Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng

Năm 1864, trong bài báo “Một lý thuyết động lực về trường điện từ”, Maxwell đã tổng hợp các kiến thức về điện và từ đã được các nhà vật lý xây dựng trước đó thành một hệ gồm 4 phương trình, mỗi phương trình chỉ dài vỏn vẹn một dòng và được biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học cô đọng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng Lược sử hình thành cácquan điểm về bản chất ánh sángÁnh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ:Năm 1864, trong bài báo “Một lý thuyết động lực về trường điện từ”, Maxwell đãtổng hợp các kiến thức về điện và từ đã được các nhà vật lý xây dựng trước đóthành một hệ gồm 4 phương trình, mỗi phương trình chỉ dài vỏn vẹn một dòng vàđược biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học cô đọng. Bốn phương trình này được hậuthế biết đến với tên gọi “Hệ phương trình Maxwell”:- Phương trình thứ nhất mô tả định luật Gauss, cho biết đường sức điện xuất pháthoặc kết thúc ở các điện tích. Phương trình thứ hai mô tả các đường sức của cảmứng từ là khép kín hoặc đi ra xa vô tận, từ đó không có cái gọi là “từ tích” hay “đơncực từ”.- Hai phương trình còn lại mô tả sự kết hợp giữa điện và từ: từ trường biến thiênsinh ra điện trường xoáy, đến lượt mình điện trường biến thiên cũng sinh ra từtrường xoáy.Từ các phương trình trên, Maxwell đã ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng sóng điệntừ thực chất cũng chính là sóng ánh sáng. Bởi thứ nhất, ông đã dựa vào các phươngtrình để vẽ ra một kịch bản về cuộc hôn nhân giữa điện và từ, theo đó điện và từtrở thành một cặp thống nhất không thể tách rời. Chúng là hai thành phần củasóng đện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng ngang, tức các đỉnh và cáchõm sóng nằm trong một mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng (hình vẽ).Thứ hai, vào năm 1873, Maxwell đã tính toán chính xác vận tốc truyền sóng điệntừ, đáp số này hoàn toàn trùng khớp với vận tốc ánh sáng.Trong lịch sử vật lý, Newton đã thống nhất trời và đất qua định luật vạn vật hấpdẫn thì đến lượt Maxwell đã thống nhất không chỉ điện và từ mà còn cả quang học,ông được coi là nhà thống nhất vĩ đại thứ hai của vật lý học Ánh sáng - lưỡng tính sóng hạtCho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánh sáng là sóng đã thực sự được xác nhận, đặcbiệt là sau kết luận của Maxwell khẳng định ánh sáng là sóng điện từ với vận tốc là300.000 km/s. Nhưng một vấn đề được đặt ra lúc này là vận tốc này của ánh sángđược tính so với cái gì? Các phương trình của Maxwell không trả lời được cho câuhỏi này. Đi theo vết chân của Newton, Maxwell nghĩ hoàn toàn tự nhiên rằng ánhsáng lan truyền với vận tốc 300.000 km/s là so với một chất ête tĩnh choán đầytrong vũ trụ. Nhưng ête ở đây được làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu và có nhữngtính chất gì?Theo các quan điểm của các nhà khoa học khẳng định ánh sáng là sóng từ trướccho đến cuối thế kỉ 18, ta có thể thấy được vấn đề giải mã chất “ête” trong khônggian là một vấn đề rất đáng để quan tâm. Chất “ête” được đặt ra như một môitrường để truyền sóng ánh sáng. Các nhà khoa học ban đầu đã đề xuất sóng ánhsáng như sóng âm, tức phải là sóng dọc, nhưng với phát hiện của Augustin Fresnelvề hiện tượng phân cực ánh sáng đã dẫn đến nhận định ánh sáng phải là sóngngang. Như vậy, chất “ ête” phải là chất rắn để có thể lan truyền được sóng ngang,nghĩa là môi trường ete phải có một mật độ cứng nhất định. Nhưng bằng cách nàomà Trái đất lại có thể chuyển động trong một môi trường cứng như vậy mà khôngbị chậm lại và va vào Mặt Trời? Bằng cách nào mà ête lại có thể cùng lúc vừa là mộtchất rắn đàn hồi lại vừa là một chất lỏng tinh tế được?Đó chính là những vấn đề khiến cho các nhà khoa học cuối thế kỉ XIX quan tâm? Cóhay không có một môi trường đặc biệt “ête” trong sự lan truyền của sóng ánhsáng?Năm 1887, nhà vật lý người Mỹ, Albert Michelson (1852-1931), và đồng nghiệpcủa ông là Edward Morley (1838-1923) đã thực hiện một thí nghiệm tài tình đểkiểm tra sự tồn tại của ête. Hai ông đã chế tạo một dụng cụ gọi là giao thoa kế, dựatrên nguyên lý giao thoa của Thomas Young. Trong giao thoa kế này, một chùmsáng có một tần số duy nhất được chia làm hai chùm. Hai chùm này đi theo hai conđường khác nhau nhưng có cùng chiều dài, một theo phương chuyển động của tráiđất, một theo phương vuông góc rồi sau đó kết hợp với nhau. Đúng ở thời điểmchúng tách khỏi nhau, hai chùm tia hoàn toàn trùng khít với nhau, nhưng khichúng kết hợp thì sự kết hợp phụ thuộc vào vận tốc của hai chùm tia ở thời điểmđó. Nếu có xét đến sự chuyển động của Trái đất thì chắc chắn là vận tốc của 2 chùmtia này là khác nhau, nhưng kết quả thu được lại hoàn toàn khác, hai chùm tia vẫntrùng khít như lúc bị tách ra, điều đó có nghĩa vận tốc ánh sáng truyền theo 2phương khác nhau là không thay đổi. Trong dự đoán, với giao thoa kế của mình,Michelson và Morley về nguyên tắc có thể đo được các chênh lệch với cỡ vận tốckhoảng 1,5 km/s, tức là một phần hai mươi vận tốc của Trái đất qua chất ete giảthuyết. Nhưng rõ ràng sau nhiều lần thực hiện thí nghiệm thì hai ông đã kết luậnrằng vận tốc ánh sáng không thay đổi dù nó lan truyền theo phương nào đi nữa.Sau thí nghiệm của Michelson và Morley, con người dần phải chấp nhận rằng chất“ete” chỉ là sản phẩm bởi trí tưởng tượng, dù rằng có nh ...