Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Phần 25

Thuyết tương đối, spin, phân rã beta, và các hạt đã tiên đoán

Khi Schrödinger phát triển phương trình sóng của ông, ông đã bắt đầu với mối liên hệ toán học giữa năng lượng và xung lượng phát sinh từ các định luật chuyển động của Newton. Mặc dù lí thuyết tỏ ra thành công, nhưng các nhà vật lí nhận thấy nó cần phải được sửa đổi vì những lí do mà Einstein đã phải phát biểu lại các định luật Newton trong lí thuyết tương đối của ông. Hơn nữa, phương trình Schrödinger, khi áp dụng cho các electron, biểu diễn chuyển động quỹ đạo của chúng, tương ứng với các số lượng tử n, k và m, nhưng nó không nói vì về spin.

            Các nhà vật lí lí thuyết tự hỏi không biết hai thiếu sót đó có liên hệ với nhau không, và vào năm 1928, nhà vật lí người Anh Paul A. M. Dirac (1902–84) đã đi tới một phương trình sóng tương đối tính cho thấy chúng có liên quan với nhau. Mặc dù Dirac không bao gộp spin vào trong những tính toán của ông, nhưng phương trình của ông, khi áp dụng cho một electron trong từ trường, tiên đoán spin sẽ tồn tại – kết quả khiến người ta rất hài lòng. Nhưng đó không phải là tiên đoán duy nhất của nó. Mỗi hàm sóng thỏa mãn công thức Dirac là bốn chiều thay vì ba chiều, kết hợp không gian và thời gian thành không-thời gian giống như thuyết tương đối rộng đã làm. Ngoài ra, mỗi nghiệm hàm sóng ghép với nghiệm khác cũng thỏa mãn phương trình Dirac. Nghiệm thứ hai biểu diễn một hạt giống hệt với hạt thứ nhất nhưng mang điện tích ngược lại. Ngày nay, chúng ta gọi những hạt ấy là phản vật chất.

            Dirac, giống như đa số các nhà vật lí, phản ứng trước tiên đoán kì lạ này bằng cách gọi nó là một kì dị toán học chẳng có gì để làm với vũ trụ thực. Ông đã sai! Dẫn giải của ông hóa ra giống một cách kì lạ với phản ứng của Max Planck trước phát minh toán học của ông về lượng tử ánh sáng vào năm 1900. Năm năm sau phát minh ra lượng tử bằng toán học của Planck, Einstein đã hiện thực hóa rằng lượng tử ánh sáng là có thực và đã được phát hiện ra trong hiệu ứng quang điện. Tương tự, như chương tiếp theo lưu ý, hạt phản vật chất đầu tiên, phản electron tích điện dương (hay positron), được phát hiện ra vào năm 1932, 4 năm sau khi Dirac phát triển phương trình của ông. Năm sau đó, ông và Schrödinger cùng nhận Giải Nobel Vật lí.

            Trước khi thập niên thứ ba của thế kỉ mới kết thúc, Pauli còn tiên đoán một hạt hạ nguyên tử chưa được phát hiện ra. Trong trường hợp của ông, nó không xuất phát từ một kì dị toán học, mà từ sức tưởng tượng lắc léo của ông. Điều đó thường xảy ra trong vật lí học, nơi sự ngụy biện và tính độc đáo thường đi song hành với nhau, đặc biệt khi các kết quả thực nghiệm đòi hỏi một phương pháp mới nhìn nhận thế giới vật chất. Trong trường hợp này, các thí nghiệm là nghiên cứu năng lượng mà các hạt beta phát ra từ các chất phóng xạ. Khi một chất phóng xạ nhất định phát ra những hạt alpha, chúng đều mang năng lượng như nhau. Năng lượng như nhau cũng đúng với các tia gamma. Nhưng phân rã beta thì khác: Các hạt phát ra có một ngưỡng năng lượng từ gần bằng không cho đến một giá trị cực đại.

            Vì định luật bảo toàn năng lượng đã được xác lập quá tốt, nên các nhà vật lí nhận thấy năng lượng của bức xạ phát ra phải tương ứng với sự thay đổi khối lượng của hạt nhân phóng xạ. Hạt nhân tự biến đổi trong khi phát xạ, bắt đầu là một đồng vị với một khối lượng nhất định và kết thúc là một đồng vị khác với khối lượng nhỏ hơn, và khối lượng thất thoát thể hiện năng lượng của bức xạ phát ra.

            Vậy thì tại sao năng lượng của toàn bộ những hạt beta phát ra lại không bằng nhau? Pauli đi đến cái ông gọi là “phương thuốc tuyệt vọng” trong một lá thư ông gửi tới những người tham dự một hội nghị năm 1930 ở Tübingen, Đức. Ông viết thư vì ông không thể tham dự cuộc họp, nhưng ông muốn trình bày quan điểm của mình. Giả thuyết của ông là trong phân rã beta, hạt nhân phân tách thành ba phần, chứ không phải hai phần, nhưng mảnh thứ ba chưa được phát hiện ra. Hạt chưa phát hiện ra đó phải trung hòa điện và có khối lượng rất nhỏ. Hơn nữa, vì cơ học lượng tử đưa các nhà vật lí đến với những định luật bảo toàn mới, trong đó có sự bảo toàn spin, nên hạt chưa biết phải mang spin ½. Cuối cùng, nó phải dễ dàng đi xuyên qua vật chất với các tương tác hiếm khi xảy ra nên chưa từng được trông thấy. Trong lá thư của ông, Pauli thừa nhận “Hiện tại, tôi chưa đủ tin tưởng bản thân mình để công bố bất cứ điều gì về quan điểm này”, nhưng ông nghĩ những người tại hội nghị có thể đi tới một phương pháp phát hiện ra những hạt trung hòa, nhỏ xíu này mà ông gọi là “neutron”. (Hạt neutron nặng hơn nhiều mà Rutherford tiên đoán vẫn chưa được phát hiện ra, cho nên cái tên vẫn không đòi hỏi một hạt hạ nguyên tử đã biết nào) Đó là một đề xuất đầy khêu gợi sẽ sản sinh nhiều thành quả trong thập niên tiếp theo – nhưng khi đó hạt chưa biết trên sẽ có một cái tên khác, đó là neutrino.

Cách tiếp cận ma trận của Werner Heisenberg với cơ học lượng tử bổ sung cho phương trình Schrödinger và dẫn đến nguyên lí bất định nổi tiếng mang tên ông. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archive)

Vật lí hạ nguyên tử

            Mặc dù sự nở rộ của cơ học lượng tử đã áp đảo nền vật lí học trong thập niên 1920, nhưng nghiên cứu quan trọng cũng đang diễn ra trong những lĩnh vực khác. Phòng thí nghiệm Cavendish ở trường đại học Cambridge, dưới sự chỉ đạo của Rutherford, tiếp tục vai trò hàng đầu của nó trong nghiên cứu các hiện tượng hạ nguyên tử. Đặc biệt, các nhà khoa học Cavendish đã cải tiến thiết bị và kĩ thuật quan sát đường đi của các tia phóng xạ và những hạt hạ nguyên tử khác. Phòng thí nghiệm trên đã dẫn đầu những kĩ thuật đó ít nhất là từ năm 1911, khi Charles T. R. Wilson (1869–1959) phát triển buồng mây đầu tiên. Ông xây dựng nó dựa trên một khám phá ông đã thực hiện trong một dự án khí tượng học hồi cuối những năm 1890. Ông muốn tìm hiểu cách thức những giọt nước hình thành trong khí quyển, nên ông đã chế tạo một cái buồng chứa đầy không khí rất ẩm, sau đó làm cho nó lạnh đi nhanh chóng bằng cách cho nó giãn nở. Ông để ý thấy các giọt nước hình thành đều nhất xung quanh các ion. Vì các tia phóng xạ làm ion hóa không khí mà chúng đi qua, nên buồng mây sẽ cho biết đường đi của chúng.

            Buồng mây trở thành một công cụ quan trọng trong thập niên 1920 khi các nhà khoa học Cavendish phát triển những phương thức cải tiến điều khiển và tự động hóa sự hoạt động của nó, và phát minh của Wilson được ghi nhận với giải thưởng Nobel vật lí năm 1927. Trong khi một số nhà vật lí tiếp tục sử dụng nó để nghiên cứu sự phóng xạ và các va chạm giữa hạt nhân và những hạt alpha hoặc proton, thì những người khác đang khám phá những ứng dụng khác. Đặc biệt, năm 1930, tại Caltech (Viện Công nghệ California) giáo sư Robert Millikan (1868–1953; người giành giải Nobel vật lí năm 1923 cho một thí nghiệm năm 1909 đo điện tích mang bởi các hạt electron) đã giao cho một nghiên cứu sinh tên là Carl Anderson (1905–91) nhiệm vụ phát triển một buồng bọt để nghiên cứu tia vũ trụ. Các kết quả, sẽ mô tả trong chương sau, thật xuất sắc.

Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Alfred B. Bortz
Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Bài trước | Bài kế tiếp