You look down and see a yellow pencil lying on your desk. Your eyes, and then your brain, are collecting all sorts of information about the pencil: its size, color, shape, distance, and more. But, how exactly does this happen? The ancient Greeks were the first to think more or less scientifically about what light is and how vision works. Some Greek philosophers, including Plato and Pythagoras, thought that light originated in our eyes and that vision happened when little, invisible probes were sent to gather information about far-away objects. It took over a thousand years before the Arab scientist, Alhazen, figured out that the old, Greek theory of light couldn't be right. In Alhazen's picture, your eyes don't send out invisible, intelligence-gathering probes, they simply collect the light that falls into them. Alhazen's theory accounts for a fact that the Greek's couldn't easily explain: why it gets dark sometimes. The idea is that very few objects actually emit their own light. The special, light-emitting objects, like the sun or a lightbulb, are known as sources of light. Most of the things we see, like that pencil on your desk, are simply reflecting light from a source rather than producing their own. So, when you look at your pencil, the light that hits your eye actually originated at the sun and has traveled millions of miles across empty space before bouncing off the pencil and into your eye, which is pretty cool when you think about it. But, what exactly is the stuff that is emitted from the sun and how do we see it? Is it a particle, like atoms, or is it a wave, like ripples on the surface of a pond? Scientists in the modern era would spend a couple of hundred years figuring out the answer to this question. Isaac Newton was one of the earliest. Newton believed that light is made up of tiny, atom-like particles, which he called corpuscles. Using this assumption, he was able to explain some properties of light. For example, refraction, which is how a beam of light appears to bend as it passes from air into water. But, in science, even geniuses sometimes get things wrong. In the 19th century, long after Newton died, scientists did a series of experiments that clearly showed that light can't be made up of tiny, atom-like particles. For one thing, two beams of light that cross paths don't interact with each other at all. If light were made of tiny, solid balls, then you would expect that some of the particles from Beam A would crash into some of the particles from Beam B. If that happened, the two particles involved in the collision would bounce off in random directions. But, that doesn't happen. The beams of light pass right through each other as you can check for yourself with two laser pointers and some chalk dust. For another thing, light makes interference patterns. Interference patterns are the complicated undulations that happen when two wave patterns occupy the same space. They can be seen when two objects disturb the surface of a still pond, and also when two point-like sources of light are placed near each other. Only waves make interference patterns, particles don't. And, as a bonus, understanding that light acts like a wave leads naturally to an explanation of what color is and why that pencil looks yellow. So, it's settled then, light is a wave, right? Not so fast! In the 20th century, scientists did experiments that appear to show light acting like a particle. For instance, when you shine light on a metal, the light transfers its energy to the atoms in the metal in discrete packets called quanta. But, we can't just forget about properties like interference, either. So these quanta of light aren't at all like the tiny, hard spheres Newton imagined. This result, that light sometimes behaves like a particle and sometimes behaves like a wave, led to a revolutionary new physics theory called quantum mechanics. So, after all that, let's go back to the question, "What is light?" Well, light isn't really like anything we're used to dealing with in our everyday lives. Sometimes it behaves like a particle and other times it behaves like a wave, but it isn't exactly like either.
Bạn nhìn xuống và thấy một cây bút chì màu vàng đang nằm trên bàn. Mắt, rồi đến não của bạn, đang thu thập mọi loại thông tin về cây bút chì đó: kích cỡ, màu sắc, hình dạng, khoảng cách, và nhiều thứ khác. Nhưng, việc này chính xác xảy ra như thế nào? Người Hy Lạp cổ đại là những người đầu tiên nghĩ về vấn đề này, ít nhất cũng theo một cách khoa học về việc ánh sáng là gì và cách hoạt động của thị giác. Một số nhà triết học Hy Lạp, bao gồm Pluto và Pythagoras, nghĩ rằng ánh sáng được tạo ra trong mắt ta và ta có thị lực khi các tín hiệu thăm dò nhỏ bé vô hình được gửi đi để thu thập thông tin về những vật thể ở xa. Phải mất hàng nghìn năm, trước khi nhà khoa học Ả Rập, Alhazen, nhận thấy rằng thuyết của người Hy Lạp về về ánh sáng không thể đúng được. Trong bức tranh của Alhazen, mắt chúng ta không phát đi những tín hiệu vô hình để thu thập sự thông minh, chúng chỉ đơn giản là nhận ánh sáng lọt vào trong mắt ta. Thuyết của Alhazen giải thích cho một thực tế mà người Hy Lạp khó có thể làm được: tại sao lại tối. Ý tưởng là vài vật thể thực sự phát ra ánh sáng của nó. Những vật đặc biệt, tự phát ra ánh sáng, như mặt trời hay cái bóng đèn, được biết đến là nguồn sáng. Hầu hết những thứ ta thấy, như cây bút chì trên bàn, đơn giản chỉ phản chiếu tia sáng lại từ nguồn sáng hơn là tự tạo ánh sáng của nó. Vậy, khi bạn nhìn vào cái bút chì, ánh sáng tới mắt bạn thực ra được tạo ra từ mặt trời và đã đi hàng triệu dặm qua chân không trước khi va chạm đến cái bút chì rồi nảy vào mắt bạn, khá là tuyệt nếu bạn nghĩ về điều đó. Nhưng, những thứ phát ra từ mặt trời thực chất là gì và chúng ta thấy nó bằng cách nào? Nó là hạt, như nguyên tử, hay nó là sóng, giống như gợn nước trên bề mặt của 1 cái ao? Các nhà khoa học của thời hiện đại đã dành ra vài trăm năm để tìm ra đáp án cho câu hỏi này. Isaac Newton là một trong số những người sớm nhất. Newton tin rằng ánh sáng được cấu tạo từ những hạt tí hon giống nguyên tử, mà ông gọi là vi hạt Dựa vào giả thuyết này, ông có thể giái thích được một số tính chất của ánh sáng. Ví dụ, khúc xạ, là hiện tượng chùm sáng bị bẻ cong khi nó đi xuyên qua nước. Nhưng, trong khoa học, kể cả những thiên tài cũng có lúc sai. Vào thế kỉ 19, rất lâu sau khi Newton qua đời, các nhà khoa học tiến hành một loạt thí nghiệm mà chứng minh rõ ràng rằng ánh sáng không thể cấu tạo từ những hạt tí hon như nguyên tử. Vì một điều, 2 chùm sáng giao nhau không tác động qua lại với nhau. Nếu ánh sáng được cấu tạo bởi những quả bóng tí hon và đặc, thì bạn sẽ kì vọng rằng vài hạt từ chùm sáng A sẽ va vào vài hạt của chùm sáng B. Nếu điều đó xảy ra, 2 hạt trong vụ va chạm đó sẽ nảy ra theo những hướng vô định. Nhưng, điều đó không xảy ra. Các chùm sáng xuyên qua nhau và bạn cũng có thể tự kiểm chứng với 2 bút lade và một chút bụi phấn. Một điều nữa là ánh sáng tạo ra hình ảnh giao thoa. Hình ảnh giao thoa là một chuyển động sóng phức tạp xảy ra khi 2 sóng chiếm cùng một chỗ. Ta có thể thấy chúng khi 2 vật làm nhiễu loạn bề mặt của một hồ nước tĩnh lặng, và cả khi 2 nguồn sáng giống chất điểm được đặt gần nhau. Chỉ có sóng mới tạo ra được hình ảnh giao thoa, hạt thì không. Và, như một phần thưởng, hiểu được rằng ánh sáng hoạt động như một sóng dẫn đến một lời giải thích hợp lí về màu là gì và tại sao cây bút chì kia lại màu vàng. Vậy, đến lúc kết luận, sóng là ánh sáng, phải không? Đừng vội! Trong thế kỉ 20, các nhà khoa học đã làm các thí nghiệm chứng ming rằng ánh sáng hoạt động giống hạt. Ví dụ, khi bạn chiếu ánh sáng vào tấm kim loại, ánh sáng chuyển năng lượng của nó cho các nguyên tử kim loại trong các gói nhỏ riêng biệt gọi là lượng tử. Nhưng, chúng ta cũng không thể bỏ qua những tính chất như giao thoa. Vậy những lượng tử này không giống những quả cầu cứng, nhỏ bé mà Newton đã tưởng tượng. Kết quả này, rằng ánh sáng thỉnh thoảng giống hạt thỉnh thoảng lại giống sóng, dẫn tới một thuyết vật lí mới, mang tính cách mạng được gọi là cơ học lượng tử. Vậy, sau cùng, hãy trở lại với câu hỏi, "Ánh sáng là gì?" Chà, ánh sáng không giống bất cứ thứ gì chúng ta gặp thường ngày. Đôi khi chúng biểu hiện như hạt và lúc khác lại giống sóng, nhưng nó cũng không giống hoàn toàn.