TẠI SAO LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG KHÔNG PHẢI LÀ
CÁC HẠT VẬT CHẤT, CŨNG KHÔNG PHẢI LÀ SÓNG?
Lượng tử ánh sáng còn được gọi là proton. Danh từ này được nêu ra lần đầu tiên trong bài luận văn nổi tiếng được Anhxtanh phát biểu công khai vào năm 1905, từ những thành công to lớn của học thuyết proton nên vào năm 1921, Anhxtanh đã nhận giải thưởng Nobel về vật lý.
Vậy rốt cục lượng tử ánh sáng là gì? Trong cuộc sống hàng ngày, ánh sáng là thứ mà mọi người quen thuộc nhất. Nếu không có ánh sáng, con người dường như không thể sống được. Nhưng để nhận biết ra bản tính của ánh sáng, con người phải bước qua con đường đầy gian nan và khúc khủy.
Lấy lý luận của Newton làm đại điện, ông cho rằng, vật thể phát sáng là vì nó phát xạ ra dòng hạt của ánh sáng, chúng ta có thể nhìn thấy ánh sáng là vì những hạt này rơi xuống mắt tạo nên thị giác. Dựa theo lý luận này, người ta đã giải thích hiện tượng phản xạ của ánh sáng là kết quả của các hạt ánh sáng sinh ra sự va đập có tính đàn hòi trên mặt phản xạ.
Tuy nhiên, Huyghens người cùng thời đại với Newton lại cho rằng, ánh sáng mà vật thể phát ra là một dạng dao động. Dạng dao động này không giống với sóng âm thanh và sóng nước mà con người thường quan sát thấy, chúng đều có giới chất của dao động truyền, giới chất truyền của sóng âm thanh là không khí hoặc chất lỏng và chất rắn khác, còn sóng ánh sáng lại được truyền trong chân không, nói cách khác sóng ánh sáng lấy chân không làm giới chất.
Hai lý luận này vừa mới bắt đầu đã có mâu thuẫn, nhưng do danh cao vọng trọng của Newton trong giới khoa học nên các hạt nhỏ của ánh sáng giữ vị trí thống trị trong thời gian dài. Mãi đến đầu thế kỷ XIX; sự can thiệp, nhiễu xạ và hiện tượng phân cực của ánh sáng mà Dương Thị, France và Feici phát hiện ra hoàn toàn trùng hợp với dao động sóng của Huyghens, còn các hạt ánh sáng của Newton lại không thể giải thích được hiện tượng này.
Cùng với sự phát triển của máy đo quang học, lý luận quang học cũng có những tiến triển rất lớn. Marksvey đã chứng minh dao động là một dạng sóng điện từ, lý luận dao động của ánh sáng dường như được chứng minh hoàn toàn bằng các thí nghiệm, cách nói ánh sáng là dao động được con người tiếp nhận một cách phổ biến.
Nhưng, lý luận ánh sáng là dao động lại không có tác dụng trước những kết quả thí nghiệm về hiệu ứng quang điện. Cái mà hiệu ứng quang điện chỉ ra là: khi chiếu ánh sáng lên bề mặt kim loại sẽ làm cho các hạt điện bắn ra từ kim loại. Ngay từ năm 1872, Stalinov thuộc trường đại học Maxcơva đã phát hiện ra hiện tượng này, sau này nhà vật lý học Hezz là Lenade, người Đức cũng đã tiến hành nghiên cứu về hiện tượng này. Khi mọi người thử lượng dao động ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện, kết luận mà họ có được là: khi cường độ ánh sáng tăng, tốc độ các hạt điện bắn ra từ kim loại cũng tăng theo. Các kết quả thí nghiệm cũng chứng tỏ rằng, khi ánh sáng chiếu với cùng một tần suất, cho dù cường độ ánh sáng lớn đến mức nào thì tất cả các hạt điện quan sát được đều có tốc độ như sau, nói cách khác, tốc độ các hạt điện bắn ra từ kim loại không có quan hệ gì với cường độ ánh sáng? Hơn nữa khi tần suất ánh sáng đạt đến giá trị mai nào đó mới có thể làm cho các hạt điện bắn ra khỏi kim loại dưới điều kiện ánh sáng chiếu vào, hơn nữa việc có thể bắn các hạt điện ra khỏi kim loại hay không lại có quan hệ với tần suất ánh sáng, tức là khi chiếu xạ bằng ánh sáng màu tím, tốc độ các hạt điện bay ra lớn hơn tốc độ các hạt điện bay ra khi chiếu xạ bằng ánh sáng đỏ. Vì vậy cách nói ánh sáng là dao động đã gặp phải nhiều khó khăn trong các thí nghiệm.
Bằng tư duy sáng tạo của mình Anhxtanh đã khảo sát hiệu ứng quang điện từ các góc độ khác nhau. Ông nêu ra lý luận ánh sáng là lượng tử ánh sáng. Dựa theo lý luận này, năng lượng của ánh sáng được tạo thành từ những phần năng lượng đơn nguyên nhỏ nhất và không liên tục, còn độ lớn của năng lượng đơn nguyên này lại tỉ lệ thuận với tần suất ánh sáng. Ánh sáng vẫn có tần suất như sự dao động, nhưng ánh sáng còn có đặc tính của các ''hạt'' nhỏ từng đơn nguyên năng lượng. Như vậy ánh sáng chính là một dòng năng lượng, trong đó năng lượng đơn nguyên nhỏ nhất chính là lượng tử ánh sáng (hay proton). Khi ánh sáng chiếu lên bề mặt kim loại, ánh sáng sẽ truyền năng lượng của các proton cho các hạt điện, các proton sẽ mất dần đi, còn các hạt điện lại hút được năng lượng của các proton, thêm vào đó là năng lượng của bản thân nó nên nó có thể bay ra kim loại. Do năng lượng proton chỉ có quan hệ với tần suất ánh sáng nên chi có ánh sáng có tần là suất nhất định lớn hơn mới có thể cung cấp đủ năng lượng để các hạt điện bắn ra khỏi kim loại. Như vậy, lý luận của proton đã gìải thích được hiệu ứng quang điện một cách ngắn gọn, rõ ràng.
Thành công của Anhxtanh đã giúp ông vinh dự nhận giải Nobel, nhưng lý thuyết proton lại lần nữa đặt ra trước mặt mọi người câu hỏi thảo luận có liên quan đến bản tính ánh sáng hơn 100 năm trước, rốt cục ánh sáng là gì? Là dao động hay các hạt nhỏ?
Vậy thì, tại sao ánh sáng mặt trời và ánh sáng của những nguồn sáng khác phát ra lại ổn định, liên tục chứ không phải là từng phần từng phần một? Đó là vì năng lượng của lượng của lượng tử ánh sáng rất nhỏ, dùng toán học để biểu thị ra thì chính là công thức Plăng nổi tiếng E = hv, h hằng số Plăng, h = 6,62618.1034 (J/s), tuy giá trị này nhỏ như vậy, nhưng đối với sự phát triển của vật lý, đối với hiểu biết của con người về đặc tính của ánh sáng thì nó lại có giá trị rất lớn. Giả sử, chúng ta thắp sáng một bóng đèn 25W và coi ánh sáng mà nó phát ra là ánh sáng vàng, vậy thì chùm ánh sáng này đã bao gồm 6.1019 lượng tử ánh sáng, cũng có thể nói chùm ánh sáng này phát ra 6. 1019 lượng tử ánh sáng, cũng có thể nó chùm ánh sáng này phát ra phát ra 6,1019 lượng tử ánh sáng, tức mỗi giấy phát ra 600 tỉ tỉ đơn vị năng lượng. Do mắt người có đặc điểm có thể lưu lại hình ảnh trên thị giác vì thế, khi nhiều lượng tử ánh sáng như vậy và đi với vận tốc nhanh thể truyền tới, mắt người sẽ không nhìn thấy từng phần từng phần của lượng tử ánh sáng mà chỉ nhìn thấy một chùm sáng liên tục.
Có thể thấy, lượng tử ánh sáng là đơn vị nhỏ nhất của năng lượng, nó không phải là hạt vật chất. Mặc dù độ lớn năng lượng của lượng tử ánh sáng và tần số có liên quan tới nhau, nhưng nó cũng không phải là chuyển động sóng mà thông thường chúng ta vẫn thấy.
