ALEXI ASSMUS
Việc khám phá ra tia X vào năm 1895 là sự khởi đầu của một sự thay đổi mang tính cách mạng trong nhận thức của chúng ta về thế giới vật chất.
Vào mùa đông năm sinh nhật thứ 50 của mình, và một năm sau khi được bổ nhiệm vào vị trí lãnh đạo tại trường đại học Würzburg, Wilhelm Conrad Roentgen để ý thấy một màn ảnh barium platinocyanide phát huỳnh quang trong phòng thí nghiệm của ông khi ông dùng ống Crookes tạo ra tia cathode cách đó không bao xa. Tạm gác qua một bên trách nhiệm của ông đối với trường đại học và các sinh viên, ngài hiệu trưởng Roentgen dành trọn sáu tuần sau đó trong phòng thí nghiệm của ông, tự mình nghiên cứu, không chia sẻ bất cứ điều gì với đồng nghiệp hết.
Ba ngày trước Giáng sinh, ông đã đưa vợ đến phòng thí nghiệm, và thực hiện bức ảnh chụp lịch sử thể hiện xương bàn tay và chiếc nhẫn đeo trên ngón tay của vợ ông. Hội Vật lí Y khoa Würzburg là nơi đầu tiên nghe báo cáo về các tia mới có khả năng đâm xuyên qua cơ thể và chụp ảnh xương người. Roentgen chính thức công bố kết quả vào ngày 28 tháng 12 năm 1895. Emil Warburg tường thuật lại kết quả đó trước Hội Vật lí Berlin vào hôm 4 tháng 1. Ngày hôm sau, tờ báo Wiener đăng tin, và hôm sau nữa thì tin tức về khám phá của Roentgen bắt đầu lan tỏa khắp thế giới qua con đường điện báo.
Ngày 13 tháng 1, Roentgen trình diện Kaiser và được thưởng Huân chương Hoàng gia Phổ, Hạng nhì. Và vào ngày 16 tháng 1, tờ New York Times công bố khám phá trên là một dạng nhiếp ảnh mới, chụp ảnh các vật rắn chứa tiềm ẩn bên trong, đâm xuyên qua gỗ, giấy, da thịt, và làm hiện ra giàn khung của bộ xương người. “Những người làm khoa học trong thành phố này đang hết sức nóng lòng chờ đợi sự xuất hiện của các tạp chí chuyên ngành bằng tiếng Anh cung cấp đầy đủ các chi tiết về khám phá của giáo sư Roentgen về phương pháp chụp ảnh các vật không trong suốt”. Tờ New York Times mở đầu như vậy, và tờ báo kết luận với việc dự đoán “sự chuyển mình của khoa phẫu thuật hiện đại bởi sự cho phép nhà phẫu thuật phát hiện ra sự có mặt của những vật thể ngoại lai” (số ngày 16/01/1896, trang 9).
Wilhelm Conrad Roentgen (1845–1923). (Ảnh: AIP Emilio Segré Visual Archives)
Công chúng đã bị mê hoặc trước phương pháp chụp ảnh mới này và họ tò mò muốn biết bản chất của các tia mới phát hiện đó. Các bác sĩ đưa nó vào ứng dụng ngay tức thời. Các nhà vật lí thì đứng ngồi không yên và cố gắng tìm hiểu nó. Khám phá ra tia X là thành tựu đầu tiên trong ba khám phá làm thức tỉnh cả cộng đồng khoa học đa ngành, đa lĩnh vực, khép lại những trang sách với những phép đo ngày một chính xác hơn, tự chấm dứt những cuộc tranh cãi về cơ học thống kê, hay cố gắng lí giải mọi hiện tượng vật lí bằng những thăng giáng chính xác về mặt toán học của ê te. Cả ba khám phá, tia X, tia uranium, và electron, là thành tựu phát sinh từ một trong những truyền thống thực nghiệm chủ đạo trong nửa sau thế kỉ 19, đó là nghiên cứu sự phóng điện trong chất khí. Cả ba khám phá đã góp phần làm chuyển biến sâu sắc đối với nền vật lí học. Trong thế kỉ thứ 20, ngành vật lí tập trung vào nghiên cứu các hạt sơ cấp.
Giống như với trường hợp phát minh ra bóng đèn nóng sáng, việc nghiên cứu sự phóng điện qua chất khí được thực hiện nhờ sự phát triển của công nghệ chân không cải tiến trong thập niên 1850. Ngay từ đầu, các nhà khoa học nói tiếng Anh đã nghiên cứu các miền sáng tối xuất hiện trong các ống thủy tinh-chì hàn kín. Các miền sáng tối trong những ống hút chân không một phần này được kích thích bởi một điện áp đặt vào giữa cathode và anode: thường là có một không gian tối, gọi là vùng tối Crookes; rồi một vùng sáng, gọi là ánh sáng âm cực; sau đó là một vùng tối nữa, gọi là vùng tối Faraday; và cuối cùng là một vùng sáng dương cực. Nếu như không khí trong ống được hút ra cho đến khi vùng tối thứ nhất mở rộng ra chiếm đầy ống và toàn bộ các vùng sáng biến mất, thì các tia phát ra từ cathode có thể nghiên cứu được. Các tia đó tạo ra bóng đổ, bị lệch bởi từ trường, nhưng có vẻ không bị tác động bởi các lực tĩnh điện.
Các dạng ống mà Roentgen sử dụng trong năm 1895-1896 để tạo ra tia X. (Ảnh: Bảo tàng Đức, Munich)
Thiết bị Roentgen sử dụng để nghiên cứu sự ion hóa không khí bởi tia X, 1906. (Ảnh: Bảo tàng Đức, Munich)
Khi đặc trưng của nền vật lí tia mới xuất hiện – nền vật lí của tia cathode, tia X, tia alpha, tia beta, tia gamma, và tia N – bản chất của tia cathode đang gây tranh cãi, các nhà khoa học Anh thì nghiêng về các dòng hạt, còn các nhà khoa học ở châu Âu lục địa thì thích nghĩ chúng là một số dạng nhiễu loạn của ê te. (Vai trò của Anh quốc, và chương trình do J.J. Thomson phát triển tại Phòng thí nghiệm Cavendish để nghiên cứu sự ion hóa trong chất khí, sẽ mang lại việc khám phá ra electron. Nhưng câu chuyện của chúng tôi không đi theo lối này).
Một lí do thuyết phục để tin rằng tia cathode là hạt là việc quan sát thấy chúng không đi qua vật chất trong suốt đối với ánh sáng tử ngoại. Khi Heinrich Hertz nhận thấy ông có thể cho các tia ấy đi qua các lá kim loại, thì một nhà khoa học người Đức, Phillip Lenard, bắt đầu nghiên cứu chúng một cách thận trọng. Lenard đã thiết kế ra một cái ống với một cửa sổ nhôm mỏng qua đó các tia có thể ló ra, và ông đo xem chúng có thể truyền đi bao xa và vẫn gây ra sự huỳnh quang. Xác định theo phương pháp này, tầm với của tia cathode là 6 đến 8 cm. Các thí nghiệm của Lenard đã truyền cảm hứng cho Roentgen tự hỏi không biết các tia ấy ở một dạng suy yếu có thật sự truyền đi nhanh hơn, và ông đã lập các kế hoạch thí nghiệm để xem một điện nghiệm nhạy có đo được sự phóng điện ở khoảng cách gấp bốn lần khoảng cách mà Lenard đã nhận ra hay không.
Hướng nghiên cứu này nằm ngoài các mục tiêu nghiên cứu thông thường của Roentgen, nhưng nó đã mang lại cho ông địa vị quan trọng trong ngành khoa học Đức. Là con trai của nhà sản xuất và buôn bán vải vóc ở tỉnh Rhine, thời trẻ Roentgen chẳng phải là chàng sinh viên cần mẫn gì cho lắm. Cuối cùng, ông mới tìm được đường vào trường Bách khoa ở Zurich, nơi ông lấy bằng cơ kĩ thuật vào năm 1868 và năm sau đó thì làm nghiên cứu sinh. Ở Zurich, ông làm phụ tá cho August Kundt và theo ông này chuyển đến trường Đại học Würzburg, rồi sau đó đến Viện Vật lí tại Strasbourg. Chức vụ đầu tiên của ông là trưởng khoa vật lí tại Geissen ở Hesse vào năm 1879, từ đó ông nhận được nhiều lời mời đi khắp nơi. Con đường thăng tiến trong hệ thống trường đại học ở Đức là đi theo lời mời đến những trường đại học có danh tiếng ngày một cao hơn, và cuối cùng lập ra một hội sở của riêng mình. Roentgen đã từ chối các lời mời cho đến khi trường Đại học Würzburg mời ông làm giám đốc Viện Vật lí của họ. Năm 1894, ông được bầu làm hiệu trưởng tại Würzburg. Trong lễ nhậm chức của mình, một năm trước khi ông khám phá ra tia X, Roentgen phát biểu rằng “trường đại học là một cái nôi của nghiên cứu khoa học và giáo dục trí tuệ”, và ông lưu ý rằng “việc tự hào với công việc của một người là cần thiết, nhưng không nên tự cao, hoa mĩ, hay kiêu ngạo, tất cả những cái này phát sinh từ chủ nghĩa cá nhân hẹp hòi”.
Joseph John Thomson, 1856–1940. (Ảnh: AIP Niels Bohr Library)
Niềm tự hào của Roentgen có thể tìm thấy trong bốn mươi trang giấy ông công bố từ Strasbourg, Giessen, và Würzburg. Những đam mê buổi đầu này của ông bao quát phạm vi khá rộng – tinh thể học, hiện tượng áp điện và hiện tượng hỏa điện, cùng các tác dụng của áp suất lên chất lỏng và chất rắn – nhưng chưa kể đến sự phóng điện trong chất khí. Ông đã chuyển hướng chú ý sang đo các tỉ số nhiệt đặc biệt của các chất khí, sử dụng một nhiệt kế nhạy do ông tự chế tạo. Ông là một nhà thực nghiệm chính xác thường tự mình chế tạo thiết bị - một kĩ năng ông học được trong những năm tháng được đào tạo thành kĩ sư ở Zurich – và ông có thể đo lấy những hiệu ứng cực kì nhỏ, qua mặt cả các phép đo của Faraday về sự quay của ánh sáng phân cực trong chất khí.
