Dẫn nhập về

NĂM QUỐC TẾ ÁNH SÁNG 2015

Đánh dấu 1000 năm tác phẩm qui mô về quang học của nhà khoa học

Hổi giáo Ibn al-Haytham

Trong đêm tối của tim tôi

Dọc theo một con đường hẹp

Tôi dò dẫm; và nhìn kìa− ánh sáng!

Một vùng đất bát ngát của ngày.

Rumi

Nếu chỉ lo cải tiến chiếc đèn dầu,

thì chẳng bao giờ có được đèn điện.

Thomas Edison

Alhazen (Ibn al-Haytham, 965-1040)

Lời nói đầu. Bài viết dưới đây năm 2015 nằm trong dự định kêu gọi để làm một kỷ yếu về Ánh sáng, nhưng rất tiếc dự tính không thành. Nay xin đăng lại cho bạn đọc quan tâm. Nó vẽ lên phần nào quỹ đạo của ánh sáng xuyên qua lịch sử con người với tất cả những ảnh hưởng của nó. NXX 2017

⭐⭐

Năm 2015 được UNESCO kỷ niệm làm Năm Quốc tế Ánh sáng và các Công nghệ dựa trên ánh sáng (YIL 2015). Nó đánh dấu 1000 năm tác phẩm qui mô về quang học của nhà khoa học Hổi giáo Ibn al-Haytham (965-1040), cũng như 311 năm tác phẩm đầu tiên Opticks của Newton, 150 năm phương trình điện từ của James Clerk Maxwell về sự thống nhất giữa ánh sáng và điện, 120 năm kỷ niệm sự khám phá tia quang tuyến X bởi Röntgen, và, cuối cùng nhưng lại cách mạng hơn bao giờ hết, 110 năm về bản chất hạt của ánh sáng mang tính lượng tử của Albert Einstein với các bài báo cách mạng của ông năm 1905.

Tác phẩm của Ibn al-Haytham (tên La tinh: Alhazen) có tên Book of Optics (Sách về quang học), được xem như một tuyệt tác và có ảnh hưởng nhất trong khoa học Hồi giáo, đi xa hơn những nghiên cứu của các nhà khoa học Hy Lạp cổ đại về ánh sáng. Sách gồm bảy tập. Optics được dịch sang tiếng La tinh vào cuối thế kỷ mười hai hay đầu mười ba, dưới tên Perspectiva. Tác phẩm này là chủ đề nghiên cứu và bình luận ở châu Âu cho đến thế kỷ mười bảy, kích thích việc nghiên cứu quang học. Ngoài ra, Ibn al-Haytham còn viết thêm chín tiểu luận về ánh sáng: Ánh sáng của trăng, Vầng hào quang và Cầu vòng, Lý thuyết của bóng, Ánh sáng của sao, Khảo luận về ánh sáng, vân vân.

Book of Optics của Ibn al-Haytham 1000 năm trước

Bản chất của ánh sáng là gì? Câu hỏi này cũng giống như câu hỏi ‘thời gian là gì’? Thánh Augustin chắc cũng sẽ trả lời, tương tự như ông đã từng trả lời về bản chất thời gian, rằng “Nếu không ai hỏi tôi, tôi biết ánh sáng là gì. Nhưng nếu có ai hỏi, thì tôi không biết.” Các nhà khoa học cổ đại Hy Lạp Euclid, Aristote, Ptolemy, và sau đó các nhà khoa học Hồi giáo đã ghi nhận nhiều tính chất của ánh sáng; Kepler và Galileo thời Phục Hưng cũng nghiên cứu ánh sáng, Descartes cũng nghiên cứu (định luật khúc xạ năm 1637). Nhưng phải đợi đến cuối thế kỷ 17, đầu 18 trở đi, thế giới mới ghi nhận những nghiên cứu và hiểu biết ngày càng hệ thống và thâm nhập sâu vào bản chất của ánh sáng. Đầu thế kỷ 20, bản chất sâu thẳm của ánh sáng đã ‘lộ diện nguyên hình’: bản chất lượng tử, vừa sóng vừa hạt.

Ánh sáng nhân tạo là một thành quả quan trọng của con người đem lại văn minh cho nhân loại ở thế kỷ 19 và 20, từ những chiếc đèn dầu, đèn cầy đến đèn gas, đèn điện, cuối cùng là đèn LED. Mặt khác, sự thâm nhập vào bản chất của ánh sáng làm nên những cuộc cách mạng công nghệ to lớn trong thế kỷ 20, với vô số những ứng dụng trong đời sống, y khoa, thiết bị điện tử, và truyền thông. Ánh sáng mang trong mình những ‘thông điệp’ đặc biệt của tạo hóa mà chỉ có vật lý lượng tử mới diễn tả được. Ba trăm năm trước, ánh sáng được hiểu là sự cấu thành bởi bảy màu, thể hiện rõ qua hiện tượng cầu vồng, điều ai cũng có thể thấy được. Đầu thế kỷ 20, ánh sáng được khám phá, ngoài tính chất sóng, còn có thêm tính chất hạt, những hạt photon, như những ‘nguyên tử’ của ánh sáng, giống các nguyên tử của vật chất. Nó chẳng có khối lượng, kích thước, và là một hiện tượng kỳ diệu, lạ lùng, gây không biết bao nhiêu tranh cãi. Tính nhị nguyên, vừa sóng vừa hạt của hạt photon (Einstein), cũng được khái quát hóa thành tính nhị nguyên của các hạt vật chất cấp vi mô nói chung (de Broglie), và thuyết hạt được thay thế bằng thuyết trường trong vật lý hiện đại, một bước tiến quan trọng của vật lý lượng tử.

Hiểu được bản chất sâu thẳm của nó, và có năng lực điều động nó vào công nghệ, ánh sáng sẽ cho sức mạnh kỳ diệu, như chúng ta thấy trong hầu hết những tiện nghi điện tử và thiết bị y tế điều trị và khám nghiệm ngày nay, cũng như trong công nghệ quốc phòng. “Tri thức là sức mạnh”. Nhờ sự truyền tải thông tin bằng ánh sáng (cáp quang), mà thế giới hiện nay đã được nối kết lại tức thì. Ngày xưa, các ý tưởng mới về công nghệ cần đến hàng ngàn năm để đi một vòng trái đất, thì nay con người của các châu lục có thể trao đổi với nhau dễ dàng trong khoảnh khắc như họ sống trong một cái làng nhỏ.

Không phải ánh sáng chỉ có ý nghĩa làm lợi về vật chất cho nhân loại, mà còn có ý nghĩa ‘siêu hình học’: ánh sáng của creation, của sáng thế, cung cấp chìa khóa cho hiểu biết sự tạo thiên lập địa, cho vũ trụ học, thuyết Big Bang. Kinh thánh là nơi có lẽ sử dụng từ ánh sáng nhiều nhất: “Lời của Cha là một ngọn đèn dưới chân con, và ánh sáng rọi lối đi của con.” (Psalms 119:105); “Sau đó Jesu lại nói với họ, rằng Ta là ánh sáng của thế giới: ai theo ta sẽ không đi trong bóng tối, mà sẽ có ánh sáng của cuộc đời.” (John 8:12)

Đèn dầu (cuối thời đồ đá)

Đèn cầy (thời La Mã)

Đèn điện thế kỷ 19/20

Đèn LED thế kỷ 20/21

Xin điểm qua một số sự kiện quan trọng của quá trình thâm nhập vào bản chất ánh sáng:

1. Newton’s Opticks 1704: Sau khi Hooke qua đời, ông là chủ tịch của Royal Society, Newton cho xuất bản tác phẩm thứ hai quan trọng của ông sau Principia: Opticks. Đây là đúc kết những nghiên cứu có hệ thống đầu tiên kéo dài 30 năm về ánh sáng của một nhà khoa học. Trong Opticks Newton đưa ra hai nhận định mới: i) Ánh sáng trắng được cấu tạo bằng 7 loại ánh sáng màu cơ bản và các màu này không còn phân tách thêm được nữa (trừ hiện tượng phân cực); ii) Ánh sáng được cấu tạo bằng hạt mà ông gọi là corpuscules. Quan điểm hạt của Newton bắt nguồn từ thuyết nguyên tử được truyền tiếp từ thời Hy Lạp. Ông viết về sự ngưỡng mộ của ông đối với “các nhà triết học Hy Lạp lâu đời và nổi tiếng nhất…những người đã tạo ra chân không, nguyên tử và hấp lực của các nguyên tử, những nguyên lý thứ nhất của triết lý họ.”

   Sở dĩ Newton phải chờ đến giờ phút Hooke qua đời mới công bố là vì ông này chống đối hai kết quả trên của Newton tới cùng. Ý kiến của dư luận cũng không thuận lợi cho ông. Newton trong cuộc đời khoa học gặp nhiều rắc rồi với Hooke. Hooke lúc đó cho rằng ánh sáng là một loại sóng truyền, báo trước Thomas Young. Hai ông cãi nhau dữ dội mà không biết rằng cả hai ông đều sai hoặc cũng đều đúng cả, như đến đầu thế kỷ 20 người ta mới biết hết sự tình! Newton đã giữ lại các kết quả của mình 30 năm và chờ đến ngày Hooke mất mới công bố. Chương đầu Newton viết: “Thiết kế trong quyển này (Opticks có 3 quyển chung trong một) là không giải thích các Tính chất của Ánh sáng bằng Giả thiết, mà đề nghị và chứng minh chúng bằng Lý trí (reason) và Thí nghiệm (experiments).” Đoạn cuối ông viết: “Có phải không Vật thể và Ánh sáng tác động lẫn nhau; nghĩa là các Vật thế thông qua Ánh sáng sẽ gây ra phát quang, phản chiếu, khúc xạ nó; và Ánh sáng thông qua Vật thể để làm nóng chúng lên, làm cho các bộ phận của chúng rung động từ đó sinh ra nhiệt?” Ông báo trước một chương trình nghiên cứu tương tác giữa ánh sáng và vật chất cho thế kỷ 20 kết hợp giữa thuyết tương đối hẹp và cơ học lượng tử. Ngoài ánh sáng, quyển Opticks còn chứa đựng nhiều vấn đề trong vật lý và triết học.

   

   Newton thí nghiệm khúc xạ ánh sáng trắng thành bảy màu.

   “Tự nhiên, và các định luật của Tự nhiên ẩn nấp trong bóng tối:
   Chúa phán: Hãy để Newton xuất hiện! và Tất cả sáng lên.” (A. Pope)

   Ba trăm năm sau, người Việt có thể chưa hiểu Tố Như của mình, nhưng 300 năm sau thiên hạ đã hiểu hết các ‘tâm sự’ của Newton, bao gồm lực hấp dẫn từ xa và những điều khó hiểu của nó, thuyết hạt của ánh sáng, và mối tương tác giữa ánh sáng và vật chất! Nếu ai đọc Principia, sẽ thấy còn một “tâm sự” lớn khác của một thiên tài:

   Cả gánh nặng của triết học nằm ở chỗ này: từ những hiện tượng của sự chuyển động trên trái đất (để) nghiên cứu các lực của tự nhiên, và rồi từ những lực này suy ra chuyển động của các hành tinh, sao chổi và biển. Tôi mong muốn chúng ta có thể suy ra phần còn lại của các hiện tượng của tự nhiên bằng cùng loại lý luận từ các nguyên tắc của cơ học; vì tôi có nhiều lý do để ngờ rằng tất cả các hiện tượng đều lệ thuộc vào những lực nhất định chưa được biết, các lực hút các hạt của các vật thể lại với nhau để chúng kết hợp thành những hình dạng cố định, hay đẩy chúng xa nhau. Bởi vì những lực này là không biết, nên các nhà triết học thực hiện việc nghiên cứu hoài công; nhưng tôi hy vọng rằng những nguyên lý đưa ra ở đây sẽ cung cấp ánh sáng nào đó cho vấn đề của chúng ta, hoặc cho một phương pháp đúng hơn nào đó cho triết học.”

   Đó chính là cơ chế tác dụng của điện và từ được phát triển từ thế kỷ 18.

   

   Tác phẩm Opticks của Newton năm 1704

2. Thomas Young (1773-1829) đầu thế kỷ 19, tức một trăm năm sau tác phẩm Opticks, đưa ra thuyết sóng của ánh sáng để giải thích hiện thượng giao thoa của hai nguồn sáng tạo ra các vân, phù hợp với thực nghiệm, khẳng định quan điểm sóng của Robert Hooke, và cũng của Christian Huyghens (1629-1695). Từ đó người ta nghĩ rằng sóng của ánh sáng là chân lý cuối cùng. Newton thua. Tuy nhiên, dù quan điểm của Young rất lôgic, nhưng cũng bị cộng đồng vật lý bấy giờ từ chối, một vài người lên án cách giải thích của ông là “thiếu mọi thứ giá trị”.

   Khoảng hơn năm mươi năm sau, Maxwell xuất hiện và một lần nữa sẽ khẳng định bản chất sóng của ánh sáng thuyết phục hơn, và không thể chối cãi.

   

   Thí nghiệm hai khe. Thomas Young khám phá rằng ánh sáng khi đi qua hai lỗ, hay hai khe nhỏ gần nhau, sẽ tạo ra những vân sáng và tối trên một màn hình đặt phía sau. Điều này được giải thích bằng tính chất sóng của ánh sáng. Các sóng đi qua hai khe sẽ chồng lập lên nhau, nơi thì hợp lực (cùng pha, vân sáng), khi thì triệt tiêu (vân tối, nghịch pha).

3. Khám phá của Maxwell những năm 1860 về ánh sáng và sóng điện từ, kết luận ánh sáng là hiện tượng sóng điện từ. Đây là khám phá có tính cách mạng sau hai trăm năm sau thuyết hấp dẫn của Newton. Một cuộc thống nhất vô cùng phong phú, đã hoàn tất và mở rộng những công trình điện từ của Ørsted và Faraday: Ánh sáng cũng là sóng điện từ. Sóng điện từ như một dãy ánh sáng từ những ánh sáng mắt thường thấy được đến mắt thường không thấy được. Sóng radio, truyền tin, quang tuyến X, sóng vi ba, rada vân vân đều là sóng điện từ. Tia hồng ngoại và cực tím đã được hai nhà khoa học Đức khám phá từ đầu thế kỷ 19 (Friedrich Wilhelm Herschel, nhà thiên văn học, và Johann Wilhelm Ritter). Khắp nơi trong đời sống, không nơi nào không có sóng điện từ. Các phương trình Maxwell là nguồn cảm hứng cho giới vật lý từ đó. Đặc biệt đối với Einstein chúng là nguồn cảm hứng cho thuyết tương đối của ông.

   Ngạc nhiên thay, nếu Newton đã hoàn tất những ý tưởng của ông về hấp lực cho Principia vào năm 1666 trong cuộc sống làng quê yên tĩnh, thì Maxwell cũng khám phá phương trình điện từ năm 1865 trong lúc lui về ở ẩn tại làng quê yên tĩnh của ông. Nghĩa là hai annus mirabilis của Maxwell và Newton cách nhau đúng 200 năm, diễn ra trong những tình huống tương tự. Trong bài báo được công bố có tên A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field năm 1865, Maxwell chứng minh rằng các trường điện và từ truyền đi trong không gian dưới dạng sóng với tốc độ của ánh sáng. [Ghi chú: Thời gian 1867-68, nghĩa là ngay sau khi thuyết Maxwell được công bố, là giai đoạn bấp bênh của định mệnh Việt Nam: Nguyễn Tường Tộ đi công cán ở Pháp và kiến nghị với vua Tự Đức canh tân đất nước, nhưng thất bại, trong khi Nhật Bản đang mở toang cánh cửa Duy tân, chạy đua với phương Tây vì sự sống còn.]

   

   James Clerk Maxwell (1831-1879)

   Một điều mỉa mai, không phải các nhà khoa học Anh đánh giá nghiêm túc thuyết điện từ của Maxwell, mà là các nhà khoa học Đức. [Đây cũng không phải là lần đầu tiên]. Năm 1879, năm Maxwell mất và cũng là năm Einstein sinh (!). Hermann Helmholtz, người đánh giá rất cao ý tưởng của Maxwell, thuyết phục Viện hàn lâm khoa học Phổ treo giải cho ai kiểm tra được bằng thực nghiệm thuyết Maxwell. Không ai khác hơn học trò cưng sáng chói của ông, Heinrich Hertz, chấp nhận thách đố. Chính Hertz đã đơn giản hóa bộ phương trình của Maxwell. Với nỗ lực lên xuống tám năm liền, cuối cùng (1887) Hertz đã chứng minh được dứt khoát sự tồn tại của sóng điện từ bằng cách tạo ra được sóng radio trong phòng thí nghiệm của ông. Ông chứng minh sóng điện từ có tất cả tính chất của ánh sáng như phản chiếu, khúc xạ, giao thoa, phân cực và truyền đi với vận tốc ánh sáng. Từ đó có khái niệm sóng Hertz, tần số Hertz. Năm 1889, Hertz tuyên bố tại “Hội nghị các nhà nghiên cứu tự nhiên và bác sĩ Đức”: “Ánh sáng là một hiện tượng điện, bản thân ánh sáng, tất cả loại ánh sáng, dù là ánh sáng của mặt trời, của nến, hay của đom đóm. Lấy điện ra khỏi thế giới, ánh sáng cũng sẽ biến mất theo.” [Câu này làm chúng ta nhớ đến câu nói của Einstein về thuyết tương đối rộng: Nếu lấy hết vật chất đi…thì không-thời gian cũng không còn tồn tại nữa.]

   Như bị thánh thần ghen tị, Hertz đã không may mất sớm ở tuổi 37! không còn chứng kiến thêm một loại sóng điện từ nữa hữu ích cho cả nhân loại mà Röntgen khám phá năm 1895, được thế giới ngoài nước Đức gọi là tia X, gọi thế là vì dư luận rất hoang mang trước sự bí ẩn của nó, nên đã đặt cho nó cái tên tia X theo cách gọi của toán học đối với các ẩn số.) [Thật ra Maxwell cũng mất sớm, ở tuổi 48.]

   

   Heinrich Hertz (1857-1894)

   Einstein tuyên bố về tầm quan trọng của Maxwell: “Một thời đại khoa học chấm dứt và một thời đại khác bắt đầu với Clerk Maxwell.” Còn Feynman, nhà vật lý tài hoa ‘flamboyant’ của Mỹ thì đánh giá: “Từ một tầm nhìn dài của lịch sử nhân loại − được nhìn từ mười ngàn năm đến giờ chẳng hạn − có ít nghi ngờ rằng sự kiện quan trọng nhất của thế kỷ mười chín sẽ được đánh giá là sự khám phá của Maxwell về các định luật của điện động lực học.” Các nhà vật lý một trăm năm sau vẫn còn ngạc nhiên trước các phương trình Maxwell, về tính đối xứng và vẻ đẹp toán học của chúng. Sững sờ trước khả năng diễn tả được các định luật tự nhiên bằng tư duy của con người thành những phương trình đơn giản và đẹp đẽ, nhà vật lý Áo Ludwig Boltzmann cuối thế kỷ 19 trong Các bài giảng về thuyết Maxwell đã thốt ra: “Có phải một vị thần đã viết những dòng này chăng?”

   Thuyết Maxwell, thống nhất điện, từ và quang học, bao gồm từ cầu vồng đến radio, từ sóng vi ba đến quang tuyến X, từ tia hồng ngoại đến tia cực tím, được gọi là điện động lực học (electrodynamics).

   Ít người biết đến con người nhân văn của Maxwell, khác với Newton. Ông đánh giá cao giá trị văn hóa của khoa học. Đối với ông, việc nghiên cứu khoa học đòi hỏi con người phải sử dụng hoàn toàn các giác quan và năng lực trí tuệ, về phân tích cũng như tưởng tượng. Vào phần cuối của bài diễn văn khai mạc phòng nghiên cứu mới Cavendish mà ông có nhiều công sức đóng góp, ông nhấn mạnh khía cạnh văn hóa của khoa học:

   Chúng ta nhìn nhận rằng (đối tượng) nghiên cứu đích thực về nhân loại là con người. Nhưng có phải không người sinh viên của khoa học phải bị rút khỏi việc nghiên cứu con người, hay cắt đứt khỏi mọi cảm xúc cao quý, bao lâu anh ta sống giữa một cộng đồng trí thức với những con người hiến dâng đời họ cho việc khám phá chân lý, và các kết quả của chính những nghiên cứu của họ đã ảnh hưởng lên ngôn ngữ bình thường và cách suy nghĩ của những con người chưa bao giờ nghe đến tên tuổi họ? Hay là người sinh viên của ngành lịch sử và nghiên cứu con người phải loại bỏ khỏi suy xét của họ lịch sử về nguồn gốc và sự truyền bá của những ý tưởng đã làm nên một sự khác biệt lớn giữa một thời đại này của thế giới và một thời đại khác?

   Hay quá.

   Một câu chuyện vui bên lề: Năm 1960 Royal Society tổ chức lễ kỷ niệm 300 năm ngày thành lập tổ chức huyền thoại này. Nữ hoàng Anh đến dự. Trong bài phát biểu, bà nhắc đến nhiều tên tuổi các fellows nổi tiếng của Royal Society, nhưng không hiểu vì sao bà lại không nhắc đến cái tên Maxwell! Ái cha! Phải chăng vì Maxwell là người Scotland? Chắc không phải, lỗi đó chắc do một sự sơ sót từ phía Royal Society. Câu chuyện này đã đi vào lịch sử. Maxwell được ngưỡng mộ khắp nơi, ngay cả ở những quốc gia không có truyền thống khoa học mạnh, như Mexico, Nicaragua và San Marino, nằm trong những quốc gia đã phát hành tem Maxwell để vinh danh ông. (Còn VN?)

   

   Một con tem với ảnh của James Clerk Maxwell và Heinrich Hertz của Mexico năm 1967 kỷ niệm 100 năm thuyết điện từ.

4. Ngay đầu thế kỷ 20, Max Planck đã khám phá lượng tử, và Einstein bản chất thứ hai của ánh sáng là tính hạt. Ánh sáng được xem cấu tạo bằng các hạt gọi là photon, hay các lượng tử quanta. Hai trăm năm sau Newton, giờ đây thuyết hạt của ánh sáng của ông được Einstein tiếp nối. Đó là một một khám phá có tính cách mạng, như Einstein đánh giá, vì nó đi ngược lại truyền thống sóng đã được xác lập, ngược cả thuyết điện từ của Maxwell. Newton thắng lại. Các hạt này không có khối lượng, chỉ có năng lượng, được diễn tả qua công thức Planck-Einstein: E = hν, trong đó h là hằng số Planck và ν là tần số ánh sáng. Điều ngạc nhiên là công thức này nối liền thuyết lượng tử (qua h) với thuyết sóng (qua ν). Einstein đã dùng tính chất hạt để giải thích chính xác hiện tượng quang điện khó hiểu. Các hạt photon có năng lượng cao bắn vào tấm kim loại sẽ đánh bật ra các electron các nguyên tử khỏi tấm kim loại, chúng tạo thành dòng điện bên ngoài có thể đo được (Robert Milikan đo).

   Einstein không bác bỏ tính chất sóng, vì có quá nhiều chứng cứ. Nghĩa là ánh sáng giờ đây có lưỡng tính, vừa sóng vừa hạt (duality). Ông hòa hợp hai quan điểm bằng cách cho rằng hiện tượng giao thoa không phải là bức ảnh tức thì của các chuyển động của các photon, mà là kết quả thống kê của chúng theo thời gian.

   Lời giải thích hiện tượng quang điện là công trình mà Ủy ban giải Nobel dựa lên để công nhận giải Nobel cho ông.

   Khám phá lượng tử của Planck và quanta ánh sáng của Einstein là một bước phát triển vĩ đại của vật lý hiện đại, đưa tới sự hình thành cơ học lượng tử. Quan điểm của Aristote “Vật chất là liên tục” bị bác bỏ. Ánh sáng giờ đây lắt léo: có tính chất đôi, vừa sóng vừa hạt, một hiện tượng thật kỳ lạ của tự nhiên. Bản chất lắt léo của ánh sáng được thể hiện qua thí nghiệm khe kép (double slit experiment). (Xem Richard Feynman, “QED, The strange Theory of Light and Matter.”)

   Tính chất hai mặt sóng-hạt của photon được vị hoàng tử Pháp, Louis de Broglie, tổng quát hóa, không những áp dụng cho photon mà còn cho các hạt vật chất như electron chẳng hạn, tức là, tất cả vật chất đều có tính chất sóng. Đây là một bước tiến quan trọng trong thuyết lượng tử.

   Các quanta có thể nói được xem như các ‘nguyên tử’ của ánh sáng. Sự khám phá nguyên tử của vật chất, rồi các ‘nguyên tử’ của ánh sáng, là động lực thúc đẩy người ta đi tìm cấu trúc nguyên tử của không gian và thời gian. Đó là lãnh vực hấp dẫn lượng tử (quantum gravity), nhằm tìm kiếm sự thống nhất của hấp lực và lượng tử. Quan niệm chúng ta về không gian và thời gian có lẽ hãy còn quá thô. Một học giả Do Thái nhiều ảnh hưởng thời Trung cổ, Moses Maimonides (khoảng 1135 – 1204), đã từng có một ý tưởng sâu sắc đến ngạc nhiên: “Thời gian được cấu tạo từ các nguyên tử thời gian…chúng thật sự không chia cắt được”. Ở cấp độ Planck cực nhỏ, chẳng hạn, người ta không thể xây dựng một đồng hồ để đếm các khoảng thời gian cấp độ Planck (10^-43 giây), và nói chung, vật lý cổ điển không còn có hiệu lực ở cấp độ đó.

   Vào năm 1916, năm rất bận rộn của Einstein, sau khi vừa hoàn tất xong thuyết tương đối rộng, thì ông cũng đặt nền tảng cho sự phát triển một loại ánh sáng có thể được khuếch đại lên mạnh mẽ: ánh sáng laser. Photon là hạt boson, không phải hạt Fermi của vật chất, nên không bị chi phối bởi định luật loại trừ của Pauli, chúng có thể tích tụ không giới hạn tại một chỗ, cho nên có thể tạo ra một cường độ ánh sáng cực mạnh ở dạng tia laser so với ánh sáng thường.

   Với cấu trúc hạt, mỗi hạt mang theo năng lượng tùy theo màu sắc, và năng lượng lại tương đương với khối lượng, nên ánh sáng cũng bị trọng lực của mặt trời hút và uốn cong khi nó đi qua, và Einstein có thể đoán chính xác độ cong tại khúc rẽ. Đó là cách giải thích bằng thuyết tương đối rộng của Einstein đúng 100 năm trước về hiện tượng ánh sáng bị cong trên trời khi đi ngang qua trường hấp dẫn của mặt trời, điều đã được kiểm chứng năm 1919 bởi các nhà khoa học Anh. Khi không-thời gian bị cong bởi sự hiện diện của vật chất, thì ánh sáng đi trong đó dọc theo các quỹ đạo cong cũng bị cong, là điều hợp lý. Một hệ quả của điều này là hiện tượng ảo ảnh, một vật thể thật có thể cho ra nhiều ảnh, những thứ đều là ‘ảo ảnh’, như trong minh họa (của Lawrence M. Krauss):

   

   Sự ngạc nhiên về bản chất của ánh sáng chưa hết, nếu người ta nghĩ đến những gì xảy ra trong thuyết tương đối hẹp của Einstein. Ở đó, ánh sáng có tính chất rất lạ kỳ: nó truyền đi với vận tốc hằng số, 300.000km/s, hữu hạn nhưng vô cùng lớn, và như nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính,kể cả khi hệ qui chiếu đó chuyển động thẳng đều nhanh thế nào đi nữa. Suy nghiệm điều này sẽ thấy ‘phi lý’ so với định lý cộng vận tốc cổ điển, ở đó các vận tốc tương đối cộng lại với nhau. Nhưng tính chất vận tốc hằng số là một trong hai tiên đề cột trụ của thuyết tương đối hẹp làm thay đổi paradigm về thời gian và không gian đã thống trị mấy ngàn năm! Trong khuôn khổ thuyết tương đối hẹp, định lý cộng vận tốc sẽ được tu chỉnh.

   Nếu vận tốc ánh sáng là vô cực, thì Newton đúng, và chẳng còn điều thú vị để nói nữa trong siêu hình học của vật lý. Cái vĩ đại của Chúa là đã tạo ra vận tốc ánh sáng hữu hạn với những tính chất trên, buộc cả vũ trụ kết lại với nhau. Không gian và thời gian, chẳng có cái nào tuyệt đối cả, chúng hòa quyện nhau để thành một thực thể mới của thuyết tương đối, có thể chuyển biến lẫn nhau, thời gian thành không gian, và ngược lại, chỉ có vận tốc ánh sáng mới là tuyệt đối thôi.

   Gần 2.500 năm trước, có một nhà triết học Hy Lạp tiền-Socrate, Empedocles, đã có ý tưởng rằng ánh sáng được truyền đi trong không gian với vận tốc rất lớn nhưng hữu hạn. Chính ông đưa ra thuyết vật chất được cấu tạo bởi bốn nguyên tố.

   Trở lại câu chuyện khám phá lượng tử của Max Planck gây náo nhiệt trong dư luận, và con đường khám phá thú vị không kém: Ánh sáng hay bức xạ phát ra từ thanh sắt trong lò thợ rèn (thực tế trong một ‘vật thể đen’, blackbody, kín bằng bốn bức tường kim loại, và được đun lên) như hàm số của nhiệt độ đã trở thành đối tượng nghiên cứu tập trung của các nhà khoa học thực nghiệm Đức tại Berlin những năm cuối thế kỷ 19. Planck là người đến sau, một nhà lý thuyết, nhưng bằng một sự “tiên đoán may mắn”, đã tu chỉnh được công thức phân bổ bức xạ nhiệt của thanh sắt trở thành chính xác đáng ngạc nhiên trước các nhà thực nghiệm chuyên nghiệp so với các kết quả thực tế. Nhưng để cho công thức đó đúng về mặt lý thuyết, ông đã phải đề xuất một giả thiết lượng tử chẳng đặng đừng mà bản thân ông cũng không tin: Năng lượng được trao đổi theo từng gói, quanta, chứ không liên tục như người ta vẫn thường tưởng. Chỉ như thế, công thức phân bổ phát xạ của thanh sắt được nung đỏ mới được chứng minh một cách nghiêm ngặt. Thiên nhiên đã bị ‘bắt bí’. Ánh sáng của lò rèn đã dẫn dắt con người đi xuống khám phá, không phải địa ngục của Dante, mà định luật lạ lùng của thế giới vật chất vi mô kỳ bí.

   Vai trò của photon là kỳ lạ: Các electron trong nguyên tử thực hiện các ‘cú nhảy lượng tử’ từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác bằng cách thu thêm photon hay nhả ra, loại photon có đúng mức năng lượng giữa hai quỹ đạo. Các electron đẩy nhau bằng cách ‘bắn’ photon qua lại để ‘đuổi’ nhau đi xa. Tổng quát hơn, Planck và Einstein đã chứng minh rằng các lực điện từ được trung gian bởi sự trao đổi các photon.

   Nói theo ngôn ngữ của vật lý hạt cơ bản, photon, hạt nguyên liệu của ánh sáng, là hạt ‘con cưng’ của Chúa vào thời tạo thiên lập địa.

   

   Khi Thiên Chúa giả sử phán: “Hãy cho ánh sáng!” thì có lẽ Ngài thực sự phán: “Hãy cho một lý thuyết Yang-Mills SU với các boson chuẩn của nó, và hãy để đối xứng bị phá vỡ tự phát, rồi đem bán tất cả boson vào ngục hồng ngoại, trừ một boson không khối lượng. Boson chuẩn này là con cưng của ta (hạt photon). Hãy để nó bay xa để soi sáng tất cả tác phẩm của ta!” Có lẽ như thế mới sát với sự thật hơn, như tác giả Anthony Zee viết một cách duyên dáng và hình tượng.

5. Những năm cuối 1940, sau Thế chiến II, Schwinger, Feynman và Tomonaga hoàn tất một lý thuyết lượng tử về tương tác giữa ánh sáng (photon) và vật chất (electron). Thuyết này có cái tên ‘đáng ghét’ là điện động học lượng tử, QED (Quantum Electrodynamics). Nó nới rộng thuyết Maxwell và phương trình Dirac. “Phần lớn các hiện tượng mà bạn quen biết đều liên quan đến tương tác giữa ánh sáng và electron (hạt trong nguyên tử của vật chất), trong hóa học và sinh học chẳng hạn. Những hiện tượng mà thuyết này không bao gồm là của lực hấp dẫn và hạt nhân”, Feynman viết. Thuyết này là cửa ngỏ để bước vào thế giới hạt cơ bản trong nhân của nguyên tử. Thuyết Yang-Mills cho trường hợp phức tạp hơn của tương tác các hạt cơ bản được mô phỏng từ thuyết QED này.

   Thuyết điện động học được Feynman trình bày trong quyển sách nhỏ “QED, The strange Theory of Light and Matter.” Quả thật một lý thuyết rất lạ lùng, nhưng lại được thực nghiệm xác nhận chính xác cực kỳ cao. Feynman ví độ chính xác này: nếu đo khoảng cách giữa New York và Los Angeles thì sai số của thuyết QED chỉ bằng sợi tóc con người! Khiếp thật.

6. Ánh sáng có vai trò đặc biệt đối với vũ trụ học. Robert Grosseteste, giám mục và hiệu trưởng đầu tiên của Đại học Oxford, và đặc biệt được biết với hai khảo luận về vũ trụ học những năm 1220, De luce (Siêu hình học của ánh sáng) và De motu corporali et luce (Về chuyển động của vật thể và ánh sáng), trong đó ông xây dựng một vũ trụ học từ ánh sáng như sau. Vũ trụ, ông nói, đầu tiên được Chúa tạo ra dưới dạng một điểm sáng trong một hình dạng vật chất ban sơ, trong suốt, không kích thước; ánh sáng truyền đi tức thì vào một hình cầu giản nở, qua đó tạo ra kích thước không gian và sau cùng, nhờ vào ánh sáng chiếu vào trong từ một hình cầu ánh sáng giản nở, tạo ra các hình cầu trên trời của vũ trụ học Aristote. Grosseteste diễn tả:

   Tôi cho rằng dạng đầu tiên của một vật thể (body)…là ánh sáng (lux), và khi nó tự nhân lên và bành trướng ra không có một cơ thể vật chất nào chuyển động theo, nó làm cho sự di động tức thì xuyên qua một môi trường trong suốt, và không phải là chuyển động mà là một trạng thái thay đổi. Nhưng, thực sự, khi ánh sáng bành trướng theo các chiều khác nhau, nó được hợp nhất với vật chất, nếu như vật thể vật chất bành trướng với nó, và nó sẽ làm một sự giảm hay tăng vật chất…Từ điều này, rõ ràng rằng chuyển động vật thể là một năng lực nhân lên của ánh sáng, và đây là một thèm khát tự nhiên và có tính vật thể.

   Đó là một điều đáng ngạc nhiên ở thế kỷ 13, vì thứ nhất lời giải thích này, tuy chỉ ở dạng tư biện, hoàn toàn không dựa trên phép mầu hay sự can thiệp của thần thánh, thứ hai, nó giống như lời giải thích hiện đại về vũ trụ bằng big bang của một vũ trụ tự thân giản nở, bao gồm lạm phát, rồi kết tinh thành các hành tinh. Quả ông đã ‘đi trước’ thuyết big bang bảy thế kỷ. Nhà sử học A. C. Crombie gọi Grosseteste là “nhà sáng lập đích thực truyền thống tư duy khoa học của Oxford Trung cổ, và, về phương diện nào đó, của truyền thống trí thức hiện đại Anh”. Óc tưởng tượng dồi dào và sâu sắc thật.

   

   Robert Grosseteste (1175-1253), nhà kinh viện đầu tiên cho rằng cần phải sử dụng thí nghiệm để kiểm tra lý thuyết, cũng như toán học vì tính chính xác, như Roger Bacon một trong những học trò ông sau đó chủ trương.

   Cho đến nay các nhà vật lý quan sát được bức xạ nền (CMB, cosmic microwave background) ở dạng sóng điện từ vi ba của vũ trụ từ thời điểm năm thứ 380.000, một chứng cứ cho thấy vũ trụ phát triển từ một big bang (Robert Wilson và Arno Penzias những năm 1960). Sự phân bổ bức xạ tìm thấy giống hệt như trong trường hợp chiếc ‘hộp đen’ đun nóng nói trên, gợi thêm tính chất big bang thuở ban đầu. Cuộc tìm kiếm chứng cứ còn tiếp tục, đặc biệt chứng cứ về sóng hấp dẫn ban sơ, còn dai dẳng ẩn trốn.

   

   Bức tranh bức xạ nền của vũ trụ

   

   Kính viễn vọng của Galilei

    

   

   Edwin Hubble và viễn vọng kính hiện đại

    Từ Galilei đến Hubble, một bước tiến vĩ đại trong thiên văn học nhằm khám phá vũ trụ bằng ánh sáng tinh tế của suốt cả chiều dài lịch sử vũ trụ.

7. Khám phá electron cuối thế kỷ 19 làm phát sinh kỹ nghệ electronics. Sau photon, kỹ nghệ đang có thêm ngành photonics. Photonics là khoa học và công nghệ sinh ra, kiểm soát và dò ra photon. Photonics là nền tảng của smartphone, laptop, internet đến các thiết bị y khoa và công nghệ ánh sáng. Hai ngành công nghệ này đã thay đổi bộ mặt thế giới. Nếu thế kỷ 20 lệ thuộc vào electronics thì thế giới 21 vào photonics. Ánh sáng (laser) có thề truyền thông tin (optical fibres) để kết nối, thay cho điện (electron) trước đây, hữu hiệu hơn, và nhanh gọn hơn, kinh tế hơn, mở ra sự kết nối thế giới chưa từng có. Thế giới được thu nhỏ lại hơn bao giờ hết. Các công nghệ photonics có một thị trường hiện tại €300 tỉ, và được ước tính sẽ hơn €600 vào năm 2020, những điều Einstein và Planck chắc không bao giờ nghĩ tới.

Ánh sáng không chỉ đem lại sự sống và giàu có cho cây cỏ, mùa màng, mà còn đem lại một nền kinh tế thăng hoa, và nhiều khả năng khác còn được tiếp tục khai thác. Tất cả đến từ nhận thức về bản chất của ánh sáng, và những khả năng của nó trong sự tương tác với thế giới. Ánh sáng đã thay đổi rất lớn mọi thứ trên đời.

⭐⭐

Ánh sáng còn là biểu tượng của Khai minh (enlightenment), từ thuở Plato với ngụ ngôn hang động, đến thế kỷ 18 với Kant và các nhà bách khoa thư Pháp, Anh. Ánh sáng tượng trưng cho lý tính, hay chân lý: “Lý tính sẽ khai sáng mọi người khi bước vào thế giới, bởi vì lý tính chính là ánh sáng”, hay “Lý tính như một tia sáng thần thánh, một hạt giống của chân lý được ban cho con người, nó sẽ phát triển đến thời điểm mà, sau khi kinh qua các cánh cửa của vô minh, con người sẽ có thể nhìn thấy Chúa, mặt đối mặt” như học giả Pháp Paul Hazard nói về thế kỷ 18. Thế kỷ 18 được xem như thế kỷ hội tụ nhiều ánh sáng nhất trong đời sống văn hóa các dân tộc châu Âu. Các nhà triết học Pháp gọi là một siècle des lumières, thế kỷ của ánh sáng, ở đó họ là những người mang ánh sáng đến những người khác. Nhưng bức tranh không phải hoàn toàn sáng sủa như thế, mà có bề trái của nó. Năm 1784, trong tiểu luận “Was ist Aufklärung?” (Khai minh là gì?) để định nghĩa thế nào là Khai minh, Immanuel Kant bày tỏ sự bi quan nhất định về thế kỷ của ông. “Nếu ai hỏi, chúng ta có phải sống trong thế kỷ được khai sáng hôm nay không, câu trả lời sẽ là Không.” Nhưng ông nói tiếp ngay, “chúng ta đang sống trong Thời đại của Khai minh.” Còn Voltaire khẳng định, thời đại ông là một thời đại của văn hóa xuống cấp. “Người ta nói nhiều về Khai minh, và đòi hỏi nhiều ánh sáng hơn nữa”, Georg Christoph Lichtenberg một nhà vật lý và khai sáng Đức viết. “Nhưng Chúa ơi, ánh sáng tốt làm gì khi con người hoặc không có mắt, hay nếu những ai có mắt, họ cương quyết nhắm lại?” Diderot, trong một phút tuyệt vọng, viết cho Hume: “Ôi, nhà triết học của tôi ơi! Hãy khóc than về số phận của triết học đi. Chúng ta thuyết giảng triết học cho những người điếc và thật sự chúng ta vẫn còn xa vời thời đại của lý tính.” Bản thân David Hume nghĩ, bên cạnh thế giới của Khai minh và những người hỗ trợ có học thức của nó, còn an bày một sa mạc rộng lớn của bóng tối, sự bàng quang ương bướng, của mù chữ và mê tín, ngu muội và dốt nát.

Nhưng Kant lạc quan. Ông nhận ra một cuộc “nổi dậy chống lại mê tín” khắp nơi trong những quốc gia và giai cấp văn minh, gọi đó là Aufklärung, và những người lãnh đạo của nó là Aufklärer. Xung quanh đang diễn ra các đổi mới sáng tạo có tính cách mạng trong khoa học, những ý tưởng mới về kinh tế, xã hội, giáo dục, chính trị. Lý tính thâm nhập khắp nơi, kể cả vào khu vực thần học. Khi chiếm được ảnh hưởng, Khai minh báo hiệu sự chấm dứt các cuộc chiến tranh tôn giáo, truy bức ‘phù thủy’, thiêu sống dị giáo, và chiêm tinh, ma thuật. Di sản của Khai minh là sự giải phóng tinh thần Âu châu khỏi những tấm vải che mắt của giáo điều, khỏi những trói buộc của quá khứ. Cán cân quyền lực giữa intelligentsia thế tục và giới tu sĩ thay đổi. Chúng ta ngày nay là những đứa con của khai minh.

Thời đại của Khai minh ở Weimar, Đức, với Schiller, Goethe, Wieland và Herder.

⭐⭐

Trên đây là sự gợi ý một số chủ đề về ánh sáng. Nói chung có năm lĩnh vực đề tài: Lịch sử khai phá bản chất ánh sáng; ánh sáng và thế giới vô cùng nhỏ (lượng tử); ánh sáng và thế giới vô cùng lớn (vũ trụ); ánh sáng và xã hội (ứng dụng trong kinh tế); ánh sáng là biểu tượng của khai minh. Cho đến nay, tác phẩm quan trọng Opticks của Newton dường như chưa được dịch sang tiếng Việt, cũng như chưa có một quyển về tiểu sử Maxwell, những khám phá và ảnh hưởng của ông đối với khoa học và đời sống, cũng chưa có quyển sách nào nói về các ứng dụng của photonics. Nói tóm lại chưa có một tủ sách về ánh sáng.

Đọc giả VN đã có hai tập sách của GS Trịnh Xuân Thuận tiêu đề “Những con đường của ánh sáng”, do Phạm Văn Thiều và Ngô Vũ dịch. Đây là một bộ sách quý, như một bách khoa toàn thư về ánh sáng. Chúng ta cần đào sâu các đề tài, về lịch sử, nhận thức hay về ảnh hưởng lên kinh tế. Chúng tôi hoan nghênh mọi sáng kiến của các nhà khoa học, nghiên cứu, yêu thích khoa học.

Vì thế chúng tôi kêu gọi cộng đồng các nhà khoa học Việt Nam hãy có những công trình đóng góp kỷ niệm Năm quốc tế Ánh sáng để có thêm ánh sáng cho Việt Nam, gây ý thức và truyền cảm hứng cho giáo dục tuổi trẻ. Chúng ta có cả một dãy đề tài thật phong phú. Nhà nước cũng nên phát hành những con tem mang hình ảnh những nhà khoa học lớn, như Newton, Maxwell, Hertz và Einstein. Một xã hội chuộng khoa học như một nền tảng để phát triển không thể không tôn vinh những nhà khoa học khai phá có ảnh hưởng lớn lên toàn thế giới.

Xin cám ơn.

Nguyễn Trọng Hiền

Nguyễn Xuân Xanh

Phạm Xuân Yêm

Tháng Ba, 2015