1941 – 1950

Vật lí học trong thời kì chiến tranh

Khi thập kỉ thứ năm của thế kỉ 20 mở màn, cỗ máy quân sự Đức đã xâm chiếm phần lớn lục địa châu Âu, và quân Nhật đang khẳng định sự thống trị của họ ở châu Á và Thái Bình Dương. Trong số những quốc gia quân sự hùng mạnh nhất thế giới, duy chỉ có Hoa Kì vẫn chính thức trung lập, mặc dù rõ ràng chính phủ nước này ủng hộ sự bành trướng của quân Đức và quân Nhật. Ngày 8 tháng 12, 1941, một ngày sau sự kiện Nhật tấn công căn cứ quân sự Mĩ tại Trân Châu Cảng, Hawaii, nước Mĩ đã tham chiến với Nhật, động thái tự nhiên đưa đến sự liên minh với Pháp, Anh và Liên Xô, chống lại nước Đức và khối liên minh của nó. Mâu thuẫn đã phát triển thành Thế chiến thứ hai, và nó không chỉ làm thay đổi cuộc sống của các nhà vật lí, mà còn làm thay đổi nền văn hóa khoa học của họ.

Nhu cầu công nghệ thời chiến đã chi phối nghiên cứu khoa học và tăng cường thêm xu thế đang xuất hiện hướng đến những chương trình “khoa học lớn”, tốn kém đòi hỏi những đội khoa học đông đúc, hợp tác để xây dựng những thiết bị cỡ lớn như cyclotron và lò phản ứng hạt nhân. Cho dù không có chiến tranh chăng nữa, thì nền văn hóa bánh xe tự do của nước Mĩ vẫn thích hợp đối với xu thế này hơn so với các trường viện châu Âu nặng về kinh điển. Sự se duyên của vật lí và công nghệ trong thời chiến đã dẫn đến sự thống trị của nước Mĩ trong cả hai lĩnh vực trên xuyên suốt phần còn lại của thế kỉ 20. Vào cuối thập niên 1940, nước Mĩ dẫn đầu rõ ràng về công nghệ hạt nhân, nhờ vào sự phát triển bom thời chiến của nó dựa trên sự phân hạch hạt nhân (thường gọi là là bom nguyên tử). Kết thúc thập niên này, nước Mĩ đã có được những tiến bộ đáng kể hướng đến những thiết bị nhiệt hạch hạt nhân, hay bom khinh khí, mang lại nhiều năng lượng hơn hàng chục đến hàng trăm lần so với những thiết bị phân hạch của nó. Cho dù công nghệ Đức đã thống trị những lĩnh vực đó trước hoặc trong cuộc chiến, nhưng máy bay phản lực và tên lửa đã trở thành thế mạnh của nước Mĩ, một phần nhờ sự đầu hàng của những nhà khoa học tên lửa Quốc xã hàng đầu, phần lớn trong số họ đã được sắp xếp có cân nhắc để bị quân đội Mĩ bắt giữ, thay vì bị bắt giữ bởi đối thủ cạnh tranh toàn cầu đang xuất hiện của nước Mĩ, Liên Xô.

Một công nghệ thời chiến quan trọng nữa là radar, với những phát triển quan trọng cả ở Mĩ lẫn Anh quốc. Nhiều nhà sử học đánh giá công nghệ radar quan trọng hơn nhiều so với bất kì nỗ lực thời chiến nào khác cho dù là tên lửa hoặc bom. Sự dẫn đầu của nước Mĩ trong lĩnh vực này đã đưa đến sự thống trị trong ngành điện tử học trong những thập niên sau đó. Nhưng tập sách này nói về vật lí học chứ không phải công nghệ hay chính trị. Cho nên, dẫu biết tầm quan trọng của chính trị và công nghệ mang lại xu thế mới cho nghiên cứu vật lí giai đoạn 1941 – 50, nhưng tiêu điểm của tập sách vẫn là bản thân khoa học, trong đó có sự xuất hiện của một nhà vật lí trẻ đến từ Far Rockaway thuộc ngoại ô thành phố New York tên là Richard Feynman (1918–88), người không chỉ đóng góp cho nỗ lực thời chiến mà còn đặt nền tảng cho việc giải thích lại điện từ học theo các nguyên lí của thuyết lượng tử.

QED: Điện động lực học lượng tử

Đối với các nhà vật lí, việc nắm bắt tầm quan trọng của vũ trụ lượng tử không xuất hiện một cách dễ dàng. Giống như thuyết tương đối của Einstein trong những thập niên đầu của thế kỉ, thuyết lượng tử đang thách thức những bản năng của họ và những giả thuyết cơ sở của nền khoa học của họ. Tuy nhiên, bước sang đầu những năm 1940, sự thành công của lí thuyết mới ấy là không thể chối cãi được. Các nhà vật lí phải chấp nhận quan điểm lượng tử kì lạ nhưng thâm thúy về vũ trụ. Họ không còn có thể phân biệt rạch ròi giữa hạt và sóng được nữa. Họ phải chấp nhận những hạn chế cố hữu đặt lên tính chính xác của những phép đo vật lí và trên khả năng dự báo toán học về vũ trụ. Giống như một số người đã ưa thích chiếc đồng hồ vũ trụ quen thuộc hồi cuối thế kỉ 19, họ hiểu rằng nền khoa học của họ không còn đưa ra những quy luật sai khiến hành trạng của vũ trụ được nữa. Thay vào đó, người ta đang quan sát vũ trụ và suy luận ra những quy luật chi phối hành trạng của nó.

Một lí thuyết của thế kỉ 19 vẫn không được định hình lại trọn vẹn để tương thích với thực tại mới: đó là thuyết điện từ. Như đã lưu ý trong chương trước, một số nhà vật lí châu Âu lỗi lạc đã có một số tiến bộ hướng tới một lí thuyết điện động lực học lượng tử, hay QED, nhưng không ai trong số họ có thể hoàn thành công việc đó. QED rõ ràng là yêu cầu của một quan niệm đột phá. Những đổi mới kịch tính như thế trong tư duy khoa học hầu như luôn luôn phát sinh từ trí tuệ của những nhà khoa học trẻ tuổi nhất, vì họ không bị ràng buộc nhiều bởi những quan niệm cũ xưa. Điều đó chắc chắn đúng đối với nền vật lí thế kỉ 20. Einstein, Bohr, de Broglie, Pauli, Schrödinger, Heisenberg, Dirac, và nhiều nhà tiên phong khác của vật lí lượng tử đang ở trong độ tuổi đôi mươi khi họ thực hiện công trình sáng giá nhất của mình. Và hầu như trong mỗi trường hợp, sự đổi mới của họ xây dựng trên một cách nhìn mới vào một hiện tượng vật lí đã biết rõ. Cho nên chẳng có gì ngạc nhiên là một đột phá quan trọng xuất hiện trong năm 1942 ra đời từ nghiên cứu của Richard Feynman, một sinh viên vật lí chưa tốt nghiệp 24 tuổi tại trường Đại học Princeton.

Feynmann đã mang lại một phương pháp xử lí một đặc điểm toán học phiền toái trong những nỗ lực trước đó nhằm mô tả các hiệu ứng điện từ theo thuật ngữ lượng tử. Hệ phương trình Maxwell đã thống nhất thành công các lí thuyết điện học, từ học, và ánh sáng, nhưng những công thức thế kỉ 19 đó xây dựng trên giả thuyết rằng điện tích và năng lượng ánh sáng là những đại lượng liên tục, nghĩa là chúng có thể đo ra bất kì lượng bao nhiêu giống như chất lỏng. Những nghiên cứu thế kỉ 20 của vật lí hạ nguyên tử và quang phổ cho thấy giả thuyết đó không còn giá trị. Cả điện tích lẫn năng lượng ánh sáng đều xuất hiện thành từng bó lượng tử, giống như những hạt cát.

Các nhà vật lí áp dụng cơ học lượng tử và thuyết tương đối cho điện từ học đã thành công đáng kể - nhưng không hoàn toàn – trong việc mô tả các tính chất và hành trạng của electron. Rắc rối với những phép tính của họ không nằm ở các lí thuyết hay phương trình trên mà nằm ở mô hình toán học mô tả cách thức điện tích phân bố bên trong electron. Các phép tính ấy có một biểu thức toán học cho một đại lượng gọi là năng lượng tự thân của electron, năng lượng phát sinh từ điện tích của electron tương tác với trường điện từ riêng của nó. Năng lượng tự thân của electron phụ thuộc vào chi tiết cụ thể của mô hình phân bố điện tích của electron. Thật không may, khi những yêu cầu của thuyết tương đối được đưa vào mô hình đó, thì số hạng năng lượng tự thân luôn luôn vô hạn, làm cho các phép toán số trở nên vô nghĩa.

Quan điểm sâu sắc của Feynmann là sáng tạo ra một dạng thức mới của cơ học lượng tử. Phương pháp của ông không tập trung vào phương trình Schrödinger và Dirac, mà chú trọng vào những quá trình cơ sở khác có thể dẫn đến những sự kiện quan sát được. Thí dụ, hãy xét một electron chuyển động từ một điểm A ở thời điểm này đến điểm B ở thời điểm khác, làm thay đổi xung lượng của nó trong quá trình trên.  Sự chuyển tiếp đó có thể là do nhiều tương tác khác nhau với các photon. Quan điểm của Feynmann là tìm cách một cách cộng lại tất cả những tương tác có thể có, tạo ra cái các nhà vật lí gọi là biên độ xác suất của chuyển tiếp trên. Kĩ thuật này thay thế hàm sóng cơ lượng tử bằng tập hợp những giản đồ tương tác hạt, nhưng mang lại những xác suất chuyển tiếp giống như cũ.

Cũng đâu đó ở Princeton, Albert Einstein đặc biệt hài lòng khi ông biết được phương pháp mới ấy từ John Archibald Wheeler (1911– ), cố vấn nghiên cứu của Feynmann. Einstein thường chỉ trích mô tả cơ lượng tử của các hạt dưới dạng hàm sóng, vì nó buộc các nhà vật lí phải chấp nhận một mức độ ngẫu nhiên trong các định luật vật lí. “Chúa không chơi trò xúc xắc với vũ trụ đâu”, ông đã phát biểu như thế. Phương pháp của Feynmann cũng mang lại mức độ ngẫu nhiên tương tự như vậy trong các kết quả, nhưng nó thu về từ một tập hợp những tương tác có thể tiên đoán trước. Einstein bảo Wheeler, “Tôi vẫn không thể tin Chúa lại đi chơi xúc xắc, nhưng có lẽ tôi cũng có quyền phạm sai lầm chứ”.

Các giản đồ nổi tiếng của Feynmann đã tóm tắt mọi tương tác có thể có giữa electron và photon, và đã cho phép ông phát triển một lí thuyết đầy đủ của điện động lực học lượng tử.

Luận án của Feynmann không mang lại một lí thuyết QED hoàn chỉnh ngay tức thời, mà nó đặt nền tảng cho một lí thuyết hoàn chỉnh sau này trong thập niên 40, sau một thời gian gián đoạn đã làm chệch hướng chú ý của Feynmann sang một vấn đề cấp thiết hơn: phát triển bom nguyên tử. Sau chiến tranh, Feynmann trở thành giáo sư tại trường Đại học Feynmann, tại đó ông quay lại nghiên cứu về QED. Tại một hội nghị chỉ có khách mời mới được tham dự tổ chức tại một khu nghỉ dưỡng trên đảo Shelter, New York, vào mùa hè năm 1947, có 25 nhà vật lí hàng đầu tham dự, Willis Lamb (1913– ) ở trường Đại học Columbia đã trình bày kết quả của những phép đo rất thận trọng của ông về quang phổ của hydrogen nguyên tử (khác với hydrogen phân tử, là hỗn hợp của hai nguyên tử hydrogen liên kết với nhau). Các thí nghiệm của ông hé lộ một sự phân tách rất nhỏ của các vạch phổ do sự chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái lượng tử khác nhau. Sự chênh lệch này trở nên nổi tiếng là dịch chuyển Lamb và đã mang đến giải thưởng Nobel vật lí 1955 dành cho Lamb. Nó buộc các nhà vật lí xét lại thuyết lượng tử. Phương trình Dirac tiên đoán năng lượng của hai trạng thái đó sẽ chính xác bằng nhau. Bất kì sự chênh lệch nào, cho dù nhỏ bao nhiêu đi nữa, cũng hết sức quan trọng để tìm hiểu thế giới hạ nguyên tử.

Liệu có thể nào công trình mới nhất về QED giải thích được dịch chuyển Lamb hay không? Feynmann và những nhà vật lí khác tại hội nghị, trong đó có một người New York nữa cùng tuổi với Feynmann tên là Julian Schwinger (1918–94), có một số ý tưởng để triển khai thực hiện. Tại một cuộc họp Hội Vật lí Hoa Kì trong năm sau đó, và tại một hội nghị khách mời khác tổ chức ở Núi Pocono thuộc Pennsylvania, một lời giải thích toán học đã từ xuất hiện. Tại hội nghị Pocono, Schwinger, một giáo sư tại trường Đại học Columbia, đã thực hiện một bài thuyết trình tài giỏi gồm toàn toán học cao cấp. Toán học là thứ ngôn ngữ mà mọi người tham dự hội nghị đều hiểu, nhưng các phép tính quá phức tạp và chi tiết cho nên chỉ vài ba người có thể theo kịp ông trình bày cho đến lúc kết thúc. Tuy nhiên, họ công nhận rằng, phương pháp đổi mới của ông, gọi là tái chuẩn hóa, thật sự làm ẩn đi những vô hạn của các phép tính năng lượng tự thân và cho phép ông tính ra các mức năng lượng của hydrogen nguyên tử. Kết quả của ông tái tạo lại dịch chuyển Lamb. Giá như cơ sở toán học của ông ít phức tạp hơn và liên hệ rõ ràng hơn với các hiện tượng vật lí, thì cách tiếp cận của Schwinger với QED sẽ được chấp nhận rộng rãi.

Bài thuyết trình của Feynmann diễn ra sau đó. Phương pháp trực quan của ông có ưu điểm dễ thấy và rõ ràng trói buộc với những hiện tượng vật lí, nhưng với những nhà tư tưởng toán học ngồi trong ghế cử tọa, nó cứ như thể ông đang nói giọng nước ngoài. Ông suy luận ra các lời giải trực tiếp từ những giản đồ của ông mà không sử dụng phương trình nào hết. Cho nên, mặc dù ông cũng đi đến sự dịch chuyển Lamb từ lí thuyết của ông, nhưng cử tọa vẫn thích cách tiếp cận phức tạp hơn nhưng dễ ghi nhận của Schwinger hơn so với phương pháp đơn giản hơn nhưng kém quen thuộc hơn của Feynmann. Mọi người công nhận rằng cả Schwinger lẫn Feynmann đều có những tiến bộ đáng kể, nhưng chỉ có vài ba người thỏa mãn rằng một trong hai đã phát triển một lí thuyết hoạt động trọn vẹn của QED. Cần có cái nhìn của một ai đó không có mặt trong ghế cử tọa tại một hai hội nghị đưa hai lí thuyết lại với nhau.

Người đó là chàng trai trẻ người Anh Freeman Dyson (1923– ), người vào năm 1947 đã đến Mĩ từ trường Đại học Cambridge để nghiên cứu với Bethe tại Cornell. Một trong những cố vấn  Cambridge dày dạn kinh nghiệm của ông đã mô tả ông là “nhà toán học xuất sắc nhất ở Anh”, nên chẳng ai lấy làm lạ trước việc ông thích thú xử lí bài toán QED. Sau khi đọc những lưu ý của Wheeler từ những bài thuyết trình của Schwinger và Feynmann tại hội nghị Pocono, ông hăm hở tìm hiểu cả hai người họ. Ông ghi danh tham dự một seminar hè về QED mà Schwinger đang có kế hoạch tổ chức tại trường Đại học Michigan. Tại Cornell, ông có cơ hội nói chuyện với Feynmann, người trở thành người bạn thân thiết đồng thời là thầy của ông.

Khi mùa hè bắt đầu, Feynmann mời Dyson cùng ông chu du đến Albuquerque, New Mexico. Mục tiêu của Feynmann là theo đuổi một cô bạn gái và có một vài chuyến phiêu lưu trên hành trình ấy. (Chi tiết xem phần giới thiệu về Feynmann ở cuối chương) Dyson biết ông có một chút máu du lịch, nó thể hiện cao độ trong chương trình hè của ông, và có nhiều thời gian để khai thác trí tuệ của Feynmann về các giản đồ của ông và QED. Ông nhanh chóng đồng ý. Từ Albuquerque, ông đã đón xe buýt Greyhound đến Ann Arbor, Michigan, nhằm thưởng lãm cảnh đẹp và tham dự seminar của Schwinger.

Cả hai mục tiêu của chuyến đi đều phù hợp với cái Dyson đang hi vọng. Với đầu óc của ông đang chứa đầy các giản đồ Feynmann và các phương trình Schwinger về QED, ông cần có một kì nghỉ dưỡng. Ông lên tàu đi về phía tây Greyhound, trải qua một ít thời gian ở San Francisco và Berkeley, California, sau đó đi trở về miền đông. Ông không suy nghĩ gì nhiều về QED trong hai tuần, nhưng bất ngờ tại đâu đó ở Nebraska, ý tưởng chợt ập đến. Những hình vẽ của Feynmann và phương trình của Schwinger cùng ập đến trong tâm trí của ông. Ông nhận ra rằng cả hai phương pháp đều xây dựng trên những ý tưởng giống nhau, và ông nhìn thấy một phương thức kết hợp chúng thành một lí thuyết chính xác toán học của QED dựa trên những kiến thức sâu sắc đủ rõ ràng để thể hiện ở dạng giản đồ. Khi Dyson trình bày quan điểm của ông tại cuộc họp của Hội Vật lí Hoa Kì vào tháng 1 năm sau đó, 1949, ông đã trở thành một nhân vật tiếng tăm trong làng vật lí.

Schwinger, Feynman, và Dyson sớm tìm thấy sự chia sẻ tiếng tăm QED của họ với một nhà vật lí khác, Sin-Itiro Tomonaga (1906–79) của đất nước Nhật Bản. Trong khi Thế chiến thứ hai đã làm gián đoạn công trình của Feynmann, thì Tomonaga vẫn có thể tiếp tục công trình nghiên cứu của ông tại Riken Kenkyusho, Viện Nghiên cứu Vật lí và Hóa học ở Tokyo. Giám đốc Riken, Yoshio Nishina (1890–1951), người đã nghiên cứu ở châu Âu lúc cao trào của sự phát triển cơ học lượng tử, đã khuyến khích nghiên cứu của Tomonaga về QED và bảo vệ ông khỏi phải phục vụ quân dịch. Kết quả là một loạt bài báo đăng trên tạp chí tiếng Nhật có tên dịch ra là “Tiến bộ về vật lí lí thuyết”. Những ấn phẩm đó đã đặt ra chính những ý tưởng cho QED mà Schwinger đã dùng làm cơ sở cho cách tiếp cận toán học chi tiết của ông. Đó là vào năm 1943, 4 năm trước khám phá quan trọng của Lamb và 5 năm trước ấn phẩm của Schwinger. Vì lí do chiến tranh, công trình của Tomonaga vẫn không được biết đến ở bên ngoài nước Nhật. Ông thậm chí còn không nhận ra tầm quan trọng của nó mãi cho đến khi ông đọc được công trình của Lamb trên tạp chí Newsweek năm 1948. Lúc ấy, ông đã liên hệ với J. Robert Oppenheimer (1904–67), người đã đưa đến những nỗ lực khoa học của dự án bom nguyên tử Mĩ. Oppenheimer đề nghị Tomonaga đệ trình một bản tóm tắt cho tờ Physical Review, tạp chí mang công trình của ông vào sự chú ý của các nhà khoa học người Mĩ.

Tomonaga được mời làm khách trong hội nghị khách mời tiếp theo về QED vào năm 1949, và năm 1965, ông cùng nhận giải Nobel vật lí với Schwinger và Feynman. Vì không thể có hơn ba người cùng nhận một giải thưởng Nobel, cho nên bất chấp những đóng góp quan trọng của ông cho QED, tên tuổi của Dyson không được nhắc đến trong giải thưởng.

(Còn tiếp nhiều kì...)