Chính xác thì Photon là gì?
Hãy tưởng tượng một trục của ánh sáng mặt trời màu vàng chiếu qua cửa sổ. Theo vật lý lượng tử, chùm tia này được tạo thành từ các mảng ánh sáng nhỏ, gọi là photon, truyền trong không khí. Nhưng chính xác thì photon là gì?
Định nghĩa
Một photon là lượng hay lượng tử bức xạ điện từ rời rạc nhỏ nhất. Nó là đơn vị cơ bản của tất cả ánh sáng.
Các photon luôn chuyển động và trong chân không, truyền với tốc độ không đổi đối với tất cả các chiều quan sát là 2,998 x 108 m/s. Điều này thường được gọi là tốc độ ánh sáng, được ký hiệu bằng chữ c.
Theo lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein, các photon có năng lượng bằng tần số dao động của chúng nhân với hằng số Planck. Einstein đã chứng minh rằng ánh sáng là một dòng các photon, năng lượng của các photon này là độ cao của tần số dao động của chúng, và cường độ của ánh sáng tương ứng với số photon. Về cơ bản, ông giải thích cách một dòng photon có thể hoạt động như một sóng và hạt.
Thuộc tính photon
Các tính chất cơ bản của photon:
- Chúng có khối lượng và năng lượng nghỉ bằng không. Chúng chỉ tồn tại dưới dạng hạt chuyển động.
- Chúng là các hạt cơ bản mặc dù thiếu khối lượng nghỉ.
- Chúng không có điện tích.
- Chúng ổn định.
- Chúng là các hạt spin-1 tạo nên chúng là boson.
- Chúng mang theo năng lượng và động lượng phụ thuộc vào tần số.
- Chúng có thể có tương tác với các hạt khác như electron, chẳng hạn như hiệu ứng Compton.
- Chúng có thể bị phá hủy hoặc tạo ra bởi nhiều quá trình tự nhiên, ví dụ như khi bức xạ được hấp thụ hoặc phát ra.
- Khi ở trong không gian trống, chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng.
Môn lịch sử
Bản chất của ánh sáng – cho dù bạn coi nó là hạt hay sóng – là một trong những cuộc tranh luận khoa học lớn nhất. Trong nhiều thế kỷ, các nhà triết học và khoa học đã tranh cãi về vấn đề mà cách đây một thế kỷ vẫn chưa được giải quyết.
Các môn đồ của một nhánh triết học Ấn Độ giáo vào thế kỷ thứ sáu trước Công nguyên tên là Vaishedhika có một trực giác vật lý đáng ngạc nhiên về ánh sáng. Giống như người Hy Lạp cổ đại, họ từng tin rằng thế giới dựa trên ‘nguyên tử’ của đất, không khí, lửa và nước. Bản thân ánh sáng được cho là được tạo ra từ các nguyên tử chuyển động rất nhanh gọi là tejas. Điều đó rất giống với lý thuyết ánh sáng hiện đại của chúng ta và các photon cấu tạo của nó, một thuật ngữ được đặt ra hàng nghìn năm sau vào năm 1926 bởi một nhà hóa học tên là Gilbert Lewis và một nhà vật lý quang học tên là Frithiof Wolfers.
Sau đó, vào khoảng năm 300 trước Công nguyên, nhà vật lý Hy Lạp cổ đại Euclid đã tạo ra một bước đột phá lớn khi ông cho rằng ánh sáng truyền theo đường thẳng. Euclid cũng mô tả các quy luật phản xạ và một thế kỷ sau, Ptolemy đã bổ sung bằng các tác phẩm về khúc xạ. Tuy nhiên, mãi đến năm 1021, các định luật khúc xạ mới được chính thức thiết lập trong tác phẩm Kitab al-Manazir hay Book of Optics của Ibn al-Haytham.
Thời kỳ Phục hưng sẽ mở ra một kỷ nguyên khoa học mới về bản chất của ánh sáng. Đáng chú ý là các cuộc xâm nhập của René Descartes trong một bài luận năm 1637 có tên là La dioptrique, nơi ông lập luận rằng ánh sáng được tạo ra từ các xung truyền ngay lập tức khi tiếp xúc với các ‘quả bóng’ trong một môi trường. Sau đó, khi viết trên tạp chí Traité de la lumière xuất bản năm 1690, Christiaan Huygens coi ánh sáng như sóng nén trong môi trường đàn hồi, giống như sóng áp suất âm thanh. Huygens đã chỉ ra cách tạo ra các sóng ánh sáng phản xạ, khúc xạ và sàng lọc, đồng thời giải thích hiện tượng khúc xạ kép.
Đến thời điểm này, các nhà khoa học đã chia thành hai trại cố thủ. Một bên tin rằng ánh sáng là sóng trong khi quan điểm khác cho rằng ánh sáng là các hạt hoặc tiểu thể. Nhà vô địch vĩ đại của cái gọi là ‘nhà khoa học toán học’ không ai khác chính là Isaac Newton, được nhiều người tin tưởng là nhà khoa học vĩ đại nhất từ trước đến nay. Newton không thích lý thuyết sóng vì điều đó có nghĩa là ánh sáng sẽ có thể đi quá xa vào bóng tối.
Trong phần lớn thế kỷ 18, lý thuyết phân tử thống trị các cuộc tranh luận xung quanh bản chất của ánh sáng. Nhưng sau đó, vào tháng 5 năm 1801, Thomas Young đã giới thiệu với thế giới về thí nghiệm hai khe nổi tiếng hiện nay của ông, nơi ông chứng minh sự giao thoa của sóng ánh sáng.
Trong phiên bản đầu tiên của thử nghiệm, Young thực sự không sử dụng hai khe mà thay vào đó là một thẻ mỏng. Nhà vật lý chỉ đơn giản che cửa sổ bằng một mảnh giấy với một lỗ nhỏ trên đó có nhiệm vụ tạo ra một chùm ánh sáng mỏng. Với lá bài trên tay, Young chứng kiến chùm tia chia đôi như thế nào. Ánh sáng đi qua một mặt của tấm thẻ đã giao thoa với ánh sáng từ mặt kia của tấm thẻ để tạo ra các vân, có thể quan sát được ở bức tường đối diện. Sau đó, Young đã sử dụng dữ liệu này để tính toán các bước sóng của các màu ánh sáng khác nhau và gần với các giá trị hiện đại một cách đáng kể. Cuộc biểu tình sẽ cung cấp bằng chứng chắc chắn rằng ánh sáng là sóng, không phải là hạt.
Trong khi đó, lần này ở Pháp, chuyển động của các tiểu thể ánh sáng đã đạt được hơi nước sau khi những phát triển gần đây cho rằng sự phân cực của ánh sáng là do sự bất đối xứng nào đó giữa các tiểu thể ánh sáng. Họ đã phải chịu một thất bại nặng nề dưới bàn tay của Augustin Fresnel, người vào năm 1821 đã chỉ ra rằng có thể giải thích được sự phân cực nếu ánh sáng là một sóng ngang không có dao động dọc. Trước đây, Fresnel cũng đã đưa ra lý thuyết nhiễu xạ sóng chính xác.
Đến thời điểm này, có rất ít cơ sở ổn định để những người theo Newton tiếp tục tranh luận. Có vẻ như ánh sáng là một làn sóng và đó là điều đó. Vấn đề là ở chỗ, aether huyền thoại – phương tiện bí ẩn cần thiết để hỗ trợ các trường điện từ và tạo ra các định luật lan truyền của Fresnel – đã bị thiếu mặc dù mọi người đã nỗ lực hết sức để tìm ra nó. Thực ra chưa có ai làm vậy.
Một bước đột phá lớn đến vào năm 1861 khi James Clerk Maxwell cô đọng kiến thức lý thuyết và thực nghiệm về điện và từ trong 20 phương trình. Maxwell đã dự đoán về một “sóng điện từ”, có thể tự duy trì, ngay cả trong chân không, khi không có dòng điện thông thường. Điều này có nghĩa là không cần aether để ánh sáng truyền qua! Hơn nữa, ông dự đoán tốc độ của làn sóng này là 310,740,000 m s-1 – đó chỉ là một vài phần trăm giá trị chính xác của tốc độ ánh sáng.
Maxwell viết năm 1865: “Sự thống nhất của các kết quả cho thấy ánh sáng và từ tính là cảm ứng của cùng một chất, và ánh sáng là nhiễu điện từ lan truyền trong trường theo các định luật điện từ”.
Kể từ ngày đó trở đi, lần đầu tiên khái niệm ánh sáng được thống nhất với khái niệm điện và từ.
Vào ngày 14 tháng 12 năm 1900, Max Planck đã chứng minh rằng bức xạ nhiệt được phát ra và hấp thụ trong các gói năng lượng rời rạc – lượng tử. Sau đó, Albert Einstein đã chỉ ra vào năm 1905 rằng điều này cũng áp dụng cho ánh sáng. Einstein đã sử dụng thuật ngữ Lichtquant, hay lượng tử ánh sáng. Giờ đây, vào buổi bình minh của thế kỷ 20, một cuộc cách mạng mới trong vật lý một lần nữa sẽ xoay quanh bản chất của ánh sáng. Lần này, vấn đề không phải là ánh sáng là phân tử hay sóng. Đó là cho dù đó là cả hai hay không.
Lý thuyết hiện đại về ánh sáng và photon
Einstein tin rằng ánh sáng là một hạt (photon) và dòng chuyển động của các photon là một làn sóng. Nhà vật lý người Đức tin rằng ánh sáng có bản chất hạt sau khi ông khám phá ra hiệu ứng quang điện, trong đó các electron bay ra khỏi bề mặt kim loại tiếp xúc với ánh sáng. Nếu ánh sáng là một làn sóng, điều đó đã không thể xảy ra. Một vấn đề khó hiểu khác là quang điện tử nhân lên như thế nào khi có ánh sáng mạnh chiếu vào. Einstein giải thích hiệu ứng quang điện bằng cách nói rằng “bản thân ánh sáng là một hạt”, mà sau này ông nhận được giải Nobel Vật lý.
Điểm chính của lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein là năng lượng ánh sáng có liên quan đến tần số dao động của nó. Ông cho rằng các photon có năng lượng bằng “tần số dao động theo thời gian không đổi của Planck” và năng lượng photon này là độ cao của tần số dao động trong khi cường độ ánh sáng tương ứng với số photon. Các đặc tính khác nhau của ánh sáng, là một loại sóng điện từ, là do hoạt động của các hạt cực nhỏ gọi là photon mà mắt thường không nhìn thấy được.
Einstein suy đoán rằng khi các electron bên trong vật chất va chạm với các photon, vật chất trước sẽ lấy năng lượng của vật chất sau và bay ra ngoài và tần số dao động của các photon va chạm càng cao thì năng lượng electron bay ra càng lớn. Một số bạn có bằng chứng về ý tưởng này trong chính ngôi nhà của mình – đó là các tấm pin mặt trời! Tóm lại, ông ấy đang nói rằng ánh sáng là một dòng các photon, năng lượng của các photon này là độ cao của tần số dao động của chúng, và cường độ của ánh sáng liên quan đến số lượng photon.
Einstein đã có thể chứng minh lý thuyết của mình bằng cách suy ra hằng số Planck từ các thí nghiệm của ông về hiệu ứng quang điện. Các tính toán của ông đưa ra giá trị không đổi của Planck là 6,6260755 x 10-34, chính xác là giá trị mà Max Planck thu được vào năm 1900 thông qua nghiên cứu của ông về sóng điện từ. Rõ ràng, điều này chỉ ra mối quan hệ mật thiết giữa các đặc tính và tần số dao động của ánh sáng dưới dạng sóng và các đặc tính và động lượng của ánh sáng dưới dạng hạt. Sau đó, trong những năm 1920, nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger đã giải thích cặn kẽ những ý tưởng này với phương trình của ông cho hàm sóng lượng tử để mô tả sóng trông như thế nào.
Hơn một trăm năm kể từ khi Einstein chỉ ra bản chất kép của ánh sáng, các nhà vật lý Thụy Sĩ tại École Polytechnique Fédérale de Lausanne đã chụp được bức ảnh chụp nhanh đầu tiên về hành vi kép này. Nhóm nghiên cứu do Fabrizio Carbone dẫn đầu đã thực hiện một thí nghiệm thông minh vào năm 2015, trong đó một tia laser được sử dụng để bắn vào một dây nano, khiến các electron dao động. Ánh sáng truyền dọc theo sợi dây nhỏ bé này theo hai hướng có thể có, giống như ô tô trên đường cao tốc. Khi các sóng truyền ngược chiều gặp nhau, chúng tạo thành một làn sóng mới trông giống như nó đang đứng yên tại chỗ. Tại đây, sóng dừng này trở thành nguồn sáng cho thí nghiệm, tỏa ra xung quanh dây nano. Tia sáng đã bắn ra một chùm electron mới để tạo ra hình ảnh sóng dừng của ánh sáng, hoạt động như một dấu vết của bản chất sóng của ánh sáng. Kết quả có thể được nhìn thấy bên dưới.
Một photon trông như thế nào
Bạn đã bao giờ tự hỏi photon có hình dạng gì chưa? Các nhà khoa học đã cân nhắc câu hỏi này trong nhiều thập kỷ và cuối cùng, vào năm 2016, các nhà vật lý Ba Lan đã tạo ra hình ảnh ba chiều đầu tiên của một hạt ánh sáng. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Warsaw đã tạo ra hình ba chiều bằng cách bắn hai chùm ánh sáng vào một bộ tách chùm, làm bằng tinh thể canxit, cùng một lúc. Bộ tách chùm tương tự như một nút giao thông đèn giao thông để mỗi photon có thể đi thẳng qua hoặc rẽ. Khi một photon là riêng của nó, mỗi con đường đều có khả năng xảy ra như nhau nhưng khi có nhiều photon tham gia thì chúng sẽ tương tác và tỷ lệ chênh lệch thay đổi. Nếu bạn biết hàm sóng của một trong các photon, bạn có thể tìm ra hình dạng của hạt thứ hai từ vị trí của các tia chớp xuất hiện trên máy dò. Hình ảnh thu được trông hơi giống hình chữ thập Maltese, giống như hàm sóng được dự đoán từ phương trình Schrödinger.
Hình ba chiều của một photon đơn lẻ được tái tạo từ các phép đo thô được nhìn thấy ở phía bên trái so với hình dạng photon được dự đoán về mặt lý thuyết ở phía bên phải. Nguồn: FUW
Sự thật về photon
- Không chỉ ánh sáng được tạo thành từ các photon, mà tất cả năng lượng điện từ (tức là vi sóng, sóng vô tuyến, tia X) đều được tạo thành từ các photon.
- Khái niệm ban đầu về photon được phát triển bởi Albert Einstein. Tuy nhiên, chính nhà khoa học Gilbert N. Lewis là người đầu tiên sử dụng từ “photon” để mô tả nó.
- Lý thuyết nói rằng ánh sáng hoạt động giống như sóng và hạt được gọi là lý thuyết đối ngẫu sóng-hạt.
- Các photon luôn trung hòa về điện. Chúng không có điện tích.
- Các photon không tự phân hủy.
Lithaco
Nguồn: Zmescience