Lý thuyết về bản chất của ánh sáng của Einstein đã mang lại cho ông giải Nobel vật lý năm 1921. Và nó đã tiếp tục tái tạo thế giới. Albert Einstein đoạt giải Nobel vật lý năm 1921. Nhưng giải Nobel không được trao cho Einstein bởi công trình về thuyết tương đối của ông. Nó được trao bởi lý thuyết của ông về hiệu ứng quang điện.
Lý thuyết về bản chất của ánh sáng của Einstein đã giúp ông nhận giải Nobel như thế nào?
Bác sĩ nhãn khoa Allvar Gullstrand phản đối
Bác sĩ nhãn khoa Allvar Gullstrand, một trong năm thành viên của Ủy ban Nobel Vật lý chịu trách nhiệm cung cấp ứng viên hàng năm cho Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển phê chuẩn. Gullstrand cho rằng. Công trình của Einstein về thuyết tương đối là một sự sỉ nhục đối với lẽ thường. Và sai (mà thực ra không phải vậy). Kể từ năm 1918, ủy ban nhận được nhiều đề cử cho Einstein hơn bất kỳ ứng cử viên nào khác. Nhưng năm nào Gullstrand cũng phản đối.
Nhà vật lý Carl Wilhelm Oseen đề cử Einstein vì khám phá về hiệu ứng quang điện lý giải bản chất ánh sáng
Năm 1921, viện hàn lâm đã quyết định trì hoãn việc trao giải thưởng năm 1921 cho đến năm sau. Nó sẽ được trao song song với giải thưởng năm 1922. Điều này đã cho Carl Wilhelm Oseen, có thời gian để thực hiện một kế hoạch mưu lược. Ông đề cử Einstein không phải vì thuyết tương đối. Mà vì công trình ban đầu của Einstein giải thích khả năng tạo ra dòng điện của ánh sáng. Mặc dù Gullstrand vẫn còn tức giận, nhưng điều này đã thành công. Vào tháng 11 năm 1922, Einstein đã được trao giải thưởng năm 1921. Vì những đóng góp của ông cho vật lý lý thuyết. Đặc biệt là vì khám phá của ông về hiệu ứng quang điện.
Một chút giữ thể diện khéo léo này dường như cũng hoàn toàn hợp lý, sau một thế kỷ. Bài báo đầu tiên của Einstein về bản chất của ánh sáng, xuất bản năm 1905. Chứa khía cạnh duy nhất trong công trình của ông mà bản thân ông từng gọi là “cách mạng”.
Lịch sử của hiệu ứng quang điện
Năm 1839, Alexabdre Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với một điện cực được nhúng trong dung dịch được chiếu sáng. Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện rằng selen có tính quang dẫn.
Năm 1887, Heinrich Herts qua sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại. Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov đã tiến hành nghiên cứu một cách tỉ mỉ. Xây dựng nên các định luật quang điện.
Năm 1905, một bài nghiên cứu của Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện, các định luật quang điện. Dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo thuyết lượng tử vừa được công bố vào năm 1900 (Max Planck). Các nghiên cứu này của Einstein đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng. Sự phát triển của lý thuyết lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng.
Lý thuyết về bản chất ánh sáng của Einstein
Lý thuyết của Einstein về bản chất ánh sáng không giải thích một thí nghiệm hay khám phá mới. Cũng không lấp đầy lỗ hổng trong lý thuyết đã được thiết lập. Các nhà vật lý khá hài lòng khi coi ánh sáng là sóng trong một “ête phát quang”. Nó gợi ý cách suy nghĩ mới về ánh sáng giúp khoa học mô tả thế giới một cách nhất quán hơn.
Năng lượng trong một tia sáng được chia thành các gói rời rạc photon
Cuộc tìm kiếm tính nhất quán đó đã khiến Einstein đặt câu hỏi liệu năng lượng trong một tia sáng có thể được coi là hữu ích khi được chia thành các gói rời rạc hay không. Lượng năng lượng trong mỗi gói phụ thuộc vào màu sắc hoặc bước sóng của ánh sáng liên quan. Do đó, “định luật” được đề cập trong trích dẫn Nobel của ông: bước sóng của một chùm ánh sáng càng ngắn thì càng chứa nhiều năng lượng trong mỗi gói.
Khám phá hạt electron hay còn gọi là Tia âm cực của J.J Thomson
Vào năm 1897, các thí nghiệm do J.J. Thomson đã thuyết phục các nhà vật lý rằng. “Tia âm cực” được tạo ra bởi các điện cực trong ống chân không. Nó được tạo thành từ các hạt cơ bản mà ông gọi là “electron”. Theo thời gian, các gói năng lượng của Einstein được coi là “photon”. Electron cho thấy điện tích được tập trung thành các hạt giống như điểm. Photon là một cách để xem năng lượng được tập trung theo cùng một cách.
Mối liên hệ giữa hạt photon và hạt electron, nền tảng lý thuyết về bản chất ánh sáng của Einstein
Công trình của Einstein và những người khác cho thấy hai hạt có liên hệ mật thiết với nhau. Để đưa năng lượng vào một electron, phải sử dụng một photon. Và khi một electron được cảm ứng để giải phóng năng lượng, kết quả là một photon. Chủ nghĩa tương hỗ này được thể hiện trong một số công nghệ phổ biến nhất hiện nay. Pin mặt trời, máy ảnh kỹ thuật số, liên kết dữ liệu sợi quang, đèn led và laser. Nó được sử dụng để đo lường vũ trụ và thăm dò kết cấu của không gian và thời gian.
Lý thuyết trường điện từ của James Clerk Maxwell
Quan điểm về ánh sáng là nền tảng cho công trình của Einstein có từ năm 1864. Từ khi James Clerk Maxwell đưa mọi thứ vật lý biết về lực điện và lực từ vào một lý thuyết về “trường” điện từ do các vật mang điện tích tạo ra. Các vật tích điện đứng yên tạo ra điện trường. Những vật di chuyển với tốc độ không đổi tạo ra từ trường. Các vật thể tích điện được gia tốc tạo ra các sóng phối hợp của cả hai trường cùng một lúc: bức xạ điện từ. Maxwell nói rằng ánh sáng là một dạng bức xạ như vậy. Các phương trình của ông cho thấy có thể có những phương trình khác.
Heinrich Hertz chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết trường điện từ
Vào cuối những năm 1880, Heinrich Hertz đã chứng minh điều đó là đúng. Bằng cách tạo ra sóng vô tuyến trong phòng thí nghiệm của mình. Cùng với việc chứng minh Maxwell đúng. Ông đã thêm khả năng điện báo không dây vào hàng loạt công nghệ điện. Từ đèn đường đến máy phát điện đến cáp điện báo xuyên Đại Tây Dương. Đó thực sự là một cuộc cách mạng hóa thời kỳ cuối thế kỷ 19.
Kể từ đó, các nhà khoa học đã phát hiện và sử dụng sóng điện từ ở nhiều bước sóng. Từ bước sóng gấp nhiều lần đường kính Trái đất đến một phần triệu của hạt nhân nguyên tử.
Einstein và khám phá của Maxwell, hoàn thiện lý thuyết bản chất ánh sáng
Lý do Einstein tìm thấy “khám phá xuất sắc của Maxwell” là chưa hoàn chỉnh là vì. Các trường của Maxwell được mô tả, theo toán học, là các hàm “liên tục”. Cường độ của các trường có giá trị tại mọi điểm trong không gian và không thể tăng giá trị từ điểm này sang điểm tiếp theo. Nhưng thế giới vật chất không liên tục. Các phân tử, nguyên tử và điện tử của nó là những thực thể riêng biệt trong không gian.
Vật lý mô tả thế giới vật chất thông qua các thống kê về chuyển động của một số lượng rất lớn các vật chất cực nhỏ này. Chẳng hạn, nhiệt lượng phụ thuộc vào tốc độ mà chúng dao động hoặc va chạm vào nhau. Đó là cách tiếp cận toán học không giống với cách xử lý trường điện từ của Maxwell.
Sự giao động của các hạt tích điện tạo ra từ trường
Tuy nhiên, vật chất và bức xạ điện từ có liên quan với nhau. Mọi vật thể đều phát ra bức xạ điện từ chỉ bằng cách có nhiệt độ. Nhiệt độ của nó phụ thuộc vào sự dao động của các hạt cấu thành nó. Một số trong đó mang điện tích. Sự dao động của các hạt tích điện tạo ra sóng điện từ. Sự trải rộng của các bước sóng nhìn thấy trong bức xạ đó—quang phổ của nó—là một hàm của nhiệt độ vật thể. Vật thể càng nóng thì bước sóng trung bình và bước sóng cao nhất mà nó phát ra càng ngắn.
Bước sóng và nhiệt độ có mối liên hệ với nhau
Lý do mắt người nhạy cảm với các bước sóng trong phạm vi 380-700nm vì đó là những bước sóng mà vật thể phát ra nhiều nhất nếu nó được làm nóng đến 5.500°C, nhiệt độ của bề mặt Mặt trời. Do đó, chúng là những bước sóng chi phối ánh sáng mặt trời .
Einstein tin rằng nếu bước sóng và nhiệt độ có liên hệ mật thiết với nhau như vậy. Thì có thể nói về chúng bằng cùng một ngôn ngữ toán học. Vì vậy, ông đã phát minh ra một cách tiếp cận thống kê về cách entropy thay đổi. (entropy—mức độ rối loạn hay ngẫu nhiên). Khi thể tích của một khoang chứa đầy bức xạ điện từ thay đổi. Sau đó, ông ấy đặt câu hỏi, số liệu thống kê của ông có thể giải thích loại sóng nào. Câu trả lời là các khối năng lượng tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng mà chúng đại diện.
Ête phát sáng của Maxwell không cần thiết cho sự lan truyền của trường điện từ
Năm 1905, Einstein sẵn sàng đi xa hơn. Khi đề xuất rằng quan điểm ánh sáng dạng sóng này cung cấp những lời giải thích có vẻ tự nhiên về các hiện tượng khác nhau. Trong những năm sau đó, ông đã củng cố lập trường của mình. Công trình của ông về thuyết tương đối cho thấy rằng ête phát sáng của Maxwell không cần thiết cho sự lan truyền của trường điện từ. Chúng tồn tại theo đúng nghĩa của chúng. Công trình của ông về ánh sáng cho thấy rằng. Năng lượng trong những trường đó tập trung vào các hạt giống như điểm trong không gian trống rỗng. Ánh sáng được thăng cấp. Từ cái mà ông gọi là “sự biểu hiện của một phương tiện giả thuyết nào đó”. Trờ thành “một thực thể độc lập giống như vật chất”.
Lý thuyết về bản chất ánh sáng của Einstein hoàn chỉnh bởi Cơ học lượng tử
Giải thích của Maxwell không hoàn toàn thỏa đáng. Bởi vì ánh sáng giờ đây được coi là sóng liên tục trong một số bối cảnh. Chẳng hạn như khi được hội tụ bởi các thấu kính. Và về cơ bản là một dạng hạt trong những bối cảnh khác. Điều này đã được giải quyết bằng sự phát triển của cơ học lượng tử. Trong đó vật chất và bức xạ đều được coi là đồng thời ở dạng hạt và dạng sóng. Một phần của việc trở thành một electron, một photon là phải có “hàm sóng”. Các xác suất được tính toán từ các hàm sóng này cung cấp cách tiếp cận duy nhất đến sự thật về các hạt mà vật lý có thể có.
Richard Feynman và Einstein
Einstein không bao giờ hài lòng với điều này. Ông bác bỏ ý kiến cho rằng. Một lý thuyết chỉ cung cấp các xác suất có thể thực sự là cơ bản. Ông muốn một cách tốt hơn để một photon vừa là sóng vừa là hạt. Ông không bao giờ tìm thấy nó. Như ông đã viết cho một người bạn vào năm 1951. “50 năm nghiền ngẫm, tôi không tìm ra câu trả lời cho câu hỏi, ‘Lượng tử ánh sáng là gì?’. Những anh A, anh B anh C đều nghĩ rằng họ biết điều đó, nhưng họ đã nhầm.”
Mặc dù Einstein có lẽ không đặc biệt nghĩ đến ông. Nhưng một trong những anh A, B, C đó là Richard Feynman. Một trong bốn nhà vật lý, vào những năm 1940, đã hoàn thành lý thuyết mà Einstein đặt nền móng.
Điện động lực học – QED
Một lý thuyết hoàn chỉnh về ánh sáng và vật chất được gọi là điện động lực học lượng tử. Đó là lý thuyết mà vật chất, bức xạ được mô tả dạng các trường có bản chất lượng tử cơ bản. Các hạt—dù là ánh sáng hay vật chất—được coi là “trạng thái kích thích” của các trường đó. Không có hiện tượng nào được tìm thấy mà qed không có thể giải thích. Không có phép đo nào được thực hiện không phù hợp với dự đoán của nó.
Feynman rất vui khi bỏ qua sự nghiền ngẫm của Einstein. Khẳng định thẳng thắn rằng “ánh sáng được tạo thành từ các hạt”. Lý luận của ông là thực dụng. Tất cả các máy được tạo ra để phát hiện ánh sáng. Khi ánh sáng được giảm đủ thấp, sẽ cung cấp các kết quả đọc có-hoặc-không-có. Thay vì các kết quả liên tục. Một số phá hủy các quan niệm thông thường về việc một hạt ở một vị trí nhất định hoặc tồn tại như một thực thể độc lập là như thế nào. Nhưng đó chỉ là cách của lượng tử.
Sự tương tác của các photon và electron có thể biến ánh sáng thành điện năng và ngược lại
Sự điều khiển chính xác của các photon đã làm sáng tỏ nhiều điều. Về hiện tượng “không cục bộ”, “sự mất kết hợp” và các hiện tượng cơ học lượng tử khác. Nó làm cho ứng dụng của chúng vào các vấn đề thực tế, thông qua tính toán lượng tử, mật mã lượng tử, ngày càng trở nên hợp lý. Nhưng ở đây không nói về sự kỳ lạ lượng tử như vậy. Mà là về cách tương tác của các photon với các electron được sử dụng để thay đổi thế giới. Thông qua việc tạo ra các hệ thống có thể biến trực tiếp ánh sáng thành điện năng. Và ngược lại điện năng trực tiếp thành ánh sáng.
Những ý tưởng và ứng dụng từ lý thuyết về bản chất ánh sáng của Einstein
Mối liên hệ giữa ánh sáng và điện đã được biết đến từ rất lâu trước Einstein. Vào năm 1880, Werner von Siemens đã gắn “tầm quan trọng sâu xa nhất” với “hiệu ứng quang điện” khiến các tấm selen tạo ra dòng điện liên tục. Lý thuyết của Einstein được coi trọng vì nó giải thích tại sao ánh sáng có bước sóng ngắn có thể tạo ra dòng điện. Trong khi ánh sáng có bước sóng dài hơn không thể. Điều quan trọng là lượng năng lượng trong mỗi photon, chứ không phải tổng số photon.
Kể từ đó, công nghệ dựa trên những ý tưởng đó đã cho phép biến ánh sáng thành điện ở quy mô khiến Siemens phải choáng váng. Nó cho phép hàng tỷ người dùng điện thoại tạo các video kỹ thuật số. Và gửi chúng cho nhau thông qua một cơ sở hạ tầng được dệt từ các sợi thủy tinh. Nó thắp sáng các căn phòng. óa hình xăm, điêu khắc giác mạc và mô tả thế giới cho những chiếc xe không người lái. Sự khéo léo, cơ hội may mắn, trợ cấp của chính phủ và việc tìm kiếm lợi nhuận đã tạo ra từ lý thuyết của Einstein một thời kỳ hoàng kim của ánh sáng. Một sự bùng nổ của sự đổi mới mà một thế kỷ sau vẫn chưa kết thúc. ■
