›
›

Tìm hiểu Giải Nobel Vật lý

pdf 34 trang phuongnguyen 2780
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tìm hiểu Giải Nobel Vật lý", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdftim_hieu_giai_nobel_vat_ly.pdf

Nội dung text: Tìm hiểu Giải Nobel Vật lý

  1. Tìm hiểu Giải Nobel Vật lý
  2. Giải Nobel Vật lý Huy chương giải Nobel vật lý Giải Nobel về vật lý là một trong những giải Nobel được trao hàng năm cho các nhà vật lý và thiên văn cĩ những khám phá và những đĩng gĩp nổi trội trong lĩnh vực vật lý hàng năm. Diễn tiến về các sự nghiên cứu và phát minh dẫn đến các giải Nobel về vật lý được tĩm tắt dưới đây. Trong khi tất cả các nhà vật lý đã đoạt giải này từ 1901 đến nay được liệt kê tại Danh sách những người đoạt giải Nobel Vật lý. Lịch sử Bối cảnh giải Nobel Vật lý Alfred Nobel đã viết trong di chúc cuối cùng rằng ơng để dành tài sản và lấy lãi hàng năm để lập nên 5 giải Nobel (vật lý, hĩa học, hay y học, văn học, và hịa bình) cho "những ai, trong những năm trước khi giải được trao đĩ, đã đưa đến những lợi ích nhất cho con người.", và Giải thưởng cho vật lý và hĩa học sẽ do viện Hàn lâm Thụy Điển trao tặng.[1][2] Dù Nobel đã viết nhiều di chúc trong suốt cuộc đời của ơng, bản di chúc cuối cùng được viết gần 1 năm trước khi ơng qua đời, và ký tại Câu lạc bộ Na Uy-Thụy Điển ở Paris ngày 27 tháng 11 năm 1895.[3][4] Nobel dành 94% tổng giá trị tài sản của mình, 31 triệu krona Thụy Điển (tương đương 186 triệu USD thời điểm năm 2008), để
  3. thiết lập 5 Giải Nobel.[5] Do mức độ hồi nghi quanh di chúc này, mãi đến ngày 26 tháng 4 năm 1897 thì |Storting (Quốc hội Na Uy) mới phê duyệt.[6][7] Từ vật lý cổ điển đến vật lý lượng tử Wilhelm Rưntgen, người đầu tiên đạt giải Nobel Vật lý năm 1901 Năm 1901, khi giải Nobel đầu tiên được trao thì các lĩnh vực của vật lý cổ điển đã dựa trên một nền tảng vững chắc do các nhà vật lý và hĩa học vĩ đại của thế kỉ 19 tạo nên. Tuy vậy, sự thỏa mãn về bức tranh vật lý đĩ kéo dài khơng được bao lâu. Thời điểm bước sang thế kỉ mới là thời điểm quan sát các hiện tượng mà vật lý lúc bấy giờ khơng lý giải được và những ý tưởng cực mới về cơ sở của vật lý lý thuyết được đưa ra. Tia X và phĩng xạ Một trong những hiện tượng khơng giải thích được của vài năm cuối cùng của thế kỉ 19 đĩ là việc Wilhelm Conrad Rưntgen, người được trao giải Nobel vật lý đầu tiên (1901) phát hiện ra tia X vào năm 1895. Năm 1896 Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng phĩng xạ và hai vợ chồng nhà bác học Marie và Pierre Curie tiếp tục nghiên cứu bản chất của hiện tượng này. Nhờ cơng trình về hiện tượng phĩng xạ, Becquerel và vợ chồng Curie được trao giải Nobel năm 1903. Cùng với cơng trình của Ernest Rutherford (người đạt giải Nobel về hĩa học năm 1908) người ta hiểu rằng thực ra nguyên tử bao gồm một hạt nhân rất nhỏ chứ khơng phải như từng được nghĩ như trước đây là một phần tử khơng cĩ cấu trúc.
  4. Cấu trúc nguyên tử Năm 1897, J.J. Thomson (Joseph John Thomson) phát hiện các tia phát ra từ ca-tốt trong một ống chân khơng là những hạt cĩ mang điện tích. Ơng đã chứng minh rằng các tia này gồm những hạt rời rạc mà sau này chúng ta gọi là các hạt điện tử (hay electron). Ơng đã đo tỉ số giữa khối lượng của hạt với điện tích (âm) của hạt đĩ và thấy rằng giá trị đĩ chỉ bằng một phần rất nhỏ so với giá trị dự đốn của các nguyên tử mang điện. Và ngay sau đĩ người ta thấy rằng các hạt cĩ khối lượng nhỏ bé mang điện tích âm đĩ phải là những viên gạch cùng với hạt nhân mang điện tích dương đã tạo nên tất cả các loại nguyên tử. Thomson nhận giải Nobel năm 1906. Trước đĩ một năm (1905), Philipp E.A. von Lenard đã làm sáng tỏ rất nhiều tính chất thú vị của những tia phát ra từ ca-tốt như là khả năng đi sâu vào những tấm kim loại và tạo ra huỳnh quang. Sau đĩ, vào năm 1912, Robert A. Millikan lần đầu tiên đo chính xác điện tích của điện tử bằng phương pháp giọt dầu (tiếng Anh: oil-drop), và việc này dẫn ơng đến giải Nobel năm 1923. Millikan cũng được trao giải cho những cơng trình về hiệu ứng quang điện. Sự phá sản của ê-te Vào đầu thế kỉ 20, Albert Abraham Michelson đã phát triển một phương pháp giao thoa, theo phương pháp này thì khoảng cách giữa hai vật thể cĩ thể được đo bằng số các bước sĩng ánh sáng (hoặc là những phần nhỏ của chúng). Điều này làm cho việc xác định chiều dài chính xác hơn trước đĩ rất nhiều. Dùng chiếc giao thoa kế đĩ, Michelson và Edward Morley đã tiến hành một thí nghiệm nổi tiếng (Thí nghiệm Michelson-Morley, thí nghiệm đĩ kết luận rằng vận tốc ánh sáng khơng phụ thuộc vào chuyển động tương đối của nguồn ánh sáng và người quan sát. Thí nghiệm này bác bỏ giả thuyết trước đĩ coi ê-te là mơi trường truyền ánh sáng. Michelson nhận giải Nobel năm 1907. Nguyên tử và từ trường Các cơ chế phát xạ ánh sáng bởi các hạt tải điện đã được Hendrik Lorentz nghiên cứu. Ơng cũng là người đầu tiên áp dụng các phương trình Maxwell vào việc dẫn điện trong vật chất. Lý thuyết của ơng cĩ thể được áp dụng vào bức xạ gây ra bởi dao động giữa các nguyên tử, và vào bối cảnh đĩ, lý tuyết cĩ thể giải thích một thí nghiệm cực kì quan
  5. trọng. Vào năm 1896, Pieter Zeeman khi nghiên cứu về các hiệu ứng điện từ của ánh sáng đã tìm ra một hiện tượng quan trọng, đĩ là các vạch phổ của natri khi bị đốt cháy trong một từ trường mạnh bị tách thành một vài thành phần. Hiện tượng này cĩ thể được giải thích rất chi tiết bằng lý thuyết của Lorentz khi lý thuyết này được áp dụng cho các dao động của các điện tử. Lorentz và Zeeman chia nhau giải Nobel năm 1902. Sau đĩ, Johannes Stark chứng minh ảnh hưởng trực tiếp của điện trường lên phát xạ ánh sáng nhờ việc phát ra một chùm các nguyên tử (chùm tia a-nốt gồm các nguyên tử hoặc phân tử) trong một điện trường mạnh. Ơng đã quan sát được sự tách phức tạp của các vạch phổ cũng như dịch chuyển Doppler phụ thuộc và vận tốc của nguồn phát. Stark nhận giải Nobel năm 1919. Ứng dụng của tia X và xác định cấu trúc lớp điện tử Bắt đầu từ giữa thế kỉ 19, người ta đã cĩ một tài liệu thực nghiệm đĩ là những vạch phổ đặc trưng phát ra trong những vùng khả kiến từ những loại nguyên tử khác nhau. Bức xạ tia X đặc trưng do Charles Glover Barkla (giải Nobel năm 1917) phát hiện bổ sung thêm cho tài liệu đĩ. Barkla phát hiện điều đĩ sau khi Max von Laue (giải Nobel năm 1914) xác định bản chất sĩng của bức xạ và nhiễu xạ tia X. Phát hiện của von Laue trở thành một nguồn thơng tin quan trọng về cấu trúc bên trong của nguyên tử. Karl Manne Georg Siegbahn nhận thấy rằng đo phổ tia X đặc trưng của tất cả các nguyên tố sẽ cho biết một cách cĩ hệ thống các lớp điện tử kế tiếp được thêm vào như thế nào khi đi từ các nguyên tố nhẹ tới các nguyên tố nặng. Ơng đã thiết kế các quang phổ kế cực kì chính xác cho mục đích này. Và nhờ đĩ sự khác nhau về năng lượng của các lớp điện tử khác nhau cũng như các qui tắc cho việc dịch chuyển bức xạ giữa các lớp đĩ được xác định. Ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1924. Tuy vậy, hĩa ra là để hiểu sâu hơn cấu trúc của nguyên tử, người ta cần nhiều hơn rất nhiều những khái niệm thơng thường của vật lý cổ điển mà lúc bấy giờ, khĩ ai cĩ thể tưởng tượng nổi. Sự ra đời của thuyết lượng tử Vật lý cổ điển coi chuyển động là liên tục cũng như việc trao đổi năng lượng cũng là liên tục. Vậy thì tại sao các nguyên tử lại phát ra những bức xạ cĩ một đỉnh cực đại? Wilhelm
  6. Wien nghiên cứu về bức xạ của vật đen (tiếng Anh: black body) từ những vật rắn nĩng (tương phản với bức xạ của các nguyên tử khí cĩ phân bố tần số liên tục). Sử dụng điện động học cổ điển, ơng đi tới một biểu thức cho phân bố tần số của bức xạ này và cho sự dịch chuyển của bước sĩng cĩ cường độ cực đại khi nhiệt độ của một vật đen bị thay đổi (định luật dịch chuyển Wien, rất hiệu quả trong việc xác định nhiệt độ của Mặt Trời chẳng hạn). Ơng được trao giải Nobel năm 1911. Max Planck, cha đẻ thuyết lượng tử Tuy vậy, Wien khơng thể rút ra một cơng thức phân bố phù hợp với thực nghiệm cho cả hai vùng bước sĩng dài và bước sĩng ngắn. Vấn đề đĩ khơng được giả quyết cho đến khi Max Planck đưa ra một ý tưởng hồn tồn mới là năng lượng phát xạ chỉ phát ra từng lượng gián đoạn cĩ một giá trị nhất định gọi là lượng tử. Một lượng tử năng lượng bằng hằng số Planck nhân với tần số của lượng tử đĩ. Đây được coi là sự ra đời của vật lý lượng tử. Wien nhận giải Nobel năm 1911 và Planck nhận giải Nobel năm 1918. Các bằng chứng quan trọng chứng minh ánh sáng phát ra theo từng lượng tử năng lượng cũng được củng cố bằng lời giải thích của Albert Einstein về hiệu ứng quang điện (được Heinrich Rudolf Hertz quan sát lần đầu tiên vào năm 1887), hiệu ứng này cho thấy ánh sáng khơng chỉ được phát ra theo từng lượng tử mà cịn được hấp thụ theo từng lượng tử. Hiệu ứng quang điện bao gồm phần mở rộng của lý thuyết Planck. Einstein nhận giải Nobel vật lý năm 1921 về hiệu ứng quang điện và về những đĩng gĩp cho vật lý lý thuyết.
  7. Trong các thí nghiệm sau này, James Franck và Gustav Ludwig Hertz đã chứng minh hiệu ứng quang điện ngược (tức là khi một điện tử va chạm với một nguyên tử thì cần một năng lượng tối thiểu để sinh ra các lượng tử ánh sáng với năng lượng đặc trưng phát ra từ va chạm đĩ) và chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết Planck và hằng số Planck. Franck and Hertz cùng nhận giải Nobel năm 1926. Cũng vào khoảng thời gian đĩ, Arthur Compton (người nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1927) nghiên cứu sự mất mát năng lượng của quang tử (lượng tử sĩng điện từ) tia X khi tán xạ lên các hạt vật chất và cho thấy rằng các lượng tử của chùm tia X cĩ năng lượng lớn hơn năng lượng của ánh sáng nhìn thấy 10.000 lần và chúng cũng tuân theo các qui tắc lượng tử. Charles Thomson Rees Wilson (xem dưới đây) nhận một nửa giải Nobel năm 1927 vì tạo ra dụng cụ quan sát tán xạ năng lượng cao cĩ thể được dùng để chứng minh tiên đốn của Compton. Mơ hình nguyên tử của Bohr Mơ hình của Dalton, Thompson, Rutherford, Bohr và mơ hình lượng tử về nguyên tử Niels Bohr làm việc với mơ hình hành tinh nguyên tử trong đĩ các điện tử quay xung quanh hạt nhân. Ơng thấy rằng các vạch phổ sắc nét phát ra từ các nguyên tử cĩ thể được giải thích nếu cho rằng điện tử quay xung quanh hạt nhân trên các quĩ đạo tĩnh đặc trưng bởi một mơ-men gĩc bị lượng tử hĩa. Ơng cũng cho thấy năng lượng phát xạ chính bằng sự khác nhau giữa các trạng thái năng lượng bị lượng tử hĩa đĩ. Giả thiết ơng đưa ra cĩ xuất phát điểm từ vật lý cổ điển hơn là từ lý thuyết của Plank. Mặc dầu giả thiết trên chỉ giải thích được một số đặc điểm đơn giản của quang phổ và nguồn gốc của nĩ nhưng người ta cũng sớm chấp nhận nĩ vì phương pháp của Bohr là một điểm khởi đầu đúng đắn, ơng nhận giải Nobel năm 1922.
  8. Lưỡng tính sĩng-hạt Năm 1923, Louis de Broglie (Louis-Victor P. R. de Broglie) đã phát biểu rằng các hạt vật chất cũng cĩ những tính chất sĩng và rằng sĩng điện từ cũng thể hiện những tính chất của các hạt dưới dạng các quang tử. Ơng đã phát triển các cơng thức tốn học cho tính lưỡng tính này, trong đĩ cĩ một cơng thức mà sau này gọi là bước sĩng de Broglie cho các hạt chuyển động. Các thí nghiệm ban đầu của Clinton Davisson đã chỉ ra rằng thực ra các điện tử thể hiện tính chất phản xạ giống như các sĩng khi đập vào một tinh thể và các thí nghiệm này được lặp lại nhiều lần chứng minh giả thiết lưỡng tính của de Broglie. Một thời gian sau George Paget Thomson (con trai của J.J. Thomson) đã đưa ra nhiều thí nghiệm đã được cải tiến rất nhiều cho biết hiện tượng tán xạ khi các điện tử năng lượng cao đi sâu vào trong các tấm kim loại. De Broglie nhận giải Nobel năm 1929 và sau đĩ Davisson và Thomson chia nhau giải Nobel năm 1937. Erwin Schrưdinger phát triển thêm ý tưởng của de Broglie và viết một bài báo cơ bản về Lượng tử hĩa như là một bài tốn trị riêng vào đầu năm 1926. Ơng đã tạo ra một cái gọi là cơ học sĩng. Nhưng một năm trước đĩ Werner Heisenberg đã bắt đầu một phương pháp tốn học hồn tốn khác gọi là cơ học ma trận và bằng cách đĩ ơng cũng thu được các kết quả tương tự như các kết quả mà Schrưdinger đưa ra sau đĩ. Lý thuyết này cũng ngụ ý rằng cĩ những giới hạn tự nhiên trong việc xác định chính xác đồng thời các đại lượng vật lý Hệ thức bất định Heisenberg. Heisenberg được trao giải Nobel năm 1932 cho sự phát triển của cơ học lượng tử, trong khi đĩ Schrưdinger và Paul Dirac cùng nhận giải vào năm sau đĩ. Dirac sửa đổi các cơng thức khi tính đến lý thuyết tương đối hẹp của Einstein và cho thấy rằng một lý thuyết như vậy khơng chỉ bao gồm những thơng số tương ứng cho sự tự quay của điện tử xung quanh mình, gọi là spin, mà cịn tiên đốn sự tồn tại của một loại hạt hồn tồn mới gọi là các phản hạt cĩ khối lượng bằng khối lượng của điện tử nhưng mang điện tích dương. Phản hạt đầu tiên của điện tử do Carl David Anderson (được trao một nửa giải Nobel năm 1936) phát hiện năm 1932 được gọi là phản điện tử (positron). Nguyên lý loại trừ Max Born, thầy của Heisenberg vào những năm đầu của thập niên 1920 cĩ những đĩng gĩp quan trọng về miêu tả tốn học và giải thích vật lý. Ơng nhận một nửa giả Nobel vào
  9. năm 1954 cho cơng trình của ơng về ý nghĩa thống kê của hàm sĩng. Wolfgang Pauli đã đưa ra nguyên lý loại trừ (mỗi trạng thái lượng tử chỉ cĩ thể cĩ một điện tử mà thơi) dựa trên cơ sở lý thuyết bán cổ điển của Bohr. Sau này, người ta cũng thấy nguyên lý Pauli liên quan đến tính đối xứng của hàm sĩng của các hạt cĩ spin bán nguyên nĩi chung gọi là các fermion để phân biệt với các hạt boson cĩ spin là một số nguyên lần của hằng số Plank chia cho 2*pi. Nguyên lý loại trừ cĩ nhiều hệ quả quan trọng trong nhiều lĩnh vực của vật lý và Pauli nhận giải Nobel năm 1945. Năm 1947, Polykarp Kusch tìm ra rằng mơ-men từ của một điện tử khơng cĩ giá trị đúng như Dirac tiên đốn mà khác với một đại lượng rất nhỏ. Vào cùng thời gian đĩ Willis Lamb cũng nghiên cứu một vấn đề tượng tự về spin của điện tử tương tác với các trường điện từ bằng việc nghiên cứu cấu trúc siêu tinh tế của quang phổ phát ra từ nguyên tử hydrogen. Ơng quan sát thấy rằng sự tách cấu trúc siêu tinh tế luơn luơn sai khác với giá trị của Dirac một lượng đáng kể. Kusch và Lamb cùng nhận giải Nobel năm 1955. Điện động lực học lượng tử và sắc động lực học lượng tử Richard Feynman, người cĩ đĩng gĩp đáng kể cho điện động lực học lượng tử Trong điện động lực học lượng tử (cịn được biết theo chữ viết tắt tiếng Anh là QED - quantum electrodynamics), lý thuyết nhiễu loạn lượng tử miêu tả các hạt tích điện tương tác thơng qua trao đổi các quang tử. Mơ hình cũ của điện động lực học lượng tử chỉ bao gồm trao đổi quang tử riêng lẻ, nhưng Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard Feynman nhận ra rằng tình huống lại phức tạp hơn rất nhiều vì tán xạ điện tử-điện tử cĩ thể bao gồm trao đổi một vài quang tử. Một điện tích điểm trần trụi khơng tồn tại trong bức tranh của họ. Điện tích luơn tạo ra một đám các cặp hạt-phản hạt ảo ở xung quanh nĩ, do đĩ, mơ men từ hiệu dụng của nĩ thay đổi và thế năng Coulomb cũng bị biến đổi tại
  10. các khoảng cách ngắn. Các tính tốn từ mơ hình này đã tái tạo lại các dữ liệu thực nghiệm của Kusch và Lamb với một độ chính xác ngạc nhiên và mơ hình điện động lực học lượng tử mới được coi là một lý thuyết chính xác nhất đã từng cĩ. Tomonaga, Schwinger và Feynman cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1965. Phát triển này của điện động lực học lượng tử lại cĩ một tầm quan trọng vĩ đại nhất cho cả việc miêu tả các hiện tượng vật lý năng lượng cao. Khái niệm sinh cặp từ trạng thái chân khơng của một trường lượng tử là một khái niệm cơ sở trong lý thuyết trường hiện đại của các tương tác mạnh và của sắc động lực học lượng tử (quantum chromodynamics). Khám phá về tính đối xứng Khía cạnh cơ bản khác của cơ học lượng tử và lý thuyết trường lượng tử là tính đối xứng của các hàm sĩng và các trường. Năm 1956, Lý Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) và Dương Chấn Ninh (Chen Ning Yang) đã chỉ ra rằng các tương tác vật lý cĩ thể khơng tuân theo đối xứng gương. Điều này cĩ nghĩa là tính chất chẵn lẻ của hàm sĩng, kí hiệu là P, khơng được bảo tồn khi hệ bị đặt dưới một tương tác như vậy và tính chất đối xứng gương cĩ thể bị thay đổi. Lý và Dương cùng nhận giải Nobel năm 1957. James Watson Cronin và Val Logsdon Fitch phát hiện sự phân rã của hạt meson K vi phạm nguyên lý bảo tồn điện tích và tính chẵn lẻ năm 1964 và họ cùng nhau nhận giải Nobel năm 1980. Năm 1960, khi Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg đưa ra lý thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ. Họ cùng nhau chia giải Nobel năm 1979 về lý thuyết thống nhất này và đặc biệt là tiên đốn của họ về một loại tương tác yếu đặc biệt được điều hịa bởi dịng neutron đã được thực nghiệm kiểm chứng mới gần đây. Giải Nobel vật lý cuối cùng của thế kỷ 20 được trao cho Gerardus 't Hooft và Martinus J. G. Veltman. Họ đã tìm ra cách để tái chuẩn hĩa lý thuyết điện-yếu, và loại bỏ các điểm kỳ dị trong các tính tốn lượng tử. Từ thế giới vi mơ đến thế giới vĩ mơ
  11. Thuyết tương đối Albert Einstein, Cha đẻ của Thuyết tương đối, nhưng lại được trao giải Nobel về Hiệu ứng quang điện Một mối liên hệ khác liên kết các thực thể nhỏ nhất và lớn nhất trong vũ trụ của chúng ta là lý thuyết tương đối của Albert Einstein. Einstein đưa ra thuyết tương đối hẹp của mình lần đầu tiên vào năm 1905 với phương trình cho biết mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng E = mc². Và vào thập kỷ tiếp theo, ơng tiếp tục đưa ra thuyết tương đối rộng liên hệ lực hấp dẫn với cấu trúc của khơng gian và thời gian. Tất cả các tính tốn khối lượng hiệu dụng của các hạt năng lượng cao, của các biến đổi năng lượng trong phân rã phĩng xạ cũng như các tiên đốn của Dirac về sự tồn tại của phản hạt, đều dựa trên lý thuyết tương đối của ơng. Lý thuyết tương đối rộng là cơ sở cho các tính tốn chuyển động trên thang vĩ mơ của vũ trụ, kể cả giả thiết về tính chất của hố đen. Einstein nhận giải Nobel vào năm 1922 lại do cơng trình về hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của ánh sáng. Các đồng vị Ernest Rutherford và Frederick Soddy (Nobel hĩa học 1921) đưa ra lý thuyết biến tố. Họ đã theo dõi rất chi tiết một chuỗi các phân rã phĩng xạ khác nhau và so sánh năng lượng phát ra với sự thay đổi về khối lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân con. Họ tìm thấy rằng
  12. hạt nhân thuộc một nguyên tố hĩa học cĩ thể cĩ các khối lượng khác nhau và họ đã tìm ra các đồng vị. Một giải Nobel cũng được trao vào năm 1922 cho Francis William Aston về việc tách quang phổ - khối lượng của một số lớn các đồng vị của các nguyên tố khơng phĩng xạ. Cùng lúc đĩ Marie Curie cũng nhận giải Nobel lần thứ hai (lần này về hĩa học) về phát hiện ra các nguyên tố hĩa học radi và poloni. Khối lượng của các đồng vị đều là một số nguyên lần khối lượng của proton, hạt proton do Rutherford phát hiện lần đầu tiên khi ơng chiếu tia alpha và hạt nhận nguyên tử nitơ. Nhưng các đồng vị khơng thể chỉ được tạo thành từ các proton được vì mỗi nguyên tố hĩa học chỉ cĩ một giá trị tổng điện tích hạt nhân. Thơng thường các proton chỉ chiếm khơng đến một nửa khối lượng hạt nhân, điều đĩ cĩ nghĩa là một số thành phần khơng mang điện cũng cĩ mặt trong hạt nhân. James Chadwick lần đầu tiên tìm thấy chứng cứ cho hạt đĩ, gọi là hạt neutron khi ơng nghiên cứu các phản ứng hạt nhân năm 1932. Ơng nhận giải Noebel vật lý năm 1935. Ngay sau phát hiện của Chadwick, Enrico Fermi và một số người khác cũng bắt tay vào nghiên cứu neutron như là một phương pháp để tạo ra các phản ứng hạt nhân mà cĩ thể gây ra phĩng xạ "nhân tạo". Fermi thấy rằng xác suất của các phản ứng hạt nhân cảm ứng (khơng bao gồm biến đổi nguyên tố) tăng lên khi neutron bị làm chậm đi và điều này cũng đúng cho các nguyên tố nặng giống như với các nguyên tố nhẹ, trái ngược với phản ứng của các hạt mang điện (ví dụ như proton) cảm ứng. Ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1938. Vật lý hạt nhân Một nhánh của vật lý gọi là vật lý hạt nhân đã được hình thành dựa trên giả thiết hạt nhân được tạo thành từ các proton và neutron và một vài thành tựu quan trọng đã được ghi nhận bằng các giải Nobel. Ernest Lawrence, người nhận giải Nobel vật lý năm 1939 đã xây máy gia tốc đầu tiên trong đĩ các hạt được gia tốc dần dần bằng việc gia tăng năng lượng cho hạt sau mỗi vịng quay trong từ trường. Sir John Cockcroft và Ernest Walton đã gia tốc các hạt bằng việc tác động trực tiếp một điện thế rất cao và các ơng cũng được trao giải vào năm 1951 cho cơng trình nghiên cứu về biến tố.
  13. Otto Stern nhận giải Nobel vật lý năm 1943 cho các phương pháp thực nghiệm của ơng để nghiên cứu tính chất từ của hạt nhân, đặc biệt là xác định mơ men từ của proton. Isidor I. Rabi làm tăng độ chính xác lên hai bậc trong việc xác định mơ men từ của hạt nhân bằng kỹ thuật cộng hưởng tần số vơ tuyến, và do đĩ, ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1944. Sau đĩ, vào nửa cuối của thế kỷ một vài nhà vật lý lý thuyết được trao giải cho những cơng trình về mơ hình hĩa lý thuyết các hệ nhiều hạt như: Eugene Wigner, Maria Goeppert-Mayer và J. Hans D. Jensen vào năm 1963 và Aage Niels Bohr, Ben Roy Mottelson và Leo James Rainwater vào năm 1975. Vật lý năng lượng cao Ngay từ năm 1912 Victor F. Hess (giải Nobel năm 1936 cùng với Carl David Anderson) thấy rằng các bức xạ cĩ khả năng đi sâu vào vật chất cĩ thể đến với chúng ta từ khoảng khơng ngồi vũ trụ. Bức xạ vũ trụ này được ghi nhận bằng các buồng ion hĩa và sau này là buồng mây Wilson. Các tính chất của các hạt cĩ thể phỏng đốn từ các vạch cong của các hạt để lại trong buồng ion hĩa dưới tác dụng của từ trường ngồi rất lớn. Theo cách đĩ, Anderson đã phát hiện ra phản điện tử (positron). Anderson và Patrick Blackett cho thấy rằng, tia gamma cĩ thể sinh ra các cặp điện tử-phản điện tử (electron-positron) và ngược lại, điện tử và phản điện tử cĩ thể hủy nhau tạo ra chính tia gamma bị mất đi. Blackett nhận giải Nobel vật lý năm 1948 cho việc phát triển buồng mây sau này và các phát minh mà ơng đã thực hiện để làm việc đĩ. Mặc dù sau này, các máy gia tốc được phát triển nhiều, bức xạ vũ trụ vẫn là nguồn chủ yếu của các hạt năng lượng cao trong vài thập kỷ (và hạt từ bức xạ vũ trụ cĩ năng lượng lớn hơn năng lượng của các hạt tạo ra từ các máy gia tốc lớn nhất trên trái đất, mặc dù cường độ của bức xạ vũ trụ rất nhỏ) và nĩ đã cung cấp những hình ảnh ban đầu của một thế giới hạ hạt nhân mà lúc bấy giờ con người hồn tồn chưa biết. Một loại hạt mới gọi là meson được phát hiện năm 1937 cĩ khối lượng xấp xỉ 200 lần khối lượng điện tử (nhưng nhẹ hơn proton 10 lần). Năm 1946, Cecil Frank Powell đã làm sáng tỏ hiện tượng trên và cho rằng thực ra là cĩ cĩ hơn một loại hạt như vậy tồn tại. Một trong số đĩ cĩ tên là meson pi phân rã thành một hạt khác gọi là meson muy. Powell nhận giải Nobel vật lý năm 1950.
  14. Hạt cơ bản Năm 1935, Hideki Yukawa giả thiết rằng lực tương tác mạnh cĩ thể được truyền bằng các hạt trao đổi, giống như lực điện từ được giả thiết được truyền thơng qua trao đổi các quang tử ảo trong lý thuyết trường lượng tử. Yukawa cho rằng một hạt như vậy phải cĩ khối lượng khoảng 200 lần khối lượng của điện tử để giải thích tầm tác dụng ngắn của lực tương tác mạnh mà thực nghiệm tìm ra. Hạt meson pi mà Powell tìm ra cĩ các tính chất phù hợp để cĩ thể là hạt Yukawa. Ngược lại, hạt meson mu lại cĩ các tính chất hồn tồn khác (và tên của nĩ sau này được đổi thành muon). Yukawa nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1949. Mặc dù các nghiên cứu sau này chỉ ra rằng cơ chế của lực tương tác mạnh phức tạp hơn bức tranh của Yukawa rất nhiều nhưng ơng vẫn được coi là tiên phong trong nhiên cứu các hạt truyền tương tác mạnh. David J. Gross, H. David Politzer và Frank Wilczeck là chủ nhân của giải Nobel vật lý năm 2004 với những khám phá về lực hạt nhân mạnh. Nghiên cứu của họ chỉ ra rằng, khơng giống như các lực khác, lực tương tác mạnh lại suy yếu đi khi hai quark tiến về một chỗ. Hiện tượng đĩ giống như thể các hạt được nối với nhau bằng một dải cao su, mà lực kéo giữa chúng càng mạnh khi chúng càng ở xa nhau. Phát hiện của ba nhà nghiên cứu này, cơng bố năm 1973, đã dẫn đến lý thuyết về sắc động lực học lượng tử - lý thuyết gĩp phần quan trọng cho sự ra đời của Mơ hình Chuẩn. Vào cuối những năm 1950, các máy gia tốc cĩ thể đạt năng lượng vài tỉ eV (electron- volt), tức là các cặp hạt với khối lượng bằng khối lượng của proton cĩ thể được tạo ra từ chuyển đổi năng lượng-khối lượng. Phương pháp này được nhĩm nghiên cứu của Owen Chamberlain và Emilio Segrè sử dụng khi lần đầu tiên họ đã xác định và nghiên cứu phản proton vào năm 1955 (học chia nhau giải Nobel năm 1959). Các máy gia tốc năng lượng cao cũng cho phép cũng cho phép nghiên cứu cấu trúc của proton và neutron chi tiết hơn trước đĩ rất nhiều và Robert Hofstadter cĩ thể phân biệt chi tiết cấu trúc điện từ của các nucleon nhờ quan sát tán xạ của chúng lên các điện tử năng lượng cao. Ơng nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1961. Sự tồn tại của hạt neutrino tiên đốn từ lý thuyết của Pauli vào những năm 1930 cũng đã được ghi nhận. Các bằng chứng trực tiếp thực nghiệm đầu tiên về hạt neutrino được
  15. Clyde Cowan và Frederick Reines cung cấp vào năm 1957 nhưng mãi đến năm 1995, cơng trình đĩ mới được trao một nửa giải Nobel (lúc đĩ Cowan đã chết, ơng chết năm 1984). Neutrino cũng cĩ mặt trong các quá trình liên quan đến tương tác yếu (như là phân rã của hạt betha và hạt meson pi thành hạt muon) và khi cường độc chùm hạt tăng lên, các máy gia tốc cĩ thể tạo ra các chùm neutrino thứ cấp. Leon M. Lederman, Melvin Schwartz và Jack Steinberger đã phát triển phương pháp này vào những năm 1960 và chứng minh rằng hạt neutrino đi kèm trong phân rã meson pi thành muon khơng đồng nhất với các neutrino liên quan đến các điện tử trong phân rã hạt betha, chúng là hai hạt riêng biệt gọi là hạt neutrino điện tử và neutrino muon. Giải Nobel vật lý năm 2002 được trao cho Riccardo Giacconi, Masatoshi Koshiba và Raymond Davis Jr. vì cĩ cơng thu được các hạt neutrino, khẳng định bằng thực nghiệm sự cĩ mặt của hạt này. - Hạt điện tử (e ), hạt muon (μ), neutrino điện tử (νe), neutrino muon (νμ) và các phản hạt của chúng đã được tìm thấy và chúng thuộc cùng một lớp gọi là lepton. Các hạt trên khơng tương tác bởi lực tương tác mạnh; ngược lại, các hạt proton, neutron, meson và hyperon (tập hợp các hạt cĩ khối lượng lớn hơn khối lượng của proton) lại được xác định bởi lực tương tác mạnh. Các hạt lepton được mở rộng khi Martin Lewis Perl và nhĩm nghiên cứu của ơng đã phát hiện ra hạt lepton tau cĩ khối lượng lớn hơn điện tử và muon. Perl chia giải Nobel với Reines vào năm 1995. Hạt quark Tất cả các lepton vẫn được coi là các hạt cơ bản, tức là chúng giống như các điểm và khơng cĩ cấu trúc nội, nhưng đối với proton, thì lại khơng phải vậy. Murray Gell-Mann và nhiều người khác cố gắng phân loại các hạt tương tác rất mạnh (gọi là các hadron) thành các nhĩm cĩ các liên hệ và kiểu tương tác giống nhau. Gell-Mann nhận giải Nobel năm 1969. Hệ thống của ơng dựa trên giả thiết rằng tất cả các hạt đều được tạo thành từ các hạt nguyên tố gọi là các hạt quark. Bằng chứng thực về việc các nucleon được tạo thành từ các hạt giống như quark đến từ cơng trình của Jerome Isaac Friedman, Henry Way Kendall và Richard Edward Taylor. Họ "nhìn thấy" các hạt cứng bên trong các lepton khi nghiên cứu tán xạ khơng đàn hồi của các điện tử lên các lepton. Do đĩ, họ cùng nhau chia giải Nobel năm 1990.
  16. Người ta hiểu rằng tất cả các hạt tương tác mạnh đều được tạo thành từ các quark. Vào giữa những năm 1970, một hạt cĩ thời gian sống rất ngắn được phát hiện một cách độc lập bởi nhĩm của Burton Richter và Samuel C. C. Ting. Đĩ là một loại hạt quark chưa được biết vào lúc đĩ và được đặt tên là quark đẹp (charm). Hạt quark này khơng cĩ mối liên hệ nào đến hệ thống các hạt cơ bản và Richter và Ting chia nhau giải Nobel năm 1976. Mơ hình chuẩn trong vật lý hạt phân chia các hạt thành 3 họ, họ thứ nhất gồm: 2 quark (và các phản quark) và hai lepton, trong mỗi lepton đều cĩ các quark thuận và nghịch, điện tử và neutrino điện tử; họ thứ hai gồm: quark lạ (strange) và quark đẹp, muon và neutrino muon; họ thứ ba gồm: quark thuận, quark nghịch, tau và tau neutrino. Các hạt truyền tương tác trong tương tác điện yếu là photon, Z boson và W boson; trong tương tác mạnh là các hạt gluon. Năm 1983, Carlo Rubbia và nhĩm nghiên cứu của ơng đã chứng minh sự tồn tại của các hạt W và Z bằng buồng va chạm proton-phản proton với năng lượng đủ cao để tạo ra các hạt rất nặng đĩ. Rubbia chia giải năm 1984 với Simon van der Meer, người cĩ những phát minh quan trọng trong việc xây dựng buồng va chạm đĩ. Họ cũng suy đốn rằng cĩ các hạt khác cĩ thể được tạo ra tại các năng lượng cao hơn năng lượng của các máy gia tốc hiện thời, nhưng đến giờ khơng cĩ bằng chứng thực nghiệm nào về điều đĩ. [sửa] Vũ trụ học Mơ hình vụ nổ lớn miêu tả một kịch bản cĩ thể cho sự tiến hĩa của vũ trụ tại những thời điểm đầu tiên. Một trong những tiên đốn của mơ hình đĩ là sự tồn tại của nền bức xạ vũ trụ mà đã được Arno Allan Penzias và Robert Woodrow Wilson tìm ra vào năm 1960. Họ cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1978. Hans Bethe lần đầu tiên miêu tả chu kì hiđrơ và cacbon trong đĩ năng lượng được giải phĩng trong các ngơi sao bởi sự kết hợp của proton thành hạt nhân hêli. Vì đĩng gĩp này, ơng nhận giải Nobel vật lý vào năm 1967. Subramanyan Chandrasekhar đã tính tốn lý thuyết quá trình tiến hĩa của các ngơi sao, đặc biệt là các ngơi sao sẽ kết thúc cuộc đời của mình ở một trạng thái gọi là sao lùn trắng. Dưới một số điều kiện đặc biệt, sản phẩm cuối cùng cĩ thể là sao neutron, một vật
  17. thể cực đặc trong đĩ tất cả các proton biến thành neutron. Trong các vụ nổ siêu sao, các nguyên tố nặng được tạo ra trong quá trình tiến hĩa của các sao sẽ bay vào trong khoảng khơng vũ trụ. William Afred Fowler đã làm sáng tỏ rất chi tiết cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm các phản ứng hạt nhân quan trọng nhất trong các ngơi sao và sự hình thành các nguyên tố nặng. Fowler và Chandrasekhar cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1983. Thiên văn vơ tuyến cung cấp các thơng tin về các vật thể vũ trụ mà chúng ta khơng thể quan sát được bằng phổ quang học. Sir Martin Ryle đã phát triển một phương pháp trong đĩ các tín hiệu từ vài kính thiên văn đặt cách xa nhau cĩ thể kết hợp với nhau để làm tăng độ phân giải của bản đồ nguồn sĩng radio từ bầu trời. Antony Hewish và nhĩm nghiên cứu của ơng đã thực hiện một phát minh rất ngẫu nhiên vào năm 1964 khi sử dụng kính thiên văn của Ryle: các vật thể khơng xác định gọi là pulsar phát ra các xung tần số sĩng vơ tuyến với tốc độ lặp lại rất xác định. Ryle và Hewish chia giải Nobel vật lý năm 1974. Năm 1974 cuộc tìm kiếm pulsar là đối tượng chính của các nhà thiên văn vơ tuyến, nhưng một bất ngờ khác đã đến vào mùa hè năm đĩ khi Russell Alan Hulse và Joseph Hooton Taylor, Jr. đã chú ý đến sự điều biến chu kì của tần số các xung của một pulsar mới được phát hiện gọi là PSR 1913+16. Đĩ chính là pulsar đơi đầu tiên được ghi nhận, nĩ được đặt tên như vậy bởi vì sao neutron phát ra sĩng radio là một thành phần trong một hệ sao đơi cĩ kích thước gần bằng nhau. Các quan sát trên 20 năm về hệ sao này cho thấy bằng chứng của sĩng hấp dẫn. Sự suy giảm của tần số quay rất phù hợp với các tính tốn dựa trên lý thuyết của Einstein về mất mát năng lượng gây ra do phát ra sĩng hấp dẫn. Hulse và Taylor chia nhau giải Nobel vật lý vào năm 1993. Tuy vậy việc thu trực tiếp sĩng hấp dẫn trên Trái Đất vẫn chưa được thực hiện. [sửa] Từ đơn giản đến phức tạp [sửa] Hạt nhân nguyên tử Để đơn giản hĩa, người ta coi hạt nhân nguyên tử, theo một phép gần đúng bậc một, được tạo thành từ các hạt nucleon. Mơ hình đầu tiên về cấu trúc hạt nhân là mơ hình các lớp hạt nhân do Maria Goeppert-Mayer và Johannes D. Jensen đưa ra vào cuối những năm 1940. Họ nhận thấy rằng ít nhất đối với các hạt nhân với hình gần như hình cầu thì các
  18. nucleon bên ngồi cùng cũng lấp đầy các mức năng lượng giống như các điện tử trong nguyên tử. Tuy vậy, trật tự của các nucleon lại khác với các điện tử và được xác định bởi một thế năng chung và bởi sự kết cặp spin-quĩ đạo rất mạnh của các lực hạt nhân. Mơ hình của họ giải thích tại sao hạt nhân lại đặc biệt ổn định với một số xác định (con số kì diệu) các proton. Họ chia nhau giải Nobel vật lý năm 1963 cùng với Eugene Wigner, người đã cơng thức hĩa các nguyên lý đối xứng cơ bản rất quan trọng trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt. Hạt nhân cĩ số nucleon khác với con số kì diệu thì lại khơng phải là hình cầu. Niels Bohr đã từng nghiên cứu mơ hình giọt chất lỏng áp dụng cho các hạt nhân bị biến dạng như vậy (cĩ thể cĩ dạng hình e-líp), và vào năm 1939 người ta thấy rằng nếu kích thích các hạt nhân bị biến dạng mạnh cĩ thể dẫn đến sự phân chia hạt nhân, tức là hạt nhân bị phá vỡ thành hai mảnh lớn. Otto Hahn nhận giải Nobel hĩa học năm 1944 cho phát hiện quá trình mới này. Hình phi cầu của hạt nhân biến dạng sinh thêm các bậc tự do cũng giống như sự dao động tập thể của các hạt nhân. James Rainwater, Aage Bohr (con trai của Niels Bohr) và Ben Mottelson đã phát triển các mơ hình miêu tả các kích thích hạt nhân và họ cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1975. Các mơ hình về hạt nhân được nhắc đến trên đây khơng chỉ dựa trên các nguyên lý chung, cĩ tính định hướng mà cịn dựa trên các thơng tin ngày càng tăng về phổ hạt nhân. Harold C. Urey đã phát hiện ra deuterium, một đồng vị nặng của hydrogen và, vì thế, ơng được trao giải Nobel về hĩa học vào năm 1934. Fermi, Lawrence, Cockcroft và Walton, được nhắc đến ở phần trước, đã phát triển các phương pháp để tạo ra các đồng vị hạt nhân khơng bền. Edwin M. McMillan và Glenn T. Seaborg nhận giải Nobel hĩa học năm 1951 vì đã mở rộng bảng đồng vị hạt nhân tới các nguyên tố nặng nhất. Năm 1954, Walther Bothe và Max Born (được nhắc đến ở trên) nhận giải Nobel vật lý vì phát triển phương pháp trùng hợp cho phép những người nghiên cứu quang phổ cĩ thể lựa chọn các chuỗi bức xạ hạt nhân cĩ liên quan từ phân rã hạt nhân.
  19. Nguyên tử Một bài tốn cĩ từ lâu vẫn chưa được giải quyết là các vấn đề tốn học liên quan đến các tương tác lẫn nhau giữa các điện tử sau khi tính đến lực hút của các hạt nhân mang điện tích dương. Một khía cạnh của vấn đề này đã được đề cập bởi một trong những người đạt giải Nobel hĩa học mới đây (1998), đĩ là Walter Kohn. Ơng đã phát triển phương pháp hàm mật độ cĩ thể áp dụng vào các nguyên tử tự do cũng như áp dụng cho các điện tử trong các phân tử và trong chất rắn. Vào đầu thế kỉ 20, bảng tuần hồn nguyên tố hĩa học vẫn chưa hồn thiện. Lịch sử ban đầu của giải Nobel bao gồm các phát hiện một số các nguyên tố cịn thiếu. Lord Raleigh đã chú ý đến những dị thường về khối lượng nguyên tử tương đối khi các mẫu ơxy và nitơ được tách trực tiếp từ khơng khí quanh ta chứ khơng phải tách chúng từ các thành phần hĩa học. Ơng kết luận rằng khí quyển phải cĩ chứa thành phần chưa biết, đĩ là nguyên tố argon, cĩ khối lượng nguyên tử là 20. Ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1904, cùng năm với Sir William Ramsay nhận giải Nobel hĩa học vì đã tách được nguyên tố hêli. Trong nửa cuối của thế kỉ 20, đã cĩ một sự phát triển vượt bậc về phổ và độ chính xác nguyên tử, mà nhờ đĩ người ta cĩ thể đo được các dịch chuyển giữa các trạng thái nguyên tử, hoặc phân tử, rơi vào vùng vi sĩng hoặc vùng ánh sáng khả kiến. Vào những năm 1950, Alfred Kastler (giải Nobel năm 1966) và các đồng nghiệp cho thấy các điện tử trong các nguyên tử cĩ thể được đặt vào các trạng thái kích thích lọc lựa bằng các sử dụng ánh sáng phân cực. Sau phân rã phĩng xạ, ánh sáng phân cực cũng cĩ thể làm cho spin của các nguyên tử ở trạng thái cơ bản định hướng. Cảm ứng dịch chuyển tần số vơ tuyến đã mở ra các khả năng đo một cách chính xác hơn trước rất nhiều các tính chất của các trạng thái bị lượng tử hĩa của các điện tử trong nguyên tử. Một hướng phát triển song song đã dẫn đến việc phát hiện ra maser và laser dựa trên khuyếch đại phát xạ kích thích sĩng vơ tuyến trong các trường sĩng điện từ ở vùng vi sĩng và khả kiến – các hiệu ứng mà về mặt nguyên lý đã được tiên đốn từ các
  20. phương trình của Einstein vào năm 1917 nhưng đã khơng được quan tâm đặc biệt cho đến tận đầu những năm 1950. Charles H. Townes đã phát triển maser đầu tiên vào năm 1958. Nikolay G. Basov và Aleksandr M. Prokhorov đã thực hiện cơng trình lý thuyết về nguyên lý maser. Maser đầu tiên sử dụng một dịch chuyển kích thích trong phân tử ammonium. Nĩ đã phát ra bức xạ vi sĩng mạnh khơng giống như các bức xạ tự nhiên (với các quang tử cĩ các pha khác nhau). Độ sắc nét của tần số của maser ngay lập tức trở thành một cơng cụ quan trọng trong kĩ thuật, xác định thời gian và các mục đích khác. Townes nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1964, Basov và Prokhorov chia nhau một nửa giải cịn lại. Đối với bức xạ khả kiến, sau này laser được phát triển trong một số phịng thí nghiệm. Nicolaas Bloembergen và Arthur L. Schawlow được nhận nửa giải Nobel năm 1981 cho cơng trình nghiên cứu về phổ laser chính xác của các nguyên tử và phân tử. Một nửa giải của năm đĩ được trao cho Kai M. Siegbahn (con trai của Manne Siegbahn), người đã phát triển một phương pháp cĩ độ chính xác cao trong việc xác định phổ nguyên tử và phân tử dựa vào các điện tử phát ra từ các lớp điện tử bên trong khi bị tác động của chùm tia X cĩ năng lượng đã được xác định. Phổ điện tử của ơng được sử dụng làm cơng cụ phân tích trong rất nhiều ngành của vật lý và hĩa học. Norman F. Ramsey đã phát triển các phương pháp chính xác dựa trên sự hưởng ứng của các điện tử tự do trong chùm nguyên tử với trường điện từ tần số vơ tuyến, Wolfgang Paul đã phát minh ra các bẫy nguyên tử tạo thành từ các điện trường và từ trường tác động lên tồn bộ thể tích mẫu. Nhĩm nghiên cứu của Hans G. Dehmelt là những người đầu tiên cách ly được các hạt riêng lẻ (trong trường hợp này là các phản điện tử) cũng như là các nguyên tử riêng lẻ trong các bẫy như vậy. Lần đầu tiên, các nhà thực nghiệm cĩ thể "giao tiếp" được với các nguyên tử riêng biệt bằng các tín hiệu vi sĩng và laser. Điều này cho phép nghiên cứu các khía cạnh mới của tính chất cơ học lượng tử và làm tăng độ chính xác hơn nữa trong việc xác định tính chất nguyên tử và chuẩn hĩa thời gian. Paul và Dehmelt nhận một nửa giải Nobel năm 1989 và nửa cịn lại được trao cho Ramsey.
  21. Bước cuối cùng trong tiến bộ này là làm cho các nguyên tử trong các bẫy như vậy chuyển động chậm đến mức, ở trạng thái cân bằng nhiệt trong mơi trường khí, chúng cĩ thể tương ứng với nhiệt độ chỉ vài micro Kenvin. Điều đĩ được thực hiện bằng cách cho chúng vào để làm nguội bằng laser thơng qua một tập hợp các hệ thống được thiết kế rất thơng minh do Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji và William D. Phillips thực hiện khi nhĩm này nghiên cứu thao tác lên các nguyên tử thơng qua quá trình va chạm với các quang tử laser. Cơng trình của họ được nhìn nhận bằng giải Nobel năm 1997. Phân tử và plasma Các phân tử tạo thành từ các nguyên tử. Chúng tạo ra mức phức tạp tiếp theo khi nghiên cứu các hệ nhiều hạt. Nhưng các nghiên cứu phân tử thường được coi như một nhánh của hĩa học và hiếm khi được trao giải Nobel về vật lý. Chỉ cĩ một ngoại lệ đĩ là cơng trình của Johannes Diderik van der Waals, ơng đã đưa ra các phương trình trạng thái của các phân tử cho chất khí khi tính đến tương tác lẫn nhau giữa các phân tử và sự giảm thể tích tự do gây ra bởi kích thước hữu hạn của chúng. Các phương trình van der Waals là những điểm rất quan trọng trong việc miêu tả quá trình ngưng tụ của các chất khí thành chất lỏng. Ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1910. Jean B. Perrin nghiên cứu chuyển động của các hạt nhỏ phân tán trong nước và nhận giải Nobel năm 1926. Nghiên cứu của ơng cho phép khẳng định lý thuyết thống kê của Einstein về chuyển động Brown cũng như các định luật điều khiển quá trình cân bằng của các hạt phân tán trong chất lỏng khi chịu tác dụng của trọng lực. Năm 1930, Sir C. Venkata Raman nhận giải Nobel vật lý cho các quan sát của ơng chứng tỏ rằng ánh sáng tán xạ từ các phân tử bao gồm các thành phần cĩ tần số bị dịch chuyển tương ứng với ánh sáng đơn sắc. Sự dịch chuyển này gây bởi sự tăng hoặc giảm năng lượng đặc trưng của phân tử khi chúng thay đổi chuyển động quay hoặc dao động. Phổ Raman nhanh chĩng trở thành nguồn thơng tin quan trọng cung về cấu trúc và động học phân tử. Plasma là trạng thái khí của vật chất trong đĩ các nguyên tử hoặc phân tử bị ion hĩa rất mạnh. Lực điện từ giữa các ion dương và giữa các ion và điện tử đĩng một vai trị nổi
  22. trội, điều này làm tăng tính phức tạp khi nghiên cứu plasma so với nguyên tử hoặc phân tử trung tính. Năm 1940, Hannes Alfvén đã chứng minh rằng một loại chuyển động tập thể mới, gọi là sĩng từ-thủy động lực học cĩ thể được sinh ra trong các hệ plasma. Các sĩng này đĩng một vai trịn quan trọng xác định tính chất của plasma, trong phịng thí nghiệm cũng như trong khí quyển Trái Đất và trong vũ trụ. Alfvén nhận nửa giải Nobel năm 1970. Vật lý chất rắn Cấu trúc tinh thể Các tinh thể được đặc trưng bởi sự xắp xếp đều đặn của các nguyên tử. Sau khi phát hiện ra tia X khơng lâu, Max von Laue nhận thấy rằng, các tia X bị tán xạ khi đi qua các tinh thể chất rắn giống như ánh sáng đi qua một cách tử quang học. Cĩ hiện tượng này là do bước sĩng của tia X thơng thường trùng với khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất rắn. Sir William Henry Bragg (cha) và William Lawrence Bragg (con) lần đầu tiên dùng tia X để đo khoảng cách giữa các nguyên tử và phân tích sự sắp xếp hình học của các nguyên tử trong các tinh thể đơn giản. Vì các cơng trình tiên phong trong việc nghiên cứu tinh thể học bằng tia X, họ được trao giải Nobel vật lý, Laue năm 1914 và cha con Bragg năm 1915. Cấu trúc của tinh thể là trạng thái ổn định nhất trong nhiều trạng thái rắn mà nguyên tử cĩ thể được xắp xếp tại nhiệt độ và áp suất thơng thường. Vào những năm 1930, Percy W. Bridgman đã phát minh ra các dụng cụ mà nhờ đĩ cĩ thể nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc tinh thể, tính chất điện, từ, nhiệt của chất rắn dưới áp suất cao. Rất nhiều tinh thể thể hiện các chuyển pha dưới các điều kiện đặc biệt như vậy. Sự sắp xếp hình học của các nguyên tử bị thay đổi đột ngột tại áp suất nhất định. Bridgman nhận giải Nobel vật lý năm 1946 cho các phát minh trong lĩnh vực vật lý áp suất cao. Vào những năm 1940, nhờ sự phát triển của các máy phản ứng phân rã hạt nhân, các nhà thực nghiệm cĩ thể thu được các neutron năng lượng thấp. Người ta cũng thấy rằng, giống như tia X, các neutron cũng rất hiệu quả trong việc xác định cấu trúc tinh thể bởi vì bước sĩng de Broglie của hạt nhân cũng cỡ khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất
  23. rắn. Clifford G. Shull đã cĩ nhiều đĩng gĩp cho sự phát triển kĩ thuật nhiễu xạ neutron trong việc xác định cấu trúc tinh thể, và cũng cho cho biết rằng, sự sắp xếp của các mơ men từ nguyên tử trong các vật liệu cĩ trật tự từ cĩ thể làm tăng nhiễu xạ neutron, cung cấp một cơng cụ rất mạnh để xác định cấu trúc từ. Shull nhận giải Nobel vật lý năm 1994 cùng với Bertram N. Brockhouse, chuyên gia về một khía cạnh khác của tán xạ neutron trên chất rắn: khi các neutron kích thích kiểu dao động tử mạng trong tinh thể gây ra suy giảm năng lượng. Do đĩ, Brockhouse đã phát triển máy phổ neutron 3 chiều, nhờ đĩ cĩ thể thu được tồn vẹn các đường cong tán sắc (năng lượng của dan động tử mạng là một hàm của véc tơ sĩng). Các đường cong tương tự cĩ thể thu được đổi với dao động tử từ (magnon). Tính chất từ của chất rắn John H. Van Vleck cĩ đĩng gĩp đặc biệt cho lý thuyết từ học trong chất rắn vào những năm sau khi cơ học lượng tử ra đời. Ơng đã tính tốn các ảnh hưởng của liên kết hĩa học lên các nguyên tử thuận từ và giải thích sự phụ thuộc vào nhiệt độ và từ trường ngồi của tính chất từ. Đặc biệt ơng đã phát triển lý thuyết trường tinh thể của các hợp chất của các kim loại chuyển tiếp, đĩ là điều vơ cùng quan trọngtrong việc tìm hiểu các tâm hoạt động trong các hợp chất dùng cho vật lý laser cũng như sinh học phân tử. Ơng cùng nhận giải Nobel vật lý với Philip W. Anderson và Sir Nevill F. Mott (xem dưới đây). Các nguyên tử từ cĩ thể cĩ các mơ men từ sắp xếp theo cùng một phương trong một thể tích nhất định (vật liệu như vậy được gọi là vật liệu sắt từ), hoặc các mơ men cĩ cùng độ lớn nhưng lại sắp xếp đan xen thuận rồi đến nghịch (vật liệu nghịch từ, vật liệu phản sắt từ), hoặc sắp xếp đan xen nhưng độ lớn lại khác nhau (vật liệu ferri từ). Louis E. F. Néel đã đưa ra các mơ hình cơ bản miêu tả các vật liệu phản sắt từ và ferri từ, đĩ là các thành phần quan trọng trong nhiều dụng cụ chất rắn. Các vật liệu đĩ được nghiên cứu rất nhiều bằng kĩ thuật nhiễu xạ neutron đã nĩi trên đây. Néel nhận một nửa giải Nobel vật lý năm 1970. Trật tự của các nguyên tử trong tinh thể chất rắn cũng như rất nhiều loại trật tự từ khác nhau là những ví dụ của các hiện tượng trật tự nĩi chung trong tự nhiên khi các hệ tìm
  24. thấy sự sắp xếp sao cho cĩ lợi về mặt năng lượng bằng cách chọn những trạng thái đối xứng nhất định. Các hiện tượng tới hạn, là các hiện tượng mà tính đối xứng sắp bị thay đổi (ví dụ khi nhiệt độ thay đổi chẳng hạn), cĩ tính phổ quát cao cho các loại chuyển pha khác nhau, mà trong đĩ bao gồm cả chuyển pha từ. Kenneth G. Wilson, người nhận giải Nobel vật lý năm 1982, đã phát triển một lý thuyết gọi là lý thuyết tái chuẩn hĩa cho các hiện tượng tới hạn liên hệ với các chuyển pha, một lý thuyết cịn được ứng dụng trong lý thuyết trường của vật lý hạt cơ bản. Năm 2007, giải Nobel Vật lý được trao Albert Fert và Peter Grunberg cho thành tựu phát minh ra hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, một hiệu ứng quan trọng cho sự phát triển của kỹ thuật máy tính, và là nền tảng cho một ngành mới ra đời là spintronics. Tinh thể lỏng Các tinh thể lỏng tạo ra một lớp vật liệu đặc biệt cĩ rất nhiều đặc tính lý thú, trên cả quan điểm tương tác cơ bản trong chất rắn cũng như các ứng dụng kĩ thuật. Pierre-Gilles de Gennes đã phát triển lý thuyết cho tinh thể lỏng và sự chuyển giữa các pha cĩ độ trật tự khác nhau. Ơng cũng sử dụng cơ học thống kê để mơ tử sự sắp xếp và động lực học của các chuỗi polymer, và bằng cách đĩ cho thấy rằng các phương pháp được phát triển cho các hiện tượng trật tự trong các hệ đơn giản cĩ thể được khái quát hĩa cho các hệ phức tạp cĩ mặt trong chất rắn mềm. Vì đĩng gĩp đĩ, ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1991. Một dạng chất lỏng đặc biệt đã được quan tâm nghiên cứu đĩ là chất lỏng hêli. Tại áp suất thơng thường, hêli là chất hĩa lỏng ở nhiệt độ thấp nhất. Hêli cũng cĩ hiệu ứng đồng vị mạnh nhất, từ hêli (4) hĩa lỏng ở nhiệt độ 4,2 Kelvin, cho đến hêli (3) hĩa lỏng ở nhiệt độ 3,2 Kelvin. Heike Kamerlingh-Onnes là người đầu tiên hĩa lỏng hêli vào năm 1909. Ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1913 cho các kết quả của hêli lỏng và cho các nghiên cứu của ơng về tính chất của vật chất tại nhiệt độ thấp. Lev D. Landau đã đưa ra các khái niệm cơ bản (ví dụ như chất lỏng Landau) liên quan đến các hệ nhiều hạt trong chất rắn và áp dụng các khái niệm đĩ vào lí thuyết hêli lỏng để giải thích các hiện tượng đặc biệt của hêli (4) như là hiện tượng siêu chảy (xem dưới đây), kích thích roton và các hiện tượng âm học. Ơng được trao giải Nobel năm 1962.
  25. Tại nhiệt độ cực thấp Vào những năm 1920 và 1930, Pyotr L. Kapitsa đã phát triển một số kĩ thuật thực nghiệm để thực hiện và nghiên cứu các hiện tượng ở nhiệt độ thấp. Ơng nghiên cứu nhiều khía cạnh của hêli (4) lỏng và cho thấy rằng hêli lỏng cĩ tính siêu chảy (tức là chảy khơng cĩ ma sát) khi nhiệt độ thấp hơn 2,2 Kelvin. Sau này hiện tượng siêu chảy được hiểu là sự thể hiện của mối liên hệ lượng tử giữa hiện tượng ngưng tụ Bose-Einstein (được tiên đốn bằng lý thuyết vào năm 1920) và nhiều tính chất giống như trạng thái siêu dẫn của điện tử trong một số chất dẫn điện đặc biệt. Kapitsa được trao một nửa giải Nobel vật lý năm 1978. Năm 2001, Eric A. Cornell và Carl E. Wieman đã quan sát hiện tượng ngưng tụ Bose-Einstein khi làm lạnh 2000 nguyên tử rubidium đến nhiệt độ chỉ bằng 2 phần tỉ độ trên nhiệt độ khơng tuyệt đối. Độc lập với hai nhà vật lý trên, Wolfgang Ketterle đã thực hiện các thí nghiệm với nguyên tử natri và ơng đã tiến hành với một số nguyên tử lớn hơn và thu được nhiều kết quả hơn. Ơng chứng minh rằng hai trạng thái ngưng tụ cĩ thể lan truyền vào nhau và do đĩ giao thoa với nhau giống như giao thoa của sĩng nước khi chúng ta ném hai hịn đá giống nhau xuống nước cùng một lúc. Ketterle tạo ra một luồng các hạt ngưng tụ cĩ tính chất giống laser nhưng khác ở chỗ laser loại này được tạo thành từ hạt vật chất chứ khơng phải tại thành từ hạt ánh sáng. Hêli (3) thì lại thể hiện các hiện tượng đặc biệt, vì mỗi hạt nhân hêli cĩ spin khác khơng chứ khơng giống như hêli (4). Do đĩ, nĩ giống như là các hạt fermion và khơng bị ngưng tụ Bose-Einstein như các hạt boson. Tuy vậy, giống như các vật liệu siêu dẫn (xem dưới đây), các cặp hạt cĩ spin bán nguyên cĩ thể tạo thành các hạt giả boson và cĩ thể bị ngưng tụ gây nên trạng thái siêu chảy. Hiện tượng siêu chảy của hêli (3) xảy ra tại nhiệt độ thấp hơn của hêli (4) hàng ngàn lần và đã được David M. Lee, Douglas D. Osheroff và Robert C. Richardson phát hiện ra, họ nhận giải Nobel vật lý năm 1996. Họ đã quan sát thấy các pha siêu chảy khác nhau cho thấy cấu trúc xốy phức tạp và các hiện tượng lượng tử rất thú vị. Phát xạ điện tử của chất rắn
  26. Các điện tử trong chất rắn cĩ thể bị định xứ ở xung quanh các nguyên tử của chúng trong các chất cách điện, hoặc chúng cĩ thể chuyển động qua lại giữa các vị trí của các nguyên tử trong các chất dẫn điện hoặc chất bán dẫn. Vào đầu thế kỉ 20, người ta biết rằng các kim loại cĩ thể phát ra các điện tử khi bị nung nĩng, nhưng người ta khơng biết điện tử phát ra là do bị kích thích nhiệt hay là do các tương tác hĩa học với mơi trường khí xung quanh. Bằng các thực nghiệm tiến hành trong mơi trường cĩ chân khơng cao, cuối cùng, Owen W. Richardson đã xác định rằng sự phát xạ của điện tử là do hiệu ứng nhiệt và ơng cũng thiết lập định luật phân bố của của các điện tử theo vận tốc. Và do đĩ, Richardson nhận giải Nobel năm 1928. Siêu dẫn Năm 1911, Kamerlingh-Onnes đã thấy rằng điện trở của thủy ngân giảm xuống nhỏ hơn một phần tỉ giá trị bình thường khi bị làm lạnh thấp hơn một nhiệt độ chuyển pha Tc khoảng 4 Kelvin. Như được nhắc ở phần trên, ơng đã nhận giải Nobel năm 1913. Tuy vậy, một thời gian dài người ta khơng hiểu tại sao các điện tử cĩ thể chuyển động mà khơng bị cản trở trong các chất siêu dẫn tại nhiệt độ thấp. Nhưng vào đầu những năm 1960, Leon N. Cooper, John Bardeen và J. Robert Schrieffer đã đưa ra lý thuyết dựa trên ý tưởng là các cặp điện tử (cĩ spin và hướng chuyển động ngược nhau) cĩ thể giảm một lượng năng lượng Eg bằng cách chia sẻ một cách chính xác cùng một độ biến dạng của mạng tinh thể khi chúng chuyển động. Các cặp Cooper này hành động giống như các hạt boson. Sự tạo cặp này cho phép chúng chuyển động như một chất lỏng liên kết, khơng bị ảnh hưởng khi các kích thích nhiệt (cĩ năng lượng là kT) nhỏ hơn năng lượng tạo thành khi kết cặp (Eg). Lý thuyết BCS này được trao giải Nobel vật lý năm 1972. Đột phá trong việc hiểu cơ sở cơ học năng lượng này dẫn đến các tiến bộ trong các mạch siêu dẫn: Brian D. Josephson đã phân tích sự dịch chuyển của các hạt tải điện giữa hai kim loại siêu dẫn được ngăn cách bởi một lớp vật liệu dẫn điện thường rất mỏng. Ơng tìm thấy rằng pha lượng tử xác định tính chất dịch chuyển là một hàm dao động của điện thế bên ngồi đặt lên chuyển tiếp này. Hiệu ứng Josephson cĩ các ứng dụng quan trọng trong các phép đo chính xác vì nĩ thiết lập mối liên hệ giữa điện thế và tần số. Josephson nhận một nửa giải Nobel vật lý năm 1973. Ivar Giaever, người đã phát minh và nghiên cứu các
  27. tính chất chi tiết của chuyển tiếp đường ngầm này (một hệ thống điện tử dựa trên chất siêu dẫn) chia nhau nửa giải cịn lại với Leo Esaki cho cơng trình nghiên cứu về hiệu ứng đường ngầm trong chất bán dẫn (xem dưới đây). Giải Nobel vật lý năm 2003 được trao cho Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg và Anthony J. Leggett vì cĩ những đĩng gĩp để cải thiện hiểu biết của con người về hiện tượng siêu dẫn và siêu lỏng. Mặc dầu cĩ khá nhiều các hợp kim và hợp chất siêu dẫn được phát hiện trong khoảng 75 năm sau phát hiện của Kamerlingh-Onnes, hiện tượng siêu dẫn mãi được xem như là hiện tượng chỉ xảy ra tại nhiệt độ thấp, với nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn thấp hơn 20 Kelvin. Cho nên khi J. Georg Bednorz và K. Alexander Müller cho thấy rằng ơxít lanthan-đồng cĩ pha thêm bari cĩ nhiệt độ chuyển pha là 35 Kelvin thì mọi người rất ngạc nhiên. Và ngay sau đĩ, các phịng thí nghiệm khác cơng bố các hợp chất cĩ cấu trúc tương tự như thế cĩ tính siêu dẫn ở nhiệt độ khoảng 100 Kelvin. Phát hiện về siêu dẫn nhiệt độ cao này khởi động một làn sĩng trong vật lý hiện đại: tìm hiểu cĩ chế cĩ bản cho tính siêu dẫn của các vật liệu đặc biệt này. Bednorz and Müller nhận giải Nobel năm 1987. Tính chất điện của chất rắn Chuyển động của các điện tử trong kim loại ở trạng thái dẫn điện bình thường đã được mơ hình hĩa về lý thuyết đến một độ phức tạp chưa từng cĩ từ khi cĩ mặt của cơ học lượng tử. Một trong những bước tiến lớn ban đầu là việc đưa vào khái niệm sĩng Bloch, hàm sĩng được lấy tên của nhà vật lý Felix Bloch (người nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1952 cho cơng trình nghiên cứu về cộng hưởng từ). Một khái niệm quan trọng nữa là chất lỏng điện tử trong các chất dẫn điện do Lev Landau (xem phần hêli lỏng). Philip W. Anderson đã cĩ những đĩng gĩp quan trọng vào lý thuyết cấu trúc điện tử của các kim loại, đặc biệt là các bất đồng nhất trong các hợp kim và các nguyên tử từ tạp chất trong các kim loại. Nevill F. Mott đã nghiên cứu các điều kiện chung cho tính dẫn điện của điện tử trong chất rắn và đưa ra các cơng thức xác định các điểm mà một chất bán dẫn biến thành một chất dẫn điện (chuyển pha Mott) khi thành phần hoặc các thơng số bên ngồi bị thay đổi. Anderson và Mott chia nhau một nửa giải Nobel năm 1977 và một nửa giải được trao cho John H. Van Vleck cho các nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc điện tử của các hệ từ và mất trật tự.
  28. Tính chất nhiệt của chất rắn Một giải Nobel vật lý trước đây (1920) đã được trao cho Charles E. Guillaume cho phát hiện cho thấy rằng giãn nở nhiệt của một số thép-nikel (hợp kim được gọi là invar) bằng khơng. Giải Nobel này được trao chủ yếu bởi tầm quan trọng của các hợp kim invar trong các phép đo chính xác được dùng trong vật lý, ngành đo đạc và đặc biệt là thước mét chuẩn được đặt ở Paris. Các hợp kim này được dùng rất rộng rãi trong các dụng cụ cĩ độ chính xác cao như là đồng hồ, Các cơ sở lý thuyết về sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ giãn nở chỉ mới được giải thích gần đây. Và mới đây (1998), Walter Kohn nhận giải Nobel hĩa học cho các phương pháp của ơng khi xử lý các tương quan trao đổi lượng tử, mà nhờ đĩ người ta cĩ thể vượt qua các giới hạn trong tính tốn cấu trúc điện tử trong chất rắn và các phân tử. Chất bán dẫn Trong các chất bán dẫn, độ linh động của các điện tử bị giảm đi rất mạnh do cĩ sự tồn tại của vùng cấm năng lượng đối với các điện tử, gọi là các khe năng lượng. Sau khi người ta hiểu được vai trị cơ bản của các tạp chất cho điện tử và nhận điện tử trong silicon siêu sạch (và sau này cịn cĩ các vật liệu khác), các chất bán dẫn được sử dụng làm các bộ phận trong điện kĩ thuật. William B. Shockley, John Bardeen (xem thêm lý thuyết BCS) và Walter H. Brattain đã tiến hành các nghiên cứu cơ bản về siêu dẫn và đã phát triển transistor loại một. Đĩ là bình minh của kỉ nguyên linh kiện điện tử. Họ cùng nhận giải Nobel năm 1956. Sau này Leo Esaki đã phát triển đi ốt đường ngầm, một linh kiện điện tử cĩ điện trở vi phân âm, đĩ là một tính chất kĩ thuật rất thú vị. Nĩ tạo thành từ hai chất bán dẫn pha tạp loại n và loại p, cĩ một đầu chuyển dư điện tử và một đầu khác thiếu điện tử. Hiệu ứng đường ngầm xuất hiện khi điện thế dịch lớn hơn khe năng lượng trong các chất bán dẫn. Ơng chia giải Nobel vật lý năm 1973 với Brian D. Josephson. Với kĩ thuật hiện đại, người ta cĩ thể tạo các màng mỏng cấu trúc xác định từ các vật liệu bán dẫn và chúng thể tiếp xúc trực tiếp với nhau. Với cấu trúc khơng đồng nhất như vậy, con người khơng bị giới hạn vào các khe năng lượng trong các chất bán dẫn như silicon
  29. hoặc germani nữa. Herbert Kroemer đã phân tích lý thuyết về độ linh động của các điện tử và lỗ trống trong các chuyển tiếp khơng đồng nhất. Lí thuyết của ơng dẫn đến việc tạo ra các transistor với các đặc trưng được cải tiến rất nhiều mà sau này gọi là HEMT (transistor cĩ độ linh động điện tử cao). Các HEMT rất quan trọng đối với các linh kiện điện tử tốc độ cao ngày nay. Kroemer cũng giả thiết rằng các cấu trúc khơng đồng nhất kép cĩ thể tạo điều kiện cho hoạt động của laser, cùng khoảng thời gian với Zhores I. Alferov đưa ra ý tưởng như thế. Sau này Alferov đã tạo ra laser bán dẫn xung đầu tiên vào năm 1970. Sự kiện này là điểm khởi đầu của kỉ nguyên các dụng cụ quang điện hiện này đang dùng trong các đi ốt laser, đầu đọc đĩa CD, đầu đọc mã vạch và cáp quang viễn thơng. Và gần đây, Alferov và Kroemer chia nhau một nửa giải Nobel vật lý năm 2000, nửa giải cịn lại về tay Jack S. Kilby, đồng phát minh mạch điện tử tích hợp (xem phần sau Vật ly và Kĩ thuật). Khi áp một thế điện cực lên các hệ cấu trúc khơng đồng nhất, người ta cĩ thể tạo ra các màng ngược, trong đĩ các hạt tải điện chỉ chuyển động trong khơng gian hai chiều. Các màng như vậy lại hĩa ra cĩ các tính chất rất thú vị và kì lạ. Năm 1982, Klaus von Klitzing phát hiện ra hiệu ứng Hall lượng tử. Khi một từ trường mạnh đặt vuơng gĩc với mặt phẳng của màng giả hai chiều, thì các điều kiện lượng tử lại khơng tăng một cách tuyến tính với sự tăng của từ trường mà lại tăng một cách nhảy bậc ở biên của mẫu. Điện trở Hall giữa các bậc này cĩ giá trị h/ie2 trong đĩ i là các số nguyên tương ứng với các quĩ đạo điện tử bị lượng tử hĩa. Hiệu ứng này cho phép cĩ thể đo tỉ số giữa các hằng số cơ bản rất chính xác, nĩ cĩ hệ quả quan trọng trong kĩ thuật đo lường, von Klitzing nhận giải Nobel vật lý năm 1985. Một ngạc nhiên nữa đến ngay sau khi Daniel C. Tsui và Horst L. Stưrmer thực hiện các nghiên cứu kĩ hơn về hiệu ứng Hall lượng tử sử dụng các màng ngược trong các vật liệu siêu sạch. Trạng thái ổn định xuất hiện trong hiệu ứng Hall khơng chỉ đối với từ trường tương ứng với sự lấp đầy của các quĩ đạo bởi một, hai, ba v.v. giá trị điện tích của điện tử mà cịn đối với các điện tích khơng nguyên! Điều này chỉ cĩ thể được hiểu dựa vào một khái niệm về chất lỏng lượng tử mới mà ở đĩ chuyển động của các điện tử độc lập cĩ điện tích e được thay thế bởi các kích thích trong một hệ nhiều hạt mà hệ này cư xử (trong một từ trường mạnh) như thể các điện tích cĩ giá trị e/3, e/5, tham gia vào.
  30. Robert B. Laughlin phát triển lý thuyết miêu tả trạng thái mới của vật chất này và chia giải Nobel vật lý năm 1998 với Tsui and Stưrmer. Hiệu ứng Mossbauer Phổ Mossbauer Đơi khi các phát hiện trong một lĩnh vực của vật lý lại hĩa ra cĩ các ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực vật lý khác. Một ví dụ liên quan đến vật lý chất rắn đĩ là quan sát của Rudolf L. Mưssbauer vào cuối những năm 1950. Hạt nhân của nguyên từ hấp thụ cĩ thể bị kích thích cộng hưởng bởi các tia gamma phát ra từ các nguyên tử phát xạ được chọn một cách hợp lý khi các nguyên tử trong cả hai trường hợp được bắn ra sao cho sự giật lùi của chúng loại trừ nhau. Năng lượng bị lượng tử hĩa của hạt nhân trong điện từ trượng nội của chất rắn đĩ cĩ thể được xác định vì năng lượng đĩ tương ứng với các vị trí khác nhau của sự cộng hưởng mà sự cộng hưởng này rất sắc nét. Hiệu ứng Mưssbauer này là cơ sở của phổ Mossbauer, nĩ trở nên quan trọng trong việc xác định cấu trúc điện từ của nhiều vật liệu và Mưssbauer nhận một nửa giải Nobel vật lý năm 1961 cùng với R. Hofstadter. Vật lý và kỹ thuật Giải Nobel 1912 đã được trao cho Nils Gustaf Dalén cho phát minh về van mặt trời tự động được dùng rộng rãi trong các cột mốc và phao trong ngành hàng hải. Phát minh đĩ dựa trên sự khác nhau về bức xạ nhiệt từ các vật cĩ độ phản xạ ánh sáng khác nhau. Hiệu
  31. ứng này được dùng để ngắt nguồn cấp khí tự động vào ban ngày và làm giảm nhiều nhu cầu bảo dưỡng trên biển. Khoảng đầu thế kỉ 20, Gabriel Lippmann đã phát triển một phương pháp chụp ảnh màu sử dụng hiệu ứng giao thoa ánh sáng. Phương pháp của Lippmann mất nhiều thời gian phơi sáng. Sau này phương pháp đĩ bị thay thế bởi các kĩ thuật nhiếp ảnh khác nhưng nĩ lại cĩ nhiều ứng dụng trong kĩ thuật tạo ảnh ba chiều chất lượng cao. Trong hiển vi quang học, Frits Zernike cho thấy rằng thậm chí các vật hấp thụ bức xạ rất yếu (trong suốt khi nhìn bằng mắt thường) cĩ thể nhìn thấy được nếu chúng tạo thành từ những vùng cĩ hệ số khúc xạ ánh sáng khác nhau. Trong kính hiển vi nhạy pha của Zernike, người ta cĩ thể phân biệt các vệt sáng cĩ pha bị thay đổi khi đi qua các vùng khơng đồng nhất. Kính hiển vi loại này cĩ tầm quan trọng đặc biệt trong việc quan sát các mẫu sinh học. Zernike nhận giải Nobel vật lý năm 1953. Vào những năm 1940, Dennis Gabor đề ra nguyên lý ảnh ba chiều. Ơng tiên đốn rằng nếu tia sáng tới cĩ thể giao thoa với tia phản xạ từ một mảng hai chiều thì cĩ thể tạo được một ảnh ba chiều của vật thể. Tuy vậy, việc thực hiện ý tưởng này phải đợi đến khi laser được phát hiện. Laser cĩ thể cung cấp ánh sáng cố kết cần thiết cho quan sát hiện tượng giao thoa nĩi ở trên. Gabor nhận giải Nobel năm 1971. Hiển vi điện tử cĩ ảnh hưởng sâu rộng trên nhiều lĩnh vực khoa học tự nhiên. Ngay sau khi C. J. Davisson và G. P. Thomson phát hiện ra bản chất sĩng của điện tử, người ta nhận thấy rằng bước sĩng ngắn của điện tử năng lượng cao cĩ thể làm tăng độ phân giải so với hiển vi quang học. Ernst Ruska tiến hành các nghiên cứu cơ bản về quang điện tử và thiết kế kính hiển vi điện tử truyền qua đầu tiên hoạt động vào những năm đầu của thập niên 1930. Ruska nhận một nửa giải Nobel vật lý vào năm 1986, nửa giải cịn lại được chia đều cho Gerd Binnig và Heinrich Rohrer, hai người đã phát triển một phương pháp khác hẳn để thu được các bức ảnh với độ phân giải cực cao. Phương pháp của họ được ứng dụng trong nghiên cứu về mặt chất rắn và dựa trên hiệu ứng đường ngầm của các điện tử. Các điện tử của các nguyên tử ở một đầu kim loại rất nhọn cĩ thể chui sang các nguyên tử trên bề mặt chất rắn khi đầu nhọn kim loại đĩ được di chuyển đến rất gần bề mặt (khoảng 1 nm). Bằng cách giữ cho dịng điện tử chui ngầm đĩ cố định và di
  32. chuyển đầu nhọn theo bề mặt chất rắn, người ta cĩ thể cĩ được bức ảnh ba chiều của bề mặt chất rắn cần nghiên cứu. Bằng phương pháp này, ta cĩ thể nhìn thấy từng nguyên tử trên bề mặt. Viễn thơng là một trong những thành tựu kĩ thuật vĩ đại của thế kỉ 20. Vào những năm 1890, Guglielmo Marconi đã làm thí nghiệm với sĩng điện từ của Heinrich Rudolf Hertz mới được phát hiện vào lúc đĩ. Ơng là người đầu tiên liên lạc một trong những trạm phát sĩng trên mặt đất với một ăng ten đặt trên cao cĩ vai trị tương tự như một trạm thu sĩng. Trong khi các thí nghiệm đầu tiên của Hertz được tiến hành trong phạm vi phịng thí nghiệm thì Marconi đã mở rộng khoảng cách truyền tín hiệu đến vài km. Carl Ferdinand Braun đưa mạch cộng hưởng vào các máy phát dao động của Hertz. Độ hịa âm và khả năng tạo các dao động mạnh khơng bị chặn làm tăng dải truyền sĩng, và vào năm 1901 Marconi đã thành cơng trong việc thu phát sĩng vơ tuyết vượt Đại Tây Dương. Marconi và Braun cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1909. Vào thời điểm này, người ta vẫn khơng hiểu làm thế nào mà sĩng vơ tuyến cĩ thể truyền với những khoảng cách xa. Sir Edward V. Appleton đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng một giả thiết trước đĩ của Oliver Heaviside và Arthur Edwin Kennelly cho rằng sĩng vơ tuyến bị phản xạ giữa các lớp khơng khí cĩ độ dẫn khác nhau trong khí quyển là đúng. Appleton đã đo giao thoa của sĩng trực tiếp và sĩng phản xạ với các bước sĩng khác nhau và cĩ thể xác định độ cao của các lớp Heaviside, hơn nữa ơng cịn tìm ra một lớp nữa cao hơn lớp Heaviside gọi là các lớp Appleton. Appleton nhận giải Nobel vật lý năm 1947. Các tiến bộ trong vật lí hạt nhân và vật lí hạt phụ thuộc rất nhiều vào kĩ thuật cao (và đơi khi lại thúc đẩy kĩ thuật phát triển). Điều này được minh họa bằng các cơng trình của John Cockcroft và Ernest Walton cho việc phát triển máy gia tốc tĩnh điện tuyến tính và các cơng trình của Ernest Lawrence cho phát triển cyclotron tĩnh điện tuyến tính. Việc ghi nhận các hạt năng lượng cao cũng là một thử thách kĩ thuật, thành cơng trong vấn đề đĩ đã được ghi nhận bằng vài giải Nobel. Giải Nobel vật lý năm 1958 được chia cho Pavel A. Cherenkov, Il'jia Frank và Igor Y. Tamm cho các phát hiện và giải thích của họ về hiệu ứng Cherenkov. Đĩ là sự phát xạ ánh sáng trong một nĩn cĩ gĩc mở đặc biệt xung quanh hướng của hạt mang điện, khi
  33. vận tốc của nĩ vượt vận tốc ánh sáng trong mơi trường mà nĩ chuyển động. Vì gĩc nĩn này cĩ thể được sử dụng để xác định vận tốc của hạt, cơng trình của các nhà vật lý này nhanh chĩng trở thành cơ sở cho sự phát triển các đầu thu rất hiệu quả. Việc nhìn thấy đường đi của các hạt trong các phản ứng là cần thiết để giải thích các sự kiện xảy ra khi năng lượng cao. Các thí nghiệm ban đầu với năng lượng tương đối thấp sử dụng các vết để lại trên giấy ảnh. Charles T. R. Wilson đã phát triển một buồng, trong đĩ các hạt cĩ thể nhìn thấy vì chúng để lại các vết do ion hĩa khí. Trong buồng Wilson, khí cĩ thể dãn nở rất nhanh, điều này làm giảm nhiệt độ và dẫn đến hĩa đặc hơi xung quanh các điểm bị ion hĩa, các hạt này cĩ thể nhìn thấy khi chiếu sáng mạnh. Wilson nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1927 với Arthur H. Compton. Các bước tiến tiếp theo trên cùng hướng nghiên cứu nĩi trên đã được thực hiện khi Donald A. Glaser phát minh ra buồng bọt. Vào những năm 1950, các máy gia tốc đã đạt năng lượng từ 20 – 30 tỉ eV và các phương pháp thu hạt trước đĩ khơng cịn phù hợp nữa; độ dài của các vết khí đã quá dài đối với buồng Wilson. Các hạt nhân nguyên tử trong buồng bọt (thường chứa hiđrơ lỏng) được dùng như các cái bia, và vết do hạt tạo thành cĩ thể được theo dõi. Tại nhiệt độ họat động, chất lỏng bị quá nĩng và bất kì một hiện tượng gián đoạn nào, như vùng ion hĩa, ngay lập tức hình thành các bọt nhỏ. Luis W. Alvarez đã tiến hành các cải tiến quan trọng đặc biệt là các cải tiến liên quan đến kĩ thuật ghi và phân tích dữ liệu. Cơng trình của ơng đã đĩng gĩp vào việc mở rộng số các hạt cơ bản, đặc biệt là các "cộng hưởng", cái sau này được hiểu là các trạng thái kích thích của các hệ gồm các quark và gluon. Glaser nhận giải Nobel vật lý năm 1960 và Alvarez năm 1968. Bước phát triển mới nhất về đầu thu các hạt này được nhìn nhận bằng một giải Nobel (1992) là cơng trình của Georges Charpak. Ơng đã nghiên cứu chi tiết quá trình ion hĩa trong chất khí và đã sáng tạo ra buồng dây, một đầu thu chứa khí trong đĩ các dây được bố trí dày đặc để thu các tín hiệu điện gần các điểm ion hĩa, nhờ đĩ cĩ thể quan sát được đường đi của hạt. Buồng dây và các biến thể của nĩ, buồng chiếu thời gian và một số tổ hợp tạo thành từ buồng dây/phát xung ánh sáng/Cherenkov tạo thành các hệ thống phức tạp cho phép tiến hành các nghiên cứu chọn lọc cho các hiện tượng cực hiếm (như việc hình thành các quark nặng), tín hiệu của các hiện tượng này thường bị lẫn trong các nền nhiễu mạnh của các tín hiệu khác.
  34. Giải Nobel đầu tiên của thiên niên kỉ mới (2000) được trao cho Jack S. Kilby vì các thành tựu đặt nền tảng cho cơng nghệ thơng tin hiện nay. Vào năm 1958, ơng đã chế tạo mạch tích hợp đầu tiên mà trong đĩ các chi tiết điện tử được xây dựng trong một thực thể duy nhất tạo thành từ vật liệu bán dẫn, sau này gọi là các chip. Điều này mở ra con đường thu nhỏ kích thước và sản xuất hàng loạt các mạch điện tử. Kết hợp với việc phát triển các linh kiện dựa trên các cấu trúc khơng đồng nhất miêu tả trước đây (nhờ đĩ mà Alferov và Kroemer được nhận một nửa giải Nobel), mạch tích hợp dẫn đến cuộc cách mạng cơng nghệ thơng tin đã thay đổi rất nhiều xã hội của chúng ta ngày nay.