Thứ Sáu, 19 tháng 2, 2016

Bản chất lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng (P2)

Ánh sáng có tính hạt bởi thực sự nó là hạt. Chúng có tính sóng bởi sự dao động của các hạt ánh sáng tạo ra sóng, tần số dao động của hạt ánh sáng tạo nên tần số ánh sáng. Ánh sáng lan truyền dưới dạng sóng, còn bản thân các hạt ánh sáng chỉ di chuyển dưới dạng dao động xung quanh một vị trí nào đó và không hoàn toàn cố định trong không gian. Năng lượng trong ánh sáng được truyền từ hạt ánh sáng này tới hạt ánh sáng khác khi các hạt ánh sáng tương tác với nhau và được truyền sang các hạt không phải ánh sáng khi hạt ánh sáng dao động va chạm với các hạt đó. Như vậy sóng ánh sáng là cái mang năng lượng trong ánh sáng đi xa chứ không phải là hạt ánh sáng. Sự va chạm của các hạt ánh sáng với các electron không phải là liên tục và tần số và chạm phụ thuộc và tần số ánh sáng, năng lượng mà các electron nhận được phụ thuộc vào số lần va chạm. Điều này giải thích tại sao có hiện tượng quang điện và hiện tượng này chỉ xảy ra trong một số điều kiện nhất định. Năng lượng được sóng ánh sáng truyền tải, vì vậy có thể nói rằng bản chất của ánh sáng là sự di chuyển của dòng năng lượng dưới dạng sóng được tạo ra từ dao động của các hạt ánh sáng.

Tính chất không cố định của môi trường hạt ánh sáng được tạo ra do tính rời rạc của các hạt ánh sáng. Do tính không cố định này mà môi trường hạt ánh sáng có thể bị các hạt của các môi trường khác thâm nhập làm cho mất tính đồng nhất và ngược lại. Khi chịu sự thâm nhập của các hạt khác, khoảng cách giữa các hạt ánh dãn rộng ra, thời gian tác động lẫn nhau giữa các hạt ánh sáng tăng lên và do đó tốc độ ánh sáng giảm xuống. Đây là nguyên nhân của hiện tượng chiết quang, tốc độ của ánh sáng giảm xuống trong một số môi trường vật chất trong suốt.

Tính chất không cố định của môi trường hạt ánh sáng còn tạo nên khả năng một phần của môi trường ánh sáng có thể tách bởi một hộp kín và nếu hộp kín đó di chuyển sẽ mang theo phần môi trường đó. Trong phần môi trường đang di chuyển này, tốc độ ánh sáng đo được không có gì khác với tốc độ ánh sáng trong môi trường hạt ánh sáng đứng yên và không chịu tác động nào của tốc độ di chuyển của môi trường. Sự việc này giống với việc mở nhạc trong một toa tàu kín đang di chuyển vậy. Âm thanh sẽ không chiụ tác động của sự di chuyển của toa mà thay đổi tốc độ lan truyền trong không khí bên trong toa tàu hay tác động của sự di chuyển của toa tàu đã bị tốc độ di chuyển của khối không khí trong toa tàu triệt tiêu..

Tia sáng trong thí nghiệm của Michelson-Morley cũng di chuyển trong một môi trường hạt ánh sáng đang di chuyển ( thí nghiệm này được tiến hành trong hầm kín) và nó không chịu tác động của tốc độ di chuyển của trái đất, do đó nó không hề bị thay đổi tốc độ để tạo nên vân giao thoa trong giao thoa kế. Không hề có sự co lại của khoảng cách và cũng chẳng có sự dãn ra của thời gian trong thí nghiệm này. Điều này được chứng minh cả về mặt toán học. Sóng ánh sáng là một sóng cơ học và nó cũng giống như sóng cơ học khác là âm thanh. Chúng chỉ khác nhau về môi trường truyền sóng. Khi ánh sáng di chuyển dưới dạng sóng, chúng sẽ bị khúc xạ tại những mặt phân cách giữa hai môi trường truyền sóng và đường đi của tia sáng trong vũ trụ sẽ bị bẻ cong bởi lớp khí quyển của bất kỳ thiên thể nào có lớp khí quyển trong bao quanh. Mặt trời cũng có lớp khí quyển bao quanh và do đó tia sáng của các ngôi sao chiếu qua lớp khí quyển này cũng bị bẻ cong giống như có một lực nào đó tác động lên tia sáng đó vậy. Bản chất của sự uốn cong các tia sáng đi gần mặt trời là sự khúc xạ chứ không phải là do tác dụng của thấu kính hấp dẫn.

Môi trường hạt ánh sáng tràn đầy vũ trụ để sóng ánh sáng lan truyền khắp không gian vũ trụ. Hạt ánh sáng có khối lượng ngay cả trong trạng thái dừng. Điều này sẽ được khẳng định khi xác định được rằng một trong các thành phần của vật chất tối, loại vật chất chiếm tới 70% khối lượng vũ trụ, là các hạt ánh sáng.

Khi nào ánh sáng thể hiện tính sóng khi nào thể hiện tính hạt?

Như phần trên đây đã trình bày, sự di chuyển của ánh sáng là sự di chuyển của sóng và điều này thể hiện tính sóng của ánh sáng. Sóng ánh sáng mang theo năng lượng. Mặt khác, với tính chất di chuyển với tốc độ là một hằng số cho thấy không có hạt ánh sáng di chuyển bởi hạt ánh sáng có khối lượng hoặc sẽ có khối lượng khi chuyển trạng thái từ đứng yên ( hoặc chuyển động chậm) lên tốc độ ánh sáng đo được trong thí nghiệm Michelson-Morley cần có một quá trình gia tốc. Sự xuất hiện quá trình này sẽ phủ nhận tính hằng số của vận tốc ánh sáng. Chuyển động sóng là chuyển động phi vật chất nên nó không đòi hỏi phải có quá trình gia tốc nhưng cần có môi trường vật chất đàn hồi. Các hiện tượng quang điện chứng tỏ rằng ánh sáng có tính hạt. Như vậy các hạt ánh sáng bị bỏ lại trong quá trình di chuyển của tia sáng. Vậy vai trò của hạt ánh sáng là gì? Câu trả lời khả dĩ nhất là các hạt ánh sáng tạo nên môi trường đàn hồi và sự dao động của chúng tạo nên sóng ánh sáng, tần số dao động của chúng tạo nên bước sóng ánh sáng. Với quan niệm này chúng ta có thể phát biểu định nghĩa và cũng là bản chất của ánh sáng:

“Ánh sáng là sự di chuyển của năng lượng dưới dạng sóng được tạo nên từ sự dao động của một tập hợp các lượng tử ánh sáng ( hay các hạt photon)”

Với tính chất là hạt điện từ vừa hút vừa đẩy lẫn nhau, các photon tạo nên môi trường đàn hồi cho sóng ánh sáng di chuyển, các hạt photon không di chuyển theo tia sáng mà chỉ dao động xung quanh vị trí của nó. Với định nghĩa này, ánh sáng bảo toàn được cả tính chất sóng và hạt, do đó thoả mãn được sự giải thích đồng thời các hiện tượng ánh sáng do cả hai tính chất này của ánh sáng tạo nên. Tần số dao động của hạt tạo nên bước sóng ánh sáng và trong môi trường đồng nhất tia sáng truyền theo đường thẳng, và khi có một tác động nào đó làm cho một hoặc nhiều hạt photon thay đổi phương dao động sẽ tạo nên hiện tượng khúc xạ hoặc tán xạ, tia sáng không đi theo đường thẳng ban đầu và tia nào có bước sóng càng lớn thì khả năng lệch hướng càng cao. Sự hấp thụ năng lượng của các điện tử trong hiện tượng quang điện không phải là sự hấp thụ các hạt photon mà là sự tiếp nhận năng lượng từ hạt photon trong mỗi lần chúng va chạm vào nhau theo chu kỳ dao động của chúng.

Thuyết tương đối đã coi sự di chuyển của ánh sáng là sự di chuyển của các photon hay các hạt ánh sáng và bỏ qua môi trường truyền sóng, đồng thời vẫn giữ lại tính hằng số của tốc độ ánh sáng. Những quan niệm này dẫn đến những mâu thuẫn và không phù hợp với những quan sát trong thực tế: đó là ánh sáng thể hiện tính chất sóng trong sự di chuyển. Do di chuyển dưới dạng sóng nên ánh sáng không cần gia tốc và không có quán tính, đây là hai điều kiện để đảm bảo tính chất hằng số của tốc độ ánh sáng. Ngược lại, bất kỳ một hạt vật chất nào có khối lượng ( hoặc sẽ có khối lượng khi di chuyển ?) đều có quán tính và do đó có gia tốc khi thay đổi trạng thái chuyển động, hay tốc độ của nó sẽ không phải là một hằng số. Mâu thuẫn trong quan niệm của thuyết tượng đối là mâu thuẫn giữa tính hằng số của tốc độ với tính chất là hạt di chuyển của ánh sáng. Huyghens, nhà bác học đầu tiên xây dựng lý thuyết sóng ánh sáng đã phản đối sự di chuyển của ánh sáng dưới dạng hạt. Ông đã cho rằng nếu ánh sáng di chuyển dưới dạng hạt thì các tia sáng có thể va chạm vào nhau, có nghĩa là khi mắt đang quan sát một vật mà có một chùm tia sáng mạnh chiếu ngang qua các tia sáng đang đi từ vật tới mắt sẽ làm cho các tia này bị lệch hướng, hình ảnh của vật sẽ biến mất. Nhưng thực tế điều này không xảy ra. Kết hợp điều này với tính chất tốc độ di chuyển là hằng số trong môi trường đồng nhất đã củng cố chắc chắn tính chất di chuyển dưới dạng sóng của ánh sáng. Quan niệm các hạt photon dao động để tạo nên sóng ánh sáng đã xác rằng chúng di chuyển trong giới hạn của một khoảng cách nhỏ ( sự di chuyển của hạt), do đó chúng cũng có thể có va chạm với các hạt, các vật thể khác trong môi trường gây nên các hiện tượng tán xạ, phản xạ và khúc xạ.

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét