TT&HĐ V - 43/a

 

Hiện tượng giao thoa ánh sáng

PHẦN V:     THỐNG NHẤT 

"Khoa học là một sức mạnh trí tuệ lớn nhất, nó dốc hết sức vào việc phá vỡ xiềng xích thần bí đang cầm cố chúng ta."
Gorky 

 

"Mỗi một thành tựu lớn của nhà khoa học chính là xuất phát từ những ảo tưởng táo bạo". 
JohnDewey

"Chân lý chỉ có một, nó không nằm trong tôn giáo, mà nằm trong khoa học."
Leonardo da Vinci
 

"Cái khó hiểu nhất chính là hiểu được thế giới" 

Albert Einstein

 "Có hai cách để sống trên đời: một là xem như không có phép lạ nào cả, hai là xem tất cả đều là phép lạ".

Albert Einstein

      

“Chính qua cuộc đấu tranh nhằm thống nhất một cách hợp lý cái đa dạng mà đã đạt được những thành công lớn nhất, dù rằng chính ý đồ đó có thể gây ra những nguy cơ lớn nhất để trở thành con mồi của ảo vọng”.

Albert Einstein

“Người nhìn thấy cái đa dạng mà không thấy cái đồng nhất thì cứ trôi lăn trong cõi chết”.

Upanishad       

CHƯƠNG IV (XXXXIII): ÊTE

“Một con người có thể thành công trong bất cứ việc gì nếu anh ta đổ vào đó một lòng nhiệt thành vô hạn”.

Charles Schwab

“Nếu toán học quắc thước, ngạo nghễ và hùng vĩ như những kim tự tháp Ai Cập thì vật lý học uyển chuyển, lúc điềm tĩnh lúc cuồn cuộn dâng trào như dòng sông Nin và chúng hợp thành một quang cảnh hiện thực khách quan vô cùng sinh động, vừa sáng lạn, vừa kỳ bí, được tạo dựng bởi thiên nhiên hoang dã và sự cộng tác sáng tạo của lý trí loài người”.

Thầy Cãi

“Đôi lúc cuộc sống thật khắc nghiệt, rắn như thép đã tôi. Nó có những lúc ảm đạm và đau đớn. Như bất cứ một dòng chảy nào của một con sông, cuộc sống có những lúc khô cạn và những khi triều cường. Cũng như sự thay đổi theo chu kỳ từ trước đến nay của các mùa, cuộc sống có cái ấm áp dễ chịu của những mùa hè và cái rét buốt của những mùa đông…Nhưng chúng ta có thể tự nâng mình lên khỏi nỗi chán chường và tuyệt vọng, vươn đến sự vui vẻ của hy vọng và biến đổi các thung lũng hoang vắng, tăm tối thành những lối đi chan hoà ánh nắng của sự thanh bình sâu lắng”.
 MARTIN LUTHER KING 

"Sai lầm lớn nhất của Anhxtanh là tin theo quan niệm coi thời gian như vật chất, có thể co giãn được và hòa quyện vào không gian được. Do đó nếu ngày nay học thuyết tương đối trở thành cơ sở chủ yếu cho nhận thức vật lý học về Vũ Trụ, thì tương lai nó chỉ còn là một huyền thoại của một thời ảo mộng. Có thể coi không gian và thời gian quan hệ khăng khít như hình với bóng, như thể xác với linh hồn, nhưng phải được phân biệt dứt khoát với điều kiện tiên quyết: không có hình thì không có bóng, không có thể xác thì tuyệt đối không có linh hồn".
NTT

"Tất cả mọi điều trên thế giới này đều được hy vọng làm nên".  

MARTIN LUTHER KING

Tin vào quan niệm của Đềcác, Huygens cũng cho rằng Vũ Trụ lấp đầy một chất nào đó. Theo ông, chất nền đó là một chất rất tinh tế, huyền bí vì không thể cảm giác nó được, không trọng lượng nhưng đàn hồi… Ông cũng gọi chất ấy theo người xưa là “ête”. Trên cơ sở quan niệm đó, Huygens đã xây dựng nên thuyết sóng ánh sáng của mình. Theo thuyết này, nguồn sáng bao gồm vô số các hạt rung động. Các hạt này truyền rung động của chúng tới các hạt ête bên cạnh dưới dạng các sóng cầu và các hạt ête đó lại tiếp tục truyền đi như kiểu sóng nước. Ở gần nguồn sáng, vô số các sóng cầu chồng chập nhau gây ra sự hỗn loạn, nhưng càng ra xa nguồn sáng sóng truyền càng trở nên đều đặn và trơn tru hơn. Thuyết truyền ánh sáng theo phương thức dao động sáng của Huygens đã giải thích được các hiện tượng phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ ánh sáng.

Hào quang của Niutơn đã làm cho thuyết hạt về ánh sáng của ông thắng thế, dìm thuyết sóng ánh sáng của Huygens vào bóng tối. Mãi đến năm 1801, nhà vật lý học tên là Thomas Young (1773-1829) đã trình bày một thí nghiệm nổi tiếng tại Royal Society, phát hiện ra hiện tượng kỳ lạ: khi hai chùm sáng qua hai khe hẹp thì tại cùng một vị trí chúng chồng chập nhau trên màn hình, xuất hiện những dải sáng hơn và tối hơn nằm xen kẽ nhau. Dựa trên thuyết hạt về ánh sáng của Niutơn, không thể giải thích được hiện tượng này, mà chỉ có thể dựa trên thuyết sóng ánh sáng của Huygens. Đó chính là hiện tượng giao thoa ánh sáng. Thế là Young đã là người Anh đầu tiên đứng lên bênh vực cho thuyết sóng ánh sáng và đồng thời phủ nhận thuyết hạt ánh sáng của Niutơn, người mà tên tuổi đã gây sự kính phục đến cuồng tín trong giới vật lý học thời bấy giờ. Ở Anh và Pháp, lập trường về bản chất hạt của ánh sáng chẳng có gì suy suyển sau những phát hiện phi thường của Young. Một số người còn chỉ trích mạnh mẽ. Có người còn nói toạc rằng: “Thật khó có thể coi là nghiêm túc đối với một tác giả mà trí tuệ chỉ bận tâm đến một môi trường mà bản chất dao động của nó liên tục biến đổi (ám chỉ đến ête – NV), (…), một tác giả không cho thấy bất kỳ dấu hiệu nào về sự hiểu biết, sáng suốt hay chân thực để có thể bù lại sự thiếu hụt rành rành khả năng tư duy vững chắc”.

Christiaan Huygens
Christiaan Huygens
Sinh	14 tháng 4, 1629 Den Haag, Hà Lan
Mất	8 tháng 7, 1695 (66 tuổi) Den Haag, Hà Lan
Nơi cư trú	Hà Lan,  Pháp
Ngành	Vật lý và Toán học
Alma mater	Đại học Leiden Đại học Orange
Nổi tiếng vì	Đồng hồ quả lắc Nguyên lý Huygens-Fresnel

Thomas Young
Sinh	13 tháng 6, 1773 Milverton, Somerset, England
Mất	10 tháng 5, 1829 (55 tuổi) London, Anh
Tôn giáo	Quaker
Ngành	vật lý sinh lý học Ai Cập học
Nổi tiếng vì	Lý thuyết sóng ánh sáng Thí nghiệm giao thoa Young Chứng loạn thị Lý thuyết Young–Helmholtz thang nhiệt độ Young
Chữ ký

Augustin-Jean Fresnel
Sinh	10 tháng 5 năm 1788 Broglie, Eure, Pháp
Mất	14 tháng 7, 1827 (39 tuổi) Ville-d'Avray, Pháp
Ngành	Vật lý Kỹ thuật
Alma mater	Trường Bách khoa Paris
Nổi tiếng vì	Quang học sóng
Giải thưởng	Huy chương Rumford năm 1824

Vì thế mà phát hiện của Young có nguy cơ chìm nghỉm vào quên lãng. 

Nhưng đúng là trời xui đất khiến, ở Pháp xuất hiện ngay một tài năng vật lý xuất chúng, đóng vai là chàng kỹ sư cầu đường, tên là Frênen (Augustin Fresnel, 1788-1827). Frênen là người Pháp, không biết tiếng Anh nên cũng không hề biết những nghiên cứu của Young ở bên kia eo biển Măngxơ. Nhà vật lý trẻ tuổi này đã có linh cảm về tính đúng đắn của thuyết sóng ánh sáng nên đã chú tâm nghiên cứu theo hướng này và một cách độc lập với các kết quả của Young, tái phát hiện bản chất sóng và các định luật giao thoa của ánh sáng, hơn nữa, còn xây dựng được cho chúng một cơ sở toán học vững chắc. Frênen tuyên bố rằng, ánh sáng là một dao động của ête, ly độ của dao động này thay đổi không phải theo phương lan truyền sóng mà trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng, do đó, tương tự như sóng nước, sóng đó phải là sóng ngang. Chính những chứng minh toán học đầy thuyết phục của Frênen đã phủ định thuyết hạt về ánh sáng của Niutơn và khẳng định thuyết sóng ánh sáng.

Lịch sử đã ghi lại được một biểu hiện hết sức đẹp đẽ, cao quí của tâm hồn con người. Ngay khi biết đến các nghiên cứu của Young, Frênen đã không ngần ngại báo tin: “Tôi đã nhiều lần vui vẻ thừa nhận trước công chúng rằng tôi đã đi sau các nghiên cứu của ngài”. Còn Young thì đáp lại, xác nhận các phát biểu của Frênen là có tính độc lập và cũng rất độc đáo: “Lần đầu tiên tôi rất vui sướng được nghe về một nghiên cứu quang học do ngài Frênen trình bày, người đã tái phát hiện các định luật giao thoa bằng các nỗ lực riêng của mình”.

Kết luận của Frênen về sóng ánh sáng là sóng ngang đã giải quyết được nhiều hiện tượng của sự truyền sáng, song lại gây ra một mắc mứu ghê gớm đối với quan niệm về sự tồn tại của ête. Young chính là người thấy rất rõ mâu thuẫn đó nên vào năm 1823, ông viết: “Giả thuyết của ngài Frênen chí ít cũng rất tài tình và cho phép thực hiện các tính toán một cách thỏa đáng. Nhưng nó cũng dẫn chúng ta đến một kết luận rụng rời: ête choán toàn bộ không gian không chỉ hoàn toàn đàn hồi, mà nó cũng phải rất rắn!”.

Tại sao vậy? Vì sóng ngang chỉ có thể truyền trong các môi trường rắn và đàn hồi. Môi trường càng đàn hồi và càng rắn thì vận tốc truyền sóng càng cao. Vận tốc truyền sáng được xác nhận là rất lớn, do đó ête phải là một khối có thể là trong suốt nhưng phải rất rắn. Nhưng trong hiện thực đâu có thấy như vậy?

Young không phải là người đầu tiên nói đến tính rắn của ête. Sau khi xây dựng thuyết sóng ánh sáng, Huygens cũng đã thừa nhận rằng các hạt ête rắn đến mức chúng truyền mọi nhiễu động hầu như tức khắc. Một môi trường đầy những hạt ête rắn như thế sẽ phải có một sức căng rất lớn, đồng thời khối lượng của nó phải rất nhỏ. Người ta đã chứng minh được: vận tốc truyền sóng tỷ lệ thuận với căn bậc hai của tỷ số giữa sức căng và khối lượng của môi trường. Ngay từ năm 1746, Ơle đã cho biết: so với không khí, ête phải “nhẹ” hơn 100 triệu lần và có sức căng lớn hơn 1000 lần.

Một Vũ Trụ lấp đầy bằng một môi trường ête có tính chất như thế lại cho phép các thiên thể, hành tinh chuyển động xuyên qua nó dễ dàng, không bị một cản trở nào rõ ràng là phi hiện thực. Và đây cũng chính là mắc mứu vô cùng nan giải đối với các nhà vật lý đặt niềm tin vào sự tồn tại của ête.

Sau Ơle, có rất nhiều nhà vật lý hình dung ra những mô hình ête khác nhau nhằm né tránh cái mắc mứu chết người ấy nhưng chưa đi đến đâu cả. Thuyết sóng ánh sáng của Huygens được Frênen xác nhận một cách thuyết phục và nếu thừa nhận nó thì phải thừa nhận ête. Tình hình lúc đó có thể nói là không một ai dám phủ nhận ête nhưng cũng không có ai hình dung được một cách hợp lý, phi mâu thuẫn về nó.

Vào đầu thế kỷ XVIII, các nhà vật lý thiên văn đã biết đến hiện tượng tinh sai. Hiện tượng tinh sai là hiện tượng: khi muốn quan sát một ngôi sao bất động nào đó thì không phải hướng trục kính thiên văn vào đúng ngôi sao đó mà phải hướng lệch đi một góc  theo chiều chuyển động của Trái Đất xung quanh Mặt Trời. Để giải thích hiện tượng, các nhà thiên văn cho rằng, ête “thấm” trong khí quyển Trái Đất vẫn đứng yên trong không gian tuyệt đối, không bị Trái Đất kéo theo và như vậy, tinh sai là do chuyển động tương đối giữa Trái Đất và ête gây ra. Trên cơ sở lý thuyết đó, họ đã tính được góc lệch và điều đáng nói là nó phù hợp với thực nghiệm.

Đến giữa thế kỷ XIX, Phidô đã thực hiện một thí nghiệm nổi tiếng để đo vận tốc ánh sáng trong một chất lỏng chuyển động. Kết quả đo được đã không phù hợp với tính toán theo phép tổng hợp vận tốc của cơ học Niutơn. Do đó mà Phidô phải đi đến một giả thuyết hình thức là ete bị chất lỏng chuyển động kéo theo một phần.

Farađây cũng tin vào sự tồn tại của ête khi ông khẳng định sự có thực của đường sức và đến với khái niệm trường. Và cả Mắcxoen cũng vậy, đến năm 1878, nghĩa là cả chục năm sau khi xây dựng xong lý thuyết trường điện từ, còn viết: “Dù thật khó để có một hình dung hữu lý về ête, nhưng không thể nghi ngờ là trong không gian của Vũ Trụ phải đầy ngập một chất liệu vật chất hay một thứ gì đó như thế”.

Nói chung, vào những năm cuối thế kỷ XIX, nhất là sau khi thuyết trường điện từ ra đời và bản chất điện từ của sóng ánh sáng được phát hiện thì không còn một ai nghi ngờ về sự tồn tại của ête nữa. Nhiệm vụ của các nhà vật lý lúc này đối với ête là tìm cách phát hiện ra nó, xây dựng mô hình xác đáng cho nó và tiến tới thiết lập biểu diễn định lượng về nó. Có một hướng nghiên cứu được nhiều nhà vật lý quan tâm và có vẻ khả thi hơn cả. Đó là tiến hành thực nghiệm đo chuyển động của Trái Đất so với ête. Mắcxoen là người cũng rất quan tâm tới vấn đề này. Ông đã nêu ra một sáng kiến thực hành thí nghiệm đo chuyển động của Trái Đất đối với ête và gửi nó cho một nhà thiên văn quen biết và được công bố năm 1880, tức là sau khi Mắcxoen đã mất một năm.

Về mặt nguyên tắc, có thể dựng được một thí nghiệm như vậy, nhưng đòi hỏi độ chính xác của dụng cụ đo phải rất cao, vào cỡ . Mắcxoen nghĩ rằng rất khó mà chế tạo được một dụng cụ đo có độ chính xác cao như thế. Ấy vậy mà chỉ một năm sau, một người tên là Maikenxơn đã tiến hành cuộc thí nghiệm đầu tiên theo nguyên tắc mà Mắcxoen đã đề xướng.
(Còn tiếp)
------------------------------------------------------------------