Phân hạch hạt nhân nguyên tử - một trong những phát hiện vĩ đại nhất của thế kỷ 20

Ngày 6 tháng 1 năm 1939 hai nhà hóa học Otto Hahn và Fritz Strassmann lần đầu tiên đã công bố xác nhận nguyên tố bari (Barium (Ba)) là sản phẩm của bắn phá hạt nhân nguyên tử urani (Uranium (U)) với nơtron. Ngày 10 tháng 2 năm 1939 hai nhà vật lý Lise Meitner và Otto Frisch đã công bố lý giải vật lý thành công đầu tiên về hiện tượng phân hạch hạt nhân urani cùng với ước tính lượng năng lượng khổng lồ được giải phóng trong quá trình này là khoảng 200 megaelectron volts (200MeV). Lịch sử phát hiện phân hạch hạt nhân khá ly kỳ và bao gồm khá nhiều sai sót của nhiều nhà vật lý nổi tiếng. 

Phân hạch hạt nhân nguyên tử các nguyên tố nặng khi bị bắn phá (chiếu xạ) với nơtron (neutron), trong đó hạt nhân bị phân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn cùng vài sản phẩm phụ khác và giải phóng năng lượng, là một trong những khám phá vĩ đại nhất của thế kỷ 20. Sự phân hạch của một hạt nhân urani sẽ giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ 200 MeV. Để so sánh: năng lượng giải phóng khi phân hạch chỉ 1 gam nguyên tố urani (=5*1023 MeV = 8*1010J) sẽ tương đương với năng lượng nhiệt khi đốt khoảng 2.5 tấn than. Phát hiện này đã thay đổi cục diện thế giới và thế giới quan của con người.

*1 eV = 1e.1V = 1,602.10-19 C.V = 1,602.10-19 A.s.V = 1,602.10-19 W.s = 1,602.10-19 J

Các bội số thường dùng là keV, MeV, GeV.

Minh họa phản ứng phân hạch hạt nhân (Nuclear Fission): Nơtron chậm bắn phá hạt nhân nguyên tử nguyên tố nặng khiến nó bị biến dạng và rồi bị chia tách thành hai phần (sản phẩm phân hạch). Khối lượng bị mất (tức là sự khác nhau giữa tổng khối lượng sản phẩm và tổng khối lượng tác chất ban đầu) được chuyển sang dạng nhiệt và bức xạ điện từ, và đặc biệt là nó giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ.

1. Sự khởi đầu của nghiên cứu hạt nhân (thời kỳ 1919-1935)

Phản ứng hạt nhân đầu tiên được thực hiện bởi Ernest Rutherford (a) năm 1919. Ông đã bắn phá hạt nhân các nguyên tử nitơ (14N) với hạt alpha (là hạt nhân của nguyên tử heli (4He)). Kết quả của phản ứng là hình thành hạt nhân oxy (17O) và hạt nhân hydro (1H, gọi là hạt proton). Phản ứng này kèm theo giải phóng năng lượng.

Tuy nhiên Rutherford lại không tin vào khả năng sản xuất năng lượng với quy mô lớn từ phản ứng hạt nhân! Ông đã công khai ý kiến của mình trong bài phát biểu có tựa đề "Phá vỡ nguyên tử" trong cuộc họp của Hiệp hội khoa học Anh năm 1933. Tuyên bố của ông đã được đăng lại trong tạp chí "Thời Đại" (Time) ngày 11 tháng 9 năm 1933: "Trong quy trình này, chúng ta có thể thu được nhiều năng lượng hơn là nhận được proton, nhưng chúng ta không thể tạo ra năng lượng theo cách này được (bằng phân hạch hạt nhân). Đó là một phương pháp sản xuất năng lượng rất kém và không hiệu quả, và bất kỳ ai tìm kiếm nguồn năng lượng bằng việc chuyển hóa nguyên tử đều là hão huyền. Nhưng chủ đề này rất thú vị về phương diện khoa học, bởi vì nó cho phép bạn nhìn vào cấu trúc bên trong nguyên tử”. 

Tạp chí Tự nhiên (Nature) xuất bản ngày 12 tháng 9 năm 1933 cũng đăng bình luận của Rutherford: "Những chuyển hóa nguyên tử này có lợi ích phi thường đối với các nhà khoa học, nhưng chúng ta không thể kiểm soát năng lượng nguyên tử ở mức độ có giá trị thương mại, và tôi tin rằng chúng ta không bao giờ có khả năng làm như vậy...Mối quan tâm của chúng ta về vấn đề này là hoàn toàn thuần túy về khoa học, và các thí nghiệm đang được tiến hành sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn cấu trúc của vật chất".

Không chỉ Rutherford, người được coi là cha đẻ của Vật Lý hạt nhân, mà cả các nhà khoa học nổi tiếng lúc đó như Niels Bohr­ (b) và Albert Eistein (c) cũng chia sẻ quan điểm về khả năng không thể khai thác sử dụng năng lượng nguyên tử trong thực tế. Trong một cuộc họp báo năm 1934 Einstein đã so sánh sự bắn phá hạt nhân với việc bắn vào những con chim hiếm trong bóng tối. Còn Bohr cho rằng cơ hội sử dụng được năng lượng nguyên tử là rất xa vời.

Các thí nghiệm bắn phá hạt nhân nguyên tử urani đầu tiên với hạt nơtron được tiến hành bởi Enrico Fermi (d) và các đồng nghiệp ở Roma vào năm 1934. Fermi là người đầu tiên nhận ra vai trò quan trọng của nơtron như một phương tiện để tạo ra các phản ứng hạt nhân. Các nơtron không có điện tích nên có thể tiếp cận hạt nhân nguyên tử mà không bị cản trở bởi lực cản Coulomb xung quanh hạt nhân. Vào ngày 22 tháng 10 năm 1934, nhóm Fermi một cách ngẫu nhiên Fermi đã khám phá ra một đặc tính quan trọng của nơtron là các hạt nơtron nhiệt chậm đã bị hấp thụ (bị "bắt") bởi hạt nhân.

Urani là nguyên tố có số hiệu (số nguyên tử hay số điện tích) cao nhất (Z=92) được tìm thấy trong tự nhiên thời bấy giờ. Fermi nghĩ rằng việc bắn phá hạt nhân bằng hạt nơtron có thể được sử dụng để tạo ra các nguyên tố gọi là ‘siêu urani’ (các nguyên tố nặng hơn urani (transuranic elements)), tức là các nguyên tố có số hiệu lớn hơn số hiệu của urani. Cụ thể là chiếu xạ nơtron cho urani-238 (Z=92) sẽ tạo ra đồng vị urani-239 mà sau đó sẽ trải qua chuỗi phân rã beta và tạo nên nguyên tố X-239 với số hiệu Z=93. Tuy nhiên, khi bắn phá hạt nhân nguyên tử urani (Z=92) và thori (Z=90) với nơtron, họ quan sát thấy không chỉ một mà là vài loại phóng xạ beta có chu kỳ bán rã (T1/2) khác nhau mà không thể giải thích được một cách đơn giản là do sự phân rã của nguyên tố siêu urani. Ví dụ như là Fermi chỉ có thể chứng minh rằng nguyên tố với chuỗi phân rã beta với T1/2=13 phút không phải là bất kỳ nguyên tố nào giữa urani (Z=92) và chì (Z=86) trong bảng tuần hoàn. Ông đề xuất khả năng xuất hiện nguyên tố với số hiệu 93. Trong bài báo đăng trên tạp chí Tự nhiên năm 1934, Fermi viết: "...chúng tôi đã loại trừ khả năng phân rã beta với chu kỳ bán rã 13 phút là do các đồng vị của urani (92), protacti (91), thori (90), actini (89), radi (88), bismuth (83), chì (82). Bằng chứng phủ định về hiện diện bức xạ 13 phút trong các nguyên tố nặng cho thấy khả năng xuất  hiện nguyên tố có số nguyên tử có thể lớn hơn 92. Nếu đó là nguyên tố 93, nó sẽ có tính chất hóa học tương tự với mangan và rheni". 

Nhóm Fermi đã không kiểm tra sự hiện diện của các nguyên tố nhẹ hơn, bởi vì họ đã không tính đến khả năng phân tách hạt nhân urani thành hạt nhân nhẹ hơn. Trong bài thuyết trình trong buổi trao giải Nobel vào ngày 12 tháng 12 năm 1938, Fermi đã tuyên bố: "Chúng tôi kết luận rằng chúng là các nguyên tố có số hiệu lớn hơn 92. Ở Roma, chúng tôi gọi các nguyên tố 93 và 94 tương ứng là Ausenium và Hesperium". Chỉ 10 ngày sau bài thuyết trình tại giải Nobel của Fermi về các nguyên tố siêu urani, Otto Hahn (e) và Fritz Strassmann (f) tại Berlin đã tiếp cận kết quả lịch sử của họ về phát hiện bari là một sản phẩm phân hạch. Bari nằm giữa bảng tuần hoàn, là nguyên tố có số hiệu Z=56, tức là nhẹ chỉ bằng hơn nửa urani. 

Ida Tacke-Noddack (g) là người đầu tiên chỉ ra khả năng phá vỡ hạt nhân urani vào tháng 9 năm 1934. Noddack đặt dấu hỏi về kết quả của nhóm ở Roma trong bài báo của bà với tiêu đề "Về nguyên tố 93" đăng trong tạp chí Hóa học Ứng dụng. Bà bình luận: "Hạt nhân của nguyên tố nặng khi bị bắn phá bởi hạt nơtron sẽ bị phân tách thành nhiều đồng vị của các nguyên tố đã biết (trong bảng tuần hoàn) có số hiệu thấp hơn, chứ không phải là các nguyên tố gần sát cạnh với urani”. Tuy nhiên, dù bà là một nhà hóa học, bà đã không tiến hành thí nghiệm để chứng minh sự hiện diện của các nguyên tố như vậy, mà chỉ giới hạn ở việc đưa ra một giả thuyết. Bài báo của bà kg thu hút được sự quan tâm của giới khoa học, vì giả thuyết của bà dường như rất vô lý. Nhóm Fermi thực tế đã phân tách nguyên tử urani, nhưng họ lại không biết về điều đó. Lẽ ra nhóm Fermi có thể thấy bằng chứng về sự phá vỡ hạt nhân, vì ông sử dụng bộ đếm Geiger (dùng để phát hiện ra các đồng vị phóng xạ). Nhưng vì họ đã đặt một  lá nhôm mỏng giữa mẫu urani và máy đếm nên đã mất cơ hội phát hiện sản phẩm phân hạch có điện tích cao, có khả năng ion hóa mạnh mẽ và dễ bị hấp thụ. Cơ hội phát hiện hiện tượng phân hạch tuột khỏi tay Fermi.

2.  Nguyên cứu sản phẩm bắn phá hạt nhân urani và thori bằng hạt nơtron (thời kỳ 1935-1938)

Otto Hahn và Lise Meitner (h) đã làm việc cùng với nhau hơn 30 năm (từ cuối năm 1907 đến tháng 7 năm 1938) tại Viện Kaiser Wilhelm ở Dahlem gần Berlin (ngày nay là Viện Max Planck). Từ cuối năm 1934, họ nghiên cứu chuyên sâu về xác định các sản phẩm phóng xạ được tạo ra khi bắn phá hạt nhân urani bằng hạt nơtron. Sau khi chiếu xạ urani với nơtron, họ hòa tan mẫu và dùng phương pháp hóa học để phân tách ra các nguyên tố. Từ giữa năm 1935, Fritz Strassmann-một nhà hóa học trẻ đã cùng tham gia nghiên cứu với họ.

Trong những năm 1935-1938, nhóm Berlin xác định được thêm 9 sản phẩm có phân rã beta. Các nguyên tố này dường như là phù hợp với các nguyên tố từ 93 đến 97. Do đó, họ tin rằng chúng là những nguyên tố siêu urani. Họ cũng tiến hành kiểm tra nguyên tố với chu kỳ bán phân rã 13 phút của nhóm Fermi bằng phân tích hóa học. Cũng như Fermi, họ tin rằng đó là nguyên tố 93. Họ xuất bản khá nhiều bài báo về lĩnh vực này. Sau này Metner thừa nhận " ...Tôi nhận ra rằng những khám phá của Hahn ơvề bari là sản phẩm phân hạch] đã mở ra một hướngng khoa học hoàn toàn mới và cũng cho thấy những công việc trước đây của chúng tôi đã có rất nhiều sai sót". Ngày 13 tháng 7 năm 1938, Meitner buộc phải rời Berlin, trốn khỏi chế độ Đức quốc xã, và đến Stockholm.

Song song với nhóm Berlin, trong giai đoạn 1935-1938, Irène Julliot-Curie (i) cùng với Pavlé Savitch (j) tại Viện Radium ở Paris đã nghiên cứu đặc tính hóa học các sản phẩm phóng xạ từ bắn phá urani và thori bằng nơtron. Cuối năm 1937, nhóm ở Paris đã ngạc nhiên tìm thấy nguyên tố phóng xạ với chu kỳ bán rã 3,5 giờ. Đầu tiên họ nghĩ rằng đó là một đồng vị phóng xạ mới của thori. Tháng 3 năm 1938 Irène Curie đã phát hiện ra là nguyên tố này có hoạt tính như lantan. Trong bài báo xuất bản tháng 8 năm 1938, Curie viết: "…nguyên tố phóng xạ với chu kỳ bán rã là 3,5 giờ với các đặc tính hóa học tương tự như của đất hiếm…. Có vẻ là nó không phải là nguyên tố chuyển hóa vì có đặc tính rất khác với các nguyên tố chuyển hóa đã biết". Nhưng vì Irène Curie kg nghĩ tới khả năng về nguyên tố nhẹ là một sản phẩm phân hạch nên đã không hiểu rằng nguyên tố được phát hiện thực sự là lantan, nguyên tố ở giữa bảng tuần hoàn (Z=57), nên lại coi nó thuộc nhóm các nguyên tố siêu urani (Z>92) nhưng hàm chứa các đặc tính bất thường (là bởi vì nó có đặc tính hóa học tương tự lantan). Trong bài báo xuất bản tháng 10 năm 1938, bà mô tả: "... các hoạt tính của nguyên tố 3,5 giờ là của lantan…nếu nó là nguyên tố chuyển hóa thì nó phải chứa một số đặc tính dị thường trong tính chất hóa học".

Nếu họ dám khẳng định là họ đã phát hiện ra lantan, thì họ đã trở thành những người đầu tiên phát hiện ra phân hạch hạt nhân.

Continue Reading

Ernest Rutherford và Phản ứng hạt nhân đầu tiên vào năm 1919

Năm 2019 là kỷ niệm 100 năm thí nghiệm phản ứng hạt nhân đầu tiên được Ernest Rutherford thực hiện vào năm 1919, và cũng là kỷ niệm 110 năm thí nghiệm chiếu xạ lá vàng dẫn tới việc thiết lập mô hình hành tinh nguyên tử của ông.

 

Phản ứng hạt nhân đầu tiên do Rutherford thực hiện vào năm 1919.

Ernest Rutherford là nhà vật lí người New Zeeland. Ông được coi là một trong những nhà khoa học lừng lẫy nhất mọi thời đại. Đóng góp của ông trong lĩnh vực nguyên tử được ví như là đóng góp của Darwin trong lịch sử tiến hóa, Newton trong cơ học, và Einstein trong thuyết tương đối tổng quát.

Ông đưọc coi là cha đẻ của vật lý hạt nhân. Ông hoàn toàn thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về thiên nhiên qua ba khám phá quan trọng: 1) ông giải thích vấn đề phóng xạ là sự phát xạ tự nhiên của các nguyên tử (chứ không phải là nguyên tử luôn ổn định như đã được giả định kể từ thời Hy Lạp cổ đại), 2) ông đã xác định cấu trúc của nguyên tử, đặt cơ sở cho thuyết hiện đại về cấu tạo nguyên tử, 3) ông là nhà giả kim thành công đầu tiên trên thế giới khi chuyển đổi nitơ thành oxy, hay nói cách khác là ông là người đầu tiên đã phân tách nguyên tử. 

Khởi đầu của lĩnh vực vật lý hạt nhân (từ những năm cuối thế kỷ 19)

Cho đến tận cuối thế kỷ 19, nguyên tử được coi là một quả cầu rắn không thể phân chia được. Từ “nguyên tử” (tiếng anh “atom”) có nguồn gốc từ tiếng Hy lạp (atomos (ἄτομος)), có nghĩa là ‘không-thể-cắt’ được, khái niệm của các nhà triết học cổ đại Leucippus và Democritus từ những năm 460 - 370 trước Công Nguyên.

Sự khởi đầu của lĩnh vực vật lý hạt nhân đã được đánh dấu bằng việc khám phá ra một dạng bức xạ mới từ muối urani của Henri Becquerel (nhà khoa học Pháp) năm 1896, mà ông gọi là tia urani. Ông cũng khám phá ra rằng bức xạ urani bao gồm các tia được hấp thụ không đồng đều. Marie Curie đã đặt tên “phóng xạ” (radioactivity) để diễn tả hiện tượng phát xạ tự phát. Năm 1898 Piere Curie và Marie Curie đã phát hiện hai nguyên tố phóng xạ mới được gọi là poloni và radi (Becquerel cùng với Marie Curie và Pierre Curie đạt giải Nobel Vật lý năm 1903). Cũng trong năm này, trong thời gian làm việc tại phòng thí nghiệm Cavendish của trường Đại học Cambridge, Ernest Rutherford đã thông báo về sự tồn tại của hai tia phóng xạ trong bức xạ urani và chỉ ra một số tính chất của chúng. Ông đặt tên cho tia dễ dàng bị chặn lại hơn (hay là khó có khả năng đâm xuyên) là tia alpha còn tia dễ đâm xuyên hơn là tia beta, theo tên hai kí tự đầu tiên của bảng chữ cái Hi Lạp. (Tia alpha hay hạt alpha là hạt nhân nguyên tử heli phát xạ từ hạt nhân nặng để đạt trạng thái cân bằng. Tia beta hay hạt beta là các hạt điện tử (điện tích âm (electron) hoặc dương (positron) có năng lượng cao phát xạ trong quá trình phân rã hạt nơtron thành hạt prôton hoặc ngược lại của các hạt nhân các đồng vị không ổn định.) Rutherford cũng chứng minh rằng phóng xạ là một hiện tượng phân rã tự phát của hạt nhân. Năm 1900 Paul Villard (nhà khoa học Pháp) đã phát hiện thêm 1 dạng bức xạ mới. Năm 1903 Ernest Rutherford đặt tên cho nó là tia gamma. (Tia gamma hoặc bức xạ gamma là một bức xạ điện từ có tần số cực cao phát ra, chẳng hạn trong quá trình hạt nhân chuyển từ trạng thái có năng lượng cao xuống năng lượng thấp.)

Năm 1902-1903 ông cùng với Frederick Soddy (nhà hóa học người Anh đạt giải Nobel Hóa học năm 1921) đã đưa ra „thuyết phân rã” về phóng xạ, xem xét hiện tượng phóng xạ như quá trình nguyên tử chứ kg phải là quá trình phân tử. Lý thuyết được minh chứng bởi rất nhiều bằng chứng thực nghiệm, một số chất phóng xạ mới đã được phát hiện và vị trí của chúng trong hàng loạt các chuyển đổi đã được xác định.

Năm 1908, Rutherford được tặng giải thưởng Nobel hóa học “cho các công trình nghiên cứu về sự phân rã của các nguyên tố và hóa học của các chất phóng xạ”. Cũng trong năm này, ông đã chứng minh một cách thuyết phục điều mà ông đã nghi ngờ từ lâu: tia alpha hay hạt alpha chính là nguyên tử heli đã bị tước đi các điện tử của nó (tức là hạt nhân heli bao gồm hai prôton và hai nơtron (He(2+)).

Thí nghiệm chiếu xạ lá vàng Rutherford hay thí nghiệm Geiger-Marsden (năm 1909)

Năm 1909, dưới sự chỉ đạo của Ernest Rutherford, tại phòng thí nghiệm vật lý của Đại học Manchester, Hans Geiger (phụ tá của Rutherford, được biết đến nhiều nhất với tư cách là người đồng phát minh ra bộ đếm Geiger) và Ernest Marsden (sinh viên) thực hiện thí nghiệm chiếu dòng hạt alpha vào các lá vàng mỏng và đo số hạt alpha truyền qua và tán xạ. Kết quả đáng chú ý nhất xảy ra với lá vàng dày 60 nanomét (tức là bề dày khoảng 200 nguyên tử vàng): hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng, một số hạt bị lệch hướng, và cứ khoảng chừng 8000 hạt thì có một hạt bị tán xạ ngược lại với góc tán xạ lớn hơn 90 độ. Rutherford đã mô tả lại kết quả này một cách đầy hình tượng: “Đó là sự kiện đáng chú ý nhất trong cuộc đời tôi. Điều này giống như khi bạn bắn một phát súng đại bác vào một mảnh giấy và viên đạn bay ngược trở lại trúng vào bạn”.

Kết quả này đã lật đổ giả thuyết trước đó về nguyên tử, mô hình "bánh pudding mận" của Joseph John Thomson (đạt giải Nobel Vật lý năm 1906). Nếu cấu trúc nguyên tử giống như bánh pudding mận, khi mà điện tích âm và điện tích dương trộn lẫn với nhau, giống như quả mận được trộn lẫn trong bánh, nó sẽ trung hòa điện tích và gần như không có lực tĩnh điện giữa nguyên tử và các hạt alpha, thì các hạt alpha sẽ đi xuyên qua lá vàng. Rutherford suy luận rằng sự phản xạ của hạt alpha đã cho minh chứng nguyên tử có một lõi nhỏ giống như là những lá chắn cứng đối với các hạt alpha. Hạt alpha có tốc độ rất lớn, khoảng 10.000 km/s. Để đẩy bật ngược được nó, thì phải có một lực đẩy tĩnh điện rất mạnh từ các điện tích dương của nguyên tử trong lá vàng. Điều đó chỉ có thể xảy ra khi mà toàn bộ điện tích dương tập hợp lại trong một thể tích rất nhỏ. Năm 1911, Rutherford đã giải thích kết quả thí nghiệm dựa trên giả thiết rằng 1) phần mang điện tích dương rất nhỏ (về thể tích) và phân bố rất thưa thớt vì thế phần lớn các hạt alpha đi qua lá kim loại dễ dàng, 2) phần mang các hạt điện tích dương này phải có lượng điện tích rất lớn nên đã đẩy những hạt alpha đi gần nó đi lệch khỏi hướng hoặc ngược hướng ban đầu. Ông gọi đó là hạt nhân. Từ kết quả này, Rutherford đã đề xuất “mẫu hành tinh nguyên tử”: nguyên tử có cấu tạo rỗng chứa một hạt nhân nhỏ bé mang điện tích dương trong lõi với các điện tử chuyển động xung quanh nó trên những quỹ đạo khác nhau, giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Ông đã tìm thấy rằng xác xuất tán xạ hạt alpha tuân theo phương trình (1/(sin(theta/2)^4)) một cách chính xác. Từ đó ông tính được kích thước hạt nhân cỡ femtomét (10^(-15) m), tức là khoảng 100 nghìn lần nhỏ hơn so với kích thước nguyên tử cỡ Ångström (10^(-10) m). Tuy thể tích hạt nhân rất nhỏ, nhưng phần lớn khối lượng nguyên tử lại tập trung ở trong hạt nhân.

Kết quả tán xạ ngược ngày nay được ứng dụng phổ biến trong nguyên cứu vật liệu, gọi là phương pháp tán xạ ngược Rutherford (Rutherford backscattering), ví dụ như là để xác định thành phần hóa học các nguyên tố chứa trong các màng mỏng cũng như xác định độ dày của màng. Phương pháp này cũng đã được sử dụng để phân tích mẫu đất đá thu được từ bề mặt mặt trăng từ cuộc thám hiểm (Surveyor V) năm 1967. 

Chiếc bánh kem (với chiều dài và chiều rộng mỗi chiều hơn 1m) với hình ảnh Rutherford để chiêu đãi các đại biểu trong hội nghị quốc tế lần thứ 19 về phân tích chùm ion được tổ chức tại Cambridge năm 2009, nhân dịp kỷ niệm 100 năm cuộc thí nghiệm chiếu xạ lá vàng Rutherford.

Continue Reading

Phương trình Dirac – phương trình đẹp nhất

Các qui luật chi phối Vũ trụ và mọi thứ trong đó có thể diễn giải bằng các phương trình toán học. Không phải ai cũng có thể hiểu ý nghĩa chúng, vì phần lớn chúng phức tạp đến mức khó có thể truyền đạt được bằng ngôn ngữ thông thường. Tuy nhiên điều đó không cản trở công chúng khi đánh giá vẻ đẹp của các phương trình. Năm 2016, trong một cuộc bình chọn của các nhà toán học và vật lý học do BBC-Earth của Anh tổ chức, phương trình Dirac đã được chọn là phương trình đẹp nhất. Bài viết này lược trích các thông tin về phương trình của ông.

Phương trình Dirac khắc trên bia đá tưởng niệm Dirac tại tu viện Westminster Abbey (London), có khắc họa tên tuổi (P.A.M. Dirac), năm sinh và năm mất của Dirac (1902, 1984). OM là viết tắt của the Order of Merit, là huân chương trao tặng cho những nhân vật có những đóng góp vượt bậc. (Ảnh: Internet.)

Trong cuộc bình chọn của các nhà toán học và vật lý học do BBC-Earth của Anh tổ chức năm 2016, phương trình Dirac đã được chọn là phương trình đẹp nhất, với số phiếu bình chọn chiếm 38% trong danh sách 12 phương trình được đưa ra. (Thông tin tham khảo: số Pi nhận được 13% số phiếu bình chọn). Trong nhiều cuộc bình chọn khác, phương trình Dirac luôn có mặt trong danh sách các phường trình đẹp.

Phương trình Dirac là một phương trình kết hợp hai trong số những ý tưởng quan trọng nhất trong khoa học: cơ học lượng tử (mô tả hành vi của các vật thể rất nhỏ (thế giới vi mô) và thuyết tương đối hẹp của Einstein mô tả hành vi của các vật thể chuyển động nhanh.

Sau khi hoàn thành bằng tiến sĩ vào tháng 6 năm 1926 và tiếp tục làm việc tại trường St. Jone ở Cambridge (Anh), nhà vật lý trẻ Paul Dirac (a) quyết tâm tìm ra một phương trình lượng tử tương đối tính thích hợp cho các điện tử. Điều hết sức ngạc nhiên là cách tiếp cận vấn đề của Dirac chỉ là dự đoán. Do làm việc một cách có phương pháp và hệ thống, thử từ phương trình này đến phương trình khác, loại trừ từng sai sót hay từng vấn đề không hợp lý, với trí thông minh vượt trội, đến cuối tháng 11 năm 1927 ông đã tìm ra được giải pháp.

Ngày 1 tháng 2 năm 1928, một trong những bài báo khoa học quan trọng nhất của thế kỷ 20 với tiêu đề rất đơn giản là "Lý thuyết lượng tử của điện tử" của Dirac đã xuất hiện trong Kỷ yếu của Hội Hoàng gia Anh (Proceedings of the Royal Society). Đó thực sự là một ca khúc khải hoàn của vật lý lý thuyết.

Phương trình của ông mô tả hành vi của các hạt điện tử với spin bán nguyên (½) khi chúng chuyển động với vận tốc rất nhanh gần với tốc độ ánh sáng. Nó nhất quán đồng thời các nguyên lý của cơ học lượng tử và thuyết tương đối hẹp, cũng như giải thích được các tính chất đã biết của điện tử. Nó cũng góp phần giải thích nguồn gốc của spin lượng tử là một hiện tượng tương đối tính. (Spin là sự quay quanh của hạt, giống như Trái Đất quanh quanh trục của nó.) Phương trình cũng dẫn đến sự miêu tả cấu trúc tinh tế trong dải phổ hiđrô.

Phương trình Dirac có bốn giải pháp, trong đó hai giải pháp tương ứng với điện tử có năng lượng dương và hai giải pháp với năng lượng âm. Lúc đó Dirac cũng chưa dự đoán rõ ràng sự tồn tại của một hạt mới, vì bản thân ông cũng bối rối với lời giải năng lượng âm dù là nó hoàn toàn là giải pháp đúng đắn cũng như lời giải năng lượng dương của phương trình.

Phương trình Dirac, dạng gốc và dạng được biết đến rộng rãi.

Phải mất vài năm Dirac mới hiểu được ý nghĩa thực sự của hai lời giải tương ứng với năng lượng âm. Ông coi là không gian có thể như là một "biển" của các trạng thái năng lượng âm đã được lấp đầy, để ngăn chặn các điện tử nhảy giữa những trạng thái có năng lượng dương (điện tích âm) và âm (điện tích dương). Mới đầu Dirac nghĩ là các hạt điện tử tích điện dương này có thể là các prôton (hạt điện tích dương trong hạt nhân nguyên tử). Nhưng ông sớm nhận ra rằng điều này có nghĩa là các prôton phải có cùng khối lượng như khối lượng của điện tử, trong khi thực tế prôton nặng hơn điện tử khoảng 2000 lần (chính xác hơn là khoảng 1840 lần). Cuối cùng Dirac nhận ra rằng hai nghiệm ‘kỳ quặc’ của phương trình là lý giải cho một loại hạt hoàn toàn mới: nó hoàn toàn giống với các điện tử, có cùng khối lượng, có cùng giá trị điện tích, chỉ là với dấu ngược lại; điện tử có điện tích âm trong khi hạt mới có điện tích dương. Trong bài báo xuất bản năm 1931, ông đưa ra tiên đoán sự tồn tại của hạt mới mà ông gọi nó là "phản điện tử” (anti-electron), và cũng đề xuất là khi hạt gặp phản hạt của nó, chúng nó sẽ hủy diệt lẫn nhau.

Continue Reading

Đường đi và đến của âm thanh

Âm thanh đi và đến

Những quy luật quang học về ánh sáng (hay nói rộng hơn là sóng điện từ) có thể áp dụng cho sóng âm. Sóng ở một môi trường này (thí dụ, không khí) đi vào một môi trường khác (thí dụ, nước) thì hiện tượng khúc xạ xảy ra. Khúc xạ nghĩa là đường đi của sóng chệch hướng khi đi vào môi trường khác. Nguyên nhân là do sự thay đổi vận tốc của sóng. Định luật Snell giải thích hiện tượng này bằng một công thức rất đơn giản nhưng đủ sức mạnh để định lượng hóa sự chệch hướng của sóng được áp dụng cho ánh sáng (sóng điện từ) và sóng âm trong mọi tình huống (xem Phụ chú ở bên dưới cùng bài viết). Tuy nhiên, giữa sóng điện từ và sóng âm có sự dị biệt lớn. Sóng điện từ có thể di chuyển trong chân không nhưng sóng âm cần môi trường (thể rắn, thể lỏng, thể khí) để truyền tải. Hai người đứng trong chân không nói chuyện nhau thì không ai nghe được ai. Vì vậy, khác với ánh sáng, vận tốc truyền tải của sóng âm thay đổi với nhiệt độ và áp suất của môi trường. Nhiệt độ hay áp suất càng cao thì vận tốc càng cao. Vì sự nhạy cảm của sóng âm đối với các điều kiện của môi trường, đường đi và đến của sóng âm cho thấy nhiều hiện tượng đặc thù. 

Đường truyền tải của sóng âm trong lòng biển phức tạp hơn trong không khí. Tùy theo địa hình khu vực, vùng biển nhiệt đới, ôn đới hay Nam/Bắc cực, sóng âm biến đổi tùy theo nhiệt độ và chiều sâu của biển. Sự biến đổi này rất đa dạng. Hình 2 cho thấy trường hợp tổng quát của sự biến đổi của vận tốc sóng theo chiều sâu của biển. Nhiệt độ nước trên mặt biển vào khoảng 20 °C và vận tốc tương ứng là 1.500 m/s. Nhiệt độ nước giảm theo chiều sâu cho đến khi chiều sâu đạt tới 1.000 m. Vận tốc theo nhiệt độ giảm đến 1.490 m/s. Ở độ sâu 1.000 m và sâu hơn, nhiệt độ ở mức trung bình 4 °C. Yếu tố nhiệt độ không còn quan trọng nhưng áp suất nước bắt đầu có ảnh hưởng. Áp suất ở 1.000 m là 100 atm gấp 100 lần áp suất không khí trên mặt biển (1 atm) và tiếp tục gia tăng với chiều sâu. Vận tốc gia tăng với áp suất. Vì vậy, đường đi và đến của sóng tùy thuộc vào sự thay đổi của vận tốc sóng trong lòng biển. Và sự thay đổi vận tốc được gây ra bởi nhiệt độ và áp suất của môi trường. Nhưng dù ở trường hợp nào, định luật Snell vẫn là ánh đuốc cho việc tính toán con đường đi đến của sóng âm.

Hình 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất của vận tốc sóng âm trong lòng biển.(Sound speed: vận tốc sóng âm; Water depth: chiều sâu của nước). (Nguồn: Google).

Sonar (sound navigation and ranging: sóng dẫn đường và định tầm) là sóng âm dùng để truy tìm và định vị vật thể trong nước giống như radar trong không khí. Radar là sóng điện từ chỉ có thể dùng trong không khí vì nước hấp thụ radar và triệt tiêu chức năng của radar. Thiết bị sonar hay radar đều có cùng một chức năng là truyền sóng đến mục tiêu và nhận lại sóng phản hồi. Tín hiệu phản hồi của sóng sonar hay radar được xử lý bằng những thuật toán giống nhau để xác nhận mục tiêu qua khoảng cách, phương hướng, tốc độ và hình dạng. Kỹ thuật radar và sonar phát triển mạnh trong Thế chiến thứ 2 cho mục tiêu quân sự. Ngày nay, những kỹ thuật này được áp dụng rộng khắp trong các ứng dụng dân sự lẫn quốc phòng. Những thiết bị sonar trở thành một công cụ không thể thiếu cho ngành ngư nghiệp để truy tìm những đàn cá ngoài khơi cũng như quan sát các hoạt động đi lại của tàu ngầm hay tìm kiếm ngư lôi nằm phục kích trong lòng biển.

Trong việc tính toán đường đi của sóng âm như vừa đề cập, các nhà khoa học tìm được một trường hợp đặc thù trong đó ảnh hưởng nhiệt độ gây ra sự thay đổi của vận tốc sóng tạo ra "vùng cấm" trong lòng biển (Hình 3). Vùng cấm là nơi mà sóng không thể lọt vào. Thiết bị sonar của chiếc tàu quan sát trên mặt biển không nhìn thấy tàu ngầm đang hoạt động hay một đàn cá bơi nhởn nhơ trong vùng cấm. Tàu ngầm hay đàn cá vì vậy "tàng hình" trước luồng sóng truy lùng sonar. Đây là một trong nhiều kết quả thú vị và đã trở thành điều thường thức trong các sách giáo khoa âm học... được tiên đoán bằng những con tính không quá phức tạp dựa trên định luật Snell theo các điều kiện biến đổi đặc thù của vận tốc sóng trong lòng biển.

Hình 3: Một trường hợp đặc thù của ảnh hưởng nhiệt độ nước trong lòng biển đối với vận tốc sóng tạo ra "vùng cấm" (////). (Nguồn: Google)

Nói đến "tàng hình" thì nảy sinh những điều thú vị khác. Tàng hình là một nghiên cứu nhiều thách thức trong khoa học vì nó tập trung vào việc giảm thiểu sóng phản hồi quay về nguồn phát bằng cách "dập tắt" sóng (hấp thụ sóng) hay uốn sóng phản hồi theo hướng khác hoặc làm sóng trượt trên mục tiêu. Sóng được phát ra từ "kẻ truy" để truy tìm "người ẩn" (mục tiêu). Khi kẻ truy nhận được sóng phản hồi thì sẽ định vị được người ẩn giống như trò ú tim giữa mèo và chuột. Nếu người ẩn khôn ngoan tìm được cách uốn cong đường đi của sóng tránh sự phản hồi hay "dập tắt" sóng (hấp thụ sóng) phát ra từ kẻ truy thì người ẩn sẽ tàng hình.

Năm 2006, nhóm nghiên cứu của giáo sư Pendry và Smith đã chế tạo một loại siêu vật liệu có thể uốn cong vi sóng (microwave). Vi sóng là sóng radar. Bài báo cáo công trình này làm chấn động cộng đồng khoa học. Phải chăng thời đại tàng hình đã mở màn? Và con người ai cũng sẽ mua được chiếc áo choàng Harry Potter; máy bay, tàu chiến, tàu ngầm sẽ tàng hình nhờ siêu vật liệu? Như Hình 4 cho thấy khi siêu vật liệu của nhóm Pendry-Smith được phủ lên một vật thể (mục tiêu) thì những tia vi sóng bị uốn cong trong lớp phủ trượt lên trên vật đó, giống như dòng nước nhẹ nhàng chảy vòng quanh khối đá nhô lên giữa dòng suối. Sự phản hồi sóng không xảy ra. Vật thể được phủ sẽ tàng hình.

Hình 4: Những tia sóng truyền tải từ mặt sang trái. Khi đi vào lớp phủ của Pendry-Smith (màu xanh) tia sóng bị bẻ cong và trượt trên bề mặt của vật thể (màu cam). Sóng vẫn tiếp tục truyền tải từ mặt sang trái, không phản hồi. Cho nên vật thể tàng hình.

Khi siêu vật liệu tàng hình trong vi sóng của Pendry-Smith được công bố thì các nhà vật lý âm học vội vàng "ăn theo" tạo ra siêu vật liệu "tàng âm" (tàng hình âm học) vì những quy luật dùng cho sóng điện từ cũng có thể áp dụng cho sóng âm. Thật ra, như Hình 3 cho thấy âm học đã có hiện tượng "vùng cấm" thiên nhiên trước khi có ý tưởng siêu vật liệu tàng hình. Vùng cấm là nơi mọi vật thể tàng hình trước sự truy lùng của sóng sonar. Theo sự tìm kiếm của người viết, trong nhiều bài báo cáo về siêu vật liệu tàng âm dường như "vùng cấm" âm học bị lãng quên. Tác giả các bài báo âm học chỉ chăm chú vào những thành quả siêu vật liệu của đồng nghiệp sóng điện từ mà quên rằng "vùng cấm" âm học từng hiện hữu và có thể tiên liệu dựa theo công thức đơn giản của Snell.

Như vậy, có chăng con người có thể "hô biến" mọi vật từ trên không đến lòng biển? Câu trả lời ngắn gọn là: chưa. Thứ nhất, siêu vật liệu tàng hình chỉ xảy ra ở một tần số nhất định của sóng điện từ hay sóng âm. Nếu kẻ truy dùng tần số khác thì người ẩn bị "hiện hình". Thứ hai, để có thể uốn cong đường đi của sóng, lớp phủ cần một độ dày nhiều lần lớn hơn đường kính của vật. Quá cồng kềnh! Do vậy, siêu vật liệu tàng hình là một mẫu thí nghiệm trong phòng nghiên cứu chỉ hữu ích cho việc khảo sát và thiết kế một môi trường để uốn cong đường đi và đến của sóng theo một chủ đích được đặt ra. Nó không mang tính thực dụng.

Khi quan sát kỹ Hình 3 chúng ta thấy "vùng cấm" như là một siêu vật liệu tàng hình thiên nhiên khổng lồ có thể tích rộng vài ngàn đến mươi ngàn kilômét khối bao quanh chiếc tàu ngầm. Khác với siêu vật liệu tàng hình/tàng âm của con người chỉ có thể hoạt động ở duy nhất một tần số, "vùng cấm" có thể hoạt động trên băng tần rộng bao trùm mọi tần số của âm thanh.Trong vùng nước mênh mông này những vật thể như đàn cá hay tàu ngầm có thể tung hoành tùy thích mà không ai nghe thấy. Thật là hấp dẫn nếu các nhà khoa học có thể dùng ý tưởng "vùng cấm" để phủ lên chiếc tàu ngầm. Tuy nhiên, chúng ta đụng vào một điều nan giải là làm sao "ép" một vùng rộng vài ngàn kilômét khối tạo thành một lớp phủ dày vài xentimét? Chúng ta không vi phạm những quy luật vật lý nhưng hiện nay chưa có một phương pháp khả thi để chế tạo một vật liệu vừa mỏng vừa có hiệu năng tàng hình tương đương.

Continue Reading

Cuộc du hành vào lỗ đen (Phần 2) - Kip S. Thorne

 CUỘC DU HÀNH VÀO LỖ ĐEN (Tiếp theo phần 1)

Mặc dù biết là có thể sử dụng những công thức và định lý của hình học cao cấp, nhưng bạn hãy nhớ lại những gì mình đã học được trên Trái Đất rằng: tuy khối lượng và mômen quán tính của một lỗ đen xác định tất cả những thuộc tính của đường chân trời cũng như của không gian xung quanh, nhưng chúng không thể cho biết những thông tin rõ ràng về thế giới bên trong của vật thể kỳ bí này. Thuyết tương đối tổng quát nhấn mạnh rằng, bên trong lỗ đen, gần với kỳ dị, không gian không đồng nhất như hình cầu mà bị xáo trộn một cách mãnh liệt, hoàn toàn giống với đầu mút của màng cao su trong hình 1 nếu hòn đá nặng trịch đó sần sùi đầy răng cưa và nhẩy lên nhảy xuống điên cuồng. Hơn nữa, bản chất hỗn độn bên trong lõi của lỗ đen sẽ không chỉ phụ thuộc khối lượng và mômen động lượng của nó mà còn phụ thuộc vào những chi tiết về vụ co sập của sao mẹ đã sinh ra lỗ đen, cũng như phụ thuộc vào những đặc tính của khí được tạo ra sau này xung quanh nó, những điều mà bạn còn chưa nắm rõ.

"Được rồi," bạn tự nhủ. “Bất kể nó cấu tạo như thế nào, thì cái lõi hỗn độn của nó cũng phải có một chu vi nhỏ hơn rất nhiều so với 1 centimét. Như vậy, minh hầu như sẽ gặp những sai số rất nhỏ nếu mình bỏ qua nó khi tính bán kính của đường chân trời.”

Nhưng một lần nữa, bạn nên nhớ rằng không gian bị xoắn đến cực độ ở gần kỳ dị làm cho vùng hỗn độn có bán kinh lên tới hàng triệu kilômét dù nó chỉ có chu vi bé bằng một phần nhỏ của đơn vị centimét, y như khi hòn đá trong hình 1, đủ nặng, có thể kéo đầu mút biến dạng của màng cao su xuống dưới thật sâu trong khi vẫn để chu vi của miền méo mó hỗn độn này nhỏ một cách đáng kể (nhưng bán kính vẫn rất lớn – H. 1). Những sai số bạn mắc phải trong việc tính bán kinh khi đó sẽ trở nên vô cùng kinh khủng. Như vậy bán kinh của đường chân trời không thể tính một cách đơn giản từ những thông tin nghèo nàn mà bạn đang sở hữu khối lượng lỗ đen và mômen quán tính của nó.

Hình 1. Một hòn đá nặng nằm trên một màng cao su (ví dụ như đó là một tấm vải cao su mà các nghệ sỹ biểu diễn xiếc thường nhào lộn) làm biến dạng nó như hình vẽ. Dạng hình học méo mó của màng cao su hoàn toàn tương tự với sự  hỗn độn của không gian hình học xung quanh và bên trong một lỗ đen. Ví dụ, chu vi của vành tròn đen dày trong hình vẽ nhỏ hơn nhiều so với 2 lần bán kính của nó, cũng như chu vi của đường chân trời lỗ đen nhỏ hơn nhiều so với 2π lần bán kính của nó.

Tạm bỏ qua những băn khoăn, suy tưởng đang trăn trở về không gian bên trong lỗ đen, bạn chuẩn bị cuộc hành trình khám phá vùng lân cận của đường chân trời bí ẩn. Không muốn liều lĩnh đánh cược bằng sự sống của con người, bạn ra lệnh cho một tên lửa thám hiểm, một rô bốt cao 10 centimét mang tên Arnold thực hiện nhiệm vụ đầy nguy hiểm này thay cho mình và truyền những kết quả về tàu vũ trụ. Arnold mang theo những chỉ dẫn vô cùng đơn giản: Anh ta phải khởi động những máy móc của mình để bắt kịp chuyển động quỹ đạo cùng con tàu, sau đó tắt hết các động cơ, và mặc cho sức hút hấp dẫn mãnh liệt của lỗ đen kéo mình vào bên trong. Trong khi "rơi tự do” như vậy, Arnold phải phát ra các chùm laser màu xanh cực nhạy trở về tàu, trên các dao động điện từ của chùm laser đó, anh ta phải mã hoá và kèm theo các thông tin về quãng đường đi, trạng thái hoạt động của hệ thống điện tử của mình, y hệt như một đài phát thanh truyền những bản tin hàng ngày trong sóng radio được truyền đến mọi nhà.

Continue Reading

Cuộc du hành vào lỗ đen (Phần 1) - Kip S. Thorne

Nội dung dưới đây là một vài trích đoạn trong cuốn “Lỗ đen và sự uốn cong của thời gian" - một cuốn sách phổ biến khoa học nổi tiếng của một trong số các nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng nhất thế giới hiện nay, giáo sư Kip Thorne, người đã từng đánh cược với Stephen Hawking và đã thắng.

Trong tất cả những khái niệm của kho tàng tư duy nhân loại, từ những con nhân sư huyền bí đến bom khinh khí huỷ diệt, có lẽ thứ kỳ lạ và bí ẩn nhất chính là lỗ đen: một cái lỗ với những biên giới xác định mà mọi thứ đều có thể rơi vào và không thứ gì có thể thoát ra được một cái lỗ có lực hấp dẫn mạnh đến nỗi thậm chí ánh sáng cũng bị nó bắt và giam giữ trong nhà tù nhỏ bé của nó, một cái lỗ có khả năng làm cong không gian và xoắn thời gian. Cũng như con nhân sư hay các loại quái vật khác, lỗ đen dường như thích hợp với vị trí nằm trong vương quốc của các câu chuyện khoa học viễn tưởng hay những điều kỳ bí thời cổ đại hơn là trong Vũ trụ thực tế của chúng ta, Tuy nhiên, những định luật vật lý đã được kiểm chứng, đã tiên đoán một cách chắc chắn rằng Lỗ đen tồn tại. Trong thiên hà của chúng ta, có thể có đến hàng triệu lỗ đen, nhưng bóng tối của chúng đã che dấu sự tồn tại đó trước mắt con người. Các nhà thiên văn học đã phải rất nỗ lực và cố gắng để tìm ra thực thể kỳ lạ này.

Lỗ đen Hades
Hãy tưởng tượng bạn là chủ sở hữu đồng thời là người điều hành một tàu không gian lớn, Với nhiều máy vi tính hiện đại, robot và hàng trăm phi hành gia dưới quyền. Bạn được Hội Địa lý thế giới giao nhiệm vụ khám phá những lỗ đen nằm trong không gian giữa các vì sao và chuyển về Trái Đất những kết quả và những mô tả thi nghiệm của bạn. Sau sáu năm lang thang trong vũ trụ, con tàu của bạn đang từ từ tiến vào vùng lân cận của lỗ đen gần Trái Đất nhất, có tên “Hades" nằm cạnh sao Vega.

Trên màn hình video của con tàu, bạn và các cộng sự đắc lực nhận ra những dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của lỗ đen này: Các phân từ khí phân bố một cách rời rạc trong không gian giữa các vì sao, khoảng một phân tử trong một centimet khối, bị hút bởi trường hấp dẫn của lỗ đen (hình 1). Chúng bay về phía lỗ đen từ mọi hướng khác nhau, vô cùng chậm khi ở xa lỗ đen - lúc đó lực hấp dẫn rất nhỏ – và tăng tốc khi lại gần lỗ vì lực hút đã tăng lên mạnh mẽ, thậm chi vận tốc của chúng nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng. Nếu bạn không hành động kịp thời, cả con tàu có nguy cơ sẽ bị cuốn theo cùng với những phân tử xấu số.

Nhanh chóng và cẩn thận, trợ lý thân cận nhất của bạn, Kares, điều khiển con tàu thoát khỏi tình trạng nguy cấp và đưa nó vào quỹ đạo chuyển động tròn, sau đó tắt các động cơ. Khi bạn bay theo đường biên của lỗ đen, lực quán tính ly tâm của chuyển động tròn này sẽ giúp con tàu của bạn chống lại lực hấp dẫn của lỗ đen. Con tàu giống như một khẩu súng cao su đồ chơi hồi ban còn bé, buộc trên một đầu sơi dây đang quay tít, bị đẩy ra do lực ly tâm và được giữ lại bởi sức căng của sợi dây, tương tự như lực hấp dẫn của lỗ đen. Trong lúc con tàu đang chuyến động theo quán tính thì bạn và các phi hành gia tiến hành khám phá lỗ đen bí ẩn.

Hình 1

Trước tiên, bạn tiến hành nghiên cứu một cách bị đông: sử dung các kính thiên văn để tìm hiểu sóng điện từ mà các phân tử khí phát xạ khi chúng bay vào lỗ đen. Cách xa lỗ đen, các phân tử này ở trạng thái lạnh, chỉ vài độ Kelvin. Khi đó, chúng dao động rất chậm tạo ra các sóng điện từ với bước sóng dài. Đó chính là sóng vô tuyến (hình 2). Vào gần lỗ đen, nơi lực hấp dẫn kéo các phân tử ngày càng mạnh, chúng va chạm với các phân tử khác và nóng lên tới hàng nghìn đô. Nhiệt lượng toả ra khiến chúng dao dộng ngày càng mạnh và phát ra các sóng điện từ có bước sóng ngăn và bạn nhận ra quang phổ đầy màu sắc: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, tím (hình 2). Gần lỗ đen hơn nữa, lúc này trường hấp dẫn đã mạnh hơn rất nhiều và các dòng cuốn vào lỗ đen ngày càng nhanh, va chạm nung nóng các phân tử khí lên đến hàng triệu độ, chúng dao động nhanh đến chóng mặt, phát ra những sóng điện từ có bước sóng cực ngắn: tia X. Khi nhìn thấy các tia X tràn ra xung quanh lỗ đen, gợi cho bạn nhớ tới phát hiện về lỗ đen đầu tiên của các nhà vật lý thiên văn vào năm 1972: Cygnus X-1, cách Trái đất 6,000 năm ánh sáng, trong quá trình họ tìm hiểu về tia X

Hình 2: Phổ sóng điện từ, đi từ sóng vô tuyến có bước sóng rất dài (tần số cực thấp) đến các tia gamma với bước sóng cực ngắn (tần số cao).

Điều chỉnh kính thiên văn ngắm gần vào lỗ đen, bạn thấy những tia gamma từ các nguyên tử bị nung nóng đến nhiệt độ cao. Tiếp đến, hiện ra mờ mờ ngay giữa trung tâm của cảnh tượng chói loà này, một hình cầu lớn, đen hoàn toàn, đó chính là lỗ đen, vết mực dơ giữa nền ánh sàng rực rỡ, tia X và tia gamma từ những nguyên tử đã che dấu cho sự tồn tại của nó. Bạn quan sát những dòng nguyên tử siêu nóng đang cuốn vào lỗ từ mọi phía. Khi đã vào bên trong lỗ đen, chúng nóng hơn bao giờ hết, dao động nhanh hơn bao giờ hết và bức xạ mạnh hơn bao giờ hết, nhưng những bức xạ này cũng không thể thoát khỏi cường độ hấp dẫn dữ dội của lỗ đen. Không gì có thể thoát ra được. Đó chính là nguyên nhân tại sao lỗ đen lại có màu đen, đen như mực.

Continue Reading

Stephen Hawking thua cược về lỗ đen vũ trụ

Stephen Hawking, sinh năm 1942, là chuyên gia nghiên cứu về thuyết tương đối rộng và tập trung vào vấn đề kỳ dị của không gian. Cuộc đời bất hạnh với căn bệnh hiểm nghèo đã khiến ông phải gắn chặt với chiếc xe lăn và chỉ giao tiếp được với thế giới bên ngoài nhờ chiếc máy vi tính. Những điều đó đã không ngăn được ông trở thành một trong những nhà vật lý lý thuyết tài năng nhất thế giới.

Từ khi cuốn “Lược sử thời gian” được xuất bản, tên tuổi của Stephen Hawking đã nổi tiếng khắp nơi. Người ta hâm mộ ông tới mức có người xem những lời nói của ông như những lời tiên tri về vật lý học. Và dưới con mắt của đông đảo công chúng “Stephen Hawking” đã trở nên đồng nghĩa với thuật ngữ “Lỗ đen” và “Kẻ thống trị vũ trụ" (tên một bộ phim về ông do hãng BBC thực hiện). Nhưng phải chăng chân lý luôn thuộc về nhà tiên tri” và “kẻ thống trị", Stephen Hawking ?

Ngày 21 tháng 7 năm 2004, Stephen Hawking đã tiết lộ lời giải đáp đang được chờ đợi về nghịch lý lỗ đen tại Hội nghị quốc tế diễn ra ở Dublin (Ireland). Trong báo cáo của mình, ông đã thừa nhận trước con mắt ngỡ ngàng của 800 đại biểu tham dự rằng mình và nhà vật lý lý thuyết Kip Thorne thuộc Đại học Caltech (Mỹ) đã thua trong cuộc cá cược với John Preskill về lỗ đen. Mặc dù vậy, lập luận của Hawking chưa đủ sức thuyết phục nhiều người, kể cả Thorne. 

Lỗ đen theo quan niệm cổ điển là những vùng không gian có lực hấp dẫn lớn tới mức không một cái gì, thậm chí cả ánh sáng, có thể thoát khỏi chúng. Bề mặt bao quanh lỗ đen mà không một thứ gì có thể thoát khỏi đó gọi là chân trời sự cố. Tất cả thông tin trong ánh sáng và vật chất rơi vào qua chân trời sự cố đều biến mất mãi mãi bởi lẽ lỗ đen chỉ có thể được miêu tả bởi ba thông số: khối lượng, điện tích và mômen động lượng. 

Vào những năm 70, dựa trên những công việc trước đó của Jacob Bekenstein và áp dụng thuyết lượng tử vào việc giải thích lỗ đen, Hawking chỉ ra rằng những vật kỳ bí này cũng có nhiệt độ, điều đó có nghĩa là chúng bức xạ nhiệt hay còn gọi là bị bay hơi. Như vậy, cuối cùng các lỗ đen sẽ phải biến mất. Tuy nhiên, vấn đề là ở chỗ những thứ rơi vào lỗ đen cũng biến mất theo. Sự tồn tại và tính chất của lỗ đen được suy ra từ các phương trình Einstein, mà các phương trình này là đúng, tức lỗ đen làm mất thông tin. Mặt khác cơ học lượng tử cũng đúng, dẫn đến việc bảo toàn xác suất của mọi quá trình, có nghĩa là thông tin không thể mất đi được. Đây quả thật là một nghịch lý!

Chúng ta hãy thử tưởng tượng, nếu một quả bom làm nổ tung một thư viện thì có làm mất hết các thông tin chứa trong đó không? Có còn một vết tích gì hay mọi dấu vết đều tan biến. Trên thực tế, các thông tin này không thật sự mất đi vì vẫn nằm trong các nguyên tử, các photon bay tán loạn ra xung quanh sau vụ nổ. Về nguyên tắc, đĩ nhiên không dễ dàng gì và cũng không ai làm như vậy, nhưng ta vẫn có thể thu nhặt lại các nguyên tử và photon đó, đo đạc chúng và gắn kết chúng lại thành cái thư viện ban đầu. Nhưng nếu ta ném thư viện đó vào lỗ đen thì sao??? 

Continue Reading

Mô hình chuẩn (SM - Standard Model) - Buổi bình minh của nền vật lý mới

Từ nhiều năm nay con người vẫn không ngừng tìm hiểu xem thế giới tươi đẹp và muôn hình vạn trạng mà chúng ta đang sống rốt cuộc lại được cấu tạo từ cái gì. Rõ ràng đó không phải là các yếu tố đất, không khí, nước và lửa như người Hy Lạp Cổ đại đã nêu ra, cũng không phải là ngũ hành Kim, Mộc, Thuỷ, Hoả, Thổ như người Trung Hoa xưa kia đã quan niệm. Ngày nay khoa học vật lý đã cho một lời giải đáp hết sức đơn giản vấn đề nêu trên thông qua một lý thuyết gọn và đẹp nhất từ trước đến nay, có tên gọi là Mô hình chuẩn (SM - Standard Model). Lý thuyết này mô tả tính chất của các thành phần nhỏ nhất của vật chất cũng như mọi tương tác giữa chúng, dẫn đến thế giới tự nhiên muôn hình vạn trạng mà chúng ta đang sống.

Hình mô tả 6 quark, 6 lepton và tác động giữa các hạt theo mô hình chuẩn

Sơ đồ tương tác giữa các hạt trong mô hình chuẩn.

Theo Mô hình chuẩn, các thành phần cơ bản cấu tạo nên vật chất thông thường là electron (e^-), hạt quark "up" (u) và hạt quark "down" (d). Một hệ ba hạt quark tạo nên proton (uud) và nơtron (udd), hai loại này cùng với e^- tạo nên hạt nhân nguyên tử. Đi kèm với e^- còn có hạt nơtrino (ν), xuất hiện trong các quá trình rã của một số hạt nhân nặng. Các hạt nói trên tạo nên thế hệ I của các hạt vật chất. Ngoài ra còn có hai thế hệ khác nữa, thế hệ II và thế hệ III, giống thế hệ I về mọi mặt, trừ việc các hạt có khối lượng lớn hơn. Hai thế hệ này dùng để làm gì, cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa trả lời được. Các hạt vật chất như những “viên gạch” cấu tạo nên toà lâu đài thế giới tự nhiên. Để gắn những viên gạch lại với nhau thì cần phải có “xi măng", tức là các hạt bozon truyền tương tác phát huy tác dụng trong phạm vi hạt cơ bản:

- Tương tác điện từ giữa các hạt có mang điện tích. Hạt truyền là photon (γ).
- Tương tác yếu thể hiện qua các quá trình phân rã các hạt, với hạt truyền tương tác yếu là các bozon W⁺,W¯ và Zº. 

Hai loại tương tác trên liên quan đến việc hình thành các nguyên tố hoá học.
Và cuối cùng là tương tác mạnh, gắn kết các quark thành proton, nơtron và gắn kết các proton, nơtron thành hạt nhân nguyên tử. Hạt truyền tương tác mạnh là gluon.

Một trong những điểm đặc sắc nhất của Mô hình chuẩn là dạng cả ba loại tương tác (cấu trúc cụ thể của các phương trình toán học mô tả chúng) đều được quy định bởi cùng một nguyên lý hết sức tổng quát, chung cho cả ba loại. Ngoài những hạt vật chất (quark, lepton) và các bozon truyền tương tác nói trên, ta còn phải kể đến một hạt đặc biệt là bozon Higgs. Hạt Higgs có "nhiệm vụ" sinh khối lượng cho các hạt thông qua dạng tương tác đặc thù của mình.

Để đầy đủ ta cũng cần kể thêm loại tương tác thứ tư là tương tác hấp dẫn (giữa mọi hạt có khối lượng), nhưng tương tác này là quá nhỏ trong phạm vi hạt cơ bản nên lâu nay vẫn bị bỏ qua.

Mô hình chuẩn được xây dựng vào những năm 70 và kiếm nghiệm thực nghiệm vào những năm 80 của thế kỷ trước. Nổi bật nhất là mô hình chuẩn đã dự đoán sự tồn tại của các bozon truyền tương tác yếu W⁺,W¯ và Z°, cũng như các gluon truyền tương tác mạnh và hai hạt trong số các hạt quark nặng là quark -c và quark -t. Nói riêng máy gia tốc LEP (Large Electron Positron) hoạt động ở CERN gần Geneva (Thuy Sĩ) trong khoảng thời gian từ 1989 đến 2000 đã khảo sát hiện tượng sinh và huỷ cả 20 triệu hạt bozon Z° với các thuộc tính đúng như dự đoán. Đối với các hạt khác cũng tượng tự. 

Một kiểm nghiệm quan trọng thứ hai là đối với các góc trộn điện – yếu, một tham số có vai trò không thể thiếu được trong việc mô tả các tương tác điện từ và tương tác yếu. Tham số này được các thí nghiệm khác nhau cùng xác định là có giá trị như nhau với sai số một phần trăm (!), khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết. Thật vậy, nếu như mô hình chuẩn là không đúng thì góc trộn này sẽ phải khác nhau đối với những quá trình điện - yếu khác nhau. 

Tuy nhiên, như đã từng xảy ra đối với các lý thuyết khác trong lịch sử khoa học, các thí nghiệm gần đây tiến hành trên các máy gia tốc với năng lượng ngày càng cao đã cho nhiều kết quả có vẻ ra khỏi phạm vi Mô hình chuẩn. Đó là chưa kể nhiều vấn đề sâu sắc của vũ trụ học lại tìm được lời giải đáp trong vật lý hạt, tức việc tìm hiểu cái lớn nhất và cái nhỏ nhất được tiến hành đồng thời với nhau. Và điều này Mô hình chuẩn không thể làm nổi.

Continue Reading

Richard Feynman - Đi tìm các định luật mới (Phần 2)

Có thể dẫn ra thêm một thí dụ nữa rõ ràng và quan trọng hơn. Một ý tưởng mang lại nhiều kết quả, thúc đẩy mạnh mẽ nhất sự tiến bộ trong sinh vật học, đó là giả thiết cho rằng tất cả những gì sinh vật làm được thì cái đó cũng là do các nguyên tử làm, trong giới sinh vật tất cả đều là kết quả của những quá trình vật lý và hoá học nào đó. Dĩ nhiên có thể nói rằng "Khi anh chuyển sang lĩnh vực của giới sinh học thì tất cả đều là có thể". Nhưng đứng trên quan điểm đó thì anh không bao giờ hiểu được các định luật của giới sinh vật. Thường thì rất khó tin được rằng những cái râu uốn khúc của con cá mực chẳng qua chỉ là một trò chơi của các nguyên tử tuân theo các định luật vật lý đã biết. Nhưng nếu nghiên cứu các chuyển động đó bằng cách dùng các giả thiết tương tự thì thấy rằng chúng ta có thể dự đoán một cách khá chính xác về đặc tính của nó. Và chính vì thế mà chúng ta đạt được những tiến bộ lớn. 

Trong việc dự đoán không có cái gì là phản khoa học, dù rằng nhiều người không nghiên cứu khoa học lại cứ nghĩ như thế. Vài năm trước đây tôi phải nói chuyện với một người sính đĩa bay. Vì tôi là nhà khoa học nên tôi phải biết rất nhiều về đĩa bay ! Tôi giải thích cho anh ta rằng tôi không cho là đĩa bay có thật. Điều đó làm phật lòng người nói chuyện với tôi. Anh ta hỏi một cách tức giận: "Sao lại không có đĩa bay ? Anh có thể chứng minh được điều đó không ? "Không, tôi không chứng minh được điều đó, tôi chỉ biết là khả năng có đĩa bay là rất ít". Anh ta tiếp tục tấn công: "Nhưng lý luận như vậy thì hoàn toàn không đạt, nếu anh không chứng minh được diều đó không thể có thì làm sao anh có thể tự cho phép mình nói rằng điều ấy ít có khả năng xảy ra?". Nhưng đó chính là phương pháp lý luận khoa học nhất. Khoa học nói cái gì có xác suất lớn hơn, cái gì có xác suất nhỏ hơn, chứ không phải bao giờ cũng chứng minh được cái gì nhất định phải có, cái gì không thể có. Nếu muốn nói một cách chính xác hơn thì tôi phải nói: "Lẽ nào anh không thấy, trên cơ sở những hiểu biết cuả mình về thế giới xung quanh chúng ta, tôi cho rằng các tin tức về đĩa bay là kết quả những điều suy nghĩ phi lý quen thuộc của con người trên Trái đất hơn là kết quả của những nỗ lực hợp lý của những sinh vật biết tư duy mà ta chưa biết ở trên các hành tinh khác". Giả thiết đầu tiên có vẻ hợp lý hơn nhiều, và tất cả chỉ là thế. Đó là một giả thiết tốt. Và chúng ta luôn luôn cố gắng nghĩ ra những cách giải quyết có vẻ đúng đắn nhất mà không quên rằng nếu bất chợt không dùng được thì chúng ta phải nghiên cứu những khả năng khác. 

Nhưng làm thế nào mà dự đoán được cái gì cần phải giữ và cái gì có thể hi sinh ? Chúng ta có biết bao nhiêu là nguyên lý đẹp và biết bao nhiêu là sự kiện đã được biết và mặc dù thế chúng ta vẫn không có những điều phù hợp hoàn toàn với nhau. Lúc thì chúng ta nhận được những giá trị vô cùng lớn, lúc thì cách giải thích của chúng ta là không phù hợp, có một cái gì đó đang còn thiếu. Đôi khi điều đó có nghĩa là ta phải từ bỏ một ý tưởng nào đó. Và ít ra là trong quá khứ, mỗi lần muốn giải quyết một khó khăn tương tự như thế thì chúng ta đều phải hi sinh một quan niệm nào đó có gốc rễ sâu xa. Toàn bộ vấn đề dẫn đến việc để lại cái gì và bỏ đi cái gì. Nếu bỏ đi ngay tất cả thì chúng ta sẽ đi quá xa và trong thực tế chúng ta chẳng còn lại cái gì để làm việc nữa. Cuối cùng thì định luật bảo toàn năng lượng có vẻ là đúng, nó thuận tiện, và tôi không có ý muốn từ bỏ nó. Muốn dự đoán được cái gì cần giữ lại, cái gì cần phải bỏ đi thì cần phải có không ít tài nghệ. Nói cho đúng tôi hoàn toàn thừa nhận rằng ở đây chỉ là chuyện may mắn, nhưng mọi chuyện xảy ra đúng như là cần phải có nhiều tài nghệ mới làm được điều ấy.

Một vấn đề khác được đặt ra trước mắt chúng ta, vấn đề này có liên quan đến sự tồn tại của các đối xứng yếu. Sự tồn tại của các các đối xứng đại loại như điều khẳng định rằng nơtron và proton là hoàn toàn đồng nhất chỉ trừ có tính chất điện của chúng, hay như điều khẳng định rằng nguyên lý về sự phản xạ gương là đúng ở mọi nơi, chỉ trừ đối với phản ứng thuộc một loại, tất cả những điều đó là đáng tiếc. Hình như là tất cả mọi cái đều đối xứng nhưng thực ra lại không đối xứng đến cùng. Về vấn đề ấy bây giờ có hai quan điểm khác nhau. Một quan điểm cho rằng thực ra thì tất cả là đơn giản, thực ra thì tất cả là đối xứng và mọi cái xảy ra có phức tạp một chút có phá vỡ một chút sự đối xứng lý tưởng. Một trường phái khác chỉ có một người theo, người đó là tôi, thì không đồng ý như vậy và tin rằng tất cả là rất phức tạp và sự đơn giản chỉ đạt được sau nhiều điều phức tạp. Những người Hi Lạp xưa kia cho rằng các hành tinh chuyển động theo những quỹ đạo tròn. Thực ra quỹ đạo đó có dạng elip. Chúng không đối xứng một cách hoàn hảo nhưng khác đường tròn rất ít. Nảy ra một vấn đề: tại sao các quỹ đạo lại chỉ đối xứng một cách gần đúng ? Tại sao chúng lại khác vòng tròn ít đến như vậy ? Vì có hiệu ứng thuỷ triều lâu dài và rất phức tạp chăng? Đó là một lý thuyết rất phức tạp. Rất có thể ở sâu trong lòng thì thiên nhiên là hoàn toàn không đối xứng nhưng trong những đan chéo ranh ma trong thực tế thì nó bắt đầu có vẻ gần như là đối xứng và elip bắt đầu giống với đường tròn. Đây là một khả năng khác đối với các bạn. Nhưng không ai biết được câu trả lời chắc chắn, tất cả các điều đó chỉ là phỏng đoán.

Continue Reading

Richard Feynman - Đi tìm các định luật mới (Phần 1)

Nói chung thì việc tìm tòi một định luật mới được tiến hành như sau. Trước tiên người ta dự đoán về định luật đó. Tiếp theo thì tính toán những hệ quả của điều dự đoán và tìm hiểu cho rõ những điều suy ra từ định luật đó nếu như nó là đúng. Sau đó so sánh những kết quả tính toán với những điều quan sát được trong thiên nhiên, với kết quả của thực nghiệm và với các kinh nghiệm của chúng ta, và xem xét kết quả của việc so sánh như thế nào. Nếu những tính toán cho kết quả không phù hợp với các số liệu thực nghiệm thì định luật không đúng. Chính mầm mống của khoa học là ở điều xác nhận đơn giản đó. Còn tác giả của điều dự đoán đó là ai, tên gì, thông minh đến mức nào là những điều không quan trọng - nếu lý thuyết không phù hợp với thực nghiệm thì có nghĩa là lý thuyết sai. Đó là tất cả. 

Dĩ nhiên để khẳng định dứt khoát một lý thuyết nào đó không đúng còn cần phải kiểm tra thêm, nhưng không nhiều lắm. Bởi lẽ, dù rằng người thí nghiệm là ai, bao giờ cũng có khả năng các kết quả thí nghiệm không được thông báo đúng, hoặc trong thực nghiệm có sự kiện nào đó bị bỏ qua, có một vết bấn hoặc một cái gì đó, hoặc người tính toán các hiệu ứng phạm sai lầm trong quá trình phân tích, mặc dù đó là giả thiết của chính tác giả. Tất cả những điều lưu ý đó đều hoàn toàn tự nhiên và vì vậy khi tôi nói: “Vì rằng kết quả tính toán không phù hợp với thực nghiệm nên định luật đưa ra không đúng" tức là tôi cho rằng thí nghiệm và tính toán đã được tiến hành một cách đúng đắn và sau khi đã phân tích một cách toàn diện, chúng ta đảm bảo rằng các hiện tượng quan sát được là kết quả suy ra một cách lôgic từ giả thuyết mà ta thừa nhận và giả thuyết đó quả thực là không phù hợp với thực nghiệm đã được hiệu chính một cách cực kỳ cấn thận. 

Ở bạn có thể hình thành một quan niệm không hoàn toàn đúng về khoa học. Các bạn có thể nghĩ rằng hình như chúng tôi luôn luôn dự đoán, rồi kiểm tra các dự đoán bằng thực nghiệm, khiến cho thực nghiệm chỉ đóng vai trò phụ. Nhưng thực ra các nhà thực nghiệm là những người hoàn toàn tự lập. Họ thích làm thí nghiệm ngay trước khi có một người nào đó suy nghĩ ra một điều gì và họ rất hay làm việc trong những lĩnh vực mà các nhà lý thuyết còn chưa có một dự đoán nào. Thí dụ chúng ta có thể biết một mớ các định luật, nhưng chúng ta không biết ở năng lượng rất cao thì các định luật đó có còn đúng hay không, vì rằng giả thuyết về tính đúng đắn của chúng chẳng qua mới chỉ là một giả thuyết tốt. Các nhà thực nghiệm cố gắng làm các thí nghiệm ở năng lượng cao, nhưng thỉnh thoảng họ vấp phải những khó khăn - điều mà chúng ta coi là đúng hoá ra lại không còn đúng nữa. Như vậy, thực nghiệm có thể dẫn tới những kết quả bất ngờ, và điều đó bắt buộc chúng ta phải đưa ra những dự đoán mới. Một thí dụ về kết quả hực nghiệm không ngờ tới là sự phát minh ra  µ-mêzôn và nơtrinô-µ, trước khi tìm ra hai hạt này chì không có ai nêu ra giả thiết về sự tồn tại của chúng và ngay đến bây giờ cũng không ai biết làm thế nào mà tiên đoán được sự tồn tại của chúng. 

Dĩ nhiên là các bạn hiểu rằng phương pháp như thế chỉ cho phép lật đổ một lý thuyết bất kì. Nếu chúng ta chỉ có một lý thuyết nào đó, một giả thuyết chân chính nào đó, nhờ có nó ta có thể liên đoán bằng các phương pháp thông thường những kết quả của thực nghiệm, thì nói chung như vậy là đủ để chấm dứt đối với lý thuyết đó, dù nó tốt đến đâu. Chúng ta luôn có khả năng lật đổ một lý thuyết nhưng hãy chú ý rằng chúng ta không bao giờ có thể chứng minh lý thuyết đó là đúng. Giả thử rằng anh đưa ra một lý thuyết có hiệu quả, tính toán được các hệ quả của nó và chứng tỏ rằng tất cả các kết quả đó được khẳng định bằng thực nghiệm. Phải chăng như vậy là lý thuyết của anh đúng? Không, điều đó chỉ có nghĩa là anh chưa bác bỏ được lý thuyết đó mà thôi. Sau này anh có thể tính toán được một loạt kết quả rộng rãi hơn, tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm sâu sắc hơn và chứng minh lý thuyết của anh là không đúng. Tại sao các định luật như định luật về chuyển động của hành tinh của Newton lại sống được lâu đến vậy? Newton dự đoán định luật vạn vật hấp dẫn, từ đó suy ra nhiều hệ quả rất khác nhau đối với Hệ Mặt trời, nhưng khi so sánh chúng với các kết quả quan sát sau đó vài thế kỉ người ta mới thấy được những sai lệch rất nhỏ của chuyển động của Thủy tinh so với dự đoán. Trong suốt những năm đó lý thuyết của Newton chưa bị bác bỏ và tạm thời người ta coi nó là đúng. Nhưng sự đúng đắn của nó không thể chứng minh được vì rằng rất có thể ngày mai thí nghiệm sẽ chứng tỏ điều mà hôm nay anh tin là đúng lại không còn đúng nữa. Điều đáng ngạc nhiên là chúng ta lại có thể nghĩ ra những lý thuyết có thể đứng vững qua các thử thách của thực nghiệm trong một thời gian dài đến như vậy. 

Continue Reading

Richard Feynman - Đặc tính của các định luật vật lý

Nói một cách chặt chẽ thì những điều tôi định trình bày trong bài giảng này không thể gọi là đặc tính của các định luật vật lý. Khi bàn luận về đặc tính các định luật vật lý thì ít nhất chúng ta cũng có thể giả thiết là chúng ta nói về chính giới tự nhiên. Nhưng bây giờ tôi muốn nói về mối liên hệ của chúng ta với giới tự nhiên nhiều hơn là nói về giới tự nhiên. Tôi muốn kể với các bạn về những điều hôm nay chúng ta coi là đã biết, về những điều mà chúng ta còn phải dự đoán và về cách phỏng đoán các định luật vật lý. Có một bạn nào đó đã đề nghị với tôi là tốt nhất thì tôi giải thích dần dần từng ít một về việc phỏng đoán các định luật, rồi cuối cùng thì tôi khám phá cho các bạn một định luật mới, tôi không biết là tôi có làm được điều đó hay không. 

Trước hết tôi muốn kể với các bạn về tình trạng hiện nay của vật lý học. Các bạn có thế nghĩ bằng tất cả những điều đó tôi đã nói rồi, vì rằng trong những bài giảng trước tôi đã trình bày cho các bạn tất cả những định luật cơ bản đã biết. Nhưng tất cả các định luật phải là định luật đối với một cái gì đó: định luật bảo toàn năng lượng nói về năng lượng của một cái gì đó, những Tịnh luật của cơ học lượng tử - đó là những định luật cơ học lượng tử của một vật nào đó - và tất ả những định luật đó gộp chung lại cũng chưa nói được cho chúng ta giới tự nhiên là như thế ào, mà ở đây chúng ta đang nói về giới tự nhiên. Vì thế tôi muốn kể với các bạn một ít về vật hất mà chuyển động của nó tuân theo tất cả các định uật đó. Trước hết chúng ta không lạ gì ất cả các vật chất đều đồng nhất. Ta đã biết rằng vật chất tạo thành các ngôi sao, cũng giống như vật chất tạo thành quả đất. Đặc trưng của ánh sáng phát ra bởi các sao cho ta những tài liệu giống như dấu vân tay để khẳng định rằng những nguyên tử trên các sao cũng cùng thuộc loại như trên Trái đất. Giới sinh vật và vô sinh cũng được cấu thành từ những nguyên tử cùng loại như nhau. Con ếch cũng được cấu tạo bởi cùng một loại vật chất như hòn đá, chỉ khác là để cấu tạo thành con ếch thì vật chất được sử dụng không giống như trong hòn đá. Tất cả những diều đó làm cho vấn đề của chúng ta đơn giản đi. Chúng ta có các nguyên tử, ngoài ra không có cái gì khác nữa, các nguyên tử thì cùng loại và ở khắp nơi đều như nhau. Các nguyên tử rõ ràng có cấu trúc như nhau. Trong nguyên tử có hạt nhân và có electron bao quanh hạt nhân. Có thể lập ra một bảng các hạt mà (theo như chúng ta nghĩ) từ đó tạo hành vũ trụ và chúng ta cho rằng mình đã biết về các hạt đó.

Trong bảng trên trước hết có electron là hạt tạo thành lớp vỏ bên ngoài của nguyên tử. Sau đó là hạt nhân, nhưng hạt nhân lại gồm nhiều hạt thuộc hai loại khác nhau gọi là nơtrôn và proton. Và đây các bạn còn thấy thêm hai hạt nữa. Nếu nhìn lên các sao thì các bạn thấy những nguyên tử, chúng phát ra ánh sáng, mà chính ánh sáng lại được tạo từ các hạt gọi là photon. Ngay từ bài giảng đầu tôi đã nói về lực hấp dẫn và nếu lý thuyết lượng tử là đúng thì trường hấp dẫn phải là một loại sóng nào đó và sóng này cũng có tính chất hạt (như sóng ánh sáng). Các hạt đó gọi là graviton. Còn nếu các bạn không tin vào sự tồn tại của hạt ấy thì cứ gọi nó một cách đơn giản là sự hấp dẫn. Trên kia tôi đã nói đến sự phân rã bêta, trong đó hạt nơtron có thể phân rã thành hạt proton, electron và nơtrinô. Ngoài các hạt nói trên thì còn có những phản hạt tương ứng. Điều tương ứng đó đã làm tăng số hạt của chúng ta biết lên hai lần. 

Continue Reading

PAUL DIRAC - Phản hạt (phản electron hay positron) và bài toán 3 người câu cá

Paul Dirac là nhà vật lí lý thuyết nổi tiếng người Anh, giải thưởng Nobel về vật lí năm mới 31 tuổi. Ông cũng là một trong số những người sáng lập môn cơ học lượng tử, một lí thuyết cùng với thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng của Einstein tạo nên ba trụ cột của lâu đài vật lí hiện đại. Trong số những thành tựu vĩ đại của ông, có lẽ ấn tượng nhất là tiên đoán sự tồn tại của các phản hạt, mà cụ thể là phản electron hay positron. Trước hết, chúng ta hãy nói qua về con đường dẫn Dirac tới tiên đoán này.

Paul Adrien Maurice Dirac, nhà vật lý thiên tài hàng đầu ở thế kỷ 20 tầm cỡ Einstein.

Hồi đó Dirac đã lập được phương trình mô tả hành trạng của electron, trong đó có tính đến các hiệu ứng của thuyết tương đối. Phương trình này đã giải thích được một cách tuyệt vời một loạt các sự kiện thực nghiệm, nhưng ông phát hiện thấy có một điều hơi "lạ", đó là một phần các nghiệm của phương trình đó lại ứng với các giá trị năng lượng âm. Phải làm gì với các nghiệm này đây? Vứt bỏ chúng hay cố gắng làm sáng tỏ ý nghĩa vật lí còn ẩn giấu trong đó? Đối với Dirac câu trả lời đã là rõ ràng. Chúng tôi xin trích ra đây lời phát biểu của ông trong một bài giảng thực ra là để kỉ niệm Einstein cùng với thuyết tương đối, nhưng cũng rất thích hợp cho chính Dirac: "Bất kì ai hiểu sự hài hoà sâu xa liên hệ những hiện tượng tự nhiên và những nguyên lí toán học tổng quát đều phải cảm thấy rằng nếu một lí thuyết đẹp đẽ và tao nhã như lí thuyết của Einstein thì về căn bản nó nhất thiết phải là đúng đắn". Và quả thật ông đã đưa ra một giả thuyết độc đáo và táo bạo cho rằng các nghiệm tưởng như không có ý nghĩa vật lí trong phương trình của ông thực ra là những nghiệm mô tả một hạt sơ cấp mà hồi đó còn chưa ai biết. Hạt này hầu như giống hệt electron nhưng điện tích của nó có dấu ngược lại (tức là bằng +e). Đó chính là tiên đoán hạt positron mà ta nói ở trên. Và chỉ trong năm tiếp sau (1932) hạt này đã được phát hiện thấy trong tia vũ trụ.

Continue Reading

Tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn - Hai sai lầm của Newton và một lần nữa Einstein lại đúng

Hai nhà khoa học Mỹ, Kopeikin và Ed Fomalont tại Đại học Missouri ở Columbia, lần đầu tiên đã đo được tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn, khớp với dự đoán thiên tài của Albert Einstein trong Thuyết tương đối rộng. Thành tựu này ủng hộ cho "Lý thuyết của Tất cả (TOE - Theory of Everything), một lý thuyết trung tâm của vật lý hiện đại nhằm thống nhất toàn bộ các lực trong tự nhiên, tức là thống nhất toàn bộ thế giới vật chất về cùng một bản chất.

Hai sai lầm của Newton
Lực hấp dẫn đã được khám phá từ thế kỉ 17 bởi isaac Newton, một trong những nhà toán học và vật lý vĩ đại nhất của mọi thời đại. Newton thiên tài không những dự đoán được sự tồn tại của lực hấp dẫn mà còn tính được chính xác lực tác dụng giữa hai vật thể có khối lượng, phát minh ra định luật vạn vật hấp dẫn và dùng định luật này để giải thích chuyển động của các thiên thể. Tuy nhiên Newton đã phạm hai sai lầm: Một, ông coi không gian giữa các thiên thể là trống rỗng, lực hấp dẫn có khả năng truyền qua không gian trống rỗng đó để tác dụng lên nhau. Hai, lực hấp dẫn tác dụng tức thời từ vật này lên vật kia, không cần thời gian để đi qua không gian. Nói cách khác, tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn là vô hạn.

Sai lầm thứ nhất đã bị Michael Faraday ở thế kỉ 19 bác bỏ. Theo Faraday không thể có không gian trống rỗng và nhất thiết lực phải truyền qua một môi trường trung gian. Môi trường này không nhất thiết được cấu tạo bởi vật chất nhìn thấy, mà có thể bằng một loại vật chất không nhìn thấy được gọi là trường. Lý thuyết về các trường ra đời từ đó. Nhưng sai lầm thứ hai thì phải đợi mãi đến đầu thế kỷ 20, năm 1916, khi Einstein công bố Thuyết tương đối rộng (TTĐR) mới bị bác bỏ. Trong thuyết tương đối này, Einstein nêu lên giả thiết lực hấp dẫn có tốc độ giới hạn, thậm chí ông cho rằng nó bằng tốc độ ánh sáng. Giả thiết này là một trong những cơ sở nền móng của TTĐR. Nếu giả thuyết này sụp đổ thì lý thuyết của Einstein cũng sụp đổ theo. Năm 1919, thí nghiệm của Authur Eddington đo độ lệch của tia sáng phát ra từ một ngôi sao khi nó đi ngang qua gần Mặt Trời, xác nhận hoàn toàn tiên đoán của Einstein về tính cong của không gian, một trong những hệ quả nổi tiếng của TTĐR. Từ đó lý thuyết của Einstein hoàn toàn có sức thuyết phục. Trong gần 100 năm qua, khoa học đã làm lại thí nghiệm của Eddington nhiều lần với những công cụ ngày càng tinh vi hơn, thu được những kết quả ngày càng gần với tính toán lý thuyết của Einstein hơn. Mặt khác, với TTĐR các nhà vũ trụ học đã giải thích và tính toán được hàng loạt hiện tượng thiên văn và vũ trụ một cách chính xác. Do đó đến nay TTĐR đã trở thành một trong những trụ cột của khoa học, thậm chí của cả triết học là nhận thức của loài người nói chung. Không còn ai nghi ngờ nó nữa, người ta chỉ sử dụng nó như một công cụ sắc bén để khám phá những hiện tượng mới, nguyên lí mới của tự nhiên.

Giả thiết về tính giới han của tốc độ lực hấp dẫn có đúng không?
Câu hỏi này từ lâu đã thách thức các nhà khoa học, và là một trong những thách thức vĩ đại nhất. Và phải đợi gần một thế kỉ sau Einstein, đầu năm 2003 mới có câu trả lời: “Một lần nữa Einstein lại đúng”, Kathy Sawyer, ký giả khoa học của nhật báo The Washington Post, phải thot lên như vậy khi đưa tin bình luận về sự kiện vang dội này: Kết quả đo đạc của Fomalont và Kopeikin cho thấy tốc độ lan truyền của lực hấp dẫn bằng 1,06 lần tốc độ ánh sáng, tức bằng 299337km/s trong chân không với sai số 20%.

Nhưng làm thế nào mà hai nhà khoa học đó đã làm được điều kì diệu vậy? Câu trả lời là: Họ đã học kỹ thí nghiệm của Authur Eddington. Vậy đến đây xin độc giả hãy trở lại với Eddington.

Năm 1916, Einstein tiên đoán lực hấp dẫn sẽ làm uốn cong không gian xung quanh nó, và do đó ánh sáng đi qua một vùng ở gần thiên thể có khối lượng lớn cũng sẽ bị cong dưới tác dụng của lực hấp dẫn do thiên thể ấy gây ra. Eddington là người vô cùng sắc sảo khi ông đề nghị kiểm tra tiên đoán của Einstein nhân dip một hiện tượng nhật thực hi hữu xảy ra vào năm 1919, trong đó Trái Đất, Mặt Trời và một ngôi sao biết rõ danh tính nằm gần như thẳng hàng, do vậy ánh sáng từ ngôi sao đến Trái Đất sẽ phải đi ngang qua gần Mặt Trời. Nếu Einstein đúng thì vị trí ngôi sao trên bản đồ sao lúc xảy ra nhật thực sẽ phai lệch đi một chút so với vị trí vốn có, do ánh sáng của nó bị lệch khi đi gần Mặt Trời. Kết qua như trên đã nói, thí nghiệm đã xác nhân tiên đoán của Einstein.

Đến lượt Fomalont và Kopeikin, với chương trình nghiên cứu đã được chuẩn bị từ nhiều năm trước, hai ông đã “chộp” được một hiện tượng cũng vô cùng hi hữu xảy ra một lần trong một thập kỉ: Trái đất, Mộc tinh (một hành tinh trong hệ Mặt Trời) và một quasar cách xa Trái Đất vài tỉ năm ánh sáng, sắp xếp gần như thẳng hàng vào ngày 8 tháng 9 năm 2002. Sóng vô tuyến phát đi từ quasar đó tới Trái Đất khi đi ngang qua gần Mộc tinh sẽ bị lệch dưới tác dụng của lực hấp dẫn của Mộc tinh. Lực hấp dẫn càng lớn thì độ lệch càng lớn. Từ độ lệch thu nhận được từ rất nhiều đài quan sát khác nhau, các nhà khoa học có thể tính được tốc độ truyền của lực hấp dẫn.

Continue Reading

Dòng chảy bí ẩn của thời gian và Nghịch lý sâu sắc với Vật lý hiện đại

Cảm nhận sự chảy của thời gian có lẽ là một khía cạnh rất cơ bản của cảm nhận của con người, chúng ta cảm nhận thời gian trôi trong thâm cùng của bản thân chúng ta, có lẽ cảm nhận đó sâu thẳm hơn các cảm nhận khác, như cảm nhận về không gian, về khối lượng. Sự chảy của thời gian được so sánh với đường bay của một mũi tên hay một dòng nước chảy, cuốn trôi chúng ta từ quá khứ đến tương lai.

Shakespeare cũng đã viết về "con quay thời gian", Andrew Marvell dã nói đến “Cỗ xe có cánh của thời gian". Những hình ảnh đó rất gợi cảm song chúng lại dẫn đến một nghịch lý sâu sắc mang tính tàn phá mọi điều cố hữu.

Trong vật lý không có một điều gì tương ứng với sự chảy của thời gian. Các nhà vật lý cho rằng thời gian không chảy, thời gian chỉ tồn tại. Một số nhà triết học lý luận rằng bản thân khái niệm chảy của thời gian là vô nghĩa và khái niệm dòng thời gian chỉ là khái niệm do nhận thức nhầm lẫn. Vì sao mà một điều cơ bản như thế trong nhận thức của chúng ta về thế giới khách quan lại có thể trở thành một ngộ nhận? Hay là ở đây có tính chất trọng yếu của thời gian mà khoa học chưa nhận dạng được?

Continue Reading

Thời gian là gì? Cái nhìn từ Vật lý hiện đại

Bình thường ta có thể nghĩ rằng khái niệm thời gian thật là đơn giản, bởi vì ai cũng cảm nhận "đông tàn xuân đến", “thời gian thấm thoắt tựa thoi đưa". Thực ra, câu chuyện không đơn giản như vậy. Cho đến nay khoa học nói chung và vật lý học nói riêng vẫn chưa trả lời được câu hỏi ngàn đời: “Cái gì là bản chất của thời gian".

Trong cuộc sống và khoa học ứng dụng, ta chỉ mới sử dụng khái niệm “thời khoảng", tức khoảng thời gian được đo theo đơn vị thời gian quy ước giữa các sự kiện hay biến cố, mà không quan tâm hay đúng hơn chưa cần đi sâu vào bản chất của thời gian.

Nói một cách tổng quát nhất, thời gian và không gian là những tham số chứng minh sự tồn tại của thế giới vật chất và cũng là hình thức cơ bản của kinh nghiệm con người. Con người dễ dàng cảm nhận sự tồn tại của không gian, bởi vì với 3 toạ độ (không cần nhiều hơn) chúng ta có thể xác định bất cứ vị trí nào trong không gian. Đối với thời gian, chúng ta chỉ có quan niệm như sự kéo dài thuần tuý, sự diễn ra theo trình tự không thể ngược của các biến cố từ quá khứ đến tương lại thông qua hiện tại. Nhưng làm sao có thể phân định rạch ròi các mốc quá khứ, hiện tại, tương lại. Chỉ một cái chớp mắt, hiện tại đã trở thành quá khứ, còn tương lai phải chăng là sự chờ đợi trong hiện tại. Mấy năm gần đây một số nhà vật lý còn đề cập một cách nghiêm túc đến vấn đề trôi ngược của thời gian: thời gian có thể trôi ngược từ tương lai về hiện tại, từ hiện tại về quá khứ.

Continue Reading

Các định luật bảo toàn vĩ đại - P2. Định luật bảo toàn năng lượng

R. Feynman

Tiếp theo phần 1 hãy cùng đến tiếp với phần 2 về Định luật bảo toàn năng lượng được phân tích ở bên dưới nhé.

Người ta dần dần đã đưa ra những định luật bảo toàn khác, bản chất cũng thế, cũng những qui tắc đếm ấy. Chẳng hạn, đã từng có một thời các nhà khoa học cho rằng, trong bất kì phản ứng nào số nguyên tử natri luôn giữ không đổi. Nhưng các nguyên tử natri đâu phải là bất biến. Có thể chuyển hoá các nguyên tử của một số nguyên tố này thành các nguyên tử của một nguyên tố khác, làm cho nguyên tố ban đầu biến mất hoàn toàn. Lại cũng có một thời có một định luật khác mà mọi người đều cho là đúng, khối lượng toàn phần của một vật là không đổi. Điều đó phụ thuộc cách anh định nghĩa khối lượng như thế nào và anh có chú ý tới năng lượng hay không. Định luật bảo toàn khối lượng chứa đựng trong định luật bảo toàn lượng mà chúng ta sắp phân tích. Trong tất cả các định luật bảo toàn, định luật này khó và trừu tượng hơn cả, song cũng có ích hơn tất cả. Hiểu nó khó hơn những định luật đã trình bày, bởi vì trong trường hợp điện tích và những trường hợp khác đã xét, cơ chế rất dễ hiểu: nhiều hay ít, chúng đều dẫn tới sự bảo toàn những vật cụ thể nào đó. Nhiều hay ít là vì có những vật thể này biến hoá thành những vật thể khác, song mặc dù thế, chung qui vẫn chỉ là sự đếm giản đơn mà thôi.

Continue Reading

Các định luật bảo toàn vĩ đại - P3. Định luật bảo toàn mômen động lượng

R. Feynman 

Tiếp theo phần 2 và cũng là phần kết cho câu chuyện về các định luật bảo toàn. Mọi thứ được trình bày để một người bình thường cũng có thể dễ dàng chiêm nghiệm về các định luật của Vật lý. hãy cùng xem tiếp nhé.

Trong chừng mực chúng ta biết, năng lượng được bảo toàn một cách chính xác. Năng lượng không có đơn vị nguyên tố. Còn điều này nữa: nó có phải là nguồn của trường không? Có. Einstein đã cho rằng năng lượng sinh ra hấp dẫn. Năng lượng tương đương với khối lượng và vì vậy ý nghĩ của Newton cho rằng khối lượng sinh ra hấp dẫn, đã trở thành một khắng định: năng lượng sinh ra hấp dẫn.

Còn có những đại lượng bảo toàn khác giống như năng lượng ở chỗ chúng cũng là những số ! Một trong những đại lượng đó là động lượng (xung lượng). Nếu lấy tất cả các khối lượng trong một hệ, đem nhân với vận tốc tương ứng và cộng lại tất cả, thì tổng sẽ là động lượng của hệ. Và động lượng toàn phần này của hệ được bảo toàn.

Continue Reading

Các định luật bảo toàn vĩ đại - P1. Định luật bảo toàn điện tích

Xin giới thiệu với các bạn một số bài giảng trong cuốn “Đặc tính các định luật vật lý” của Richard Feynman, một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất của thế kỷ XX, giải thưởng Nobel về vật lý 1965, qua bản dịch của Hoàng Quý và Phạm Quý Tư, NXB Giáo dục, 2001;  được biên tập và rút gọn lại bởi Tạp chí Vật Lý Tuổi Trẻ. Nhà vật lý để lại rất nhiều câu nói vẫn luôn còn nổi tiếng cho đến ngày nay.

Các định luật bảo toàn
Khi nghiên cứu vật lý, chúng ta nhận thấy rằng có nhiều định luật phức tạp và rất chính xác như định luật về hấp dẫn, về điện, về từ, về tương tác hạt nhân,.... Song trong các định luật khác nhau, muôn màu muôn vẻ ấy, có chứa dựng những nguyên lý nào đó rất chung.

Thí dụ, đó là các định luật bảo toàn, là một số tính đối xứng, là dạng tổng quát của các nguyên lý cơ lượng tử, và là một điều này nữa: tất cả các định luật đều biểu diễn dưới dạng toán học, điều mà có người rất lấy làm thú vị và có người chẳng ưa thích chút nào. Trong bài giảng này, tôi muốn nói về các định luật bảo toàn.

Nhà vật lý hay dùng những danh từ thông thường với một ý nghĩa khác thường. Đối với họ, nói tới một định luật bảo toàn có nghĩa là có một số nào đó luôn luôn không đổi, dù anh đếm nó lúc này hay lúc khác – sau một thời gian mà trong tự nhiên đã có nhiều thay đổi. Chẳng hạn như định luật bảo toàn năng lượng. Có một đại lượng mà anh có thể tính được theo nhiều qui tắc xác định, nhưng kết quả bao giờ cũng như nhau.

Continue Reading