Hơn 100 năm qua, ta đã biết ánh sáng vừa tồn tại ở dạng hạt vừa tồn tại ở dạng sóng. Giờ đây, nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã lặp lại thí nghiệm trên với “khe đôi” tạo ra từ hai phân tử, qua đó chứng minh ánh sáng có thể là phân tử hay là dạng photon nhưng không thể là cả hai tại bất kỳ thời điểm xác định nào.
Trong hình minh hoạ thí nghiệm của nhóm MIT, ta có thể thấy hai phân tử được giữ nguyên vị trí bằng một chùm laser, đóng vai trò làm khe đôi hẹp có khả năng tán xạ các hạt photon, tạo ra hình ảnh ánh sáng giao thoa trên màn chắn phía sau - Ảnh: Fedoseev cùng cộng sự
Tranh cãi xoay quanh bản chất ánh sáng thực chất đã kéo dài hàng trăm năm, ngay từ thế kỷ 17 với Isaac Newton và Christiaan Huygens. Một số, như Newton, cho rằng ánh sáng phải là các hạt phân tử, điều đó giải thích vì sao ảnh gương lại sắc nét, giúp ta có thể thấy rõ các vật ở ngóc ngách đến vậy. Một số khác, như Huygens, lại cho rằng ánh sáng phải là sóng vì nó tán xạ và phản xạ như sóng.
Năm 1801, nhà vật lý Thomas Young nghĩ ra thí nghiệm khe đôi nổi tiếng: chiếu một nguồn sáng duy nhất qua hai khe hở cực kỳ hẹp để ánh sáng hắt lên bức tường phía sau. Nếu ánh sáng là hạt, các photon đi qua khe hở sẽ tạo thành hai đốm sáng có phần trùng nhau trên tường. Nhưng không, Young lại thấy trên tường là các vân sáng tối xen kẽ nhau. Điều này chỉ có thể giải thích được nếu ánh sáng là một loại sóng và khi đi qua hai khe hở, chúng sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa, thành ra có chỗ chúng triệt tiêu lẫn nhau, có chỗ chúng tăng cường nhau.
Một thế kỷ sau, Max Planck chứng minh năng lượng bức xạ nhiệt và ánh sáng toả ra môi trường dưới dạng các phần tử vô cùng nhỏ gọi là các “lượng tử”; Albert Einstein sau đó chứng minh một loại “lượng tử” như vậy chính là photon. Vật lý lượng tử cũng đồng thời thừa nhận photon hoạt động tương tự sóng. Vậy Newton và Huygens đều đúng: ánh sáng vừa là hạt, vừa là sóng. Đó chính là lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng.
Song, nguyên lý bất định lại phát biểu rằng ta không thể chứng kiến tính chất sóng và tính chất hạt của ánh sáng ở cùng một thời điểm. Cha đẻ vật lý lượng tử, Niels Bohr, gọi đây là “nguyên lý bổ sung”, nhấn mạnh các đặc tính bù trừ nhau trong hệ thống lượng tử, như chuyện vận động như sóng hay như hạt, không thể nào đo đạc, ghi nhận được trong cùng một thời điểm.
Einstein chưa bao giờ hài lòng với chuyện tính ngẫu nhiên là một phần tất yếu của quy luật tự nhiên như nguyên lý bất định hay nguyên lý bổ sung đã nêu. Mong muốn phản bác tính bổ sung, Einstein chất vấn thí nghiệm Young kinh điển, cho rằng khi photon đi qua các khe nhỏ, chúng làm “dao động” các khe này, nên ta hoàn toàn có thể cùng lúc đo được cách photon tương tác với nhau như những đợt sóng tạo nên hiện tượng giao thoa, mà cũng đo được tác động của photon như một loại hạt tác động lực lên khe hở.
Hình minh hoạ thí nghiệm khe Young thường được cho thực hành ở trường cấp 3 - Ảnh: Future
Bohr không đồng tình với ý kiến này. Bởi theo nguyên lý bất định, ta không thể cùng lúc xác định được vị trí chính xác lẫn động lượng chính xác của photon - bởi hai đại lượng này ở thế bổ sung. Vậy nên, Bohr kết luận chắc nịch kết quả đo độ “dao động” của khe hở sẽ triệt tiêu đi tính chất sóng của photon, làm kết quả giao thoa biến mất, thay vào đó ta sẽ chỉ thấy hai đốm sáng trên tường.
Rất nhiều thí nghiệm về sau chứng minh Bohr đã đúng; song, người ta luôn lo ngại khả năng thiết bị cồng kềnh là yếu tố ngăn cản ta quan sát photon ở dạng sóng và ở dạng hạt tại cùng một thời điểm.
Để xoá bỏ hoàn toàn nỗi hoài nghi, nhóm nghiên cứu tại MIT do nhà vật lý Wolfgang Ketterle và Vitaly Fedoseev dẫn đầu đã tiến hành “thu nhỏ” thiết bị có khe hở xuống tới mức phân tử. Nhóm dùng tia laser để sắp xếp 10.000 phân tử khác nhau có nhiệt độ chỉ lớn hơn độ 0 tuyệt đối một khoảng rất rất nhỏ. Những phân tử này có thể trở thành các “khe hở siêu nhỏ” có khả năng tán xạ ánh sáng và sau một vài thí nghiệm, có thể tạo ra các vân sáng xen lẫn vân tối trên các loại màn chắn do nguyên lý ánh sáng thường tán xạ theo một hướng xác định nhiều hơn các hướng còn lại. Như vậy, hiện tượng quan sát được sẽ khá tương đồng với thí nghiệm khe Young cổ điển.
Ketterle cho biết: “Những gì chúng tôi đang làm có thể xem là thí nghiệm khe đôi cải biên với “khe hở” là chính các phân tử; có thể nói đây là những “khe hở” nhỏ nhất ta có thể “tạo dựng” được.” Kết quả thí nghiệm cho thấy Bohr hoàn toàn đúng và Einstein đã sai. Càng cố gắng đo độ dao động của các phân tử bao nhiêu, hiện tượng giao thoa càng yếu đi bấy nhiêu, bởi những photon được đo dưới dạng hạt đã không còn giao thoa với các photon chưa được đo.
Thí nghiệm cũng chứng minh “chất liệu” tạo nên khe hở - ở đây là tia laser dùng để cố định các phân tử trong chân không - không ảnh hưởng gì đến kết quả. Nhóm của Ketterle và Fedoseev thử tắt tia laser và đo độ dao động của các phân tử khoảng một phần triệu giây sau đó, trước khi chúng lệch khỏi vị trí cố định do trọng lực và nhiều lực khác. Qua nhiều lần làm vậy, kết quả vẫn không đổi - tính chất sóng và tính chất hạt của ánh sáng không thể cùng một lúc được xác định tách bạch nhau.
Fedoseev nói: “Điều quan trọng hơn là tính khó xác định của phân tử.” Thuật ngữ trên nói đến vấn đề biết được vị trí chính xác của phân tử trong thế giới lượng tử, vốn rất khó theo nguyên lý bất định. Tính khó xác định có thể được thay đổi khi ta cho phép laser cố định các phân tử đến mức nào. Các phân tử càng có nhiều khả năng lệch khỏi vị trí cố định thì việc photon có vẻ như làm chúng dao động càng quan sát rõ, tính chất hạt của photon càng hiển hiện. Ketterle nhận xét: “Einstein và Bohr có nằm mơ cũng không nghĩ có thể thực hiện thí nghiệm như thế này, chỉ thu gọn xuống còn các phân tử và photon.”
Thí nghiệm trên một lần nữa cho thấy vật lý lượng tử lạ lùng đến thế nào. Theo đó, mỗi phân tử đều có tính sóng đôi, ta không thể đo đạc cùng một lúc các đại lượng bù trừ nhau, như chẳng thể xác định ánh sáng là sóng hay là hạt và chẳng thể xác định đồng thời vị trí và động lượng của phân tử. Vũ trụ này có lẽ vận hành theo xác suất, các đặc tính ta mới phát hiện ở thế giới lượng tử rất có thể chỉ là tổng hoà xác suất của rất nhiều phân tử, tất cả đều đang “đổ xúc sắc” - điều Einstein hay càm ràm vì ông tin “tự nhiên không chơi trò xúc xắc bao giờ”.
Huỳnh Trọng Nhân
(Lược dịch)