Lịch sử Vật lí thế kỉ 20

Nội dung text: Lịch sử Vật lí thế kỉ 20

1. Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 Alfred B. Bortz Tr ần Nghiêm d ịch
2. MỤC LỤC Lời nĩi đầu i Giới thiệu iv 1. 1901 – 1910 Bình minh của vật lí học hiện đại 1 Những kết quả kì lạ 1 Thế kỉ mới, viễn cảnh mới 6 Lượng tử và Hiệu ứng quang điện 6 Chuyển động Brown và tính xác thực của các nguyên tử 8 Thuyết tương đối đặc biệt 9 Nguyên tử cĩ thể phân chia được 14 Những kĩ thuật, cơng nghệ và quan sát mới 17 Nhà khoa học của thập niên 1900: Albert Einstein (1879–1955) 18 2.1911 – 1920 Những quan điểm mới về vật chất 20 Khám phá ra hạt nhân nguyên tử 20 Mẫu nguyên tử Bohr 22 Bên trong hạt nhân 24 Các nguyên tử trong chất rắn 26 Thiên văn học và Vũ trụ học 26 Thuyết tương đối rộng 28 Khám phá ra các thiên hà 30 Tia vũ trụ 32 Những lí thuyết, kĩ thuật và cơng nghệ mới 32 Sự siêu dẫn 32 Sự trơi giạt lục địa 33 Nhà khoa học của thập niên: Ernest Rutherford (1871–1937) 34 3. 1921 – 1930 Cuộc cách mạng lượng tử 36 Từ nguyên tử Bohr đến cơ học lượng tử 37 Tìm hiểu vũ trụ lượng tử 43 Thuyết tương đối, spin, phân rã beta, và các hạt đã tiên đốn 45 Vật lí hạ nguyên tử 46 Các sao, thiên hà, và tên lửa 47 Nhà khoa học của thập niên - Wolfgang Pauli (1900–1958) 49
3. 4. 1931 - 1940 Các hạt cơ bản và nền chính trị thế giới 51 Bên trong hạt nhân 52 Các hạt hạ nguyên tử mới 55 Các máy gia tốc hạt 56 Phĩng xạ nhân tạo và sự phân hạch hạt nhân 58 Những phát triển khác trong thập niên 1930 62 Nhà khoa học của thập niên Lise Meitner (1878–1968) 64 5. 1941 – 1950: Vật lí học trong thời kì chiến tranh 67 QED: Điện động lực học lượng tử 69 Sự phân hạch hạt nhân, “Nền khoa học lớn”, và Bom 72 Tia vũ trụ và các hạt hạ nguyên tử 79 Những lĩnh vực vật lí khác trong thập niên 1940 80 Nhà khoa học của thập niên: Richard Feynman (1918–1988) 81 6. 1951 – 1960 Vật lí học và Sự phát triển những cơng nghệ mới 84 Vật lí chất rắn và Cơng nghệ 85 Chất dẫn điện, Chất cách điện và Chất bán dẫn 88 Sự siêu dẫn 95 Vật lí và cơng nghệ hạt nhân 96 “Vườn bách thú” hạt hạ nguyên tử 97 Những phát triển khác trong thập niên 1950 98 Nhà khoa học của thập niên: John Bardeen (1908–1991) 99 7. 1961 – 1970 Kỉ nguyên chinh phục và thám hiểm 102 Các hạt cơ bản và các lực cơ bản 103 Quark mùi và Lực “màu” mạnh 107 Quark duyên và lực điện yếu 111 Các boson chuẩn, trường Higgs và nguồn gốc của khối lượng 112 Các máy dị hạt mới 112 Bằng chứng vũ trụ học cho Big Bang 113 Nhà khoa học của thập niên: Murray Gell-Mann (1929– ) 115 Những phát triển khác trong thập niên 1960 117 8. 1971 – 1980 Bắt đầu một sự tổng hợp mới 119 Các quark: từ đáy đến đỉnh 120 Các lí thuyết thống nhất lớn 122 Sự vướng víu lượng tử 123 Các ứng dụng của vật lí và liên hệ với các khoa học khác trong thập niên 1970 124
4. Nhà khoa học của thập niên: Luis Alvarez (1911–1988) . 128 9. 1981 – 1990 Mở rộng tầm ảnh hưởng 131 Vật lí hạt cơ bản và Các hiệu ứng lượng tử 132 GUT, Lí thuyết siêu dây và Sự lạm phát vũ trụ 134 Đơi nét về các sách phổ biến kiến thức vật lí và khoa học trong thập niên 1980 135 Các đột phá trong ngành vật lí vật chất ngưng tụ 137 Nhà khoa học của thập niên: Stephen Hawking (1942– ) 140 10. 1991 – 2000 Các kết nối vũ trụ 143 Vật lí hạt cơ bản: Hồn tất Mơ hình Chuẩn 144 Những bất ngờ trong vũ trụ học 146 Các phát triển khác liên quan đến vật lí trong thập niên 1990 147 Nhà khoa học của thập niên: Leon Lederman (1922– ) 148 Kết luận: Các thách thức mang tính tồn cầu và vũ trụ trong thế kỉ 21 152 Bản chất của vật chất được xét lại 153 “Mọi thứ” là gì? 155 Phụ lục Bảng tuần hồn các nguyên tố hĩa học 157 Các nhà vật lí đoạt giải Nobel 160 Thuật ngữ 172 Tài liệu tham khảo 178
5. Lời nĩi đầu Thế kỉ 20 đã chứng kiến một sự tăng trưởng bùng phát của khoa học và cơng nghệ - số lượng nhà khoa học đang làm việc ngày nay nhiều hơn tổng số nhà khoa học trong lịch sử lồi người trước đây cộng lại. Những phát minh mới gồm cĩ tàu vũ trụ, chip máy tính, laser, và ADN tổ hợp đã mở ra lộ trình cho những lĩnh vực mới như khoa học vũ trụ, cơng nghệ sinh học, và cơng nghệ nano. Các máy ghi địa chấn hiện đại và tàu ngầm đã cho mang lại cho các nhà khoa học trái đất và đại dương cái nhìn sâu sắc vào những bí ẩn sâu thẳm nhất và tối tăm nhất của hành tinh chúng ta. Những thập kỉ phát triển của khoa học thời tiết, được hỗ trợ bởi những quan sát vệ tinh và mơ hình máy tính, giờ đã đưa ra những dự báo dài hạn, mang tính tồn cầu với xác suất đúng rất cao. Lúc mới bắt đầu thế kỉ, khoa học và cơng nghệ cĩ ít tác động lên đời sống hàng ngày của đa số mọi người. Điều này đã thay đổi hồn tồn vào năm 2000. Mục đích của bộ sách Khoa học thế kỉ 20 , một bộ sách mới gồm 7 tập, là cung cấp cho sinh viên, giáo viên, và cơng chúng nĩi chung một nguồn kiến thức dễ đọc, dễ tiếp cận, nhằm tìm hiểu xem khoa học đã phát triển như thế nào, từng thập niên một, trong thế kỉ qua và thử đốn xem nĩ sẽ phát triển đến đâu trong những thập niên đầu thế kỉ 21. Một người cĩ học qua trường lớp và thơng thạo văn học, nghệ thuật, âm nhạc và hiểu rõ giá trị của lịch sử, kinh doanh, và kinh tế, thì cũng phải biết khoa học hoạt động như thế nào, và làm thế nào nĩ trở thành một bộ phận khơng thể thiếu trong đời sống hàng ngày của chúng ta. Sinh viên thường được dạy khoa học từ viễn cảnh của cái đã biết hiện nay. Theo một ý nghĩa nào đĩ, điều này khá dễ hiểu – cĩ rất nhiều thơng tin để nắm bắt. Tuy nhiên, rất thường xảy ra, sinh viên (hoặc giáo viên) cĩ thể hỏi những câu đại loại như “Làm thế nào họ biết được điều đĩ?” hay “Tại sao họ lại khơng biết điều đĩ?” Đây là chỗ một số viễn cảnh lịch sử phát huy tính hấp dẫn. Nĩ mang lại cảm giác một khía cạnh động của khoa học. Một số cái sinh viên được dạy ngày nay sẽ thay đổi trong vịng 20 năm. Nĩ cũng mang lại cảm giác nhân bản khi người ta xem xét các nhà khoa học lỗi lạc trước đây đã chiến đấu như thế nào trong thế kỉ qua với số tiền tài trợ ít ỏi hơn, cơng cụ thơ sơ hơn, và các lí thuyết kém phức tạp hơn. Khoa học khác với những nỗ lực khơng kém phần quan trọng và thử thách khác của con người là ở phương tiện nghiên cứu của nĩ – Phương pháp Khoa học – thường được mơ tả như sau: a) quan sát b) lập giả thuyết c) thí nghiệm và kiểm chứng d) thu nhận kết quả, và e) kết luận xem các kết quả và số liệu bác bỏ hay củng cố giả thuyết đã nêu. Trong thực tế, tiến trình khoa học khơng phải lúc nào cũng “thẳng”. Nhiều thí nghiệm cĩ liên quan cịn cĩ thể được khảo sát để kiểm tra giả thuyết. Một khi một bằng chứng khoa học đã được thu thập và kiểm tra, thì nhà khoa học sẽ đệ trình một bài báo, tường trình cơng trình mới trên một tạp chí đánh giá ngang hàng. Một biên tập viên chí cơng vơ tư sẽ gửi cơng trình ấy cho ít nhất hai nhà phê bình (“trọng tài”), những người chuyên mơn về lĩnh vực đặc biệt đĩ, và họ sẽ giới thiệu với vị biên tập viên là bài báo nên chấp nhận, sửa chữa, hoặc từ chối. Vì các chuyên gia phê bình thỉnh thoảng lại là những người đang cạnh tranh của tác giả bài báo, cho nên các tiêu chuẩn đạo đức cao và sự tin cẩn phải được quy định rõ trong tiến trình phê bình. i
6. Nếu một giả thuyết khơng thể kiểm tra và cĩ khả năng bị bác bỏ bởi thí nghiệm hoặc các phương trình tốn học, thì nĩ khơng mang tính khoa học. Trong khi đĩ, trên nguyên tắc, một thí nghiệm cĩ thể bác bỏ một giả thuyết, và khơng cĩ thí nghiệm xác nhận nào cĩ thể tuyệt đối chứng minh một giả thuyết là “Chân lí”. Tuy nhiên, nếu việc kiểm tra lặp đi lặp lại bằng những thí nghiệm khác nhau do nhiều nhà khoa học thực hiện tiếp tục xác nhận cho một giả thuyết, thì người ta bắt đầu thừa nhận rằng nĩ là một lí thuyết được chấp nhận rộng rãi. Người bạn tốt nhất mà một lí thuyết cĩ thể cĩ là một nhà khoa học xuất chúng nghi ngờ về nĩ và đưa nĩ vào kiểm tra chân thật và nghiêm khắc nhất. Nếu nĩ vượt qua được những thử thách này và làm đổi ý nhà khoa học đa nghi, thì lí thuyết ấy được củng cố đáng kể. Việc kiểm tra như thế cũng loại từ các giả thuyết và lí thuyết yếu. Sự xác nhận liên tục của một giả thuyết quan trọng cĩ thể biến nĩ lên tầm cỡ của một định luật, mặc dù nĩ vẫn được được gọi là một lí thuyết. Một số lí thuyết khi phát triển cĩ thể làm cách mạng hĩa tồn bộ khuơn khổ của một lĩnh vực – những lí thuyết này được xem là “mơ hình”. Thuyết nguyên tử là một mơ hình. Đã phát triển khoảng 200 năm trước, nĩ là cơ sở để tìm hiểu bản chất của vật chất. Những mơ hình khác gồm cĩ như sự tiến hĩa, thuyết vụ nổ lớn, thuyết kiến tạo mảng hiện đại (giải thích nguồn gốc của núi non, núi lửa và động đất), thuyết lượng tử, và thuyết tương đối. Khoa học là một sự nghiệp chung với nhu cầu tự do trao đổi thơng tin và hợp tác. Trong khi đúng là các nhà khoa học cĩ những động cơ cạnh tranh mạnh mẽ, nhưng nửa sau của thế kỉ 20 đã chứng kiến khoa học ngày càng trở nên liên ngành. Những bài tốn ngày càng phức tạp hơn, với độ bất định ngày càng lớn, đã được xử lí và cho đến nay vẫn thường lảng tránh trước lời giải chính xác. Trong thế kỉ 20, khoa học đã tìm ra phương thuốc chữa trị bệnh lao và bệnh bại liệt, nhưng những e ngại về “mảng tối” của khoa học (ví dụ như vũ khí hạt nhân) đã bắt đầu lộ diện. Thái độ hồi nghi trước những lợi ích của khoa học và các ứng dụng của nĩ đã bắt đầu xuất hiện vào nửa sau của thế kỉ 20, mặc dù tác động tích cực hàng ngày của nĩ lên đời sống của chúng ta ngày càng tăng. Nhiều nhà khoa học cũng nhạy cảm với những vấn đề này. Sau khi bom nguyên tử thả xuống Hiroshima và Nagasaki, một số nhà khoa học lỗi lạc đã chuyển sang nghiên cứu khoa học sự sống, và những người khác thì cho ra đời một tạp chí, ngày nay đã gần 60 năm tuổi, Bản tin của Các nhà khoa học nguyên tử, dành cho việc loại trừ mối nguy hạt nhân và tăng cường hịa bình. Năm 1975, khơng bao lâu sau khi các nhà sinh học phân tử phát triển ADN tổ hợp, họ đã tổ chức một hội nghị ở Asilomar, California, và đặt ra những hạn chế tự nguyện trên những thí nghiệm nhất định. Họ khuyến khích chấp thuận sự sắp đặt trong lĩnh vực mới mang tính cách mạng này. Chúng ta đang sống trong một kỉ nguyên trong đĩ cĩ những nỗ lực liên tục và đầy sức mạnh nhằm xĩa nhịa ranh giới giữa đức tin tơn giáo và khoa học. Một lập luận cho rằng sự cơng bằng địi hỏi thời gian như nhau cho mọi “lí thuyết” (mang tính khoa học hay khơng). Trong mọi thời đại, và đặc biệt trong thời đại ngày nay, các nhà khoa học phải phấn đấu truyền thơng với cơng chúng rằng khoa học là gì và nĩ hoạt động như thế nào, khoa học tốt là gì, khoa học xấu là gì, và cái gì khơng phải là khoa học. Chỉ khi đĩ chúng ta mới cĩ thể đào tạo những thế hệ cơng dân tương lai và truyền cảm hứng cho các nhà khoa học của tương lai. Bảy tập của bộ sách Khoa học thế kỉ 20 nĩi về những vấn đề cốt lõi sau đây của khoa học: sinh học, hĩa học, khoa học Trái đất, hải dương học, vật lí học, vũ trụ học và thiên văn học, và thời tiết và khí hậu. Mỗi tập cĩ một bảng thuật ngữ chú giải. Các chương trong mỗi tập gồm những thành phần sau: • Cơ sở và viễn cảnh khoa học mà nĩ phát triển, từng thập niên một, đồng thời cung cấp cái nhìn sâu sắc xem cĩ bao nhiêu nhà khoa học chủ đạo đã gĩp sức trong từng thập niên ấy. • Các hình vẽ đen trắng và ảnh chụp. ii
7. • Trục biên niên sử thời gian những sự kiện đáng chú ý trong mỗi thập kỉ. • Phác họa tiểu sử ngắn gọn của những cá nhân đi tiên phong, kể cả trình bày về những tác động của nĩ đối với khoa học và xã hội nĩi chung. • Một danh mục tài nguyên tham khảo. Trong khi tồn bộ các nhà khoa học đều được liệt kê danh tính chi tiết, chúng tơi khơng cĩ ngụ ý rằng nhất thiết họ phải là “những nhà khoa học vĩ đại nhất của thập niên ấy”. Họ được chọn để đại diện cho nền khoa học của thập niên ấy vì những thành tích xuất sắc của họ. Một số trong những nhà khoa học này sinh ra trong những gia đình giàu cĩ và danh tiếng, trong khi một số khác xuất thân từ tầng lớp trung lưu hoặc lao động, hay cả trong cảnh bần hàn. Trong một thế kỉ đánh dấu bởi hai cuộc chiến tranh thế giới, chiến tranh lạnh, vơ số cuộc chiến lớn nhỏ khác, và tội ác diệt chủng khơng thể tưởng tượng nổi, nhiều nhà khoa học buộc phải chạy trốn khỏi quê hương xứ sở của mình. May thay, thế kỉ qua cũng đã chứng kiến sự tiếp cận ngày càng gần với khoa học và cơng nghệ đối với phụ nữ và người da màu và, với chút may mắn, mọi rào cản sẽ biến mất trong thế kỉ 21. Các tác giả của bộ sách này hi vọng quý vị độc giả nhận thức đúng sự phát triển của khoa học trong thế kỉ vừa qua và những thành tựu xuất hiện nhanh chĩng ngày nay trong thế kỉ 21. Lịch sử dạy cho những nhà thám hiểm mới của thế giới những lợi ích của việc thực hiện những quan sát thận trọng, theo đuổi những lộ trình và ý tưởng mà nhiều người khác bỏ qua hoặc khơng dám liều lĩnh xơng pha, và luơn luơn nghi vấn thế giới xung quanh mình. Sự hiếu kì là một trong những bản năng con người cơ bản nhất của chúng ta. Khoa học, cho dù được thực hiện dưới dạng chuyên nghiệp hay chỉ là niềm yêu thích, sau hết thảy, là một nỗ lực mang tính người rất cao. iii
8. Giới thiệu Cỗ máy vũ trụ thế kỉ 19 Vào giữa thập niên 1890, các nhà vật lí – các nhà khoa học nghiên cứu vật chất và năng lượng – đã nhìn về thế kỉ 20 với niềm kiêu hãnh đầy tự mãn. Càng nghiên cứu vũ trụ trong thế kỉ 19, họ càng thấy nĩ thật thứ tự, ngăn nắp. Hành trạng của nĩ hồn tồn cĩ thể tiên đốn qua các định luật tự nhiên mà họ đã biểu diễn trong ngơn ngữ tốn học chính xác. Mặc dù vẫn cĩ một vài câu hỏi quan trọng cần được trả lời, nhưng đa số nhà vật lí khi ấy hài lịng rằng thế kỉ 20 sẽ dành cho việc tinh chỉnh các lí thuyết và tiến hành những phép đo quan trọng cần thiết để hồn thiện tấm thảm thêu khoa học của họ. Họ khơng thể nào sai lầm hơn nữa. Thay vì buộc chặt các đầu mối dệt lỏng lẻo, các nhà vật lí lại đi kéo giật một vài chỗ rách và nhìn vào từng phần khuơn khổ lí thuyết của vật lí học. Phải mất gần như đa phần thế kỉ mới để dệt lại tấm thảm ấy. Quá trình ấy đã đánh giá lại hầu như mọi thứ mà người ta nghĩ họ đã hiểu về vật chất và năng lượng, khơng gian và thời gian, về sĩng và hạt. Để tìm hiểu những sự chuyển biến ngoạn mục ấy trong nền vật lí học thế kỉ 20, trước hết người ta phải khảo sát những thành tích nổi bật của nền khoa học trong thế kỉ trước, đáng chú ý nhất là điện từ học – trong đĩ cĩ bản chất điện từ của ánh sáng – và lí thuyết nguyên tử của vật chất. Thuyết nguyên tử của vật chất Theo một nghĩa nào đĩ, thì thuyết nguyên tử chẳng cĩ gì mới mẻ. Quan niệm rằng vật chất gồm những hạt nhỏ xíu, khơng thể phân chia đã cĩ từ hơn 2000 năm trước với các nhà triết học Hi Lạp cổ đại Democritus và Leucippus, nhưng nĩ đã bị lãng quên một thời gian dài mãi cho đến khi nhà khí tượng học John Dalton (1766 – 1844) thử đi tìm ý nghĩa của cái mà các nhà hĩa học đã phát hiện về các chất khí. Năm 1810, ơng cho xuất bản một quyển sách mang tính bước ngoặc tựa đề là Một hệ triết lí hĩa học mới , trong đĩ ơng đề xuất một lí thuyết mới của vật chất. Dalton đề xuất rằng vật chất gồm các nguyên tố kết hợp theo những tỉ số nhất định để hình thành nên các hợp chất . Cơ sở cho các tỉ số đặc biệt ấy, như Dalton đã lí thuyết hĩa, là mỗi nguyên tố gồm những hạt nhỏ xíu, khơng thể phân chia gọi là các nguyên tử, và các nguyên tử kết hợp lại thành phân tử, đơn vị cơ bản của các hợp chất. Thuyết nguyên tử nhanh chĩng trở thành cơ sở của hĩa học, và các nhà khoa học liên tục phát hiện ra những nguyên tố mới. Họ đã đo và phân loại các tính chất của từng nguyên tố, ví dụ như nhiệt độ đơng đặc và nhiệt độ sơi, và tỉ trọng (khối lượng hoặc trọng lượng trên centimet khối). Họ đã nghiên cứu hành trạng hĩa học của các nguyên tố và suy luận ra khối lượng nguyên tử của chúng. Khi số lượng nguyên tố đã biết tăng lên, các nhà khoa học đi tìm một khuơn khổ phân loại – một sự sắp xếp các nguyên tố sao cho những nguyên tố cĩ những tính chất hĩa học giống nhau sẽ nằm chung nhĩm với nhau. Năm 1869, một giáo sư hĩa học người Nga tên là Dmitry Mendeleyev (1834 – 1907) đã lập ra sự sắp xếp đĩ, một mạng lưới các hàng và cột mà ơng gọi là bảng tuần hồn các nguyên tố. Bắt đầu ở gĩc trên bên trái với nguyên tử nhẹ nhất, ơng đặt các nguyên tố xuống cột thứ nhất của mạng lưới của ơng theo thứ tự khối lượng nguyên tử tăng dần. Sau đĩ, ơng dời sang phải từ cột này sang cột kế tiếp, đặt các nguyên tử cĩ những tính chất hĩa học giống nhau ở liền nhau trong các hàng. (Bảng tuần hồn ngày nay, cĩ trong phần Phụ lục, đảo ngược lại vai trị của các hàng và cột, nhưng vẫn tuân theo phương pháp của Mendeleyev). Thỉnh thoảng, để làm phù hợp các tính chất hĩa học, ơng phải bỏ trống một ơ trong mạng lưới. Ơng trơng đợi những khoảng trống đĩ sẽ được lấp đầy sau này với những nguyên tố chưa được phát hiện ra – và ơng đã đúng. Khi những nguyên tố cịn thiếu đĩ được tìm thấy, tính chất của chúng phù hợp với các tiên đốn của bảng tuần hồn. iv
9. Bảng tuần hồn là một thành tựu lớn, nhưng vẫn cịn đĩ những câu hỏi quan trọng. Cái gì phân biệt nguyên tử của một nguyên tố này với nguyên tử của nguyên tố kia và làm thế nào những khác biệt đĩ mang lại tính quy tắc của bảng tuần hồn? Việc trả lời những câu hỏi đĩ sẽ phải đợi đến tận thế kỉ 20. Điện từ học và Ánh sáng Thế kỉ 19 cũng mang lại những kiến thức quan trọng về điện học, từ học, và ánh sáng. Khi thế kỉ ấy bắt đầu, các nhà vật lí đã xem điện và từ là những hiện tượng độc lập và họ đang cố gắng chọn lựa giữa hai quan điểm thế kỉ 17 cạnh tranh nhau về bản chất của ánh sáng. Cĩ phải ánh sáng là sĩng, như nhà khoa học Hà Lan Christiaan Huygens (1629 – 95) khẳng định, hay nĩ là một dịng hạt, như nhà vật lí vĩ đại người Anh, ngài Isaac Newton (1643 – 1727) vẫn tin như thế? Câu hỏi đĩ được xử trí nhanh chĩng. Năm 1801, nhà khoa học và nghiên cứu người Anh, Thomas Young (1773 – 1829), đã tiến hành một thí nghiệm chứng minh dứt khốt. Ơng tách một chùm ánh sáng thành hai chùm và cho cả hai phần ấy rọi lên một màn hình. Thay vì thấy hai vùng sáng như trơng đợi từ hai dịng hạt, ơng quan sát thấy một hiện tượng gọi là giao thoa – một dải khe sáng và tối tạo ra bởi các sĩng chồng chất. Thí nghiệm của Young lập tức làm phát sinh một câu hỏi mới. Sĩng ánh sáng truyền đi từ các vì sao qua chân khơng vũ trụ, vậy thì cái gì mang sĩng ấy? Một số nhà vật lí đề xuất rằng tồn bộ khơng gian tràn ngập một thứ chất lỏng gọi là ê-te truyền sáng. Ê-te gợn sĩng khi ánh sáng truyền qua nĩ, nhưng khơng mang lại sự cản trở cơ giới nào đối với các vật chuyển động, ví dụ như các hành tinh. Lời giải thích đĩ khơng làm thỏa mãn tất cả các nhà khoa học vì nĩ yêu cầu sự tồn tại của một thứ tràn ngập vũ trụ nhưng lại khơng cĩ những tính chất cơ học cĩ thể phát hiện ra được – nĩ khơng cĩ khối lượng – nhưng đĩ mới chỉ là một điểm xuất phát. Vào những năm 1820 và 1830, một số nhà vật lí, nổi bật nhất là nhà nghiên cứu trứ danh người Anh, Michael Faraday (1791 – 1867), đã khảo sát điện học, từ học, và các quan hệ giữa chúng. Họ đã học cách chế tạo nam châm điện và phát triển những động cơ và máy phát điện đầu tiên. Họ cịn phát hiện thấy lực điện là lực liên kết các nguyên tử lại với nhau trong các hợp chất. Các nhà vật lí bắt đầu sử dụng thuật ngữ điện từ học và tìm kiếm các phương thức mơ tả lực điện từ bằng tốn học, giống như Newton đã từng làm với lực hấp dẫn khoảng 150 năm trước đĩ. Năm 1859, vị giáo sư vật lí gốc người Scotland tại trường Đại học Cambridge, James Clerk Maxwell (1831 – 79) phát triển một hệ bốn phương trình tốn học dựa trên các khám phá của Faraday và những người khác. Một phương trình là cơng thức cho lực tác dụng lên các điện tích, một phương trình mơ tả lực tác dụng lên các cực từ, và hai phương trình mơ tả mối liên hệ giữa điện và từ. Thật bất ngờ, hệ phương trình Maxwell cịn mơ tả các sĩng năng lượng điện từ cĩ thể truyền đi trong khơng gian trống rỗng. Điều đáng chú ý là các phương trình Maxwell tiên đốn tốc độ của các sĩng điện từ ấy phù hợp với cái do các nhà vật lí khác đã đo là tốc độ của ánh sáng. Kết luận dường như khơng thể nào tránh khỏi: Ánh sáng là sĩng điện từ, và hệ phương trình Maxwell mơ tả các tính chất điện và từ của ê-te. Với hệ phương trình Maxwell và bảng tuần hồn hĩa học, các nhà vật lí thế kỉ 19 cảm thấy họ đã ở gần ranh giới hiểu biết trọn vẹn về giới tự nhiên. Mọi đối tượng vật chất, cho dù lớn hay nhỏ, là gồm các nguyên tử khơng thể chia cắt liên kết với nhau bằng lực điện. Ở quy mơ lớn hơn, ví dụ như hệ mặt trời, lực hấp dẫn liên kết vật này với vật khác. Ngồi ra, vũ trụ cịn tràn ngập năng lượng chảy qua dưới dạng sĩng điện từ. Một số câu hỏi lớn vẫn cịn đĩ: Đâu là nguồn gốc của ánh sáng sao? Các nguyên tử và ê-te là cĩ thật khơng, và nếu cĩ thật thì làm thế nào cĩ thể phát hiện ra chúng? Nhưng nĩi chung, vũ trụ v
10. cĩ vẻ như là một cỗ máy cĩ thể tiên đốn được và cĩ trật tự như một tấm thảm dệt, được chi phối bởi các định luật tốn học chính xác của chuyển động, sự hấp dẫn, và điện từ học. Dệt lại giàn khung vật lí Sự chính xác và tính cĩ thể tiên đốn đĩ hĩa ra chỉ là một ảo tưởng, và đĩ là đề tài chính của câu chuyện vật lí học trong thế kỉ 20. Một vài mối chỉ cĩ vẻ lỏng lẻo hĩa ra là dấu hiệu của một khuơn khổ quan niệm mới chưa được làm sáng tỏ. Như chương tiếp theo mơ tả, thập kỉ đầu tiên của thế kỉ mới được đánh dấu bởi một loạt khám phá đáng chú ý. Trong số này cĩ một sự lí giải lại các định luật Newton và hệ phương trình Maxwell theo kiểu loại trừ nhu cầu ê-te. Khối lượng và năng lượng được chứng tỏ là những mặt khác nhau của cùng một hiện tượng vật lí. Các nguyên tử khơng những được chứng minh là tồn tại, mà cịn cĩ thể phân chia nhỏ ra nữa. Những thí nghiệm đáng chú ý là nhằm hé lộ cấu trúc bên trong của chúng. Tương tự như vậy, sự khác biệt giữa sĩng và hạt khơng cịn rõ ràng nữa. Trong thập niên thứ hai và thứ ba của thế kỉ mới, nền vật lí lượng tử đã làm xĩa nhịa thêm nữa sự khác biệt đĩ. Bất ngờ hơn nữa, nĩ đã thay thế chiếc đồng hồ vũ trụ với sự bất định. James Clerk Maxwell, người phát triển các phương trình mơ tả mối liên hệ giữa điện và từ, và chứng minh rằng ánh sáng là một sĩng điện từ. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) Phần cịn lại của thế kỉ 20 dành cho việc dệt nên hoa văn mới cho tấm thảm vật lí học. Ngày nay, vào những năm đầu của thế kỉ 21, hoa văn ấy dường như đã rõ ràng hơn nhiều – ngoại trừ, một lần nữa, cịn một vài mối chỉ lỏng lẻo. Như các chương khép lại quyển sách này trình bày, đang xấc xược tuyên bố rằng họ đang tìm kiếm “lí thuyết của tất cả”, nhưng lịch sử thế kỉ trước vừa kết thúc khiến họ phải thận trọng. Họ biết cĩ thể cĩ nhiều vũ trụ khơng nhìn thấy đang tiềm ẩn trong những khe trống kiến thức của họ. Tập sách này lần theo những sự phát triển đáng chú ý đĩ của thế kỉ 20, từng thập niên một. Quý độc giả sẽ thấy những sợi chỉ rời rạc của vật lí học đang phát triển và hợp lại với nhau theo những cách thật bất ngờ. Họ sẽ trải qua, như các nhà vật lí thế kỉ 20 đã trải qua, những lần hoang mang, nếu khơng nĩi là hồn tồn hỗn loạn. Cảm giác ấy cĩ lẽ sẽ khơng dễ chịu, nhưng lời giải của nĩ nằm ở việc chấp nhận một phương thức tiếp cận vũ trụ của nhà vật lí: đĩ là nghĩ tới sự thống nhất, ví dụ như cách hệ phương trình Maxwell đã kết hợp điện, từ và ánh sáng, hoặc đi tìm các định luật bảo tồn, như trình bày trong khung tham khảo ở trang sau. Các nhà vật lí vẫn luơn mở ra những viễn cảnh mới. Họ khơng phủ nhận những quan sát khơng như trơng đợi, mà thay vào đĩ hãy xét đến những phương pháp vi
11. mới để giải thích chúng. Họ khơng cho phép các tập quán con người tùy tiện đứng ngáng chân trên con đường khám phá. Một tập quán như thế là tùy tiện phân chia lịch sử thành các thế kỉ và thập kỉ. Do thĩi quen đĩ, tập sách này và những tập khác trong bộ sách Khoa học thế kỉ 20 cĩ các chương tương ứng các thập niên của thế kỉ, bắt đầu với 1901 – 1910. Nhưng khi những câu chuyện quan trọng chồng lấn lên sự phân chia này, thì cách tốt nhất là trình bày một số thơng tin trong cái cĩ thể xem là một chương “sai”. Điều đĩ chắc chắn đúng trong hai chương đầu của tập sách này. Thường thì khoa học hiện đại được xem là bắt đầu từ nửa sau của thập niên 1890, cho nên chương 1 mở đầu khi ấy. Tương tự như vậy, nghiên cứu ban đầu dẫn đến sự khám phá ra tia vũ trụ, hạt nhân nguyên tử, và hiện tượng siêu dẫn , đều bắt đầu trước năm 1911. Nhưng việc trình bày về nghiên cứu đĩ hỗn lại sang chương 2, khi đã đạt tới chín muồi. Vật lí học và các định luật bảo tồn Làm thế nào các nhà vật lí khám phá ra những chân trời mới? Một trong những nguyên lí chỉ dẫn cĩ sức mạnh nhất của họ là việc nhận ra rằng tự nhiên cĩ các định luật bảo tồn nhất định phát biểu rằng những đại lượng nhất là khơng thay đổi (được bảo tồn) trong một tương tác hay một quá trình nào đĩ. Như các chương sau này sẽ làm rõ, các định luật bảo tồn tỏ ra là một mảnh đất màu mở cho các nhà vật lí trong thế kỉ 20. Trong thế kỉ 19, các định luật bảo tồn sau đây đã tỏ ra hữu ích: Bảo tồn động lượng . Định luật bảo tồn cũ xưa nhất trong vật lí học thu được từ hai trong ba định luật Newton của chuyển động. Định luật ba Newton, thường gọi là định luật của tác dụng và phản tác dụng, phát biểu rằng các lực luơn xuất hiện thành từng cặp bằng nhau và trái chiều. Chẳng hạn, trong khi lực hút hấp dẫn của Trái đất giữ Mặt trăng trong quỹ đạo của nĩ, thì lực hấp dẫn của Mặt trăng hút ngược lại phía Trái đất với một độ lớn bằng như vậy. Vì Trái đất cĩ khối lượng lớn hơn vệ tinh của nĩ nhiều lần, cho nên tác dụng của lực hấp dẫn của Mặt trăng đối với Trái đất khơng tạo ra quỹ đạo quay mà tạo ra sự lắc lư, chao đảo, dễ thấy nhất là hiện tượng thủy triều đại dương. Định luật hai Newton phát biểu rằng khi một lực tác dụng lên một vật, thì nĩ tạo ra một sự biến thiên ở một đại lượng gọi là động lượng, về mặt tốn học đại lượng này thường được biểu diễn bằng tích số của khối lượng và vận tốc. Lực tác dụng lên một vật càng lâu, thì sự biến thiên động lượng của vật đĩ càng lớn. Khi hai vật tác dụng lên nhau những lực bằng nhau và ngược chiều, thì tổng độ biến thiên động lượng của hai vật phải bằng khơng. Động lượng của mỗi vật thì biến thiên, nhưng cho dù lực tác dụng giữa chúng mạnh bao nhiêu hay lâu bao nhiêu đi chăng nữa, thì tổng động lượng vẫn là như nhau tại mọi thời điểm – hay như các nhà vật lí phát biểu, tổng động lượng được bảo tồn. Bảo tồn khối lượng . Một trong những định luật bảo tồn quan trọng liên quan đến khối lượng. Định luật Newton thứ nhất về chuyển động định nghĩa một đại lượng gọi là quán tính, hay xu hướng của một vật duy trì vận tốc của nĩ, trừ khi cĩ lực tác dụng lên nĩ. Số đo của quán tính là cái các nhà vật lí gọi là khối lượng, nĩ thường được xem là lượng chất mà vật đĩ cĩ. (Trong ngơn ngữ hàng ngày, người ta thường nĩi là một vật nặng bao nhiêu, chứ khơng nĩi nĩ cĩ khối lượng bao nhiêu. Nhưng tốt hơn hết là nên sử dụng thuật ngữ khối lượng, vì lí do sau đây: Tính nặng nhẹ là lực mà trường hấp dẫn của Trái đất tác dụng lên vật đĩ. Trên Mặt trăng, vật sẽ cân nhẹ đi, nhưng khối lượng của nĩ thì khơng đổi). Một trong những quan niệm cơ sở của thuyết nguyên tử của vật chất là tổng khối lượng của vật chất cĩ mặt trong một phản ứng hĩa học là khơng đổi. Các nguyên tử cĩ thể sắp xếp lại, dẫn tới những hợp chất khác, nhưng bản thân các nguyên tử vẫn như cũ. Khi thế kỉ thứ 19 kết thúc, các nhà vật lí tin rằng định luật bảo tồn khối lượng là mang tính cơ bản. Bảo tồn năng lượng . Các định luật Newton của chuyển động cịn đưa đến một đại lượng gọi là năng lượng, nĩ cĩ thể thuộc một trong hai dạng cơ bản gọi là động năng (năng lượng của chuyển động) và thế năng (năng lượng của vị trí). Cả hai dạng năng lượng cĩ thể thu về từ một đại lượng gọi là cơng, đại lượng này được định nghĩa về mặt tốn học là quãng đường mà vật đi được nhân với lực tác dụng theo hướng chuyển động của vật. Cơng cĩ thể tạo ra động năng bằng cách làm cho một vật chuyển động nhanh hơn, hoặc nĩ cĩ thể tạo ra thế năng theo nhiều cách, thí dụ bằng cách kéo giãn hoặc nén một cái lị xo hoặc nâng một vật nặng lên cao. Lị xo đĩ cĩ thế năng sẽ làm vật chuyển động khi nĩ hồi phục lại chiều dài ban đầu của nĩ. Vật nặng đĩ cĩ thể rơi xuống, thu lấy động năng trong lúc rơi. vii
12. Một trong những thành tựu to lớn của nền vật lí học thế kỉ thứ 19 là việc cơng nhận mối liên hệ giữa năng lượng và nhiệt và phát triển một định luật bảo tồn mới. Khi hai vật tương tác với nhau, tổng động lượng của chúng được bảo tồn, nhưng tổng động năng và thế năng của chúng cĩ thể thay đổi. Thí dụ, nếu hai chiếc xe hơi y hệt nhau, chuyển động ở tốc độ như nhau, va chạm trực diện với nhau, thì mớ hỗn tạp bẹp dí sẽ dừng lại ngay. Trước va chạm, mỗi xe hơi cĩ động lượng bằng nhau, nhưng cĩ chiều ngược nhau. Như vậy, tổng động lượng của chúng là bằng khơng lúc trước và sau khi chúng va chạm. Đúng như trơng đợi, động lượng được bảo tồn. Định luật Newton thứ hai và thứ ba của chuyển động dẫn tới kết luận rằng khi hai vật tương tác với nhau, thì động lượng của mỗi vật cĩ thể thay đổi, nhưng tổng động lượng của chúng thì khơng đổi. Trong va chạm sớt qua của hai quả cầu cĩ khối lượng khác nhau, thì mỗi quả cầu đổi hướng và tốc độ chuyển động, nhưng tổng động lượng của chúng vẫn như cũ. Cịn năng lượng thì sao? Khơng giống như động lượng, năng lượng khơng cĩ chiều. Lượng lớn động năng trước va chạm dường như đã bị mất, và hai chiếc xe bẹp dí khơng cĩ thế năng của bộ phận nén ép kiểu lị xo nào cả. Nhưng vụ va chạm sinh ra một lượng nhiệt lớn, chúng cĩ thể dễ dàng nhận thấy sau va chạm. Nếu hiểu nhiệt là số đo của tổng động năng của hai xe trước va chạm, thì thì hĩa ra năng lượng vẫn được bảo tồn. Một phân ngành vật lí học gọi là nhiệt động lực học mơ tả cách thức nhiệt và năng lượng liên hệ với nhiệt độ. Các nhà vật lí phát biểu ba định luật của nhiệt động lực học, định luật đầu tiên trong số đĩ là một định luật bảo tồn. Nĩ phát biểu rằng khi cĩ sự trao đổi nhiệt, thì năng lượng, giống như động lượng, được bảo tồn khi các vật tương tác với nhau, mà khơng cĩ thêm sự tác dụng nào từ bên ngồi. Nhiệt động lực học cĩ liên hệ mật thiết với một phân ngành vật lí tốn phát triển vào cuối thế kỉ thứ 19 gọi là cơ học thống kê. Cơ học thống kê cho phép các nhà vật lí khảo sát nhiệt ở cấp độ nguyên tử. Nĩ định nghĩa nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các nguyên tử hoặc phân tử trong vật chất, cho dù chúng đang chuyển động tự do và va chạm nhau như trong chất khí, hoặc chất lỏng, hoặc đang dao động tới lui trong chất rắn. Cơ học thống kê giữ một vai trị quan trọng trong những khám phá đầy kịch tính buổi đầu của thập niên đầu tiên của thế kỉ thứ 20 – trong đĩ cĩ sự thay đổi nhận thức của các nhà vật lí về các định luật bảo tồn khối lượng và năng lượng. viii
13. 1901 – 1910 Bình minh c ủa v ật lí h ọc hi ện đ ại Như đã lưu ý ở cuối phần Giới thiệu, các khám phá trong thập niên đầu tiên của thế kỉ 20 đã làm chấn động các nền tảng của vật lí học. Những chuyển biến lớn trong nền khoa học đĩ mang lại từ cơng trình của nhiều nhà tư tưởng cách tân, nhưng khơng ai cĩ ý tưởng cĩ sức ảnh hưởng nhiều hơn ý tưởng của một viên chức sở cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ người gốc Đức tên là Albert Einstein (1879 – 1955). Năm 1905, ơng đã cho cơng bố ba bài báo làm thay đổi phương thức các nhà vật lí nhìn nhận khơng gian và thời gian, vật chất và năng lượng, và hạt và sĩng. Ơng giải thích lại các định luật Newton lẫn hệ phương trình Maxwell theo một cách loại trừ nhu cầu viện đến ê-te. Ơng chỉ ra rằng khối lượng và năng lượng là những mặt khác nhau của cùng một hiện tượng vật lí. Ơng giải thích các thí nghiệm đã biết nhằm chứng minh các nguyên tử là cĩ thật, chứ khơng đơn thuần là một khái niệm hữu ích dùng để tìm hiểu hĩa học. Những ý tưởng lớn khơng hề nảy sinh từ hư vơ. Cơ sở cho các khám phá của đầu thế kỉ 20 đã thiết lập vào giữa cuối những năm 1890, khi các nhà vật lí đang nghiên cứu mối liên hệ giữa điện học và vật chất. Họ biết rằng điện tồn tại dưới dạng các điện tích dương và âm và nĩ giống như các nguyên tử - những lượng điện tích nhỏ xíu, khơng thể chia cắt thuộc một cỡ nhất định – khơng giống như chất lỏng cĩ thể trích ra bao nhiêu cũng được. Các nguyên tử cĩ thể trung hịa điện, hoặc chúng cĩ thể tồn tại dạng các ion tích điện. Nhưng điện là cái gì, và nĩ liên quan như thế nào với vật chất? Nghiên cứu tia ca- tơt dường như là cĩ khả năng nhất mang lại sự hiểu biết sâu sắc cho câu hỏi này. Tia ca-tơt là những chùm tia kì lạ xuất hiện trong ống thủy tinh hàn kín từ đĩ đa phần khơng khí đã được bơm ra ngồi. Bên trong các ống ấy là hai điện cực – một cực âm ca-tơt và một cực dương a-nơt – với một điện áp (áp suất điện) lớn giữa chúng. Khi ca-tơt bị đun nĩng, nĩ phát ra một chùm tia làm cho khơng khí cịn lại ở xung quanh lĩe sáng. Nếu chùm tia đĩ đập vào thành ống, thì thủy tinh cũng lĩe sáng. Nh ững k ết qu ả kì l ạ Ngày 8 tháng 11 năm 1895, nhà vật lí người Đức Wilhelm Rưntgen (1845–1923) đang nghiên cứu tia ca-tơt thì ơng phát hiện ra một hiện tượng lạ. Ơng biết tia ca-tơt cĩ thể gây ra sự phát sáng huỳnh quang, và ơng cĩ một màn huỳnh quang trong phịng thí nghiệm của mình để nghiên cứu chúng. Nhưng vào hơm này, ơng khơng sử dụng cái màn đĩ. Ơng đặt nĩ ở xa ống tia ca-tơt và bọc nĩ trong giấy bìa đen cứng, nhưng trong phịng thí nghiệm tối, Rưntgen để ý thấy nĩ đang lĩe sáng. Cái gì cĩ thể gây ra hiện tượng đĩ? Sau một số thí nghiệm, Rưntgen phát hiện thấy tia ca-tơt đang gây ra một dạng bức xạ chưa biết, mà ơng gọi là tia X, phát ra từ a-nơt. Tia X cĩ thể đi xuyên qua những loại vật chất nhất định – ví dụ như thủy tinh của ống tia ca-tơt – nhưng khơng xuyên qua những chất khác, và chúng sẽ làm đen kính ảnh. (Ngày nay, người ta biết tia X là một dạng sĩng điện từ năng lượng cao). Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 1
14. Ngay đầu tháng 3 tiếp sau đĩ, nhà vật lí người Pháp Henri Becquerel (1852–1908) phát hiện ra một hợp chất của uranium cũng tạo ra được bức xạ làm đen kính ảnh. Lúc đầu, ơng nghĩ rằng mình đã tìm ra một nguồn khác phát ra tia X, nhưng ơng sớm phát hiện thấy “tia uranium” là một hiện tượng hồn tồn khác. Khám phá của Becquerel ngay sau đĩ được gọi là sự phĩng xạ, và các vật lí và hĩa học khác nhanh chĩng nhập cuộc, trong đĩ cĩ nhà hĩa học gốc Ba Lan Marie Curie (1867–1934) ở Pháp và Gerhardt Schmidt ở Đức. Làm việc độc lập với nhau vào năm 1898, từng người họ đã phát hiện ra sự phĩng xạ ở thorium. Cuối năm đĩ, Marie Curie cùng chồng của bà, Pierre Curie (1859–1906), phát hiện ra hai nguyên tố phĩng xạ trước đĩ chưa biết, radium và polonium, trong quặng uranium. Sự phĩng xạ cũng thu hút sự chú ý của Joseph John (“J. J.”) Thomson (1856– 1940), giám đốc Phịng thí nghiệm Cavendish nổi tiếng thế giới tại trường Đại học Cambidge ở Anh. Ngay khi ơng nghe nĩi tới khám phá của Becquerel, ơng lập tức quyết định nghiên cứu các tia bí ẩn đĩ. Ơng giao nhiệm vụ cho Ernest Rutherford (1871–1937), một sinh viên trẻ năng động mới ra trường đến từ New Zealand vào mùa thu trước đĩ. Năm 1898, Rutherford phát hiện ra hai dạng phĩng xạ khác biệt nhau và đặt tên cho chúng theo hai kí tự đầu tiên trong bộ chữ cái Hi Lạp. Tia alpha cĩ thể chặn dừng lại bởi một vài lá nhơm, nhưng tia beta thì cĩ tính đâm xuyên mạnh hơn nhiều. Cả hai đều là các hạt tích điện – tia alpha mang điện tích dương và tia beta mang điện tích âm. Trong khi đĩ, Thomson đang tiến hành các thí nghiệm thận trọng của riêng ơng để xác định xem tia ca-tơt là hiện tượng sĩng hay hạt. Năm 1897, ơng cơng bố các kết quả của mình: Tia ca-tơt là dịng gồm các hạt nhỏ xíu mang điện tích âm. Ơng gọi các hạt đĩ là tiểu thể, và ơng giả sử mỗi tiểu thể mang đơn vị điện tích cơ bản của tự nhiên. Các phép đo của ơng và giả thuyết đĩ đã đưa ơng đến kết luận lạ lùng sau đây về kích cỡ của các hạt tiểu thể: Khối lượng của một tiểu thể chưa tới một phần nghìn khối lượng của nguyên tử hydrogen, nguyên tử nhỏ nhất trên bảng tuần hồn nguyên tố. (Các phép đo ngày nay thiết đặt giá trị đĩ là nhỏ hơn 1/1800). Khi các nhà khoa học tìm hiểu thêm về hành trạng của những tiểu thể này trong các nguyên tử, chúng trở nên mang tên là electron . Cĩ hai lời giải thích khả dĩ. Hoặc là giả thuyết của ơng về đơn vị điện tích của các tiểu thể là sai và thật ra nĩ cĩ hơn 1000 đơn vị điện tích âm, hoặc khối lượng của nĩ thật sự hết sức nhỏ. Một điện tích hơn 1000 đơn vị khơng cĩ ý nghĩa, nên Thomson và các vật lí khác kết luận rằng các tiểu thể là những hạt nhỏ hơn nhiều so với nguyên tử. Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 2
15. Các tia bí ẩn và các hạt hạ nguyên tử khơng phải là những bất ngờ duy nhất trong vật lí học khi thế kỉ 19 kết thúc. Năm 1900, lĩe sáng quen thuộc của các vật bị nung nĩng đã đưa nhà vật lí người Đức Max Planck (1858–1947) vào một chiều hướng bất ngờ đưa đến giải thưởng Nobel Vật lí năm 1918. Sử dụng cơ học thống kê để mơ tả tốc độ dao động khác nhau của các nguyên tử của một vật bị nung nĩng, Planck đã tính được phổ ánh sáng mà nĩ phát ra – nghĩa là, cường độ phát sáng biến thiên như thế nào theo những màu sắc khác nhau – và so sánh các tính tốn của ơng với phổ đo được của cái gọi là bức xạ vật đen của nĩ ở những nhiệt độ khác nhau. Marie Curie, cùng với chồng, Piere Curie, với người bà cùng chia sẻ giải Nobel Vật lí năm 1903. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 3
16. Các phép đo trên thật quen thuộc: Vật thể khơng phát ra ánh sáng khả kiến khi nĩ nguội nhưng trở nên mờ đỏ khi được nung nĩng lên vài trăm độ. Ở nhiệt độ càng lúc càng cao, nĩ phát ra ánh sáng đỏ chĩi, rồi màu vàng. Nếu cĩ thể nung nĩng nĩ lên đến nhiệt độ của Mặt trời, thì nĩ sẽ cĩ màu vàng chĩi. Các màu sắc đĩ khơng thuần khiết, mà là hỗn hợp ánh sáng ở những bước sĩng khác nhau, giống như cái do Isaac Newton khám phá ra ở ánh sáng mặt trời trong thí nghiệm nổi tiếng của ơng 200 năm trước. Planck trình bày quang phổ bằng đồ thị. Từ trái sang phải theo trục hồnh, màu sắc chuyển từ hồng ngoại sang đỏ, băng qua phổ khả kiến chuyển đến tím, và ngồi đĩ là vùng tử ngoại. Trục tung biểu diễn cường độ sáng. Giá trị số trên trục hồnh là tần số của ánh sáng hay tốc độ mà các đỉnh sĩng đi qua một điểm cho trước. Tần số tăng từ hồng ngoại sang tử ngoại, đi qua dải màu đỏ-đến-tím khả kiến ở giữa. Mỗi quang phổ đạt cực đại ở một tần số nhất định đại khái tương ứng với màu sắc mà người ta trơng thấy. Sau đĩ cường độ giảm nhanh ở những tần số cao. Ernest Rutherford và J.J Thomson nhiều năm sau nghiên cứu tiên phong của họ về tia ca-tơt và sự phĩng xạ . (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archive, Bainbridge Collection) Các tính tốn của Planck mang lại tin tốt lẫn tin xấu. Tin tốt là phổ tính được phù hợp với phổ đo được, đặc biệt trong vùng hồng ngoại; tin xấu là nĩ thất bại, khơng tiên đốn được cực đại trên. Thật vậy, các phép tính của ơng tiên đốn một cường độ tăng mãi mãi đối với các tần số cao hơn. Cho nên Planck đã đi tìm ý tưởng làm thế nào thay đổi mơ hình cơ học thống kê của ơng để hiệu chỉnh bài tốn tần số cao ấy (bài tốn trong những năm sau này các nhà khoa học gọi là “cái chết miền tử ngoại”). Phương pháp của ơng cĩ phần đi ngược lại hệ phương trình Maxwell. Các phương trình đĩ cho phép sĩng đện từ cĩ cường độ bất kì từ rất mờ đến rất sáng và mọi giá trị ở giữa. Điều đĩ cĩ nghĩa là năng lượng ánh sáng giống như một chất lỏng cĩ thể đo ra một lượng bất kì. Thay vì thế, Planck quyết định xem năng lượng ánh sáng giống như các nguyên tử hay những hạt cát. Nếu các hạt ấy nhỏ, thì năng lượng cĩ thể đo ra hầu như Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 4
17. giống như chất lỏng, như thể nĩ được điều chỉnh bởi một cơng tắc sáng tối của đèn điện. Nhưng những hạt lớn tạo ra những khe trống đáng kể giữa các mức khác nhau của độ sáng, giống như một bĩng đèn ba cực. Max Planck, người cĩ nghiên cứu ánh sáng phát ra bởi vật đen đưa đến ý tưởng lượng tử. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) Planck đã gọi một hạt năng lượng là một lượng tử . Để bảo tồn sự phù hợp tốt giữa tiên đốn của ơng và các phép đo trong vùng hồng ngoại, ơng biết mình cần đến những lượng tử nhỏ ở những tần số thấp. Nhưng để loại trừ vấn đề vướng mắc trong miền tử ngoại, ơng cần những lượng tử lớn ở những tần số cao. Ơng đã bắt đầu với cách đơn giản nhất cĩ thể để làm điều đĩ. Ơng viết ra cơng thức biểu diễn năng lượng của một lượng tử bằng một bội số lần tần số của nĩ. Đặc biệt, khi Planck chọn một bội số thích hợp, hình dạng phổ tính được của ơng ăn khớp với phổ đo được ở mọi tần số từ hồng ngoại đến tử ngoại. Ban đầu Planck nghĩ cĩ lẽ ơng cần một bội số khác nhau cho từng nhiệt độ, nhưng ơng phát hiện thấy bội số như nhau đĩ hoạt động tốt ở mọi nhiệt độ. Ngày nay, bội số đĩ được gọi là hằng số Planck . Planck nhận thức được rằng con số đĩ nĩi lên một cái gì quan trọng về bản chất của ánh sáng, nhưng ơng khơng biết đĩ là cái gì. Ơng đã phát minh ra lượng tử khơng gì hơn là một thủ thuật tính tốn khéo léo, nhưng ơng vấp phải thứ dường như là cĩ thật. Thế kỉ 19 đã mở ra với thí nghiệm của Young xác lập rằng ánh sáng là một hiện tượng sĩng. Giờ thì, trong năm cuối cùng của thế kỉ ấy, lí thuyết của Planck đang ngụ ý rằng sau rốt thì ánh sáng cĩ thể là một dịng hạt. Hai kết quả mâu thuẫn với nhau, nhưng các nhà vật lí khơng thể phủ nhận kết quả nào trong số chúng. Việc giải quyết mâu thuẫn đĩ sẽ đưa vật lí học tiến vào những lộ trình khơng dự kiến trước của thế kỉ 20. Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 5
18. Tính tốn của Planck về phổ ánh sáng phát ra bởi một vật bị nung nĩng phù hợp với phổ đo được trong miền hồng ngoại nhưng lại sai khớp nghiêm trọng trong miền tử ngoại. Ơng đưa ra khái niệm lượng tử để loại trừ sự trái ngược đĩ, mặc dù nĩ khơng phù hợp với lí thuyết sĩng của ánh sáng. Th ế k ỉ mới, vi ễn c ảnh mới Lúc đầu, việc khám phá ra một hạt hạ nguyên tử và sự xuất hiện trở lại của câu hỏi sĩng-hay-hạt về bản chất của ánh sáng dường như chẳng đe dọa bức tranh khoa học ưa thích của các nhà vật lí đầu thế kỉ 20. Nĩ vẫn dựa trên cơ sở vững chắc của các định luật Newton về chuyển động và hấp dẫn, và hệ phương trình điện từ học Maxwell. Sự bảo tồn khối lượng và năng lượng vẫn là hai trong số các nguyên lí nền tảng của nĩ. Nhưng các cơ sở và nền tảng ấy sắp sửa lung lay. Nền vật lí học đang biến chuyển, và con người chịu trách nhiệm chính là một kẻ dường như chẳng cĩ tên tuổi vào năm 1901, Albert Einstein. Vừa học xong đại học tại Viện Bách khoa Zurich một năm trước đĩ ở tuổi 21, Einstein bắt đầu thế kỉ mới với việc đi tìm một cơng việc làm, và ơng đã khơng may mắn cho lắm. Một số giáo sư dạy của ơng nhận ra ơng rất thơng minh tài trí, nhưng ơng cũng ngang bướng tới mức họ miễn cưỡng thuê ơng làm phụ tá hay khuyên ơng đi tìm việc làm khác tốt hơn. Einstein đã hai lần đảm đương vai trị dạy học nhất thời trước khi ơng tìm được một chỗ làm lâu dài, với tư cách là một chuyên viên kĩ thuật, hạng ba, ở Sở cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ, vào năm 1902. Cơng việc đĩ hĩa ra thật lí tưởng. Nĩ khơng khắt khe cho lắm, và nĩ cho phép ơng cĩ nhiều thời gian suy nghĩ về những câu hỏi lớn của vật lí học trong khi vừa học lấy bằng tiến sĩ từ trường Đại học Zurich. Năm 1905, ơng khơng những hồn thành luận án tiến sĩ của mình, mà ơng cịn viết ba bài báo cơng bố trên tập san khoa học Annalen der Physik (Biên niên Vật lí học). Mỗi bài báo nĩi về một đề tài khác nhau, và mỗi bài báo là một kiệt tác. Lượng t ử và Hi ệu ứng quang đi ện Bài báo thứ nhất của Einstein, “ Một quan điểm mới về sự sản sinh và truyền ánh sáng ”, đi giải bài tốn lượng tử Planck và một khám phá thực nghiệm gây thách đố gọi là hiệu ứng quang điện . Năm 1902, Philipp Lenard (1862–1947) phát hiện thấy ánh sáng chiếu lên một điện cực kim loại, dưới những điều kiện nhất định, cĩ thể làm cho các Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 6
19. electron bật ra. Mỗi kim loại hành xử khác nhau, nhưng tất cả cĩ một đặc điểm gây thách đố - đĩ là một ngưỡng tần số đối với ánh sáng, dưới ngưỡng đĩ hiệu ứng biến mất. Giới hạn quang điện đối với mỗi kim loại là khác nhau, thay đổi từ ánh sáng lam đối với một số kim loại đến ánh sáng tử ngoại đối với một số kim loại khác. Dưới giới hạn đĩ, khơng cĩ electron nào phát ra, cho dù cường độ sáng mạnh bao nhiêu. Trên giới hạn đĩ, ngay cả ánh sáng mờ nhất cũng cĩ thể giải phĩng các electron khỏi bề mặt kim loại. Einstein cơng nhận giới hạn quang điện là bằng chứng cho lượng tử Planck, vốn là phát minh mang tính tốn học nhiều hơn. Chúng thật ra là các hạt – các bĩ năng lượng ánh sáng – sau này gọi là photon . Ơng giải thích như sau: Để giải phĩng một electron khỏi một kim loại cần một lượng năng lượng nhất định gọi là cơng thốt. Hằng số Planck liên hệ năng lượng của một lượng tử ánh sáng với tần số của nĩ. Đối với một lượng tử giải phĩng một electron ra khỏi kim loại, thì năng lượng của nĩ lớn hơn cơng thốt, nghĩa là tần số của nĩ phải đủ cao. Trên ngưỡng tần số đĩ, thì cho dù ánh sáng mờ bao nhiêu, mỗi lượng tử cũng cĩ đủ năng lượng để giải phĩng một electron. Dưới ngưỡng tần số đĩ, thì cho dù cĩ bao nhiêu lượng tử, vẫn khơng cĩ một lượng tử nào cĩ đủ năng lượng để đánh bật một electron ra. Albert Einstein là một viên thư kí 26 tuổi tại sở cấp bằng phát minh ở Bern, Thụy Sĩ, vào năm 1905, khi ơng cơng bố ba bài báo làm biến chuyển nền vật lí học. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) Khơng khĩ khăn gì việc kiểm tra sự phỏng đốn của Einstein. Các photon cĩ tần số càng trên ngưỡng bao nhiêu, thì chúng càng cĩ nhiều năng lượng để cĩ thể trao cho các electron phát ra. Khi các nhà vật lí tiến hành các thí nghiệm xác định sự phụ thuộc của năng lượng vượt mức đĩ vào tần số, họ nhận thấy các kết quả phù hợp với tiên đốn của Einstein. Như vậy, hiệu ứng quang điện là bằng chứng khơng thể chối cãi rằng ánh sáng là một dịng hạt – các lượng tử của Planck. Nhưng những hiện tượng khác, ví dụ như thí nghiệm giao thoa của Young, lại chứng minh bản chất sĩng của ánh sáng với sự chắc chắn khơng kém. Tình thế dường như thật khĩ chịu, Einstein chọn lấy quan điểm duy nhất mà một nhà vật lí cĩ thể cĩ: Tự nhiên là cái nĩ như thế, và nĩ mở ra trước khoa học đi tìm cách mơ tả nĩ. Thỉnh thoảng, các nhà khoa học cần phải đi tìm những cơng cụ hoặc từ vựng mới. Thỉnh thoảng, họ phải đặt ra những câu hỏi khác. Trong trường hợp này, việc Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 7
20. hỏi một câu hoặc cái này, hoặc cái kia về bản chất của ánh sáng là cách khơng đúng, vì các thí nghiệm cho thấy nĩ là cả hai thứ. Giờ thì câu hỏi là làm thế nào nĩ cĩ thể như vậy được. Einstein giải thích một hiện tượng gây thách đố gọi là hiệu ứng quang điện bằng cách cơng nhận rằng ánh sáng thật ra gồm các gĩi năng lượng. Nghĩa là, lượng tử Planck đã đề xuất khơng chỉ đơn thuần là một sự tiện lợi tốn học. Ngày nay, các nhà vật lí gọi lượng tử ánh sáng là photon. Chuy ển đ ộng Brown và tính xác th ực c ủa các nguyên t ử Bài báo thứ hai của Einstein vào năm 1905 là “Về chuyển động của các hạt nhỏ lơ lửng trong chất lỏng cân bằng theo thuyết động học phân tử của nhiệt”, sử dụng cơ học thống kê phân tích quan sát của những nhà khoa học khác về một hiện tượng gọi là chuyển động Brown . Khoảng 80 năm trước đĩ, nhà thực vật học người Scotland Robert Brown, người cĩ tên được đặt cho hiệu ứng, đã quan sát các hạt phấn hoa lơ lửng trong một chất lỏng qua một kính hiển vi. Brown để ý thấy các hạt phấn hoa chuyển động nhát gừng theo những quỹ đạo khơng cĩ quy tắc. Trong những năm sau đĩ, các nhà khoa học khác đã tiến hành các phép đo chính xác của chuyển động Brown và cơng bố các kết quả của họ. Einstein nhận ra rằng những cái lắc lư khơng theo quy luật đĩ là kết quả của những va chạm với các phân tử của chất lỏng. Ơng tính được các hạt chuyển động bao xa và bao nhanh giữa những lần va chạm và cụ thể các đường zic zăc bị ảnh hưởng như thế nào bởi Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 8
21. sự thay đổi nhiệt độ. Ơng so sánh các tính tốn của mình với các phép đo thực nghiệm và nhận thấy chúng phù hợp với nhau. Mặc dù các nguyên tử và phân tử đơn lẻ vẫn chưa được quan sát, nhưng những tính tốn của Einstein cho thấy trực tiếp rằng chúng tồn tại. Einstein giải thích quỹ đạo ngẫu nhiên của các hạt nhỏ xíu lơ lửng trong chất lỏng, gọi là chuyển động Brown, là kết quả của những va chạm với các nguyên tử hay phân tử của chất lỏng ấy, mang lại bằng chứng quan sát trực tiếp đầu tiên của các nguyên tử và phân tử. Thuy ết t ương đ ối đ ặc bi ệt Bài báo thứ ba năm 1905 của Einstein được mọi người biết tới nhiều nhất. Tựa đề là “Về điện động lực học của các vật đang chuyển động”, nĩ đã nêu ra lí thuyết tương đối của ơng và làm thay đổi cách thức các nhà vật lí nhìn nhận khơng gian và thời gian. Lí thuyết ấy phát triển từ quan điểm của Einstein về ê-te truyền ánh sáng. Ơng nhận ra rằng ê-te, nếu như nĩ tồn tại, khơng gì hơn là một mơi trường trong đĩ sĩng đện từ truyền qua. Nĩ cũng mang lại một cơ sở cố định – một hệ quy chiếu – trên đĩ người ta cĩ thể đo mọi chuyển động trong vũ trụ. Một điểm đặc biệt trong vũ trụ cĩ thể gán cho là gốc tọa độ, nơi ba trục vuơng gĩc nhau (nhiều trục) gặp nhau. Những trục đĩ cĩ thể gán là x, y, z (hoặc đơng-tây, bắc-nam, và trên-dưới). Mọi điểm bất kì trong vũ trụ sẽ được xác định bởi ba con số, chỉ rõ khoảng cách của nĩ đến gốc tọa độ dọc theo ba trục ấy. Để mơ tả đường đi của một vật chuyển động, người ta chỉ cần giá trị của ba con số đĩ ở những thời điểm khác nhau. Mọi vật hay sĩng bất kì cĩ thể chuyển động so với hệ quy chiếu đĩ, nhưng ê-te tự nĩ vẫn đứng yên. Điều đĩ khiến cho ê-te là một hệ quy chiếu tuyệt đối . Các nhà khoa học gắn liền với quả đất chỉ cĩ thể đo chuyển động tương đối của Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 9
22. một đối với những thiết bị của họ. Để xác định chuyển động tuyệt đối của vật đĩ, họ cần phải đo chuyển động tuyệt đối của những thiết bị ấy đối với ê-te. Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã thử làm như thế, nhưng họ luơn luơn khơng thành cơng. Ví dụ, họ đã thử phát hiện những sai lệch nhỏ giữa tốc độ của những chùm ánh sáng truyền theo hướng chuyển động của Trái đất, ngược với hướng đĩ, và vuơng gĩc với hướng đĩ. Những thiết bị rất nhạy đã khơng tìm ra bất cứ sự sai lệch nào. Một số người giải thích sự thất bại trước việc phát hiện những sai lệch ấy là bằng chứng rằng ê-te khơng hề tồn tại. Einstein cịn tiến một bước xa hơn nữa. Ơng nĩi rằng sự khơng tồn tại của ê-te cĩ nghĩa là vũ trụ khơng cĩ hệ quy chiếu tuyệt đối. Chuyển động của một hay sĩng chỉ cĩ thể đo tương đối so với nhau, chứ khơng đối với chính vũ trụ được. Quan điểm về tính tương đối của Einstein là một sự mở rộng tự nhiên của tư tưởng khoa học đã cĩ trước đĩ. Ban đầu, người ta đã xem Trái đất là trung tâm bất dịch của mọi thứ. Sau đĩ, họ nhận ra rằng Trái đất là một hành tinh đang chuyển động trong một hệ mặt trời lớn hơn. Phản ứng tự nhiên của con người khi đĩ là đặt Mặt trời làm trung tâm của vũ trụ. Nhưng vào thời Einstein, các nhà thiên văn đã cĩ thể nĩi được là các vì sao đang chuyển động so với nhau. Họ khơng cịn cĩ lí do để nghĩ rằng Mặt trời – hay bất kì ngơi sao nào khác – chiếm giữ một vị trí đặc biệt trong vũ trụ. Từ viễn cảnh đĩ, thật chẳng khĩ khăn gì việc từ bỏ quan niệm về một hệ quy chiếu tuyệt đối. Điều đĩ đã đưa Einstein đến phát biểu nguyên lí vật lí cơ bản sau đây: Nếu hai nhà quan sát đang chuyển động ở tốc độ khơng đổi so với nhau, thì khơng cĩ hệ quy chiếu của nhà quan sát nào trong hai người là ưu tiên hơn hệ quy chiếu của người kia. Khơng thể thực hiện bất kì quan sát nào xác định được người này đang chuyển động, cịn người kia đứng yên tuyệt đối trong vũ trụ. Nguyên lí đơn giản đĩ mang lại một số hệ quả bất ngờ. Như đã lưu ý trong phần Giới thiệu, hệ phương trình Maxwell tiên đốn sự tồn tại của các sĩng đện từ truyền đi ở một tốc độ hữu hạn. Điều đĩ cĩ nghĩa là hai nhà quan sát, bất chấp chuyển động tương đối của họ, phải đo được tốc độ như nhau đối với một chùm bức xạ điện từ. Nhưng phát biểu đĩ khơng phù hợp với kinh nghiệm hàng ngày. Giả sử một cầu thủ ném bĩng chày đang đứng trên nĩc của một đồn tàu hỏa đang chuyển động ở tốc độ 50 dặm trên giờ (80 km/h), và giả sử anh ta ném ra một quả bĩng với tốc độ 100 dặm trên giờ (161 km/h) theo hướng chuyển động của đồn tàu. Một người đứng trên mặt đất sẽ đo được tốc độ của nĩ là 100 + 50 = 150 dặm trên giờ (241 km/h). Nếu anh ta ném ra phía sau, thì người trên mặt đất sẽ đo được tốc độ của nĩ là 100 – 50 = 50 dặm trên giờ theo hướng ngược lại. Nhưng mọi thứ khác đi khi quả bĩng chày được thay thế bằng một chớp sáng. Nguyên lí tương đối tiên đốn tốc độ của ánh sáng như nhau – tốc độ đặc trưng bởi hệ phương trình Maxwell – cho cả người quan sát trên mặt đất và cầu thủ bĩng chày trên đồn tàu, cho dù đồn tàu đang chuyển động bao nhanh theo hướng lại gần hay ra xa hướng người cầu thủ chiếu ra chớp sáng. Đĩ đúng là kết quả mà các nhà khoa học trơng thấy khi họ đã thử và thất bại trước việc phát hiện những sai lệch trong tốc độ ánh sáng khi Trái đất chuyển động hơn 66.000 dặm mỗi giờ (106.000 km/h) trong quỹ đạo của nĩ xung quanh Mặt trời. Thuyết tương đối Einstein dẫn đến một số hiện tượng xảy ra ở những tốc độ tương đối cao nhưng dường như kì lạ khi đánh giá bằng kinh nghiệm con người hàng ngày. Nĩ buộc các nhà vật lí thay đổi cách thức họ nhìn nhận khơng gian và thời gian, và điều đĩ ảnh hưởng đến cách hiểu tốn học của các định luật chuyển động của Newton và hệ phương trình Maxwell. Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 10
23. Thí dụ, việc đo chiều dài của một vật địi hỏi xác định các điểm cuối của nĩ một cách đồng thời. Điều đĩ nghĩa là phép đo chiều dài địi hỏi nhà quan sát phải đồng bộ hĩa các đồng hồ ở những nơi khác nhau. Các đồng bộ cĩ thể đồng bộ hĩa bằng cách truyền một tin nhắn “bây giờ mấy giờ” từ một bộ truyền trung tâm. Khi tin nhắn đĩ, truyền đi ở tốc độ ánh sáng, đi đến một đồng hồ thì đồng hồ tự động đặt lại giờ theo khoảng cách của nĩ đến bộ truyền. Nhưng cĩ một sự rắc rối: Các nhà quan sát chuyển động trong những hệ quy chiếu so với nhau khơng thống nhất được với nhau về sự đồng bộ hĩa. Lấy chớp sáng trên tàu hỏa làm một thí dụ. Giả sử người quan sát trên mặt đất và cầu thủ ném bĩng chày cĩ những cái thước đo mét và đồng hồ cực kì chính xác, giống hệt nhau. Trước khi thí nghiệm bắt đầu, người quan sát và cầu thủ ném bĩng chày đồng bộ hĩa đồng hồ của họ bằng cách bát một chớp sáng tại chính giữa đồn tàu. Do chuyển động của đồn tàu, nên người quan sát để ý thấy chớp sáng đi tới đồng hồ ở phía sau xe trước khi nĩ đi tới đồng hồ ở phía trước. Vì trong hệ quy chiếu của người quan sát, ánh sáng truyền đi chưa được phân nửa chiều dài của đồn tàu trước khi phần sau đồn tàu bắt gặp chớp sáng và đã truyền đi hơn phân nửa đồn tàu trước khi chớp sáng gặp phần trước đồn tàu. Đối với cầu thủ ném bĩng chày, ánh sáng truyền đi khoảng cách bằng nhau đến hai đầu của đồn tàu và vì thế đi tới đĩ cùng một lúc. Trong hệ quy chiếu của anh ta, hai đồng hồ đồng bộ hĩa chính xác với nhau, nhưng trong hệ quy chiếu của người quan sát, thì chiếc đồng hồ ở phía sau chạy quá chậm, cịn chiếc đồng hồ phía trước thì chạy quá nhanh. Xét tình huống tương tự từ hệ quy chiếu của cầu thủ ném bĩng chày, anh ta thấy người quan sát đang chuyển động theo hướng ngược lại, và các đồng hồ của người quan sát khơng đồng bộ đối với anh ta theo kiểu giống hệt như đồng hồ của anh ta khơng đồng bộ đối với người quan sát. Vì nguyên lí tương đối phát biểu rằng khơng cĩ hệ quy chiếu nào tốt hơn hệ kia, cho nên cả hai người đều đúng trong những quan sát của họ. Nĩi cách khác, các kết luận của cầu thủ ném bĩng chày và của người quan sát về sự đồng thời là khác nhau, tùy thuộc vào chuyển động tương đối của họ. Từ giả sử đơn giản rằng khơng cĩ hệ quy chiếu nào là tuyệt đối dẫn đến kết quả bất ngờ là sự đồng thời là cĩ tính tương đối! Phân tích tương tự dẫn đến những kết luận bất ngờ về chiều dài của thước mét và tốc độ đồng hồ gõ nhịp. Các vật đang chuyển động trong một hệ quy chiếu bị co ngắn lại theo chiều chuyển động so với những vật giống như vậy đang đứng yên. Các đồng hồ đang chuyển động trong một hệ quy chiếu chạy nhanh hơn những đồng hồ giống như vậy đang đứng yên. Người quan sát và cầu thủ ném bĩng chày nhìn nhau, và mỗi người để ý thấy người kia cĩ thước đo mét co ngắn lại và đồng hồ chạy chậm hơn so với khi chúng đứng yên. Nhưng khi hai người quan sát cùng một thí nghiệm với những cái thước đo mét chiều dài khác nhau đĩ và những cái đồng hồ đồng bộ khác nhau đĩ đang chạy ở những tốc độ khác nhau, họ đồng ý với nhau về các định luật của tự nhiên. Nếu khơng thì một hệ quy chiếu sẽ là ưu tiên hơn so với hệ kia. Một “thí nghiệm tưởng tượng”, một trong những kĩ thuật ưa thích của Einstein, cĩ thể làm sáng tỏ điều này. Giả sử cầu thủ ném bĩng chày đứng ở phía sau một toa tàu và chiếu ánh sáng về phía trước tới một detector đặt ở phía trước tàu hỏa, cái anh ta phải đo chiều dài theo micro giây ánh sáng (lms), hoặc 1000 nano giây ánh sáng (lns). (Micro giây ánh sáng là khoảng cách ánh sáng truyền đi trong một micro giây, khoảng 984 feet, hay 300 mét, tính theo đơn vị hàng ngày. Một nano giây ánh sáng bằng 1/1000 khoảng cách đĩ) Tàu hỏa đang chuyển động ở tốc độ bằng nửa tốc độ ánh sáng đối với mặt đất. Cả cầu thủ ném bĩng chày lẫn người quan sát đều ghi thời điểm và vị trí ánh sáng lĩe lên (sự kiện A) và thời điểm cùng vị trí khi ánh sáng đi tới detector (sự kiện B). Sau đĩ, họ so sánh các lưu ý cĩ được. Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 11
24. Cầu thủ ném bĩng chày nĩi ánh sáng mất một micro giây để chạm tới phía trước đồn tàu. Như giản đồ ở trang sau thể hiện rõ, người quan sát thấy mọi thứ rất khác. Người quan sát đo chiều dài đồn tàu đang chuyển động thấy ngắn hơn, xấp xỉ 86,6% chiều dài mà cầu thủ ném bĩng chày đo được, hay 866 lns. Cầu thủ ném bĩng chày, tất nhiên, để ý thấy chẳng cĩ gì bất thường xung quanh anh ta. Theo người quan sát, đĩ là vì cái thước đo mét của cầu thủ ném bĩng chày cũng bị co ngắn lại. Hai giả thuyết đơn giản của Einstein cho thuyết tương đối đặc biệt (tốc độ ánh sáng là như nhau đối với mọi nhà quan sát và khơng cĩ hệ quy chiếu nào ưu tiên hơn so với hệ kia khi chúng chuyển động ở tốc độ khơng đổi tương đối so với nhau) đưa đến một số hiện tượng tốc độ cao cĩ vẻ như kì cục khi phán xét bằng kinh nghiệm con người hàng ngày. Ở đây, khi nhìn bởi người quan sát trong trạm xe lửa đứng yên so với quyển sách này, một đồn tàu đi qua trạm từ trái sang phải ở nửa tốc độ ánh sáng. Nĩ mang một bức tượng của Albert Einstein được vẽ y hệt như bức tượng đúng ở dưới trạm. Phần A thể hiện một chớp sáng khi phần sau của đồn tàu đi qua rìa bên trái của sân ga, kích hoạt đồng hồ trên sân ga và trên tàu tại điểm đĩ bắt đầu chỉ số khơng. Phần B thể hiện ánh sáng đi tới đầu bên phải của sân ga cùng lúc khi phần trước của đồn tàu đi tới điểm đĩ. Sự kiện đĩ kích hoạt một cặp đồng hồ khác bắt đầu chạy với những thiết đặt thời gian khác. Vì người quan sát trên đồn tàu và trên sân ga phải đo được tốc độ ánh sáng bằng nhau bất kể chuyển động tương đối của họ, nên họ khơng thể đồng ý với nhau về sự đồng bộ của các đồng hồ của họ, tốc độ người chiếc đồng hồ đĩ gõ nhịp, hoặc chiều dài của các vật đo theo hướng của chuyển động tương đối. Mỗi người quan sát để ý thấy đồng hồ của người kia chạy chậm hơn và các chiều dài bị co ngắn lại (đĩ là lí do vì bức tượng trên đồn tàu được vẽ gầy hơn). Vì khơng cĩ hệ quy chiếu nào là ưu tiên hơn, nên cả hai người đều đúng trong quan sát đĩ! Điều này được giải thích trong phần trình bày chữ của chương này. Chùm ánh sáng truyền đi ở tốc độ ánh sáng, nhưng trong hệ quy chiếu của người quan sát, phần trước của đồn tàu đang di chuyển về phía trước ở nửa tốc độ đĩ. Ánh sáng từ sự kiện A bắt kịp phía trước của đồn tàu (sự kiện B) sau 1732 nano giây, trong thời gian đĩ ánh sáng đã truyền đi hai lần chiều dài đồn tàu, hay 1732 lns. Do sự khác biệt về tốc độ đồng hồ, người quan sát phán đốn rằng đồng hồ của cầu thủ ném bĩng chày gõ nhịp 1,5 micro giây trong thời gian đĩ, nhưng cầu thủ ném bĩng chỉ đo được một micro Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 12
25. giây vì hai đồng hồ đồng bộ hĩa lệch nhau 0,5 micro giây (micro giây của cầu thủ ném bĩng, khơng phải của người quan sát). Khơng cĩ sự bất đồng nào của người quan sát với cầu thủ ném bĩng chày vi phạm các định luật của tự nhiên. Chúng chỉ xung đột với những quan niệm của con người về khơng gian và thời gian đã phát triển từ kinh nghiệm ở những tốc độ tương đối nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Nếu người quan sát và cầu thủ ném bĩng chày sống trong một thế giới trong đĩ các tốc độ tương đối thường là một phần đáng kể của tốc độ ánh sáng, thì kinh nghiệm hàng ngày của họ sẽ cĩ những cái thước đo mét cĩ chiều dài phụ thuộc vào cách thức họ chuyển động, các đồng hồ chạy ở những tốc độ khác nhau khi chuyển động ở những tốc độ khác nhau, và khơng cĩ sự đồng thời tuyệt đối. Người quan sát và cầu thủ ném bĩng chày đồng ý rằng sự kiện A xảy ra khi và tại nơi chớp sáng lĩe lên ở phía sau đồn tàu – mặc dù hai bộ thiết bị của họ cho những giá trị đo khác nhau cho vị trí và thời gian. Tương tự, họ đồng ý rằng sự kiện B xảy ra khi và tại nơi ánh sáng chạm tới detector ở phía trước đồn tàu, mặc dù một lần nữa với những con số xác định vị trí và thời gian khơng giống nhau. Bất kể sự khác biệt giữa những con số đo được, họ đồng ý với nhau về điều này: Chùm ánh sáng truyền đi ở tốc độ được tiên đốn bởi hệ phương trình Maxwell. Đĩ là một quy luật của tự nhiên, và nĩ phải như nhau trong cả hai hệ quy chiếu. Tính tương đối cũng mang lại sự bất ngờ khi người quan sát và cầu thủ ném bĩng chày giải thích một thí nghiệm điện đơn giản. Giả sử mỗi người đang thực hiện cùng một thí nghiệm trên những sự bố trí phịng thí nghiệm y hệt nhau, họ đo lực điện giữa hai quả cầu tích điện. Vì một điện tích đang chuyển động là một dịng điện, và vì dịng điện tạo ra từ trường, nên mỗi người nhìn vào thí nghiệm của người kia và quan sát khơng chỉ lực điện, mà cịn cĩ lực từ nữa. Khi áp dụng nguyên lí tương đối cho hệ phương trình Maxwell, thì điện trường và từ trường khơng cịn là những thực thể tách biệt mà thay vào đĩ là một trường điện từ cĩ thể biểu hiện tính chất điện hay tính chất từ nhiều hơn tùy thuộc vào chuyển động tương đối giữa thiết bị quan sát và người đang thực hiện phép đo. Bất ngờ lí thú nhất của thuyết tương đối khơng phải nằm ở bài báo thứ nhất của Einstein về đề tài đĩ, mà nằm ở một bản thảo mang tựa đề “Quán tính của một vật cĩ phj thuộc vào năng lượng của nĩ khơng?” cơng bố muộn hơn trong năm 1905. Bản thảo ấy đã mở rộng phân tích của bài báo thứ nhất về ý nghĩa của khối lượng, đại lượng là số đo mức quán tính của một vật. Năng lượng điện từ phải truyền đi ở tốc độ ánh sáng, nhưng mọi thứ cĩ khối lượng khơng bao giờ đạt được tốc độ đĩ, cho dù lực tác dụng lên nĩ mạnh bao nhiêu đi nữa và cho lực tác dụng đĩ tồn tại bao lâu. Tốc độ của vật càng cao trong hệ quy chiếu của một người quan sát, thì lực tác dụng lên nĩ phải càng lớn hơn để làm tăng tốc độ đĩ lên thêm một lượng cho trước. Cơng thực hiện lên nĩ làm cho quán tính – hay khối lượng - của nĩ tăng lên. Khi Einstein nhìn vào phiên bản mới của ơng về các định luật của chuyển động và so sánh chúng với các định luật Newton, ơng nhận ra rằng sự bảo tồn động lượng vẫn đúng khi tính đến sự tăng khối lượng. Nhưng sự bảo tồn khối lượng thì phải sửa đổi, điều tương tự với sự bảo tồn năng lượng. Điểm mấu chốt của bản thảo trên được biểu diễn bởi phương trình nổi tiếng E = mc 2, phát biểu rằng khối lượng và năng lượng là hai mặt của cùng một hiện tượng. Khối lượng và năng lượng cĩ thể chuyển hĩa lẫn nhau, và vì thế khơng cần thiết phải bảo tồn độc lập. Tuy nhiên, chúng vẫn được bảo tồn khi xét chung với nhau. Như vậy, thuyết tương đối đã kết hợp hai định luật bảo tồn đĩ thành một. Đến đây, độc giả cĩ thể hỏi về từ đặc biệt trong tiêu đề của phần này. Lí thuyết tương đối trình bày ở đây là cho trường hợp đặc biệt của hai hệ quy chiếu đang chuyển động ở một tốc độ tương đối khơng đổi. Một lí thuyết tương đối tổng quát phải tính đến sự Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 13
26. gia tốc hay các vận tốc tương đối biến thiên. Việc đĩ tỏ ra khá khĩ khăn, nhưng Einstein cuối cùng đã thực hiện thành cơng, như sẽ trình bày trong chương 2. Nguyên t ử cĩ th ể phân chia đ ược Einstein khơng phải là nhà vật lí duy nhất thực hiện những khám phá quan trọng trong thập niên đầu tiên của thế kỉ 20. Dựa trên khám phá ra electron năm 1897, J.J Thomson và những người khác đang bận rộn khảo sát thế giới hạ nguyên tử. Thomson tiếp tục sử dụng thuật ngữ tiểu thể để mơ tả electron trong nhiều năm. Nhưng cho dù ơng gọi nĩ là gì, ơng biết rằng việc khám phá ra nĩ đã mở ra nhiều lộ trình nghiên cứu mới trong vật lí học đối với thế kỉ mới. Một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu bản thân electron, trong khi những người khác quan tâm đến vai trị của electron trong vật chất. Chẳng hạn, nếu các electron, tích điện âm, là bộ phận của nguyên tử trung hịa điện, thì nguyên tử cũng phải chứa các điện tích dương. Vì các electron quá nhẹ, cho nên vật chất tích điện dương cịn lại phải mang phần lớn khối lượng của nguyên tử. Vấn đề sớm trở nên rõ ràng là số nguyên tử của một nguyên tố, đại lượng đặc trưng cho vị trí của nĩ trong bảng tuần hồn, tương ứng với số electron trong nguyên tử của nĩ – hay tương đương, tương ứng với điện tích dương trong phần mang điện dương của nguyên tử (mặc dù cho đến lúc ấy họ khơng biết bộ phận tích điện dương đĩ trơng như thế nào). Khối lượng nguyên tử của các nguyên tố khác nhau cũng liên hệ với số nguyên tử, nhưng khơng theo một sự tỉ lệ đơn giản. Hydrogen là nguyên tử nhẹ nhất và cĩ số nguyên tử bằng một, nhưng một nguyên tử helium, với số nguyên tử bằng hai, cĩ khối lượng gấp bốn lần hydrogen. Các nguyên tử nặng, ví dụ như chì với số nguyên tử 82 và khối lượng nguyên tử khoảng 207 lần hydrogen, cịn vượt ra khỏi sự tỉ lệ đĩ. Khơng ai biết tại sao lại như thế. Các nhà khoa học cịn nhận ra rằng các electron là nguyên do cho hành trạng hĩa học của nguyên tử. Hĩa trị của một nguyên tử là một tính chất mơ tả cách nĩ phản ứng với các nguyên tử khác. Hĩa trị liên hệ với số electron mà nĩ đĩng gĩp cho phản ứng hĩa học và chi phối những kết hợp nhất định của các nguyên tử để hình thành nên phân tử. Các nguyên tố trong cùng một cột của bảng tuần hồn cĩ hĩa trị bằng nhau. Mặc dù cho đến khi ấy họ khơng hiểu được tại sao, nhưng các nhà vật lí và hĩa học cơng nhận rằng đa số các nguyên tố khơng chỉ cĩ electron hĩa trị mà cịn cĩ những electron khác khơng tham gia vào các phản ứng hĩa học. Người ta cũng sớm biết rõ là dịng điện chạy trong dây kim loại là dịng các electron. Tại sao một số chất, thí dụ như kim loại, dẫn điện trong khi những chất khác khơng dẫn điện thì chưa được hiểu rõ, nhưng rõ ràng là một số electron khơng liên kết chặt chẽ với nguyên tử hay phân tử của chúng so với những electron khác. Trong số những nhà vật lí vào buổi chuyển giao của thế kỉ 20, Ernest Rutherford nhanh chĩng nổi lên là một nhân vật hàng đầu trong việc tìm hiểu sự phĩng xạ lẫn cấu trúc bên trong của các nguyên tử. Năm 1898, ơng trở thành giáo sư tại trường Đại học McGill ở Montreal, Canada, nơi ơng tiếp tục nghiên cứu ơng đã bắt đầu với Thomson ở Anh. Ơng sớm tìm ra một dạng phĩng xạ thứ ba, cịn đâm xuyên hơn cả tia beta, mà ơng gọi một cách tự nhiên là tia gamma , với những tính chất tương tự như các tính chất của tia X. Cuối năm 1900, ơng hợp tác với nhà hĩa học McGill, Frederick Soddy (1877 – 1956), và họ đã bắt đầu thế kỉ mới thử tìm hiểu một số cơ sở hĩa học rất kì lạ đi cùng với sự phĩng xạ. Chẳng hạn, Rutherford và Soddy đã chiết tách hĩa học các nguyên tử phĩng xạ thuộc một nguyên tố khác ra khỏi một mẫu chủ yếu là thorium. Chất liệu cịn lại ban đầu kém phĩng xạ hơn nhiều, nhưng sau đĩ cùng loại nguyên tử phĩng xạ mà họ đã loại ra xuất hiện trở lại, cứ như thể chẳng cĩ chuyện gì xảy ra. Những thí nghiệm khác với những chất phĩng xạ khác mang lại những kết quả gây thách đố tương tự. Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 14
27. Khi họ phân tích các mẫu phĩng xạ của mình, họ thường tìm thấy những nguyên tố hĩa học như nhau trong những chất khác nhau, nhưng với khối lượng nguyên tử khác nhau. Phải mất vài năm nghiên cứu thận trọng, người ta mới hiểu được chuyện gì đang xảy ra. Sự phĩng xạ đã mang lại cho các nhà khoa học những gợi ý về cấu trúc bên trong của các nguyên tử. Rutherford và Soddy nhận ra rằng sự phĩng xạ xảy ra khi phần tích điện dương của nguyên tử - cho dù nĩ là cái gì – phát ra thứ gì đĩ. Các kết quả của họ xác nhận rằng khi một nguyên tử “bố mẹ” phát ra một hạt alpha, thì số nguyên tử của nĩ giảm đi hai; nghĩa là, nĩ biến đổi, hay biến tố, thành một nguyên tố “con” nằm dưới nĩ hai số nguyên tử trong bảng tuần hồn. Ngồi ra, khối lượng nguyên tử của nĩ giảm đi bốn, đưa họ đến chỗ nghi ngờ rằng một hạt alpha là một nguyên tử helium khơng cĩ electron của nĩ. Nghiên cứu ban đầu của Rutherford cho thấy tia beta là các electron. Khi phần tích điện dương của một nguyên tử phĩng xạ phát ra một hạt beta, thì nguyên tử con thu được cĩ nhiều điện tích dương hơn nguyên tử bố mẹ. Cho nên sự biến tố do phát xạ beta mang lại một nguyên tố cao hơn một số nguyên tử trên bảng tuần hồn. Khối lượng electron quá nhỏ nên nguyên tử con và nguyên tử bố mẹ cĩ cùng khối lượng nguyên tử mặc dù chúng khác biệt về mặt hĩa học. Đối với bức xạ alpha lẫn beta, nguyên tử con thường cĩ hoạt tính phĩng xạ hơn bố mẹ. Điều đĩ giải thích sự tăng tính phĩng xạ mà Rutherford và Soddy quan sát thấy trong nghiên cứu của họ với thorium và những nguyên tố phĩng xạ khác. Các kết quả của Rutherford và Soddy cũng giải thích những khối lượng khác nhau đã được để ý thấy với những nguyên tố giống hệt nhau về mặt hĩa tính. Hai nguyên tử cĩ hành trạng hĩa học như nhau, và do đĩ là cùng một nguyên tố, nếu chúng cĩ cùng điện tích. Nhưng chúng vẫn cĩ thể cĩ khối lượng khác nhau. (Sau này, Soddy gọi những nguyên tử này là đồng vị . Năm 1913, ơng nhận ra rằng những đồng vị khác nhau cịn tồn tại đối với các nguyên tử phi phĩng xạ, điều đĩ giải thích các phần lẻ ở một số khối lượng nguyên tử đo được, ví dụ như chlorine 35,5. Ngày nay, chúng ta biết chlorine xuất hiện trong tự nhiên, số nguyên tử 17, cĩ hai đồng vị: một đồng vị phổ biến hơn với 35 đơn vị khối lượng và một đồng vị kém phổ biến hơn với 37 đơn vị khối lượng). Năm 1908, Rutherford được trao giải Nobel hĩa học cho cơng trình của ơng về sự biến tố. (Soddy nhận giải muộn hơn, năm 1921, cho giải thích của ơng về các đồng vị) Trong khi đĩ, các nhà vật lí đang thảo luận sơi nổi về cấu trúc bên trong của các nguyên tử. Phần vật chất tích điện dương trơng ra sao và các electron hịa trộn với nĩ như thế nào để tạo thành các nguyên tử? Một ý tưởng phổ biến là mơ hình “bánh bơng lan rắc nho” của J.J Thomson, hình dung các nguyên tử giống như mĩn bánh ngọt yêu thích của người Anh. (Nếu Thomson là người Mĩ, ơng cĩ thể gọi nĩ là mẫu bánh mì nhân nho khơ) Mơ hình ấy hình dung nguyên tử như một cái bánh bơng lan với điện tích dương của nĩ rải đều khắp, trong khi các electron nhỏ xíu, tích điện âm gắn vào bên trong nĩ giống như nhân mứt hoặc nho khơ. Các nhà vật lí khác thì cĩ những ý tưởng khác, hình dung nguyên tử như những quả cầu nhỏ, cứng chắc, chẳng hiểu bằng cách nào lại chứa các electron tích điện âm, trọng lượng nhẹ, và một số lượng bằng như vậy các hạt hạ nguyên tử tích điện dương, nặng hơn. Cho dù nghĩ mơ hình nào là tốt hơn, nhưng khơng cĩ nhà vật lí nào hài lịng với mơ hình yêu thích của họ. Vì thế, họ hăm hở chờ đĩn một ai đĩ tìm ra một phương thức nhìn vào bên trong nguyên tử. Rutherford, năm 1907 đã trở lại Anh làm giáo sư tại trường Đại học Manchester, cĩ một ý tưởng tiến hành cơng việc như thế. Kế hoạch của ơng là sử dụng các hạt alpha làm đạn, ơng sẽ bắn chúng vào những lá kim loại mỏng. Bằng cách đo đường đi của chúng thay đổi như thế nào khi chúng đi qua, ơng cĩ thể suy ra loại cấu trúc gì mà chúng đã gặp phải. Mẫu bánh bơng lan mềm sẽ ít cĩ tác động lên các viên đạn, và hướng của chúng sẽ ít thay đổi. Nhưng nếu hạt alpha gặp Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 15
28. phải những quả cầu cứng, nhỏ, ơng trơng đợi các hạt alpha bị lệch ra – hay tán xạ - khỏi hướng ban đầu của chúng. Ưu tiên hàng đầu của cơng việc ở Manchester là xác nhận những mối ngờ của ơng về bản chất của bức xạ alpha. Người phụ tá của ơng, Hans Geiger (1882 – 1945) đã phát triển một thiết bị dị tìm sự đi qua của các hạt tích điện năng lượng cao và đếm chúng. Dụng cụ đĩ, tiền thân của máy đếm Geiger hiện đại, dùng để đo cường độ phĩng xạ, tỏ ra quan trọng đối với việc chứng tỏ rằng hạt alpha thật ra là các nguyên tử helium khơng cĩ electron. Ernest Rutherford và Frederick Soddy đã tạo ra sơ đồ của những chuỗi phân rã phĩng xạ khác nhau này. Ngày nay, các nguyên tử “con” được biết là những nguyên tố khác trong bảng tuần hồn hĩa học. Thí dụ, “xạ khí” phĩng xạ là chất khí radon. Sau đĩ, năm 1909, Rutherford và Geiger bắt đầu các thí nghiệm tán xạ của họ. Họ nhanh chĩng nhận ra rằng hầu như mọi hạt alpha đều đi qua các lá kim loại với gĩc lệch nhỏ hoặc khơng đổi hướng chuyển động. Kiểu chuyển động đĩ phù hợp với mơ hình bánh bơng lan rắc nho của Thomson, nhưng họ đã thận trọng khơng đi tới kết luận đĩ vội. Các máy dị của Geiger rất chính xác, nên họ cĩ thể so sánh tổng số hạt alpha chạm trúng bia của họ ở phía này số lượng họ phát hiện ở phía bên kia. Một phần rất nhỏ các hạt alpha bị lệch hướng sau khi chạm trúng lá kim loại, và họ cần phải hiểu cái gì đã xảy ra với chúng. Rutherford xét một vài khả năng cĩ thể xảy ra. Cĩ lẽ thỉnh thoảng một hạt alpha chạm trúng máy dị và khơng được ghi lại. Điều đĩ dường như hợp lí, nhưng các máy dị hồn tồn đáng tin cậy trong những phép thử khác. Một khả năng nữa là một vài hạt alpha đang tán xạ nhiều hơn so với Rutherford và Geiger lường trước. Các hạt đĩ cĩ lẽ đã lệch xa Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 16
29. khỏi phía khơng cĩ máy dị. Vì sự tán xạ gĩc lớn như vậy dường như rất khơng cĩ khả năng, cho nên Rutherford và Geiger tập trung nỗ lực của họ vào các kĩ thuật dị tìm. Đồng thời, ơng quyết định tìm kiếm sự tán xạ gĩc lớn, mặc dù khơng thành cơng, sẽ là thực tiễn tốt cho Ernest Marsden (1889–1970), một sinh viên trẻ vừa mới tham gia vào các kĩ thuật nghiên cứu của phịng thí nghiệm trên. Trước sự ngạc nhiên của mọi người, Marsden khơng những phát hiện ra hạt alpha tán xạ xa khỏi các phía, mà thậm chí anh ta cịn phát hiện một số hạt tán xạ ngược về phía nguồn. Rutherford sau này đã mơ tả kết quả đĩ là “hầu như khơng thể tin được, cứ như thể bạn ném một cái vỏ ốc về phía một tờ giấy mỏng và rồi nĩ dội ngược trở lại và va trúng bạn”. Sau khám phá của Marsden, thập kỉ đầu tiên của thế kỉ mới đã kết thúc với Rutherford và đội nghiên cứu của ơng trong cuộc săn đuổi náo nhiệt trước một bí ẩn lớn. Đã cĩ cái gì đĩ khơng như trơng đợi bên trong những hạt nhỏ xíu gọi là nguyên tử đĩ, nhưng họ khơng rõ cho lắm những kết quả của họ đang nĩi lên cho họ biết điều gì. Nh ững kĩ thu ật, cơng ngh ệ và quan sát mới Những viễn cảnh mới của thập niên đầu tiên của thế kỉ 20 mở ra thật rộng lớn vì các nhà vật lí đang thiên về mở rộng các giới hạn của những quan sát của họ. Điều đĩ cũng đúng đối với những người ứng dụng các khám phá khoa học vào cơng nghệ. Nền khoa học nổi bật đã lưu ý trong chương này xuất hiện song song với những thành tựu cơng nghệ cũng ngoạn mục khơng kém. Sự truyền thơng vơ tuyến xuyên đại dương đầu tiên xuất hiện năm 1901, và năm 1903, trên bờ sơng Bắc Carolina, hai anh em nhà chế tạo xe đạp mang tên Wright đã trình diễn chuyến bay cĩ người lái. Planck khơng phải là nhà khoa học duy nhất nghiên cứu quang phổ trong thế kỉ mới. Khi ánh sáng của các chất khí phát sáng trải ra thành quang phổ, thì mỗi chất tạo ra một bộ vạch sáng đặc trưng riêng của nĩ ở những bước sĩng nhất định ( phổ vạch là ngược lại với phổ liên tục như bức xạ vật đen). Một số nhà khoa học đang phát hiện các khuơn mẫu trong số những bước sĩng đĩ, nhưng họ khơng cĩ trong tay lí thuyết nào giải thích tại sao các mẫu vân đĩ tồn tại. Họ trơng đợi những lí thuyết đĩ ra đời từ sự hiểu biết tốt hơn về thế giới hạ nguyên tử và họ cĩ lí do chính đáng để trơng đợi sự hiểu biết như thế xuất hiện trong thập niên tiếp theo. Ở Hà Lan, phịng thí nghiệm của Heike Kamerlingh Onnes (1853–1926) đang dẫn đầu thế giới về nghiên cứu những hiện tượng ở nhiệt độ rất thấp. Các nhà khoa học ở đĩ đã hĩa lỏng tất cả các chất khí cĩ mặt trong khơng khí. Helium cĩ nhiệt độ sơi thấp nhất trong hết thảy, xấp xỉ - 452°F (-269°C) hay chỉ 7.7°F (4.3°C) trên khơng độ tuyệt đối, một nhiệt độ giới hạn mà nhiệt động lực học nĩi rằng cĩ tiến tới nhưng chưa bao giờ đạt được. Trong thập niên tiếp theo, thành tựu khoa học và cơng nghệ này sẽ dẫn đến một khám phá bất ngờ: hiện tượng siêu dẫn. Trong khi đĩ, vào năm 1910, một linh mục dịng Tên tên là Theodor Wulf (1868– 1946) đã nghiên cứu bức xạ trong khơng khí từ đỉnh tháp Eiffel và tìm thấy cĩ nhiều bức xạ hơn mong đợi. Ơng cho rằng sự thừa mức bức xạ khơng phát sinh từ Trái đất mà từ đâu đĩ trong vũ trụ. Ơng đề xuất nghiên cứu những tia vũ trụ này bằng cách thả những quả khí cầu lên những cao độ trước nay chưa đạt tới nhưng gác cơng việc ấy lại cho những người khác trong thập niên tiếp theo thực hiện. Thập niên đầu tiên của thế kỉ mới đã đến và kết thúc với những viễn cảnh mới bất ngờ. Nĩ bắt đầu với sự mong muốn trĩi buộc những mối nối lỏng lẻo. Nhưng giờ thì các nhà vật lí biết rằng họ sẽ phải tháo gỡ một số quan niệm cũ để dệt nên một tấm thảm kiến thức mới của vũ trụ. Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 17
30. Nhà khoa học của thập niên 1900: Albert Einstein (1879–1955) “Người đĩ là một Einstein!” Câu nĩi đĩ, dùng để mơ tả một thiên tài sáng tạo, là một chứng cứ cho sự ảnh hưởng lâu dài của Albert Einstein, nhà vật lí, người đã làm thay đổi nền khoa học của ơng qua khả năng của ơng tìm ra một viễn cảnh mới từ đĩ xem xét các quan sát cũ. Nhưng suốt thế kỉ 20 và cả trong thời nay, những hình ảnh phổ biến cũng miêu tả Einstein là kẻ lập dị. Ơng là vị giáo sư vận áo vét, đi xe đạp, nĩi giọng Đức, luơn ám ảnh bởi các phương trình và khơng thèm phủi bụi phấn trên quần áo của Diện mạo khác thường của Albert Einstein và gương mặt gây ấn tượng khiến ơng trở thành nhân vật yêu mình, mái tĩc hoa râm để tự nhiên của ơng thích của thợ nhiếp ảnh trong suốt cuộc đời ơng. cứ thổi lên trong giĩ. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) Nhưng câu chuyện cuộc đời của Einstein thì phức tạp hơn, vì ơng khơng chỉ sống qua những biến đổi dữ dội trong nền văn hĩa và Tuy vậy, ơng đã tham gia các kì thi kiểm tra chính trị thế giới, mà ơng cịn cĩ tầm ảnh đầu vào của Viện Bách khoa Zurich ở Thụy hưởng lâu dài lên chúng nữa. Chào đời ở Sĩ, nhưng ơng khơng đỗ. Ơng được nhận Ulm, Đức, vào ngày 14/03/1879, cách nhìn vào một trường trung học Thụy Sĩ ở Aarau nhận thế giới khác thường của Einstein luơn và thả sức tung tăng trong mơi trường thoải gây rắc rối cho ơng trong trường học. Vì tư mái hơn của nĩ. Với sự chuẩn bị tốt hơn, tưởng của ơng thường để ở đâu đâu, nên ơng đã đi thi lại và đỗ vào Viện Bách khoa một số thầy giáo nghĩ là ơng chậm tiến. Zurich ở lần thi thứ hai. Ơng nhận thấy khĩa Trong thời niên thiếu của mình, ơng đã học học tại viện thật hấp dẫn, nhưng các giờ một trường Gymnasium (gim-NAH-zium, giảng thì khơng hay chút nào. Vì thế, ơng bỏ tiếng Đức nghĩa là trường trung học) ở qua đa số các buổi lên lớp của mình và tự Munich, nhưng ơng đã nổi loạn chống lại tìm đọc những quyển sách quan trọng. Ơng phương pháp độc đốn của nhà trường. Thái vượt qua các kì thi cần thiết để cấp bằng vào độ bất kính của ơng khiến một số thầy giáo mùa thu năm 1900. phát biểu rằng ơng sẽ chẳng làm nên cơm Sau khi tốt nghiệp, ơng muốn được thuê làm cháo gì sau này. trợ lí cho một trong các giáo sư vật lí của Khi cơng việc làm ăn thua lỗ khiến cha của ơng, nhưng cơng việc đĩ khơng bao giờ đến ơng phải dời cả gia đình đến Milan, Italy, với ơng. Điều đĩ khơng cĩ gì bất ngờ. Một chàng trai trẻ Albert vẫn ở lại để hồn tất giáo sư vật lí đã cĩ lần nĩi với ơng, “Cậu là chương trình học tại trường Gymnasium , một chàng trai thơng minh, Einstein, một nhưng rồi ơng cũng sớm ra đi để đồn tụ với chàng trai rất thơng minh. Nhưng cậu cĩ gia đình. Ơng cĩ thể tốt nghiệp bằng cách một khuyết điểm rất lớn: cậu khơng để cho tiếp tục học ở Italy, nhưng năm 1896, vì bực bản thân mình nĩi lên bất cứ điều gì cả”. bội với nền văn hĩa Đức, ơng đã kí giấy từ Einstein đảm nhận hai cơng việc giảng dạy bỏ tư cách cơng dân Đức của mình và cùng tạm thời trước khi tìm được chỗ làm lâu dài với nĩ là bất cứ thứ quyền gì để học lấy là một chuyên viên kĩ thuật, hạng ba, ở Văn bằng cấp. phịng Cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ, vào năm 1902. Cơng việc ấy cho phép ơng cĩ nhiều thời gian suy nghĩ về những câu hỏi lớn của vật lí học và nghiên cứu luận án tiến sĩ của Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 18
31. ơng tại trường Đại học Zurich. Năm 1905, 1919, hai đội nhà vật lí ở hai bờ của Đại ơng hồn thành luận án tiến sĩ của mình và Tây Dương (ngồi khơi Tây Phi và ở Brazil) cơng bố ba bài báo nổi tiếng trên tập san đã quan sát một số ngơi sao trong kì nhật khoa học Annalen der Physik (Biên niên thực và đo chính xác sự bẻ cong mà Vật lí học) làm thay đổi tận gốc rễ nền vật lí Einstein đã tiên đốn. Những tờ báo lớn đã học, như chương này đã mơ tả. đưa tin về khám phá đĩ và đưa tên tuổi Những bài báo đĩ, cộng với luận án tiến sĩ Einstein đi khắp thế giới. của ơng được cơng bố năm 1906, đã mang Einstein giành giải Nobel Vật lí năm 1921, đến cho Einstein tiếng tăm trong thế giới vật khơng phải cho lí thuyết tương đối đã mang lí. Ơng nhận một loạt danh hiệu giáo sư, bắt tên tuổi ơng đi khắp thế giới, mà cho cách đầu tại trường Đại học Zurich năm 1909, giải thích của ơng về hiện tượng quang điện. sau đĩ tại trường Đại học Karl-Ferdinand ở Danh tiếng của ơng trở nên rất quan trọng thủ đơ Prague của Czech, rồi trở lại ở Viện sau này trong cuộc đời ơng. Ơng sinh ra là Bách khoa Zurich. Năm 1913, Max Planck một người Do Thái, mặc dù ơng thích tự gọi và Walter Nernst (1864–1941), một nhà vật mình là “người khơng cĩ đức tin tơn giáo” lí Đức hàng đầu khác, đã mang đến cho và nĩi khơng hề cĩ một Đức Chúa cá nhân Einstein cơ hội thiết lập và lãnh đạo một nào nhưng “hết sức khâm phục cho cấu trúc viện vật lí ở Berlin. Ơng bất đắc dĩ trở lại của thế giới trước nay như khoa học cĩ thể nước Đức, nhưng vị trí đĩ quá quan trọng tin vào nĩ”. Vào những năm 1930, những nên khơng thể từ chối được. Ở Berlin, ơng người thuộc dịng dõi Do Thái phải đối mặt sớm tiến hành cơng trình nghiên cứu mang trước sự khủng bố dưới chính quyền phát xít lại tiếng tăm cho ơng trên tồn thế giới. Ơng của Adolf Hitler ở Đức, nên Einstein biết đã mở rộng lí thuyết tương đối của mình để rằng đã đến lúc ơng phải rời bỏ quê hương bao gồm cả sự hấp dẫn, và nĩ đã đến kết của mình lần nữa. Tiếng tăm của ơng đã mở luận rằng các tia sáng bị bẻ cong trong một rộng cửa cho ơng lưu trú ngắn hạn ở Bỉ, trường hấp dẫn. Anh, và California trước khi ơng đặt chân Theo lí thuyết đĩ, một chùm ánh sáng sao đi đến Viện Nghiên cứu Cao cấp tại trường qua gần Mặt trời sẽ khơng đi thẳng mà bị Đại học Princeton ở New Jersey. lệch về phía Mặt trời một lượng đủ lớn để Trong Thế chiến thứ hai, Einstein là người đo được ở trên Trái đất này. Nĩ là một tiên đứng đầu trong số các nhà khoa học thuyết đốn lạ lùng nhưng khĩ kiểm tra vì ánh sáng phục tổng thống Mĩ Franklin D. Roosevelt sao mờ nhạt sẽ khơng trơng thấy được trong phát triển bom nguyên tử trước khi phe ánh chĩi của Mặt trời – ngoại trừ những lúc Quốc xã cĩ thể chế tạo. Nhưng thiên hướng nhật thực tồn phần hiếm khi xảy ra. Năm chính trị của ơng luơn nghiêng về xu hướng hịa bình. Sau chiến tranh, ơng đã sử dụng vinh dự cá nhân của ơng để trở thành một tiếng nĩi đầy sức mạnh chống lại sự phát triển vượt mức các vũ khí hạt nhân và ủng hộ cho hịa bình thế giới. Ơng vẫn ở Princeton cho đến khi qua đời vào hơm 17/04/1955. Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 19
32. 1911 – 1920 Nh ững quan điểm mới về vật chất Năm 1910 đánh dấu một trăm năm việc xuất bản cuốn Một hệ triết lí hĩa học mới của John Dalton, cuốn sách mơ tả bản chất nguyên tử của vật chất. Một trăm năm tiến bộ trong ngành hĩa học đã chứng minh cho sức mạnh của quan niệm đơn giản rằng tồn bộ vật chất cấu thành từ các nguyên tử. Tuy nhiên, vẫn chưa cĩ ai chỉ ra được nguyên tử của một nguyên tố khác với nguyên tử của nguyên tố khác ở chỗ nào. Các tính chất hĩa học khác nhau dường như liên quan đến số electron trong nguyên tử thuộc các nguyên tố khác nhau, nhưng các electron quá nhẹ để giải thích những khác biệt lớn về khối lượng nguyên tử. Đa phần khối lượng của một nguyên tử cấu thành từ cái gì đĩ khác vẫn chưa được hiểu rõ. Vì các nguyên tử trung hịa điện, nên phần vật chất chưa biết đĩ phải mang một điện tích dương bằng với điện tích âm của tất cả các electron của nguyên tử đĩ. Nhưng phần tích điện dương đĩ là cái gì, và tự nhiên đã xây dựng nên các nguyên tử từ nĩ và các electron như thế nào? Thập niên thứ hai của nền vật lí thế kỉ 20 sẽ bị thống trị bởi câu hỏi đĩ, và nhiều khám phá quan trọng và bất ngờ nhất sẽ đến từ các phịng thí nghiệm thuộc trường Đại học Manchester của Ernest Rutherford. Khám phá ra h ạt nhân nguyên t ử Ernest Rutherford khơng hề giành được giải Nobel Vật lí nào, cĩ lẽ vì thành tựu lớn nhất của ơng chỉ xuất hiện 3 năm sau khi ơng giành giải Nobel Hĩa học năm 1908. Năm 1911, sau khi bị thách đố bởi những kết quả bất ngờ của các thí nghiệm tán xạ hạt alpha của Geiger và Marsden, ơng đã đưa ra lời giải thích của mình cho những phép đo của họ trước tồn thế giới. Rutherford kết luận rằng các nguyên tử khơng thể mơ tả được bằng mơ hình bánh bơng lan rắc nho của Thomson, hoặc bằng mơ hình quả cầu cứng mà những nhà vật lí khác ưa chuộng, mà bằng một mơ hình tương tự như một hệ hành tinh giữ lại với nhau bằng lực điện thay cho lực hấp dẫn. Kết quả của các thí nghiệm tán xạ hạt alpha của Geiger và Marsden – các hạt alpha của họ chỉ tán xạ nhẹ với ngoại trừ một lượng nhỏ đâm xuyên qua hoặc thậm chí bật trở lại – nĩi với ơng rằng các nguyên tử chủ yếu là khơng gian trống rỗng với đa phần khối lượng của chúng tập trung tại một lõi trung tâm nhỏ xíu gọi là hạt nhân . Theo bức tranh mới của Rutherford về nguyên tử, các electron của nĩ quay xung quanh hạt nhân giống như Trái đất, và các hành tinh chị em của nĩ quay xung quanh Mặt trời. Điều đáng chú ý là các nguyên tử của Rutherford cịn trống rỗng hơn cả hệ mặt trời. Hãy so sánh: Mặt trời chiếm khoảng 99,8% khối lượng của hệ mặt trời, và đường kính của nĩ lớn cỡ 1/700 quỹ đạo của Hải vương tinh (hành tinh xa xơi nhất). Hạt nhân chứa hơn Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 20
33. 99,9% khối lượng của nguyên tử, nhưng kích cỡ thật sự nhỏ bé. Ngay cả hạt nhân lớn nhất cũng chưa bằng 1/10.000 đường kính của các nguyên tử của chúng. Cấu trúc đĩ giải thích tại sao đa số hạt alpha tích điện dương đi qua nguyên tử mà khơng bị tán xạ nhiều. Phần lớn chúng đi qua cách hạt nhân quá xa để chịu nhiều sự ảnh hưởng của nĩ. Tuy nhiên, tình cờ, khoảng 1 hạt alpha trong 8000 hạt đến đủ gần hạt nhân để chịu một lực điện mạnh đến mức hạt alpha đĩ bị tán xạ sang bên – hay thậm chí bật ngược trở lại trong trường hợp va chạm trực diện rất hiếm xảy ra. Như thường lệ trong khoa học, một đột phá kiểu như mơ hình hạt nhân nguyên tử của Rutherford mở ra thêm nhiều câu hỏi mới. Những khĩ khăn nghiêm trọng nhất là đây: (1) một electron đang quay trịn thì bị gia tốc, nghĩa là nĩ sẽ phát ra sĩng đện từ, và (2) khối lượng của các hạt nhân nguyên tử khác nhau khơng tỉ lệ với điện tích dương mà chúng mang. Để làm sáng tỏ điểm thứ nhất trên, khi nhà vật lí nĩi tới vận tốc của một vật, là nĩ ám chỉ cả tốc độ lẫn hướng của nĩ. Khi họ nĩi tới gia tốc của nĩ, thì họ đang ám chỉ tốc độ mà vận tốc của nĩ thay đổi, tính cả tốc độ lẫn hướng. Một hành tinh đang quay trịn bị gia tốc về phía Mặt trời bởi lực hấp dẫn, và phân tích tương tự, một electron tích điện âm đang quay trịn bị gia tốc về phía hạt nhân tích điện dương bởi lực hút điện. Trong cả hai trường hợp, vật đang quay trịn liên tục rơi về phía vật ở giữa nhưng khơng bao giờ rơi vào vật ở giữa vì chuyển động của nĩ nằm trong một hướng khác. Trong trường hợp các hành tinh, đĩ là một tình huống ổn định. Tuy nhiên, đối với một electron bị gia tốc, thì hệ phương trình Maxwell, cả khi đã được Einstein sửa đổi, tiên đốn rằng nĩ sẽ phát ra các sĩng đện từ. Năng lượng của những sĩng đĩ sẽ phát sinh từ động năng (năng lượng của chuyển động) của nĩ, nghĩa là nĩ sẽ từ từ chậm lại và xoắn ốc vào trong hạt nhân trong vịng một phần rất nhỏ của một giây. Vì các nguyên tử là bền, cho nên cĩ cái gì đĩ khơng đúng hoặc với các định luật điện từ học, hoặc với mơ hình Rutherford. Mơ hình mới đã thay đổi nhưng khơng trả lời được một câu hỏi cũ về các nguyên tử. Các nhà khoa học thường bối rối trước sự khác biệt giữa số nguyên tử và khối lượng nguyên tử trong bảng tuần hồn. Giờ thì họ biết rằng khối lượng của một nguyên tử chủ yếu nằm ở hạt nhân của nĩ, họ lại hỏi những câu hỏi tương tự về hạt nhân. Tại sao hạt nhân helium cĩ khối lượng gấp bốn lần hạt nhân hydrogen khi điện tích của chúng chỉ gấp đơi, và tại sao hạt nhân chì cĩ điện tích 82 đơn vị và khối lượng 207? Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 21
34. Mẫu hạt nhân của Rotherford khơng mang lại những cái nhìn sâu sắc ngay tức thời vào những câu hỏi đĩ, nhưng nĩ vẫn mang lại những tiện lợi quan trọng trong việc tìm hiểu những hiện tượng khác, ví dụ như sự phĩng xạ. Giờ thì Rutherford cĩ thể nhận ra các hạt alpha là hạt nhân helium và các hạt beta là electron. Ơng cĩ thể mơ tả sự phĩng xạ là một quá trình phân hủy hoặc phân rã hạt nhân, trong đĩ một hạt nhân mẹ phát ra hoặc một hạt nhân helium, hoặc một electron và để lại phía sau một hạt nhân con thuộc một nguyên tố khác. (Tia gamma khơng bao giờ được phát ra đơn độc mà luơn luơn đi cùng với phân rã alpha , hoặc beta ). Thí nghiệm tán xạ hạt alpha của Rutherford, Hans Geiger và Ernest Marsden mang lại một khám phá bất ngờ: Một lá kim loại mỏng làm cho một phần nhỏ các hạt alpha năng lượng cao bị tán xạ xa ra hai bên hoặc thậm chí bật ngược trở lại. Từ kết quả đĩ, Rutherford kết luận rằng đa phần khối lượng của nguyên tử tập trung trong một hạt nhân nhỏ xíu, tích điện dương với các electron tích điện âm quay xung quanh nĩ. Mẫu nguyên tử Bohr Sự tinh chỉnh đáng kể nhất đầu tiên của mơ hình hạt nhân Rutherford xuất hiện vào năm 1913, khi nhà vật lí 28 tuổi, người Copenhagen, tên là Niels Bohr (1885–1962) cơng bố một loạt bài báo nhanh chĩng thu hút sự quan tâm lớn. Mục đích chính của những bài báo này là đề xuất một khuơn khổ lí thuyết loại vấn đề bức xạ điện từ ra khỏi các electron đang quay trịn, nhưng tác động của chúng hĩa ra cịn rộng hơn thế nhiều. Chúng đã chuyển lượng tử của Planck từ địa hạt hạn chế của tương tác của ánh sáng với vật chất sang lĩnh vực cấu trúc nguyên tử rộng hơn. Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 22
35. Planck đã phát hiện ra lượng tử trong khi phân tích quang phổ liên tục trong ánh sáng phát ra bởi các vật nĩng như dây tĩc của các bĩng đèn nĩng sáng. Bohr thì tập trung chú ý vào quang phổ vạch tạo ra khi dịng điện đi qua một chất khí áp suất thấp trong một ống trụ, tạo ra sự phát sáng, ví dụ như màu đỏ đặc trưng của bĩng đèn neon. Tại sao các chất khí bị kích thích điện phát ra những lượng tử chỉ thuộc những tần số nhất định? Đâu là cơ sở của những mẫu hình tốn học ở những tần số đĩ, ví dụ như dãy vạch phổ phát ra từ hydrogen đã được nhận ra trước đấy 30 năm bởi một giáo viên trung học người Thụy Sĩ, Johann Balmer (1825–98)? Niels Bohr đã phát triển một lí thuyết giải thích quang phổ vạch của hydrogen là kết quả của các electron thực hiện các chuyển tiếp giữa những mức năng lượng được phép và phát ra những lượng tử ánh sáng cĩ năng lượng bằng với sự chênh lệch giữa các mức. Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 23
36. Bohr bắt đầu phân tích của ơng bằng cách giả sử rằng quang phổ vạch là kết quả của sự phát xạ từ những nguyên tử cá lẻ. Các mẫu tần số cĩ mặt trong những phát xạ đĩ cĩ thể làm sáng tỏ vì sao các quỹ đạo electron là bền trong sự vi phạm hiển nhiên của các định luật điện từ học hay khơng ? Điều gì sẽ xảy ra nếu các định luật vật lí chỉ địi hỏi những quỹ đạo nhất định là bền? Với một electron đơn độc, hydrogen là nguyên tử đặc biệt dễ phân tích. Cơng thức cho lực hút hấp dẫn và lực hút điện cĩ cùng dạng thức tốn học với điện tích thay thế cho khối lượng và một hằng số điện thay thế cho hằng số hấp dẫn. Cả hai phát biểu rằng lực giảm khi khoảng cách tăng lên theo mối quan hệ tỉ lệ nghịch bình phương. Nếu khoảng cách tăng gấp đơi, thì lực giảm bằng một phần tư (một phần hai nhân hai) giá trị trước đĩ của nĩ; nếu khoảng cách tăng ba lần, thì lực giảm đi chín lần (ba lần ba); và cứ thế. Các phép tốn về cơ bản là giống như trường hợp quỹ đạo của một hành tinh (electron) quay xung quanh Mặt trời (hạt nhân hydrogen) mà khơng sự tác động phức tạp của những vật thể khác. Các định luật của chuyển động và điện từ học tiên đốn một quan hệ tốn học đơn giản giữa kích cỡ quỹ đạo của electron và thời gian cần thiết để nĩ quay trọn một vịng. Mối quan hệ đĩ tương tự như định luật thứ hai trong số ba định luật chuyển động hành tinh của nhà thiên văn học thế kỉ 17 Johannes Kepler’s (1571–1630). Định luật đĩ là một phương trình liên hệ khoảng cách của hành tinh đến Mặt trời và độ dài năm của nĩ. Mẫu nguyên tử Bohr cũng cĩ những tương đương với các định luật thứ nhất và thứ ba, nhưng Bohr đưa thêm vào một thứ mà Kepler khơng cần đến: một quy luật cấm những chu kì quỹ đạo được phép. Bohr phát biểu rằng các quỹ đạo electron chỉ là bền nếu năng lượng của chúng bằng với một số nguyên lần tích của hằng số Planck và tần số quỹ đạo. Nĩ giống hệ như hệ mặt trời cấm những quỹ đạo hành tinh sao cho khơng cĩ vật thể nào trong quỹ đạo xung quanh Mặt trời cĩ chu kì 365 hoặc 366 ngày, mà chỉ cĩ chính xác chiều dài năm của Trái đất (365,24 ngày). Trong mẫu Bohr, các electron thực hiện những chuyển tiếp giữa các mức năng lượng cho phép bằng cách phát xạ hoặc hấp thụ một lượng tử ánh sáng cĩ năng lượng bằng với sự chênh lệch giữa các mức. Do đĩ, mẫu Bohr cĩ thể tính ra một tập hợp những tần số được phép của ánh sáng phát xạ. Điều đáng chú ý là chúng phù hợp chính xác với quang phổ hydrogen. Lí thuyết Bohr cịn thành cơng, nhưng khơng rực rỡ lắm, trong việc tiên đốn quang phổ vạch của những nguyên tử phức tạp hơn, giống hệt như các định luật Kepler khơng cĩ giá trị chính xác khi xét đến tác động của những hành tinh khác nữa. Tuy nhiên, những thành cơng của lí thuyết ấy cho thấy các định luật của điện từ học khơng áp dụng được cho các electron trong nguyên tử, chừng nào quỹ đạo của chúng phù hợp với những điều kiện đặc biệt. Các nhà vật lí khơng hồn tồn hài lịng với điều đĩ, nhưng rõ ràng, phân tích của Bohr, giống như phân tích của Planck trước đĩ, đang cho họ biết cái gì đĩ cơ bản về thế giới nguyên tử. Bên trong h ạt nhân Rutherford và đội của ơng tiếp tục nghiên cứu tán xạ hạt alpha của họ cho đến năm 1913, sử dụng các nguồn hạt alpha khác nhau và các lá kim loại khác nhau để tinh chỉnh những kết luận của họ. Khi đĩ, mơ hình hạt nhân của nguyên tử đã được thiết lập vững chắc. Nhưng cái gì làm cho hạt nhân của một chất khác với hạt nhân của chất kia? Hai con số rõ ràng quan trọng là điện tích và khối lượng. Điện tích dương của hạt nhân tương ứng với nhân dạng của hạt nhân là một nguyên tố hĩa học nhất định, hoặc chỗ nĩ nằm khớp trong bảng tuần hồn. Khi bị bao quanh bởi một số electron bằng với điện tích đĩ, nĩ là Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 24
37. một nguyên tử trung hịa, và các electron là nguyên nhân cho hành trạng hĩa học của nguyên tử đĩ. Khối lượng hạt nhân, như Soddy chỉ rõ, cĩ thể khác nhau giữa hai đồng vị thuộc cùng một nguyên tố. Nhưng khối lượng, giống như điện tích, dường như xuất hiện theo đơn vị cơ bản. Hạt nhân đơn giản nhất là hydrogen, với một đơn vị điện tích và một đơn vị khối lượng. Khi Thế chiến thứ nhất bùng nổ vào năm 1914, nghiên cứu vật lí cơ bản là một trong những cái bị tổn thất do sinh viên bị gọi đi nhập ngũ hoặc phục vụ cho những nhiệm vụ thời chiến khác. Bản thân Rutherford cũng trở nên dính líu với việc dị tìm tàu ngầm, nhưng ơng cịn cĩ thời gian để tiếp tục nghiên cứu trong phịng thí nghiệm. Ơng quyết định theo đuổi một kết quả gây tị mị của Marsden, người đã bắn phá chất khí hydrogen với các hạt alpha. Khi một hạt alpha va chạm với một hạt nhân cố định, nặng hơn, thuộc một nguyên tố kim loại, nĩ đổi hướng chuyển động nhưng mất ít năng lượng. Tuy nhiên, khi mục tiêu là chất khí hydrogen, thì cú va chạm tương tự như quả bi-a bị bắn bởi quả cầu nặng khác. Cả hạt alpha và hạt nhân hydrogen đều nảy ngược trở lại khỏi chỗ va chạm. Nếu nĩ là một va chạm gần như trực diện, thì hạt nhân hydrogen cĩ thể bật đi ở tốc độ cịn cao hơn cả tốc độ mà hạt alpha tới cĩ được. Lúc ấy, Rutherford bắt đầu gọi hạt nhân hydrogen là proton để ngụ ý rằng chúng là những hạt hạ nguyên tử cơ bản giống như electron. Hơn nữa, những thí nghiệm đĩ đã dạy ơng cách phân biệt proton với các hạt alpha khi chúng đập lên màn hình dị tìm của ơng. Khả năng ghi nhận proton sớm tỏ ra rất hữu ích. Khi Rutherford bắt đầu bắn phá chất khí nitrogen với các hạt alpha, ơng phát hiện ra proton mặc dù ban đầu ơng chẳng làm gì liên quan đến hydrogen. Kết luận của ơng là va chạm đĩ đã làm cho hạt nhân nitrogen bị vỡ ra và giải phĩng một proton. Kết luận đĩ nĩi chung là đúng, mặc dù các nhà khoa học khơng thể mơ tả chính xác sự biến đổi hạt nhân mãi cho đến những năm 1920, ấy là như thế này: một hạt alpha (điện tích 2, khối lượng 4) kết hợp với một hạt nhân nitrogen (điện tích 7, khối lượng 14) tạo ra một proton (điện tích 1, khối lượng 1) và một đồng vị bền nhưng khơng phổ biến của oxygen (điện tích 8, khối lượng 17). Rutherford phát hiện ra proton chứ khơng phải hạt nhân oxygen. Từ cái Ruterford quan sát thấy, dường như cĩ thể nghĩ hợp lí là mọi hạt nhân được cấu thành từ các proton. Điều đĩ sẽ giải thích cho điện tích hạt nhân nhưng khơng giải thích được những khối lượng lớn hơn của chúng. Đồng thời cũng phát sinh câu hỏi cái gì đã giữ một hạt nhân lại với nhau. Hai hoặc nhiều proton trong một khơng gian hạn chế như vậy sẽ đẩy lẫn nhau với lực rất lớn. Một số nhà vật lí cho rằng hạt nhân cĩ thể chứa một số nhất định những proton khác nữa và số lượng đĩ bằng số lượng electron, nhưng Rutherford khơng tán thành. Ơng cho rằng một electron tích điện âm và một proton tích điện dương bên trong một hạt nhân sẽ hút lẫn nhau đủ mạnh nên chúng sẽ khơng thể chia tách, về cơ bản là hình thành nên một hạt trung hịa. Năm 1920, ơng đã lí thuyết hĩa những “bộ đơi trung hịa” như thế là loại thứ ba thuộc những viên gạch cấu trúc nguyên tử cơ bản sau electron và proton. Ơng gọi hạt được đề xuất này là neutron . Ơng lưu ý rằng khối lượng của nĩ rất gần với khối lượng của proton. Như vậy, số nguyên tử của một đồng vị, cái xác định vị trí của nĩ trong bảng tuần hồn, là số proton của nĩ, cịn khối lượng nguyên tử của nĩ là tổng số proton và neutron của nĩ. Đến tận năm 1932 thì neutron mới được phát hiện ra, và rất muộn sau này người ta mới hiểu loại lực đã liên kết hạt nhân lại với nhau, nhưng vào cuối thập niên thứ hai của Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 25
38. thế kỉ 20, Rutherford đã mang lại sự mơ tả chính xác thành phần cấu tạo của các nguyên tử: các electron bao xung quanh một nhân nặng nhưng rất nhỏ gồm các proton và neutron. Cĩ lẽ ơng đã dùng từ hơi khác, vì các nhà vật lí lúc ấy nĩi đến các electron quay trong quỹ đạo – chứ khơng đơn thuần là bao quanh hạt nhân của chúng. Tuy nhiên, những phát triển trong lí thuyết lượng tử thuộc thập niên 1920 sẽ đưa các nhà vật lí đến một quan điểm mới về các quỹ đạo electron và bản thân electron. Các nguyên t ử trong ch ất r ắn Trong khi nghiên cứu của Ruterford liên quan đến từng nguyên tử, thì vật chất cấu thành từ nhiều nguyên tử tương tác lẫn nhau. Tính chất của các hợp chất cĩ thể rất khác với tính chất của các nguyên tử tham gia hình thành nên phân tử chất đĩ, và tính chất của cùng một chất ở trạng thái lỏng hoặc rắn rất khác với tính chất của nĩ ở trạng thái khí. Ngày nay, các nhà vật lí nĩi tới vật chất hĩa đặc để phân biệt các trạng thái rắn và lỏng, trong đĩ mỗi nguyên tử hay phân tử liên tục chịu ảnh hưởng của những láng giềng của nĩ, với chất khí, trong đĩ các nguyên tử hay phân tử chuyển động hầu như độc lập với nhau ngoại trừ khi chúng va chạm; nhưng trong phần lớn của thế kỉ 20, họ tập trung chú ý vào các chất rắn và chất lỏng. Như các chương sau sẽ làm sáng tỏ, nghiên cứu trong cái sau này gọi là vật lí chất rắn đã mang lại một số thành tựu cơng nghệ đáng kể. Theo nghĩa rộng, sự khác biệt giữa chất rắn và chất lỏng là sự sắp xếp các nguyên tử hay phân tử của nĩ. Đã lâu trước những năm 1910, điều đã rõ ràng đối với các nhà khoa học là đa số chất rắn hình thành nên những tinh thể. Đá quý và khống chất là những thí dụ nổi bật nhất, nhưng ngay cả muối thường và cát cũng cĩ những cạnh sắc nhọn rõ ràng và cĩ thể cắt (chẻ) theo những hướng nhất định dễ dàng hơn so với những hướng khác. Một số loại tinh thể khác đã được ghi nhận và mơ tả theo hình dạng của mặt phẳng chia tách. Một số chất, thí dụ như thủy tinh, khơng cĩ những hướng ưu tiên. Những chất này được gọi là vơ định hình , nghĩa là “khơng cĩ hình dạng”. Điều thật hợp lí và tự nhiên là hãy giả sử hình trạng kết tinh của chất rắn phản ánh một khuơn mẫu đều đặn trong phương thức các nguyên tử hay phân tử của nĩ hợp lại với nhau và chất lỏng vơ định hình thì khơng cĩ tính đều đặn như thế. Cho nên các nhà vật lí bắt đầu tìm kiếm những cơng cụ cho phép họ khám phá sự sắp xếp bên trong các tinh thể. Họ cần cái gì đĩ nhạy với những thứ nhỏ cỡ khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất rắn. Cái gì đĩ ấy hĩa ra là tia X. Năm 1912, nhà vật lí người Đức Max von Laue (1879– 1960) chứng minh được rằng tinh thể sẽ làm nhiễu xạ, hay phân tán rộng ra, một chùm tia X. Khám phá của ơng tương tự như khám phá năm 1801 của Thomas Young về sự giao thoa ánh sáng. Tia X đi đến chỗ được hiểu là sĩng đện từ cĩ bước sĩng nhỏ cỡ kích thước của một nguyên tử. Dựa trên khám phá này, vị giáo sư vật lí người Anh William H. Bragg (1862–1942) và con trai của ơng ta, William L. (Lawrence) Bragg (1890–1971) đã phát triển những kĩ thuật suy luận ra sự sắp xếp bên trong của các nguyên tử hay phân tử trong chất rắn kết tinh từ hình ảnh nhiễu xạ tia X thu được khi một chùm tia X đi qua chúng. Các nhà vật lí nhanh chĩng nhận ra tầm quan trọng của những khám phá này. Laue được trao giải Nobel Vật lí năm 1914, và cha con nhà Braggs thì vào năm sau đĩ. Thiên văn h ọc và Vũ tr ụ h ọc Trong khi nhiều nhà vật lí đang bận tâm với những hiện tượng ở cấp độ nhỏ nhất – thế giới hạ nguyên tử - thì những người khác đang khảo sát những vật thể lớn nhất trong vũ Lịch s ử V ật lí th ế k ỉ 20 ◊ 26