Có một thời, Wheeler đã xem vật lí hạt nhân là phương thức tốt nhất để “chiến đấu với tự nhiên”. Nhưng sau đó ông đã bị thu hút bởi tính đơn giản của muon, loại hạt miễn trừ lực hạt nhân mạnh. Tuy nhiên, bản thân ông không thể thoát khỏi sự phân chia thế lực trong một thế giới đang có chiến tranh.

John Wheeler mất tại nhà riêng của ông ở gần Princeton, New Jersey, vào hôm 13 tháng 4 năm 2008, ở tuổi 96. Mười năm trước, ông đã cho xuất bản một quyển tự truyện với tựa đề rất hợp “A Life in Physics” (Một đời dành cho Vật lí học). Ông đã có một cuộc hôn nhân hạnh phúc kéo dài 72 năm và ông rất tự hào với ba người con và những thành tích của họ. Nhưng cuộc đời của ông và sự nghiệp vật lí của ông thật ra không thể phân biệt rạch ròi được. Từ khi ông là đồng tác giả của bài báo đầu tiên của ông cùng với William Meggers lúc ông 19 tuổi cho đến khi ông viết xong đề mục cuối cùng của mình trong sổ tay lúc ông 95 tuổi, ông chưa một lúc nào ngừng suy nghĩ về vật lí học – hay, như ông đã bày tỏ, là “chiến đấu với tự nhiên”.

Wheeler thích nói rằng cuộc đời của ông được phân chia thành ba thời kì. Thứ nhất là thời kì “mọi thứ đều là hạt”, kéo dài từ đầu thập niên 1930 đến đầu thập niên 1950, trong thời gian đó ông tập trung làm việc với electron, positron, photon, muon, và hạt nhân nguyên tử, với thời gian dành cho nghiên cứu vũ khí. Sau đó là thời kì “mọi thứ là trường”, từ 1952 đến cuối thập niên 1970, khi sự hấp dẫn nằm ở chủ điểm quan tâm của ông – với vấn đề quốc phòng cũng được ông quan tâm. Thời kì đó hòa mình vào thời kì “mọi thứ là thông tin” của những năm tháng sau này của đời ông, khi ông khảo sát các cơ sở của sự đo lường lượng tử và đưa ra những ý tưởng ví dụ như tính hay thay đổi của định luật vật lí và cái ông mô tả là “từ bit mà ra”.

Trong bài báo này, tôi mô tả một số thành tựu chủ yếu của John Wheeler trong giai đoạn đầu của sự nghiệp khoa học của ông. Bài báo tiếp theo ở trang 40 [Physics Today, số tháng 4/2009] của Charles Misner, Kip Thorne, và Wojciech Zurek sẽ tiếp tục câu chuyện, điểm lại những thành tựu quan trọng trong những năm tháng sau này của cuộc đời ông.

Tôi phải nhận xét ngay từ đầu rằng sự nghiệp vật lí của Wheeler không thể tách rời với sự nghiệp giảng dạy và học thuật của ông. Ông đã từng phát biểu quả quyết: “Nếu anh muốn học cái gì thì tôi dạy cái nấy!”. Có trên một trăm nhà vật lí đã hàm ơn ông, tình yêu vật lí của họ, và có lẽ rất nhiều thành tựu khoa học của họ là nhờ sự chỉ dẫn trực tiếp của ông lúc họ mới vào nghề. Tôi là một trong số những đó, cả Misner, Thorne và Zurek cũng vậy. Và ngoài những cá nhân đó, còn có hàng nghìn người hay nhiều hơn, theo năm tháng, đã được truyền cảm ứng từ những lớp học do ông giảng dạy.

"Mọi thứ đều là hạt"

Khi Wheeler lấy bằng tiến sĩ từ trường Đại học Johns Hopkins năm 1933, ông vẫn chưa tròn 22 tuổi. Trong luận án của ông, do Karl Herzfeld hướng dẫn, ông đã sử dụng cơ học lượng tử hãy còn tương đối mới mẻ để nghiên cứu sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng bởi nguyên tử helium. Trong quá trình đó, ông đã có được cảm giác yêu thích lâu dài đối với các quan hệ tán sắc.

Với một suất học bổng của Hội đồng Nghiên cứu quốc gia (NRC) trong tay, ông đã xem xét, nhưng rồi từ chối, thực hiện một năm hậu tiến sĩ với J. Robert Oppenheimer lúc ấy 30 tuổi. Có cái gì đó về Oppenheimer khiến Wheeler lo ngại – điều đó được khắc phục bởi những tiếp xúc thường xuyên của họ trong những thập niên sau này. Như Wheeler sau này đã đưa nó vào trong quyển tự truyện của ông: “Ông ấy không mang vẻ khiêm tố hay cảm giác phi thường hoặc khó hiểu”.

Thay vì thế, Wheeler đã chọn làm việc với Gregory Breit 33 tuổi tại Đại học New York. “Giống như tôi’, Wheeler sau này viết về Breit, “ông ta thường hoang mang và không e ngại thể hiện sự hoang mang đó ra bên ngoài”. Cùng với Breit, Wheeler đã học được cái sau này gọi là “lí thuyết cặp” (lí thuyết lượng tử của electron, positron và photon), và cùng nhau họ đã tính được tiết diện cho sự tán xạ ánh sáng bởi ánh sáng, một quá trình chưa rõ trong vật lí cổ điển. Mãi đến năm 1997, với sự có mặt của laser công suất cao, quá trình đó mới được người ta quan sát thấy. Thật may mắn cho sự truyền thông không dây lan tỏa khắp nơi hiện nay là các photon phần lớn bỏ qua nhau.

Với một suất học bổng NRC mới, Wheeler quyết định trải qua năm nghiên cứu hậu tiến sĩ thứ hai của mình với Niels Bohr ở Copenhagen. Đó dường như là một năm chủ yếu học tập và củng cố dành cho ông. Wheeler, như ở hình 1, và một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ khác, Milton Plesset, đã cùng đứng tên ba bài báo trong năm đó, viết về những khía cạnh khác về các tương tác của tia gamma với nguyên tử nặng. Một trong những bài báo đó vẫn nằm trên giá, mãi mãi như nó như thế, vì Bohr thấy nó đơn thuần chỉ là “lí thú”. Một bài báo khác bị gạt ra rìa vì nó đòi hỏi nhiều phép tính hơn những gì mà các giả của nó có thể hoàn thiện. Bài báo thứ ba, về sự tạo cặp bởi sự tán xạ phi đàn hồi của các tia gamma, thì được xuất bản thật sự.

Sự phủ quyết triệt để của Bohr không hề làm giảm đi chút nào lòng thán phục và sự ảnh hưởng to lớn mà Wheeler dành cho Bohr. Wheeler tiếp tục xem ông là một trong những vị tiền bối đáng kính nhất. Thậm chí còn có một số bằng chứng cho rằng, trong những năm sau này, phản ứng im lặng của Wheeler trước việc người học trò của ông, Hugh Everett, đưa ra cái sau này gọi là cách hiểu “đa thế giới” của cơ học lượng tử, đã được định hình bởi mối quan tâm của ông về cái mà Bohr đã nghĩ tới. Trong những năm tháng sau này của Wheeler tại Đại học Princeton, ông đã trưng bày chân dung của đúng hai con người trên tường phòng làm việc của ông, Bohr và Johannes Kepler. Trước đấy, tại Đại học Texas, Charles Darwin và Abraham Licoln đã có vị trí trang trọng trong phòng làm việc của ông.

Ngay sau khi từ Copenhagen trở về, tháng 6 năm 1935, Wheeler đã cưới Janette Hegner, người ông đã đính hôn một năm trước đó. Họ chuyển đến Chapel Hill, nơi Wheeler là giảng viên của trường Đại học Bắc Carolina trong ba năm tiếp theo. Hai người con đầu tiên của họ, Letitia và James, ra đời ở Bắc Carolina năm 1936 và 1938.

Hình 2. Trích từ bài báo 1939 của John Wheeler và Niels Bohr về lí thuyết phân hạch hạt nhân9, biểu đồ này ngụ ý một kết luận quan trọng mà các tác giả đã không nêu ra. Trục thẳng đứng đánh dấu năng lượng ngưỡng ước tính E_f mà một neutron bị bắt phải cung cấp để gây ra sự phân hạch. Trục nằm ngang biểu diễn x là bình phương của điện tích hạt nhân Z chia cho số khối A (tính luôn neutron bị bắt), chia cho giới hạn bền của thương số đó. Đối với hạt nhân giả thuyết khi ấy ²³⁹94, ngày nay gọi là plutonium, x bằng 0,770, lớn hơn thấy rõ so với giá trị đối với uranium-235. Cho nên năng lượng ngưỡng phân hạch của nó ngụ ý bởi đường cong lí thuyết trong hình bên sẽ nhỏ hơn năng lượng ngưỡng phân hạch của U-235, đồng vị hiếm mà các tác giả quy cho sự phân hạch quan sát thấy gần đấy.

Sở thích của Wheeler lúc ấy là tập trung vào các lực hạt nhân và cấu trúc hạt nhân, đơn giản vì ông xem những đề tài ấy là trọng tâm của vật lí học cơ bản thời kì đó. Có lẽ bài báo nổi tiếng nhất của ông tại Bắc Carolina là nói về cái ông gọi là cấu trúc nhóm cộng hưởng trong hạt nhân, tiền thân của nghiên cứu sau này hợp nhất các mặt hạt đơn và chung của cấu trúc hạt nhân. Chính trong bài báo này ông đã đưa ra ma trận S (S là viết tắt của “scaterring” – tán xạ). Thật thú vị, nghiên cứu sinh đầu tiên của Wheeler là một phụ nữ, Katharine Way, người đã tiếp tục một sự nghiệp quan trọng trong ngành vật lí hạt nhân.

Trong thời kì đó, Wheeler hợp tác với Edward Teller, khi ấy tại Đại học George Washington, viết một bài báo về các trạng thái quay của hạt nhân, có lẽ là nghiên cứu đầu tiên được xuất bản về đề tài đó. Chuyển động quay hạt nhân sau này trở thành một phần quan trọng của mô hình “tập thể” của hạt nhân. Wheeler đã gặp Teller ở Copenhagen (ai mà chẳng ở Copenhagen?) và họ đã kết giao một tình bằng hữu lâu dài. Như người ta biết, họ có chung quan điểm về các vấn đề quốc phòng và ranh giới giữa chính trị và khoa học. Họ viết chung những bài báo không riêng trong lĩnh vực vật lí thuần túy, mà còn hợp tác trong những nghiên cứu khác liên quan đến nghiên cứu quốc phòng.

(còn tiếp phần 2)

HiepKhachQuay dịch (theo Physics Today, tháng 4/2009)
Bạn có thể download trọn vẹn bài viết này tại đây.