Thí nghiệm mới khẳng định: Ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt

Một bước tiến quan trọng trong vật lý lượng tử vừa được thực hiện tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), khi nhóm nghiên cứu đã tái tạo thí nghiệm hai khe cổ điển ở cấp độ nguyên tử, với độ chính xác chưa từng có. Kết quả thu được tái khẳng định một trong những đặc điểm kỳ lạ nhất của ánh sáng: nó tồn tại vừa là sóng, vừa là hạt – nhưng không bao giờ có thể quan sát cả hai trạng thái cùng lúc.

Thí nghiệm hai khe lần đầu được thực hiện bởi nhà vật lý Thomas Young vào năm 1801. Khi chiếu ánh sáng qua hai khe hẹp song song, thay vì chỉ tạo hai vệt sáng như hạt, ánh sáng tạo nên một mô hình giao thoa dạng sóng, giống như hai đợt sóng nước giao nhau. Tuy nhiên, khi cố gắng quan sát cụ thể từng photon (hạt ánh sáng) đi qua khe nào, mô hình sóng biến mất – và ánh sáng lại mang đặc điểm của hạt.

Niels Bohr – một trong những “cha đẻ” của vật lý lượng tử – gọi đây là nguyên lý bổ sung: ta chỉ có thể quan sát một trong hai đặc tính lượng tử tại một thời điểm, hoặc là sóng, hoặc là hạt. Bohr cho rằng chính hành động đo lường đã làm thay đổi bản chất của vật thể lượng tử.

Albert Einstein lại phản đối điều này. Ông cho rằng nếu đặt một tấm chắn rất mỏng, gắn trên lò xo, ta có thể phát hiện được photon đụng vào khe nào nhờ độ rung của lò xo, mà không làm mất mô hình giao thoa. Đây là một phần trong cuộc tranh luận kinh điển giữa Einstein và Bohr kéo dài nhiều thập kỷ.

Để kiểm chứng ý tưởng ấy, các nhà khoa học tại MIT đã thu nhỏ hệ thống thí nghiệm xuống quy mô nguyên tử, sử dụng các nguyên tử siêu lạnh được bố trí thành mạng tinh thể đều đặn bằng tia laser. Nhiệt độ các nguyên tử này được đưa xuống mức microkelvin – chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài phần triệu độ.

Giáo sư Wolfgang Ketterle, người từng đoạt Nobel Vật lý năm 2001, mô tả:

“Những nguyên tử này chính là những khe nhỏ nhất mà bạn có thể tạo ra. Việc sử dụng chúng cho phép chúng tôi kiểm soát mức độ ‘mờ’ – tức xác suất không chắc chắn về vị trí – của từng khe.”

Khi chiếu các photon qua hệ nguyên tử này, nhóm MIT ghi nhận mô hình nhiễu xạ (tức mô hình sóng) rõ ràng. Nhưng nếu họ điều chỉnh để các nguyên tử “ít mờ” hơn – tức vị trí của khe rõ ràng hơn – thì mô hình sóng giảm dần, thay vào đó là hành vi như hạt. Điều đó chứng minh rằng việc đo lường đường đi phá vỡ tính sóng của ánh sáng, đúng như Bohr từng lập luận.

Ngay cả khi tắt laser giữ các nguyên tử – mô phỏng "lò xo" mà Einstein đề xuất – hiện tượng vẫn giữ nguyên: chỉ cần ta cố xác định đường đi, mô hình giao thoa sẽ biến mất.

Tiến sĩ Vitaly Fedoseev, tác giả chính của nghiên cứu, nhận định:

“Kết quả cho thấy không phải ‘lò xo’ hay phương tiện kỹ thuật tạo nên khác biệt, mà chính sự mờ vị trí và tương quan lượng tử giữa photon và nguyên tử mới là yếu tố quyết định. Điều này ủng hộ sâu sắc hơn lý thuyết bổ sung của Bohr.”

Dù nhiều người cho rằng Einstein "ghét" vật lý lượng tử, thực tế ông chỉ không tin vào sự ngẫu nhiên tuyệt đối của nó. Trong một bức thư nổi tiếng gửi Max Born, Einstein viết: “Cơ học lượng tử chắc chắn là một lý thuyết ấn tượng, nhưng tôi nghĩ nó chưa hoàn chỉnh. Thượng Đế không chơi xúc xắc.”

Kết quả của nhóm MIT không chỉ là một chiến thắng nữa cho nguyên lý bổ sung, mà còn cho thấy những hoài nghi của Einstein đã thúc đẩy vật lý hiện đại tiến xa hơn. Cuộc đối thoại chưa bao giờ kết thúc giữa hai nhà tư tưởng lớn vẫn đang tiếp tục thông qua những thí nghiệm tinh tế, và qua đó giúp con người hiểu rõ hơn về thế giới kỳ lạ của cơ học lượng tử.