạ Grimaldi và các tia sáng thường. Để khắc phục những khó khăn đó, Isaac Newton, người đồng hương và đồng thời của Hooke, đã đề ra lý thuyết ánh sáng không là sáng mà là hạt (gọi là lý thuyết hạt). Năm 1675 trong tập hồi ký ''Lý thuyết ánh sáng và màu sắc...'' ông công bố các kết quả nghiên cứu chi tiết của mình về các vòng vân ánh sáng và tối mà về sau được mang tên ông (vân Newton). Tính tuần hoàn của các vòng vân được ông giải thích như sau: các hạt ánh sáng xuyên qua vật trong suốt gây ra trong nó sự tụ và sự tán ête. Rơi tới chỗ tụ hay, chỗ tán ête các hạt chịu tương ứng hoặc ''cơn dễ phản xạ'', hoặc ''cơn dễ truyền qua'', kết quả sẽ tạo ra các vòng tối hay sáng.
Uy tín Newton trong thế giới khoa học đã lớn đến nỗi người ta lãng quên các sóng ánh sáng suốt một thời gian dài. Nhưng năm 1800 một người đồng hương của Newton. Thomas Young nêu ra những nghi vấn về kết luận của Newton. Ông cho rằng ánh sáng không phải là dòng các xung riêng rẽ (như Hooke và Huygens từng quan niệm) mà là một sóng tuần hoàn. Young chỉ ra rằng lý thuyết sóng giải thích được hầu hết mọi hiện tượng quang học một cách tự nhiên và đơn giản hơn so với lý thuyết hạt. Vì lý thuyết hạt về ánh sáng không thể cung cấp lời giải cho các câu hỏi đặt ra từ thời Hooke và Huygens: vì sao hai chùm tia giao nhau lại không tương tác nhau? Làm sao các vật thể vật chất lại có thể chạy với vận tốc lớn đến thế như tốc độ ánh sáng? Vì sao không có sự giảm khối lượng nào có thể ghi nhận được ở các vật phát sáng?
Young, cũng giống Huygens, cho rằng ''vũ trụ đầy ête truyền ánh sáng có mật độ rất nhỏ bé và độ đàn hồi rất lớn'', còn các chuyển động thể sóng sẽ bị kích thích trong ête đó mỗi khi vật bị chiếu sáng''. Khi tới mắt ta các sóng đó gây ra trong mắt cảm thụ thị giác. Ánh sáng phản xạ từ một số vật cản được tiếp nhận như là kết quả tác dụng đồng thời của một số sóng thành sóng mới với các đặc trưng riêng.
Young dẫn ví dụ sóng trên mặt nước để minh họa quan điểm của mình: ''Chúng ta giả định rằng một số các sóng như nhau chuyển động với vận tốc không đổi theo bề mặt nước hồ đứng yên và đi vào một kênh hẹp... Sau đó ta giả thuyết rằng còn một nguyên nhân tương tự khác đã kích thích một chuỗi sóng này khác bằng với nó đi tới cùng cái kênh đó với cùng tốc độ một cách đồng thời với chuỗi sóng thứ nhất. Không một chuỗi nào từ các chuỗi sóng triệt tiêu lẫn nhau, mà tác dụng của chúng được chồng với nhau...''. Nếu đỉnh của chuỗi sóng đầu tiên khi đi vào kênh trùng với các đỉnh của chuỗi thứ hai, thì có thể quan sát thấy một chuỗi sóng có đỉnh cao gấp đôi (và bụng sóng cũng sâu gấp đôi). Bức tranh đó được giữ nguyên trên toàn bộ chiều dài kênh, vì các sóng chạy với vận tốc như nhau. Ngược lại nếu các đỉnh sóng của cùng một chuỗi cộng vào với bụng sóng của chuỗi khác, thì mặt sóng thành ra bằng phẳng. Nhà khoa học này đã viết: ''Tôi cho rằng, các hiệu ứng tương tự xảy ra mỗi lần khi hai suất ánh sáng hoà vào nhau, và tôi gọi đó là định luật tổng quát về giao thoa ánh sáng!
Vậy là lần đầu tiên xuất hiện thuật ngữ giao thoa ánh sáng nghĩa là sự khuếch đại hay suy yếu của các sóng ánh sáng khi chúng tác dụng đồng thời. Từ ngày đó các khái niệm về sóng ánh sáng đã biến đổi rất nhiều nhưng thuật ngữ này thì còn lại và được sử dụng cho đến nay.
Lý luận của Young đã củng cố vị thế của lý thuyết sóng nhưng lý thuyết hạt của Newton chỉ bị bác bỏ hẳn sau công bố vào các năm 1818 - 1827 một loạt công trình của nhà vật lý người Pháp Augustin Jean Fresnel (1788- 1827) tác giả của lý thuyết định lượng đầu tiên về sóng ánh sáng. Ông áp dụng ý tưởng của Young vào nguyên lý cấu tạo sóng của Huygens. Trong công trình ''Báo cáo khoa học về nhiễu xạ ánh sáng'' xuất bản năm 1814, Fresnel chứng minh rằng sóng tổng cộng không đơn giản chỉ là sóng hình bao mà là kết quả sự giao thoa của các sóng thứ cấp. Sự phát biểu chuẩn xác ấy ngày nay được gọi là nguyên lý Huygens - Fresne. Nó cho phép tạo ra lý thuyết toán học về sự lan truyền ánh sáng mà tính đúng đắn của lý thuyết này được khẳng định bằng một ví dụ tuyệt vời.
Người ủng hộ cuồng nhiệt lý thuyết hạt, viện sĩ Pháp Siméon Denis Poisson (1781 - 1840) khi bình luận công trình của Fresnel đã vạch ra hệ quả mà theo ông là sai lầm của Fresnel: ở tâm bóng tối của một vật cản tròn cần quan sát thấy vết sáng. ''Sai lầm'' lại trở thành một thắng lợi thực sự của lý thuyết sóng, khi Fresnel và Arago đã quan sát thực nghiệm được cái vết ấy!
Tuy nhiên Fresnel đã không thể xây dựng lý thuyết đầy đủ về nhiễu xạ: các phương trình của ông là quá phức tạp. Song nhờ hiểu thấu bản chất của hiện tượng, các phương pháp giải gần đúng đã được tìm ra, những trường hợp riêng quan trọng được lẩy ra. Lý thuyết sóng bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, nhưng những trở ngại vẫn tiếp tục phát sinh.
Do kết quả thực nghiệm nên Fresnel phải từ bỏ khái niệm coi ánh sáng là sóng dọc (như sóng âm trong không khí và xem nó là sóng ngang (xem phần ''Khúc xạ kép và sự phân cực ánh sáng''). Điều đó dẫn đến một khó khăn mới: các sóng ngang chỉ truyền được trong vật thể rắn có nghĩa là ête ánh sáng là môi trường rắn! Nhưng khi đó các hành tinh chuyển động trong vũ trụ làm sao thoát khỏi lực cản ''ghê gớm'' của ête? Vậy là lý thuyết Fresnel không chỉ giải thích được nhiều điều (như vì sao tia sáng truyền thống xem phần ''Nhiễu xạ ánh sáng'') mà còn làm nảy sinh ra nhiều vấn đề mới mà không giải đáp được.
Các vết Poisson. Ở tâm O của ảnh các sóng thứ cấp từ rĩa các đĩa S1 và S2 truyền tới đồng pha và khuếch đại lẫn nhau làm xuất hiện vệt sáng. Ở một điểm A bất kỳ khác chúng có thể truyền tới không đồng pha và tạo thành vùng tối.
Cuộc khai phá quyết định để tìm hiểu hành vi của các sóng ánh sáng do J. C. Maxwell thực hiện. Năm 1864, ông liên kết được tất cả các hiện tượng điện, từ và quang học về một mối : ''Ánh sáng là kích thích điện từ lan truyền qua trường và tuân theo các định luật điện từ”.
Sang thế kỷ XX một lần nữa lại nổ ra một cuộc cách mạng vật lý học. Albert Einstein cho rằng sóng ánh sáng phát xạ không liên tục, mà theo từng suất gọi là lượng tử (quan - tum theo tiếng Latinh là ''một lượng'') mà ông gọi là photon (gốc tiếng Hy Lạp: pho hoặc photos là ''ánh sáng'') (xem phần ''Lý thuyết lượng tử mới''). Thế là các nhà vật lý đã đi tới quan niệm rằng ánh sáng vừa là sóng, vừa là hạt. Trong một số điều kiện thì các tính chất hạt của ánh sáng là nổi trội, áp đảo, còn trong một số điều kiện khác thì vai trò chính là thuộc về tính chất sóng.
ISAAC NEWTON: “QUANG HỌC, HAY KHẢO LUẬN VỀ PHẢN XẠ, KHÚC XẠ VÀ MÀU SẮC ÁNH SÁNG”
Cũng giống như ''Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên'' (1687), khảo luận ''Quang học...'' của Newton được in ra ba lần các năm 1704, 1717 và 1721, ngay khi tác giả còn sống. Quyển sách không lớn lắm này quả là dễ hiểu hơn đối với người đương thời so với ''Những nguyên lý...''. Theo bình phẩm của viện sĩ Sergei ivanovich Vavilov nó là ''kiểu mẫu hoàn chỉnh nhất của thực nghiệm vật lý chính xác, thực hiện bằng những phương tiện tối thiểu (chỉ có mấy thấu kính và lăng kính)''. Chính tại đây Newton đã mô tả một thí nghiệm trứ danh: tách tia sáng trắng bằng một lăng kính tam giác.
Nhưng nội dung của ''Quang học'' không chỉ thuần túy là các vấn đề quang học. Newton ''Tôi hình dung khả năng Thượng đế ban đầu ban cho vật chất một hình thức các hạt linh động, rắn, nặng, không thể xuyên thấu, có kích thước và hình dạng, có các tính chất và các tỷ lệ sao cho với không gian mà nó phù hợp hơn cả với mục tiêu Ngài đã định từ trước cho sự sáng tạo thế giới. Các hạt ban đầu ấy là rắn, hết sức rắn hơn mọi vật xốp nào do chúng tạo thành, rắn đến nỗi chúng không thể nào bị đập vụn và chia tách thành các mẩu nhỏ... Không có một thứ lực đã biết nào có thể chia tách cái mà chính Thượng đế đã tạo ra thuở sáng thế''. ''Quang học'' có nội dung thú vị còn vì nó chứa không ít các vấn đề mà chính tác giả còn chưa biết câu trả lời (xem mục phụ ''Nhiệm vụ của môn triết học tự nhiên'').
Là người ủng hộ thành tín cho lý thuyết hạt của ánh sáng, Newton đã viết ''Quang học'' từ quan điểm này và vì thế tác phẩm của ông bị chìm vào quên lãng giữa thời kì thượng phong của thuyết sóng ánh sáng của Young - Fresnel. Theo lời nhận xét của nhà thơ, nhà nghiên cứu tự nhiên Đức vĩ đại Johann Wolfgang Goethe viết năm 1808 về cuốn sách đó: ''Chúng ta còn bắt gặp cái kỳ quan thứ tám ấy của thế giới (ngụ ý cuốn sách quang học'' của Newton) - như một phế tích bị bỏ hoang, có nguy cơ đổ ập xuống, và chúng ta bắt đầu dỡ ngay mái và nóc nhà, để cho mặt trời dù chỉ một lần rọi chiếu vào cái hang ổ cũ kỹ của chuột và cú''. Và chỉ đến thế kỷ XX khi lý thuyết sóng ánh sáng đã theo cách diễn đạt của Vavilov - ''bị các sự kiện dồn đuổi'' và người ta đã khám phá ra bản chất kép sóng - hạt của ánh sáng, ''Quang học'' của Newton mới giành lại được cái vẻ tươi mới bất ngờ.
Câu chuyện viết cuốn ''Quang học'' được Newton tự mô tả khá tỉ mỉ. ''Một phần các lập luận dưới đây về ánh sáng đã được viết theo mong mỏi của một số quý ngài ở Hội Hoàng gia vào năm 1675, ngay bấy giờ đã được gửi cho thư ký Hội và được đọc tại các phiên họp. Phần còn lại thì được thêm vào 12 năm sau đó để bổ sung cho lý thuyết, trừ phần thứ ba của cuốn sách và những câu cuối cùng của phần hai, được lấy từ đám giấy lẻ tẻ rải rác. Để tránh bị lôi cuốn vào các cuộc tranh cãi về các vấn đề ấy, tôi đã trì hoãn không công bố một cái gì, cho tới nay và đáng lẽ tiếp tục gác lại thêm nữa, nếu như sự kiên trì của bạn bè không chinh phục được tôi. Nếu như in ra những hồi ức khác được viết về cùng một đối tượng ấy thì chúng không thể hoàn chỉnh và có thể là được viết trước khi tôi tiến hành tất cả các thí nghiệm được trình bày trong sách này và được tin cậy đến cùng trong mối quan hệ với các định luật khúc xạ và sự cộng các màu sắc''.
THOMAS YOUNG
Người sáng lập lý thuyết sóng của ánh sáng, Thomas Young (1773 - 1829) là một con người thiên phú đa tài. Từ thuở nhỏ ông đã có được những năng khiếu phi thường: hai tuổi đã đọc thông thạo; 4 tuổi thuộc lòng nhiều bài thơ của các thi sĩ Anh và thích ngâm vịnh; 8 - 9 tuổi đã biết làm các chi tiết cho các dụng cụ thí nghiệm vật lý tự thiết kế trên máy tiện; 14 tuổi đã thông thạo nhiều thứ tiếng (cổ Hy Lạp, La tinh, Arập, Italia, Pháp), làm quen với giải tích toán học qua các tác phẩm của Newton vốn không dễ dàng gì khi mới đọc lần đầu. Là sinh viên các Đại học London, Edinburgh, Gottingen, Young học y khoa và vật lý. Từ năm 1800 Young thực tập ở London với tư cách bác sĩ. Những năm 1801 - 1804 ông đồng thời làm nghề y và giữ chức vụ giáo sư vật lý ở học viện Hoàng Gia.
Vào năm 1778 Benjamin Thompson, tức bá tước Rumford đã đề nghị ''thành lập ở thủ đô đế quốc Anh một học viện xã hội hóa để truyền bá kiến thức hỗ trợ ứng dụng các cải tiến cơ khí hữu ích đồng thời để giảng dạy các bài giảng và trình diễn thực nghiệm, khích lệ ứng dụng khoa học vào giải quyết các bài toán sinh động của đời thường''. Học viện Hoàng gia khai giảng năm 1779 và thực hiện sứ mạng cao cả của mình cho đến ngày nay. Trong số giáo sư của viện có nhà thực nghiệm vĩ đại Michael Faraday. Các bài giảng của Young xuất bản năm 1807 gồm 2 tập có tên là ''Bài giảng về triết học tự nhiên và nghệ thuật cơ khí”.Từ 1811 Young hành nghề thày thuốc ở bệnh viện Thánh George ở London, đồng thời từ 1818 làm thư ký ban kinh tuyến (ông đã hiệu đính và xuất bản ''Lịch hàng hải'').
Young, với tư cách một nhà vật lý, nổi tiếng hơn cả do sự chứng minh bản chất sóng của ánh sáng, từng làm lu mờ các luận giải của Newton về bản chất hạt của ánh sáng trong một thời gian dài, cho đến khi Einstein đưa ra lý thuyết lượng tử của hiệu ứng quang điện. Vào năm 1793 khi nghiên cứu sự nhạy cảm thị giác, Young giải thích sự điều tiết (sự điều chỉnh của mắt để đạt được độ nét) bằng sự biến thiên độ cong của thủy tinh thể. Ông đã lập ra lý thuyết cảm thụ màu sắc. Vào năm 1803 ông tiến hành đo bước sóng ánh sáng màu sắc khác nhau và thu được kết quả 0,42
cho ánh sáng tím và 0,7 cho ánh sáng đỏ). Các quan điểm về quang học và âm học được Young trình bày trong công trình ''Thực nghiệm và các bài toán âm và ánh sáng'' (1800) trong đó phát biểu dứt khoát sự ủng hộ lý thuyết sóng về ánh sáng, lần đầu tiên nhận ra sự mạnh lên hay yếu đi của sóng âm khi chúng giao thoa, phát biểu nguyên lý chồng chất các sóng (thuật ngữ interference nghĩa là giao thoa cũng do Young đưa ra). Vào năm 1801 nhà bác học đã giải thích sự giao thoa và bằng cách ấy đã chứng minh về bản chất sóng của ánh sáng. Từ đó mọi hiện tượng sinh ra giao thoa và nhiễu xạ mặc nhiên được coi là có tính chất sóng.Vào năm 1802 Young hoàn thành thực nghiệm trình diễn đầu tiên về giao thoa ánh sáng từ hạt nguồn đồng bộ. Năm 1817 ông đã chứng minh tính ngang của sóng ánh sáng. Trong lý thuyết đàn hồi, có đại lượng gắn liền tên tuổi Young - suất (hay mođun) Young - đặc trưng tính chịu nén giãn của vật liệu.
Tài năng đa dạng của Young đã in dấu ấn lên tất thảy mọi thứ mà ông nghiên cứu, dù trong y học, vật lý, hội họa, âm nhạc hay triết học. (Người ta kể rằng ông còn có tài nhảy múa trên dây!). Chính Young đã nêu quan điểm cho rằng các chữ tượng hình vẽ trên phiến đá Rosetta (do sĩ quan của Napoleon tìm ra năm 1799 trong thời gian cuộc viễn chinh Ai Cập) là các ký hiệu phát âm. Đoán nhận ấy đã giúp nhà Ai Cập học người Pháp Jean - Francois Champollion giải mã các chữ tượng hình Ai Cập khi nghiên cứu các dòng chữ bằng ba thứ ngữ trên hòn đá Rosetta.
