Những con số làm nên vũ trụ - Phần 50

Sự thành tựu của thuyết lượng tử

Như chúng ta đã thấy, phải mất một khoảng thời gian đáng kể thì tầm quan trọng của thuyết lượng tử mới được đánh giá đầy đủ. Thật vậy, cái khá bất ngờ là lí thuyết hấp dẫn của Newton – lí thuyết ra đời vào thế kỉ 17, với không có dạng truyền thông nào ngoài người-sang-người, thư từ, hay sách vở và tạp chí- lại được tiêu hóa thành một nền tảng khoa học nhanh hơn nhiều so với lí thuyết của Planck, khi mà chúng ta đã có các phương tiện truyền thông gần nhanh như ánh sáng.

Cho đến “năm thần kì” 1905 của Einstein thì các nhà vật lí mới bắt đầu nhận ra rằng giả thuyết lượng tử của Planck không chỉ dừng lại là một thủ thuật toán học mà thôi. Vào năm đó, Einstein công bố ba bài báo nổi tiếng, bài báo thứ nhất xử lí vấn đề hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện lần đầu tiên được quan sát thấy bởi Heinrich Hertz, người khám phá ra sóng vô tuyến, nhưng nó được phân tích chính xác hơn bởi Philipp Lenard vào năm 1902. Lenard phát hiện thấy việc chiếu ánh sáng lên những kim loại nhất định làm sản sinh ra dòng điện. Lenard đã so sánh năng lượng của các electron trong dòng điện sinh ra từ hai nguồn sáng khác nhau, một đèn hồ quang thiếc và một đèn hồ quang carbon. Mặc dù ánh sáng từ cả hai nguồn đều là hỗn hợp ánh sáng ở những tần số khác nhau, nhưng tần số át trội từ đèn hồ quang carbon cao hơn tần số át trội từ đèn hồ quang thiếc – và động năng trung bình tạo ra bởi ánh sáng từ đèn hồ quang carbon cao hơn động năng trung bình của ánh sáng từ đèn hồ quang thiếc.

Người ta có thể nghĩ rằng nếu như tăng công suất của đèn, thì năng lượng của những electron được tạo ra cũng sẽ tăng lên. Tuy nhiên, Lenard đã chứng minh rằng kết luận trực giác này không đúng, và năng lượng trung bình của các electron phụ thuộc vào tần số của ánh sáng dùng để tạo ra chúng. Với kết quả gây bất ngờ này Lenard được trao Giải Nobel năm 1905, cùng năm Einstein sử dụng giả thuyết lượng tử của Planck để giải thích nó. Cần một lượng năng lượng nhất định để giải phóng một electron ra khỏi các nguyên tử kim loại. Nếu tần số của ánh sáng tới sao cho hn (năng lượng của ánh sáng đó) nhỏ hơn năng lượng cần thiết để giải phóng một electron, thì sẽ không có dòng điện. Ý tưởng ở đây có phần na ná như một ngưỡng cần thiết ví dụ như nhiệt độ nóng chảy. Một cái hồ bơi chứa đầy nước sôi ở 373 kelvin có đủ nhiệt lượng để làm tan chảy sắt. Tuy nhiên, nếu bạn dìm một miếng sắt vào trong hồ thì không có gì xảy ra hết. Đó bởi vì nhiệt ở trong nước không có sẵn ở một nhiệt độ cao thỏa đáng. Einstein đã giành giải Nobel cho việc đã nhận ra rằng hiệu ứng quang điện, với sự hỗ trợ của giả thuyết lượng tử của Planck, có thể giải thích bằng một hiệu ứng ngưỡng giống như vậy. Trong trường hợp những ai không chú ý đến cơ sở toán học trong bài báo, Einstein giải thích nó rõ ràng. “Bức xạ đơn sắc,” ông viết, “… hành xử ở phương diện nhiệt động lực học như thể nó gồm những lượng tử năng lượng độc lập lẫn nhau có độ lớn hn.”

Những xác nhận khác xuất hiện sau đó. Vào năm 1913, nhà vật lí người Đan Mạch Niels Bohr đề xuất một mô hình mới của nguyên tử. Năng lượng của một nguyên tử thường có một giá trị nhất định, cái Bohr mô tả là trạng thái cơ bản của nguyên tử đó. Nguyên tử có thể hấp thụ những photon có năng lượng nhất định; sự hấp thụ như vậy sẽ làm tăng năng lượng của nguyên tử đó – nhưng một lần nữa, chỉ tăng những lượng nhất định. Như vậy sẽ đưa nguyên tử sang một trạng thái kích thích. Ở một trong những trạng thái kích thích này, nguyên tử có thể phát ra những photon chỉ có những năng lượng nhất định – tương ứng với những tần số nhất định qua công thức Planck E = hn. Những tần số nhất định có nghĩa là những màu sắc nhất định; và mô hình nguyên tử của Bohr giải thích màu sắc trong quang phổ của những nguyên tử khác nhau. Giống hệt như Wien đã phát triển một công thức theo lối kinh nghiệm cho cường độ bức xạ mà công thức Planck giải thích, mô hình nguyên tử của Bohr đã giải thích một công thức theo lối kinh nghiệm cho các vạch phổ trong quang phổ của nguyên tử hydrogen mà nhà vật lí Johann Balmer đã phát triển.

Sau này Einstein từng viết, “Khám phá này đã trở thành cơ sở của mọi nền vật lí thế kỉ 20 và gần như tác động toàn bộ đến sự phát triển của nó kể từ đó.” Ông viết những lời này trong một chương mang tựa đề “Nhớ Max Planck” hàng thập kỉ sau những năm 1920 và 1930, lúc giả thuyết lượng tử của Planck đã hoàn toàn làm thay đổi quan điểm của chúng ta về vũ trụ, trong đó có bản chất lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng và electron; tính không thể xác định vị trí và xung lượng của một hạt đến một mức độ cao tùy ý; và sự vướng víu của những trạng thái lượng tử của các hạt, theo đó việc đo một hạt ảnh hưởng đến trạng thái của hạt kia.

Những tính chất này lạ lẫm đến mức gần như một thế kỉ sau đó, những lời giải thích mà chúng nói về vũ trụ vẫn chưa mang lại sự thỏa mãn hoàn toàn cho toàn thể cộng đồng vật lí. Có nhiều quyển sách viết về những hiện tượng này giống như có nhiều phân tích hết phần này sang phần khác của bộ phim truyền hình Lost (Thất lạc). Tôi khuyên bạn nên đọc một hoặc hai – hoặc nhiều hơn – trong số chúng (các quyển sách, không phải các phân tích không tiền khoáng hậu kia). Như nhà thiên văn học người Anh, ngài Arthur Eddington từng viết, “Không những vũ trụ lạ lùng hơn chúng ta tưởng tượng, mà nó còn lạ hơn cái chúng ta có thể tưởng tượng.” Nó còn lạ hơn cả Lost.