Vì thế, có một vài giải thưởng cho hóa học cũng được nhắc tới trong phần bên dưới, nhất là khi chúng có liên hệ gần gũi với các công trình của chính những người đoạt giải Nobel vật lí..
Trang 1nó, nó tiến gần đến các lĩnh vực cổ điển của hóa học, và trong một số ứng dụng khác nó có mối quan hệ rõ ràng với các hiện tượng thường được nghiên cứu bởi các nhà thiên văn học Khuynh hướng hiện nay còn hướng tới một sự tiếp cận gần hơn của một số lĩnh vực vật lí và vi sinh vật học
Mặc dù hóa học thiên văn học rõ ràng là những môn khoa học độc lập, nhưng cả hai đều
sử dụng vật lí làm cơ sở trong việc xem xét các lĩnh vực, khái niệm và công cụ tương ứng của chúng Việc phân biệt cái gì là vật lí và hóa học trong những lĩnh vực chồng lấn nhất định thường là khó khăn Điều này được minh họa vài lần trong lịch sử trao giải thưởng Nobel Vì thế,
có một vài giải thưởng cho hóa học cũng được nhắc tới trong phần bên dưới, nhất là khi chúng
có liên hệ gần gũi với các công trình của chính những người đoạt giải Nobel vật lí Đối với thiên văn học, tình trạng có khác đi vì thiên văn học không có giải Nobel của riêng nó; vì thế, thật là lẽ
tự nhiên khi bắt đầu, người ta xem các khám phá trong thiên văn vật lí cũng là ứng cử viên khả dĩ cho giải thưởng vật lí
Từ vật lí cổ điển đến vật lí lượng tử
Năm 1901, khi giải Nobel đầu tiên được trao, các lĩnh vực cổ điển của vật lí học dường như đã yên vị trên nền tảng vững chắc do các nhà vật lí và hóa học vĩ đại thế kỉ 19 xây dựng Hamilton đã thiết lập một mô tả rất tổng quát động lực học của các vật rắn ngay từ những năm
1830 Carnot, Joule, Kelvin và Gibbs đã phát triển nhiệt động lực học đến mức độ hoàn hảo cao trong nửa cuối thế kỉ 19
Các phương trình nổi tiếng của Maxwell đã được chấp nhận là sự mô tả tổng quát của các hiện tượng điện từ và người ta thấy chúng cũng có thể áp dụng cho bức xạ quang học và sóng vô tuyến mới được Hertz phát hiện ra gần đấy
Trang 2106 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
Mọi thứ, bao gồm cả hiện tượng sóng, dường như khá phù hợp trong một bức tranh xây dựng trên chuyển động cơ học của các thành phần của vật chất tự thể hiện rõ ràng trong những hiện tượng vĩ mô đa dạng Một số nhà quan sát vào cuối thế kỉ 19 thật sự biểu lộ quan điểm cho rằng, cái còn lại cho các vật lí làm việc chỉ là lấp đầy các khe trống thứ yếu trong cơ thể kiến thức dường như đã tồn tại vững chãi này
Tuy nhiên, hóa ra thật quá sớm nếu hài lòng với trạng thái của nền vật lí xây dựng trên cơ ngơi sai lầm này Sự chuyển tiếp thế kỉ đã trở thành một thời kì của các quan sát các hiện tượng hiện tượng không biết tới cho đến lúc bấy giờ, và những ý tưởng mới một cách triệt để về cơ sở
lí thuyết của nền vật lí đã được thiết lập Thật là một sự trùng hợp ngẫu nhiên của lịch sử, có khả năng chưa bao giờ Alfred Nobel nhìn thấy trước, khi mà giải thưởng Nobel xuất hiện đúng vào lúc cho phép các giải thưởng bao quát được nhiều đóng góp nổi bật đã mở ra những lĩnh vực mới của vật lí học trong thời kì này
Một trong những hiện tượng không ngờ trong vài năm cuối cùng của thế kỉ 19 là khám phá ra tia X bởi Wilhelm Conrad Röntgen vào năm 1895, thành tựu được trao giải thưởng Nobel vật lí đầu tiên (1901) Một bất ngờ nữa là khám phá ra hiện tượng phóng xạ bởi Antoine Henri Becquerel vào năm 1896 và nghiên cứu tiếp tục về bản chất của bức xạ này bởi Marie và Pierre Curie Nguồn gốc của tia X không được hiểu ngay vào lúc ấy, nhưng người ta thấy chúng xác nhận sự tồn tại của một thế giới hiện tượng cho đến bấy giờ vẫn còn ẩn giấu (mặc dù công dụng của chúng trong chẩn đoán y khoa đã hiển hiện ngay từ lúc đầu) Nghiên cứu về sự phóng xạ của Becquerel và vợ chồng Curie được trao giải năm 1903 (nửa giải cho Becquerel và nửa giải chia cho vợ chồng Curie), và kết hợp với nghiên cứu khác của Ernest Rutherford (người nhận giải Nobel hóa học năm 1908), người ta thấy rằng các nguyên tử, trước đó được xem là những đối tượng ít nhiều không có cấu trúc, thật ra chứa một hạt nhân rất nhỏ nhưng rắn chắc Một số hạt nhân nguyên tử được tìm thấy là không bền và có thể phát ra bức xạ alpha, beta, hay gamma quan sát được Đây là một cái nhìn cách mạng vào lúc ấy, và nó đưa đến sau cùng, qua nghiên cứu song song với những lĩnh vực vật lí khác, sự ra đời của bức tranh hữu dụng đầu tiên về cấu trúc nguyên tử
Năm 1897, Joseph J Thomson, người nghiên cứu các tia phát ra từ cathode trong ống phóng điện hút chân không một phần, nhận ra các hạt mang điện tích Ông chỉ ra rằng những tia này gồm các hạt rời rạc, sau này gọi tên là “electron” Ông đo được giá trị cho tỉ số giữa khối lượng và điện tích (âm) của chúng, và nhận thấy nó chỉ là một phần rất nhỏ của cái trông đợi cho các nguyên tử tích điện Người ta sớm nhận ra rằng những hạt nhẹ này phải là những viên gạch cấu trúc, cùng với hạt nhân tích điện dương, cấu thành mọi loại nguyên tử khác nhau Thomson nhận giải thưởng của ông năm 1906 Khi đó, Philipp E.A von Lenard vừa công nhận trong năm trước đó (1905) đã giải thích được các tính chất hấp dẫn của tia cathode, ví dụ như khả năng của chúng đâm xuyên qua những lá kim loại mỏng và tạo ra sự huỳnh quang Sau đó không lâu (năm 1912) Robert A Millikan thực hiện phép đo chính xác đầu tiên của điện tích electron với phương pháp giọt dầu, phương pháp đưa ông đến giải Nobel vật lí năm 1913 Millikan cũng được trao giải cho các nghiên cứu của ông về hiệu ứng quang điện
Trang 3kế như thế, Michelson còn tiến hành một thí nghiệm nổi tiếng, cùng với E.W Morley, từ đó có thể kết luận rằng vận tốc của ánh sáng là độc lập với chuyển động tương đối của nguồn sáng và người quan sát Thực tế này bác bỏ một giả định trước đó về một chất ether làm môi trường truyền ánh sáng Michelson nhận giải vật lí năm 1907
Cơ chế phát xạ ánh sáng bởi các hạt tích điện được nghiên cứu bởi Hendrik A Lorentz, một trong những người đầu tiên áp dụng các phương trình Maxwell cho các hạt tích điện trong vật chất Lí thuyết của ông cũng có thể áp dụng cho bức xạ gây ra bởi các dao động trong nguyên
tử và trong khuôn khổ này nó có thể đưa vào phép kiểm nghiệm quan trọng đầu tiên Ngay từ năm 1896, Pieter Zeeman, người đang tìm kiếm các tác động có thể có của điện trường và từ trường lên ánh sáng, thực hiện một khám phá quan trọng, ấy là các vạch phổ phát ra từ natri trong ngọn lửa bị tách thành vài thành phần khi đặt vào một từ trường mạnh Hiện tượng này có thể mang lại một giải thích khá chi tiết bằng lí thuyết của Lorentz, khi áp dụng cho các dao động của electron mới nhận ra gần đó, và Lorentz và Zeeman cùng nhận giải vật lí năm 1902, tức là trước khi khám phá của Thomson được trao giải Sau đó, Johannes Stark chứng minh tác động trực tiếp của điện trường lên sự phát xạ ánh sáng, bằng cách đặt các chùm nguyên tử (“tia anode”, gồm các nguyên tử hay phân tử) trước điện trường mạnh Ông quan sát thấy sự phân tách phức tạp của các vạch phổ giống như sự lệch Doppler phụ thuộc vào vận tốc nguồn phát Stark nhận giải thưởng vật lí năm 1919
Trên nền tảng này, người ta trở nên có thể xây dựng các mô hình chi tiết cho nguyên tử, đối tượng tồn tại dưới dạng khái niệm kể từ thời cổ xưa nhưng được xem là ít nhiều không có cấu trúc trong vật lí cổ điển Điều đó tồn tại, vì giữa thế kỉ trước (19), một chất liệu phong phú theo lối kinh nghiệm dưới dạng các vạch phổ đặc trưng phát ra trong vùng khả kiến bởi các nguyên tử khác nhau, và thêm đó là bức xạ tia X đặc trưng phát hiện bởi Charles G Barkla (giải vật lí năm 1917, trao giải năm 1918), sau đó là sự gạn lọc bản chất sóng của bức xạ này và sự nhiễu xạ của nó bởi Max von Laue (giải vật lí năm 1914), cũng trở thành một nguồn thông tin quan trọng về cấu trúc nội tại của các nguyên tử
Tia X đặc trưng của Barkla là tia X thứ cấp, đặc biệt đối với từng nguyên tố phơi ra trước bức xạ phát ra từ ống tia X (nhưng độc lập với hình thức hóa chất của vật) Karl Manne G Siegbahn nhận ra rằng việc đo phổ tia X đặc trưng của tất cả các nguyên tố sẽ cho thấy có hệ thống các lớp vỏ electron liên tiếp được thêm vào như thế nào khi đi từ các nguyên tố nhẹ sang các nguyên tố nặng hơn Ông đã thiết kế các quang phổ kế chính xác cao cho mục đích này, nhờ
đó sự chênh lệch năng lượng giữa các lớp vỏ khác nhau, cũng như các quy luật cho sự chuyển
Trang 4108 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
tiếp phát xạ giữa chúng, có thể được thiết lập Ông nhận giải vật lí năm 1924 (trao giải năm 1925) Tuy nhiên, hóa ra thì sự hiểu biết sâu sắc hơn cấu trúc nguyên tử yêu cầu một sự chệch hướng xa hơn nhiều khỏi các khái niệm quen thuộc của vật lí cổ điển so với cái người ta có thể tưởng tượng ra
Vật lí cổ điển giả định sự liên tục trong chuyển động cũng như trong sự thu và mất năng lượng Vậy thì tại sao các nguyên tử lại phát ra bức xạ có bước sóng sắc nhọn ? Ở đây, một hướng phát triển song song, cũng bắt rễ trong nền vật lí cuối thế kỉ 19, mang lại những manh mối quan trọng cho sự giải thích Wilhelm Wein nghiên cứu bức xạ “vật đen” phát ra từ các vật rắn nóng (trái với bức xạ phát ra từ các nguyên tử trong chất khí, có sự phân bố tần số liên tục) Sử dụng điện động lực học cổ điển, ông nêu ra một biểu thức cho sự phân bố tần số của bức xạ này, khi nhiệt độ của vật đen thay đổi (định luật dịch chuyển Wein, có ích, chẳng hạn, trong việc xác định nhiệt độ của mặt trời) Ông được trao giải vật lí năm 1911
Tuy nhiên, Wein không thể nêu ra một công thức phân bố phù hợp với thí nghiệm đối với
cả các bước sóng ngắn và dài Vấn đề vẫn không được giải thích mãi cho đến khi Max K.E.L Planck đưa ra ý tưởng mới triệt để của ông rằng năng lượng bức xạ chỉ có thể phát ra theo từng lượng tử, tức là các phần có giá trị định lượng xác định, lớn hơn đối với bước sóng ngắn và nhỏ hơn đối với bước sóng dài (bằng hằng số h nhân với tần số của từng lượng tử) Đây được xem là
sự ra đời của vật lí lượng tử Wein nhận giải vật lí năm 1911 và Planck thì một số năm sau này, năm 1918 (trao giải năm 1919) Những xác nhận quan trọng rằng ánh sáng phát ra dưới dạng lượng tử năng lượng xuất hiện qua cách giải thích của Albert Einstein của hiệu ứng quang điện (lần đầu tiên được Hertz quan sát thấy vào năm 1887) mở rộng thêm lí thuyết của Planck Einstein nhận giải vật lí năm 1921 (trao giải năm 1922) Động cơ trao giải trích dẫn những đóng góp khác của ông cho vật lí lí thuyết, sẽ được nói tới trong một phần khác
Sau đó, các thí nghiệm do James Franck và Gustav L Hertz thực hiện đã chứng minh điều ngược lại của hiệu ứng quang điện (tức là một electron chạm phải một nguyên tử, phải có năng lượng tối thiểu nhất định để tạo ra lượng tử ánh sáng có năng lượng nhất định từ nó) và chỉ
ra căn cứ tổng quát của các biểu thức Planck là hằng số h Franck và Hertz chia giải thưởng năm
1925, trao giải năm 1926 Đồng thời khi đó, Arthur H Compton (người nhận nửa giải thưởng vật
lí năm 1927) nghiên cứu sự mất năng lượng ở photon tia X tán xạ lên các hạt vật chất, và chỉ ra rằng lượng tử tia X, có năng lượng lớn hơn 10.000 lần năng lượng của ánh sáng, cũng tuân theo cùng các quy luật lượng tử Nửa giải còn lại trao cho Charles T.R Wilson (xem phần sau), người
có dụng cụ dùng cho quan sát các sự kiện tán xạ năng lượng cao có thể dùng để xác nhận các tiên đoán của Compton
Với khái niệm lượng tử hóa năng lượng làm nền tảng, sân khấu đặt ra nhiều mạo hiểm hơn vào thế giới vi vật lí chưa biết rõ Giống như một số nhà vật lí nổi tiếng khác trước ông, Niels H.D Bohr làm việc với bức tranh hành tinh của các electron quay tròn xung quanh hạt nhân nguyên tử Ông nhận thấy các vạch phổ sắc nhọn phát ra bởi các nguyên tử chỉ có thể giải thích được nếu như các electron quay tròn trên những quỹ đạo dừng đặc trưng bởi một xung lượng góc lượng tử hóa (các bội nguyên của hằng số Planck, h, chia cho 2π) và rằng tần số phát
Trang 5Hóa ra thì một thảo luận sâu sắc hơn về các tính chất của bức xạ và vật chất (cho đến khi
ấy vẫn được xem là hai loại hoàn toàn khác nhau) là cần thiết cho sự tiến bộ hơn nữa trong sự mô
tả lí thuyết của thế giới vi mô Năm 1923, Louis-Victor P.R de Broglie đề xuất rằng các hạt vật chất cũng có thể biểu hiện tính chất sóng, giờ thì bức xạ điện từ được chỉ ra là biểu hiện khía cạnh hạt dưới dạng photon Ông phát triển các biểu thức toán học cho hành vi lưỡng tính này, bao gồm cái sau này gọi là “bước sóng de Broglie” của một hạt đang chuyển động Các thí nghiệm ban đầu do Clinton J Davisson thực hiện xác nhận electron thực sự có thể biểu hiện các tác dụng phản xạ giống như sóng chạm tới một tinh thể và những thí nghiệm này giờ được lặp lại, xác nhận bước sóng liên đới do de Broglie tiên đoán Không lâu sau đó, George P Thomson (con trai của J.J Thomson) tiến hành các thí nghiệm cải tiến hơn nhiều về các electron năng lượng cao hơn đâm xuyên qua những lá kim loại mỏng biểu hiện hiệu ứng nhiễu xạ rất rõ ràng
De Broglie được trao giải cho lí thuyết của ông vào năm 1929, còn Davisson và Thomson sau này chia giải vật lí năm 1937
Cái còn lại là việc thiết lập một lí thuyết mới, phù hợp thay thế cho cơ học cổ điển, có giá trị cho các hiện tượng nguyên tử và các bức xạ có liên quan của chúng Những năm 1924-1926 là thời kì phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực này Erwin Schrödinger xây dựng thêm trên ý tưởng của de Broglie và viết một bài báo cơ sở về “Sự lượng tử hóa là một bài toán vô giá” vào đầu năm 1926 Ông sáng tạo ra cái gọi tên là “cơ học sóng” Nhưng vào năm trước đó, Werner K Heisenberg đã bắt đầu một phương pháp khác về mặt toán học, gọi là “cơ học ma trận”, từ đó ông đi tới các kết quả tương đương (như sau đó Schrödinger chỉ ra) Cơ học lượng tử mới của Schrödinger và Heisenberg có nghĩa là một sự chệch hướng căn bản khỏi bức tranh trực giác về các quỹ đạo cổ điển cho các đối tượng nguyên tử, và còn ngụ ý rằng có những giới hạn tự nhiên lên độ chính xác mà các đại lượng xác định có thể đo một cách đồng thời (quan hệ bất định của Heisenberg)
Heisenberg được trao giải vật lí năm 1932 (phát giải năm 1933) cho sự phát triển của cơ học lượng tử, còn Schrödinger chia giải thưởng năm sau đó (1933) cùng với Paul A.M Dirac Cơ học lượng tử của Schrödinger và Heisenberg có giá trị đối với các vận tốc và năng lượng tương đối thấp liên quan tới chuyển động “quỹ đạo” của các electron hóa trị trong nguyên tử, nhưng các phương trình của họ không thỏa mãn các yêu cầu đặt ra bởi các định luật của Einstein cho các hạt chuyển động nhanh (đề cập ở phần sau) Dirac đã xây dựng một dạng thức cải tiến đưa vào các hiệu ứng của thuyết tương đối đặc biệt Einstein, và chỉ ra rằng một lí thuyết như thế không chỉ chứa các thuật ngữ tương ứng với sự quay tròn nội tại của các electron (và vì thế giải thích cho mômen từ nội tại của chúng và cấu trúc tinh tế quan sát được trong phổ nguyên tử) mà còn tiên đoán sự tồn tại của một loại hạt hoàn toàn mới, cái định luật các phản hạt với khối lượng
Trang 6110 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
y hệt nhưng điện tích trái dấu Phản hạt đầu tiên được phát hiện, phản hạt của electron, quan sát thấy vào năm 1932 bởi Carl D Anderson và được đặt tên là “positron” (nửa giải thưởng vật lí ăm 1936)
Những đóng góp quan trọng khác cho sự phát triển của thuyết lượng tử được ghi nhận bởi giải thưởng Nobel trong những năm sau đó Max Born, thầy hướng dẫn Heisenberg đầu những năm 1920, thực hiện những đóng góp quan trọng cho dạng thức toán học của nó và cách hiểu vật chất Ông nhận nửa giải vật lí năm 1954 cho nghiên cứu của ông về cách hiểu thống kê của hàm sóng Wolfgang Pauli thiết lập nguyên lí loại trừ của ông (phát biểu rằng chỉ có thể có một electron ở mỗi trạng thái lượng tử) trên cơ sở thuyết lượng tử cũ của Bohr Nguyên lí này sau này người ta tìm thấy phù hợp với sự đối xứng của hàm sóng đối với các hạt có spin bán nguyên nói chung, phân biệt cái ngày nay gọi là fermion với các hạt boson có spin là bội nguyên của h/2π Nguyên lí loại trừ có hệ quả sâu sắc trong nhiều lĩnh vực vật lí và Pauli nhận giải Nobel vật lí năm 1945
Nghiên cứu spin electron tiếp tục mở ra những chân trời mới trong vật lí học Các phương pháp chính xác nhằm xác định mômen từ của các hạt đang quay tròn được phát triển trong những năm 1930 và 1940 cho nguyên tử cũng như hạt nhân (bởi Stern, Rabi, Bloch và Purcell, xem những phần sau) và năm 1947 chúng đã đạt tới độ chính xác như thế, nên Polykarp Kusch có thể phát biểu rằng mômen từ của một electron không có giá trị chính xác như Dirac tiên đoán, mà khác đi một lượng nhỏ Vào cùng khoảng thời gian đó, Willis E Lamp nghiên cứu một vấn đề tương tự của spin electron tương tác với trường điện từ, bằng cách nghiên cứu cấu trúc tinh tế của bức xạ quang học phát ra từ hydrogen với phương pháp cộng hưởng tần số vô tuyến độ phân giải rất cao Ông tìm thấy cấu trúc tinh tế cũng bị phân tách không chính xác như giá trị Dirac, mà khác với nó một lượng đáng kể Những kết quả này đã kích thích việc xét lại các khái niệm cơ bản đứng sau việc áp dụng thuyết lượng tử vào điện từ học, lĩnh vực khởi đầu bởi Dirac, Heisenberg và Pauli nhưng vẫn chịu một vài sự không đầy đủ Kusch và Lamp mỗi người nhận nửa giải vật lí năm 1955
Trong điện động lực học lượng tử (viết tắt là QED), các hạt tích điện tương tác nhau thông qua sự trao đổi các photon ảo, như mô tả bởi lí thuyết xáo trộn lượng tử Phiên bản cũ chỉ bao gồm sự trao đổi photon, nhưng Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard P Feynman nhận thấy tình huống thật ra phức tạp hơn nhiều, vì sự tán xạ electron-electron có thể bao hàm một vài trao đổi photon Một điện tích điểm “trần trụi” không tồn tại trong bức tranh của họ; nó luôn luôn tạo ra một đám mây của các cặp hạt-phản hạt ảo xung quanh nó, sao cho mômen từ thực sự của nó thay đổi và thế Coulomb bị biến đổi ở những khoảng cách ngắn Tính toán bắt đầu từ bức tranh này đã tạo lại được số liệu thí nghiệm bởi Kusch và Lamp đến mức độ chính xác đáng ngạc nhiên và QED hiện đại nay được xem là lí thuyết chính xác nhất hiện có Tomonaga, Schwinger và Feynman cùng chia sẻ giải thưởng vật lí năm 1965
Tiến bộ ở QED hóa ra còn có tầm quan trọng lớn nhất đối với việc mô tả các hiện tượng
ở những mức năng lượng cao Khái niệm sinh cặp từ trạng thái “chân không” của một trường
Trang 7Các đối xứng khác trong cơ học lượng tử liên quan tới sự thay thế một hạt với phản hạt của nó, gọi là phép liên hợp điện tích (kí hiệu là “C”) Trong các tình huống mà Lee và Yang đã bàn tới, người ta thấy mặc dù tính chẵn lẻ không được bảo toàn trong phép biến đổi phóng xạ, nhưng vẫn có một sự đối xứng theo nghĩa là các hạt và phản hạt phá vỡ tính chẵn lẻ theo kiểu ngược nhau một cách chính xác và vì thế toán tử kết hợp “C” x “P” sẽ cho kết quả bảo toàn sự đối xứng Nhưng điều đó không tồn tại lâu trước khi James W Cronin và Val L Fitch tìm thấy một mode phân hủy trong số các “meson K” thậm chí vi phạm nguyên lí này, mặc dù chỉ ở một chừng mực nhỏ Cronin và Fitch thực hiện khám phá của họ vào năm 1964 và cùng nhận giải thưởng vật lí năm 1980 Hệ quả của kết quả của họ (gồm các câu hỏi về sự đối xứng của các quá trình tự nhiên dưới phép nghịch đảo thời gian, kí hiệu là “T”) vẫn còn được tranh luận ngày nay
và đã chạm tới một số nền tảng sâu sắc nhất của nền vật lí lí thuyết, vì đối xứng “P”x”C”x”T” được trông đợi luôn luôn giữ vững
Trường điện từ được biết còn có một tính chất khác nữa, gọi là “đối xứng chuẩn”, có nghĩa là các phương trình trường giữ nguyên dạng của chúng cho dù là thế điện từ đã nhân lên với những hệ số pha cơ lượng tử nhất định, hay các “chuẩn” Không hẳn hiển nhiên là tương ác
“yếu” phải có tính chất này, nhưng nó là nguyên lí chỉ dẫn trong nghiên cứu bởi Sheldon L Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg vào cuối thập niên 1960, khi họ thiết lập một lí thuyết mô tả tương tác yếu và tương tác điện từ trên cùng cơ sở Họ cùng nhận giải thưởng vật lí năm 1979 cho sự mô tả thống nhất này và, đặc biệt, cho sự tiên đoán chính xác của họ về một loại tương tác yếu nhất định trung chuyển bằng “dòng trung hòa”, chúng mới được tìm thấy trong thời gian gần đây trong các thí nghiệm
Giải Nobel cuối cùng trong thế kỉ 20 (1999) trao chung cho Gerhardus ‘t Hooft và Martinus J.G Veltman Họ đã chỉ ra phương pháp tái bình thường hóa lí thuyết “điện-yếu”, điều cần thiết để loại bỏ các điều kiện có xu hướng tiến tới vô cùng trong các phép tính cơ lượng tử (giống hệt như QED trước đó đã giải quyết một bài toán tương tự đối với tương tác Coulomb) Công trình của họ cho phép tính toán chi tiết các đóng góp tương tác yếu cho tương tác hạt nói
Trang 8112 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
chung, chứng minh sự thống nhất các lí thuyết dựa trên bất biến chuẩn đối với mọi loại tương tác vật lí cơ bản
Cơ học lượng tử và các mở rộng của nó sang lí thuyết trường lượng tử là một trong những thành tựu to lớn của thế kỉ 20 Bản tóm tắt này về hành trình từ nền vật lí cổ điển đến nền vật lí lượng tử hiện đại, đã đưa chúng ta đi một quãng đường dài về phía một sự mô tả cơ bản và thống nhất của các hạt và các lực khác nhau trong tự nhiên, nhưng vẫn còn nhiều việc để làm và mục tiêu còn ở xa phía trước Vẫn còn lại đó, chẳng hạn, vấn đề “thống nhất” lực điện-yếu với lực hạt nhân “mạnh” và với lực hấp dẫn Nhưng ở đây cũng cần chỉ ra rằng sự mô tả lượng tử của thế giới vi mô có một ứng dụng chủ yếu khác: đó là tính toán các tính chất hóa học của các
hệ phân tử (đôi khi mở rộng sang sinh học phân tử) và của cấu trúc của vật chất hóa đặc, ngành nghiên cứu đã được ghi nhận với một vài giải thưởng, trong ngành vật lí cũng như trong hóa học
Vi mô và vĩ mô
“Từ vật lí cổ điển đến vật lí lượng tử” đã đưa chúng ta qua một hành trình từ các hiện tượng của thế giới vĩ mô như chúng ta gặp trong cuộc sống trải nghiệm hàng ngày, cho đến thế giới lượng tử của các nguyên tử, electron và hạt nhân Với các nguyên tử làm điểm xuất phát, việc thâm nhập sâu hơn vào thế giới vi mô hạ nguyên tử và các thành phần được biết nhỏ nhất của nó bây giờ sẽ được minh họa bằng công trình của những người đoạt giải Nobel khác
Người ta đã nhận ra, ngay từ nửa đầu của thế kỉ 20, rằng một hành trình xa hơn như thế vào thế giới vi mô của các hạt và các tương tác mới cũng sẽ cần thiết cho việc tìm hiểu thành phần và lịch sử tiến hóa của những cấu trúc rất lớn thuộc vũ trụ của chúng ta, “thế giới vĩ mô” Ở giai đoạn hiện nay, nền vật lí hạt cơ bản, thiên văn vật lí, và vũ trụ học buộc chặt vào nhau, như một vài ví dụ đưa ra ở đây sẽ cho thấy
Một liên kết khác nối giữa những đối tượng nhỏ nhất và lớn nhất trong vũ trụ của chúng
ta là thuyết tương đối của Albert Einstein Einstein ban đầu phát triển thuyết tương đối đặc biệt của ông vào năm 1905, biểu diễn mối quan hệ khối lượng-năng lượng: E = mc2 Sau đó, trong thập kỉ tiếp theo, ông tiếp tục với thuyết tương đối rộng của ông, liên hệ lực hấp dẫn với cấu trúc của không gian và thời gian Các phép tính khối lượng thật cho các hạt năng lượng cao, sự biến đổi năng lượng trong phân hủy phóng xạ, cũng như tiên đoán của Dirac rằng các phản hạt có thể tồn tại, tất cả đều xây dựng trên thuyết tương đối đặc biệt của ông Thuyết tương đối rộng là cơ
sở cho các tính toán của các chuyển động quy mô lớn trong vũ trụ, bao gồm các thảo luận về tính chất của lỗ đen Einstein nhận giải Nobel vật lí năm 1921 (phát giải năm 1922), động cơ trao giải
là nghiên cứu về hiệu ứng quang điện chứng minh cho khía cạnh hạt của ánh sáng
Các công trình nghiên cứu của Becquerel, vợ chồng Curie và Rutherford làm phát sinh những nghi vấn mới: Đâu là nguồn gốc của năng lượng trong hạt nhân phóng xạ có thể duy trì sự phát ra bức xạ α, β và γ trong những khoảng thời gian rất lâu, như quan sát thấy đối với một số trong số chúng, và hạt alpha nặng là cái gì và bản thân hạt nhân gồm những gì ? Câu hỏi thứ nhất trong những nghi vấn này (có vẻ như vi phạm định luật bảo toàn năng lượng, một trong những
Trang 9Tất cả các khối lượng đồng vị được tìm thấy đều gần bằng bội số của khối lượng proton, một hạt cũng được nhìn thấy lần đầu tiên bởi Rutherford khi ông chiếu các hạt alpha và hạt nhân nitrogen Nhưng các đồng vị khác nhau không thể nào cấu thành hoàn toàn từ các proton vì mỗi nguyên tố hóa học nhất định phải có chỉ một giá trị cho tổng điện tích hạt nhân Các proton được tìm thấy thật ra cấu thành chưa tới phân nửa khối lượng hạt nhân, có nghĩa là một số thành phần trung hòa phải có mặt trong hạt nhân James Chadwick lần đầu tiên tìm thấy bằng chứng có sức thuyết phục cho những hạt như thế, các neutron, khi ông nghiên cứu các phản ứng hạt nhân trong năm 1932 Ông nhận giải vật lí năm 1935
Không lâu sau phát hiện của Chadwick, các neutron được Enrico Fermi và nhiều người khác đưa vào nghiên cứu làm phương tiện kích hoạt các phản ứng hạt nhân có thể tạo ra các chất phóng xạ “nhân tạo” mới Fermi tìm thấy xác suất của các phản ứng kích hoạt bằng neutron (không liên quan tới sự biến đổi nguyên tố) tăng lên khi các neutron chậm đi và điều này có tác dụng như nhau đối với các nguyên tố nặng cũng như các nguyên tố nhẹ, trái với các phản ứng kích hoạt bằng hạt tích điện Ông nhận giải thưởng vật lí năm 1938
Với neutron và proton là những viên gạch cấu trúc cơ bản của hạt nhân nguyên tử, ngành
“vật lí hạt nhân” có thể được thiết lập và một vài thành tựu chủ yếu của nó đã được ghi nhận bằng giải Nobel Ernest O Lawrence, người nhận giải thưởng vật lí năm 1939, đã xây dựng cyclotron đầu tiên trong đó sự gia tốc xảy ra bằng cách cộng liên tiếp những lượng nhỏ năng lượng cho các hạt đang quay tròn trong từ trường Với những cỗ máy này, ông có thể gia tốc các hạt hạt nhân tích điện đến năng lượng cao sao cho chúng có khả năng kích hoạt các phản ứng hạt nhân và ông thu được những kết quả mới thật quan trọng Ngài John D Cockcroft và Ernest T.S Walton thay vì vậy, gia tốc các hạt bằng cách áp dụng trực tiếp một hiệu điện thế tĩnh điện rất cao và được trao giải cho các nghiên cứu của họ về sự biến tố trong năm 1951
Otto Stern nhận giải thưởng vật lí năm 1943 (phát giải năm 1944), cho phương pháp thực nghiệm của ông dùng cho nghiên cứu tính chất từ của hạt nhân, đặc biệt cho phép đo mômen từ của chính proton Isidor I Rabi tăng độ chính xác của phép xác định mômen từ cho hạt nhân lên thêm hơn hai bậc độ lớn, với kĩ thuật cộng hưởng tần số vô tuyến của ông, nhờ đó ông được trao giải vật lí năm 1944 Các tính chất từ của hạt nhân mang lại thông tin quan trọng trong việc tìm hiểu chi tiết cấu tạo của hạt nhân từ proton và neutron Sau này, vào nửa cuối thế kỉ 20, một vài nhà lí thuyết đã được trao giải cho nghiên cứu của họ về việc lập mô hình lí thuyết của hệ nhiều
Trang 10114 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
vật phức tạp này: Eugene P Wigner (nửa giải), Maria Goeppert (một phần tư giải) và J Hans D Jensen (một phần tư giải) năm 1963 và Aagne N Bohr, Ben R Mottelson và L James Rainwater năm 1975 Chúng ta sẽ trở lại những nghiên cứu này trong phần “Từ các hệ đơn giản đến phức tạp”
Ngay từ năm 1912, Victor F Hess (nửa giải năm 1936, và nửa giải kia cho Carl D Anderson) đã tìm thấy rằng bức xạ có tính đâm xuyên cao còn chạm tới chúng ta liên tục đến từ không gian bên ngoài “Bức xạ vũ trụ” này lần đầu tiên được phát hiện bằng buồng ion hóa và sau đó bằng buồng mây Wilson như đã nói ở phần trước Tính chất của các hạt trong bức xạ vũ trụ có thể suy ra từ vết hạt cong tạo ra khi áp dụng một từ trường mạnh Theo cách này, C.D Anderson đã phát hiện ra positron Anderson và Patrick M.S Blackett chỉ ra rằng các cặp electron positron có thể tạo ra bằng tia γ (cần một năng lượng photon bằng với ít nhất 2mec2) và các electron và positron có thể hủy nhau, tạo ra tia γ khi chúng biến mất Blackett nhận giải vật lí năm 1948 cho sự phát triển thêm của ông cho kĩ thuật buồng mây và những khám phá được thực hiện với nó
Mặc dù các máy gia tốc được phát triển thêm, nhưng bức xạ vũ trụ tiếp tục trong vòng hai thập kỉ là nguồn chủ yếu của hạt năng lượng rất cao (và vẫn trội hơn các máy gia tốc hạt mạnh nhất trên trái đất ở khía cạnh này, mặc dù với cường độ cực kì thấp), và nó mang lại cái nhìn thoáng qua đầu tiên về một thế giới hạ hạt nhân hoàn toàn không biết Một loại hạt mới, gọi
là meson, được phát hiện ra năm 1937, có khối lượng xấp xỉ 200 lần electron (nhưng nhẹ hơn proton 10 lần) Năm 1946, Cecil F Powell làm sáng tỏ tình hình bằng cách chỉ ra rằng thật ra có nhiều hơn một loại hạt như thế có mặt Một trong số chúng, “meson π”, phân hủy thành hạt khác,
“meson µ” Powell nhận giải thưởng vật lí năm 1950
Vào lúc ấy, các nhà lí thuyết đã suy xét về các lực giữ proton và neutron lại với nhau bên trong hạt nhân Hideki Yakawa đề xuất vào năm 1935, rằng lực “mạnh” này sẽ được mang bằng một hạt trao đổi, giống hệt như lực điện từ được cho là mang bởi sự trao đổi photon ảo trong lí thuyết trường lượng tử mới Yukawa vẫn giữ quan điểm cho rằng một hạt như thế phải có khối lượng khoảng 200 khối lượng electron để giải thích phạm vi tác dụng ngắn của lực mạnh tìm thấy trong các thí nghiệm Meson π của Powell được tìm thấy có tính chất đúng như “hạt Yukawa” Mặt khác, hạt µ hóa ra có đặc tính khác hoàn toàn (và tên của nó sau này đổi từ
“meson µ” thành “muon”) Yukawa nhận giải vật lí năm 1949 Mặc dù tiến bộ sau này cho thấy rằng cơ chế tương tác mạnh phức tạp hơn cái do Yukawa vạch ra, nhưng ông vẫn phải được xem
là người đầu tiên đưa ra ý tưởng về hạt mang lực trong hướng phát triển nhiều kết quả này
Thêm các hạt mới được phát hiện ra trong thập niên 1950, trong bức xạ vũ trụ cũng như trong các va chạm với các hạt gia tốc Cuối thập niên 1950, các máy gia tốc đã có thể đạt tới năng lượng vài GeV (109 electron-volt) có nghĩa là các cặp hạt, với khối lượng bằng với khối lượng proton, có thể được tạo ra bằng sự biến đổi năng lượng sang khối lượng Đây là phương pháp được sử dụng bởi đội của Owen Chamberlain và Emilio Segrè khi họ lần đầu tiên nhận ra
và nghiên cứu phản proton vào năm 1955 (họ cùng nhận giải thưởng năm 1959) Các máy gia tốc
Trang 11© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 115
năng lượng cao còn cho phép nghiên cứu cấu trúc của proton và neutron chi tiết hơn so với trước đây, và Robert Hofstadter có khả năng phân biệt các chi tiết cấu trúc điện từ của các nucleon bằng cách quan sát cách thức chúng làm tán xạ electron có năng lượng rất cao Họ được trao nửa giải thưởng vật lí năm 1961
Cứ thế, các meson mới cùng với phản hạt tương ứng của chúng đã xuất hiện, như vết tích trên các tấm phim chụp hay trong các máy dò hạt điện tử Sự tồn tại của “neutrino” do Pauli tiên đoán trên nền tảng lí thuyết ngay từ thập niên 1930, được thiết lập Bằng chứng thực nghiệm trực tiếp đầu tiên cho neutrino được mang lại bởi C.L Cowan và Frederick Reines vào năm 1957, nhưng mãi đến năm 1995 thì phát hiện này mới được trao nửa giải thưởng Nobel (Cowan qua đời năm 1984) Neutrino là hạt có mặt trong những quá trình liên quan đến tương tác “yếu” (ví dụ phân hủy β và phân hủy meson π thành muon) và, khi cường độ của chùm hạt tăng lên, người ta
có thể tạo ra các chùm neutrino thứ cấp từ các máy gia tốc hạt Leon M Lederman, Melvin Schwartz và Jack Steinberger đã phát triển phương pháp này trong thập niên 1960 và chứng minh rằng neutrino đi cùng phát xạ µ trong phân hủy π không đồng nhất với neutrino đi cùng với electron trong phân hủy β; chúng là hai hạt khác nhau, νµ và νe
Các hạt nhà vật lí bây giờ có thể phân biệt một số loại hạt: electron (e), muon (µ), electron neutrino (νe), muon neutrino (νµ) và các phản hạt của chúng được tìm thấy thuộc cùng một loại, gọi là “lepton” Chúng không tương tác bằng lực hạt nhân “mạnh”, loại lực đặc trưng cho proton, neutron, meson và hyperon (một tập hợp hạt nặng hơn proton) Họ lepton được mở rộng sau này trong thập niên 1970 khi Martin L Perl và đội của ông phát hiện ra lepton τ, tương đối nặng hơn electron và muon Perl chia giải thưởng vật lí năm 1995 với Reines
Tất cả các lepton vẫn được xem là thật sự cơ bản; tức là giống như chất điểm và không có cấu trúc nội tại, nhưng đối với proton, vân vân, điều này không còn đúng Murray Gell-Mann và những người khác đã đi tới phân loại các hạt tương tác mạnh (gọi là “hadron”) thành các nhóm với các quan hệ và cách thức tương tác chung Gell-Mann nhận giải thưởng vật lí năm 1969 Hệ thống phân loại của ông dựa trên giả định rằng chúng đều được cấu thành từ những thành phần
cơ bản hơn nữa, gọi là “quark” Bằng chứng thực tế rằng các nucleon cấu thành từ những đối tượng kiểu như quark đến qua nghiên cứu của Jerome I Friedman, Henry W Kendall và Richard
E Taylor Họ “nhìn thấy” các hạt cứng chắc bên trong những đối tượng này khi họ nghiên cứu cách thức electron (năng lượng cao hơn Hofstadter có thể sử dụng trước đó) tán xạ không đàn hồi lên chúng Họ cùng chia sẻ giải thưởng vật lí năm 1990
Như vậy, người ta hiểu rằng toàn bộ các hạt tương tác mạnh cấu thành bởi các quark Vào giữa thập niên 1970, một hạt có thời gian sống rất ngắn, được phát hiện độc lập bởi các đội của Burton Richter và Samuel C.C Ting, được tìm thấy có chứa một loại quark từ trước đến bấy giờ chưa hề biết tới được đặt tên là quark “duyên” Quark này là một liên kết còn thiếu trong bảng phân loại của các hạt cơ bản và Burton cùng với Ting cùng chia sẻ giải thưởng vật lí năm 1976
Mô hình chuẩn hiện nay của vật lí hạt phân loại các hạt thành ba họ, với hai quark (và phản quark của chúng) và hai lepton trong mỗi họ: quark “lên” và quark “xuống”, electron và electron-neutrino trong họ thứ nhất; quark “lạ” và quark “duyên”, muon và muon-neutrino trong
Trang 12116 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
họ thứ hai; quark “đỉnh” và quark “đáy”, tauon và tau-neutrino trong họ thứ ba Hạt mang lực cho tương tác điện-yếu kết hợp là photon, hạt Z và boson W, và cho tương tác mạnh giữa các quark là các hạt gọi là gluon
Năm 1983, sự tồn tại của các hạt W và Z được đội nghiên cứu của Carlo Rubbia chứng minh bằng một máy va chạm proton-phản proton mới với năng lượng đủ cho tạo ra những hạt rất nặng này Rubbia cùng chia sẻ giải thưởng vật lí năm 1984 với Simon van der Meer, người có những đóng góp có tính quyết định cho việc xây dựng cỗ máy va chạm này bằng phát minh của ông về “sự làm mát stochastic” cho các hạt Có những nghiên cứu cho rằng còn có những hạt khác nữa được tạo ra ở những năng lượng cao hơn năng lượng có thể thu được với các máy gia tốc hiện nay, nhưng không hề có bằng chứng thực nghiệm nào được tạo ra từ trước đến nay
Vũ trụ học là khoa học về cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ của chúng ta và những đối tượng quy mô lớn ở bên trong nó Các mô hình của nó xây dựng trên tính chất của những hạt cơ bản đã biết và tương tác của chúng cũng như tính chất của không-thời gian và sự hấp dẫn Mô hình “big bang” mô tả một kịch bản có khả năng xảy ra cho sự tiến hóa sơ khai của vũ trụ Một trong các tiên đoán của nó đã được xác nhận bằng thực nghiệm khi Arno A Penzias và Robert W Wilson phát hiện ra nền bức xạ vi sóng vũ trụ vào năm 1960 Họ cùng nhận nửa giải thưởng vật
lí năm 1978 Bức xạ này là ánh sáng le lói cuối cùng của những quá trình dữ dội được cho là đã xảy ra trong giai đoạn sơ khai của big bang Nhiệt độ cân bằng của nó là 3 kelvin ở tuổi hiện nay của vũ trụ Nó hầu như đều khi quan sát từ các hướng khác nhau; những sự lệch nhỏ khỏi sự đẳng hướng hiện nay đang được nghiên cứu và sẽ cho chúng ta biết nhiều hơn về lịch sử sớm nhất của vũ trụ của chúng ta
Không gian bên ngoài giống như một vũ đại rộng lớn cho các tương tác hạt, nơi các điều kiện cực độ, không thể thu được trong phòng thí nghiệm, được tạo ra tự phát Các hạt có thể được gia tốc lên những năng lượng cao hơn trong bất kì máy gia tốc nào trên trái đất, các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân sinh ra bên trong các sao, và sự hấp dẫn có thể nén các hệ hạt đến những mật độ cực cao Hans A Bethe lần đầu tiên mô tả chu trình hydrogen và carbon, theo đó năng lượng giải phóng trong các sao bằng sự nhiệt hạch của proton thành hạt nhân helium Cho thành tựu này, ông nhận giải thưởng vật lí năm 1967
Subramanyan Chandrasekhar mô tả trên lí thuyết sự tiến hóa của các sao, đặc biệt là sư kết thúc của chúng dưới dạng “sao lùn trắng” Dưới những điều kiện nhất định, sản phẩm cuối cùng còn có thể là một “sao neutron”, một vật thể cực kì đậm đặc, trong đó toàn bộ proton chuyển hóa thành neutron Trong những vụ nổ sao siêu mới, các nguyên tố nặng sinh ra trong quá trình tiến hóa sao phân tán vào trong không gian Chi tiết của một số phản ứng hạt nhân quan trọng nhất trong các sao và sự hình thành nguyên tố nặng được giải thích bởi William A Fowler
cả trên lí thuyết và trong thực nghiệm bằng máy gia tốc Fowler và Chandrasekhar mỗi người nhận nửa giải thưởng vật lí năm 1983
Ánh sáng khả kiến và bức xạ nền vũ trụ không phải là những dạng sóng điện từ duy nhất đến với chúng ta từ không gian bên ngoài Ở những bước sóng dài hơn, thiên văn học vô tuyến cung cấp thông tin về những vật thể thiên văn không thể có được bằng quang phổ quang học