Ánh sáng là hạt hay là sóng?

Phát ra từ những ngôi sao xa nhất trên bầu trời cho đến màn hình trước mắt bạn, ánh sáng ở khắp mọi nơi. Nhưng bản chất chính xác của ánh sáng và cách nó truyền đi từ lâu đã khiến các nhà khoa học băn khoăn. Từ Isaac Newton đến Albert Einstein đều đã từng đặt câu hỏi ánh sáng là sóng hay là hạt.

Nhà vật lý học Riccardo Sapienza ở Trường Đại học Hoàng gia London, Anh, nói rằng đây là một câu hỏi đã xuất hiện từ lâu, đặc biệt là trong giới khoa học vào thế kỷ XIX.

Ngày nay, câu trả lời rõ ràng là: ánh sáng vừa là hạt vừa là sóng. Nhưng làm thế nào các nhà khoa học đưa ra kết luận khó hiểu này?

Điều cần làm rõ đầu tiên là phân biệt một cách khoa học giữa sóng và hạt. Nhà vật lý học Sapienza nói rằng "bạn sẽ mô tả một vật là một hạt nếu bạn có thể xác định nó là một điểm trong không gian. Sóng là một vật mà bạn không định nghĩa là một điểm trong không gian mà cần đưa ra tần số dao động và khoảng cách giữa mức tối đa và tối thiểu của sóng."

Năm 1801 là năm chúng ta có bằng chứng thuyết phục đầu tiên về bản chất sóng của ánh sáng. Khi đó, nhà khoa học Thomas Young tiến hành thí nghiệm khe đôi nổi tiếng của ông. Ông đặt một tấm màn có 2 lỗ trước một nguồn sáng và quan sát ánh sáng sau khi nó đi qua các khe. Ánh sáng chiếu vào tường cho thấy một mô hình phức tạp gồm các dải sáng và tối, được gọi là các vân giao thoa.

Khi các sóng ánh sáng đi qua từng lỗ, chúng tạo nên các sóng từng phần tỏa ra hình cầu, giao thoa với nhau và bổ sung hoặc loại trừ để đạt cường độ cuối cùng.

Nếu ánh sáng là một hạt, bạn sẽ có hai chùm ánh sáng ở phía bên kia tấm màn. Nhưng chúng ta thấy có sự giao thoa và ánh sáng ở khắp mọi nơi sau tấm màn chứ không chỉ ở vị trí các lỗ. Đó là bằng chứng cho thấy ánh sáng là sóng.

80 năm sau, nhà khoa học Heinrich Hertz trở thành người đầu tiên chứng minh được bản chất hạt của ánh sáng. Ông nhận thấy rằng khi ánh sáng cực tím chiếu vào bề mặt kim loại, nó sẽ tạo ra điện tích, một hiện tượng gọi là hiệu ứng quang điện. Tuy nhiên, quan sát này của ông không được hiểu đầy đủ cho đến mãi nhiều năm sau đó.

Nguyên tử chứa các electron ở các mức năng lượng cố định. Việc chiếu ánh sáng vào chúng sẽ cung cấp năng lượng cho các electron và làm chúng thoát ra khỏi nguyên tử. Ánh sáng càng mạnh thì các electron càng giải phóng nhanh hơn. Nhưng trong các thí nghiệm tiếp theo nghiên cứu của Hertz, một số kết quả có vẻ như hoàn toàn mâu thuẫn với cách hiểu cổ điển này về vật lý.

Cuối cùng, phải đến lượt Einstein mới giải được câu đố này và nhờ đó ông đã được trao giải Nobel vào năm 1921. Thay vì hấp thụ ánh sáng liên tục từ một sóng, các nguyên tử nhận năng lượng trong các gói ánh sáng gọi là photon, điều này giải thích cho những quan sát tưởng như kỳ lạ, chẳng hạn như sự tồn tại của một tần số ngưỡng.

Nhưng điều gì quyết định ánh sáng hành xử như sóng hay như hạt? Theo nhà vật lý học Sapienza, câu hỏi này không nên đặt ra. Ông nói rằng ánh sáng không phải có lúc là hạt, có lúc là sóng, mà "nó luôn luôn là hạt và sóng". "Chỉ là chúng ta nhấn mạnh một trong hai thuộc tính đó tùy vào thí nghiệm mà chúng ta thực hiện".

Trong cuộc sống hàng ngày, chủ yếu chúng ta cảm nhận ánh sáng dưới dạng sóng và đây cũng là dạng mà các nhà vật lý học thấy hữu ích nhất khi áp dụng.

Theo các nhà khoa học, bằng cách định hình một vật liệu có các đặc điểm giống như ánh sáng, chúng ta có thể tăng cường sự tương tác của ánh sáng với vật liệu và kiểm soát các sóng. Ví dụ, chúng ta có thể chế tạo các chất hấp thụ năng lượng mặt trời có khả năng hấp thụ ánh sáng hiệu quả hơn trong sản xuất năng lượng hoặc chế tạo đầu dò cộng hưởng từ (MRI) hiệu quả hơn rất nhiều.