Phần 2 trong series Cơ học lượng tử

Và nếu sai lầm này không được giải quyết — bạn sẽ chẳng thể nào đọc được những dòng chữ này.

Hãy thử nhớ lại buổi sáng hôm nay của bạn.

Chuông báo thức của điện thoại reo lên. Bạn với tay tắt điện thoại. Màn hình sáng lên và nhận ra khuôn mặt của bạn trong vòng chưa đầy một giây. Bạn kéo rèm ra, những tia nắng của ngày mới đang “nhảy múa” trên những tấm pin mặt trời đặt trên những mái nhà ở xa. Bạn vào nhà vệ sinh và bật đèn lên – một loại đèn LED giúp cho cái ví của bạn trở nên “dày hơn” rất nhiều so với loại bóng đèn dây tóc của hai thế kỷ trước. Tối qua, bạn đã xem vài tập phim trên TV rồi chụp một bức ảnh về bữa tối đơn giản của mình để đăng lên Instagram.

Pin mặt trời. Đèn LED. Điều khiển TV. Camera. Cảm biến nhận diện khuôn mặt. Điện thoại. Máy tính. Internet. AI…Tất cả những tiện ích này không thể nào ra đời nếu như một sai lầm trong cách hiểu về hiệu ứng quang điện không được giải quyết một cách triệt để.

1. Một thí nghiệm kỳ lạ

Như chúng ta đã biết, vào năm 1887, đây là thời điểm mà vật lý đang ở trong trạng thái vô cùng tự tin: Người ta tin rằng các nhiệm vụ quan trọng nhất trong vật lý về cơ bản là đã hoàn thành.

Thế rồi Heinrich Hertz xuất hiện.

Heinrich Hertz là một nhà vật lý người Đức (giống như Max Planck). Ông được biết đến rộng rãi nhờ vào việc xác nhận sự tồn tại của sóng radio – một loại sóng đã được Maxwell tiên đoán từ trước về mặt lý thuyết. Nhưng trong quá trình thực hiện thí nghiệm này vào năm 1887, ông đã nhận thấy một điểm vô cùng kỳ lạ.

Trong thí nghiệm này, Hertz đã sử dụng khe hở tia lửa điện – hai điện cực đặt cách nhau một khoảng rất nhỏ để tạo ra tia lửa điện – để có thể phát hiện ra sự hiện diện của sóng điện từ. Sau đó, ông đã đặt nó ở bên trong một hộp tối để có thể quan sát kỹ hơn và nhận thấy rằng chiều dài của tia lửa điện này đã bị rút ngắn một cách đáng kể.

Ngược lại, khi ông đặt nó vào trong một cái hộp thủy tinh, chiều dài của tia lửa điện tăng lên; và khi ông thay thế bằng một chiếc hộp thạch anh, chiều dài của tia lửa lại tăng lên nhiều hơn nữa. 

Sau đó, Hertz đã bắt tay vào một cuộc điều tra vô cùng kỹ lưỡng. Ông đã phát hiện ra rằng tia lửa điện sẽ trở nên mạnh hơn nếu nó có thể tiếp xúc với tia cực tím. Thuỷ tinh thì đã chặn những tia cực tím này lại còn thạch anh thì không.

Vậy thì điều gì đang xảy ra ở đây vậy?

Vào thời điểm này, Hertz cũng chưa thể hiểu được hết toàn bộ ý nghĩa của hiện tượng này:

Hiện tại tôi chỉ cố gắng trình bày những kết quả thu được mà không cố gắng đưa ra bất kỳ lý thuyết nào về cách thức mà các hiện tượng đã được quan sát thấy đang xảy ra.

Hertz đã viết như vậy rồi ông tiếp tục đi làm việc khác. 

Một năm sau, vào năm 1888, một nhà vật lý người Đức khác có tên là Wilhelm Hallwachs đã viết

Trong một ấn phẩm gần đây, Hertz đã mô tả các nghiên cứu về sự phụ thuộc giữa chiều dài tối đa của tia lửa…[và]…bức xạ mà nó nhận được… Hertz đã chứng minh rằng hiện tượng quan sát được là kết quả của những tác động đến từ tia cực tím. Không thể tìm ra thêm thông tin nào khác về bản chất của hiện tượng này do các điều kiện nghiên cứu quá phức tạp… Tôi đã cố gắng tìm ra các hiện tượng liên quan xảy ra trong điều kiện đơn giản hơn để giúp cho việc giải thích hiện tượng này trở nên dễ dàng hơn…

Và mặc dù thí nghiệm của Hallwach sau đó – cùng với thí nghiệm của JJ Thompson vào năm 1899 – đã xác nhận những kết quả này và chứng minh được rằng tia cực tím là tác nhân gây ra sự phóng thích của các “hạt” electron từ bề mặt kim loại (từ đó tạo ra dòng điện), nhưng cả hai lại không thể đưa ra bất kỳ giả thuyết xác đáng nào về những gì đang diễn ra. Trên thực tế, tình trạng “mờ mịt” này vẫn chưa được làm sáng tỏ cho đến khi Philipp Lenard xuất hiện.

Vậy thì ông đã phát hiện ra những gì?

2. Một vài phát hiện thú vị của Philipp Lenard

Philipp Lenard đã xây dựng nên một thí nghiệm tương đối đơn giản: Ông lấy một cái ống thủy tinh đã được hút hết không khí ở bên trong rồi đặt vào đó hai tấm kim loại, một tấm là cực âm và một tấm là cực dương. Khi ánh sáng được chiếu vào cực âm, nếu có bất kỳ electron nào bị bắn ra, chúng sẽ di chuyển sang cực dương và tạo thành dòng điện.

Và đây là những gì Lenard đã đo được:

• Ở thí nghiệm đầu tiên, ông đã chiếu một chùm ánh sáng đỏ vào tấm kim loại. Không có electron nào bị bắn ra cả. Khi cường độ ánh sáng tăng lên – sáng hơn, mạnh hơn, chiếu thật nhiều ánh sáng đỏ vào – vẫn chẳng có gì xảy ra cả.
• Ở thí nghiệm thứ hai, ông đã sử dụng một chùm ánh sáng tím để chiếu vào cùng một tấm kim loại đó. Ngay lập tức, electron đã bị bắn ra. 
• Ở thí nghiệm cuối cùng, Lenard đã tăng cường độ của ánh sáng tím lên. Lúc này, số lượng electron bắn ra cũng tăng theo – một kết quả khá hợp lý và dễ hiểu. Nhưng đây mới là phần kỳ lạ: năng lượng của mỗi electron bắn ra lại không hề thay đổi. Dù bạn tăng hay giảm độ sáng của chùm tia màu tím này như thế nào đi chăng nữa thì mỗi electron bắn ra vẫn mang theo cùng một mức năng lượng đó.

Và kết quả này lại là một thảm họa đối với vật lý cổ điển. Tại sao lại như vậy?

3. Những kỳ vọng sai lầm của vật lý cổ điển

Theo “quan niệm dân gian” trong ngành vật lý từ trước tới nay, ánh sáng là sóng. Và khi biên độ sóng càng lớn thì năng lượng nó mang theo càng nhiều.

Chúng ta hãy cùng nhau liên tưởng đến sóng biển: sóng thần cao 30 mét chắc chắn sẽ có sức công phá lớn hơn rất nhiều so với những con sóng cao 0,5 mét. Không có gì khó hiểu ở đây cả.

Như vậy, theo logic này, chùm tia chiếu vào bề mặt kim loại càng sáng – tức là cường độ càng cao – thì các dao động của điện trường bên trong sóng ánh sáng tới sẽ làm nóng các electron, khiến cho chúng dao động dữ dội và bị “bắn ra” khỏi bề mặt kim loại.

Cường độ ánh sáng càng cao thì càng có nhiều electron bị đẩy ra ngoài hơn, có tốc độ cao hơn và đạt được động năng cực đại lớn hơn.

Ngược lại, nếu chùm tia này có cường độ thấp thì sẽ chẳng có một electron nào chịu “bắn ra” cả – cho dù chùm tia đó có màu gì đi chăng nữa.

Tuy nhiên, cơ hội cho các chùm sáng yếu (tức là có cường độ thấp) là vẫn còn: Chúng sẽ phải chiếu sáng lâu hơn để có thể tích lũy đủ năng lượng nhằm “bứt” electron ra khỏi kim loại, rơi vào khoảng vài giờ cho đến vài ngày.

Vậy thì câu chuyện ở đây khá đơn giản và dễ hiểu: Cường độ ánh sáng sẽ quyết định mọi thứ.

Nhưng thực tế thì lại hoàn toàn ngược lại: Cường độ ánh sáng chẳng đem lại bất kỳ ảnh hưởng nào đáng kể đối với hiện tượng quang điện cả.

• Thực tế số 1: Chùm sáng màu đỏ dù có sáng đến đâu đi chăng nữa thì cũng chẳng thể “đánh bật” được bất kỳ electron nào. Ngược lại, chùm sáng màu tím dù rất yếu nhưng lại hoàn toàn có khả năng “đánh bật” electron gần như ngay lập tức, không có sự chậm trễ nào cả.
• Thực tế số 2: Cường độ ánh sáng chỉ có thể ảnh hưởng đến số lượng electron bị “bắn ra”, không ảnh hưởng đến năng lượng (hay động năng) của mỗi electron.

Vậy thì chuyện gì đang xảy ra ở đây vậy?

Lenard đã viết bài báo mô tả những gì ông đã quan sát thấy trong thí nghiệm này, nhận giải Nobel năm 1905 và vẫn không thể lý giải được nguyên nhân…cho đến 15 năm sau.

4. Một khái niệm hoàn toàn mới

Như chúng ta đã cùng nhau thảo luận ở bài viết trước, để có thể cứu vãn thảm hoạ tia cực tím, Max Planck đã phải cố gắng nuốt trôi một viên thuốc rất đắng: năng lượng không phải là một dải liên tục – nó là một tập hợp của những “gói” năng lượng rời rạc – các hạt “pixel” trong vũ trụ của chúng ta.

Dẫu vậy, Planck chỉ coi đây là một thủ thuật toán học tạm thời nhằm cố gắng cứu vãn nền vật lý cổ điển. Ông chưa bao giờ tin rằng năng lượng thực sự có thể chia thành từng “gói” nhỏ. Ông tin rằng, không sớm thì muộn, sẽ có một ai đó có thể tìm ra lời giải thích “thực sự” và mấy cái gói năng lượng kỳ lạ kia sẽ hoàn toàn đi vào dĩ vãng.

Nhưng cơn ác mộng của ông đã trở thành sự thật: Các “gói” năng lượng không những không biến mất mà còn được một nhân viên văn phòng vô danh sử dụng để thay đổi toàn bộ nhận thức của chúng ta về thế giới này.

Tháng 3 năm 1905, Albert Einstein – một anh chàng 26 tuổi đang làm nhân viên tại Văn phòng Sáng chế Liên bang ở Bern, Thụy Sĩ – đã gửi một bài báo đến tờ Annalen der Physik.

Không có bất kỳ phòng thí nghiệm nào. Không có giáo sư hướng dẫn. Không có đồng nghiệp để tranh luận. Chỉ có ông, bàn làm việc của chính phủ cùng với những bài báo khoa học mà Einstein đã đọc lén trong giờ làm khi không có ai giám sát.

Mặc dù bài báo mà ông gửi đi có tiêu đề khá là khô khan (Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt) nhưng nội dung ẩn chứa ở bên trong là một trong những ý tưởng táo bạo nhất trong lịch sử của vật lý.

Einstein đã nghiên cứu dữ liệu của Lenard; ông cũng đã biết đến phương trình của Planck. Và ông đã dám đặt ra một câu hỏi mà không ai dám đặt – cũng như đủ dũng cảm để theo đến cùng:

Sẽ ra sao nếu như năng lượng của ánh sáng không phải là liên tục – sẽ ra sao nếu như nó thực sự được làm nên từ các “gói” năng lượng?

Lúc này, Einstein tin rằng bản thân ánh sáng là tập hợp của những “gói” năng lượng rời rạc và riêng lẻ; mỗi “gói” mang theo một lượng năng lượng cố định. Mỗi “gói” này sau đó được đặt tên là photon.

Và đây mới là phần quan trọng nhất: năng lượng của mỗi photon không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng — nó phụ thuộc vào tần số của ánh sáng, tức là màu sắc của nó.

Phương trình này trông có vẻ đơn giản đến mức nực cười – nhưng tầm quan trọng của nó lại không cần phải bàn cãi

• E là năng lượng của một photon – năng lượng bên trong một “gói” năng lượng duy nhất.
• h là hằng số Planck – một “pixel” của vũ trụ, bằng 6.626×10⁻³⁴ 
• f là tần số của ánh sáng — ánh sáng màu tím có tần số lớn hơn so với ánh sáng màu đỏ, do đó năng lượng của một photon màu tím sẽ lớn hơn so với năng lượng của một photon màu đỏ.

Tới đây, thí nghiệm của Lenard bỗng chốc trở nên hoàn toàn hợp lý.

5. Hiện tượng quang điện

Lúc này, mỗi electron đang bị “nhốt” ở bên trong mạng tinh thể của khối kim loại. Để có thể thoát ra ngoài, nó cần phải có một lượng năng lượng tối thiểu để làm “bàn đạp”. Các nhà vật lý gọi đây là công thoát, ký hiệu là ϕ.

Bây giờ, khi một photon chạm vào bề mặt kim loại, nó không chia sẻ năng lượng với nhiều electron cùng một lúc – nó chỉ trao toàn bộ năng lượng cho một electron duy nhất. Đây chính là điểm mấu chốt.

Nếu photon đó có năng lượng (E = hf) nhỏ hơn công thoát (ϕ) thì dòng năng lượng đầu vào này sẽ là không đủ để giúp cho electron có thể thoát ra: nó chỉ lắc lư một chút rồi thôi. Dù bạn có bắn vào đó bao nhiêu photon như vậy đi chăng nữa thì mỗi photon vẫn chỉ có thể trao toàn bộ năng lượng của nó cho một electron duy nhất – một dòng năng lượng không đủ để giúp các electron có thể thoát ra.

Ngược lại, nếu một photon mang theo năng lượng (E=hf) lớn hơn công thoát (ϕ) thì lúc này, bên cạnh phần năng lượng mà electron đã nhận đủ để vượt qua ngưỡng, nó cũng sẽ mang theo phần năng lượng dư thừa và thoát ra ngoài:

với E_K​ là động năng của electron sau khi thoát ra — tức là nó có thể di chuyển nhanh đến mức nào.

Hãy nhìn thật kỹ vào phương trình này: ϕ là hằng số và hoàn toàn phụ thuộc vào loại vật liệu mà các electron đang bị “nhốt”. Điều duy nhất có thể quyết định động năng của các electron chính là tần số ánh sáng – hay còn gọi là màu sắc.

Đây chính là lý do tại sao ánh sáng đỏ không thể “giải phóng” electron ra khỏi kim loại dù bạn có chiếu sáng nhiều đến thế nào đi chăng nữa: mỗi photon màu đỏ có năng lượng nhỏ hơn so với công thoát, và bạn không thể “cộng dồn” hai photon yếu thành một photon mạnh do mỗi photon chỉ có thể “kết hợp” với một electron duy nhất.

Và đây cũng là lý do tại sao cường độ ánh sáng chỉ có thể ảnh hưởng đến số lượng electron bắn ra: ánh sáng tím có cường độ mạnh hơn đồng nghĩa với việc là sẽ có nhiều photon màu tím hơn, từ đó làm cho các electron bị “bắn ra” ngày càng nhiều. Nhưng do mỗi photon tím luôn mang theo cùng một lượng năng lượng nên mỗi electron bắn ra sẽ có cùng động năng với nhau.

Và thế là bài toán 15 năm của Lenard bỗng chốc đã có được lời giải chỉ bằng một phương trình rất đơn giản.

6. Nhưng nếu ánh sáng là hạt, tại sao nó vẫn là sóng?

Đây là lúc mọi thứ trở nên vô cùng kỳ lạ.

Trước đó rất lâu, một nhà khoa học người Anh có tên là Thomas Young đã thực hiện một thí nghiệm khe đôi chứng minh rõ ràng rằng: ánh sáng là sóng, được thể hiện qua một loạt các vân sáng và vân tối xen kẽ nhau. Giới khoa học đã đồng tình với quan điểm này.

Nhưng nay, để có thể giải thích được hiệu ứng quang điện, người ta phải giả định rằng ánh sáng là một dòng “hạt”.

Vậy thì ai đúng và ai sai?

Cả hai quan điểm đều đúng.

Vậy thì ánh sáng vừa có thể là sóng, vừa có thể là hạt sao?

Đúng vậy, đây là một sự thật căn bản về bản chất của ánh sáng cũng như của toàn bộ vật chất ở cấp độ rất nhỏ. Ngay cả electron, một thực thể vốn dĩ được coi là một hạt, cũng hoàn toàn có thể tạo ra một mẫu giao thoa giống như sóng nếu bạn bắn chúng qua hai khe.

Cơ học lượng tử thì gọi đây là lưỡng tính sóng – hạt: Trong một số điều kiện nhất định, ánh sáng sẽ có tính chất sóng, nhưng trong các điều kiện khác – như khi tương tác với các electron trong hiệu ứng quang điện bên trên – nó lại có tính chất hạt. Và điều kỳ lạ nhất là sẽ chẳng có bất kỳ khoảnh khắc nào mà ánh sáng có thể “ra quyết định” là nó sẽ có tính chất gì; nó chỉ đơn giản là cả hai, theo một cách mà ngôn ngữ thông thường của chúng ta không tài nào diễn tả được.

Như vậy, bài báo được viết vào năm 1905 “kỳ diệu” của Einstein không chỉ giải thích về hiệu ứng quang điện mà nó đã chạm vào một sự thật sâu sắc hơn về bản chất của thực tại: thế giới ở cấp độ vi mô hoạt động dựa trên những quy tắc rất khác so với thế giới mà chúng ta đang nhìn thấy hàng ngày.

7. “Kiếp sau” của hiệu ứng quang điện

Khoa học phát triển rất nhanh và chẳng hề chờ đợi ai. Trong khi giới khoa học còn đang “vò đầu bứt tai” về bản chất của thực tại, các kỹ sư và các nhà vật lý ứng dụng đã bắt đầu đặt ra một câu hỏi khác thực tế hơn rất nhiều:

Tác dụng của cái hiệu ứng kỳ lạ này là gì?

Câu trả lời, hoá ra, là khá nhiều.

Pin mặt trời là một ứng dụng trực tiếp và rõ ràng nhất. Trong một tấm pin mặt trời silicon, các photon đến từ Mặt Trời đã va chạm với các electron trong vật liệu bán dẫn, đẩy chúng ra khỏi vị trí cân bằng và tạo thành dòng điện một chiều có thể sử dụng được.

Các cảm biến hình ảnh trong máy điện thoại và máy ảnh kỹ thuật số cũng hoạt động dựa trên một nguyên lý tương tự. Mỗi điểm ảnh (hay pixel) trên cảm biến là một tế bào quang điện nhỏ xíu. Khi photon chạm vào, electron sẽ được giải phóng và điện tích sẽ được tích lũy. Sau đó, chip xử lý sẽ đọc điện tích từ từng pixel và chuyển đổi chúng thành các giá trị màu. Một tấm ảnh 12 megapixel thực chất là 12 triệu lần hiệu ứng quang điện xảy ra cùng một lúc trong vòng chưa đầy một phần nghìn giây.

Không dừng lại ở đây, điều khiển từ xa dùng đèn LED hồng ngoại phát ra các photon có tần số nằm ngoài vùng ánh sáng khả kiến đối với mắt của chúng ta. Camera hồng ngoại trong TV hay trong điều hòa sẽ tiếp nhận photon đó và hiệu ứng quang điện sẽ chuyển chúng thành tín hiệu điện và giải mã “câu lệnh” mà bạn vừa gửi.

Tế bào quang điện trong các hệ thống an ninh, cánh cửa tự động tại các siêu thị, cảm biến báo khói – tất cả đều là những ứng dụng trực tiếp của hiệu ứng quang điện: Khi có một vật thể cắt ngang chùm sáng, số photon chạm đến các cảm biến giảm xuống, electron bị “bắn ra” ít hơn và hệ thống “biết rằng” có thứ gì đó đang di chuyển qua.

Nhưng đây chỉ là bề nổi của tảng băng chìm. Một lớp ứng dụng sâu sắc và quan trọng hơn rất nhiều đó chính là toàn bộ nền công nghệ bán dẫn. 

Bài báo về hiệu ứng quang điện của Einstein không chỉ đơn thuần là giải thích một thí nghiệm khoa học. Nó đã chỉ ra một sự thật quan trọng hơn rất nhiều: ánh sáng được lượng tử hóa. Năng lượng không liên tục. Thế giới ở cấp độ vi mô không tuân theo các quy tắc của vật lý cổ điển.

Tại đây, các electron ở bên trong các nguyên tử chỉ có thể tồn tại ở những mức năng lượng nhất định và rời rạc (không phải ở bất kỳ mức năng lượng tùy ý nào đó). Khi electron “nhảy” giữa các mức năng lượng khác nhau, nó sẽ hấp thụ hoặc phát ra photon mang theo chính xác lượng năng lượng “chênh lệch” này.

Và đây chính là điều kiện tiên quyết dẫn đến sự ra đời của ngành công nghiệp bán dẫn.

Silicon, ở cấp độ lượng tử, có cấu trúc dải năng lượng (band structure) khá đặc biệt. Các electron của silicon được chia thành hai “vùng”: vùng hóa trị (valence band) – nơi electron bị gắn chặt vào nguyên tử; và vùng dẫn (conduction band) – nơi electron có thể tự do di chuyển và từ đó tạo ra dòng điện. Giữa hai vùng này có một khoảng trống được gọi là band gap – một khoảng cách năng lượng mà electron cần vượt qua để chuyển từ trạng thái bị “nhốt” sang trạng thái dẫn điện.

Từ những hiểu biết này, các kỹ sư đã học được cách “pha tạp” thêm một lượng cực nhỏ nguyên tử khác vào silicon để có thể kiểm soát tính dẫn điện của nó, từ đó thế giới đã được chứng kiến những bóng bán dẫn (transistor) ở bên trong vi mạch, từ đó làm nên CPU trong chiếc điện thoại mà bạn đang dùng.

8. Thế giới sẽ ra sao nếu như…

Bây giờ hãy thử tưởng tượng ra viễn cảnh này: Không phải là “nếu chúng ta không khám phá ra hiệu ứng quang điện” – mà nếu như ánh sáng, dù ở tần số nào, cũng không thể đánh bật electron ra khỏi kim loại; nếu như mọi thứ khác vẫn được giữ nguyên – chỉ trừ mỗi điều đó, thế giới của chúng ta trông như thế nào?

Hậu quả dễ nhìn thấy nhất: toàn bộ ngành năng lượng Mặt Trời sẽ biến mất. Không có những tấm pin mặt trời; không có các tế bào quang điện. Các cánh đồng năng lượng mặt trời rộng lớn “phơi mình” ở sa mạc Sahara, trên các mái nhà của hàng triệu hộ gia đình, trên quỹ đạo của các vệ tinh – tất cả đều biến thành những tấm nhôm vô dụng. Nhân loại sẽ phải phụ thuộc hoàn toàn vào than đá, dầu mỏ, khí đốt, và thủy điện. Khủng hoảng khí hậu có lẽ sẽ trở nên tồi tệ hơn rất nhiều.

Nhưng đó chỉ là bề nổi mà thôi.

Hậu quả thứ hai chính là sự biến mất của ngành công nghiệp bán dẫn. Không có nó, chúng ta sẽ chẳng có nổi một chiếc bóng bán dẫn hẳn hoi, từ đó sẽ chẳng có những chiếc máy tính và điện thoại sành điệu. Những chiếc máy tính lúc này sẽ to bằng cả cái tòa nhà, chậm như rùa và ngấu nghiến một lượng điện năng khổng lồ.

Chúng ta vẫn sẽ có điện – các nguyên lý của Faraday và Maxwell vẫn hoạt động tốt trong thế giới này. Chúng ta vẫn sẽ có ô tô, tàu hỏa, máy bay với động cơ đốt trong. Điện thoại vẫn sẽ xuất hiện – nhưng không phải là những chiếc smartphone với những video “brainrot” trên mạng xã hội. Chúng ta vẫn sẽ có vô tuyến và các chương trình truyền hình kèm theo – chỉ khác là sẽ không có màn hình phẳng LED với độ phân giải 4K hoặc hơn.

Không dừng lại ở đây, tia laser (viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích ) cũng sẽ hoàn toàn biến mất. Để tạo ra một tia laser, tất cả những gì bạn cần là cung cấp cho các nguyên tử đủ năng lượng để chúng được “kích thích” và sẵn sàng phát ra ánh sáng. Khi các nguyên tử này trở về trạng thái bình thường, chúng sẽ giải phóng các “gói” photon, từ đó tiếp tục kích thích các nguyên tử khác giải phóng thêm photon, tạo ra một chuỗi phản ứng khuếch đại ánh sáng trong một không gian chật hẹp trước khi nó thoát ra dưới dạng một chùm tia rất mạnh.

Và khi laser biến mất, các tác vụ phổ biến trong các ngành công nghiệp như cắt, hàn và khoan vật liệu sẽ trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Các quy trình phẫu thuật, đặc biệt là phương pháp mổ cận bằng tia laser (LASIK, SMILE hay Femto) sẽ chẳng thể nào tồn tại. Máy quét mã vạch, bút laser, truyền thông cáp quang và đầu phát CD/DVD cũng sẽ biến mất không còn một dấu vết.

Điều tương tự cũng sẽ xảy ra đối với truyền thông cáp quang – một công nghệ giúp truyền tải dữ liệu bằng xung ánh sáng qua các sợi thủy tinh hoặc nhựa trong suốt, dựa trên nguyên lý phản xạ toàn phần. Đây là xương sống của internet hiện đại, chiếm trên 99,99% lưu lượng truy cập toàn cầu nhờ tốc độ rất cao, băng thông rộng, độ ổn định cao và không bị nhiễu điện từ.

Các thành phần cơ bản của hệ thống bao gồm một bộ phát (Transmitter) giúp chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng (laser hoặc LED); sợi quang (Optical Fiber) đóng vai trò là môi trường dẫn truyền ánh sáng và bộ thu (Receiver) giúp chuyển đổi tín hiệu ánh sáng trở lại thành tín hiệu điện.

Nếu không có hiệu ứng quang điện, bạn hãy quên luôn internet đi bởi vì ở thế giới này, tín hiệu ánh sáng sẽ không thể nào chuyển đổi được thành tín hiệu điện và ngược lại. Truyền hình cáp và dữ liệu hiện đại giúp truyền tải hình ảnh, âm thanh chất lượng cao chẳng thể nào tồn tại. Netflix, YouTube, Facebook…thậm chí còn không thể xuất hiện trong trí tưởng tượng của con người.

Nhìn chung thì thế giới của chúng ta sẽ khác đi rất rất nhiều

9. Thứ bạn đang cầm trên tay

Hãy quay lại điểm bắt đầu: Buổi sáng thức dậy của bạn – chiếc điện thoại nhanh chóng nhận ra khuôn mặt bạn, tấm pin mặt trời trên mái nhà của hàng xóm, cái điều khiển TV mà bạn bấm tối qua. Tất cả những tiện ích công nghệ này là kết quả của một chuỗi nhân quả kéo dài hơn một thế kỷ.

Tất cả bắt đầu với một suy nghĩ tưởng chừng như sẽ chẳng thể nào có thể trở thành sự thật: Một thế giới nơi ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt; nơi các “gói” ánh sáng chỉ có thể tương tác với các electron ở những mức năng lượng “rời rạc”

Và trớ trêu thay, chính suy nghĩ “trên giời” và tưởng chừng như là thiếu thực tế này chính là thứ đang giúp cho chiếc điện thoại của bạn sáng lên ngay lúc này.