Trang Chủ Tạp Chí VLVN Thư Viện Allbum Ảnh Thành Viên Xuất Sắc
Bảng Xếp Hạng Theo
Tháng
Bản Rút
Gọn

..::Vật Lý Việt Nam::.. > Tài nguyên Vật lý > Lịch sử và danh nhân
Vật lý
Nhìn lại những giải Nobel về Vật lí 1901-2004
Bí danh
Bí danh
Ghi Nhớ?
Mật mã
Ðang Nh?p
Nhìn lại những giải Nobel về Vật lí 1901-2004
Giải Nobel về Vật lí 1901-2004
Agneta Wallin Levinovitz và Nils Ringertz
Người dịch: Dạ Trạch
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

phóng xạ đã, Becquerel vợ chồng Curie được trao giải Nobel năm 1903 (một nửa giải cho
Becquerel và một nửa cho vợ chồng Curie). Cùng với công trình của Ernest Rutherford (người đạt
giải Nobel về hóa học năm 1908) người ta hiểu rằng thực ra nguyên tử bao gồm một hạt nhân rất
nhỏ chứ không phải như người ta từng nghĩ như trước đây là một phần tử không có cấu trúc.
Người ta còn thấy một số hạt nhân nguyên tử lại không bền, chúng có thể phát ra các bức xạ
anpha, betha và gamma. Đó là cuộc cách mạng lúc bấy giờ, cùng với nhiều công trình vật lí khác,
người ta đã vẽ ra những bức tranh đầu tiên của cấu trúc nguyên tử.
Năm 1897, Joseph J. Thomson phát hiện các tia phát ra từ ca tốt trong một ống chân không là
những hạt có mang điện tích. Ông đã chứng minh rằng, các tia này gồm những hạt rời rạc mà sau
này chúng ta gọi là các hạt điện tử. Ông đã đo tỉ số giữa khối lượng của hạt và điện tích (âm) của
hạt đó và thấy rằng giá trị đó 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

(nhận giải năm 1925). Tuy vậy, 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 đặc trưng phát ra từ va chạm đó) và chứng minh
tính đúng đắn của lí thuyết Plank và hằng số Plank. Franck and Hertz cùng nhận giải Nobel năm
1926, lễ trao giải này tiến hành năm 1927. Cũng vào khoảng thời gian đó, Arthur H. Compton
(người nhận nửa giải Nobel vật lí năm 1927) nguyên cứu sự mất mát năng lượng của photon
(lượng tử sóng điện từ) tia X khi tán xạ lên các hạt vật chất và cho thấy rằng các lượng tử 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-men từ nội tại của điện tử 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
gọi là các phản hạt có khối lượng bằng khối lượng của điện tử nhưng mang điện tích dương.
Phản hạt đầu tiên của điện tử do Carl D. Anderson (được trao một nửa giải Nobel năm 1936) phát
hiện năm 1932 được gọi là positron.
Giải Nobel những năm sau đó được trao cho những người có đóng góp quan trọng khác cho sự
phát triển của cơ học lượng tử. Max Born, thầy của Heisenberg vào những năm đầu của thập
niên 20 có những đóng góp quan trọng về mô tả toán học và giải thích vật lí. Ông nhận một nửa
giả nobel vào năm 1954 cho công trình của ông về ý nghĩa thống kê của hàm sóng. Wolfgang
Pauli đã đưa ra nguyên lí loại trừ (mỗi trạng thái lượng tử chỉ có thể có một điện tử mà thôi) dựa
trên cơ sở lí thuyết bán cổ điển của Bohr. Sau này, người ta cũng thấy nguyên lí Pauli liên quan
đến tính đối xứng của hàm sóng của các hạt có spin bán nguyên nói chung gọi là các fermion để
phân biệt với các hạt boson có spin là một số nguyên lần của hằng số Plank chia cho 2*pi.
Nguyên lí loại trừ có nhiều hệ quả quan trọng trong nhiều lĩnh vực của vật lí và Pauli nhận giải

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 rằng phân
rã của hạt betta và pi thành hạt muy do tương tác yếu gây ra không bảo toàn tính chẵn lẻ (xem
thêm phần dưới). Lí và Dương cùng nhận giải Nobel năm 1957. (*Bổ sung: các định luật bảo toàn
đều được rút ra từ các tính chất đối xứng. Tính đối xứng và đồng nhất của không gian và thời
gian làm cho năng lượng, xung lượng, mô-men xung lượng được bảo toàn. Do đó, tính đối xứng
và bảo toàn là tương đương – DT*)
Các tính chất đối xứng khác của cơ học lượng tử được liên hệ với sự thay thế của các hạt bằng
các phản hạt (gọi là giao hoán điện tích, kí hiệu là “C”). Các trường hợp chuyển đổi phóng xạ mà
Lí và Dương nghiên cứu, người ta thấy rằng mặc dù tính chẵn lẻ không được bảo toàn, nhưng
vẫn tồn tại một đối xứng trong đó các hạt và phản hạt phá vỡ tính chẵn lẻ theo các cách trái
ngược nhau hoàn toàn và do đó toán tử tổ hợp C*P bảo toàn tính đối xứng. Nhưng nguyên lí bảo
toàn C*P đó kéo dài không được bao lâu cho đến khi James W. Cronin và Val L. Fitch phát hiện
sự phân rã của hạt “meson K” vi phạm nguyên lí trên, mặc dù sự vi phạm đó trong một qui mô rất
nhỏ. Cronin và Fitch đưa ra phát hiện này vào năm 1964 và học cùng nhau nhận giải Nobel năm
1980. Hệ quả của phát hiện trên (bao gồm các câu hỏi về tính đối xứng của các quá trình tự nhiên
khi đào ngược thời gian – đối xứng T) vẫn được thảo luận cho đến ngày nay và đã chạm đến
những nền tảng sâu nhất của vật lí lí thuyết bởi vì đối xứng P*C*T luôn được coi là bảo toàn.
Người ta biết rằng trường điện từ có tính chất gọi là “đối xứng chuẩn” (gauge symmetry), tức là
các phương trình trường giữ nguyên dạng ngay cả khi các thế năng điện từ được nhân lên với
các hằng số pha cơ học lượng tử nhất định. Người ta không biết tương tác yếu có tính chất như
thế cho đến những năm 1960, khi Sheldon L. Glashow, Abdus Salam, và Steven Weinberg đưa ra
lí thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ. Họ cùng nhau chia giải Nobel năm 1979
về lí thuyết thống nhất này và đặc biệt là tiên đoán của họ về một loại tương tác yếu đặc biệt
được điều hòa bởi “dòng nơ-trôn” đã được thực nghiệm kiểm chứng mới gần đây. Giải Nobel vật

cho các tính toán chuyển động trên thang vĩ mô của vũ trụ, kể cả giả thiết về tính chất của hố đen.
Eistein nhận giải Nobel vào năm 1922 lại do công trình về hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất
hạt của ánh sáng. (*Có lẽ ủy ban trao giải thưởng đã quá thận trọng khi không trao giải Nobel cho
ông về lí thuyết tương đối. Họ sợ rằng, một lí thuyết quan trọng như vậy, nếu sai có thể để lại một
hậu quả rất lớn, chính vì thế Eistein được trao giải vì hiệu ứng quang điện, một vấn đề kém quan
trọng hơn nhiều so với thuyết tương đối. Và do đó, ủy ban giải thưởng trao giải cho Eistein về
thuyết tương đối nhưng lại nói là trao vì hiệu ứng quang điện, một hiệu ứng chắc chắn đúng –
DT*).
Các nghiên cứu của Becquerel, vợ chồng Curie và Rutherford làn nảy sinh các câu hỏi: đâu là
nguồn năng lượng của hạt nhân phóng xạ để có thể duy trì việc phát xạ anpha, betha và gamma
trong khoảng thời gian rất dài mà một vài người trong số họ đã quan sát được? hạt anpha là gì và
hạt nhân có tạo thành từ hạt này hay không? Câu hỏi đầu tiên (có vẻ như là vi phạm định luật bảo
toàn năng lượng, một trong những định luật quan trọng nhất của vật lí) đã có câu trả lời từ lí
thuyết biến tố của Rutherford và Frederick Soddy (Nobel hóa học 1921). Họ đã theo dõi rất chi tiết
một chuỗi các phân rã phóng xạ khác nhau và so sánh năng lượng phát ra với sự thay đổi về khối
lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân con. Họ tìm thấy rằng hạt nhân thuộc một nguyên tố hóa học
có thể có các khối lượng khác nhau gọi là các “đồng vị”. Một giải Nobel cũng được trao vào năm
1922 cho Francis W. Aston về việc tách quang phổ - khối lượng của một số lớn các đồng vị của
các nguyên tố không phóng xạ. Cùng lúc đó Marie Curie cũng nhận giải Nobel lần thứ hai (lần này
về hóa học) về phát hiện ra các nguyên tố hóa học radium và polonium.
Khối lượng của các đồng vị đều là một số nguyên lần khối lượng của proton, hạt proton do
Rutherford phát hiện lần đầu tiên khi 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

khối lượng điện tử) có thể sinh ra các cặp điện tử-phản điện tử và ngược lại, điện tử và phản điện
tử có thể hủy nhau tạo ra chính tia gamma bị mất đi. Blackett nhận giải Nobel vật lí năm 1948 cho
việc phát triển buồng mây sau này và các phát minh mà công đã thực hiện đển làm việc đó.
Mặc dù sau này, các máy gia tốc được phát triển nhiều, bức xạ vũ trụ vẫn là nguồn chủ yếu của
các hạt năng lượng cao trong vài thập kỉ (và hạt từ bức xạ vũ trụ có năng lượng lớn hơn năng
lượng của các hạt tạo ra từ các máy gia tốc lớn nhất trên trái đất, mặc dù cường độ của bức xạ
vũ trụ rất nhỏ) và nó đã cung cấp những hình ảnh ban đầu của một thế giới hạ hạt nhân mà lúc
bấy giờ con người hoàn toàn chưa biết. Một loại hạt mới gọi là meson được phát hiện năm 1937
có khối lượng xấp xỉ 200 lần khối lượng điện tử (nhưng nhẹ hơn proton 10 lần). Năm 1946, Cecil
F. Powell đã làm sáng tỏ hiện tượng trên và cho rằng thực ra là 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

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 giải Nobel vật lí
năm 1978. Bức xạ này là tàn dư của các quá trình va chạm được giả thiết xuất hiện vào các giai
đoạn rất sớm sau vụ nổ lớn. Nhiệt độ cân bằng tại thời kì hiện tại của vũ trụ là 3 độ Kenvin. Nhiệt
đó đó gần như đồng nhất theo tất cả các hướng quan sát khác nhau; các sai khác nhỏ khỏi giá trị
đồng nhất đang được nghiên cứu và sẽ nói cho chúng ta biết nhiều hơn về lịch sử sớm nhất của
vũ trụ của chúng ta.
Khoảng không vũ trụ được ví như một đấu trường lớn cho các hạt tương tác với nhau vì ở đó các

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 dùng như là các điểm khởi đầu. Người ta thường xuyên thấy rằng các
hệ phức thể hiện các đặc điểm được gọi là các “tính chất chung” mà không thể đoán được từ các
tương tác cơ bản giữa các thành phần của chúng.
4.1. Hạt nhân nguyên tử
Các hệ phức đầu tiên từ quan điểm của các nhà giản hóa luận là thành phần cấu thành hạt nhân,
tức là các neutron và proton được tạo thành từ các quark và gluon. Hệ thứ hai là các hạt nhân
nguyên tử, theo một phép gần đúng bậc một, được tạo thành từ các hạt nucleon. Mô hình đầu
tiên về cấu trúc hạt nhân là mô hình các lớp hạt nhân, do Maria Goeppert-Mayer và Johannes D.
Jensen đưa ra vào cuối những năm 40, họ nhận thấy rằng ít nhất đối với các hạt nhân với hình
gần như hình cầu thì các nucleon bên ngoài cùng cũng lấp đầy các mức năng lượng giống như
các điện tử trong nguyên tử. Tuy vậy, trật tự của các nucleon lại khác với các điện tử và được xác
định bởi một thế năng chung và bởi sự kết cặp spin-quĩ đạo rất mạnh của các lực hạt nhân. Mô
hình của họ giải thích tại sao hạt nhân lại đặc biệt ổn định với một số xác định (con số kì diệu) các
proton. Họ chia nhau giải Nobel vật lí năm 1963 cùng với Eugene Wigner, người đã công thức
hóa các nguyên lí đối xứng cơ bản rất quan trọng trong vật lí hạt nhân và vật lí hạt.
Hạt nhân có số nucleon khác với con số kì diệu thì lại không phải là hình cầu. Niels Bohr đã từng
nghiên cứu mô hình giọt chất lỏng áp dụng cho các hạt nhân bị biến dạng như vậy (có thể có
dạng hình e-líp), và vào năm 1939 người ta thấy rằng nếu kích thích các hạt nhân bị biến dạng

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 kết luận rằng khí quyển phải có chứa thành phần chưa biết, đó là nguyên tố argon có khối
lượng nguyên tử là 20. Ông nhận giải Nobel vật lí năm 1904, cùng năm với ngài William Ramsay
nhận giải Nobel hóa học vì đã tách được nguyên tố Hê-li.