Tìm hiểu về Vật Lí
1) Vật lí là gì?
Vật lí được coi là một môn khoa học cơ bản nhất của khoa học tự nhiên. Vật lí
giả quyết những thành phần cơ bản nhất của vật chất và các tương tác giữa
chúng cũng như nghiên cứu về các nguyên tử và việc tạo thành phân tử và chất
rắn. Vật lí cố gắng đưa ra những mô tả thống nhất về tính chất của vật chất và
bức xạ, bao quát rất nhiều loại hiện tượng. Trong mộ số ứng dụng, vật lí rất gần
với hóa học cổ điển và trong một số ứng dụng khác nó lại liên quan đến các đối
tượng nghiên cứu của các nhà thiên văn học. Một số lĩnh vực của vật lí hiện nay
còn hướng gần đến vi sinh học.
Mặc dù hóa học và thiên văn học là các ngành khoa học hoàn toàn độc lập,
nhưng cả hai đều dùng vật lí như là một cơ sở trong nghiên cứu các lĩnh vực,
khái niệm và công cụ của các vấn đề khoa học. Phân biệt cái nào là vật lí và hóa
học trong một số lĩnh vực thường là rất khó. Điều này cũng được minh chứng
vài lần trong lịch sử của các giải Nobel. Dưới đây sẽ nhắc đến một số giải Nobel
về hóa học đặc biệt là những giải có liên hệ rất chặt chẽ đến các công trình mà
những người đoạt giải Nobel vật lí thực hiện. Đối với thiên văn học, tình huống
lại khác vì không có giải Nobel cho thiên văn học nên ngay từ đầu, những phát
kiến của thiên văn học được trao giải Nobel về vật lí.
2. Từ vật lí cổ điển đến vật lí lượng tử
Năm 1901, khi giải Nobel đầu tiên được trao thì các lĩnh vực của vật lí cổ điển
đã dựa trên một nền tảng vững chắc do các nhà vật lí và hóa học vĩ đại của thế kỉ
thứ 19 tạo nên. Hamilton đã đưa ra những công thức mô tả động học của vật rắn
từ những năm 1830. Carnot, Joule, Kelvin và Gibbs đã phát triển nhiệt động học
tới mức cực kì hoàn thiện trong nửa cuối của thế kỉ đó.
Các phương trình nổi tiếng của Maxwell đã được chấp nhận như là một mô tả
tổng quát về các hiện tượng điện từ và có thể ứng dụng trong bức xạ quang học
và sóng radio lúc bấy giờ mới được Hetz phát hiện.
Tất cả mọi thứ, bao gồm cả các hiện tượng sóng, có vẻ như là rất phù hợp với
bức tranh vật lí được dựng trên chuyển động cơ học của các thành phần của vật
chất tự thể hiện trong các hiện tượng vĩ mô khác nhau. Một số nhữung nhà quan
chỉ bằng một phần rất nhỏ so với giá trị dự đoán của các nguyên tử mang điện.
Và ngay sau đó người ta thấy rằng các hạt có khối lượng nhỏ bé mang điện tích
âm đó phải là những viên gạch cùng với hạt nhân mang điện tích dương đã tạo
nên tất cả các loại nguyên tử. Thomson nhận giải Nobel vào năm 1906. Trước
đó một năm (1905), Phillip E.A. von Lenard đã làm sáng tỏ rất nhiều tính chất
thú vị của những tia phat ra từ ca tốt như là khả năng đi sâu vào những tấm kim
loại và tạo ra huỳnh quang. Sau đó, vào năm 1912, Robert A. Millikan lần đầu
tiên đo chính xác điện tích của điện tử bằng phương pháp giọt dầu (oil-drop), và
điều này dẫn ông đến giả Nobel năm 1923. Millikan cũng được trao giải cho
những công trình về hiệu ứng quang điện.
Vào đầu thế kỉ 20, các phương trình của Maxwell đã có mặt được vài chục thập
kỉ, nhưng rất nhiều câu hỏi vẫn chưa được giải đáp: môi trường nào là môi
trường trung gian dẫn chuyền sóng điện từ (trong đó có cả ánh sáng) và các hạt
tải điện có phải là nguyên nhân của sự phát xạ ánh sáng hay không? Albert A.
Michelson đã phát triển một phương pháp giao thoa, theo phương pháp này thì
khoảng cách giữa hai vật thể có thể được đo bằng số các bước sóng ánh sáng
(hoặc là những phần nhỏ của chúng). Điều này làm cho việc xác định chiều dài
chính xác hơn trước đó rất nhiều. Rất nhiều năm sau, Văn phòng đo lường quốc
tế (Bureau International de Poids et Mesures) ở Paris đã định nghĩa đơn vị mét
trên cơ sở số các bước sóng của một bức xạ đặc biệt thay cho định nghĩa trước
đây là chiều dài của một tấm platin. Dùng chiếc giao thoa kế đó, Michelson và
W. Morley đã tiến hành thí một nghiệm nổi tiếng, thí nghiệm đó kết luận rằng
vận tốc của ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động tương đối của nguồn
sáng và người quan sát. Thí nghiệm này bác bỏ giả thuyết trước đó coi ê-te là
môi trường truyền ánh sáng. Michelson nhận giải thưởng Nobel năm 1907.
Các cơ chế phát xạ ánh sáng bởi các hạt tải điện đã được Hendrik A. Lorentz
nghiên cứu. Ông cũng là người đầu tiên áp dụng các phương trình của Maxwell
vào việc dẫn điện trong vật chất. Lí thuyết của ông có thể được áp dụng và bức
xạ gây ra bởi dao động giữa các nguyên tử, và vào bối cảnh đó, lí tuyết có thể
giải thích một thí nghiệm cực kì quan trọng. Vào năm 1896, Pieter Zeeman khi
hóa ra là để hiểu sâu hơn cấu trúc của nguyên tử, người ta cần nhiều hơn rất
nhiều những khái niệm thông thường của vật lí cổ điển mà khó ai có thể tưởng
tượng nổi.
Vật lí cổ điển coi chuyển động là liên tục cũng như việc trao đổi năng lượng
cũng là liên tục. Vậy thì tại sao các nguyên tử lại phát ra những bức xạ có một
đỉnh cực đại? Ở đây, một vấn đề có nguồn gốc từ cuối thế kỉ thứ 19 đã cho
những đầu mối quan trọng để giải thích thắc mắc trên. Wilhelm Wien nghiên
cứu về bức xạ của “vật đen” từ những vật rắn nóng (tương phản với bức xạ của
các nguyên tử khí có phân bố tần số liên tục). Sử dụng điện động học cổ điển,
ông đi tới một biểu thức cho phân bố tần số của bức xạ này và cho sự dịch
chuyển của bước sóng có cường độ cực đại khi nhiệt độ của một vật đen bị thay
đổi (định luật dịch chuyển Wien, rất hiệu quả trong việc xác định nhiệt độ của
mặt trời chẳng hạn). Ông được trao giải Nobel năm 1911.
Tuy vậy, Wien không thể rút ra một công thức phân bố phù hợp với thực nghiệm
cho cả hai vùng bước sóng dài và bước sóng ngắn. Vấn đề đó không được giả
quyết cho đến khi Max K. E. L. Planck đưa ra một ý tưởng hoàn toàn mới là
năng lượng phát xạ chỉ phát ra từng lượng gián đoạn có một giá trị nhất định gọi
là lượng tử. Một lượng tử năng lượng có giá trị lớn khi bước sóng nhỏ và có giá
trị nhỏ khi bước sóng lớn (lượng tử năng lượng bằng hằng số Plank nhân với tần
số của lượng tử đó). Đây được coi là sự ra đời của vật lí lượng tử. Wien nhận giả
Nobel năm 1911 và Plank nhận ít năm sau đó, vào năm 1918 (trao giải vào năm
1919). Các bằng chứng quan trọng chứng minh ánh sáng phát ra theo từng lượng
tử năng lượng cũng được củng cố bằng lời giải thích của Albert Eistein về hiệu
ứng quang điện (được Hetz quan sát lần đầu tiên vào năm 1887). Hiệu ứng
quang điện bao gồm phần mở rộng của lí thuyết Plank. Einstein nhận giải Nobel
vật lí năm 1921 (trao giải năm 1922) về hiệu ứng quang điện và về “những đóng
góp cho vật lí lí thuyết” (điều đó ám chỉ một bối cảnh khác).
Trong các thí nghiệm sau này, James Franck và Gustav L. Hertz đã chứng minh
hiệu ứng quang điện ngược (tức là khi một điện tử va chạm với một nguyên tử
thì cần một năng lượng tối thiểu để sinh ra các lượng tử ánh sáng với năng lượng
sóng de Broglie” cho các hạt chuyển động. Các thí nghiệm ban đầu của Clinton
J. Davisson đã chỉ ra rằng thực ra các điện tử thể hiện tính chất phản xạ giống
như các sóng khi đập vào một tinh thể và các thí nghiệm này được lặp lại nhiều
lần chứng minh giả thiết lưỡng tính của de Broglie. Một thời gian sau George P.
Thomson (con trai của J. J. Thomson) đã đưa ra nhiều thí nghiệm đã được cải
tiến rất nhiều cho biết hiện tượng tán xạ khi các điện tử năng lượng cao đi sâu
vào trong các tấm kim loại. De Broglie nhận giải Nobel năm 1929 và sau đó
Davisson và Thomson chia nhau giải Nobel năm 1937.
Điều cần làm là phải đưa ra các phương trình toán học mô tả một lí thuyết mới
thay thế cho cơ học cổ điển mà lí thuyết đó giải thích đúng đắn các hiện tượng
qui mô nguyên tử và bức xạ của chúng. Từ năm 1924 đến 1926 là khoảng thời
gian phát triển cao độ trong lĩnh vực này. Erwin Schrödinger phát triển thêm ý
tưởng của de Broglie và viết một bài báo cơ bản về “Lượng tử hóa như là một
bài toán trị riêng” vào đầu năm 1926. Ông đã tạo ra một cái gọi là “cơ học
sóng”. Nhưng một năm trước đó Werner K. Heisenberg đã bắt đầu một phương
pháp toán học hoàn toán khác gọi là “cơ học ma trận” và bằng cách đó ông cũng
thu được các kết quả tương tự như các kết quả mà Schrödinger đưa ra sau đó.
Cơ học lượng tử mới của Schrödinger và Heisenberg là một sự khởi đầu căn bản
từ bức tranh cảm tính của các quĩ đạo cổ điển trong nguyên tử. Nó cũng ngụ ý
rằng có những giới hạn tự nhiên trong việc xác định chính xác đồng thời các đại
lượng vật lí (Hệ thức bất định Heisenberg).
Heisenberg được trao giải Nobel năm 1932 cho sự phát triển của cơ học lượng
tử, trong khi đó Schrödinger và Paul A. M. Dirac cùng nhận giải vào năm sau
đó. Cơ học lượng tử của Schrödinger và Heisenberg đúng đối với các vận tốc và
năng lượng tương đối thấp của chuyển động “quĩ đạo” của các điện tử hóa trị
trong nguyên tử. Nhưng các phương trình đó không thỏa mãn các yêu cầu được
xác định bởi các nguyên lí của Eistein cho các hạt chuyển động nhanh. Dirac đã
sửa đổi các công thức khi tính đến lí thuyết tương đối hẹp của Eistein và cho
thấy rằng một lí thuyết như vậy không chỉ bao gồm những thông số tương ứng
cho sự tự quay của điện tử xung quanh mình nó-gọi là spin (do đó giả thích mô-
Dirac, Heisenberg và Pauli khởi đầu nhưng vẫn còn một vài khiếm khuyết.
Kusch và Lamb cùng nhận giải Nobel năm 1955.
Trong điện động học lượng tử (gọi tắt là DDHLT), lí thuyết nhiễu loạn lượng tử
mô tả các hạt tích điện tương tác thông qua trao đổi các photon. Mô hình cũ của
DDHLT chỉ bao gồm trao đổi photon riêng lẻ, nhưng Sin-Itiro Tomonaga, Julian
Schwinger và Richard P. Feynman nhận ra rằng tình huống lại phức tạp hơn rất
nhiều vì tán xạ điện tử-điện tử có thể bao gồm trao đổi một vài photon. Một điện
tích điểm “trần trụi” không tồn tại trong bức tranh của họ. Điện tích luôn tạo ra
một đám các cặp hạt-phản hạt ảo ở xung quanh nó, do đó, mô-men từ hiệu dụng
của nó thay đổi và thế năng Coulomb cũng bị biến đổi tại các khoảng cách ngắn.
Các tính toán từ mô hình này đã tái tạo lại các dữ liệu thực nghiệm của Kusch và
Lamb với một độ chính xác ngạc nhiên và mô hình DDHLT mới được coi là
một lí thuyết chính xác nhất đã từng có. Tomonaga, Schwinger và Feynman
cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1965.
Phát triển này của DDHLT lại có một tầm quan trọng vĩ đại nhất cho cả việc mô
tả các hiện tượng vật lí năng lượng cao. Khái niệm sinh cặp từ trạng thái chân
không của một trường lượng tử là một khái niệm cơ sở trong lí thuyết trường
hiện đại của các tương tác mạnh và của sắc động học lượng tử (quantum
chromodynamics-có ai biết từ này dịch như thế đúng hay không?).
Khía cạnh cơ bản khác của cơ học lượng tử và lí thuyết trường lượng tử là tính
đối xứng của các hàm sóng và các trường. Các tính chất đối xứng tương ứng với
trao đổi hạt đồng nhất thì dựa trên nguyên lí loại trừ Pauli nói ở trên, nhưng các
đối xứng tương ứng với các biến đổi không gian cũng trở nên quan trọng không
kém. Năm 1956, Lí Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) và Dương Chấn Ninh (Chen
Ning Yang) đã chỉ ra rằng các tương tác vật lí có thể không tuân theo đối xứng
gương (tức là, chúng có thể khác nhau khi hệ tọa độ quay trái hoặc quay phải).
Điều này có nghĩa là tính chất “chẵn lẻ” của hàm sóng, kí hiệu là “P” không
được bảo toàn khi hệ bị đặt dưới một tương tác như vậy và tính chất đối xứng
gương có thể bị thay đổi. Công trình của hai ông là điểm khởi đầu cho một
nghiên cứu chuyên sâu về các hiệu ứng như vậy và ngay sau đó người ta thấy
chuẩn hóa lí thuyết “điện-yếu”, và loại bỏ các điểm kì dị trong các tính toán
lượng tử (giống như DDHLT đã giải quyết bài toán với tương tác Coulomb).
Công trình của họ cho phép tính toán chi tiết đóng góp của tương tác yếu vào
tương tác của các hạt nói chung, chứng minh tính hiệu quả của các lí thuyết dựa
trên bất biến chuẩn cho tất cả các tương tác vật lí cơ bản.
Cơ học lượng tử và phần mở rộng của nó là lí thuyết trường lượng tử là một
trong những thành tựu vĩ đại của thế kỉ 20. Bản phác thảo con đường từ vật lí cổ
điển đến vật lí hiện đại đã dẫn chúng ta đi được một chặng đường dài đến một
bức tranh cơ bản và thống nhất về các hạt và các lực trong tự nhiên. Nhưng vẫn
còn rất nhiều việc phải làm và cái đích vẫn còn ở xa phía trước. Ví dụ còn phải
thống nhất lực điện-yếu với lực hạt nhân “mạnh” và với lực hấp dẫn. Nhưng ở
đây, người ta nhận thấy rằng mô tả lượng tử của thế giới vi mô có một ứng dụng
cơ bản khác: đó là tính toán các tính chất hóa học của các hệ phân tử (đôi lúc
được mở rộng thành sinh học phân tử) và của cấu trúc chất rắn, những ngành mà
đã thu được một số giả Nobel về vật lí và hóa học.
3. Từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô
Phần trước “Từ vật lí cổ điến đến vật lí lượng tử” đã đưa chúng ta đi từ các hiện
tượng của thế giới vĩ mô mà chúng ta gặp hàng ngày tới thế giới lượng tử của
các nguyên tử, điện tử và hạt nhân. Bắt đầu từ nguyên tử, các công trình của
những người đạt giải Nobel đã cho chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn thế giới hạ
nguyên tử và các thành phần nhỏ bé của nó.
Chúng ta cũng nhận thấy rằng, chỉ trong nửa đầu thế kỉ 20, những khám phá tính
chất của thế giới vi mô của các hạt và tương tác mới là cần thiết để hiểu lịch sử
cấu thành và tiến hóa của những cấu trúc lớn hơn của vũ trụ - thế giới vĩ mô. Tại
thời điểm hiện tại, vật lí, vật lí thiên văn và vũ trụ học liên hệ với nhau rất chặt
chẽ, dưới đây sẽ trình bày một vài ví dụ.
Một mối liên hệ khác liên kết các thực thể nhỏ nhất và lớn nhất trong vũ trụ của
chúng ta là lí thuyết tương đối của Albert Einstein. Einstein đưa ra lí thuyết
tương đối hẹp của mình lần đầu tiên vào năm 1905 với phương trình cho biết
mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng E=mc2. Và vào thập kỉ tiếp theo, ông
proton do Rutherford phát hiện lần đầu tiên khi ông chiếu tia anpha và hạt nhận
nguyên tử Ni-tơ. Nhưng các đồng vị không thể chỉ được tạo thành từ các proton
được vì mỗi nguyên tố hóa học chỉ có một giá trị tổng điện tích hạt nhân. Thông
thường các proton chỉ chiếm không đến một nửa khối lượng hạt nhân, điều đó
có nghĩa là một số thành phần không mang điện cũng có mặt trong hạt nhân.
James Chadwick lần đầu tiên tìm thấy chứng cứ cho hạt đó, gọi là hạt neutron
khi ông nghiên cứu các phản ứng hạt nhân năm 1932. Ông nhận giải Noebel vật
lí năm 1935.
Ngay sau phát hiện của Chadwick, Enrico Fermi và một số người khác cũng bắt
tay vào nghien cứu neutron như là một phương pháp để tạo ra các phản ứng hạt
nhân mà có thể gây ra phóng xạ “nhân tạo”. Fermi thấy rằng xác suất của các
phản ứng hạt nhân cảm ứng (không bao gồm biến đổi nguyên tố) tăng lên khi
neutron bị làm chậm đi và điều này cũng đúng cho các nguyên tố nặng giống
như với các nguyên tố nhẹ, trái ngược với phản ứng của các hạt mang điện (*ví
dụ như proton*) cảm ứng. Ông nhận giải Nobel vật lí năm 1938.
Một nhánh của vật lí gọi là “vật lí hạt nhân” đã được hình thành dựa trên giả
thiết hạt nhân được tạo thành từ các proton và neutron và một vài thành tựu quan
trọng đã được ghi nhận bằng các giải Nobel. Ernest O. Lawrence, người nhận
giải Nobel vật lí năm 1939 đã xây máy gia tốc đầu tiên trong đó các hạt được gia
tốc dần dần bằng việc gia tăng năng lượng cho hạt sau mỗi vòng quay trong từ
trường. Bằng các máy gia tốc này ông có thể gia tốc các hạt nhân tới các năng
lượng cao mà ở đó các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra và ông đã thu được kết
quả mới rất quan trọng. Ngài John D. Cockcroft và Ernest T. S. Walton đã gia
tốc các hạt bằng việc tác động trực tiếp một điện thế rất cao và các ông cũng
được trao giải vào năm 1951 cho công trình nghiên cứu về biến tố (*nguyên tố
mẹ biến đổi thành nguyên tố con thông qua phóng xạ*).
+++
Otto Stern nhận giả Nobel vật lí năm 1943 cho các phương pháp thực nghiệm
của ông để nghiên cứu tính chất từ của hạt nhân, đặc biệt là xác định mô-men từ
của proton. Isidor I. Rabi làm tăng độ chính xác lên hai bậc trong việc xác định
có có hơn một loại hạt như vậy tồn tại. Một trong số đó có tên là “meson pi”
phân rã thành một hạt khác gọi là “meson muy”. Powell nhận giải Nobel vật lí
năm 1950.
Lúc bấy giờ các nhà lí thuyết đang nghiên cứu về lực mà giữ proton và neutron
lại trong hạt nhân. Năm 1935, Hideki Yukawa giả thiết rằng lực tương tác
“mạnh” có thể được truyền bằng các hạt trao đổi (* có hai loại hạt: hạt thực có
spin bán nguyên và hạt truyền tương tác hay còn gọi là hạt trao đổi, có spin
nguyên, ví dụ hạt gravion là hạt truyền tương tác hấp dẫn – DT*), giống như lực
điện từ được giả thiết được truyền thông qua trao đổi các photon ảo trong lí
thuyết trường lượng tử. Yukawa cho rằng một hạt như vậy phải có khối lượng
khoảng 200 lần khối lượng của điện tử để giải thích tầm tác dụng ngắn của lực
tương tác mạnh mà thực nghiệm tìm ra. Hạt meson pi mà Powell tìm ra có các
tính chất phù hợp để có thể là “hạt Yukawa”. Ngược lại, hạt meson muy lại có
các tính chất hoàn toàn khác (và tên của nó sau này được đổi thành “muon”).
Yukawa nhận giải thưởng Nobel vật lí năm 1949. Mặc dù các nghiên cứu sau
này chỉ ra rằng cơ chế của lực tương tác mạnh phức tạp hơn bức tranh của
Yukawa rất nhiều nhưng ông vẫn được coi là tiên chỉ trong nhiên cứu các hạt
truyền tương tác mạnh.
Có thêm các hạt mới được phát hiện vào những năm 1950, từ bức xạ vũ trụ cũng
như từ các va chạm của các hạt được gia tốc. Vào cuối những năm 50, các máy
gia tốc có thể đạt năng lượng vài tỉ eV (electron-volt), tức là các cặp hạt với khối
lượng bằng khối lượng của proton có thể được tạo ra từ chuyển đổi năng lượng-
khối lượng. Phương pháp này được nhóm nghiên cứu của Owen Chamberlain và
Emilio Segrè sử dụng khi lần đầu tiên họ đã xác định và nghiên cứu phản proton
vào năm 1955 (học chia nhau giải Nobel năm 1959). Các máy gia tốc năng
lượng cao cũng cho phép cũng cho phép nghiên cứu cấu trúc của proton và
neutron chi tiết hơn trước đó rất nhiều và Robert Hofstadter có thể phân biệt chi
tiết cấu trúc điện từ của các nucleon nhờ quan sát tán xạ của chúng lên các điện
tử năng lượng cao. Ông nhận nửa giải Nobel vật lí năm 1961.
Hạt này kế tiếp hạt kia, các hạt meson mới và các phản hạt tương ứng của chúng
và Richard E. Taylor. Họ “nhìn thấy” các hạt cứng bên trong các lepton khi
nghiên cứu tán xạ không đàn hồi của các điện tử (các điện tử có năng lượng lớn
hơn năng lượng mà Hofstadter có thể dùng trước đó) lên các lepton. Do đó, họ
cùng nhau chia giải Nobel năm 1990.
Người ta hiểu rằng tất cả các hạt tương tác mạnh đều được tạo thành từ các
quark. Vào giữa những năm 70, một hạt có thời gian sống rất ngắn được phát
hiện một cách độc lập bởi nhóm của Burton Richter và Samuel C. C. Ting. Đó là
một loại hạt quark chưa được biết vào lúc đó và được đặt tên là “đẹp” (charm).
Hạt quark này không có mối liên hệ nào đến hệ thống các hạt cơ bản và Burton
và Ting chia nhau giải Nobel năm 1976. Mô hình chuẩn trong vật lí hạt phân
chia các hạt thành 3 họ, họ thứ nhất gồm: 2 quark (và các phản quark) và hai
lepton, trong mỗi lepton đều có các quark “thuận” và “ngược”, điện tử và
neutrino điện tử; họ thứ hai gồm: quark “lạ” và quark “đẹp”, muon và neutrino
muon; họ thứ ba gồm: quark thuận, quark ngược, tau và tau neutrino. Các hạt
truyền tương tác trong tương tác điện yếu là các photon, hạt Z và hạt boson W
và trong tương tác mạnh là các hạt gluon.
Năm 1983, Carlo Rubbia và nhóm nghiên cứu của ông đã chứng minh sự tồn tại
của các hạt W và Z bằng buồng va chạm proton-phản proton với năng lượng đủ
cao để tạo ra các hạt rất nặng đó. Rubbia chia giải năm 1984 với Simon van der
Meer, người có những phát minh quan trọng trong việc xây dựng buồng va
chạm đó. Họ cũng syu đoán rằng có các hạt khác có thể được tạo ra tại các năng
lượng cao hơn năng lượng của các máy gia tốc hiện thời, nhưng đến giờ không
có bằng chứng thực nghiệm nào về điều đó.
Vũ trụ học là một ngành khoa học nghiên cứu về cấu trúc và tiến hóa của vũ trụ
chúng ta và các đối tượng trên nấc thang vĩ mô trong đó. Các mô hình được xây
dụng trên các tính chất của các hạt cơ bản đã biết và các tương tác của chúng
cũng như tính chất của không-thời gian và hấp dẫn. Mô hình vụ nổ lớn mô tả
một kịch bản có thể cho sự tiến hóa của vũ trụ tại những thời điểm đầu tiên. Một
trong những tiên đoán của mô hình đó là sự tồn tại của nền bức xạ vũ trụ mà đã
được Arno A. Penzias và Robert W. Wilson tìm ra vào năm 1960. Họ cùng nhận
thể kết hợp với nhau để làm tăng độ phân giải của bản đồ nguồn sóng radio từ
bầu trời. Antony Hewish và nhóm nghiên cứu của ông đã thực hiện một phát
minh rất ngẫu nhiên vào năm 1964 khi sử dụng kính thiên văn của Ryle: các vật
thể không xác định gọi là pulsar phát ra các xung tần số sóng radio với tốc độ
lặp lại rất xác định. Những vật thể này ngay sau đó được xác định là các sao
neutron, hoạt động như các ngọn hải đăng quay rất nhanh phát ra sóng radio bởi
vì chúng là những cục nam châm rất mạnh. Ryle và Hewish chia giải Nobel vật
lí năm 1974.
Năm 1974 cuộc tìm kiếm pulsar là đối tượng chính của các nhà thiên văn vô
tuyến, nhưng một bất ngờ khác đã đến vào mùa hè năm đó khi Russell A. Hulse
và Joseph H. Taylor, Jr. đã chú ý đến sự điều biến chu kì của tần số các xung
của một pulsar mới được phát hiện gọi là PSR 1913+16. Đó chính là pulsar đôi
đầu tiên được ghi nhận, nó được đặt tên như vậy bởi vì sao neutron phát ra sóng
radio là một thành phần trong một hệ sao đôi có kích thước gần bằng nhau. Các
quan sát trên 20 năm về hệ sao này cho thấy bằn chứng của sóng hấp dẫn. Sự
suy giảm của tần số quay rất phù hợp với các tính toán dựa trên lí thuyết của
Einstein về mất mát năng lượng gây ra do phát ra sóng hấp dẫn. Hulse và Taylor
chia nhau giải Nobel vật lí vào năm 1993. Tuy vậy việc thu trực tiếp sóng hấp
dẫn trên trái đất vẫn chưa được thực hiện.
4. Từ đơn giản đến phức tạp
Nếu tất cả các tính chất của các hạt cơ bản cũng như các lực tương tác giữa
chúng đã được biết rất chi tiết thì liệu có thể đoán được tính chất của các hệ gồm
các hạt như vậy không? Việc tìm kiếm các thành tố cơ bản của tự nhiên và tìm
kiếm các mô tả lí thuyết tương tác giữa chúng (ở tầm vĩ mô cũng như vi mô) đã
được khuyến khích một phần bởi một học thuyết giản hóa luận. Tất cả các nhà
khoa học không cho rằng có một phương pháp tổng hợp ngay cả về mặt nguyên
lí. Nhưng thậm chí nếu nó đúng thì các tính toán tính chất của hệ phức cũng
nhanh chóng trở thành bất khả thi khi số hạt và tương tác trong hệ tăng lên. Do
đó người ta mô tả hệ nhiều hạt phức bằng các mô hình đơn giản hóa, trong đó,
chỉ các đặc điểm quan trọng nhất của các thành phần các hạt và tương tác được
phổ hạt nhân. Harold C. Urey đã phát hiện ra deuterium, một đồng vị nặng của
Hidro, và vì thế, ông được trao giải Nobel về hóa học vào năm 1934. Fermi,
Lawrence, Cockcroft, và Walton đã được nhắc đến ở phần trước đã phát triển
các phương pháp để tạo ra các đồng vị hạt nhân không bền. Edwin M. McMillan
và Glenn T. Seaborg nhận giải Nobel hóa học năm 1951 vì đã mở rộng bảng
đồng vị hạt nhân tới các nguyên tố nặng nhất. Năm 1954, Walther Bothe và Max
Born (người được nhắc đến ở trên) nhận giải Nobel vật lí vì phát triển phương
pháp trùng hợp cho phép những người nghiên cứu quang phổ có thể lựa chọn
các chuỗi bức xạ hạt nhân có liên quan từ phân rã hạt nhân. Phương pháp này lại
hóa ra rất quan trọng, đặc biệt là trong nghiên cứu các trạnng thái kích thích của
hạt nhân và tính chất điện từ của chúng.
4.2. Nguyên tử
Khi xem xét các hệ nhiều hạt, các lớp điện tử của các nguyên tử dễ nghiên cứu
hơn của hạt nhân (hạt nhân thực ra bao gồm không chỉ các proton và neutron mà
còn nhiều thành phần hơn nguyên tử, như là các hạt “ảo” có thời gian sống
ngắn). Đó là do lực điện từ yếu và đơn giản hơn lực hạt nhân “mạnh” giữ các
thành phần của hạt nhân lại với nhau. Cơ học lượng tử của Schrödinger,
Heisenberg, và Pauli và phần mở rộng tương đối tính của Dirac đã có thể mô tả
khá tốt các tính chất cơ bản của các điện tử trong nguyên tử. Tuy vậy, một bài
toán có từ lâu vẫn chưa được giải quyết, tức là các vấn đề toán học liên quan đến
các tương tác lẫn nhau giữa các điện tử sau khi tính đến lực hút của các hạt nhân
mang điện tích dương. Một khía cạnh của vấn đề này đã được đế cập bởi một
trong những người đạt giải Nobel hóa học mới đây (1998), đó là Walter Kohn.
Ông đã phát triển phương pháp “hàm mật độ” có thể áp dụng vào các nguyên tử
tự do cũng như áp dụng cho các điện tử trong các phân tử và trong chất rắn.
Vào đầu thế kỉ 20, bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học vẫn chưa hoàn thiện.
Lịch sử ban đầu của giải Nobel bao gồm các phát hiện một số các nguyên tố còn
thiếu. Lord Raleigh (John William Strutt) đã chú ý đến những dị thường về khối
lượng nguyên tử tương đối khi các mẫu ô-xi và ni-tơ được tách trực tiếp từ
không khí quanh ta chứ không phải tách chúng từ các thành phần hóa học. Ông
nguyên tử và phân tử. Một nửa giải của năm đó được trao cho Kai M. Siegbahn
(con trai của Manne Siegbahn), người đã phát triển một phương pháp có độ
chính xác cao trong việc xác định phổ nguyên tử và phân tử dựa vào các điện tử
phát ra từ các lớp điện tử bên trong khi bị tác động của chùm tia X có năng
lượng đã được xác định. Phổ điện tử của ông được sử dụng làm công cụ phân
tích trong rất nhiều ngành của vật lí và hóa học.
Sự tác động có điều khiển giữa các điện tử của nguyên tử và các trường điện từ
tiếp tục cung cấp những thông tin chi tiết hơn về cấu trúc của các trang thái của
điện tử trong nguyên tử.
Norman F. Ramsey đã phát triển các phương pháp chính xác dựa trên sự hưởng
ứng của các điện tử tự do trong chùm nguyên tử với trường điện từ tần số radio,
Wolfgang Paul đã phát minh ra các “bẫy” nguyên tử tạo thành từ các điện
trường và từ trường tác động lên toàn bộ thể tích mẫu. Nhóm nghiên cứu của
Hans G. Dehmelt là những người đầu tiên cách li được các hạt riêng lẻ (trong
trường hợp này là các phản điện tử) cũng như là các nguyên tử riêng lẻ trong các
bẫy như vậy. Lần đầu tiên, các nhà thực nghiệm có “thể giao tiếp” được với các
nguyên tử riêng biệt bằng các tín hiệu vi sóng và laser. Điều này cho phép
nghiên cứu các khía cạnh mới của tính chất cơ học lượng tử và làm tăng độ
chính xác hơn nữa trong việc xác định tính chất nguyên tử và chuẩn hóa thời
gian. Paul và Dehmelt nhận một nửa giải Nobel năm 1989 và một nửa giải còn
lại được trao cho Ramsey.
Bước cuối cùng trong tiến bộ này là làm cho các nguyên tử trong các bẫy như
vậy chuyển động chậm đến mức, ở trạng thái cân bằng nhiệt trong môi trường
khí, chúng có thể tương ứng với nhiệt độ chỉ vài micro Kenvin. Điều đó được
thực hiện bằng cách cho chúng vào để làm nguội bằng laser thông qua một tập
hợp các hệ thống được thiết kế rất thông minh do Steven Chu, Claude Cohen-
Tannoudji và William D. Phillips thực hiện khi nhóm này nghiên cứu thao tác
lên các nguyên tử thông qua quá trình va chạm với các photon laser. Công trình
của họ được nhìn nhận bằng giải Nobel năm 1997, hứa hẹn những ứng dụng
quan trọng trong kĩ thuật đo lường bổ sung thêm tính chính xác trong việc xác
4.4. Vật lí chất rắn
Các tinh thể được đặc trưng bởi sự xắp xếp đều đặn của các nguyên tử. Sau khi
phát hiện ra tia X không lâu, Max von Laue nhận thấy rằng, các tia X bị tán xạ
khi đi qua các tinh thể chất rắn giống như ánh sáng đi qua một cách tử quang
học. Có hiện tượng này là do bước sóng của tia X thông thường trùng với
khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất rắn. Ngài William Henry Bragg
(cha) and William Lawrence Bragg (con) lần đầu tiên dùng tia X để đo khoảng
cách giữa các nguyên tử và phân tích sự sắp xếp hình học của các nguyên tử
trong các tinh thể đơn giản. Vì các công trình tiên phong trong việc nghiên cứu
tinh thể học bằng tia X (mà sau này được phát triển đến trình độ rất cao), họ
được trao giải Nobel vật lí, Laue năm 1914 và cha con Bragg năm 1915.
Cấu trúc của tinh thể là trạng thái ổn định nhất trong nhiều trạng thái rắn mà
nguyên tử có thể được xắp xếp tại nhiệt độ và áp suất thông thường. Vào những
năm 30, Percy W. Bridgman đã phát minh ra các dụng cụ mà nhờ đó có thể
nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc tinh thể, tính chất điện, từ, nhiệt của chất rắn
dưới áp suất cao. Rất nhiều tinh thể thể hiện các chuyển pha dưới các điều kiện
đặc biệt như vậy. Sự sắp xếp hình học của các nguyên tử bị thay đổi đột ngột tại
áp suất nhất định. Bridgman nhận giải Nobel vật lí năm 1946 cho các phát minh
trong lĩnh vực vật lí áp suất cao.
Vào những năm 40, nhờ sự phát triển của các máy phản ứng phân rã hạt nhân,
các nhà thực nghiệm có thể thu được các neutron năng lượng thấp. Người ta
cũng thấy rằng, giống như tia X, các neutron cũng rất hiệu quả trong việc xác
định cấu trúc tinh thể bởi vì bước sóng de Broglie của hạt nhân cũng cỡ khoảng
cách giữa các nguyên tử trong chất rắn. Clifford G. Shull đã có nhiều đóng góp
cho sự phát triển kĩ thuật nhiễu xạ neutron trong việc xác định cấu trúc tinh thể,
và cũng cho cho biết rằng, sự sắp xếp của các mô-men từ nguyên tử trong các
vật liệu có trật tự từ có thể làm tăng nhiễu xạ neutron, cung cấp một công cụ rất
mạnh để xác định cấu trúc từ.
Shull nhận giải Nobel vật lí năm 1994 cùng với Bertram N. Brockhouse, chuyên
gia về một khía cạnh khác của tán xạ neutron trên chất rắn: khi các neutron kích
chuyển pha từ. Kenneth G. Wilson, người nhận giải Nobel vật lí năm 1982, đã
phát triển một lí thuyết gọi là lí thuyết tái chuẩn hóa cho các hiện tượng tới hạn
liên hệ với các chuyển pha, một lí thuyết còn được ứng dụng trong lí thuyết
trường của vật lí hạt cơn bản.
Các tinh thể lỏng tạo ra một lớp vật liệu đặc biệt có rất nhiều đặc tính lí thú, trên
cả quan điểm tương tác cơ bản trong chất rắn cũng như các ứng dụng kĩ thuật.
Pierre-Gilles de Gennes đã phát triển lí thuyết cho tinh thể lỏng và sự chuyển
giữa các pha có độ trật tự khác nhau. Ông cũng sử dụng cơ học thống kê để mô
tử sự sắp xếp và động lực học của các chuỗi polymer, và bằng cách đó cho thấy
rằng, các phương pháp được phát triển cho các hiện tượng trật tự trong các hệ
đơn giản có thể được khái quát hóa cho các hệ phức tạp có mặt trong “chất rắn
mềm”. Vì đóng góp đó, ông nhận giải Nobel vật lí năm 1991.
Một dạng chất lỏng đặc biệt đã được quan tâm nghiên cứu đó là chất lỏng hê-li.
Tại áp suất thông thường, hê-li là chất hóa lỏng ở nhiệt độ thấp nhất. Hê-li cũng
có hiệu ứng đồng vị mạnh nhất, từ hê-li (4) hóa rắn ở nhiệt độ 4.2 độ Kenvin,
cho đến hê-li (3) hóa rắn ở nhiệt độ 3.2 độ Kenvin. Heike Kamerlingh-Onnes là
người đầu tiên hóa lỏng hê-li vào năm 1909. Ông nhận giải Nobel vật lí năm
1913 cho các kết quả của hê-li lỏng và cho các nghiên cứu của ông về tính chất
của vật chất tại nhiệt độ thấp. Lev D. Landau đã đưa ra các khái niệm cơ bản (ví
dụ như chất lỏng Landau) liên quan đến các hệ nhiều hạt trong chất rắn và áp
dụng các khái niệm đó vào lí thuyết hê-li lỏng để giải thích các hiện tượng đặc
biệt của hê-li (4) như là hiện tượng siêu chảy (xem dưới đây), kích thích “roton”,
và các hiện tượng âm học. Ông được trao giải Nobel năm 1962.
Vào những năm 20 và 30, Pyotr L. Kapitsa đã phát triển một số kĩ thuật thực
nghiệm để thực hiện và nghiên cứu các hiện tượng ở nhiệt độ thấp. Ông nghiên
cứu nhiều khía cạnh của hê-li (4) lỏng và cho thấy rằng hê-li lỏng có tính siêu
chảy (tức là chảy không có ma sát) khi nhiệt độ thấp hơn 2.2 độ Kenvin. Sau này
hiện tượng siêu chảy được hiểu là sự thể hiện của mối liên hệ lượng tử giữa hiện
tượng ngưng tụ Bose-Einstein (được tiên đoán bằng lí thuyết vào năm 1920) và
nhiều tính chất giống như trạng thái siêu dẫn của điện tử trong một số chất dẫn
Onnes đã thấy rằng điện trở của thủy ngân giảm xuống nhỏ hơn một phần tỉ giá
trị bình thường khi bị làm lạnh thấp hơn một nhiệt độ chuyển pha Tc khoảng 4
độ Kenvin. Như được nhắc ở phần trên, ông đã nhận giải Nobel năm 1913. Tuy
vậy, một thời gian dài người ta không hiểu tại sao các điện tử có thể chuyển
động mà không bị cản trở trong các chất siêu dẫn tại nhiệt độ thấp. Nhưng vào
đầu những năm 60, Leon N. Cooper, John Bardeen và J. Robert Schrieffer đã
đưa ra lí thuyết dựa trên ý tưởng là các cặp điện tử (có spin và hướng chuyển
động ngược nhau) có thể giảm một lượng năng lượng Eg bằng cách chia xẻ một
cách chính xác cùng một độ biến dạng của mạng tinh thể khi chúng chuyển
động. Các cặp Cooper này hành động giống như các hạt boson. Sự tạo cặp này
cho phép chúng chuyển động như một chất lỏng liên kết, không bị ảnh hưởng
khi các kích thích nhiệt (có năng lượng là kT) nhỏ hơn năng lượng tạo thành khi
kết cặp (Eg). Lí thuyết BCS này được trao giải Nobel vật lí năm 1972.
Đột phá trong việc hiểu cơ sở cơ học năng lượng này dẫn đến các tiến bộ trong
các mạch siêu dẫn: Brian D. Josephson đã phân tích sự dịch chuyển của các hạt
tải điện giữa hai kim loại siêu dẫn được ngăn cách bởi một lớp vật liệu dẫn điện
thường rất mỏng. Ông tìm thấy rằng pha lượng tử xác định tính chất dịch chuyển
là một hàm dao động của điện thế bên ngoài đặt lên chuyển tiếp này. Hiệu ứng
Josephson có các ứng dụng quan trọng trong các phép đo chính xác vì nó thiết
lập mối liên hệ giữa điện thế và tần số. Josephson nhận một nửa giải Nobel vật lí
năm 1973. Ivar Giaever, người đã phát minh và nghiên cứu các tính chất chi tiết
của “chuyển tiếp đường ngầm” này (một hệ thống điện tử dựa trên chất siêu dẫn)
chia nhau một nửa giải còn lại với Leo Esaki cho công trình nghiên cứu về hiệu
ứng đường ngầm trong chất bán dẫn (xem dưới đây).
Mặc dầu có khá nhiều các hợp kim và hợp chất siêu dẫn được phát hiện trong
khoảng 75 năm sau phát hiện của Kamerlingh-Onnes, hiện tượng siêu dẫn mãi
được xem như là hiện tượng chỉ xảy ra tại nhiệt độ thấp, với nhiệt độ chuyển pha
siêu dẫn thấp hơn 20 độ Kenvin. Cho nên khi J. Georg Bednorz và K. Alexander
Müller cho thấy rằng Ô-xít Lanthan-đồng có pha thêm Ba-rri có nhiệt độ chuyển
pha là 35 độ Kenvin thì mọi người rất ngạc nhiên. Và ngay sau đó, các phòng thí
Trong các chất bán dẫn, độ linh động của các điện tử bị giảm đi rất mạnh do có
sự tồn tại của vùng cấm năng lượng đối với các điện tử gọi là các khe năng
lượng. Sau khi người ta hiểu được vai trò cơ bản của các tạp chất cho điện tử và
nhận điện tử trong si-líc siêu sạch (và sau này còn có các vật liệu khác), các chất
bán dẫn được sử dụng làm các bộ phận trong điện kĩ thuật. William B. Shockley,
John Bardeen (xem thêm lí thuyết BCS) và Walter H. Brattain đã tiến hành các
nghiên cứu cơ bản về siêu dẫn và đã phát triển transistor loại một. Đó là bình
minh của kỉ nguyên “linh kiện điện tử”. Họ cùng nhận giải Nobel năm 1956.
Sau này Leo Esaki đã phát triển đi-ốt đường ngầm, một linh kiện điện tử có điện
trở vi phân âm, đó là một tính chất kĩ thuật rất thú vị. Nó tạo thành từ hai chất
bán dẫn pha tạp loại “n” và loại “p”, có một đầu chuyển dư điện tử và một đầu
khác thiếu điện tử. Hiệu ứng đường ngầm xuất hiện khi điện thế dịch lớn hơn
khe năng lượng trong các chất bán dẫn. Ông chia giải Nobel vật lí năm 1973 với
Brian D. Josephson.
Với kĩ thuật hiện đại, người ta có thể tạo các màng mỏng cấu trúc xác định từ
các vật liệu bán dẫn và chúng thể tiếp xúc trực tiếp với nhau. Với cấu trúc không
đồng nhất như vậy, con người không bị giới hạn vào các khe năng lượng trong
các chất bán dẫn như si-lic hoặc germani nữa. Herbert Kroemer đã phân tích lí
thuyết về độ linh động của các điện tử và lỗ trống trong các chuyển tiếp không
đồng nhất. Lí thuyết của ông dẫn đến việc tạo ra các transistor với các đặc trưng
được cải tiến rất nhiều mà sau này gọi là HEMT (transistor có độ linh động điện
tử cao), các HEMT rất quan trọng đối với các linh kiện điện tử tốc độ cao ngày
nay. Kroemer cũng giả thiết rằng các cấu trúc không đồng nhất kép có thể tạo
điều kiện cho hoạt động của laser, cùng khoảng thời gian với Zhores I. Alferov
đưa ra ý tưởng như thế. Sau này Alferov đã tạo ra laser bán dẫn xung đầu tiên
vào năm 1970. Sự kiện này là điểm khởi đầu của kỉ nguyên các dụng cụ quang
điện hiện này đang dùng trong các đi-ốt laser, đầu đọc đĩa CD, đầu đọc mã vạch
và cáp quang viễn thông. Và gần đây, Alferov và Kroemer chia nhau một nửa
giải Nobel vật lí năm 2000, một nửa giải còn lại về tay Jack S. Kilby, đồng phát
minh mạch điện tử tích hợp (xem phần sau Vật lí và Kĩ thuật).
hưởng mà sự cộng hưởng này rất sắc nét. Phát hiện này trở nên quan trọng trong
việc xác định cấu trúc điện từ của nhiều vật liệu và Mössbauer nhận một nửa
giải Nobel vật lí năm 1961 cùng với R. Hofstadter.
5. Vật lí và kĩ thuật
Rất nhiều các phát minh thực nghiệm và lí thuyết được nhắc cho đến nay có một
ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của các dụng cụ kĩ thuật bằng việc mở ra những
lĩnh vực vật lí hoàn toàn mới hoặc đưa ra các ý tưởng để có thể tạo ra các dụng
cụ kĩ thuật. Các ví dụ rất dễ thấy là công trình của Shockley, Bardeen, và
Brattain mà dẫn đến transitor và khởi đầu cuộc cách mạng điện tử; các nghiên
cứu cở bản của Townes, Basov, và Prokhorov dẫn đến việc phát triển maser và
laser. Cũng nên nhắc lại rằng các máy gia tốc hạt hiện nay là các công cụ rất
quan trọng trong một vài lĩnh vực khoa học vật liệu và y học. Các công trình
khác được vinh danh bằng giải Nobel ngày càng có thiên hướng về mặt kĩ thuật
hoặc chúng có tầm quan trọng đặc biệt trong việc xây dựng các linh kiện để phát
triển ngành liên lạc và thông tin.
Một giải Nobel cách đây khá lâu (1912) đã được trao cho Nils Gustaf Dalén cho
phát minh về “van mặt trời” (sun-valve) tự động được dùng rộng rãi trong các
cột mốc và phao trong ngành hàng hải. Phát minh đó dựa trên sự khác nhau về
bức xạ nhiệt từ các vật có độ phản xạ ánh sáng khác nhau: một trong số ba thanh
song song trong dụng cụ của ông có màu đen, điều này làm tăng sự sai khác
trong việc hấp thụ nhiệt và dãn nở nhiệt của các thanh trong thời gian mặt trời
chiếu vào. Hiệu ứng này được dùng để ngắt nguồn cấp khí tự động vào ban ngày
và làm giảm nhiều nhu cầu bảo dưỡng trên biển.
Các dụng cụ và kĩ thuật quang là những chủ đề cho vài giải Nobel. Khoảng đầu
thế kỉ 20, Gabriel Lippmann đã phát triển một phương pháp chụp ảnh màu sử
dụng hiệu ứng giao thoa ánh sáng. Một chiếc gương được đặt tiếp xúc với một
thể nhũ tương nhạy quang phủ trên một tấm kim loại sao cho khi chúng bị chiếu
sáng, ánh sáng phản xạ trong chiếc gương sẽ làm tăng sóng đứng trong thể nhũ
tương đó. Việc tráng ảnh làm cho các hạt bạc bị (trong thể nhũ tương đó) phân
tầng khi gương chiếu sáng lên tấm kim loại và ảnh tạo thành có màu sắc tự
cho dòng điện tử chui ngầm đó cố định và di chuyển đầu nhọn theo bề mặt chất
rắn, người ta có thể có được bức ảnh ba chiều của bề mặt chất rắn cần nghiên
Copyright: Tài liệu đại học ©