Đề tài Tiểu luận môn lịch sử vật lí lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng

Trường Đại học Sư Pham thành phố Hồ Chí Minh Khoa Vật Lí Đề tài tiểu luận môn Lịch Sử Vật Lí Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Thị Thếp Nhóm tiểu luận: 1. Nguyễn Công Danh 7. Cao Hoàng Qui 2. Vũ Thanh Huy 8. Phan Đăng Thanh 3. Hoàng Văn Hưng 9. Nguyễn Bá Trình 4. Nguyễn Thị Ngọc Lan (16/10) 10. Bùi Thị Cẩm Tú 5. Lê Hải Mỹ Ngân 11. Đoàn Thị Vân 6. Nguyễn Thảo Ngân Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 1 MỤC LỤC MỤC LỤC...........................................................................................................................1 LỜI NÓI ĐẦU.....................................................................................................................2 NỘI DUNG .........................................................................................................................3 I. Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại.....................................................3 II. Sự hình thành và cuộc đấu tranh về quan niệm bản chất sóng hạt của ánh sáng ........5 1. Huygens: cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng................................................................5 2. Newton: ánh sáng là hạt ..........................................................................................6 3. Sự hồi sinh của lý thuyết sóng ánh sáng .................................................................8 III. Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ ..................................................................11 IV. Ánh sáng: lưỡng tính sóng hạt...................................................................................12 V. Kết luận sư phạm.......................................................................................................15 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................17 Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 2 LỜI NÓI ĐẦU Ánh sáng là một người bạn gẫn gũi của con người trong mọi hoạt động hằng ngày, đôi khi sự tồn tại của chúng đối với con người như là một điều hiển nhiên và tự nhiên. Nói như vậy không có nghĩa con người luôn chấp nhận sự đồng hành của người bạn ánh sáng đi bên cạnh mình mà không đặt vấn đề tìm hiểu “cội nguồn” của chúng. Vậy ánh sáng từ đâu sinh ra? Bản chất của ánh sáng là như thế nào? Vô vàn câu hỏi, và những thắc mắc mà con người đã đặt ra cho ánh sáng. Nhưng dường như người bạn ánh sáng của chúng ta lại rất thích chơi trò “đánh đố”, vì vậy, tuy con người từ thời cổ đại xa xưa đã “hỏi” ánh sáng như vậy, nhưng phải nói rằng cho đến thế kỉ 20, con người mới thật sự có được cái nhìn đúng đắn hơn đối với ánh sáng, song vẫn chưa hoàn thiện. Quá trình con người đi tìm câu trả lời của ánh sáng là rất dài và trải qua nhiều giai đoạn, có những giai đoạn tưởng chừng như đã tìm ra, nhưng rồi “gợi ý” mới của ánh sáng lại xuất hiện và con người lại kiếm tìm. Do đó với đề tài nhỏ này, nhóm chúng tôi muốn tìm hiểu về một phần của quá trình lớn con người đi tìm câu trả lời, đó chính là con đường hình thành và những cuộc “đấu tranh” về bản chất của ánh sáng. Trong phần 1 nhóm chúng tôi tìm hiểu những quan điểm về bản chất của ánh sáng trong thời cổ và trung đại. Chúng ta có thể nhận ra tầm quan trọng trong việc nhận thức bản chất của ánh sáng khi những quan điểm về bản chất của ánh sáng xuất hiện rất sớm ngay từ lúc nền văn minh loài người bắt đầu xuất hiện. Mặc dù có những hạn chế về nhiều mặt nhưng trong thời kỳ này quá trình nhận thức về bản chất ánh sáng của loài người cũng đã có những nét đáng lưu ý. Trong phần thứ 2 chúng tôi tìm hiểu về quá trình hình thành và phát triển về quan điểm sóng và hạt của ánh sáng. Ban đầu ánh sáng chỉ là sóng chứa đựng trong nó những tư tưởng đơn sơ cho đến khi Maxwell chứng tỏ nó là sóng điện từ. Hay quan điểm anh sáng là hạt của Newton với những lý giải của ông cũng khá logic. Không chỉ vậy cuộc đấu tranh gay gắt không khoan nhượng về 2 quan điểm sóng hạt của ánh sáng cũng được chúng tôi xét đến. Tiếp đến chúng tôi tìm hiểu về sự hình thành nền tảng kiến thức được xem là đúng trong thời điểm hiện tại: “ánh sáng – lưỡng tính sóng hạt” với những quan điểm hết sức tiến bộ và mang tính cách mạng của Einstein. Những khám phá này đã giúp cho nhân loại hiểu được bản chất thực sự của ánh sáng giúp nhân loại tiến một bước xa trên con đường chinh phục ánh sáng. Cuối cùng trên cơ sở tìm hiểu phân tích đánh giá chúng tôi đề ra những kết luận sư phạm để phục vụ cho công việc giảng dạy ở trường THPT của chúng tôi. Đây là nội dung chính mà trong bài tìm hiểu này chúng tôi sẽ trình bày cụ thể. Nhóm thực hiện Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 3 NỘI DUNG CHÍNH I. Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại:  Empédocle (khoảng 490 - 435 TCN) là tác giả của lý thuyết về thị giác xa xưa nhất . Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho rằng mắt truyền các “tia thị giác” đến thế giới bên ngoài. Sở dĩ có lý thuyết về các tia thị giác này một phần là do niềm tin dân gian cho rằng các con mắt có chứa “lửa. Theo Empédocle, ánh sáng không đi theo một chiều từ mắt tới vật; ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt.  Leucippe (khoảng 460-370 TCN): trái ngược với “lửa” trong mắt của Empédocle thoát ra thế giới bên ngoài, Leuccipe cho rằng thế giới thị giác đến với chúng ta, và do đó, về thực chất, thị giác là một trải nghiệm thụ động. Dưới tác động của ánh sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta – mà Leucippe đặt cho một tên riêng bằng tiếng Hy Lạp là các eidonlon có nghĩa là các ảo ảnh – sẽ tách khỏi bề mặt của vật, như da của một con rắn lột xác tách khỏi cơ thể, và đi đến mắt chúng ta.  Démocrite (460-370 TCN): các quan điểm của Démocrite về ánh sáng và thị giác đều dựa trên học thuyết nguyên tử. Ông chấp nhận bốn màu cơ bản của Empédocle – đen, trắng, đỏ và vàng- xanh, nhưng thêm vào đó các màu khác gọi là các màu thứ cấp, như lục và nâu. Khác với Empédocle, Démocrite không gắn các màu cơ bản cho bốn nguyên tố, mà gắn cho các nguyên tử có hình dạng khác nhau. Theo Démocrite, các màu (và các đặc tính giác quan khác như mùi và vị) không hiện hữu trong bản thân các vật.  Platon (428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộc vào hạng siêu hình. Mặt Trời là con của cái Thiện, và mắt, nhạy cảm với ánh sáng, là một cơ quan gắn chặt nhất với Mặt Trời. Như vậy thị giác là kết quả của sự tổng hợp của ba quá trình bổ sung cho nhau. Mắt phát ra lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành một chùm sáng duy nhất. Chùm sáng này được phóng thẳng ra phía trước cho đến khi gặp bề mặt của một vật; ở đó, nó gặp tia các hạt do vật phát ra dưới tác dụng của ánh sáng xung quanh và kết hợp với chùm sáng ban đầu. Tia các hạt này chứa thông tin về tình trạng của vật, màu sắc và kết cấu của nó. Sau đó chùm sáng co lại để truyền đến mắt những thông tin này.  Aristolte (384-322 TCN), học trò của Platon, là một triết gia thuộc trường phái tự nhiên, ông có cái nhìn cụ thể hơn và kinh nghiệm hơn về hiện thực, đồng thời ông cũng là người bác bỏ thế giới Ý niệm của Platon. Liên quan đến thị giác, Aristolte bác bỏ dứt khoát các “tia thị giác” của Empédocle, bởi theo ông lý thuyết này không giải thích được tại sao chúng ta không nhìn thấy trong bóng tối. Ông cũng bác bỏ quan niệm của Platon về các hạt thoát ra từ bề mặt các vật để đi vào mắt người quan sát. Theo ông, sự tri giác các vật được thực hiện không phải thông qua dòng vật chất, mà bởi ấn tượng của chúng lên các giác quan, cũng giống như sáp tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫn nhưng không tước mất của nó cái chất, sắt hay vàng, đã tạo nên chiếc nhẫn đó. Như vậy mắt tiếp nhận các ấn tượng về màu sắc, hình dạng, chuyển động,… Aristolte cho rằng tồn tại hai màu cơ bản: đen và trắng. Tất cả các màu khác bắt nguồn từ sự hòa trộn hai màu cơ bản này và biểu hiện các Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 4 “phẩm chất trung gian”,ở đây,ông giải thích sự hòa trộn 2 màu cơ bản tạo thành các màu khác có sự đóng góp của “nhiệt”. Các màu khác cũng có thể bắt nguồn từ sự hòa trộn giữa đen và trắng trong một môi trường bán trong suốt: đó là trường hợp các màu nâu đỏ hoặc da cam của cảnh hoàng hôn.  Euclide (khoảng 300 TCN): ông đã dùng toán học để áp dụng cho các hiện tượng tự nhiên, Euclide đưa ra tiên đề về tập hợp các “tia thị giác” chứa trong một hình nón mà đỉnh của nó là tâm của mắt và đáy là phạm vi nhìn thấy của mắt. Nhờ có tiên đề mặt nón thị giác này và nhờ các tính toán hình học, ông đã giải thích được tại sao cây ở xa trông lại nhỏ hơn cây ở gần.  Claude Ptolémée (khoảng 100-178): Ptolémée cho rằng mắt đồng thời vừa là máy phát vừa là máy thu: mắt phát ra các “tia thị giác” có cùng bản chất với ánh sáng và màu sắc. Ptolémée cũng đưa ra tiên đề về “mặt nón thị giác”, nhưng khác với Euclide, ông cho rằng mặt nón này không chứa một tập hợp các “tia thị giác” tách biệt, mà chứa một continuum các tia có mật độ lớn nhất ở trung tâm, tại đó mắt nhìn thấy rõ nhất, nhưng giảm dần ở rìa mép nơi các chi tiết nhoè mờ hơn. Theo ông, “mặt nón thị giác” bản thân nó không đủ; còn cần phải có thêm ánh sáng bên ngoài để được khởi phát sự hoạt động của nó. Chẳng hạn, khi “mặt nón thị giác” quét lên bề mặt của một vật, nó chỉ tương tác với vật ấy nếu có ánh sáng xung quanh. Ánh sáng bên ngoài này càng mạnh thì tương tác càng mạnh. Điều này giải thích tại sao chúng ta không nhìn được trong bóng tối. Ptolémée cũng suy nghĩ về hành trạng của ánh sáng khi nó phản xạ trên một bề mặt (định luật phản xạ) hay đổi hướng khi đi từ môi trường này sang môi trường khác (định luật khúc xạ). Ông cũng là người đầu tiên miêu tả các màu hòa trộn với nhau như thế nào trong mắt của con người. Ông đã vẽ các màu khác nhau trên một bánh xe sau đó quay bánh xe thật nhanh. Mắt không có đủ thời gian để phân biệt từng màu một, mà chỉ nhìn thấy các màu này bị trộn vào nhau. Ngoài ra, ông còn nhận thấy sự hòa trộn các màu còn có thể là kết quả của khoảng cách: một bức tranh ghép các màu sáng nhìn từ xa có thể cho ấn tượng về màu xám.  Claude Galien (130-200) cùng với Hippocrate là hai bác sỹ vĩ đại nhất thời Cổ đại. Ông là một gương mặt lớn góp phần phát triển các ý tưởng về ánh sáng. Galien đã lấy lại một số quan niệm của Aristolte: dưới ảnh hưởng kết hợp của linh khí thị giác và ánh sáng, không khí bao quanh ta chịu một biến đổi làm cho mắt nhìn thấy được. Các màu sắc cũng làm cho không khí biến đổi. Theo Galien, trung tâm của thị giác là thủy tinh thể.  Alhazen (965-1040): Alhazen đồng ý với quan điểm của Aristolte rằng ánh sáng đến từ bên ngoài đi vào mắt, chứ không phải ngược lại. Theo ông, các tia sáng thật sự tồn tại. Chúng lan truyền theo đường thẳng. Khi ánh sáng xung quanh chạm vào một vật liền bị vật này phản xạ, từ mỗi điểm trên bề mặt của một vật có màu, các chùm tia sáng lan tỏa theo tất cả các hướng, và chỉ một tỉ lệ nhỏ của chúng đi vào mắt chúng ta. Ở đây Alhazen đã đưa ra ý tưởng về sự tán xạ ánh sáng.  Rober Bacon (1214-1292), người Anh. Trong các sách chuyên luận về ánh sáng và màu sắc, ông đã cố gắng tổng hợp các quan niệm của Aristote về ánh sáng và màu sắc (vốn là các “dạng thức” phi vật chất) và các quan niệm của Alhazen (màu sắc được truyền bởi các tia phát ra từ tất cả các điểm của vật). Theo Bacon, mọi vật phóng theo đường thẳng về tất cả các hướng một cái gì đó thuộc tinh chất của nó mà ông gọi là “loài”. Chẳng hạn, Mặt trời phát ra các “loài” sáng. Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 5  Francesco Maria Grimaldi (1618-1663): Ông đã tìm ra phương thức truyền ánh sáng thứ 4 ngòai 3 phương thức trước đó đã tìm thấy là theo đường thẳng, bằng phản xạ trên một mặt phẳng như gương chẳng hạn, và bằng khúc xạ khi thay đổi môi trường. Phương thức thứ 4 đó là nhiễu xạ ánh sáng. Nghiên cứu này của ông được công bố vào năm 1665. II. Sự hình thành và đấu tranh về quan niệm bản chất sóng, hạt của ánh sáng: 1. Huygens: cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng Christiaan Huygens (1629-1695) trong một gia đình ưu tú ở Hà Lan, được coi là nhà toán học và vật lý học lớn nhất thời kỳ giữa Galileo và Newton. Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các hạt của vật sáng tới mắt. Nhà vật lý học người Hà Lan này cũng bác bỏ quan điểm của Descartes cho rằng ánh sáng như một xung động lan truyền tức thời. Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng giống như sóng được sinh ra khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước. Ánh sáng theo quan điểm của Huygens:  Huygens dựa trên khái niệm ánh sáng là sóng: Sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn không trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể truyền chuyển động không những cho cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với nó mà còn cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với hạt đó và cản chuyển động của nó.  Cơ chế truyền sóng: Theo Huygens, một nguồn sáng bao gồm vô số các hạt rung động. Các hạt này truyền rung động của chúng tới các hạt ête bên cạnh dưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này. Vô số các sóng cầu này được truyền đi, và bán kính tác dụng của chúng tăng dần theo thời gian. Chúng chồng chập lên nhau và biểu hiện hỗn độn của chúng ở gần nguồn sáng giảm dần khi các sóng truyền ra xa nguồn sáng. Càng xa nguồn sáng, sóng càng trở nên trơn và đều đặn hơn.  Tính chất của sóng ánh sáng: Ánh sáng truyền nhanh hơn rất nhiều so với âm thanh, điều mà mọi người có thể nhận thấy khi trời có giông, ta nhìn thấy chớp sớm hơn nhiều khi nghe thấy tiếng sấm. Huygens giải thích sự chênh lệch lớn về vận tốc này là do có độ chênh lệch lớn về độ cứng giữa không khí và ête. Vận tốc lan truyền của một sóng tăng theo độ cứng của môi trường trong suốt. Huygens thừa nhận rằng các hạt ête cứng và rắn đến mức chúng truyền mọi nhiễu động hầu như tức thời. Chỉ cần một sự rung nhẹ ở đầu bên này của một hạt ête là ngay lập tức nó sẽ được truyền sang đầu bên kia. Ngược lại, các hạt không khí mềm hơn và truyền các rung động chậm hơn rất nhiều. Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 6 Từ đó, ông giải thích các hiện tượng như sau:  Hiện tượng phản xạ: Thuyết sóng xem nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hướng. Khi chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới, nhưng với mỗi sóng phản hồi trở lại tạo ra một ảnh đảo ngược.  Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Huygens cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Như vậy, vận tốc của ánh sáng trong không khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong nước. 2 1 21 1 2 n vn n v   Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì chùm tia bị khúc xạ (đổi hướng). Một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu đi qua môi trường thứ hai sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn, trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất. Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền.  Hiện tượng nhiễu xạ: thuyết sóng của Huyghens chưa giải thích được hiện tượng này. Và để nói lên quan điểm của mình , năm 1960 ,Huyghen công bố “GIÁO TRÌNH QUANG HỌC”, đâu là công trình đầu tiên về lý thuyết sóng ánh sáng. 2. Newton: ánh sáng là hạt Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt. Ánh sáng được coi như những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng và bay theo đường thẳng trong môi trường đồng chất. Ông bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng vì nếu ánh sáng có bản chất sóng, như âm thanh, thì trong những điều kiện như nhau, chúng ta sẽ phải nhìn thấy ánh sáng giống như nghe thấy âm thanh. Từ cơ sở đó, ông giải thích các hiện tượng như sau:  Nguyên nhân tạo ra màu sắc: do kích thước của các hạt. Các hạt nhỏ nhất tạo ra cảm giác tím, các hạt lớn hơn gây ra cảm giác về màu chàm, và cứ tiếp tục như vậy hạt màu đỏ sẽ là lớn nhất. Bởi vì tồn tại bảy màu cơ bản, nên các hạt phải có bảy loại kích thước khác nhau. Như vậy sự tổng giác của chúng ta về các màu là biểu thị chủ quan của một hiện thực khách quan được quy định bởi kích thước của các hạt. Giải thích các định luật phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ, Newton đã đưa vào các lực hút và đẩy giữa các hạt ánh sáng, những hạt mà nếu để tự do chúng sẽ truyền theo đường thẳng. Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 7  Hiện tượng phản xạ: do sự phản xạ của các quả cầu đàn hồi trong chùm sáng khi va chạm và các hạt bị nảy lên từ những điểm khác nhau, nên trật tự của chúng trong chùm sáng bị đảo ngược lại tạo ra một hình đảo ngược (hình vẽ). Nếu bề mặt quá gồ ghề thì các hạt bị nảy lên ở nhiều góc khác nhau, kết quả là làm tán xạ ánh sáng.  Hiện tượng khúc xạ: do tác dụng của mặt phân giới lên hạt ánh sáng làm cho hạt đó thay đổi hướng truyền và bị gãy khúc ở mặt phân cách giữa hai môi trường. Vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút và vận tốc sẽ tăng lên dẫn đến vận tốc ánh sáng trong môi trường nước hay thủy tinh lại lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường khí. 2 2 21 1 1 n vn n v    Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: ông đưa ra giả thuyết cho rằng trên bề mặt của một vật trong suốt (như lăng kính, chẳng hạn) tồn tại một vùng rất mỏng ở đó có một lực tác dụng để kéo các tia sáng vào bên trong nó. Vì vậy, các hạt màu tím, do chúng nhỏ hơn, sẽ bị hút bởi một môi trường đặc hơn không khí (như thủy tinh, chẳng hạn) mạnh hơn so với các hạt lớn hơn có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch khỏi đường đi ban đầu của nó nhiều hơn các hạt màu đỏ. Như vậy, Newton đã giải thích được tại sao các chùm đơn sắc khác nhau lại bị lệch hướng khác nhau bởi cùng một môi trường, và tại sao một chùm đơn sắc bị lệch hướng khác nhau trong các môi trường trong suốt khác nhau.  Hiện tượng nhiễu xạ: ông giải thích là do có một lực đẩy có tác dụng đẩy các hạt ánh sáng vào trong bóng tối hình học của một vật. Tuy thuyết hạt của Newton đã được sự chấp nhận rộng rãi, nhưng một thí nghiệm đặc biệt, cũng do chính ông thực hiện đã khiến chúng ta phải suy nghĩ. Khi Newton đặt một thấu kính phẳng lồi lên trên một tấm thủy tinh (với mặt phẳng ngửa lên trên) và chiếu sáng tất cả bằng ánh sáng đơn sắc, ông đã phát hiện ra một hiện tượng quang học mới rất lạ. Nhiều vòng tròn đồng tâm (ngày nay được gọi là các “vân tròn Newton”) xuất hiện, đan xen giữa vân đen và vân màu. Hoàn toàn tự nhiên, Newton giải thích các vân đen là vùng ở đó ánh sáng bị thấu kính phản xạ, và các vân màu là các vùng ở đó ánh sáng được truyền qua. Nhưng làm thế nào có thể giải thích được một hạt ánh sáng, khi đến bề mặt của thấu kính, lúc thì phản xạ lúc thì được truyền qua? Và do đó ông lại đặt ra một giả thuyết mới, ông cho rằng mỗi hạt ánh sáng có một tính chất gọi là “accès”. Hạt có “accès” truyền qua thì dễ dàng truyền qua còn hạt có “accès” phản xạ thì dễ phản xạ. Rõ ràng, giả thuyết này của Newton đưa ra lại làm nảy sinh thêm vấn đề khi cần phỉa có thêm một lí thuyết mới nữa để giải thích cái tính chất gọi là “accès” này. Như vậy thì lí thuyết hạt của Newton có hoàn toàn hợp lí hay không? Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 8 3. Sự hồi sinh của lý thuyết sóng ánh sáng: Sau khi quyển “Optiks” của Newton được xuất bản năm 1704, suốt thế kỷ XVIII đã diễn ra cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng với hai quan điểm trái ngược nhau: quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là sóng và quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là hạt. Suốt thế kỷ này, lý thuyết hạt ánh sáng của Newton đã lấn át tuyệt đối lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đề xuất. Lý thuyết sóng ánh sáng hầu như không được đề cập tới bởi uy tín quá lớn của Newton và những hạn chế của lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đưa ra không giải thích được hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng. Do đó lý thuyết hạt đã được tuyệt đại đa số các nhà vật lý trong thế kỷ này chấp nhận. Tuy nhiên, vẫn có một (và duy nhất) tiếng nói chống lại quan điểm hạt của Newton trong thế kỷ XVIII, một điều bất ngờ vì tiếng nói này không phải do một nhà vật lý theo quan điểm sóng cất lên mà là của một nhà toán học người Thụy Sĩ, Leonhard Euler. Leonhard Euler (1707 – 1783), nhà toán học Thụy Sĩ, sinh ở Bâle. Năm 1746, Euler xuất bản tác phẩm “Một lý thuyết mới về ánh sáng và màu sắc”. Qua cuốn sách này, Euler đã phát triển quan niệm cho rằng ánh sáng là sóng bằng cách dựa vào sự tương tự giữa ánh sáng và âm thanh, đặc biệt là về phương thức lan truyền của chúng. Qua đó, ông đã tiến đến việc tương tự hóa giữa ánh sáng và âm thanh “có một sự hài hòa tương tự giữa các nguyên nhân và các tính chất khác của âm thanh và ánh sáng, và như vậy lý thuyết âm thanh chắc chắn sẽ làm sáng tỏ rất nhiều lý thuyết ánh sáng”. Một trong những điểm tiến bộ trong quan niệm sóng của Euler là ông cho rằng: mỗi một màu của ánh sáng được đặc trưng bởi một bước sóng nhất định, tức là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai hõm liên tiếp của sóng hình sin và bởi một tần số nhất định. Như vậy, Euler là người đầu tiên gắn kết các khái niệm bước sóng và tần số với màu sắc. Thế kỷ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng là sóng vẫn chìm nổi với chỉ một tiếng nói bảo vệ thuyết sóng của Euler. Tuy chưa đầy đủ nhưng luận điểm của Euler đã thể hiện sự tiến bộ so với các tiền bối bởi ông đã đưa ra một cách giải thích chấp nhận được về nguồn gốc các màu sắc mà trước đó cả Newton lẫn Huygens đều không thể có một cách giải thích đúng đắn. Bước sang thế kỷ XIX, chúng ta sẽ được chứng kiến sự hồi sinh và phát triển vượt bậc của lý thuyết sóng ánh sáng. Ở nửa đầu thế kỷ này đã diễn ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quang học tương tự như cuộc cách mạng của Copernic và Galilée trước đó gần ba thế kỷ. Hai nhân vật có vai trò to lớn cho cuộc cách mạng trong quang học là Thomas Young và Augustin Fresnel.  Thomas Young (1773 – 1829), người Anh.  1779, ông bắt đầu bước lên sân khấu của câu chuyện truyền kỳ về ánh sáng. Trong quá trình đi giải quyết hiện tượng nhiễu xạ ông đã tìm ra hiện tượng giao thoa ánh sáng, và cũng chính ông là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “giao thoa” trong khoa học. Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 9  1801, ông đã giới thiệu một thí nghiệm cơ bản về ánh sáng thường được gọi là thí nghiệm hai khe. Thí nghiệm này của ông đã gây một sự ngạc nhiên lớn bởi lần đầu tiên người ta nhận thấy khi thêm ánh sáng vào ánh sáng thì sẽ cho ra bóng tối, đây chính là hiện tượng giao thoa ánh sáng.  1802, ông đã tìm ra một định luật đơn giản và tổng quát của hiện tưọng giao thoa là: Khi ánh sáng của cùng một nguồn sáng truyền đến mắt ta bằng hai con đường khác nhau, ánh sáng sẽ mạnh nhất tại những điểm mà hiệu đường đi bằng bội số nguyên của một “độ dài nào đó”. Lý thuyết của Young mặc dù đã giải thích được hiện tượng giao thoa ánh sáng nhưng đã không được nhiều người chú ý. Ngoài ra thuyết sóng ánh sáng của Young cũng vấp phải một khó khăn khi không thể giải thích được hiện tượng phân cực ánh sáng do Malus tìm ra năm 1808. Young công nhận sự bất lực của thuyết sóng ánh sáng trong vấn đề này, song ông nói rằng: “khi phát triển một lý thuyết khoa học, đôi khi cứ phải tiến lên và gạt sang một bên vài vấn đề chưa được giải quyết, với hy vọng rằng chúng sẽ được giải quyết trong những nghiên cứu sau này”.  Augustin Fresnel (1788 – 1827), người Pháp. Ông là sinh viên trường Đại học Bách khoa Paris, sau khi học xong trường Bách khoa, Fresnel chuyển sang học trường kỹ sư Cầu đường. Mặc dù vậy, ánh sáng mới là niềm đam mê thực sự của Fresnel, ông đã dùng những lúc rảnh rỗi để giải mã các bí mật của ánh sáng. Fresnel đã công nhận bản chất sóng của ánh sáng qua thí nghiệm về giao thoa mà ông đã tự bố trí (dùng hai gương phẳng đặt lệch nhau một góc gần bằng 180o, thường được gọi là hai gương Fresnel).  1817, Viện hàn lâm Khoa học Paris phát động cuộc thi giải thích hiện tượng nhiễu xạ với hy vọng một ai đó sẽ giải thích được hiện tượng bằng lý thuyết hạt. Tuy nhiên đến năm 1818, họ đã nhận được công trình của Fresnel trong đó giải thích một cách chính xác và chi tiết hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng dựa trên giả thiết rằng ánh sáng là một sóng trong ête và tuân theo nguyên lý giao thoa. Mặc dù bảo vệ lý thuyết sóng ánh sáng nhưng Fresnel đã xuất sắc giành chiến thắng trong cuộc thi.  Fresnel cũng là người đầu tiên theo trường phái sóng ánh sáng đã giải thích thành công hiện tượng phân cực ánh sáng đã khiến cho những người bảo vệ lý thuyết sóng phải rất đau đầu ngay cả Thomas Young. Bởi nếu coi ánh sáng là sóng giống như âm thanh thì cả hai phải có cùng các hiệu ứng, trong khi không thể tìm ra hiện tượng phân cực ở sóng âm. Để giải thích hiện tượng này, Fresnel đã đưa ra một lời giải mang tính cách mạng: mặc dù cả âm thanh và ánh sáng đều có bản chất sóng, nhưng chúng khác nhau về mặt phẳng dao động. Nói cách khác, Fresnel là người đầu tiên cho rằng ánh sáng là sóng ngang chứ không phải sóng dọc. Nhờ đứng trên quan điểm mới này, Fresnel đã xây dựng được lý thuyết về sự phân cực ánh sáng trong môi trường lưỡng chiết. Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 10  Những công trình của Young và Fresnel đã giúp cho lý thuyết sóng hồi sinh và trở nên áp đảo lý thuyết hạt vốn đứng vững bởi uy tín của Newton. Ngoài ra, những bằng chứng thực nghiệm được thực hiện sau khi hai ông mất đã khẳng định sự đúng đắn của lý thuyết sóng ánh sáng.  Thí nghiệm của Hamilton năm 1832 kiểm chứng lại lý thuyết của Fresnel.  Thí nghiệm của Fizeau vào năm 1849 và thí nghiệm của Foucault vào năm 1850 về đo vận tốc ánh sáng trong nước. Những kết quả thực nghiệm này đã góp phần quan trọng cho sự thắng lợi của lý thuyết sóng ánh sáng.  Năm 1849 Fizeau thực hiện phép đo vận tốc ánh sáng ngay trên mặt đất vào bằng phương pháp răng cưa: Kết quả là : C=312.000 km/s.  Năm 1850, Foucault dùng dụng cụ gương quay: Đường đi của ánh sáng trong dụng cụ của Foucault đủ ngắn để dùng trong các phép đo tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác ngoài không khí. Ông phát hiện thấy tốc độ ánh sáng trong nước hoặc trong thủy tinh chỉ khoảng 2/3 giá trị của nó trong không khí. Như vậy ,kết quả của 2 thí nghiệm trên cho thấy trái ngược với kết quả của Newton cho rằng Vận tốc ánh sáng trong không khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường nước. Những thí nghiệm của Young và Fresnel đã chứng tỏ bản chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt, Fresnel đã khẳng định một cách chắc nịch rằng ánh sáng là sóng ngang. Trong lý thuyết của ông đã đề cập đến việc tồn tại hai phương dao động của sóng ánh sáng (ông so sánh với dao động của dây đàn violin – vốn cũng là sóng ngang – có thể dao động từ dưới lên trên hoặc từ trái sang phải) tương ứng với hai phân cực của ánh sáng: một phân cực theo phương ngang và một phân cực theo phương thẳng đứng. Tuy nhiên để có thể đưa ra được mô hình sóng ánh sáng một cách đầy đủ, gọn gàng thì chúng ta phải rẽ sang lĩnh vực điện từ gắn liền với tên tuổi của James Clerk Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 11 Maxwell (1831 – 1879), nhà vật lý người Anh, ông là người đầu tiên phát hiện ra “ánh sáng chính là cuộc hôn phối giữa điện và từ”. III. Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ: Năm 1864, trong bài báo “Một lý thuyết động lực về trường điện từ”, Maxwell đã tổng hợp các kiến thức về điện và từ đã được các nhà vật lý xây dựng trước đó thành một hệ gồm 4 phương trình, mỗi phương trình chỉ dài vỏn vẹn một dòng và được biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học cô đọng. Bốn phương trình này được hậu thế biết đến với tên gọi “Hệ phương trình Maxwell”: .D ρ .B 0 BxE t DxH j t                  Phương trình thứ nhất mô tả định luật Gauss, cho biết đường sức điện xuất phát hoặc kết thúc ở các điện tích. Phương trình thứ hai mô tả các đường sức của cảm ứng từ là khép kín hoặc đi ra xa vô tận, từ đó không có cái gọi là “từ tích” hay “đơn cực từ”.  Hai phương trình còn lại mô tả sự kết hợp giữa điện và từ: từ trường biến thiên sinh ra điện trường xoáy, đến lượt mình điện trường biến thiên cũng sinh ra từ trường xoáy. Từ các phương trình trên, Maxwell đã ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng sóng điện từ thực chất cũng chính là sóng ánh sáng. Bởi thứ nhất, ông đã dựa vào các phương trình để vẽ ra một kịch bản về cuộc hôn nhân giữa điện và từ, theo đó điện và từ trở thành một cặp thống nhất không thể tách rời. Chúng là hai thành phần của sóng đện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng ngang, tức các đỉnh và các hõm sóng nằm trong một mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng (hình vẽ). Thứ hai, vào năm 1873, Maxwell đã tính toán chính xác vận tốc truyền sóng điện từ, đáp số này hoàn toàn trùng khớp với vận tốc ánh sáng. Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 12 Trong lịch sử vật lý, Newton đã thống nhất trời và đất qua định luật vạn vật hấp dẫn thì đến lượt Maxwell đã thống nhất không chỉ điện và từ mà còn cả quang học, ông được coi là nhà thống nhất vĩ đại thứ hai của vật lý học. IV. Ánh sáng: lưỡng tính sóng hạt: Cho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánh sáng là sóng đã thực sự được xác nhận, đặc biệt là sau kết luận của Maxwell khẳng định ánh sáng là sóng điện từ với vận tốc là 300.000 km/s. Nhưng một vấn đề được đặt ra lúc này là vận tốc này của ánh sáng được tính so với cái gì? Các phương trình của Maxwell không trả lời được cho câu hỏi này. Đi theo vết chân của Newton, Maxwell nghĩ hoàn toàn tự nhiên rằng ánh sáng lan truyền với vận tốc 300.000 km/s là so với một chất ête tĩnh choán đầy trong vũ trụ. Nhưng ête ở đây được làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu và có những tính chất gì? Theo các quan điểm của các nhà khoa học khẳng định ánh sáng là sóng từ trước cho đến cuối thế kỉ 18, ta có thể thấy được vấn đề giải mã chất “ête” trong không gian là một vấn đề rất đáng để quan tâm. Chất “ête” được đặt ra như một môi trường để truyền sóng ánh sáng. Các nhà khoa học ban đầu đã đề xuất sóng ánh sáng như sóng âm, tức phải là sóng dọc, nhưng với phát hiện của Augustin Fresnel về hiện tượng phân cực ánh sáng đã dẫn đến nhận định ánh sáng phải là sóng ngang. Như vậy, chất “ ête” phải là chất rắn để có thể lan truyền được sóng ngang, nghĩa là môi trường ete phải có một mật độ cứng nhất định. Nhưng bằng cách nào mà Trái đất lại có thể chuyển động trong một môi trường cứng như vậy mà không bị chậm lại và va vào Mặt Trời? Bằng cách nào mà ête lại có thể cùng lúc vừa là một chất rắn đàn hồi lại vừa là một chất lỏng tinh tế được? Đó chính là những vấn đề khiến cho các nhà khoa học cuối thế kỉ XIX quan tâm? Có hay không có một môi trường đặc biệt “ête” trong sự lan truyền của sóng ánh sáng?  Năm 1887, nhà vật lý người Mỹ, Albert Michelson (1852-1931), và đồng nghiệp của ông là Edward Morley (1838-1923) đã thực hiện một thí nghiệm tài tình để kiểm tra sự tồn tại của ête. Hai ông đã chế tạo một dụng cụ gọi là giao thoa kế, dựa trên nguyên lý giao thoa của Thomas Young. Trong giao thoa kế này, một chùm sáng có một tần số duy nhất được chia làm hai chùm. Hai chùm này đi theo hai con đường khác nhau nhưng có cùng chiều dài, một theo phương chuyển động của trái đất, một theo phương vuông góc rồi sau đó kết hợp với nhau. Đúng ở thời điểm chúng tách khỏi nhau, hai chùm tia hoàn toàn trùng khít với nhau, nhưng khi chúng kết hợp thì sự kết hợp phụ thuộc vào vận tốc của hai chùm tia ở thời điểm đó. Nếu có xét đến sự chuyển động của Trái đất thì chắc chắn là vận tốc của 2 chùm tia này là khác nhau, nhưng kết quả thu được lại hoàn toàn khác, hai Albert Michelson Edward Morley Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 13 chùm tia vẫn trùng khít như lúc bị tách ra, điều đó có nghĩa vận tốc ánh sáng truyền theo 2 phương khác nhau là không thay đổi. Trong dự đoán, với giao thoa kế của mình, Michelson và Morley về nguyên tắc có thể đo được các chênh lệch với cỡ vận tốc khoảng 1,5 km/s, tức là một phần hai mươi vận tốc của Trái đất qua chất ete giả thuyết. Nhưng rõ ràng sau nhiều lần thực hiện thí nghiệm thì hai ông đã kết luận rằng vận tốc ánh sáng không thay đổi dù nó lan truyền theo phương nào đi nữa.  Sau thí nghiệm của Michelson và Morley, con người dần phải chấp nhận rằng chất “ete” chỉ là sản phẩm bởi trí tưởng tượng, dù rằng có nhiều nhà khoa học đã cố gắng để “cứu” lấy khái niệm này. Và mọi chuyện dừng lại ở đó, cho đến khi Albert Einstein (1879-1955) đã khẳng định một nguyên nhân thật đơn giản để lí giải vấn đề trên, ông cho rằng môi trường ête là không hề tồn tại, các sóng ánh sáng, khác với các sóng khác, không cần phải có một môi trường để lan truyền. Ánh sáng có thể lan truyền trong một không gian hoàn toàn trống rỗng. Và Einstein đã giải thích quan điểm của mình bằng thuyết tương đối hẹp của mình.  Như vậy cho đến năm 1905, con người đã có một cái nhìn đúng đắn hơn về sóng ánh sáng, và đặc biệt đó là loại bỏ được khái niệm về môi trường “ete” như các nhà khoa học trước đây vẫn thường đề cập đến. Nhưng cũng trong chính năm đó, một luồng gió mới lại thổi tới trong vấn đề bản chất của ánh sáng với một công trình của chính Albert Einstein về “Hiệu ứng quang điện”.  Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng trong đó các electron thoát ra khỏi bề mặt của một tấm kim loại khi có ánh sáng chiếu vào. Theo như quan điểm cổ điển thì với cường độ ánh sáng càng mạnh thì electrong ngày càng tích tụ được nhiều năng lượng để bức ra khỏi kim loại, nhưng trên thực tế thí nghiệm lại không phải như vậy. Einstein đã nhận thấy rằng, nếu chiếu một ánh sáng có tần số thấp vào một kim loại, thì hiệu ứng vẫn không thể xảy ra, dù chiếu với cường độ mạnh bao nhiêu đi nữa. Ngược lại khi chiều ánh sáng với tần số cao, như ánh sáng cực tím thì hiệu ứng lại lập tức xảy ra mà không cần khoảng thời gian để electron tích lũy năng lượng. Để giải thích về hiện tượng kì lạ này, Einstein đã đặt vấn đề cần xem xét lại bản chất của ánh sáng. Ông đã đưa ra một giả thuyết táo bạo rằng hiệu ứng quang điện chỉ có thể giải thích được nếu sóng ánh sáng bị kim loại hấp thụ không phải là một sóng liên tục mà được cấu thành từ các “hạt” hay các lượng tử năng lượng xác định. Năng lượng này không thể tùy tiện lấy bất kì, mà đúng bằng một bội số của tần số. Einstein đã khai triển thuyết lượng tử của Plank và đưa ra thuyết photon, cho rằng năng lượng ánh sáng tập trung trong những hạt nhỏ gọi là photon hay quang tử. Trong khuôn khổ giả thuyết này thì Einstein đã giải thích được tất cả các sự kiện thực nghiệm quan sát được. Như vậy, một lần nữa ánh sáng lại được khẳng định về bản chất hạt của nó, tuy nhiên ta có thể thấy quan niệm “hạt ánh sáng” do Einstein đưa ra là khác với quan niệm trước đây của Newton, đó không phải là những hạt cơ học đơn giản như quan niệm của Newton mà có những thuộc tính riêng của nó. Nhờ vào giả Albert Einstein (1879-1955) Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 14 thuyết về lượng tử ánh sáng này Einstein đã hoàn toàn giải thích được 3 thí nghiệm của mình về hiệu ứng quang điện. Chính “Hiệu ứng quang điện” này là công trình đã mang đến cho Einstein giải thưởng Nobel chứ không phải là “Thuyết tương đối hẹp” như nhiều người vẫn thường lầm tưởng.  Sau đó hơn 10 năm, trong thập niên 1920, lí thuyết của Einstein về tính chất hạt của ánh sáng một lần nữa được củng cố bởi các thí nghiệm của nhà vật lí người Mĩ Arthur H.Compton, người chứng minh được photon có xung lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau, hiệu ứng đó sau này được gọi là hiệu ứng Compton. Đó là hiện tượng xảy ra khi Compton nghiên cứu sự khuếch tán (hay tán xạ) tia X bởi graphit (than chì). Trong thí nghiệm của mình, ông nhận thấy khi cho một chùm tia X có độ dài sóng  đi qua một khối graphit, chùm tia bị khuếch tán. Khi khảo sát chùm tia khuếch tán ở một góc khuếch tán  nhờ máy quang phổ, người ta thấy ngoài vạch ứng với độ dài sóng  còn một vách ứng với độ dài sóng ’ lớn hơn . Compton đã giải thích hiện tượng này bằng sự va chạm giữa photon với electron của chất khuếch tán, trong đó ông photon như một hạt có tính cơ học. Nếu thừa nhận ánh sáng có bản chất sóng thì Compton sẽ không thể giải thích được hiện tượng đã xảy ra, chỉ khi chấp nhận ánh sáng có bản chất hạt, và sử dụng thuyết photon của Einstein thì ông mới có thể giải thích được trọn vẹn hiện tượng. Như vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ 20 tồn tại một câu hỏi đặt ra cho các nhà khoa học: bản chất của ánh sáng là sóng hay hạt. Trước khi hiện tượng quang điện xuất hiện con người có thể dễ dàng tin chắc rằng ánh sáng là sóng điện từ với các hiện tượng liên quan đến sự truyền của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ,…Tuy nhiên cho đến đầu thế kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sáng con người sẽ không thể lí giải được cho các hiện tượng về sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất như hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton… Để có được đáp án cho những hiện tượng này, con người sẽ phải chấp nhận quan điểm hạt photon của Einstein. Vậy ánh sáng thực chất là sóng hay hạt?  Cùng khoảng thời gian nghiên cứu của Compton, một nhà khoa học người Pháp Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt. Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, De Broglie đã ngoại suy công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng số Planck: E = mc2 = h Trong đó :E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng số Planck, và  là tần số.  Công trình của De Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lượng và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mới cuối cùng sẽ dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng. Đó chính là ngành cơ học lượng tử. Qua đó ta thấy, vấn đề đặt ra ở thế kỉ 20 khi tìm hiểu về ánh sáng không phải là sự tranh chấp giữa hai quan điểm để xác định quan điểm nào đúng mà lại là sự thống nhất chúng lại trong một lí thuyết mới. Ngày nay chúng ta công nhận ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt. Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thống nhất là ánh sáng và tùy điều kiện của hiện tượng khảo sát, bản chất này Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 15 hay bản chất kia của ánh sáng được hiện ra. Ta có thể coi” sóng và hạt là hai tính phụ nhau của ánh sáng. Giữa hai mặt sóng và hạt của ánh sáng có những liên hệ, có tính thống nhất, chứ không hoàn toàn là hai mặt độc lập với nhau. Cho đến đầu thế kỉ 20, việc thừa nhận sự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp con người hiểu được một cách bao quát các đặc tính của ánh sáng. Ánh sáng không là sóng và cũng chẳng là hạt, nói ánh sáng là lưỡng tính sóng – hạt thực chất các nhà khoa học muốn đề cập đến ánh sáng như một đối tượng mới trong vật lí học mà bản chất của nó vừa giống sóng vừa giống hạt. Quan điểm này đã thực sự khép lại những cuộc tranh luận về bản chất ánh sáng là sóng hay hạt. Nhiệm vụ của vật lí học về ánh sáng là tìm hiểu về cái bản chất vô cùng đặc biệt này, và hơn thế nữa, đối tượng “lưỡng tính sóng-hạt” không chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn được suy rộng ra cho các hạt vật chất, như ta đã biết trong lí thuyết của De Broglie. V. Kết luận sư phạm: Qúa trình hình thành các quan điểm về bản chất cảu ánh sáng được tóm tắt bằng hình sau đây: Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 16 Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 17 Qua biểu đồ sự phát triển các quan điểm về bản chất ánh sáng, ta có thể thấy rõ đây là một quá trình phát triển theo đúng như quy luật phát triển của vật lí học, đó là một quá trình tiến hóa từ thấp đến cao, trải qua những giai đoạn biến đổi cách mạng xen kẽ với các quá trình tiến hóa yên tĩnh. Quá trình học tập và sáng tao của học sinh cũng vậy. Kiến thức phải được xây dựng từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp, từ kém bản chất đến bản chất. Không thể nóng vội duy ý chí đưa kiến thức một cách ồ ạt đi vào bản chất của sự việc ngay. Như thế học sinh sẽ không thể hiểu được bản quá trình bản chất của sự vật, hiện tượng vật lý. Không những thế quá trình học tập học sinh cũng như vậy đó là một quá trình tiến hóa từ thấp đến cao cũng có những giai đoạn các em bùng nổ tư duy, năng lực sáng tạo được phát triển toàn diện, tuy nhiên cũng có những giai đoạn các em phát triển êm đềm, giáo viên không nên nóng vội, vội vàng ép các em sáng tạo, vội vàng bắt ép các em phải thật phát triển hơn nữa. Giáo viên nên có phương pháp sư phạm hợp lý, giúp cho học sinh từ từ vượt qua giai đoạn này. Đặc biệt đây là giai đoạn để các em ôn lại kiến thức cũng cố kiến thức đã được các em nhận thức trong quá trình bùng nổ tư duy trong giai đoạn trước. Đây là giai đoạn hết sức quan trọng trong quá trình nhận thức các em. Đây là giai đoạn củng cố xem xét lại nội dung kiến thức cũ và chuẩn bị tiền đề cơ sở vật chất cho giai đoạn phát triển tiếp theo về mặt tư duy của các em. Do đó người giáo viên phải có biện pháp để giúp các em trong giai đoạn này, để các em củng cố được kiến thức đã học, tạo tiền đề cho bước nhảy vọt về tư duy trong giai đoạn tiếp theo. Nhìn vào đồ thị chúng ta nhận thấy quá trình đi đến được nền tảng kiến thức mới bao giờ cũng xuất phát từ nền tảng kiến thức cũ. Kiến thức cũ ở đây không chỉ các kiến thức trong ngành khoa học đó mà đôi khi cả những kiến thức được rút ra từ các ngành khoa học khác. Do đó trong quá trình giảng dạy, người giáo viên không được xem nhẹ phần nào, không được xem phần này không thi Đại Học, hay không thi Tốt Nghiệp rồi chúng ta sẽ dạy qua loa. Sự phát triển bền vững chính là sự phát triển hài hòa của tất cả các mặt của học sinh: về cả kiến thức tự nhiên xã hội, thể lực…. Cùng với đó là một kế hoạch giảng dạy khoa học xuyên suốt và liên tục trong quá trình dạy học Đối với các quan niệm về bản chất ánh sáng, học sinh sẽ được tiếp cận những kiến thức đó trong chương trình vật lí lớp 12, cụ thể là ở chương VI và chương VII. Tựa đề trong chương VI là “Sóng ánh sáng” và chương VII là “Lượng tử ánh sáng”. Như vậy trong chương trình học, học sinh sẽ được biết quan niệm về bản chất ánh sáng là sóng, từ thời kì sóng ánh sáng được hồi sinh đầu thế kỉ XIX cho đến thế kỉ XX với những công trình của Einstein, ánh sáng có lưỡng tính sóng-hạt. Học sinh khi tìm hiểu về ánh sáng chỉ có thể nhìn nhận về bản chất của nó trong một giai đoạn ngắn, các em đã không có được cái nhìn tổng quát nhất về sự phát triển các quan điểm về bản chất ánh sáng. Đối với các em học sinh thì Newton là một nhà bác học lỗi lạc và rất quan thuộc, các em không thể nào không nhớ đến 3 định luật của Newton, nhưng các em lại không được biết đến đóng góp của ông trong ngành quang học. Tuy lí thuyết của Newton không phải là một lí thuyết hoàn toàn đúng đắn nhưng nó cũng đã thể hiện những nhìn nhận đầu tiên của con người có tính chất khoa học về bản chất hạt của ánh sáng. Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 18 Theo như ý kiến của bản thân, em nghĩ rằng trong quá trình giảng dạy của mình, bản thân người giáo viên nên đưa những thông tin về lí thuyết hạt của Newton vào những bài học về ánh sáng, song song với quá trình giảng dạy về lí thuyết sóng ánh sáng của Huyghens, Young, Fresnel…Không chỉ thế người giáo viên còn nên làm rõ sự “mâu thuẫn” của hai lí thuyết này và quá trình “đấu tranh” để khẳng định tính đúng đắn của thuyết sóng. Như vậy học sinh sẽ có được một cách nhìn thích thú về ánh sáng. Hiện nay, cách dạy học đang được khuyến khích đó là dạy theo hướng phát huy tính chủ động, tích cực của học sinh. Như vậy với những kiến thức đã được tìm hiểu trong bài tiểu luận này, người giáo viên có thể tự xây dựng cho mình một cách dạy thích hợp nhất, một cấu trúc bài hấp dẫn và kích thích được sự thích thú ở học sinh, từ đó các em sẽ có được sự chủ động tự tìm hiểu những vấn đề thú vị đó.  Bên cạnh đó, xét về mặt giáo dục tư duy và ý thức, cách giảng dạy của giáo viên như vậy sẽ hướng học sinh đến cách nhìn đúng đắn về quá trình phát triển của một lí thuyết vật lí. Các em sẽ nhận thức được để có được một lí thuyết vật lí đúng đắn không phải là một việc đơn giản, một sớm một chiều, mà là cả một quá trình có cả sự đấu tranh để đến được đúng chân lí. Do đó đối với các em học sinh, được tiếp nhận một kiến thức vật lí, các em cần thiết phải biết, hiểu và cả trân trọng những lí thuyết đó, đặc biệt người giáo viên càng phải có nhiệm vụ là cung cấp cho học sinh những ứng dụng thực tế của kiến thức đó, để các em càng hiểu rõ được tầm quan trọng trong việc khám phá ra những kiến thức đó. Việc giảng dạy cho học sinh về quá trình phát triển này còn có tác dụng giúp các em biết được cách tư duy đúng đắn khi tìm hiểu về một vấn đề. Đó là cần phải có sự tư duy sáng tạo ra những giả thuyết để từ đó giải thích vấn đề rồi kiểm chứng những giả thiết đó. Bản thân học sinh sẽ phải thấy được rằng khi giải thích một vấn đề mà giả thiết đã đặt ra chưa thỏa mãn hoàn toàn thì các em cần phải biết chỉnh sửa để có những giả thiết mới thích hợp hơn. Như vậy thông qua cách giảng dạy về ánh sáng mà có lồng ghép giảng dạy về sự hình thành các quan điểm về bản chất của ánh sáng là một cách dạy để nâng cao tầm hiểu biết đồng thời khơi dậy trong các em học sinh ý thức tư duy sáng tạo, biết tự tìm tòi và không chỉ đi theo một lối mòn đã đặt ra. Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO