Thomas Young: Người đặt nền móng lý thuyết sóng ánh sáng

Cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng là sóng hay hạt đã xảy ra từ nhiều thế kỷ trước. Vào thế kỷ 17, nhà bác học Isaac Newton tin rằng ánh sáng là một chùm hạt. Cùng lúc đó, một số nhà khoa học – đáng chú ý nhất là nhà vật lý và thiên văn học người Hà Lan Christiaan Huygens – cho rằng ánh sáng là sóng lan truyền trong một loại vật chất đặc biệt gọi là ête.

Cả hai giả thuyết về ánh sáng đều có những bằng chứng ủng hộ. Ví dụ, âm thanh là một loại sóng có thể truyền qua các đường ống quanh co và các góc tường, trong khi ánh sáng thì không thể, và thực tế này đã được lấy làm bằng chứng cho lý thuyết hạt của ánh sáng. Tuy nhiên, các hiện tượng như khúc xạ rất khó giải thích bằng lý thuyết hạt. Newton đã phải sử dụng một lực bí ẩn làm thay đổi vận tốc của ánh sáng trong nước nhằm lý giải hiện tượng khúc xạ. Ông cảm thấy thích thú khi quan sát các viền màu sặc sỡ trên bong bóng xà phòng, nhưng gặp khó khăn trong việc giải thích nó bằng lý thuyết hạt.

Newton là nhà bác học được nhiều người tôn kính nên gần như không ai muốn tranh cãi với lý thuyết của ông. Nhưng đến năm 1801, nhà vật lý Thomas Young đã tiến hành một thí nghiệm đặc biệt, thách thức nghiêm trọng quan niệm trước đó của Newton về bản chất hạt của ánh sáng.

Young là người am hiểu nhiều lĩnh vực, từ vật lý cho đến Ai Cập học. Ông sinh ra trong một gia đình đông con tại Milverton, Anh vào năm 1773. Ông là thần đồng ngay từ lúc nhỏ, biết đọc từ năm hai tuổi và tự học tiếng Latinh năm sáu tuổi.

Young bắt đầu nghiên cứu y học năm 1792 và được bầu vào Hiệp hội Hoàng gia Anh năm 1794. Ông cũng quan tâm đến khoa học thuần túy (pure science) – lĩnh vực khoa học liên quan nhiều hơn đến các lý thuyết và dự đoán để hiểu về thế giới tự nhiên. Năm 1801, ông được bổ nhiệm vào giảng dạy tại Học viện Hoàng gia mới thành lập ở London, nơi ông đã có một loạt bài giảng về nhiều chủ đề khác nhau.

Trong quá trình nghiên cứu y học, Young từng phẫu thuật mắt bò để tìm hiểu cơ chế giúp mắt nhìn tập trung vào các vật thể ở những khoảng cách khác nhau. Ông đã đề xuất một lý thuyết liên quan đến khả năng nhìn màu sắc của mắt. Ngoài ra, ông cũng hứng thú với các ngôn ngữ trên khắp thế giới. Ông tiến hành một công trình nghiên cứu về tiếng nói, trong đó ông sáng tạo ra một bảng chữ cái – bao gồm 47 chữ cái riêng biệt – có thể dùng để ghi chép tất cả tiếng nói của con người. Những nghiên cứu về mắt và tai đã khiến ông cảm thấy hứng thú với việc nghiên cứu âm thanh và ánh sáng một cách tự nhiên.

Young lần đầu tiên đọc tác phẩm Opticks (Quang học) của Newton vào năm 1790, khi đó ông 17 tuổi. Nhưng đến năm 1800, ông đã nhận thấy một số vấn đề với lý thuyết hạt của Newton. Ví dụ, tại bề mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau – chẳng hạn như không khí và nước – một số ánh sáng bị phản xạ và một số bị khúc xạ, nhưng lý thuyết hạt không thể giải thích tại sao điều này xảy ra. “Lý thuyết hạt cũng gặp khó khăn trong việc giải thích tại sao các màu sắc khác nhau của ánh sáng lại khúc xạ ở các mức độ khác nhau”, Young cho biết.

Âm thanh được biết đến là một sóng dọc lan truyền trong không khí. Young nhận thấy khi hai sóng âm gặp nhau trên đường truyền, chúng giao thoa với nhau tạo ra các nhịp đập. Ông tin rằng ánh sáng cũng có thể tương tự như vậy.

Vào tháng 5/1801, trong lúc suy nghĩ về một số thí nghiệm của Newton, Young đã nảy ra ý tưởng cơ bản về thí nghiệm khe đôi – hoặc thí nghiệm khe Young – nổi tiếng hiện nay để chứng minh sự giao thoa của sóng ánh sáng. Thí nghiệm này cung cấp bằng chứng cho thấy ánh sáng có thể là sóng, không phải là hạt.

Trong phiên bản đầu tiên của thử nghiệm, Young thực sự không sử dụng hai khe mà thay vào đó là một tấm thẻ mỏng. Ông che cửa sổ bằng một mảnh giấy lớn với một lỗ nhỏ trên bề mặt, tạo ra chùm ánh sáng nhỏ hẹp truyền qua lỗ. Sau đó, ông cầm tấm thẻ đặt vào chùm sáng, khiến chùm sáng tách ra làm đôi. Ánh sáng đi qua một mặt của tấm thẻ giao thoa với ánh sáng từ mặt kia của tấm thẻ để tạo ra các vân mà Young có thể quan sát trên bức tường đối diện.

Young cũng sử dụng dữ liệu của mình để tính toán bước sóng của các ánh sáng màu khác nhau. Kết quả mà ông thu được rất gần với các giá trị mà chúng ta biết ngày nay.

Tháng 11/1801 Young gửi bài báo của mình với tiêu đề “Bàn về lý thuyết ánh sáng và màu sắc” tới Hiệp hội Hoàng gia Anh. Trong đó, ông đã mô tả sự giao thoa của ánh sáng và thí nghiệm khe Young. Đây là một thí nghiệm quang học chiếu ánh sáng đơn sắc qua hai khe hẹp và quan sát vân giao thoa trên màn chắn đặt phía sau. Hiện tượng quan sát được chỉ có thể giải thích nếu ánh sáng lan truyền dưới dạng sóng. Các dải sáng trên màn ảnh là nơi hai đỉnh sóng giao nhau. Những vạch tối là chỗ hai sóng ánh sáng triệt tiêu lẫn nhau.

Ông cũng trình bày thí nghiệm tương tự với sóng âm và sóng nước, thậm chí ông đã xây dựng một bể thí nghiệm để hiển thị các dạng sóng giao thoa trong nước.

Bất chấp thí nghiệm thuyết phục của Young, các nhà khoa học đương thời không muốn tin rằng Newton đã sai. “Mặc dù tôi rất tôn kính Newton, nhưng tôi không có nghĩa vụ phải tin rằng ông ấy không thể sai lầm”, Young cho biết.

Do cảm thấy thất vọng trước phản ứng của cộng đồng khoa học liên quan đến thí nghiệm giao thoa ánh sáng, Young quyết định tập trung vào y học, mặc dù ông chưa bao giờ thành công với tư cách là một bác sĩ. Tuy nhiên, ông vẫn tiếp tục thực hiện các thí nghiệm sâu hơn trong lĩnh vực vật lý, và ông đã xuất bản một số công trình nghiên cứu nổi bật năm 1807.

Trước khi qua đời vào tháng 5/1829, Young đã tham gia giải mã phiến đá Rosetta, qua đó giúp nhân loại hiểu rõ một phần chữ tượng hình của người Ai Cập cổ đại. Ông cũng viết nhiều bài báo cho Bách khoa toàn thư Britannica về các chủ đề đa dạng bao gồm: cầu, nghề mộc, khoa học về màu sắc, Ai Cập, ngôn ngữ, thủy triều, khối lượng và đo lường.

Hiện nay, thí nghiệm khe đôi của Young không chỉ được sử dụng nhằm chứng minh ánh sáng hoạt động giống như sóng, mà còn dùng để chứng tỏ rằng các electron có thể hoạt động giống như sóng và tạo ra các mẫu giao thoa. Kể từ khi cơ học lượng tử phát triển, các nhà vật lý biết rằng ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt (lưỡng tính sóng-hạt). Ánh sáng có bước sóng càng lớn thể hiện tính chất sóng càng rõ rệt. Ngược lại, ánh sáng có bước sóng càng nhỏ thể hiện tính chất hạt càng rõ.