Năm của Ánh sáng

Việc Liên Hợp Quốc lấy năm 2015 làm Năm Ánh sáng là do năm nay trùng với năm chẵn kỷ niệm một loạt mốc thời gian quan trọng trong lịch sử khoa học ánh sáng - 1.000 năm ra đời năm cuốn sách về quang học của Ibn Al-Haytham; 200 năm Augustin Frenel đưa ra khái niệm sóng ánh sáng; 150 năm James Clerk Maxwell đề xuất lý thuyết trường quang điện từ; 110 năm Albert Einstein đưa ra lý thuyết hiệu ứng quang điện và 100 năm ông sáng lập Thuyết Tương đối rộng (1915); 50 năm Arno Allan Penzias và Robert Woodrow Wilson khám phá bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

Ai là người đầu tiên hiểu được tính chất quan trọng của ánh sáng?

Theo Kinh Thánh của đạo Do Thái (tức Cựu Ước trong Kinh Thánh của Ki-tô Giáo), người đầu tiên hiểu được tính chất quan trọng sống còn của ánh sáng là… Đấng Tối Cao, tức Thượng Đế, ta quen gọi là Chúa Trời. Chương thứ nhất của Cựu Ước là chương Sáng Thế Ký (Genesis, tức ghi chép về sự ra đời của thế giới) mở đầu bằng câu chuyện nói về ánh sáng:

Thế giới ban đầu là một khối hỗn độn, tối đen kịt chẳng thấy gì hết, chẳng có gì hết, chỉ có Chúa Trời Jehovah bay trong khối hỗn độn tối đen ấy. Dĩ nhiên Ngài cũng chẳng nhìn thấy gì cả, vì có gì đâu mà nhìn! Cảm thấy tối mịt như thế này thì buồn quá, Ngài phán: “Phải có ánh sáng!” Vì Chúa Trời toàn năng nên Ngài nói xong thì ánh sáng xuất hiện, khắp thế giới sáng rực lên. Đức Chúa Trời cả mừng, bèn gọi quãng thời gian có ánh sáng là “ban ngày”, quãng thời gian không có ánh sáng (tối) là “ban đêm”; Ngài ra lệnh cho sáng và tối thay nhau luân phiên xuất hiện, và quy định một ngày và một đêm gọi là một ngày. Và thế là ban ngày và ban đêm thay nhau xuất hiện lần thứ nhất, tức ngày đầu tiên của thế giới. Trong ngày đó, Chúa Trời chỉ làm mỗi một việc là tạo ra ánh sáng cho thế giới chưa xuất hiện.

Trong sáu ngày còn lại, theo thứ tự thời gian, Chúa Trời tạo ra không khí, bầu trời, nước, biển và hồ, đất liền, các loài thực vật, Mặt trời và Mặt trăng, các vì sao, các loài vật sống dưới nước, các loài vật bay được và đi được. Ngày thứ sáu, Chúa Trời mới tạo ra con người: Ngài lấy đất nặn thành người đàn ông (Adam), rồi lấy một cái xương sườn của người này tạo ra người đàn bà (Eva). Ngày thứ bảy, thấy chẳng còn gì để làm nữa, vì toàn bộ thế giới đã được sáng tạo xong, Chúa Trời nghỉ làm việc và gọi ngày đó là “Ngày của Chúa (Chủ nhật)”.

Như vậy theo Kinh Thánh, ánh sáng là thứ vật chất xuất hiện đầu tiên, thứ quan trọng nhất, không có ánh sáng thì sẽ chẳng có thế giới, vũ trụ gì hết. Còn trong thực tế, trong số hàng trăm hạt sơ cấp - đơn vị cấu trúc cuối cùng của mọi vật chất - chỉ có ánh sáng là thứ duy nhất con người có thể cảm nhận được bằng giác quan của mình, vì thế dĩ nhiên nó được các nhà khoa học quan tâm trước hết.

Ngày nay chúng ta đã biết ánh sáng mà Trái đất được hưởng là những bức xạ sóng điện từ do Mặt trời phát ra liên tục kể từ khi xuất hiện Mặt trời cách nay hơn 4,6 tỷ năm. Ánh sáng mang năng lượng đến cho Trái đất, không có nguồn năng lượng vô tận đó thì không thể có sự sống trên Trái đất, cũng tức là không có loài người. Trong các hành tinh thuộc Hệ Mặt trời chỉ có Trái đất ở cách Mặt trời một khoảng cách vừa phải để năng lượng mà ánh sáng mặt trời mang tới không quá nhiều (quá nóng) hoặc quá ít (quá lạnh) nhờ đó sự sống có thể nảy sinh và duy trì.

Một số mốc lịch sử của khoa học ánh sáng

Giờ đây nhìn lại lịch sử, ta thấy các nghiên cứu về ánh sáng đã đặt nền tảng căn bản nhất cho sự phát triển khoa học và công nghệ. Chính là nhờ nghiên cứu bản chất của ánh sáng mà vật lý học đã tiến những bước kỳ diệu. Có thể kể ra một số mốc lịch sử như sau.

Cách đây một nghìn năm - năm 1015, nhà vật lý người Ả-rập  Ibn Al-Haytham (còn gọi là Alhazen, 965-1040) công bố năm tập khảo luận về ánh sáng, có tên l� Sách về Quang học (Book of Optics). Sách trình bày nhận thức của loài người thời đó về ánh sáng, vạch ra một số tính chất cơ bản của ánh sáng. Trên cơ sở nghiên cứu về hiện tượng phản xạ và khúc xạ, Alhazen cho rằng ánh sáng là một loại vật chất, nó di chuyển với vận tốc hữu hạn. Ông cũng nói Mặt trời là nguồn cung cấp ánh sáng cho Mặt trăng. Alhazen được gọi là cha đẻ của quang học.

Hai trăm năm trước - năm 1815, nhà vật lý-kỹ sư người Pháp  Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) giải thích thành công hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa bằng lý thuyết quang học sóng (theory of wave optics), đưa ra khái niệm sóng ánh sáng, vạch rõ tính chất sóng của ánh sáng. Đây là một phát kiến rất quan trọng. Sau đó ông đưa ra định luật tính toán cường độ và sự phân cực của ánh sáng phản xạ và khúc xạ. Là một kỹ sư, ông còn phát minh ra Thấu kính Fresnel dùng cho các ngọn hải đăng. Năm 1824 ông được tặng Huy chương Rumford. Đáng tiếc là các cống hiến xuất sắc của ông chỉ được giới khoa học Pháp thừa nhận sau khi ông qua đời khá lâu. Tên ông cùng với 71 danh nhân nước Pháp được khắc trên tháp Eiffel, lưu danh muôn đời; tiểu hành tinh 10111 được đặt tên Fresnel.

Một trăm năm mươi năm trước - năm 1865, nhà vật lý người Scotland  James Clerk Maxwell (1831-1879) đưa ra lý thuyết sóng điện từ của ánh sáng, nâng nhận thức về bản chất của ánh sáng lên một tầm cao mới. Ông đưa ra hệ phương trình Maxwell, chứng minh rằng điện trường và từ trường là thành phần của một môi trường thống nhất gọi là trường điện từ, nó có thể truyền đi trong không gian dưới dạng sóng với vận tốc không đổi là 300.000 km/s. Ông nói: “Ánh sáng và từ lực là các trạng thái khác nhau của cùng một vật chất; ánh sáng là một loại giao động truyền đi trong không gian trường điện từ tuân theo định luật điện từ học.” Tiên đề vĩ đại này đến năm 1888 được nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz chứng minh bằng thí nghiệm. Einstein từng nói các công trình của Maxwell là “sâu sắc nhất và hiệu quả nhất mà vật lý học có được kể từ thời Isaac Newton.” Maxwell được tặng huy chương Rumford và giải thưởng Adams.

Một trăm mười năm trước - năm 1905,  Albert Einstein (1879-1955), khi đó mới 26 tuổi, gửi bốn công trình “để biết Chúa Trời đã tạo ra thế giới này như thế nào” đăng trên tạp chí tiếng Đức Annalen der Physik, trong đó có một bài đưa ra khái niệm: ánh sáng bao gồm các hạt rời rạc gọi là lượng tử. Thuyết bản chất lượng tử của ánh sáng đã giải thích thành công thí nghiệm về hiệu ứng quang điện, đồng thời đẩy mạnh sự phát triển lý thuyết lượng tử. Tới lúc này, các nhà vật lý mới chấp nhận ánh sáng đồng thời có tính chất sóng và tính chất hạt.

Cũng năm đó ông sáng lập Thuyết tương đối hẹp, đưa ra khái niệm vận tốc ánh sáng C là vận tốc giới hạn cao nhất của mọi chuyển động trong vũ trụ, C không thay đổi theo sự lựa chọn hệ quy chiếu. Einstein đưa ra công thức nổi tiếng E = MC², diễn tả sự tương đương khối lượng-năng lượng, trong đó E là năng lượng, M là khối lượng và C là vận tốc ánh sáng trong chân không. Công thức này về sau đã mở đường cho sự ra đời của vũ khí hạt nhân làm cho Thế chiến II sớm chấm dứt, và ngành năng lượng hạt nhân đem lại cho loài người một nguồn năng lượng sạch.

Tiếp đó, chẵn một trăm năm trước, năm 1915, Einstein đưa ra Thuyết tương đối rộng làm chấn động cả thế giới với tiên đoán ánh sáng khi truyền trong vũ trụ có thể bị bẻ cong do tác dụng của trường lực hấp dẫn. Thuyết này được Eddington kiểm chứng trong nhật thực toàn phần năm 1919. Các khám phá của Einstein đã mở ra một kỷ nguyên mới cho vật lý học. Cùng với các nghiên cứu trước đó, giờ đây loài người đã hiểu ra ánh sáng là dòng chuyển động của các hạt riêng lẻ gọi là quang lượng tử (photon). Có lẽ vì các khám phá của Einstein quá huyền diệu, mới mẻ và khó hiểu nên mãi đến năm 1921, ông mới được trao giải Nobel Vật lý, và với lý do cũng không phải bởi Thuyết Tương đối mà bởi lý thuyết giải thích hiệu ứng quang điện - một thành tựu không phải là lớn nhất của ông.

Cho dù đã có những khám phá vĩ đại kể trên, loài người vẫn tiếp tục tìm hiểu ánh sáng. Dựa trên lý thuyết Vụ nổ Lớn, các nhà khoa học suy đoán rằng sau Big Bang khoảng 380.000 năm, các tia sáng ban đầu rớt lại của vụ nổ ấy đã hình thành bức xạ nền vi sóng vũ trụ (cosmic microwave background radiation, hay bức xạ tàn dư vũ trụ) tràn đầy không gian. Đây là bức xạ điện từ sinh ra từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ. Năm 1965, tạp chí  Astrophysical Journal Letters (Vật lý thiên thể) đăng một bài báo vẻn vẹn 940 từ của hai nhà vật lý thiên văn  Robert Woodrow Wilson (người Mỹ) v� Arno Allan Penzias (Mỹ gốc Đức), tuyên bố họ đã phát hiện được bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Thành tựu nghiên cứu này đã góp phần quan trọng chứng minh lý thuyết vũ trụ giãn nở (thuyết Big Bang), và đem lại cho hai ông giải Nobel Vật lý 1978.

***

Loài người hiện đại đang sử dụng rất nhiều phát minh, từ kính điều chỉnh thị lực, kính thiên văn quang học, chẩn đoán hình ảnh bên trong cơ thể bằng tia X-quang, cho tới truyền hình độ nét cao (HD), đầu DVD, điện thoại di động, laser, cáp quang, mạng Internet và công cụ tìm kiếm Google, hệ thống định vị toàn cầu GPS cũng như vệ tinh quan sát môi trường sinh thái của Trái đất v.v… Trong khi hưởng thụ lợi ích vô cùng to lớn của những phát minh này, có thể nhiều người chưa hiểu rằng chúng tất thảy đều có liên quan tới ánh sáng và công nghệ ứng dụng ánh sáng, hơn nữa lĩnh vực này có triển vọng phát triển vô cùng rộng lớn, ngay cả các nhà khoa học cũng chưa thể dự kiến được công nghệ quang học sẽ đưa loài người tiến đến một thế giới như thế nào.

Nguồn tham khảo:

www.light2015.org

http://www.light2015.org/Home/About/Latest-News/December2014/Laun-Opening-Ceremony.html