Tìm hiểu

Giải Nobel Vật lý
Giải Nobel Vật lý
Huy chương giải Nobel vật lý
Giải Nobel về vật lý là một trong những
giải Nobel được trao hàng năm cho các nhà vật
lý và thiên văn có những khám phá và những đóng góp nổi trội trong lĩnh vực vật lý hàng

Tuy vậy, sự thỏa mãn về bức tranh vật lý đó kéo dài không được bao lâu. Thời điểm bước
sang thế kỉ mới là thời điểm quan sát các hiện tượng mà vật lý lúc bấy giờ không lý giải
được và những ý tưởng cực mới về cơ sở của vật lý lý thuyết được đưa ra.
Tia X và phóng xạ
Một trong những hiện tượng không giải thích được của vài năm cuối cùng của thế kỉ 19
đó là việc Wilhelm Conrad Röntgen, người được trao giải Nobel vật lý đầu tiên (1901)
phát hiện ra tia X vào năm 1895. Năm 1896 Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng
phóng xạ
và hai vợ chồng nhà bác học Marie và Pierre Curie tiếp tục nghiên cứu bản chất
của hiện tượng này. Nhờ công trình về hiện tượng phóng xạ, Becquerel và vợ chồng
Curie được trao giải Nobel năm 1903. 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 từng được nghĩ như trước đây là một phần tử không
có cấu trúc.
Cấu trúc nguyên tử
Năm 1897, J.J. Thomson (Joseph John Thomson) phát hiện các tia phát ra từ ca-tốt trong
một ống chân 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 (hay electron). Ông đã
đo tỉ số giữa khối lượng của hạt với 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 năm 1906. Trước đó một năm (1905), Philipp E.A. von Lenard
đã làm sáng tỏ rất nhiều tính chất thú vị của những tia phát ra từ ca-tốt như là khả năng đi
sâu vào những tấm kim loại và tạo ra huỳnh quang. Sau đó, vào năm 1912, Robert A.
Millikan lần đầu tiên đo chính xác điện tích của điện tử bằng phương pháp giọt dầu (tiếng
Anh: oil-drop), và việc này dẫn ông đến giải Nobel năm 1923. Millikan cũng được trao

đặc trưng phát ra trong những vùng khả kiến từ những loại nguyên tử khác nhau. Bức xạ
tia X đặc trưng do Charles Glover Barkla (giải Nobel năm 1917) phát hiện bổ sung thêm
cho tài liệu đó. Barkla phát hiện điều đó sau khi Max von Laue (giải Nobel năm 1914)
xác định bản chất sóng của bức xạ và nhiễu xạ tia X. Phát hiện của von Laue trở thành
một nguồn thông tin quan trọng về cấu trúc bên trong của nguyên tử. Karl Manne Georg
Siegbahn nhận thấy rằng đo phổ tia X đặc trưng của tất cả các nguyên tố sẽ cho biết một
cách có hệ thống các lớp điện tử kế tiếp được thêm vào như thế nào khi đi từ các nguyên
tố nhẹ tới các nguyên tố nặng. Ông đã thiết kế các quang phổ kế cực kì chính xác cho
mục đích này. Và nhờ đó sự khác nhau về năng lượng của các lớp điện tử khác nhau cũng
như các qui tắc cho việc dịch chuyển bức xạ giữa các lớp đó được xác định. Ông nhận
giải Nobel vật lý năm
1924. 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 lý cổ điển mà lúc
bấy giờ, khó ai có thể tưởng tượng nổi.
Sự ra đời của thuyết lượng tử
Vật lý cổ điển coi chuyển động là liên tục cũng như việc trao đổi năng lượng cũng là liên
tục. Vậy thì tại sao các nguyên tử lại phát ra những bức xạ có một đỉnh cực đại? Wilhelm
Wien nghiên cứu về bức xạ của vật đen (tiếng Anh: black body) 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.

Max Planck, cha đẻ thuyết lượng tử
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 Planck đưa ra một ý tưởng hoàn toàn mới là năng lượng phát xạ chỉ phát ra từng

sự khác nhau giữa các trạng thái năng lượng bị lượng tử hóa đó. Giả thiết ông đưa ra có
xuất phát điểm từ vật lý cổ điển hơn là từ lý thuyết của Plank. Mặc dầu giả thiết trên chỉ
giải thích được một số đặc điểm đơn giản của quang phổ và nguồn gốc của nó nhưng
người ta cũng sớm chấp nhận nó vì phương pháp của Bohr là một điểm khởi đầu đúng
đắn, ông nhận giải Nobel năm 1922.
Lưỡng tính sóng-hạt
Năm 1923, Louis de Broglie (Louis-Victor P. R. de Broglie) đã phát biểu rằng các hạt vật
chất cũng có những tính chất sóng và rằng sóng điện từ cũng thể hiện những tính chất của
các hạt dưới dạng các quang tử. Ông đã phát triển các công thức toán học cho tính lưỡng
tính này, trong đó có một công thức mà sau này gọi là bước sóng de Broglie cho các hạt
chuyển động. Các thí nghiệm ban đầu của
Clinton Davisson đã chỉ ra rằng thực ra các
điện tử thể hiện tính chất phản xạ giống như các 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 Paget Thomson (con trai của J.J. Thomson) đã đưa ra nhiều thí
nghiệm đã được cải tiến rất nhiều cho biết hiện tượng tán xạ khi các điện tử năng lượng
cao đi sâu vào trong các tấm kim loại. De Broglie nhận giải Nobel năm 1929 và sau đó
Davisson và Thomson chia nhau giải Nobel năm 1937. 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 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. Lý thuyết này cũng ngụ ý rằng có những giới hạn
tự nhiên trong việc xác định chính xác đồng thời các đại lượng vật lý Hệ thức bất định
Heisenberg. Heisenberg được trao giải Nobel năm 1932 cho sự phát triển của cơ học
lượng tử, trong khi đó Schrödinger và Paul Dirac cùng nhận giải vào năm sau đó. Dirac
sửa đổi các công thức khi tính đến lý thuyết tương đối hẹp của Einstein và cho thấy rằng
một lý thuyết như vậy không chỉ bao gồm những thông số tương ứng cho sự tự quay của
điện tử xung quanh mình, gọi là spin, mà còn tiên đoán sự tồn tại của một loại hạt hoàn

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 điện động lực
học lượng tử mới được coi là một lý thuyết chính xác nhất đã từng có. Tomonaga,
Schwinger và Feynman cùng nhận giải Nobel vật lý năm 1965. Phát triển này của điện
động lực học lượng tử lại có một tầm quan trọng vĩ đại nhất cho cả việc miêu tả các hiện
tượng vật lý năng lượng cao. Khái niệm sinh cặp từ trạng thái chân không của một trường
lượng tử là một khái niệm cơ sở trong lý thuyết trường hiện đại của các tương tác mạnh
và của
sắc động lực học lượng tử (quantum chromodynamics).
Khám phá về tính đối xứng
Khía cạnh cơ bản khác của cơ học lượng tử và lý thuyết trường lượng tử là tính đối xứng
của các hàm sóng và các trường. Năm 1956, Lý Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) và Dương
Chấn Ninh (Chen Ning Yang) đã chỉ ra rằng các tương tác vật lý có thể không tuân theo
đối xứng gương. 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. Lý và Dương cùng nhận giải Nobel năm 1957. James Watson Cronin và
Val Logsdon Fitch phát hiện sự phân rã của hạt meson K vi phạm nguyên lý bảo toàn
điện tích và tính chẵn lẻ năm 1964 và họ cùng nhau nhận giải Nobel năm 1980.
Năm 1960, khi Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg đưa ra lý thuyết
thống nhất
tương tác yếu và tương tác điện từ. Họ cùng nhau chia giải Nobel năm 1979
về lý thuyết thống nhất này và đặc biệt là tiên đoán của họ về một loại tương tác yếu đặc
biệt được điều hòa bởi dòng neutron đã được thực nghiệm kiểm chứng mới gần đây. Giải
Nobel vật lý cuối cùng của thế kỷ 20 được trao cho Gerardus 't Hooft và Martinus J. G.
Veltman
. Họ đã tìm ra cách để tái chuẩn hóa lý thuyết điện-yếu, và loại bỏ các điểm kỳ dị
trong các tính toán lượng tử.

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 lý năm 1935.
Ngay sau phát hiện của Chadwick, Enrico Fermi và một số người khác cũng bắt tay vào
nghiên cứu neutron như là một phương pháp để tạo ra các phản ứng hạt nhân mà 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 lý năm
1938.
Vật lý hạt nhân
Một nhánh của vật lý gọi là vật lý hạt nhân đã được hình thành dựa trên giả thiết hạt nhân
được tạo thành từ các proton và neutron và một vài thành tựu quan trọng đã được ghi
nhận bằng các giải Nobel.
Ernest Lawrence, người nhận giải Nobel vật lý năm 1939 đã
xây máy gia tốc đầu tiên trong đó các hạt được gia tốc dần dần bằng việc gia tăng năng
lượng cho hạt sau mỗi vòng quay trong từ trường. Sir
John Cockcroft và Ernest Walton
đã gia tốc các hạt bằng việc tác động trực tiếp một điện thế rất cao và các ông cũng được
trao giải vào năm
1951 cho công trình nghiên cứu về biến tố.
Otto Stern nhận giải Nobel vật lý 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 mô men từ của hạt nhân
bằng kỹ thuật
cộng hưởng tần số vô tuyến, và do đó, ông nhận giải Nobel vật lý năm
1944. Sau đó, vào nửa cuối của thế kỷ một vài nhà vật lý lý thuyết được trao giải cho