Lý giải thành công bí ẩn 100 năm về ánh sáng bằng thí nghiệm

Weilong She cùng các cộng sự ở Đại học Tôn Dật Tiên (Quảng Châu, Trung Quốc) đã nghiên cứu hiệu ứng ánh sáng tại lớp chuyển tiếp giữa không khí và sợi silica và họ đã phát hiện được rằng ánh sáng tác dụng một lực đẩy lên bề mặt (xem chi tiết trong bài báo đăng trên Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 101243601 ), mà như lời của người phản biện Ulf Leonhardt (một nhà vật lý quang học ở Đại học St. Andrews, Vương quốc Anh) thì “ Bài báo này là một công trình đẹp đẽ và có thể trở thành một trong những công trình kinh điển cho lý thuyết xung lượng ánh sáng ”. Các tác giả đã giả thiết rằng phát hiện này có thể lát đường cho những ứng dụng mới ví dụ như là phản ứng nhiệt hạch hiệu suất cao sử dụng ép nén laser.

Hình 1. Ảnh chụp sợi silica ở trạng thái tĩnh có đường kính 450 nm. Ảnh đốm sáng là tia sáng truyền ra từ bề mặt sau của sợi silica (Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 101243601).

Nhà vật lý người Đức Hermann Minkowski đã giả thuyết năm 1908 rằng xung lượng của ánh sáng tỉ lệ thuận với chiết suất vật liệu và năm tiếp theo đó, một nhà vật lý Đức khác là Abraham đã giả thiết ngược lại rằng xung lượng tỉ lệ nghịch với chiết suất. Và người ta đã tiên đoán rằng sự tranh luận này chỉ có thể được giải quyết bằng thực nghiệm nhưng có một thực tế hiển hiện rằng rất khó để ghi lại xung lượng của ánh sáng trong một chất điện môi. Trong những năm 70 của thế kỷ 20, dường như bí ẩn này đã được giải quyết bằng một thí nghiệm đơn giản bao gồm một lớp tiếp xúc không khí – nước. Sự chuyển hóa xung lượng đi đến một kết luận là nếu Abraham đúng, mặt nước sẽ bị nén đi một chút khi tia sáng truyền qua, nhưng nếu Minskowski đúng thì mặt nước sẽ bị lồi ra. Sự lồi đã được chứng tỏ và Minkowski đã được công bố là người chiến thắng.

Nhưng thật không may, vào cuối năm đó, các phân tích chi tiết hơn đã chỉ ra rằng sự lồi ra trong thí nghiệm trên lại là hiệu ứng không có liên quan đến các tính chất quang học và nó lại một lần nữa tạo ra một cuộc tranh cãi quyết liệt.

She cùng các cộng sự cuối cùng đã vượt qua những khó khăn này bằng cách thay thế mặt nước bằng một sợi silica kích thước nanomet. “ Chúng tôi trình bày quan sát trực tiếp lực đẩy trên bề mặt sau của sợi silica tác dụng bởi sáng sáng truyền ra ” – She nói. Với kết quả này, Abraham đã được công bố là người chiến thắng mới và xung lượng của ánh sáng tỉ lệ thuận trực tiếp với vật liệu mà nó truyền qua. “ Thí nghiệm đã miêu tả một hình thức hiện đại của một vấn đề đẹp đến đơn giản ” – Leonhardt nói.

Hình 1. Ảnh chụp sợi silica ở trạng thái tĩnh có đường kính 450 nm. Ảnh đốm sáng là tia sáng truyền ra từ bề mặt sau của sợi silica (Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 101243601).