Cuối thế kỷ 19, ánh sáng là sóng — hồ sơ đã khép: giao thoa, nhiễu xạ, phương trình Maxwell, tất cả đều thuận. Rồi một thí nghiệm nhỏ mở lại hồ sơ: chiếu sáng vào kim loại và đếm electron bật ra.

Theo lý thuyết sóng, năng lượng đến liên tục — chiếu càng mạnh, càng lâu, electron nhận càng nhiều, cuối cùng phải bật ra. Màu sắc chỉ là chi tiết.

Thí nghiệm nói ngược lại toàn tập:

Tấm kim loại natri, công thoát A = 2,28 eV. Mỗi photon một electron — hoặc đủ tiền chuộc thì bứt ra ngay, hoặc thiếu thì không gì xảy ra, chiếu mạnh đến đâu và lâu đến đâu cũng vậy.

Kéo bước sóng qua mốc 544 nm (với natri) và xem quy tắc thật:

  • Đỏ 700 nm, cường độ tối đa: không một electron nào, chiếu bao lâu cũng thế.
  • Tím 400 nm, cường độ yếu nhất: electron bật ra ngay lập tức.
  • Tăng cường độ tia tím: nhiều electron hơn, nhưng mỗi con không nhanh hơn chút nào.

Lời giải 1905: ánh sáng đến theo gói

Einstein đề xuất điều khi ấy nghe như dị giáo: ánh sáng trao năng lượng theo từng gói không chia được — photon — mỗi gói mang E = hf. Tần số càng cao (bước sóng càng ngắn), gói càng lớn. Và giao dịch ở bề mặt kim loại là luật một-photon-một-electron:

E_k = hf − A

Electron cần “tiền chuộc” A (công thoát, 2,28 eV với natri) để rời kim loại. Photon đỏ mang 1,77 eV — thiếu. Và đây là điểm chí mạng cho lý thuyết sóng: hai photon thiếu không được góp chung. Ánh sáng không nhận tiền lẻ; mỗi electron chỉ nhận đúng một gói, đủ thì đi, thiếu thì thôi. Cường độ chỉ là số gói mỗi giây — nó quyết định bao nhiêu electron, không quyết định electron nào nhanh bao nhiêu.

Ba quan sát “vô lý” của thí nghiệm giờ thành ba dòng suy luận một bước. Giải Nobel 1921 của Einstein trao cho chính công thức này — không phải cho thuyết tương đối.

Đường thẳng đo được hằng số Planck

Phần đẹp cho người làm thí nghiệm: vẽ động năng cực đại theo tần số, công thức là đường thẳng E_k = hf − A — hệ số góc chính là hằng số Planck h, giao điểm với trục hoành là tần số ngưỡng. Millikan, người vốn muốn bác bỏ Einstein, bỏ ra một thập kỷ đo đường thẳng này ngày càng chính xác — và nó thẳng đến mức chính ông phải công nhận. Ít lý thuyết nào được đối thủ của mình xác nhận kỹ đến vậy.

Gói ánh sáng quanh bạn

Cánh cửa thang máy không kẹp người, pin mặt trời trên mái nhà, và cảm biến trong máy ảnh điện thoại đều là hậu duệ kỹ thuật của hiệu ứng này: photon vào, electron ra, đếm electron là “thấy” ánh sáng. Mỗi tấm ảnh bạn chụp là hàng tỷ lần giao dịch hf − A diễn ra trót lọt — thuyết lượng tử không ở phòng thí nghiệm; nó nằm trong túi quần.

Trường hợp biên: cường độ mạnh đến đâu mới mua nổi?

Quy tắc “dưới ngưỡng thì chịu” nghe tuyệt đối — và một thí nghiệm đáng giá là thử phá nó bằng số đông: gom nắng qua kính lúp tăng số photon lên vạn lần, tờ giấy cháy — nhưng đó là nhiệt (rung mạng tinh thể), không phải quang điện: mỗi photon đỏ vẫn cầm tờ tiền không đủ mệnh giá, đông đến đâu cũng không ai qua cửa. Nhưng ranh giới có thật ở cường độ cực đoan: laser xung hội tụ tới mức hai photon đập vào cùng một electron trong cùng một phần triệu tỷ giây — hai tờ tiền lẻ góp thành một, electron bật ra dù từng photon dưới ngưỡng. “Hấp thụ hai photon” ngày nay là công cụ chụp ảnh mô sống tiêu chuẩn. Einstein không sai — quy tắc mỗi-giao-dịch-một-photon chỉ đúng khi photon còn thưa; kính lúp của bạn còn cách vùng đó mười mấy bậc độ lớn.